CN210757742U - 一种双足机器人的足部状态检测装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种双足机器人的足部状态检测装置，该装置包括压力传感器模块、AD转换模块、惯性测量模块、通信模块、微控制器模块、电源模块。该足部状态检测装置在实现原有足部压力检测功能的基础上，可以检测足部角度状态，实现对所处地面的坡度信息检测，为双足机器人在斜面行走提供了反馈。

Description

一种双足机器人的足部状态检测装置
技术领域
本实用新型涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种双足机器人的足部状态检测装置。
背景技术
双足机器人是一种仿生学人形机器人，能够实现直立行走和相关动作，具有动作灵活、自如、稳定等优点，可以很好地适应人类的生活环境。双足机器人有望帮助人类解决很多问题，比如救援、抢险、驮物等危险作业或重复性劳动。
双足机器人要想应用于各种领域，首要问题就是稳定行走，这也是双足机器人研究的热点之一。目前大多数双足机器人系统都采用ZMP(零力矩点)作为稳定行走的判据，基于此判据双足机器人在平整地面上行走可以取得较好的效果。双足机器人可以在足部安装压力传感器，通过不断检测压力传感器数据，进行计算ZMP位置，然后调整步态使得ZMP平衡点处于多边形内部来保证行走平衡。中国专利号CN206114175U、CN202075069U描述的就是这种足部状态检测装置。
然而在实际环境中，双足机器人在行走过程中很容易碰到斜面、台阶等各种不平坦地面。中国专利号CN104331081A提出了一种双足机器人斜面行走的步态规划方法，但该方法需要配置斜面角度及行走方向信息。为了保证斜面稳定行走，这就要求双足机器人能对斜面角度及行走方向进行检测，这对双足机器人的足部检测装置提出了新的要求。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种双足机器人的足部状态检测装置，该检测装置能够实时检测机器人所处地面的坡度信息，为双足机器人斜面行走提供反馈。
本实用新型的目的通过如下技术方案来实现：
一种双足机器人的足部状态检测装置，其特征在于，该装置包括压力传感器模块、AD转换模块、惯性测量模块、通信模块、微控制器模块、电源模块，所述的压力传感器模块包括布置于足部四周的四个压力传感器，分别为左前S1、右前S2、左后S3和右后S4，用于感应足部与地面的压力；所述的惯性测量模块布置在足部的足底中间位置，其X轴正向指向脚掌前方，Y轴正向指向脚掌的左侧，Z轴正向垂直向上，用于测量足部倾斜角度；所述的压力传感器模块与所述的AD转换模块连接，所述的AD转换模块、惯性测量模块、通信模块均与所述的微控制器模块连接，所述的电源模块为其他所有模块供电；所述的微控制器用于处理足底的压力信息和倾斜角度，并将数据通过所述的通信模块传递给双足机器人的中央控制器。
进一步地，所述的压力传感器为采用电阻应变片组成全桥电路的压力传感器；所述的AD转换模块采用24位A/D转换芯片HX711，所述的惯性测量模块包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，采用MPU6050芯片，通过I2C接口连接至微控制器；所述的微处理器采用STM32F103C8T6芯片。
本实用新型的有益效果如下：
该足部状态检测装置在实现原有足部压力检测功能的基础上，可以检测足部角度状态，实现对所处地面的坡度信息检测，为双足机器人在斜面行走提供了反馈。
附图说明
图1是本实用新型中足部状态检测装置主板的电路结构图；
图2是本实用新型中足部状态检测装置结构及压力传感器、IMU安装位置示意图；
图3是本实用新型中某实例中双足机器人沿斜面某个方向行走的示意图；
图4是应用本实用新型中的足部状态检测装置进行斜面行走方法的流程图；
图5是本实用新型中涉及坐标变换的示意图；
图6是是本实用新型中基于线性倒立摆模型的双足机器人斜面行走运动规划示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本实用新型，本实用新型的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型的双足机器人足部状态检测装置，包括：
压力传感器模块：采用电阻应变片组成全桥电路的压力传感器模块，具有采样精度高，反应灵敏的特点，用于获取安装点与地面的压力。该压力传感器模块包括布置于足部四周的四个压力传感器，分别为左前S1、右前S2、左后S3和右后S4，用于感应足部与地面的压力。
AD转换模块：用于将压力传感器输出的模拟信数据进行采集及转换，并传给微控制器。作为其中一种实施例，AD转换模块采用24位A/D转换芯片HX711，具有高采样精度和强抗干扰的优点。
惯性测量模块(IMU)：包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，用于测量足部底板的倾斜角度。所述的惯性测量模块布置在足部的足底中间位置，其X轴正向指向脚掌前方，Y轴正向指向脚掌的左侧，Z轴正向垂直向上。作为其中一种实施例，6轴IMU采用MPU6050芯片，通过I2C接口连接至微控制器。
通信模块：用于实现足部状态检测装置与外部的通信。作为其中一种实施例，采用RS485总线通信接口，485芯片采用了MAX485，同时预留了RS232、CAN总线接口及蓝牙无线通信方式。
指示模块：对系统的状态进行显示，利用绿色LED灯显示电源供电，红色LED表示系统异常。
电源模块：用于给系统各个模块提供稳定的直流电压。作为其中一种实施例，系统电源来源于外部电源16V，电源接口与RS485共一个接口，包含VCC，GND，485+,485-；分别通过DC-DC芯片TPS561201DDCR、AMS1117-3.3转换成5V、3.3V。
微控制器模块：用于读取和处理足部压力传感器和IMU数据，并将数据通过通信模块传递给双足机器人的中央控制器。作为其中一种实施例，微处理器采用STM32F103C8T6芯片，其主频72MHz，具有丰富的接口。
如图2所示，本实施例中足部状态检测装置安装在机器人足底位置：足部压力检测装置主板固定在足底中间，4个压力传感器采用悬臂梁方式固定，其一端固定在足底四角，另一端通过脚钉与地面接触。IMU布置主板中间，其X轴正向指向脚掌前方，Y轴正向指向脚掌的左侧，Z轴正向垂直向上。
图3给出了本足部状态检测装置应用于双足机器人斜面行走的某个实例，此斜坡倾斜角度为a＝10°，行走方向夹角为b＝100°。
一种双足机器人的斜面行走方法，该方法基于上述的足部状态监测装置来实现，该方法具体包括如下步骤(如图4所示)：
步骤一：在双足机器人行走过程的摆动腿下降过程中，调整踝关节与水平面平行，检测摆动腿的4个压力传感器数据来进行落脚判断：当检测到任意一个压力传感器数据Si>阈值Y，此时认为摆动腿刚好着地；
优选地，所述的阈值Y＝(0.01-0.05)*G，其中，G为机器人重力。
步骤二：根据步骤一得到的摆动腿着地时的压力传感器数据，进行踝关节的自适应调节，让摆动腿的足部完全着地；
具体地，根据刚着地时的压力传感器数据，可判别双足机器人步行状态：1)若前脚掌处的压力传感器先有数据为上坡，后脚掌处的压力传感器先有数据为双足机器人下坡；若前脚掌和后脚掌同时有数据，说明双足机器人沿着水平方向行走。2)若脚掌左侧的压力传感器先有数据，说明双足机器人沿斜面右侧方向行走；若脚掌右侧的压力传感器先有数据，说明双足机器人沿斜面左侧方向行走；若前脚掌和后脚掌同时有数据，说明双足机器人沿着斜面水平方向行走。然后根据下表调节对应的关节：
Figure BDA0002165110580000031
Figure BDA0002165110580000041
步骤三：读取惯性测量模块的陀螺仪和加速度计数据，计算得到脚掌的俯仰角和翻滚角，进而计算得到当前斜面的倾斜角度a以及机器人前进方向相对斜面角度b，取面向斜面时向右的方向为水平方向的正向，所述的b为机器人前进方向与水平方向的正向的夹角；
具体计算过程如下：
如图5所示，其中XrYrZr为水平坐标系Σr，XaYaZa为中间坐标系∑a，其可以通过水平坐标系∑r绕x轴旋转角度a得到，XbYbZb为斜面坐标系∑b，其可以通过∑a绕x轴旋转角度b得到。因此水平坐标系∑r转到斜面坐标系∑b的旋转矩阵为
Figure BDA0002165110580000042
假设斜面坐标系的欧拉角为
Figure BDA0002165110580000043
其中
Figure BDA0002165110580000044
θ可由IMU的陀螺仪和加速度数据解算得到，解算方法可采用本技术领域常用方法。则水平坐标系∑r转到斜面坐标系∑b的旋转矩阵为：
Figure BDA0002165110580000045
根据R＝Rab，得：
Figure BDA0002165110580000046
因此可得：
Figure BDA0002165110580000047
其中，
Figure BDA0002165110580000048
表示通过惯性测量模块计算得到的俯仰角，θ表示通过惯性测量模块得到的翻滚角。
步骤四：根据a和b，对步态参数进行配置，基于线性倒立摆模型规划下一步步态落脚点和质心点，再基于逆运动学进行在线步态调节；然后支撑腿切换为摆动腿，摆动腿变为支撑腿，重复步骤一到四，进入下一步的行走，以实现斜坡环境下的自适应步行。图6为基于线性倒立摆模型的双足机器人斜面行走运动规划示意图，优选地，所述的步骤四中的双足机器人斜面行走的落脚点以及质心点与水平面行走的关系如下：
Figure BDA0002165110580000051
其中，双足机器人在水平面行走时的落脚点pland,0和质心点pcm,0规划可以采用本技术领域常用方法，具体为本技术领域人员所熟知；pland和pcm分别为斜坡面的落脚点和质心点规划。
综上所述，本实用新型的所述的足部状态检测装置在检测足部压力的基础上，还支持检测足部底板角度，可用于双足机器人所处斜面的倾斜角度和行走方向检测，为双足机器人在斜面行走提供了反馈，有效提高双足机器人行走的稳定性和环境适应能力。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为实用新型的优选实例而已，并不用于限制实用新型，尽管参照前述实例对实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在实用新型的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双足机器人的足部状态检测装置，其特征在于，该装置包括压力传感器模块、AD转换模块、惯性测量模块、通信模块、微控制器模块、电源模块，所述的压力传感器模块包括布置于足部四周的四个压力传感器，分别为左前S1、右前S2、左后S3和右后S4，用于感应足部与地面的压力；所述的惯性测量模块布置在足部的足底中间位置，其X轴正向指向脚掌前方，Y轴正向指向脚掌的左侧，Z轴正向垂直向上，用于测量足部倾斜角度；所述的压力传感器模块与所述的AD转换模块连接，所述的AD转换模块、惯性测量模块、通信模块均与所述的微控制器模块连接，所述的电源模块为其他所有模块供电；所述的微控制器用于处理足底的压力信息和倾斜角度，并将数据通过所述的通信模块传递给双足机器人的中央控制器。
2.根据权利要求1所述的双足机器人的足部状态检测装置，其特征在于，所述的压力传感器为采用电阻应变片组成全桥电路的压力传感器；所述的AD转换模块采用24位A/D转换芯片HX711，所述的惯性测量模块包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，采用MPU6050芯片，通过I2C接口连接至微控制器；所述的微控制器采用STM32F103C8T6芯片。
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CN110450159A (zh) * 2019-08-13 2019-11-15 之江实验室 一种双足机器人的足部状态检测装置以及基于该装置的斜面行走方法
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