一种能感知地面反力的仿人机器人的脚板结构

摘要

一种能感知地面反力的仿人机器人的脚板结构，涉及仿人机器人的脚结构。本发明由两个脚板组成，每个脚板主要包括上层板、下层板、力传感器、电路板、橡胶引导块、矩形橡胶垫。本发明具有体积小，重量轻，与地面为面接触，具有感知地面反力及适应地面环境的能力，结构简单、成本低、检测效果好、高低可调，能实时检测脚不同部位所受地面反力的大小，实时计算零力矩点(ZMP)的位置，实时与上层控制器进行通讯，便于推广应用。本发明可广泛用作仿人机器人的脚结构，特别适用于小型仿人足球机器人的脚结构。

权利要求

1.一种能感知地面反力的仿人机器人的脚板结构，由两个脚板组成，每个脚板主要包括力传感器(5)、电路板(7)、橡胶垫，其特征在于能感知地面反力的仿人机器人的脚板还有上层板(1)、下层板(2)、橡胶引导块(10)，橡胶垫为矩形橡胶垫(6)；上层板(1)为两端带侧板的矩形板，其材料为轻质的铝合金、厚度为2.0～5.0mm，两端侧板上分别设置有调整脚板高度的调整孔(3)，上层板(1)通过调整孔(3)和螺钉与下层板(2)固定连接，在上层板(1)的板面上设置有螺孔(8)，通过螺孔(8)和螺钉分别与上层板(1)下面的电路板及上层板(1)上面的脚踝连接；下层板(2)为两端带侧板的矩形板，其材料为轻质的铝合金、厚度为2.0～5.0mm，两端的侧板扣在上层板(1)的两侧板内，并对应上层板侧板调整孔(3)，分别设置了调整孔(4)，在下层板(2)的板面上均匀设置三排并且每排又均匀设置三个圆槽(9)，在下层板(2)的下面通过胶粘剂固接有矩形橡胶垫(6)，矩形橡胶垫(6)的厚度1～3mm，与地面为面接触；力传感器(5)为九个普通的市购力传感器，橡胶引导块(10)为九个厚度为6.0～9.0mm的圆形块，九个力传感器(5)分别通过橡胶引导块(10)固接在下层板(2)板面的九个圆槽(9)内，九个橡胶引导块(10)分别通过橡胶粘结剂与矩形橡胶垫(6)的上面固接，其弹性度根据力传感器(5)的量程范围确定：当力传感器(5)的量程大时，橡胶引导块(10)的弹性度小，当力传感器(5)的量程小时，橡胶引导块(10)的弹性度大；电路板(7)固接在上层板(1)的下面，九个力传感器(5)分别通过信号线与电路板(7)上的小信号放大电路的输入端连接；电路板(7)由小信号放大滤波电路、控制器、局域控制网总线接口构成；小信号放大滤波电路由五级放大滤波电路构成：第一级U1A、U1B构成同相输人方式，第二级U1C构成差分放大级，第三级U1D构成200HZ低通滤波器，第四级U2A构成50HZ的带阻滤波器，第五级U2B构成同相比例运算电路；小信号放大滤波电路的输出端与控制器连接，控制器通过局域控制网总线接口与上层控制器通讯。

2.按照权利要求1所述的一种能感知地面反力的仿人机器人脚板结构，其特征在于力传感器(5)为九个型号为CZL 204G普通的市购力传感器，上层板(1)的厚度为3mm，下层板(2)的厚度为3mm，橡胶引导块(10)的厚度为7mm，矩形橡胶垫(6)的厚度为2mm，电路板(7)的小信号放大滤波电路所用的运算放大器为市购的普通运算放大器LM324。

3.按照权利要求1所述的一种能感知地面反力的仿人机器人脚板结构，其特征在于力传感器(5)为九个型号为FC23普通的市购力传感器，上层板(1)的厚度为2mm，下层板(2)的厚度为2mm，橡胶引导块(10)的厚度为6mm，矩形橡胶垫(6)的厚度为1mm，电路板(7)的小信号放大滤波电路所用的运算放大器为市购的普通运算放大器AD620。

4.按照权利要求1所述的一种能感知地面反力的仿人机器人脚板结构，其特征在于力传感器(5)为九个型号为NS-TH13普通的市购力传感器，上层板(1)的厚度为5mm，下层板(2)的厚度为5mm，橡胶引导块(10)的厚度为9mm，矩形橡胶垫(6)的厚度为3mm，电路板(7)的小信号放大滤波电路所用的运算放大器为市购的普通运算放大器OP07。

说明书

一种能感知地面反力的仿人机器人的脚板结构

一.技术领域

[0001] 本发明属于仿人机器人技术领域，具体涉及仿人机器人的脚结构。二.背景技术

[0002] 在仿人机器人运动控制方法研究中，如何增强它在未知环境中的适应能力一直是研究的重点之一。其中，在仿人机器人机构上安装力传感器，以此来增强机器人环境适应能力已成为仿人机器人控制技术研究的一个发展趋势。日本早稻田(WASETA)大学就在他们研制的两足步行机器人WL-12RIII中应用了六维力/力矩传感器，力传感器安装在小腿上。日本本田(HONDA)公司的仿人机器人P2、P3以及ASIMO均应用了集成六维力/力矩传感器，以此来获得地面反力信息并构成姿态控制系统，在适应不平整地面和增强动态步行稳定性的实验中获得成功。日本横滨(YOKOHAMA)国立大学的Yasutaka Fujimoto等在其研制的两足步行机器人中，应用六自由度力/力矩传感器对机器人进行姿态控制，实现了存在干扰情况下的稳定行走。然而从经济费用和尺寸考虑，如果采用六维力/力矩传感器后，机器人的足底体积及重量大大增加，费用也大大增加。如何降低仿人机器人脚的体积及重量、降低成本、便于推广应用等是需进一步研究的课题。

[0003] 现有仿人机器人的脚板结构，如2008年12月24日公开的，公开号为CN101329206A的“一种用于人体零力矩点测量的测力鞋”专利，公开了一种套在机器人两脚板上的测力鞋，该测力鞋为两个鞋体，在每个鞋体的下面装设11个鞋钉式力传感器(脚前7个，脚跟4个)，每个鞋钉式力传感器由弹性体、电路板及底板构成。其弹性体为带受力柱的不锈钢体，弹性体与底板连接，底板与鞋体连接。在受力柱的四周设置橡胶套，在弹性体的横梁上对称设置4块电阻应变片，4块电阻应变片相互连接成半桥双臂惠斯通电桥，其输出端与放大电路连接，电路板由半桥双臂惠斯通电桥和放大电路组成，装设在弹性体内。该机器人脚板结构主要有以下缺点：

[0004] 1.该鞋用于仿人机器人时，需在机器人的脚板上安装，从而增加了机器人脚的体积和重量。加之脚底感知地面的力只能通过该鞋下面前部和后跟的力传感器，脚板面积小影响机器人行走的稳定性。

[0005] 2.该鞋的力传感器为带受力柱的不锈钢体，体积大而重，进一步增加了机器人脚的体积和重量。力传感器的受力柱仅通过橡胶套与地面直接接触，相当于点接触，也影响机器人行走的稳定性。机器人脚板和力传感器受力柱的高低固定不可调节，导致机器人行走时适应环境的能力差，稳定性差。

[0006] 3.该鞋上安装的带受力柱的不锈钢力传感器，由于将装设有由电阻应变片组成的半桥双臂惠斯通电桥及放大电路的电路板安装在力传感器的内部，造价高，增加了机器人的成本。

[0007] 4.该鞋上安装的感知地面反力的力传感器内只有放大电路，没有计算机器人行走时零力矩点(ZMP)的控制器，不能与机器人脚的上层控制器进行通讯，从而导致穿该鞋的机器人只能在脚的前部和脚跟处感知到地面受力，不能控制机器人的脚对地面环境的适应能力。机器人行走的稳定性差。三.发明内容

[0008] 本发明的目的是针对现有仿人机器人脚板结构的不足之处，提供一种能感知地面反力的仿人机器人的脚板结构，具有体积小、重量轻、结构简单、检测效果好、高低可调，能实时检测脚不同部位所受地面反力的大小，实时计算零力矩点(ZMP)位置，实时与上层控制器进行通讯，以及成本低、便于推广应用等特点。

[0009] 实现本发明目的的技术方案是：一种能感知地面反力的仿人机器人的脚板结构，由两个脚板组成，每个脚板主要包括上层板、下层板、力传感器、矩形橡胶垫、电路板、橡胶引导块。

[0010] 上层板为两端带侧板的矩形板，其材料为轻质的铝合金、厚度为2.0～5.0mm。两端侧板上分别设置有调整脚板高度的调整孔，上层板通过调整孔和螺钉与下层板固定连接，在上层板的板面上设置有螺孔，通过螺孔和螺钉分别与上层板下面的电路板及上层板上面的脚踝固定连接。

[0011] 下层板为两端带侧板的矩形板，其材料为轻质的铝合金、厚度为2.0～5.0mm。两端侧板扣在上层板的两侧板内，分别在对应于上层板侧板调整孔处，相应设置了调整孔，以便调节上、下层板之间的空间距离及脚板高度。在下层板的板面上均匀设置三排并且每排又均匀设置三个圆槽，以便装设九个力传感器。在下层板的下面通过胶粘剂固接有矩形橡胶垫，矩形橡胶垫的厚度1～3mm。矩形橡胶垫与地面为面接触，可防滑，使机器人行走时稳定，并减小地面反力招致震动带来的危害。

[0012] 力传感器为九个普通的市购力传感器，价格低廉，能降低机器人的成本。橡胶引导块为九个厚度为6.0～9.0mm的圆形块。九个力传感器分别通过橡胶引导块固接在下层板板面的九个圆槽内，九个橡胶引导块分别通过橡胶粘结剂与矩形橡胶垫的上面固接。橡胶引导块的弹性度根据力传感器的量程范围确定：当力传感器的量程大时，橡胶引导块的弹性度小；当力传感器的量程小时，橡胶引导块的弹性度大。当地面反力达到力传感器的量程最大值时，橡胶引导块与地面保持平行，不会承受更大的力，起到了保护力传感器的作用。力传感器用于测量脚底板各个部位所受地面反力的大小。橡胶引导块用于引导地面反力，使之作用于力传感器上。电路板固接在上、下层板之间空间的上层板下面。九个力传感器分别通过信号线与电路板上小信号放大电路的输入端连接。

[0013] 电路板由小信号放大滤波电路、控制器、局域控制网(CAN)总线接口构成。小信号放大滤波电路由五级放大滤波电路构成，对力传感器感知到的小信号起放大、滤波和抗干扰作用。第一级U1A、U1B构成同相输人方式，使电路具有高共模抑制比，可抑制共模干扰。第二级U1C构成差分放大级，将差分输入转成单端输出。第三级U1D构成200HZ低通滤波器，用于滤除高频干扰信号。第四级U2A构成50HZ的带阻滤波器，用于滤除工频干扰信号。
第五级U2B构成同相比例运算电路，将力传感器的小信号放大到实际需要的电压信号。小信号放大滤波电路的输出端与控制器连接。控制器用来计算零力矩点(ZMP)的位置，并且控制器通过局域控制网(CAN)总线接口与上层控制器通讯，使上层控制器可控制机器人的脚适应地面环境。

[0014] 本发明的工作过程是：机器人行走时，矩形橡胶垫与地面直接接触；橡胶引导块引导地面反力作用于力传感器上，同时起到保护力传感器的作用；力传感器把地面反力转化为0～10mv的电压信号，并通过电路板上的小信号放大滤波电路把传感器的小信号放大到能够应用于实际的电压信号，并传给控制器；控制器通过A/D转换把模拟电压信号转换为数字信号，并通过局域控制网(CAN)总线接口与上层控制器进行通讯。

[0015] 本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

[0016] 1.本发明的脚板结构为上、下两层轻质铝合金矩形板，下层板通过矩形橡胶垫直接与地面接触，橡胶引导块与矩形橡胶垫连接，引导地面反力作用于九个力传感器上，使脚底各个部位都能感知到地面的反力，并由上层控制器根据地面的反力信息，控制机器人脚，使机器人行走稳定。

[0017] 2.本发明的脚板结构将上、下层间不需要的地方全部掏空，减小了机器人脚的体积和重量。另一方面，在空出的空间(脚板的内部)安装电路板，能起到保护控制器的作用，还可以根据需要，安装其它的传感器检测更多的信息，且外形更美观。此外，由于机器人脚板的高低可以调节，机器人行走时，可增加适应地面环境的能力，稳定性好。

[0018] 3.本发明的力传感器安装在下层板面上均匀设置的圆槽内，力传感器不直接与地面接触。根据力传感器的不同量程范围，选择不同弹性度的橡胶引导块，当地面反力达到力传感器的量程最大值时，能够使橡胶块与地面保持平行而不承受更大的力，起到了保护力传感器的作用。橡胶引导块与矩形橡胶垫连接，矩形橡胶垫与地面接触，相当于面接触，增加了机器人行走的稳定性。

[0019] 4.本发明用的是市场上购买的普通力传感器。该力传感器技术成熟、重量轻、更经济，进一步减小了机器人脚的体积和重量，降低了机器人的制作成本，便于推广应用，且检测准确。

[0020] 5.本发明的电路板由小信号放大滤波电路、控制器、局域控制网(CAN)总线接口构成，不仅可以放大、滤波力传感器输出的小信号，而且控制器可以实时计算出零力矩点(ZMP)的位置。该控制器通过局域控制网(CAN)总线接口，能实时与上层控制器进行通讯，并控制机器人脚，以适应地面环境，增加了机器人行走的稳定性。

[0021] 本发明可广泛用作仿人机器人的脚结构，特别适用于小型仿人足球机器人的脚结构。四.附图说明

[0022] 图1是本发明整体结构图；

[0023] 图2是本发明上层板的结构；

[0024] 图3是本发明下层板的结构图；

[0025] 图4是本发明中间剖面图；

[0026] 图5是本发明电路板的原理框图；

[0027] 图6是本实施例的小信号放大滤波电路原理图；

[0028] 图7是本发明与上层控制器通讯的原理框图。

[0029] 图中：1上层板，2下层板，3、4调整孔，5力传感器，6矩形橡胶垫，7电路板，8螺孔，9圆槽，10橡胶引导块。
五.具体实施方式

[0030] 下面结合具体实施方式进一步说明本发明。

[0031] 实施例1

[0032] 如图1～7所示，一种能感知地面反力的仿人机器人的脚板结构，由两个脚板组成，每个脚板主要包括上层板1、下层板2、力传感器5、矩形橡胶垫6、电路板7、橡胶引导块10。 上层板1为两端带侧板的矩形板，其材料为轻质的铝合金、厚度为3mm。两端侧板上分别设置有调整脚板高度的调整孔3，上层板1通过调整孔3和螺钉与下层板2固定连接，在上层板1的板面上设置有螺孔8，通过螺孔8和螺钉分别与上层板1下面的电路板7及上层板上面的脚踝固定连接。

[0033] 下层板2为两端带侧板的矩形板，其材料为轻质的铝合金、厚度为3mm。两端侧板扣在上层板1的两侧板内，并对应上层板侧板调整孔3，分别设置了调整孔4，以便调节上、下层板之间的空间距离及脚板的高度。在下层板2的板面上均匀设置三排并且每排又均匀设置三个圆槽9，以便装设九个力传感器5。在下层板2的下面通过胶粘剂固接有厚度为2mm的矩形橡胶垫6。矩形橡胶垫6与地面为面接触，使机器人行走稳定、防滑，并减小地面反力招致震动带来的危害。

[0034] 力传感器5为九个型号为CZL 204G普通的市购力传感器，价格低廉，能降低机器人的制作成本。橡胶引导块10为九个厚度为7mm的圆形块。九个力传感器5分别通过橡胶引导块10固接在下层板2板面的九个圆槽9内。九个橡胶引导块10分别通过橡胶粘结剂与矩形橡胶垫6的上面固接，橡胶引导块10的弹性度根据力传感器5的量程范围确定：当力传感器5的量程大时，橡胶引导块10的弹性度小；当力传感器5的量程小时，橡胶引导块10的弹性度大。这样一来，当地面反力达到力传感器5的量程最大值时，能够使橡胶引导块10与地面保持平行，不承受更大的力，从而起到了保护力传感器5的作用。橡胶引导块10引导地面反力作用于力传感器5，力传感器5测量脚底板各个部位承受地面反力的大小。电路板7固接在上层板1的下面，九个力传感器5通过信号线分别与电路板7上的小信号放大电路的输入端连接。

[0035] 电路板7由小信号放大滤波电路、控制器、局域控制网(CAN)总线接口构成。如图5所示，力传感器5感知到的小信号，通过小信号放大滤波电路放大到实际需要的范围，并通过A/D转换成数字信号。控制器计算机器人行走的零力矩点(ZMP)的位置，并通过局域控制网(CAN)总线接口实时与上层控制器通讯。

[0036] ZMP计算公式为：

[0037]

[0038] (Px为ZMP点x轴坐标，Pjx为第j个力传感器的x轴坐标，Pjy为第j个力传感器的y坐标，fjz为第j个力传感器所受的地面反力)

[0039] 小信号放大滤波电路原理如图6所示，其由五级放大滤波构成，第一级U1A、U1B构成同相输人方式，使电路具有高共模抑制比来抑制共模干扰。

[0040] 其中R2＝R3，up-uN为力传感器输出电压信号

[0041] 第-级放大倍数为：k1＝(2*R2)/R1

[0042] 第一级输出电压为：u1＝k1*(up-uN)

[0043] 第二级U1C构成差分放大级，将差分输入转成单端输出。

[0044] 其中R4＝R5，R6＝R7，u11-u12为第一级输出电压信号

[0045] 第二级放大倍数为：k2＝R7/R4

[0046] 第二级输出电压为：u2＝k2*(u11-u12)

[0047] 第三级U1D构成200HZ低通滤波器，可滤除高频干扰信号。

[0048] 其中当参数R8＝R9时，R＝R8＝R9，

[0049] 第三级截至频率：

[0050] 第三级放大倍数：

[0051] 第三级输出电压为：u3＝k3*u2

[0052] 第四级U2A构成50HZ的带阻滤波器，可滤除工频干扰信号。

[0053] 其中R＝R12＝R13，C＝C3＝C4，Rm、Rn是导线连接

[0054] 带阻滤波器放大倍数：

[0055]

[0056] 中心频率：

[0057] 通带截至频率：

[0058]

[0059]

[0060] 第四级输出电压为：u4＝k4*u3

[0061] 第五级U2B构成同相比例运算电路，将力传感器感知到的小信号放大到实际需要的电压信号。

[0062] 第五级放大倍数为：k5＝1+R17/R16

[0063] 第五级输出电压为：u5＝k5*u4

[0064] 小信号放大滤波电路的输出端与控制器连接。控制器用来计算零力矩点(ZMP)的位置，并通过局域控制网(CAN)总线接口与上层控制器通讯，以便上层控制器控制机器人脚适应地面环境。其中U1A、U1B、U1C、U1D、U2A、U2B为市购的普通运算放大器LM324。

[0065] 本发明还为上层控制器提供地面反力信息，如图7所示，使控制决策信息丰富，以控制机器人的脚适应地面环境，增加机器人行走的稳定性。

[0066] 实施例2

[0067] 一种能感知地面反力的仿人机器人的脚板结构，同实施例1，特征是：力传感器5为九个型号为FC23普通的市购力传感器，上层板1的厚度为2mm，下层板2的厚度为2mm，橡胶引导块10的厚度为6mm，矩形橡胶垫6的厚度为1mm，电路板7的小信号放大滤波电路所用的运算放大器为市购的普通运算放大器AD620。

[0068] 实施例3

[0069] 一种能感知地面反力的仿人机器人的脚板结构，同实施例1，特征是：力传感器5为九个型号为NS-TH13普通的市购力传感器，上层板1的厚度为5mm，下层板2的厚度为5mm，橡胶引导块10的厚度为9mm，矩形橡胶垫6的厚度为3mm，电路板7的小信号放大滤波电路所用的运算放大器为市购的普通运算放大器OP07。