CN103057620A - 一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，包括脚板、固定在脚板后端的后脚掌、通过脚掌连接件与脚板连接并能转动的前脚掌，所述脚板底部固定有由若干用于感知地面反力信息的传感器组成的传感器阵列，所述脚板上设有用于与机器人腿连接的连接组件。因此，本发明具有如下优点：基于PVDF压电薄膜传感器，采用阵列布置方式，以模块化的方法设计了结构紧凑、具有地面自适应和吸能缓冲装置的、能够较为准确测得机器人步行过程零力矩点的足部结构，本发明的每个PVDF压电薄膜传感器可以互换，在发生故障时，能够将故障元件拆下并更换。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿人机器人足部结构，尤其是涉及一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构。
背景技术
仿人机器人具有腿部行走功能，在非结构化环境中较轮式或履带式机器人具有难以比拟的性能优势，能适应不平、有障碍的非结构化地形，在医疗、服务和娱乐等领域有着广泛的应用前景，是机器人领域的研究热点之一。相比多足步行机构，仿人双足机器人具有更高的动作灵活性，移动盲区小，越障能力强，能够方便地上下台阶及通过不平整或较窄的路面，可以实现跑、跳及舞蹈、武术等高难动作。
仿人机器人是与人类最接近的一种机器人，双足步行是其关键技术之一，尽管目前在仿人机器人领域已经取得了很大的成果，但相对于人类行走，怎样提高其在行走过程中步态的稳定性、灵活性、行走速度以及独立性等仍然是个很大的挑战。足部在行走过程中与地面直接接触，直接受到地面的反作用力，因此，研究具有感知能力的足部结构具有重要意义。
为实现仿人机器人的步态控制，要求其足部具有顺应地面并能够吸收地面冲击的能力；能感知行走过程中地面的反力，或通过其他方式检测到零力矩点（ZMP）的位置。因此，仿人机器人的足部结构设计中，既要考虑对地面的适应性和吸收冲击的能力，还要综合考虑传感器的选型、布置与安装、传感器信号调理与处理等因素。
近年来，针对仿人机器人足部结构的研究，也取得了较为***的成果。中国发明专CN1524664A公开了一宗用于移动式机器人的利用薄膜型压缩传感器的地面反作用力测量模块；中国发明专利CN1966338A公开了一种带有足趾关节的且具有力感知能力的仿人足底机构；中国发明专利CN 100593001C公开了一种仿人机器人足部冲击吸收机构，实现了冲击吸收机构柔性的连续可调；中国发明专利CN 101618549A公开了一种仿人机器人新型柔性足部***；中国发明专利CN 101823517A公开了一种仿人机器人的柔性足部机构。然而，现有研究成果也存在着明显的局限，如：为充分考虑足部结构对地面的适应性和吸收冲击的能力导致足部结构比较复杂、受控性不强；没有考虑传感器的选型及布置，导致足部缺乏感知能力；现有设计通常采用六维力/力矩传感器来检测地面的反力和反力矩，进而得到零力矩点的位置，使足部的体积和重量增加，且价格高，使得其应用受到限制。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的问题；提供了一种结构紧凑、具有地面自适应和吸能缓冲装置的、能够较为准确测得机器人步行过程零力矩点的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，其特征在于，包括脚板、固定在脚板后端的后脚掌、通过脚掌连接件与脚板连接并能转动的前脚掌，所述脚板底部固定有由若干用于感知地面反力信息的传感器组成的传感器阵列，所述脚板上设有用于与机器人腿连接的连接组件。
在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述的脚掌连接件包括一个扭簧以及固定在扭簧两端的固定板，其一端的固定板通过螺钉与前脚掌上设有的连接板固定在一起，其另一端的固定板通过螺钉与脚板固定在一起。
在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述连接板底部固定有若干用于感知地面反力信息的传感器。
在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述的脚板上位于后脚掌的衔接处对称设有至少两个用于吸收脚跟冲击的减震机构。
在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述后脚掌和前脚掌底端均设有橡胶减震层。
在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述的用于感知地面反力信息的传感器采用直接与地面接触的PVDF压电薄膜传感器。
因此，本发明具有如下优点：基于PVDF压电薄膜传感器，采用阵列布置方式，以模块化的方法设计了结构紧凑、具有地面自适应和吸能缓冲装置的、能够较为准确测得机器人步行过程零力矩点的足部结构，本发明的每个PVDF压电薄膜传感器可以互换，在发生故障时，能够将故障元件拆下并更换。
附图说明
附图1是本发明的一种立体结构示意图。
附图2是本发明的一种主视结构示意图。
附图3是本发明的一种脚掌连接件的立体结构示意图。
附图4是本发明的另一种立体结构示意图（不包含减震机构）。
附图5是本发明中前脚掌的立体结构示意图。
附图6是本发明中将电荷信号转换并放大为电压信号的电路图。
附图7是本发明中针对电压信号进行滤波的滤波电路图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，脚板1、后脚掌2、前脚掌3、传感器4、连接板5、扭簧7、固定板8、减震机构9、橡胶减震层10。
实施例：
本发明包括脚板1、固定在脚板1后端的后脚掌2、通过脚掌连接件与脚板1连接并能转动的前脚掌3，后脚掌2和前脚掌3底端均设有橡胶减震层10。脚板1底部固定有由若干用于感知地面反力信息的传感器4组成的传感器阵列，所述脚板1上设有用于与机器人腿连接的连接组件。
其中，后脚掌2上设有一个连接板5，上述脚掌连接件一端与连接板5固定，另一端与脚板1固定；脚掌连接件包括一个扭簧7，以及固定在扭簧7两端的固定板8，螺钉依次穿过其中一个固定板8、连接板5将两者固定在一起；螺钉穿过另一个固定板8和脚板1将两者固定在一起；连接板5底部固定有若干用于感知地面反力信息的传感器4，脚掌连接件在吸收一定冲击的同时能够增强机器人起步的平稳性，减少膝关节的驱动力，增加了步长。
另外，的脚板1上位于后脚掌2的衔接处对称设有至少两个用于吸收脚跟冲击的减震机构9，使其能够吸收来自于非垂直脚底板方向的冲击，增强机器人的路面适应性，减震机构9均采用现有的传统技术的减震机构。
在本实施例中，传感器4采用直接与地面接触的PVDF压电薄膜传感器，设计成阵列形式，布置在足底。其相对于六维力/力矩传感器，成本低，国内技术成熟，能够广泛应用。此外，PVDF压电薄膜传感器直接与地面接触，避免了因传感器安装较高而带来的误差；获取与地面接触状态及接触位置，判断与地面的有效支撑区域 ，实时感知地面反力信息更利于调整机器人行走姿态，更好实现基于零力矩点的步态控制。
其中压电薄膜传感器设计成阵列形式，根据机器人的实际需要进行传感器的布置，根据实际应用综合考虑了零力矩点的检测对传感器布置的需求，满足机器人步态控制中对零力矩点的检测需要，每个压电薄膜传感器设计成为一个独立的传感器子单元，即实现了传感器独立单元的模块化设计，便于足部结构在实际应用中的组装，同时为传感器子单元的跟换、维修带来了极大的便利。
下面，结合附图，说明一下本发明的软件控制采用程序上电自动运行的方式。第一步，初始化寄存器并配置采样频率；第二步，判断上位机是否给出读取ZMP的指令；第三步，由传感器提供的数据计算出有效支撑区域；第四步，计算处实际的ZMP；第五步，判断实际的ZMP是否在有效的支撑区域内，如果在则向上位控制***反馈ZMP数据，如果不在有效支撑区域内，则反馈异常信息即实际ZMP与有效支撑区域的偏离信息，由上位控制***做出步态调整。
在图6中，由于压电薄膜传感器转换而来的电荷信号十分微弱，因此需要将该电荷信号经过转换并放大到需要的电压信号，调理电路如图6所示。C2、C4与C1、C3分别为芯片供电电源滤波保证输入电源质量较高，R3与C6分别为电路提供直流反馈和交流反馈支路。
通过在图6的电荷/电压转换及放大电路后，电路中含有噪声，对其进行滤波，滤波电路如图7所示。C7、C8与C9、C10分别芯片的供电电源滤波保证输入电源质量较高，R8、C12与芯片共同组成二阶巴特沃斯有源滤波器，消除高频干扰信号对有用信号的影响；C13、R8构成一介武元高通滤波器，可以有效抑制低频干扰信号对有用信号的影响。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了脚板1、后脚掌2、前脚掌3、传感器4、连接板5、扭簧7、固定板8、减震机构9、橡胶减震层10等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (7)
1.一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，其特征在于：包括脚板（1）、固定在脚板（1）后端的后脚掌（2）、通过脚掌连接件与脚板（1）连接并能转动的前脚掌（3），所述脚板（1）底部固定有由若干用于感知地面反力信息的传感器（4）组成的传感器阵列，所述脚板（1）上设有用于与机器人腿连接的连接组件。
2.根据权利要求1所述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，其特征在于：所述的脚掌连接件包括一个扭簧（7）以及固定在扭簧（7）两端的固定板（8），其一端的固定板（8）通过螺钉与前脚掌（3）上设有的连接板（5）固定在一起，其另一端的固定板（8）通过螺钉与脚板（1）固定在一起。
3.根据权利要求2所述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，其特征在于：所述前脚掌（3）上设有的连接板（5），其底部固定有若干用于感知地面反力信息的传感器（4）。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，其特征在于：所述的脚板（1）上位于后脚掌（2）的衔接处对称设有至少两个用于吸收脚跟冲击的减震机构（9）。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，其特征在于：所述后脚掌（2）和前脚掌（3）底端均设有橡胶减震层（10）。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，其特征在于：所述的用于感知地面反力信息的传感器（4）采用直接与地面接触的PVDF压电薄膜传感器。
7.根据权利要求3所述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，其特征在于：所述用于感知地面反力信息的传感器（4）采用直接与地面接触的PVDF压电薄膜传感器。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |