【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及足式机器人柔性足端，具体涉及一种足式机器人柔性足端机构及其设计和标定方法。
技术介绍
1、足式机器人相对于履带式机器人而言，具有更强的地形适应能力，能够在多种复杂环境下实现灵活运动，因此逐步成为机器人领域的研究热点。通过对运动环境模型进行获取和搭建，对机器人落足位置、关节转动角度、步长、腿部抬起角度、运动策略等进行系统的设计，足式机器人能够在多种地形环境下实现作业任务。但机器人运动在复杂地形环境下时，若其无法感知足底与地面的接触情况，不能对自身运动中的不平衡进行补偿，依旧按照原定控制模型进行运动，就难以保证机器人步态运动的稳定性。
2、为使机器人实现对环境信息的感知，对机器人控制参数和运动模式进行实时调整，实时感知足底与地面的接触情况显得尤为重要，相较于其他感知模式，触觉感知能使机器人对目标物体的物理特性获取得更加完备，诸如：接触表面形状、纹路、平坦程度、接触面硬度等信息对于机器人运动控制均有较高的指导意义。因此，考虑在机器人本体上增加触觉感知模块，以期实现对接触表面的实时感知。同时，机器人本体的机构设计也会对机器人触觉感知和运动控制造成诸多影响，在设计之初，为了保证足式机器人的承载能力，机器人机身多采用刚性材料制作，机器人本身缺少柔性元素，致使机器人在与地面接触时，会对机器人的本体造成较大的冲击，使机器人的运动稳定性大大降低；除此之外，长久的冲击将会对感知模块的测量精度造成很大影响，使感知系统出现采集信息数据缺失等问题。因此，希望机器人能够像许多动物一样拥有较为完备的柔性系统，能够较好地对不同接触表面
3、在力感知问题上，现阶段研究，多采用在机器人关节处安装力传感器实现对接触力的感知，但是在机器人关节处安装传感器测量到的数据为关节处的力信息变化，无法对足端力变化进行直接获取，采集到的力信息存在数据震颤以及信息传导延迟等问题，与真实的接触力信息存在一定的差异，同时市面上针对小型机器人的关节力传感器较少，且价格一般较贵。
4、在冲击力缓冲问题上，国内外专家学者进行了多种尝试，对机器人柔性结构的研究已经相对成熟，但是多从机器人的自身机构出发，通过在机器人的腿部安装柔性关节、柔性驱动器等方式来减少冲击能对机器人本体的不良影响，对于部分机器人而言效果较为明显。但也产生了较多问题，由于柔性关节的存在，致使机器人整体结构复杂度大大提高，使机器人运动灵活性降低，而且在关节处加入柔性机构专用性较强，不符合机器人微型化设计要求。
5、现阶段对于机器人力感知系统的研究技术多基于力传感器，但是多数研究和设计从机器人腿部关节力感知或踝关节力感知方面着手，其采集到的力信息在处理阶段存在较多问题。对于机器人足端的设计，将传感器放置在足底，或者虽然将传感器置于足内，足端为刚性机构，由于机器人与地面接触时的冲击作用，长时间的使用会对传感器造成破坏，使传感器的测量精度大大降低。同时，足端为刚性材质时，其在复杂地形环境下的感知能力也会大打折扣。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种足式机器人柔性足端机构及其设计和标定方法，柔性足端机构能够兼顾柔性吸收和力感知功能。
2、为实现上述目的，本专利技术技术方案如下：
3、一种足式机器人柔性足端机构，包括力感知模块和力缓冲模块；力感知模块通过传感器的布置搭配锥形体结构，实现对多维接触力信息的测量；力缓冲模块使用柔性材料和弹簧机构搭配，实现对冲击力的吸收。
4、其中，传感器与锥形体的接触为刚性接触；传感器的触点为不锈钢半球形，其表面光滑。
5、一种足式机器人柔性足端机构的设计方法，包括：将整个足端结构划分为力感知模块和力缓冲模块，并对两个模块分别进行设计；完成上述设计后，通过solidworks创建足端各零部件具体模型，使用不同材料对足端各零部件进行3d打印，组装成套；将所设计的足端机构安装在六足机器人上进行综合实验。
6、其中，针对力感知模块，确定传感器的具体数目和摆放位置，搭配锥形体结构，实现对多维力的测量，其中采用多个一维力传感器结合实现多维力测量的方式，对足端力感知模块进行设计。
7、其中，还包括建立足端机构力感知模型的步骤，通过力感知模型得出足端受力与各传感器对应受力之间的转换关系。
8、其中，对于力缓冲模块，通过实验进行综合考量，选择合适的柔性材料和弹簧机构，具体如下：
9、对足端结构进行生物学剖析，以足端缓冲冲击力为目的，兼顾机器人运动灵活性和运动稳定性，得到机器人足端机构与腿部的设计比例；
10、对现有柔性材料进行调研，综合分析足端运动的影响因素，对新型材料的调配，确定足端设计所需的柔性材料；
11、确定柔性材料后，综合考量机器人自身质量和力信息测量需求，对弹簧材料和参数进行确定。
12、一种标定方法，对本专利技术足式机器人柔性足端机构进行标定，包括：
13、搭建足端标定平台，通过标定平台对不同施力方向、不同施力点进行实验标定；
14、使用最小二乘法进行曲线拟合，在理论上验证力感知的准确性；分别对机器人静立、运动状态进行综合实验研究，对足端的力缓冲效果和力感知效果进行验证。
15、有益效果：
16、1、本专利技术的柔性足端机构具有多维力感知功能，通过力感知模块实现了对多维接触力信息的测量，使用柔性材料和弹簧机构搭配实现对冲击力的吸收。将所设计的足端机构安装在六足机器人上进行了综合实验，能够实现在多种环境下运动，并能准确实现对接触信息的感知。
17、2、本专利技术优选实施方式中，整个足端结构划分为力感知模块、力缓冲模块，两个模块分别进行了详细的设计。针对力感知模块，确定了传感器的具体数目和摆放位置，搭配锥形体结构，实现了对多维力的测量；对于力缓冲模块，通过实验进行综合考量，选择了合适的柔性材料和弹簧机构。
18、3、本专利技术设计方法中，通过建立力学感知模型，对柔性足端结构进行了力学特性的分析，根据多维力感知原理，通过受力分析和转换矩阵推导得出了传感器示数与实际接触力的关系，从低成本角度出发，选择使用3个一维力传感器实现多维力测量，在实现三维力感知的前提下，将传感器数目降到了最低。
19、4、本专利技术设计方法的优选实施方式中，为保证所感知的接触信息更加完备、准确，对足端结构进行生物学剖析，以足端缓冲冲击力为目的，对足端力缓冲模块进行了设计。在兼顾机器人运动灵活性和运动稳定性的前提下，得到了机器人足端机构与腿部的设计比例。在对现有柔性材料进行调研的基础上，综合分析足端运动的影响因素，通过对新型材料的调配，对足端设计所需的柔性材料进行了确定；确定了柔性材料后，综合考量机器人自身质量和力信息测量需求，对弹簧材料和参数进行了确定。所设计的力缓冲模块能够较好实现对冲击力的缓冲，保证力感知模块精确性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种足式机器人柔性足端机构，其特征在于，包括力感知模块和力缓冲模块；力感知模块通过传感器的布置搭配锥形体结构，实现对多维接触力信息的测量；力缓冲模块使用柔性材料和弹簧机构搭配，实现对冲击力的吸收。
2.如权利要求书1所述的机构，其特征在于，传感器与锥形体的接触为刚性接触；传感器的触点为不锈钢半球形，其表面光滑。
3.一种足式机器人柔性足端机构的设计方法，其特征在于，包括：将整个足端结构划分为力感知模块和力缓冲模块，并对两个模块分别进行设计；完成上述设计后，通过SolidWorks创建足端各零部件具体模型，使用不同材料对足端各零部件进行3D打印，组装成套；将所设计的足端机构安装在六足机器人上进行综合实验。
4.如权利要求书3所述的方法，其特征在于，针对力感知模块，确定传感器的具体数目和摆放位置，搭配锥形体结构，实现对多维力的测量，其中采用多个一维力传感器结合实现多维力测量的方式，对足端力感知模块进行设计。
5.如权利要求书4所述的方法，其特征在于，还包括建立足端机构力感知模型的步骤，通过力感知模型得出足端受力与各传感器对应受力之间
6.如权利要求书3-5任意一项所述的方法，其特征在于，对于力缓冲模块，通过实验进行综合考量，选择合适的柔性材料和弹簧机构，具体如下：
7.一种标定方法，其特征在于，对权利要求1所述的足式机器人柔性足端机构进行标定，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种足式机器人柔性足端机构，其特征在于，包括力感知模块和力缓冲模块；力感知模块通过传感器的布置搭配锥形体结构，实现对多维接触力信息的测量；力缓冲模块使用柔性材料和弹簧机构搭配，实现对冲击力的吸收。
2.如权利要求书1所述的机构，其特征在于，传感器与锥形体的接触为刚性接触；传感器的触点为不锈钢半球形，其表面光滑。
3.一种足式机器人柔性足端机构的设计方法，其特征在于，包括：将整个足端结构划分为力感知模块和力缓冲模块，并对两个模块分别进行设计；完成上述设计后，通过solidworks创建足端各零部件具体模型，使用不同材料对足端各零部件进行3d打印，组装成套；将所设计的足端机构安装在六足机器人上进...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘彦，郜增辉，吕妙芳，王延辉，李长清，
申请(专利权)人：河北汉光重工有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。