本发明属于机器人，具体为一种与人形机器人连接的髋关节结构及其控制方法。
背景技术：
1、随着机器人技术和人工智能技术的发展，机器人被更好的用于协助人类或替代人类进行一些作业。与传统工业机器人和协作机器人只能用于特定场景的情况不同，人形机器人可以像人类一样作业；它具备拟人化的动作特征，适用于众多领域，例如医疗康复领域、服务领域、工业领域、特种作业场景领域，军事领域等等，能够在众多场景下完成作业。
2、本发明基于现有研究技术，提供了一种与人体髋关节转动自由度相同的髋关节机构，各转动自由度具备较低转动惯量，极大降低电机负载，且在高动态冲击下具备较高稳定性，极大的提高人形机器人本体的移动和抗冲击能力。
3、经对现有技术文献检索发现：
4、申请号为2021113628540的中国发明专利提出了髋腰关节结构及人形机器人。该专利提供了一种降低转动惯量的的髋关节结构。其髋关节外展/内收自由度电机放置在机身位置，利用连杆驱动髋关节外展/内收，降低了部分转动惯量。但连杆驱动转动的范围低于直驱，导致外展/内收自由度转动较小，无法实现真正的拟人化。
5、申请号为2022235020180的中国实用新型专利提出了双足机器人及其髋关节结构。该专利提供了一种结构设计简单的髋关节结构，避免了复杂的结构设计。其髋关节外展/内收自由度电机采用单悬臂方式，内/外旋电机采用直连方式，该种布置方式会导致机器人在受到较大落地冲击时，单悬臂处电机和内/外旋电机本身轴承收到较大冲击力，极大影响的电机的重定位精度，无法保证髋关节处的结构可靠性。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种自由度拟人化，低转动惯量，高稳定性的髋关节结构及其控制方法。
2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
3、一种与人形机器人连接的髋关节结构，其特征在于：包括连接件、外展/内收模块、内/外旋模块以及前驱/后伸模块，所述外展/内收模块通过连接件连接在人形机器人上，所述外展/内收模块包括分别固定在连接件上的前固定板和后固定板，所述前固定板上设置有第一轴承安装孔，所述第一轴承安装孔内过盈安装有6007轴承，所述第一轴承安装孔上安装有轴承固定盖，所述轴承固定盖压紧在6007轴承外圈上，锁死其轴向移动，所述后固定板上设置有第二轴承安装孔，还包括外展/内收关节模组，所述外展/内收关节模组包括有第一输出法兰和第一轴承，所述第一轴承安装在第二轴承安装孔内，所述第一输出法兰安装在第一轴承上且随第一轴承转动而转动；
4、所述内/外旋模块包括联轴块、内/外旋关节上固定架、内/外旋关节模组、限位板、内/外旋输出轴、6008轴承以及内/外旋关节下固定架，所述内/外旋关节上固定架固定在前固定板与后固定板之间，所述内/外旋关节上固定架的外壁上分别固定有联轴块和第一轴承阶梯，所述内/外旋关节上固定架通过第一轴承阶梯与6007轴承过盈连接，通过联轴块与外展/内收关节模组连接，
5、所述内/外旋关节模组包括第二输出法兰和第二轴承，所述第二轴承位于内/外旋关节上固定架的内部，所述第二输出法兰连接在第二轴承的一端面上，所述内/外旋关节上固定架上端面上设置有第一限位阶梯，所述内/外旋输出轴上设有第二限位阶梯，所述限位板上设有第三限位阶梯，所述第二轴承位于第一限位阶梯和第三限位阶梯之间，所述内/外旋输出轴通过螺栓与第二输出法兰固连且可随第二输出法兰一起旋转，
6、所述限位板与内/外旋关节下固定架固连，所述内/外旋关节下固定架内设有第二轴承阶梯，所述6008轴承安装在第二轴承阶梯与限位板之间且与内/外旋关节下固定架过盈配合，通过所述限位板压紧6008轴承外圈，限制6008轴承轴向移动，通过螺栓穿过内/外旋关节下固定架、限位板以及内/外旋关节模组，锁紧内/外旋关节模组的正面，所述内/外旋关节上固定架与内/外旋关节下固定架通过螺栓固连；
7、所述前驱/后伸模块包括前驱/后伸关节固定架、8008轴承、前驱/后伸输出轴以及前驱/后伸关节模组，所述前驱/后伸关节固定架通过螺栓与内/外旋输出轴连接，
8、所述8008轴承安装在前驱/后伸关节固定架内且与其过盈配合，所述前驱/后伸关节模组设有第三轴承和第三输出法兰，所述第三法兰连接在第三轴承上，所述前驱/后伸输出轴设有螺纹孔，通过螺纹孔与机器人大腿零部件固连，所述前驱/后伸输出轴与第三输出法兰固连且可跟随其转动，所述8008轴承位于前驱/后伸关节固定架与前驱/后伸输出轴之间且与前驱/后伸输出轴连接且前驱/后伸输出轴轴向压紧8008轴承外圈，所述前驱/后伸关节模组通过螺栓与前驱/后伸关节固定架固连。
9、作为本发明的优选技术方案：所述连接件包括髋关节固定本体件，所述髋关节固定本体件上端面上设置有固定块和固定槽，所述髋关节固定本体件通过固定块和固定槽与人形机器人的上身连接，所述外展/内收模块固定连接在髋关节固定本体件的下端面上。
10、作为本发明的优选技术方案：还包括轴承端盖，所述轴承固定盖与前固定板通过螺栓固连，同时轴承固定盖压紧在6007轴承外圈上，所述轴承端盖与6007轴承内圈为过盈配合且可跟随6007轴承的内圈转动。
11、上述结构中：本发明提出的一种与人形机器人连接的髋关节结构，包括连接件、外展/内收模块、内/外旋模块以及前驱/后伸模块，其中，外展/内收模块通过连接件即髋关节固定本体件，连接在人形机器人上，外展/内收模块用于实现髋关节的外展/内收自由度，内/外旋模块用于实现髋关节的内/外旋自由度，前驱/后伸模块用于实现髋关节的前驱/后伸自由度，髋关节结构的设计，使得每个模块的质心均在转动轴上，能够极大降低转动惯量。
12、髋关节固定本体件用于与机器人上身固连，同时用于与外展/内收模块固连，实现其安装固定。
13、外展/内收模块包括分别固定在髋关节固定本体件上的前固定板、后固定板、6007轴承以及外展/内收关节模组，前固定板通过螺栓与髋关节固定本体件固连，前固定板设有第一轴承安装孔，6007轴承安装在其中且与其过盈配合，6007轴承具备较高轴向和径向承载能力，轴承固定盖与前固定板通过螺栓固连，同时轴承固定盖能够压紧6007轴承外圈，锁死其轴向移动，轴承端盖与6007轴承内圈为过盈配合，可跟随6007轴承内圈转动，
14、后固定板上设有第二轴承安装孔，后固定板通过螺栓与髋关节本体固连，外展/内收关节模组设有第一输出法兰和第一轴承，第一轴承安装在第二轴承安装孔中，外展/内收关节模组的第一输出法兰可自由转动。
15、所述内/外旋模块包括联轴块、内/外旋关节上固定架、内/外旋关节模组、限位板、内/外旋输出轴、6008轴承以及内/外旋关节下固定架，内/外旋关节上固定架固定在前固定板与后固定板之间，内/外旋关节模组包括第二输出法兰和第二轴承，第二轴承位于内/外旋关节上固定架内，其中，内/外旋关节上固定架上端面上设置有第一限位阶梯，内/外旋输出轴上设有第二限位阶梯，限位板上设有第三限位阶梯，第二轴承位于第一限位阶梯和第三限位阶梯之间，通过第一限位阶梯和第三限位阶梯实现限位和固定，限位板与内/外旋关节下固定架固连，内/外旋关节下固定架内设有第二轴承阶梯，6008轴承安装在第二轴承阶梯与限位板之间且与内/外旋关节下固定架过盈配合，通过限位板压紧6008轴承外圈，限制6008轴承轴向移动，通过螺栓穿过内/外旋关节下固定架、限位板以及内/外旋关节模组，实现锁紧内/外旋关节模组的正面，其中，内/外旋关节上固定架与内/外旋关节下固定架之间通过螺栓实现固连。
16、由此，当内/外旋输出轴受到轴向和径向冲击后，会将冲击力传递给6008轴承，6008轴承传递给内/外旋关节上固定架与内/外旋关节下固定架，由零部件本身承力，极大降低内/外旋关节模组的受力，减少损耗，提高重定位精度；第二限位阶梯第三限位阶梯共同作用，实现髋关节机构内/外旋自由度的拟人限位，内旋45°，外旋90°。
17、在内/外旋关节上固定架的外壁上分别固定有联轴块和第一轴承阶梯，内/外旋关节上固定架通过第一轴承阶梯与6007轴承过盈连接，通过联轴块与外展/内收关节模组连接，轴承固定端盖通过螺栓与内/外旋关节上固定架固连，由此实现髋关节机构外展/内收自由度的双悬臂布置，当内/外旋关节上固定架受到轴向和径向冲击后，由6007轴承和外展/内收关节模组内部轴承同时承受冲击，极大降低外展/内收关节模组的受力，减少损耗，提高重定位精度。后固定板上的第二轴承安装孔内设置的限位阶梯和第一限位阶梯共同作用，实现髋关节机构外展/内收自由度的拟人限位，外展90，内收30°。
18、前驱/后伸模块包括前驱/后伸关节固定架、8008轴承、前驱/后伸输出轴以及前驱/后伸关节模组，前驱/后伸关节固定架通过螺栓与内/外旋输出轴连接，前驱/后伸输出轴轴向压紧8008轴承外圈，增加传力性，
19、前驱/后伸关节固定架上的第五限位阶梯与前驱/后伸输出轴上的第二限位阶梯同时作用，实现髋关节机构前驱/后伸自由度的拟人限位，前驱90°，后伸60°。当机器人腿部零件受到冲击力，冲击力会传导至8008轴承，8008轴承与前驱/后伸关节固定架固连，因此冲击力会卸至零部件上，极大降低前驱/后伸关节模组的受力，减少损耗，提高重定位精度。
20、作为本发明的优选技术方案：所述内/外旋关节上固定架外壁上设置有轴块孔，所述联轴块分别通过螺栓安装在轴块孔中。
21、上述结构中：轴块孔用于实现联轴块的安装固定，轴块孔四周设置有螺栓孔，通过螺栓即可实现联轴块固定在轴块孔内。
22、作为本发明的优选技术方案：所述第二轴承阶梯上还设有沉孔，所述限位板上设置有过孔，所述沉孔与过孔位于同一垂线上，当内/外旋关节上固定架与内/外旋关节下固定架通过螺栓固定时，所述内/外旋关节模组的下端面抵于轴承阶梯，此时，通过螺栓依次穿过沉孔和过孔锁紧内/外旋关节模组正面。
23、上述结构中：沉孔与过孔位于同一垂线上，方便螺栓依次穿过进行固定，通过螺栓穿过沉孔、过孔，即可实现锁紧内/外旋关节模组正面。
24、作为本发明的优选技术方案：所述前驱/后伸关节固定架上方设置有连接板，所述连接板上设置有螺栓孔，所述前驱/后伸关节固定架通过连接板与内/外旋输出轴连接固定。
25、上述结构中：通过连接板和螺栓即可实现前驱/后伸关节固定架与内/外旋输出轴的连接固定，连接板上设有螺栓孔，通过螺栓即可进行安装非常方便。
26、作为本发明的优选技术方案：所述前驱/后伸关节固定架侧面设置有第三轴承阶梯和第五限位阶梯，所述第五限位阶梯位于第三轴承阶梯外侧，所述8008轴承安装在第三轴承阶梯上，并通过第五限位阶梯实现限位。
27、上述结构中：8008轴承的安装固定通过第三轴承阶梯实现，第五限位阶梯用于实现8008轴承的限位，防止其从前驱/后伸关节固定架中掉落。
28、作为本发明的优选技术方案：所述前驱/后伸输出轴上设置有第六限位阶梯，所述8008轴承位于第五限位阶梯和第六限位阶梯之间。
29、上述结构中：8008轴承位于第五限位阶梯和第六限位阶梯之间，因此，当机器人腿部零件受到冲击力，冲击力会传导至8008轴承。
30、一种与人形机器人连接的髋关节结构控制方法，其特征在于：对髋关节采用分层运动控制，包括如下步骤：
31、s1、建模解算层：
32、s11、机器人学建模：
33、基于改进dh参数法进行机器人学建模，具体如下：
34、引入人形机器人躯干及髋关节结构与其后续关节间的连杆，来求解髋关节结构末端相对于躯干的位姿，将其视为以躯干为参考系、三个旋转关节组成的固定基座机械臂，对单侧髋关节结构进行机器人学建模，
35、对于一般的n个自由度的固定基座机械臂，由n个关节变量之值来确定各个连杆的位姿，统称这n个变量为n*1的关节矢量，
36、借助denavit和hartenberg所提出的刻画机构运动变换关系的措施，将各连杆坐标系之间位姿关系用连杆参数与连杆变量组成的齐次变换矩阵来表征，
37、进行机构简化，并且在浮动基坐标系原点处，添加坐标系{b}，在各连杆起始端建立连杆坐标系{i}，i＝0，1，2，3，在最后一个连杆末端建立末端坐标系{e}写出右侧髋关节d-h参数表；
38、s12、运动学解算：
39、关节i的齐次变换矩阵为：
40、
41、式中：rotx(αi-1)定义为围绕x轴转动过αi-1，transx(ai-1)定义为沿着x轴正方向平移ai-1，rotz(θi)定义为围绕z轴转动过θi，transz(di)定义为沿着z轴正方向平移di，
42、获得从人形机器人躯干坐标系到髋关节结构末端的齐次变换矩阵：
43、^bt_e(\boldsymbo1\theta)＝^bt_e((\theta_1，\theta_2，\tbeta_3)^t)
44、＝^bt_0\^0t_1(\theta_1)\^1t_2(\theta_2)\^2t_3(\theta_3)\^3t_e
45、以人形机器人躯干坐标系{b}为参考系，则髋关节结构末端位姿：
46、^bt_e(\bm\theta)＝^bt_e＝\begin{bmatrix}^br_e&^bp_e\\0_{1\times3)&1\end{bmatrix}雅可比矩阵能够视作关节空间中角速度向末端线速度之间的广义传动比，即
47、
48、式中：是单侧髋关节的关节空间中角速度矢量，为单侧髋关节末端线速度矢量，
49、采用矢量积法构造雅可比矩阵：
50、单侧髋关节结构末端的微分平移运动和微分旋转运动分别用d和δ表示，相应的线速度和角速度一般分别用v和ω表征，这些微分转动变量在末端上产生的角速度为
51、ω＝ziqi
52、同时它在末端上产生的线速度为矢量积
53、
54、因此雅可比矩阵的第i列为
55、
56、式中，x为矢量叉乘计算外积符号，为末端坐标系相对于坐标系{i}的相对位姿在坐标系{b}中的表征，zi是坐标系{i}中的z轴单位向量在坐标系{b}中的描述，
57、全面考虑各个关节的共同作用，列写出关节角速度与末端线速度和角速度的关系表达式如下式：
58、
59、能够对其进行简化为
60、
61、则式中雅可比刻画了单侧髋关节经由关节空间角速度向末端线速度的线性映射关系，
62、由于单侧髋关节结构由三个转轴方向相互正交的旋转关节串联组成，其运动学逆解可以由上述公式的逆过程逐个求解获得；
63、s13、动力学解算：
64、拉格朗日方程的形式是：
65、
66、其中l＝t-v是拉格朗日量，t是动能，v是势能，qi是广义坐标，是广义速度，q是广义力，
67、对于髋关节结构而言，需要求解的是关节力矩和末端受力，即系统的广义力包括关节力矩和末端外力，
68、q＝τ-jtf
69、τ是关节力矩，f是末端所受外力。
70、将l展开并变形得到拉格朗日形式的动力学方程：
71、
72、其中质量矩阵
73、
74、惯性力矩阵
75、v(\bmq，\bm{\dot{q}}})
76、＝c(\bmq.\bm{\dot{q}})\begin{bmatrix}\dot{q_1}^2\\\dot{q_2}^2\\\vdots\\
77、\dot{q_n}^2\end{bmatrix}
78、+\bmb(\bmq，\dot{\bmq})\begin{bmatrix}\dot{{q_1}\dot{q_2}\\\dot{q_1}\dot{q_3}\
79、\\vdots\\\dot{q}_{n-2}\dot{q_n}\\\dot{q}_{n-1}\dot{q_n}\end{bmatrix}
80、势能矩阵
81、g(q)＝\frac{v}{q}＝\frac{\partial\summ_i(-\bmg^t\bmp_{c_i})}{\partialq}
82、＝-\bmg^t\summ_ij_{vi}
83、于是即可获得髋关节结构；
84、s2、运动规划层：
85、s21、工作空间规划：
86、通过髋关节结构中各关节的互相限位，得到一组关节可达性良好的点集：
87、s_{joint}＝\{(x，y，z)|f_{ik}(x，y，z)＝\bmq_{sol}\in[\bmq_{min}}，\bmq_{max}]\}；
88、然后确保工作空间中的可达性，这通常需要对髋关节乃至整机的结构外形作较为完整的建模，然后通过最优化方法进行数值求解，算法复杂度较高，同时考虑到人形机器人在多数工况下的髋关节末端位置运动的范围都较小，可以对其工作空间进行合理的保守规划，结合整机结构将其设计为
89、send＝{(x，y，z)|xmin＜x＜xmax，ymin＜y＜ymax，zmin＜z＜zmax)。
90、则所规划的单侧髋关节工作空间为：
91、singlesop＝sop＝stheory∩sjoint∩send
92、于是左右两侧髋关节工作空间都可根据上式得到，分别记为lsop、rsop；
93、s22、关节空间规划：
94、采用三次贝塞尔曲线生成髋关节末端轨迹：
95、
96、其中qi＝(xi，yi)是曲线的控制顶点，i＝0，…，n，t为曲线参数；
97、s3、关节执行层
98、关节pd控制器采用包含前馈力矩的pd控制，输出为纯力矩控制，位置、速度、力矩指令生成后直接发送给关节pd控制器执行，关节pd控制器再产生电机力矩指令，从而产生髋关节结构关节末端运动，
99、
100、其中τff为前馈力矩，kp为比例反馈系数，qmea为测量关节位置，qdes为期望关节位置，kd为微分反馈系数，为测量关节速度，为期望关节速度。
101、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
102、1.本发明能够实现拟人化的髋关节自由度。本发明充分考虑了人体髋关节自由度范围，在结构和自由度范围布置上以人为主要参考对象，外展/内收，内/外旋，前驱/后伸自由度与人体自由度范围一致。
103、2.本发明能够实现低转动惯量。髋关节整体结构布置，外展/内收模块，内/外旋模块，前驱/后伸模块，每个模块的质心均在转动轴上，极大降低了转动惯量。
104、3.本发明具备极高的抗冲击性能力和重定位精度。本发明每个转动自由度的机结构上均设有轴承，轴承均具备较高轴向和径向承载能力，外展/内收自由度为双悬臂机构，承载和重定位精度能力远高于单悬臂，内/外旋自由度和前驱/后伸自由度增加轴承，并通过结构布置使得冲击力均被零部件吸收，承载和重定位精度能力远高于关节模组直接输出。
105、4.本发明在低成本、兼容性好、安装简单、操作简便方面具有优势，可实现多工业场景的推广。
1.一种与人形机器人连接的髋关节结构，其特征在于：包括连接件、外展/内收模块(2)、内/外旋模块(3)以及前驱/后伸模块(4)，所述外展/内收模块(2)通过连接件连接在人形机器人上，所述外展/内收模块(2)包括分别固定在连接件上的前固定板(201)和后固定板(202)，所述前固定板(201)上设置有第一轴承安装孔，所述第一轴承安装孔内过盈安装有6007轴承(204)，所述第一轴承安装孔上安装有轴承固定盖(205)，所述轴承固定盖(205)压紧在6007轴承(204)外圈上，锁死其轴向移动，所述后固定板(202)上设置有第二轴承安装孔，还包括外展/内收关节模组(203)，所述外展/内收关节模组(203)包括有第一输出法兰和第一轴承，所述第一轴承安装在第二轴承安装孔内，所述第一输出法兰安装在第一轴承上且随第一轴承转动而转动；
2.根据权利要求1所述的一种与人形机器人连接的髋关节结构，其特征在于：所述连接件包括髋关节固定本体件(1)，所述髋关节固定本体件(1)上端面上设置有固定块和固定槽，所述髋关节固定本体件(1)通过固定块和固定槽与人形机器人的上身连接，所述外展/内收模块(2)固定连接在髋关节固定本体件(1)的下端面上。
3.根据权利要求1所述的一种与人形机器人连接的髋关节结构，其特征在于：还包括轴承端盖(206)，所述轴承固定盖(205)与前固定板(201)通过螺栓固连，同时轴承固定盖(205)压紧在6007轴承(204)外圈上，所述轴承端盖(206)与6007轴承(204)内圈为过盈配合且可跟随6007轴承(204)的内圈转动。
4.根据权利要求1所述的一种与人形机器人连接的髋关节结构，其特征在于：所述内/外旋关节上固定架(302)外壁上设置有轴块孔，所述联轴块(301)分别通过螺栓安装在轴块孔中。
5.根据权利要求1所述的一种与人形机器人连接的髋关节结构，其特征在于：所述第二轴承阶梯上还设有沉孔，所述限位板(304)上设置有过孔，所述沉孔与过孔位于同一垂线上，当内/外旋关节上固定架(302)与内/外旋关节下固定架(307)通过螺栓固定时，所述内/外旋关节模组(303)的下端面抵于轴承阶梯，此时，通过螺栓依次穿过沉孔和过孔锁紧内/外旋关节模组(303)正面。
6.根据权利要求1所述的一种与人形机器人连接的髋关节结构，其特征在于：所述前驱/后伸关节固定架(401)上方设置有连接板，所述连接板上设置有螺栓孔，所述前驱/后伸关节固定架(401)通过连接板与内/外旋输出轴(305)连接固定。
7.根据权利要求1所述的一种与人形机器人连接的髋关节结构，其特征在于：所述前驱/后伸关节固定架(401)侧面设置有第三轴承阶梯和第五限位阶梯，所述第五限位阶梯位于第三轴承阶梯外侧，所述8008轴承(402)安装在第三轴承阶梯上，并通过第五限位阶梯实现限位。
8.根据权利要求1或7所述的一种与人形机器人连接的髋关节结构，其特征在于：所述前驱/后伸输出轴(403)上设置有第六限位阶梯，所述8008轴承(402)位于第五限位阶梯和第六限位阶梯之间。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种与人形机器人连接的髋关节结构控制方法，其特征在于：对髋关节采用分层运动控制，包括如下步骤：
