CN113060223A - 一种多功能机器人足端 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多功能机器人足端，属于机器人领域，主要解决现有足式机器人足端触地状态检测可靠性差、结构复杂、成本高的问题。本发明将机器人足端触地检测和足端滑动检测功能集成于一体，利用气囊压缩气体压力变化原理进行机器人触地检测，利用惯性测量单元的角速度和加速度信息进行足端滑动检测，并进行了集成处理。该发明具有结构简单、方便、可靠性高、成本低的优点，提高了机器人足端状态检测的准确性。

Description

一种多功能机器人足端
技术领域
本发明涉及一种多功能机器人足端，具体涉及机器人足端触地检测和足端触地后的滑动检测，属于机器人领域。
背景技术
足式机器人足端是否触地，以及足端触地后是否存在打滑等状态直接决定着机器人控制指令的生成，进而影响机器人的运行稳定性。但现有足式机器人足端触地多通过足端三维力传感器进行检测，成本较高，且由于力传感器量程较大，在足端触地力较小时存在检测可靠性低的问题；同时，该方法无法判别足端是否存在滑动状态，增加了机器人的控制难度，降低了机器人的静动态性能。
发明内容
本发明是为了解决现有足式机器人足端状态判别难度大、成本高、可靠性低的问题，提供了一种多功能机器人足端。
本发明所述一种多功能机器人足端，它包括足端胶垫（101）、气囊（102）、管箍（103）、挂胶件（104）、单向气阀（105）、电路板（106）、电路板压紧垫（107）、密封圈（108）、密封块（109）、密封航插（110）、螺纹压块（111）、足端本体（112）、末端连杆（113）、第一挡板螺钉（114）、连接销（115）、挡板（116）、第二挡板螺钉（117）、微控制器（201）、惯性测量单元（202）、气体压力传感器（203）、串口接口电路（204）、CAN总线接口电路（205）和EtherCAT 总线接口电路（206）。
所述气囊（102）通过管箍（103）与足端本体（112）连接，连接管箍（103）具有一定的预紧力，确保无气体从气囊（102）和足端本体（112）连接处泄露。
足端胶垫（101）通过浸塑工艺或高强度粘合剂工艺与挂胶件（104）连接，所述挂胶件（104）通过螺栓（120）、螺栓（121）、螺栓（122）和螺栓（123）与足端本体（112）连接。
所述单向气阀（105）通过螺纹与足端本体（112）连接，通过单向气阀（105）可向足端本体（112）充有一定压力气体，所属气囊（102）在足端本体充有一定压力气体后发生膨胀，与足端胶垫（101）内壁接触。
所述电路板（106）嵌入足端本体（112）沟槽（124）内，防止电路板（106）在足端本体（112）径向方向移动。所述电路板（106）上部与电路板压垫（107）一端接触，防止电路板（106）在足端本体（112）轴向方向移动，所述电路板压垫（107）另一端与密封块（109）连接，所述密封块（109）底面与密封圈（108）接触，所述密封圈（108）嵌入足端本体（112）沟槽内。所述密封块（109）通过螺纹压块（111）实现与密封圈（108）和电路板压垫（107）可靠接触，实现足端本体（112）上部密封。所述螺纹压块（111）通过螺纹与足端本体（112）连接。
所述足端本体（112）上部外形为方形结构，下部为球形结构，并开有通气孔道。
所述末端连杆（113）下部具有方形内孔，使得足端本体（112）与末端连杆（113）无相对转动。
所述挡板（115）通过第一挡板螺钉（114）和第二挡板螺钉（116）实现连接销（114）底部与末端连杆（113）连接，连接销（114）上斜面与足端本体（112）斜面可靠接触，防止机器人腿在摆动相时足端本体（112）滑出末端连杆（113）。
所述末端连杆（113）底面（119）与足端本体（112）承重面（118）接触，防止足端本体（112）向末端连杆（113）内部进一步运动。
所述电路板（106）上集成微控制器（201）、惯性测量单元（202）、气体压力传感器（203）、串口接口电路（204）、CAN总线接口电路（205）和EtherCAT 总线接口电路（206）。
所述串口接口电路（204）、CAN总线接口电路（205）和EtherCAT 总线接口电路（206）。通过导线与密封航插（110）连接。
所述足端本体（112）内充的气体为惰性气体。
所述微控制器（4）为浮点型DSP，所述的惯性测量单元能够检测笛卡尔坐标系下的三轴角速度、三轴加速度信息。
本发明的优点：本发明将机器人足端触地检测和足端滑动检测功能集成于一体，利用气囊压缩气体压力变化原理进行机器人触地检测，利用惯性测量单元进行足端滑动检测，具有简单、方便、可靠性高、成本低的优点，提高了机器人足端状态检测的准确性。
本发明结构设计合理，体积小、成本低、检测可靠性高，便于机器人足端状态的判别。
附图说明
图1 多功能足端；
图2 足端本体；
图3 A向局部视图；
图4 末端连杆；
图5 测试系统框图；
图6 足端滑动检测原理图。
具体实施方式
具体实施方式：下面结合图1、图2、图3和图4说明多功能足端原理。本发明所述一种多功能机器人足端，它包括足端胶垫（101）、气囊（102）、管箍（103）、挂胶件（104）、单向气阀（105）、电路板（106）、电路板压紧垫（107）、密封圈（108）、密封块（109）、密封航插（110）、螺纹压块（111）、足端本体（112）、末端连杆（113）、第一挡板螺钉（114）、连接销（115）、挡板（116）、第二挡板螺钉（117）、微控制器（201）、惯性测量单元（202）、气体压力传感器（203）、串口接口电路（204）、CAN总线接口电路（205）和EtherCAT 总线接口电路（206）。
所述气囊（102）通过管箍（103）与足端本体（112）连接，连接管箍（103）具有一定的预紧力，确保无气体从气囊（102）和足端本体（112）连接处泄露。
足端胶垫（101）通过浸塑工艺或高强度粘合剂工艺与挂胶件（104）连接，所述挂胶件（104）通过螺栓（120）、螺栓（121）、螺栓（122）和螺栓（123）与足端本体（112）连接。
所述单向气阀（105）通过螺纹与足端本体（112）连接，通过单向气阀（105）可向足端本体（112）充有一定压力气体，所属气囊（102）在足端本体充有一定压力气体后发生膨胀，与足端胶垫（101）内壁接触。
所述电路板（106）嵌入足端本体（112）沟槽（124）内，防止电路板（106）在足端本体（112）径向方向移动。所述电路板（106）上部与电路板压垫（107）一端接触，防止电路板（106）在足端本体（112）轴向方向移动，所述电路板压垫（107）另一端与密封块（109）连接，所述密封块（109）底面与密封圈（108）接触，所述密封圈（108）嵌入足端本体（112）沟槽内。所述密封块（109）通过螺纹压块（111）实现与密封圈（108）和电路板压垫（107）可靠接触，实现足端本体（112）上部密封。所述螺纹压块（111）通过螺纹与足端本体（112）连接。
所述足端本体（112）上部外形为方形结构，下部为球形结构，并开有通气孔道。
所述末端连杆（113）下部具有方形内孔，使得足端本体（112）与末端连杆（113）无相对转动。
所述挡板（115）通过第一挡板螺钉（114）和第二挡板螺钉（116）实现连接销（114）底部与末端连杆（113）连接，连接销（114）上斜面与足端本体（112）斜面可靠接触，防止机器人腿在摆动相时足端本体（112）滑出末端连杆（113）。
所述末端连杆（113）底面（119）与足端本体（112）承重面（118）接触，防止足端本体（112）向末端连杆（113）内部进一步运动。
所述电路板（106）上集成微控制器（201）、惯性测量单元（202）、气体压力传感器（203）、串口接口电路（204）、CAN总线接口电路（205）和EtherCAT 总线接口电路（206）。
所述串口接口电路（204）、CAN总线接口电路（205）和EtherCAT 总线接口电路（206）。通过导线与密封航插（110）连接。
所述足端本体（112）内充的气体为惰性气体。
所述微控制器（4）为浮点型DSP，所述的惯性测量单元能够检测笛卡尔坐标系下的三轴角速度、三轴加速度信息。
下面结合图1和图6说名足端滑动检测原理，足端胶垫（101）与地面（304）接触后，足端胶垫（101）发生变形，引起气囊（102）发生变形，导致气囊（102）内气体压力发生变化，微控制器（201）通过电路板上的压力传感器（203）检测压力变化值，并与设定阈值进行比较，当气体压力值大于设定阈值时判断足端触地。此时微控制器（201）通过惯性测量单元（202）计算出惯性测量单元（202）所在位置（301）相对地面（304）的角度信息，再此基础上获取惯性测量单元（202）所在位置（301）与足端胶垫（101）和地面（304）接触点（303）距离，微控制器（201）通过惯性测量单元（202）输出的角速度信息便可获取惯性测量单元（202）所在位置（301）处的加速度信息，并将其与惯性测量单元（202）输出的加速度信息进行比较，若二者差值在设定阈值之内，则可判断足端胶垫（101）与地面（304）接触后无滑动，若超出设定阈值，则可判断足端胶垫（101）与地面（304）接触后存在滑动。微控制器（201）通过串口接口电路（204）或CAN总线接口电路（205）或EtherCAT 总线接口电路（206）将足端滑动信号输出。
本发明运行包括如下工况：
工况一：足端处于摆动相时，足端胶垫（101）无变形，气囊（102）无变形，气囊（102）内气体压力无变化，微控制器（201）通过电路板上的压力传感器（203）检测压力值等于设定阈值，微控制器（201）无信号发出。
工况二：足端触地无滑动时，足端胶垫（101）发生变形，引起气囊（102）发生变形，导致气囊（102）内气体压力发生变化，微控制器（201）通过电路板上的压力传感器（203）检测压力变化值，并与设定阈值进行比较，当压力值大于设定阈值时，通过串口接口电路（204）或CAN总线接口电路（205）或EtherCAT 总线接口电路（206）将触地信号发出。
工况三：足端触地其足端滑动时，足端胶垫（101）发生变形，引起气囊（102）发生变形，导致气囊（102）内气体压力发生变化，微控制器（201）通过电路板上的压力传感器（203）检测压力变化值，通过惯性测量单元（202）检测足端加速度信息，并分别与设定阈值进行比较，当气体压力值和加速度值均大于设定阈值时，通过串口接口电路（204）或CAN总线接口电路（205）或EtherCAT 总线接口电路（206）将触地信号和足端滑动信号发出。

Claims (8)

1.一种多功能机器人足端其特征在于，它包括足端胶垫（101）、气囊（102）、管箍（103）、挂胶件（104）、单向气阀（105）、电路板（106）、电路板压紧垫（107）、密封圈（108）、密封块（109）、密封航插（110）、螺纹压块（111）、足端本体（112）、末端连杆（113）、第一挡板螺钉（114）、连接销（115）、挡板（116）、第二挡板螺钉（117）、微控制器（201）、惯性测量单元（202）、气体压力传感器（203）、串口接口电路（204）、CAN总线接口电路（205）和EtherCAT 总线接口电路（206）；
所述气囊（102）通过管箍（103）与足端本体（112）连接，连接管箍（103）具有一定的预紧力，确保无气体从气囊（102）和足端本体（112）连接处泄露；
足端胶垫（101）通过浸塑工艺或高强度粘合剂工艺与挂胶件（104）连接，所述挂胶件（104）通过螺栓（120）、螺栓（121）、螺栓（122）和螺栓（123）与足端本体（112）连接；
所述单向气阀（105）通过螺纹与足端本体（112）连接，通过单向气阀（105）可向足端本体（112）充有一定压力气体，所属气囊（102）在足端本体充有一定压力气体后发生膨胀，与足端胶垫（101）内壁接触；
所述电路板（106）嵌入足端本体（112）沟槽（124）内，防止电路板（106）在足端本体（112）径向方向移动，所述电路板（106）上部与电路板压垫（107）一端接触，防止电路板（106）在足端本体（112）轴向方向移动，所述电路板压垫（107）另一端与密封块（109）连接，所述密封块（109）底面与密封圈（108）接触，所述密封圈（108）嵌入足端本体（112）沟槽内，所述密封块（109）通过螺纹压块（111）实现与密封圈（108）和电路板压垫（107）可靠接触，实现足端本体（112）上部密封，所述螺纹压块（111）通过螺纹与足端本体（112）连接；
所述足端本体（112）上部外形为方形结构，下部为球形结构，并开有通气孔道；
所述末端连杆（113）下部具有方形内孔，使得足端本体（112）与末端连杆（113）无相对转动；
所述挡板（115）通过第一挡板螺钉（114）和第二挡板螺钉（116）实现连接销（114）底部与末端连杆（113）连接，连接销（114）上斜面与足端本体（112）斜面可靠接触，防止机器人腿在摆动相时足端本体（112）滑出末端连杆（113）；
所述末端连杆（113）底面（119）与足端本体（112）承重面（118）接触，防止足端本体（112）向末端连杆（113）内部进一步运动；
所述电路板（106）上集成微控制器（201）、惯性测量单元（202）、气体压力传感器（203）、串口接口电路（204）、CAN总线接口电路（205）和EtherCAT 总线接口电路（206）；
所述串口接口电路（204）、CAN总线接口电路（205）和EtherCAT 总线接口电路（206），通过导线与密封航插（110）连接；
所述微控制器（4）为浮点型DSP，所述的惯性测量单元能够检测笛卡尔坐标系下的三轴角速度、三轴加速度信息。
2.根据权利要求1所述的一种多功能机器人足端，其特征在于检测足端为半球形结构。
3.根据权利要求1所述的一种多功能机器人足端，其特征在于气体压力传感器置于气囊内部。
4.根据权利要求1所述的一种多功能机器人足端，其特征在于气囊内充有惰性气体。
5.根据权利要求1所述的一种多功能机器人足端，其特征在于利用惯性测量单元进行足端滑动检测。
6.根据权利要求1所述的一种多功能机器人足端，其特征在于可以采用EtherCAT总线、CAN总线和串口将信号输出。
7.根据权利要求1所述的一种多功能机器人足端，其特征在于微控制器采用DSP作为主控制器。
8.根据权利要求1所述的一种多功能机器人足端，其特征在于能够对惯性测量单元和气体压力传感器信号进行数字信号处理和运算。
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