CN112297058A - 一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，该测试平台主要包括腿足固定装置、运动导向装置、腿足加载装置、腿足运动限位装置、腿足传感装置以及测试平台支架。本发明通过改变固定安装点，可使得机器人单腿便捷地在静态固定、垂向跳跃运动、纵向行走运动间切换，集成了单腿静态测试、跳跃测试和行走测试等多用途测试条件。试验时利用测试平台内建传感器系统可获得机器人单腿受力和位移信息，有效提升试验效率。同时可自由调整单腿载荷和路面地形，获得更好的试验效果。本发明通用于各类机器人腿足结构，标准零部件占比高，成本低且易于搭建；可在腿足式机器人开发前期对腿足结构及其性能进行快速测试和验证。

Description

一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台。

背景技术

腿足式机器人是一种使用腿足式结构运动的机器人，其优势在于腿足式行走方式带来的跨越地形行走能力和灵活多变的运动能力，使得其在台阶、沟坎等复杂地形处仍可正常通过，并具有一定的障碍跨越能力。目前的腿足式机器人腿足结构多种多样，各类腿足系统的性能也有较大差异，已成为当前机器人领域的研究热点。在开发新型机器人腿足结构时，由于开发周期通常较长，且关节驱动单元等核心零部件制造成本较大，将多腿足机器人样机完整制造后进行测试的方法虽然更为接近机器人的实际运行工况，但试验周期长且试错成本高，因此在腿足式机器人开发过程中，会在实际制造完整样机之前，首先搭建出机器人的一条单腿用于测试，从而以较低的成本完成对于机器人最关键的腿足系统的测试和验证，保证最终机器人的性能和结构可靠。用于腿足式机器人单腿测试任务的试验台，须具备腿足关节驱动模块性能测试、腿足跳跃测试、腿足行走测试等功能，并具有一定的多种腿足结构测试通用性。同时由于腿足式机器人运动时的地面地形条件和上身负载状况对腿足运动影响较大，需要测试平台具备模拟地形和腿足负载的能力。

中国专利号CN106768938A公开的一种腿式机器人单腿性能测试实验平台，具有纵向和高度手动调节功能，并通过杠铃片调节腿部负载。该测试平台可以实现机器人单腿的静态加载试验，但该结构无法适用于诸如跳跃、行走等动态试验条件，且该试验台的加载机构较为薄弱，难以实现重载下的单腿试验。

中国专利号CN109186977A公开的一种用于足式机器人单腿的分层式三自由度试验台，采用龙门架固定机器人单腿，并通过分层式加载装置，在三个自由度上对足部进行加载。该测试平台可实现机器人单腿在三个自由度上的加载，但由于单腿上部为固定连接，同样无法适用于诸如跳跃、行走等动态试验条件，且该试验台从足部对单腿进行加载的方式与机器人实际行走时的情况不同，难以反映真实的试验结果。

中国专利号CN209387312U公开的一种腿足式机器人单腿运动测试装置，利用滑轮机构抵消单腿载荷，并在下方设置地形模拟物模拟实际地形。该测试平台可实现机器人单腿在两个自由度方向上的运动试验，但试验模拟的是单腿无负载或轻负载的条件，且单腿跳跃时，绳的柔性将难以完全保证单腿的负载被滑轮机构抵消，从而影响试验的准确性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，所述测试平台包括腿足固定装置、运动导向装置、腿足加载装置、腿足运动限位装置、腿足传感装置以及测试平台支架。腿足固定装置用于将机器人单腿固定于测试平台的运动导向装置上，按照测试需求随运动导向装置运动，并保证单腿在测试过程中不松脱。运动导向装置用于实现机器人单腿在特定自由度上的运动，限制其它运动自由度，并保证单腿在测试过程中的运动稳定不卡顿。腿足加载装置用于对机器人单腿进行有负载条件下的运动试验，并具备加载重量调节的功能。腿足运动限位装置用于限制机器人单腿在各自由度方向上的运动行程，确保试验安全。腿足传感装置用于机器人单腿运动试验的启停和运动过程中的控制，并采集试验过程中的传感器数据。测试平台支架为整个平台的基本框架，用于安装和连接其它装置，并保证平台在试验过程中的结构强度。

进一步地，所述测试平台支架上安装有挂钩，用于在不进行试验时，运动导向装置连接挂钩悬挂机器人单腿。

进一步地，所述运动导向装置外侧安装有把手，用于手动升降机器人单腿。

进一步地，所述运动导向装置上方安装有四个相同的腿足加载装置，以机器人单腿为中心对称布置，用于实现单腿负重加载的定量加载、均衡加载和非均衡加载。

进一步地，腿足固定装置为分段式结构，侧边用于固定运动导向装置，中心用于固定机器人单腿。利用该分段式结构，通过改变单腿安装位置，实现单腿完全固定于测试平台、单腿垂直地面的单自由度运动，以及垂直地面和平行地面沿纵向的二自由度运动。由此测试平台对应地实现单腿静态测试、跳跃测试和行走测试等多用途测试条件。

进一步地，运动导向装置为直线轴承和导杆形式，包含垂向运动导杆和纵向运动导杆，在机器人单腿两侧对称布置，保证单腿跳跃和行走测试时的方向一致性和运动灵活性。

进一步地，运动导向装置的垂向与纵向导杆端部安装有激光位移传感器，并在腿足固定装置的相应位置处安装有反光板，用于获取测试过程中机器人单腿的跳跃高度和行走步幅。

进一步地，测试平台支架下方安装有高度可调的腿足运动限位装置，用于在机器人单腿失效的情况下防止单腿倾倒，保障试验安全。

进一步地，测试平台底部安装有测试底板，该测试底板可附着不同地形材料用于模拟实际地形，在测试底板内布置有力传感器阵列，用于获取机器人单腿测试时的地面冲击、蹬地力、行走摩擦力和步行周期。同时该测试底板连同其安装构件可完全拆除，使得机器人单腿可触及测试平台下的实际地面，获取实际地面上的测试结果。

进一步地，在单腿跳跃和行走运动稳定后，跳跃高度和行走步幅信息可分别表示为：

其中，h_s为单腿跳跃高度，n为运动稳定后进行的试验次数，h_imin为单次试验中安装于试验台上部垂向运动激光位移传感器读数的最小值，h_ie为跳跃试验开始前单腿位于平衡状态下的激光位移传感器读数，d_s为单腿行走步幅，d_i为第i步行走后安装于纵向运动导杆处的纵向运动激光位移传感器读数，d_i-1为上一步行走后的激光位移传感器读数，d₀＝0mm。

由力传感器阵列获得的单腿地面冲击力、蹬地力、行走摩擦力和步行周期可分别表示为：

其中，F_c为单腿落地时受到的地面冲击力，n为运动稳定后进行的试验次数，F_ij为第i次落地时测试底板与足部接触处第j个力传感器的读数；F_d为单腿离地时的蹬地力，F_ik为第i次离地时测试底板与足部接触处第k个力传感器的读数；F_f为单腿行走时受到的地面摩擦力，μ为该次试验测试底板处所使用材料的摩擦因数，F_il为第i步行走时测试底板与足部接触处第l个力传感器的读数；F_s为单腿步行周期，t_i为第i步行走时到足部离地后力传感器读数归零时经过的时间，t_i-1为上一步行走时到足部离地后力传感器读数归零时经过的时间，t₀＝0s。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明测试平台适用于各种构型的机器人腿足系统，通过内建的传感器系统可有效降低单腿测试部署难度，具有较强的通用性，同时测试平台本身也可以较低的成本快速完成搭建，满足机器人腿足开发时需要测试便捷、迭代快速的特点；

(2)本发明测试平台的结构特点使得机器人单腿可通过安装点切换在固定、单自由度、二自由度等多种运动自由度间快速切换，使试验台具备多用途测试功能，满足单腿试验种类多样且高效的特点。

(3)本发明测试平台提供被测单腿载荷和地面地形调整的功能，更有效地模拟机器人实际运行工况，有助于取得更有效可靠的试验结果。

附图说明

图1是本发明一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台实施例的结构示意图；

图2是本发明一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台实施例的主视图；

图3是本发明一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台实施例的侧视图；

附图标号：1-机器人单腿；2-腿足固定装置；201-中心固定装置；202-侧边固定装置；203-上方固定装置；3-运动导向装置；301-垂向运动导杆；302-纵向运动导杆；4-腿足加载装置；5-腿足运动限位装置；6-腿足传感装置；601-测试平台底板；602-垂向运动激光位移传感器；603-纵向运动激光位移传感器；7-测试平台支架；701-挂钩；702-把手。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明为单腿测试提供一个完整、可靠、稳定的平台，具有低成本、易用性和快速搭建的特点；可模拟实际的运动工况，进行诸如跳跃、行走等一系列动态试验，完成对于被测腿足系统各项性能的测试和验证；同时还提供在机器人上身重载条件下的单腿运动测试能力，以及不同路面条件下的行走测试能力，可供进一步探究腿足系统在极限工况下的各项性能；大量使用各类已标准化的零部件，具有搭建成本低、安装快速容易的特点。

参照图1～3，本发明用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，包括腿足固定装置2、运动导向装置3、腿足加载装置4、腿足运动限位装置5、腿足传感装置6以及测试平台支架7。腿足固定装置2用于将机器人单腿1固定于运动导向装置3上，按照测试需求随运动导向装置3运动，并保证机器人单腿1在测试过程中不松脱。运动导向装置3用于实现机器人单腿1在特定自由度上的运动，限制其它运动自由度，并保证机器人单腿1在测试过程中的运动稳定不卡顿。腿足加载装置4用于对机器人单腿1进行有负载条件下的运动试验，并具备加载重量调节的功能。腿足运动限位装置5用于限制机器人单腿1在各自由度方向上的运动行程，确保试验安全。腿足传感装置6用于机器人单腿1运动试验的启停和运动过程中的控制，并采集试验过程中的传感器数据。测试平台支架7为整个平台的基本框架，用于安装和连接其它装置，并保证平台在试验过程中的结构强度。

测试平台支架7设有四个挂钩701和四个把手702。运动导向装置3主要为直线轴承和导杆形式，设有安装平台、纵向运动导杆302(y方向)和垂向运动导杆301(z方向)；垂向运动导杆301和纵向运动导杆302，均在机器人单腿1两侧对称布置，保证单腿跳跃和行走测试时的方向一致性和运动灵活性。

在不进行试验时运动导向装置3安装平台连接挂钩701，用于稳定悬挂机器人单腿1，同时便于随时释放机器人单腿1进行测试；运动导向装置3安装平台外侧安装把手702，用于手动升降机器人单腿1；例如在试验开始前将机器人单腿1移动至特定位置，并在试验结束后将单腿上移至挂钩701处悬挂。四个相同的腿足加载装置4安装在运动导向装置3安装平台上方，以机器人单腿1为中心对称布置，用于实现机器人单腿负重加载的定量加载、均衡加载和非均衡加载。若该次试验所需单腿载荷为20kg，则可在四个腿足加载装置4处添加各5kg的载荷实现机器人单腿1的均衡加载；也可根据实际测试需求在各腿足加载装置4处分别添加0-20kg的不同载荷实现单腿的非均衡加载。

腿足固定装置2为分段式结构，包括中心固定装置201、侧边固定装置202和上方固定装置203。上方固定装置203固定连接测试平台支架7，侧边固定装置202用于固定运动导向装置3，中心固定装置201用于固定机器人单腿1。利用该分段式结构，通过改变机器人单腿1安装位置，可实现机器人单腿1完全固定于测试平台支架7、机器人单腿1垂直地面的单自由度运动，以及机器人单腿1垂直地面和平行地面沿纵向(y方向)的二自由度运动；由此测试平台对应地可实现单腿静态测试、跳跃测试和行走测试等多用途测试条件。

若利用测试平台支架7上部的上方固定装置203，将运动导向装置3安装平台连接在测试平台支架7上，则可将单腿上端完全固定于测试平台支架7，便于对单腿进行静态测试。若将中心固定装置201固定于运动导向装置3的安装平台处，则可实现机器人单腿1垂直地面单自由度运动，便于对机器人单腿1进行跳跃测试。若将中心固定装置201固定于运动导向装置3的纵向运动导杆302处，则可实现垂直地面和平行地面沿纵向的二自由度运动，便于对单腿进行行走测试。

腿足传感装置6包括测试平台底板601、垂向运动激光位移传感器602和纵向运动激光位移传感器603。垂向运动导杆301端部安装有垂向运动激光位移传感器602，纵向运动导杆302端部安装有纵向运动激光位移传感器603，并在腿足固定装置2的相应位置处安装有反光板，获得激光位移传感器到反光板的距离；在机器人单腿1无相应传感器的条件下，也可获取测试过程中机器人单腿1的跳跃高度、行走步幅等信息。反光板的安装位置具体为：垂向运动激光位移传感器602位于测试平台支架7顶部，反光板位于垂向运动激光位移传感器602正下方的腿足固定装置2上表面，用于获取跳跃高度信息；纵向运动激光位移传感器603位于纵向运动导杆302固定端，反光板位于纵向运动激光位移传感器603正前方的纵向运动导杆302滑块侧面，用于获取行走步幅信息。

在机器人单腿1跳跃和行走运动稳定后，若运动稳定后进行的试验次数n＝5，单次试验中安装于试验台上部垂向运动激光位移传感器602读数的最小值h_imin＝(564,563,561,565,558)mm，i＝1～n，跳跃试验开始前机器人单腿1位于平衡状态下的垂向运动激光位移传感器602读数h_ie＝770mm，第i步行走后安装于纵向运动导杆302处的纵向运动激光位移传感器603读数d_i＝(163,325,486,651,807)mm，相应上一步行走后纵向运动激光位移传感器603读数d_i-1＝(0,163,325,486,651)mm，则可获得单腿跳跃高度h_s和单腿行走步幅d_s分别为：

测试平台支架7下方安装有高度可调的腿足运动限位装置5，用于在机器人单腿1失效等极端情况下防止单腿倾倒，保障试验安全。若已知机器人单腿1跳跃和行走时上端固定处的最小离地距离为460mm，则可将腿足运动限位装置5调整至距离地面460mm处固定。

测试平台支架7底部安装有测试底板601，测试底板601可附着不同地形材料用于模拟实际地形，在测试底板601内布置有力传感器阵列，在机器人单腿1无相应传感器的条件下，也可获取机器人单腿测试时的地面冲击、蹬地力、行走摩擦力和步行周期等信息。同时测试底板601连同其安装构件可完全拆除，使得机器人单腿1可触及测试平台下的实际地面，获取实际地面上的测试结果。

若运动稳定后进行的试验次数n＝5，第i次落地时测试底板601与足部接触处5个力传感器的读数最大值max(F_ij)＝(582,578,579,575,577)N，j＝1～5代表落地时接触处力传感器索引；第i次离地时测试底板601与足部接触处5个力传感器的读数最大值max(F_ik)＝(362,357,359,361,363)N，k＝1～5代表离地时接触处力传感器索引；该次试验测试底板601处所使用材料的摩擦因数μ＝0.85，第i步行走时测试底板601与足部接触处m＝20个力传感器的读数总值

l＝1～m代表行走时接触处力传感器索引；第i步行走时到足部离地后测试底板601处力传感器读数归零时经过的时间t_i＝(1.01,1.98,3.02,4.01,4.96)s，相应上一步行走时到足部离地后底板601处力传感器读数归零时经过的时间t_i-1＝(0,1.01,1.98,3.02,4.01)s，则可获得单腿地面冲击力F_c、单腿蹬地力F_d、单腿行走摩擦力F_f和单腿步行周期T_s分别为：

本发明针对腿足式机器人开发过程中的单腿测试需求提出了一种快速稳定的解决方案，该试验平台集成了单腿腿足关节驱动模块静态测试、腿足跳跃测试和腿足行走测试等多用途测试功能，通过便捷的安装点切换即可实现机器人单腿的固定，垂直地面向上的运动，以及平行地面向前的运动等运动方式的切换。

试验平台的各类装置模块相互配合，将多种机器人单腿测试功能紧凑地集成于平台中，有效避免了多分区、多装置测试导致的测试平台过于臃肿庞大，或是多台架测试导致的测试平台搭建繁琐、功能冗余的问题，为机器人腿足结构的系统性测试提供了一个高集成度和便捷性的测试平台；克服了大多数单腿测试平台仅依靠静态测试或无负载动态测试所带来的无法准确反映机器人实际运动工况的不足。同时，该试验平台对机器人单腿传感系统的要求较低。

该试验台同时将位移传感器、力传感器等测试必要传感器内建于测试平台中，形成一套较为完善的单腿测试系统，使得测试平台无需要求被测单腿带有完善的传感系统，本身即具备获取单腿跳跃高度、行走步幅、地面冲击、蹬地力、行走摩擦力和步行周期等关键测试信息的能力，有效降低了相关试验的布置难度，提升了试验进行的效率。测试平台内建的传感器系统，为尚未布设完善传感系统的机器人单腿提供了测试的可能性，进一步增强了测试平台的易用性，符合机器人单腿开发时测试节奏快、迭代修改频繁、样机系统简单的特点，有助于加速机器人腿足系统的开发。

该试验平台通过上部载荷和底部地形的调整，进一步扩展了试验的多样性，使得试验更为接近实际。通过大量使用标准零部件，该测试平台可实现快速部署，进一步降低测试难度。

上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，所述测试平台包括腿足固定装置、运动导向装置、腿足加载装置、腿足运动限位装置、腿足传感装置以及测试平台支架等。腿足固定装置用于将机器人单腿固定于测试平台的运动导向装置上，按照测试需求随运动导向装置运动，并保证单腿在测试过程中不松脱。运动导向装置用于实现机器人单腿在特定自由度上的运动，限制其它运动自由度，并保证单腿在测试过程中的运动稳定不卡顿。腿足加载装置用于对机器人单腿进行有负载条件下的运动试验，并具备加载重量调节的功能。腿足运动限位装置用于限制机器人单腿在各自由度方向上的运动行程，确保试验安全。腿足传感装置用于机器人单腿运动试验的启停和运动过程中的控制，并采集试验过程中的传感器数据。测试平台支架为整个平台的基本框架，用于安装和连接其它装置，并保证平台在试验过程中的结构强度。

2.根据权利要求1所述的用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，所述测试平台支架上安装有挂钩，用于在不进行试验时，运动导向装置连接挂钩悬挂机器人单腿。

3.根据权利要求2所述的用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，所述运动导向装置外侧安装有把手，用于手动升降机器人单腿。

4.根据权利要求3所述的用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，所述运动导向装置上方安装有四个相同的腿足加载装置，以机器人单腿为中心对称布置，用于实现单腿负重加载的定量加载、均衡加载和非均衡加载。

5.根据权利要求4所述的用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，腿足固定装置为分段式结构，侧边用于固定运动导向装置，中心用于固定机器人单腿。利用该分段式结构，通过改变单腿安装位置，实现单腿完全固定于测试平台、单腿垂直地面的单自由度运动，以及垂直地面和平行地面沿纵向的二自由度运动。由此测试平台对应地实现单腿静态测试、跳跃测试和行走测试等多用途测试条件。

6.根据权利要求5所述的用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，运动导向装置为直线轴承和导杆形式，包含垂向运动导杆和纵向运动导杆，在机器人单腿两侧对称布置，保证单腿跳跃和行走测试时的方向一致性和运动灵活性。

7.根据权利要求6所述的用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，运动导向装置的垂向与纵向导杆端部安装有激光位移传感器，并在腿足固定装置的相应位置处安装有反光板，用于获取测试过程中机器人单腿的跳跃高度和行走步幅。

8.根据权利要求7所述的用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，测试平台支架下方安装有高度可调的腿足运动限位装置，用于在机器人单腿失效的情况下防止单腿倾倒，保障试验安全。

9.根据权利要求8所述的用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，测试平台底部安装有测试底板，该测试底板可附着不同地形材料用于模拟实际地形，在测试底板内布置有力传感器阵列，用于获取机器人单腿测试时的地面冲击、蹬地力、行走摩擦力和步行周期。同时该测试底板连同其安装构件可完全拆除，使得机器人单腿可触及测试平台下的实际地面，获取实际地面上的测试结果。

10.根据权利要求9所述的用于腿足式机器人单腿的多用途测试平台，其特征在于，在单腿跳跃和行走运动稳定后，跳跃高度和行走步幅信息可分别表示为：

其中，h_s为单腿跳跃高度，n为运动稳定后进行的试验次数，h_imin为单次试验中安装于试验台上部垂向运动激光位移传感器读数的最小值，h_ie为跳跃试验开始前单腿位于平衡状态下的激光位移传感器读数，d_s为单腿行走步幅，d_i为第i步行走后安装于纵向运动导杆处的纵向运动激光位移传感器读数，d_i-1为上一步行走后的激光位移传感器读数，d₀＝0mm。

由力传感器阵列获得的单腿地面冲击力、蹬地力、行走摩擦力和步行周期可分别表示为：

其中，F_c为单腿落地时受到的地面冲击力，n为运动稳定后进行的试验次数，F_ij为第i次落地时测试底板与足部接触处第j个力传感器的读数；F_d为单腿离地时的蹬地力，F_ik为第i次离地时测试底板与足部接触处第k个力传感器的读数；F_f为单腿行走时受到的地面摩擦力，μ为该次试验测试底板处所使用材料的摩擦因数，F_il为第i步行走时测试底板与足部接触处第l个力传感器的读数；T_s为单腿步行周期，t_i为第i步行走时到足部离地后力传感器读数归零时经过的时间，t_i-1为上一步行走时到足部离地后力传感器读数归零时经过的时间，t₀＝0s。

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