CN111086026A - 一种仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生机器人足与地面作用力测试试验台，包括机架、土槽、机器人下肢、数据采集机构；机架包括底层平板、门型框架；底层平板上设有固定轴承座，土槽底部一端通过连接轴与固定轴承座连接，土槽底部另一端与底层平板之间设置有千斤顶；门型框架固定在底层平板上，门型框架顶部安装有直线电缸，机器人下肢通过电缸滑块与直线电缸连接，机器人下肢位于土槽上方并伸入土槽内；数据采集机构用于采集机器人下肢的足印图像、运动轨迹，以及运动过程中受力情况。本发明可获取机器人在不同条件下的受力情况以及足迹情况。同时，该试验台操作简便，可控变量多，性能安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及机器人测试领域，具体涉及一种仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台。
背景技术
近些年来，仿生足式机器人以其良好的通过性能成为机器人发展的主流。现有仿生足式机器人，在硬地面(结构化地面)上的机动性和稳定性技术较为成熟，但在松软地面(沙地、雪地、沼泽、坡地、草地等)上，足式机器人容易打滑、驱动力不足、沉陷甚至摔倒，机动性和稳定性面临挑战。因此，有必要研究足垫与软地面作用关系，为稳定性控制、足垫设计和步态规划提供依据。通过单腿土槽试验获取足壤作用参数是重要的解决途径之一。同时由于机器人的作业环境越来越复杂，为使其能适应如草地、沙地、山地等多种复杂土壤环境及其地形，需在进行实际生产使用之前通过机器人足垫与不同地面进行试验，来分析其通过性，并判断该种足垫是否为在该条件下最优足垫。因此，需要一种能够获得机器人在不同条件下的运动足印以及受力情况的试验台，从而可通过足印及受力来进行分析计算，判断足式机器人的通过性以及足垫受到一定压力以及剪切力作用时的力学性能。
发明内容
为解决现有足壤试验台不能模拟足式机器人一个步态周期内的行进过程，且不能得到行进过程中的受力以及足印情况，因此无法判断通过性以及力学性能等缺陷。本发明提出一种仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台，该试验台可获取机器人在不同条件下的受力情况以及足迹情况。同时，该试验台操作简便，可控变量多，性能安全可靠。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台，包括机架、土槽、机器人下肢、数据采集机构；所述机架包括底层平板、门型框架；底层平板上设有固定轴承座，土槽底部一端通过连接轴与固定轴承座连接，土槽底部另一端与底层平板之间设置有千斤顶；门型框架固定在底层平板上，门型框架顶部安装有直线电缸，机器人下肢通过电缸滑块与直线电缸连接，机器人下肢位于土槽上方并伸入土槽内；数据采集机构用于采集机器人下肢的足印图像、运动轨迹，以及运动过程中受力情况。
进一步地，所述机器人下肢包括连接机架、髋关节舵机、大腿机架、膝关节舵机、小腿机架、机器人足垫；连接机架与髋关节舵机固定端通过螺栓连接；髋关节舵机旋转轴与大腿机架过盈配合；大腿机架与膝关节舵机固定端通过螺栓连接；膝关节舵机旋转轴与小腿机架过盈配合；小腿机架末端连接机器人足垫。
更进一步地，所述数据采集机构包括三轴力传感器及相机，三轴力传感器一端与小腿机架通过螺纹连接，另一端与机器人足垫通过螺纹连接；相机滑动连接在滑轨上，滑轨固定在底层平板上。
本发明具有以下优点：
1.搭载直线电缸，可使机器人下肢上下运动，便于加载；
2.通过设置千斤顶，可调整土槽与水平面角度，模拟不同坡度下机器人足步态情况。
3.机器人下肢使用髋关节舵机以及膝关节舵机，使该机器人步态可调节，模拟不同速度下运动情况，且运行稳定。
4.三轴力传感器与机器人足垫和小腿机架通过螺纹配合相连，方便更换不同种类足垫进行实验。
5.相机滑动连接在滑轨，可沿滑轨上下移动，使相机获取不同位置足迹图像,三轴力传感器与膝关节舵机以及足垫相连，可随时获取足垫受力情况。
附图说明
图1是本发明一种仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台的结构示意图；
图2是本发明一个优选实施例的仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台的主视图；
图3是本发明运动结构的结构示意图。
图中：1-机架，2-土槽，3-机器人下肢，4-数据采集机构，101-底层平板，102-连接轴，103-固定轴承座，104-滑轨，105-滑动器，106-支撑柱，107-千斤顶，108-相机支架，109-顶层平板，110-直线电缸，301-连接机架，302-髋关节舵机，303-大腿机架，304-膝关节舵机，305-小腿机架，306-机器人足垫，401-三轴力传感器，402-相机
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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造作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台，包括机架1、土槽2、机器人下肢3、数据采集机构4；所述机架1包括底层平板101、门型框架、滑轨104；滑轨104固定在底层平板101一端；底层平板101上设有固定轴承座103，土槽2底部一端通过连接轴102与固定轴承座103连接，土槽2底部另一端与底层平板101之间设置有千斤顶107；门型框架固定在底层平板101上，门型框架顶部安装有直线电缸110，机器人下肢3通过电缸滑块与直线电缸110连接，机器人下肢3位于土槽2上方并伸入土槽2内；数据采集机构4采集机器人下肢3的足印图像、运动轨迹，以及运动过程中受力情况。
如图2所示，机架1具体包括底层平板101、连接轴102、固定轴承座103、滑轨104、滑动器105、支撑柱106、千斤顶107、相机支架108，顶层平板109、直线电缸110、电缸滑块；其中，底层平板上101上装有固定轴承座103以及千斤顶107，连接均为螺栓连接；固定轴承座103在底层平板101上对称布置；土槽2底部一端通过连接轴102与固定轴承座103连接；滑轨104安装在底层平板靠近一端的定位孔中，该定位孔中有与滑轨104凹槽配合的凸起，配合方式为过渡配合；滑动器105通过螺栓连接固定在滑轨104上，相机支架108固定在滑动器105上；门型框架包括两根支撑柱106及顶部平板109，两根支撑柱106与底层平板101通过螺栓连接且位于土槽2两侧，顶部平板109通过螺栓连接在两根支撑柱106上；直线电缸110通过螺栓安装在顶部平板109上，直线电缸110与电缸滑块通过螺栓相连，机器人下肢3通过电缸滑块与直线电缸110相连。顶部平板109上搭载直线电缸110，可使机器人下肢3上下运动，便于加载。千斤顶107下方与底层平板101通过螺栓相连，千斤顶107上方与土槽底部另一端接触。
所述土槽2底部一端设有两个对称布置的轴套，轴套与机架1的连接轴102同轴且过盈配合安装。土槽2内可根据需要装入不同物理性质的土壤，用以模拟不同地表环境。通过设置千斤顶107与连接轴102，可调整土槽2与水平面角度，模拟不同坡度下机器人足步态情况。
如图3所示，机器人下肢3包括连接机架301、髋关节舵机302、大腿机架303、膝关节舵机304、小腿机架305、机器人足垫306；其中，连接机架301一端与电缸滑块连接，连接机架301另一端与髋关节舵机302固定端通过螺栓紧固相连；髋关节舵机302旋转轴与大腿机架303过盈配合；大腿机架303与膝关节舵机304固定端通过螺栓相连；膝关节舵机304旋转轴与小腿机架305过盈配合；小腿机架305与三轴力传感器401通过螺纹连接；三轴力传感器401与机器人足垫306通过螺纹连接。使用髋关节舵机302以及膝关节舵机304，使该机器人步态可调节，模拟不同速度下运动情况，且运行稳定。三轴力传感器401与机器人足垫306通过螺纹配合相连，该种连接方式方便更换不同种类足垫进行实验。
数据采集机构包括三轴力传感器401及相机402，三轴力传感器401一端与小腿机架305通过螺纹连接，另一端与机器人足垫306通过螺纹连接；相机402与相机支架108固连，相机支架108通过滑动器105固定在滑轨104上。滑动器105可沿导轨104上下移动，可使相机402获取不同位置足迹图像。
本发明工作原理如下：
请参阅图1和图2所示，试验前首先在土槽2中放置该试验所需土壤，通过千斤顶107调整土槽2坡度，通过直线电缸110调整机器人下肢3竖直高度以及施加载荷，设定髋关节舵机302以及膝关节舵机304转动参数，安装所需机器人足垫306，保证机器人足垫306与土壤表面处于同一平面。试验时，打开开关，机器人下肢3开始运动，当一个或多个步态周期结束后，关闭开关，相机402采集足印图像以及运动轨迹，三轴力传感器401采集运动过程中足垫所受切向力以及法向力。
Claims (3)
1.一种仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台，其特征在于，包括机架、土槽、机器人下肢、数据采集机构；所述机架包括底层平板、门型框架；底层平板上设有固定轴承座，土槽底部一端通过连接轴与固定轴承座连接，土槽底部另一端与底层平板之间设置有千斤顶；门型框架固定在底层平板上，门型框架顶部安装有直线电缸，机器人下肢通过电缸滑块与直线电缸连接，机器人下肢位于土槽上方并伸入土槽内；数据采集机构用于采集机器人下肢的足印图像、运动轨迹，以及运动过程中受力情况。
2.如权利要求1所述的一种仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台，其特征在于，所述机器人下肢包括连接机架、髋关节舵机、大腿机架、膝关节舵机、小腿机架、机器人足垫；连接机架与髋关节舵机固定端通过螺栓连接；髋关节舵机旋转轴与大腿机架过盈配合；大腿机架与膝关节舵机固定端通过螺栓连接；膝关节舵机旋转轴与小腿机架过盈配合；小腿机架末端连接机器人足垫。
3.如权利要求2所述的一种仿生机器人足垫与地面作用力测试试验台，其特征在于，所述数据采集机构包括三轴力传感器及相机，三轴力传感器一端与小腿机架通过螺纹连接，另一端与机器人足垫通过螺纹连接；相机滑动连接在滑轨上，滑轨固定在底层平板上。
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