專利名稱：一種人形機器人腳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動化控制領(lǐng)域，特別涉及機器人應(yīng)用領(lǐng)域中的 一種人形機器人腳。
背景技術(shù)：
人形機器人或者雙足步行機器人與四足或六足步行機器人、 輪式機器人、爬行式機器人和履帶式機器人等移動機器人相比，有著更好的 環(huán)境適應(yīng)性，具有更加靈活的運動方向，具有處理復(fù)雜環(huán)境要求的能力，并 且可以與人進行友好的交流。因此，人形機器人在家庭、社會服務(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。人形機器人研究的一個關(guān)鍵問題是實現(xiàn)其穩(wěn)定的行走，目前對人形機器人行走步態(tài)規(guī)劃和穩(wěn)定性控制主要采用南斯拉夫?qū)W者Miomir Vukobratovich 發(fā)明的零力矩點ZMP ( Zero Moment Point)控制理論，即通過在雙足機器人 的踝關(guān)節(jié)安裝六維力傳感器測量地面反作用力，來實現(xiàn)對ZMP軌跡的檢測和 補償。但是，由于人形機器人的重心位置比其他多足行走機器人的重心位置 要高，人形機器人行走時的ZMP穩(wěn)定區(qū)域比多足機器人行走時的ZMP穩(wěn)定區(qū) 域要窄得多，因此，機器人行走路面的變化引起姿勢改變的問題對于人形機 器人的步態(tài)規(guī)劃尤其重要。當(dāng)人形機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，即使 機器人使用視覺系統(tǒng)來確定周圍的環(huán)境，仍會產(chǎn)生機器人腳部和地面之間無 有效相互作用的問題，此時機器人的腳不能適當(dāng)?shù)靥ぴ诘孛嫔?，就會降低?形機器人步態(tài)的穩(wěn)定性和自然性，即在機器人運動過程中，當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境發(fā)生 變化時，特別是凹凸不平的路面狀況下，有時整個腳不能踩在路面上，此時 無法正確檢測出腳底的地面反作用力，從而無法正確進行ZMP補償，因此 在進行步態(tài)規(guī)劃時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。
人形機器人行走時，當(dāng)機器人的腳與路面接觸時就會產(chǎn)生沖擊，沖擊會 通過踝關(guān)節(jié)傳送到機器人的軀干，由于沖擊，機器人的動態(tài)平衡可能被干擾， 可能導(dǎo)致機器人步態(tài)的不穩(wěn)定。此外，沖擊引起的腳部振動被傳送到機器人 的軀干，還會降低機器人的控制穩(wěn)定性，在設(shè)計人形機器人腳時需要考慮吸 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，檢測機器人腳與地面接觸時的六維力信息?，F(xiàn)有技術(shù)中的人形機器人腳存在著不足之處，其人形機器人腳上只安裝 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，不能為人形機器人的ZMP補償以及 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)中人形機器人腳的不 足之處，提供一種能夠?qū)崟r同步獲取機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 息的人形機器人腳，為機器人的ZMP補償和步態(tài)規(guī)劃提供更加充分的信息， 提高人形機器人行走時的步態(tài)穩(wěn)定性和自然性。本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種人形機器人腳，包括相互機械連接的橡膠腳 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，上表面有凹臺或凸臺，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， 通過螺栓機械連接，上法蘭通過螺栓與人形機器人的踝關(guān)節(jié)機械連接，六維 力傳感器下面安裝有下法蘭，通過螺栓與腳板機械連接；信號處理系統(tǒng)安裝在腳板的前部，實時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 機器人的控制系統(tǒng)。作為對現(xiàn)有技術(shù)的進一步改進，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，用于吸收人形機器人腳著地時的沖擊力；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，在人形機器人腳上增加傾角傳感器，檢測人形機器人腳行走時腳 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，計算人形機器人行 走時腳板的傾斜角度；其二，在人形機器人腳上增加觸覺陣列墊，在人形機器人行走過程中腳與路面接觸時，實時檢測腳與路面的接觸位置及接觸形狀；其三，本發(fā)明中通過實時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，綜合判斷人形機器人行走時腳與地面的接觸情況，推 測人形機器人行走路面的平整度情況；其四，本發(fā)明中在人形機器人腳上安裝信號處理系統(tǒng)，實時同步采集和 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 來計算人形機器人行走時的ZMP軌跡，判斷腳的狀態(tài)，推測人形機器人行走 時的路面情況，并發(fā)送給人形機器人的控制系統(tǒng)，減少了人形機器人控制系 統(tǒng)的計算工作量，節(jié)約了控制系統(tǒng)的計算時間，為人形機器人的控制系統(tǒng)提
供實時的步態(tài)信息，而且為人形機器人的步態(tài)規(guī)劃提供更加充分的路面環(huán)境 信息，有利于提高人形機器人行走時的步態(tài)穩(wěn)定性和自然性。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。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，或者有凹臺或凸臺，凸臺或凹臺的表 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 器人腳著地時的沖擊力，提高人形機器人腳的控制穩(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位于人形機器人腳的踝關(guān)節(jié)與腳板之間，當(dāng) 機器人行走時，實時檢測人形機器人腳與路面接觸時的地面反作用力信息， 此信息用來計算人形機器人行走時的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)人形機器人行走過 程中腳與路面接觸時，通過觸覺陣列13來實時獲取人形機器人腳與路面的接 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)實時釆集傾角傳感器6和 六維力傳感器3的信息，通過I/O (輸入輸出接口 )實時釆集觸覺陣列墊7 的信息，對這些信息進行處理，并通過通訊總線與人形機器人的控制系統(tǒng)進 行通訊。本發(fā)明中的六維力傳感器3獲取人形機器人行走時的地面反作用力信 息，傾角傳感器6獲取人形機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實時釆集這些傳感器的信息，計算腳板的傾斜角度、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 這些信息計算人形機器人行走時的ZMP軌跡，判斷人形機器人腳的狀態(tài)，推 測行走的路面情況，規(guī)劃人形機器人的步態(tài)，提高人形機器人行走時的步態(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的前半部分在一個平面上，或者有凸臺。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檢測人形機器人行走過程中腳與路面接觸時的三維力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。
實施例將本發(fā)明提出的2只人形機器人腳通過上法蘭分別安裝在人形機器人左右兩條腿的踝關(guān)節(jié)上，將人形機器人腳上信號處理系統(tǒng)的信號線與人形機器 人的控制系統(tǒng)連接。人形機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器人腳著地時的沖擊力，提高人形機器 人的控制穩(wěn)定性。當(dāng)人形機器人行走時，六維力傳感器實時檢測人形機器人行走過程中腳與路面接觸時的三維力Fx、 Fy、 Fz和三維力矩Mx、 My、 Mz信 息，傾角傳感器實時檢測人形機器人行走過程中腳板與X、 Y、 Z軸之間的傾斜 角度信息，觸覺陣列墊實時檢測人形機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)實時采集這些傳感器的信息，計算腳板的傾斜角度、 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， 綜合這些信息計算人形機器人行走時的ZMP軌跡，判斷腳的狀態(tài)，推測人形機器人的行走路面情況，并將這些信息發(fā)送給人形機器人的控制系統(tǒng)，減少 了人形機器人控制系統(tǒng)的計算工作量，節(jié)約了控制系統(tǒng)的計算時間，不僅為 人形機器人的控制系統(tǒng)提供實時的步態(tài)信息，而且為人形機器人的步態(tài)規(guī)劃 提供更加充分的路面環(huán)境信息，有利于提高人形機器人行走時的步態(tài)穩(wěn)定性 和自然性。
權(quán)利要求
1、一種人形機器人腳，包括相互機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，上表面有凸臺或凹臺并與腳板(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)機械連接，所述的上法蘭(4)通過螺栓(11)與人形機器人的踝關(guān)節(jié)機械連接，所述的六維力傳感器(3)下面安裝有下法蘭(5)與腳板(2)機械連接；所述的信號處理系統(tǒng)(8)安裝在腳板(2)的前部，實時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)機器人行走時，人形機器人腳上的六維力傳感器檢測機器人行走過程中腳與路面接觸時的地面反作用力，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)實時采集和處理這些信息，計算機器人行走時的ZMP軌跡，判斷腳的狀態(tài)，推測機器人的行走路面情況，并發(fā)送給機器人的控制系統(tǒng)，為機器人的步態(tài)規(guī)劃提供依據(jù)，提高人形機器人行走時的步態(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