（本文素材源于专利US20220144358A1）该方法包括使用执行器和弹性元件，在迈步时通过足部组件的第一部分与地形接触，来降低足部组件后续部分的垂直速度，以确保后续部分与地形接触时，其相对于地形的垂直速度基本为零。该方法还提供了能够实现这些方法的足部组件。翻译而来供参考，亦可加入知识星球阅读英文原版、中文译本（见文末）。
图1展示了一个腿式机器人，例如现有技术中的腿式机器人100。该机器人100具有一个主体105和至少两条可伸缩的腿110，每条腿都以足部组件120为终端。为了迈步，髋部130和膝部135中的执行器协调作用，使腿110从行走表面抬起，向前移动，再次降落至行走表面。踝部140的执行器控制踝关节150的运动。然而，机器人100并未配备专门解决减震或在每步的初始阶段将腿部惯性停下的元件。本文中，腿部惯性被定义为在迈步时足部触地时改变速度的所有腿部质量，包括与腿部操作连接的执行器的旋转惯性。
通过根据本发明的某些实施例对机器人100进行修改，当机器人100在迈步过程中由足部组件120支撑重量时，足部组件120的第一部分123首先接触地面。当第一部分123与地面接触时，诸如弹簧的被动元件，或诸如执行器的主动元件（无论是否是被驱动的）使得足部组件120的第二部分125的速度逐渐降低，直至达到零速度和零加速度，最好是在第二部分125触地的同时发生。零速度确保了地面速度的匹配，防止了与构成腿部惯性的任何元件发生刚性碰撞。零加速度确保了此时足部上下的力是均衡的，这意味着第二部分不会以任何方式低效地反弹离开地面。
在某些实施例中，第一部分123的惯性显著小于腿部的惯性，当第二部分125与地面接触时，腿部才完全与地面接触。在某些实施例中，第一部分123的惯性显著小于腿部惯性，这些惯性有效地在第二部分125接触地面时体现出来。这种惯性也被称为“有效惯性”，包括足部120的旋转惯性、足部120的线性惯性，以及由与足部120操作连接的任何执行器加速所引起的反射惯性。
随着步伐的继续，腿110施加在足部组件120上的力增加，使得对于具有弹簧的实施例，足部弹簧被压至硬止点。这种足部组件120中弹簧或执行器的“到底”效果使地面与腿部110之间形成了刚性连接。通过这种方式，足部组件120有效地将腿部的垂直速度与地面相匹配，整个过程中接触前的力从零平滑过渡到整个足部接触地面，使得腿部现在能够控制施加在地面上的力，而不会产生碰撞或力尖峰。为了进一步说明这种新方法，以下将讨论一些示例性实施例。
根据本发明的某些实施例，通过简化示例在图2a和图26中展示了用于腿式机器人腿200的两级模型。该模型包含一个机器人主体205（具有一定的惯性）和一个腿部弹簧210，代表了腿200的功能；还包括一个足部主体220（具有有效惯性，包括与足部而非机器人主体连接的腿部惯性组件）和一个足部弹簧230，二者共同代表足部215。
当图2a中的模型在模拟步伐中接近地面时，机器人主体205和足部主体220具有相同的向下速度，且弹簧210和230未受压缩。接触地面时，足部弹簧230开始压缩，足部主体220的速度开始减小。如果足部弹簧230过于柔软，则无法在足部主体220接触地面之前将其速度降至零，足部主体220会以某个非零速度撞击地面，导致碰撞、力尖峰和系统的震动，虽然相比于没有弹簧的情况有所减少。相反，如果足部弹簧230过于刚硬，则足部主体220的速度会在接触地面前降为零，导致其在腿部弹簧210继续压缩并施加更大力时产生振动。在振动严重的情况下，可能会引发抖动、不稳定、效率低下等问题。如果足部弹簧230的弹簧常数针对足部主体220及其垂直速度进行了适当调整，足部主体220将在接触地面时达到零速度和零加速度。
使足部主体220在接触地面时达到零速度是理想状态，因为这意味着几乎没有地面冲击，腿部200在步伐进展期间能够稳定接触地面直到抬起。为了在接触地面或行走表面时实现零加速度，腿部弹簧210向下的力必须在接触点等于足部弹簧230向上的力。虽然足部弹簧230可能完全压缩，腿部弹簧210在步伐中才刚刚开始压缩。随着腿部弹簧210在步伐中继续压缩，它会向足部215施加额外的向下力，将足部锁定在不可压缩的状态。只有在站立阶段的后半段，腿部弹簧210开始伸展时，足部弹簧230才可能在抬起前解压缩。
在一些实施例中，所述设计方法避免了刚体碰撞和足部振动，但只适用于特定调谐的弹簧刚度或执行器性能能力和单一的接近速度。因此，作为机器人控制方法的一部分，垂直接近速度应进行调节。为实现所需行为，所需的硬件和控制系统可以一起设计并协调工作。足部弹簧和/或执行器可以与控制的接近速度配合设计，以支持不同尺寸的机器人，其他部分的设计不必过多考虑足部。
设计足部时，需要了解机器人的系统参数，例如足部组件的有效惯性，包括与足部直接相连的腿部惯性组件以及执行器的反射惯性、腿部弹簧的功能或腿部执行器的控制算法、以及机器人的惯性。初次接触地形的足部组件的有效惯性应尽可能降低以减少冲击力。基于这些系统参数，可以设计足部中的弹性元件和/或执行器及控制器，使足部惯性（包括直接连接到足部的腿部组件）从特定的接近速度降至零速度。应用于机器人的步态控制方法可以控制足部相对于地形的垂直接近速度，从而在无论地面是否位于预期位置的情况下，都能以可控速度接触。
尽管前述内容描述了一种使用弹簧来在脚趾接触地面后减少足部主体220垂直速度的实施例，但本领域技术人员会认识到，在某些实施例中，弹簧可以被执行器替代，或者与执行器配合使用（如将执行器与弹簧串联或并联放置），以减少足部主体220接近地面时的垂直速度，符合所述方法。在该实施例中，在足部主体220下方使用线性执行器，在接触时施加一定的力来减速或辅助减速，使足部主体220在完全压缩并触地时达到零速度。
图2a的两级模型的逻辑延伸是图26中的三级模型。与图2a的模型类似，该模型包括代表腿250功能的机器人主体255和腿部弹簧260。在腿部弹簧260下方，依次为第一级足部主体265和第一级足部弹簧270，以及第二级足部主体275和第二级足部弹簧280，二者共同代表足部285。相对于惯性，某些实施例中，第一级足部主体265的惯性显著小于机器人主体255的惯性，但明显大于第二级足部主体275的惯性。每个弹簧的弹簧常数（k）均针对其处理的有效惯性进行调谐，以便可以在接触地形的瞬间将其上方的主体255、265、275的速度可控地降低至接近零。本领域技术人员将认识到，可以理论上添加无限数量的额外弹簧-质量阶段。在某些实施例中，可以设计出具有非线性弹簧特性的材料，逐步施加越来越大的反作用力，以抵消机器人在迈步时足部和腿部的惯性。
为了通过模型进一步解释，本发明通过图3展示了一种弹簧脚300的实施例。该弹簧脚组件300具有一个套筒部分320，其外部通过外螺纹310与外部弹簧360连接。外部弹簧360的下部在完全伸展状态下延伸到套筒部分320的下方。在一些实施例中，弹簧360的下部固定连接到轻质、坚固的脚趾材料370，该材料与地面接触。在操作中，当脚趾材料370与地面接触（例如在步伐的初始阶段），外部弹簧360开始压缩，并产生抵抗压缩的力，这些力通过弹簧所嵌入的外螺纹310传递到套筒部分320。在理想的操作中，当套筒部分320达到零速度和零加速度时，它会与脚趾材料370接触，这一结果是由弹簧360向套筒部分320施加的向上力所产生的。
与图2a中的模型200相比，脚趾材料部分370与外部弹簧360的作用类似于足部弹簧230与“足部主体”之间的相互作用。本文中，脚趾材料部分370也被称为“第一部分”。在机器人迈步并使用弹簧脚300作为腿部末端时，脚趾材料部分370和弹簧360将首先与地面接触。当弹簧360在接触地面后开始压缩时，套筒部分320的垂直速度随之降低。在一些实施例中，套筒部分320被称为足部组件的“主要支撑部分”或“第二部分”。如果弹簧脚300以预定或控制的初始速度接近地面，弹簧360会减缓套筒部分320的下降速度，使其速度和加速度在套筒320接触脚趾材料370时或接近此时降为零，从而有效地与地面或其他行走表面刚性接合。然后，随着步伐的继续，额外的力施加到套筒部分320上，使弹簧360在整个步伐过程中保持完全压缩状态。
现在参考图4，展示了根据本发明某些实施例构建的机器人腿400。足部410由一个旋转踝关节420组成，它提供了腿部400与足部410之间的功能连接点。在一些实施例中，足部410被设计为以两阶段方式运行，类似于关于图2a、图26和图3的讨论。在迈步过程中，足部410的第一部分430首先接触地面，当它接触时，旋转踝关节420通过被动动力学（例如一个或多个弹簧）来减少第二部分440相对于地形的垂直速度。在某些实施例中，增加了一个执行器或独立使用该执行器来施加力量，以减少前部440相对于地形的垂直速度，直到在接触点接近零（或匹配地形的速度）。在某些实施例中，踝关节420结合了被动和主动元件。
足部410的第一部分430类似于与图2和图3相关讨论中的足部主体220和脚趾材料370。重要的是，踝关节420承载了机器人腿的惯性，因此在第二部分440（以及结果中的踝关节420）接触地面时，将其垂直速度显著降低至接近零是非常重要的。
图5a至5c展示了另一种足部组件530的时间进程操作示例，该组件进一步减少了机器人在使用所公开的方法和组件时可能遇到的冲击力。与图2至图4中讨论的组件类似，所公开的足部组件530具有第一部分535和第二部分545，其中第一部分535在第二部分545之前接触地形，踝关节540使用一个或多个弹性元件和执行器来阻止足部组件围绕踝关节540旋转，从而使第二部分545在其垂直速度相对于地形基本降至零时接触地形。然而，与之前的组件不同的是，足部组件530具有第三部分520，该部分通过铰接方式安装在第一部分535上。在某些实施例中，第三部分520可以由铝制成，表面覆盖有泡沫材料，通过扭力弹簧与第一部分535连接。在其他实施例中，第一部分535可以通过执行器旋转连接，也可以使用可反驱动的执行器。在任何情况下，第三部分520是步伐过程中首先与地形接触的组件。接触地形后，如图5b所示，第三部分520相对于第一部分535被旋转向上，导致扭力弹簧或其他弹性元件和/或执行器参与并减少第一部分535的垂直速度，使其与地形速度匹配，防止发生突然的冲击力。
在其他实施例中，第三部分520由线性或非线性顺应性材料（如泡沫材料）构成，适用于机器人的配置或应用。在接触地面或行走表面时，该顺应性材料进一步减缓第一部分535的速度，直到其与地形速度匹配，类似于图26中展示的最低和最柔软的弹簧280。
在后部部分535触地后，关节540（可能包含弹簧和/或执行器）施加扭矩以减慢主要支撑部分530围绕关节540的旋转速度，使得下腿（未展示）和主要支撑部分的最前部分545在主要支撑部分530“到底”时的垂直速度为零，如图5c所示。这与图26中弹簧270和质量265的功能相似。
因此，从第三部分520最初接触地形的时刻（如图5a所示），到足部组件530的第一部分535与地形的初次接触（如图5b所示），再到第二部分545接触地形（如图5c所示）之间，力逐渐增加，抵消并减少腿部（本文由踝关节540表示）相对于地形的垂直速度，使其与地形速度匹配，从而显著减少与冲击相关的力。尽管典型的人类“脚跟到脚趾”的步态结构已被展示，但应理解的是，本发明的结构和方法同样适用于“脚趾到脚跟”的步态，例如鸟类的步态。
本领域的技术人员会认识到，其他实施例可以包含更多的部分和相应连接的弹性元件或执行器，具有递减的有效惯性，以创建尽可能平滑的力曲线。在某些实施例中，可以通过单一形状的具有非线性顺应性的结构实现相同的功能。该结构可以以相对柔软的部分接触地面，并随着步伐中的力增加，接触足部的表面积增大，足部结构的刚性也随之增加，从而表现为一个类似于一系列具有递增刚性的连杆和弹簧的非线性弹簧。在进一步的实施例中，使用传动装置（如电缆或腱传动装置）使执行器在形状的足部组件与地面接触时表现出不同的有效惯性和扭矩，这类似于一系列越来越大的执行器和连杆的作用。这种连续的顺应性和执行器切换可能会比单个连杆和弹性元件或执行器实现更平滑的力曲线，同时仍能减速腿部质量至地面速度，并避免显著的冲击力。
在某些实施例中，当在踝关节540中使用执行器时，它可以被布置为当足部组件530的第一部分535首次接触地形时，执行器反驱动以减缓第二部分545的垂直速度，直到它接触地形。同样的原理也适用于第三部分520与第一部分535的初次接触。随着步伐在接触后继续，任何执行器都可以正常操作，以在步伐的后半部分帮助推动机器人前进。
在其他实施例中，弹簧或其他弹性元件不必位于踝关节420或540处。相反，它可以放置在机器人腿部400的顶部，只要存在适当的连接机构460或465，如图1或图4所示。在某些实施例中，可以使用一种可反驱动的执行器，例如Harmonic Drive的CSG-2A杯型组件，来减小足部组件530的第一部分535或第二部分545的向下或“垂直”速度。
如图6所示，在某些实施例中，所公开的系统采用了一种方法600，使得腿式机器人能够穿越地形，同时最大限度地减少在行走过程中每次脚部组件放置和将机器人的重量转移到该脚上时所带来的冲击感。该方法的一个实施例包括首先确定机器人的状态610。这一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，编码器布置在每个关节上，使得机器人运动控制器能够随时知道每个身体部位的相对位置。在这些实施例中，机器人身体相对于地面的姿态也通过角速率测量设备（如陀螺仪或惯性测量设备）进行跟踪。这些传感器提供关于机器人身体的滚转、俯仰和偏航的信息。结合这些信息，并假设一只脚已在地面上，可以计算出迈步过程中空中足部的相对位置。该位置成为状态信息的一部分。
接下来，该方法涉及控制脚部组件接近地面时的垂直下降速度620，以确保其在初次接触地面时在预定参数范围内。在某些实施例中，垂直速度可以通过腿顶部的执行器（例如髋部区域）或类似于人类膝关节的其他关节中的执行器进行控制。在这些实施例中，所有编码器和其他传感器数据传输到中央处理器，中央处理器计算状态信息及任何适当的未来动作，并控制所有使用的执行器的操作。
在某些实施例中，脚部设计为低有效惯性（“第一”）部分先接触地面，而主支撑（“第二”）部分接触地面。在这样的实施例中，下一步630是低有效惯性（“第一”）部分接触地面，并开始在主支撑（“第二”）部分到达地面前640降低其垂直速度。在这些实施例中，低有效惯性部分可以通过弹簧和/或执行器对主支撑部分起作用，并优选地将主支撑部分的速度与地面匹配，如本文所述。本领域技术人员会认识到，这个过程可以重复应用于更多的脚部组件，其有效惯性低于现有组件，并配有足够的弹簧和/或执行器以控制后续组件的垂直速度，如图26所示。此外，多个脚部组件和弹性元件的组合可以等同于一个具有非线性顺应性的单一形状结构，随着与地形接触的进展，从初次接触到固定接合，逐步完成接地。
在某些实施例中，当脚部组件在行走方法的下一步接触地形时，如在步骤630中，脚部组件接近地面的实际垂直速度可以通过测量低质量部分在接触地形时的运动速度来确认。如果确定脚部组件接近地形的速度比计划的更快，例如机器人被推动并需要比预期更快地放下脚部组件以保持平衡，则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，并仍能够在主支撑部分接触时将速度降低至零。
在某些实施例中，像图5中那样腿部连接到脚部的主支撑部分，脚部撞击的设计可以使第二部分545先接触地面，而不是第一部分535。在这种实施例中，可以将类似于520的额外元件连接到第二部分。这类似于像鸵鸟或其他奔跑的鸟类那样的脚趾先接触地面，而不是像人类那样脚跟先接触地面。这种方法可以在任何步态类型中成功使用。
在某些实施例中，脚部组件310、410或510至少具有两个独立但相连的部分：低有效惯性（或“第一”）部分370、450或535，设计为首先接触地形，以及主支撑（或“第二”）部分320、440或545，它承载腿部和脚部的有效惯性，并且必须在中间支撑阶段牢固地接触地面。在这些实施例中，低有效惯性部分370、450或535的有效惯性大约比主支撑部分320、440或545的有效惯性低一个数量级。
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《水下仿生智能机器人S128）》
