本发明涉及机器人关节设计，尤其涉及一种串联弹性驱动关节、机器人腿足及其驱动方法。
背景技术：
1、足式机器人时常需要完成跳跃等瞬时刚性冲击较大的操作，在一些复杂环境，如非结构化环境和硬质环境下，腿在与环境接触时的刚性冲击尤为明显，极大地凸显出传统的机械结构柔顺性较差的短板，关节驱动电机也可能在巨大的冲击载荷下出现故障。
2、现有的足式机器人柔顺驱动串联弹性驱动器(series elastic actuators，sea)通过在动力输出端串联弹性元件，提供了一定的柔性，有助于提高机器人的运动效率和抗冲击能力。然而，传统串联弹性驱动器的主要局限性在于其刚度不可调节，导致在不同负载和环境条件下适应性较差。并且串联弹性驱动器的方案具有硬件实现难度较高，可靠性不足，运动控制系统设计复杂等缺点。
3、现有的足式机器人柔顺驱动变刚度弹性驱动器(variable stiffness actuator，vsa)方案允许调节驱动器的等效刚度，理论上提供了更好的安全性和带宽性能，提高了机器人的运动性能。但在实际应用中，传统变刚度弹性驱动器需要额外的刚度调节电机，增加了结构的复杂性，难以应用于多关节机器人。
4、因此，为了提高足式机器人的运动稳定性、可靠性、承载能力和运动性能，需要提供一种新的实现足式机器人的驱动关节。
技术实现思路
1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种串联弹性驱动关节、机器人腿足及其驱动方法，用以解决传统驱动机构的柔顺性差冲击载荷作用下容易损坏关节电机的问题。
2、本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
3、一种足式机器人的非线性刚度串联弹性驱动关节，包括：片簧驱动件和旋转结构件；所述旋转结构件转动安装在所述足式机器人的大腿骨架的端部，且所述旋转结构件与所述片簧驱动件相互卡合，所述片簧驱动件能够在所述关节电机的驱动下旋转，同时所述片簧驱动件能够带动所述旋转结构件相对于所述大腿骨架转动。
4、进一步地，所述片簧驱动件包括：连接板和接触片簧；所述接触片簧并列设置有两个，且两块接触片簧与所述连接板为一体结构。
5、进一步地，所述接触片簧为由末端到根部宽度递增的变截面结构。
6、进一步地，所述旋转结构件包括：凸轮部和曲柄部，所述凸轮部和曲柄部为一体结构。
7、进一步地，所述凸轮部和曲柄部之间设置有旋转轴孔，所述旋转轴孔中安装第一旋转轴，所述旋转结构件通过所述第一旋转轴与大腿骨架转动连接；所述曲柄部的末端设有铰接轴孔，所述铰接轴孔中安装第二旋转轴，所述曲柄部通过第二旋转轴与连杆组件转动连接。
8、进一步地，所述凸轮部的两侧对称设置有凸轮结构，所述凸轮结构的边缘为弧形的轮廓线。
9、进一步地，所示凸轮部的宽度按距离所述曲柄部由近及远逐渐减小。
10、进一步地，片簧驱动件的接触片簧推动所述旋转结构件转动时，接触片簧的侧面与凸轮部的侧面接触，且所述片簧驱动件对旋转结构件的驱动力越大二者之间的接触位置越靠近所述凸轮部的末端。
11、一种机器人腿足，包括：所述的非线性刚度串联弹性驱动关节、大腿骨架、小腿骨架、关节电机和连杆组件；所述连杆组件转动连接在旋转结构件和小腿骨架之间，所述连杆组件与大腿骨架、小腿骨架和旋转结构件共同组成四连杆机构，进而所述关节电机带动所述旋转结构件旋转时，能够通过所述连杆组件带动所述小腿骨架相对与大腿骨架发生转动实现所述腿足结构的动作。
12、一种机器人腿足的驱动方法，采用前述的机器人腿足；所述驱动方法包括以下步骤：
13、步骤s1：关节电机驱动所述片簧驱动件旋转；
14、步骤s2：所述旋转结构件的凸轮部卡设在所述片簧驱动件的两片接触片簧之间；所述片簧驱动件旋转，并通过接触片簧拨动所述旋转结构件转动；
15、步骤s3：所述旋转结构件旋转时，通过连杆组件带动小腿骨架相对于大腿骨架转动，实现机器人腿足的运动。
16、本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：
17、1.为解决足式机器人在复杂环境下运动时，传统机械结构的柔顺性不足，导致机器人在与环境接触时的刚性冲击明显，限制了其承载能力的问题；本发明的非线性刚度串联弹性驱动关节，通过带有凸轮部的旋转结构件和变截面的接触片簧相互挤压接触实现对机器人关节的驱动，同时根据驱动力的大小能够自动改变二者的接触位置，实现驱动关节刚度的的自动调节，能够在大负载下提供大刚度，以保证机器人的运动精度和控制带宽；在小负载下提供小刚度，以提高系统的灵敏度。
18、2.本发明的非线性刚度串联弹性驱动关节，至少由两个零件组成：一个是刚度可变的弹性零件即片簧驱动件，另一个是能在负载作用下改变弹性零件接入长度的调整零件即具有凸轮部的旋转结构件，本发明提供的凸轮-片簧结构，实现了“大负载下采用大刚度，小负载下采用小刚度”的刚度调节机制，利用负载(即驱动力大小)与关节刚度之间的非线性耦合关系，实现根据负载大小自动调节驱动器刚度，从而省去了额外的刚度调节电机，弥补了串联弹性驱动器无法调节刚度和变刚度弹性驱动器结构复杂控制困难的短板，提高了足式机器人的柔顺性，降低了柔顺控制的实现难度。
19、3.本发明的足式机器人的腿足结构及其驱动方法，通过采用本发明提供的非线性刚度串联弹性驱动关节进行驱动，能够在实现对腿足结构的大腿骨架和小腿骨架的有效运动控制的前提下，通过凸轮-片簧结构调节非线性刚度串联弹性驱动关节的刚度，实现柔顺驱动，进而能够保护关节电机不受损坏。
20、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
1.一种足式机器人的非线性刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，包括：片簧驱动件(1)和旋转结构件(2)；所述旋转结构件(2)转动安装在所述足式机器人的大腿骨架(11)的端部，且所述旋转结构件(2)与所述片簧驱动件(1)相互卡合，所述片簧驱动件(1)能够在关节电机(5)的驱动下旋转，同时所述片簧驱动件(1)能够带动所述旋转结构件(2)相对于所述大腿骨架(11)转动。
2.根据权利要求1所述足式机器人的非线性刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，所述片簧驱动件(1)包括：连接板(101)和接触片簧(102)；所述接触片簧(102)并列设置有两个，且两块接触片簧(102)与所述连接板(101)为一体结构。
3.根据权利要求2所述足式机器人的非线性刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，所述接触片簧(102)为由末端到根部宽度递增的变截面结构。
4.根据权利要求2或3所述足式机器人的非线性刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，所述旋转结构件(2)包括：凸轮部(201)和曲柄部(203)，所述凸轮部(201)和曲柄部(203)为一体结构。
5.根据权利要求4所述足式机器人的非线性刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，所述凸轮部(201)和曲柄部(203)之间设置有旋转轴孔(202)，所述旋转轴孔(202)中安装第一旋转轴，所述旋转结构件(2)通过所述第一旋转轴与大腿骨架(11)转动连接；所述曲柄部(203)的末端设有铰接轴孔(204)，所述铰接轴孔(204)中安装第二旋转轴，所述曲柄部(203)通过第二旋转轴与连杆组件转动连接。
6.根据权利要求5所述足式机器人的非线性刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，所述凸轮部(201)的两侧对称设置有凸轮结构，所述凸轮结构的边缘为弧形的轮廓线。
7.根据权利要求6所述足式机器人的非线性刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，所示凸轮部(201)的宽度按距离所述曲柄部(203)由近及远逐渐减小。
8.根据权利要求5-7任一项所述足式机器人的非线性刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，片簧驱动件(1)的接触片簧(102)推动所述旋转结构件(2)转动时，接触片簧(102)的侧面与凸轮部(201)的侧面接触，且所述片簧驱动件(1)对旋转结构件(2)的驱动力越大二者之间的接触位置越靠近所述凸轮部(201)的末端。
9.一种机器人腿足，其特征在于，包括：权利要求1-8任一项所述的非线性刚度串联弹性驱动关节、大腿骨架(11)、小腿骨架(15)、关节电机(5)和连杆组件；所述连杆组件转动连接在旋转结构件(2)和小腿骨架(15)之间，所述连杆组件与大腿骨架(11)、小腿骨架(15)和旋转结构件(2)共同组成四连杆机构，进而所述关节电机(5)带动所述旋转结构件(2)旋转时，能够通过所述连杆组件带动所述小腿骨架(15)相对与大腿骨架(11)发生转动实现所述腿足结构的动作。
10.一种机器人腿足的驱动方法，其特征在于，采用权利要求9所述的机器人腿足；
