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一种双足机器人的足部状态检测装置以及基于该装置的斜面行走方法制造方法及图纸

技术编号:22557671 阅读:17 留言:0更新日期:2019-11-16 01:19
本发明专利技术公开一种双足机器人的足部状态检测装置及一种斜面行走方法,该装置包括压力传感器模块、AD转换模块、惯性测量模块、通信模块、微控制器模块、电源模块。该足部状态检测装置在实现原有足部压力检测功能的基础上,可以检测足部角度状态,实现对所处地面的坡度信息检测,为双足机器人在斜面行走提供了反馈。本发明专利技术的斜面行走方法实现简单,能有效提高双足机器人行走的稳定性和环境适应能力。

A kind of foot state detection device of biped robot and the method of oblique walking based on the device

The invention discloses a foot state detection device of a biped robot and a ramp walking method, the device includes a pressure sensor module, an ad conversion module, an inertial measurement module, a communication module, a microcontroller module and a power module. On the basis of realizing the original foot pressure detection function, the foot state detection device can detect the angle state of the foot, realize the detection of the slope information of the ground, and provide feedback for the biped robot walking on the slope. The inclined walking method of the invention is simple to realize and can effectively improve the walking stability and environmental adaptability of the biped robot.

【技术实现步骤摘要】
一种双足机器人的足部状态检测装置以及基于该装置的斜面行走方法
本专利技术涉及机器人控制
,尤其涉及一种双足机器人的足部状态检测装置以及基于该装置的斜面行走方法。
技术介绍
双足机器人是一种仿生学人形机器人,能够实现直立行走和相关动作,具有动作灵活、自如、稳定等优点,可以很好地适应人类的生活环境。双足机器人有望帮助人类解决很多问题,比如救援、抢险、驮物等危险作业或重复性劳动。双足机器人要想应用于各种领域,首要问题就是稳定行走,这也是双足机器人研究的热点之一。目前大多数双足机器人系统都采用ZMP(零力矩点)作为稳定行走的判据,基于此判据双足机器人在平整地面上行走可以取得较好的效果。双足机器人可以在足部安装压力传感器,通过不断检测压力传感器数据,进行计算ZMP位置,然后调整步态使得ZMP平衡点处于多边形内部来保证行走平衡。中国专利号CN206114175U、CN202075069U描述的就是这种足部状态检测装置。然而在实际环境中,双足机器人在行走过程中很容易碰到斜面、台阶等各种不平坦地面。中国专利号CN104331081A提出了一种双足机器人斜面行走的步态规划方法,但该方法需要配置斜面角度及行走方向信息。为了保证斜面稳定行走,这就要求双足机器人能对斜面角度及行走方向进行检测,这对双足机器人的足部检测装置提出了新的要求。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术提供一种双足机器人的足部状态检测装置以及基于该装置的斜面行走方法,该检测装置能够实时检测机器人所处地面的坡度信息,为双足机器人斜面行走提供反馈。本专利技术的目的通过如下技术方案来实现:一种双足机器人的足部状态检测装置,其特征在于,该装置包括压力传感器模块、AD转换模块、惯性测量模块、通信模块、微控制器模块、电源模块,所述的压力传感器模块包括布置于足部四周的四个压力传感器,分别为左前S1、右前S2、左后S3和右后S4,用于感应足部与地面的压力;所述的惯性测量模块布置在足部的足底中间位置,其X轴正向指向脚掌前方,Y轴正向指向脚掌的左侧,Z轴正向垂直向上,用于测量足部倾斜角度;所述的压力传感器模块与所述的AD转换模块连接,所述的AD转换模块、惯性测量模块、通信模块均与所述的微控制器模块连接,所述的电源模块为其他所有模块供电;所述的微控制器用于处理足底的压力信息和倾斜角度,并将数据通过所述的通信模块传递给双足机器人的中央控制器。进一步地,所述的压力传感器为采用电阻应变片组成全桥电路的压力传感器;所述的AD转换模块采用24位A/D转换芯片HX711,所述的惯性测量模块包含三轴陀螺仪和三轴加速度计,采用MPU6050芯片,通过I2C接口连接至微控制器;所述的微处理器采用STM32F103C8T6芯片。一种双足机器人的斜面行走方法,其特征在于,该方法基于上述任意一项的足部状态监测装置来实现,该方法具体包括如下步骤:步骤一:在双足机器人行走过程的摆动腿下降过程中,调整踝关节与水平面平行,检测摆动腿的4个压力传感器数据来进行落脚判断:当检测到任意一个压力传感器数据>阈值Y,此时认为摆动腿刚好着地;步骤二:根据步骤一得到的摆动腿着地时的压力传感器数据,进行踝关节的自适应调节,让摆动腿的足部完全着地;步骤三:读取惯性测量模块的陀螺仪和加速度计数据,计算得到脚掌的俯仰角和翻滚角,进而计算得到当前斜面的倾斜角度a以及机器人前进方向相对斜面角度b,取面向斜面时向右的方向为水平方向的正向,所述的b为机器人前进方向与水平方向的正向的夹角;步骤四:根据a和b,对步态参数进行配置,基于线性倒立摆模型规划下一步步态落脚点和质心点,再基于逆运动学进行在线步态调节;然后支撑腿切换为摆动腿,摆动腿变为支撑腿,重复步骤一到四,进入下一步的行走,以实现斜坡环境下的自适应步行。进一步地,所述的步骤一中的阈值Y=(0.01-0.05)*G,其中,G为机器人重力。进一步地,所述的步骤二具体为:根据刚着地时的压力传感器数据,可判断前脚掌还是后脚掌先着地,以及是左侧还是右侧先着地,然后根据下表调节对应的关节:初始接触传感器机器人上/下坡调节方式左前S1上坡pitch给负力矩,roll给正力矩右前S2上坡pitch给负力矩,roll给负力矩左前S1,右前S2上坡pitch给负力矩左后S3下坡pitch给正力矩,roll给正力矩右后S4下坡pitch给正力矩,roll给负力矩左后S3,右后S4下坡pitch给正力矩左前S1,左后S3沿着坡面水平行走roll给正力矩右前S2,右后S4沿着坡面水平行走roll给负力矩3个及3个以上传感器水平行走无需调节进一步地,所述的步骤三中a和b的计算公式如下:其中,表示通过惯性测量模块计算得到的俯仰角,θ表示通过惯性测量模块得到的翻滚角。进一步地,所述的步骤四中的双足机器人斜面行走的落脚点以及质心点与水平面行走的关系如下:其中,pland,0和pcm,0分别为水平面的落脚点和质心点规划,pland和pcm分别为斜坡面的落脚点和质心点规划。本专利技术的有益效果如下:该足部状态检测装置在实现原有足部压力检测功能的基础上,可以检测足部角度状态,实现对所处地面的坡度信息检测,为双足机器人在斜面行走提供了反馈。本专利技术的斜面行走方法实现简单,能有效提高双足机器人行走的稳定性和环境适应能力。附图说明图1是本专利技术中足部状态检测装置主板的电路结构图;图2是本专利技术中足部状态检测装置结构及压力传感器、IMU安装位置示意图;图3是本专利技术中某实例中双足机器人沿斜面某个方向行走的示意图;图4是应用本专利技术中的足部状态检测装置进行斜面行走方法的流程图;图5是本专利技术中涉及坐标变换的示意图;图6是是本专利技术中基于线性倒立摆模型的双足机器人斜面行走运动规划示意图。具体实施方式下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术,本专利技术的目的和效果将变得更加明白,应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。如图1所示,本专利技术的双足机器人足部状态检测装置,包括:压力传感器模块:采用电阻应变片组成全桥电路的压力传感器模块,具有采样精度高,反应灵敏的特点,用于获取安装点与地面的压力。该压力传感器模块包括布置于足部四周的四个压力传感器,分别为左前S1、右前S2、左后S3和右后S4,用于感应足部与地面的压力。AD转换模块:用于将压力传感器输出的模拟信数据进行采集及转换,并传给微控制器。作为其中一种实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双足机器人的足部状态检测装置,其特征在于,该装置包括压力传感器模块、AD转换模块、惯性测量模块、通信模块、微控制器模块、电源模块,所述的压力传感器模块包括布置于足部四周的四个压力传感器,分别为左前S1、右前S2、左后S3和右后S4,用于感应足部与地面的压力;所述的惯性测量模块布置在足部的足底中间位置,其X轴正向指向脚掌前方,Y轴正向指向脚掌的左侧,Z轴正向垂直向上,用于测量足部倾斜角度;所述的压力传感器模块与所述的AD转换模块连接,所述的AD转换模块、惯性测量模块、通信模块均与所述的微控制器模块连接,所述的电源模块为其他所有模块供电;所述的微控制器用于处理足底的压力信息和倾斜角度,并将数据通过所述的通信模块传递给双足机器人的中央控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种双足机器人的足部状态检测装置,其特征在于,该装置包括压力传感器模块、AD转换模块、惯性测量模块、通信模块、微控制器模块、电源模块,所述的压力传感器模块包括布置于足部四周的四个压力传感器,分别为左前S1、右前S2、左后S3和右后S4,用于感应足部与地面的压力;所述的惯性测量模块布置在足部的足底中间位置,其X轴正向指向脚掌前方,Y轴正向指向脚掌的左侧,Z轴正向垂直向上,用于测量足部倾斜角度;所述的压力传感器模块与所述的AD转换模块连接,所述的AD转换模块、惯性测量模块、通信模块均与所述的微控制器模块连接,所述的电源模块为其他所有模块供电;所述的微控制器用于处理足底的压力信息和倾斜角度,并将数据通过所述的通信模块传递给双足机器人的中央控制器。


2.根据权利要求1所述的双足机器人的足部状态检测装置,其特征在于,所述的压力传感器为采用电阻应变片组成全桥电路的压力传感器;所述的AD转换模块采用24位A/D转换芯片HX711,所述的惯性测量模块包含三轴陀螺仪和三轴加速度计,采用MPU6050芯片,通过I2C接口连接至微控制器;所述的微处理器采用STM32F103C8T6芯片。


3.一种双足机器人的斜面行走方法,其特征在于,该方法基于上述任意一项的足部状态监测装置来实现,该方法具体包括如下步骤:
步骤一:在双足机器人行走过程的摆动腿下降过程中,调整踝关节与水平面平行,检测摆动腿的4个压力传感器数据来进行落脚判断:当检测到任意一个压力传感器数据>阈值Y,此时认为摆动腿刚好着地。
步骤二:根据步骤一得到的摆动腿着地时的压力传感器数据,进行踝关节的自适应调节,让摆动腿的足部完全着地;
步骤三:读取惯性测量模块的陀螺仪和加速度计数据,计算得到脚掌的俯仰角和翻滚角,进而计算得到当前斜面的倾斜角度a以及机器人前进方向相对斜面角度b,取面向斜面时向右的方向为水平方向的正向,所述的b为机器人前进方向与水平方向的正向的夹角;
步骤四:根据a和b,对步态参数进行配置,基于线性倒立摆模型规划下一步步态落脚点和质心点,再基于逆运动学进行在线步态调节;然后支撑腿切换为摆动腿,摆动腿变为支撑腿,重复步骤一到四,...

【专利技术属性】
技术研发人员:华强留云宋夙冕袁海辉顾建军
申请(专利权)人:之江实验室
类型:发明
国别省市:浙江;33

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