CN111458766A - 一种仿人机器人脚触地检测装置 - Google Patents

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黄强
韩连强
陈学超
余张国
黄高
廖静平
孟立波
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Abstract

本发明提供了一种仿人机器人脚触地检测装置，包括沿橡胶结构体，所述沿橡胶结构体包括头部和尾部，所述头部为圆轮状，所述尾部为与头部之间为弧线平滑连接；所述头部设有弹片和触点开关，所述弹片为圆弧状且一端与沿橡胶结构体头部的底部固定连接，所述触点开关安装在与弹片内侧相对的橡胶结构体上。本发明所设计的仿人机器人脚触地检测装置直接根据接触与非接触两种信号实现对机器人脚接触的判断，简单有效，且省时省力，无需复杂算法就可以实现接触和非接触的情况判断。

Description

一种仿人机器人脚触地检测装置
技术领域
本发明涉及仿人机器人技术领域，尤其涉及一种仿人机器人脚触地检测装置。
背景技术
仿人机器人是具有人类外形，如双手、双足、躯干和头部等特征的智能机器人，也成为人们想象中代表机器人的具体形式，它可以实现类人的灵巧行走动作，使用人类的工具，对未知环境的适应能力强，大大减少专用机器人需要对环境改造的成本，同时代替人工劳动完成更加复杂工作任务等。仿人机器人是集多门基础学科技术于一体，配合仿生学、控制理论及人工智能等学科发展的综合性应用平台系统，高级创新性密集的机电一体化平台可以评价国家科技发展水平。近年来，仿人机器人在结构、驱动和控制的研究更加依赖人类仿生学基础理论，而反过来仿人机器人的研究也同时展示出人类运动的一般规律，相互之间的促进对特殊人群的服务和提高人类生活水平具有极其重要的作用。所以，仿人机器人具有重要的研究意义与应用价值。
早期，仿人机器人的运动控制是采用离线轨迹规划与在线稳定调节实现准静态行走，即每一时刻机器人的压力中心点(Center of Pressure)都处于支撑平面内(支撑脚底形成的支撑多边形区域)，这样的运动轨迹中支撑腿与摆动腿的切换早已设定好，所以鲁棒性不强并且运动速度不快。为实现高速强稳定性运动，仿人机器人的控制必须从高动态运动出发考虑，此时脚与地面的接触状态的判断显得尤为重要。
仿人机器人在动态行走过程中，需要实时检测双腿与地面的接触状态，从而根据当前机器人状态参数控制下一周期的运动规划。例如机器人腿在空中摆动时，脚与地面无接触，当检测到脚末端与地面发生接触时，算法会使摆动腿执行支撑腿功能的特定轨迹，而上一时刻的支撑腿即在此刻变为摆动腿。所以摆动腿的接触检测决定着机器人运动决策算法的执行。
现有对脚接触检测主要分为基于多维力传感器和基于触底开关两种。如一种接触检测装置，该接触装置有形成为特定形状的基材和由发泡合成树脂削出特定的形状的发泡合成树脂体构成，在所述基材与发泡合成树脂体之间的单侧或两侧形成容积空间，根据该容积空间的空气变化由称作气流传感器的传感器对向特定的面施加了外力的情况进行检测，特别时涉及二维、三维的接触检测装置；但是构型复杂，需要更复杂的传感器检测，涉及额外的电路设计。还有一种异形开关实现接触检测，虽然可以实现较大范围的接触检测，但局限了脚底的形状并且随着支撑腿的摆动会发生不接触的情况，所以使用范围局限；综上，现有技术中实现脚接触检测的方法都存在着以下问题：现有设计大多采取传感器与电路形式造价昂贵；形状上多为特定形状应用范围小；电路的设计与程序上的传感器数据处理增加了装置的复杂性；由于仿人机器人腿末端与地面接触角度的不确定性所以扩大检测范围(角度)也是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种仿人机器人脚触地检测装置。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种仿人机器人脚触地检测装置，包括沿橡胶结构体，所述沿橡胶结构体包括头部和尾部，所述头部为圆轮状，所述尾部为与头部之间为弧线平滑连接；所述头部设有弹片和触点开关，所述弹片为圆弧状且一端与沿橡胶结构体头部的底部固定连接，所述触点开关安装在与弹片内侧相对的橡胶结构体上。
进一步，沿橡胶结构体头部的周向，在中间位置开有圆弧状的安装槽；在安装槽内沿圆弧周向均匀设置一个或多个触点开关的安装孔；
进一步，所述触点开关沿头部圆形阵列分布，根据机器人脚部的尺寸选择触点开关的安装数量用于扩大检测范围；
进一步，所述触点开关的导线穿过沿橡胶结构体与上位机连接，将触点开关的信号转化为脚接触信号。
进一步，所述弹片的半径大于沿橡胶结构体头部的半径。
进一步，所述橡胶结构体作为机器人脚底接触检测装置的基座，在橡胶结构体上开设腿部连接孔，将仿人机器人小腿的底端直接插入腿部连接孔，实现橡胶结构体与小腿部的连接。
有益效果
1、本发明设计的仿人机器人脚触地检测装置采取橡胶结构体作为整个装置的基座以及与仿人机器人小腿连接的部件，由于橡胶结构的可塑性，所以可以多种结构形式的机器人小腿结构相适应，具有可变任意形状的优点，提高了检测装置的普适性；
2、本发明的脚触地检测装置使用触点开关作为最终信号的转换形式，为上位机发送接触与非接触两种信号；直接根据接触与非接触两种信号实现对机器人脚接触的判断，简单有效，且省时省力，无需复杂算法就可以起得到接触和非接触的情况判断。
3、本发明的脚触地检测装置采用金属弹片扩大接触开关与外界的接触面积；提高了检测范围；在开关外层增加金属弹片，在弧形弹片范围内任意点接触都会触发开关；
4、触点开关、金属弹片以及橡胶结构体相互连接形式；无需采用传感器也减少了电路的设置和降低了结构复杂度，一方面降低了造价，另一方面简化结构实际，实现了结构的轻量化。
5、该装置并不局限于当前形状，可以随脚掌要求的形状改变橡胶结构体形状与金属弹片的弧长，甚至是触点开关的个数。
附图说明
图1为本发明仿人机器人脚触地检测装置示意图；
图2为本发明仿人机器人脚触地检测装置剖视图；
图3为本发明仿人机器人脚触地检测装置仰视图；
图4为本发明仿人机器人脚触地检测装置俯视图；
图中，1、橡胶结构体，2、触点开关，3、螺钉，4、弹片，5、腿部连接孔，6、安装槽。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、2所示的一种仿人机器人脚触地检测装置，包括橡胶结构体1，所述橡胶结构体1的头部为圆轮状，圆轮状的底部为仿人机器人竖直站立时与地面的接触点，橡胶结构体1的尾部是由弧线从圆轮状底部的接触点向上平滑延伸，且弧线的半径大于圆轮半径，在本实施例中所述橡胶结构体1的结构如同“逗号”。
沿橡胶结构体1头部的周向，在中间位置开有圆弧状的安装槽6；在安装槽6内沿圆弧周向均匀设置一个或多个触点开关2的安装孔，根据机器人足端尺寸和触点开关2的安装尺寸来选取触点开关2的数量，例如对于小型仿人机器人仅需要2-3个即可，若是与人体等大的机器人则需要安装更多的触点开关2；另外，触点开关2安装在弹片4固定端与自由端之间的中部位置，因为靠近弹片4的地方，弹片4变形小不易触发触点开关2；在相应的安装孔内安装触点开关2；并在安装孔的相应位置上设置线路安放孔，将触点开关2的导线从线路安放孔中伸出与上位机的接收端相连。另外，平行于安装槽6设置圆弧状的弹片4，更具体的，沿橡胶结构体1头部、安装槽6和弹片4三者同心设置；所述弹片4采用金属制成的金属弹片；弹片4的一端进行折弯，折弯的这一端为固定端，通过螺钉3将固定端与橡胶结构体1底部(即竖直站立时与地面的接触点)相连，弹片4的另一端为活动端；所述弹片4的半径略大于沿橡胶结构体1头部的半径。
本发明所设计的仿人机器人脚触地检测装置也可以作为仿人机器人的基座，所以橡胶结构体1上开有腿部连接孔5，只需要将仿人机器人小腿的底端直接插入腿部连接孔5，由于橡胶结构体1具有弹性，所以可以适应机器人小腿底端多种结构，所以本发明的检测装置具有普适性。另外为了更好地适应行走的路况，在橡胶结构体1的外表面设置规则的凸起如图3、4。
为了更清楚的解释本发明所保护的一种仿人机器人脚触地检测装置，以下结合本装置的工作过程作进一步解释：以二维点足仿人机器人脚部设计为例如图1所示，当脚触地检测装置的底端与地面接触发生挤压时，金属弹片被向内挤压发生微小形变，从而将触点开关2按压下去，而这时金属弹片高出橡胶结构体1边缘的距离使得触点开关2正好按压但不会被损坏。上位机检测触点开关2闭合状态即可知道此刻是否与地面接触，当机器人脚部抬起时，金属弹片恢复原位，触点开关2被释放，上位机检测开关闭合状态即可知道此刻是否与地面接触。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种仿人机器人脚触地检测装置，其特征在于，包括沿橡胶结构体(1)，所述沿橡胶结构体(1)包括头部和尾部，所述头部为圆轮状，所述尾部为与头部之间为弧线平滑连接；所述头部设有弹片(4)和触点开关(2)，所述弹片(4)为圆弧状且一端与沿橡胶结构体(1)头部的底部固定连接，所述触点开关(2)安装在与弹片(4)内侧相对的橡胶结构体(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人脚触地检测装置，其特征在于，沿橡胶结构体(1)头部的周向在中间位置开有圆弧状的安装槽(6)；在安装槽(6)内沿圆弧周向均匀设置一个或多个触点开关(2)的安装孔。
3.根据权利要求2所述的一种仿人机器人脚触地检测装置，其特征在于，所述触点开关(2)沿头部圆形阵列分布，根据机器人脚部的尺寸选择触点开关的安装数量。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种仿人机器人脚触地检测装置，其特征在于，所述触点开关(2)的导线穿过沿橡胶结构体(1)与上位机连接，将触点开关(2)的信号转化为脚接触信号。
5.根据权利要求4所述的一种仿人机器人脚触地检测装置，其特征在于，所述弹片(4)的半径大于沿橡胶结构体(1)头部的半径。
6.根据权利要求5所述的一种仿人机器人脚触地检测装置，其特征在于，所述橡胶结构体(1)作为机器人脚底接触检测装置的基座，在橡胶结构体(1)上开设腿部连接孔(5)，将仿人机器人小腿的底端直接插入腿部连接孔(5)，实现橡胶结构体(1)与小腿部的连接。
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