CN113091999A - 一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法及*** - Google Patents

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巴凯先
宋颜和
王春雨
俞滨
马国梁
***
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Abstract

本发明涉及一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法及***，通过上位机对腿部驱动***进行位置控制，并利用二维力传感器对足端进行力加载，得到各关节一维力传感器实际检测值，然后利用计算机软件搭建腿部驱动***虚拟模型，将二维力传感器和各关节驱动单元位移传感器实际检测值输入虚拟模型中进行仿真，得到虚拟模型中各关节一维力传感器的理论检测值，最后利用最小二乘法求得各关节一维力传感器实际检测值和理论检测值之间的标定曲线，并根据标定曲线求得各关节修正标定的系数，通过此系数对一维力传感器进行标定，本发明的上述方法在不拆卸力传感器的情况下，实现了对一维力传感器的重新标定。

Description

一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法及***
技术领域
本发明涉及足式机器人传感器检测设备领域，特别是涉及一种适用于足式机器人腿部一维力传感器标定方法及***。
背景技术
机器人在各行各业中的应用越来越广泛，利用机器人可以代替人类从事一些危险性高、重复性强的工作。足式机器人模仿足式动物的生理特点进行结构设计，这使得足式机器人具有明显的非连续支撑的特点，从而对复杂环境具有更强的适应性。
足式机器人在行走过程中，足端与地面之间有时会产生很大的接触力。如果不能对足端接触力进行很好的控制，将会使机器人机身所携带电子设备承受很大的冲击而造成损坏，所以要求机器人实时检测足端与地面间的接触力。
通常有两种方法来检测足端与地面间的接触力：第一种方法是在足端加装多维力传感器直接检测足端接触力；第二种方法是在机器人腿部各关节驱动单元的顶端安装一维力传感器，结合静力学来间接求得足端接触力。多维力传感器价格昂贵，容易损坏，而一维力传感器的数据稳定性高、使用寿命长，因此在足式机器人中，多采用第二种方法来间接求解机器人足端与地面间的接触力。
一维力传感器在出厂时就已经完成标定，用户可以直接根据样本中的量程和输出电压，按照二者的线性关系直接确定出标定系数。但是在长时间使用以后，由于摩擦力、预紧力等相关因素的变化，使得一维力传感器的检测值与实际值之间会产生一定的误差，此时需要对一维力传感器进行重新标定。传统标定方法需要将一维力传感器从机器人腿部拆下，但是机器人腿部的大多零件之间是过盈配合，如果频繁拆卸，将会对机器人腿部的装配关系产生破坏，从而影响机器人的运动控制性能，而且不合理的安装过程会对标定系数产生影响，甚至损坏一维力传感器。
综上所述，在足式机器人传感器检测设备技术领域，迫切需要一种能够在不拆卸腿部关节一维力传感器的条件下完成对传感器的重新标定的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法及***，在不拆卸力传感器的情况下，完成对一维力传感器的重新标定。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法，所述方法包括：
在对足端进行作用力加载并卸载的过程中，利用上位机记录用于加载的二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值；
将所述位移传感器检测值和所述二维力传感器检测值输入基于腿部机械结构搭建的腿部驱动***虚拟模型进行仿真，记录所述虚拟模型中各关节驱动单元的一维力传感器模拟检测值；
对于每一关节，将所述一维力传感器检测值和所述一维力传感器模拟检测值均减去足端处于初始位置时的一维力传感器检测值，得到每一关节实际检测值和每一关节模拟检测值，所述初始位置时的一维力传感器检测值为未对足端加载作用力时的一维力传感器检测值；
根据每一所述实际检测值和每一所述模拟检测值间的线性关系，利用最小二乘法解出每一驱动单元的一维力传感器标定曲线；
根据每一驱动单元的所述标定曲线和每一驱动单元原始标定系数得到每一驱动单元修正标定的系数，所述原始标定系数为出厂时的一维力传感器标定系数；
根据所述每一驱动单元修正标定的系数对所述一维力传感器进行标定。
本发明还提供一种足式机器人腿部一维力传感器标定***，所述***包括：
传感器检测值获取模块，用于在对足端进行作用力加载并卸载的过程中，利用上位机记录用于加载的二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值；
仿真模块，用于将所述位移传感器检测值和所述二维力传感器检测值输入基于腿部机械结构搭建的腿部驱动***虚拟模型进行仿真，记录所述虚拟模型中各关节驱动单元的一维力传感器模拟检测值；
变量值和采样值获取模块，用于对于每一关节，将所述一维力传感器检测值和所述一维力传感器模拟检测值均减去足端处于初始位置时的一维力传感器检测值，得到每一关节实际检测值和每一关节模拟检测值，所述初始位置时的一维力传感器检测值为未对足端加载作用力时的一维力传感器检测值；
标定曲线获取模块，用于根据每一所述实际检测值和每一所述模拟检测值间的线性关系，利用最小二乘法解出每一驱动单元的一维力传感器标定曲线；
标定模块，用于根据每一驱动单元的所述标定曲线和每一驱动单元原始标定系数得到每一驱动单元修正标定的系数，所述原始标定系数为出厂时的一维力传感器标定系数，根据所述每一驱动单元修正标定的系数对所述一维力传感器进行标定。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过上位机对腿部驱动***进行位置控制，并利用二维力传感器对足端进行力加载，得到各关节一维力传感器实际检测值，然后利用计算机软件搭建腿部驱动***虚拟模型，将二维力传感器和各关节驱动单元位移传感器实际检测值输入虚拟模型中进行仿真，得到虚拟模型中各关节一维力传感器的模拟检测值，最后利用最小二乘法求得各关节一维力传感器实际检测值和模拟检测值之间的标定曲线，并根据标定曲线求得各关节修正标定的系数，通过此系数对一维力传感器进行标定的方法与以往方法相比，不需要将一维力传感器从机器人腿部取下即可完成标定，从而避免了在拆装过程中对机器人腿部装配关系的破坏以及安装过程对力传感器标定系数的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的足式机器人腿部一维力传感器标定方法的流程图；
图2为本发明实施例一中负载力加载实验方案的示意图；
图3为本发明实施例一提供的足式机器人腿部驱动***运动学正解模型简图；
图4为本发明实施例一提供的足式机器人腿部驱动***运动学反解模型简图；
图5为本发明实施例一提供的足式机器人关节角度与关节驱动单元伸出长度关系图；
图6为本发明实施例一提供的足式机器人腿部一维力传感器标定方法原理图；
图7为本发明实施例一提供的足式机器人腿部驱动***各关节驱动单元一维力传感器标定曲线；
图8为本发明实施例一提供的足式机器人腿部驱动***静力学模型简图；
图9为本发明实施例一提供的足式机器人关节所受力矩与关节驱动单元受力关系图；
图10为本发明实施例一的方案1加载方向足端接触力曲线；
图11为本发明实施例一的方案2加载方向足端接触力曲线；
图12为本发明实施例一的方案3加载方向足端接触力曲线；
图13为本发明实施例一的方案4加载方向足端接触力曲线；
图14为本发明实施例一的方案5加载方向足端接触力曲线；
图15为本发明实施例一的方案6加载方向足端接触力曲线；
图16为本发明实施例一的方案7加载方向足端接触力曲线；
图17为本发明实施例一的方案8加载方向足端接触力曲线；
图18为本发明实施例二提供的足式机器人腿部一维力传感器标定***结构示意图。
符号说明：O——髋关节；E——膝关节；G——踝关节；A——髋关节驱动单元与基座连接位置；B——髋关节驱动单元与大腿连接位置；C——膝关节驱动单元与大腿连接位置；D——膝关节驱动单元与小腿连接位置；F——踝关节驱动单元与小腿连接位置；H——踝关节驱动单元与足端连接位置；I——半圆柱形足端的顶点；OE——大腿长度；EG——小腿长度；GI——足端长度；θ1——髋关节旋转角度：大腿与x0轴正方向所成夹角；θ2——膝关节旋转角度：小腿EG与大腿OE延长线所成夹角；θ3——踝关节旋转角度：小腿EG延长线方向与腿部构件GI夹角；α——EG与ED所成夹角；β——OA与x0轴正方向所成夹角；AB——髋关节驱动单元伸出总长度；CD——膝关节驱动单元伸出总长度；FH——踝关节驱动单元伸出总长度；ΔFs1——髋关节驱动单元力传感器检测信号；ΔFs2——膝关节驱动单元力传感器检测信号；ΔFs3——踝关节驱动单元力传感器检测信号；
Figure BDA0003003149760000051
——腿部足端x轴方向受力；
Figure BDA0003003149760000052
——腿部足端y轴方向受力；τ1——髋关节所受力矩；τ2——膝关节所受力矩；τ3——踝关节所受力矩；
Figure BDA0003003149760000053
——腿部驱动***测试实验平台髋关节驱动单元的伸出长度；
Figure BDA0003003149760000054
——腿部驱动***测试实验平台膝关节驱动单元的伸出长度；
Figure BDA0003003149760000055
——腿部驱动***测试实验平台踝关节驱动单元的伸出长度；
Figure BDA0003003149760000056
——腿部驱动***测试实验平台髋关节驱动单元一维力传感器检测值；
Figure BDA0003003149760000057
——腿部驱动***测试实验平台膝关节驱动单元一维力传感器检测值；
Figure BDA0003003149760000058
——腿部驱动***测试实验平台踝关节驱动单元一维力传感器检测值；
Figure BDA0003003149760000059
——虚拟模型髋关节驱动单元力传感器模拟检测值；
Figure BDA00030031497600000510
——虚拟模型膝关节驱动单元力传感器模拟检测值；
Figure BDA00030031497600000511
——虚拟模型踝关节驱动单元力传感器模拟检测值；
Figure BDA00030031497600000512
——二维力传感器x轴方向检测值；
Figure BDA00030031497600000513
——二维力传感器y轴方向检测值；
Figure BDA00030031497600000514
——二维力传感器直接检测出足端与地面的x轴方向实际接触力；
Figure BDA00030031497600000515
——二维力传感器直接检测出足端与地面的y轴方向实际接触力；
Figure BDA00030031497600000516
——由未修正的关节驱动单元力传感器标定曲线解算得到的足端与地面的x轴方向接触力；
Figure BDA00030031497600000517
——由未修正的关节驱动单元力传感器标定曲线解算得到的足端与地面的y轴方向接触力；
Figure BDA00030031497600000518
——由修正后的关节驱动单元力传感器标定曲线解算得到的足端与地面的x轴方向接触力；
Figure BDA00030031497600000519
——由修正后的关节驱动单元力传感器标定曲线解算得到的足端与地面的y轴方向接触力。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法及***，在不拆卸力传感器的情况下，完成对一维力传感器的重新标定。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
基于液压驱动具有功重比大、响应速度快等优点，因此本申请中所提到的足式机器人可以为液压驱动型足式机器人，但不限于液压驱动型足式机器人。
实施例一
本实施例提供一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法，请参阅附图1，所述方法包括：
S1、在对足端进行作用力加载并卸载的过程中，利用DSpace控制器记录用于加载的二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值；
具体的，对足端加载作用力的方法可以为，用手缓慢拉动固定有二维力传感器的木质长方体对足端进行力的加载，达到预设拉力后，缓慢卸载，记录加载和卸载过程中，二维力传感器检测值(
Figure BDA0003003149760000061
和
Figure BDA0003003149760000062
)、各关节驱动单元的位移传感器检测值(
Figure BDA0003003149760000063
和
Figure BDA0003003149760000064
)和一维力传感器检测值(
Figure BDA0003003149760000065
Figure BDA0003003149760000066
和
Figure BDA0003003149760000067
)。
附图2为负载力加载实验方案的示意图，从附图2中可以看出，足式机器人腿部驱动***由腿部机械构件，髋、膝、踝三个关节驱动单元组成。一维力传感器安装于关节驱动单元活塞杆末端，用于检测各关节驱动单元所受力。
作为一种可选的实施方式，在步骤S1之前还包括：根据腿部机械结构的尺寸以及几何关系，确定各关节驱动单元的伸出长度与各关节转角之间的映射关系；基于所述映射关系以及由所述腿部机械结构得到的运动学模型，利用上位机控制腿部驱动***处于初始位置不动。
其中，运动学模型的获取方法包括：对足式机器人腿部机械结构进行简化，得到单腿机械结构的参数；根据单腿机械结构的参数，确定腿部机械结构的正解部分，正解部分为根据髋关节O的旋转角度θ1、膝关节E的旋转角度θ2、踝关节G的旋转角度θ3、大腿长度OE、小腿长度EG和足端长度GI，求解足端相对于髋关节O的位置的函数；
根据单腿机械结构的参数，确定腿部机械结构的反解部分，反解部分为根据足端相对于髋关节O的位置和大腿长度OE、小腿长度EG以及足端长度GI，求解髋关节旋转角度θ1、膝关节旋转角度θ2和踝关节旋转角度θ3的函数；根据正解部分和反解部分得到所述运动学模型。
以下具体介绍获取运动学模型的计算方法。
附图3为足式机器人腿部驱动***简化后的腿部运动学正解模型简图。
根据附图3可得机械结构的D-H参数如表1所示。
表1腿部驱动***机械结构D-H参数表
Figure BDA0003003149760000071
表1中，ai-1表示为zi-1到zi沿xi-1测量的距离。αi-1表示为zi-1到zi绕xi-1旋转的角度。di表示为xi-1到xi沿zi测量的距离。θi表示为xi-1到xi绕zi旋转的角度。zi表示xi、yi坐标系中与xi轴、yi轴均垂直的z轴，i＝1，2，...，4。
依据附图3所示的腿部D-H坐标系中，位姿关系可以通过连杆变换
Figure BDA0003003149760000072
表示。
Figure BDA0003003149760000073
将表1腿部驱动***主要机械结构的D-H参数代入式(1)可得相邻连杆之间的变换矩阵如下：
Figure BDA0003003149760000081
Figure BDA0003003149760000082
Figure BDA0003003149760000083
Figure BDA0003003149760000084
将式(2)、式(3)、式(4)和式(5)依次相乘可得
Figure BDA0003003149760000085
如下：
Figure BDA0003003149760000086
那么由式(6)可以得到足端位置
Figure BDA0003003149760000087
和髋关节O的相对位置关系，其中，θ4＝0，表示没有θ4，运动学正解为
Figure BDA0003003149760000088
式中，l1为大腿构件的长度，l2为小腿构件的长度，l3为足部构件的长度，θ1为髋关节O的旋转角度，θ2为膝关节E的旋转角度，θ3为踝关节G的旋转角度；
附图4为足式机器人腿部驱动***简化后的腿部运动学反解模型简图。为避免运动学反解时，遇到的不定解问题，本发明保持腿部驱动***髋关节O、踝关节G和足端I三点共线。
附图4中，OGI所在直线与x0轴正方向所成夹角θ0为：
Figure BDA0003003149760000091
在△OEG中，∠EOG为：
Figure BDA0003003149760000092
由图2可得髋关节旋转角度θ1为：
Figure BDA0003003149760000093
在△OEG中，∠OEG为：
Figure BDA0003003149760000094
由图2可得膝关节旋转角度θ2为：
Figure BDA0003003149760000095
在△OEG中，∠OGE为：
Figure BDA0003003149760000101
由附图4可得踝关节旋转角度θ3为：
Figure BDA0003003149760000102
下面具体介绍计算各关节驱动单元的伸出长度与各关节转角之间的映射关系的方法：
附图5中a)-c)部分分别为髋关节O、膝关节E和踝关节G角度与驱动单元伸出长度关系图。
其中，髋关节驱动单元伸出总长度AB、膝关节驱动单元伸出总长度CD、踝关节驱动单元伸出总长度FH为：
Figure BDA0003003149760000103
式中，l01为髋关节驱动单元的初始长度，l02为膝关节驱动单元的初始长度，l03为踝关节驱动单元的初始长度。
在图5a)△AOB中，由余弦定理得∠AOB如下：
Figure BDA0003003149760000104
根据图5a)中的几何关系，可得髋关节旋转角度θ1为：
Figure BDA0003003149760000105
由上式可得髋关节驱动单元伸出长度Δxp1为：
Figure BDA0003003149760000111
在图5b)△CDE中，利用余弦定理可求得∠CED为：
Figure BDA0003003149760000112
根据图5b)中的几何关系，可得髋关节旋转角度θ2为：
Figure BDA0003003149760000113
由上式可得膝关节驱动单元伸出长度Δxp2为：
Figure BDA0003003149760000114
在图5c)△FGH中，利用余弦定理可求得∠FGH为：
Figure BDA0003003149760000115
根据图5c)中的几何关系，可得髋关节旋转角度θ3为：
Figure BDA0003003149760000116
由上式可得踝关节驱动单元伸出长度Δxp3为：
Figure BDA0003003149760000117
在获得腿部机械结构运动学模型以及各关节驱动单元的伸出长度与各关节转角之间的映射关系之后，具体在DSpace控制器中编写上述步骤得到的腿部机械结构运动学模型、各关节转角与各关节驱动单元伸出长度之间映射关系的程序，通过此程序控制腿部各驱动单元的伸出长度，使足端位于初始位置
Figure BDA0003003149760000118
不动，然后用手水平向左缓慢拉动固定有二维力传感器的木质长方体对足端进行水平方向力的加载，当加载力达到预设拉力后，缓慢卸载，重复多次，记录加载和卸载过程中各关节驱动单元位移传感器检测值(
Figure BDA0003003149760000121
Figure BDA0003003149760000122
和
Figure BDA0003003149760000123
)、各关节驱动单元一维力传感器检测值(
Figure BDA0003003149760000124
和
Figure BDA0003003149760000125
)和二维力传感器检测值(
Figure BDA0003003149760000126
和
Figure BDA0003003149760000127
)。
需要说明的是，此处说提到的初始位置为未对足端加载作用力时足端所处位置，可以为任意位置，只要该位置与腿部驱动***虚拟模型对应即可。同时，上述提到的对足端进行水平方向力的加载也仅仅是本实施例中的一种情况，本申请并不限于对足端加载水平方向的作用力，力的方向可以是任意的。
S2、将各关节驱动单元位移传感器检测值和二维力传感器检测值输入基于腿部机械结构搭建的腿部驱动***虚拟模型进行仿真，记录虚拟模型中各关节驱动单元的一维力传感器模拟检测值；
其中，腿部驱动***虚拟模型是基于足式机器人腿部机械结构在Simulink/SimMechanics中搭建的腿部驱动***虚拟模型。
本实施例通过SolidWorks软件中SimMechanics Link工具，选择SimMechanicsSecond Generation，将腿部机械结构的装配体文件导出为一个XML文件和若干个STL文件，然后在MATLAB命令窗口中运行smimport命令，MATLAB将自动读取相对应的XML文件和STL文件，并自动构建足式机器人腿部驱动***的虚拟模型。
虚拟模型中的Prismatic模块：移动副模块，用于连接活塞杆和驱动单元缸体，使两个刚体之间能够相对发生平移，可通过Actuation属性设置移动副的移动位置，通过sensing属性测量移动副的受力，即可通过Actuation属性设置各关节驱动单元的伸出长度(
Figure BDA0003003149760000128
和
Figure BDA0003003149760000129
)，通过sensing属性检测虚拟模型中各关节驱动单元力传感器模拟检测值(
Figure BDA00030031497600001210
和
Figure BDA00030031497600001211
)；External Force and Torque模块：外力和扭矩模块，可通过Force属性可直接对足端施加干扰力，即可通过External Force and Torque模块将二维力传感器检测值(
Figure BDA00030031497600001212
和
Figure BDA00030031497600001213
)输入腿部驱动***虚拟模型进行仿真。
S3、对于每一关节，将一维力传感器检测值和一维力传感器模拟检测值均减去足端处于初始位置时的一维力传感器检测值，得到每一关节实际检测值和每一关节模拟检测值，初始位置时的一维力传感器检测值为未对足端加载作用力时的一维力传感器检测值；
S4、根据每一实际检测值和每一模拟检测值间的线性关系，利用最小二乘法解出每一驱动单元的一维力传感器标定曲线；
最小二乘法是一种经典的和最基本的参数辨识方法，也是应用最广泛的辨识方法，其基本公式如下：
Zm＝Hmλ+Vm (25)
其中，Zm代表采样值，Hm代表变量值，λ代表参数值，Vm代表采样噪声。
最小二乘法的思想就是寻找一个λ的估计值
Figure BDA0003003149760000131
使得各次的测量值Zi(i＝1,…,m)，与由估计值
Figure BDA0003003149760000132
确定的测量值估计
Figure BDA0003003149760000133
之差的平方和最小，即：
Figure BDA0003003149760000134
根据极值定理，可得：
Figure BDA0003003149760000135
式(27)可化简如下：
Figure BDA0003003149760000136
当采样数m不小于辨识参数个数n时，
Figure BDA0003003149760000137
满秩，则
Figure BDA0003003149760000138
存在。此时，λ的最小二乘估计为：
Figure BDA0003003149760000139
此时估计得到的参数使得计算公式的偏差的平方和最小，整体参数估计值的误差达到最小，这有益于减小由于实际的噪声干扰与测量误差造成的影响。在获得一批样本后，根据获取的样本进行参数辨识，这样批处理方法非常适于离线辨识，当样本量足够且相对准确时，可以估计得到相应的参数估计值。
附图6是足式机器人腿部一维力传感器标定方法的原理图。
为了避免腿部动力学中重力项对标定曲线的影响，将步骤S1中由机器人腿部驱动***测试实验平台得到的各关节驱动单元一维力传感器检测值(
Figure BDA00030031497600001310
和
Figure BDA00030031497600001311
)和步骤S2中由腿部驱动***虚拟模型得到的各关节驱动单元一维力传感器模拟检测值(
Figure BDA00030031497600001312
和
Figure BDA00030031497600001313
)均减去足端位于初始位置且未加载时，各关节驱动单元一维力传感器检测值。将减去初值后的机器人腿部驱动***测试实验平台各关节驱动单元力传感器检测值(
Figure BDA0003003149760000141
Figure BDA0003003149760000142
和
Figure BDA0003003149760000143
)作为Hm，将减去初值后的腿部驱动***虚拟模型各关节驱动单元力传感器模拟检测值(
Figure BDA0003003149760000144
和
Figure BDA0003003149760000145
)作为Zm，利用公式(29)拟合出髋关节O、膝关节E和踝关节G的标定曲线。
S5、根据每一驱动单元的标定曲线和每一驱动单元原始标定系数得到每一驱动单元修正标定的系数，原始标定系数为出厂时的一维力传感器标定系数；根据每一驱动单元修正标定的系数对一维力传感器进行标定。
具体的，将每个关节驱动单元的一维力传感器原始标定系数总体上先乘以对应标定曲线的斜率值，然后再加上对应标定曲线的截距，从而完成对每个关节驱动单元的一维力传感器的标定。
作为一种可选的实施方式，本发明的标定方法还包括，在对一维力传感器进行标定后，对标定方法的有效性进行验证。
附图7a)-c)为足式机器人腿部驱动***髋关节O、膝关节E和踝关节G驱动单元一维力传感器标定曲线。图中黑色实线为以腿部驱动***性能测试实验平台力传感器检测值为横坐标，以虚拟模型的关节驱动单元力传感器检测曲线为纵坐标所形成的各点依次连接在一起形成的曲线，虚线为通过最小二乘法处理黑色曲线得到的拟合曲线，定义为力传感器标定曲线。
从图7中可以看出：髋关节标定曲线的斜率和截距分别为2.463、-7.452；膝关节标定曲线的斜率和截距分别为2.147、2.703；踝关节标定曲线的斜率和截距分别为2.338、-0.4568；各关节力传感器标定曲线拟合的线性度都很好，说明力传感器的原始标定系数存在一定偏差，通过本发明提出的标定方法，可以对力传感器原始标定系数进行补偿。
作为一种可选的实施方式，对标定方法的有效性进行验证包括：
当足端处于初始位置时，分别验证足端加载速度为快速加载/卸载以及缓慢加载/卸载过程中，足端x轴方向和y轴方向所述标定方法的有效性。
当足端处于非初始位置时，分别验证足端加载速度为快速加载/卸载以及缓慢加载/卸载过程中，足端x轴方向和y轴方向所述标定方法的有效性。
具体的，为了测试测试本发明提出的力传感器补偿策略是否正确，制定实验方案如表2所示。
表2测试方案
Figure BDA0003003149760000151
表2中，方案1、方案2、方案5和方案6是为了测试腿部驱动***中足端位于初始位置时，足端x/y轴方向在快速加载/卸载和缓慢加载/卸载过程中，本发明提出的修正策略的修正效果，方案3、方案4、方案7和方案8是为了测试腿部驱动***中足端位于其他位置时，足端x/y轴方向在快速加载/卸载和缓慢加载/卸载过程中，本发明提出标定方法是否准确。
由于在计算足端与地面的接触力时，需要用到腿部机械结构的静力学模型以及各关节驱动单元受力与各关节转角转矩之间的映射关系，因此，下面先具体介绍腿部机械结构的静力学模型以及各关节驱动单元受力与各关节转角转矩之间的映射关系的计算方法。
基于本申请中只用到静力学模型的正解部分，因此此处只介绍静力学正解部分的计算方法。
附图8为足式机器人腿部驱动***简化后的腿部静力学模型简图。
根据虚功原理可得：
τ＝JT(q)F (30)
其中，F代表腿部足端受力(N)，JT(q)代表腿部的力雅克比，τ代表关节所受力矩。
式(30)中，腿部的力雅克比JT(q)如下：
Figure BDA0003003149760000161
将式(31)代入式(30)可得：
Figure BDA0003003149760000162
通过膝关节E和踝关节G所受力矩，求足端受力，可得静力学正解为：
Figure BDA0003003149760000163
下面具体介绍各关节驱动单元受力与各关节转角转矩之间的映射关系的计算方法：
附图9中a)-c)部分为髋关节O、膝关节E和踝关节G所受力矩与驱动单元受力关系图。
在图9a)△AOB中，利用余弦定理结合式(15)，可求得∠ABO为：
Figure BDA0003003149760000171
由式(34)可得，髋关节驱动单元力传感器检测信号ΔFs1与髋关节所受力矩τ1的映射关系为：
Figure BDA0003003149760000172
在图9b)△CDE中，利用余弦定理可求得∠DCE为：
Figure BDA0003003149760000173
由式(36)可得，膝关节驱动单元力传感器检测信号ΔFs2与膝关节所受力矩τ2的映射关系为：
Figure BDA0003003149760000174
在图9c)△FGH中，利用余弦定理可求得∠GFH为：
Figure BDA0003003149760000175
由式(38)可得，踝关节驱动单元力传感器检测信号ΔFs3与踝关节G所受力矩τ3的映射关系为：
Figure BDA0003003149760000176
方案1～方案8中加载方向接触力曲线分别如图10～图17所示。二维力传感器直接检测出足端与地面的实际接触力
Figure BDA0003003149760000177
为虚线“....”，根据关节驱动单元力传感器修正后标定曲线和腿部机械结构的静力学模型以及各关节驱动单元受力与各关节转角转矩之间的映射关系，解算得到的足端与地面的接触力
Figure BDA0003003149760000181
为黑色实线，由未修正的关节驱动单元力传感器标定曲线和腿部机械结构的静力学模型以及各关节驱动单元受力与各关节转角转矩之间的映射关系解算得到的足端与地面的接触力
Figure BDA0003003149760000182
为虚线“-----”，为了避免腿部机械结构动力学和力传感器零漂引起解算出的接触力初值不为零，同时便于观察本文提出的补偿策略的效果，本发明将检测以及解算出来的接触力进行了调零处理。从图10～图17中可以看出，加入本发明所提出的标定方法后，实际足端接触力和修正后的足端接触力在加载方向上偏差几乎为零，表明本发明所提出的一维力传感器标定方法在不同位置处都适用。
实施例二
本实施例提供一种足式机器人腿部一维力传感器标定***，请参阅图18所述***包括：
传感器检测值获取模块，用于在对足端进行作用力加载并卸载的过程中，利用上位机记录用于加载的二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值；
仿真模块，用于将位移传感器检测值和二维力传感器检测值输入基于腿部机械结构搭建的腿部驱动***虚拟模型进行仿真，记录虚拟模型中各关节驱动单元的一维力传感器模拟检测值；
变量值和采样值获取模块，用于对于每一关节，将一维力传感器检测值和一维力传感器模拟检测值均减去足端处于初始位置时的一维力传感器检测值，得到每一关节实际检测值和每一关节模拟检测值，初始位置时的一维力传感器检测值为未对足端加载作用力时的一维力传感器检测值；
标定曲线获取模块，根据每一所述实际检测值和每一所述模拟检测值的线性关系，利用最小二乘法解出每一驱动单元的一维力传感器标定曲线；
标定模块，用于根据每一驱动单元的标定曲线和每一驱动单元原始标定系数得到每一驱动单元修正标定的系数，原始标定系数为出厂时的一维力传感器标定系数，根据每一驱动单元修正标定的系数对一维力传感器进行标定。
作为一种可选的实施方式，所述***还包括：验证模块，用于在得到每一驱动单元标定后的系数后，对标定方法的有效性进行验证。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法，其特征在于，所述方法包括：
在对足端进行作用力加载并卸载的过程中，利用上位机记录用于加载的二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值；
将所述位移传感器检测值和所述二维力传感器检测值输入基于腿部机械结构搭建的腿部驱动***虚拟模型进行仿真，记录所述虚拟模型中各关节驱动单元的一维力传感器模拟检测值；
对于每一关节，将所述一维力传感器检测值和所述一维力传感器模拟检测值均减去足端处于初始位置时的一维力传感器检测值，得到每一关节实际检测值和每一关节模拟检测值，所述初始位置时的一维力传感器检测值为未对足端加载作用力时的一维力传感器检测值；
根据每一所述实际检测值和每一所述模拟检测值间的线性关系，利用最小二乘法解出每一驱动单元的一维力传感器标定曲线；
根据每一驱动单元的所述标定曲线和每一驱动单元原始标定系数得到每一驱动单元修正标定的系数，所述原始标定系数为出厂时的一维力传感器标定系数；
根据所述每一驱动单元修正标定的系数对所述一维力传感器进行标定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在对足端加载作用力并卸载的过程中，利用上位机记录二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值，具体包括：
用手缓慢拉动固定有二维力传感器的木质长方体对足端进行力的加载，达到预设拉力后，缓慢卸载，记录加载和卸载过程中，二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述对足端加载作用力并卸载之前，根据腿部机械结构的尺寸以及几何关系，确定各关节驱动单元的伸出长度与各关节转角之间的映射关系；
基于所述映射关系以及由所述腿部机械结构得到的运动学模型，利用上位机控制腿部驱动***处于初始位置不动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述运动学模型的获取方法具体包括：
对所述足式机器人腿部机械结构进行简化，得到单腿机械结构的参数；
根据所述单腿机械结构的参数，确定所述腿部机械结构的正解部分；所述正解部分为根据髋关节的旋转角度、膝关节的旋转角度、踝关节的旋转角度、大腿长度、小腿长度和足端长度，求解足端相对于髋关节的位置的函数；
根据所述单腿机械结构的参数，确定所述腿部机械结构的反解部分；所述反解部分为根据足端相对于髋关节的位置和大腿长度、小腿长度以及足端长度，求解髋关节旋转角度、膝关节旋转角度和踝关节旋转角度的函数；
根据所述正解部分和所述反解部分得到所述运动学模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过Solideworks软件中的SimMechanicsLink工具搭建所述腿部驱动***虚拟模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标定方法还包括，在所述对所述一维力传感器进行标定后，对所述标定方法的有效性进行验证。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述标定方法的有效性进行验证具体包括：
当足端处于初始位置时，分别验证足端加载速度为快速加载/卸载以及缓慢加载/卸载过程中，足端x轴方向和y轴方向所述标定方法的有效性。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述标定方法的有效性进行验证还包括：
当足端处于非初始位置时，分别验证足端加载速度为快速加载/卸载以及缓慢加载/卸载过程中，足端x轴方向和y轴方向所述标定方法的有效性。
9.一种足式机器人腿部一维力传感器标定***，其特征在于，所述***包括：
传感器检测值获取模块，用于在对足端进行作用力加载并卸载的过程中，利用上位机记录用于加载的二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值；
仿真模块，用于将所述位移传感器检测值和所述二维力传感器检测值输入基于腿部机械结构搭建的腿部驱动***虚拟模型进行仿真，记录所述虚拟模型中各关节驱动单元的一维力传感器模拟检测值；
变量值和采样值获取模块，用于对于每一关节，将所述一维力传感器检测值和所述一维力传感器模拟检测值均减去足端处于初始位置时的一维力传感器检测值，得到每一关节实际检测值和每一关节模拟检测值，所述初始位置时的一维力传感器检测值为未对足端加载作用力时的一维力传感器检测值；
标定曲线获取模块，用于根据每一所述实际检测值和每一所述模拟检测值间的线性关系，利用最小二乘法解出每一驱动单元的一维力传感器标定曲线；
标定模块，用于根据每一驱动单元的所述标定曲线和每一驱动单元原始标定系数得到每一驱动单元修正标定的系数，所述原始标定系数为出厂时的一维力传感器标定系数，根据所述每一驱动单元修正标定的系数对所述一维力传感器进行标定。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述***还包括：
验证模块，用于在得到所述每一驱动单元标定后的系数后，对所述标定方法的有效性进行验证。
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