一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构.pdf

本发明公开了一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构，其内螺纹铜柱(5)安装在足支柱(1)的A连杆(1C)上，弹簧(4)套在足支柱(1)的B连杆(1D)上，且位于内螺纹铜柱(5)与固定座(3)之间；A铜柱(6)和B铜柱(7)安装在固定座(3)上，且A铜柱(6)与5V电源正极连接，B铜柱(7)与信号检测IO口连接，固定座(3)安装在连接座(2)的下部；足支柱(1)的B连杆(1D)穿过连接座(2)的A中心通孔后，螺纹连接有螺母(8)。本发明足部触地检测机构通过A铜柱(6)、B铜柱(7)与内螺纹铜柱(5)的电信号通断来实现接触开关功能，从而实时检测腿式机器人的足部的着地与离地状态。

权利要求书
1.  一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构，腿式机器人包括躯干和与躯干相连接的腿，所述腿上至少设有足支柱(1)；足支柱(1)上设有A连杆(1C)、B连杆(1D)和足远端体(1B)；其特征在于：足部触地检测机构包括有连接座(2)、固定座(3)、弹簧(4)、内螺纹铜柱(5)、A铜柱(6)、B铜柱(7)和螺母(8)；
足支柱(1)的A连杆(1C)的第一螺纹段(1C1)上连接有内螺纹铜柱(5)；
足支柱(1)的B连杆(1D)的第二螺纹段(1D1)上连接有螺母(8)；
连接座(2)上设有A支板(2A)、B支板(2B)、横板(2C)和圆凸台(2D)；A支板(2A)上设有AA螺纹孔(2A1)，通过该AA螺纹孔(2A1)与一螺钉的配合，实现连接座(2)的一端与腿式机器人的连接部位固定；B支板(2B)上设有AB螺纹孔(2B1)，通过该AB螺纹孔(2B1)与另一螺钉的配合，实现连接座(2)的另一端与腿式机器人的连接部位固定；
横板(2C)上设有A中心通孔(2C1)、AA通孔(2C2)和AB通孔(2C3)；所述A中心通孔(2C1)用于足支柱(1)的B连杆(1D)穿过；所述AA通孔(2C2)用于一导线穿过，穿过后的所述一导线的一端与A圆柱(6)固定，所述一导线的另一端与5V电源正极连接；所述AB通孔(2C3)用于另一导线穿过，穿过后的所述另一导线的一端与B圆柱(7)固定，所述另一导线的另一端与信号检测IO口相连；
圆凸台(2D)上设有AC螺纹盲孔(2D1)和AD螺纹盲孔(2D2)；所述AC螺纹盲孔(2D1)用于放置A螺纹钉(31)，所述A螺纹钉(31)的一端穿过固定座(3)上的BC沉头通孔(3D)后，螺纹连接在AC螺纹盲孔(2D1)中；所述AD螺纹盲孔(2D2)用于放置B螺纹钉(32)，所述B螺纹钉(32)的一端穿过固定座(3)上的BD沉头通孔(3E)后，螺纹连接在AD螺纹盲孔(2D2)中；
固定座(3)上设有B中心通孔(3A)、BA螺纹孔(3B)、BB螺纹孔(3C)、BC沉头通孔(3D)和BD沉头通孔(3E)；
所述的B中心通孔(3A)用于足支柱(1)的B连杆(1D)穿过；
所述的BC沉头通孔(3D)用于A螺纹钉(31)穿过，穿过BC沉头通孔(3D)后的A螺纹钉(31)的AA螺纹段(31A)连接在连接座(2)的AC螺纹盲孔(2D1)中；
所述的BD沉头通孔(3E)用于B螺纹钉(32)穿过，穿过BD沉头通孔(3E)后的B螺纹钉(32)的BB螺纹段(32A)连接在连接座(2)的AD螺纹盲孔(2D2)中；
所述的BA螺纹孔(3B)用于安装A铜柱6；A铜柱(6)与5V电源正极连接；
所述的BB螺纹孔(3C)用于安装B铜柱7；B铜柱7与信号检测IO口连接。

2.  根据权利要求1所述的一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构，其特征在于：内螺纹铜柱(5)为导电体，固定座(3)为绝缘体。

3.  根据权利要求1所述的一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构，其特征在于：内螺纹铜柱(5)、A铜柱(6)和B铜柱(7)采用的是黄铜材质加工。

4.  根据权利要求1所述的一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构，其特征在于：固定座(3)采用的是ABS-PC材质加工。

5.  根据权利要求1所述的一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构，其特征在于：在腿式机器人的足部单元着地过程中，当足支柱(1)的足末端(1A)与地面接触时，由于接触产生的接触力压缩足支柱(1)上套接的弹簧(4)，使弹簧(4)产生一个向上的小位移d位移；所述位移能够使弹簧(4)压缩，从而使A铜柱(6)和B铜柱(7)同时接触内螺纹铜柱(5)的上端；因内螺纹铜柱(5)为导电体，使A铜柱(6)的高电平通过内螺纹铜柱(5)导通给B铜柱(7)。

6.  根据权利要求1所述的一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构，其特征在于：在腿式机器人的足部单元离地过程中，当腿式机器人抬腿时，由于套接在足支柱(1)上的弹簧(4)由于被迫压缩存在一定的弹簧力F弹簧，故在一定范围内，足支柱(1)的足末端(1A)会一直与地面接触；由于弹簧(4)存储一定的弹性势能，具有将腿远端和足支柱(1)撑开的趋势；当腿式机器人抬腿时，给了弹簧(4)释放弹性势能的空间，将A铜柱(6)和B铜柱(7)与内螺纹铜柱(5)分离，因此A铜柱(6)和B铜柱(7)不能通过内螺纹铜柱(5)导通，故A铜柱(6)与B铜柱(7)之间的连接断开。

说明书一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构
技术领域
本发明涉及腿式机器人的足部单元，更特别地说，是指一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构。
背景技术
腿式机器人包括躯干和与躯干相连接的腿。目前主要的腿式机器人主要有双足机器人、四足机器人、六足机器人和八足机器人。各腿包括多个连杆。相邻的连杆由关节连接在一起从而能够运动。
2006年1月第28卷第1期《机器人ROBOT》，题目名称为“腿式机器人的研究综述”，作者刘静，赵晓光，谭民。文中指出腿式机器人的身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于，机器人的身体可以平衡地运动而不必考虑地面粗糙程度和腿的放置位置。腿式机器人的步态规划算法的基于思想是：已知机器人的腿部末端在坐标系中的位置，求腿各个关节的关节角。当关节角确定后，就可以构造机器人的步态模式。所述腿式机器人步态的方式决定了机器人对地形的适应性。高层控制器用于实现腿式机器人的姿态控制、运动控制和步态规划。
近些年来，随着机器人技术的发展，人们对机器人的运动实时感知能力提出了更高的要求。对于腿式机器人而言，如何实现不同动作成为其研究的热点。由于腿式机器人的工作环境复杂，影响其运动的因素较多，而其中能否灵敏感知足底触地状态是腿式机器人实现稳定运动的关键因素。
目前，我国一部分机器人采用简单的开环控制，如CN101370623公开的“腿式机器人”，能在确保躯干高度低的情况下以大步幅行走，但是步伐的长度需要事先预定，并不能够适应较为复杂的路面状况。还有一部分机器人采用了力/力矩传感器来获取机器人着地的力或力矩信息，如CN1860001的“腿式移动机器人”，即在设计中采用了力传感器反馈腿部活动状态。但是这类传感器的价格昂贵，且对安装和使用的要求也较高，因此，改进机器人足底的触地感知方式成为了腿式机器人机构设计的重要问题。
发明内容
为了提高腿式机器人足底触地状态的灵敏感知，本发明设计了一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构。该足部触地检测机构一方面通过足部接触地面时引起的弹簧微小压缩实现两个铜柱的导通，该导通信号表明足部已触地；另一方面当足部离开地面时，弹簧压缩而产生的弹簧力而迫使两个铜柱的导通断开，该断开信号表明足部已离地；然后，腿式机器人的高层控制器通过各个单腿控制器来监控两个铜柱的导通和断开来判断足端是否触地。
本发明设计的一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构，腿式机器人包括躯干和与躯干相连接的腿，所述腿上至少设有足支柱(1)；足支柱(1)上设有A连杆(1C)、B连杆(1D)和足远端体(1B)；其特征在于：足部触地检测机构包括有连接座(2)、固定座(3)、弹簧(4)、内螺纹铜柱(5)、A铜柱(6)、B铜柱(7)和螺母(8)；
足支柱(1)的A连杆(1C)的第一螺纹段(1C1)上连接有内螺纹铜柱(5)。
足支柱(1)的B连杆(1D)的第二螺纹段(1D1)上连接有螺母(8)。
连接座(2)上设有A支板(2A)、B支板(2B)、横板(2C)和圆凸台(2D)。A支板(2A)上设有AA螺纹孔(2A1)，通过该AA螺纹孔(2A1)与一螺钉的配合，实现连接座(2)的一端与腿式机器人的连接部位固定。B支板(2B)上设有AB螺纹孔(2B1)，通过该AB螺纹孔(2B1)与另一螺钉的配合，实现连接座(2)的另一端与腿式机器人的连接部位固定。
横板(2C)上设有A中心通孔(2C1)、AA通孔(2C2)和AB通孔(2C3)；所述A中心通孔(2C1)用于足支柱(1)的B连杆(1D)穿过；所述AA通孔(2C2)用于一导线穿过，穿过后的所述一导线的一端与A圆柱(6)固定，所述一导线的另一端与5V电源正极连接；所述AB通孔(2C3)用于另一导线穿过，穿过后的所述另一导线的一端与B圆柱(7)固定，所述另一导线的另一端与信号检测IO口相连。
圆凸台(2D)上设有AC螺纹盲孔(2D1)和AD螺纹盲孔(2D2)；所述AC螺纹盲孔(2D1)用于放置A螺纹钉(31)，所述A螺纹钉(31)的一端穿过固定座(3)上的BC沉头通孔(3D)后，螺纹连接在AC螺纹盲孔(2D1)中；所述AD螺纹盲孔(2D2)用于放置B螺纹钉(32)，所述B螺纹钉(32)的一端穿过固定座(3)上的BD沉头通孔(3E)后，螺纹连接在AD螺纹盲孔(2D2)中；
固定座(3)上设有B中心通孔(3A)、BA螺纹孔(3B)、BB螺纹孔(3C)、BC沉头通孔(3D)和BD沉头通孔(3E)；
所述的B中心通孔(3A)用于足支柱(1)的B连杆(1D)穿过；
所述的BC沉头通孔(3D)用于A螺纹钉(31)穿过，穿过BC沉头通孔(3D)后的A螺纹钉(31)的AA螺纹段(31A)连接在连接座(2)的AC螺纹盲孔(2D1)中；
所述的BD沉头通孔(3E)用于B螺纹钉(32)穿过，穿过BD沉头通孔(3E)后的B螺纹钉(32)的BB螺纹段(32A)连接在连接座(2)的AD螺纹盲孔(2D2)中；
所述的BA螺纹孔(3B)用于安装A铜柱6；A铜柱(6)与5V电源正极连接。
所述的BB螺纹孔(3C)用于安装B铜柱7。B铜柱7与信号检测IO口连接。
所述内螺纹铜柱(5)为导电体，所述固定座(3)为绝缘体。
本发明的一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构的优点在于：
①该足部结构简单适用，易于安装。
②该足部集机器人足与触地开关设计于一体，无需外购商用开关。
③该足部触地开关只有两根引线，减轻腿结构布线设计难度，且引线从结构内部通过，无外露。
④该足部内置弹簧，可用于缓冲足末端与地面接触时的冲击，减轻冲击对腿的影响。
⑤该足部结构只需通过足部单元的连接座实现与腿直接的固定连接，与腿的集成简单可靠。
附图说明
图1是本发明的适用于腿式机器人的足部触地检测机构的正视结构图。
图1A是本发明的适用于腿式机器人的足部触地检测机构的A-A剖面结构图。
图1B是本发明的适用于腿式机器人的足部触地检测机构的外部结构图。
图1C是本发明的适用于腿式机器人的足部触地检测机构的分解结构图。
图2是本发明足部触地检测机构中连接座的结构图。
图3是本发明足部触地检测机构中固定座的结构图。
图4是应用本发明足部触地检测机构的多足机器人运动控制框图。
图4A是应用本发明足部触地检测机构实现单腿足部着地的控制流程图。
图4B是应用本发明足部触地检测机构实现单腿足部离地的控制流程图。
      1.足支柱1A.足末端1B.足远端体1C.A连杆1C1.第一螺纹段1D.B连杆1D1.第二螺纹段2.连接座2A.A支板2A1.AA螺纹孔2B.B支板2B1.AB螺纹孔2C.横板2C1.A中心通孔2C2.AA通孔2C3.AB通孔2D.圆凸台2D1.AC螺纹盲孔2D2.AD螺纹盲孔3.固定座3A.B中心通孔      
      3B.BA螺纹孔3C.BB螺纹孔3D.BC沉头通孔3E.BD沉头通孔31.A螺钉31A.AA螺纹段32.B螺钉32A.BB螺纹段4.弹簧5.内螺纹铜柱5A.螺纹通孔6.A铜柱6A.A螺纹段7.B铜柱7A.B螺纹段8.螺母  
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
一般地，腿式机器人包括躯干和与躯干相连接的腿，所述腿上至少设有足支柱1。参见图1、图1A、图1B和图1C所示，本发明设计了的一种适用于腿式机器人的足部触地检测机构，该足部触地检测机构包括有连接座2、固定座3、弹簧4、内螺纹铜柱5、A铜柱6、B铜柱7和螺母8；
所述的足部触地检测机构与腿式机器人的连接部位的固定安装是通过连接座2上设置的A支板2A和B支板2B实现的。即采用一螺钉穿过腿式机器人的连接部位的一通孔后，螺纹连接在A支板2A的AA螺纹孔2A1中，采用另一螺钉穿过腿式机器人的连接部位的另一通孔后，螺纹连接要B支板2B的AB螺纹孔2B1中。螺钉与通孔、螺纹孔的装配为常规方式。
在本发明设计的足部触地检测机构中，内螺纹铜柱5安装在足支柱1的A连杆1C上；弹簧4套在足支柱1的B连杆1D上，且位于内螺纹铜柱5与固定座3之间；A铜柱6和B铜柱7安装在固定座3上；固定座3安装在连接座2的下部；足支柱1的B连杆1D穿过连接座2上的AB通孔2C1后，并在B连杆1D的第二螺纹段1D 1上螺纹连接有螺母8。
足支柱1：
参见图1、图1A、图1B、图1C所示，足支柱1的加工材料一般采用铝合金。足支柱1上设有A连杆1C、B连杆1D和足远端体1B，足支柱1的足远端体1B的底部用于与地面接触，称为足末端1A。
A连杆1C上设有第一螺纹段1C1，该第一螺纹段1C1用于连接内螺纹铜柱5。
B连杆1D上设有第二螺纹段1D 1，该第二螺纹段1D 1用于连接螺母8。
连接座2：
参见图1、图1A、图1B、图1C、图2所示，连接座2的加工材料一般采用铝合金。连接座2上设有A支板2A、B支板2B、横板2C和圆凸台2D。
参见图1C所示，A支板2A上设有AA螺纹孔2A1，通过该AA螺纹孔2A1与一螺钉的配合，实现连接座2的一端与腿式机器人的连接部位固定。
参见图1C所示，B支板2B上设有AB螺纹孔2B1，通过该AB螺纹孔2B1与另一螺钉的配合，实现连接座2的另一端与腿式机器人的连接部位固定。
参见图1C所示，横板2C上设有A中心通孔2C1、AA通孔2C2和AB通孔2C3；
所述A中心通孔2C1用于足支柱1的B连杆1D穿过；
所述AA通孔2C2用于一导线穿过，穿过后的所述一导线的一端与A圆柱6固定，所述一导线的另一端与5V电源正极连接；
所述AB通孔2C3用于另一导线穿过，穿过后的所述另一导线的一端与B圆柱7固定，所述另一导线的另一端与信号检测IO口相连。
参见图1C、图2所示，圆凸台2D上设有AC螺纹盲孔2D1和AD螺纹盲孔2D2；
所述AC螺纹盲孔2D1用于放置A螺纹钉31，所述A螺纹钉31的一端穿过固定座3上的BC沉头通孔3D后，螺纹连接在AC螺纹盲孔2D1中；
所述AD螺纹盲孔2D2用于放置B螺纹钉32，所述B螺纹钉32的一端穿过固定座3上的BD沉头通孔3E后，螺纹连接在AD螺纹盲孔2D2中；在本发明中，通过A螺纹钉31和B螺纹钉32实现连接座2与固定座3的固定安装。
固定座3：
参见图1、图1A、图1B、图1C、图3所示，固定座3采用的是ABS-PC材质，为绝缘体。固定座3上设有B中心通孔3A、BA螺纹孔3B、BB螺纹孔3C、BC沉头通孔3D和BD沉头通孔3E；
所述的B中心通孔3A用于足支柱1的B连杆1D穿过；
所述的BC沉头通孔3D用于A螺纹钉31穿过，穿过BC沉头通孔3D后的A螺纹钉31的AA螺纹段31A连接在连接座2的AC螺纹盲孔2D1中；
所述的BD沉头通孔3E用于B螺纹钉32穿过，穿过BD沉头通孔3E后的B螺纹钉32的BB螺纹段32A连接在连接座2的AD螺纹盲孔2D2中；
所述的BA螺纹孔3B用于安装A铜柱6；
所述的BB螺纹孔3C用于安装B铜柱7。
内螺纹铜柱5：
参见图1C所示，内螺纹铜柱5上设有螺纹通孔5A，内螺纹铜柱5通过该螺纹通孔5A螺纹连接在足支柱1的A连杆1C的第一螺纹段1C1上。即内螺纹铜柱5固定在足支柱1的A连杆1C上。
A铜柱6：
参见图1C所示，A铜柱6安装在固定座3的BA螺纹孔3B中，且A铜柱6上设有A螺纹段6A。
在本发明中，A铜柱6与5V电源正极连接。
B铜柱7：
参见图1C所示，B铜柱7安装在固定座3的BB螺纹孔3C中，且B铜柱7上设有B螺纹段7A。
在本发明中，B铜柱7与信号检测IO口连接。
在本发明中，当A铜柱6和B铜柱7与内螺纹铜柱5接触时，A铜柱6的高电平通过内螺纹铜柱5导通给B铜柱7，此时，信号检测IO口的电平为高。
在本发明中，当A铜柱6和B铜柱7与内螺纹铜柱5不接触时，A铜柱6的高电平不能通过内螺纹铜柱5导通给B铜柱7，此时，信号检测IO口的电平为低。
参见图4所示，一般地，腿式机器人根据任务需求通过高层控制器向各个单腿控制器(单腿控制器A、单腿控制器B、……、单腿控制器N)发出运动指令，所述的单腿控制器解析运动指令控制各个腿关节的运动，腿关节的运动使足部单元产生抬起/放下运动，从而使得足末端完成离地/着地的运动。所述单腿控制器上设有信号检测IO口。
参见图4A所示的着地单腿控制，高层控制器下发着地运动指令，单腿控制器解析着地运动指令控制该腿关节的运动，腿关节的运动使足部单元产生放下运动；根据不同的地形可能存在的情况为：
(A)若为平坦地形，则足部单元的信号检测IO口的电平信号为高电平，说明足末端已接触到地面；
(B)若为凹地形，则足部单元的信号检测IO口的电平信号为低电平，说明足末端还未接触到地面，此时单腿控制器继续产生关节运动指令，控制腿关节运动，直到足末端的信号检测IO口的电平为高，足末端完成接触地面；
(C)若为凸地形，单腿控制器在腿放下的运动过程中，会检测到足部单元的信号检测IO口的电平信号为高电平，说明足末端提前接触到地面，此时单腿控制器发出停止腿放下的运动指令，使腿关节停止运动，足末端完成接触地面。
在本发明的着地单腿控制中，单腿控制器根据足部单元的信号检测IO口的电平为高来确定足末端已接触地面，并向高层控制器反馈着地信号。
参见图4B所示的离地单腿控制，高层控制器下发离地运动指令，单腿控制器解析离地运动指令控制该腿关节的运动，腿关节的运动使足部单元产生抬起运动，同时单腿控制器不断检测足部单元的信号检测IO口的电平信号；若所检测到的电平信号为高电平时，说明足末端还未离地，单腿控制器继续控制腿关节运动，使足部单元产生抬起运动；若所检测到的电平信号为低电平时，说明足末端已离地。
在本发明的离地单腿控制中，单腿控制器根据足部单元的信号检测IO口的电平为低来确定足末端已离开地面，并向高层控制器反馈离地信号。
着地工作原理：
在腿式机器人的足部单元着地过程中，当足支柱1的足末端1A与地面接触时，由于接触产生的接触力压缩足支柱1上套接的弹簧4，使弹簧4产生一个向上的小位移d位移；所述位移能够使弹簧4压缩，从而使A铜柱6和B铜柱7同时接触内螺纹铜柱5的上端；因内螺纹铜柱5为导电体，使A铜柱6的高电平通过内螺纹铜柱5导通给B铜柱7，此时，信号检测IO口的电平为高，相当于接触开关闭合(如图4所示)；此时表明足支柱1的足末端1A已经与地面接触了，并与地面之间存在一定的相互作用力F接触。
离地工作原理：
在腿式机器人的足部单元离地过程中，足支柱1的足末端1A在离地开始时是与地面接触的，腿式机器人欲抬腿往前迈步的时候，需要判定腿式机器人的离地时机，用于步态规划。其原理如下：当腿式机器人抬腿时，由于套接在足支柱1上的弹簧4由于被迫压缩存在一定的弹簧力F弹簧，故在一定范围内，足支柱1的足末端1A会一直与地面接触；由于弹簧4存储一定的弹性势能，具有将腿远端和足支柱1撑开的趋势；当腿式机器人抬腿时，给了弹簧4释放弹性势能的空间，将A铜柱6和B铜柱7与内螺纹铜柱5分离，因此A铜柱6和B铜柱7不能通过内螺纹铜柱5导通，而固定座3采用的是ABS-PC材质加工，为绝缘体，故A铜柱6与B铜柱7之间的连接断开，此时相当于接触开关断开(如图4所示)。内螺纹铜柱5、A铜柱6和B铜柱7采用的是黄铜材质加工。
本发明设计的足部触地检测机构为现有腿式机器人腿部足端的一种改进结构。本发明设计的足部触地检测机构所要解决的是：如何提高腿式机器人足末端在步态规划中的着地与离地检测灵敏度的技术问题，采用的技术手段是对A铜柱(6)、B铜柱(7)与内螺纹铜柱(5)的电信号通断来实现接触开关功能，达到检测腿式机器人足部的着地与离地。而技术效果则是在现有腿式机器人腿部增加简单的器件，来实现了大的功能，且灵敏度高、加工成本低廉。