CN110440975A - 四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置及检测方法 - Google Patents

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仲训昱
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李兆路
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Abstract

本发明涉及四足机器人技术领域，特别涉及一种四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置及检测方法。检测装置包括腿部连杆，其内侧设置有通槽；腿部连杆末端设置有球形支撑体，表面布置着压力传感器，且压力传感器成球面经纬线布置；球形支撑体的外部设置有塑胶足套，塑胶足套的内壁设置有均匀分布的凸起，腿部连杆内设置有信号线通孔。本发明提供的检测方法，通过球面矩阵分布的压力传感器能得到崎岖不平路面对圆形足端的作用力情况，检测多支撑点的压力大小和方向，再通过矢量力合成计算得到四足机器人足底的矢量力，从完成足底矢量力检测。本发明提供的技术方案能够准确检测足底矢量力，帮助四足机器人在崎岖环境中稳定行走，具有重要的应用价值。

Description

四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及四足机器人技术领域，特别涉及一种四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置及检测方法。
背景技术
由于四足机器人能在非结构化、不确定环境中，利用地面孤立的支撑点完成着地行走任务，因此其能在崎岖不平的山地、丘陵、沼泽、丛林等复杂地形灵活行走，以辅助人类在地震、核污染、化学污染、野外军事作战等环境下，完成灾后救援、行军物质运输、高危环境巡逻等工作任务。非结构化的地面环境使四足机器人球形足底和地面的接触点往往比较复杂，存在多点支撑情况，而只有准确的判断足底受力情况，才能控制机器人四足的姿态使其在行走过程中保证整体受力平衡，从而在崎岖复杂环境中实现稳定行走。
目前，四足机器人足底的形状主要可分为平面和(近)圆形。面接触的足底，通过安装在足底平面内的压力传感器足底检测受力情况。对于面接触式足底，当其行走环境为平地时，力检测较为准确且判断受力的方向始终为垂直于足底平面方向；当在崎岖路面行走时，往往会受到侧向支撑力的影响，而该方法很难对足端的综合受力情况进行检测。
对于圆形足端(如图1所示)，其能较好的适应崎岖路况，由于接触面小，一般情况下能“踩”到地面支持点而准确的检测出支撑力；但不确定的复杂环境，路面凹凸不平，圆形足端往往存在多个支撑点，现有的方法很难对多点支撑力进行综合分析，以准确的检测力的大小和方向即矢量力。
发明内容
为了解决上述背景技术中提到的问题，本发明提供一种四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置，包括：
腿部连杆，其内侧设置有用于设置压力传感器信号线的通槽，所述压力传感器信号线用于传输足底压力传感器采集的压力信号；
所述腿部连杆末端设置有球形支撑体，其表面布置有压力传感器，且压力传感器成球面矩阵布局，矩阵布局为球面经纬线布置；
所述球形支撑体的外部设置有塑胶足套，所述塑胶足套的内壁设置有均匀分布的凸起，分布位置与压力传感器一致；
所述腿部连杆内设置有信号线通孔，用于使所述压力传感器信号线连接到四足机器人的信息处理模块。
在上述技术方案的基础上，进一步地，所述矩阵布局的经线为N条，纬线为M条，所述压力传感器的个数为K＝NM+1。
在上述技术方案的基础上，进一步地，所述纬线为等距设置，所述经线将球面均等分设置。纬度线为等距，这样可以增加侧向传感器的密度，而足底的传感器密度较少。密度大使足端对侧向作用力更加敏感，机器人更容易感知侧向作用力影响；由于地面轻微的坡度或较小角度的侧向力并不影响行走，足底较小的传感器密度能降低对轻微崎岖路况的敏感度，提高适应性。
本发明还提供一种如上任意所述四足检测装置检测机器人圆形足端矢量力的方法，包括以下步骤：
步骤a、采用足端球面的压力传感器检测足端与地面接触点的压力，即支撑力，采集的压力值为F1，F2，F3，…，Fo，…，Fk，k大等于1；
步骤b、去除干扰，获得有效支撑力；
步骤c、以球形支撑体的球心为坐标原点建立笛卡尔三维空间坐标系O-XYZ；根据有效支撑力，计算其对应的压力传感器所在的经纬度坐标，可得各传感器的球面矩阵点坐标为(α1,β1)，(α2,β2)，…，(αk,βk)；其中，α为传感器的经度角，β为压力传感器的纬度角；
步骤d、对有效支撑力进行三维笛卡尔坐标系的力分解，将力分解到x，y，z三个轴上，其分解的结果为：
每个有效支撑力矢量可表示为其中o＝1，2，…，k；
步骤e、对足端有效的支撑力求合力，以获得地面对足端的综合矢量力；综合矢量力为其中
即完成机器人圆形足端矢量力的检测。
在上述技术方案的基础上，进一步地，所述有效支撑力的获得方法为：设置压力阈值ω，当压力传感器采集的压力值F≥ω时，则为有效支撑力并对其进行记录，F1，F2，F3，…，Fk。
在上述技术方案的基础上，进一步地，所述经度角α的确定方法为：经线将球面均等分，传感器的经度角为n为经线序号，n＝0，1，2，3，…，N-1。
在上述技术方案的基础上，进一步地，设p点为其中一个传感器位置，则纬度角
op为球形支撑体的球半径r，ap＝md-0.5d，m为纬线序号，d为纬线的间距；可得：
其中，m的值随着具体纬线的布局而定，且当压力传感器为上半球面时，β的值为正，下半球面时β为负值。
本发明提供的四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置能够在崎岖不平路况下检测地面接触力的大小和方向；
本发明提供的检测方法，通过球面矩阵分布的压力传感器能得到崎岖不平路面对圆形足端的作用力情况，检测多支撑点的压力大小和方向，再通过矢量力合成计算得到四足机器人足底的矢量力，从完成球面矩阵点力反馈的足底矢量力检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为四足机器人及其球形足端的结构示意图；
图2为本发明提供的四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置结构示意图；
图3为四足机器人圆形足端球面经纬线布置示意图；
图4为图2中腿部连杆内部结构示意图；
图5为本发明提供的四足机器人圆形足端受力分析原理图；
图6为本发明提供的四足机器人圆形足端单作用力分析。
附图标记：
10 腿部连杆 11 通槽 20 压力传感器信号线
30 球形支撑体 31 压力传感器 40 塑胶足套
50 信号线通孔
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供以下检测设备的实施例：
如图1所示，包括：腿部连杆10，其内侧设置有用于设置压力传感器信号线20的通槽11，所述压力传感器信号线20用于传输足底压力传感器采集的压力信号；所述腿部连杆10末端设置有球形支撑体30，优选地，球形支撑体与连杆可以为同一整体；
球形支撑体30表面布置有压力传感器31，用于传输足底压力传感器采集的压力信号，且压力传感器成球面矩阵布局，矩阵布局为球面经纬线布置(如图3所示)；优选地，所述矩阵布局的经线为N条，纬线为M条，所述压力传感器31的个数为K＝NM+1；所述纬线为等距设置，所述经线将球面均等分设置；
所述球形支撑体30的外部设置有塑胶足套40，所述塑胶足套40的内壁设置有均匀分布的凸起，分布位置与压力传感器一致，其中，内壁凸起能准确的将压力传感器压在球形支撑体30上，从而准确感知足套外部的压力；
所述腿部连杆10可以为空心杆，如图4所示，其内设置有信号线通孔50，用于使所述压力传感器信号线20连接到四足机器人的信息处理模块。
上述方案为本发明提供检测设备的优选实施例，本领域技术人员可以根据本发明的技术构思进行相应的等效替代，均属于本发明的保护范围内。
本发明还提供一种四足检测装置检测机器人圆形足端矢量力方法的实施例，具体包括以下步骤：
步骤a、采用足端球面的压力传感器检测足端与地面接触点的压力，即支撑力，采集的压力值为F1，F2，F3，…，Fo，…，Fk，k大等于1；
步骤b、由于四足机器人行走路面复杂，路面对足端的支撑点的支撑力有大有小，有些较小的可忽略的支撑力对机器人行走贡献可忽略不计，因此可以去除干扰，获得有效支撑力，设置压力阈值ω，当压力传感器采集的压力值F≥ω时，则为有效支撑力并对其进行记录，F1，F2，F3，…，Fk。
步骤c、以球形支撑体的球心为坐标原点建立笛卡尔三维空间坐标系O-XYZ；根据有效支撑力，计算其对应的压力传感器所在的经纬度坐标，可得各传感器的球面矩阵点坐标为(α1,β1)，(α2,β2)，…，(αk,βk)；其中，α为传感器的经度角，β为压力传感器的纬度角；
其中，所述经度角α的确定方法为：经线将球面均等分，传感器的经度角为n为经线序号，n＝0，1，2，3，…，N-1。
所述纬度角β的确定方法为：如图3和图5所示，设p点为其中一个传感器位置，则纬度角
其中，op实则为球半径r，ap＝md-0.5d，m为纬线序号，d为纬线的间距；可得：
m的值随着具体纬线的布局而定，且当压力传感器为上半球面时，β的值为正，下半球面时β为负值。
步骤d、图5为足端受力分析原理图，如图5所示，所示若外界压力F作用在p点，容易得到F的方向始终指向圆心；对有效支撑力进行三维笛卡尔坐标系的力分解，将力分解到x，y，z三个轴上，如图6所示，其分解的结果为：
每个有效支撑力矢量可表示为其中o＝1，2，…，k；
步骤e、对足端有效的支撑力求合力，以获得地面对足端的综合矢量力；综合矢量力为其中
也可经换算得：
即完成机器人圆形足端矢量力的检测。
发明提供的技术方案能够准确检测足底矢量力，帮助四足机器人在崎岖环境中稳定行走，具有重要的应用价值。
尽管本文中较多的使用了诸如腿部连杆、通槽、压力传感器信号线、球形支撑体、压力传感器、塑胶足套、信号线通孔等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置，其特征在于，包括：
腿部连杆(10)，其内侧设置有用于设置压力传感器信号线(20)的通槽(11)，所述压力传感器信号线(20)用于传输足底压力传感器(31)采集的压力信号；
所述腿部连杆(10)末端设置有球形支撑体(30)，其表面布置有压力传感器(31)，且压力传感器成球面矩阵布局，矩阵布局为球面经纬线布置；
所述球形支撑体(30)的外部设置有塑胶足套(40)，所述塑胶足套(40)的内壁设置有均匀分布的凸起，分布位置与压力传感器一致；
所述腿部连杆(10)内设置有信号线通孔(50)，用于使所述压力传感器信号线(20)连接到四足机器人的信息处理模块。
2.根据权利要求1所述的四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置，其特征在于：所述矩阵布局的经线为N条，纬线为M条，所述压力传感器(31)的个数为K＝NM+1。
3.根据权利要求1所述的四足机器人圆形足端球面矢量力检测装置，其特征在于：所述纬线为等距设置，所述经线将球面均等分设置。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述四足检测装置检测机器人圆形足端矢量力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、采用足端球面的压力传感器检测足端与地面接触点的压力，即支撑力，采集的压力值为F1，F2，F3，…，Fo，…，Fk，k大等于1；
步骤b、去除干扰，获得有效支撑力；
步骤c、以球形支撑体的球心为坐标原点建立笛卡尔三维空间坐标系O-XYZ；根据有效支撑力，计算其对应的压力传感器所在的经纬度坐标，可得各传感器的球面矩阵点坐标为(α1,β1)，(α2,β2)，…，(αk,βk)；其中，α为传感器的经度角，β为压力传感器的纬度角；
步骤d、对有效支撑力进行三维笛卡尔坐标系的力分解，将力分解到x，y，z三个轴上，其分解的结果为：
每个有效支撑力矢量可表示为其中o＝1，2，…，k；
步骤e、对足端有效的支撑力求合力，以获得地面对足端的综合矢量力；综合矢量力为其中
即完成机器人圆形足端矢量力的检测。
5.根据权利要求4所述的机器人圆形足端矢量力的检测方法，其特征在于，所述有效支撑力的获得方法为：设置压力阈值ω，当压力传感器采集的压力值F≥ω时，则为有效支撑力并对其进行记录，F1，F2，F3，…，Fk。
6.根据权利要求2所述的机器人圆形足端矢量力的检测方法，其特征在于，所述经度角α的确定方法为：经线将球面均等分，传感器的经度角为n为经线序号，n＝0，1，2，3，…，N-1。
7.根据权利要求2所述的机器人圆形足端矢量力的检测方法，其特征在于：设p点为其中一个传感器位置，则纬度角
其中，op为球形支撑体的球半径r，m为纬线序号，d为纬线的间距；m的值随着具体纬线的布局而定，且当压力传感器为上半球面时，β的值为正，下半球面时β为负值。
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