[发明专利]仿人机器人足部姿态实时检测系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动化领域，特别涉及一种仿人机器人足部姿态实时检测系统和方法。 

背景技术

仿人机器人是与人类最接近的一种机器人，它与传统的轮式机器人或履带机器人相比，更能适应人类日常生活环境，同时更便于使用为人类发明设计的各种工具，因此，仿人机器人具有广阔的发展前景。 

目前，对于仿人机器人的研究仍主要集中在探索更加有效、可靠的稳定性控制方法，在这些研究中，机器人的足部作为行走过程中与外界唯一接触和受力的部位，就成为解决仿人机器人稳定行走的关键所在。在一些比较复杂的环境下，比如在不平整路面上步行、转弯、上下楼梯时，其足部姿态信息就显得更为重要。而足部姿态信息中的脚面倾角信息是仿人机器人稳定控制的重要依据。它可以让仿人机器人感知脚面倾斜情况，在稳定着地时，脚面倾角还可以反映地面倾斜状态，是仿人机器人稳定控制的一个关键参数。 

目前，现有技术中对仿人机器人足部姿态的检测，有一种人形机器人脚的设计方法，通过这种方法可得到足部姿态脚面倾角信息。参见图1，该人形机器人脚包括橡胶脚底层、脚板、六维力传感器、上法兰、下法兰、倾角传感器、触觉阵列垫、信号处理系统和脚面。信号处理系统安装在脚板的前部，倾角传感器安装在中部，六维力传感器安装在脚跟处。当机器人行走时，人形机器人脚上的六维力传感器检测机器人行走过程中脚与路面接触时的地面反作用力，倾角传感器检测脚板的倾斜角度即足部姿态脚面倾角信息。 

在对上述现有技术进行分析后，发明人发现： 

现有技术中采用的这些倾角传感器只能检测静态条件下的倾角，即机器人脚必须与地面稳定接触的条件下的脚面倾角。但是，在仿人机器人实际工作工程中，其要完成步行、转弯、上下楼梯、舞蹈表演等多种动作，绝大多数时间脚与地面之间是存在相对运动的，而不是处于静态，所以这种检测仿人机器人脚面倾角的方法具有很大的局限性。 

发明内容

为了解决现有技术中只能测量静态条件下的仿人机器人脚面倾角的局限，本发明提出了 一种仿人机器人足部姿态实时检测系统和方法。 

所述技术方案如下： 

一种仿人机器人足部姿态实时检测系统，所述系统包括： 

DSP控制器、三轴加速度传感器、角速率陀螺仪； 

所述DSP控制器用于向所述三轴加速度传感器写入控制信号，并从所述三轴加速度传感器中读出三轴加速度信息，并对所述各轴的加速度信息分别进行反正弦运算，得到静态脚面倾角； 

所述DSP控制器用于向所述角速率陀螺仪写入控制信号，并从所述角速度陀螺仪中读出角速率信息，并对各轴的角速率信息分别进行积分，得到角度变化值； 

所述DSP控制器用于将角度变化值和t＝0时刻各轴的静态脚面倾角进行求和计算，得到实时脚面倾角信息。 

所述DSP控制器具体包括： 

第一读取模块，用于从所述三轴加速度传感器读出三轴加速度信息； 

第一计算模块：用于对各轴的加速度信息分别进行反正弦运算，得到静态脚面倾角，具体用于： 

设Ax为x轴加速度传感器输出的加速度值，Ay为y轴加速度传感器输出的加速度值，Az为z轴加速度传感器输出的加速度值；θx为x轴与水平面夹角，θy为y轴与水平面夹角，θz为z轴与水平面夹角； 

对所述加速度值Ax进行反正旋运算得到所述θx； 

对所述加速度值Ay进行反正旋运算得到所述θy； 

对所述加速度值Az进行反正旋运算得到所述θz； 

即根据所述三轴加速度信息(Ax，Ay，Az)得到了所述静态脚面倾角(θx，θy，θz)。 

所述角速率陀螺仪包括x轴角速率陀螺仪、y轴角速率陀螺仪和z轴角速率陀螺仪；所述DSP控制器具体包括： 

第二读取模块，用于从所述角速率陀螺仪读出角速率信息； 

第二计算模块，用于对各轴的角速率信息分别进行积分，得到角度变化值，具体用于： 

设r_x(i)为t＝iT时刻x轴角速率陀螺仪输出的角速率信息，r_y(i)为t＝iT时刻y轴角速率陀螺仪输出的角速率信息，r_z(i)为t＝iT时刻z轴角速率陀螺仪输出的角速率信息；θ_xc为从t＝0到t＝iT时刻x轴角度变化值，θ_yc为从t＝0到t＝iT时刻y轴角度变化值，θ_zc为从t＝0到t＝iT时刻z轴角度变化值；