；所述第四彈簧儲能器4-7的另一端鉸 接在小腿4-4上；所述第四彈簧儲能器4-7在彎曲:必*關(guān)節(jié)時(shí)長度縮短而儲存能量，伸展 關(guān)節(jié)時(shí)釋放能量，這樣有助于提升機(jī)器人在行走、奔跑等步態(tài)時(shí)的能量利用效率，并有助于 提升機(jī)器人跳躍的高度；所述提升機(jī)器人能量利用效率是指，如在奔跑時(shí)，可以在腿觸地彎 曲時(shí)把機(jī)器人身體的重力勢能及動能轉(zhuǎn)化為彈簧儲能器的彈性勢能而儲存起來，而在腿隨 后發(fā)力而使身體騰空的過程中再釋放能量，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的再生重復(fù)利用；所述有助 于提升機(jī)器人跳躍的高度是指，如在原地下蹲起跳時(shí)，可以先通過關(guān)節(jié)電機(jī)主動彎曲關(guān)節(jié)， 使彈簧儲能器儲存電機(jī)輸出的能量，接著關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動力矩結(jié)合儲存的彈性勢能共同發(fā) 力伸長腿以實(shí)現(xiàn)彈跳，這樣相比沒有彈簧儲能器將顯著提升機(jī)器人的跳躍高度；所述第四 足4-2通過第四應(yīng)變式力傳感器4固定在小腿板4-3上；所述小腿板4-3固定在小腿4-4 上；所述第四足4-2上覆蓋有由耐磨橡膠構(gòu)成的足墊4-1 ;
[0035] 如圖2、圖4、圖7所示，所述動力與運(yùn)動控制系統(tǒng)II，包括一個(gè)運(yùn)動控制模塊II -1， 2個(gè)電機(jī)驅(qū)動與控制模塊II -2、II -3和12個(gè)電機(jī)II -4-1、II -4-2、II -4-3、II -4-4、 II -4-5、II -4-6、II -4-7、II -4-8、II -4-9、II -4-10、II -4-11、II -4-12 ;其中第一第二 兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動與控制模塊內(nèi)共包含12塊電機(jī)控制板，第一電機(jī)驅(qū)動與控制模塊II -2其包 括6塊結(jié)構(gòu)相同的電機(jī)控制板II ?、II H、II H、II H、II H、II H，第二電 機(jī)驅(qū)動與控制模塊II -3其也包括6塊結(jié)構(gòu)相同的電機(jī)控制板II -2-7、II -2-8、II -2-9、 11 -2-10、II -2-11、II -2-12 ;所述12塊電機(jī)控制板與12個(gè)電機(jī)--對應(yīng)，構(gòu)成12個(gè)關(guān)節(jié) 驅(qū)動單元，各電機(jī)控制板接收運(yùn)動控制模塊II -1的命令實(shí)現(xiàn)對各自電機(jī)的運(yùn)動控制；所述 12 個(gè)電機(jī) II -4-1、II -4-2、II -4-3、II -4-4、II -4-5、II -4-6、II -4-7、II -4-8、II -4-9、 II -4-10、II -4-11、II -4-12都是交流永磁同步電機(jī)；所述交流永磁同步電機(jī)為盤式外轉(zhuǎn) 子力矩電機(jī)或帶低減速比行星減速器的內(nèi)轉(zhuǎn)子盤式力矩電機(jī)；所述每個(gè)交流永磁同步電機(jī) 帶有磁旋轉(zhuǎn)編碼器和溫度傳感器；所述磁旋轉(zhuǎn)編碼器采用絕對式無接觸磁旋轉(zhuǎn)編碼器(如 AS5045);所述各條腿/^關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)II -4-1、II -4-4、II -4-7、II -4-10共軸線安裝在 機(jī)器人機(jī)身Body模塊I -0內(nèi)。
[0036] 如圖7所示，所述動力與運(yùn)動控制系統(tǒng)II采用多層次架構(gòu)；其中包括12個(gè)電機(jī) II -4-1、II -4-2、II -4-3、II -4-4、II -4-5、II -4-6、II -4-7、II -4-8、II -4-9、II -4-10、 II -4-11、II -4-12 及與之對應(yīng)的 12 塊電機(jī)控制板 II -2-1、II -2-2、II -2-3、II -2-4、 II _2-5、II _2-6、II _2-7、II _2-8、II _2-9、II -2-10、II -2-11、II -2-12，運(yùn)動控制器 II -1-1，4個(gè)足端應(yīng)變式力傳感器1、2、3、4,3軸陀螺儀II -1-2,3軸加速度計(jì)II -1-3,遙控 通訊設(shè)備II -1-4,數(shù)據(jù)記錄模塊II -1-5和可選擴(kuò)展設(shè)備II -1-6 ;其中運(yùn)動控制器II -1-1 采用高性能DSP處理器或RAM處理器；運(yùn)動控制器II -1-1通過多組高速串行總線（如多組 UART)實(shí)現(xiàn)與所述各電機(jī)驅(qū)動板的實(shí)時(shí)通訊；所述4個(gè)足端應(yīng)變式力傳感器1、2、3、4用于采 集各個(gè)腿Leg模塊I -1、I -2、I -3、I -4的足端接觸力信號；所述3軸陀螺儀II -1-2和 3軸加速度計(jì)II -1-3安裝在機(jī)器人機(jī)身中心位置附近；所述3軸陀螺儀II -1-2和3軸加 速度計(jì)II -1-3分別用于感受四足機(jī)器人機(jī)身的3個(gè)正交軸向的角速度信號和3個(gè)正交軸 向的加速度信號；所述數(shù)據(jù)記錄模塊II -1-5用于記錄機(jī)器人的各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)及報(bào)告； 所述遙控通訊設(shè)備II -1-4用于觀測機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)并給運(yùn)動控制器發(fā)送機(jī)器人控 制指令；所述可選擴(kuò)展設(shè)備II -1-6用于給四足機(jī)器人提供高層決策能力，如用kinect的深 度數(shù)據(jù)對機(jī)器人前方的場景進(jìn)行3D建模，然后實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、避障等運(yùn)動控制策略，然后 把策略結(jié)果發(fā)送給運(yùn)動控制器II -1-1執(zhí)行；所述可選擴(kuò)展設(shè)備II -1-6還提供很多通用接 口，如WIFI、UART、SPI、GPIO等，方便機(jī)器人使用者擴(kuò)展機(jī)器人功能。
[0037] 如圖8所示，所述12個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動單元（電機(jī)控制板+PMSM)，均采用帶前饋控制的直 接力矩控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的力矩控制、速度控制、位置控制；所述各PMSM電機(jī)上都裝有 溫度傳感器和磁旋轉(zhuǎn)編碼器；所述電機(jī)控制板內(nèi)的微控制器MCU根據(jù)采集到的電機(jī)各相電 流信號（iA、iB、iC)、電機(jī)當(dāng)前角度信號和電機(jī)溫度信號運(yùn)行相應(yīng)的控制算法，輸出電機(jī)相 電壓控制信號（vA、vB、vC)給三相逆變電橋，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制；所述各電機(jī)控制板通過 溫度傳感器監(jiān)測對應(yīng)電機(jī)的溫度，防止電機(jī)過熱；所述各電機(jī)控制板在當(dāng)前各電機(jī)溫度較 低時(shí)，允許對各電機(jī)實(shí)施超額定電流驅(qū)動，使電機(jī)瞬時(shí)獲得較大的驅(qū)動電流而瞬時(shí)輸出較 大的力矩；所述超額定電流工作的電機(jī)，是為了提升機(jī)器人腿部間歇性發(fā)力運(yùn)動步態(tài)下(如 奔跑、跳躍）的性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電驅(qū)動小型仿生四足機(jī)器人，包括機(jī)械系統(tǒng)（I )、動力與運(yùn)動控制系統(tǒng)（ID ; 其特征在于：所述機(jī)械系統(tǒng)（I )包括機(jī)身模塊（I -0)和4個(gè)腿模塊（I -1、I -2、I -3、 I -4);所述動力與運(yùn)動控制系統(tǒng)（II)包括運(yùn)動控制模塊（II -1)、第一電機(jī)驅(qū)動與控制 模塊（II -2)、第二電機(jī)驅(qū)動與控制模塊（II -3)、第一電機(jī)（II -4-1)、第二電機(jī)（II -4-2)、 第三電機(jī)（II -4-3)、第四電機(jī)（II -4-4)、第五電機(jī)（II -4-5)、第六電機(jī)（II -4-6)、第七電 機(jī)（II -4-7)、第八電機(jī)（II -4-8)、第九電機(jī)（II -4-9)、第十電機(jī)（II -4-10)、第^^一電機(jī) (II -4-11)、第十二電機(jī)（II -4-12);所述機(jī)身模塊（I -0)作為四足機(jī)器人的身體；所述第 一腿模塊（I -1)、第二腿模塊（I -2)、第三腿模塊（I -3)、第四腿模塊（I -4)分別對稱安 裝在機(jī)身模塊（I -〇)上；所述動力與運(yùn)動控制系統(tǒng)（II)也固定安裝在機(jī)身模塊（I -〇)上； 所述4個(gè)腿模塊（I -1、I -2、I -3、I -4)機(jī)械原理完全相同，實(shí)際安裝布置方式根據(jù)機(jī)器 人對不同運(yùn)動性能的優(yōu)化會有所不同。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動小型仿生四足機(jī)器人，其特征在于：所述四足機(jī)器人 4個(gè)腿模塊（I -1、I -2、I -3、I -4)實(shí)際的安裝布置方式，劃分為a、b、c、d這4種：①當(dāng) 為使四足機(jī)器人具有較好的被控性能時(shí)，選用a這種布置方式，因?yàn)樵谒淖銠C(jī)器人典型的 對角步態(tài)時(shí)，機(jī)器人的左前腿模塊與右后腿模塊和右前腿模塊與左后腿模塊的運(yùn)動是關(guān)于 機(jī)器人中心完全對稱的，這將明顯削弱腿部運(yùn)動慣性力；②當(dāng)為使機(jī)器人具有較多的載貨 空間時(shí)，選用b這種布置方式，此時(shí)機(jī)器人4個(gè)腿模塊都較遠(yuǎn)離機(jī)器人身體，這給貨物騰出 了更多的空間；③當(dāng)為了提升機(jī)器人奔跑的速度、跳躍的高度時(shí)，選用c這種布置方式，由 于兩連桿腿在動力學(xué)上的特點(diǎn)，使得這種結(jié)構(gòu)形式有利于提升機(jī)器人在奔跑、跳躍等步態(tài) 的性能；④當(dāng)機(jī)器人在復(fù)雜地形運(yùn)動時(shí)，選用d這種布置方式，此時(shí)Leg模塊各膝關(guān)節(jié)靠后， 以盡量避免膝關(guān)節(jié)與其前方的障礙物相碰撞。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動小型仿生四足機(jī)器人，其特征在于：所述各腿模塊 (I -1、I -2、I -3、I -4)，具有3個(gè)自由度，即3個(gè)運(yùn)動關(guān)節(jié)，這三個(gè)運(yùn)動關(guān)節(jié)分別記為 辦、辦、辦:；辦與為是兩個(gè)相互正交的髖關(guān)節(jié)，/3為膝關(guān)節(jié)；經(jīng)過足端點(diǎn)并與心軸線 平行的軸線記為為；其中軸線與軸線正交，/=*軸線與軸線相平行；所述腿模塊 (I -1、I -2、I -3、I -4)的大腿長記為厶，小腿長記為·?，左右兩腿間距記為眾，前后兩 腿間距記為海；所述為與為基本等長；所述四足機(jī)器人§^+^|多1??、>道，這模仿了4足 哺乳動物的腿長與腿間距的比值，四足哺乳動物一般都具有狹窄的身體，這有助于四足機(jī) 器人實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)動性能，并且能較容易的通過狹小地形；當(dāng)為使四足機(jī)器人具有較好的 穩(wěn)定性及具有較大的載貨空間時(shí)，取此時(shí)機(jī)器人的身體相比身高較長； 當(dāng)為使四足機(jī)器人具有較好的運(yùn)動性能時(shí)，取此時(shí)機(jī)器人的身體較短， 機(jī)器人整體的轉(zhuǎn)動慣量較小；所述每個(gè)腿模塊理想的足端點(diǎn)是在軸線在滿軸線的垂直 投影點(diǎn)上，但實(shí)際由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，足端點(diǎn)會有在沿各軸線上向身體外側(cè)的稍許偏 移。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的