專利名稱：一種人形機器人足部壓力檢測裝置的制作方法
技術領域：
本設計是一種基于STM32微控制器和CAN總線的人形機器人足部壓力檢測裝置， 主要用于仿生學人形機器人，也可以用在其它仿生學機器人上，屬于機器人控制技術領域。
背景技術：
起初，為了檢測人形機器人足部是否貼緊地面(受力面)，足部壓力檢測裝置孕育而生，隨技術發(fā)展，該裝置現(xiàn)在主要用于人形機器人步態(tài)行走時的足部受力情況檢測。一般來講，傳統(tǒng)的壓力檢測裝置，主要由應變式傳感器和信號調(diào)理電路組成，其中應變式傳感器有行程開關式、位移傳感器式，電阻應變片式等。工作原理當人形機器人足面的傳感器接觸到受力面后，會產(chǎn)生機械形變，從而引發(fā)傳感器輸出信號的變化(對于開關類傳感器會產(chǎn)生高低電平信號變化，對于模擬類傳感器信號會在一定范圍內(nèi)變化)，這些信號經(jīng)過信號調(diào)理電路之后由嵌入式芯片采集、處理。這種傳統(tǒng)的足部壓力檢測主要存在以下這些不足(1)采用集中式布線控制，不便于分布式控制系統(tǒng)使用，每個足部多采用三點或者四點測壓力，采用集中式控制對主控制器負擔重，由于兩足用導線連接距離較遠，布線過長復雜，易受干擾。(2)測量精度偏低，測量范圍不易改變。(3)無法設定和存儲參數(shù)，不便于機器人設定傳感器地址、狀態(tài)等信息。(4)無電壓檢測，電流保護，容易在使用中過載造成傳感器的永久損壞。

實用新型內(nèi)容本實用新型主要針對在人形機器人上應用存在的以上問題，提供了一種基于 STM32F103微控制器的智能足部壓力檢測裝置，該裝置的電路結(jié)構(gòu)具有CAN雙向通信，四路差分輸入，四個電阻應變式高精度壓力傳感器，結(jié)構(gòu)緊湊，可安裝在小型舵機機器人足部， 安裝方便，智能化高，采樣精度高，反應靈敏，可安裝在多種仿生學機器人足部，特別是人形機器人雙足底部。本實用新型具有電源電壓檢測、過流保護功能；可以設定、存儲和讀取以下參數(shù) 設備ID號，每個傳感器編號、修正值、采樣速度及自動反饋的時間；可以單獨改變每一路傳感器放大器的增益值。本發(fā)明采用如下技術方案一種人形機器人足部壓力檢測裝置，包括CAN總線1、CAN總線驅(qū)動器2、微控制器 10、一路電源電壓檢測裝置6、過流自動保護裝置4、四路電阻應片式壓力傳感器9，四路低通濾波器8，四路差分放大電路7、穩(wěn)壓電源5和機器人支架；其特征在于CAN總線1接口與CAN總線驅(qū)動器2相連接，用于接收和發(fā)送CAN總線信號；CAN總線驅(qū)動器2與微控制器 10相連接；微控制器10的A/D轉(zhuǎn)換器接口與差分放大電路7輸出端口相連接；每路差分放大電路7輸入端口通過低通濾波器8與一個電阻應變橋式壓力傳感器9輸出信號端口連
3接；過流自動保護裝置4串聯(lián)在電源接口 3和穩(wěn)壓電源5中間；電源電壓檢測裝置6輸入端與穩(wěn)壓電源5輸入端口連接，輸出端與微控制器10的A/D轉(zhuǎn)換器接口相連接；穩(wěn)壓電源 5分別給各個芯片電路供電；所述的機器人支架包括機器人小腿支架13與機器人足部支架15，它們通過機器人踝關節(jié)14連接，四個壓力傳感器9 一端通過固定座17分別固定在機器人足部支架15底部四角，壓力傳感器9另一端通過橡膠腳墊18與地面接觸。所采用的微控制器10為STM32F微控制器，其含有FLASH存儲11。本實用新型的工作原理如下上位機發(fā)送命令給CAN總線，足部壓力傳感器結(jié)點接收到信號之后由微控制器處理執(zhí)行對應命令，微控制器通過CAN總線給上位機發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。壓力傳感器受力導致傳感器輸出信號發(fā)生變化，信號經(jīng)過濾波、放大器放大后，由微控制器采集并處理。微控制器實時采集四路傳感器信號和電源電壓檢測裝置信號，然后通過CAN總線按照用戶設定的規(guī)則和順序發(fā)送一路或者多路傳感器數(shù)據(jù)，一旦電壓超過限定值，則通過CAN總線和指示燈提示錯誤。通過CAN總線可以設定ID地址，每個傳感器的編號、采集順序、采樣速率以及自動反饋數(shù)據(jù)的時間間隔。當足部壓力檢測裝置超過額定電流值時，過流保護裝置斷開電源， 待一段時間后自動恢復連接。本發(fā)明較傳統(tǒng)機器人壓力檢測裝置有如下優(yōu)勢(1)集成度高，性能可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，可安裝在機器人足底，緊鄰傳感器，大大縮短傳感器信號線長度。(2)采用CAN總線接口，每個足部壓力檢測裝置作為一個節(jié)點，與其它CAN結(jié)點連接，雙向通信，形成分布式結(jié)構(gòu)，方便數(shù)據(jù)傳輸溜有兩個總線接口，節(jié)點可以并聯(lián)或者串聯(lián)在一起，靈活多變，大大簡化布線。(3)本裝置過流自動保護，過壓報警提示，延長其使用壽命。G)STM32F微控制器具有72MHz主頻，處理速度快，內(nèi)部ADC具有12位的高精度采集，最高IMHz轉(zhuǎn)換速率。(5) STM32F微控制器可以設定、存儲或者發(fā)送機器人壓力檢測裝置參數(shù)。(6)可以實時反饋一路或者多路傳感器信號、電源電壓大小。

圖1本實用新型的電路結(jié)構(gòu)圖圖2本實用新型的組裝結(jié)構(gòu)圖圖3本實用新型的接口示意圖圖中1、CAN總線，2、CAN總線驅(qū)動器，3、電源接口，4、過流自動保護裝置，5、穩(wěn)壓電源，6、電源電壓檢測裝置，7、差分放大電路，8、低通濾波器，9、壓力傳感器，10、微控制器， 11、Flash存儲，12、足部壓力檢測裝置主板，13、機器人小腿支架，14、機器人踝關節(jié)，15、機器人足部支架，16、總線接口，17、固定座，18、橡膠腳墊，19、電源(VCC)，20、地(GND)，21、 CAN 總線 H (CANH)，22、CAN 總線 L (CANL)
具體實施方式
4[0029]如圖2所示，本實例由三大部分組成機器人足部支架15、足部壓力檢測裝置主板 12和壓力傳感器9。其中，機器人小腿支架13與機器人足部支架15通過機器人踝關節(jié)14連接。四個壓力傳感器9 一端通過固定座17分別固定在機器人足部支架15底部四角，固定座17高約 5mm,大于壓力傳感器9測量范圍內(nèi)的最大形變距離；壓力傳感器9另一端通過高約8-lOmm 的橡膠腳墊18與地面接觸，四個橡膠腳墊18大小相同，彈性相同，起到支撐和緩沖作用；四個壓力傳感器9相互平行放置，保持在一個水平面內(nèi)，使其與水平地面放置時，受力均勻。 當橡膠腳墊18與地面接觸受力時，會引起與其連接的壓力傳感器9發(fā)生微小形變，從而導致壓力傳感器9的輸出信號發(fā)生變化。足部壓力檢測裝置主板12固定在機器人足部支架15底部中間；壓力傳感器9為電阻應變片橋式傳感器，用戶可以根據(jù)機器人的重量選擇不同測量范圍的壓力傳感器9，四個壓力傳感器9信號分別與足部壓力檢測裝置主板12上的四個濾波器8輸入端口連接，穩(wěn)壓電源3為四個壓力傳感器9提供電源。如圖3所示，位于足部壓力檢測裝置主板12上的總線接口 16包括兩部分CAN總線1和電源接口 3，該接口包含兩套總線接口，方便連接上下級。CAN總線1有兩條信號線CAN總線H(CANH) 21，CAN總線L(CANL) 22，用于連接上位機或者其它結(jié)點，接收命令或者發(fā)送足部壓力檢測裝置12狀態(tài)設置信息。電源接口 3有兩條線電源(VCC) 19和地(GND) 20，用于給足部壓力檢測裝置主板12提供電源。如圖1所示，CAN總線1與CAN總線驅(qū)動器2連接，CAN總線驅(qū)動器2與微控制器 10連接，用于發(fā)送和接收CAN總線1數(shù)據(jù)。電源接口 3與過流自動保護裝置4連接，如果超過額定電流(500mA)，自動保護裝置4將斷開電源連接，待一段時間(5-10秒)后自動恢復連接。過流自動保護裝置4與穩(wěn)壓電源5連接，穩(wěn)壓電源5為各個功能電路提供電源。電源電壓檢測裝置6實時檢測穩(wěn)壓電源5輸入端的電壓大小，其信號輸出端口與微控制器10 內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器接口連接，用于實時采集電源電壓大小，一旦電源電壓超過設定值，微控制器10向CAN總線1發(fā)送提示信息，并伴有發(fā)光二極管閃爍提示。每個壓力傳感器9的輸出信號經(jīng)過低通濾波器8濾波、差分放大電路7放大之后， 由微控制器10的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器接口采集并處理。差分放大電路7使用INA326，其為精密儀表放大器，具有體積小，低噪聲，放大倍數(shù)可調(diào)等特點，用戶可根據(jù)需求調(diào)整放大倍數(shù)。微控制器10使用的是STM32F103微控制器，內(nèi)部帶有Flash存儲11，用于存儲足部壓力檢測裝置的配置信息，微控制器10可以根據(jù)上位機通過CAN總線發(fā)來的命令，寫入或者讀取配置信息。微控制器10內(nèi)部帶有12位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，用于采集各傳感器數(shù)據(jù)。本足部壓力檢測裝置結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以安裝在小型舵機機器人足底，帶有過電流自動保護裝置4、電源電壓檢測裝置6，實際應用表明系統(tǒng)穩(wěn)定，應用靈活，能夠滿足一般機器人足部壓力檢測的應用需要。
權(quán)利要求1.一種人形機器人足部壓力檢測裝置，包括CAN總線(1)、CAN總線驅(qū)動器O)、微控制器(10)、一路電源電壓檢測裝置(6)、過流自動保護裝置G)、四路電阻應片式壓力傳感器(9)，四路低通濾波器⑶，四路差分放大電路(7)、穩(wěn)壓電源(5)和機器人支架；其特征在于CAN總線⑴接口與CAN總線驅(qū)動器⑵相連接，用于接收和發(fā)送CAN總線信號；CAN 總線驅(qū)動器( 與微控制器(10)相連接；微控制器(10)的A/D轉(zhuǎn)換器接口與差分放大電路(7)輸出端口相連接；每路差分放大電路(7)輸入端口通過低通濾波器(8)與一個電阻應變橋式壓力傳感器(9)輸出信號端口連接；過流自動保護裝置串聯(lián)在電源接口(3) 和穩(wěn)壓電源( 中間；電源電壓檢測裝置(6)輸入端與穩(wěn)壓電源( 輸入端口連接，輸出端與微控制器(10)的A/D轉(zhuǎn)換器接口相連接；穩(wěn)壓電源( 分別給各個芯片電路供電；所述的機器人支架包括機器人小腿支架(1 與機器人足部支架(15)，它們通過機器人踝關節(jié)(14)連接，四個壓力傳感器(9) 一端通過固定座(17)分別固定在機器人足部支架(1 底部四角，壓力傳感器(9)另一端通過橡膠腳墊(18)與地面接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人形機器人足部壓力檢測裝置，其特征在于所采用的微控制器(10)為STM32F微控制器，其含有FLASH存儲(11)。
專利摘要本實用新型公開了一種人形機器人足部壓力檢測裝置，包括CAN總線1、CAN總線驅(qū)動器2、微控制器10、一路電源電壓檢測裝置6、過流自動保護裝置4、四路電阻應片式壓力傳感器9，四路低通濾波器8，四路差分放大電路7、穩(wěn)壓電源5以及機器人支架。本實用新型集成度高，性能可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，可安裝在機器人足底，緊鄰傳感器，大大縮短傳感器信號線長度。
文檔編號G01L1/22GK202075069SQ20112005002
公開日2011年12月14日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者林志杰, 王鐵流, 高強 申請人:北京工業(yè)大學