混合液壓和電致動的移動式機器人的製作方法

2023-05-19 19:36:42

本申請要求於2014年7月22日提交的美國臨時申請62/027,517和於2014年8月1日提交的美國專利申請14/449,471的優先權，其內容通過引用整體併入本文。

背景技術：

除非本文另有說明，否則本部分中描述的材料不是本申請中的權利要求的現有技術，並且不被包括在本部分中承認為現有技術。

機器人系統可以用於涉及材料處理、焊接、組裝和分配等的應用。隨著時間的推移，這些機器人系統操作的方式變得更加智能，更有效和更直觀。隨著機器人系統在現代生活的許多方面變得越來越普遍，對於有效的機器人系統的需求變得明顯。因此，對有效的機器人系統的需求已經幫助開創了致動器、感測技術以及部件設計和組裝的創新領域。

技術實現要素：

示例實施例可以涉及一種包括液壓致動器和電致動器的機器人系統。兩個致動器可以聯接到機器人系統的同一關節。或者，各致動器可以聯接到機器人系統的不同關節。致動器的操作可以基於各種因素來確定，例如在關節處施加的負載、滿足期望的力/扭矩分布、所需的操作速度、經歷衝擊負載、機器人腿部與地面的接觸以及攜帶物體，以及其它可能因素。這種混合液壓和電致動的機器人系統可以帶來提高的效率、控制和魯棒性。

在一個方面，提供了一種系統。該系統包括與移動式機器人裝置的關節聯接的液壓致動器。該系統還包括與移動式機器人裝置的關節聯接的電致動器，其中電致動器被構造用於操作。該系統還包括構造成操作液壓致動器和電致動器的控制器。特別地，控制器還被構造為確定由液壓致動器和電致動器施加的總輸出扭矩以及要由液壓致動器和電致動器施加的總輸出速度。控制器另外構造為至少部分地基於總輸出扭矩和總輸出速度確定液壓操作參數和電操作參數，使得液壓致動器的功耗和電致動器的功耗最小化。控制器進一步構造為確定液壓操作參數指示液壓致動器的激活。控制器又進一步構造為至少部分地基於確定液壓操作參數指示液壓致動器的激活，激活液壓致動器以在所確定的液壓操作參數下操作，同時在所確定的電操作參數下操作電致動器。

在另一個方面，提供了第二系統。該系統包括與移動式機器人裝置的關節聯接的液壓致動器。該系統還包括與移動式機器人裝置的關節聯接的電致動器，其中電致動器被構造用於操作。該系統還包括控制器。該控制器構造成操作液壓致動器和電致動器。控制器還被構造為確定由液壓致動器和電致動器施加的總輸出扭矩以及要由液壓致動器和電致動器施加的總輸出速度。控制器還被構造為至少部分地基於總輸出扭矩和總輸出速度確定液壓操作參數和電操作參數，使得液壓致動器的功耗和電致動器的功耗最小化。控制器進一步構造為確定電操作參數指示電致動器的激活。控制器又進一步構造為至少部分地基於確定電操作參數指示電致動器的激活，激活電致動器以在所確定的電操作參數下操作，同時在所確定的液壓操作參數下操作液壓致動器。

在又一方面，提供了一種方法。該方法能夠在包括均與機器人系統的關節聯接的液壓致動器和電致動器的機器人系統中操作。該方法包括通過控制器確定由液壓致動器和電致動器施加的總輸出扭矩以及由液壓致動器和電致動器施加的總輸出速度。該方法還包括至少部分地基於總輸出扭矩和總輸出速度，通過控制器確定液壓操作參數和電操作參數，使得液壓致動器的功耗和電致動器的功耗被最小化。該方法另外包括通過控制器確定液壓操作參數指示液壓致動器的激活並且電操作參數指示電致動器的激活。該方法進一步包括至少部分地基於確定液壓操作參數指示液壓致動器的激活並且電操作參數指示電致動器的激活，激活液壓致動器以在所確定的液壓操作參數下操作，激活電致動器用於在所確定的電操作參數下操作。

在另一方面，提供了第三系統。該系統可以包括均與機器人系統的關節聯接的液壓致動器和電致動器。該系統還可以包括用於確定由液壓致動器和電致動器施加的總輸出扭矩以及由液壓致動器和電致動器施加的總輸出速度的裝置。該系統還可以包括用於至少部分地基於總輸出扭矩和總輸出速度確定液壓操作參數和電操作參數，使得液壓致動器的功耗和電致動器的功耗最小化的裝置。該系統還可以包括用於確定液壓操作參數指示液壓致動器的激活並且電操作參數指示電致動器的激活的裝置。該系統還可以包括用於至少部分地基於確定液壓操作參數指示液壓致動器的激活並且電操作參數指示電致動器的激活，激活液壓致動器以在所確定的液壓操作參數下操作，激活電致動器以在所述確定的電操作參數下操作。

通過在適當時參考附圖閱讀下面的詳細描述，這些以及其它方面、優點和替代對於本領域普通技術人員將變得顯而易見。

附圖說明

圖1示出了根據一示例實施例的機器人系統的示例構造。

圖2示出了根據一示例實施例的液壓致動器和電致動器的示例效率曲線圖。

圖3是根據一示例實施例的用於操作機器人系統中的液壓致動器和電致動器的示例流程圖。

圖4是根據一示例實施例的用於操作機器人系統中的液壓致動器和電致動器的第二示例流程圖。

圖5是根據一示例實施例的用於操作機器人系統中的液壓致動器和電致動器的第三示例流程圖。

圖6示出了根據一示例實施例的示例關節控制器。

圖7A示出了根據一示例實施例的示例四足機器人。

圖7B示出了根據一示例實施例的示例四足機器人的側視圖。

圖8A示出了根據一示例實施例的在第一時間點的示例四足機器人的側視圖。

圖8B示出了根據一示例實施例的在第二時間點的示例四足機器人的側視圖。

圖9示出了根據一示例實施例的示例期望的力分布。

圖10示出了根據一示例實施例的第二示例期望的力分布。

具體實施方式

本文描述了示例方法和系統。應當理解，詞語「示例」、「示例性」和「說明性」在本文中用於表示「用作示例、實例或說明」。在此描述為「示例」，「示例性」或「說明性」的任何實施例或特徵不一定被解釋為比其它實施例或特徵優選或有利。這裡描述的示例實施例不意味著限制。將容易地理解，如在此一般性描述的和在附圖中示出的本公開的各方面可以以各種各樣的不同構造來布置、替換、組合、分離和設計，所有這些在本文中都被明確地預期。

I.概述

根據各種實施例，本文描述的是涉及混合液壓和電致動機器人系統(例如移動式機器人)的系統和方法。致動器是可以用於引入機械運動的機構。在機器人系統中，致動器可以被構造為將存儲的能量轉換成機器人系統的各個部分的運動。例如，在人形或四足機器人中，致動器可以負責機器臂、腿部、手部和頭部等的移動。

另外，可以使用各種機構來為致動器提供動力。例如，致動器可以由化學品、壓縮空氣或電力以及其它可能性來提供動力。此外，在一些情況下，致動器可以是旋轉致動器，其可用在涉及旋轉形式運動的系統(例如，人形機器人中的關節)中。然而，在其它情況下，致動器可以是可以在涉及直線運動的系統中使用的線性致動器。

所公開的機器人系統可以包括電致動器和液壓致動器，這兩種致動器聯接到例如機器人系統中的同一關節。電致動器和液壓致動器可以在操作期間各自表現出不同的特性。因此，機器人系統還可以包括機載計算系統，機載計算系統構造成在各種情況下控制每個致動器的操作，以便利用不同的特性，從而導致提高的效率以及其它可能的進展。

II.機器人系統中的示例混合液壓和電致動

現在參考附圖，圖1示出了機器人系統100的示例構造。除其它示例之外，機器人系統100可以是人形機器人或四足機器人。另外，機器人系統100還可以被稱為移動式機器人裝置或機器人等。

機器人系統100被示出為包括處理器102、數據存儲器104、程序指令106、控制器108、傳感器110、動力源112、液壓致動器114和電致動器116。注意，機器人系統100僅出於說明目的而示出，因為在不脫離本發明的範圍的情況下，機器人系統100可包括額外部件和/或移除一個或多個部件。此外要指出，機器人系統100的各種部件可以以任何方式連接。

處理器102可以是通用處理器或專用處理器(例如，數位訊號處理器、專用集成電路等)。處理器102可以被構造為執行存儲在數據存儲器104中並且可執行以提供本文所述的機器人系統100的功能的計算機可讀程序指令106。例如，程序指令106可以被執行以提供控制器108的功能，其中控制器108可以被構造為引起液壓致動器114和電致動器116的激活以及停止由液壓致動器114和電致動器116進行的致動。

注意，致動器的激活可以包括增加命令(例如，更大扭矩)、接通致動器或將致動器連接到系統(例如，使用離合器接合)。相比之下，停止由致動器進行的致動可以包括減小命令(例如，較小的扭矩)、關斷致動器(例如，惰轉)或將致動器從系統斷開(例如，使用離合器脫離)。

數據存儲器104可以包括或採用可以由處理器102讀取或訪問的一個或多個計算機可讀存儲介質的形式。一個或多個計算機可讀存儲介質可以包括可以整體上或部分地與處理器102集成的易失性和/或非易失性存儲器組件，諸如光學、磁性、有機或其它存儲器或盤儲存器。在一些實施例中，數據存儲器104可以使用單個物理設備(例如，一個光學、磁性、有機或其它的存儲器或盤存儲單元)來實現，而在其它實施例中，數據存儲器104可以使用兩個或更多的物理裝置來實現。此外，除了計算機可讀程序指令106之外，數據存儲器104可以包括諸如診斷數據之類的附加數據。

機器人系統100可包括一個或多個傳感器110，諸如力傳感器、接近傳感器、運動傳感器、荷載傳感器、位置傳感器、觸覺傳感器、深度傳感器、超聲波範圍傳感器和紅外傳感器等。傳感器110可以向處理器102提供傳感器數據，以允許機器人系統100與環境的適當交互。另外，如下面進一步討論的，傳感器數據可以用以評估用於通過控制器108激活致動器114、116和停止致動器114、116進行的致動的各種因素。

此外，機器人系統100還可以包括被構造為向機器人系統100的各種部件供應電力的一個或多個動力源112。在一些情況下，液壓致動器114和電致動器116可各自連接到不同的動力源。在其它情況下，致動器114和116兩者可由同一動力源提供動力。可以使用任何類型的動力源，例如汽油發動機或電池。其它構造也是可能的。

現在參考致動器，液壓致動器114和電致動器116可以採取任何形式，並且可以布置在機器人系統100中的任何位置，以引起系統的各個部分的移動，例如人形機器人的腿部和手部。儘管在單個液壓致動器114和單個電致動器116的情形中討論了本文公開的實施例，但是在不脫離本發明範圍的情況下，可以使用任何數量和類型的致動器。

液壓致動器114可以包括中空圓柱形管，活塞可以在該中空圓柱形管中基於活塞的兩側之間的壓力差移動。由液壓致動器114施加的力可以取決於施加在活塞的表面積上的壓力。由於表面積是有限的，壓力的變化可導致由液壓致動器114施加的力的變化。

改變液壓致動器114中的壓力可以通過節流來實現。更具體地，流體可以經由孔口進入氣缸，並且流體的流動可以由閥控制。一旦所需量的流體進入氣缸，則閥可以關閉，使得負載可以由液壓致動器114支撐，而不用很多(或任何的)額外動力(例如，移動式機器人保持位置)。因此，液壓致動器114可特別有利於處理高負載以及衝擊負載。

另外，液壓致動器114操作的速度可取決於流體的流量。為了在高速度下操作而不管所需的力如何，可能需要更大的功率輸入。因此，在高速度和低力下操作的液壓致動器114可能是低效的。液壓致動器114的其它示例構造也是可能的。

相比之下，電致動器116允許更高速度下的有效操作，而在低速度下施加大的力時會是低效操作。特別地，電致動器116可以包括轉子、定子和軸以及其它部件。轉子可以包括導體，導體被構造為傳送與定子的磁場相互作用的電流以便產生力，以引起軸的機械旋轉。然而，電致動器116的其它示例構造也是可能的。

與液壓致動器114不同，為了在低速度(或保持位置)下操作的同時支撐負載，電致動器116可能需要施加較高扭矩。因此，可能需要大的能量輸入以產生很少(或沒有)機械運動，從而導致電致動器116的操作的低效率。

為了進一步評估液壓致動器114和電致動器116之間的差異，考慮圖2示出了示例效率曲線圖200和202。效率曲線圖200示出了對於傳統液壓致動器，根據所施加的力以及操作速度(例如，速度)，效率可如何變化。另一方面，效率曲線圖202示出了對於傳統電致動器，根據所施加的扭矩以及操作速度(例如，速度)，效率可如何變化。

曲線圖200和202使用變化的顏色示出了效率。具體地，如圖例212和214所示，較暗的顏色示出較高的效率，而較淺的顏色示出較低的效率。曲線圖200和202中所示的效率可以例如根據功率損失的計算來確定，其中較高效率可以涉及如圖例212和214所示的更低的功率損失，並且其中更低的效率可以涉及如圖例212和214所示的較高功率損失。例如，可以基於輸入功率相對於輸出功率來確定功率損失。在輸出功率顯著低於輸入功率的情況下，確定高功率損失。因此，高功率損失(例如，圖例212和214中的0.9)可以指示低效率，而低功率損失(例如，圖例212和214中的0.1)可以指示高效率。確定效率的其它示例也是可能的。

注意，曲線圖200和202可以不按比例。此外，注意，圖中所示的數字僅出於說明目的而示出，並且可以指歸一化數據而不是實際數據(例如，歸一化速度而不是實際速度)。

曲線圖200包括區域204和206。曲線圖200的區域204示出了傳統液壓致動器中的有效操作區域。如所示的，區域204表明，不管施加的力如何，液壓致動器可以在以較低速度操作的同時最有效。另一方面，曲線圖200的區域206示出了傳統液壓致動器中的低效操作區域。如所示的，區域206表明，當以較高速度操作並施加較小的力時，液壓致動器可能是低效的。

相比之下，曲線圖202包括區域208和210。曲線圖202的區域208示出了傳統電致動器中的有效操作區域。如所示的，區域208表明，不管操作速度如何，電致動器可以在施加較低的扭矩的同時是最有效的。另一方面，繪圖200的區域210示出了傳統電致動器中的低效操作區域。如所示的，區域210表明，電致動器可以在以較低速度操作和施加較高的扭矩時是低效的。注意，傳統電致動器的有效操作包絡(即，區域208)通常大於傳統液壓致動器的有效操作包絡(即，區域204)。

本文公開了基於液壓致動器和電致動器的不同特性和效率的、每種類型致動器的使用的各種構造和情況。每種類型的致動器可以用在機器人系統100的不同關節中。相比之下，兩種類型的致動器可以聯接到機器人系統100的同一關節。

考慮其中液壓致動器114和電致動器116聯接到機器人系統100的不同關節的情況。在示例實現方式中，例如，當機器人系統100(例如，構造為移動式機器人)正在行走或以其它方式運動時，電致動器116可用於其中負載低且速度高的關節。另一方面，例如，當移動式機器人保持位置並經受較高的負載時，可以使用液壓致動器114。因此，一些機器人關節可以配備有液壓致動器114並且從而被構造為用於保持/支撐較高的負載，而另外的機器人關節可以配備有電致動器116並且因此被構造用於較高速度操作。

例如，移動式機器人中的膝關節和髖關節可能經歷高負載，因為這些關節傾向於支撐機器人的體重並且當機器人移動時經歷衝擊負載。結果，這些關節可以配備有液壓致動器114。另一方面，例如，頸關節和腕關節可以頻繁地移動，而不經歷高負載。在這種情況下，這些關節可以裝備有電致動器116，以允許高速有效操作。注意，這裡描述的示例實現方式僅僅是為了說明的目的。

在液壓致動器114和電致動器116都聯接到同一關節的情況下，每個致動器的操作可以根據各種因素而變化。在一種情況下，電致動器116可以被構造用於恆定操作(例如，由於具有較大的有效操作包絡)，而液壓致動器114可以被構造為根據各種因素而激活以及停止致動。在另一種情況下，液壓致動器114可以被構造用於恆定操作，而電致動器116可以被構造為根據各種因素而激活和停止致動。在又一種情況下，這些致動器可以非同時地操作，並且可以用於特定的操作狀態(即，切換模式)。在這種情況下，液壓致動器可以用於例如以較低速度支撐較高負載，而電致動器可以例如用於較高速度操作。在再一種情況下，兩個致動器可以一直操作。其它的示例和組合也是可能的。

現在將介紹用於控制液壓致動器114和電致動器116的操作(例如，使用控制器108)的各種因素，其中兩個致動器聯接到機器人系統100中的同一關節。下面介紹的各種因素可以單獨考慮，或者可以組合考慮(例如，每個因素可以被不同地加權)。用於控制液壓致動器114和電致動器116的操作的其它因素也是可能的。

在一示例實現方式中，液壓致動器114和電致動器116的操作可以至少部分地基於在關節處經受的負載。負載可以使用一個或多個傳感器110來確定，例如位於關節處或附近的負載傳感器。為了說明，考慮圖3和圖4，其示出了用於基於施加在關節處的負載來操作致動器的示例方法。然而，注意，除了其它示例之外，示例方法可以額外地或替代地在操作效率、功率損失和/或操作速度的情形中使用。

圖3是示出根據一示例實施例的方法300的流程圖。另外，圖4是示出根據一示例實施例的方法400的流程圖。說明性方法，例如方法300和400，可以全部或部分地由機器人系統中的一個或多個部件執行，例如通過圖1所示的機器人系統100的一個或多個部件。然而，應當理解，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以由其它實體或實體組合(即，通過其它計算設備和/或計算設備的組合)來執行諸如方法300和400的示例方法。

方法300可以在機器人系統100中操作，其中電致動器116可以被構造用於操作(例如，恆定操作)，並且其中控制器108可以被構造為根據施加在關節處的負載來操作液壓致動器114和電致動器116。

如框302所示，方法300包括確定在關節處施加的負載。如上所述，可以使用一個或多個傳感器110(例如，位於關節處或附近的負載傳感器)來確定負載。注意，負載測量可以存儲在數據存儲器104中。

如框304所示，方法300包括確定負載大於閾值負載。在一種情況下，閾值負載可以是預先確定的(例如，基於液壓致動器114和/或電致動器116的已知製造能力)。在另一種情況下，閾值負載可以基於例如致動器114和116的歷史上的負載測量和/或操作效率而隨時間更新。其它情況和示例也是可能的。

如框306所示，方法300包括至少部分地基於確定負載大於閾值負載，激活液壓致動器，同時保持電致動器的操作。

如上所述，電致動器116的有效操作包絡可以大於液壓致動器114的有效操作包絡。結果，電致動器116可以被構造用於恆定操作，而不管施加在關節處的負載如何。然而，在這種情況下，當施加在關節處的負載超過閾值負載時，液壓致動器114可以被激活，由此支持較高負載。

具體地，如上所述，當以較低速度操作並施加較高的扭矩時，電致動器116可能是低效的。相比之下，液壓致動器114在以較低速度操作時可以是最有效的，且與施加的力無關。因此，方法300可以通過去除(或減少)對電致動器116在其高扭矩操作的低效操作包絡下的操作的需要而帶來提高的效率。另外，由於液壓致動器114與電致動器116相比是耐衝擊負載的，因此方法300可允許降低(或避免)衝擊負載對電致動器116的損壞。

在一個示例中，方法300可以是能夠應用在一示例情況中，其中機器人系統100移動，並且關節是在機器人系統的腿部與地面接觸時經受高負載的膝關節。在另一個示例中，方法300可應用於機器人系統100是人形機器人且將物體保持在它的機器手中的情形，其中關節是手部的一部分並且由於物體而經受高負載。其它示例情況也是可能的。

方法400可以在機器人系統100中操作。液壓致動器114可以構造為當大於閾值負載量的給定負載施加在關節處時激活。另一方面，電致動器116可以被構造為當小於閾值負載量的給定負載施加在關節處時激活。因此，方法400可以旨在根據施加在關節處的負載在液壓致動器114的操作和電致動器116的操作之間切換操作模式。切換操作模式可以由控制器108執行。

如框402所示，方法400包括確定在關節處施加的第一負載大於閾值負載量。如上所述，可以使用一個或多個傳感器110，例如位於關節處或附近的負載傳感器，來確定負載。

如框404所示，方法400包括至少部分地基於確定在關節處施加的第一負載大於閾值負載量，激活液壓致動器並停止由電致動器進行的致動。

如上文結合圖2所討論的，當以較低速度操作並施加較高扭矩時，電致動器116可能是低效的。然而，如圖2所示，當施加較低的扭矩時，電致動器116可以是有效的，且與操作速度無關。因此，方法400的框402和404可以應用於例如在較低速度操作期間，使得當在關節處施加高負載時，電致動器116進行的致動停止，從而避免電致動器116的操作處於其低效操作包絡(即，區域210)，並激活液壓致動器114以支持較高負載。然而，注意，方法400不限於較低速度操作。

使用方法400(即，對於框402和404)的示例情況可以包括例如處於靜止位置的機器人系統100(例如，人形機器人)以及關節是因重力且因需要支撐機器人系統100的主體而經受較高負載的膝關節。在該示例情況下，由於操作速度低(或為零)，可能期望停止由電致動器116進行的致動，因為電致動器116處理較高負載可能需要大的功率輸入同時導致很少的(或沒有)機械輸出，從而導致低效。然而，在該示例情況下，液壓致動器114的激活可能是期望的，因為液壓致動器114可能不需要(或很少需要)附加功率輸入來處理這樣的高靜態負載。也就是說，一旦期望量的流體進入液壓致動器114的氣缸，則閥可以關閉(例如，給出來自控制器108的電信號)，使得負載可以由液壓致動器114支撐，而不使用大量(或任何)附加的功率。其它示例情況也是可能的。

如框406所示，方法400包括確定在關節處施加的第二負載小於閾值負載量。注意，雖然方法400體現為將第一和第二負載以特定順序施加在關節處，但是本文公開的實施例不限於以任何特定順序在關節處施加的負載。

如框408所示，方法400包括至少部分地基於確定在關節處施加的第二負載大於閾值負載量，激活電致動器並停止由液壓致動器進行的致動。

如上文結合圖2所討論的，當施加較低扭矩時，電致動器116可以是最有效的，且與操作速度無關。與之相反，當以較高速度操作且施加較小的力時，液壓致動器114可以是低效的。因此，方法400的框406和408可以應用於例如在較高速度操作期間，使得當在關節處施加較低負載時，液壓致動器114進行的致動停止，從而避免液壓致動器114的操作處於其低效操作包絡(即，區域216)，並激活電致動器116以有效支撐較低負載。然而，注意，方法400不限於較高速度操作。

使用方法400(即，對於框406和408)的示例情況可以包括例如機器人系統100(例如，人形機器人)移動其手部和關節(例如，機器人系統100的手部關節)而經歷較低負載(例如，當手不保持任何物體時)。在該示例情況下，由於操作速度較高，可能希望停止由液壓致動器114進行的致動，因為液壓致動器114以較高速度操作的可能需要較大功率輸入以增大液壓致動器114中的流體流量，從而導致低效。然而，在該示例情況下，電致動器116的激活可能是期望的，因為電致動器116可以在相對較低的功率輸入下以較高速度(同時施加較低的扭矩)有效地操作。其它示例情況也是可能的。

在一示例實現中，系統可以被構造為基於期望的關節參數而不是上述的閾值負載考慮來控制致動器114和116的操作。例如，除了其它可能性之外，這些期望的關節參數可以包括期望的關節輸出扭矩/力、期望的關節輸出速度、期望的關節加速度和/或期望的關節角度。更具體地，給定功耗的模型以及致動器114、116的模型，機器人系統100可以控制致動器114和116的操作，以獲得期望的關節參數，使得系統中的功耗最小化(即，最大化致動效率)。

為了說明，考慮示出了流程圖500的圖5，流程圖500描繪的方法可由機器人系統100使用以有效地控制致動器114和116的操作，以便獲得期望的關節參數。注意，在不脫離本文所公開的本發明範圍的情況下，可以去除流程圖500的一些步驟，並且可以添加其它步驟。另外注意，在其它實現中，流程圖500的各個步驟可以以不同的順序執行，而不脫離本文所公開的本發明的範圍。

流程圖500的步驟502包括確定由液壓致動器和電致動器施加的總輸出扭矩(即，期望的關節輸出扭矩/力)和由液壓致動器114和電致動器116施加的總輸出速度(即，期望的關節輸出速度)。

液壓致動器114和電致動器116可以同時(或單獨地)工作，以驅動機器人系統100的關節。特別地，致動器114和116可以驅動關節以實現某些關節參數，例如總輸出扭矩和總輸出速度。以這種方式，總輸出扭矩和總輸出速度引起與關節連接的一個或多個機器人連杆(link)的特定運動。

機器人系統100的一個或多個部件，例如處理器102和/或控制器108，可以被構造為確定要施加的總輸出扭矩和要施加的總輸出速度。例如，控制器108可以獲得與當前總輸出扭矩和當前總輸出速度相關的信息。另外，控制器108可以從傳感器110獲得環境信息。給定這樣的環境信息，控制器108可以確定當前總輸出扭矩和當前總輸出速度可能需要在未來的時間點(例如，2秒)更新。結果，控制器108可以確定在未來時間點要施加的總輸出扭矩和要施加的總輸出速度。

考慮其中關節是機器人系統100的腿部的部分(為了簡化目的，忽略系統中其它關節的關節參數)的示例情形。在該示例情景中，環境信息可以指示在機器人系統100的路徑中存在障礙物。控制器108然後可以確定機器人系統100必須減速並改變其路徑，以避免與障礙物碰撞。減速可能導致需要關節的較低的總輸出速度和較高的總輸出扭矩，例如，由於機器人系統100的腿部接觸地面時的衝擊載荷。因此，控制器108可以確定在未來時間點(例如，在機器人系統100的腿部接觸地面時的估計時刻)要施加的總輸出扭矩和要施加的總輸出速度。注意，控制器108還可以確定其它的關節參數，例如要施加的角度(例如，與關節連接的兩個機器人連杆之間的角度)以及要施加的總輸出加速度(或減速度)等。

流程圖500的步驟504包括至少部分地基於總輸出扭矩和總輸出速度來確定液壓操作參數和電操作參數，使得液壓致動器114的功耗和電致動器116的功耗最小化。

在確定要施加的總輸出扭矩和要施加的總輸出速度時，機器人系統的一個或多個部件(例如，處理器102和/或控制器108)可以確定(例如計算)用於液壓致動器114的液壓操作參數和用於電致動器116的電操作參數。可以計算液壓操作參數和電操作參數，使得致動器的總功耗最小化，從而使效率最大化。

除其它可能性之外，這樣的計算可以被視為優化問題。例如，控制器108可以從數據存儲器104獲得程序指令106，程序指令106可以包括表示致動器的總功耗、液壓操作參數和電操作參數、要施加的總輸出扭矩和要施加的總輸出速度之間的具體關係的公式(或一組公式)。給定確定的要施加的總輸出扭矩和確定的要施加的總輸出速度，該公式可以用於確定液壓操作參數和電操作參數，使得致動器的總功耗(即，液壓致動器1146的功耗加上電致動器116的功耗)最小化。注意，其它計算因素還可以包括動力系統參數(即，動力源112的參數)、當前總輸出扭矩和當前總輸出速度等。

下面討論的是用於一組示例公式的示例簡化推導，這些公式可以用於確定液壓操作參數和電操作參數，使得致動器的總功耗最小化。注意，下面的示例簡化推導僅僅為了說明目的而討論，並且不應被視為限制。在不脫離本發明的範圍的情況下，其它示例推導和公式也是可能的。另外注意，可以去除下面討論的一個或多個計算因素和假設，同時還可以考慮附加的計算因素和假設。

示例的簡化推導可以遵循一組假設。例如，可以假設關節由液壓致動器114和電致動器116並行驅動。此外，對於液壓致動器114的構造，可以假設：(1)液壓致動器114是單側的(即，僅能夠在一個方向上施加力)，(2)液壓致動器114中的壓力由可以將液壓致動器114連接到供應壓力管線和/或返回壓力管線的閥來控制，以及(3)在閥中沒有流量限制(即，即使在高流量下，閥上的壓降也可忽略)。另外，對於致動器114、116的構造，可以假設諸如摩擦、磁芯損耗和空行損耗(例如，使馬達控制器電路接通的成本)的計算因素是可忽略的。此外，可以假設所考慮的物理限制僅是(1)液壓致動器114中的壓力以及(2)電致動器116中的固定電流極限。特別地，液壓致動器114中的壓力不能是負向的，閥上的壓降必須與閥上的流動匹配，並且流動是沿著壓力下降的方向。

給定上述假設，示例簡化推導包括致動器114和116的以下模型。考慮關節處的總輸出速度為(ω)。總輸出速度(ω)和電致動器116的輸出速度(ωM)之間的關係可以基於電致動器116(GM)的傳動比。特別地，電致動器116的輸出速度(ωM)可以是電致動器116(GM)的傳動比和總輸出速度(ω)的乘積。即(ωM)＝(GM)*(ω)。

類似地，總輸出速度(ω)和液壓致動器114的加壓流體流量(Q)之間的關係可以是基於液壓致動器114的有效傳動比(GH)。特別地，液壓致動器114的加壓流體流量(Q)可以是液壓致動器114的有效傳動比(GH)與總輸出速度(ω)的乘積。即，(Q)＝(GH)*(ω)。注意，液壓致動器114的有效傳動比(GH)可以是液壓致動器的面積和機械聯動裝置等等的函數，並且可以隨著活塞的位置而變化。

考慮關節處的總輸出扭矩為(τ)。關節處的總輸出扭矩(τ)可以是由電致動器116產生的扭矩(τM)和電致動器116的傳動比(GM)的乘積，加上液壓致動器114中的壓力降(P)與液壓致動器114的有效傳動比(GH)的乘積。即(τ)＝(GM)*(τM)+(GH)*(P)。注意，總輸出扭矩(τ)可以包括加速電致動器116和電致動器116的齒輪箱所需的扭矩。

給定上述假設，致動器114、116中的功耗可以如下建模。特別地，下面的功耗模型包括電致動器116的電阻性功耗(WE)和液壓致動器114的液壓功耗(即，節流損失)(WH)。然而，注意，其它推導也可以考慮系統中的其它功率損失。

電致動器116產生的扭矩(τM)可以是電致動器116的扭矩常數(KT)和施加到電致動器116的電流(I)的乘積。即，(τM)＝(KT)*(I)。另外，電致動器116的電阻性功耗(WE)可以是電致動器116的電阻(R)和施加到電致動器116的電流(I)的平方的乘積。即，(WE)＝(I)2*(R).因而，電致動器116的電阻性功耗(WE)可以如下確定：(WE)＝(τM/KT)2*(R)。

為確定液壓致動器114的液壓功耗(WH)，必須考慮液壓致動器114所連接到的壓力軌道中的壓力(PS)。在一示例中，液壓系統流遵循壓力。特別地，如果液壓致動器114的加壓流體流量(Q)大於零(Q>0)，則壓力(PS)可以大於液壓致動器114中的壓力降(P)。相反，如果液壓致動器114的加壓流體流量(Q)小於零(Q<0)，則壓力(PS)可以小於液壓致動器114中的壓力降(P)。因此，壓力(PS)可以選擇為供應壓力(Psupply)(即高壓)或返回壓力(Preturn)(即低壓)。注意，(PS)可以假定或選擇為是固定的。

液壓致動器114的液壓功耗(WH)可以被確定為液壓致動器114的加壓流體流量(Q)與在壓力軌道中的壓力(PS)和在液壓致動器114中的壓力降(P)之差的乘積。即，(WH)＝(Q)*((PS)-(P))＝((GH)*(ω))*((PS)-(P)).

給定電致動器116的電阻性功耗(WE)和液壓致動器114的液壓功耗(WH)，可以確定總功耗(Wtotal)。特別地，總功耗(Wtotal)可以通過將電致動器116的電阻性功耗(WE)加到液壓致動器114的液壓功耗(WH)來確定。

即，(Wtotal)＝(WH)+(WE)＝[(τM/KT)2*(R)]+[((GH)*(ω))*((PS)-(P))]

給定上述假設和公式，各種優化技術(目前已知的，或未來開發的)可用以最大化系統的效率。具體地，給定期望的輸出扭矩(即，要施加的總輸出扭矩(τ))和期望的輸出速度(即，要施加的總輸出速度(ω))，優化技術可以用於確定液壓操作參數(例如(Q)、(P)和(PS))、電操作參數(例如(τM)和(ωM))和動力系統參數(例如，(I))，以使總功耗(Wtotal)最小化。

注意，上面討論的一些計算因素可以是恆定的(例如，(GM)，(GH)，(KT)和(R))。另外，注意，上面未討論的其它液壓操作參數可以包括泵馬達溫度、室壓力和活塞的位置。此外，注意，上面未討論的另一電操作參數可以包括電致動器溫度。此外，注意，上面未討論的其它動力系統參數可以包括(假設動力源112是電池)電壓、充電狀態和電池溫度。其它參數和計算因素也是可能的。

流程圖500的步驟506A包括確定液壓操作參數是否指示液壓致動器114的激活。另外，流程圖500的步驟506B包括確定電操作參數是否指示電致動器116的激活。

為了說明，考慮示出關節控制器602的圖6。在一種情況下，關節控制器602可以是控制器108的一部分(或與控制器108相同)。在另一種情況下，關節控制器602可以與控制器108分離，並且可以例如定位在機器人系統100的關節處。另外，在一些實現中，關節控制器602可以執行上面討論的優化技術。在另一實現中，機器人系統100的其它部件(例如，控制器108和/或處理器102)可以執行上述優化技術，並且隨後可以向關節控制器602發送與所確定的參數相關的信息(如圖6中「輸入」之下所示的)。其它實現也是可能的。

在接收到與液壓操作參數的確定有關的信息時，關節控制器602可以確定液壓操作參數是否指示液壓致動器114的激活。如步驟508A所示，如果關節控制器602確定液壓操作參數指示液壓致動器114的激活(例如，加壓流體流量(Q)被確定為非零值)，則關節控制器602可以發送液壓系統/致動器命令(如圖6中「輸出」之下所示的)，以激活液壓致動器114，以在確定的液壓操作參數下操作。這種液壓系統/致動器命令可以包括例如用於液壓致動(例如，選擇運動方向和/或力水平)以及計量(例如，控制閥埠開啟)的模式選擇。其他命令也是可能的。

注意，如果液壓致動器114已經被構造用於操作，則命令可以包括指示在所確定的液壓操作參數下操作液壓致動器114的同時保持液壓致動器114的操作。

相反，如步驟510A所示，如果關節控制器602確定液壓操作參數指示停止由液壓致動器114進行的致動(例如，加壓流體流量(Q)被確定為零值)，則關節控制器602可以發送液壓系統/致動器命令，以停止由液壓致動器114進行的致動。

注意，如果液壓致動器114的致動已經停止(即，未被構造用於操作)，則命令可以包括指示繼續停止由液壓致動器114進行的致動。

如上所述，流程圖500的步驟506B包括確定電操作參數是否指示電致動器116的激活。在接收到與電操作參數的確定有關的信息時，關節控制器602可以確定電操作參數是否指示電致動器116的激活。如步驟508B所示，如果關節控制器602確定電操作參數指示電致動器114的激活(例如，電致動器116的輸出速度(ωM)被確定為非零值)，則關節控制器602可以發送電氣系統/致動器命令(如圖6中的「輸出」之下所示的)以激活電致動器116，以在所確定的電操作參數下操作。這些電氣系統/致動器命令可以包括例如電流、扭矩、速度和/或位置命令。其它命令也是可能的。

注意，如果電致動器116已經被構造用於操作，則命令可以包括指示在以所確定的電操作參數下操作電致動器116的情況下維持電致動器116的操作。

相反，如步驟510B所示，如果關節控制器602確定電操作參數指示停止由電致動器116進行的致動(例如，電致動器116的輸出速度(ωM)被確定為零值)，關節控制器602可以發送電子系統/致動器命令，以停止由電致動器116進行的致動。

注意，如果電致動器116的致動已經停止(即，未被構造用於操作)，則命令可以包括指示繼續停止由電致動器116進行的致動。

以這種方式，關節控制器602可以接收與當前關節參數(例如，當前總輸出扭矩和當前總輸出速度)、期望的關節參數(例如，要施加的總輸出扭矩和要施加的總輸出速度)、液壓操作參數、電操作參數和動力系統操作參數相關的信息。給定這樣的參數，關節控制器602可以發送命令(例如，向致動器114和116)，使得關節參數從以當前關節參數操作過渡到以期望的關節參數以最大效率操作(即，最小化總功耗)。

現在將參考可以考慮用於致動器114和116的操作(即，致動和停止致動)的其它因素。除了或者替代上面結合方法300和400以及流程圖500討論的考慮因素，可以考慮這些附加因素。為了說明附加因素，考慮示出示例機器人700的圖7A。注意，機器人700可以包括機器人系統100的任何部件以及關節控制器602。另外，注意，上述的方法300和400以及流程圖500可以在機器人700中實現。

如圖7A所示，機器人700是具有四條腿部702A至702D的四足機器人。機器人700被示為承載多個物體704。注意，儘管在四足機器人700的情形中討論了以下因素，但是該實施例可以應用於任何類型的機器人系統。

圖7B示出了機器人700的側視圖。腿部702A(以及圖7B中未示出的腿部702B至702D)包括在關節706處連接的大腿構件708和小腿構件710。液壓致動器114和電致動器116聯接到關節706，以引起小腿構件710圍繞關節706的運動。腳712被示出為連接到小腿構件710的底部，並且被構造為在機器人700的移動期間接觸地面。

考慮圖8A，其示出了最先在圖7B中示出的機器人700的側視圖，其中機器人700在圖8A所示的方向上行進。注意，電致動器116在圖8A中未示出。此外，圖8A示出了腿部702A隨著時間的「腳路徑」。特別地，「腳路徑」示出了腳712隨時間的行進路徑，包括指示腳712接觸地面的點的接觸點A-D。

圖8A示出了當腿部702A「在空中」(即，不接觸地面)時的時間點。諸如力傳感器的傳感器可以定位在腿部702A上(例如，在腳712上)，並且可以被構造為確定腿部702A不與地面接觸(例如，假定來自力傳感器的力數據表示沒有力)。基於這樣的確定，系統可以激活電致動器116並且停止由液壓致動器114進行的致動。這可能是期望的，因為以在關節處經受較低負載，而發生較高的操作速度，從而允許電致動器116的高效使用。注意，只要腿部702A「在空中」，則可以保持電致動器116激活。

考慮示出了首先由圖8A示出但在稍後的時間點的機器人700的側視圖的圖8B。如圖8B所示，腳712在稍後的時間點接觸地面(即，在接觸點B處)。在這種情況下，力傳感器可以被構造為確定腿部702A接觸地面(例如，假定來自力傳感器的力數據指示力的閾值量)。基於確定腿部702A接觸地面，系統可以激活液壓致動器114並保持電致動器116的操作。這可能是期望的，因為在關節706處施加較高負載，從而允許液壓致動器114的高效使用。注意，只要腿部702A與地面接觸，則液壓致動器114可以保持激活。另外，注意，當關節706克服重力以保持機器人700質量(即，支撐機器人700的體重)時，可以停止電致動器116進行的致動(同時保持液壓致動器114的操作)。

在另一方面，系統被構造為確定何時腿部702A失去(或即將失去)與地面的接觸。假定來自力傳感器的力數據從指示力的閾值量轉換到指示沒有力，則可以進行這種確定。基於確定腿部702A失去(或即將失去)與地面的接觸，則系統可激活電致動器116，並停止由液壓致動器114進行的致動。

在又一方面，再次考慮圖8A，其示出了腿部702A「在空中」。在一些情況下，系統可以被構造為估計(或計算)與地面接觸的時間點(和/或位置)。例如，機器人700可以包括定位在腿部702A上(例如，在腳712上)的接近傳感器，該接近傳感器構造為確定腿部和地面之間的距離(例如，給定從接近傳感器發出的電磁輻射的特定返回信號)。另外，機器人700還可以包括被構造為確定腿部702A的移動速度的運動傳感器(例如，位於關節706處)。

給定來自接近傳感器的接近數據和來自運動傳感器的速度數據，系統可以估計(或計算)與地面接觸的時間點(和/或位置)。基於確定腿部將在計算的時刻接觸地面，系統可以激活液壓致動器114並且保持電致動器116的操作。致動器的這種操作可以預先(即，在計算的時刻之前)或在計算的時刻發生。

為了進一步說明上文結合圖8A-8B討論的事件序列，考慮圖9，其示出膝關節706隨著時間的示例輸出力/扭矩分布。具體地，圖9示出了隨時間的期望輸出力分布，並且示出了除了電致動之外液壓致動可如何用於滿足期望的力分布。注意，示出的示例力分布僅用於說明的目的，並不意味著限制。

圖9的區域A示出了腿部702A「在空中」(即，不接觸地面)的時間點。如上所述，機器人700可以確定腿部702A不與地面接觸。基於這樣的確定，系統可以激活電致動器116，並且停止由液壓致動器114進行的致動。如區域A中所示，可以移動電致動器116的操作範圍，以便在腿部702A「在空中」的同時滿足期望的力分布。特別地，電致動器116的輸出力被構造為匹配關節706的期望力分布，同時停止由液壓致動器114進行的致動。

圖9的區域B示出了腿702A在稍後的時間點接觸地面的時間點。特別地，區域B示出當膝蓋706在接觸地面時經歷高負載(例如衝擊負載)時的期望力分布。如上所述，基於確定腿部702A接觸地面，系統可以激活液壓致動器114並且保持電致動器116的操作。如區域B所示，液壓致動器114可以被激活(例如，利用計量閥移動的工作範圍)，以輔助電致動器116滿足期望的力分布。更具體地，如圖所示，液壓致動器114可以提供離散的力水平，而電致動器116可以通過提供滿足期望力分布所需的足夠量的附加力而用於足夠力跟蹤。

圖9的區域C示出了當腿部702A接觸地面時以及當關節706克服重力保持機器人700質量時的時間點。如上所述，當關節706克服重力保持機器人700質量時，可以停止電致動器116進行的致動，同時保持液壓致動器114的操作。如區域C所示，為了在關節706克服重力保持機器人700質量時滿足期望的力分布，由液壓致動器114產生的離散水平力(例如，使用二進位閥控制(開/關)))可以是足夠的，而不用電致動器116的致動。

圖9的區域D示出了腿部702A失去與地面的接觸的時間點。如上所述，基於確定腿部702A失去與地面的接觸，系統可以激活電致動器116並且停止由液壓致動器114進行的致動。如區域D所示，致動器的操作類似於如上與區域A相關聯描述的致動器的操作。特別地，電致動器116的輸出力被構造為匹配關節706的期望的力分布，同時停止由液壓致動器114進行的致動。

在另一方面，致動器的操作可以基於腿部702A的移動所需的速度。例如，機器人700可能想要以特定速度行進，從而需要用於腿部702A(或腿部702A的具體構件)的移動的特定速度。如果所需速度超過閾值速度，則系統可以激活電致動器116並停止由液壓致動器114進行的致動。這可能是期望的，因為如上文結合圖2所討論的，液壓致動器114在較高速度下會是低效的，而電致動器116在較高速度下會是高效的。

相反，如果所需速度低於閾值速度，則系統可以激活液壓致動器114並且停止由電致動器116進行的致動。這可能是期望的，因為如上文結合圖2所討論的，液壓致動器114在較低速度下會是高效的，且與施加的力無關，而電致動器116僅在施加較低扭矩時在較低速度下會是高效的。注意，在一些情況下，如果所需速度低於閾值速度，則可激活兩個致動器。其它示例和組合也是可能的。

在示例性實施例中，致動器的操作也可以基於衝擊負載的確定。特別地，可以評估衝擊負載(例如，使用來自負載傳感器的負載數據)作為在較短時間段內經歷的較大負載。因此，基於確定在關節處施加衝擊負載，系統可以激活液壓致動器114(或保持其操作)，並激活電致動器116(或保持其操作)。

在一個示例中，例如當腿702A以特定速度接觸地面時，可以經歷這種衝擊載荷。在另一個示例中，當機器人系統100不慎失去控制並跌倒到地面時，可能經歷這種衝擊負載，從而導致與地面的大的衝擊。在該示例中，液壓致動器114可以響應於確定機器人系統100已經失去控制並且即將擊中地面而被激活。這樣的確定可以例如使用如上所述的接近感測和/或衝擊負載感測以及從控制器108接收的指示機器人系統100失去平衡的信息來進行。

在示例實施例中，致動器的操作還可以是基於機器人系統100的特定部分(例如，手部或關節)是靜態的和/或機器人系統100是不動的確定。在一個示例中，可以確定機器人系統100是不動的。基於這樣的確定，系統可以激活液壓致動器114並且停止由電致動器116進行的致動。在另一示例中，在關節是機器人系統100的手部的部分的情況下，可以確定手部(或關節)是靜態的(即，不移動)。基於確定手部是靜態的，系統可以激活液壓致動器114並且停止由電致動器116進行的致動。在另一種情況下，可以響應於這樣的確定來激活兩個致動器。注意，這種確定可以應用於機器人系統100的任何部分的情形中。

在示例實施例中，致動器的操作還可以是基於確定一個或多個物體(例如，圖7A中的物體704)由機器人系統100承載(例如，由機器人系統100的關節支撐)。例如，在人形機器人的情況下，這樣的物體可以承載在人形機器人的手部中(例如，當人形機器人不動時或者在人形機器人運動時)。可以使用一個或多個傳感器110(例如負載傳感器和/或觸摸傳感器等)來確定機器人系統100承載一個或多個物體。基於一個或多個物體由機器人系統100承載(和/或由機器人系統的關節支撐)的確定，系統可激活液壓致動器114並停止由電致動器116進行的致動。在另一種情況下，可以響應於這樣的確定來激活兩個致動器。其它示例和組合也是可能的。

位於同一關節上的液壓致動器114和電致動器116可以附加地消除對電致動器116上的離合器和制動器的需要。例如，考慮人形機器人在其手部中保持一盒子的情況。如果人形機器人的手臂中的關節僅配備有電致動器，則在人形機器人保持盒子的同時可以排洩動力。在這種情況下，電致動器116可以配備有離合器和/或斷路器，以切斷電致動器116的齒輪箱，使得不需要(或很少需要)額外的動力輸入來保持箱(即，負載)。然而，除了電致動器116之外液壓致動器114的存在允許液壓致動器114在沒有(或最小化)功率排洩的情況下保持負載，從而消除了對離合器和/或制動器的需要。

此外，位於同一關節上的液壓致動器114和電致動器116可允許由電致動器116進行高頻控制調節。特別地，電致動器116可以用於對液壓致動器114的離散水平切換添加控制準確性，從而減少節流損失，並且降低對液壓致動器114中的閥裝置的帶寬要求。更具體地，液壓致動器114可以連接到離散多壓力軌道系統和開/關閥控制，使得產生離散的力水平。然而，電致動器116可以提供足夠的力以「平滑」由液壓致動器114產生的離散力水平，使得有效地滿足期望的力分布。

為了說明，考慮圖10示出了隨時間的另一期望力分布。注意，圖10所示的力分布僅僅是為了說明的目的而示出的，並不意味著限制。如圖10所示，液壓致動器114構造成施加離散的力水平，使得離散的力水平儘可能接近地滿足期望的力分布。然後，電致動器116可用於提供任何必要的致動(例如，除了液壓致動)以跟蹤期望的力分布，同時保持系統的最大效率。

III.結論

本公開不限於本申請中描述的具體實施例，其旨在說明各個方面。在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行許多修改和變化，這對於本領域技術人員是顯而易見的。根據前面的描述，除了本文列舉的那些之外，在本公開的範圍內的功能等同的方法和裝置對於本領域技術人員將是顯而易見的。這樣的修改和變化旨在落入所附權利要求的範圍內。

以上詳細描述參考附圖描述了所公開的系統、裝置和方法的各種特徵和功能。在圖中，類似的符號通常標識相似的組件，除非上下文另有規定。本文和附圖中描述的示例實施例不意味著限制。在不脫離本文提出的主題的精神或範圍的情況下，可以利用其他實施例，並且可以進行其它改變。將容易理解，如在此一般性描述的和在附圖中示出的本公開的各方面可以以各種各樣的不同構造來布置、替換、組合、分離和設計，所有這些在本文中都被明確地預期。

圖中所示的具體布置不應被視為限制性的。應當理解，其它實施例可以包括給定的附圖中示出的更多或更少的各元件。此外，所示元件中的一些元件可以組合或省略。此外，示例實施例可以包括圖中未示出的元件。

雖然本文公開了各種方面和實施例，但是其它方面和實施例對於本領域技術人員將是顯而易見的。本文公開的各種方面和實施例是為了說明的目的，而不意在限制，真正的範圍由所附權利要求指示。