CN116142350B - 一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置与方法，属于机器人技术领域，具体包括：六连杆传动机构，其中所述六连杆传动机构包括第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴、第一电机、第二电机、连杆1、连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6、第三转轴编码器以及第四转轴编码器，所述各连杆依次两连，形成闭链结构，所述连杆5设计为弹性结构，从而实现了提高机器人使用寿命和检测的可靠性。

Description

一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置与方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置与方法。

背景技术

为了实现对双足机器人的落地检测，在授权发明专利CN113126659B《一种仿人机器人跳跃着地状态检测系统与方法》中通过计算机器人在空中时各个关节所需的关节控制力矩，从而获得仿人机器人各关节的期望控制电流，仿人机器人完成期望运动时，由各关节的期望控制电流，得到各关节的期望控制电流与实际控制电流之间的误差，当误差值大于允许值时，判定仿人机器人与地面接触，但是却存在以下技术问题：

需要采用高精度六维力/力矩传感器，高精度六维力/力矩传感器不仅价格昂贵，还不耐冲击，因此若采用高精度六维力/力矩传感器，会导致双足机器人的造价成本过高，同时稳定性和可靠性欠佳。

需要通过采集关节电流对关节力矩进行估计，并基于虚拟力模型对机器人摆动脚落地情况进行检测，但是采用关节电流对虚拟力模型的准确性要求过高，同时由于电流幅值较小，极易受到干扰，导致无法对机器人的落地状况的检测的准确性欠佳。

因此本发明提供一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置与方法。

发明内容

为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置。

一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置，其特征在于，具体包括六连杆传动机构，其中所述六连杆传动机构包括第一转轴（14）、第二转轴（13）、第三转轴（12）、第四转轴（10）、第一电机（1）、第二电机（3）、连杆1（2）、连杆2（4）、连杆3（6）、连杆4（8）、连杆5（9）、连杆6（11）、第三转轴编码器（5）以及第四转轴编码器（7），连杆依次相连，形成闭链结构；

所述第一电机（1）安装于第一转轴（14），第二电机（3）安装于第二转轴（13），连杆1（2）连接第一转轴（14）与第二转轴（13），第三转轴（12）无电机驱动，第三转轴（12）上安装有第三转轴编码器（5），第二转轴（13）与第三转轴（12）通过连杆2（4）连接，连杆2（4）与连杆3（6）连接，连杆3（6）连接第三转轴（12）与第四转轴（10），第四转轴（10）无电机驱动，上面安装有第四转轴编码器（7），连杆5（9）与连杆4（8）相连，连杆6（11）与连杆5（9）以及第一转轴（14）相连；所述连杆5（9）设计为弹性结构。

另一方面，本发明公开了一种基于非力传感的双足机器人落地检测方法，采用上述的一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置，具体包括：

S11基于所述连杆3与摆动脚位置的角度的变动情况进行所述弹性结构的所受力矩的确定；

S12通过所述所受力矩、摆动脚到质心的向量、摆动脚位置到第四转轴点的向量确定所述双足机器人的摆动脚所受接触力；

S13基于所述双足机器人的摆动脚所受接触力，并结合双足机器人的步态时序、步态周期、质量构建摆动脚的落地判断条件，并基于所述落地判断条件进行双足机器人的摆动脚的落地情况的判断。

具体的，所述弹性结构的所受力矩的确定的具体步骤为：

计算弹性结构不发生变形情况下的所述双足机器人的所述连杆3与摆动脚位置的角度并将其作为初始角度；

基于第四转轴编码器实时获取所述连杆3与摆动脚位置的角度作为检测角度；

基于所述检测角度与所述初始角度的差值进行弹性结构的所受力矩的确定。

具体的，所述双足机器人的摆动脚所受接触力的确定步骤为：

通过运动学计算摆动脚到质心的向量V₁以及摆动脚位置F到第四转轴点A的向量V₂，确定所述向量V₂在向量V₁的投影长；

基于所述投影长、向量V₂确定第四转轴点A到向量V₁的距离;

对第四转轴点A进行受力平衡分析，并结合所述弹性结构的所受力矩、第四转轴点A到向量V₁的距离进行所述双足机器人的摆动脚所受接触力的确定。

另一方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有程序，当所述程序被机器人执行时，令所述机器人执行上述的一种基于非力传感的双足机器人落地检测方法。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种新的基于非力传感的双足机器人落地检测装置与检测方法，该落地检测装置由包含板簧的六连杆传动机构所组成，当双足机器人的摆动脚与地面发生碰撞时，板簧将发生变形，从而起到减震缓冲的作用，提高机器人使用寿命。

基于本发明所提供的落地检测方法，仅通过普通编码器对变形进行检测即可实现落地情况的准确识别，可有效降低检测系统成本，避免了采用关节电流对虚拟力模型的准确性要求过高，同时由于电流幅值较小，极易受到干扰，导致无法对机器人的落地状况的检测的准确性欠佳的技术问题。

其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显；

图1是根据实施例1的一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置的结构图；

图2是根据实施例2的一种基于非力传感的双足机器人落地检测方法的流程图；

图3是根据实施例2的弹性结构的所受力矩的确定的具体步骤的流程图；

图4是根据实施例3的双足机器人的摆动脚所受接触力的确定步骤的流程图；

图5是一种双足机器人的结构图；

附图标记:

1、第一电机，2、连杆1，3、第二电机，4、连杆2，5、第三转轴编码器，6、连杆3，7、第四转轴编码器，8、连杆4，9、连杆5，10、第四转轴，11、连杆6，12、第三转轴，13、第二转轴，14、第一转轴。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

实施例1

为解决上述问题，根据本发明的一个方面，如图1所示，根据本发明的一个方面，提供了一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置，如图5所示，为一种双足机器人的结构图。

一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置，其特征在于，具体包括六连杆传动机构，其中所述六连杆传动机构包括第一转轴（14）、第二转轴（13）、第三转轴（12）、第四转轴（10）、第一电机（1）、第二电机（3）、连杆1（2）、连杆2（4）、连杆3（6）、连杆4（8）、连杆5（9）、连杆6（11）、第三转轴编码器（5）以及第四转轴编码器（7），连杆依次相连，形成闭链结构；

所述第一电机（1）安装于第一转轴（14），第二电机（3）安装于第二转轴（13），连杆1（2）连接第一转轴（14）与第二转轴（13），第三转轴（12）无电机驱动，第三转轴（12）上安装有第三转轴编码器（5），第二转轴（13）与第三转轴（12）通过连杆2（4）连接，连杆2（4）与连杆3（6）连接，连杆3（6）连接第三转轴（12）与第四转轴（10），第四转轴（10）无电机驱动，上面安装有第四转轴编码器（7），连杆5（9）与连杆4（8）相连，连杆6（11）与连杆5（9）以及第一转轴（14）相连；所述连杆5（9）设计为弹性结构。

在本实施例中，本发明提供一种新的基于非力传感的双足机器人落地检测装置与检测方法，该落地检测装置由包含板簧的六连杆传动机构所组成，当双足机器人的摆动脚与地面发生碰撞时，板簧将发生变形，从而起到减震缓冲的作用，提高机器人使用寿命。

具体的举例说明，所述弹性结构采用板簧，并根据板簧在额定工况力矩下的最大允许变形量以及板簧的刚度系数进行板簧的额定工况力矩惯性矩阵的约束条件的构建。

需要说明的是，所述连杆5设计为板簧，板簧的作用在于，当双足机器人的摆动脚与地面发生接触碰撞后，板簧会发生弹性变形，从而起到缓冲减震作用。令所述板簧的刚度系数为，满足如下约束条件：其中，/>为板簧的额定工况力矩惯性矩阵，/>为板簧在额定工况力矩下的最大允许变形量。一般/>选取较小值，以便所受力矩与板簧变形间存在较好的线性关系。

具体的举例说明，如图1所示，所述连杆1、连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6的端点分别为M/N、N/P、P/A、A/Q、Q/B、B/M，且连杆1、连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6的长度设计满足以下约束条件：其中/>为连杆4、连杆5的长度和，/>为连杆1的长度，/>为连杆2、连杆3的长度和，/>为连杆6的长度。

实施例2

另一方面，如图2所示，本发明公开了一种基于非力传感的双足机器人落地检测方法，采用上述的一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置，具体包括：

S11基于所述连杆3与摆动脚位置的角度的变动情况进行所述弹性结构的所受力矩的确定；

需要说明的是，如图3所示，所述弹性结构的所受力矩的确定的具体步骤为：

S21计算弹性结构不发生变形情况下的所述双足机器人的所述连杆3与摆动脚位置的角度并将其作为初始角度；

首先，如图1所示计算板簧不发生变形情况下∠PAF的角度将其作为初始角度，记为q1，其中F为摆动脚位置；由于MNAB为平行四边形，∠BAN=∠MNA，而∠MNA=∠MNP-∠ANP，其中∠MNP可由第二电机编码器获得，∠ANP为固定角度，因而初始角度为q1=360°-∠QAF-∠BAQ-∠BAN-∠NAP，其中∠QAF、∠BAQ、∠NAP均为固定角度；

S22基于第四转轴编码器实时获取所述连杆3与摆动脚位置的角度作为检测角度；

然后，根据第四转轴编码器获得∠PAF的监测角度q2

S23基于所述检测角度与所述初始角度的差值进行弹性结构的所受力矩的确定。

需要说明的是，获得∠PAF由于板簧导致的变形qs=q2-q1；假设板簧变形等于∠PAF的变形角度，从而获得板簧的所受力矩

S12通过所述所受力矩、摆动脚到质心的向量、摆动脚位置到第四转轴点的向量确定所述双足机器人的摆动脚所受接触力；

具体的举例说明，如图4所示，所述双足机器人的摆动脚所受接触力的确定步骤为：

S31通过运动学计算摆动脚到质心的向量V₁以及摆动脚位置F到第四转轴点A的向量V₂，确定所述向量V₂在向量V₁的投影长；

需要说明的是，估计双足机器人的摆动脚所受接触力，首先，假设双足机器人的摆动脚受力指向机器人质心方向，并通过运动学计算摆动脚到质心的向量以及摆动脚位置F到第四转轴点A的向量/>，则向量/>在/>上的投影长为：/>

S32基于所述投影长、向量V₂确定第四转轴点A到向量V₁的距离;

需要说明的是，进而可得第四转轴点A到向量V₁的距离为：

S33对第四转轴点A进行受力平衡分析，并结合所述弹性结构的所受力矩、第四转轴点A到向量V₁的距离进行所述双足机器人的摆动脚所受接触力的确定。

需要说明的是，双足机器人的摆动脚受力对第四转轴的作用力矩为Rl，其中R为地面反作用力的大小。

对第四转轴点A进行受力平衡分析，忽略摆动腿小腿质量影响，可得，从而需要说明的是，所述双足机器人的摆动脚所受接触力的计算公式为：

其中R为双足机器人的摆动脚所受接触力，板簧的刚度系数为k，q_s为检测角度与初始角度的差值，l为第四转轴点A到向量V₁的距离。

S13基于所述双足机器人的摆动脚所受接触力，并结合双足机器人的步态时序、步态周期、质量构建摆动脚的落地判断条件，并基于所述落地判断条件进行双足机器人的摆动脚的落地情况的判断。

需要说明的是，考虑计算模型误差以及传感器噪声影响，所述落地判断条件为：其中，/>为机器人步态时序，T为机器人步态周期，/>与/>为大于0的常系数，/>为机器人质量，/>为重力常数。

在本实施例中，基于本发明所提供的落地检测方法，仅通过普通编码器对变形进行检测即可实现落地情况的准确识别，可有效降低检测系统成本，避免了采用关节电流对虚拟力模型的准确性要求过高，同时由于电流幅值较小，极易受到干扰，导致无法对机器人的落地状况的检测的准确性欠佳的技术问题。

实施例3

本发明提供了一种存储介质，其上存储有程序，当所述程序被机器人执行时，令所述机器人执行上述的一种基于非力传感的双足机器人落地检测方法。

其中所述一种基于非力传感的双足机器人落地检测方法，具体包括：

S11基于所述连杆3与摆动脚位置的角度的变动情况进行所述弹性结构的所受力矩的确定；

首先，如图1所示计算板簧不发生变形情况下∠PAF的角度将其作为初始角度，记为q1，其中F为摆动脚位置；由于MNAB为平行四边形，∠BAN=∠MNA，而∠MNA=∠MNP-∠ANP，其中∠MNP可由第二电机编码器获得，∠ANP为固定角度，因而初始角度为q1=360°-∠QAF-∠BAQ-∠BAN-∠NAP，其中∠QAF、∠BAQ、∠NAP均为固定角度；然后，根据第四转轴编码器获得∠PAF的监测角度q2，获得∠PAF由于板簧导致的变形qs=q2-q1；假设板簧变形等于∠PAF的变形角度，从而获得板簧的所受力矩

12通过所述所受力矩、摆动脚到质心的向量、摆动脚位置到第四转轴点的向量确定所述双足机器人的摆动脚所受接触力；

具体的举例说明，如图4所示，所述双足机器人的摆动脚所受接触力的确定步骤为：

S31通过运动学计算摆动脚到质心的向量V₁以及摆动脚位置F到第四转轴点A的向量V₂，确定所述向量V₂在向量V₁的投影长；

需要说明的是，估计双足机器人的摆动脚所受接触力，首先，假设双足机器人的摆动脚受力指向机器人质心方向，并通过运动学计算摆动脚到质心的向量以及摆动脚位置F到第四转轴点A的向量/>，则向量/>在/>上的投影长为：/>

进而可得第四转轴点A到向量V₁的距离为：

双足机器人的摆动脚受力对第四转轴的作用力矩为Rl，其中R为地面反作用力的大小；对第四转轴点A进行受力平衡分析，忽略摆动腿小腿质量影响，可得，从而

其中R为双足机器人的摆动脚所受接触力，板簧的刚度系数为k，q_s为检测角度与初始角度的差值，l为第四转轴点A到向量V₁的距离。

S13基于所述双足机器人的摆动脚所受接触力，并结合双足机器人的步态时序、步态周期、质量构建摆动脚的落地判断条件，并基于所述落地判断条件进行双足机器人的摆动脚的落地情况的判断。

需要说明的是，考虑计算模型误差以及传感器噪声影响，所述落地判断条件为：其中，/>为机器人步态时序，T为机器人步态周期，/>与/>为大于0的常系数，/>为机器人质量，/>为重力常数。

可以理解的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以 通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM （PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括 随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得， 诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强 型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM （RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种基于非力传感的双足机器人落地检测方法，采用一种基于非力传感的双足机器人落地检测装置，具体包括六连杆传动机构，其中所述六连杆传动机构包括第一转轴（14）、第二转轴（13）、第三转轴（12）、第四转轴（10）、第一电机（1）、第二电机（3）、连杆1（2）、连杆2（4）、连杆3（6）、连杆4（8）、连杆5（9）、连杆6（11）、第三转轴编码器（5）以及第四转轴编码器（7），连杆依次相连，形成闭链结构；

所述第一电机（1）安装于第一转轴（14），第二电机（3）安装于第二转轴（13），连杆1（2）连接第一转轴（14）与第二转轴（13），第三转轴（12）无电机驱动，第三转轴（12）上安装有第三转轴编码器（5），第二转轴（13）与第三转轴（12）通过连杆2（4）连接，连杆2（4）与连杆3（6）连接，连杆3（6）连接第三转轴（12）与第四转轴（10），第四转轴（10）无电机驱动，上面安装有第四转轴编码器（7），连杆5（9）与连杆4（8）相连，连杆6（11）与连杆5（9）以及第一转轴（14）相连；所述连杆5（9）设计为弹性结构；

所述弹性结构采用板簧，并根据板簧在额定工况力矩下的最大允许变形量以及板簧的刚度系数进行板簧的额定工况力矩惯性矩阵的约束条件的构建；

所述连杆1、连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6的端点分别为M/N、N/P、P/A、A/Q、Q/B、B/M，且连杆1、连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6的长度设计满足以下约束条件：其中/>为连杆4、连杆5的长度和，/>为连杆1的长度，/>为连杆2、连杆3的长度和，/>为连杆6的长度；其特征在于，具体包括：基于所述连杆3与摆动脚位置的角度的变动情况进行所述弹性结构的所受力矩的确定；

通过所述所受力矩、摆动脚到质心的向量、摆动脚位置到第四转轴点的向量确定所述双足机器人的摆动脚所受接触力；

计算弹性结构不发生变形情况下的所述双足机器人的所述连杆3与摆动脚位置的角度并将其作为初始角度；

基于第四转轴编码器实时获取所述连杆3与摆动脚位置的角度作为检测角度；

基于所述检测角度与所述初始角度的差值进行弹性结构的所受力矩的确定；

基于所述双足机器人的摆动脚所受接触力，并结合双足机器人的步态时序、步态周期、质量构建摆动脚的落地判断条件，并基于所述落地判断条件进行双足机器人的摆动脚的落地情况的判断。

2.如权利要求1所述的双足机器人落地检测方法，其特征在于，所述双足机器人的摆动脚所受接触力的确定步骤为：

通过运动学计算摆动脚到质心的向量V₁以及摆动脚位置F到第四转轴点A的向量V₂，确定所述向量V₂在向量V₁的投影长；

基于所述投影长、向量V₂确定第四转轴点A到向量V₁的距离;

对第四转轴点A进行受力平衡分析，并结合所述弹性结构的所受力矩、第四转轴点A到向量V₁的距离进行所述双足机器人的摆动脚所受接触力的确定。

3.如权利要求1所述的双足机器人落地检测方法，其特征在于，所述双足机器人的摆动脚所受接触力的计算公式为：其中R为双足机器人的摆动脚所受接触力，板簧的刚度系数为k，q_s为检测角度与初始角度的差值，l为第四转轴点A到向量V₁的距离。

4.如权利要求1所述的双足机器人落地检测方法，其特征在于，所述落地判断条件为：其中，/>为机器人步态时序，T为机器人步态周期，/>与/>为大于0的常系数，/>为机器人质量，/>为重力常数。

5.一种存储介质，其上存储有程序，当所述程序被机器人执行时，令所述机器人执行权利要求1所述的一种基于非力传感的双足机器人落地检测方法。