专利名称:一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置及方法
专利类型:发明专利
专利申请号:CN202410030328.1
专利申请(专利权)人:浙江大学,燕山大学
权利人地址:浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
专利发明(设计)人:朱琦歆,孟繁拓,张军辉,李信杰,管锡康,冯祥,巴凯先,俞滨,孔祥东
专利摘要:本发明公开一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置及方法,液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置包括竖直标尺、水平定位标尺、基座框架、足端施力平衡模块、足端受力检测模块、关节定位模块和水平固定标尺。液压足式机器人腿部位移/力传感器标定方法包括:标定准备,将液压足式机器人腿部与标定装置相对连接;根据机器人运动学,标定液压足式机器人腿部位移传感器;根据机器人静力学,标定液压足式机器人腿部力传感器。本发明标定装置造价经济低廉,标定方法简单且易操作,能够满足液压足式机器人腿部位移传感器和力传感器的快速标定,并且该标定装置能适应2‑3关节数的机器人腿部位移传感器和力传感器标定。
主权利要求:
1.一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,其特征在于:该装置包括基座框架、竖直标尺、水平固定标尺、水平定位标尺、关节定位模块、足端受力检测模块和足端施力平衡模块;
所述竖直标尺垂直固定在基座框架上,竖直标尺的边缘设置有滑槽;所述水平固定标尺固定在竖直标尺的顶部;
所述水平定位标尺的边缘设置有滑槽,滑动连接在竖直标尺上,能够沿竖直方向移动,并通过锁紧螺栓固定在竖直标尺上;
所述关节定位模块滑动连接在水平固定标尺或水平定位标尺上,并沿水平方向移动,关节定位模块能够通过锁紧螺栓固定在水平固定标尺或水平定位标尺上;
所述足端受力检测模块滑动连接在水平定位标尺上,并沿水平方向移动,能够通过锁紧螺栓固定在水平定位标尺上;足端受力检测模块包括传感器直线滑块、锁紧螺栓、传感器平台和二维力传感器;传感器直线滑块在水平定位标尺上水平滑动,传感器直线滑块与锁紧螺栓螺纹配合;足端受力检测模块通过锁紧螺栓固定在水平定位标尺上,传感器平台与传感器直线滑块铰接,二维力传感器固定在传感器平台上;
所述足端施力平衡模块滑动连接在基座框架的底部滑轨上,并沿水平方向移动,足端施力平衡模块能够通过锁紧螺栓固定在基座框架的底部滑轨上。
2.根据权利要求1所述的一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,其特征在于,所述基座框架由底部滑轨、底板和万向轮组成;四个万向轮固定在底板的底部,底部滑轨固定在底板的上部。
3.根据权利要求1所述的一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,其特征在于,所述竖直标尺共有两根且对称分布在基座框架上,竖直标尺上有竖直标尺刻度,竖直标尺刻度由分度值为1mm的刻度线组成。
4.根据权利要求1所述的一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,其特征在于,所述水平固定标尺上有水平标尺刻度,水平标尺刻度由分度值为1mm的刻度线组成。
5.根据权利要求1所述的一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,其特征在于,所述水平定位标尺由水平定位标尺横梁、标尺滑块和锁紧螺栓组成;水平定位标尺横梁上有分度值为1mm的水平标尺刻度;标尺滑块为矩形结构,边缘有定位孔,对称安装在水平定位标尺横梁的两端,标尺滑块能够在竖直标尺上沿竖直方向上下滑动,并且通过锁紧螺栓固定在竖直标尺上,标尺滑块上有分度值为0.98mm的刻度线。
6.根据权利要求1所述的一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,其特征在于,所述关节定位模块包括直线滑块、锁紧螺栓、圆柱滚子轴承、卡盘、卡爪和卡爪锁紧钥匙;直线滑块与水平定位标尺线性配合,直线滑块与圆柱滚子轴承同轴配合,直线滑块上有分度值为0.98mm的刻度线,直线滑块与锁紧螺栓螺纹配合;关节定位模块通过锁紧螺栓固定在水平定位标尺上,圆柱滚子轴承与卡盘同轴配合,卡爪与卡盘线性配合,卡爪在卡盘的轨道上滑动,卡爪锁紧钥匙与卡盘螺纹配合。
7.根据权利要求1所述的一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,其特征在于,所述足端施力平衡模块包括施力锁紧部件和底部直线滑块;施力锁紧部件的底端与底部直线滑块的顶端固定连接,底部直线滑块在基座框架的底部滑轨上水平滑动。
8.根据权利要求1所述的一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,其特征在于,在所述液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置中,读取不同状态下机器人足端的位置及受力,通过运动学反解和静力学反解求取相应状态下各关节伺服阀控缸的输出位移和力,并通过待定系数法求出各关节位移传感器和力传感器的标定系数。
9.一种利用权利要求1所述的一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置的标定方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:(1)标定准备,将液压足式机器人腿部与标定装置相对连接,具体包括:
(1‑1)根据液压足式机器人腿部关节结构,调节关节定位模块进行卡紧,并确保机器人腿部平面与标定装置平行;
(1‑2)将液压足式机器人足端与标定装置的二维力传感器固定连接;
(2)根据机器人运动学,标定液压足式机器人腿部位移传感器,具体包括:
(2‑1)通过标定装置读取液压足式机器人足端坐标,根据机器人运动学计算机器人各关节角度,并计算机器人各关节位移传感器的实际值;
(2‑2)利用电压/电流测量装置,检测机器人各关节位移传感器输出电压值/电流值;
(2‑3)改变液压足式机器人足端位置,重复(2‑1)‑(2‑2)操作,记录n组位移传感器实际值及其对应电压/电流的数据;
(2‑4)基于n组测量数据,采用待定系数法计算 组位移传感器标定系数,并以其平均值作为实际标定系数对位移传感器进行标定;
(3)根据机器人静力学,标定液压足式机器人腿部力传感器,具体包括:
(3‑1)基于标定好的位移传感器,对机器人腿部进行位置控制,将机器人足端运动到某点,并通过足端受力平衡模块对机器人腿部施加力,且确保机器人腿部保持静止和平衡;
(3‑2)通过足端受力检测模块检测机器人足端所受x‑y两方向的力,根据机器人静力学计算机器人各关节力矩,并计算机器人各关节力传感器的实际值;
(3‑3)利用电压/电流测量装置,检测机器人各关节力传感器输出电压值/电流值;
(3‑4)改变液压足式机器人足端位置,重复(3‑1)‑(3‑3)步骤,记录m组力传感器实际值及其对应电压/电流的数据;
(3‑5)基于m组测量数据,采用待定系数法计算 组位移传感器标定系数,并以其平均值作为实际标定系数对力传感器进行标定。 说明书 : 一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及足式机器人传感器标定领域,特别是一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置及方法。背景技术[0002] 液压足式机器人是常见移动机器人之一,具有负重能力大、爆发能力强等优势。该型机器人关节驱动器通常为伺服阀控液压缸结构形式,简称液压驱动单元。为了实现机器人的高性能运动控制,以提高其对不同地面环境的适应性,需对机器人进行位置和力控制。因此,液压足式机器人腿部的液压驱动单元通常集成了位移传感器和力传感器。[0003] 液压足式机器人的移动依赖于机器人腿部各关节液压驱动单元的运动,为了确保机器人腿部关节液压驱动单元能按照顶层运动规划精确地执行动作(包括位置和力),以实现机器人的期望运动,需对机器人腿部各关节液压驱动单元的位移传感器和力传感器进行标定。[0004] 传感器在出厂时已完成标定,用户可以根据传感器说明书中的量程与电压/电流对应关系确定标定系数,完成传感器的标定。但是,传感器在长时间使用后,由于摩擦力、预紧力等因素的影响,传感器的检测值和实际值之间会存在一定的误差,此时需要对传感器进行重新标定。传统的标定方法首先需要将传感器从机器人腿部拆下,然后在相应的传感器标定实验台上标定,最后再将传感器装到机器人腿上。上述传统标定方法存在以下两方面不足:①标定步骤繁琐,传感器标定需对机器人进行拆装并对每个传感器依次标定,且位置传感器和力传感器的标定均需要用到特定的标定装置;②拆装易影响机器人控制性能,机器人腿部关节各零件间大多采用过盈配合,频繁拆装易改变机器人关节的配合关系,影响机器人的控制性能。[0005] 综上所述,如何在不拆卸机器人腿情况下,提供一种便于液压足式机器人腿部位移/力传感器标定的装置及方法,实现对液压足式机器人腿部位移/力传感器的精确标定,成为本领域技术人员需要解决的问题。发明内容[0006] 本发明目的在于针对现有技术的不足,提出一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置及方法。该标定装置能在不拆装机器人腿情况下,完成机器人腿部位移传感器和力传感器的标定,且适用于腿部2‑3自由度的液压足式机器人。该标定方法可以准确快速地求解出机器人腿部各关节液压驱动单元的位移/力传感器的标定系数。[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,该装置包括基座框架、竖直标尺、水平固定标尺、水平定位标尺、关节定位模块、足端受力检测模块和足端施力平衡模块;[0008] 所述竖直标尺垂直固定在基座框架上,竖直标尺的边缘设置有滑槽;所述水平固定标尺固定在竖直标尺的顶部;[0009] 所述水平定位标尺的边缘设置有滑槽,滑动连接在竖直标尺上,能够沿竖直方向移动,并通过锁紧螺栓固定在竖直标尺上;[0010] 所述关节定位模块滑动连接在水平固定标尺或水平定位标尺上,并沿水平方向移动,关节定位模块能够通过锁紧螺栓固定在水平固定标尺或水平定位标尺上;[0011] 所述足端受力检测模块滑动连接在水平定位标尺上,并沿水平方向移动,能够通过锁紧螺栓固定在水平定位标尺上;[0012] 所述足端施力平衡模块滑动连接在基座框架的底部滑轨上,并沿水平方向移动,足端施力平衡模块能够通过锁紧螺栓固定在基座框架的底部滑轨上。[0013] 进一步地,所述基座框架由底部滑轨、底板和万向轮组成;四个万向轮固定在底板的底部,底部滑轨固定在底板的上部。[0014] 进一步地,所述竖直标尺共有两根且对称分布在基座框架上,竖直标尺上有竖直标尺刻度,竖直标尺刻度由分度值为1mm的刻度线组成。[0015] 进一步地,所述水平固定标尺上有水平标尺刻度,水平标尺刻度由分度值为1mm的刻度线组成。[0016] 进一步地,所述水平定位标尺由水平定位标尺横梁、标尺滑块和锁紧螺栓组成;水平定位标尺横梁上有分度值为1mm的水平标尺刻度;标尺滑块为矩形结构,边缘有定位孔,对称安装在水平定位标尺横梁的两端,标尺滑块能够在竖直标尺上沿竖直方向上下滑动,并且通过锁紧螺栓固定在竖直标尺上,标尺滑块上有分度值为0.98mm的刻度线。[0017] 进一步地,所述关节定位模块包括直线滑块、锁紧螺栓、圆柱滚子轴承、卡盘、卡爪和卡爪锁紧钥匙;直线滑块与水平定位标尺线性配合,直线滑块与圆柱滚子轴承同轴配合,直线滑块上有分度值为0.98mm的刻度线,直线滑块与锁紧螺栓螺纹配合;关节定位模块通过锁紧螺栓固定在水平定位标尺上,圆柱滚子轴承与卡盘同轴配合,卡爪与卡盘线性配合,卡爪在卡盘的轨道上滑动,卡爪锁紧钥匙与卡盘螺纹配合。[0018] 进一步地,所述足端受力检测模块包括传感器直线滑块、锁紧螺栓、传感器平台和二维力传感器;传感器直线滑块在水平定位标尺上水平滑动,传感器直线滑块上有分度值为0.98mm的刻度线,传感器直线滑块与锁紧螺栓螺纹配合;足端受力检测模块通过锁紧螺栓固定在水平定位标尺上,传感器平台与传感器直线滑块铰接,二维力传感器固定在传感器平台上。[0019] 进一步地,所述足端施力平衡模块包括施力锁紧部件和底部直线滑块;施力锁紧部件的底端与底部直线滑块的顶端固定连接,底部直线滑块在基座框架的底部滑轨上水平滑动。[0020] 进一步地,在所述液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置中,读取不同状态下机器人足端的位置及受力,通过运动学反解和静力学反解求取相应状态下各关节伺服阀控缸的输出位移和力,并通过待定系数法求出各关节位移传感器和力传感器的标定系数。[0021] 另一方面,本发明还提供了一种利用液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置的标定方法,该方法包括以下步骤:[0022] (1)标定准备,将液压足式机器人腿部与标定装置相对连接,具体包括:[0023] (1‑1)根据液压足式机器人腿部关节结构,调节关节定位模块进行卡紧,并确保机器人腿部平面与标定装置平行;[0024] (1‑2)将液压足式机器人足端与标定装置的二维力传感器固定连接;[0025] (2)根据机器人运动学,标定液压足式机器人腿部位移传感器,具体包括:[0026] (2‑1)通过标定装置读取液压足式机器人足端坐标,根据机器人运动学计算机器人各关节角度,并计算机器人各关节位移传感器的实际值;[0027] (2‑2)利用电压/电流测量装置,检测机器人各关节位移传感器输出电压值/电流值;[0028] (2‑3)改变液压足式机器人足端位置,重复(2‑1)‑(2‑2)操作,记录n组位移传感器实际值及其对应电压/电流的数据;[0029] (2‑4)基于n组测量数据,采用待定系数法计算 组位移传感器标定系数,并以其平均值作为实际标定系数对位移传感器进行标定;[0030] (3)根据机器人静力学,标定液压足式机器人腿部力传感器,具体包括:[0031] (3‑1)基于标定好的位移传感器,对机器人腿部进行位置控制,将机器人足端运动到某点,并通过足端受力平衡模块对机器人腿部施加力,且确保机器人腿部保持静止和平衡;[0032] (3‑2)通过足端受力检测模块检测机器人足端所受x‑y两方向的力,根据机器人静力学计算机器人各关节力矩,并计算机器人各关节力传感器的实际值;[0033] (3‑3)利用电压/电流测量装置,检测机器人各关节力传感器输出电压值/电流值;[0034] (3‑4)改变液压足式机器人足端位置,重复(3‑1)‑(3‑3)步骤,记录m组力传感器实际值及其对应电压/电流的数据;[0035] (3‑5)基于m组测量数据,采用待定系数法计算 组位移传感器标定系数,并以其平均值作为实际标定系数对力传感器进行标定。[0036] 本发明的有益效果:本发明标定装置造价经济低廉,标定方法简单且易操作,能够满足液压足式机器人腿部位移传感器和力传感器的快速标定。该标定装置能适应2‑3关节数的机器人腿部位移传感器和力传感器标定,且关节定位模块能适应机器人不同的关节形状,滑块刻度与标尺刻度采用游标卡尺测量原理,使装置的定位精度达0.02mm,保证了传感器的精确标定。附图说明[0037] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。[0038] 图1为本发明标定液压足式机器人腿部位移/力传感器示意图。[0039] 图2为本发明标定装置主体结构示意图。[0040] 图3为本发明水平定位标尺安装示意图。[0041] 图4为本发明基座框架安装示意图。[0042] 图5为本发明关节定位模块安装示意图。[0043] 图6为本发明关节卡紧装配示意图。[0044] 图7为本发明足端受力检测模块安装示意图。[0045] 图8为本发明足端施力平衡模块安装示意图。[0046] 图9为本发明液压足式机器人腿部位移/力传感器标定方法流程图。[0047] 图10为本发明具体实施例的流程图。[0048] 图11为液压足式机器人腿部运动学/静力学模型简图。[0049] 图12为液压足式机器人髋关节角度与液压驱动单元伸出长度关系示意图。[0050] 图13为液压足式机器人髋关节所受力矩和驱动单元受力关系图。[0051] 图中:1‑竖直标尺;2‑水平定位标尺;201‑标尺滑块;202‑标尺滑块刻度;203‑锁紧螺栓;204‑水平定位标尺横梁;205‑水平标尺刻度;3‑基座框架;301‑底板;302‑底部滑轨;303‑万向轮;4‑足端施力平衡模块;401‑施力锁紧部件;402‑底部直线滑块;5‑足端受力检测模块;501‑二维力传感器;502‑传感器平台;503‑锁紧螺栓;504传感器直线滑块;505‑传感器直线滑块刻度;6‑关节定位模块;601‑锁紧螺栓;602‑直线滑块;603‑卡盘;604‑卡爪锁紧钥匙;605‑卡爪;606‑圆柱滚子轴承;607‑直线滑块刻度;7‑水平固定标尺。具体实施方式[0052] 以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。[0053] 如图1~2所示,本发明提供了一种液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置,其结构组成包括:竖直标尺1、水平定位标尺2、基座框架3、足端施力平衡模块4、足端受力检测模块5、关节定位模块6和水平固定标尺7。其中,竖直标尺1共有两根,其对称分布并固定在基座框架3上,竖直标尺1上有竖直标尺刻度,竖直标尺刻度由分度值为1mm的刻度线组成。水平定位标尺2的边缘设置有滑槽,水平定位标尺2可以在竖直标尺1上沿竖直方向上下移动,水平定位标尺2通过锁紧螺栓203固定在竖直标尺1上。足端施力平衡模块4可以在基座框架3的底部滑轨上沿水平方向移动,足端施力平衡模块4通过锁紧螺栓固定在基座框架3的底部滑轨上。足端受力检测模块5可以在水平定位标尺2上沿水平方向移动,足端受力检测模块5通过锁紧螺栓503固定水平定位标尺2上。关节定位模块6可以在水平定位标尺2和水平固定标尺7上沿水平方向移动,关节定位模块6通过锁紧螺栓601固定在水平定位标尺2或水平固定标尺7上。水平固定标尺7固定在竖直标尺1的顶部。[0054] 如图3所示,水平定位标尺2由水平定位标尺横梁204、标尺滑块201和锁紧螺栓203组成,水平定位标尺横梁204上有分度值为1mm的水平标尺刻度205,标尺滑块201可以在竖直标尺1上沿竖直方向上下滑动,标尺滑块201对称固定在水平定位标尺横梁204的两端,标尺滑块201为矩形结构,标尺滑块201上有分度值为0.98mm的标尺滑块刻度202,标尺滑块201的边缘有定位孔,标尺滑块201可以通过锁紧螺栓203固定在竖直标尺1上。水平定位标尺2与竖直标尺1在配合平面上具有类似游标卡尺的读数机制,能够使测量精度达到0.02mm。[0055] 如图4所示,基座框架3由底板301、底部滑轨302和4个万向轮303组成,4个万向轮303固定在底板301的底部,底部滑轨302固定在底板301的上部。[0056] 如图5所示,关节定位模块6包括锁紧螺栓601、直线滑块602、卡盘603、卡爪锁紧钥匙604、卡爪605、圆柱滚子轴承606、直线滑块刻度607,直线滑块602可以在水平定位标尺2上水平移动,直线滑块602与圆柱滚子轴承606同轴配合,直线滑块602上有分度值为0.98mm的直线滑块刻度607,锁紧螺栓601与直线滑块602螺纹配合。关节定位模块6通过锁紧螺栓601固定在水平定位标尺2或水平固定标尺7上,圆柱滚子轴承606与卡盘603同轴配合,卡爪605与卡盘603线性配合,卡爪605能够在卡盘603的轨道上滑动,卡爪锁紧钥匙604与卡盘603螺纹配合,通过卡爪锁紧钥匙604可以将关节定位模块6与液压足式机器人腿部各关节固定连接。关节定位模块6和水平定位标尺2以及关节定位模块6和所述水平固定标尺7在配合平面上具有类似游标卡尺的读数机制,能够使测量精度达到0.02mm。[0057] 如图6所示,关节卡紧装配示意图,左图为液压足式机器人腿部关节从外部卡紧装配示意图,右图为液压足式机器人腿部关节从内部卡紧装配示意图,通过调节关节定位模块6中卡爪605的位置可以实现关节卡紧装配。[0058] 如图7所示,足端受力检测模块5包括二维力传感器501、传感器平台502、锁紧螺栓503、传感器直线滑块504、传感器直线滑块刻度505,传感器直线滑块504能在水平定位标尺2上沿水平方向滑动,传感器直线滑块504上有分度值为0.98mm的传感器直线滑块刻度505,锁紧螺栓503与传感器直线滑块504螺纹配合,足端受力检测模块5可以通过锁紧螺栓503固定在水平定位标尺2上,传感器平台502与传感器直线滑块504铰接,二维力传感器501固定在传感器平台502上。[0059] 如图8所示,足端施力平衡模块4包括施力锁紧部件401和底部直线滑块402,施力锁紧部件401的底端与底部直线滑块402的顶端固定连接,底部直线滑块402在基座框架3上沿水平方向移动。[0060] 本实施例还公开一种液压足式机器人腿部位移/力传感器的标定方法,为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本实施例仅展示对三关节液压足式机器人腿部位移/力传感器标定的方法,该标定方法同样可以推广应用到两关节液压足式机器人腿部位移/力传感器的标定。[0061] 图9为本发明液压足式机器人腿部位移/力传感器标定方法流程图,图10为本发明具体实施例的流程图,如图9‑图10所示,本发明液压足式机器人腿部位移/力传感器标定方法包括以下步骤:[0062] 步骤100:标定准备,将液压足式机器人腿部与标定装置相对连接。具体步骤如下:[0063] Step101:根据液压足式机器人腿部关节结构,调节关节定位模块进行卡紧,并确保机器人腿部平面与标定装置平行,具体如下:[0064] 如图1~6所示,液压足式机器人腿部整体悬挂在液压足式机器人腿部位移/力传感器标定装置上,根据不同关节的数量添加或减少水平定位标尺的数量,根据液压足式机器人腿部的不同形状选择不同数量的关节定位模块来进行固定,根据液压足式机器人腿部关节的不同形状选择合适的卡紧方式进行卡紧。[0065] Step102:将液压足式机器人足端与标定装置的二维力传感器固定连接。具体如下:[0066] 如图7~8所示,将液压足式机器人足端与标定装置的二维力传感器同轴固定连接,检测液压足式机器人足端受到的竖直方向以及水平方向上的力,足端施力平衡模块通过施力锁紧部件来平衡液压足式机器人主动施加到足端的力。[0067] 步骤200:根据机器人运动学,标定液压足式机器人腿部位移传感器。具体步骤如下:[0068] Step201:通过标定装置读取液压足式机器人足端坐标,根据机器人运动学计算机器人各关节角度,并计算机器人各关节位移传感器的实际值,具体如下:[0069] 图11为液压足式机器人腿部运动学/静力学模型简图,已知足端相对于髋关节的位置求各关节角度,足端位置由两个参数确定,而关节角度有三个,为不定解问题。假设保持髋关节O、踝关节G和足端I三点共线,则可以求解各关节夹角与足端相对于髋关节位移之间的关系,具体为:[0070][0071] 式中,OE为大腿等效长度,EG和GE均为小腿等效长度,GI为足部等效长度,θ1为髋关节夹角,θ2为膝关节夹角,θ3为踝关节夹角, 为足端相对于髋关节的水平位移, 为足端相对于髋关节的竖直位移。[0072] 图12为液压足式机器人髋关节角度与液压驱动单元伸出长度关系示意图,类似的可以求出求出髋关节、膝关节和踝关节位移传感器的实际值与旋转角度之间的表达式:[0073][0074] 式中,l01为髋关节液压驱动单元的初始长度,l02为膝关节液压驱动单元的初始长度,l03为踝关节液压驱动单元的初始长度,Δxp1为髋关节位移传感器的实际值,Δxp2为膝关节位移传感器的实际值,Δxp3为踝关节位移传感器的实际值,OA、OB、CE、ED、FG、GH为与液压足式机器人腿部各关节液压驱动单元布置位置相关的测量值。α为ED与EG之间的夹角,β为OA与x0轴之间的夹角。[0075] 通过标定装置读取足端相对于髋关节位移 根据公式(1)和(2)计算得到机器人各关节位移传感器的实际值Δxp1、Δxp2、Δxp3。[0076] Step202:利用电压/电流测量装置,检测机器人各关节位移传感器输出电压值/电流值,具体如下:[0077] 本实施例使用电压测量装置进行测量可以得到髋关节位移传感器的电压值膝关节位移传感器的电压值 踝关节位移传感器的电压值[0078] Step203:改变液压足式机器人足端位置,重复Step201和Step202,记录n组位移传感器实际值及其对应电压/电流的数据,具体如下:[0079] 假设机器人足端相对髋关节位移 (i=1,2,…,n)检测到第i组各关节位移传感器实际值及其对应电压如下:[0080][0081] Step204:基于n组测量数据,采用待定系数法计算 组位移传感器标定系数,并以其平均值作为实际标定系数对位移传感器进行标定。[0082] 以髋关节为例,式(3)中的每组测量数据均满足:[0083][0084] 式中, 为髋关节位移传感器增益系数, 为髋关节位移传感器零位输出电压。[0085] 在对髋关节位移传感器进行标定即求取传感器的增益系数和零位输出电压,由式(4)可知等式为二元一次方程,故需2个方程才能求解一组标定系数。因此,髋关节n组测量数据可计算 组位移传感器标定系数,记为:[0086][0087] 其中, 为第j组髋关节位移传感器增益系数, 为第j组髋关节位移传感器零位输出电压。[0088] 对式(5)中髋关节位移传感器的标定系数求平均值:[0089][0090] 类似地,可以计算膝关节位移传感器的增益系数 零位输出电压 踝关节位移传感器增益系数 零位输出电压[0091] 步骤300:根据机器人静力学,标定液压足式机器人腿部力传感器,具体步骤如下:[0092] Step301:基于标定好的位移传感器,对机器人腿部进行位置控制,将机器人足端运动到某点,并通过足端受力平衡装置对机器人腿部施加力,且确保机器人腿部保持静止和平衡。[0093] Step302:通过足端受力检测模块检测机器人足端所受x‑y两方向的力,根据机器人静力学计算机器人各关节力矩,并计算机器人各关节力传感器的实际值,具体如下:[0094] 根据虚功原理,可以得到各关节力矩与足端受力之间的关系。图13为液压足式机器人髋关节所受力矩和驱动单元受力关系图,根据几何关系、受力平衡关系得到各关节力矩与驱动单元力传感器实际值、位移传感器实际值之间的关系表达式,具体如下式:[0095][0096] 式中,髋关节力矩为τ1,膝关节力矩为τ2,踝关节力矩为τ3,髋关节力传感器实际值为ΔFs1,膝关节力传感器实际值为ΔFs2,踝关节力传感器实际值为ΔFs3,OA、OB、EC、ED、GF、GH为与液压足式机器人腿部各关节液压驱动单元布置位置相关的测量值,如图11所示。[0097] 由静力学反解,可以得到各关节力矩与足端受力之间的关系,具体如下式:[0098][0099] 式中, 为足端二维力传感器测得液压足式机器人足端x方向的力, 为足端二维力传感器测得液压足式机器人足端y方向的力,l1为OE的长度,l2为EG的长度,l3为GI的长度。[0100] 通过公式(1),公式(2),公式(7)和公式(8)可以求得各个关节力传感器的实际值的ΔFs1、ΔFs2和ΔFs3,如下式。[0101][0102] Step303:利用电压/电流测量装置,检测机器人各关节力传感器输出电压值/电流值。本实施例利用电压测量装置进行测量可以得到髋关节力传感器的电压值 膝关节力传感器的电压值 踝关节力传感器的电压值[0103] Step304:改变液压足式机器人足端位置,重复Step301,Step302和Step303,记录m组力传感器实际值及其对应电压/电流的数据。[0104] 假设机器人足端二维力传感器测得液压足式机器人足端受力为 (i=1,2,…,m)检测到第i组各关节力传感器实际值及其对应电压如下:[0105][0106] Step204:基于m组测量数据,采用待定系数法计算 组力传感器标定系数,并以其平均值作为实际标定系数对力传感器进行标定。[0107] 以髋关节为例,式(10)中的每组测量数据均满足:[0108][0109] 式中, 为髋关节力传感器增益系数, 为髋关节力传感器零位输出电压。[0110] 在对髋关节力传感器进行标定即求取传感器的增益系数和零位输出电压,由式(11)可知等式为二元一次方程,故需2个方程才能求解一组标定系数。因此,髋关节m组测量数据可计算 组力传感器标定系数,记为:[0111][0112] 其中, 为第j组髋关节力传感器增益系数, 为第j组髋关节力传感器零位输出电压。[0113] 对式(12)中髋关节力传感器的标定系数求平均值:[0114][0115] 类似地,可以计算膝关节力传感器的增益系数 零位输出电压 踝关节力传感器增益系数 零位输出电压[0116] 同理,对于腿部具有不同关节数的液压足式机器人而言,亦可依据步骤100‑步骤300对其位移传感器和力传感器进行快速标定。[0117] 最后应说明的是:以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换;而这些修改或替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
专利地区:浙江
专利申请日期:2024-01-09
专利公开日期:2024-09-03
专利公告号:CN117804666B