足式步行机器人双腿脚力测试实验平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种足式步行机器人双腿脚力测试实验平台。该实验平台由机器人双腿实验台架、机器人单腿总成、机器人双腿连接器、机器人双腿实验机构以及机器人双腿控制器组成。其中，两个机器人单腿总成通过机器人双腿连接器连接在一起。机器人双腿实验机构通过竖直导轨上的滑块与机器人双腿连接器连接在一起。机器人双腿控制系统通过建立上下位机的通讯，对机器人双腿实验平台的数据进行采集处理，并对运动策略进行规划控制。本平台主要适用于对足式步行机器人的单腿脚力控制和双腿脚力控制、不同地形下的行走测试、载荷分配，步态规划，适合足式机器人的研究人员的先期研究以及控制策略的验证，具有成本低，制作简单，实验结果准确可靠的特点。
【专利说明】足式步行机器人双腿脚力测试实验平台
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机器人腿部实验平台，尤其涉及足式步行机器人双腿脚力测试实验平台。
【背景技术】
[0002]足式步行机器人由于需要在复杂的不平整环境内进行运动，而且与其他机械手不同，在与环境接触时是一个关于足端反力的静不定系统。因此，有必要对步行机器人的脚力进行规划和控制，足式步行机器人在执行不同作业任务的过程中，需要不断变换或保持一定的姿态；而不同的姿态会产生不同的足力分配，这就要求机器人腿部对上层规划器所要求的脚力具有快速、准确的跟踪能力，或者能维持足端支撑力在一定预期允许范围内变化。在非结构化环境中，经常会遇到凸凹不平、有深坑、刚度不同的路面，或者碰到非预期的障碍等情况，而受到不同的足力，这在一定程度上要求机器人能通过足力变化感知该类环境并做出不同的处理，以增强机器人对非结构环境的适应性和稳定性。足式步行机器人脚力控制是足式步行机器人是否能够顺利行走和执行任务的关键。
[0003]目前，针对足式机器人的实验平台主要有两种:一种是针对足式机器人行走能力测试的实验装置，如中国专利文献CN102156054A所提到的一种足式机器人行走能力实验装置；另一种是针对足式机器人单腿性能实验的装置，如中国专利文献中国专利文献CN102556197A和中国专利文献CN102841602A所提到的单腿实验平台。然而，缺少对足式机器人双腿性能测试，特别是针对双腿脚力控制的实验台。
[0004]针对这一情况，本发明首次提出了一种足式步行机器人双腿动态脚力测试实验平台，该平台适用于双足，四足或者多足步行机器人在不同躯体高度，不同行进速度，不同步态，不同地面等不同运动状态，对机器人在支撑相和摆动相过程中进行脚力测试，进而实现机器人脚力的控制与研究。
【发明内容】
[0005]为了对足式机器人的双腿脚力进行控制，本发明提出了一种足式步行机器人双腿实验平台，该双腿试验平台不仅可以进行足式步行机器人单腿的一系列相关实验，而且可以进行足式步行机器人双腿的相关实验，特别是双腿的脚力控制。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的方案是:足式机器人双腿实验平台包括机器人双腿实验台架、机器人单腿总成、机器人双腿连接器、机器人双腿实验机构以及机器人双腿控制器。
[0007]机器人双腿实验台架采用工业铝合金型材进行搭建，通过支架和先装螺帽/后装螺帽把铝合金型材连接在一起。
[0008]机器人单腿总成分为髋部、膝部、踝部和足部，其中髋部、膝部和踝部各由一个舵机组成，分别提供髋关节、膝关机和踝关节的运动自由度，髋关节和膝关节通过叉形舵机连接器连接，膝关节和踝关节通过矩形舵机连接器连接，机器人单腿总成与机器人双腿连接器通过U型舵机连接器连接。足部由五维力传感器和球形足端组成，五维力传感器通过法兰与球形足端相连，整个足部通过叉形舵机连机器与踝部相连。
[0009]双腿连接器由水平U型树脂板和竖直U型树脂板组成。
[0010]机器人双腿实验机构由竖直导轨、水平导轨、竖直位移传感器、水平位移传感器组成，其中，竖直导轨上的滑块连接机器人双腿连接器的水平U型树脂板，竖直导轨通过L型角钢与水平导轨上的滑块连接在一起，水平导轨固定在机器人双腿实验台架底部中间的水平铝合金型材上，竖直位移传感器通过矩形树脂板与水平导轨滑块连接在一起，水平位移传感器通过水平位移传感器滑动连接器与竖直导轨相连并通过水平位移传感器固定连接器固定在机器人双腿实验台架的铝合金型材上。
[0011]机器人双腿控制器与机器人腿上的舵机以及水平传感器、位移传感器、五维力传感器进行连接，并通过以太网与上位机进行连接，进行上下位机的联合控制。
[0012]本发明的有益效果是:通过合理的设计，可以实现简单、方便、低成本的搭建起足式机器人双腿实验平台。运用该实验平台，可以对足式机器人进行相关研究，特别是对足式机器人的脚力控制进行研究。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明的总体结构图。
[0014]图2是机器人双腿试验机构结构图。
[0015]图3是机器人单腿总成结构图。
[0016]图中:1.机器人双腿实验台架，2.机器人单腿总成，3.机器人双腿实验机构，4.机器人双腿连接器，5.机器人双腿控制器，6.竖直U型树脂板，7.水平U型树脂板，8.水平位移传感器，9.竖直位移传感器，10.竖直导轨，11.水平位移传感器滑动连接器，12.水平位移传感器固定连接器，13.水平导轨，14.L型角钢，15.矩形树脂板，16.踝关节舵机，17.矩形舵机连接器，18.膝关节舵机，19.U型舵机连机器，20.髋关节舵机，21.叉形舵机连接器，22.五维力传感器，23.球形足端。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本发明由机器人双腿实验台架1、机器人单腿总成2、机器人双腿实验机构3、机器人双腿连接器4以及机器人双腿控制器5组成。其中，机器人双腿试验台架通过标准的工业铝合金型材进行搭建，双腿连接器4由竖直U型树脂板6和水平U型树脂板7组成，上面安装有机器人双腿控制器5。
[0018]图2所示的实施实例为机器人双腿实验机构，该实验机构由水平位移传感器8、竖直位移传感器9、竖直导轨10、水平位移传感器滑动连接器11、水平位移传感器固定连接器12、水平导轨13、L型角钢14、矩形树脂板15组成，其中，竖直导轨10上的滑块连接机器人双腿连接器4的水平U型树脂板7，竖直导轨10通过L型角钢14与水平导轨13上的滑块连接在一起，水平导轨13固定在机器人双腿实验台架I底部中间的水平铝合金型材上，竖直位移传感器9通过矩形树脂板15与水平导轨13滑块连接在一起，水平位移传感器8通过水平位移传感器滑动连接器11与竖直导轨10相连并通过水平位移传感器固定连接器12固定在机器人双腿实验台架I的铝合金型材上。[0019]图3所示的实施实例为机器人单腿总成，机器人单腿总成2由踝关节舵机16、矩形舵机连接器17、膝关节舵机18、U型舵机连机器19、髋关节舵机20、叉形舵机连接器21、五维力传感器22、球形足端23组成。其中，髋关节舵机20和膝关节舵机18通过叉形舵机连接器21连接，膝关节舵机18和踝关节舵机16通过矩形舵机连接器17连接，机器人单腿总成2与机器人双腿连接器4通过U型舵机连接器19连接。足部由五维力传感器22和球形足端23组成，五维力传感器22通过法兰与球形足端23相连，整个足部通过叉形舵机连机器21与踝关节舵机16相连。
[0020]足式步行机器人双腿脚力测试实验平台实验过程如下:
1.静态实验
单腿总成静态实验首先通过控制踝关节舵机16，膝关节舵机18和髋关节舵机20调整一条腿抬起，使该腿球形足端23与地面完全分离。调整另一条腿姿态使竖直U型树脂板6到指定高度，高度数据由竖直位移传感器9测量，静止状态下五维力传感器22测量到数据为机器人整体重量，但调整腿部姿态即变换躯体高度时，根据不同的姿态变换方式和姿态变换速度，五维力传感器22测量数据也会时刻变化，可测得单腿总成支撑时姿态变化引起的脚力变换关系。
[0021 ] 双腿静态实验首先通过控制踝关节舵机16，膝关节舵机18和髋关节舵机20使双腿姿态到竖直U型树脂板6到指定实验高度，并且两个腿球形足端23都与地面接触，高度数据由竖直位移传感器9测量，静止状态下两条腿测量到数据之和为整个平台整体重量，但分别调整两条腿腿部姿态时，根据不同的姿态和不同重量分配方式，两腿足端五维力传感器22数据也会时刻变化，可测得双腿支撑时不同负载脚力变换关系。
[0022]2.动态实验
首先通过控制踝关节舵机16，膝关节舵机18和髋关节舵机20使双腿姿态到竖直U型树脂板6到指定实验高度，按照指定步态进行行走，双腿交替支撑向前行走。在此过程中可以得到机器人单腿总成2支撑、双腿支撑和机器人单腿总成2摆动过程中的脚力变化数据，由五维力传感器22测到。依据竖直位移传感器9数据调整躯体高度，可以得到不同高度下的行走脚力变化数据。依据水平位移传感器8数据调整前进速度，可以得到不同速度下的行走脚力变化数据。改变步态参数，可以得到不同步态下的行走脚力变化数据。改变地面环境和形状，可以得到不同地表下的行走脚力变化数据。虽然实验平台只有两条腿构成，但是只要合理的对步态进行调整，还是可以模拟四足或多足机器人部分腿部运动过程而进行脚力测试的。
【权利要求】
1.足式步行机器人双腿脚力测试实验平台，该实验平台包括机器人双腿实验台架、机器人单腿总成、机器人双腿连接器、机器人双腿实验机构以及机器人双腿控制器，其中，机器人双腿连接器用于连接两个机器人单腿总成和机器人双腿实验机构，整个机器人双腿实验机构安装在机器人双腿实验台架上，机器人双腿控制器安装在机器人双腿连接器的平板上； 所述机器人双腿实验台架采用工业铝合金型材进行搭建； 所述机器人单腿总成分为髋部、膝部、踝部和足部，其中髋部、膝部和踝部各由一个舵机组成，分别提供髋关节、膝关机和踝关节的运动自由度，髋关节和膝关节通过叉形舵机连接器连接，膝关节和踝关节通过矩形舵机连接器连接，机器人单腿总成与机器人双腿连接器通过U型舵机连接器连接； 所述双腿连接器由水平U型树脂板和竖直U型树脂板组成； 所述机器人双腿实验机构由竖直导轨、水平导轨、竖直位移传感器、水平位移传感器组成，其中，竖直导轨上的滑块连接机器人双腿连接器的水平U型树脂板，竖直导轨通过L型角钢与水平导轨上的滑块连接在一起，水平导轨固定在机器人双腿实验台架底部中间的水平铝合金型材上，竖直位移传感器通过矩形树脂板与水平导轨滑块连接在一起，水平位移传感器通过水平位移传感器滑动连接器与竖直导轨相连并通过水平位移传感器固定连接器固定在机器人双腿实验台架的铝合金型材上； 所述的机器人双腿控制器与机器人腿上的舵机以及水平传感器、位移传感器、五维力传感器进行连接，并通过以太网与上位机进行连接，进行上下位机的联合控制。
2.根据权利要求1所述的足式步行机器人双腿脚力测试实验平台，其特征是:机器人单腿总成中的足部由五维力传感器和球形足端组成，五维力传感器通过法兰与球形足端相连，整个足部通过叉形舵机连机器与踝部相连。
【文档编号】G05D1/02GK103885446SQ201410106755
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】金波, 朱雅光, 李世通, 李伟, 张璐, 何琳倩, 方雄 申请人:浙江大学