（本文素材源于专利US20240294221A1）一种腿式机器人，其腿部由多个连接构成，其中一个是远端连接。在远端连接的末端设置了一个用于与地形接触的足部组件。当机器人迈步时，足部组件中有效惯性低于其余部分的一部分首先接触地面，通过位于远端连接或中间连接上的执行器，该部分能够在其余足部组件接触地面之前降低其垂直速度。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）。
参考图1和图2，展示了一种腿式机器人110的腿部结构，如同现有技术中的腿式机器人100。尽管仅展示了一条腿，这些机器人100至少配备两条可伸缩的腿110，每条腿都以一个足部组件120为终点。为了迈步，髋部130和膝部135的执行器协同工作，使腿110离开行走表面，向前移动，然后再次降落到行走表面上。脚踝140的执行器控制脚趾关节150的运动，脚趾关节150将脚120连接到腿110上。值得注意的是，机器人100配备了第一弹簧160和隐藏在腿部内部的第二弹簧165，用于保护执行器130和135免受脚触地时产生的突然力峰的影响。然而，为了实现更高的控制精度，计划移除弹簧160和165。此外，尽管弹簧有助于减少冲击力，但腿部从弹簧到触地足部之间仍存在显著惯性，这导致机器人步态过于“跺脚”，冲击力大于预期。在本文中，腿部惯性定义为当脚触地迈步时，腿部所有改变速度的质量，包括与腿部操作相关的任何执行器的反射惯性。
参考图2并结合前述内容，展示了图1中机器人100的修改版本，即机器人200。根据所披露的主题内容，机器人200通过一种多阶段的方法进行改进，以应对改进后的三连杆腿210和足部组件220接触地面时的初始冲击。足部组件220在初始触地时具有非常低的有效惯性。随后，腿部210上的足部组件执行器230逐步减速足部组件220的其余部分，直到其速度与地面速度相匹配。
此外，对图1中足部组件120的修改可以体现在图2的足部组件220中。在一些实施例中，改进后的足部组件220包括第一部分240，它在机器人200的重量由足部组件220支撑之前首先接触地面。当第一部分240接触地面时，至少一个被动元件（如弹簧）或一个主动元件（如执行器），或主动元件与被动元件串联组合（无论是背驱还是其他受控方式），将足部组件220的第二部分245的速度降低至接近零的速度，并最好在第二部分245接触地面时同步完成。接近零的速度接触地面，确保了与地面的速度匹配，防止刚体碰撞腿部惯性组成部分。零加速度保证了在接触瞬间脚部上下的力平衡，这意味着第二部分不会产生冲击力、噪声或效率低下的弹跳。
改进后的机器人200在触地时提供柔性接触，而在支撑阶段提供刚性接触。此外，当足部组件220仅部分接触地面时，机器人200可通过脚趾和脚跟缓冲器或弹簧/阻尼机构提供串联柔性。然而，当足部组件220完全接触地面时（即两部分均已接触地面），则不存在串联柔性。这种设计允许更好的控制权，并能够使用标准刚体控制方法而无需假设。改进后的机器人200在减少冲击力的同时，支持已知的控制技术。
在某些实施例中，第一部分240的有效惯性显著小于腿部的有效惯性，而腿部在第二部分245接触地面时实际上触地。此处“有效惯性”在接触点处计算或测量，包括至少以下部分的贡献：足部组件220的旋转惯性、足部组件220的线性惯性，以及由于任何与足部组件220操作相关的执行器（如执行器230）的加速而产生的反射惯性部分。
随着步伐继续进行，超出第二部分245触地的时刻，由腿160施加到足部组件220的力会逐渐增加，在涉及被动元件（如足部弹簧）的实施例中，该力将弹簧压到其硬停止点。这种足部组件220中弹簧的“完全压缩”暂时将其转换为地面与腿160之间的刚性连接。通过这种方式，足部组件220的垂直速度有效地与地面速度匹配，整个过程中从触地前的零力逐渐平滑过渡到足部完全接触时的最大力，使得此时由腿部控制施加到地面的力，没有碰撞、力峰值或控制问题。为了进一步说明这种新方法，本文将讨论一些示例性实施例。
参考图3和图4，并结合前述内容，展示了一种用于腿式移动的示例性机器人400及其腿部结构410。腿410包含至少第一、第二和第三连接件412、414和416，这些连接件通过关节418、420互相连接，并通过关节424连接到机器人主体422上。髋关节执行器426安装在机器人主体422上，用于控制腿410相对于主体422的前后移动。膝关节执行器428安装在第一连接件412上，用于伸展和收缩腿410。
第一连接件412通过枢轴连接到第二连接件414，第二连接件414通过枢轴连接到第三连接件416。第一连接件412具有相对的第一端和第二端，其中第一端枢轴安装到主体422上。第三连接件416具有远端（在本文中，“近端”指靠近机器人主体400的位置，“远端”指相对于机器人主体400较远的位置），该远端枢轴连接一个足部组件430。在某些实施例中，第二连接件414和第三连接件416具有各自的纵轴。在这些实施例中，第二连接件414和/或第三连接件416可以绕其各自的纵轴旋转，以提供腿410的偏航和内收/外展能力。
在某些实施例中，足部组件430包括第一部分432和第二部分434。足部组件430还包括一个旋转的下脚踝关节436，提供腿410与足部组件430之间的功能连接点。在某些实施例中，足部组件430被设计为以两阶段方式运行，其中第一部分432在迈步时首先触地，并对第二部分434施加作用力以降低其速度到零，当其接触地面时达到零速度。熟悉该领域的技术人员会认识到，在某些实施例中，可以实现反向触地过程，即第二部分434首先触地并减缓第一部分的速度到零，例如当机器人400倒退行走时，或者当腿部配置被调整为第二部分434在机器人400向前行走时先于第一部分432触地。
在行走过程中，足部组件430的第一部分432首先接触地面，当其接触地面时，旋转的下脚踝关节436利用被动动力学（如一个或多个弹簧）来降低第二部分434相对于地形的垂直速度。在某些其他实施例中，可以添加一个或多个足部执行器438-440，或者单独使用这些执行器，以降低第二部分434相对于地形的垂直速度，使其在接触点接近零（或与地形速度匹配）。在某些实施例中，下脚踝关节436采用被动和主动元件的组合。
足部执行器438-440可以安装在腿部的任意连接件（412、414或416）上，也可以安装在机器人主体422上。在某些实施例中，足部执行器438-440安装在第三连接件416上，通过连接杆442-444将一个或多个足部执行器438-440连接到第一部分432。在某些实施例中，一个足部执行器438-440用于上述描述的功能，而另一个执行器则在需要时提供额外的左右平衡力。
在一些实施例中，髋关节执行器426可以绕非轴向旋转，以允许腿部410在偏航方向旋转，从而实现机器人400的转向，或实现腿部的内收/外展；但在矢状面（前后方向）中的动作中，它可以固定在参考的机器人主体框架上。髋关节执行器426、膝关节执行器428和其他较重的组件可以靠近第一连接件412或腿部400的更高位置，也可以直接安装在主体422上。这样可以有效隔离髋关节和膝关节执行器（426-428）以及其他重型组件的惯性，减少地面冲击的影响。
如图3-4所示，某一实施例中包括一个第一连接杆446，该连接杆通过扩展关节448将第一连接件412与第三连接件416连接起来，以四连杆机构的方式约束第三连接件416绕上脚踝关节420的旋转，当膝关节执行器428移动第二连接件414时实现上述约束。通过这种方式，髋关节执行器426可以控制机器人在矢状面上的腿部旋转，而膝关节执行器428控制腿长的伸展和收缩。
髋关节执行器426可以是任何合适的执行器，例如带有旋转轴的电机，可以安装在主体422上并通过合适的连接杆操作。在一些实施例中，腿部执行器426-428可以包括缆索和/或传动部件，例如滑轮。这些腿部执行器426-428可以配置为旋转和/或控制连接件412-416之一的长度。在其他实施例中，执行器426、428、440、438等可以包括滚珠丝杠和连杆，为速度减速提供与配置相关的额外功能。
此外，髋关节和膝关节执行器426-428可以布置以最小化内部工作回路，避免其中一个腿部执行器426-428做正功而另一个执行器426-428做负功的情况，从而实现机器人400的净正功输出。
在某些实施例中，机器人400可以以双足配置实现，第二条腿（未显示）与腿410基本相同。在这些实施例中，第二条腿包含另外两个髋关节和膝关节执行器，其布置为腿410的镜像。在某些实施例中，机器人400可以配置为具有类人腿部的形态，足部组件430具有类似于脚后跟接触的功能。此外，机器人400也可以实现鸟类腿部配置，其中腿410和足部组件430以鸟类的方式配置，足部组件430也具有脚后跟接触的功能。
鸟类配置提供了一种蹲姿，这种姿态便于控制。此外，这种蹲姿在遇到意外地面高度变化时具有更大的鲁棒性。
参考图5和图6，并结合前述内容，展示了另一种用于腿式移动的示例性机器人500及其腿部结构510。如图3和图4所示的实施例，腿部510包括至少第一、第二和第三连接件512-516，这些连接件通过关节518-520互相连接，并与机器人主体522连接。腿部510还可以选择性地包括连接杆526，用于将第一连接件512与第三连接件516连接起来，如图3-4中讨论的那样。
类似于图3和图4，机器人腿部510还包括髋关节执行器524和膝关节执行器530。第一连接件512具有相对的第一端和第二端，其中第一端枢轴安装在主体522上。第三连接件516的远端旋转连接一个足部组件534。足部组件534包括第一部分536和第二部分538。在一些实施例中，足部组件534设计为以两阶段方式运行，类似于图2所示实施例的描述。
与图3和图4所示的实施例不同，机器人腿部510包含一个安装在第二连接件514上的脚角度执行器540。这种配置有效地降低了脚后跟的接触惯性，同时提高了脚趾的接触惯性。脚角度执行器540通过连杆542-544连接到足部组件的第一部分536。在某些实施例中，第二连接件514的两侧各安装一个脚角度执行器，它们连接到足部组件的两个不同位置，以控制足部组件534的俯仰和滚动运动。
关于控制两阶段足部组件着地的脚角度执行器，还有两个可选位置。在某些实施例中，如图5-6所示，从腿部510的收缩配置到伸展配置的运动会使连接杆526旋转足部组件534到适当的两阶段位置，而无需额外的执行动作。这种设计在某些实施例中表现出意想不到的效率，例如降低了接触惯性，相较于足部未随腿部伸展和/或收缩而旋转的布局更具优势。
在某些实施例中，图3-4中的腿部410和/或图5-6中的腿部510可以配置为包括一个或多个两轴万向节和/或电机，以允许扭转或偏航。这种功能对于无需支撑运行的腿式机器人特别重要，因为它使机器人可以在正面平面（左右方向）和矢状平面（前后方向）上保持平衡。然而，行走或跑步中的大部分力量和动力与矢状平面运动相关。因此，腿部配置可能需要与矢状方向相关的大功率电机。
另一种方法是，在图3-4和/或图5-6所示的腿部410或510上布置一对万向节执行器，如美国专利10,189,519（例如图7-8和/或10A-10B）中所示。这是一种实现内收/外展（用于正面平面平衡）和偏航（用于转向）的另一种方法。其中一个执行器可以包括一个电机和传动装置，例如摆线传动装置。此外，图3-4中的机器人400和/或图5-6中的机器人500可以按照美国专利10,189,519（例如图9A-9D）所示的方式，在矢状平面内移动腿部。
图7-9展示了某些足部组件600的运行方式及其时间演进过程，这些方式进一步降低了机器人在使用本文所述方法和组件时可能经历的冲击力。如图3-6所示实施例中的组件，本文公开的足部组件600包含第一部分610和第二部分612，其中第一部分610预计比第二部分612先接触地形，并且旋转关节614采用一个或多个柔性元件或执行器来阻止足部组件绕旋转关节614旋转，从而使第二部分612在其垂直速度相对于地形接近零时接触地面。
与前面图中的组件不同的是，足部组件600在第一部分610上或其附近设置了第三部分616。在某些实施例中，第三部分616可以由泡沫、聚氨酯、聚合物或其他具有类似特性的材料构成，并设计为在接触地形或地面时弯曲或变形，从而降低第一部分610触地前的垂直速度。在一些实施例中，第三部分616可以连接到第一部分610，也可以同时连接到第一部分610和第二部分612。在其他实施例中，第三部分616可以由铝制成，并覆盖一层泡沫或聚合物材料，通过扭转弹簧、执行器或可背驱动执行器连接到第一部分610。还有其他实施例中，第三部分616可以是一层涂覆在第一部分610底部的泡沫、聚氨酯或其他聚合物涂层，用于降低第一部分610的速度。进一步的实施例中，图7-9中的第三部分616可以表示为压缩弹簧，与足部组件串联设置在连杆（如连杆542、544）中。
在上述实施例中，第三部分616是第一个接触地形的组件。如图7所示，当第三部分616接触地形时，它会在第一部分610触地前帮助降低其速度。在第三部分616可旋转连接到第一部分610的实施例中，当第三部分616触地时，它会相对于第一部分610被迫向上移动，从而触发扭转弹簧或其他柔性元件和/或执行器以降低第一部分610的垂直速度，使其在初次接触地形时的垂直速度与地形速度匹配，从而防止突然的冲击力发生。
在其他实施例中，第三部分616由具有线性或非线性柔性的泡沫或其他材料制成，并与第一部分610粘合或以其他方式附着。当接触地面或行走表面时，柔性材料进一步减速第一部分610，直到其初次接触地形时的速度与地形速度匹配。在某些实施例中，一种具有固定体积模量的超材料被设置在足部组件600底部，其材质中根据需要的刚度降低在材料上切割出不同尺寸的部分，使材料在前后边缘更具柔性，而在中部更为坚硬。
在足部组件600的最后部位（即第一部分610）触地后，旋转关节614（包括弹簧或执行器，或两者兼有）施加扭矩，减缓主支撑部分618绕关节614的旋转，使得附着在关节614处的下腿（即图3-4中的第三连接件416和/或图5-6中的第三连接件516）以及主支撑部分618的前部（即第二部分612）的垂直速度在主支撑部分“完全接触”地面时（如图9所示）达到零。
从图7所示的第三部分616初次接触地面开始，到图8中第一部分610接触地形的初始时刻，再到图9中第二部分612接触地形的时刻，整个过程中力的变化呈现平滑的梯度。这种力梯度有效对抗并降低了腿（以脚踝关节614为代表）的垂直速度，使其在接触地面时匹配地面的速度，从而大幅减少冲击力。尽管示例中使用了典型的人类“脚跟到脚趾”的步态足部组件结构，但所述结构和方法同样适用于例如鸟类的“脚趾到脚跟”步态。
熟悉该领域的技术人员将认识到，其他实施例中可以包括额外的部分及相应连接的柔性元件或执行器，其惯性逐步减小，以创建尽可能平滑的力梯度。在某些实施例中，这种功能可以通过单个具有非线性柔性的形状结构实现。该结构可以用相对柔软的部分接触地面，随着步态中的力增加，足部结构接触的表面积逐渐增大，同时刚度也逐步提高，使其表现为一个单一的非线性弹簧，近似于多个刚度逐步增加的连杆和弹簧。在进一步的实施例中，连接杆（例如电缆或肌腱式连接杆）可以使执行器在形状化的足部组件与地面接触时表现出不同的有效惯性和扭矩，类似于一系列逐步增大的执行器和连杆的作用。这种连续的柔性和执行器变化比单独的连杆、柔性元件或执行器能够实现更平滑的力梯度，同时仍能减速腿部质量至地面速度，并避免产生显著的冲击力。
在某些实施例中，如果在脚踝关节614中使用了执行器，该执行器可以被设置为在足部组件600的第一部分610首次接触地面时正常运作或通过背驱方式减缓第二部分612的垂直速度，直到它接触地面。同样的原理适用于第三部分616与第一部分610首次触地的关系。在步态超出触地阶段时，任何执行器都可以恢复正常运作，协助机器人在步态后期向前推进。
在某些实施例中（例如图10所述的方法），所披露的机器人系统使用了一种方法700，用于使腿式机器人穿越地形，同时尽量减少在行走过程中每个足部组件着地以及机器人将重量转移到该足部时产生的噪声和力峰值。该方法的一种实施例包括首先在步骤710中确定机器人的状态。此步骤包括使用编码器和其他传感器确定机器人所有肢体的相对位置和/或位置。在某些实施例中，每个关节中都安装了编码器，使机器人运动控制器始终能够了解每个身体部位的相对位置。在一些实施例中，还使用角速率测量设备（如陀螺仪或惯性测量装置）跟踪机器人主体相对于地面的方向。这些传感器提供有关机器人主体滚转、俯仰和偏航的信息。有了这些信息，并假设一只脚在地面上，就可以计算出步态中悬空脚的相对位置。此位置随后成为状态信息的一部分。
接下来，在步骤720中，方法涉及控制足部组件靠近行走表面时的动作，使其在初次接触地面时处于预定参数范围内。在某些实施例中，可以通过位于腿部顶部（如髋部区域）或类似于人膝关节的另一个关节中的执行器来控制垂直速度。在这些实施例中，所有编码器和其他传感器数据都会传输到中央处理器，该处理器随后计算状态信息及任何适当的未来动作，并控制所使用执行器的操作。
在某些实施例中，足部设计为低有效惯性（“第一”）部分先于主要支撑（“第二”）部分接触地形。在这些实施例中，下一步（即步骤730）是低有效惯性（“第一”）部分接触地面，并在步骤740中开始降低足部主要支撑（“第二”）部分的垂直速度，直至其接触地形。在这些实施例中，低有效惯性部分可以通过弹簧和/或执行器对主要支撑部分起作用，并优先将主要支撑部分的一部分速度与地面或行走表面匹配，如本文所述。熟悉该领域的技术人员会认识到，这一过程可以通过附加的低有效惯性足部部分重复进行，这些部分配有匹配的弹簧和/或执行器，足以控制后续部分的垂直速度。此外，大量足部部分和柔性元件可以等同于一个具有可变非线性柔性的单一形状结构，因为在从初次接触到固定接触的地形接触过程中，这些部分逐步参与。
在某些实施例中，当足部组件在行走方法的下一步（如步骤730）中接触地形时，可以通过测量足部低质量部分在接触地形时的移动速度来确认足部组件接近地面的实际垂直速度。如果确定足部组件接近地面的速度比预期更快（例如，如果机器人被推了一下并不得不更快地放下足部组件以维持平衡），相关执行器的控制器可以实时调整以适应意外的接近速度，并仍然能够在主要支撑部分接触时将速度降至零。
在某些实施例中，如果腿部连接到如图10-12所示的足部的主要支撑部分，足部着地可以设计为第二部分612优先接触地面，而不是第一部分610。在这种实施例中，可以将一个附加元件（如类似于第三部分616的元件）连接到第二部分612。该发明的方法可以在任意步态类型中成功应用。
在某些实施例中，如图2所示的足部组件160、图3-4所示的足部组件430、图5-6所示的足部组件534以及图7-9所示的足部组件600，均包含至少两个独立但相互连接的部分：一个低有效惯性（或称“第一”）部分，设计用于初次接触地形；以及一个主要支撑（或称“第二”）部分，承载腿部和足部的有效惯性，使得在支撑中期阶段第二部分必须牢固地与地面接触。在这些实施例中，低有效惯性部分的有效惯性大约比主要支撑部分的有效惯性低一个数量级。
此外，应理解，上述一些描述的执行器可以实现为带旋转轴的电动机，例如无刷线性直流电机。或者，执行器也可以包括一个相对于机器人主体驱动滑轮的电机。此外，可以使用不同类型的电机，包括有刷电机、无刷电机、步进电机、无框电机、轴向磁通电机等。可以使用任何适合的电机技术，但在某些实施例中，优选尽量减少转子惯性和电机质量，同时最大化扭矩和功率输出。
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