CN114227761A - 一种双足机器人外界推力检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双足机器人外界推力检测装置及其检测方法，可以人为随机制造单点双足机器人外界推力，代替机器人用多点传感器去感知外界推力，该装置结合检测装置的位姿信息、双足机器人的位姿信息以及检测装置和双足机器人模型信息分布式检测出双足机器人作用力信息，并实时传输给主控系统，其人机系统实时3D显示外界推力状况。该发明降低了双足机器人感知系统搭建的成本，更快启动核心控制算法的验证工作，加快项目收敛周期。检测方法的分布式设计，降低对主控系统资源占用，加快控制频率。

Description

一种双足机器人外界推力检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种双足机器人外界推力检测装置及其检测方法。

背景技术

双足机器人受外界扰动力仍能够平稳行走，是双足机器人一项重要能力，这项能力的评估对于双足机器人的开发有指导性作用。此项能力的评估需要获取扰动力的大小、方向以及作用点三要素，通常双足机器人的采用触觉传感器和高速动作捕捉装置来确定这三要素，这显然能够满足评估要求，但是双足机器人的扰动力是不确定的，为了减少不确定性带来感知盲区，需要触觉传感器更高的覆盖率，这样成本增高同时对主控系统的资源占用率增大，高度动作捕捉装置价格较为昂贵，且获取作用点位置的延时性较大，不易集成到双足机器人实时感知系统，数据只能用于事后分析。

为了解决这种技术课题，如专利号CN102233587B、CN1380846A公开的用于检测机器人的外力装置和方法，探头安装在机器人上，与物体接触的方向发生弹性位移或产生电信号，计算出外力大小，接触点位置能够通过机器人的位姿计算出来。

但是，采用接触点安装在机器人身上的检测方式，为了扩大测量范围，需增加接触点的数量，进而接触点力大小方向的传感信息和机器人位姿信息将占用更多的计算资源，接触信息检测的延时也将加长，使得整体效率降低。

发明内容

为解决现有技术的不足，实现减少资源占用、降低成本、提高整体效率的的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种双足机器人外界推力检测装置，包括推杆和控制系统，推杆包括推力头、传感器、杆、线束管，推力头与传感器连接，杆分别与传感器、控制系统连接，传感器的电源信号线，通过杆内的线束管，与控制系统连接，控制系统包括推杆位姿检测单元、推力检测单元、机器人位姿检测单元和控制中心；

所述推杆位姿检测单元，用于获取推杆坐标系O₁在世界坐标系O中的位置

以及推杆在坐标系O₁中的表征

所述推力检测单元，通过传感器获取推杆在世界坐标系O的力f(x,y,z)；

所述机器人位姿检测单元，用于获取机器人的位姿信息；

所述控制中心，用于计算推力头的受力点在世界坐标系O中的表征：

结合力f(x,y,z)，得到推力头受力点P_F(x,y,z)，以及推力在世界坐标系O中直线表达式F(x,y,z)；通过位姿信息，计算机器人坐标系0₂在世界坐标系O中位置

结合机器人3D模型的坐标转换，得到在世界坐标系O中的机器人3D模型表达式Robot(x,y,z)；通过直线表达式F(x,y,z)与机器人3D模型表达式Robot(x,y,z)，解算出交点P(x,y,z)，计算机器人3D模型与受力点P_F(x,y,z)距离最小的点，作为机器人的受力作用点：

其中，x_f、y_f、z_f表示受力点的三维坐标，x_n、y_n、z_n表示交点的坐标，n＝1,2,…，n表示第n个交点；通过作用点P_R(x,y,z)和机器人坐标系O₂在世界坐标系O中的位置

经坐标转换，得到机器人力作用点在机器人坐标系的表征

进而控制系统的人机交互系统结合机器人的3D模型直观显示作用力的位置、大小和方向，且将这些数据实时传输给主控系统且保存在内存卡中供后续分析使用。

进一步地，传感器前端设有用于测力的突出部，突出部与推力头后端接触，且突出部截面面积小于推力头后端面积，一方面，通过推力头保护突出部，增加传感器使用寿命，另一方面，突出部截面面积小于推力头底部面积，使压强传递更集中，减小加大作用面对力测量的误差。

进一步地，传感器通过连接件与杆连接，连接件包括法兰座和平头螺栓，法兰座与杆的一端连接，并通过平头螺栓与传感器连接。

进一步地，杆包括套设连接的第一伸缩杆和第二伸缩杆，所述线束管包括分别设置在第一伸缩杆和第二伸缩杆内的第一线束管和第二线束管，第二线束管上设有导轨，与第一线束管上配合设置的导轨槽滑动连接，从而实现了装置的伸缩功能。

进一步地，第一伸缩杆或第二伸缩杆的一端设有卡圈，与第二伸缩杆或第一伸缩杆过盈配合，防止第一、第二伸缩杆脱离。

进一步地，杆一端与传感器连接，另一端依次连接控制柜和手柄，控制柜上设有显示屏，控制柜内设有所述控制系统，控制系统还包括人机交互界面单元和数据存储与传输单元，人机交互界面单元分别与显示屏和控制中心连接，数据存储与传输单元分别与机器人和控制中心连接，用于数据存储和数据传输。手柄可用于装置的手持，包含控制系统所需的电源和开关，电源可以通过拆卸手柄进行更换。

进一步地，传感器是六维力传感器。

进一步地，推杆位姿检测单元和/或机器人位姿检测单元，包括惯性测量单元，用于获取位姿信息。

进一步地，推力头采用柔性材料，保护装置和机器人。

一种双足机器人外界推力检测方法，包括如下步骤：

S1，获取推杆坐标系O₁在世界坐标系O中的位置

以及推杆在坐标系O₁中的表征

S2，获取推杆在世界坐标系O的力f(x,y,z)；

S3，获取机器人的位姿信息；

S4，计算推杆的推力头的受力点在世界坐标系O中的表征：

结合力f(x,y,z)，得到推力头受力点P_F(x,y,z)，以及推力在世界坐标系O中直线表达式F(x,y,z)；通过位姿信息，计算机器人坐标系0₂在世界坐标系O中位置

结合机器人3D模型的坐标转换，得到在世界坐标系O中的机器人3D模型表达式Robot(x,y,z)；通过直线表达式F(x,y,z)与机器人3D模型表达式Robot(x,y,z)，解算出交点P(x,y,z)，计算机器人3D模型与受力点P_F(x,y,z)距离最小的点，作为机器人的受力作用点：

其中，x_f、y_f、z_f表示受力点的三维坐标，x_n、y_n、z_n表示交点的坐标，n＝1,2,…，n表示第n个交点；通过作用点P_R(x,y,z)和机器人坐标系O₂在世界坐标系O中的位置

经坐标转换，得到机器人力作用点在机器人坐标系的表征

进而控制系统的人机交互系统结合机器人的3D模型直观显示作用力的位置、大小和方向，且将这些数据实时传输给主控系统且保存在内存卡中供后续分析使用。

本发明的优势和有益效果在于：

(1)本发明使用各种构型的双足机器人，降低双足机器人系统对于多触点类似皮肤传感器的依赖程度，降低了双足机器人感知系统搭建的成本，双足机器人项目开展初期更快启动核心控制算法的验证工作，加快项目收敛周期。且推杆的单点随机触发的力检测方法移植到多触点类皮肤传感器的力检测比较简单。

(2)本发明使用推力检测装置独立的处理力传感信息、推杆位姿信息以及机器人位姿信息，然后得到准确的力作用信息，这种分布式设计降低对主控系统资源占用，加快控制频率。

附图说明

图1是本发明的检测装置分解结构示意图。

图2是本发明中控制系统功能模块图。

图3是本发明的检测方法原理示意图。

附图标记：1-推力头；2-六维力传感器；3-第一线束管；4-法兰座；5-平头螺栓；6-第一伸缩杆；7-导轨；8-第二线束管；9-第二伸缩杆；10-控制柜；11-显示屏；12-手柄。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明的技术构思在于：针对双足机器人对于外界推力的大小、方向以及作用点位置感知比较依赖自身类皮肤的传感器先进程度，这使得双足机器人的感知系统成本骤升，双足机器人项目开展初期和入门门槛提高，本发明设计了一种双足机器人外界推力检测装置，能够独自检测单点推力的大小方向和位置，并且这些数据信息能够实时传输给主控系统和实时显示在显示屏11上，降低双足机器人的入门门槛，在项目开展初期能够更快启动核心算法验证工作，加快项目收敛周期，且这套力检测方法也能移植到多点皮肤传感器力检测上面；分布式设计减低对主控系统资源的占用，加快控制频率。

本发明一种双足机器人外界推力检测装置，能够按照持有人意愿任意制造单点双足机器人外界推力，如图1所示，包括：第一线束管3、第二线束管8、导轨7以及第一伸缩杆6、第二伸缩杆9实现装置的伸缩功能，第一伸缩杆6末端有卡圈，可与第二伸缩杆9过盈配合卡住，第一线束管3、第二线束管8中，收纳六维力传感器2的电源信号线，与导轨7一起保证伸缩过程中，电源信号线能够一起丝滑伸缩；推力头1和六维力传感器2小面积接触，在六维力传感器2前端设置用于测力的突出部，突出部截面面积小于推力头1后端面积，六维力传感器2能够敏感的感知力，两者螺纹连接，通过作为连接件的法兰座4和平头螺栓5，连接到第一伸缩杆6上，推力头1材质选用橡胶，保护装置和机器人。第二伸缩杆9依次与控制柜10和手柄12连接，控制柜10上设有显示屏11，控制柜10内设有控制系统，控制系统分别与机器人和控制中心进行通信。

如图2所示，控制系统包含人机交互界面、推杆位姿检测、推力检测、机器人位姿检测、数据存储与传输以及控制中心组成，其中推杆和机器人的位姿使用IMU(惯性测量单元)得到，推力大小和方向由六维力传感器2得到，控制中心结合所有信息计算得到推力在机器人身上作用点、方向和大小，并实时在人机交互界面上显示，这些计算关键信息实时存储到内存卡和传输给主控系统，可用于机器人的分析和控制。

本发明一种双足机器人外界推力检测方法，是基于外界推力检测装置，获取力大小方向、推杆的位姿以及双足机器人的位姿，结合三者的关系可以推算出双足机器人的受力点位置大小及方向，这些数据可以在推杆的显示装置上显示，并且可以实时传输给主控系统去识别场景以及存储到内存卡供后续分析使用，如图3所示，O表示世界坐标系，O₁表示推杆坐标系，O₂表示机器人坐标系，F(X,Y,Z)表示推力在O₁中表征，Robot(X,Y,Z)表示机器人在O₂中的表征，P₁(X,Y,Z)表示推力和机器人空间中交点1，P₂(X,Y,Z)表示推力和机器人空间中交点2。

首先，控制系统的推杆位姿检测，能够检测出来推杆坐标系O₁在世界坐标系O中的位置

推杆在坐标系O₁中的表征为

因此推力头1受力点在世界坐标系O中的表征：

其次，控制系统的六维力传感器2，可以检测出推杆在世界坐标系O的力f(x,y,z)，结合推力头1受力点在世界坐标系O中的表征，得到的推力头1受力点P_F(x,y,z)，可以得到推力在世界坐标系O中直线表达式F(x,y,z)。

接着，控制系统的机器人位姿检测，通过蓝牙获取安装在机器人身上IMU的位姿信息，即机器人坐标系0₂在世界坐标系O中位置

而机器人的3D模型可以通过坐标转换，得到在世界坐标系的模型表达式Robot(x,y,z)。

然后，结合推力直线表达式F(x,y,z)和机器人模型表达式Robot(x,y,z)，解算出交点P₁(x,y,z)、P₂(x,y,z)或者更多点，找出机器人3D模型和受力点P_F(x,y,z)距离最小点，即是机器人身上作用点P_R(x,y,z)：

其中，x_f、y_f、z_f表示受力点的三维坐标，x_n、y_n、z_n表示交点的坐标，n＝1,2,…，表示交点。

最后，结合计算得到的机器人身上作用点P_R(x,y,z)和机器人坐标系O₂与世界坐标系O的

经过坐标转换可以得到机器人力作用点在机器人坐标系的表征P_RO2(x,y,z)，进而控制系统的人机交互系统结合机器人的3D模型直观显示作用力的位置、大小和方向，且将这些数据实时传输给主控系统且保存在内存卡中供后续分析使用。

以上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实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种双足机器人外界推力检测装置，包括推杆和控制系统，其特征在于所述推杆包括推力头(1)、传感器、杆、线束管，推力头(1)与传感器连接，杆分别与传感器、控制系统连接，传感器的电源信号线，通过杆内的线束管，与控制系统连接，控制系统包括推杆位姿检测单元、推力检测单元、机器人位姿检测单元和控制中心；

所述推杆位姿检测单元，用于获取推杆坐标系O₁在世界坐标系O中的位置

以及推杆在坐标系O₁中的表征

所述推力检测单元，通过传感器获取推杆在世界坐标系O的力f(x,y,z)；

所述机器人位姿检测单元，用于获取机器人的位姿信息；

所述控制中心，用于计算推力头(1)的受力点在世界坐标系O中的表征：

结合力f(x,y,z)，得到推力头(1)受力点P_F(x,y,z)，以及推力在世界坐标系O中直线表达式F(x,y,z)；通过位姿信息，计算机器人坐标系0₂在世界坐标系O中位置

结合机器人3D模型的坐标转换，得到在世界坐标系O中的机器人3D模型表达式Robot(x,y,z)；通过直线表达式F(x,y,z)与机器人3D模型表达式Robot(x,y,z)，解算出交点P(x,y,z)，计算机器人3D模型与受力点P_F(x,y,z)距离最小的点，作为机器人的受力作用点：

其中，x_f、y_f、z_f表示受力点的三维坐标，x_n、y_n、z_n表示交点的坐标，n＝1,2,…，n表示第n个交点；通过作用点P_R(x,y,z)和机器人坐标系O₂在世界坐标系O中的位置

经坐标转换，得到机器人力作用点在机器人坐标系的表征

2.根据权利要求1所述的一种双足机器人外界推力检测装置，其特征在于所述传感器前端设有用于测力的突出部，突出部与推力头(1)后端接触，且突出部截面面积小于推力头(1)后端面积。

3.根据权利要求1所述的一种双足机器人外界推力检测装置，其特征在于所述传感器通过连接件与杆连接，连接件包括法兰座(4)和平头螺栓(5)，法兰座(4)与杆的一端连接，并通过平头螺栓(5)与传感器连接。

4.根据权利要求1所述的一种双足机器人外界推力检测装置，其特征在于所述杆包括套设连接的第一伸缩杆(6)和第二伸缩杆(9)，所述线束管包括分别设置在第一伸缩杆(6)和第二伸缩杆(9)内的第一线束管(3)和第二线束管(8)，第二线束管(8)上设有导轨(7)，与第一线束管(3)上配合设置的导轨槽滑动连接。

5.根据权利要求4所述的一种双足机器人外界推力检测装置，其特征在于所述第一伸缩杆(6)或第二伸缩杆(9)的一端设有卡圈，与第二伸缩杆(9)或第一伸缩杆(6)过盈配合。

6.根据权利要求1所述的一种双足机器人外界推力检测装置，其特征在于所述杆一端与传感器连接，另一端依次连接控制柜(10)和手柄(12)，控制柜(10)上设有显示屏(11)，控制柜(10)内设有所述控制系统，控制系统还包括人机交互界面单元和数据存储与传输单元，人机交互界面单元分别与显示屏(11)和控制中心连接，数据存储与传输单元分别与机器人和控制中心连接，用于数据存储和数据传输。

7.根据权利要求1所述的一种双足机器人外界推力检测装置，其特征在于所述传感器是六维力传感器(2)。

8.根据权利要求1所述的一种双足机器人外界推力检测装置，其特征在于所述推杆位姿检测单元和/或机器人位姿检测单元，包括惯性测量单元，用于获取位姿信息。

9.根据权利要求1所述的一种双足机器人外界推力检测装置，其特征在于所述推力头(1)采用柔性材料。

10.一种双足机器人外界推力检测方法，其特征在于包括如下步骤：

S1，获取推杆坐标系O₁在世界坐标系O中的位置

以及推杆在坐标系O₁中的表征

S2，获取推杆在世界坐标系O的力f(x,y,z)；

S3，获取机器人的位姿信息；

S4，计算推杆的推力头(1)的受力点在世界坐标系O中的表征：

结合力f(x,y,z)，得到推力头(1)受力点P_F(x,y,z)，以及推力在世界坐标系O中直线表达式F(x,y,z)；通过位姿信息，计算机器人坐标系0₂在世界坐标系O中位置

结合机器人3D模型的坐标转换，得到在世界坐标系O中的机器人3D模型表达式Robot(x,y,z)；通过直线表达式F(x,y,z)与机器人3D模型表达式Robot(x,y,z)，解算出交点P(x,y,z)，计算机器人3D模型与受力点P_F(x,y,z)距离最小的点，作为机器人的受力作用点：

其中，x_f、y_f、z_f表示受力点的三维坐标，x_n、y_n、z_n表示交点的坐标，n＝1,2,…，n表示第n个交点；通过作用点P_R(x,y,z)和机器人坐标系O₂在世界坐标系O中的位置

经坐标转换，得到机器人力作用点在机器人坐标系的表征

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