（本文素材源于论文US10253855）一个示例机器人包括：一条腿，具有大腿部件和小腿部件，通过膝关节将大腿部件与小腿部件连接；一个安装在大腿部件内的螺杆驱动器，螺杆驱动器具有螺杆轴和同轴安装在螺杆轴上的螺母，使得螺杆轴能够在螺母内旋转；一个安装在大腿部件上部的电机，电机与螺杆轴相连；一个与螺母同轴安装并连接的承载器，使得螺母位于承载器的近端；以及一个连接到承载器的连杆，连杆在膝关节处与小腿部件连接。翻译而来供参考，亦可阅读英文原版、中文译本（见文末）。
图1展示了一个机器人系统的示例配置，该系统可用于本文描述的实现方式。机器人系统100可以配置为自主、半自主操作和/或根据用户提供的指令操作。机器人系统100可以以多种形式实现，例如双足机器人、四足机器人或其他形式。此外，机器人系统100也可以被称为机器人、机器人设备或移动机器人等，并且可以是外骨骼或人类辅助设备的一部分。
如图1所示，机器人系统100可以包括处理器102、数据存储器104和控制器108，它们一起可以构成控制系统118。机器人系统100还可以包括传感器112、电源114、机械组件110和电气组件116。不过，机器人系统100的展示仅为示例，可能包含更多或更少的组件。机器人系统100的各个组件可以通过任何方式连接，包括有线或无线连接。此外，在某些示例中，机器人系统100的组件可能分布在多个物理实体中，而非单个物理实体。其他机器人系统100的示例图示也可能存在。
处理器102可以作为一个或多个通用硬件处理器或专用硬件处理器（例如，数字信号处理器、应用专用集成电路等）进行操作。处理器102可以被配置为执行存储在数据存储器104中的计算机可读程序指令106，并操作数据107。处理器102还可以直接或间接与机器人系统100的其他组件进行交互，例如传感器112、电源114、机械组件110和/或电气组件116。
数据存储器104可以是一个或多种类型的硬件存储器。例如，数据存储器104可以包括或以一种或多种计算机可读存储介质的形式存在，这些介质可以被处理器102读取或访问。这些计算机可读存储介质可以包括易失性和/或非易失性存储组件，如光学、磁性、有机或其他类型的存储介质，它们可以全部或部分地与处理器102集成。在某些实现中，数据存储器104可以是单个物理设备。在其他实现中，数据存储器104可以由两个或更多物理设备实现，它们可以通过有线或无线通信相互通信。如前所述，数据存储器104可以包括计算机可读的程序指令106和数据107。数据107可以是任何类型的数据，例如配置数据、传感器数据和/或诊断数据等。
控制器108可以包括一个或多个电路、数字逻辑单元、计算机芯片和/或微处理器，配置为（可能还包括其他任务）在机械组件110、传感器112、电源114、电气组件116、控制系统118和/或机器人系统100的用户之间进行接口操作。在某些实现中，控制器108可能是一个为执行特定操作而专门设计的嵌入设备，负责与机器人系统100的一个或多个子系统进行操作。
控制系统118可以监控并物理地改变机器人系统100的操作条件。这样做时，控制系统118可以作为机器人系统100的不同部分（例如机械组件110和/或电气组件116）之间的链接。在某些情况下，控制系统118可以作为机器人系统100与其他计算设备之间的接口。此外，控制系统118可以作为机器人系统100与用户之间的接口。例如，控制系统118可能包括用于与机器人系统100通信的各种组件，包括操纵杆、按钮和/或端口等。上述示例接口和通信可以通过有线或无线连接实现，或者同时使用有线和无线连接。控制系统118还可以为机器人系统100执行其他操作。
在操作期间，控制系统118可以通过有线或无线连接与机器人系统100的其他系统通信，并且可以进一步配置为与机器人的一个或多个用户通信。例如，控制系统118可能会接收到输入（例如来自用户或其他机器人）指示要以特定方向和速度执行特定步态的指令。步态是动物、机器人或其他机械结构的肢体运动模式。
基于该输入，控制系统118可以执行操作，使机器人系统100按照请求的步态移动。另一个示例中，控制系统可能会接收到一个指令，要求移动到特定的地理位置。作为响应，控制系统118（可能借助其他组件或系统）可以根据机器人系统100在前往该地理位置途中所经过的环境，确定方向、速度和/或步态。
控制系统118的操作可能由处理器102执行。或者，这些操作可以由控制器108执行，或由处理器102和控制器108的组合执行。在某些实现中，控制系统118可能部分或完全驻留在机器人系统100以外的设备上，因此至少部分地远程控制机器人系统100。
机械组件110代表机器人系统100的硬件，这些硬件使机器人系统100能够执行物理操作。作为一些示例，机器人系统100可能包括物理部件，例如腿、手臂和/或车轮。物理部件或机器人系统100的其他部分还可能包括用于相互移动物理部件的执行器。机器人系统100还可以包括一个或多个用于容纳控制系统118和/或其他组件的结构体，并且可能还包括其他类型的机械组件。所使用的具体机械组件110取决于机器人的设计，也可能基于机器人被配置执行的操作和/或任务。
在某些示例中，机械组件110可能包括一个或多个可移除组件。机器人系统100可以被配置为添加和/或移除这些可移除组件，可能需要用户和/或其他机器人的协助。例如，机器人系统100可能配置有可拆卸的手臂、手、脚和/或腿，这些附属物可以根据需要或要求进行更换或调整。在某些实现中，机器人系统100可能包括一个或多个可移除和/或可更换的电池单元或传感器。某些实现中还可能包含其他类型的可移除组件。
机器人系统100可以包括传感器112，这些传感器被安排用于感知机器人系统100的各个方面。传感器112可能包括一个或多个力传感器、扭矩传感器、速度传感器、加速度传感器、位置传感器、接近传感器、运动传感器、位置传感器、负载传感器、温度传感器、触觉传感器、深度传感器、超声波测距传感器、红外传感器、物体传感器和/或摄像头等。在某些示例中，机器人系统100可以被配置为接收来自物理上与机器人分离的传感器（例如，安装在其他机器人上或位于机器人操作环境中的传感器）的传感器数据。
传感器112可以向处理器102提供传感器数据（可能通过数据107），以允许机器人系统100与其环境进行交互，以及监控机器人系统100的运行。传感器数据可以用于评估各种因素，以便控制系统118激活、移动和停用机械组件110和电气组件116。例如，传感器112可以捕获与环境地形或附近物体位置相关的数据，这可能有助于环境识别和导航。在一个示例配置中，传感器112可能包括雷达（例如用于长距离物体检测、距离测定和/或速度测定）、激光雷达（例如用于短距离物体检测、距离测定和/或速度测定）、声纳（例如用于水下物体检测、距离测定和/或速度测定）、VICON®（例如用于运动捕捉）、一个或多个摄像头（例如用于3D视觉的立体摄像头）、全球定位系统（GPS）收发器和/或用于捕捉机器人系统100所处环境信息的其他传感器。传感器112可以实时监控环境，并检测障碍物、地形元素、天气条件、温度和/或环境的其他方面。
此外，机器人系统100可以包括传感器112，这些传感器可以配置为接收指示机器人系统100状态的信息，包括监测机器人系统100各种组件状态的传感器112。传感器112可以测量机器人系统100各个系统的活动，并基于机器人系统100的各种功能操作接收信息，例如可伸缩的腿、手臂或其他机械和/或电气特性的操作。传感器112提供的数据可以使控制系统118确定操作中的错误，并监控机器人系统100组件的整体运行。
例如，机器人系统100可以使用力传感器测量系统各个组件的负载。在某些实现中，机器人系统100可以在手臂或腿上包含一个或多个力传感器，用于测量驱动手臂或腿某些部件的执行器的负载。另一个例子是，机器人系统100可以使用一个或多个位置传感器来感知执行器的状态。例如，这些位置传感器可以感知手臂或腿上执行器的伸展、收缩或旋转状态。
此外，传感器112可以包括一个或多个速度和/或加速度传感器。例如，传感器112可以包括惯性测量单元（IMU），IMU可以相对于重力向量感知世界坐标系中的速度和加速度。然后，IMU感知的速度和加速度可以根据其在机器人系统100中的位置及机器人系统100的运动学，转换为机器人系统100的相关数据。
机器人系统100还可以包括未在此详细讨论的其他类型的传感器。此外，机器人系统100可以使用特定传感器用于未在此列举的用途。
机器人系统100还可以包括一个或多个电源114，这些电源可以为机器人系统100的各种组件供电。在可能的供电系统中，机器人系统100可以包括液压系统、电力系统、电池和/或其他类型的供电系统。例如，机器人系统100可以包括一个或多个电池，为其组件提供电力。某些机械组件110和/或电气组件116可以各自连接到不同的电源，或者由同一个电源供电，或者由多个电源供电。
任何类型的电源都可以用于为机器人系统100供电，例如电力或汽油发动机。此外，机器人系统100还可以包括一个液压系统，通过液体动力为机械组件110提供动力。电源114可以通过各种方式充电，例如通过与外部电源的有线连接、无线充电、燃烧等。
电气组件116可以包括能够处理、传输和/或提供电荷或电信号的各种机制。可能的例子包括电气组件116可能包括电线、线路板和/或无线通信发射器和接收器，以启用机器人系统100的操作。电气组件116可以与机械组件110协同工作，以使机器人系统100执行各种操作。例如，电气组件116可以配置为将电源114的电力传递给各种机械组件110。此外，机器人系统100可能还包括电动机。电气组件116的其他例子也可能存在。
尽管图1中没有展示，机器人系统100可能包括一个主体，该主体可以连接到或容纳机器人的附属物和组件。因此，主体的结构可能因示例而异，并且还可能取决于机器人设计用于执行的特定操作。例如，用于搬运重物的机器人可能具有一个宽大的主体，以便于放置负载。同样，设计用于高速运动的机器人可能有一个窄小的主体，重量较轻。此外，主体和/或其他组件可能由各种类型的材料制成，例如金属或塑料。在其他示例中，机器人可能具有不同结构或由多种类型材料制成的主体。
主体和/或其他组件可能包括或携带传感器112。这些传感器可以位于机器人系统100的各个位置，例如主体上和/或一个或多个附属物上。
在主体上，机器人系统100可能携带负载，例如某种要运输的货物。负载也可能表示外部电池或机器人系统100可以使用的其他类型的电源（例如，太阳能电池板）。携带负载仅是机器人系统100可以配置的一个示例用途，但机器人系统100也可以配置为执行其他操作。
如上所述，机器人系统100可能包括各种类型的腿、手臂、轮子等。通常，机器人系统100可以配置为有零条或更多条腿。零腿的机器人可能包括轮子、履带或其他形式的移动方式。拥有两条腿的机器人可以称为双足机器人，拥有四条腿的机器人可以称为四足机器人。也有可能实现拥有六条或八条腿的机器人。为了说明的目的，以下描述了双足和四足机器人系统100的实现。
图2展示了一个四足机器人200的示例实现。在其他可能的特性中，机器人200可以被配置为执行本文描述的一些操作。机器人200包括一个控制系统，以及连接到主体208的四条腿204A、204B、204C、204D。每条腿都包括相应的足部206A、206B、206C、206D，这些足部可以与表面（例如地面）接触。此外，图中显示机器人200配备了传感器210，并且可以在主体208上携带负载。在其他示例中，机器人200可能包含更多或更少的组件，因此可能包括未在图2中显示的组件。
机器人200可能是图1中机器人系统100的物理表示，也可能基于其他配置。因此，机器人200可能包括一个或多个机械组件110、传感器112、电源114、电气组件116和/或控制系统118等其他可能的组件或系统。
腿部204A-204D的配置、位置和/或结构可能在不同的实现中有所不同。腿部204A-204D使机器人200能够相对于其环境移动，并且可以配置为在多个自由度上操作，以支持不同的行进技术。具体来说，腿部204A-204D可以使机器人200根据不同的步态机制以不同的速度移动。机器人200可以使用一个或多个步态在环境中行进，这可能涉及根据速度、地形、机动需求和/或能量效率选择步态。
此外，由于设计的差异，不同类型的机器人可能使用不同的步态。尽管某些步态有特定的名称（例如，步行、小跑、奔跑、跳跃、疾驰等），但步态之间的区别可能会有重叠。步态可以根据足部206A-206D在地面上的落点模式进行分类。同样，步态也可以基于步行机械特性进行分类。
机器人200的主体208连接到腿部204A-204D，并且可能容纳机器人的各种组件。例如，主体208可能包括或携带传感器210。这些传感器可以是与传感器112相关的任何传感器，例如摄像头、激光雷达或红外传感器。此外，传感器210的位置并不限于图2所示的那些。因此，传感器210可以放置在机器人200的不同位置，例如主体208上和/或腿部204A-204D的其中之一或多个上等。
图3展示了一个双足机器人300的示例实现。与机器人200类似，机器人300可以对应图1中的机器人系统100，并且可以配置为执行本文描述的一些实现。因此，和机器人200一样，机器人300可能包括一个或多个机械组件110、传感器112、电源114、电气组件116和/或控制系统118。
例如，机器人300可能包括连接到主体308的腿部304和306。每条腿可以由通过关节连接的一个或多个部件组成，并配置为在彼此之间具有不同的自由度进行操作。每条腿还可能包括一个相应的足部310和312，这些足部可以接触表面（例如地面）。与机器人200类似，腿部304和306可以使机器人300根据步态机制以不同的速度移动。然而，由于双足和四足能力的不同，机器人300可能会采用与机器人200不同的步态。
机器人300还可能包括手臂318和320。这些手臂可以辅助机器人300进行物体操作、负载搬运和/或保持平衡。与腿部304和306一样，每条手臂可能由通过关节连接的一个或多个部件组成，并配置为在彼此之间具有不同的自由度进行操作。每条手臂还可能包括一个相应的手部322和324。机器人300可以使用手部322和324（或末端执行器）来抓握、旋转、拉动和/或推动物体。手部322和324可能包括各种类型的附属物或附件，例如手指、夹爪、焊接工具、切割工具等。
机器人300还可能包括传感器314，类似于传感器112，并配置为向其控制系统提供传感器数据。在某些情况下，这些传感器的位置可能会选择性地放置，以暗示机器人300具有拟人化的结构。因此，如图3所示，机器人300可能在其头部316中包含视觉传感器（例如摄像头、红外传感器、物体传感器、距离传感器等）。
图4A展示了一个带有螺旋执行器400的机器人腿部的横截面，依据一个示例实现。一个电动机402位于机器人髋关节403处或附近。在其他示例中，电动机402可能位于机器人上腿部分。无论电动机402位于上腿部分还是髋关节403处，电动机402的质量都远离膝关节404，从而减少膝关节404处的远端质量，并因此降低了髋关节403的旋转惯性。
螺旋执行器400是一个机械线性执行器，可将旋转运动转换为线性运动，且摩擦较小。在一个示例中，螺旋执行器400可能是行星滚柱螺旋类型，包含螺杆轴406和螺母408。螺杆轴406的外周可能带有多线V形螺纹。该V形螺纹为围绕螺杆轴406径向排列的多个滚子提供螺旋轨道，并由螺母408包裹。为了简化图示，图4A中未显示滚子。
螺母408的内周表面带有螺纹，以与螺杆轴406的V形螺纹相配合。螺杆轴406的螺纹节距与螺母408的内螺纹节距相同。滚子在与螺杆轴406和螺母408接触的过程中旋转，作为低摩擦的传动元件。滚子可能带有单线螺纹，并且凸形侧翼可限制滚子与螺杆轴406和螺母408接触时的摩擦。滚子绕螺杆轴406旋转（如行星齿轮围绕太阳齿轮），因此也可称为行星滚子。
电动机402与螺杆轴406连接，因此当电动机402旋转时，螺杆轴406也随之旋转。螺杆轴406的旋转使螺母408沿轴向或纵向移动。
电动机402和螺旋执行器400位于机器人的上腿部件410的主体内（例如，铝合金机加工主体）。上腿部件410通过膝关节404与下腿部件412连接。螺母408位于载体414的近端413内，并与载体414在肩部416处相接，使得螺母408沿螺杆轴406移动时，载体414也在线性上腿部件410内移动。
螺母408通过肩部416和螺母417在载体414内的轴向限制，防止螺母408在载体414内轴向移动。此外，螺母408可以相对于载体414在旋转上受到约束，以防止螺母408相对于载体414旋转。例如，螺母408可以通过键槽结构与载体414连接。
一个连杆机构与载体414连接，以便将载体414的线性运动转化为下腿部件412相对于上腿部件410绕膝关节404的旋转运动。例如，连杆机构可能包括连接到载体414远端420的第一连杆418。在另一示例中，第一连杆418可以在更靠近电动机402的位置枢轴安装到载体414上。
第一连杆418可以通过关节424与第二连杆422连接，第二连杆连接到膝关节404的膝枢轴426处。下腿部件412也通过膝枢轴426与膝关节404连接。在这种配置中，载体414的线性运动会导致第一连杆418移动，从而导致第二连杆422和下腿部件412绕膝枢轴426旋转。其他连杆配置也可以使用。例如，四杆机构可以用于实现不同的传动曲线形状。
电动机402的旋转方向决定了下腿部件412相对于上腿部件410的旋转方向。例如，如果电动机402顺时针旋转，螺母408和载体414会伸展并推动第一连杆418。结果是，第二连杆422从图4A观察者的角度顺时针绕膝枢轴426旋转，导致下腿部件412也顺时针旋转，例如推动足部428接触表面430。
相反，如果电动机402逆时针旋转，螺母408和载体414会收缩并拉动第一连杆418，导致第二连杆422从图4A观察者的角度逆时针绕膝枢轴426旋转，从而导致下腿部件412向上弯曲。因此，电动机402在顺时针和逆时针旋转之间交替，可以使机器人迈步（例如，以特定的步伐行走或跑步）。
在一个示例中，电动机402可能包括一个编码器431。该编码器431被配置为生成一个信号，指示电动机402的转子旋转位置。编码器431可以向机器人的控制器提供与转子旋转位置相关的信息。控制器可以对电动机402的旋转位置实施闭环反馈控制，以便精确地定位螺母408在上腿部件410内的位置。
通过将电动机402靠近髋关节403放置并使用螺旋执行器400，膝关节404处的远端质量得以减少。此外，使用螺旋执行器400作为减速器代替旋转齿轮箱可以减少有效的旋转惯性，因为螺旋执行器400的旋转惯性较低。
图4B展示了上腿部件410的横截面，依据一个示例实现。如图4B所示，上腿部件410可能容纳一个轴承承载器432。轴承承载器432安置在一个从上腿部件410的内表面向内延伸的锥形座434上。
轴承承载器432容纳一个轴承435，该轴承配置为允许螺杆轴406自由旋转。轴承435的外圈直径与轴承承载器432的内周表面接触，轴承435的外圈被固定在轴承承载器432的阶梯状表面肩部436上。
此外，螺杆轴406的外周表面上也有一个由阶梯状表面形成的肩部438，该肩部与轴承435的内圈接触。这样，轴承435被肩部438和肩部436轴向限制住。
如图4B所示，第一连杆418通过销轴440与载体414的远端420连接。第一连杆418相对于螺杆轴406的纵轴442形成一个角度θ。因此，当螺杆轴406旋转使螺母408和载体414推动第一连杆418时，第一连杆418会对载体414产生一个反作用力，该力传递到螺母408和螺杆轴406。这个反作用力可以分解为沿纵轴442作用的轴向力分量444和垂直于纵轴442以及上腿部件410内表面的径向或偏轴力分量446。
为了减少偏轴力分量446的影响及其产生的摩擦，滑动轴承448安装在载体414的远端420的外周表面与上腿部件410的内周表面之间。滑动轴承448配置为减少摩擦，并促进载体414在上腿部件410内的轴向运动。特别是，滑动轴承448配置为将螺母408上的偏轴力分量446传递到上腿部件410，并约束第一连杆418和载体414之间的作用力沿轴线442传递。举例来说，滑动轴承448可能由特氟龙（Teflon®）制成。
在一个示例中，另一个滑动轴承450可以安装在载体414近端413的外周表面与上腿部件410的内周表面之间。在这些示例中，滑动轴承448和450可以作为导向衬套，允许载体414承受轴向力分量444，同时抵消偏轴力分量446并减少摩擦。
如上所述，作用在载体414上的轴向力分量444传递到螺母408和螺杆轴406。螺杆轴406通过肩部438与轴承435接触，因此轴承435承受轴向力分量444。然后，轴向力分量444通过肩部436从轴承435传递到轴承承载器432。
轴承承载器432的外周表面上可能安装有一个轴向负载传感器440。因此，轴向负载传感器440也承受轴向力分量444，该力在机器人腿操作期间传递到载体414和螺杆轴406上。轴向负载传感器440可以生成与施加到螺杆轴406上的轴向力分量444成比例的电信号。该电信号可以提供给机器人的控制器或机器人的腿部组件。
在一个示例中，控制器可以使用编码器431和轴向负载传感器440，根据机器人的状态、环境和指令的加速度实施各种控制策略。例如，在第一个控制策略中，控制器可以对电动机402的旋转位置实施闭环位置控制，如上所述。在第二个控制策略中，控制器可以对足部428施加在表面430上的力实施闭环力控制。此控制策略可以使机器人腿具有较高的加速能力。在第三个控制策略中，控制器可以同时实施闭环位置和力控制，其中力控制回路可以用于减缓机器人腿的运动。这些控制策略仅作为示例，其他控制策略也可以实施。
在一些示例中，载体414及其连接的组件（如螺母408）可能通过防旋转机制或配置避免绕纵轴442旋转。图5A-5C展示了一个针对载体414的防旋转配置，依据一个示例实现。具体来说，图5A展示了载体414的外表面上设置的至少一个纵向通道500，依据一个示例实现。如图5A所示，纵向通道500设置在载体414的近端413和远端420之间。在一些示例中，纵向通道500可以是一个沿着载体414外表面纵向加工的槽。此设计用来确保载体在沿纵向轴线移动时，避免任何不必要的旋转，从而提高系统的精度和稳定性。
图5B展示了一个防旋转元件502的示例实现。防旋转元件502包括一个弯曲板504和一个从弯曲板504凹面突出的小突起506。防旋转元件502被配置为与上腿部件410的外表面连接，使得小突起506径向向内突出到上腿部件410内部，并与纵向通道500接合。
例如，弯曲板504可能带有一些孔，如孔508。上腿部件410的外表面可能有对应的孔。可以使用紧固件通过弯曲板504的孔和上腿部件410的对应孔将弯曲板504固定到上腿部件410上。此外，上腿部件410可能有一个中央孔，对应并配置为接纳小突起506通过。这样，防旋转元件能够限制载体414沿纵向轴线的旋转，从而确保系统的稳定性和精确性。
图5C展示了上腿部件410的透明视图，以及与其连接的防旋转元件502，依据一个示例实现。上腿部件410的外表面或其一部分可能是弯曲的，以匹配弯曲板504的凹面形状。这样，当弯曲板504与上腿部件410连接时，其凹面可以与上腿部件410的外表面轮廓或形状相符。
小突起506穿过上腿部件410的外表面并与载体414的纵向通道500接合。通过这种配置，当载体414在上腿部件410内轴向移动时，小突起506可以防止载体414绕纵轴442旋转。在一些示例中，小突起506可能由减少与纵向通道500摩擦的材料（例如特氟龙Teflon）制成，以便载体410在上腿部件410内移动时减少摩擦。
可以实施其他的防旋转机制。图6A-6C展示了另一个防旋转机制，依据一个示例实现。具体来说，图6A展示了一个载体600及其连接的滚轮602，依据一个示例实现。图6A展示了载体600一侧上的一个滚轮602，另一个滚轮可能连接在载体600的另一侧。在一些示例中，更多类似于滚轮602的滚轮可以连接到载体600上。滚轮602被配置为在轨道604内滚动，载体600另一侧相应的滚轮则在与轨道604平行的轨道606内滚动。这两个滚轮统称为滚轮602。
轨道604和606被配置为约束滚轮602。因此，轨道604和606可以作为滚轮602的轨道，形成滚轮轴承配置。该配置在载体600在机器人腿内移动时减少了摩擦。此外，在一个示例中，一个由特氟龙（Teflon®）制成的滑动轴承607可以安装在载体600的外表面，与机器人腿的内表面相接触，以进一步减少摩擦。
轨道604和606具有孔，例如孔608A、608B、608C、608D和608E，这些孔可以配置为接收紧固件，以便将轨道604和606固定安装到机器人腿上，如图6B所述。由于轨道604和606被固定安装到机器人腿上，并同时约束滚轮602的运动，载体600被防止绕其纵轴609旋转。
图6B展示了一个上腿部件610，配置为接收载体600及其轨道604和606，依据一个示例实现。上腿部件610可能类似于上腿部件410，但其外表面上可能另外有一组孔612。这组孔612与轨道604和606上的孔相对应。例如，孔614A、614B、614C和614D可能分别与轨道604上的孔608A、608B、608C和608D相对应。然后可以使用紧固件将轨道604和606固定安装在上腿部件610内。
图6C展示了上腿部件610及其内部组件的顶视图横截面，依据一个示例实现。如图6C所示，滚轮架616与载体600的远端连接，并且与纵轴609垂直布置。滚轮602连接到滚轮架616，并被配置为在轨道604和606中滚动，同时受到轨道的约束。具体来说，至少一个滚轮602连接到滚轮架616的一端并在轨道604内滚动，另一个滚轮602连接到滚轮架616的另一端并在轨道606内滚动。尽管图6A和6C展示了轨道604和606作为与上腿部件610分离的组件，但在某些示例中，轨道604和606也可以集成或内置在上腿部件610的内表面上。
一个轴向负载传感器618比前述的轴向负载传感器440更靠近电动机402。轴向负载传感器618可能是不同类型的传感器。例如，轴向负载传感器440被描述为柱状负载传感器，而轴向负载传感器618则为弯曲梁式负载传感器。其他类型和位置的负载传感器也可以使用。
当机器人移动且下腿部件412（如图4A所示）相对于上腿部件410或610旋转时，螺杆轴406会承受交替的压缩和拉伸力。例如，如果螺杆轴406以一个方向（例如逆时针）旋转，导致螺母406收缩，从而拉动载体414和第一连杆418，螺杆轴406处于拉伸状态。相反，如果螺杆轴406朝相反方向（例如顺时针）旋转，导致螺母406伸展，从而推动载体414和第一连杆418，螺杆轴406则处于压缩状态。
此外，为了使机器人移动，下腿部件412（可能与地面接触，例如表面430）会推动地面。即使机器人静止不动，下腿部件412仍然会对地面施加推力，以保持机器人的站立和平衡。无论机器人是移动还是静止，推力会根据第一连杆418相对于膝枢轴426的几何配置，在螺杆轴406中产生拉伸或压缩力。
图7展示了螺杆轴406处于压缩状态的配置，依据一个示例实现。该配置与图4A的配置相似。在此配置中，第一连杆418连接到下腿部件412的关节424，关节424位于膝枢轴426和足部428之间。因此，当下腿部件412向表面430施加推力时，压缩力沿着第一连杆418的长度方向（如箭头700所示）传递。这种压缩力通过载体414传递到螺母408，再传递到螺杆轴406。因此，在该配置中，螺杆轴406处于压缩状态。
图8展示了螺杆轴406处于拉伸状态的配置，依据一个示例实现。在该配置中，第一连杆418连接到下腿部件412的关节800，膝枢轴802位于关节800和足部428之间。因此，当下腿部件412向表面430施加推力时，拉伸力沿着第一连杆418的长度方向（如箭头804所示）传递。这种拉伸力通过载体414传递到螺母408，再传递到螺杆轴406。因此，在该配置中，螺杆轴406处于拉伸状态。
图7或图8中的任何一种配置都可以使用。然而，在某些示例中，机器人可能会受到环境条件的影响，这可能会在螺杆轴406中产生足够大的力，导致其发生屈曲。在这些示例中，可以采用图8的配置，以防止螺杆轴406发生屈曲。机器人的腿部在最大伸展力事件中，通常比最大收缩力事件承受更高的力，图8的配置在高伸展力事件中使螺杆轴406处于拉伸状态，从而避免屈曲问题。
可以实现机器人的其他腿部配置。图9展示了上腿部件410相对于髋关节403偏移的配置，依据一个示例实现。如图所示，包含上腿部件410及其内部组件的总成相对于髋关节403偏移。这种配置可以缓解由髋关节403位置限制上腿部件410长度所带来的空间约束。换句话说，图9中的配置可以使上腿部件410的长度相对于图4A中的配置增加。例如，另一种情况下，将上腿部件410相对于髋关节403偏移，可能有助于减少从膝枢轴426到髋关节403的整体长度。
此外，在上述讨论的配置中，电动机402与螺杆轴406对齐放置。在某些示例中，这些配置可能导致上腿部件410或610相对较长。为了缩短上腿部件410或610，可以采用其他配置来实现该目标。
图10展示了电动机402相对于上腿部件410的偏移配置，依据一个示例实现。通过将电动机402从上腿部件410上移除并使其相对偏移，可以缩短上腿部件410。在这种配置中，可以在电动机402和螺杆轴406之间设置皮带传动系统，作为减速预级。这一减速预级可以降低螺旋执行器400的减速比。降低螺旋执行器的减速比可以减少旋转惯性，从而提高性能。
通常，滚柱螺旋可以在给定体积内提供更多的支撑点或接触面积，从而降低接触应力。此外，滚柱螺旋在负载能力相同的情况下可以更紧凑，同时在低速到中速下提供与滚珠螺旋类似的效率（如75%-90%），并在高速时保持相对较高的效率。与滚珠螺旋相比，滚柱螺旋可以在定位精度、负载能力、刚性、速度、加速度和使用寿命方面表现更好。然而，滚珠螺旋的成本较低，因此在某些应用中使用滚珠螺旋可能是更具性价比的选择。
示例：带有集成过载保护离合器的传动系统
旋转惯性会影响机器人的位置和力控制的响应性。机器人关节的有效旋转惯性取决于连接到关节的电动机和传动系统的旋转惯性。传动系统通常具有特定的齿轮比，用于减速和扭矩放大，而关节的有效旋转惯性与齿轮比的平方成正比。因此，较高的齿轮比虽然可以提供更高的扭矩，但也会导致更高的旋转惯性，从而降低机器人的响应性。
通常，大型电动机和低齿轮比可以提供较低的输出惯性，但代价是更大的质量。因此，使用大型电动机以获得更高的扭矩可能会导致更高的旋转惯性，进而降低机器人的响应性。即使使用小型电动机，如果传动系统具有较高的减速比，仍然可能导致较高的有效旋转惯性。
在为机器人关节选择电动机时，一种方法是确定关节可能承受的最大扭矩，并选择能够实现该扭矩的电动机。然而，这种方法可能导致高效的旋转惯性。例如，当机器人腿意外撞击地面或遭受物体冲击时，电动机可能会高速旋转以应对冲击并保持机器人的平衡。特别是，冲击会导致电动机和传动系统输入侧快速加速，导致的惯性扭矩通过齿轮比放大，从而在关节处产生高扭矩，这可能会损坏传动系统或腿部结构。
另一种改进的方法是在电动机或传动系统中集成过载保护系统，以隔离传动系统免受冲击情况下的高扭矩影响。这种方式可以选择较小的传动系统，同时实现适当的扭矩和加速度。较小的传动系统具有较低的惯性，从而允许使用较小的电动机实现所需的加速度，因为整体惯性减少。
本文介绍了系统和设备，涉及将离合器集成到谐波驱动传动系统中，以减少电动机和传动系统的尺寸，从而减少质量和惯性，改善机器人的响应性。该集成离合器系统可以用于机器人的髋关节或其他关节位置。
图11展示了一个机器人腿部的示例实现。如上所述，螺旋执行器400可以替代旋转齿轮箱来驱动膝关节404。螺旋执行器400有助于减少膝关节404的远端质量。远端质量影响腿部的惯性，将质量靠近髋关节位置可以减少髋关节处所需的惯性扭矩。相比于旋转齿轮箱，螺旋执行器400还可以降低有效的旋转惯性，因为其旋转惯性较低。
此外，可以将带有过载保护系统的电动机和传动系统连接到髋关节403，以减少髋关节处的旋转惯性。例如，电动机和传动系统可以安装在髋关节403的x轴1100和/或y轴1102上。这种配置有助于进一步降低惯性，提高机器人的响应性和稳定性。
图12A展示了谐波驱动1200的操作示意图，图12B展示了谐波驱动1200的爆炸图，依据一个示例实现。谐波驱动1200在此作为示例传动系统，用于作为减速器和扭矩放大器。谐波驱动的特点包括零背隙、广泛的减速比选择、相较于其他传动系统的重量和空间节省、高定位精度和可重复性。然而，其他传动系统，例如摆线传动，也可以使用。谐波驱动在机器人应用中尤为理想，因为它能够以较小的体积提供较高的减速比，同时保持高精度和可靠性。这对于涉及复杂动作和高负载的机器人关节操作尤其重要。
如图12A所示，谐波驱动1200包含三个主要组件：输入部件（称为波发生器1202）、中间部件（称为柔轮1204）以及外部部件（称为刚轮1206）。如图12B所示，波发生器1202包含一个薄的球轴承1208，该球轴承安装在椭圆形的轮毂1210上。尽管在图12B中椭圆形轮毂1210看起来不太像椭圆形，但这是因为其长轴和短轴之间的尺寸差较小。波发生器1202作为扭矩转换器，连接到电动机的输入轴，从而作为谐波驱动1200的输入端。
柔轮1204是一个由合金钢制成的薄壁圆柱形杯，其开口端的外周表面带有外齿1212。柔轮1204具有径向柔性但扭转刚性。当波发生器1202插入柔轮1204时，波发生器1202与柔轮1204开口端的外齿1212接触，使得柔轮1204的开口端呈现波发生器1202的椭圆形状。
刚轮1206是一个带有内齿1214的刚性环。当谐波驱动1200组装完成后，刚轮1206的内齿1214与柔轮1204的外齿1212在波发生器1202的长轴1216两侧接触。刚轮1206的齿数通常比柔轮1204多，例如刚轮1206可能比柔轮1204多两个齿。
在一些示例中，柔轮1204作为输出端并连接到输出法兰，而刚轮1206固定安装。在其他示例中，刚轮1206作为输出端并连接到输出法兰，而柔轮1204固定安装。本文的示例中，刚轮1206可以旋转并作为输出连接，而柔轮1204固定安装。然而，也可以使用其他配置。
当波发生器1202的椭圆形轮毂1210旋转时，柔轮1204变形为椭圆形轮毂1210的形状，外齿1212与刚轮1206的内齿1214在波发生器1202长轴1216的两侧接合。每当波发生器1202旋转180度时，刚轮1206的内齿1214相对于柔轮1204的外齿1212前进一个齿。因此，每完成一次完整的波发生器1202旋转，刚轮1206相对于柔轮1204会移动两个齿。
谐波驱动1200可在较小体积内实现广泛的减速比（例如，从30:1到320:1）。较低的减速比可以减少传动系统的反射或输出惯性，从而提升机器人的性能。为了在高冲击情况下保护谐波驱动1200，可以在其内部集成过载保护系统，如后文所述。
图13A展示了一个集成过载保护系统的驱动系统的示例实现，图13B是图13A中驱动系统的放大视图，图13C是图13A中驱动系统的爆炸视图，依据一个示例实现。图13A-13E一同描述。图13A-13C中的驱动系统可以连接到髋关节403的轴1100和1102，或机器人任何其他关节。以下描述是关于髋关节403的电动机和传动系统驱动机器人腿部的，但所描述的系统也可以用于机器人其他关节（如手臂）的驱动。
电动机1300安装在机器人髋关节403的外壳1302内。外壳1302通过法兰1306和紧固件（如紧固件1308A和1308B）与机器人连接。电动机1300的转子与轴1310连接，轴1310配置为随转子旋转。波发生器1312（与波发生器1202类似）与轴1310相连，并配置为随轴旋转。波发生器1312与柔轮1314的齿状部分接触，柔轮1314类似于柔轮1204。柔轮1314通过紧固件（如1315A和1315B）固定安装在力传感器或扭矩传感器1316上，传感器1316进一步固定在外壳1302上。柔轮1314的外齿与刚轮1318的内齿啮合，刚轮1318类似于刚轮1206。为了简化图示，图13A-13C中没有展示柔轮1314和刚轮1318的齿。
当波发生器1312随轴1310旋转时，刚轮1318绕纵轴1319旋转，因为柔轮1314是固定的。刚轮1318的近端表面与第一离合器垫1320接触，远端表面与第二离合器垫1322接触。这里，“近端”指靠近电动机1300的一侧，“远端”指远离电动机1300的一侧。
离合器垫1320和1322的表面上覆盖有摩擦材料，与刚轮1318的相应表面接触。因此，只要离合器垫1320和1322有足够的预载力或偏压力，离合器垫就会随刚轮1318一起旋转。
离合器垫1320也与压板1324接触并连接，类似地，离合器垫1322也与输出柔性件1326接触并连接。在一个示例中，离合器垫1320可以通过粘合剂粘在压板1324上，离合器垫1322可以通过粘合剂粘在输出柔性件1326上。也可以使用其他固定方法将离合器垫1320与压板1324连接，将离合器垫1322与输出柔性件1326连接。例如，压板1324可以由铝制成，但也可以使用其他材料。此外，在另一个示例中，离合器垫1320和1322可以粘在刚轮1318上，并允许它们相对于压板1324和输出柔性件1326滑动。在另一个示例中，离合器垫1320和1322可能不粘在任何其他组件上，并允许它们在四个表面中的任何一个表面上滑动。
Belleville弹簧1328安装在机器人部件1330（如腿部件）和输出柔性件1326之间。Belleville弹簧1328对输出柔性件1326施加轴向偏压力，从而对离合器垫1322施加轴向预载力。离合器垫1322的轴向预载力也传递到离合器垫1320，因为预载力通过刚轮1318传递到离合器垫1320，而离合器垫1320被压板1324限制。
轴向预载力可以使离合器垫1320和1322与刚轮1318保持摩擦接触，直到超过预定的扭矩限制。如果扭矩限制被超过，离合器垫1320和1322的静摩擦极限会被超过，刚轮1318可能相对于离合器垫1320和1322打滑。因此，这个扭矩限制可以称为“打滑扭矩”。
扭矩限制基于Belleville弹簧1328的弹簧系数。可以在Belleville弹簧1328和机器人部件1330之间添加垫片（如垫片1332），以调节离合器垫1320和1322的轴向预载力，从而调节扭矩限制。
输出柔性件1326可能具有扭转刚性但轴向灵活。例如，输出柔性件可以由像钛这样的柔性材料制成。在一个示例中，输出柔性件1326可能由相对较柔软的材料制成，与Belleville弹簧1328相比，其材料更柔软。例如，输出柔性件1326的弹簧系数可能低于Belleville弹簧1328的弹簧系数（如低于10%）。在该示例中，Belleville弹簧1328提供了主要的轴向预加载力，相比之下，输出柔性件1326施加在离合器垫1322上的力较小。然而，也可以有其他配置。输出柔性件1326被配置为在扭转上将机器人部件1330连接到离合器垫1322，同时允许轴向运动以适应磨损，并允许Belleville弹簧1328对离合器垫1322施加预加载力，将其压紧在刚轮1318上。
在一个示例中，约束环1334可以布置在压板1324和机器人部件1330之间。约束环1334具有一个开口的环形空间，刚轮1318和离合器垫1320、1322被置于其中并受到约束。在一个示例中，约束环1334可以由铝制成；不过，其他材料也是可能的。
一组径向紧固件或螺栓（例如螺栓1335A和1335B）可以用于固定包括压板1324、约束环1334、输出柔性件1326和机器人部件1330在内的组件组合。由于Belleville弹簧1328施加的轴向预加载力，离合器垫1320、1322和刚轮1318被挤压在输出柔性件1326与压板1324之间。因此，离合器垫1320、1322和刚轮1318也是通过包括螺栓1335A和1335B在内的径向螺栓阵列固定在一起的组件的一部分。
如上所述，当波发生器1312旋转时，刚轮1318也随之旋转，因为柔轮1314是固定的。刚轮1318的旋转速度相对于波发生器1312的旋转速度较低，但可以传递相对波发生器1312施加的扭矩更大的放大扭矩。当刚轮1318旋转时，与其摩擦连接的离合器垫1320和1322也随之旋转，刚轮1318传递的扭矩通过两条路径传递到机器人部件1330。第一条路径是通过离合器垫1322传递到输出柔性件1326，输出柔性件1326通过螺栓阵列连接到机器人部件1330。第二条路径是通过离合器垫1320传递到压板1324，压板1324通过螺栓阵列连接到机器人部件1330。
交叉滚子轴承1336可以安装在约束环1334的外周表面与外壳1302的内表面之间。交叉滚子轴承1336有助于机器人部件1330相对于外壳1302的旋转，并可以处理施加到机器人部件1330的径向、推力和力矩反作用载荷。
上述系统通过提供电动机1302和谐波传动的过载保护，同时允许降低谐波传动的减速比，从而减少其旋转惯性。例如，当电动机1302高速旋转以试图将机器人部件1330移动到某个位置时，机器人部件1330可能会撞击或碰到一个未预见的物体。结果，如果没有过载保护系统，电动机1302可能会在短时间内（如1毫秒内）被迫停止。在此情况下，可能会施加高达谐波传动扭矩容量四倍的扭矩来使其停止。如果设计谐波传动以承受如此大的扭矩，其体积会变得更大，旋转惯性也会增加。
另一个例子是，机器人可能撞到物体，如从一定高度掉落到地面上，碰撞会施加高扭矩，可能会损坏谐波传动。在另一种情况下，机器人可能处于不活动状态（如电池供电关闭、线缆断裂或控制器故障）。如果在这种状态下物体撞击机器人，控制器可能无法供电，无法发送信号给电动安全装置来保护机器人。
在这些例子中，谐波传动和电动机1302可能承受高扭矩，导致部件损坏。但在图13A-13C所描述的过载保护系统中，当施加在机器人部件1330上的载荷扭矩超过Belleville弹簧1332设定的扭矩限值时，刚轮1318会相对离合器垫1320和1322打滑。这样一来，谐波传动（即刚轮1318）在一段时间内与机器人部件1330解耦，从而得到保护。此外，当刚轮1318相对离合器垫1320和1322打滑时，机器人部件1330的动能由于刚轮1318与离合器垫之间的摩擦而被耗散。一旦载荷扭矩降回到扭矩限值以下，谐波传动重新与机器人部件1330啮合。
过载保护系统的一个优势在于离合器垫1320和1322集成在谐波传动中，并与其组件（即刚轮1318）相连接。这种集成设计更加紧凑，相较于将离合器系统内联到谐波传动中，节省了纵向空间。
另一个优势在于，输出柔性件1326被配置为允许机器人部件1330在反转运动方向时实现零背隙。大多数机器人部件，如机器人部件1330，通常在两个方向上运行。例如，如果机器人部件1330是机器人的腿，电动机1302可能会朝一个方向旋转以摆动腿部，然后停止腿部并反向旋转以使腿部朝相反方向摆动。要准确控制腿部的位置、速度、加速度，以及腿部施加的力量，多个因素都需要考虑，其中包括反向运动时的零背隙。
如果存在背隙，当反向运动时，两个离合器垫中的一个（如1320或1322）可能会与刚轮1318啮合，而另一个离合器垫可能未啮合。这样，已经啮合的离合器垫可能会开始相对于刚轮1318滑动，经过一段时间后，另一个离合器垫才开始承受负载，最后两个离合器垫1320和1322才会一起相对刚轮1318滑动。
由于输出柔性件1326和Belleville弹簧1328的灵活性，它们能够容纳驱动系统中各组件之间的轴向运动。例如，它们可以容纳离合器垫1320和1322的磨损、机器人部件1330相对于谐波传动的轴向运动等，而不会对组件施加过大的应力。因此，输出柔性件1326和Belleville弹簧1328可以补偿各种组件的制造公差。
同时，输出柔性件1326推动离合器垫1322，使离合器垫1320和1322保持与刚轮1318的接触，从而消除背隙。因此，即使电动机1302和刚轮1318停止并反转旋转方向，输出柔性件1326也能确保机器人部件1330的平稳运动。
此外，输出柔性件1326可以使扭矩负载在两个离合器垫1320和1322之间均匀分配。输出柔性件1326施加的力保持离合器垫1322与刚轮1318接触。同样的力也将离合器垫1322进一步压在刚轮1318上，同时将离合器垫1320压在压板1324上。这样，随着刚轮1318的旋转，离合器垫1320和1322承受均匀的负载。
在某些示例中，可以在谐波传动或图12A-13B中示意的驱动系统中的组件上应用润滑油。润滑油可以减少驱动系统中啮合组件之间的磨损和摩擦。在这些示例中，可以使用如O形环1338A和1338B的密封件，以防止润滑油接触离合器垫1320和1322。特别是，O形环1338A可以防止润滑油进入离合器垫1320和刚轮1318近端面的离合接口，O形环1338B可以防止润滑油进入离合器垫1322和刚轮1318远端面的离合接口。这样，润滑油不会影响由Belleville弹簧1328的弹簧系数决定的扭矩限值（即打滑扭矩）。
然而，在其他示例实现中，O形环1338A和1338B可能不会使用。这时可以通过选择具有不同弹簧系数的Belleville弹簧来调整轴向预载力，以适应润滑油的存在。改变Belleville弹簧的弹簧系数可以调整离合器垫1320和1322在润滑油降低摩擦系数条件下的工作性能。
如上所述，当波发生器1312随电动机1302的轴1310旋转时，刚轮1318也随之旋转，因为柔轮1314是固定的。刚轮1318旋转时，包含离合器垫1320-1322、压板1324和约束环1334的组件也随之旋转。机器人部件1330通过径向螺栓阵列（例如螺栓1335A和1335B）也随之旋转。只要施加在机器人部件1330上的负载扭矩不超过扭矩限值，该组件和机器人部件1330将与刚轮1318一起旋转。如果负载扭矩超过了扭矩限值，刚轮1318将相对离合器垫1320和1322打滑。
在扭矩过载的情况下，波发生器1312的椭圆形可能会使刚轮1318也变形为椭圆形。当扭矩降回到扭矩限值以下时，离合器垫1320和1322重新与刚轮1318啮合，但这可能导致刚轮1318保持变形的椭圆形。刚轮1318的这种变形可能导致机器人部件1330出现扭矩脉动。
为了防止保持圆形齿圈1318处于变形状态，可以在圆形齿圈1318的外周表面和约束环1334的内周表面之间插入约束衬套1340。圆形齿圈1318的外周表面和约束环1334的内周表面之间的间隙（以及因此约束衬套1340的厚度）很小。例如，间隙可能只有几千分之一英寸。
在一些示例中，约束衬套1340可以由塑料材料制成，例如聚醚醚酮（PEEK）材料或其他聚合物材料。约束衬套1340的塑性使其具有相对较低的刚度，从而可以轻松地通过轻压配合安装在该间隙中。该配置可以适应圆形齿圈1318和约束环1334在尺寸和同心度上的生产偏差。
在机器人的运行过程中，约束衬套1340、圆形齿圈1318和约束环1334的温度可能会升高。由于它们可能由具有不同热膨胀系数的不同材料制成，因此圆形齿圈1318和约束环1334可能会以不同的速率膨胀和收缩。然而，约束衬套1340的塑料材料可能会变软，从而适应圆形齿圈1318和约束环1334因温度变化引起的尺寸变化。
此外，约束衬套1340将圆形齿圈1318和约束环1334耦合在一起，使它们作为一个组件一起运动。因此，当圆形齿圈1318在扭矩负载下变形（例如椭圆化）时，圆形齿圈1318和约束环1334以及约束衬套1340可以一起变形。这样，当扭矩负载降回扭矩限值以下时，圆形齿圈1318、约束衬套1340和约束环1334可以一起弹回到未变形的形状。此外，由于约束衬套1340的存在，相较于没有间隙或间隙较大的情况，圆形齿圈1318、约束衬套1340和约束环1334的变形较小。因此，约束衬套1340的存在可以防止扭矩脉动。
圆形齿圈1318和约束环1334可以由不同的材料制成。例如，圆形齿圈1318可以由铸铁制成，而约束环1334可以由钛制成。如果允许圆形齿圈1318与约束环1334直接接触，可能会导致两者之间发生卡滞和磨损。约束衬套1340作为圆形齿圈1318和约束环1334之间的界面，防止卡滞和磨损，同时如上所述，防止扭矩脉动。
上述关于图12A-13C的组件和配置是示例性的，并不具有限制性。可以使用其他组件和配置。例如，代替使用两个离合器垫，可以只使用一个离合器垫。在另一示例中，离合器垫可以只在圆形齿圈1318的一侧使用，并且另一侧可以使用任何类型的摩擦材料，包括裸金属接触。
在上述配置中，过载保护离合操作发生在离合器垫1320和1322与圆形齿圈1318的接口上。在另一示例实现中，离合操作可以发生在离合器垫1320和输出柔性件1326以及离合器垫1322和压板1324之间的接口上。在此示例中，离合器垫1320和1322可以集成到圆形齿圈1318中。换句话说，圆形齿圈的近端和远端面可以涂覆摩擦材料。此外，在其他示例中，可以在圆形齿圈1318和离合器垫1320和1322之间添加其他组件。在另一个示例变体中，输出柔性件1404和Belleville弹簧1328可以集成为一个柔性组件。另外，Belleville弹簧在此处作为示例使用，在其他实现中，任何其他类型的弹簧或柔性、顺应性元件也可以使用。
图14展示了一种用于机器人部件1400的驱动系统的替代配置，按照一个示例实现。如图14所示，螺栓环1402替代了压板1324和约束环1334。换句话说，压板1324和约束环1334可以集成为一个单一组件，如图14中的螺栓环1402所示。
输出柔性件1404，其可能执行与输出柔性件1326类似的操作，连接在机器人部件1400的中心区域1406，通过一组螺栓（如螺栓1408）固定。与螺栓1335A-1335B不同，图14中的螺栓（如螺栓1410）将螺栓环1402固定到机器人部件1400，而不将输出柔性件1404连接到机器人部件上。
这些变体仅供说明，熟练的技术人员会理解，可以使用其他排列和元素（例如，组件、接口、组件顺序和分组等），并且根据预期结果，一些元素可以完全省略。
示例电机控制器集成配置
一个示例机器人可能包括多个关节来控制机器人相应部件的运动。例如，一个四足机器人可能有17个关节来连接和控制机器人的部件（如手臂、腿等）。在一些示例中，许多这些关节可能配备有相应的电机，用于移动机器人的部件。每个电机由控制器控制，控制器接收多个输入（如来自传感器的输入），并相应地向电机提供控制信号，以控制关节和机器人的部件。
在一个示例中，控制器可能位于机器人的中央位置，并通过导线连接到各种电机和传感器。这种配置可能涉及复杂的布线和较长的导线，可能会降低机器人的可靠性，并增加故障的可能性。
在其他示例中，每个关节可能有一个相应的电机和用于该电机的控制器。将电机和其控制器集成并放置在一起，可能会提高机器人的可靠性。这种集成可能减少布线的复杂性。
本文披露的系统和设备具有集成电机和控制器组件，以减少机器人的复杂性并提高其可靠性。特别是，电机和其控制器可以集成到一个紧凑的单元中，彼此接近，以便共享传感器和热管理组件。通过这种配置，减少了导线的数量和长度，从而提高了机器人的可靠性，减少了潜在故障点。这些配置可以减少机器人的故障和停机的可能性，并降低机器人的维护成本。
图15A展示了集成电机控制器组件1500的一个示例实现。如图所示，组件1500包括一个电机1502，电机位于一个外壳1504内。外壳1504的外表面围绕着一圈散热片1506，它们在外壳1504的外表面周围呈圆形间隔分布。
该组件1500包括一个控制器1508，控制器1508可能包括一个或多个印刷电路板(PCBs)。例如，控制器1508可能包括电源级PCB 1510和逻辑级PCB 1512。电源级PCB 1510可能包括用于控制和转换提供给电机1502定子绕组的电力的功率电子设备，例如，电源级PCB 1510可能包括多个场效应晶体管(FETs)。
逻辑级PCB 1512可能包括一个或多个微处理器和数据存储器，存储器中包含由一个或多个微处理器执行的指令，用于执行电机1502的各种控制操作。电源级PCB 1510和逻辑级PCB 1512相互通信。在图15A所示的示例实现中，电源级PCB 1510和逻辑级PCB 1512并排排列在各自的轴向平面上。然而，在其他示例中，它们可能以不同的配置排列，并且在某些示例中，电源级PCB 1510和逻辑级PCB 1512的组件可能集成到一个单一的PCB上。
电机1502的转子与传动轴1514连接，该轴将转子的旋转运动传递到如谐波驱动1516这样的传动装置中。在一个示例中，传动轴1514可能是空心的，并且一个磁铁1518可能位于其近端。此处，“近端”指的是传动轴1514靠近控制器1508的一端，而“远端”指的是连接到谐波驱动1516的一端。
如图所示，传动轴1514穿过电源级PCB 1510，磁铁1518靠近并面向逻辑级PCB 1512。此外，逻辑级PCB 1512可能包括一个旋转位置传感器1520（例如，磁阻或霍尔效应传感器）安装在其上，面向磁铁1518。
磁铁1518可能被径向磁化，因此当传动轴1514及其连接的磁铁1518旋转时，传感器1520向控制器1508提供传动轴1514的旋转位置信息。控制器1508使用此信息来控制电机1502的换向。通过这种配置，电机1502的旋转位置传感器1520集成到电机控制器1508中。这种配置与其他配置形成对比，其他配置中电机的旋转位置传感器靠近电机，并通过导线连接传感器和控制器，从而增加了导线断裂和故障的可能性。
组件1500还可能包括另一个旋转位置传感器或输出编码器1522，该传感器配置为向逻辑级PCB 1512提供指示机器人部件1524旋转位置的信息。例如，输出编码器1522可能连接到压力板1526，压力板1526可能连接到机器人部件1524。通过测量压力板1526的旋转位置，输出编码器1522提供机器人部件1524的旋转位置测量值。
通过这种方式，控制器1508接收指示电机1502和机器人部件1524旋转位置的信息。因此，控制器1508可以确定谐波驱动1516的圆形花键1528是否由于过载而发生滑动，如上文图13A-14所述。组件1500还包括一个扭矩负载传感器或扭矩传感器1530，用于测量谐波驱动1516上的扭矩负载。
图15B展示了将扭矩传感器1530和输出编码器1522连接到控制器1508的示例实现。来自扭矩传感器1530和输出编码器1522的导线可以通过固定在扭矩传感器1530上的连接点1532汇集，这些导线固定在电机1502定子外壳上。随后这些导线可以连接到柔性PCB 1534上，柔性PCB 1534可以配置为对来自扭矩传感器1530和输出编码器1522的信号进行初步处理（例如，信号放大、过滤等）。
来自柔性PCB 1534的导线然后可以通过外壳1504传输到一个或多个连接器1536。连接器1536可以配置为与通过密封线圈1538连接到控制器1508的相应连接器1537（如图15D和15G所示）对接。通过这种配置，将输出编码器1522和扭矩传感器1530放置在靠近控制器1508的地方，有助于集成并缩短导线长度，从而提高机器人的可靠性。
图15A-15B展示的配置还允许在电机1502和控制器1508之间共享热管理组件。图15C展示了组件1500的热管理，图15D展示了电源级PCB 1510的底视图，这是一个示例实现。
场效应晶体管（FETs）1540可能安装在电源级PCB 1510上朝向远离逻辑级PCB 1512的一侧。此外，热传感器1542也安装在同一表面上，靠近FETs 1540。一个热界面材料1544将电源级PCB 1510及其上的组件（例如，FETs 1540和热传感器1542）与从外壳1504内部周边表面向内径向突出的肋条1546隔开。在其他示例实现中，可以使用任何其他热耦合表面或热导结构，替代或补充肋条1546。例如，可以使用一个固体表面代替单独的肋条。其他示例也是可能的。
热界面材料1544可以是柔性、顺应性的材料，能够补偿电源级PCB 1510上安装组件的高度变化。热界面材料1544包括热导材料，可以增加固体表面之间的热接触导电性，以提高热传导效率。与其让电源级PCB 1510和肋条1546之间的空隙充满空气（空气是导热性能差的材料），不如通过使用热界面材料1544来提高热效率和传导性能。特别是，电源级PCB 1510和肋条1546之间的热传递得到了增强。
热界面材料1544可能包括硅基材料或非硅基材料，并且可能具有多种形式。例如，热界面材料1544可能包括由硅油填充的铝氧化物、氧化锌或氮化硼制成的膏体或导热脂。热界面材料1544还可能使用微粉化或粉碎的银。在示例中，热界面材料1544可能包括用于增强的玻璃纤维。
肋条1546还被配置为提供电机1502产生的热量，特别是其定子绕组产生的热量的传导路径。通过这种配置，控制器1508和电机1502共享一个共同的热管理和散热装置。图15D中的箭头展示了电机1502和控制器1508的示例热路径。来自电机1502和控制器1508产生的热量通过肋条1546传导到位于外壳1504上的散热片1506。
罩1548包裹着一个风扇1550，当风扇1550启动时，会吸入空气并将空气导向散热片1506。通过这种方式，风扇1550可以增强散热片1506处的热量散发，并冷却电机1502和控制器1508。
热传感器1542安装在电源级PCB 1510上与FETs 1540同一表面上，如前文所述，因此提供了指示FETs 1540和控制器1508其他组件温度的信息。热传感器1542也可以与肋条1546接触或靠近肋条1546。因此，热传感器1542还可以提供指示电机1502定子温度的信息，定子与肋条1546相邻。通过这种配置，电机1502和控制器1508共享一个通用的热传感器。热传感器1542提供给控制器1508的传感器信息可用于控制风扇1550何时运行以及以何种速度运行。
热传感器1542还可以用于监控电机1502和谐波驱动1516（如图15A所示）的安全状况。例如，热传感器1542可能指示定子的温度超过了某个阈值温度，这可能表明电机1502或谐波驱动1516过载。或者，高温可能表明谐波驱动1516的组件可能对齐不当，维护可能已到期。
通过这种方式，热传感器1542可以向控制器1508指示控制器1508自身和电机1502的各个组件的状态。然后，控制器1508可以决定是继续运行关节还是为了安全原因关闭关节。因此，将电机1502和控制器1508集成在图15A-15D所示的方式下，可以为它们共享一个通用的热传感器，从而减少与热管理相关的布线长度和范围。
如果电机1502和控制器1508各自拥有自己的热传感器，那么机器人中传感器和布线的数量将增加一倍。对于拥有17个关节的四足机器人来说，布线的数量和范围将显著增加，从而降低整个机器人的可靠性。集成设计可以减少组件数量和布线复杂性，从而增强机器人的整体可靠性。
在一些示例中，如图15C所示，可以使用逻辑级支柱（例如支柱1551A）来保持逻辑级PCB 1512和电源级PCB 1510之间的一致距离。这些支柱可以确保两个PCB的组件不会相互接触。
此外，还可以使用电源级支柱（例如支柱1551B）来保持FETs 1540和肋条1546之间的一致间隙或距离。FETs 1540可能是“带电的”，因此可能具有高电压，如果导电到其他组件，可能会损坏这些组件。电源级支柱可以防止FETs 1540接触任何其他组件。此外，保持FETs 1540和肋条1546之间一致的距离，有助于估计需要在它们之间填充的热界面材料1544的数量和厚度。
在示例中，电机1502可能是一个三相电机，具有三个绕组或相，电气上相距120°。电机1502的定子可能包括12个槽绕组，因此可能有12根导线从定子中引出。这12根导线可以排列成几种配置，例如三角形、星形、并联或串联配置。这种配置可能会影响电机1502的性能和扭矩输出。
尽管有12根导线从定子中引出，但在将导线配置成星形、并联或串联配置后，导线数量减少到3根或6根，供控制器1508接收。为了促进从定子引出的12根导线与控制器1508之间的接口，可以在它们之间安装相板1552。相板1552充当电机1502定子和控制器1508之间的中介或过渡板。
图15E展示了从电机1502的定子1554发出的12根导线，图15F展示了用于与定子1554接口的相板1552的配置，这是一个示例实现。定子1554呈现12根独立的绕组导线，例如导线1555A和1555B。相板1552配置为接收来自定子1554的12根导线，并包含其中的导电线路，能够最终连接成星形、三角形、并联或串联的所需配置。相板1552然后将3或6个引脚（如引脚1556A和1556B）传递给控制器1508，即传递给电源级PCB 1510。通过这种配置，相板1552将从定子1554引出的导线转换为坚固的引脚，以供电源级PCB 1510的连接器接收。这种配置减少了布线复杂性、增加了可靠性，并增强了组件1500的可维修性。
在示例中，相板1552可能通过胶合或任何类型的粘合剂粘合到定子1554上。要更改布线配置（例如从星形变为三角形），可以移除相板1552，并将实现所需布线配置的不同相板连接到定子1554，而无需更改定子1554。通过这种方式，对定子1554的更改最小化，降低了损坏定子1554的风险。同样，对控制器1508的更改也没有或极少。替换的相板将向控制器1508提供相同数量的引脚。这样一来，减少了损坏控制器1508（可能价格昂贵）的风险。
图15G展示了组件1500的爆炸视图，这是一个示例实现。图15G中的爆炸视图进一步展示了组件1500中各个部件的关系和装配顺序。举例来说，如图15G所示，电气绝缘片1558可以放置在相板1552和外壳1504之间，以确保它们之间的电气绝缘。
因此，电机1502和控制器1508的集成以及组件的共享，有助于减少组件1500的体积和复杂性。此外，导线损坏的可能性降低，组件1500的可靠性得到提高。由于机器人可能包含许多类似于组件1500的装置，这种可靠性的提高对于整个机器人来说具有更大的意义。
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《机器人智能操作系统S123）》
