于提升机器 人跳跃的高度；所述提升机器人能量利用效率是指，如在奔跑时，可以在腿触地弯曲时把机 器人身体的重力势能及动能转化为弹簧储能器的弹性势能而储存起来，而在腿随后发力而 使身体腾空的过程中再释放能量，这样就实现了能量的再生重复利用；所述有助于提升机 器人跳跃的高度是指，如在原地下蹲起跳时，可以先通过关节电机主动弯曲关节，使弹簧储 能器储存电机输出的能量，接着关节电机的驱动力矩结合储存的弹性势能共同发力伸长腿 以实现弹跳，这样相比没有弹簧储能器将显著提升机器人的跳跃高度；所述第四足4-2通 过第四应变式力传感器4固定在小腿板4-3上；所述小腿板4-3固定在小腿4-4上；所述第 四足4-2上覆盖有由耐磨橡胶构成的足垫4-1 ; 如图2、图4、图7所示，所述动力与运动控制系统II，包括一个运动控制模块II -1，2个 电机驱动与控制模块 II -2、II -3 和 12 个电机 II -4-1、II -4-2、II -4-3、II -4-4、II -4-5、 II -4-6、II -4-7、II -4-8、II -4-9、II -4-10、II -4-11、II -4-12 ;其中第一第二两个电机 驱动与控制模块内共包含12块电机控制板，第一电机驱动与控制模块II -2其包括6块结 构相同的电机控制板II -2-1、II H、II H、II H、II H、II H，第二电机驱动与 控制模块II -3其也包括6块结构相同的电机控制板II -2-7、II -2-8、II -2-9、II -2-10、 II -2-11、II -2-12 ;所述12块电机控制板与12个电机一一对应，构成12个关节驱动单元， 各电机控制板接收运动控制模块II -1的命令实现对各自电机的运动控制；所述12个电机 II -4-1、II -4-2、II -4-3、II -4-4、II -4-5、II -4-6、II -4-7、II -4-8、II -4-9、II -4-10、 II -4-11、II -4-12都是交流永磁同步电机；所述交流永磁同步电机为盘式外转子力矩电机 或带低减速比行星减速器的内转子盘式力矩电机；所述每个交流永磁同步电机带有磁旋转 编码器和温度传感器；所述磁旋转编码器采用绝对式无接触磁旋转编码器(如AS5045);所 述各条腿关节的驱动电机II -4-1、II -4-4、II -4-7、II -4-10共轴线安装在机器人机身 Body模块I -0内。
[0029] 如图7所示，所述动力与运动控制系统II采用多层次架构；其中包括12个电机 II -4-1、II -4-2、II -4-3、II -4-4、II -4-5、II -4-6、II -4-7、II -4-8、II -4-9、II -4-10、 II -4-11、II -4-12 及与之对应的 12 块电机控制板 II -2-1、II -2-2、II -2-3、II -2-4、 II _2-5、II _2-6、II _2-7、II _2-8、II _2-9、II -2-10、II -2-11、II -2-12，运动控制器 II -1-1，4个足端应变式力传感器1、2、3、4,3轴陀螺仪II -1-2,3轴加速度计II -1-3,遥控 通讯设备II -1-4,数据记录模块II -1-5和可选扩展设备II -1-6 ;其中运动控制器II -1-1 采用高性能DSP处理器或RAM处理器；运动控制器II -1-1通过多组高速串行总线（如多组 UART)实现与所述各电机驱动板的实时通讯；所述4个足端应变式力传感器1、2、3、4用于 采集各个Leg模块I -1、I -2、I -3、I -4的足端接触力信号；所述3轴陀螺仪II -1-2和 3轴加速度计II -1-3安装在机器人机身中心位置附近；所述3轴陀螺仪II -1-2和3轴加 速度计II -1-3分别用于感受四足机器人机身的3个正交轴向的角速度信号和3个正交轴 向的加速度信号；所述数据记录模块II -1-5用于记录机器人的各种实时运行参数及报告； 所述遥控通讯设备II -1-4用于观测机器人当前的运行参数并给运动控制器发送机器人控 制指令；所述可选扩展设备II -1-6用于给四足机器人提供高层决策能力，如用kinect的深 度数据对机器人前方的场景进行3D建模，然后实现路径规划、避障等运动控制策略，然后 把策略结果发送给运动控制器II -1-1执行；所述可选扩展设备II -1-6还提供很多通用接 口，如WIFI、UART、SPI、GPIO等，方便机器人使用者扩展机器人功能。
[0030] 如图8所示，所述12个关节驱动单元（电机控制板+PMSM)，均采用带前馈控制的直 接力矩控制技术，实现对电机的力矩控制、速度控制、位置控制；所述各PMSM电机上都装有 温度传感器和磁旋转编码器；所述电机控制板内的微控制器MCU根据采集到的电机各相电 流信号（iA、iB、iC)、电机当前角度信号和电机温度信号运行相应的控制算法，输出电机相 电压控制信号（vA、vB、vC)给三相逆变电桥，以实现对电机的控制；所述各电机控制板通过 温度传感器监测对应电机的温度，防止电机过热；所述各电机控制板在当前各电机温度较 低时，允许对各电机实施超额定电流驱动，使电机瞬时获得较大的驱动电流而瞬时输出较 大的力矩；所述超额定电流工作的电机，是为了提升机器人腿部间歇性发力运动步态下（如 奔跑、跳跃）的性能。
【主权项】
1. 一种电驱动小型仿生四足机器人，包括机械系统（I )、动力与运动控制系统（II);其 特征在于：所述机械系统（I )包括Body模块（I -0)和4个Leg模块（I -1、I -2、I -3、 I -4);所述动力与运动控制系统（II)包括运动控制模块（II -1)、第一电机驱动与控制 模块（II -2)、第二电机驱动与控制模块（II -3)、第一电机（II -4-1)、第二电机（II -4-2)、 第三电机（II -4-3)、第四电机（II -4-4)、第五电机（II -4-5)、第六电机（II -4-6)、第七电 机（II -4-7)、第八电机（II -4-8)、第九电机（II -4-9)、第十电机（II -4-10)、第^^一电机 (II -4-11)、第十二电机（II -4-12);所述Body模块（I -0)作为四足机器人的身体；所述第 一 Leg模块（I -1)、第二Leg模块（I -2)、第三Leg模块（I -3)、第四Leg模块（I -4)分 别对称安装在Body模块（I -0)上；所述动力与运动控制系统（II)也固定安装在Body模 块（I -0)上；所述4个Leg模块（I -1、I -2、I -3、I -4)机械原理完全相同，实际安装 布置方式根据机器人对不同运动性能的优化会有所不同。
2. 根据权利要求1所述的电驱动小型仿生四足机器人，其特征在于：所述四足机器人 4个Leg模块（I -1、I -2、I -3、I -4)实际的安装布置方式，划分为a、b、c、d这4种：① 当为使四足机器人具有较好的被控性能时，选用a这种布置方式，因为在四足机器人典型 的对角步态时，机器人的左前Leg模块与右后Leg模块和右前Leg模块与左后Leg模块的 运动是关于机器人中心完全对称的，这将明显削弱腿部运动惯性力；②当为使机器人具有 较多的载货空间时，选用b这种布置方式，此时机器人4个Leg模块都较远离机器人身体， 这给货物腾出了更多的空间；③当为了提升机器人奔跑的速度、跳跃的高度时，选用c这种 布置方式，由于两连杆腿在动力学上的特点，使得这种结构形式有利于提升机器人在奔跑、 跳跃等步态的性能；④当机器人在复杂地形(如爬楼梯）运动时，选用d这种布置方式，此时 Leg模块各膝关节靠后，以尽量避免膝关节与其前方的障碍物相碰撞。
3. 根据权利要求1所述的电驱动小型仿生四足机器人，其特征在于：所述各Leg模块 (I -1、I -2、I -3、I -4)，具有3个自由度，即3个运动关节，这三个运动关节分别记为 /?、/a J3 与/a是两个相互正交的髋关节，J s为膝关节；经过足端点并与/3轴线平 行的轴线记为Js ;其中/*轴线与轴线正交，轴线与/3轴线相平行；所述Leg模块 (I -1、I -2、I -3、I -4)的大腿长记为厶，小腿长记为Z.a，左右两腿间距记为Ze，前后两 腿间距记为尨；所述i与?基本等长；所述四足机器人(h + ??) /i〇 > 2，这模仿了 4足 哺乳动物的腿长与腿间距的比值，四足哺乳动物一般都具有狭窄的身体，这有助于四足机 器人实现较好的运动性能，并且能较容易的通过狭小地形；当为使四足机器人具有较好的 稳定性及具有较大的载货空间时，取U* + h) / h < 1，此时机器人的身体相比身高较长； 当为使四足机器人具有较好的运动性能时，取U*+ h) /h > 1，此时机器人的身体较短， 机器人整体的转动惯量较小；所述每个Leg模块理想的足端点是在/?轴线在A轴线的垂 直投影点上，但实际由于机械结构的限制，足端点会有在沿A轴线上向身体外侧的稍许偏 移。
4. 根据权利要求3所述的电驱动小型仿生四足机器人，4个Leg