CN105973143B - 一种双足行走步行参数的测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双足行走过程步行参数的测量，属于机器人技术领域。一方面提供了双足行走步行参数的测量装置，该装置包括零力矩点测量系统、足部轮廓测量系统、步行参数计算系统。另一方面提供了双足行走步行参数的测量方法，该方法能够准确有效测量双足行走步行参数，包括：行走前站立状态参数、步长、步行周期、零力矩点轨迹以及足部与地面接触轮廓。该方法用于人体双足行走步行参数测量，对人体行走步态分析有重要意义，为双足机器人的轨迹规划提供重要依据；该方法用于双足机器人行走步行参数测量，为双足机器人行走步态，行走轨迹的在线调节，上位机与腿部各个关节之间的闭环控制提供反馈参数，对实现双足机器人的稳定行走具有重要意义。

Description

一种双足行走步行参数的测量方法与装置
技术领域
本发明提供了一种基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量，属于机器人技术领域。
背景技术
双足机器人是集机械技术、电子技术、控制技术、计算机技术、传感技术、人工智能、仿生学等多学科于一体的综合性平台。相比其他足式机器人，双足机器人对步行环境要求低，移动盲区小，能够适应各种非结构性复杂地形，能够跨越障碍，具有更高的灵活性，更适合在人类生活或工作环境中与人类协调工作。为使双足机器人更好地适应环境，更好地为人类服务，双足机器人必须具有稳定行走的能力。
为实现双足机器人的稳定行走，首先需对其步态进行规划。其中一种重要的规划方法是基于零力矩点(ZMP)的轨迹规划方法。零力矩点(ZMP)是指地面上的一个点，足底受到的地面反作用力绕该点在地面上的力矩分量为零。由Vukobratovic等人在1972年提出的零力矩点(ZMP)概念是判断机器人是否会摔倒，足底与地面是否保持接触的一个重要指标。为了更有效的规划零力矩点(ZMP)轨迹，实现双足机器人的稳定行走，可以预先对人类行走时的零力矩点(ZMP)点进行分析，得到人类行走时的零力矩点(ZMP)轨迹，以此为参考，规划出合适的零力矩点(ZMP)轨迹。因此，测量人体行走过程中步行参数对人体步态分析有重要意义，为双足机器人的行走轨迹规划提供了重要的依据。
为实现双足机器人的稳定行走，还需对其步态进行在线控制。双足机器人的行走过程分为单脚支撑期和双脚支撑期，可以根据行走过程中足部与地面的接触轮廓来区分。支撑脚与地面之间是单向的、欠驱动的、不可控的自由度，若不能有效控制，双足机器人会出现倾倒侧翻等情况。在进行步态规划后，为实现双足机器人稳定行走的在线控制，需实时获得双足机器人行走过程中的步行参数，只有得到了每一时刻双足机器人行走的反馈数据，才能对双足机器人的行走步态，行走轨迹进行在线调节，实现上位机与腿部各个关节之间的闭环控制，所以测量双足机器人行走过程中的步行参数对于双足机器人的稳定行走也十分重要。
现有专利CN03152815.5提出了一种人形机器人脚行走过程中压力中心点COP和零力矩点ZMP检测方法，但该方法仅针对人形机器人，不能实现人体行走时的零力矩点ZMP测量，也不能测量人形机器人行走过程中步长、步行周期等参数，同时由于零力矩点坐标的计算是在机器人的载体坐标系，不能得到世界坐标系下的零力矩点轨迹。
现有专利CN200410014352.9提供了一种人体行走步态信息获取方法，该方法能够得到人体步幅、步距、步速等信息，实现人体行走过程中压力中心点COP的实时测量，但该方法不能得到人体行走过程中足部与地面接触轮廓的变化情况，不能得到人体足部轮廓与人体行走过程中ZMP点的对应关系，不能区分单双脚支撑期，同时由于每次测量的落脚点位置可能不同，不能实现多次可对比的重复性试验。
发明内容
本发明提供了一种基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量，能准确有效的测量人体或双足机器人行走时的步行参数，对人体行走步态分析以及双足机器人的稳定行走有重要意义。所述的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量方法，包括：
(1)获取双足行走过程中每一步足部与地面作用的力和力矩
(2)获取双足行走过程中每一步足部与地面接触的轮廓
(3)通过得到的力和力矩信息，计算出双足行走过程中的零力矩点
(4)通过足部轮廓判断单、双脚支撑期，计算出双足行走过程的步长，步行周期，同时将得到的足部轮廓与零力矩点相对应，计算得到在世界坐标系下的双足行走过程中的零力矩点轨迹
另一方面，本发明提供了一种基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量装置，包括：
(1)零力矩点测量系统，能够测量双足行走过程中每一步足部与地面作用的力和力矩
(2)足部轮廓测量系统，能够测量双足行走过程中每一步与地面接触的足部轮廓
(3)步行参数计算系统，能够计算出双足行走过程中的步长、步行周期以及在世界坐标系下的零力矩点轨迹
本发明提供的技术方案的有益效果是：
通过测量人体或双足机器人行走过程中每一步足部与地面作用的力和力矩以及与地面接触的足部轮廓，得到双足行走过程中步行参数，对人体行走步态分析有重要意义，为双足机器人的轨迹规划提供重要依据，同时为双足机器人行走步态，行走轨迹的在线调节，上位机与腿部各个关节之间的闭环控制提供反馈参数，对实现双足机器人的稳定行走具有重要意义。
附图说明
图1是本专利所提出的测量双足行走过程中步行参数的方法流程图。
图2是本专利所提出的零力矩点测量系统结构图。
图3是本专利所涉及的红外发射接收对管及其相应电路图。
图4是本专利所提出的足部轮廓测量系统部分结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明所提出的基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量装置由三部分组成：
(1)零力矩点测量系统：首先建立如图2所示的世界坐标系xoy，图2左侧为俯视图，图2右侧为左视图，将N个六维力传感器3(a…h)按如图2所示安装在底层钢板2与顶层玻璃板1之间的导轨4上，N值可以根据实际所需测量步数S选定，其中N＝S+2，每个六维力传感器间的摆放间距可以根据实际所需测量步长进行调整。现以行走步数S＝6来说明，六维力传感器b、c、e、g，a、d、f、h分别安装在两条导轨上，起始和终止处对齐，即a与b、g与h在横向对齐，两导轨间的横向距离为H，b与c及f与h之间的纵向距离为L，c与e、e与g、a与d、d与f之间的纵向距离为2L。测量开始时，测试对象首先站在六维力传感器a与b所对应区域之上，接着测试者开始行走，先迈左脚，落脚点在六维力传感器c所对应区域之上，接着迈右脚，落脚点在六维力传感器d所对应区域之上，如此行走，总共六步，直至最后一步的右脚落在六维力传感器h所对应区域之上。六维力传感器通过CAN总线相连接，每个六维力传感器上有一个固定坐标系，当测试对象行走时六维力传感器将测量得到的三个力与三个力矩实时传输到步行参数计算系统，由此可以计算出双足行走时的零力矩点坐标。
(2)足部轮廓测量系统：将图3所示红外发射接收对管5均匀平铺安装在底层钢板2上，图4左侧是其中一块安装后的俯视图，图4右侧是对应的安装后的左视图。每对红外发射接收对管都提前在世界坐标系中设定好相应的坐标。每对红外发射接收对管的工作电路如图3所示，当前方有黑色障碍物时，接收管能接收到反射光，电路输出高电平，当前方无障碍物时，接收管不能接收到反射光，电路输出低电平。该红外发射接收对管对障碍物的敏感程度，即输出高电平的有效距离，可以通过图3右侧电路图中的调节电位器R5进行调节。当测试者进行实验时，先穿上黑色鞋子，然后按照(1)中所述方式在玻璃板上行走，每一时刻相应的红外发射接收对管会输出不同的电平，此时可以通过均匀平铺的红外发射接收对管的输出电平来测量每个时刻测试者的足部与玻璃板的接触轮廓。
(3)步行参数计算系统：八个六维力传感器通过CAN总线连接，将测量的三个力与三个力矩传输到步行参数计算系统，步行参数计算系统计算出每个采样时刻双足行走时的零力矩点坐标；M个红外发射接收对管通过图3所示电路与单片机相连，当前方有障碍物，即测试者的足部使得红外接收管能够接收到反射光时，证明接收者的足部与上层玻璃板接触，单片机检测到相应红外发射接收对管输出的高电平，将其与预先存入的红外发射接收对管的坐标位置相比对，最后将输出高电平的红外发射接收对管的坐标信息传输到步行参数计算系统，步行参数计算系统将各个坐标信息综合，得到测试对象行走时的足部与上层玻璃板接触的轮廓信息。最后步行参数计算系统将各个时刻的足部轮廓信息与零力矩点位置综合，得到每个采样时刻的零力矩点轨迹以及足部与地面接触轮廓图像，同时计算出步长，步行周期。
本发明所提出的基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量方法具体算法如下：
(1)计算零力矩点轨迹：双足行走时，与地面接触的脚称为支撑脚，离开地面的脚称为摆动脚，在行走过程中，不同时刻有不同的脚接触地面，当仅有一只脚接触地面时称为单脚支撑期，有两只脚接触地面时称为双脚支撑期。单、双脚支撑期可以通过足部轮廓测量系统来区分，即通过足部与上层玻璃板1接触轮廓的变化情况来区分。测试对象足部与上层玻璃板1接触轮廓D(t)计算公式为：
D(t)＝[max(xR1,xR2…xRi)-min(xR1,xR2…xRi)]×[max(yR1,yR2…yRi)-min(yR1,yR2…yRi)]+[max(xL1,xL2…xLi)-min(xL1,xL2…xLi)]×[max(yL1,yL2…yLi)-min(yL1,yL2…yLi)] (1)
其中(xR1,xR2…xRi)，(yR1,yR2…yRi)是右侧导轨上输出高电平的红外发射接收对管的在世界坐标系xoy下坐标，(xL1,xL2…xLi)，(yL1,yL2…yLi)是左侧导轨上输出高电平的红外发射接收对管的在世界坐标系xoy下坐标。设单、双脚支撑期用函数H(t)来表示，当H(t)＝0时，属于双脚支撑期；当H(t)＝1时，属于单脚支撑期，通过足部轮廓判断单、双脚支撑期的公式如下：
其中D(0)是测试者起始站立在端点处六维力传感器a、b所在区域之上的足部轮廓，D(t)是每个采样时刻所测得的足部轮廓，δ是极小量，可以根据实际的实验效果适当调整。
设六维力传感器得到的三个力为f＝[fx fy fz]T，三个力矩为T＝[Tx Ty Tz]T，左脚的踝关节坐标为PL＝[PLx PLy PLz]T，右脚的踝关节坐标为PR＝[PRx PRy PRz]T，零力矩点的坐标为Pzmp＝[Px Py Pz]T。不同时期足部与地面的接触脚不同，可以分为如下情况：
1)双脚支撑期，此时的ZMP点的位置计算公式为：
2)单脚支撑期，右脚为支撑脚，左脚为摆动脚，此时的ZMP点的位置计算公式为：
3)单脚支撑期，左脚为支撑脚，右脚为摆动脚，此时的ZMP点的位置计算公式为：
将上述公式与本发明所提出的基于分布式六维力传感器的双足行走过程零力矩点轨迹的测量装置所对应，例如测试对象起始站在六维力传感器a与b所在区域之上，属于上述的情况1)，此时六维力传感器b所测的力对应于fL＝[fLx fLy fLz]T，所测力矩对应于TL＝[TLx TLy TLz]T，六维力传感器a所测的力对应于fR＝[fRx fRy fRz]T，所测力矩对应于TR＝[TRx TRy TRz]T，套入公式(1)，即可计算出此时的零力矩点坐标。当测试对象开始迈出左脚到左脚还未落在六维力传感器c所在区域上时，属于上述情况2)，此时六维力传感器a所测的力对应于fR＝[fRx fRy fRz]T，所测力矩对应于TR＝[TRx TRy TRz]T，套入公式(2)，即可计算出此段时间的零力矩点坐标。当测试对象第一步行走完成，即测试者左脚位于六维力传感器c所在区域上，右脚位于六维力传感器a所在区域上，属于上述的情况1)，此时六维力传感器c所测的力对应于fL＝[fLx fLy fLz]T，所测力矩对应于TL＝[TLx TLy TLz]T，六维力传感器a所测的力对应于fR＝[fRx fRy fRz]T，所测力矩对应于TR＝[TRx TRy TRz]T，套入公式(1)，即可计算出此时的零力矩点坐标。由上述公式计算出的零力矩点y方向坐标还需在每完成一次迈步时加上相应的步长Lstep(n)，将零力矩点坐标转换到世界坐标系下的坐标，最终将足部轮廓与得到的零力矩点的坐标相对应，得到双足行走过程的零力矩点轨迹曲线。
(2)计算步长：测试对象行走过程中每一步的步长可以通过双脚支撑期的足部轮廓来计算，具体公式如下：
其中n＝1,2…S，(yR1,yR2…yRi)是双脚支撑期时右侧导轨上输出高电平的红外发射接收对管的在世界坐标系xoy下坐标，(yL1,yL2…yLi)是双脚支撑期时左侧导轨上输出高电平的红外发射接收对管的在世界坐标系xoy下坐标。
(3)计算步行周期：由(1)中所述，可以通过足部轮廓D(t)区分测试对象行走过程中的单、双脚支撑期H(t)，t是采样时间，步行周期可以通过单脚支撑期的持续时间加上双脚支撑期的持续时间计算得出。

Claims (8)

1.一种基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量方法，包括：
(1)利用分布式六维力传感器获取双足行走过程中每一步足部与上层玻璃板间作用的力和力矩，六维力传感器得到的三个力为f＝[fx fy fz]T，三个力矩为T＝[Tx Ty Tz]T；
(2)获取双足行走过程中每一步足部与上层玻璃板接触的轮廓；
(3)由(1)中得到的力和力矩信息，计算出双足行走过程中的零力矩点坐标；
(4)通过(2)中所得足部轮廓信息判断单、双脚支撑期，计算出双足行走过程的步长，步行周期，同时将得到的足部轮廓与零力矩点相对应，计算出在世界坐标系xoy下双足行走过程中的零力矩点轨迹；
其特征在于，利用红外发射接收对管来测量双足行走过程中足部与上层玻璃板间的接触轮廓D(t)如下：
D(t)＝[max(xR1,xR2…xRi)-min(xR1,xR2…xRi)]×[max(yR1,yR2…yRi)-min(yR1,y…2…yRi)]
+[max(xL1,xL2…xLi)-min(xL1,xL2…xLi)]×[max(yL1,yL2…yLi)-min(yL1,yL2…yLi)]
其中t是采样时刻，(xR1,xR2…xRi)，(yR1,yR2…yRi)是右侧导轨上输出高电平的红外发射接收对管的在世界坐标系xoy下坐标，(xL1,xL2…xLi)，(yL1,yL2…yLi)是左侧导轨上输出高电平的红外发射接收对管的在世界坐标系xoy下坐标。
2.根据权利要求1所述的基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量方法，其特征在于，利用足部与上层玻璃板间的接触轮廓D(t)来判断足部与上层玻璃板间接触是单脚支撑期还是双脚支撑期，设单、双脚支撑期用函数H(t)来表示，当H(t)＝0时，属于双脚支撑期；当H(t)＝1时，属于单脚支撑期，通过足部轮廓判断单、双脚支撑期的公式如下：
其中D(0)是测试者起始站立在端点处六维力传感器(a、b)所在区域之上的足部轮廓，D(t)是每个采样时刻所测得的足部轮廓，δ是极小量，可以根据实际的实验效果适当调整。
3.根据权利要求1所述的基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量方法，其特征在于，利用双脚支撑期的足部轮廓来计算双足行走过程中每一步的步长，具体公式如下：
其中n＝1,2…S，S是测量步数，(yR1,yR2…yRi)是双脚支撑期时右侧导轨上输出高电平的红外发射接收对管的在世界坐标系xoy下坐标，(yL1,yL2…yLi)是双脚支撑期时左侧导轨上输出高电平的红外发射接收对管的在世界坐标系xoy下坐标。
4.根据权利要求2所述的基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量方法，其特征在于，利用测试对象行走过程中的单、双脚支撑期H(t)持续时间计算双足行走过程中的步行周期，t是采样时间，步行周期由单脚支撑期的持续时间加上双脚支撑期的持续时间计算得出。
5.根据权利要求2所述的基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量方法，其特征在于，利用测试对象行走过程中的单、双脚支撑期H(t)计算出双足行走过程的零力矩点坐标；设左脚的踝关节坐标为PL＝[PLx PLy PLz]T，右脚的踝关节坐标为PR＝[PRx PRyPRz]T，根据足部与地面接触的不同时期，代入不同的公式计算出双足行走过程的零力矩点坐标Pzmp＝[Px Py Pz]T：
(1)双脚支撑期，此时的ZMP点的位置计算公式为：
(2)单脚支撑期，右脚为支撑脚，左脚为摆动脚，此时的ZMP点的位置计算公式为：
(3)单脚支撑期，左脚为支撑脚，右脚为摆动脚，此时的ZMP点的位置计算公式为：
TLx、TLy、TLz表示左脚六维力传感器所测三轴力矩，fLx fLy fLz表示左脚六维力传感器所测三轴力；TRx、TRy、TRz表示右脚六维力传感器所测三轴力矩，fRx fRy fRz表示右脚六维力传感器所测三轴力；
利用得到的零力矩点坐标计算出世界坐标系下双足行走过程的零力矩点轨迹；把零力矩点坐标转换到世界坐标系下的坐标，将所得的y方向零力矩点坐标在双足每前进一步时加上对应的步长，再将足部轮廓与零力矩点相对应，得到世界坐标系下双足行走时的零力矩点轨迹。
6.一种基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量装置，包括：
(1)零力矩点测量系统，能够测量双足行走过程中每一步足部与地面作用的力和力矩；
(2)足部轮廓测量系统，能够测量双足行走过程中每一步与地面接触的足部轮廓；
(3)步行参数计算系统，能够计算出双足行走过程中的步长、步行周期以及在世界坐标系下的零力矩点轨迹；
其特征在于，每个均匀平铺在下层钢板上的红外发射接收对管预先都设置了在世界坐标系下的坐标，当其前方有黑色障碍物时，红外发射接收对管电路输出高电平，当测试者穿上黑色鞋子走在对应的区域上时，均匀排布的红外发射接收对管会输出相应的电平，将其与坐标相对应，即可得到双足行走时足部与上层玻璃板间的接触轮廓。
7.根据权利要求6所述的基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量装置，其特征在于，利用安装在两条导轨上的N个六维力传感器，N值可以根据实际所需测量步数S选定，其中N＝S+2；通过适当的摆放，可以测量不同步长情况下，双足行走过程足部与上层玻璃板间的作用的力和力矩，三个力为f＝[fx fy fz]T，三个力矩为T＝[Tx Ty Tz]T。
8.根据权利要求6所述的基于分布式六维力传感器的双足行走过程步行参数的测量装置，其特征在于，利用得到的足部轮廓判断双足行走时的各个时期，计算出双足行走过程中的步长和步行周期，同时将得到的力和力矩代入相应的公式，计算出双足行走过程零力矩点的坐标，再将得到的零力矩点y方向坐标在每完成一次迈步时加上相应的步长，将零力矩点坐标转换到世界坐标系下的坐标，最后将足部轮廓与零力矩点坐标相对应，得到双足行走过程零力矩点的轨迹。
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