CN112660264B - 马蹄形足端感知机器人腿部结构及输出力矩检测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及足式机器人技术领域，特别涉及马蹄形足端感知机器人腿部结构及输出力矩检测控制方法，其中马蹄形足端感知机器人腿部结构包括转矩输出装置、大腿、小腿和足端，小腿牵引连杆上设有拉力传感器，足端设有压力传感器。本发明通过转矩输出装置、大腿、小腿和小腿牵引连杆铰接形成连杆机构控制小腿旋转，进而带动足端起落，与现有技术相比，本发明通过足端的压力传感器用以检测触地点压力，通过小腿牵引连杆上的拉力传感器检测反馈拉力并反馈至转矩输出装置，转矩输出装置根据触地压力和反馈拉力的造成的转矩差实时控制输出的转矩进行补偿，达到腿部转矩输出恰当，避免了转矩输出过大或过小造成的不稳定现象。

Description

马蹄形足端感知机器人腿部结构及输出力矩检测控制方法

技术领域

本发明涉及足式机器人技术领域，特别涉及马蹄形足端感知机器人腿部结构及输出力矩检测控制方法。

背景技术

足式机器人可在非结构化、不平坦地环境如不平的山地、丘陵、沼泽、丛林等复杂地形灵活行走，进而完成特殊工况的应用如地震、核污染、化学污染、野外军事作战等环境下的灾后救援、行军物质运输、高危环境巡逻等工作任务。在行走过程中由于地面崎岖、高低落差等，需要获得四足机器人腿部触地及足端与地面的距离信息以便进行预测控制，使腿部着地更加的平稳准确。

现有的四足机器人大多如申请号为CN202010831977.3，公开日期为2020年11月10日的中国发明专利申请中公开的基于落足调整的四足机器人动步态稳定控制方法及系统，通过建立的四足机器人模型，推导出机器人运动学方程，进而设计机器人初始步态；采集四足机器人的躯干俯仰角度和翻滚角度，从而得到四足机器人的当前躯干姿态；将四足机器人的当前躯干姿态与初始步态进行比较，计算出四足机器人的最佳落足点；根据四足机器人的最佳落足点，保持四足机器人稳定运动；通过调整四足机器人对角腿的落足时间差，实现四足机器人重心位置的调整，进而实现四足机器人重心自平衡。

虽然现有技术中公开了一些可控制自身稳定性的四足机器人的结构，但是现有的机器人均存在腿部结构的稳定性低、抗缓冲能力差的问题无法解决。

发明内容

为解决如上所述现有四足机器人中存在的腿部结构稳定性差的问题，本发明提供了一种马蹄形足端感知机器人腿部结构，包括转矩输出装置、大腿、小腿和足端；所述大腿与所述转矩输出装置相固连；所述小腿与所述大腿的一端相铰接，所述小腿的一端通过小腿牵引连杆与所述转矩输出装置相连接，所述小腿的另一端与所述足端相连接；所述小腿牵引连杆上设有用于检测所受拉力的拉力传感器，所述足端设有用于检测所受压力的压力传感器，所述压力传感器和所述拉力传感器均与所述转矩输出装置电连接。

进一步地，所述转矩输出装置包括力矩电机和小腿运动凸盘，所述力矩电机的机体与所述大腿相固连；所述小腿运动凸盘的一端与所述力矩电机的转轴相固连，所述小腿运动凸盘的另一端与所述小腿牵引连杆的一端相铰接。

进一步地，所述大腿包括第一侧板、第二侧板、第一连接件和第二连接件，所述力矩电机的两侧分别与所述第一侧板和第二侧板相固连，所述第一连接件和所述第二连接件用于连接所述第一侧板和第二侧板。

进一步地，所述小腿牵引连杆还包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的一端通过所述拉力传感器与所述第二连杆的一端相连接；所述第一连杆的另一端与所述小腿运动凸盘相铰接，所述第二连杆的另一端与所述小腿的一端相铰接。

进一步地，所述小腿包括小腿旋转连接杆、小腿连接杆和足端连接件，所述小腿旋转连接杆的一端与所述第二连杆的下端相铰接，所述小腿旋转连接杆的另一端通过所述小腿连接杆与所述足端连接件相固连；所述小腿旋转连接杆与所述大腿的下端相铰接，铰接点位于所述小腿旋转连接杆的两端之间；所述足端连接件的下端与所述足端相连接。

进一步地，所述足端连接件下端的轴线与所述小腿主体轴线夹角为30°-70°；所述足端连接件与所述足端之间设有用于缓减振动的减震器。

进一步地，所述足端还包括足体和弹性结构，所述足体的顶部与所述小腿相连接，所述足体的底部轮廓呈近似椭圆状的仿马蹄形结构；所述弹性结构包覆于所述足体的底部，所述弹性结构的外部形状与所述足体的底部形状相匹配；所述压力传感器为设于所述足体与所述弹性结构之间的条形薄膜状压力传感器。

进一步地，所述足体底部设有距离传感器，所述距离传感器用于检测所述足端和落足点之间的距离。

本发明还提供一种马蹄形足端感知机器人腿部输出力矩检测控制方法，采用如上任一项所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，方法包括：

根据压力传感器测得的压力F_压计算足端产生的转矩M_压；

根据拉力传感器测得的拉力F_拉计算足端反馈的转矩M_拉；

力矩输出装置根据所述足端产生的转矩M_压和所述足端反馈的转矩M_拉之差进行力矩补偿输出，M_输出＝M_拉+ΔM，其中ΔM＝(M_压-M_拉)/2。

本发明还提供一种马蹄形足端感知机器人，采用如上任一项所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构和/或马蹄形足端感知机器人腿部输出力矩检测控制方法。

本发明提供的一种马蹄形足端感知机器人腿部结构通过转矩输出装置、大腿、小腿和小腿牵引连杆铰接形成连杆机构控制小腿旋转，进而带动足端起落。与现有技术相比，本发明通过足端的压力传感器用以检测触地点压力，通过小腿牵引连杆上的拉力传感器检测反馈拉力并反馈至转矩输出装置，转矩输出装置根据触地压力和反馈拉力的造成的转矩差实时控制输出的转矩进行补偿，达到腿部转矩输出恰当，避免了转矩输出过大或过小造成的不稳定现象。

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为本发明提供的马蹄形足端感知机器人腿部结构立体图；

图2为本发明提供的马蹄形足端感知机器人腿部结构主视图；

图3为本发明提供的马蹄形足端感知机器人腿部结构侧视图；

图4为本实施例提供的足端结构示意图；

图5为本实施例力的作用示意图。

附图标记：

10转矩输出装置 11力矩电机 12小腿运动凸盘

20大腿 21第一侧板 22第二侧板

23第一连接件 24第二连接件 30小腿

31小腿旋转连接杆 32小腿连接杆 33足端连接件

40足端 41压力传感器 42足体

43弹性结构 44距离传感器 50小腿牵引连杆

51拉力传感器 52第一连杆 53第二连杆

60减震器

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作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。

本发明提供了马蹄形足端感知机器人腿部结构，如图1所示，包括转矩输出装置10、大腿20、小腿30和足端40；所述大腿20与所述转矩输出装置10相固连；所述小腿30与所述大腿20的一端相铰接，所述小腿30的一端通过小腿牵引连杆50与所述转矩输出装置10相连接，所述小腿30的另一端与所述足端40相连接；所述小腿牵引连杆50上设有用于检测所受拉力的拉力传感器51，所述足端40设有用于检测所受压力的压力传感器41，所述压力传感器41和所述拉力传感器51均与所述转矩输出装置10电连接。

具体实施时，如图1-图3所示，转矩输出装置10包括力矩电机11和小腿运动凸盘12，力矩电机11的转轴与小腿运动凸盘12的旋转中心孔采用但不限于键连接的方式固定连接，使得小腿运动凸盘12与电机转轴一起做同步旋转运动；如图3所示，力矩电机11的机体两侧与大腿20的第一侧板21和第二侧板22采用但不限于螺栓连接的方式固定连接，大腿20的第一侧板21和第二侧板22通过第一连接件23和第二连接件24固定连接，其中第一连接件23和第二连接件24均为U形结构，两侧采用但不限于螺栓连接的方式将第一侧板21和第二侧板22固定连接构成大腿20主体。本实施例中力矩电机11采用但不限于无刷直流力矩电机，可通过系统控制其转轴输出力矩；无刷直流力矩电机设于大腿20主体的上端，同时大腿20主体上端通过固定支架与机器人的躯干相连接，大腿20主体的下端设有铰接孔，通过铰接轴与小腿30相铰接；另一方面，小腿运动凸盘12的另一端与小腿牵引连杆50的第一连杆52的一端相铰接，第一连杆52的另一端通过拉力传感器51与第二连杆53的一端相固连，第一连杆52和第二连杆53均通过螺栓与拉力传感器51相固连，其中拉力传感器51用于检测小腿牵引连杆50上的拉力。第二连杆53的另一端与小腿30的一端相铰接，且小腿30与大腿20的铰接点位于小腿30与小腿牵引连杆50的铰接点下方。如图2所示，构成了由小腿运动凸盘12、大腿20、小腿牵引连杆50和小腿30组成的四连杆机构，由力矩电机11带动小腿运动凸盘12转动，进而通过四连杆机构带动小腿30相对于其与大腿20的铰接点旋转，进而带动小腿30下端的足端40起落，达到行走的目的；较佳地，该四连杆机构可采取不同的连杆长度，根据实际情况选用曲柄摇杆机构、双曲柄机构或者双摇杆机构中的一种。小腿30的下端与足端40通过减震器60相连接，较佳地，小腿30的下端为杆状，足端40的顶端设有开孔，二者形成活塞连接，其中减震器60采用但不限于在活塞杆周围设置若干减震弹簧的形式进行减震。足端40内部还设有压力传感器41，用于检测足底触地的压力。

本实施例中，由于减震器60或者其他部件的弹性作用，压力传感器检测的足底压力F_压会经过弹性体传导至小腿牵引连杆50，因此拉力传感器51检测到反馈拉力F_拉，但是由于弹性上的力不可突变，因此反馈拉力F_拉相对于足底压力F_压滞后，因此足端反馈的转矩M_拉相对于足端产生的转矩M_压也存在滞后，若直接将足端产生的转矩M_压直接当作力矩电机11输出的力矩则很难达到缓冲的作用，因此本发明的力矩输出装置根据足端产生的转矩M_压和所述足端反馈的转矩M_拉之差进行力矩补偿输出，本发明将M_拉与M_压力矩差的1/2当作力矩电机11的控制增量对电机进行力矩控制输出，即M_输出＝M_拉+ΔM，其中ΔM＝(M_压-M_拉)/2；当机器人腿部着地稳定时有M压＝M拉，即力矩电机11控制的输出保持力矩为M_输出＝M_拉＝M_压，此时腿部保持静止完成着地动作。

优选地，小腿30包括小腿旋转连接杆31、小腿连接杆32和足端连接件33，小腿旋转连接杆31的一端和小腿牵引连杆50的第二连杆53的下端相铰接，小腿旋转连接杆31的上端为与小腿牵引连杆50的铰接点，小腿30通过小腿旋转连接杆31与大腿20相铰接，小腿30与大腿的铰接点位于小腿旋转连接杆31与第二连杆53的铰接点下方。小腿旋转连接杆31的另一端与小腿连接杆32相固连，小腿连接杆32采用但不限于碳纤维管、塑料管或者轻质合金管中的一种，小腿连接杆32的下端与足端连接件33相固连，足端连接件33和小腿旋转连接杆31与小腿连接件32的连接方式可采用但不限于套接后螺栓固定或者螺纹连接等可拆卸固定连接方式，也可以采用焊接等不可拆卸固定连接方式。

优选地，足端连接件33分为上段和下段，上段与小腿连接件32相连接，下段与足端40相连接，上段与小腿连接件32和小腿旋转连接件31构成的小腿30主体同轴，下段与上段的轴线形成的夹角为30°-70°,如图2所示，该夹角适应于足端40的安装角度，使之足底朝下以获得更好的触地角度；较佳地，本实施例中足端连接件下端的轴线与小腿30主体的夹角为42°。

优选地，足端40包括足体42和弹性结构43，足体42的顶部通过减震器60与足端连接件33相连接，足端连接件33的下端为杆状，足体42的顶端设有开孔，二者形成活塞连接，其中减震器60采用但不限于在活塞杆周围设置若干减震弹簧的形式进行减震。足体42的底部轮廓呈近似椭圆状的仿马蹄形结构；弹性结构43包覆于足体42的底部，弹性结构43的外部形状与足体42的底部形状相匹配；压力传感器41为设于足体42与弹性结构43之间的条形薄膜状压力传感器，足体42底部还设有距离传感器44，其中弹性结构43采用但不限于橡胶，距离传感器采用但不限于激光距离传感器。较佳地，如图3和图4所示，足体42的底部中央设有凹槽，凹槽的两侧为触地部，足体42的触地部底部轮廓呈近似椭圆状的仿马蹄形结构，触地部包覆有形状相匹配的弹性结构43，二者之间设有条形薄膜状压力传感器，凹槽内设有距离传感器。

与现有技术相比，本发明对足端40触地结构进行仿马蹄形对称布局设计，使腿部以不同姿态着地都具有很好的接触面，以保证机器人平稳触地。同时在足端40马蹄形结构的中部安装了激光距离传感器，使足端落地具有预测触地距离，为机器人腿部落地缓冲控制提供前馈信息，为实时着地控制做准备。

实际使用时，小腿30带动足端40着地时分为两个阶段，一是悬空阶段，该阶段足端40未与地面接触，此时激光距离传感器检测足端40将与地面的接触高度H；另一阶段是着地阶段，此时足底马蹄形弹性结构43与地面产生压力，该压力传递给条形薄膜压力传感器41并感知机器人着地压力F_压。由于足端40为双弧形的仿马蹄形结构，因此当小腿与垂直方向成不同角度着地时都具有很好的足端接触面和稳定的足端压力感知。

本发明还提供一种马蹄形足端感知机器人腿部输出力矩检测控制方法，采用如上任一项所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，方法包括：

根据压力传感器测得的压力F_压计算足端产生的转矩M_压；

根据拉力传感器测得的拉力F_拉计算足端反馈的转矩M_拉；

力矩输出装置根据所述足端产生的转矩M_压和所述足端反馈的转矩M_拉之差进行力矩补偿输出，M_输出＝M_拉+ΔM，其中ΔM＝(M_压-M_拉)/2。

具体实施时，如图5所示，四连杆机构为平形四边形状的双曲柄机构，L₁为本实施例中小腿运动凸盘12的旋转中心到铰接点的距离，a为小腿运动凸盘12相对大腿20的法线方向转过的角度，F_拉为拉力传感器测得的反馈拉力；L₂为触地点距离小腿30与大腿20铰接点的距离，c为大腿20与水平线的夹角，b为触地点和小腿30与大腿20铰接点的连线与小腿30主体轴线的夹角，F_压为条形薄膜状压力传感器测得的足端触地压力。由于L₁、L₂、a、b和c均为本发明腿部结构自身的运动参数，故只需得知F_拉和F_压即可计算得足端反馈的转矩M_拉＝F_拉L₁cosa，足端产生的转矩M_压＝F_压L₂cos(π/2-a-c+b)，由于足端40与足端连接件33之间存在减震器60，因此力的传导存在滞后，也即足端反馈的转矩M_拉的大小也滞后，若直接将足底产生的力矩M_压直接当作电机的控制输出力矩则很难达到缓冲作用，本实施例将M_拉与M_压力矩差的1/2当作力矩电机11的控制增量对电机进行力矩控制输出即控制力矩为M_输出＝M_拉+ΔM，其中ΔM＝(M_压-M_拉)/2。当机器人腿部着地稳定时有M_压＝M_拉，即力矩电机11控制的输出保持力矩为M_输出＝M_拉＝M_压，此时腿部保持静止完成着地动作。

本发明还提供一种足式机器人，采用如上任一项所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构和/或马蹄形足端感知机器人腿部输出力矩检测控制方法。

本发明提供的一种马蹄形足端感知机器人腿部结构通过转矩输出装置、大腿、小腿和小腿牵引连杆铰接形成连杆机构控制小腿旋转，进而带动足端起落。与现有技术相比，本发明通过足端的压力传感器用以检测触地点压力，通过小腿牵引连杆上的拉力传感器检测反馈拉力并反馈至转矩输出装置，转矩输出装置根据触地压力和反馈拉力的造成的转矩差实时控制输出的转矩进行补偿，达到腿部转矩输出恰当，避免了转矩输出过大或过小造成的不稳定现象。

尽管本文中较多的使用了诸如转矩输出装置、力矩电机、小腿运动凸盘、大腿、第一侧板、第二侧板、第一连接件、第二连接件、小腿、足端、压力传感器、拉力传感器、小腿牵引连杆和减震器等术语，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 (10)

1.马蹄形足端感知机器人腿部结构，其特征在于：包括转矩输出装置(10)、大腿(20)、小腿(30)和足端(40)；所述大腿(20)与所述转矩输出装置(10)相固连；所述小腿(30)与所述大腿(20)的一端相铰接，所述小腿(30)的一端通过小腿牵引连杆(50)与所述转矩输出装置(10)相连接，所述小腿(30)的另一端与所述足端(40)相连接；

所述小腿牵引连杆(50)上设有用于检测反馈拉力的拉力传感器(51)，所述足端(40)设有用于检测触地压力的压力传感器(41)，所述压力传感器(41)和所述拉力传感器(51)均与所述转矩输出装置(10)电连接；

其中，所述小腿(30)的下端与所述足端(40)通过减震器(60)相连接，所述转矩输出装置(10)用于根据所述触地压力和所述反馈拉力的造成的转矩差实时控制输出的转矩进行补偿。

2.根据权利要求1所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，其特征在于：所述转矩输出装置(10)包括力矩电机(11)和小腿运动凸盘(12)，所述力矩电机(11)的机体与所述大腿(20)相固连；所述小腿运动凸盘(12)的一端与所述力矩电机(11)的转轴相固连，所述小腿运动凸盘(12)的另一端与所述小腿牵引连杆(50)的一端相铰接。

3.根据权利要求2所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，其特征在于：所述大腿(20)包括第一侧板(21)、第二侧板(22)、第一连接件(23)和第二连接件(24)，所述力矩电机(11)的两侧分别与所述第一侧板(21)和第二侧板(22)相固连，所述第一连接件(23)和所述第二连接件(24)用于连接所述第一侧板(21)和第二侧板(22)。

4.根据权利要求2所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，其特征在于：所述小腿牵引连杆(50)还包括第一连杆(52)和第二连杆(53)，所述第一连杆(52)的一端通过所述拉力传感器(51)与所述第二连杆(53)的一端相连接；所述第一连杆(52)的另一端与所述小腿运动凸盘(12)相铰接，所述第二连杆(53)的另一端与所述小腿(30)的一端相铰接。

5.根据权利要求4所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，其特征在于：所述小腿(30)包括小腿旋转连接杆(31)、小腿连接杆(32)和足端连接件(33)，所述小腿旋转连接杆(31)的一端与所述第二连杆(53)的下端相铰接，所述小腿旋转连接杆(31)的另一端通过所述小腿连接杆(32)与所述足端连接件(33)相固连；所述小腿旋转连接杆(31)与所述大腿(20)的下端相铰接，铰接点位于所述小腿旋转连接杆(31)的两端之间；所述足端连接件(33)的下端与所述足端(40)相连接。

6.根据权利要求5所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，其特征在于：所述足端连接件(33)下端的轴线与所述小腿(30)主体轴线夹角为30°-70°；所述足端连接件(33)与所述足端(40)之间设有用于缓减振动的减震器(60)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，其特征在于：所述足端(40)还包括足体(42)和弹性结构(43)，所述足体(42)的顶部与所述小腿(30)相连接，所述足体(42)的底部轮廓呈近似椭圆状的仿马蹄形结构；所述弹性结构(43)包覆于所述足体(42)的底部，所述弹性结构(43)的外部形状与所述足体(42)的底部形状相匹配；所述压力传感器(41)为设于所述足体(42)与所述弹性结构(43)之间的条形薄膜状压力传感器。

8.根据权利要求7所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，其特征在于：所述足体(42)底部设有距离传感器(44)，所述距离传感器(44)用于检测所述足端(40)和落足点之间的距离。

9.一种马蹄形足端感知机器人腿部输出力矩检测控制方法，其特征在于：采用如权利要求1-8任一项所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构，方法包括：

根据压力传感器测得的压力F_压计算足端产生的转矩M_压；

根据拉力传感器测得的拉力F_拉计算足端反馈的转矩M_拉；

转矩输出装置根据所述足端产生的转矩M_压和所述足端反馈的转矩M_拉之差进行转矩补偿输出，M_输出＝M_拉+ΔM，其中ΔM＝(M_压-M_拉)/2。

10.一种马蹄形足端感知机器人，其特征在于：采用如权利要求1-8任一项所述的马蹄形足端感知机器人腿部结构和/或如权利要求9所述的马蹄形足端感知机器人腿部输出力矩检测控制方法。

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