（本文素材来源于专利WO2024073135A1）本文公开了一种膝关节组件，包括一个第一连接件，其第一端机械连接到一个设计用于机械连接的装置。第一连接件能够绕第一枢轴相对于机器人的上腿旋转，并且一个第二枢轴可以相对于上腿围绕旋转。一个线性执行器装置可以机械连接到第一连接件的第二端和第二连接件的第二端，当该装置被激活时，可以使第一连接件绕第一枢轴相对于机器人上腿旋转，并使腿部相对于上腿绕第二枢轴旋转。翻译而来供参考，亦可加入知识星球阅读英文原版、中文译文（见文末）。
图1是一个示例人形机器人100的示意图，根据一个实施例，本文描述的系统和方法可以集成到该机器人中。人形机器人100可以包括一个上半身102、两只手臂104和两条腿106。上半身102可以包括一个用于控制机器人100的控制器108。控制器108可以包括处理电路110和通信接口112。处理电路110可以与通信接口112进行通信连接。处理电路110可以包括处理器114和存储器116。机器人100可以包括与多个关节相关联的多个执行器118。机器人100可能配备一个或多个用于感知机器人100自身状态或其周围环境的传感器。机器人100还可能配备一个或多个摄像头。
处理器114可以实现为单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器（DSP）、应用专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其他可编程逻辑设备、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件，或设计用于执行本文所述功能的任意组合。处理器114可能是一种微处理器。处理器114还可以实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核心，或其他类似配置。在某些实现中，控制器108可能包括一个或多个处理器114。
存储器116（例如，存储单元和/或存储设备）可以包括一个或多个设备（如RAM、ROM、闪存、硬盘存储）用于存储数据和/或计算机代码，以完成或辅助本披露中描述的各种过程。存储器116可以与处理器114进行通信连接，以向处理器114提供计算机代码或指令，用于执行本文描述的至少部分过程。此外，存储器116可以是或包括有形的、非瞬时的易失性存储器或非易失性存储器。例如，存储器116可以包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件，或用于支持本文描述的各种活动和信息结构的任何其他类型的信息结构。
通信接口112可以包括任何组合的有线和/或无线接口（例如插孔、天线、发射器、接收器、收发器、线端子）用于与机器人100的各种系统或设备进行数据通信。例如，通信接口112可以在处理电路110（或处理器114）与集成在机器人100中的执行器118、传感器或摄像头之间实现通信。在某些实现中，通信接口112可以实现与远程系统或设备的通信。
处理电路110或处理器114可以被配置为控制机器人100的关节。处理电路110或处理器114可以通过控制相应的执行器118来控制关节或与关节相关的运动。具体来说，每个关节可以包括或与一个或多个执行器118关联，这些执行器配置为驱动通过该关节连接的机器人组件或部件的运动。如下面进一步详细讨论的，处理电路110或处理器114可以向执行器118发送指令，以实现或触发机器人100一个或多个元素或组件的精确运动。处理电路110或处理器114可以同时控制多个关节，以实现机器人100的协调运动。
处理电路110或处理器114可以接收来自集成在机器人100中的传感器和/或摄像头的数据，并基于接收到的数据做出决策，例如，决定移动机器人100的哪些元素以及如何移动。例如，从传感器和/或摄像头接收到的数据可以指示机器人100路径上的障碍物。处理电路110或处理器114可以决定修改路径，并基于修改后的路径确定一个或多个肢体或组件的运动。在某些实现中，处理电路110或处理器114可以接收来自远程设备或系统的数据，该数据指示机器人100需要执行的任务，并确定执行该任务的肢体或组件的运动顺序。
虽然图1显示控制器集成在机器人100的胸部或上半身中，但一般而言，控制器108可以放置或集成在机器人100的其他区域或部件中。例如，机器人100可以包括一个头部，控制器108可以集成在头部或头部上。在一些实施例中，控制器108可以放置在背部、腰部区域中或在机器人100的一个肢体上。
图2展示了图示200A-C，描绘了人膝关节的解剖结构与机器人膝关节高层设计之间的类比，依据一个实施例。在图200A中，显示了膝关节的侧视图，并用箭头202-204表示一些施加在膝关节上的力。例如，箭头202可以表示股四头肌或股四头肌腱对髌骨施加的力。箭头204可以表示髌韧带对髌骨施加的力。箭头206可以表示髌骨对股骨或覆盖股骨末端的关节软骨施加的力。这些力驱动膝关节的运动，并维持膝关节的结构和几何形状。其他相关的力包括股骨和胫骨之间沿前交叉韧带（ACL）和后交叉韧带（PCL）的力。
图200B展示了一个与图200A中的生物膝关节相对应的类似机械系统。该类似机械系统可以被视为一个四点或四节点的机械系统。换句话说，机械系统可以包括四个点或节点208-214，代表力的作用点。点或节点208可以视为对应于髌骨。点或节点210可以视为对应于髌韧带与胫骨之间的连接。点或节点212可以视为对应于股骨与胫骨之间的连接，例如，通过前交叉韧带（ACL）和/或后交叉韧带（PCL）。点或节点214可以视为代表髌骨对股骨施加的力的点力。
在类似的机械系统中，四个点或节点208-214可以通过四个连杆或连接件相互连接或耦合。连杆216可以连接或耦合点208和点210。连杆218可以连接或耦合点210和点212。连杆220可以连接或耦合点212和点214。连杆222可以连接或耦合点214和点208。
图200C展示了一个基于图200B的类似机械系统的机器人膝关节组件的示例设计。该膝关节组件的设计可以包括四个连接点224-230，分别对应于类似机械系统中的点或节点208-214。该设计可以包括一个机械连杆或连接件232，对应于类似机械系统中的连杆216，一个机械连杆或连接件234，对应于连杆220，以及一个机械连杆或连接件236，对应于连杆222。连接点226和228可以布置或实现于表示机器人腿部下半部分的结构或组件中。
图3A展示了人形机器人300的双腿的透视图，根据一个实施例。人形机器人300的两条腿均处于笔直的位置。每条腿可以包括一个上半部分302、一个下半部分304和一个膝关节组件306。左腿的上半部分302的外部覆盖或外壳被移除，以暴露内部组件。图3B展示了人形机器人300的双腿的另一视图，其中下半部分的位置有所不同，根据一个实施例。
上半部分302对应于大腿，可以在本文中称为机器人腿的上腿、大腿部分或上肢部分。下半部分304对应于膝盖和踝关节之间的腿部部分，可以在本文中称为下肢部分或下腿。膝关节组件306可以包括连杆（或连接件）和/或其他配置或结构化的组件，用于使下半部分304相对于上半部分302进行运动。膝关节组件306及其相关组件和机制将在下面与图4-5相关联的部分中进一步讨论。
图4展示了人形机器人300的膝关节组件400的示例，根据一个实施例。膝关节组件400可以用于或集成到人形机器人中，例如机器人100和300，或其他类型的机器人。虽然在本文中称其为膝关节组件，但该关节组件400也可以用于其他类型的关节，例如，不一定是膝关节。膝关节组件400可以包括一个第一连杆组件402和一个第二连杆组件404。膝关节组件400可以包括或与一个相应的线性执行器设备406相关联。
第一连杆组件402可以具有一个第一端408和一个第二端（或相对端）410。第一连杆组件402的第一端408可以机械地连接到机器人300腿部的上半部分302。第一连杆组件402可以被配置或结构化为绕机器人300腿部上半部分302的第一个支点412旋转。第二连杆组件404可以具有一个第一端414和一个第二端（或相对端）416。第二连杆组件404的第一端414可以机械地连接到机器人300腿部的下半部分304。机器人300腿部的下半部分304可以机械地连接到腿部的上半部分302。腿部的下半部分304可以被配置或结构化为绕机器人300腿部上半部分302的第二个支点418旋转。
线性执行器设备406可以机械地连接到第一连杆组件402的第二端410和第二连杆组件404的第二端416。当线性执行器设备406被激活时，可以使第一连杆组件402绕机器人300腿部上半部分302的第一个支点412旋转。具体来说，线性执行器设备406在激活时，可以对第一连杆组件402的第二端410施加一个力，从而使第一连杆组件402绕第一个支点412相对于腿部上半部分302旋转。线性执行器设备406在激活时，还可以使机器人300腿部的下半部分304绕第二个支点418相对于腿部上半部分302旋转。具体来说，线性执行器设备406在激活时，可以通过第二连杆组件404对下半部分304施加一个力，使下半部分304绕第二个支点418相对于腿部上半部分302旋转。
线性执行器设备406可以通过各种方式与第一连杆组件402和第二连杆组件404机械连接。例如，第一连杆组件402可以配置为绕第三个支点420a相对于线性执行器设备406旋转，而第二连杆组件404可以配置为绕第四个支点420b相对于线性执行器设备406旋转。如图4所示，第三个支点420a与第四个支点420b可以不同。第三个支点420a可以机械地将第一连杆组件402的第二端408连接到线性执行器设备406，第四个支点420b可以机械地将第二连杆组件404的第二端416连接到第一连杆组件402的第二端410。换句话说，线性执行器设备406可以直接与第一连杆组件402连接，但通过第一连杆组件402与第二连杆组件404机械连接。
在某些实现中，支点420a和420b可以是相同的支点，该支点机械地将第一连杆组件402的第二端410和第二连杆组件404的第二端416连接到线性执行器设备406。换句话说，第一连杆组件402的第二端410可以包括一个单一的支点，该支点机械地连接线性执行器设备406、第一连杆组件402和第二连杆组件404。
在某些实现中，机器人300腿部的下半部分304可以配置为绕支点422旋转，相对于第二连杆组件404。支点422可以机械地将第二连杆组件404的第一端414与机器人300腿部的下半部分304连接。腿部下半部分304绕支点422旋转并相对于第二连杆组件404的能力，意味着下半部分304与第二连杆组件404之间的角度具有灵活性。
线性执行器设备406可以包括一个移动结构424，例如杆或轴等。移动结构424可以机械地连接到第一连杆组件402的第二端410。当线性执行器设备406被激活时，移动结构424会根据平移运动移动，并对第一连杆组件402的第二端410施加一定的力，导致第一连杆组件402的第二端410移动，即根据平移运动移动。第二端410的移动导致第一连杆组件402绕机器人300腿部上半部分302的第一个支点412旋转。
线性执行器设备406可以包括一个伺服电机，该电机配置为使移动结构424根据平移运动移动。伺服电机可以实现对线性执行器设备406的移动结构424进行精确的位移或位移增量控制。每个位移增量可以对应于机器人300腿部上半部分302与下半部分304之间角度的增量。
将图4中的膝关节组件400与图2中的类似机械系统和关节设计进行比较，可以将枢轴420a和420b视为图2中的点208和连接点224。枢轴422可以视为图2中的点210或连接点226。枢轴412可以视为图2中的点214或连接点230，而枢轴418可以视为图2中的点212或连接点228。此外，第一个连杆402可以视为图2中的连杆222和236，而第二个连杆404可以视为图2中的连杆216和232。
膝关节组件400使得能够使用相对简单且体积较小的执行器，例如线性执行器406。换句话说，膝关节组件400的设计使得线性执行器406产生的线性运动可以转化为机器人300腿部下半部分304相对于上半部分302的旋转运动。机器人300的腿部下半部分304可以具有大约180度的旋转角范围。例如，机器人300可以使腿部下半部分304向后弯曲或移动，达到180度或接近180度的角度，例如175度或170度。
膝关节组件400使得下半部分304能够在不产生糟糕几何结构的情况下，具有较宽的旋转运动范围，并且具有相对较高的效率。例如，虽然腿部下半部分304的旋转角范围约为180度，但线性执行器装置406施加力的第一连接件402的旋转角范围约为60度（例如，在50到70度之间或在45到75度之间）。换句话说，为了使下半部分304旋转约180度，线性执行器装置406可以推动或施加力于第一连接件402的第二端410，使得第一连接件402绕着枢轴412旋转约60度。这意味着线性执行器装置406的移动结构424只需以相对较小的距离或位移进行线性运动。
在某些实现中，第二连接件404可以包括一个力传感器426，例如，用于测量第二连接件404上的力。力传感器426可以与控制器108或处理电路410进行通信连接。在一些实现中，第一连接件402可以通过枢轴412与上半部分402的结构428机械耦合。线性执行器装置406可以安装或集成在机器人300的腿部上半部分402中。
控制器108或处理电路110可以控制线性执行器装置406。例如，处理电路110或处理器114可以指定在任何时刻移动结构424需要进行的位移或运动量。关于膝关节组件400的操作机制将在下文中与图5一起详细描述。
确定机器人腿部下部304相对于上部302的期望姿态（步骤502）。 使用期望姿态确定线性执行器装置406的移动结构424的位移量（步骤504）。 发送或传输指令到线性执行器装置406，以使移动结构按确定的位移量移动（步骤506）。 由线性执行器装置406使移动结构424按确定的位移量移动，从而导致机器人腿部下部304相对于上部302旋转以达到期望的姿态（步骤508）。
该方法500可以由处理电路110或处理器114与线性执行器装置406配合执行。处理电路110或处理器114可以执行计算机代码指令，例如，存储在内存116中的代码，以执行方法500的步骤502-506。
该方法500可以包括处理电路110或处理器114确定机器人腿部下半部分304相对于上半部分302的期望姿态（步骤502）。具体来说，处理电路110或处理器114可以确定下半部分304相对于上半部分302的期望角度。处理电路110或处理器114可以根据要执行的期望任务（例如，行走、跳跃、踢球等）来确定期望角度或姿态。处理电路110或处理器114可以将任务分解为在一段时间内执行的一系列动作。在一些实现中，处理电路110或处理器114可以确定机器人腿部下半部分304相对于上半部分302的瞬时位置或姿态、下半部分304的速度和期望的扭矩。处理电路110或处理器114可以使用将执行器力映射到关节扭矩的函数和/或从连杆力传感器到关节扭矩的函数。
该方法500可以包括处理电路110或处理器114根据期望的姿态确定线性执行器装置406的移动结构424的位移（步骤504）。鉴于膝关节组件400的几何结构和设计，机器人腿部下半部分304与上半部分302之间的每个角度都对应或映射到移动结构424的相应位置（或线性执行器装置406的相应状态）。换句话说，当移动结构424处于对应的特定位移或位置时，机器人腿部下半部分304相对于上半部分302的位置或姿态在给定角度上。处理电路110或处理器114可以维护一个数据结构，例如在内存116中，存储下半部分304与上半部分302之间各种角度值与移动结构424的对应位置或位移值（或线性执行器装置406的对应状态）之间的映射或关联。处理电路110或处理器114可以使用数据结构和下半部分304的期望姿态或角度来确定移动结构424的期望位置或位移。
在某些实现中，处理电路110或处理器114可以实时计算移动结构424的期望位置或位移，例如，使用力、扭矩和/或速度的封闭式表达式或公式。处理电路110或处理器114可以利用机器人腿部下半部分304的瞬时位置（例如，下半部分304与上半部分302之间的角度）、下半部分304的速度和/或期望的扭矩来实时确定移动结构424的位置或位移。
在某些实现中，处理电路110或处理器114可以跟踪机器人腿部下半部分304与上半部分之间的当前角度，以及线性执行器装置406的当前状态或移动结构424的当前位置。处理电路110或处理器114可以使用数据结构、期望的下半部分角度和当前角度，以及移动结构424的当前位置，来确定移动结构424需要进行的额外位移或运动。
该方法500可以包括处理电路110或处理器114向线性执行器装置406发送或传输指令，以使移动结构按确定的位移移动（步骤506），并且线性执行器装置406使移动结构424按确定的位移移动，从而使机器人腿部的下半部分304相对于上半部分302旋转，达到期望的姿态（步骤508）。处理电路110或处理器114可以通过通信接口112向线性执行器装置406发送或传输指令。这些指令可以包括线性执行器装置的新状态指示、移动结构424的新位置指示，或指示移动结构424的方向和距离。
在一些实现中，可以通过计算机模拟选择或确定膝关节设计的参数，例如第一连杆402和第二连杆404的长度，以最小化或减少执行器406的功耗。给定执行特定任务（如步行或跑步）的膝关节轨迹，包含一个或多个处理器和内存的计算机系统可以模拟具有不同参数的膝关节组件400，并确定导致执行器406功耗最低的参数集。膝关节的轨迹可以包括位置或角度（例如，机器人腿部的下半部分304），速度以及随时间变化的连杆关节扭矩，以实现特定任务。
参考图6，图600展示了不同候选设计（例如，具有不同参数）膝关节组件400的模拟结果。x轴显示了关节角度或位置，例如机器人腿部下半部分304的角度。图中曲线602和604分别表示为实现特定任务而随时间变化的速度和连杆关节扭矩。曲线606-610表示计算机模拟确定的膝关节组件400的三种不同设计（例如，具有不同参数）的连杆关节扭矩。计算机系统可以为每种设计确定执行器406的功耗（例如，使用模拟数据），并比较确定的功率值。功耗最低的设计可以被选为最终的膝关节组件400模型或设计。换句话说，在制造或生产膝关节组件400之前，计算机系统可以确定要使用的期望参数（例如，机器人腿部304的参数）。
虽然图6展示了三种候选设计，计算机系统可以模拟更多的设计，以优化或确定在减少或最小化功耗方面的“最佳”参数值。在一些实现中，模拟可以是迭代的，每次新的模拟中，参数集会根据之前模拟的结果进行修改。
响应收到的指令，线性驱动器装置106的控制器可以驱动电动机，例如伺服电机，使移动结构按照确定的位移或移动到新的位置。
尽管本文描述的实施方案主要与类人机器人膝关节组件相关，但这些实施方案也可以用于其他类型的关节和/或其他类型的机器人。
在与本文所述实施方案相关的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤中，这些步骤可能以电子硬件、计算机软件或两者的组合形式实现。为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，各种说明性组件、块、模块、电路和步骤已根据其功能进行描述。具体功能的实现方式取决于特定的应用和对整体系统的设计约束。熟练的技术人员可以根据每个特定应用以不同方式实现所描述的功能，但这些实现决定不应被解读为偏离本公开内容或权利要求的范围。
在计算机软件中实现的实施方案可以通过软件、固件、 中间件、微码、硬件描述语言或它们的任意组合来实现。代码段或机器可执行指令可以表示程序、函数、子程序、程序例程、子例程、模块、软件包、类或任何指令、数据结构或程序语句的组合。代码段可以通过传递和/或接收信息、数据、参数、参数或内存内容的方式与另一个代码段或硬件电路耦合。信息、参数、数据等可以通过任何适用的方式传递、转发或传输，包括内存共享、消息传递、令牌传递、网络传输等。
实现这些系统和方法的实际软件代码或专用控制硬件并不限制所声称的特征或本披露。因此，虽然描述了系统和方法的操作和行为，但没有具体提及软件代码，理解上软件和控制硬件可以根据本文描述来设计和实现这些系统和方法。
当以软件形式实现时，功能可以存储为一个或多个指令或代码，这些指令或代码存储在非瞬态的计算机可读或处理器可读存储介质上。方法或算法的步骤可以体现为一个处理器可执行的软件模块，该模块可以驻留在计算机可读或处理器可读的存储介质上。非瞬态计算机可读或处理器可读介质包括计算机存储介质和便于计算机程序从一个地方转移到另一个地方的有形存储介质。非瞬态处理器可读存储介质可以是任何可由计算机访问的可用介质。例如，非瞬态处理器可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁性存储设备，或任何其他有形存储介质，这些介质可以用来存储所需的程序代码（以指令或数据结构的形式），并且可以被计算机或处理器访问。文中所述的磁盘和光盘，包括光盘（CD）、激光盘、光学盘、数字多功能盘（DVD）、蓝光盘和软盘，其中“磁盘”通常通过磁性方式再现数据，而“光盘”通过激光以光学方式再现数据。以上各种组合也应包括在计算机可读介质的范围内。此外，方法或算法的操作可以作为一组或任何组合的代码和/或指令驻留在非瞬态的处理器可读介质和/或计算机可读介质上，这些代码和/或指令可以被集成到计算机程序产品中。
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