CN107825430A - 一种基于气压检测的机器人足部结构及压力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种足部结构，包括脚板及设置在脚板底部的气压模组、数据处理模块；脚板上设有用于连接机器人腿部的连接组件；气压模组包括至少一个气压监测单元，气压监测单元设置在脚板的底部；气压检测单元包括气压传感器、气囊，气压传感器连接气囊；气囊上设有充气口；数据处理模块，用于获取与地面的接触数据，以实时调节机器人的行走姿态。本发明同时提供了一种压力检测方法，包括S1、初始化气压模组，并对气压模组进行零位标定；S2、通过气压检测单元获取与地面的接触数据；S3、数据处理模块对接触数据进行处理，实时调节机器人的行走姿态。本发明结构简单，采用气压检测技术，适应性强；模块化设计，安装方便；测量精度高，实时反馈。

Description

一种基于气压检测的机器人足部结构及压力检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于气压检测的机器人足部结构及压力检测方法。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人的应用越来越广泛，而机器人的足部结构是至关重要的一部分，人或者动物足底有着敏感的触觉，可以很好的感知足底的环境，然而机器人却无法感知这一切。为了检测人形机器人足部是否贴紧地面(受力面)，足部压力检测装置孕育而生，随技术发展，该装置现在主要用于人形机器人步态行走时的足部受力情况检测。一般来讲，传统的压力检测装置，主要基于应力片的形变检测压力，或者采用昂贵的F/T多轴压力传感器实现，或者由应变式传感器和信号调理电路组成，其中应变式传感器有行程开关式、位移传感器式，电阻应变片式等。

中国专利201120050023.5公开了一种人形机器人足部压力检测装置，包括：CAN总线1、CAN总线驱动器2、微控制器10、一路电源电压检测装置6、过流自动保护装置4、四路电阻应片式压力传感器9，四路低通滤波器8，四路差分放大电路7、稳压电源5以及机器人支架。

中国专利201310043348.4公开了一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，包括脚板、固定在脚板后端的后脚掌、通过脚掌连接件与脚板连接并能转动的前脚掌，脚板底部固定有由若干用于感知地面反力信息的传感器组成的传感器阵列，脚板上设有用于与机器人腿连接的连接组件。

中国专利201610450943.3公开了了一种足底压力分布检测装置，其特征是由底板和支撑围板构成，在支撑围板的底边与底板边缘以不同位置上的各弹性梁相连接，固定支撑围板使底板呈悬空，在弹性梁上分别设置敏感元件；在底板的不同区域中分布受力点，在受力点上加载力，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号，以此建立数学模型，完成对检测装置的标定；针对底板上的被测力，检测获得各弹性梁上的敏感元件的应变检测信号，利用数学模型获得底板上的被测力的分布情况。

上述技术方案的缺陷在于：

1、安装复杂，设计复杂；

2、重量大，价格昂贵；

3、测量精度偏低，测量范围不易改变；

4、需要将压力传感器嵌入机器人的足部结构中，很难模块化实现。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于气压检测的机器人足部结构及压力检测方法，其结构简单，采用气压检测技术，适应性强；模块化设计，安装方便，测量精度高，实时反馈。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于气压检测的机器人足部结构，包括：脚板及设置在脚板底部的气压模组、数据处理模块；脚板上设有用于连接机器人腿部的连接组件；

气压模组包括至少一个气压监测单元，气压监测单元设置在脚板的底部；

气压检测单元包括气压传感器、气囊，气压传感器连接气囊；气囊上设有充气口；

数据处理模块，用于获取与地面的接触数据，以实时调节机器人的行走姿态。

本发明通过设置在机器人足部的气压传感器及与其相连的气囊的压力变化，感知机器人足部的压力变化。

本发明中，气压检测单元才用模块化设计，使用过程中只需要将该气压监测单元按照不同的需要安装至不同的位置即可。

根据本发明的另一种具体实施方式，脚板上对应气囊设有连接部。气囊可通过粘接或者其它的方式设在足部底板上，为了更好的检测气压的变化，连接部的形状可以根据气囊形状的不同进行设计，优选为切合面不发生形变或者形变较小的设计，例如，气囊为管状，连接部设计为弧形等情况。

根据本发明的另一种具体实施方式，气囊为管状气囊，其包括首端、尾端；气压传感器设在首端，充气口设置在尾端。

根据本发明的另一种具体实施方式，尾端上设有用于封堵充气口的堵头，该堵头可以为一体式堵头，也可以为分体式堵头。

根据本发明的另一种具体实施方式，气压监测单元为多个，每一气压监测单元中的管状气囊沿脚板前后方向呈线型设置。位于不同位置的管状气囊将足部底板分为不同的检测区域，即前脚掌检测区、脚掌中部检测区、后脚掌检测区，由于机器人在行走过程中，一般为脚后跟先接触地面，通过不同检测区压力的不同，可以分别检测机器人足部不同区域的压力变化情况，更好的得到地面的接触数据。

根据本发明的另一种具体实施方式，气囊为块状气囊，连接部上设有对应块状气囊的凹槽。

根据本发明的另一种具体实施方式，气压监测单元为多个，每一气压监测单元中的块状气囊沿脚板的中心阵列设置。位于不同位置的块状气囊将足部底板分为不同的检测区域，即前脚掌检测区、脚掌中部检测区、后脚掌检测区，每一检测区中有分为多个较小的检测位置，通过不同的检测位置反馈的不同的压力情况，更好的得到地面的接触数据。

本发明中，合理利用人行走过程与地面接触点的变化，采集不同时间段足部结构与地面的接触数据。人在行走过程中，绝大情况是后脚掌先触地，脚掌中部触地，最后整个脚掌接触地面；离开地面的过程则是：后脚掌离开地面，脚掌中部离开地面，最后前脚掌离开地面；整个过程可以近视看作是一个滚动的过程。通过设置不同检测区，获得不同时刻足部结构与地面的接触数据，从而更好的获得与地面的接触数据。

另一方面，本发明提供了一种基于气压检测的机器人足部结构压力检测方法，其包括：

S1、初始化气压模组，并对气压模组进行零位标定；

S2、通过气压检测单元获取与地面的接触数据；

S3、数据处理模块对接触数据进行处理，实时调节机器人的行走姿态。

本发明中，通过气压模组获取机器人足部结构与地面的接触数据，通过机器人本体上的控制模块，对机器人的行走姿态进行调整，实现实时检测，实时调整的目的。

根据本发明的另一种具体实施方式，步骤S1进一步包括步骤S11：

S11、设定检测频率。根据不同的使用工矿，可以选择不同的检测频率，例如在复杂的地面，设置较高的检测频率，以缩小相邻检测之间的间隔；在较为平坦的地面，设置较低的检测频率，以节约资源。

根据本发明的另一种具体实施方式，步骤S2中获取与地面的接触数据过程为：通过多个气压检测单元获取脚板上不同位置的气压值，计算得到对应气压值的压力情况。

本发明通过气压检测单元，采集整个脚掌的压力情况，将与地面接触的所有数据进行汇总处理，就可以得出机器人在触地瞬间和离地瞬间的能量变化情况，进一步感知到整个脚掌所有方向的受力情况，更有利于机器人的运动控制。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于，

1、其结构简单，采用气压检测技术，适应性强；

2、模块化设计，安装方便；

3、测量精度高，实时反馈，精确控制。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是实施例1的一种基于气压检测的机器人足部结构的整体结构示意图；

图2是实施例1的一种基于气压检测的机器人足部结构的结构示意图，其显示了管状气囊的排列方式；

图3是实施例1的一种基于气压检测的机器人足部结构中的管状气囊的结构示意图；

图4是实施例2的一种基于气压检测的机器人足部结构的结构示意图，其显示了气压监测单元；

图5是实施例2的一种基于气压检测的机器人足部结构的结构示意图，其显示了块状气囊的排列方式。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于气压检测的机器人足部结构，如图1－3所示，其包括脚板1、气压检测单元2。

其中，脚板1为方形结构，在脚板1的上方设有用于连接机器人腿部的连接组件11，方便整个足部结构生产制造过程的模块化。整个脚板1分为前脚掌检测区12、脚掌中部检测区13、后脚掌检测区14。

气压模组中包含多个气压检测单元2，其包括气压传感器21、管状气囊22，每一气压监测单元2中的管状气囊22沿脚板1前后方向呈线型设置。脚板1与管状气囊22连接处设有弧形连接部(图中未示)，管状气囊22结构如图3所示，其包括首端221、尾端222及中间部223，中间部223为管状，其固定连接在脚板1上的弧形连接部的位置，例如粘接等方式，首端221上设有充气口224及对应充气口224设置的堵头，气压传感器21设在尾端222，首端221、尾端222分别竖直设在脚板1的侧边上，在检测过程中，管状气囊的中间223部与地面相接触。

一种采用上述结构的压力监测方法，其包括：

第一步、初始化气压模组，并对气压模组进行零位标定。密闭气囊的气压会有一定区别，所以需要标定零点，在自然状态下检测出传感器的电压值Vo；通过对气囊施加不同的压力，通过传感器检测得到不同的电压值Vi；拟合出压力与电压值的关系式：F＝(Vi－V0)*k。

第二步、使用通过标定的气压模组对机器人进行监测，通过多个气压检测单元获取脚板上不同位置的气压值，得到对应气压值的压力情况，并分析与地面的接触数据。

第三步、数据处理模块对接触数据进行处理，实时调节机器人的行走姿态。

本实施例中压力检测的原理为：将N个呈前后排布的管状气囊设在脚板上，在后脚掌边缘触地的时候，后脚掌的检测单元会受到较大的冲击力，通过记录后脚掌检测区气囊中压力变化的速度，可以评估脚落地的冲击力大小；接着依次记录脚掌中部检测区、前脚掌检测区中其它检测单元的压力变化情况，以完整地重现脚板触地整个过程。以靠近后脚掌边缘的为1号气压检测单元，靠近前脚掌边缘的为N号气压检测单元，力的变化过程为：从最开始的1号检测单元，逐渐过渡到2号、3号至前脚掌的N号检测单元，通过分析整个过程中每一检测单元的受力情况，即可得出机器人在触地过程中的受力变化情况。

实施例2

本实施例提供了一种基于气压检测的机器人足部结构，如图4－5所示，其包括脚板3、气压监测单元4。

其中，脚板3为类梯形结构，模块化设计，方便整个足部结构生产制造过程。整个脚板3分为前脚掌检测区31、脚掌中部检测区32、后脚掌检测区33。

气压模组中包含多个气压检测单元4，其包括气压传感器41、块状气囊42，每一气压监测单元4中的块状气囊42沿脚板中心阵列设置。脚板3与块状气囊的连接部上设有凹槽(图中未示)，块状气囊42结构如图5所示，其包括气囊本体，用于放置气压传感器的连接件43；安装时，气压传感器41可放置于凹槽中。在检测过程中，气囊本体与地面相接触。

一种采用上述结构的压力监测方法，其包括：

第一步、初始化气压模组，并对气压模组进行零位标定。密闭气囊的气压会有一定区别，所以需要标定零点，在自然状态下检测出传感器的电压值Vo；通过对气囊施加不同的压力，通过传感器检测得到不同的电压值Vi；拟合出压力与电压值的关系式：F＝(Vi－V0)*k。

第二步、使用通过标定的气压模组对机器人进行监测，通过多个气压检测单元获取脚板上不同位置的气压值，得到对应气压值的压力情况，并分析与地面的接触数据。

第三步、数据处理模块对接触数据进行处理，实时调节机器人的行走姿态。

本实施例中压力检测的原理为：将多个呈分布式块状气囊设在脚板上，块状气囊的排布方式按照坐标系进行排布，以脚板中心为原点，前后向为X轴，左右方向为Y轴；从而每一气压监测单元对应一个具体的位置坐标(xi，yi)，进一步得到对应气压传感器获得检测电压值的压力值，实时对每一气压监测单元的数据进行处理，就可以把脚底的压力情况时刻反映出来。从而就可以感知到脚所有方向的受力情况，从而更有利于机器人的运动控制。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于气压检测的机器人足部结构，其特征在于，所述机器人足部结构包括脚板及设置在所述脚板底部的气压模组、数据处理模块；所述脚板上设有用于连接机器人腿部的连接组件；

所述气压模组包括至少一个气压监测单元，所述气压监测单元设置在所述脚板的底部；

所述气压检测单元包括气压传感器、气囊，所述气压传感器连接所述气囊；所述气囊上设有充气口；

所述数据处理模块，用于获取与地面的接触数据，以实时调节机器人的行走姿态。

2.如权利要求1所述的机器人足部结构，其特征在于，所述脚板上对应所述气囊设有连接部。

3.如权利要求2所述的机器人足部结构，其特征在于，所述气囊为管状气囊，其包括首端、尾端；所述气压传感器设在所述首端，所述充气口设置在所述尾端。

4.如权利要求3所述的机器人足部结构，其特征在于，所述尾端上设有用于封堵所述充气口的堵头。

5.如权利要求3所述的机器人足部结构，其特征在于，所述气压监测单元为多个，每一所述气压监测单元中的所述管状气囊沿所述脚板前后方向呈线型设置。

6.如权利要求2所述的机器人足部结构，其特征在于，所述气囊为块状气囊，所述连接部上设有对应所述块状气囊的凹槽。

7.如权利要求6所述的机器人足部结构，其特征在于，所述气压监测单元为多个，每一所述气压监测单元中的所述块状气囊沿所述脚板的中心阵列设置。

8.一种基于气压检测的机器人足部结构压力检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、初始化气压模组，并对所述气压模组进行零位标定；

S2、通过气压检测单元获取与地面的接触数据；

S3、数据处理模块对所述接触数据进行处理，实时调节所述机器人的行走姿态。

9.如权利要求8所述机器人足部压力检测方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括步骤S11：

S11、设定检测频率。

10.如权利要求8所述机器人足部压力检测方法，其特征在于，所述步骤S2中获取与地面的接触数据过程为：通过多个气压检测单元获取脚板上不同位置的气压值，计算得到对应所述气压值的压力情况。