專利名稱：一種人形機(jī)器人腳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動(dòng)化控制領(lǐng)域，特別涉及機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域中的 一種人形機(jī)器人腳。
背景技術(shù)：
人形機(jī)器人或者雙足步行機(jī)器人與四足或六足步行機(jī)器人、 輪式機(jī)器人、爬行式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人等移動(dòng)機(jī)器人相比，有著更好的 環(huán)境適應(yīng)性，具有更加靈活的運(yùn)動(dòng)方向，具有處理復(fù)雜環(huán)境要求的能力，并 且可以與人進(jìn)行友好的交流。因此，人形機(jī)器人在家庭、社會(huì)服務(wù)、醫(yī)療、 工業(yè)制造、航空航天以及一些不適于人類的特定環(huán)境條件等方面有著廣闊的 應(yīng)用前景。人形機(jī)器人研究的一個(gè)關(guān)鍵問題是實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定的行走，目前對人形機(jī)器人行走步態(tài)規(guī)劃和穩(wěn)定性控制主要采用南斯拉夫?qū)W者M(jìn)iomir Vukobratovich 發(fā)明的零力矩點(diǎn)ZMP ( Zero Moment Point)控制理論，即通過在雙足機(jī)器人 的踝關(guān)節(jié)安裝六維力傳感器測量地面反作用力，來實(shí)現(xiàn)對ZMP軌跡的檢測和 補(bǔ)償。但是，由于人形機(jī)器人的重心位置比其他多足行走機(jī)器人的重心位置 要高，人形機(jī)器人行走時(shí)的ZMP穩(wěn)定區(qū)域比多足機(jī)器人行走時(shí)的ZMP穩(wěn)定區(qū) 域要窄得多，因此，機(jī)器人行走路面的變化引起姿勢改變的問題對于人形機(jī) 器人的步態(tài)規(guī)劃尤其重要。當(dāng)人形機(jī)器人通過地面上有障礙物的區(qū)域或者地面不平的區(qū)域時(shí)，即使 機(jī)器人使用視覺系統(tǒng)來確定周圍的環(huán)境，仍會(huì)產(chǎn)生機(jī)器人腳部和地面之間無 有效相互作用的問題，此時(shí)機(jī)器人的腳不能適當(dāng)?shù)靥ぴ诘孛嫔?，就?huì)降低人 形機(jī)器人步態(tài)的穩(wěn)定性和自然性，即在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境發(fā)生 變化時(shí)，特別是凹凸不平的路面狀況下，有時(shí)整個(gè)腳不能踩在路面上，此時(shí) 無法正確檢測出腳底的地面反作用力，從而無法正確進(jìn)行ZMP補(bǔ)償，因此 在進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時(shí)僅依靠六維力傳感器檢測的信息是不夠充分的，還必須考 慮路面狀況、腳底板與地面接觸位置以及腳底板的傾斜狀態(tài)等因素。
人形機(jī)器人行走時(shí)，當(dāng)機(jī)器人的腳與路面接觸時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沖擊，沖擊會(huì) 通過踝關(guān)節(jié)傳送到機(jī)器人的軀干，由于沖擊，機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡可能被干擾， 可能導(dǎo)致機(jī)器人步態(tài)的不穩(wěn)定。此外，沖擊引起的腳部振動(dòng)被傳送到機(jī)器人 的軀干，還會(huì)降低機(jī)器人的控制穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)人形機(jī)器人腳時(shí)需要考慮吸 收沖擊的問題。在現(xiàn)有技術(shù)中有多種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腳，經(jīng)檢索查新，其中專利號為CN1313251C是最接近的專利技術(shù)。它具體公開了 "一種人形機(jī)器人腳及 腳力信息檢測方法"包括橡膠腳底層、腳板、轉(zhuǎn)接板和六分量力傳感器等， 在此專利中，橡膠腳底層直接安裝在腳板的下面，六分量力傳感器通過轉(zhuǎn)接 板安裝在腳板的上面，檢測機(jī)器人腳與地面接觸時(shí)的六維力信息?，F(xiàn)有技術(shù)中的人形機(jī)器人腳存在著不足之處，其人形機(jī)器人腳上只安裝 六分量力傳感器來檢測地面反作用力，安裝的傳感器種類比較少，獲取的信 息比較單一，無法提供諸如人形機(jī)器人腳腳底與地面的接觸位置、腳板的傾 斜角度以及行走路面的平整度等信息，不能為人形機(jī)器人的ZMP補(bǔ)償以及 步態(tài)規(guī)劃提供更加充分的信息。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是避免上述現(xiàn)有技術(shù)中人形機(jī)器人腳的不 足之處，提供一種能夠?qū)崟r(shí)同步獲取機(jī)器人行走過程中的地面反作用力、腳 與路面的接觸位置、接觸形狀、腳板的傾斜角度以及行走路面的平整度等信 息的人形機(jī)器人腳，為機(jī)器人的ZMP補(bǔ)償和步態(tài)規(guī)劃提供更加充分的信息， 提高人形機(jī)器人行走時(shí)的步態(tài)穩(wěn)定性和自然性。本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種人形機(jī)器人腳，包括相互機(jī)械連接的橡膠腳 底層、腳板、六維力傳感器和信號處理系統(tǒng)，特別是橡膠腳底層直接與地面接觸，橡膠腳底層的上面依次安裝有觸覺陣列墊 和腳板，觸覺陣列墊置有絕緣墊和觸覺陣列，橡膠腳底層的大小、形狀與觸 覺陣列墊、腳板的底面一致；腳板的底面、上表面都是平面，上表面有凹臺(tái)或凸臺(tái)，并與腳板的底面 平行，腳板置于觸覺陣列墊之上，即觸覺陣列墊安裝在橡膠腳底層和腳板之 間，腳板的前部安裝有信號處理系統(tǒng)、中部安裝有傾角傳感器，腳板與模仿 人腳的形狀腳面機(jī)械連接；
六維力傳感器安裝在腳板的腳跟處，六維力傳感器上面安裝有上法蘭， 通過螺栓機(jī)械連接，上法蘭通過螺栓與人形機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)機(jī)械連接，六維 力傳感器下面安裝有下法蘭，通過螺栓與腳板機(jī)械連接；信號處理系統(tǒng)安裝在腳板的前部，實(shí)時(shí)采集和處理六維力傳感器、傾角 傳感器以及觸覺陣列墊發(fā)來的信息，并將這些信息通過通訊總線傳送給人形 機(jī)器人的控制系統(tǒng)。作為對現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，橡膠腳底層與路面接觸的下表面有防滑槽，橡膠腳底層具有彈性，用于吸收人形機(jī)器人腳著地時(shí)的沖擊力；六維力傳感器是E型膜片結(jié)構(gòu)六維力傳感器，或者十字梁結(jié)構(gòu)六維力傳感器，或者其它結(jié)構(gòu)的六維力傳感器；傾角傳感器是檢測X、 Y、 Z軸傾斜角度的三維傾角傳感器ADXL330,或是檢測X、 Y軸傾斜角度的二維傾角傳感器ADXL203或ADXL323或ADXL311或固A6260Q或畫A6263Q。相對于現(xiàn)有技術(shù)CN1313251C,本發(fā)明的有益效果是其一，在人形機(jī)器人腳上增加傾角傳感器，檢測人形機(jī)器人腳行走時(shí)腳 板與三維空間直角坐標(biāo)系中X、 Y、 Z軸之間的偏轉(zhuǎn)角度，計(jì)算人形機(jī)器人行 走時(shí)腳板的傾斜角度；其二，在人形機(jī)器人腳上增加觸覺陣列墊，在人形機(jī)器人行走過程中腳與路面接觸時(shí)，實(shí)時(shí)檢測腳與路面的接觸位置及接觸形狀；其三，本發(fā)明中通過實(shí)時(shí)同步檢測腳板的傾斜角度和腳與路面的接觸位 置、接觸形狀等信息，綜合判斷人形機(jī)器人行走時(shí)腳與地面的接觸情況，推 測人形機(jī)器人行走路面的平整度情況；其四，本發(fā)明中在人形機(jī)器人腳上安裝信號處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)同步采集和 處理傾角傳感器、六維力傳感器以及觸覺陣列墊的信息，綜合利用這些信息 來計(jì)算人形機(jī)器人行走時(shí)的ZMP軌跡，判斷腳的狀態(tài)，推測人形機(jī)器人行走 時(shí)的路面情況，并發(fā)送給人形機(jī)器人的控制系統(tǒng)，減少了人形機(jī)器人控制系 統(tǒng)的計(jì)算工作量，節(jié)約了控制系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間，為人形機(jī)器人的控制系統(tǒng)提
供實(shí)時(shí)的步態(tài)信息，而且為人形機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃提供更加充分的路面環(huán)境 信息，有利于提高人形機(jī)器人行走時(shí)的步態(tài)穩(wěn)定性和自然性。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖l為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的俯視圖。圖3為本發(fā)明中觸覺陣列墊的俯視圖。 圖4為本發(fā)明中信號處理系統(tǒng)的原理圖。圖5為本發(fā)明中六維力傳感器和傾角傳感器的安裝位置及坐標(biāo)系定義的 示意圖。
具體實(shí)施方式
圖l是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。其中l(wèi)是橡膠腳底層；2是腳板；3 是六維力傳感器；4是上法蘭；5是下法蘭；6是傾角傳感器；7是觸覺陣列 墊；8是信號處理系統(tǒng)；9是腳面。本發(fā)明中的腳面9模仿人腳的形狀，使人形機(jī)器人腳看起來更接近人類。 腳板2的底面是平面，上表面是平面，或者有凹臺(tái)或凸臺(tái)，凸臺(tái)或凹臺(tái)的表 面與腳板2的底面平行。本發(fā)明中的觸覺陣列墊7安裝在腳板2的下面，橡 膠腳底層1安裝在觸覺陣列墊7的下面。橡膠腳底層l位于腳的最下面，直 接與路面接觸，其大小、形狀與觸覺陣列墊7和腳板2的下表面一致，橡膠 腳底層1與地面接觸的下表面有防滑槽，并且具有適當(dāng)?shù)膹椥?，能夠吸收機(jī) 器人腳著地時(shí)的沖擊力，提高人形機(jī)器人腳的控制穩(wěn)定性。圖2為本發(fā)明的俯視圖。其中，信號處理系統(tǒng)8安裝在腳板2的前部， 傾角傳感器6安裝在腳板2的中部，六維力傳感器3安裝在腳板2的腳跟處。上法蘭4通過螺栓10安裝在六維力傳感器3的上面，通過螺栓11與人 形機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)連接，下法蘭5安裝在六維力傳感器3的下面，通過螺栓 與腳板2連接。六維力傳感器3位于人形機(jī)器人腳的踝關(guān)節(jié)與腳板之間，當(dāng) 機(jī)器人行走時(shí)，實(shí)時(shí)檢測人形機(jī)器人腳與路面接觸時(shí)的地面反作用力信息， 此信息用來計(jì)算人形機(jī)器人行走時(shí)的ZMP位置，判斷的ZMP位置是否在穩(wěn)定 區(qū)域內(nèi)，并為人形機(jī)器人下一步的步態(tài)規(guī)劃提供依據(jù)。圖3為本發(fā)明中觸覺陣列墊的俯視圖。本發(fā)明中的觸覺陣列墊7由絕緣墊12和觸覺陣列13組成。觸覺陣列墊7的大小、形狀與橡膠腳底層l和腳 板2的底面一致，安裝在橡膠腳底層1和腳板2之間。當(dāng)人形機(jī)器人行走過 程中腳與路面接觸時(shí)，通過觸覺陣列13來實(shí)時(shí)獲取人形機(jī)器人腳與路面的接 觸位置以及接觸形狀等信息。圖4為本發(fā)明中信號處理系統(tǒng)的原理圖。本發(fā)明中的信號處理系統(tǒng)8以 微處理器ADuC812為核心，通過A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)實(shí)時(shí)釆集傾角傳感器6和 六維力傳感器3的信息，通過I/O (輸入輸出接口 )實(shí)時(shí)釆集觸覺陣列墊7 的信息，對這些信息進(jìn)行處理，并通過通訊總線與人形機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn) 行通訊。本發(fā)明中的六維力傳感器3獲取人形機(jī)器人行走時(shí)的地面反作用力信 息，傾角傳感器6獲取人形機(jī)器人行走過程中腳板的傾斜角度信息，觸覺陣 列墊7獲取人形機(jī)器人行走過程中腳與路面的接觸位置與接觸狀態(tài)等信息。 信號處理系統(tǒng)8實(shí)時(shí)釆集這些傳感器的信息，計(jì)算腳板的傾斜角度、腳與地 面的接觸位置、接觸形狀、行走路面的平整度以及地面的反作用力，并綜合 這些信息計(jì)算人形機(jī)器人行走時(shí)的ZMP軌跡，判斷人形機(jī)器人腳的狀態(tài)，推 測行走的路面情況，規(guī)劃人形機(jī)器人的步態(tài)，提高人形機(jī)器人行走時(shí)的步態(tài) 穩(wěn)定性和自然性。圖5為本發(fā)明中六維力傳感器和傾角傳感器的安裝位置及坐標(biāo)系定義的 示意圖。本發(fā)明中六維力傳感器3安裝在腳板2的腳跟處，腳跟的上表面與 腳板2的前半部分在一個(gè)平面上，或者有凸臺(tái)。傾角傳感器6是檢測X、 Y、 Z軸傾斜角度的三維傾角傳感器，或者是檢測X、 Y軸傾斜角度的二維傾角傳 感器，傾角傳感器6安裝在腳板2的中部。六維力傳感器3和傾角傳感器6 的坐標(biāo)系定義為朝著腳尖的方向定義為三維空間中Y軸的正方向，Z軸朝 向機(jī)器人的頭部，根據(jù)右手螺旋法則可以確定X軸的正方向。六維力傳感器 3檢測人形機(jī)器人行走過程中腳與路面接觸時(shí)的三維力Fx、 Fy、 Fz和三維力 矩Mx、 My、 Mz信息，傾角傳感器6檢測人形機(jī)器人行走過程中腳板2與X、 Y、 Z軸之間的傾斜角度信息。
實(shí)施例將本發(fā)明提出的2只人形機(jī)器人腳通過上法蘭分別安裝在人形機(jī)器人左右兩條腿的踝關(guān)節(jié)上，將人形機(jī)器人腳上信號處理系統(tǒng)的信號線與人形機(jī)器 人的控制系統(tǒng)連接。人形機(jī)器人腳上的橡膠腳底層1的下表面有防滑槽，并 且具有適當(dāng)?shù)膹椥裕軌蛭杖诵螜C(jī)器人腳著地時(shí)的沖擊力，提高人形機(jī)器 人的控制穩(wěn)定性。當(dāng)人形機(jī)器人行走時(shí)，六維力傳感器實(shí)時(shí)檢測人形機(jī)器人行走過程中腳與路面接觸時(shí)的三維力Fx、 Fy、 Fz和三維力矩Mx、 My、 Mz信 息，傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測人形機(jī)器人行走過程中腳板與X、 Y、 Z軸之間的傾斜 角度信息，觸覺陣列墊實(shí)時(shí)檢測人形機(jī)器人腳與路面的接觸位置與接觸狀態(tài) 等信息，信號處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集這些傳感器的信息，計(jì)算腳板的傾斜角度、 腳與地面的接觸位置、接觸形狀、行走路面的平整度以及地面的反作用力， 綜合這些信息計(jì)算人形機(jī)器人行走時(shí)的ZMP軌跡，判斷腳的狀態(tài)，推測人形機(jī)器人的行走路面情況，并將這些信息發(fā)送給人形機(jī)器人的控制系統(tǒng)，減少 了人形機(jī)器人控制系統(tǒng)的計(jì)算工作量，節(jié)約了控制系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間，不僅為 人形機(jī)器人的控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的步態(tài)信息，而且為人形機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃 提供更加充分的路面環(huán)境信息，有利于提高人形機(jī)器人行走時(shí)的步態(tài)穩(wěn)定性 和自然性。
權(quán)利要求
1、一種人形機(jī)器人腳，包括相互機(jī)械連接的橡膠腳底層(1)、腳板(2)、六維力傳感器(3)和信號處理系統(tǒng)(8)，其特征在于所述的橡膠腳底層(1)直接與地面接觸，所述的橡膠腳底層(1)的上面依次安裝有觸覺陣列墊(7)和腳板(2)，所述的觸覺陣列墊(7)置有絕緣墊(12)和觸覺陣列(13)，所述的橡膠腳底層(1)的大小、形狀與觸覺陣列墊(7)、腳板(2)的底面一致；所述的腳板(2)的底面、上表面都是平面，上表面有凸臺(tái)或凹臺(tái)并與腳板(2)的底面平行，腳板(2)置于觸覺陣列墊(7)之上，即所述的觸覺陣列墊(7)安裝在橡膠腳底層(1)和腳板(2)之間，所述的腳板(2)的前部安裝有信號處理系統(tǒng)(8)、中部安裝有傾角傳感器(6)，所述的腳板(2)與模仿人腳的形狀，與腳面(9)機(jī)械連接；所述的六維力傳感器(3)安裝在腳板(2)的腳跟處，所述的六維力傳感器(3)上面安裝有上法蘭(4)，通過螺栓(10)機(jī)械連接，所述的上法蘭(4)通過螺栓(11)與人形機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)機(jī)械連接，所述的六維力傳感器(3)下面安裝有下法蘭(5)與腳板(2)機(jī)械連接；所述的信號處理系統(tǒng)(8)安裝在腳板(2)的前部，實(shí)時(shí)采集和處理六維力傳感器(3)、傾角傳感器(6)以及觸覺陣列墊(7)發(fā)來的信息，并將這些信息通過通訊總線傳送給人形機(jī)器人的控制系統(tǒng)。
4、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種人形機(jī)器人腳，其特征是所說傾角傳感 器(6)是檢測X、 Y、 Z軸傾斜角度的三維傾角傳感器ADXL330，或是檢測X、 Y軸傾斜角度的二維傾角傳感器ADXL203或ADXL323或ADXL311或MMA6260Q 或MMA6263Q。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種人形機(jī)器人腳，包括橡膠腳底層、腳板、六維力傳感器、上法蘭、下法蘭、傾角傳感器、觸覺陣列墊、信號處理系統(tǒng)和腳面。信號處理系統(tǒng)安裝在腳板的前部，傾角傳感器安裝在中部，六維力傳感器安裝在腳跟處。當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，人形機(jī)器人腳上的六維力傳感器檢測機(jī)器人行走過程中腳與路面接觸時(shí)的地面反作用力，傾角傳感器檢測腳板的傾斜角度，觸覺陣列墊檢測腳與路面的接觸位置與接觸狀態(tài)等信息，信號處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和處理這些信息，計(jì)算機(jī)器人行走時(shí)的ZMP軌跡，判斷腳的狀態(tài)，推測機(jī)器人的行走路面情況，并發(fā)送給機(jī)器人的控制系統(tǒng)，為機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃提供依據(jù)，提高人形機(jī)器人行走時(shí)的步態(tài)穩(wěn)定性和自然性。
文檔編號A63H11/00GK101108146SQ20071013110
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月20日
發(fā)明者吳仲城, 吳寶元, 沈春山, 飛 申 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院