一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法及系统，通过上位机对腿部驱动系统进行位置控制，并利用二维力传感器对足端进行力加载，得到各关节一维力传感器实际检测值，然后利用计算机软件搭建腿部驱动系统虚拟模型，将二维力传感器和各关节驱动单元位移传感器实际检测值输入虚拟模型中进行仿真，得到虚拟模型中各关节一维力传感器的理论检测值，最后利用最小二乘法求得各关节一维力传感器实际检测值和理论检测值之间的标定曲线，并根据标定曲线求得各关节修正标定的系数，通过此系数对一维力传感器进行标定，本发明专利技术的上述方法在不拆卸力传感器的情况下，实现了对一维力传感器的重新标定。传感器的重新标定。传感器的重新标定。

【技术实现步骤摘要】
一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法及系统


[0001]本专利技术涉及足式机器人传感器检测设备领域，特别是涉及一种适用于足式机器人腿部一维力传感器标定方法及系统。

技术介绍

[0002]机器人在各行各业中的应用越来越广泛，利用机器人可以代替人类从事一些危险性高、重复性强的工作。足式机器人模仿足式动物的生理特点进行结构设计，这使得足式机器人具有明显的非连续支撑的特点，从而对复杂环境具有更强的适应性。
[0003]足式机器人在行走过程中，足端与地面之间有时会产生很大的接触力。如果不能对足端接触力进行很好的控制，将会使机器人机身所携带电子设备承受很大的冲击而造成损坏，所以要求机器人实时检测足端与地面间的接触力。
[0004]通常有两种方法来检测足端与地面间的接触力：第一种方法是在足端加装多维力传感器直接检测足端接触力；第二种方法是在机器人腿部各关节驱动单元的顶端安装一维力传感器，结合静力学来间接求得足端接触力。多维力传感器价格昂贵，容易损坏，而一维力传感器的数据稳定性高、使用寿命长，因此在足式机器人中，多采用第二种方法来间接求解机器人足端与地面间的接触力。
[0005]一维力传感器在出厂时就已经完成标定，用户可以直接根据样本中的量程和输出电压，按照二者的线性关系直接确定出标定系数。但是在长时间使用以后，由于摩擦力、预紧力等相关因素的变化，使得一维力传感器的检测值与实际值之间会产生一定的误差，此时需要对一维力传感器进行重新标定。传统标定方法需要将一维力传感器从机器人腿部拆下，但是机器人腿部的大多零件之间是过盈配合，如果频繁拆卸，将会对机器人腿部的装配关系产生破坏，从而影响机器人的运动控制性能，而且不合理的安装过程会对标定系数产生影响，甚至损坏一维力传感器。
[0006]综上所述，在足式机器人传感器检测设备
，迫切需要一种能够在不拆卸腿部关节一维力传感器的条件下完成对传感器的重新标定的方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法及系统，在不拆卸力传感器的情况下，完成对一维力传感器的重新标定。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0009]一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法，所述方法包括：
[0010]在对足端进行作用力加载并卸载的过程中，利用上位机记录用于加载的二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值；
[0011]将所述位移传感器检测值和所述二维力传感器检测值输入基于腿部机械结构搭建的腿部驱动系统虚拟模型进行仿真，记录所述虚拟模型中各关节驱动单元的一维力传感器模拟检测值；
[0012]对于每一关节，将所述一维力传感器检测值和所述一维力传感器模拟检测值均减去足端处于初始位置时的一维力传感器检测值，得到每一关节实际检测值和每一关节模拟检测值，所述初始位置时的一维力传感器检测值为未对足端加载作用力时的一维力传感器检测值；
[0013]根据每一所述实际检测值和每一所述模拟检测值间的线性关系，利用最小二乘法解出每一驱动单元的一维力传感器标定曲线；
[0014]根据每一驱动单元的所述标定曲线和每一驱动单元原始标定系数得到每一驱动单元修正标定的系数，所述原始标定系数为出厂时的一维力传感器标定系数；
[0015]根据所述每一驱动单元修正标定的系数对所述一维力传感器进行标定。
[0016]本专利技术还提供一种足式机器人腿部一维力传感器标定系统，所述系统包括：
[0017]传感器检测值获取模块，用于在对足端进行作用力加载并卸载的过程中，利用上位机记录用于加载的二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值；
[0018]仿真模块，用于将所述位移传感器检测值和所述二维力传感器检测值输入基于腿部机械结构搭建的腿部驱动系统虚拟模型进行仿真，记录所述虚拟模型中各关节驱动单元的一维力传感器模拟检测值；
[0019]变量值和采样值获取模块，用于对于每一关节，将所述一维力传感器检测值和所述一维力传感器模拟检测值均减去足端处于初始位置时的一维力传感器检测值，得到每一关节实际检测值和每一关节模拟检测值，所述初始位置时的一维力传感器检测值为未对足端加载作用力时的一维力传感器检测值；
[0020]标定曲线获取模块，用于根据每一所述实际检测值和每一所述模拟检测值间的线性关系，利用最小二乘法解出每一驱动单元的一维力传感器标定曲线；
[0021]标定模块，用于根据每一驱动单元的所述标定曲线和每一驱动单元原始标定系数得到每一驱动单元修正标定的系数，所述原始标定系数为出厂时的一维力传感器标定系数，根据所述每一驱动单元修正标定的系数对所述一维力传感器进行标定。
[0022]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0023]本专利技术通过上位机对腿部驱动系统进行位置控制，并利用二维力传感器对足端进行力加载，得到各关节一维力传感器实际检测值，然后利用计算机软件搭建腿部驱动系统虚拟模型，将二维力传感器和各关节驱动单元位移传感器实际检测值输入虚拟模型中进行仿真，得到虚拟模型中各关节一维力传感器的模拟检测值，最后利用最小二乘法求得各关节一维力传感器实际检测值和模拟检测值之间的标定曲线，并根据标定曲线求得各关节修正标定的系数，通过此系数对一维力传感器进行标定的方法与以往方法相比，不需要将一维力传感器从机器人腿部取下即可完成标定，从而避免了在拆装过程中对机器人腿部装配关系的破坏以及安装过程对力传感器标定系数的影响。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
[0025]图1为本专利技术实施例一提供的足式机器人腿部一维力传感器标定方法的流程图；
[0026]图2为本专利技术实施例一中负载力加载实验方案的示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例一提供的足式机器人腿部驱动系统运动学正解模型简图；
[0028]图4为本专利技术实施例一提供的足式机器人腿部驱动系统运动学反解模型简图；
[0029]图5为本专利技术实施例一提供的足式机器人关节角度与关节驱动单元伸出长度关系图；
[0030]图6为本专利技术实施例一提供的足式机器人腿部一维力传感器标定方法原理图；
[0031]图7为本专利技术实施例一提供的足式机器人腿部驱动系统各关节驱动单元一维力传感器标定曲线；
[0032]图8为本专利技术实施例一提供的足式机器人腿部驱动系统静力学模型简图；
[0033]图9为本专利技术实施例一提供的足式机器人关节所受力矩与关节驱动单元受力关系图；
[0034]图10为本专利技术实施例一的方案1加载方向足端接触力曲线；
[0035]图11为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种足式机器人腿部一维力传感器标定方法，其特征在于，所述方法包括：在对足端进行作用力加载并卸载的过程中，利用上位机记录用于加载的二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值；将所述位移传感器检测值和所述二维力传感器检测值输入基于腿部机械结构搭建的腿部驱动系统虚拟模型进行仿真，记录所述虚拟模型中各关节驱动单元的一维力传感器模拟检测值；对于每一关节，将所述一维力传感器检测值和所述一维力传感器模拟检测值均减去足端处于初始位置时的一维力传感器检测值，得到每一关节实际检测值和每一关节模拟检测值，所述初始位置时的一维力传感器检测值为未对足端加载作用力时的一维力传感器检测值；根据每一所述实际检测值和每一所述模拟检测值间的线性关系，利用最小二乘法解出每一驱动单元的一维力传感器标定曲线；根据每一驱动单元的所述标定曲线和每一驱动单元原始标定系数得到每一驱动单元修正标定的系数，所述原始标定系数为出厂时的一维力传感器标定系数；根据所述每一驱动单元修正标定的系数对所述一维力传感器进行标定。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在对足端加载作用力并卸载的过程中，利用上位机记录二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值，具体包括：用手缓慢拉动固定有二维力传感器的木质长方体对足端进行力的加载，达到预设拉力后，缓慢卸载，记录加载和卸载过程中，二维力传感器检测值、各关节驱动单元的位移传感器检测值和一维力传感器检测值。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述对足端加载作用力并卸载之前，根据腿部机械结构的尺寸以及几何关系，确定各关节驱动单元的伸出长度与各关节转角之间的映射关系；基于所述映射关系以及由所述腿部机械结构得到的运动学模型，利用上位机控制腿部驱动系统处于初始位置不动。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述运动学模型的获取方法具体包括：对所述足式机器人腿部机械结构进行简化，得到单腿机械结构的参数；根据所述单腿机械结构的参数，确定所述腿部机械结构的正解部分；所述正解部分为根据髋关节的旋转角度、膝关节的旋转角度、踝关节的旋转角度、大腿长度、小腿长度和足端长度，求解足端相对于髋关节的位置的函数；根据所述单腿机械结构的参数，确定所述腿部机械结构的反解部分；所述反解部分为根据足端相对于髋关节的位置和大腿长度、小腿长...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴凯先，宋颜和，王春雨，俞滨，马国梁，王明明，孔祥东，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：