專利名稱：多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明設計了一種檢測多足機器人足部觸地和離地的雙閾值檢測系統(tǒng)及采用該檢測系統(tǒng)對多足機器人地面接觸力進行雙閾值檢測的方法，用于檢測多足機器人行走時足部是否已經觸地或離地。
背景技術：
多足機器人在行走時如何檢測足部是否已經觸地和離地是一個非常關鍵的問題， 直接影響到步態(tài)控制、行走穩(wěn)定性及步態(tài)轉換。目前，檢測多足機器人行走時足部的觸地和離地多采用壓力傳感器的方式，但壓力傳感器不但結構復雜、體積較大、重量較重，而且對于不同尺寸的多足機器人在使用上有很大的局限性；而且，壓力傳感器一般價格比較昂貴。 另外，機器人行走時本體會發(fā)生震動，特別是在粗糙不平路面行走時足部與地面的接觸很不穩(wěn)定，這就造成了足部在觸地和離地的一瞬間的接觸力很不穩(wěn)定，而采用壓力傳感器，一般只設定一個壓力閾值，大于這個值，判定為觸地，小于這個值則判定為離地。因此，由于觸地時的不穩(wěn)定性，所以經常造成判斷不準確。
發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)及采用該檢測系統(tǒng)對多足機器人地面接觸力進行雙閾值檢測的方法。該檢測系統(tǒng)包括多足機器人足部被動柔順裝置和檢測電路，所述多足機器人足部被動柔順裝置包括力敏電阻、復位彈簧和橡膠圓柱墊片；所述力敏電阻置于所述多足機器人足部被動柔順裝置的上部；所述復位彈簧與所述力敏電阻連接；所述橡膠圓柱墊片壓在所述力敏電阻的表面上；所述檢測電路包括電壓比較器、分壓電阻&和電阻& ；所述多足機器人足部被動柔順裝置中的力敏電阻連接于所述檢測電路的電壓V+ 和電壓比較器的正向輸入端之間；所述分壓電阻&連接于地和所述力敏電阻之間，形成一個分壓電路；所述電阻&連接于電壓比較器的正向輸入端和輸出端，形成一個同相輸入的正反饋電路。該檢測方法由力敏電阻、檢測電路及足部被動柔順裝置實現，其中所采用的力敏電阻是一種能夠通過表面壓力的變化迅速改變阻值、并且易于安裝的、薄片形狀的電阻；檢測電路采用電壓比較器，采用同相輸入的正反饋電壓比較器電路，電壓比較器的正端的輸入電壓連接力敏電阻和一個分壓電阻&，通過力敏電阻阻值的變化來調節(jié)電壓比較器的正端輸入電壓；電壓比較器的負端接電壓V-，電壓比較器U1可采用LM358或者LM3M等具有雙運算大器的電子元件，另外，在電壓比較器的正端和輸出端之間接入一個電阻&產生反饋，以產生雙閾值觸地力閾值和離地力閾值。離地力閾值與&成正比，與&成反比；觸地力閾值與&成正比，與&也成正比。 這樣就可以通過改變分壓電阻&和電阻&的大小來改變觸地力閾值和離地力閾值的大小。
觸地力閾值和離地力閾值兩者之差的大小與&成反比，增大&可使閾值之間的差值減小，減少&可使閾值之間的差值增大。 當多足機器人的足部觸地時，足部被動柔順裝置內的彈簧受壓力，彈簧縮短，通過圓柱墊片給力敏電阻的表面施加一個力，使力敏電阻的阻值變小，從而使電壓比較器的正向輸入端的電壓增大，當電壓比較器正向輸入端的電壓增大到一定值時，電壓比較器的輸出由低電平突變?yōu)楦唠娖?，這時判定為機器人的足部穩(wěn)定觸地。當多足機器人的足部離地時，壓力減小，彈簧恢復，力敏電阻所受壓力減少，阻值增大，電壓比較器正向輸入端的電壓變小，當電壓比較器正向輸入端的電壓減小到一定值時，電壓比較器的輸出由高電平突變?yōu)榈碗娖?，這時判定為機器人的足部穩(wěn)定離地。由于電阻1 的存在，使觸地力閾值與離地力閾值不同，觸地力閾值要大于離地力閾值，而兩個閾值之間的差值由R2決定。本發(fā)明克服了多足機器人行走時足部觸地和離地檢測通常采用的壓力傳感器結構復雜、體積大、重量重、適用性不強及判斷不準確的問題。本發(fā)明采用一種新型簡單的方法來完成機器人足底觸地和離地的檢測，實驗證明該方法準確有效。
圖1為多足機器人地面接觸力檢測系統(tǒng)的總結構圖。圖2為多足機器人足部被動柔順裝置剖視圖。圖3為力敏電阻外形示意圖。圖4為多足機器人地面接觸力檢測電路圖。圖5為力敏電阻阻值與地面接觸力大小的關系示意圖。圖6為觸地力和離地力與檢測信號的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖1為多足機器人地面接觸力檢測系統(tǒng)的總結構圖。其中，1為多足機器人足部被動柔順裝置，2為檢測電路，3為檢測電路的雙閾值輸出。所述多足機器人足部被動柔順裝置如圖2所示，其主要包括力敏電阻、復位彈簧和橡膠圓柱墊片；所述檢測電路如圖4所示，其包括電壓比較器、分壓電阻&和電阻述多足機器人足部被動柔順裝置中的力敏電阻連接于檢測電路的電壓V+和電壓比較器的正向輸入端之間。在圖2所示的多足機器人足部被動柔順裝置中，把力敏電阻安放在位置1處，其中，力敏電阻的外形示意圖如圖3所示，當機器人足部觸地時，壓縮里面的復位彈簧2，用于防止把力敏電阻壓壞的橡膠圓柱墊片6壓在力敏電阻表面上，使力敏電阻的表面受力，從而引起力敏電阻的阻值發(fā)生變化；銷子3用于防止復位彈簧彈出橡膠圓柱墊片6 ；緊固螺帽 5連接橡膠圓柱墊片6與下面的橡膠腳套4，用來固定橡膠腳套4與橡膠圓柱墊片6 ；橡膠腳套4用于緩沖地面的沖擊力。在圖4所示的檢測電路圖中，檢測電路包括電壓比較器、分壓電阻 和電阻R2。其中，分壓電阻&連接于地與力敏電阻之間，形成一個分壓電路，這樣電壓比較器正端的輸入電壓的大小就取決于電阻&的大??；電阻&連接于電壓比較器的正端和輸出端，形成一個同相輸入的正反饋電路，以產生雙閾值觸地力閾值F1和離地力閾值F2，并使得F1 > F2 ；電壓比較器的負端接電壓V-;力敏電阻的兩個端腳分別連接電壓V+和電壓比較器的正向輸入端，通過力敏電阻阻值的變化來調節(jié)電壓比較器的正端輸入電壓，其中，所述電壓V+大于所述電壓比較器的負端輸入電壓ν-。當多足機器人的足部觸地時，力敏電阻所受壓力增大，力敏電阻阻值開始減小，當力敏電阻表面所受壓力增至一定值F1時，電壓比較器正端的電壓高于負端的輸入電壓V-， 電壓比較器的輸出信號從低電平突變成高電平，此時判定為機器人的足部穩(wěn)定觸地。當機器人的足部離地時，力敏電阻所受壓力減小，力敏電阻的阻值開始增大，當力敏電阻表面受力減小到值F2時，電壓比較器正端的電壓低于負端的輸入電壓，電壓比較器的輸出信號由高電平突變成低電平，此時判定為機器人的足部已經離地。圖4所示的電路原理可由下式來表征
權利要求
1.一種多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括多足機器人足部被動柔順裝置和檢測電路，其中所述多足機器人足部被動柔順裝置包括力敏電阻、復位彈簧和橡膠圓柱墊片；所述力敏電阻置于所述多足機器人足部被動柔順裝置的上部；所述復位彈簧與所述力敏電阻連接；所述橡膠圓柱墊片壓在所述力敏電阻的表面上；所述檢測電路包括電壓比較器、分壓電阻&和電阻& ；所述多足機器人足部被動柔順裝置中的力敏電阻連接于所述檢測電路的電壓V+和電壓比較器的正向輸入端之間；所述分壓電阻&連接于地和所述力敏電阻之間，形成一個分壓電路；所述電阻&連接于電壓比較器的正向輸入端和輸出端，形成一個同相輸入的正反饋電路。
2.如權利要求1所述的多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述多足機器人足部被動柔順裝置還包括銷子、緊固螺帽和橡膠腳套，其中所述銷子用于防止所述復位彈簧彈出所述橡膠圓柱墊片；所述緊固螺帽連接所述橡膠圓柱墊片與所述橡膠腳套，用來固定所述橡膠腳套與所述橡膠圓柱墊片；所述橡膠腳套置于所述多足機器人足部被動柔順裝置的底端，用于緩沖地面的沖擊力。
3.如權利要求1所述的多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓比較器采用同相輸入的正反饋電壓比較器電路。
4.如權利要求1所述的多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述電阻R2連接于電壓比較器的正向輸入端和輸出端，形成一個同相輸入的正反饋電路，以形成雙閾值，即觸地力閾值和離地力閾值。
5.如權利要求4所述的多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)，其特征在于，通過改變分壓電阻 和電阻&的大小來改變觸地力閾值和離地力閾值。
6.如權利要求4所述的多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)，其特征在于，觸地力閾值與離地力閾值的差值與電阻&成反比。
7.如權利要求1所述的多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓V+大于所述電壓比較器的負端輸入電壓V-。
8.如權利要求1所述的多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述分壓電阻 小于100千歐。
9.如權利要求1所述的多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述分壓電阻&取值為0. 1千歐至30千歐。
10.一種采用權利要求1中的檢測系統(tǒng)對多足機器人地面接觸力進行雙閾值檢測的方法，其特征在于，該方法包括通過改變分壓電阻&和電阻&的大小來設置觸地力閾值F1和離地力閾值F2,其中，F1 >F2 ；當多足機器人足部被動柔順裝置內的力敏電阻表面受力增至閾值&時，電壓比較器的輸出由低電平突變?yōu)楦唠娖?，這時判定為機器人的足部穩(wěn)定觸地；當力敏電阻表面受力減至閾值&時，電壓比較器的輸出由高電平突變?yōu)榈碗娖?，這時判定為機器人的足部離地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多足機器人地面接觸力的雙閾值檢測系統(tǒng)及采用該檢測系統(tǒng)對多足機器人地面接觸力進行雙閾值檢測的方法。該檢測系統(tǒng)包括多足機器人足部被動柔順裝置和檢測電路。該檢測方法由檢測電路根據地面的不同情況來設定機器人的觸地力閾值和離地力閾值，以滿足機器人在不同地面上行走時的觸地和離地判斷；觸地力閾值和離地力閾值之間可以保持較大的裕量，使觸地和離地的判斷更為可靠，避免了單閾值接觸力檢測方法存在的接觸力瞬間波動而無法判斷是否觸地或離地的情況。本發(fā)明可用于多足機器人行走時足部觸地和離地的檢測，是多足機器人足部觸地和離地感知的有效方法。
文檔編號G01L1/18GK102288336SQ201110204398
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權日2011年7月21日
發(fā)明者劉振宇, 王偉 申請人:中國科學院自動化研究所