一种腿式机器人单腿性能测试实验平台的制作方法

本发明涉及一种机器人腿部实验平台，具体来说，是一种腿式机器人单腿性能测试实验平台。

背景技术：

腿式机器人由于需要在多样复杂的不平整环境内进行运动，相比较于轮式和履带式机器人，腿式机器人与地面的接触轨迹是一系列离散的足印，与地面的接触面积较小，在大角度斜坡的情况下行走极有可能因附着力不足发生打滑；同时在重载情况下，有可能因地面破坏足部突然下陷而发生失稳。针对腿式机器人在行走过程中可能遇到的不同复杂地形环境，不同的地形坡度以及机器人自身的承载等不同条件，因此需要进行腿式机器人单腿性能测试平台的设计，以满足腿式机器人单腿性能在这些综合条件下的实验与研究。

目前，针对腿式机器人的实验平台主要有两种：一种是针对腿式机器人行走能力和性能的实验平台，如中国专利文献CN102156054A和中国专利文献CN103885446A所提到的足式机器人行走能力和双腿性能测试实验平台；另一种是针对足式机器人单腿性能实验的装置，中国专利文献CN102556197A所公开的“一种多足步行机器人单腿实验平台”，该单腿实验平台由单腿实验平台机械本体和单腿实验平台控制系统组成。该单腿实验平台可以获得实验平台的高度、步行机器人单腿在行进过程中臀部的高度变化曲线、步行机器人单腿的运动速度。但该实验平台不能实现对地形的模拟，也不能研究机器人承载对单腿的影响等多项单腿性能的实验和研究。中国专利文献CN102841602B所公开的“机器人单腿总成控制开发性能测试平台及方法”，该单腿实验平台适用于足式液压驱动机器人仿生步态生成中单腿运动与快速步态控制，以及机器人载荷分配等多项控制策略的开发与研究，但该实验平台不能实现对地形的模拟，也不能改变机器人单腿的承载来完成相关的实验与研究。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种腿式机器人单腿性能的测试实验平台，可实现待测试单腿机构的多自由度移动，同时通过盒子的角度调整装置实现了不同坡度和倾斜度的不同地形状态的模拟；且在试验过程可以改变外部承载并可以运用六维力传感器和拉力传感器检测出整个试验过程的受力情况；进而本发明可以在多项不同的外部条件下对单腿机构的性能进行试验和研究。

本发明腿式机器人单腿性能测试实验平台，包括机架、移动平台、升降装置和角度调整装置。所述机架顶面安装有沿空间y轴水平移动的移动平台；移动平台还安装有沿空间z轴竖直移动的升降装置；升降装置上设计有至少一个负载安装处，同时升降装置底部安装力传感器，用来连接待测单腿机构。机架底部安装有角度调整装置，为水平角度可调节的盒体，盒体内部用来盛装地形模拟材料。

上述移动平台由钢丝绳A牵引，钢丝绳A绕过机架上的力平衡滑轮后连接配重，实现移动平台水平摩擦力的平衡。升降装置由钢丝绳B牵引，钢丝绳B绕过移动平台上安装的重力补偿滑轮后连接配重，实现升降架自身重力的补偿。

本发明腿式机器人单腿性能测试实验平台，还包括升降滑轮与拉力滑轮；升降滑轮安装于盒体侧壁，相对盒体的上下位置可调；拉力滑轮安装于机架顶部边缘位置，钢丝绳C与待测单腿机构相连，绕过升降滑轮，再绕过拉力滑轮后连接拉力传感器与电机，通过电机转动使钢丝绳C回收，实现对待测单腿机构施加拉力。

本发明的优点在于：

1、本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台中，可以调整待测的单腿机构的水平方向和竖直方向的位置；同时，单腿机构位置调整的范围较大，可以适用于不同尺寸大小的单腿机构进行实验。

2、本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台中，角度调整装置中的盒体内可盛装不同种类的土壤，进而实现不同地形环境的模拟；且由于盒体的尺寸足够大，可满足消除盒子边界对待测单腿机构的影响。盒体底部采用角度调整装置，利用千斤顶可以调节盒体的水平角度，以模拟不同坡度的地形。

3、本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台中，采用水平方向力平衡装置，可以减少外界摩擦对实验的影响；同时采用了竖直方向上对升降架进行重力补偿的重力补偿装置，从而减少升降架自身重力对待测单腿机构的影响，使得单腿机构所受的外部承载完全取决于实验中升降架上的承载。

4、本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台中，采用外加杠铃片的方式可以自由改变添加在待测单腿机构的承载；且升降架底部装有一个六维力传感器，可以准确测量试验过程待测单腿机构的受力情况。

5、本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台中，通过盒体侧壁安装的升降滚轮机构，结合机架上安装的拉力滑轮，进而使钢丝绳经可升降滑轮与拉力滑轮后，将待测单腿机构、拉力传感器与外部电机或者重物相连，通过控制电机的转动或者可以在试验过程中测量待测腿受到的摩擦力情况。

附图说明

图1为本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台整体结构示意图；

图2为本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台的移动平台结构示意图；

图3为本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台的锁紧装置结构示意图；

图4为本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台的力平衡装置示意图；

图5为本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台的升降装置结构示意图；

图6为本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台的重力调节装置示意图；

图7为本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台的角度调整装置结构示意图；

图8为本发明腿式机器人单腿性能的测试实验平台的升降滑轮机构结构示意图。

图中：

1-机架 2-移动平台 3-升降装置

4-角度调整装置 101-支撑框架 102-顶部水平框架

103-导轨 104-地脚 105-拉力滑轮

201-平台 202-传动装置 203-锁紧装置

204-吊环螺钉A 205-力平衡滑轮 202a-输入轴

202b-主动齿轮 202c-手轮 202d-从动齿轮

202e-输出齿轮 202f-输出轴 301-升降架

302-导轨 303-齿条 304-杠铃片

305-六维力传感器 306-导轨支撑座 307-吊环螺钉B

308-重力补偿滑轮 401-底座支架 402-盒体

403-盒体支撑架 404-固定台 405-升降滑轮机构

404a-升降滑轮 404b-导向轴 404c-滑轮支架

404d-调节螺母

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明腿式机器人单腿性能测试实验平台由机架1、移动平台2、升降装置3和角度调整装置4，如图1所示。

所述机架1为空心结构，采用冷轧钢板通过焊接进行搭建而成，具有两侧的支撑框架101，以及顶部水平框架102；其中顶部水平框架102左右两侧安装有沿空间y轴设置的导轨103。上述支撑框架101的端部还安装有地脚104，用于机架1的水平调节，保证顶部水平框架102的水平度。上述机架1前后边缘中部还固定安装有拉力滑轮105，如图6所示。

所述移动平台2包括平台201、传动装置202、锁紧装置203与力平衡装置，如图2、图3所示。其中，平台201两侧通过滑块安装于顶部水平框架102两侧的导轨103上，使平台201可沿空间y轴方向移动。传动装置202包括输入轴202a、主动齿轮202b、手轮202c、从动齿轮202d、输出轴202e与输出齿轮202f。输入轴202a沿空间x轴设置；输入轴202a中部同轴固定套接有主动齿轮202b；输入轴202a两端分别通过轴承与平台201上表面的两个轴承支座A间连接。从动齿轮202d与输出齿轮202f位于主动齿轮前方，同轴固定套接于输出轴207中部，输出轴207两端分别通过轴承与平台201上表面的两个轴承支座B间连接；且从动齿轮202d与主动齿轮202b啮合。上述输入轴202a两端端部还同轴安装有手轮202c，通过转动手轮202c可实现输入轴202a的转动，进而通过主动齿轮202b带动从动齿轮202d与输出齿轮202f一并转动。上述主动齿轮202b半径大于从动齿轮202d半径，从而实现了减速和增加转矩的效果，可以实现实验过程中升降架301缓慢移动以及减少人员转动手轮202c所需的力。

锁紧装置203包括定位台203a与插销203b；同时在手轮202c周向等间隔设计开孔203c，共同实现手轮202c的固定。其中，定位台203a安装在平台201上，其上设计有定位孔，由此通过将插销203插入手轮上的开孔203c后，进一步插入定位台203a的定位孔内，即可将手轮202c固定。

力平衡装置包括吊环螺钉A204与力平衡滑轮205，如图4所示；其中，吊环螺钉A204固定于平台201后边缘中部；力平衡滑轮205轴线沿空间x轴设置，固定安装于顶部水平框架102后边缘中部。钢丝绳一端固定于吊环螺钉204上，另一端连接配重204c，且绕过力平衡滑轮205；由此实现移动平台2的水平摩擦力的平衡。

所述升降装置3包括升降架301、导轨302、齿条303、杠铃片304、六维力传感器305与重力补偿机构，如图5所示。其中，升降架301设置于平台201前部设计的缺口处，具有两侧及中部共三根垂直于水平面的纵梁。两侧纵梁上沿空间z轴安装有导轨302，导轨302上安装有滑块，通过滑块与平台201上安装的导轨支撑座306相连，由此实现升降架301整体沿空间z轴的移动。中部纵梁上沿空间z轴安装有齿条303，且齿条303与传动装置202中的输出齿轮202e啮合，使得传动装置202中输出轴202f的转动可带动升降架301的移动。

上述升降架301上设计有杠铃支柱，用来安装杠铃片304，由杠铃片304作为外部载荷作用在待测单腿机构上，杠铃片304的数量根据试验需要加载在待测单腿机构上的重量进行选取，通过杠铃片304中部通孔套在杠铃支柱上。为了能在升降架301上加载更多的杠铃片，从而使承载实验的外部载荷值增大，故在升降架301的顶部及两侧均设计由杠铃安装的支柱。升降架301底部的中心处固定安装有一个六维力传感器305，该六维力传感器305底部则与待测单腿机构的顶部相连，使杠铃片304、升降架301的质量可以直接作用于待测腿机构上，由六维力传感器305在实验过程中实时检测待测腿机构腿底部的受力情况。

所述重力补偿机构包括吊环螺钉B307、重力补偿滑轮308，如图6所示；其中，吊环螺钉B307安装于升降架301上中部纵梁下端，重力补偿滑轮308安装于平台201后端边缘中部；进而通过将钢丝绳B一端固定于吊环螺钉B307上，并绕过重力补偿滑轮308，另一端连接配重B，通过配重B的重力作用实现对升降架301自身重力的补偿，从而实现加载在待测单腿机构上的负载全部来自杠铃片304的质量。

所述角度调整装置4用于实现地形模拟，包括底座支架401、盒体402、盒体支撑架403与升降滑轮机构404，如图7所示。其中，底座支架401为空心结构，采用冷轧钢板通过焊接进行搭建而成。底座支架401平行于水平面设置，固定安装于机架1底部。上述底座支架401通过底座固定装置实现与机架1固定，从而使两者固定成一个整体，保证实验过程中底座支架401不会移动。底座支架401上安装有铰接座，通过铰接座铰接有盒体支撑架403，铰接轴沿空间x轴设置。盒体402采用立方体结构，安装于盒体支撑架403上；盒体402内用来盛装土壤砂石，实现不同地形环境的模拟。由此，通过外部设置的千斤顶对盒体支撑架403的作用，实现盒体402绕铰接轴转动，进而实现盒体402内部模拟的地形环境的坡度调整。上述盒体402侧壁上安装有升降滑轮机构404。升降滑轮机构404包括升降滑轮404a、导向轴404b、滑轮支架404c与调节螺母404d，如图8所示。升降滑轮404a的转动轴线沿空间x轴设置，安装于滑轮支架4043上，滑轮支架两端分别套在两根导向杆404b上。两根导向杆404b平行于盒体402侧壁，安装于固定台404上，固定台404与盒体402侧壁间固定，由此实现两根导向杆404b与盒体402间的定位，且使升降滑轮404通过两根导向杆404b导向沿空间z轴竖直移动。上述两根导向杆404上均螺纹安装有两个调节螺母404d，两个调节螺母404d分别位于滑轮支架404b两侧，通过调节螺母404d实现升降滑轮404a竖直位置的调整和固定；进而在利用钢丝绳C与待测单腿机构相连，绕过盒体402上的升降滑轮404a，再绕过固定支架机架1顶边上的拉力滑轮105；同时调节升降滑轮404a的位置，使钢丝绳C与盒体402内的模拟地形平行；钢丝绳C的另一端与拉力传感器以及电机连接，通过电机转动使钢丝绳C回收，实现对待测单腿机构施加拉力，可以对待测单腿机构与土壤环境的静摩擦力进行试验研究，利用拉力传感器可以测量这个过程中待测单腿的受力情况。

本发明腿式机器人单腿性能测试实验平台实验方法如下：

a、实验准备阶段；

首先将钢丝绳B一端穿过吊环螺钉B306a后缠绕固定于吊环螺钉B306a上，钢丝绳B绕过重量补偿滑轮306b后，另一端连接配重B，实现空载状态下的升降架301的重力平衡。同时，将钢丝绳A穿过吊环螺钉A204后缠绕固定于吊环螺钉A204上，钢丝绳A绕过力平衡滑轮205后，另一端连接配重A，实现移动平台2的摩擦力平衡。然后根据待测单腿机构的高度，通过人为转动手轮202c来调整升降架301的高度，并且通过锁紧装置5锁紧手轮4，使升降架301高度固定。将试验所需土壤沙石放置在角度调整装置4的盒体402内，将角度调整装置4推入机架1内部，通过底座固定装置将底座支架401与机架1间固定。最后将待测单腿机构与六维力传感器305固连，完成实验准备阶段。

b、实验阶段；

首先在升降架301上装上实验需求数量的杠铃片304作为负载，释放锁紧装置5，通过人为控制手轮202c转动使待单测腿机构缓慢下降到盒体402内的土壤表面，在稳定状态下，可以通过六维力传感器10测量待测单腿机构的受力情况。利用钢丝绳C与待测单腿机构相连，绕过盒体402上的升降滑轮404a，再绕过固定支架机架1顶边上的拉力滑轮105；同时调节升降滑轮404a的位置，使钢丝绳C与盒体402内的模拟地形平行；钢丝绳C的另一端与拉力传感器以及电机连接，通过电机转动使钢丝绳C回收，对待测单腿机构施加拉力，研究待测单腿机构与土壤环境的静摩擦力进行试验。

对于不同组实验，可以通过改变升降架301上的杠铃片304数量来改变待测单腿机构所受负载，改变盒体402内部的土壤类型以及可以利用外部千斤顶改变盒体402的角度以实现改变模拟地形的坡度。在不同的实验条件下，通过合理设计实验，重复上述的实验步骤，则可以对待测单腿机构性能在不同地形环境，不同坡度以不同负载的综合条件下进行实验与研究。