一种足式机器人足壤相互作用力学特性测试平台

摘要

本发明公开了一种足式机器人足壤相互作用力学特性测试平台，包括机架、运动系统、测试系统；机架包括顶层平板、支撑腿、移动轮、土槽、底座、转轴、土槽倾斜装置；运动机构包括直线电机、髋关节电机、大腿支架、膝关节电机、小腿支架、踝关节支架、足端；测试机构包括摄像机、三向力传感器，通过摄像机拍摄关节运动步态，分析运动特性，通过摄像机拍摄足印照片并获取足印深度，通过三向力传感器获取足式机器人运动过程中法向力以及切向力数值。本发明可对不同情况下的足端所受法向力以及切向力进行分析比较，从而对足式机器人的足端设计、稳定性控制以及路径规划起到指导作用。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人力学特性测试领域，具体涉及一种足式机器人足壤相互作用力学特性测试平台。

背景技术

随着科学技术的发展，足式移动系统的稳定性研究是当今发展的主流。在足式移动系统当中，又以足式机器人最为常见，应用最为广泛。但足式机器人在松软环境下运动时，其足端易产生深沉陷以及大滑移等情况，从而导致其稳定性降低。因此，需要对足端与土壤间的相互作用力学特性进行研究分析，来判断足端具体受力情况，从而分析足式机器人在运动过程中的沉陷以及滑移情况。同时，仍需通过观察在发生深沉陷以及大滑移时，其腿部运动情况。通过力学分析以及运动分析，对足式机器人的足端设计、稳定性控制以及路径规划起到指导作用。但现如今足式机器人试验台无法考虑多变量(运动步态，土壤特性，足端形状)条件下的足壤相互作用力学特性。本发明设计一种新型足式机器人足壤相互作用力学特性测试平台以解决上述问题。

发明内容

为解决现有足式机器人测试平台无法测量多变量条件下足式机器人足壤相互作用受力情况的缺陷。本发明提出了一种足式机器人足壤相互作用力学特性测试平台。该种平台可测量足式机器人在不同条件下足壤相互作用时的法向受力以及切向受力情况，绘制法向力以及切向力受力曲线。其中法向受力可通过三向力传感器z向受力直接得到，切向力可通过上述第一计算公式得到，其公式如下所示。

其中F

一种足式机器人足壤相互作用力学特性测试平台，包括机架、运动系统、测试系统。所述机架包括底座、支撑轴、支撑柱、顶层载板、髋关节相机载板、膝关节相机载板、土槽、土槽倾斜装置、移动轮；其中底座放置在地面上，支撑轴与底座间隙配合；顶层载板与支撑柱通过螺栓相连；两块相机载板与支撑柱通过螺栓相连，支撑柱与移动轮通过短轴连接，移动轮负责测试系统的运动；土槽底部一端与土槽倾斜装置接触，另一端通过耳座与支撑轴连接；底座、支撑轴、土槽倾斜装置相互配合以改变土槽倾角。

所述运动系统包括直线电机、躯干、连接件、髋关节电机、大腿支架、小腿支架、膝关节电机、踝关节支架、足端；直线电机安装在顶层载板上，通过螺栓连接，负责实现运动系统上下移动；躯干一端与直线电机通过螺纹连接，一端与连接件通过螺栓连接；髋关节电机分别与连接件以及大腿支架相连接，负责控制足式机器人髋关节运动；膝关节电机一端与大腿支架连接，一端与小腿支架连接，负责控制足式机器人膝关节运动；踝关节支架一端与小腿支架连接，另一端与三向力传感器通过螺纹连接；足端与三向力传感器通过螺纹连接。

所述测试系统包括足迹获取相机、髋关节相机、膝关节相机、三向力传感器；足迹获取相机通过螺栓连接在顶层载板上，负责获取足式机器人运动过程中足迹情况，以及足迹深度，并通过足迹深度判断其沉陷情况；髋关节相机与膝关节相机分别与髋关节相机载板以及膝关节相机载板通过螺栓连接，负责采集运动过程机架姿态与位姿情况；三向力传感器一端与踝关节支架通过螺纹连接，另一端与足端通过螺纹连接，三向力传感器负责采集实际运动过程中足端所受正应力以及切应力情况；其中三向力传感器z向采集的为足端法向力；x，y向合力为足端切向力。

本发明的有益效果：

1.可对不同情况下的足端所受法向力以及切向力进行分析比较，从而对足式机器人的足端设计、稳定性控制以及路径规划起到指导作用。

2.设置了两组相机，可观察运动过程中机架位姿及姿态情况，通过是否有倾倒等趋势来判断其运动过程中稳定性情况。

3.设置了土槽倾斜装置以及转轴等机构，使该测试平台既可以测试平地下力学特性又可以测试其爬坡状态下力学特性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的左视图。

图4是本发明运动系统结构示意图。

图中：1-机架，2-运动系统，3-测试系统，11-底座、12-支撑轴、13-支撑柱、14-顶层载板、15-髋关节相机载板、16-膝关节相机载板、17-土槽、18-土槽倾斜装置、19-移动轮、21-直线电机、22-躯干、23-连接件、24-髋关节电机、25-大腿支架、26-小腿支架、27-膝关节电机、28-踝关节支架、29-足端、31-足迹获取相机、32-髋关节相机、33-膝关节相机、34-三向力传感器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语中“上”、“下”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装配或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和造作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种足式机器人足壤相互作用力学特性测试平台，包括机架1、运动系统2、测试系统3；机架1负责搭载运动系统2以及测试系统3，同时机架1中土槽可调节角度，模拟不同角度下足式机器人运动情况；运动系统2负责控制足式机器人运动，模拟不同情况下足式机器人运动情况；测试系统3负责测试不同运动情况下，足式机器人运动后足迹情况、运动过程中受力情况以及其运动特性。

如图2所示，所述机架1包括底座11、支撑轴12、支撑柱13、顶层载板14、髋关节相机载板15、膝关节相机载板16、土槽17、土槽倾斜装置18和移动轮19；其中还包括所述运动系统2中直线电机21、躯干22、连接件23、髋关节电机24、大腿机架25；以及测试系统3中足迹获取相机31；其中底座11通过螺栓固定在地面上；支撑轴12与底座11以及土槽17耳座轴孔同轴，间隙配合相连；支撑轴13上端通过螺栓与顶层载板固连，下端与移动轮19间隙配合连接；顶层载板14上方与直线电机21通过螺栓连接，下方与足迹获取相机31通过螺栓连接；髋关节相机载板15通过螺钉固连在支撑轴13上，其位置与髋关节电机24相对应；膝关节相机载板16布置方式与髋关节相机载板17相同；土槽倾斜装置18与地面通过螺栓相连，上端与土槽下底面接触。

如图4所示，所述运动系统2包括躯干22、连接件23、髋关节电机24、大腿支架25、小腿支架26、膝关节电机27、踝关节支架28、足端29，以及测试系统3中三向力传感器34；其中连接件23上端与躯干22通过螺栓固连；髋关节电机24转轴外侧与连接件23间隙配合，内侧与大腿支架25过盈配合；膝关节电机27转轴分别与大腿支架25,以及小腿支架26过盈配合；踝关节支架28轴端与小腿支架26过盈配合，另一端与三向力传感器34通过螺栓连接；足端29与三向力传感器34通过螺栓连接；三向力传感器34负责测量运动过程中足端实际受力情况。

如图3所示，所述测试系统3包括足迹获取相机31、髋关节相机32、膝关节相机33；其中足迹获取相机31与顶层载板14下表面通过螺栓连接，且其相对于直线电机21对称布置；髋关节相机32与髋关节相机载板15通过螺栓连接，其布置位置与髋关节电机24相对，便于对运动过程中运动状态进行拍摄分析；膝关节相机33布置方式与髋关节相机32一致。

本发明工作原理如下：

请参阅图1、图2、图3所示，试验前先通过土槽倾斜装置18调整土槽坡度至合适位置，随后在三向力传感器34下端安装所需足端29，将直线电机21下降到所需位置。设置髋关节电机24以及膝关节电机27为相应驱动步态，将三向力传感器34读数归零。打开足迹获取相机31、髋关节相机32、膝关节相机33，并将相机角度调整至相应位置。准备完成后同时打开髋关节电机24开关以及膝关节电机27开关，足式机器人开始向前运动，足迹获取相机31获取足迹情况，髋关节相机32获取运动中髋关节运动情况，膝关节相机33获取足式机器人腿部结构运动情况，三向力传感器34获取运动过程中足端实时受力情况。在其运动至土槽一端时，停止电机，足式机器人运动停止，导出所得数据。