[发明专利]一种足式机器人足壤相互作用力学特性测试平台

说明书

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。

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_T为足端所受切向力，F_x为三向力传感器x向受力，F_y为三向力传感器y向受力。此外，该测试装置还可通过相机观察运动过程中足式机器人沉陷情况以及机架稳定情况。同时，在土槽下方设置了抬升装置，可使土槽抬升成一定坡度，模拟足式机器人坡上运动过程。通过上述测量可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。

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。