CN1313251C - 一种人形机器人脚及脚力信息检测方法 - Google Patents

Abstract

一种人形机器人脚及脚力信息检测方法，人形机器人脚包括橡胶脚底层(1)、脚板(2)、转接板(8)和六分量力传感器(6)。橡胶脚底层(1)安装在脚板(2)下面，脚板(2)与下法兰(4)之间安装有橡胶垫环(3)，下法兰(4)连接脚板(2)和六分量力传感器(6)，上法兰(7)连接六分量力传感器(6)和转接板(8)并与人形机器人踝关节(15)连接，信号处理电路(5)集成在六分量力传感器(6)内部。本发明同时公开了人形机器人脚力信息检测方法，六分量力传感器(6)采用分体结构，或采用一体化结构来实现空间坐标系中三个方向力和三个方向力矩的测量。本发明实现人形机器人脚行走过程中压力中心点COP和零力矩点ZMP的实时测量，并用于人形机器人步态规划的反馈控制。

Description

一种人形机器人脚及脚力信息检测方法

技术领域  本发明涉及机器人应用领域，特别涉及一种人形机器人脚及脚力信息检测方法。

技术背景  双足人形机器人是一门集仿生学、机械学和控制工程学等多学科融合交汇的综合性学科，不仅涉及到线形、非线形、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统控制研究等方面的技术。

近年来，特别是1996年12月日本本田公司推出的P2及其后推出的P3拟人型双足步行机器人后，国际上仿人形双足机器人技术的研究再次达到了高潮。但是双足人形机器人研究距离实际应用还有很大的差距，面临许多需要解决的问题。特别是，目前人形机器人稳定行走控制主要依赖于南斯拉夫科学家Vokobratovic提出的ZMP理论，但是缺乏比较系统完善的ZMP检测方法。

目前广泛采用的方式有两种，其一是在机器人脚板和踝关节之间安装两个六分量力传感器，通过对行走过程中单支撑周期、双支撑周期脚部受力变化得到ZMP的轨迹；其二是通过对人形机器人数学建模，通过控制运动参数计算得到各个关节的运动状态，计算得到行走过程中的ZMP轨迹。

对于第一种方法，由于是直接采用传统腕力传感器进行脚力测量，传感器的结构、量程都不能满足要求，特别是ZMP表示的是与地面力矩分量为零的点，而这种结构方式使得传感器的坐标与地面距离，需要额外进行计算才能得到ZMP轨迹。

对于第二种方式问题更为突出，其主要原因在于模型的不精确性带来很大的误差，并且关节运动参数本身是一个被控制的量，这种基于计算得到ZMP轨迹的方法用于行走过程中步态规划必然带来很大的计算误差，也必然带来人形机器人行走过程中的不稳定性。

作为行走过程中与外界唯一接触和受力的部位，双足机器人脚是实现人形机器人最重要的部分之一，人形机器人行走过程中脚力检测是解决稳定动态行走最重要的手段，通过行走过程中多维脚力信息的检测，可以直接计算双足人形机器人的ZMP实际轨迹变化，与目标ZMP轨迹比较可以形成对人形机器人步态的动态规划和身体关节控制。

发明内容  本发明的目的是提供一种人形机器人脚及脚力信息检测方法。该机器人脚模仿人脚的外形，可直接与人形机器人的踝关节相连，用于检测双足人形机器人行走过程中的多维脚力信息。同时基于多维脚力信息进行步行机器人行走过程中ZMP轨迹的计算，以判断人形机器人动态行走过程中是否处于稳定状态。

本发明的技术方案是：一种人形机器人脚，包括橡胶脚底层、脚板、转接板、六分量力传感器、上圆膜片、上硬中心、十字梁、下硬中心、下圆膜片，其特征在于：

橡胶脚底层安装在脚板下面，脚板与下法兰之间安装有橡胶垫环，构成一种冲击力吸收结构，橡胶垫环嵌入安装在脚板的下凹处位置，以保证橡胶垫环与脚板之间的外圆配合和端面配合，下法兰的下部与橡胶垫环内圈固定配合，吸收机器人在行走过程中脚落地时产生的冲击力，具有机械低通滤波的作用，减轻进行腿部柔顺控制时产生的振动；

下法兰连接脚板和六分量力传感器，上法兰连接六分量力传感器和转接板，安装橡胶层的脚板与地面直接接触，用于支撑机器人，转接板与人形机器人踝关节连接在一起，信号处理电路集成在六分量力传感器的内部；

所述的转接板上有六个螺纹孔用于实现与六分量力传感器的连接，另外有四个通孔用于与机器人踝关节的连接，转接板与踝关节通过定位孔和定位销连接；

为了实现六分量力传感器与脚板和转接板空间相对位置固定，下法兰外圆与橡胶垫环内圆采用间隙配合，同时橡胶垫环的外圆与脚板安装孔采用间隙配合，使得脚部各个部件和六分量力传感器的相对位置固定；

所述的六分量力传感器采用带有硬中心的双圆膜片结构，上膜片与下膜片的硬中心、上法兰、下法兰采用轴孔配合安装，保证坐标系Z向轴线的传递，上膜片、下膜片的圆膜片以及上法兰、下法兰上凿刻有表示X、Y方向互相垂直的基准标记线；

六分量力传感器采用分体结构时，上膜片的硬中心与下膜片的硬中心加工有与十字梁相配合的十字沟槽，十字梁采用工字梁结构，梁与沟槽焊接固定在一起。

所述的橡胶垫环材料为氯丁二烯橡胶，或采用同类机械特性的橡胶材料。

所述的信号处理电路为模拟处理电路和数字处理电路，同时置于六分量力传感器内部，或将模拟处理电路置于六分量力传感器内部，数字处理电路安装在脚板的上表面或脚面内。

所述的六分量力传感器采用分体结构，或采用一体化结构来实现三轴力信息的获取和三轴力矩信息的获取。

一种人形机器人脚实现脚力检测的方法：采用双圆膜片结构的六分量力传感器，在上圆膜片、下圆膜片以及十字梁上的应变力敏电阻通过不同的敏感桥路布置方式实现对六分量力信息的获取，并通过标定求出维间耦合关系，对六组桥路输出解耦处理，实现三维力Fx、Fy、Fz和三维力矩Mx、My、Mz信息独立获取；

所述六分量力传感器的坐标原点定义为上圆膜片敏感面中心，其中圆膜片轴线方向为Z向，相应X、Y方向符合卡笛尔坐标右旋方向；

X、Y方向力矩信息获取敏感桥路采用在上圆膜片平面互相垂直布置，其力敏电阻布置方向与下圆膜片相同，其中：

上圆膜片敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力矩M_x的测量；

上圆膜片敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力矩M_y的测量；

十字梁敏感面上的电阻R1、R2、R3、R4用来实现对力矩Mz的测量；

下圆膜片和上圆膜片的两个敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息获取敏感桥路由电阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y实现，采用在下圆膜片平面内互相垂直布置，Z方向力信息获取敏感电阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下圆膜片上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中：

下圆膜片敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力F_x的测量；

下圆膜片敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力F_y的测量；

下圆膜片敏感面上电阻R1z、R2z、R3z、R4z用来实现对力F_z的测量；

其中上圆膜片敏感面上的电阻R1z、R2z、R3z、R4z还可以提供一路对力F_z测量的冗余信息，用于六分量力传感器校准。

本发明的有益效果是：采用类似人脚形状的机器人脚，作为机器人与地面唯一接触部分，与人形机器人踝关节连接在一起，不仅可以承载机器人本体的重量，还可以用来检测机器人行走过程中脚力信息，通过在双足人形机器人的脚部安装两个本发明提供的脚，可以记录人形机器人行走过程中的步态信息，并以此判断人形机器人动态行走过程中的稳定性。同时通过对单、双支撑期内脚力信息所反映的实际ZMP轨迹变化，与目标ZMP轨迹比较，可用来实现对稳定行走过程中的步态规划。

附图说明  下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1是人形机器人脚外观图；

图2是人形机器人脚剖面示意图；

图3是人形机器人脚部六分量力传感器结构示意图；

图4是力传感器上膜片应变电阻布置图；

图5是力传感器十字梁应变电阻布置图；

图6是力传感器下膜片应变电阻布置图；

图7是人形机器人脚底版安装位置示意图；

图8是人形机器人脚底板安装图；

图9是人形机器人脚与踝关节的定位示意图；

图10是人形机器人脚一个运动链的ZMP定义；

图11是人形机器人脚单脚支撑状态；

图12是人形机器人脚双脚支撑状态。

图中1、橡胶脚底层，2、脚板，3、橡胶垫环，4、下法兰，5、信号处理电路，6、六分量力传感器，7、上法兰，8、转接板，9、脚面，10、上圆膜片，11、上硬中心，12、十字梁，13下硬中心，14下圆膜片，15、踝关节。

具体实施方式  图1为本发明人形机器人脚外观图，图2为人形机器人脚剖面示意图，其包括橡胶脚底层1、脚板2、橡胶垫环3、下法兰4、信号处理电路5、六分量力传感器6、上法兰7、转接板8和脚面9。

图3为脚部六分量力传感器结构示意图，其中上圆膜片10、下圆膜片14采用带有硬中心的圆膜片结构，上圆膜片10的硬中心11与下圆膜片14与上法兰7、下法兰4采用轴孔配合，保证坐标系Z向轴线的传递，上圆膜片10、下圆膜片14圆膜片以及上法兰7、下法兰4上凿刻有表示X、Y方向互相垂直的基准标记线，以保证X、Y坐标方向传递一致性。

图4为上膜片电阻位置布置示意图，上膜片10圆膜片上的R1x、R2x、R3x、R4x、R1y、R2y、R3y、R4y、R1z、R2z、R3z、R4z共12只敏感电阻按照预先规定的位置粘贴，其中R1x、R2x与R3x、R4x对称布置在X方向的直线上，R1y、R2y与R3y、R4y对称布置在Y方向的直线上，而R1z、R2z与R3z、R4z对称布置在与XY两条直线分别相交45度方向的直线上，三条直线都通过圆形膜片的中心；并且R1x、R4x、R1y、R4y、R1z、R4z布置在靠近圆膜片外圆位置，R2x、R3x、R2y、R3y、R2z、R3z布置在靠近圆膜片硬中心的位置；

图5力传感器十字梁12应变电阻布置图，其中电阻R1、R2、R3、R4按照对角线位置布置，以保证传感器正、反方向对称性；另外四个电阻可以布置在同一个梁的两面，也可以布置在不同的梁上。具体粘贴位置靠近十字梁12的根部。

图6为下圆膜片电阻位置布置示意图，下膜片14圆膜片上的R1x、R2x、R3x、R4x、R1y、R2y、R3y、R4y、R1z、R2z、R3z、R4z共12只敏感电阻按照预先规定的位置粘贴，其中R1x、R2x与R3x、R4x对称布置在X方向的直线上，R1y、R2y与R3y、R4y对称布置在Y方向的直线上，而R1z、R2z与R3z、R4z对称布置在与XY两条直线分别相交45度方向的直线上，三条直线都通过圆形膜片的中心；并且R1x、R4x、R1y、R4y、R1z、R4z布置在靠近圆膜片外圆位置，R2x、R3x、R2y、R3y、R2z、R3z布置在靠近圆膜片硬中心的位置；

图7为脚底版安装位置图，图中给出了机器人左脚底板安装位置示意图，安装中心靠近左上角。例如，脚板具体外形尺寸为150mm×220mm，以上表面和左表面为基准对应的安装位置尺寸为70mm×90mm；机器人右脚底板外形尺寸与左脚相同，但安装位置靠近右上角，以上表面和左表面为基准对应的安装位置尺寸为80mm×90mm；

图8为脚底板安装图，其中下法兰4外圆与橡胶垫环3内圆采用间隙配合，同时橡胶垫环3的外圆与脚板2安装孔采用间隙配合，使得脚部各个部件和传感器的相对位置固定，以保证坐标传递一致性。例如法兰4与橡胶垫环3配合孔径直径都是50mm，法兰为负公差，而橡胶垫环3为正公差，同时橡胶垫环3外圆与脚板2安装孔配合孔径都是60mm，橡胶垫环3直径为负公差，脚板2孔径为正公差。其中橡胶垫环3主要起减振作用，用于减小脚板2与地面接触时的冲击力。本发明中的橡胶垫环3材料为氯丁(二烯)橡胶，也可采用同类机械特性的橡胶材料。

图9是人形机器人脚与踝关节的定位示意图，其中转接板8与踝关节15之间通过一个锥形定位销16以保证相互之间坐标传递一致性，从而使得通过本发明机器人脚检测和计算得到的人形机器人行走过程中的ZMP信息所对应的空间位置坐标与机器人关节空间坐标的一一对应关系。

图10是人形机器人脚一个运动链的ZMP定义，其中的每个部分表示人形机器人简化的刚体模型，图示的每一个刚体标号依次为1，2，3，...n，m_i表示第i个刚体的质量，α_i表示第i个刚体质心的加速度，α_i第i个刚体质心的角加速度，I_i第i个刚体相对质心的转动惯量，具体ZMP的计算方法如下：

ZMP轨迹计算方法，是根据七十年代南斯拉夫学者Miomir Vukobratovich提出ZMP概念来阐述双足机器人的步态稳定问题，ZMP描述的是支撑面上的一个点，在这个点上惯性力和重力的合力沿Z轴没有分量。

对于如图10所示的运动链来说，ZMP条件可以描述为公式：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(r_i\×m_i{a}_i+I_i{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\ω}}_i\×I_i{\mathrm{\ω}}_i)-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{r}_i\×m_{i}g={(\mathrm{0,0},*)}^T---\left(1\right)$

其中：r_i＝p_i-p_zmp，p_i＝(x，y，0)是整个运动链与地面的接触点，p_zmp＝(x_zmp，y_zmp，0)^T；

m_i和I_i分别是第i个运动链的质量和转动惯量；

ω_i和α_i分别是第i个运动链的角速度和角加速度；

g为重力加速度。

*表示某一个值，(0，0，*)^T表示矢量的一种形式。

对于图10的运动链，在双支撑期，左右脚与地面均有接触点，通过这一点，地面对运动链有合成的反作用力(f_L或f_R)和反作用力矩(n_L或n_R)，这里的反作用力矩实际上就是六分量力传感器所测量出的M_z，从而(1)式可转化为：

$-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(r_i\×m_i(a_i-g)+I_i{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\ω}}_i\×I_i{\mathrm{\ω}}_i)+r_L\×f_L+r_R\×f_R+n_L+n_R=0---\left(2\right)$

其中：r_L/R＝p_L/R-p_zmp＝(*，*，0)^T，p_L/R分别为左右足与地面的接触点；

n_L/R＝(0，0，*)^T

所以：r_L×f_L+r_R×f_R+n_L+n_R＝(0，0，*)^T              (3)

ZMP点计算与机器人所处状态有关，在单支撑期和双支撑期对应的计算公式如下：

单脚支撑期，如图11所示

在单脚支撑状态下，(3)式简化为：r×f+n＝(0，0，*)^T      (4)

其中：r＝(x-x_zmp，y-y_zmp，0)，f＝(f_x，f_y，f_z)，n＝(0，0，*)^T有：

$r\×f=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ x{-x}_{\mathrm{zmp}}& y-y_{\mathrm{zmp}}& 0\\ f_x& f_y& f_z\end{array}\right|=(y-y_{\mathrm{zmp}})f_{z}i-(x-x_{\mathrm{zmp}})f_{z}j+[(x-x_{\mathrm{zmp}})f_y-(y-y_{\mathrm{zmp}})f_x]k$

由式(4)可有：

$\left\{\begin{array}{c}(y-y_{\mathrm{zmp}})f_z=0\\ (x-x_{\mathrm{zmp}})f_z=0\end{array}\right.\⇒\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{zmp}}=x\\ y_{\mathrm{zmp}}=y\end{array}\right.---\left(5\right)$

所以，在单脚支撑期，实际ZMP点就是单脚与地面的接触点。

双脚支撑期，如图12所示，ZMP的计算公式如下：

在双脚支撑状态下，左足f_L＝(f_Lx，f_Ly，f_Lz)，同理，f_R＝(f_Rx，f_Ry，f_Rz)，(3)式中，有：

$r_L\×f_L=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ x_L-x_{\mathrm{zmp}}& y_L-y_{\mathrm{zmp}}& 0\\ f_{\mathrm{Lx}}& f_{\mathrm{Ly}}& f_{\mathrm{Lz}}\end{array}\right|$

$=(y_L-y_{\mathrm{zmp}})f_{\mathrm{Lz}}i-(x_L-x_{\mathrm{zmp}})f_{\mathrm{Lz}}j+[(x_L-x_{\mathrm{zmp}})f_{\mathrm{Ly}}-(y_L-y_{\mathrm{zmp}})f_{\mathrm{Lx}}]k$

同理：

$\⇒\left\{\begin{array}{c}(y_L-y_{\mathrm{zmp}})f_{\mathrm{Lz}}+(y_R-y_{\mathrm{zmp}})f_{\mathrm{Rz}}=0\\ (x_L-x_{\mathrm{zmp}})f_{\mathrm{Lz}}+(x_R-x_{\mathrm{zmp}})f_{\mathrm{Rz}}=0\end{array}\right.$

$\⇒\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{zmp}}=\frac{x_L{f}_{\mathrm{Lz}}+x_R{f}_{\mathrm{Rz}}}{f_{\mathrm{Lz}}+f_{\mathrm{Rz}}}\\ y_{\mathrm{zmp}}=\frac{y_L{f}_{\mathrm{Lz}}+y_R{f}_{\mathrm{Rz}}}{f_{\mathrm{Lz}}+f_{\mathrm{Rz}}}\end{array}\right.$

图11是人形机器人脚单脚支撑状态，其中图示图形表示单支撑状态机器人与地面的接触区域，多边形区间内对应单支撑期中ZMP稳定区域，单支撑期实际的稳定区域即为脚底版底面区域。

图12是人形机器人脚双脚支撑状态，其中图示图形表示双支撑状态机器人与地面的接触区域，多边形区间内对应双支撑期中ZMP稳定区域，与单支撑期不同的是，双支撑期的实际稳定区域为两个机器人脚底版区域和两个脚板多边形边界组成的多边形区域。

实施例：在图1～图12中，一种人形机器人脚，包括橡胶脚底层1、脚板2、转接板8、六分量力传感器6、上圆膜片10、上硬中心11、十字梁12、下硬中心13、下圆膜片14，其中：

橡胶脚底层1安装在脚板2下面，脚板2与下法兰4之间安装有橡胶垫环3，构成一种冲击力吸收结构，橡胶垫环3嵌入安装在脚板2的下凹处位置，以保证橡胶垫环3与脚板2之间的外圆配合和端面配合，下法兰4的下部与橡胶垫环3内圈固定配合，吸收机器人在行走过程中脚落地时产生的冲击力，具有机械低通滤波的作用，减轻进行腿部柔顺控制时产生的振动，脚板2上的安装位置位于其内侧偏离中心处；

下法兰4连接脚板2和六分量力传感器6，上法兰7连接六分量力传感器6和转接板8，安装橡胶层的脚板2与地面直接接触，用于支撑机器人，转接板8与人形机器人踝关节15连接在一起，信号处理电路5集成在六分量力传感器6的内部；

所述的转接板8上有六个螺纹孔用于实现与六分量力传感器6的连接，另外有四个通孔用于与机器人踝关节15的连接，转接板8与踝关节15通过定位孔和定位销16保证空间坐标的传递；

所述的六分量力传感器6采用带有硬中心的双圆膜片结构，整个传感器由上圆膜片10、上硬中心11、十字梁12、下硬中心13、下圆膜片14机械连接构成，上膜片10与下膜片14的硬中心11、13、上法兰7、下法兰4采用轴孔配合安装，保证坐标系Z向轴线的传递，上膜片10、下膜片14的圆膜片以及上法兰7、下法兰4上凿刻有表示X、Y方向互相垂直的基准标记线，以保证X、Y坐标方向传递一致性；

六分量力传感器6采用分体结构时，上膜片10的硬中心11与下膜片14的硬中心13加工有与十字梁12相配合的十字沟槽，十字梁12采用工字梁结构，梁与沟槽焊接固定在一起。

所述的橡胶垫环3材料可为氯丁二烯橡胶，也可以采用同类机械特性的橡胶材料。

所述的信号处理电路5为模拟处理电路和数字处理电路，模拟处理电路和数字处理电路可以同时置于六分量力传感器6内部，也可以将模拟处理电路置于六分量力传感器6内部，数字处理电路安装在脚板2的上表面或脚面9内。

所述的六分量力传感器6可以采用分体结构，也可以采用一体化结构来实现三轴力信息的获取和三轴力矩信息的获取。

一种人形机器人脚实现脚力检测的方法：采用双圆膜片结构的六分量力传感器6，在上圆膜片10、下圆膜片14以及十字梁12上的应变力敏电阻通过不同的敏感桥路布置方式实现对六分量力信息的获取，并通过标定求出维间耦合关系，对六组桥路输出解耦处理，实现三维力Fx、Fy、Fz和三维力矩Mx、My、Mz信息独立获取；

所述六分量力传感器6的坐标原点定义为上圆膜片敏感面中心，其中圆膜片轴线方向为Z向，相应X、Y方向符合卡笛尔坐标右旋方向；

X、Y方向力矩信息获取敏感桥路采用在上圆膜片10平面互相垂直布置，其力敏电阻布置方向与下圆膜片14相同，其中：

上圆膜片10敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力矩M_x的测量；

上圆膜片10敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力矩M_y的测量；

十字梁12敏感面上的电阻R1、R2、R3、R4用来实现对力矩Mz的测量；

下圆膜片14和上圆膜片10的两个敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息获取敏感桥路由电阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y实现，采用在下圆膜片14平面内互相垂直布置，Z方向力信息获取敏感电阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下圆膜片14上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中：

下圆膜片14敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力F_x的测量；

下圆膜片14敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力F_y的测量；

下圆膜片14敏感面上电阻R1z、R2z、R3z、R4z用来实现对力F_z的测量；

其中上圆膜片10敏感面上的电阻R1z、R2z、R3z、R4z还可以提供一路对力F_z测量的冗余信息，用于六分量力传感器6校准；

六分量力传感器6中上膜片10、下圆膜片14电阻位置布置是：圆膜片上的R1x、R2x、R3x、R4x、R1y、R2y、R3y、R4y、R1z、R2z、R3z、R4z共12只敏感电阻按照预先规定的位置粘贴，其中R1x、R2x与R3x、R4x对称布置在X方向的直线上，R1y、R2y与R3y、R4y对称布置在Y方向的直线上，而R1z、R2z与R3z、R4z对称布置在与XY两条直线分别相交45度方向的直线上，三条直线都通过圆形膜片的中心；

R1x、R4x、R1y、R4y、R1z、R4z布置在靠近圆膜片外圆位置，R2x、R3x、R2y、R3y、R2z、R3z布置在靠近圆膜片硬中心的位置；

六分量力传感器6的十字梁12应变电阻布置是：电阻R1、R2、R3、R4按照对角线位置布置，以保证传感器正、反方向对称性；另外四个电阻可以布置在同一个梁的两面，也可以布置在不同的梁上，具体粘贴位置靠近十字梁的根部；

本发明所提出的六分量力传感器可以采用分体结构也可以采用一体化结构实现三轴力信息的获取和三轴力矩信息的获取，当采用分体结构时，首先加工好带硬中心的上膜片10、下膜片14和十字梁12，上膜片10与下膜片14的硬中心中加工有与十字梁12相配合的十字沟槽，十字梁采用工字梁结构，工字梁上下十字梁的宽度为8mm厚度为5mm，中间部分厚度为3mm，对应硬中心的直径为20mm，沟槽宽度为2mm，在装配过程中，梁与沟槽采用焊接方法固定在一起。

为了实现六分量力传感器与脚板2和转接板8空间相对位置固定，下法兰4外圆与橡胶垫环3内圆采用间隙配合，同时橡胶垫环的外圆与脚板2安装孔采用间隙配合，使得脚部各个部件和传感器的相对位置固定，以保证坐标传递一致性。例如法兰4与橡胶垫环3配合孔径直径都是50mm，法兰为负公差(-0.015，0)，而橡胶垫环为正公差(0，+0.015)，同时橡胶垫环外圆与脚板安装孔配合孔径都是60mm，橡胶垫环直径为负公差(-0.015，0)，脚板孔径为正公差(0，+0.015)。

为了实现上圆膜片10和下圆膜片14平面平行度，并且上圆膜片(10)和下圆膜片14圆膜片本身上下表面要保持一定的平面平行度，当Z向测量量程为120Kg，X、Y方向量程为60Kg时，上圆膜片厚度为3.5mm，下圆膜片厚度为3.8mm，圆膜片平面平行度为0.02mm。

Claims (5)

1、一种人形机器人脚，包括橡胶脚底层(1)、脚板(2)、转接板(8)、六分量力传感器(6)、上圆膜片(10)、上硬中心(11)、十字梁(12)、下硬中心(13)、下圆膜片(14)，其特征在于：

橡胶脚底层(1)安装在脚板(2)下面，脚板(2)与下法兰(4)之间安装有橡胶垫环(3)，构成一种冲击力吸收结构，橡胶垫环(3)嵌入安装在脚板(2)的下凹处位置，以保证橡胶垫环(3)与脚板(2)之间的外圆配合和端面配合，下法兰(4)的下部与橡胶垫环(3)内圈固定配合，吸收机器人在行走过程中脚落地时产生的冲击力，具有机械低通滤波的作用，减轻进行腿部柔顺控制时产生的振动；

下法兰(4)连接脚板(2)和六分量力传感器(6)，上法兰(7)连接六分量力传感器(6)和转接板(8)，安装橡胶层的脚板(2)与地面直接接触，用于支撑机器人，转接板(8)与人形机器人踝关节(15)连接在一起，信号处理电路(5)集成在六分量力传感器(6)的内部；

所述的转接板(8)上有六个螺纹孔用于实现与六分量力传感器(6)的连接，另外有四个通孔用于与机器人踝关节(15)的连接，转接板(8)与踝关节(15)通过定位孔和定位销(16)连接；

所述的六分量力传感器(6))采用带有硬中心的双圆膜片结构，上圆膜片(10)和下圆膜片(14)的圆膜片本身上下表面要保持一定的平面平行度，上膜片(10)与下膜片(14)的硬中心(11)、(13)、上法兰(7)、下法兰(4)采用轴孔配合安装，上膜片(10)、下膜片(14)的圆膜片以及上法兰(7)、下法兰(4)上凿刻有表示X、Y方向互相垂直的基准标记线；

六分量力传感器(6)采用分体结构时，上膜片(10)的硬中心(11)与下膜片(14)的硬中心(13)加工有与十字梁(12)相配合的十字沟槽，十字梁(12)采用工字梁结构，梁与沟槽焊接固定在一起。

2、根据权利要求1所述的一种人形机器人脚，其中所述的橡胶垫环(3)材料可为氯丁二烯橡胶，也可以采用同类机械特性的橡胶材料。

3、根据权利要求1所述的一种人形机器人脚，其中所述的信号处理电路(5)为模拟处理电路和数字处理电路，模拟处理电路和数字处理电路可以同时置于六分量力传感器(6)内部，也可以将模拟处理电路置于六分量力传感器(6)内部，数字处理电路安装在脚板(2)的上表面或脚面(9)内。

4、根据权利要求1所述的一种人形机器人脚，其中所述的六分量力传感器(6)可以采用分体结构，也可以采用一体化结构来实现三轴力信息的获取和三轴力矩信息的获取。

5、一种如权利要求1所述的一种人形机器人脚实现脚力检测的方法，其特征在于：

采用双圆膜片结构的六分量力传感器(6)，在上圆膜片(10)、下圆膜片(14)以及十字梁(12)上的应变力敏电阻通过不同的敏感桥路布置方式实现对六分量力信息的获取，并通过标定求出维间耦合关系，对六组桥路输出解耦处理，实现三维力Fx、Fy、Fz和三维力矩Mx、My、Mz信息独立获取；

所述六分量力传感器(6)的坐标原点定义为上圆膜片敏感面中心，其中圆膜片轴线方向为Z向，相应X、Y方向符合卡笛尔坐标右旋方向；

X、Y方向力矩信息获取敏感桥路采用在上圆膜片(10)平面互相垂直布置，其力敏电阻布置方向与下圆膜片(14)相同，其中：

上圆膜片(10)敏感面上电阻(R1y)、(R2y)、(R3y)、(R4y)用来实现对力矩M_x的测量；

上圆膜片(10)敏感面上电阻(R1x)、(R2x)、(R3x)、(R4x)用来实现对力矩M_y的测量；

十字梁(12)敏感面上的电阻(R1)、(R2)、(R3)、(R4)用来实现对力矩Mz的测量；

下圆膜片(14)和上圆膜片(10)的两个敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息获取敏感桥路由电阻(R1x)、(R2x)、(R3x)、(R4x)及(R1y)、(R2y)、(R3y)、(R4y)实现，采用在下圆膜片(14)平面内互相垂直布置，Z方向力信息获取敏感电阻(R1z)、(R2z)、(R3z)、(R4z)是布置在下圆膜片(14)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中：

下圆膜片(14)敏感面上电阻(R1x)、(R2x)、(R3x)、(R4x)用来实现对力F_x的测量；

下圆膜片(14)敏感面上电阻(R1y)、(R2y)、(R3y)、(R4y)用来实现对力F_y的测量；

下圆膜片(14)敏感面上电阻(R1z)、(R2z)、(R3z)、(R4z)用来实现对力F_z的测量；

其中上圆膜片(10)敏感面上的电阻(R1z)、(R2z)、(R3z)、(R4z)还可以提供一路对力F_z测量的冗余信息，用于六分量力传感器(6)校准；

六分量力传感器(6)中上膜片(10)、下圆膜片(14)电阻位置布置是：圆膜片上的(R1x)、(R2x)、(R3x)、(R4x)、(R1y)、(R2y)、(R3y)、(R4y)、(R1z)、(R2z)、(R3z)、(R4z)共12只敏感电阻按照预先规定的位置粘贴，其中(R1x)、(R2x)与(R3x)、(R4x)对称布置在X方向的直线上，(R1y)、(R2y)与(R3y)、(R4y)对称布置在Y方向的直线上，而(R1z)、(R2z)与(R3z)、(R4z)对称布置在与XY两条直线分别相交45度方向的直线上，三条直线都通过圆形膜片的中心；

(R1x)、(R4x)、(R1y)、(R4y)、(R1z)、(R4z)布置在靠近圆膜片外圆位置，(R2x)、(R3x)、(R2y)、(R3y)、(R2z)、(R3z)布置在靠近圆膜片硬中心的位置；

六分量力传感器(6)的十字梁(12)应变电阻布置是：电阻(R1)、(R2)、(R3)、(R4)按照对角线位置布置，以保证传感器正、反方向对称性；另外四个电阻可以布置在同一个梁的两面，也可以布置在不同的梁上，具体粘贴位置靠近十字梁的根部；

为了实现六分量力传感器(6)与脚板(2)和转接板(8)空间相对位置固定，下法兰(4)外圆与橡胶垫环(3)内圆采用间隙配合，同时橡胶垫环(3)的外圆与脚板(2)安装孔采用间隙配合，使得脚部各个部件和六分量力传感器(6)的相对位置固定，以保证坐标传递一致性，法兰(4)与橡胶垫环(3)配合孔径直径是50mm，法兰为负公差，而橡胶垫环(3)为正公差，同时橡胶垫环(3)外圆与脚板(2)安装孔配合孔径是60mm，橡胶垫环(3)直径为负公差，脚板(2)孔径为正公差。

Images