CN115112161A - 一种基于足部缓冲装置的仿人机器人的触地检测方法 - Google Patents

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CN115112161A CN202210680676.4A CN202210680676A CN115112161A CN 115112161 A CN115112161 A CN 115112161A CN 202210680676 A CN202210680676 A CN 202210680676A CN 115112161 A CN115112161 A CN 115112161A
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Abstract

本发明公开了一种基于足部缓冲装置的仿人机器人的触地检测方法，基于仿人足部生理结构的足部缓冲装置，利用足部缓冲装置上所搭载的前后足触发开关、足背板簧内置的应变片、前后足编码器实时采集应变片的输出电压，前、后足编码器的角度以及前、后足触发开关状态，并建立触地判断函数对上述数据进行融合，从而实现对足部是否触地进行判断；此外，本申请还出模糊决策触地判断方法，利用两编码器所采集的足部形变数据，将编码器的实时角度与参考角度作为模糊推理的基础输入，通过制定特定的模糊规则，决策得出足部着地的部位。

Description

一种基于足部缓冲装置的仿人机器人的触地检测方法
技术领域
本发明涉及双足仿人机器人技术领域，具体提出了一种基于足部缓冲装置的仿人机器人触地检测方法。
背景技术
在仿人机器人欠驱动行走控制中，双腿的状态分为支撑相以及摆动相，支撑相负责控制上身的稳定，摆动相负责控制机器人跟随摆腿轨迹，因此需要对机器人双腿的支撑摆动情况进行合理的感知与判断。进一步得，在步行期间支撑足的触地部位在不断变化，利用不同的触地部位可以实施不同的控制进而提升机器人行走的稳定性。
现有的双足机器人触地检测方法中，大多是通过压力传感器的阈值、导体接触片开关以及触地行程来检测并判断触地的。
导体接触片触发的检测方法依赖于复杂的结构，并且对于结构的材料有较高的要求，寿命不稳定。由于仿人机器人需要进行双足行走，单腿往往需要承受全身的重量，因此足部容易受到冲击力以及大负载的影响，当步行过程中足部着地时受到冲击力，容易引起震动而误触发，影响触发的准确性。该方法的检测结果也相对单一，因为接触片检测无法检测复杂的着地信息，仅仅能够给出开关量信号，因此这种方法只能应用在要求不太高的场合，导体接触片式的触发方法很难适用于仿人机器人。例如CN 211626510 U公布了一种足端触地检测方法，该方法主要使用接触方式来进行触地判断，当橡胶保护件触地时，第一导电橡胶2与第二导电橡胶4接触实现电导通；当橡胶保护件不触地时，第一导电橡胶与第二导电橡胶分离。通过判断导电橡胶之间的导通情况来判断足部是否触地。该方法主要是利用开关量进行检测，
压力阈值触发的检测多依赖于压力传感器，但着地过程中传感器所受的冲击力较大，往往容易损坏，并且相应的装置中，足部触地的缓冲措施大多是橡胶，压簧等机构，这样的方法鲁棒性并不强，因为当足部受到较大冲击时，压力传感器容易损坏，并且高精度的压力传感器成本较高，难以长时间在复杂环境下可靠工作。例如CN 112660264 A公布了一种马蹄形足端感知机器人腿部结构，其检测的主要原理是通过腿部电机电流以及足端的压力传感共同检测：机器人的足部具有条形的压力传感器，通过压力传感器来检测足部的受力情况，同时，足部还装有距离传感器，用以感知足端与地面之间的距离。该方法主要是根据机器人的腿部构型以及关节电流进行末端力的估计，进而判断触地信息。
行程触发方法对于行程的检测要求较高，在现有方法中，小空间内的行程检测方法大多数是利用电涡流传感器、霍尔传感器等硬件进行测量，但这种方法容易受到干扰，且需要设备时时刻刻连接大功率电源，对传感器数据的处理也相对较为复杂，鲁棒性欠佳。例如CN 211590198 U公布了一种基于电涡流的触地检测方法，其中1、2、3均为电涡流传感器，当足部着地时，橡胶外壳6受到挤压发生形变，使得金属块7向内运动，导致电涡流传感器检测到距离变化，当这一距离变化超过一定的阈值，即判断为足部已经触地。
通过以上综述，现有的双足机器人触地检测方法主要是通过压力传感器的阈值以及导体接触片开关以及关节的自身感知来进行判断的。
对于压力传感器阈值触发来说，由于传感器类型单一，往往需要确定一个较为合理的阈值。由于机器人的足部具有一定的质量，当腿部带动足部在空中向下加速运动时，足部具有的惯性会使得位于踝部的压力传感器采集到一定的压力值，这就使得机器人难以判断当前压力为触地时的静压力还是足部在空中向下加速运动时的惯性压力，因此这种方法对于阈值的选择十分苛刻，并且该阈值并不能适应多场景下的运动，如机器人走、跑、跳等不同运动情况下，均需要不同的阈值来进行判断，这就带来了较大的识别难度。
对于导体接触片开关触发来说，有较高的硬件要求，如需要布置相应的触发行程，以及合理的复位机构。这就带来了很大的设计难度，既要考虑机构的紧凑性，也要保证机构功能的可靠；并且对于双足机器人的整体形态来说，单纯的触发机构很难与机器人整体相协调，并且触发片可能会随着使用次数的增多接触不良或产生塑性形变，无法保证触发的可靠性。对于数据的运用也比较单一，只能返回一定的开关量，无法通过多种传感器的共同信息进行测量，具有一定的局限性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种基于足部缓冲装置的仿人机器人触地检测方法，首选仿照人足部的生理结构，设计出一种仿人机器人的足部缓冲装置，并利用该足部缓冲装置采集着地过程中足部多传感器数据来判断机器人足部与地面的接触情况。在判断足部接触地面后，利用足部受压时足部构型的变化进行模糊决策实现着地部位的区分，避免了误触发，为机器人的行走控制提供更多的参考。
本发明所采用的技术方案如下：
一种仿人机器人触地检测方法，基于足部缓冲装置，足部缓冲装置包括趾跖关节部件，所述趾跖关节部件装有前足触发开关，所述趾跖关节部件与足背板簧的一端可转动连接，所述趾跖关节部件与跖骨连杆的一端可转动连接；所述足背板簧内置应变片，所述足背板簧的另一端固定连接舟骨块；所述跖骨连杆的另一端可转动连接舟骨块，所述足背板簧平行设置在跖骨连杆的上部；所述跖骨连杆与舟骨块连接处设置前足编码器；所述舟骨块与跟骨部件可转动连接，所述舟骨块与跟骨部件连接处设置后足编码器，所述跟骨部件上装有后足触发开关；足弓弹簧阻尼器的两端分别与所述跟骨部件、跖骨连杆铰接；
包括如下步骤：
S1、建立触地判断函数：
f(t)＝k1(v-v′)+k2(θ2′-θ1′-θ2+θ1)+k3(θ1-θ1′)2+k4(θ2-θ2′)2+k5s1+k6s2
其中，v′是实时采集的应变片(5a)的输出电压，θ2′是实时采集的后足编码器的角度，θ1′是实时采集的前足编码器的角度，s1是前足触发开关的状态，s2是后足触发开关的状态，足部缓冲装置悬空时，记为s1＝s2＝0，足部缓冲装置着地时，记为s1＝s2＝1；k1、k2、k3、k4、k5、k6为各项对应的融合权重，均为正实数；将足部缓冲装置悬空时的应变片(5a) 的输出电压v、后足编码器的角度θ2、前足编码器的角度θ1作为参考数据；
S2、设定阈值M，通过比较触地判断函数的融合结果f(t)与阈值M，判断足部是否着地，表示为：
Figure RE-GDA0003821006050000031
S3、基于前足编码器、后足编码器的角度制定模糊规则，将前足编码器、后足编码器的实时角度与参考角度作为模糊推理的基础输入，
分别将θ1′-θ1、θ2′-θ2作为模糊输入量且分别模糊化处理为负大、负小、正小、正大；
模糊输出量H表示脚掌的着地状态，模糊化为脚跟着地、偏后脚掌着地、全脚掌着地、偏前脚掌着地、脚尖着地，
设置如下模糊规则进行模糊推理：
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝正大，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝正小，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝负小，H＝偏前脚掌着地；
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝负大，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝正大，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝正小，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝负小，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝负大，H＝偏后脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝正大，H＝偏前脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝正小，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝负小，H＝脚跟着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝负大，H＝脚跟着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝正大，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝正小，H＝偏后脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝负小，H＝脚跟着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝负大，H＝脚跟着地；
对模糊输出量H进行去模糊化处理，输出结果为[-Lmin，Lmax]区间的实数，对去模糊化后的推理结果做进一步划分，得到分段函数的三个区间，分别为
Figure RE-GDA0003821006050000041
Figure RE-GDA0003821006050000042
当经过去模糊化后的输出结果在
Figure RE-GDA0003821006050000043
区间内时，判断此时足部为后脚跟着地；当经过去模糊化后的输出结果在
Figure RE-GDA0003821006050000044
区间内时，判断此时足部为后脚跟着地；当经过去模糊化后的输出结果在
Figure RE-GDA0003821006050000045
区间内时，判断此时足部为全脚掌着地，其中，-Lmin，Lmax分别表示后脚跟与前脚掌相对于踝的位置。
进一步，模糊化处理为负大、负小、正小、正大对应的范围分别是：
θ1-θ1′在区间[-σ1min，σ1max]内模糊化为负大，负小、正小、正大，范围分别为
Figure RE-GDA0003821006050000046
θ2-θ2′在区间[-σ2min，σ2max]内模糊化为负大，负小、正小、正大，范围为
Figure RE-GDA0003821006050000047
其中，-σ1min、σ1max分别是前足编码器角度θ1的最小值和最大值；-σ2min，σ2max分别是后足编码器角度θ2的最小值和最大值。
进一步，H在区间[-Lmin，Lmax]内模糊化为脚跟着地、偏后脚掌着地、全脚掌着地、偏前脚掌着地、脚尖着地，范围分别为
Figure RE-GDA0003821006050000048
Figure RE-GDA0003821006050000049
进一步，所述足背板簧是由板簧以及包覆在板簧上、下两侧的橡胶构成；在板簧的表面设置应变片，利用应变片获取板簧的应变电桥电压。
进一步，舟骨块包括舟骨块主体，舟骨块主体上设置三组舟骨轴承座，每一组舟骨轴承座内可转动装有芯轴、舟骨轴承，跖骨连杆或跟骨连杆的连接端固定套装在芯轴外；舟骨轴承座一端通过孔肩对内部舟骨轴承轴向限位；另一侧的芯轴通过紧固件将挡板与芯轴固定连接，且舟骨轴承座通过螺纹与顶盖螺纹连接，利用顶盖抵住舟骨轴承的外圈，实现对内部舟骨轴承轴向限位。
进一步，趾跖关节部件包括趾跖关节块，趾跖关节块的下表面为平板状，在趾跖关节块的上方矢状面方向设置至少一个趾跖关节连接板；趾跖关节连接板通过趾跖关节轴承套装在销外；销通过外立柱、内立柱以及紧固件固定于足背板簧。
进一步，趾跖关节块的上表面设有趾跖关节轴承座，趾跖关节轴承座装有芯轴以及芯轴外部的轴承，跖骨连杆的一端套装在芯轴外。
进一步，在足背板簧与外立柱、内立柱连接处，分别在足背板簧的上、下两面分别铺放前足压板，在与舟骨块主体连接处铺放中足压板。
进一步，跟骨部件包括至少两个跟骨块，跟骨块相对设置，且跟骨块之间通过三组圆柱销连接；其中，相邻两组圆柱销上套装跟骨轴承和跟骨连杆；另一组圆柱销上套装足弓弹簧阻尼器。
进一步，当足跟着地时，由足弓弹簧阻尼器以及足背板簧串联提供刚度；全脚掌着地时，足弓弹簧阻尼器以及足背板簧并联提供刚度；前脚掌着地时，仅由足背板簧提供刚度。
本发明的有益效果：
本申请是基于足部缓冲装置提出的一种仿人机器人触地检测方法，该足部缓冲装置是仿照人体足部骨骼与韧带的生理结构，舟骨块对应了人足部的舟骨、楔骨、距骨结构；趾跖关节部件对应了人跖骨、趾跖关节的结构；跟骨部件对应了人跟骨结构；足弓弹簧阻尼器对应了人足底筋膜。该足部缓冲装置不同触地状态下的弹簧连接情况，产生三种不同的接触刚度具备类似人行走过程中的足部变刚度特性，提高机器人足部的仿生程度，提高能量效率以及提高环境适应能力。
同时，利用足部缓冲装置上设置的前、后足触发开关，内置于足背板簧的应变片，前、后足编码器，当足部触地受压时，装置中的弹簧会发生相应的形变，引起编码器数据变化，同时检测还融合了足底的触发开关以及板簧的应变电桥的电压信号，通过多传感模糊决策对足部着地状态进行多维度测量，由此解决双足机器人行走过程中的触地判断问题。不同于传统的接触检测装置，本发明中，利用编码器能够检测装置构型的变化情况，应变电桥作为配合能够直接检测足部柔性部件的形变，与此同时触发开关作为直接触地部位，能够直接感知与地面接触情况。由于足部在行走过程中具有复杂的接触情况，并且构型情况也会不断变化，因此仅仅使用单个形式的传感器会存在较大局限性，可能导致感知信息不够全面，不够立体，影响判断结果的可靠性。本发明提出的融合方法，从多种传感器的角度出发，既考虑了直接接触的静态感应，同时也考虑了步行过程中足部构型变化的动态感应，将多种形式的传感器信息有机融合，丰富了判断触地所需要考虑的信息，从多各层面进行感知，使得触地判断更加可靠。再通过对足部挠度模糊判断来检测触地情况即区分脚掌的着地部位，避免了空中的误触发以及现有装置感知不够全面的问题，适应步态过程中不同阶段的控制需求，在现有的触地感知方法中均未见类似手段。
附图说明
图1是本发明一种仿人机器人触地检测方法流程图；
图2是本发明一种仿人机器人的足部缓冲装置结构示意图；
图3是本发明一种仿人机器人的足部缓冲装置结构侧视图；
图4是图3中J1、J2处的结构剖视图；
图5是图3中J8处的铰链结构剖视图；
图6是足背板簧的夹层结构剖视图；
图7是足跟的结构示意图；
图8是图3中J4处的铰链结构剖视图；
图9是趾跖关节块7c三维图；
图10是舟骨块的三维图；
图11是足部缓冲装置触地变刚度原理图；
图中，1、后足编码器，2、舟骨块，2a、挡板，2b、舟骨块主体，2c、芯轴，2d、舟骨轴承，2e、顶盖，2f、舟骨轴承座，3、前足编码器，4、中足压板，5、足背板簧，5a、应变片，5b、橡胶包层，5c、碳纤维板簧芯，6、前足压板，7、趾跖关节部件，7a、外立柱，7b、销，7c、趾跖关节块，7d、趾跖关节轴承，7e、垫片，7f、内立柱，7g、趾跖关节连接板，7h、趾跖关节轴承座，8、跖骨连杆，9、足弓弹簧阻尼器，10、跟骨部件，10a、跟骨连杆，10b、跟骨轴承，10c、外跟骨块，10d、垫片，10e、内跟骨块，10f、开关支架， 10g、触发开关。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请基于一种基于足部缓冲装置设计出了如图1所示的一种仿人机器人触地检测方法，本方法分为两部分：第一部分是检测是否已经触地，第二部分是足底触地部位的确定。
1、在对足部是否触地进行判断时，主要利用了足部缓冲装置上多个传感器的融合数据进行测量。具体如下：
考虑机器人常规工况下，机器人下肢具有悬空摆动与触地支撑两个步相。定义在足部悬空时，机器人具有以下的状态：前足编码器角度为θ1，后足编码器的角度为θ2，应变片5a应变电桥(由应变片5a组成)输出电压为v，前足底触发开关、后足底触发开关均处于断开状态，开关的状态记为s1＝s2＝0。这些量均为标量，可以认为是检测的参考值或初始值。当足部着地时，根据装置的缓冲机制，板簧发生弯曲，引起应变电桥电压变化为v′，编码器数据会产生相应的变化，此时前足编码器角度为θ1′，后足编码器的角度为θ2′，且足底触发开关导通，记为s1＝s2＝1。虽然两编码器的数据变化会因不同的着地姿态而不同，但无论足底以何种方式着地，即无需区分前脚掌着地、后脚跟着地、全脚掌着地，仍可建立如下触地判断函数：
f(t)＝k1(v-v′)+k2(θ2′-θ1′-θ2+θ1)+k3(θ1-θ1′)2+k4(θ2-θ2′)2+k5s1+k6s2
考虑到式中不同的项之间具有不同的量纲，因此引入系数来平衡各个物理量之间的数量级，式中融合权重k1、k2、k3、k4、k5、k6均为正实数，触地判断函数f(t)表示多传感量融合的结果，通过对f(t)设定合理的融合权重系数，并对最终的融合值设定一定的阈值M，可判断足部是否着地，表示为：
Figure RE-GDA0003821006050000071
式中第一项k1(v-v′)表示对足部挠度方向进行限制，当板簧向上弯曲时，应变电桥的信号取正，使得式中第一项为正，因此引导着传感器融合值增大，使得触地判断结果更倾向于判断已触地；同理，当板簧向下弯曲时，应变电桥的信号取负，式中第一项为负，因此引导着融合值减小，使得触地判断结果更倾向于判断还未触地。式中第二项k2(θ2′-θ1′- θ2+θ1)表示足弓弹簧阻尼器的张力情况，当足部着地时，该足弓弹簧被拉伸，引起这一项增大，进而引导判断结果更倾向于判断已触地。式中第三项k3(θ1-θ1′)2与第四项 k4(θ2-θ2′)2分别表示前后足编码器读数的变化，无论足部是以前脚掌着地还是后脚跟着地，均能够引起编码器数据偏离初始位置，使得触地判断更倾向于判断已触地。式中的第五项k5s1与第六项k6s2表示足底触发开关的变化，当足部着地时足底触地开关导通，引起第五六项向正值变化，使得融合函数更倾向于判断已触地。上述各项对应的融合权重k1、k2、 k3、k4、k5、k6的取值可以进行适当的调整，通过调整各项融合权重的取值，改变触地判断函数中对应项的影响，例如，当需要降低
当足部处于悬空状态时，式中的应变电桥电压不产生差分电压，编码器数据也在小范围内变化，同时足底触发开关也没有被导通，触地判断函数的每一项均为很小的正实数；当足部着地时，式中至少有一项产生变化，引起判断函数增大，不同项的权重系数反映了判断结果对于不同传感信息的依赖程度，项的权重越大，表示越信任该项相关的传感器信息来进行触地判断；最终通过对触地判断函数设定合理的阈值，对悬空状态以及足部触地状态进行区分：当触地判断函数小于阈值时，判断足部并未着地，当触地判断函数大于阈值时，判断足部已经着地。综上，本申请通过合理的配置不同传感器的权重系数以及判断阈值，改变判断结果对于某一传感器数据的依赖程度。
2、对仿生脚着地的部位进行判断，即区分出前脚掌着地、全脚掌着地或是后脚跟着地。本申请提出模糊决策的判断方法，对两编码器的数据进行模糊判断，将编码器的实时角度与参考角度作为模糊推理的基础输入，通过制定特定的模糊规则，决策得出足部着地的部位。
模糊化处理：考虑将θ1′-θ1作为模糊输入量，在区间[-σ1min，σ1max]内模糊化为负大，负小、正小、正大，范围分别为
Figure RE-GDA0003821006050000081
同理将θ2′-θ2模糊化，在区间[-σ2min，σ2max]内模糊化为负大，负小、正小、正大，范围为
Figure RE-GDA0003821006050000082
用H表示脚掌的着地状态，将脚掌着地状态作为模糊输出量，H在区间[-Lmin，Lmax]内模糊化为脚跟着地、偏后脚掌着地、全脚掌着地、偏前脚掌着地、脚尖着地，范围分别为
Figure RE-GDA0003821006050000083
Figure RE-GDA0003821006050000084
其中，-σ1min、σ1max分别是前足编码器角度θ1的最小值和最大值；-σ2min，σ2max分别是后足编码器角度θ2的最小值和最大值；-Lmin，Lmax分别表示后脚跟与前脚掌相对于踝的位置。
采用高斯法生成输入隶属度函数，可表示为：
Figure RE-GDA0003821006050000085
其中G(x，σ，c)为高斯隶属度函数，其结果代表元素在该模糊集的隶属度，σ、c分别表示高斯隶属度函数的方差与均值。
模糊规则与推理：
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝正大，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝正小，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝负小，H＝偏前脚掌着地；
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝负大，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝正大，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝正小，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝负小，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝负大，H＝偏后脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝正大，H＝偏前脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝正小，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝负小，H＝脚跟着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝负大，H＝脚跟着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝正大，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝正小，H＝偏后脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝负小，H＝脚跟着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝负大，H＝脚跟着地；
通过以上规则对两编码器数据进行模糊推理，可以判断足部的着地部位，然后通过去模糊化处理后，输出结果为[-Lmin，Lmax]区间的实数，没有明确的物理含义，因此对去模糊化后的推理结果做进一步划分，得到分段函数的三个区间，分别为
Figure RE-GDA0003821006050000091
Figure RE-GDA0003821006050000092
表1足部着地状态的表示方法
Figure RE-GDA0003821006050000093
利用二进制数表示足部触地部位，足部的接触可以描述为未着地、前脚掌着地、后脚跟着地、全脚掌着地四种情况，因此根据表1利用两位二进制数可以将着地状态表示为：未着地00，前脚掌着地01，后脚跟着地为10，全脚掌着地11。当经过去模糊化后的输出结果在
Figure RE-GDA0003821006050000101
区间内时，判断此时足部为后脚跟着地，仿生脚返回机器人控制器标志位为1；当经过去模糊化后的输出结果在
Figure RE-GDA0003821006050000102
区间内时，判断此时足部为后脚跟着地，仿生脚返回机器人控制器标志位为2；当经过去模糊化后的输出结果在
Figure RE-GDA0003821006050000103
区间内时，判断此时足部为全脚掌着地，仿生脚返回机器人控制器标志位为3。最终实现触地状态的判断。在本申请中，使用二进制表示本方法输出的着地状态，将其转换为十进制标志符返回机器人控制器。针对该装置的编码器信息，模糊化后设计相应的模糊规则，对足底触地部位进行判断，能够区分足部的前脚掌着地、后脚跟着地、前脚掌着地状态。使用二进制表示足部的接触状态，这样的表示方法更加简洁，使得返回机器人控制器的标志位更加直观。
在本实施例中，足部缓冲装置是仿照人的足部骨骼可以分为前足、中足和后足。前足包括5个足趾骨，更具体地，足大拇指是由1根跖骨和2根趾骨组成，外侧的第2、3、4、 5足趾骨均由1根跖骨和3根趾骨组成。中足是由舟状骨、内侧楔骨、外侧楔骨、中间楔骨和骰骨组成。后足是由跟骨和距骨组织组成，距骨位于跟骨之上和中足形成关节维持足弓的存在。
本发明充分参考人类足部骨骼韧带结构设计出了如图2所示的一种仿人机器人的足部缓冲装置，本装置分为前足、中足与后足三部分结构。其中：前足部分包含趾跖关节部件 7、足背板簧5、跖骨连杆8；中足部分包含舟骨块2；后足部分为跟骨部件10；在跖骨连杆8以及跟骨部件10之间连接有足弓弹簧阻尼器9。
以下，分别对本装置的前足、中足与后足这三部分结构做详细说明。
中足部分是本装置的核心枢纽，包含舟骨块2；舟骨块2的结构如图10所示，舟骨块2包括舟骨块主体2b，舟骨块主体2b上设置三组舟骨轴承座2f，每一组舟骨轴承座2f是由至少2个筒状部分构成，该筒状部分内部为轴承安装孔用于安装有轴承以及芯轴2c，且设有孔阶等用于限定轴承轴向运动。具体结合附图4，本申请中每一组舟骨轴承座2f是由 3个相对的环形部分组成，因此在三个环形部分之间可以装有2根芯轴2c。由于右侧的芯轴2c与右侧的芯轴2c是轴对称的，故仅以图4中右侧的芯轴2c为例进行说明；芯轴2c 的两端分别套装有舟骨轴承2d，芯轴2c的右端设置环状凸缘，该环状凸缘抵接在舟骨轴承2d内圈，起到对芯轴2c的轴向限位的作用；舟骨轴承座2f中间的环形部分的内圈设置环形凸起即孔肩，孔肩抵接在舟骨轴承2d外圈，用于对右侧舟骨轴承2d的外圈起到轴向限位作用。在两个舟骨轴承2d之间的芯轴2c外固定套装跖骨连杆8(或跟骨连杆10a)；而芯轴2c的左侧通过紧固件(如螺栓、螺钉等)将挡板2a与芯轴2c固定连接，利用挡板 2a限定左侧舟骨轴承2d的内圈。而舟骨轴承座2f(左侧)孔口内圈处开设螺纹，通过该螺纹可以与顶盖2e螺纹连接，利用顶盖2e抵住左侧舟骨轴承2d的外圈；由此将芯轴2c 以及芯轴2c外部的舟骨轴承2d、跖骨连杆8(或跟骨连杆10a)限定在舟骨轴承座2f上。中足部分中，跖骨连杆8、芯轴2c、舟骨轴承座2f的内圈、挡板2a共同形成转动部，舟骨轴承座2f的外圈、舟骨轴承座2f、顶盖2e、舟骨块主体2b共同形成固定部。
从图3可以看出，舟骨块主体2b上第一组舟骨轴承座2f用于与跖骨连杆8铰接形成铰链J1，第二组舟骨轴承座2f用于与跟骨部件10的一处铰接形成铰链J2，第二组舟骨轴承座2f用于与跟骨部件10的另一处铰接形成铰链J3。分别在舟骨块2与跟骨部件10的铰接处设置后足编码器1、在舟骨块2与跖骨连杆8的铰接处设置前足编码器3；编码器通过紧固件(如螺钉)固定连接舟骨块主体2b，且编码器的转子与挡板2a连接；当前足或后足触地受压变形时，跖骨连杆8或跟骨部件10带动芯轴2c转动，芯轴2c由轴承2d固定于舟骨块2上，顶盖2e与轴承2d抵接，挡板2a被螺钉固定于芯轴2c末端共同形成转动部，随芯轴转动，具体结构如图5所示。
前足部分主要包含趾跖关节部件7、足背板簧5、跖骨连杆8；趾跖关节部件7的结构如图5和9所示，趾跖关节部件7包括趾跖关节块7c，趾跖关节块7c的下表面为平板状，在趾跖关节块7c的上部矢状面方向设置2个趾跖关节连接板7g，2个趾跖关节连接板7g 相互平行；2个趾跖关节连接板7g上均开设通孔，两个通孔位于同一轴线上。在每个趾跖关节连接板7g的两侧分别设置外立柱7a和内立柱7f，且外立柱7a和内立柱7f之间通过销7b连接，销7b上套装趾跖关节轴承7d，且销7b及趾跖关节轴承7d置于趾跖关节连接板7g的通孔内，由此趾跖关节块7c可以绕销7b发生转动(形成铰链J8)。外立柱7a和内立柱7f通过紧固件与足背板簧5固定连接，具体地，外立柱7a和内立柱7f的上部开有连接用的螺纹孔，外立柱7a和内立柱7f的上部叠放足背板簧5，并用螺栓将足背板簧5的一端分别与外立柱7a和内立柱7f之间固定连接；足背板簧5的另一端也通过螺栓与舟骨块主体2b固定连接。在本申请中，可以在与立柱(外立柱7a和内立柱7f)连接处的足背板簧5的上、下两面分别铺放前足压板6，通过足前足压板6是可以让螺栓施加的压力更均匀。同样，也可以在与舟骨块主体2b连接处铺放中足压板4，通过中足压板4让螺栓施加的压力更均匀。
趾跖关节块7c的上表面还设有趾跖关节轴承座7h，趾跖关节轴承座7h的结构与舟骨轴承座2f相似，即趾跖关节轴承座7h是由3个相对的筒状部分组成，在三个筒状部分之间可以装有芯轴以及芯轴外部的轴承，以及采用挡板、顶盖等对芯轴及其上轴承的定位。跖骨连杆8的一端套装在芯轴2c外，由此实现跖骨连杆8与趾跖关节部件7之间的铰接(形成铰链J7)。
足背板簧5的结构如图6所示，足背板簧5采用复合结构，由上、下两层橡胶5b包夹着玻璃纤维结构的板簧5c而形成，足背板簧5的结构不仅具有弹性，还具有一定的阻尼，避免非预期的振荡，同时在板簧5c与上下两层橡胶5b之间分别设有应变片5a，利用应变片5a能够检测足背板簧5的弯矩大小，进而大致估算出前足部分的受力情况。
由于跖骨连杆8的一端与舟骨块2铰接，跖骨连杆8的另一端与趾跖关节部件7铰接，趾跖关节部件7还与足背板簧5的一端铰接，足背板簧5的另一端与舟骨块2固定连接，由此，足背板簧5、跖骨连杆8、趾跖关节块7、舟骨块2共同构成一个封闭的包含柔性体 (即足背板簧5)的运动链。
在趾跖关节块7c上可以开有前脚掌触发开关的安装孔，用于以安装前脚掌触发开关，如图2中右侧所示。
在足部运动过程中，当趾跖关节块7c着地受到压力时，带动跖骨连杆8转动，同时足背板簧5向上弯曲，产生的弹性力阻碍前足部分的进一步形变，使得装置具有一定的支撑以及缓冲作用。
后足部分为整个脚掌提供了另一个弹性支撑点，如图7、8所示的跟骨部件10包括外跟骨块10c和内跟骨块10e；在本申请中，外跟骨块10c、内跟骨块10e各有2块，2块外跟骨块10c分别设置在2块内跟骨块10e的两侧，四者相互平行且间隔一定距离设置。相邻的外跟骨块10c、内跟骨块10e之间通过圆柱销进行连接，圆柱销的中间部位为光滑的圆柱，其两端通过螺纹分别与外跟骨块10c、内跟骨块10e之间固定连接。在每根圆柱销上，相邻的外跟骨块10c、内跟骨块10e之间的圆柱销外套装跟骨轴承10b，故每根圆柱销上可以装有两根跟骨连杆10a，跟骨连杆10a的另一端和舟骨块2铰接。
在3根圆柱销中，相邻的2根圆柱销上的跟骨连杆10a均与舟骨块2铰接，内外跟骨块10c、10e与舟骨块2之间通过跟骨连杆10a形成平行四边形结构，即内外跟骨块10c、 10e能够绕着舟骨块2在一定范围内平移。
还有1根圆柱销与足弓弹簧阻尼器9的一端铰接(形成铰链J5)，足弓弹簧阻尼器9的另一端连接着跖骨连杆8(形成铰链J6)；利用足弓弹簧阻尼器9限制跟骨部件的运动范围，使其运动范围很有限。使得足弓具有一定的张力，并将前后足部分联系为一个整体，为整个脚掌提供弹性支撑力。在2块内跟骨块10e的底部固定连接开关支架10f，开关支架 10f上装有后脚掌触发开关10g。
在本实施例中，跖骨连杆8以及跟骨连杆10a的两端均采用筒状设计，筒状中间为连杆，在组装时，将该筒状部位可以分别套装在芯轴2c以及圆柱销上。
双足机器人在进行仿人步行运动中，往往足跟最先着地，因此本装置利用跟骨部件的灵活运动，也能够实现一定的缓冲效果。
结合附图11对本申请所设计的仿人机器人的足部缓冲装置的触地变刚度原理图进行说明：
由于真人在行走过程中足部着地具有变刚度性能，因此本发明中机器人触地装置能够检测前脚掌着地、后脚跟着地、全脚掌着地的三种状态，同时也能够在三种触地状态下提供不同的刚度。
当机器人前脚掌着地时，由于趾跖关节部件7的特殊构型，足背板簧5向上弯曲，跖骨连杆8绕铰链J1转动，由于足弓弹簧阻尼器9连接着跟骨部件10以及跖骨连杆8，因此跟骨部件10也产生相应的随动，此时机器人踝部与地面之间的刚度由足背板簧5的刚度以及跖骨部件7的特殊构型决定，得到第一种刚度特性K1；当全脚掌着地时，足背板簧5向上弯曲，同时足跟部件10也向上移动，拉伸足弓弹簧阻尼器9，此时，足背板簧5以及足弓弹簧阻尼器9并联受力，对脚踝产生第二种刚度K2；当机器人后脚跟着地时，由于跟骨连杆10a为平行四边形结构，使得跟骨部件10产生平移运动，且足弓弹簧阻尼器9连接着跟骨部件10以及跖骨连杆8，因此当跖骨连杆8在足弓弹簧阻尼器9的张力作用下运动时，将带动足背板簧5向下弯曲，此时踝关节与地面之间的刚度为足弓弹簧阻尼器9与足背板簧5共同串联所产生的刚度K3。
针对现有仿生足缓冲装置存在的仿生程度不高、缓冲能力不足、复杂环境适应性差、结构布置过于庞大等特点。本发明主要是针对双足机器人行走过程中的足部触地缓冲问题，通过仿照人体足部骨骼与韧带的生理结构，设计具有柔性减震、变刚度接触等功能的仿生触地缓冲装置，提高机器人对于复杂环境的适应能力以及稳定性。不同于现有的仿人机器人足部缓冲装置，本发明通过对各个部件之间的联动关系以及合理的弹簧布置设计，实现足部的仿生缓冲以及变刚度特性，同时对于行走过程中的不同着地状态，提供三种触地刚度，适应步态过程中的不同被动力需求。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，基于足部缓冲装置，足部缓冲装置包括趾跖关节部件(7)，所述趾跖关节部件(7)装有前足触发开关，所述趾跖关节部件(7)与足背板簧(5)的一端可转动连接，所述趾跖关节部件(7)与跖骨连杆(8)的一端可转动连接；所述足背板簧(5)内置应变片(5a)，所述足背板簧(5)的另一端固定连接舟骨块(2)；所述跖骨连杆(8)的另一端可转动连接舟骨块(2)，所述足背板簧(5)平行设置在跖骨连杆(8)的上部；所述跖骨连杆(8)与舟骨块(2)连接处设置前足编码器(3)；所述舟骨块(2)与跟骨部件(10)可转动连接，所述舟骨块(2)与跟骨部件(10)连接处设置后足编码器(1)，所述跟骨部件(10)上装有后足触发开关；足弓弹簧阻尼器(9)的两端分别与所述跟骨部件(10)、跖骨连杆(8)铰接；
检测方法包括如下步骤：
S1、建立触地判断函数：
f(t)＝k1(v-v′)+k2(θ2′-θ1′-θ2+θ1)+k3(θ1-θ1′)2+k4(θ2-θ2′)2+k5s1+k6s2
其中，v′是实时采集的应变片(5a)的输出电压，θ2′是实时采集的后足编码器的角度，θ1′是实时采集的前足编码器的角度，s1是前足触发开关的状态，s2是后足触发开关的状态；足部缓冲装置悬空时，记为s1＝s2＝0，足部缓冲装置着地时，记为s1＝s2＝1；k1、k2、k3、k4、k5、k6为各项对应的融合权重，均为正实数；将足部缓冲装置悬空时的应变片(5a)的输出电压v、后足编码器的角度θ2、前足编码器的角度θ1作为参考数据；
S2、设定阈值M，通过比较触地判断函数的融合结果f(t)与阈值M，判断足部是否着地，表示为：
Figure FDA0003698235060000011
S3、基于前足编码器、后足编码器的角度制定模糊规则，将前足编码器、后足编码器的实时角度与参考角度作为模糊推理的基础输入，
分别将θ1′-θ1、θ2′-θ2作为模糊输入量且分别模糊化处理为负大、负小、正小、正大；
模糊输出量H表示脚掌的着地状态，模糊化为脚跟着地、偏后脚掌着地、全脚掌着地、偏前脚掌着地、脚尖着地，
设置如下模糊规则进行模糊推理：
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝正大，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝正小，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝负小，H＝偏前脚掌着地；
If θ′1-θ1＝正大and θ′2-θ2＝负大，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝正大，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝正小，H＝脚尖着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝负小，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝正小and θ′2-θ2＝负大，H＝偏后脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝正大，H＝偏前脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝正小，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝负小，H＝脚跟着地；
If θ′1-θ1＝负小and θ′2-θ2＝负大，H＝脚跟着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝正大，H＝全脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝正小，H＝偏后脚掌着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝负小，H＝脚跟着地；
If θ′1-θ1＝负大and θ′2-θ2＝负大，H＝脚跟着地；
对模糊输出量H进行去模糊化处理，输出结果为[-Lmin，Lmax]区间的实数，对去模糊化后的推理结果做进一步划分，得到分段函数的三个区间，分别为
Figure FDA0003698235060000021
Figure FDA0003698235060000022
当经过去模糊化后的输出结果在
Figure FDA0003698235060000023
区间内时，判断此时足部为后脚跟着地；当经过去模糊化后的输出结果在
Figure FDA0003698235060000024
区间内时，判断此时足部为后脚跟着地；当经过去模糊化后的输出结果在
Figure FDA0003698235060000025
区间内时，判断此时足部为全脚掌着地，其中，-Lmin，Lmax分别表示后脚跟与前脚掌相对于踝的位置。
2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，模糊化处理为负大、负小、正小、正大对应的范围分别是：
θ1′-θ1在区间[-σ1min，σ1max]内模糊化为负大，负小、正小、正大，范围分别为
Figure FDA0003698235060000026
θ2′-θ2在区间[-σ2min，σ2max]内模糊化为负大，负小、正小、正大，范围为
Figure FDA0003698235060000031
其中，-σ1min、σ1max分别是前足编码器角度θ1的最小值和最大值；-σ2min，σ2max分别是后足编码器角度θ2的最小值和最大值。
3.根据权利要求1所述的一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，H在区间[-Lmin，Lmax]内模糊化为脚跟着地、偏后脚掌着地、全脚掌着地、偏前脚掌着地、脚尖着地，范围分别为
Figure FDA0003698235060000032
4.根据权利要求1所述的一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，所述足背板簧(5)是由板簧(5c)以及包覆在板簧(5c)上、下两侧的橡胶(5b)构成；在板簧(5c)的表面设置应变片(5a)，利用应变片(5a)获取板簧(5c)的应变电桥电压。
5.根据权利要求1所述的一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，舟骨块(2)包括舟骨块主体(2b)，舟骨块主体(2b)上设置三组舟骨轴承座(2f)，每一组舟骨轴承座(2f)内可转动装有芯轴(2c)、舟骨轴承(2d)，跖骨连杆(8)或跟骨连杆(10a)的连接端固定套装在芯轴(2c)外；舟骨轴承座(2f)一端通过孔肩对内部舟骨轴承(2d)轴向限位；另一侧的芯轴(2c)通过紧固件将挡板(2a)与芯轴(2c)固定连接，且舟骨轴承座(2f)通过螺纹与顶盖(2e)螺纹连接，利用顶盖(2e)抵住舟骨轴承(2d)的外圈，实现对内部舟骨轴承(2d)轴向限位。
6.根据权利要求1所述的一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，趾跖关节部件(7)包括趾跖关节块(7c)，趾跖关节块(7c)的下表面为平板状，在趾跖关节块(7c)的上方矢状面方向设置至少一个趾跖关节连接板(7g)；趾跖关节连接板(7g)通过趾跖关节轴承(7d)套装在销(7b)外；销(7b)通过外立柱(7a)、内立柱(7f)以及紧固件固定于足背板簧(5)。
7.根据权利要求6所述的一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，趾跖关节块(7c)的上表面设有趾跖关节轴承座(7h)，趾跖关节轴承座(7h)装有芯轴以及芯轴外部的轴承，跖骨连杆(8)的一端套装在芯轴外。
8.根据权利要求6所述的一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，在足背板簧(5)与外立柱(7a)、内立柱(7f)连接处，分别在足背板簧(5)的上、下两面分别铺放前足压板(6)，在与舟骨块主体(2b)连接处铺放中足压板(4)。
9.根据权利要求4-8中任意一项权利要求所述的一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，跟骨部件(10)包括至少两个跟骨块，跟骨块相对设置，且跟骨块之间通过三组圆柱销连接；其中，相邻两组圆柱销上套装跟骨轴承(10b)和跟骨连杆(10a)；另一组圆柱销上套装足弓弹簧阻尼器(9)。
10.根据权利要求9所述的一种仿人机器人触地检测方法，其特征在于，当足跟着地时，由足弓弹簧阻尼器(9)以及足背板簧(5)串联提供刚度；全脚掌着地时，足弓弹簧阻尼器(9)以及足背板簧(5)并联提供刚度；前脚掌着地时，仅由足背板簧(5)提供刚度。
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