CN100548242C - 一种人形机器人脚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人形机器人脚，包括橡胶脚底层、脚板、六维力传感器、上法兰、下法兰、倾角传感器、触觉阵列垫、信号处理系统和脚面。信号处理系统安装在脚板的前部，倾角传感器安装在中部，六维力传感器安装在脚跟处。当机器人行走时，人形机器人脚上的六维力传感器检测机器人行走过程中脚与路面接触时的地面反作用力，倾角传感器检测脚板的倾斜角度，触觉阵列垫检测脚与路面的接触位置与接触状态等信息，信号处理系统实时采集和处理这些信息，计算机器人行走时的ZMP轨迹，判断脚的状态，推测机器人的行走路面情况，并发送给机器人的控制系统，为机器人的步态规划提供依据，提高人形机器人行走时的步态稳定性和自然性。

Description

一种人形机器人脚

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别涉及机器人应用领域中的一种人形机器人脚。

背景技术

人形机器人或者双足步行机器人与四足或六足步行机器人、轮式机器人、爬行式机器人和履带式机器人等移动机器人相比，有着更好的环境适应性，具有更加灵活的运动方向，具有处理复杂环境要求的能力，并且可以与人进行友好的交流。因此，人形机器人在家庭、社会服务、医疗、工业制造、航空航天以及一些不适于人类的特定环境条件等方面有着广阔的应用前景。

人形机器人研究的一个关键问题是实现其稳定的行走，目前对人形机器人行走步态规划和稳定性控制主要采用南斯拉夫学者Miomir Vukobratovich发明的零力矩点ZMP(Zero Moment Point)控制理论，即通过在双足机器人的踝关节安装六维力传感器测量地面反作用力，来实现对ZMP轨迹的检测和补偿。但是，由于人形机器人的重心位置比其他多足行走机器人的重心位置要高，人形机器人行走时的ZMP稳定区域比多足机器人行走时的ZMP稳定区域要窄得多，因此，机器人行走路面的变化引起姿势改变的问题对于人形机器人的步态规划尤其重要。

当人形机器人通过地面上有障碍物的区域或者地面不平的区域时，即使机器人使用视觉系统来确定周围的环境，仍会产生机器人脚部和地面之间无有效相互作用的问题，此时机器人的脚不能适当地踏在地面上，就会降低人形机器人步态的稳定性和自然性，即在机器人运动过程中，当地面环境发生变化时，特别是凹凸不平的路面状况下，有时整个脚不能踩在路面上，此时无法正确检测出脚底的地面反作用力，从而无法正确进行ZMP补偿，因此在进行步态规划时仅依靠六维力传感器检测的信息是不够充分的，还必须考虑路面状况、脚底板与地面接触位置以及脚底板的倾斜状态等因素。

人形机器人行走时，当机器人的脚与路面接触时就会产生冲击，冲击会通过踝关节传送到机器人的躯干，由于冲击，机器人的动态平衡可能被干扰，可能导致机器人步态的不稳定。此外，冲击引起的脚部振动被传送到机器人的躯干，还会降低机器人的控制稳定性，在设计人形机器人脚时需要考虑吸收冲击的问题。

在现有技术中有多种结构的机器人脚，经检索查新，其中专利号为CN1313251C是最接近的专利技术。它具体公开了“一种人形机器人脚及脚力信息检测方法”包括橡胶脚底层、脚板、转接板和六分量力传感器等，在此专利中，橡胶脚底层直接安装在脚板的下面，六分量力传感器通过转接板安装在脚板的上面，检测机器人脚与地面接触时的六维力信息。

现有技术中的人形机器人脚存在着不足之处，其人形机器人脚上只安装六分量力传感器来检测地面反作用力，安装的传感器种类比较少，获取的信息比较单一，无法提供诸如人形机器人脚脚底与地面的接触位置、脚板的倾斜角度以及行走路面的平整度等信息，不能为人形机器人的ZMP补偿以及步态规划提供更加充分的信息。

发明内容

本发明的目的是：避免上述现有技术中人形机器人脚的不足之处，提供一种能够实时同步获取机器人行走过程中的地面反作用力、脚与路面的接触位置、接触形状、脚板的倾斜角度以及行走路面的平整度等信息的人形机器人脚，为机器人的ZMP补偿和步态规划提供更加充分的信息，提高人形机器人行走时的步态稳定性和自然性。

本发明的技术方案是：一种人形机器人脚，包括相互机械连接的橡胶脚底层、脚板、六维力传感器和信号处理系统，特别是：

橡胶脚底层直接与地面接触，橡胶脚底层的上面依次安装有触觉阵列垫和脚板，触觉阵列垫置有绝缘垫和触觉阵列，橡胶脚底层的大小、形状与触觉阵列垫、脚板的底面一致；

脚板的底面、上表面都是平面，上表面有凹台或凸台，并与脚板的底面平行，脚板置于触觉阵列垫之上，即触觉阵列垫安装在橡胶脚底层和脚板之间，脚板的前部安装有信号处理系统、中部安装有倾角传感器，脚板与模仿人脚的形状脚面机械连接；

六维力传感器安装在脚板的脚跟处，六维力传感器上面安装有上法兰，通过螺栓机械连接，上法兰通过螺栓与人形机器人的踝关节机械连接，六维力传感器下面安装有下法兰，通过螺栓与脚板机械连接；

信号处理系统安装在脚板的前部，实时采集和处理六维力传感器、倾角传感器以及触觉阵列垫发来的信息，并将这些信息通过通讯总线传送给人形机器人的控制系统。

作为对现有技术的进一步改进，橡胶脚底层与路面接触的下表面有防滑槽，橡胶脚底层具有弹性，用于吸收人形机器人脚着地时的冲击力；

六维力传感器是E型膜片结构六维力传感器，或者十字梁结构六维力传感器，或者其它结构的六维力传感器；

倾角传感器是检测X、Y、Z轴倾斜角度的三维倾角传感器ADXL330，或是检测X、Y轴倾斜角度的二维倾角传感器ADXL203或ADXL323或ADXL311或MMA6260Q或MMA6263Q。

相对于现有技术CN1313251C，本发明的有益效果是：

其一，在人形机器人脚上增加倾角传感器，检测人形机器人脚行走时脚板与三维空间直角坐标系中X、Y、Z轴之间的偏转角度，计算人形机器人行走时脚板的倾斜角度；

其二，在人形机器人脚上增加触觉阵列垫，在人形机器人行走过程中脚与路面接触时，实时检测脚与路面的接触位置及接触形状；

其三，本发明中通过实时同步检测脚板的倾斜角度和脚与路面的接触位置、接触形状等信息，综合判断人形机器人行走时脚与地面的接触情况，推测人形机器人行走路面的平整度情况；

其四，本发明中在人形机器人脚上安装信号处理系统，实时同步采集和处理倾角传感器、六维力传感器以及触觉阵列垫的信息，综合利用这些信息来计算人形机器人行走时的ZMP轨迹，判断脚的状态，推测人形机器人行走时的路面情况，并发送给人形机器人的控制系统，减少了人形机器人控制系统的计算工作量，节约了控制系统的计算时间，为人形机器人的控制系统提供实时的步态信息，而且为人形机器人的步态规划提供更加充分的路面环境信息，有利于提高人形机器人行走时的步态稳定性和自然性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明中触觉阵列垫的俯视图。

图4为本发明中信号处理系统的原理图。

图5为本发明中六维力传感器和倾角传感器的安装位置及坐标系定义的示意图。

具体实施方式

图1是本发明的总体结构示意图。其中：1是橡胶脚底层；2是脚板；3是六维力传感器；4是上法兰；5是下法兰；6是倾角传感器；7是触觉阵列垫；8是信号处理系统；9是脚面。

本发明中的脚面9模仿人脚的形状，使人形机器人脚看起来更接近人类。脚板2的底面是平面，上表面是平面，或者有凹台或凸台，凸台或凹台的表面与脚板2的底面平行。本发明中的触觉阵列垫7安装在脚板2的下面，橡胶脚底层1安装在触觉阵列垫7的下面。橡胶脚底层1位于脚的最下面，直接与路面接触，其大小、形状与触觉阵列垫7和脚板2的下表面一致，橡胶脚底层1与地面接触的下表面有防滑槽，并且具有适当的弹性，能够吸收机器人脚着地时的冲击力，提高人形机器人脚的控制稳定性。

图2为本发明的俯视图。其中，信号处理系统8安装在脚板2的前部，倾角传感器6安装在脚板2的中部，六维力传感器3安装在脚板2的脚跟处。

上法兰4通过螺栓10安装在六维力传感器3的上面，通过螺栓11与人形机器人的踝关节连接，下法兰5安装在六维力传感器3的下面，通过螺栓与脚板2连接。六维力传感器3位于人形机器人脚的踝关节与脚板之间，当机器人行走时，实时检测人形机器人脚与路面接触时的地面反作用力信息，此信息用来计算人形机器人行走时的ZMP位置，判断的ZMP位置是否在稳定区域内，并为人形机器人下一步的步态规划提供依据。

图3为本发明中触觉阵列垫的俯视图。本发明中的触觉阵列垫7由绝缘垫12和触觉阵列13组成。触觉阵列垫7的大小、形状与橡胶脚底层1和脚板2的底面一致，安装在橡胶脚底层1和脚板2之间。当人形机器人行走过程中脚与路面接触时，通过触觉阵列13来实时获取人形机器人脚与路面的接触位置以及接触形状等信息。

图4为本发明中信号处理系统的原理图。本发明中的信号处理系统8以微处理器ADuC812为核心，通过A/D(模数转换)实时采集倾角传感器6和六维力传感器3的信息，通过I/O(输入输出接口)实时采集触觉阵列垫7的信息，对这些信息进行处理，并通过通讯总线与人形机器人的控制系统进行通讯。

本发明中的六维力传感器3获取人形机器人行走时的地面反作用力信息，倾角传感器6获取人形机器人行走过程中脚板的倾斜角度信息，触觉阵列垫7获取人形机器人行走过程中脚与路面的接触位置与接触状态等信息。信号处理系统8实时采集这些传感器的信息，计算脚板的倾斜角度、脚与地面的接触位置、接触形状、行走路面的平整度以及地面的反作用力，并综合这些信息计算人形机器人行走时的ZMP轨迹，判断人形机器人脚的状态，推测行走的路面情况，规划人形机器人的步态，提高人形机器人行走时的步态稳定性和自然性。

图5为本发明中六维力传感器和倾角传感器的安装位置及坐标系定义的示意图。本发明中六维力传感器3安装在脚板2的脚跟处，脚跟的上表面与脚板2的前半部分在一个平面上，或者有凸台。倾角传感器6是检测X、Y、Z轴倾斜角度的三维倾角传感器，或者是检测X、Y轴倾斜角度的二维倾角传感器，倾角传感器6安装在脚板2的中部。六维力传感器3和倾角传感器6的坐标系定义为：朝着脚尖的方向定义为三维空间中Y轴的正方向，Z轴朝向机器人的头部，根据右手螺旋法则可以确定X轴的正方向。六维力传感器3检测人形机器人行走过程中脚与路面接触时的三维力Fx、Fy、Fz和三维力矩Mx、My、Mz信息，倾角传感器6检测人形机器人行走过程中脚板2与X、Y、Z轴之间的倾斜角度信息。

实施例：

将本发明提出的2只人形机器人脚通过上法兰分别安装在人形机器人左右两条腿的踝关节上，将人形机器人脚上信号处理系统的信号线与人形机器人的控制系统连接。人形机器人脚上的橡胶脚底层1的下表面有防滑槽，并且具有适当的弹性，能够吸收人形机器人脚着地时的冲击力，提高人形机器人的控制稳定性。当人形机器人行走时，六维力传感器实时检测人形机器人行走过程中脚与路面接触时的三维力Fx、Fy、Fz和三维力矩Mx、My、Mz信息，倾角传感器实时检测人形机器人行走过程中脚板与X、Y、Z轴之间的倾斜角度信息，触觉阵列垫实时检测人形机器人脚与路面的接触位置与接触状态等信息，信号处理系统实时采集这些传感器的信息，计算脚板的倾斜角度、脚与地面的接触位置、接触形状、行走路面的平整度以及地面的反作用力，综合这些信息计算人形机器人行走时的ZMP轨迹，判断脚的状态，推测人形机器人的行走路面情况，并将这些信息发送给人形机器人的控制系统，减少了人形机器人控制系统的计算工作量，节约了控制系统的计算时间，不仅为人形机器人的控制系统提供实时的步态信息，而且为人形机器人的步态规划提供更加充分的路面环境信息，有利于提高人形机器人行走时的步态稳定性和自然性。

Claims (4)

1、一种人形机器人脚，包括相互机械连接的橡胶脚底层(1)、脚板(2)、六维力传感器(3)和信号处理系统(8)，其特征在于：

所述的橡胶脚底层(1)直接与地面接触，所述的橡胶脚底层(1)的上面依次安装有触觉阵列垫(7)和脚板(2)，所述的触觉阵列垫(7)置有绝缘垫(12)和触觉阵列(13)，所述的橡胶脚底层(1)的大小、形状与触觉阵列垫(7)、脚板(2)的底面一致；

所述的脚板(2)的底面、上表面都是平面，上表面有凸台或凹台并与脚板(2)的底面平行，脚板(2)置于触觉阵列垫(7)之上，即所述的触觉阵列垫(7)安装在橡胶脚底层(1)和脚板(2)之间，所述的脚板(2)的前部安装有信号处理系统(8)、中部安装有倾角传感器(6)，所述的脚板(2)与模仿人脚形状的脚面(9)机械连接；

所述的六维力传感器(3)安装在脚板(2)的脚跟处，所述的六维力传感器(3)上面安装有上法兰(4)，所述的六维力传感器(3)与上法兰(4)通过螺栓(10)机械连接，所述的上法兰(4)通过螺栓(11)与人形机器人的踝关节机械连接，所述的六维力传感器(3)下面安装有下法兰(5)，所述的下法兰(5)与脚板(2)机械连接；

所述的信号处理系统(8)安装在脚板(2)的前部，实时采集和处理六维力传感器(3)、倾角传感器(6)以及触觉阵列垫(7)发来的信息，并将这些信息通过通讯总线传送给人形机器人的控制系统。

2、根据权利要求1所述的一种人形机器人脚，其特征是：所说橡胶脚底层(1)与路面接触的下表面有防滑槽，所说橡胶脚底层(1)具有弹性，用于吸收人形机器人脚着地时的冲击力。

3、根据权利要求1所述的一种人形机器人脚，其特征是：所说六维力传感器(3)是E型膜片结构六维力传感器，或者十字梁结构六维力传感器，或者其它结构的六维力传感器。

4、根据权利要求1所述的一种人形机器人脚，其特征是：所说倾角传感器(6)是检测X、Y、Z轴倾斜角度的三维倾角传感器ADXL330，或是检测X、Y轴倾斜角度的二维倾角传感器ADXL203或ADXL323或ADXL311或MMA6260Q或MMA6263Q。

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