CN107741290B - 一种具有足底压力检测功能的机器人足部装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于机器人行走技术领域，提供了一种具有足底压力检测功能的机器人足部装置，其包括从上至下叠置的上底板、缓冲垫以及下底板。上底板上布设有若干单维力传感器，每一单维力传感器均包括缓冲部以及检测片，缓冲部固定在检测片的底部，检测片与电子线路电气连接。缓冲垫对应单维力传感器的位置开设有第一通孔，缓冲部嵌入第一通孔内，下底板对应于缓冲部的位置向上延伸出支撑柱。缓冲垫上还开设有第二通孔，第二通孔内嵌置有压力弹簧。本发明的机器人足部装置既保证了机器人足部的刚性要求，又能起到缓冲作用，并能实时准确地检测出机器人在运行过程中的足底压力分布情况，从而为机器人实现自主式稳定行走提供数据依据。

Description

一种具有足底压力检测功能的机器人足部装置

技术领域

本发明属于机器人行走技术领域，尤其涉及一种具有足底压力检测功能的机器人足部装置。

背景技术

对于外骨骼助行康复机器人来说，要实现稳定连续的行走动作，为了不在行进的过程中跌倒，就必须对机器人进行步态规划，而进行步态规划时需要依托于一个稳定判据。ZMP(Zero Moment Point，零力矩点)稳定性判定准则是步行机器人目前应用最为广泛的稳定判据之一，本发明装置也是基于此判据原理而设计的。ZMP是指外骨骼或双足机器人所受的重力、惯性力和地面反力三者的合力矢量的延长线与地面的交点。机器人在步行运动过程中，其ZMP应该始终保持在支撑脚所组成的凸多边形有效支撑区域内，机器人才能保持稳定，这便是ZMP稳定性准则。

目前对机器人ZMP的测量主要依靠足底传感器，主要采取单个六维力/力矩传感器、多个三维力/力矩传感器组合、多个单维力传感器组合等形式。采用多个单维力传感器组合形式既可以降低装置成本又可以减轻设备重量，本发明装置便是采用此种传感检测形式。

为了进一步说明技术背景，下面举列的是一些关于足底压力检测装置的现有技术：

中国发明专利CN104161529A，公开了一种足底压力分布检测系统及其制作方法，是利用压电驻极体层把压力信号转化为电信号。包括：检测层，用来检测足底压力信号，并将检测到的足底压力信号转换成电信号；处理发送模块，接收检测层转换成的电信号，对接收到的电信号进行处理，且将经处理后的电信号发送到外界的接收设备。在该专利公布的制作方法中，通过使用多层黏结的方式，使压电驻极有轻、薄、软的特点。

中国发明专利CN104198105A，公开了一种一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置，其结构包括鞋垫板、水平力传递板、脚底板、脚底橡胶减震垫、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、弹性体和两个槽形支撑板。而其弹性体又由本体、第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第一弹性板、第二弹性板、第三弹性板和六个应变片组成。本体的两侧分别固装有第一悬臂梁和第二悬臂梁；弹性体布置在脚底板的上表面上，脚底板布置在脚底橡胶减震垫的上表面上。该装置可用于机器人的脚部人机交互力检测。

中国发明专利CN102783955A，公开了一种压力分布检测装置，是利用柔性阵列传感器单元来实现压力分布的检测。其柔性阵列传感器单元依次连接信号调理及数据采集单元和数据显示及分析单元。柔性阵列传感器单元由传感器阵列和惠斯通电桥电路组成。传感器阵列由传感器节点组成，每个传感器节点为一个应变片，应变片按照行和列的方式排列组成传感器阵列。每个应变片与已知阻值的三个精密电阻组成惠斯通电桥电路。当应变片受到外界压力，电阻发生变化，通过信号调理及数据采集单元采集柔性阵列传感器单元上的阻值变化信息，经模数转换后传输到数据显示及分析单元，进行显示及分析。

中国发明专利CN103006233A，公开了一种足底曲面及压力分布检测装置，由壳体、封装在壳体开口处的顶板、与足底曲面接触且具有上下往复升降功能的检测机构、采集检测机构的升降位移数据且传送给上位处理系统的检测电路、及接收检测电路传送过来的升降位移数据且分析重建的数据处理系统构成。其测量原理为通过红外发射和接收来测量可升降检测机构的位移来实现足底三维曲面和压力分布的检测和重建。

中国发明专利CN105919217A，公开了一种足底压力传感鞋及压力检测方法，是一平板状足底托板并构成可套穿的鞋套；侧围状鞋底板按足底托板的外轮廓形状设置，侧围板的顶边与足底托板的边缘以各弹性梁相连接，弹性梁上设置敏感元件构成传感单元，以侧围状鞋底板对足底托板在边缘形成侧围支撑；在足底托板不同区域中分布受力点，在受力点上加载力，由敏感元件获得应变检测信号，以此建立数学模型对检测装置进行标定；针对足底托板上被测力，检测获得各弹性梁上敏感元件应变检测信号，利用数学模型获得足底托板上被测力的分布情况。

由上述的几个较为相近的技术可以看出，现有的关于足底压力检测装置的结构较为复杂、造价比较昂贵，并且维护起来不是很方便。

发明内容

本发明的实施例可以实时准确地检测机器人足底受力分布情况，从而计算出机器人的零力矩点，以实现双足机器人的稳定步行。

本实施例提供了一种具有足底压力检测功能的机器人足部装置，包括从上至下叠置的上底板、缓冲垫以及下底板，所述缓冲垫由软质弹性材料制作而成；所述上底板上布设有电子线路，其下方布设有若干单维力传感器，每一单维力传感器均包括缓冲部以及检测片，所述缓冲部固定在所述检测片的底部，所述检测片与所述电子线路电气连接；所述缓冲垫对应所述单维力传感器的位置开设有第一通孔，所述缓冲部嵌入所述第一通孔内，所述下底板对应于所述缓冲部的位置向上延伸出支撑柱；所述缓冲垫上还开设有第二通孔，所述第二通孔内嵌置有压力弹簧，所述压力弹簧的两端分别抵顶所述上底板以及下底板。

进一步地，所述机器人足部装置还包括限位组件，所述限位组件包括定位轴螺帽以及螺钉，所述定位轴螺帽内开设有螺纹孔，所述压力弹簧套设在所述定位轴螺帽的外周围，所述上底板内开设有沉头孔，所述下底板内开设有安装孔，所述定位轴螺帽的头部直径大于所述安装孔的孔径，所述螺钉的头部直径大于所述沉头孔的孔径，所述定位轴螺帽穿入所述安装孔内，所述螺钉穿入所述沉头孔内，并与所述定位轴螺帽内的螺纹孔螺纹连接。

进一步地，所述机器人足部装置还包括防滑垫，所述防滑垫粘贴于所述上底板的顶面上，所述防滑垫的顶面上设置有条纹结构。

进一步地，所述机器人足部装置还包括绑带扣，所述绑带扣安装于所述上底板的两侧面上，其上开设有用于穿入绑带的条形孔。

进一步地，所述单维力传感器为薄膜式单维力传感器，其检测片的中间位置设置有弯折部。

进一步地，所述上底板的顶面、底面上分别开设有长槽以及短槽，所述短槽内开设有长孔，并且，所述长槽与短槽通过所述长孔相连通，所述长槽内布设有所述的电子线路；所述检测片具有分别位于所述弯折部两端位置的电连接部以及检测部，所述电连接部嵌置于所述长槽内并与所述电子线路电气连接，所述弯折部穿设于所述长孔内，所述检测部嵌置于所述短槽内，所述缓冲部位于所述检测部的底面上。

本实施例与现有技术相比，有益效果在于：

1)、使用单维力传感器阵列作为敏感元件，其结构尺寸小成本低，便于布局，可测量的离散点数量多，可以较准确测量出机器人足底压力分布情况。

2)、单维力传感器之间相互独立工作，出现故障后可进行单个更换，不用整体撤换，维护方便且成本低；

3)、采用软硬材质多层叠加结构，既保证了机器人足部的刚性要求，又能起到缓冲作用；

4)、所述的足部装置结构特点保证足底的压力最大限度地传递给了传感器敏感元件而不被其他零部件所承受，保证了测量结果的准确性；

5)、所述的足部装置在保证足够强度的前提下，也保证了零件的组装方便易于更换，降低了制造成本和维护成本。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例提供的一种具有足底压力检测功能的机器人足部装置的立体结构示意图；

图2是图1所示机器人足部装置的分解结构示意图；

图3是图1所示机器人足部装置的纵向剖视示意图；

图4是图1所示机器人足部装置中的单维力传感器的立体结构示意图；

图5是图1所示机器人足部装置上部的分解结构示意图；

图6是图1所示机器人足部装置上部的另一角度的分解结构示意图；

图7是图1所示机器人足部装置下部的分解结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1至图3，为本发明的一较佳实施例，提供了一种具有足底压力检测功能的机器人足部装置，该足部装置可安装在外骨骼或双足机器人踝关节转动端，以实现机器人的行走，并能实时准确地检测出外骨骼或双足步行机器人在运行过程中的足底压力分布情况，从而为机器人实现自主式稳定行走提供数据依据。

该机器人足部装置包括从上至下叠置的上底板1、缓冲垫2、下底板3、限位组件、防滑垫4以及绑带扣5。

所述上底板1上布设有电子线路，其下方布设有若干单维力传感器6。所述单维力传感器6为薄膜式单维力传感器，请参见图4，每一单维力传感器6均包括缓冲部61以及检测片62，两者通过粘合剂固接在一起。其检测片62具有位于中间位置设置有弯折部620以及分别位于弯折部620两端位置的电连接部621以及检测部622。

所述检测部622与电子线路电气连接，缓冲垫2对应单维力传感器6的位置开设有第一通孔21，缓冲部61嵌入第一通孔21内，下底板3对应于缓冲部61位置向上延伸出支撑柱31。缓冲垫2上还开设有第二通孔22，第二通孔22内嵌置有压力弹簧7，压力弹簧7两端分别抵顶上底板1以及下底板3。

防滑垫4的顶面上设置有条纹结构，其通过粘合剂粘贴在上底板1的顶面，从而起到防滑作用。

上述限位组件包括定位轴螺帽81以及螺钉82，所述定位轴螺帽81内开设有螺纹孔，压力弹簧7套设在定位轴螺帽81的外周围。上底板1内开设有沉头孔11，下底板3内开设有安装孔32，定位轴螺帽81的头部直径大于安装孔32的孔径，螺钉82的头部直径大于沉头孔11的孔径，定位轴螺帽81穿入所述安装孔32内，螺钉82穿入沉头孔11内，并与定位轴螺帽81内的螺纹孔螺纹连接。

请参见图5及图6，在上底板1中间开有两排共8个沉头孔11，8个螺钉82穿过沉头孔11将8个滑动定位轴螺帽81与上底板1固接在一起。同时上底板1上表面铣出3个长槽12用于布置电子线路，下表面铣出12个短槽13，每个短槽13槽内开一个长孔14。电连接部621嵌置于长槽12内并与所述电子线路电气连接，弯折部620穿设于所述长孔14内，检测部622嵌置于所述短槽13内，缓冲部61位于检测部622的底面上。

上述薄膜式单维力传感器6通过粘合剂固定在短槽13上，并将与传感器连接的电子线路布置在长槽12内。在上底板1的侧边开有四组共8个螺纹孔15，用来固定足部绑带扣5。绑带扣5安装于所述上底板1的两侧面上，其上开设有用于穿入绑带的条形孔51。

请参见图7，所述的下底板3的上表面加工有4排共12个支撑柱31，下底板3在支撑柱31旁边开有4排共8个安装孔32。固定在上底板1上的8个滑动定位轴螺帽81穿过安装孔32形成带有限位结构的移动副，将下底板3与上底板1连接在一起。压力弹簧7与滑动定位轴螺帽81套合在一起，在下底板3与上底板1之间形成一个缓冲装置。通过粘合剂固定在下底板3底面上的下底板防滑垫10，其表面在安装孔32对应的位置开有通孔101，以便于滑动定位轴螺帽81的安装。

缓冲垫2由软质弹性材料制作而成，其通过粘合剂固定在上底板1与下底板3之间。上底板1通过其端部的螺纹孔16与机器人踝关节零件相连。缓冲垫2为软质弹性材料，弹力系数低，在压缩过程中对上底板1以及下底板3产生反作用力小，主要用于吸收震动。在无压力状态下，由于压力弹簧7的弹力作用，将上底板1和下底板3分离开来，此时单维力传感器6检测不到足底压力，输出数据为零。当人踩在上底板1上时，使之下压，从而使得缓冲垫2和压力弹簧7产生压缩，单维力传感器6的缓冲部61与下底板3上的支撑柱31接触，绝大部分足底压力通过下底板3上的支撑柱31传递到单维力传感器6，进而使检测片62检测到足底压力，输出压力数据。下底板3上的安装孔32的孔径略大于定位轴螺帽81外径，从而保证所有定位轴螺帽81的安装方便与动作自由，在上底板2下压过程中不会产生干涉。

本实施例具有以下有益效果：

1)、使用单维力传感器6阵列作为敏感元件，其结构尺寸小成本低，便于布局，可测量的离散点数量多，可以较准确测量出机器人足底压力分布情况。

2)、单维力传感器6之间相互独立工作，出现故障后可进行单个更换，不用整体撤换，维护方便且成本低；

3)、采用软硬材质多层叠加结构，既保证了机器人足部的刚性要求，又能起到缓冲作用；

4)、所述的足部装置结构特点保证足底的压力最大限度地传递给了传感器敏感元件而不被其他零部件所承受，保证了测量结果的准确性；

5)、所述的足部装置在保证足够强度的前提下，也保证了零件的组装方便易于更换，降低了制造成本和维护成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有足底压力检测功能的机器人足部装置，其特征在于，包括从上至下叠置的上底板、缓冲垫以及下底板，所述缓冲垫由软质弹性材料制作而成；所述上底板上布设有电子线路，其下方布设有若干单维力传感器，每一单维力传感器均包括缓冲部以及检测片，所述缓冲部固定在所述检测片的底部，所述检测片与所述电子线路电气连接；所述缓冲垫对应所述单维力传感器的位置开设有第一通孔，所述缓冲部嵌入所述第一通孔内，所述下底板对应于所述缓冲部的位置向上延伸出支撑柱；所述缓冲垫上还开设有第二通孔，所述第二通孔内嵌置有压力弹簧，所述压力弹簧的两端分别抵顶所述上底板以及下底板；

所述机器人足部装置还包括限位组件，所述限位组件包括定位轴螺帽以及螺钉，所述定位轴螺帽内开设有螺纹孔，所述压力弹簧套设在所述定位轴螺帽的外周围，所述上底板内开设有沉头孔，所述下底板内开设有安装孔，所述定位轴螺帽的头部直径大于所述安装孔的孔径，所述螺钉的头部直径大于所述沉头孔的孔径，所述定位轴螺帽穿入所述安装孔内，所述螺钉穿入所述沉头孔内，并与所述定位轴螺帽内的螺纹孔螺纹连接，在无压力状态下，通过压力弹簧的弹力作用，将上底板和下底板分离开来，此时单维力传感器检测不到足底压力，输出数据为零；

所述单维力传感器为薄膜式单维力传感器，其检测片的中间位置设置有弯折部；

所述上底板的顶面、底面上分别开设有长槽以及短槽，所述短槽内开设有长孔，并且，所述长槽与短槽通过所述长孔相连通，所述长槽内布设有所述的电子线路；所述检测片具有分别位于所述弯折部两端位置的电连接部以及检测部，所述电连接部嵌置于所述长槽内并与所述电子线路电气连接，所述弯折部穿设于所述长孔内，所述检测部嵌置于所述短槽内，所述缓冲部位于所述检测部的底面上。

2.如权利要求1所述的具有足底压力检测功能的机器人足部装置，其特征在于，所述机器人足部装置还包括防滑垫，所述防滑垫粘贴于所述上底板的顶面上，所述防滑垫的顶面上设置有条纹结构。

3.如权利要求1所述的具有足底压力检测功能的机器人足部装置，其特征在于，所述机器人足部装置还包括绑带扣，所述绑带扣安装于所述上底板的两侧面上，其上开设有用于穿入绑带的条形孔。