足式机器人运动实验台

摘要

一种足式机器人运动实验台，包括：底台(3)；路面模拟平台(1)，其包括安装在底台上的跑带；位移测量装置(2)，其安装在底台上测量跑带上的机器人的位移；以及控制系统，其根据位移测量装置的位移传感器实时测量机器人在跑带上的位移对跑带带速进行控制，提供探究在不同路面等效速度的情况下的实验实际结果与预期结果偏差的实验条件。

权利要求

1.一种足式机器人运动实验台，其特征在于，包括：底台；

路面模拟平台，其包括安装在所述底台上的跑带；

位移测量装置，其安装在所述底台上测量所述跑带上的机器人的位移；以及控制系统，在机器人进行跳跃实验时其被配置为执行以下步骤：通过所述位移测量装置的位移传感器实时测量机器人在所述跑带上的位移D；

根据所述位移求取跳跃实验过程中机器人的水平方向实时绝对速度vava＝‑Δy·f＝(Dk+1‑Dk)f

式中，Dk与Dk+1为所述位移传感器相邻两返回值，f为所述位移传感器的频率；

求取机器人实时真实速度vr，vr＝va‑vb，式中vb为所述跑带带速；

对所述跑带带速按下式做持续修正：v′b＝vr+Δv，式中Δv为速度补偿项，由下式确定：Δv＝KΔD，其中K为与实验台结构以及预期回复效果相关的比例系数，ΔD＝D‑Dm，式中vr与Δv均为实时计算得到的值，Dm为机器人与所述跑带移速同步时的有效距离值。

2.根据权利要求1所述的足式机器人运动实验台，其特征在于，K取0.6～0.8。

3.根据权利要求1所述的足式机器人运动实验台，其特征在于，在机器人进行跳跃实验之前，将机器人启动并使其以匀速在所述跑带上行走，从机器人步行开始，求取机器人的水平方向实时绝对速度va，取其中最大值为机器人试验速度vae，将所述跑带的带速vb调整到vb＝‑vae。

4.根据权利要求3所述的足式机器人运动实验台，其特征在于，在机器人步行开始时所述跑带静止，在经过ΔT时间后才启动，ΔT由下式确定：L为所述跑带有效长度。

5.根据权利要求1～4任一项所述的足式机器人运动实验台，其特征在于，所述位移传感器具有多个。

6.根据权利要求5所述的足式机器人运动实验台，其特征在于，所述位移测量装置包括导轨和滑块，所述导轨垂直固定于所述底台的所述跑带布置方向的中线上，所述多个滑块设置于所述导轨上，每个所述滑块上设置一个所述位移传感器。

7.根据权利要求1所述的足式机器人运动实验台，其特征在于，机器人上安装有姿态传感器，该姿态传感器检测到机器人有跌落风险时使所述跑带静止。

说明书

足式机器人运动实验台

技术领域

[0001] 本发明属于智能机器人测试技术与装备领域，具体涉及一种足式仿生机器人运动实验台。

背景技术

[0002] 近年来，足式仿生机器人高速发展，作为集机械、电子、计算机、控制科学、测控技术、以及人工智能于一体的学科，其学科交叉面之广、技术集成度之高受到了众多学者、科研机构与科技公司的青睐，是当下最热门的研究领域之一。

[0003] 跳跃运动是多数动物实现快速行走与跨越障碍的方式，同样也是足式机器人仿生设计所期望实现的目标。而跳跃实验是作为评估足式机器人稳定控制算法鲁棒性以及结构设计时不可或缺的重要过程。一般将机器人置于跑步机上进行实验，由实验人员操作跑步机调速，进而实现机器人位置的循环复位过程，但该种方法难以保证调速准确、及时，机器人存在从跑步机上跌落的风险，尚不能作为一种行之有效的解决方案。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于为足式机器人跳跃实验提供一种实验平台及实验方法，以解决现行机器人跳跃实验过程难以持续进行而带来的预期实验效果偏差，实验过程中频繁对机器人复位所消耗的人力，以及其它可能对实验结果造成影响的因素所带来的问题，并提供探究在不同路面等效速度的情况下的实验实际结果与预期结果偏差的实验条件。

[0005] 根据本发明实施例的一方面，提供一种足式机器人运动实验台，包括：

[0006] 底台；

[0007] 路面模拟平台，其包括安装在所述底台上的跑带；

[0008] 位移测量装置，其安装在所述底台上测量所述跑带上的机器人的位移；以及[0009] 控制系统，在机器人进行跳跃实验时其被配置为执行以下步骤：

[0010] 通过所述位移测量装置的位移传感器实时测量机器人在所述跑带上的位移D；

[0011] 根据所述位移求取跳跃实验过程中机器人的水平方向实时绝对速度va[0012] va＝‑Δy·f＝(Dk+1‑Dk)f

[0013] 式中，Dk与Dk+1为所述位移传感器相邻两返回值，f为所述位移传感器的频率；

[0014] 求取机器人实时真实速度vr，vr＝va‑vb，式中vb为所述跑带带速；

[0015] 对所述跑带带速按下式做持续修正：v′b＝vr+Δv，式中Δv为速度补偿项，由下式确定：Δv＝KΔD，其中K为与实验台结构以及预期回复效果相关的比例系数，ΔD＝D‑Dm，式中vr与Δv均为实时计算得到的值，Dm为机器人与所述跑带移速同步时的有效距离值。

[0016] 在一些示例中，在机器人进行跳跃实验之前，将机器人启动并使其以匀速在所述跑带上行走，从机器人步行开始，求取机器人的水平方向实时绝对速度va，取其中最大值为机器人试验速度vae，将所述跑带的带速vb调整到vb＝‑vae。

[0017] 在一些示例中，在机器人步行开始时所述跑带静止，在经过ΔT时间后才启动，ΔT由下式确定：

[0018]

[0019] L为所述跑带有效长度。

[0020] 在一些示例中，所述位移测量装置包括导轨和滑块，所述导轨垂直固定于所述底台的所述跑带布置方向的中线上，所述多个滑块设置于所述导轨上，每个所述滑块上设置一个所述位移传感器。

[0021] 在一些示例中，机器人上安装有姿态传感器，该姿态传感器检测到机器人有跌落风险时使所述跑带静止。

[0022] 本发明模拟了跑道路面，可以通过跑带调速，实现包括但不限于足式机器人连续跳跃实验的测试需求，突破了实际实验场地空间的制约。本发明在不干涉足式机器人跳跃动作过程的前提下，使实验过程具备一定的安全性保障。本发明以实现测试功能为导向，以实现足式机器人连续跳跃实验目的，符合现代社会所倡导的短周期研发、节约资源的环境友好型设计理念，且设计方案具备有一定的经济性，具有重要的实际应用价值，同时也具有功能拓展的空间。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

[0024] 图1～图3为本发明一实施例提供的足式机器人运动实验台示意图。

[0025] 图4为本发明一实施例提供的足式机器人运动实验台坐标系示意图。

[0026] 图5为本发明一实施例提供的足式机器人运动实验台位移传感器信号真值表。

[0027] 图6为本发明一实施例提供的位移信号处理流程图。

[0028] 图7为本发明一实施例提供的机器人在跑带上水平速度求取流程图。

[0029] 图8为本发明一实施例提供的机器人初次与实验台移速同步过程流程图。

[0030] 图9为本发明一实施例提供的机器人复位过程实验台控制流程图。

具体实施方式

[0031] 图1～图3示出了一种足式机器人运动实验台，其包括底台3以及安装在底台3上的路面模拟平台1和机器人位移测量装置2。底台3底部具有支撑脚杯18。路面模拟平台1包括跑带10、跑板11以及驱动跑带10的驱动系统。跑板11设置于跑带10之间，由跑板连接件12固定于底台3上。传动系统包括电机5以及位于跑带10两端将其张紧的第一滚筒4和第二滚筒8。两滚筒4、8互相平行，由滚筒连接件13固定于底台3上。第二滚筒8联有带轮，电机5轴上联有小带轮6，两个带轮通过传动带7连接构成带传动。

[0032] 如图3，机器人位移测量装置2包括导轨14、滑块15和位移传感器16。导轨14由导轨连接件17垂直固定于底台3跑带10布置方向的中线上。多个滑块15设置于导轨14上，可在导轨14上移动调整、固定。每个滑块15上设置一个位移传感器16。

[0033] 下面详细说明足式机器人运动实验台的控制。

[0034] 1)实验台开机，将测试机器人19放置于实验台跑带10中部靠后位置，并与位移传感器16保持合适的距离。以跑带10表面几何中心为实验台坐标系原点，建立如图4所示的实验台坐标系。取测试机器人质心为机器人位置参考点，则在实验台坐标系中，正确放置的测试机器人质心坐标范围是:

[0035] (XC,L/4，ZC)～(XC,L/2,ZC)

[0036] 其中L为实验台跑带10有效长度。

[0037] 2)实验整个过程中通过实验台所配置的位移传感器16实时测量位移。以3个位移传感器为例，但不限定于此。具体地，3个位移传感器同时工作反馈回3个机器人位移信号，自上而下分别为d1、d2、d3，其值即为传感器到测试机器人机身距离值，显然若距离di：

[0038] di≥L(i＝1,2,3)

[0039] 此时传感器失焦，即反射点不在机身上，则记Ai＝0无效，否则记Ai＝1有效，Ai为表征di是否有效的逻辑量。3个逻辑量的所有可能取值情况如图5所示，记逻辑量B＝A1+A2+A3，B＝1则表示此时位移信号能够准确表征测试机器人在实验台坐标系Y轴方向上坐标变化情况，而B＝0则表示此时测试机器人尚未放置在实验台上或已经出现摔倒情况。

[0040] 当B＝1时，记D为机身到传感器有效距离，若单个信号有效则令D＝di，若多个有效则取平均值，具体地有：

[0041]

[0042] 测试机器人的实时位移测量信号处理流程如图6所示，在整个实验过程中位移传感器16始终处于工作状态并持续返回距离测量值。

[0043] 当测试机器人初次放置于实验台上时并不运动，即对地位移为零。具体地，当位移传感器16相邻两返回值作差有Dk+1‑Dk≤0.001f时即可判定为此时测试机器人本身不运动，其中f为位移传感器返回位移信号的频率，此时实验台电机5待机并不转动。

[0044] 3)在测试过程中，首先使测试机器人启动并以较低的速度(<0.5m/s)保持匀速在实验台上行走，此时显然有Dk+1‑Dk>0.001f成立，由位移传感器相邻两次返回值可得到测试机器人水平方向上的实时绝对速度：

[0045] va＝‑Δy·f＝(Dk+1‑Dk)f

[0046] 式中，Dk与Dk+1为由传感器返回并经信号处理的两相邻有效距离；f为位移传感器的频率。

[0047] 从测试机器人步行开始，相邻两有效距离即不断作差，求取测试机器人速度，取其中最大值为测试机器人试验速度记作vae，如图7所示。

[0048] 参考图8，要实现测试机器人与跑带速度同步，即测试机器人对地位移为零，则应有：vb＝‑vae成立，式中vb为实验台带速。

[0049] 由实验台带速vb可得实验台与测试机器人移速同步时的电机输出转速：

[0050]

[0051] 式中，DG为实验台第二滚筒8外径；i为电机5轴上的小带轮6与第二滚筒8上的带轮所构成带传动的传动比。又因步进电机5旋转速度与输入电脉冲的频率成正比，故由电机5输出转速可求得应输入的电脉冲频率fe为：

[0052]

[0053] 式中β为步进电机步距角。至此，由已求得的应输入的电脉冲频率fe向步进电机发送电脉冲信号即可实现测试机器人与跑带速度的同步，此时测试机器人对地位移近似为零，并将此时机器人质心在实验台坐标系中的坐标(Xc,Y0,Zc)记为实验原点E0，其中Y0＝L/2‑Dm，Dm为测试机器人与跑带移速同步时的有效距离值也是该过程中的最大值。

[0054] 此外，为使得由返回值所计算得到测试机器人速度准确可靠，在测试机器人步行开始时实验台电机并不启动即跑带静止，而是经过ΔT时间后才启动。ΔT由下式确定：

[0055]

[0056] 4)在测试过程中，当测试机器人处于步行状态且已经与跑带移速同步，此时应有va≈0成立，则可以开始跳跃实验过程。令测试机器人在行进的同时进行跳跃，在测试机器人腾空时，通过实验台位移传感器反馈机器人机身到传感器有效距离D，由3)中机器人实时速度的求取方法，类似地可求得跳跃实验过程中机器人的水平方向实时绝对速度va，而此时测试机器人实时真实速度为：vr＝va‑vb，当vb＝0时，有vr＝va成立。

[0057] 当va≠0即vr≠‑vb成立时，测试机器人与实验台存在相对运动趋势。具体地有，若vr>‑vb，此时测试机器人相对实验台有前倾的运动趋势，若vb保持不变，则测试机器人将向前跌落实验台；若vr<‑vb,此时测试机器人在跑带的作用下有相对实验台后退的运动趋势，若vb保持不变，在跑带作用下测试机器人将向后跌落实验台；若vr≈‑vb,则此时测试机器人与实验台没有相对运动趋势，测试机器人对地位移近似为零，但若vb保持不变，则测试机器人在后续的跳跃过程中将向前跌落实验台。

[0058] 参考图9，出于保护测试机器人以及实验过程可靠性的考虑，应保证跳跃实验时测试机器人的起跳位置始终位于实验原点，为实现这一目标，带速应按下式做持续修正：

[0059] v′b＝vr+Δv

[0060] 式中Δv为速度补偿项，由下式确定：

[0061] Δv＝KΔD

[0062] 其中K为与实验台结构以及预期回复效果相关的比例系数，可取0.6～0.8；而ΔD＝D‑Dm。值得注意的是，式中vr与Δv均为实时计算得到的值。

[0063] 具体地，当ΔD>0即D>Dm时，有Δv>0,此时va＝vr+v′b<0,此时测试机器人将在跑带的作用下沿y轴正向靠近实验原点；随着ΔD逐渐减小，而当ΔD<0即D0,此时测试机器人将在跑带的作用下沿y轴负向靠近实验原点。由已求得的v′b再按2)中的步骤可求取此时相应的电机输出轴转速以及应输入的电脉冲频率。

[0064] 进一步地，若ΔD＝0成立，有Δv＝0即v′b＝vr，va＝0此时测试机器人再次与跑带同速，对地位移为零。考虑到实际测试情况不能严格的保证ΔD＝0成立，故当|D‑Dm|≤0.01成立时，即判断为此时测试机器人已恢复到实验原点，令Δv＝0，则有v′b＝vr成立，测试机器人实现与跑带移速同步，此时可按3)进行下一次实验。

[0065] 5)在从测试机器人置于实验台上到实验结束的整个过程中，测试机器人所安装的姿态传感器20始终反馈实时姿态数据，当IMU所反馈的任意一轴角位移超过设定阈值，如45°，则可判断为此时测试机器人姿态不正常且有跌落风险，实验台电机立刻停转以保护测试机器人。

[0066] 6)步骤3)中所述的令测试机器人以一定速度行走并且与带速同步的过程目的为使得测试机器人、实验台预先检查有无故障等情况，若不进行低速的步行速度同步过程，以测试机器人放置点作为实验原点并按步骤4)进行跳跃实验也是可行的。有无步骤3)中所述的跳跃实验前移速同步过程不应理解为对本发明的限制。