小型仿人机器人脚底传感系统的设计与实现
小型仿人机器人脚底传感系统的设计与实现
摘 要： 针对小型仿入机器人的零力矩点 ｚ ） （ＭＰ轨迹在线确定问题， 设计了一种基于多个简单一维力／ 力矩传感器的脚
底传感阵列系统以及一种距离可调的多孔、 双夹板机构， 用以安装；／ 矩传感器， Ｄ； Ｄ 并实 了 现 脚底传感器信号多级放大 及采集软硬件系统。 应用ｃ Ｎ Ａ 总线接 口 实现了与外部上层控制器的通信。 实现了小型仿人机器人行走过程 中 实际 轨迹的 在线计算 和实时 传递。实验结果证明， 该传感系统能够有效地完成脚底力信息的实时采集、计算与通讯。 关键词 ：小型仿人机器人；零力矩点； 力矩传感器 力／ 中图分类号 ：Ｔ ２ ２ Ｐ４． ６ 文献标 志码 ：Ａ 文章编号 ：１７ —７ ８ （０ ００ —０ ５ —６ ６ ３ １０２ １）１ ０ ２
ｓｎ ｏ ｙ ｓｅ ｃ ｎｅ ｅ ｔ ｅｙｃ ｍｐｅｅｔ ｅｒａ－ｉ ｏ ｌ ｃｉｎ ｃ ｍｐ ｔ ｇａ ｄｃ ｍｍｕ ｉａｉｎｏ ｔｅｆｅ ｆ ｒｅｉｆ ｒ ｔｏ ． ｅ ｓ ｒｓ ｔｍ ａ ｆ ｃ ｖ ｌ ｏ ｉ ｌｔ ｈ ｌｔ ｅ ｍｅｃ ｌ ｔ ， ｅ ｏ ｏ ｕｉ ｎ ｏ ｎ ｎｃ ｔ ｏ ｆｈ ｅ ｔ ｏ ｃ ｎ ｏ ｍａｉｎ
以对机器人进行实时步态规划与控制， 从而实现机器人
Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｌｈ ｍａｏｄ ｏ ｏ ；ｚｒ ｏ ｎ ｏ ｔＺ ） ｏｃ／ ｒｕ ｎｏｓ ｙ ｗｏｄ ：ｍａ ｕ ｎ ｉ ｒｂ ｔ ｅｏｍ ｍｅｔ ｉ （ＭＰ ；ｆｒ ｔ ｑ ｅ ｅｓｒ ｌ ｐ ｎ ｅｏ ｓ 发展趋势。 稳定性检测主要是通过对机器人实际稳定点
微小型双足爬壁机器人足部传感系统设计
０ 引 言
速获取吸附面 和吸盘 的相对 位置 信息 ， 以实 现可靠 吸附。
图 １所示为五 自由度气吸 附微小型双足爬壁机器人的足部 三维 图， 足上安装有 １个真空泵 和 １个真空阀 ， 足下是 １个
微小型爬壁机 器人 在 民用 和军 用方 面都 有广 阔 的前
景。它可以进入狭窄的工业 管道进行检 测和维修 ， 对建 筑
面的平行程度 ； 吸盘旁边安装 ２路光纤曲率传感器 ， 用来精 确判 断吸盘和吸附面的接触情况 ； 足部 内装有气压传感器， 用来检测吸盘 内真空 度 ， 以确定 吸盘 的吸 附状态 ； 主控电
路、 加速度计 、 滤波器 等其他 电路 均封 装在 足部 内部 。此 外， 足上还安装有红外测 距传感 器 、 无线摄像 头 ， 以获得多 种环 境信息 。
ａ ｅ ｒ ａｉｅ ａ ｄ ｇ ａ ｉｎ ｆｔｅ ａ ｓ ｒ ｌｎ ｓｏ ｔｉ ｅ ． ｒ ｅ ｌ ｄ， ｎ ｒ ｄｅ ｔｏ ｄ ｏｂ ｐａ ｅ ｉ ｂａｎ ｄ ｚ ｈ Ｋｅ ｒ ｓ ｃｉ ｉ ｇ ｒ ｂ ｔ ｂ ｏ ｂ ｂ ｄ ｖｃ ；ｓ ｎ ｉｇ ｓ ｓｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｌ ｍｂ ｎ ｏ ｏ ；ａ ｓ ｒ ｓ ｅ ｉｅ ｅ ｓｎ ｙ ｔｍ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｃ ｐ ｌ ｒ ｙａ ｓ ｒ ｅ ｈ ｕ ｄ ｔ ｎ ｉ ｈ ｖ ｍｅ ｔ ｆ ｈ ｌ ｉ ｇｒ ｂ ｔＴ ｅｓ ｎ ｉ ｇｓ ｓｅ ｏ ｓ ｒ ｃ ： ｕ ｕｅ ｆ ｍｌ ｄ ｏ ｂ ｄ ｉ ｔｅ ｆ ｎ ａｉ ｎ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｎ ｅｃ ｉ ｎ ｏ． ｈ ｅ ｓｎ ｙ ｔｍ ｎ ｉ ｓ ｏ ｏ ｏｔ ｍｂ ｏ
维普资讯
２０ ０ ７年 第 ２ ６卷 第 １ ２期
） ｔ ＞ 》
传感 器与微系统 （ ｒｎｄ ｃｒ ｎ ｉｒ Ｙｔ ｅｈ ｏ ｇｅ） Ｔａｓｕｅ ｄＭ ｃ ｓ ｒ Ｔ ｃｎｌ ｉｓ ａ ｏ ｅ ｎ ｏ
小型舞蹈双足机器人的设计及实现
小型舞蹈双足机器人的设计及实现随着科技的发展，机器人在现代社会扮演着越来越重要的角色。
舞蹈机器人作为人工智能领域的一项重要研究课题，具有很高的应用价值和研究意义。
本文将介绍一个小型舞蹈双足机器人的设计及实现。
我们需要确定机器人的外形和尺寸。
考虑到实用性和可行性，我们选择设计一个小型舞蹈双足机器人。
机器人的身高约为30厘米，重量约为1千克，这样既方便携带又容易控制。
接下来，我们需要确定机器人的机械结构。
双足机器人的机械结构主要包括机身、双足和关节。
机身可以采用一种轻质材料制作，如碳纤维，以提高机器人的灵活性和稳定性。
双足可以使用橡胶或塑料材料制作，以增加机器人在舞蹈中的灵活性和摆动范围。
关节可以采用电机和齿轮传动结构设计，使机器人的动作更加精确和流畅。
然后，我们需要确定机器人的动力系统。
机器人的动力系统主要包括电源和电机。
电源可以选择锂电池或可充电电池，以提供足够的电能支持机器人的运动。
电机可以选择直流电机或步进电机，根据需要选择合适的电机类型并将其安装在机器人的关节部位。
接下来，我们需要确定机器人的传感器系统。
传感器系统可以用于检测机器人的自身状态和环境变化。
通过加速度传感器和陀螺仪可以检测机器人的倾斜角度和转动速度；通过距离传感器可以检测机器人与障碍物的距离。
传感器的数据可以用于控制机器人的运动和调整机器人的姿态。
我们需要确定机器人的控制系统。
控制系统可以包括硬件和软件两个部分。
硬件部分主要包括控制电路和接口电路，用于接收传感器数据和控制电机的运动。
软件部分主要包括机器人的控制算法和编程代码，用于控制机器人的运动和舞蹈动作。
在实际实现过程中，可以使用开源硬件平台如Arduino或Raspberry Pi来搭建机器人的控制系统。
通过编写相应的代码，实现机器人的舞蹈动作控制。
还可以利用三维建模软件和机器人仿真软件进行机器人的设计和预演。
设计和实现一个小型舞蹈双足机器人涉及到机械结构设计、动力系统选择、传感器系统设计和控制系统的建立。
小型舞蹈双足机器人的设计及实现
小型舞蹈双足机器人的设计及实现随着科技的发展，人工智能领域的研究越来越受到人们的关注。
在机器人领域，双足机器人一直备受瞩目，因为它们能够模仿人类的步行方式，并且具有较强的灵活性和稳定性。
在本文中，我们将讨论小型舞蹈双足机器人的设计及实现，探索其在娱乐、教育和科研领域的应用前景。
设计理念小型舞蹈双足机器人的设计理念是基于人类舞蹈的动作，通过对人类舞蹈动作的模仿，实现机器人的舞蹈表演。
这不仅需要机器人具备良好的平衡能力和运动学控制能力，还需要具备较强的舞蹈表现力。
机器人的设计需要考虑以下几个方面：1. 传感器系统：双足机器人需要装备多种传感器，如力觉传感器、惯性传感器和视觉传感器，以便能够感知周围环境和实现自身的平衡控制。
2. 动作规划：机器人需要具备良好的动作规划能力，能够根据舞蹈的音乐节奏和节拍，生成相应的舞蹈动作序列。
4. 舞蹈表现力：机器人的外形设计和舞蹈动作需要具有一定的艺术性和表现力，以便能够吸引观众的注意力。
实现方法为了实现小型舞蹈双足机器人的设计理念，我们可以采用以下具体的实现方法：1. 结构设计：需要设计出合适的机器人结构，包括骨架结构、传动机构和外部装甲。
在结构设计中，需要考虑机器人的重量、稳定性和舞蹈表现力。
3. 控制系统：机器人的控制系统需要集成运动规划、运动学控制和传感器数据处理等多种功能，以实现机器人舞蹈动作的精确控制。
4. 舞蹈动作生成：通过对人类舞蹈动作的分析和建模，可以生成机器人舞蹈动作的序列。
这一过程需要考虑节奏和音乐的影响，以保证舞蹈动作与音乐相匹配。
应用前景小型舞蹈双足机器人具有广阔的应用前景，可以在娱乐、教育和科研领域发挥重要作用。
1. 娱乐应用：小型舞蹈双足机器人可以用于舞蹈表演，成为各种娱乐节目的表演嘉宾，为观众带来新奇的视听享受。
2. 教育应用：通过机器人舞蹈表演，可以吸引孩子们对科学和技术产生兴趣，激发他们学习的热情，促进科学素养的提高。
3. 科研应用：小型舞蹈双足机器人具有独特的动作规划和运动控制特性，可以为人类行为学和运动控制的研究提供新的实验平台和研究对象。
仿生机器人系统的设计与实现
仿生机器人系统的设计与实现近年来，随着科技的发展，仿生机器人技术逐渐走进人们的视野。
仿生机器人是指模仿动物神经系统、形态结构、行动方式等设计的机械装置，能够完成类似于生物的感知、行动、学习等能力。
仿生机器人可以应用于很多领域，例如医疗、救援、军事等。
本文旨在介绍仿生机器人系统的设计与实现。
一、系统框架仿生机器人系统是一个由多个子系统组成的复杂系统。
其框架包括感知系统、神经系统和运动系统。
感知系统主要负责感知外界环境信息，并将这些信息传递给神经系统进行处理。
感知系统包括视觉系统、听觉系统、触觉系统等子系统。
神经系统主要负责处理来自感知系统传递过来的信息，并控制机器人的行动。
神经系统包括中枢神经系统和周边神经系统。
中枢神经系统类似于大脑，是信息处理的核心，控制着机器人的行为。
周边神经系统负责传递信息到各个运动器官，使机器人进行具体的动作。
运动系统主要负责机器人的运动控制。
运动系统包括肌肉系统、关节系统、运动控制系统等子系统。
二、感知系统设计视觉系统的设计是仿生机器人系统中最常见的设计之一。
视觉系统主要是利用摄像头来捕捉图像，然后对图像进行预处理、特征提取和图像分类等操作。
预处理可以包括照片去噪、图像灰度化、二值化等。
特征提取可能使用像素值、边缘、直线等特征。
分类可用于决定物体是否存在、什么类型的物体等。
听觉系统的设计也是仿生机器人系统中的一个重要方面。
听觉系统主要是利用麦克风来捕捉声音，然后对声音进行分析和特征提取。
对于每个声音，都可以提取出频率、时间、音量等特征。
利用这些特征，机器人可以识别语言、声音来源等。
触觉系统的设计是仿生机器人系统中的另一个重要方面。
机器人的触觉系统可以用压力传感器或力传感器等来实现。
通过触觉系统，机器人可以感知环境的物理属性，例如温度、湿度、形状等。
三、神经系统设计神经系统的设计主要是模拟生物的神经网络，使用深度学习等技术进行构建。
对于每个感知子系统，都需要有相应的神经网络来进行数据处理和决策。
小型舞蹈双足机器人的设计及实现
小型舞蹈双足机器人的设计及实现一、设计目标小型舞蹈双足机器人的设计目标是实现优雅、灵动的舞蹈动作。
通过机器人的动作表达，让观众感受到机器人的舞蹈艺术，并与观众产生共鸣。
二、系统架构小型舞蹈双足机器人的系统架构主要包括硬件系统和软件系统两部分。
硬件系统：1. 双足机器人的身体结构，由头部、颈部、躯干、双臂和双腿构成。
身体结构要求轻巧、均衡，以便机器人能够完成各种舞蹈动作。
2. 传感器模块，包括陀螺仪、加速度计等，用于检测机器人的姿态和运动状态。
3. 动力系统，由电机、减速器等组成，实现机器人的运动驱动。
软件系统：1. 运动规划算法，通过分析舞蹈动作的细节，确定机器人的运动轨迹和姿态变化。
2. 实时控制系统，通过控制机器人的动力系统，实现舞蹈动作的执行。
3. 编程界面，提供给用户进行编程，实现自定义的舞蹈动作。
三、关键技术小型舞蹈双足机器人的实现需要解决一些关键技术问题：1. 动作分析与规划根据舞蹈动作的特征和要求，分析舞蹈动作的细节，确定机器人的运动轨迹和姿态变化。
2. 运动控制与同步根据运动规划的结果，通过实时控制系统控制机器人的动力系统，实现舞蹈动作的执行。
需要保证机器人的双足运动的同步性，使机器人的舞蹈动作更加协调。
3. 传感器数据融合通过陀螺仪、加速度计等传感器获取机器人的姿态和运动状态数据，并对数据进行融合处理，以提供给运动控制系统进行实时控制。
4. 用户编程界面舞蹈机器人需要提供给用户一个直观、友好的编程界面，使用户可以根据需要自定义舞蹈动作，并将编程结果上传给机器人进行执行。
四、实现方法小型舞蹈双足机器人的实现方法主要包括以下几个步骤：1. 设计机器人的身体结构，包括头部、颈部、躯干、双臂和双腿等。
根据设计目标，选择轻巧、均衡的材料和结构，使机器人能够完成各种舞蹈动作。
2. 设计传感器模块，包括陀螺仪、加速度计等。
选择合适的传感器，安装在机器人的身体各个部位，以检测机器人的姿态和运动状态。
机器人足底触觉传感器的研究与应用
机器人足底触觉传感器的研究与应用近年来，随着科技的不断发展，机器人逐渐走进人们的生活中。
无论是在工业生产、医疗管理、教育培训还是服务行业，都有机器人的身影。
对于机器人的研发人员来说，如何使机器人更加智能化、更加人性化是一个不断探索的难题。
在这个过程中，足底触觉传感器就成了一个非常重要的研究点。
本文将重点探讨机器人足底触觉传感器的研究与应用。
一、足底触觉传感器的基本概念足底触觉传感器是指安装在机器人脚底部的一种传感器设备，用于传输与记录地面数据信息。
足底触觉传感器一般由多个感应元件组成，这些元件可以感知机器人在地面行走时的受力大小、脚底的接触情况以及地面的情况等信息，并将这些信息传输给机器人的控制系统进行处理，以此指导机器人进行足部姿态调整和运动控制。
二、足底触觉传感器的研究进展随着人工智能技术的日益普及，足底触觉传感器的研究也越来越受关注。
在足底触觉传感器的研究过程中，最常见的方法是利用压敏电阻或者华氏电阻等材料，通过脚底感应，将获得的压力或位移信息转化成电信号，再通过晶体管放大电路和模数转换电路进行处理，最后转化为数字信号，传输到机器人控制器。
目前，足底触觉传感器的研究已经有了一定的进展，一些研究机构和公司已经成功开发了可以模拟人类足底触觉感受的系统。
例如，日本东京大学开发的“柔软脚底传感器”可以更真实地模拟人类脚底的感觉，增加机器人运动控制的真实性和灵活性。
此外，美国麻省理工学院的科学家也研发出机器人“脚掌”传感器，该传感器可以感受不同地面的触感，实现了机器人与环境之间的更好互动。
三、足底触觉传感器的应用足底触觉传感器的应用非常广泛。
首先，在工业自动化领域，足底触觉传感器可以用于机器人的足部姿态调整和运动控制。
其次，在医疗领域中，利用足底触觉传感器可以更好地帮助机器人抓取物体、定位和调整姿势，从而实现更精细的手术和更精密的医疗操作。
再者，在教育培训领域，人形机器人配备足底触觉传感器可以更好地模拟学生不同的行为状态和身体感受，有效提高人形机器人的教学效果。
小型舞蹈双足机器人的设计及实现
小型舞蹈双足机器人的设计及实现随着科技的不断发展和进步，机器人技术也日益成熟，机器人已经被广泛应用于生产制造、医疗保健、军事防务等多个领域。
随着人工智能和运动控制技术的不断推进，双足机器人的研发和应用也越来越引人注目。
双足机器人具有较强的灵活性和适应性，在舞蹈表演、娱乐互动等方面有着广阔的应用前景。
本文将针对小型舞蹈双足机器人的设计及实现进行介绍。
一、设计思路小型舞蹈双足机器人的设计首先需要考虑其外形和结构。
在外形设计上，需要考虑机器人的整体比例和外观美感，让其具有艺术感和观赏性。
在结构设计上，需要考虑机器人的动力系统、传感系统、控制系统等各个方面，确保机器人能够稳定、灵活地进行舞蹈动作。
对于小型舞蹈双足机器人的功能设计，需要考虑其舞蹈表演的需求。
舞蹈动作通常具有一定的节奏和律动感，需要机器人具有较强的动作控制和节奏感知能力。
在功能设计上，需要考虑机器人的动作控制算法、节奏感知传感器等方面，使其能够按照预设的舞蹈节奏和动作进行表演。
对于小型舞蹈双足机器人的材料选择和制作工艺，需要考虑其轻量化和结实耐用。
舞蹈表演通常需要机器人具有较高的灵活性和动作幅度，因此在材料选择和制作工艺上需要考虑如何减轻机器人的自重，增加关节的灵活度，并保证机器人的结构稳定性和耐用性。
二、实现方法针对小型舞蹈双足机器人的设计思路，下面将介绍其实现方法。
1. 外形和结构设计：需要进行机器人的外形设计和结构设计，确定机器人的整体比例和外观设计，然后进行机器人的CAD建模和结构分析，确定机器人的结构设计方案和材料选择。
2. 动力系统设计：机器人的动力系统主要包括驱动器和电源系统。
需要选择合适的电机和减速器作为机器人的驱动器，以及合适的电池作为机器人的电源，确保机器人能够稳定地进行舞蹈动作。
3. 传感系统设计：机器人的传感系统主要包括姿态传感器、力/力矩传感器、视觉传感器等。
需要选择合适的传感器，并进行传感器的布置和数据采集和处理，确保机器人能够准确地感知和控制自身的姿态和运动状态。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第5卷 第1期 2010 年 1 月
小型仿人机器人脚底传感系统的设计与实现
53
们研制的两足步行机器人 WL-12RIII 中应用了六维力/ 力矩传感器，力/力矩传感器安装在小腿上[1]。日本本田 (HONDA)公司的仿人机器人 P2、P3 及 ASIMO 均应用 了集成六维力/力矩传感器，以此获得地面反力信息并 构成姿态控制系统， 在适应不平整地面和增强动态步行 稳定性的实验中获得成功。日本横滨(YOKOHAMA)国 立大学的 Yasutaka Fujimoto 等在其研制的两足步行机器 人中，应用六自由度力/力矩传感器对机器人进行姿态 控制， 实现了存在干扰情况下的稳定行走[1-4]。 清华大学 研制的仿人机器人采用以六维力/力矩传感器信息为主 建立姿态控制系统的方案，已取得一定的理论研究成 果。国防科技大学在 2003 年研制的仿人机器人同样采 用集成力/力矩传感器测量地面反力信息，并据此进行 了步态轨迹规划和在线轨迹调整方法研究[1]。然而集成 六维力传感器安装在脚踝位置， 分析地面反力时都是通 过等效计算到某个点上， 无法得到脚底不同部位上所受 的力，而且尺寸、重量比较大，价格昂贵，目前只有少 数大型智能机器人采用这种传感器。 在机器人脚底安装 4 个力传感器来计算 ZMP 点的值[4]， 这种方法被应用于 很多小型仿人机器人， 然而这种方法没有将安装在脚底 的力传感器组成脚底传感阵列， 不能进一步利用脚底不 同部位受地面反力的信息。 针对现有仿人机器人脚底传感系统的缺陷， 本文通 过对小型仿人机器人机械机构、 运动控制系统结构和传 感器电路结构的分析， 提出并设计了一种适用于小型仿 人机器人的脚底传感系统。实验结果证明，该传感系统 能有效完成力信息的实时采集、计算与通讯，并为其他 外部环境信息的采集建立一定基础。
图 3、图 4 中：1 为上层板(top plate)；2 为下层 板(lower panels)；3、4 为调整孔(adjust hole)；5 为力 /力矩传感器(force／torque sensor)；6 为矩形橡胶垫 (rectangular rubber mat)；7 为电路板(boards)；8 为橡 胶引导块(rubber boot block)。 上层板为两端带侧板的矩形板， 其材料为轻质的铝 合金，两端侧板上分别设有调整脚板高度的调整孔，上 层板通过调整孔和螺钉与下层板固定连接， 在上层板的 板面上设有螺孔， 通过螺孔和螺钉分别与上层板下面的 电路板及上层板上面的脚踝固定连接。 下层板为两端带侧板的矩形板， 其材料为轻质的铝 合金，两端侧板扣在上层板的两侧板内，分别在对应于 上层板侧板的调整孔处设置了调整孔，以调节上、下层 板之间的空间距离及脚板高度。 在下层板的板面上均匀 设置了 3 排且每排均匀设置 3 个圆槽， 以便装设 9 个力 /力矩传感器。在下层板的下面用胶粘剂固接矩形橡胶 垫，矩形橡胶垫与地面为面接触，可防滑，使机器人稳 定行走，并减小地面反力带来的危害。 力/力矩传感器为 9 个普通的市购力/力矩传感器， 用于测量脚底板各部位所受地面反力的大小，价格低 廉，能降低机器人的成本。橡胶引导块为圆形橡胶块， 9 个力/力矩传感器分别通过橡胶引导块固接在下层板 板面的 9 个圆槽内，9 个橡胶引导块分别通过橡胶粘结 剂与矩形橡胶垫的上面固接。当地面反力达到力/力矩 传感器的量程最大值时，橡胶引导块与地面保持平行， 不会承受更大的力，起到了保护力/力矩传感器的作用。 2.2 硬件设计 硬件电路板由小信号放大滤波电路、控制器、局域 控制网(CAN)总线接口、RS232 串口总线构成。小信号 放大滤波电路由五级放大滤波电路构成，对力/力矩传 感器感知到的小信号起放大、滤波和抗干扰作用，把力
第5卷 第1期 2010 年 1 月
/力矩传感器采集的力/力矩小信号放大为实际应用的模 拟信号。小信号放大滤波电路的输出端与控制器连接， 控制器将模拟信号转换为数字信号， 通过数据处理模块 对数字信号进行处理，并计算零力矩点(ZMP)，通过局 域控制网(CAN)总线接口与上层控制器通讯形成 ZMP 的闭环， 使上层控制器通过控制机器人的脚来适应地面 环境， 通过 RS232 总线与计算机连接， 实时地观测数据 采集的情况。CAN 总线结构具有较强的易扩展性和较 高容错性能。每个外部信息传感器都可以独立设计；在 信息采集结构中，每个模块都是对等的，其间可以点对
发展趋势。 稳定性检测主要是通过对机器人实际稳定点 的检测来判断机器人的稳定性，主要是利用力/力矩传 感器对地面反力的检测，是安装力传感器的主要目的。 在线获取 ZMP 点的位置，并以此作为仿人机器人步态 行走的稳定性判据，通过力传感器在线获取 ZMP 点可 以对机器人进行实时步态规划与控制， 从而实现机器人 的稳定行走。 早在 1989 年， 日本早稻田(WASETA)大学首先在他
1 小型仿人机器人脚底传感系统
将仿人机器人控制系统的大开环变为大闭环以增 加外部信息传感器是改进控制结构的最基本条件。 脚底 力传感系统位于控制系统的底层， 用于检测地面的反力 信息并将其传给上层控制器， 使控制系统从大开环变为 大闭环。 增加外部信息传感器要在不改变现有控制系统 硬件结构的基础上，扩展外部信息采集和处理模块，形 成开放的分层信息采集与处理结构， 结构的底层节点由 多个传感器信息采集和预处理模块(包括放大、滤波和 计算等)构成，得到的处理信息通过接口实时地传送到 上层控制器， 形成一个从外部信息到产生机器人动作序 列的过程。
图 2 仿人机器人脚底传感系统构成图 Fig. 2 Diagram of humanoid robot foot sensor system 图 1 仿人机器人控制系统结构图 Fig. 1 Diagram of humanoid robot control system
2 小型仿人机器人脚底传感系统设计
52
中国科技论文在线
Sciencepaper Online
第5卷 第1期 2010 年 1 月
小型仿人机器人脚底传感系统的设计与实现
王晓龙，李祖枢，薛方正
（重庆大学智能自动化研究所，重庆 400044）
摘 要：针对小型仿人机器人的零力矩点(ZMP)轨迹在线确定问题， 设计了一种基于多个简单一维力/力矩传感器的脚 底传感阵列系统以及一种距离可调的多孔、双夹板机构，用以安装力/力矩传感器，并实现了脚底传感器信号多级放大 及采集软硬件系统。 应用CAN总线接口实现了与外部上层控制器的通信。 实现了小型仿人机器人行走过程中实际ZMP 轨迹的在线计算和实时传递。实验结果证明，该传感系统能够有效地完成脚底力信息的实时采集、计算与通讯。 关键词：小型仿人机器人；零力矩点；力/力矩传感器 中图分类号：TP242.6 文献标志码：A 文章编号：1673－7180(2010)01－0052－6
图5
小信号放大滤波电路原理图
Design and implementation on foot sensor system of small humanoid robot
Wang Xiaolong，Li Zushu，Xue Fangzheng (Institute of Intelligent Automation, Chongqing University, Chongqing 400044, China) Abstract: In order to on-line identify a small humanoid robot zero moment point (ZMP) trajectory, A kind of foot sensor array system based on a number of simple one-axis force ／ torque sensors, and an adjustable distance porous, double-plywood framework to install the force／torque sensor was designed. And we achieved multi-stage amplification of the foot sensor signals and the hardware and software system for collect information. We also realized communication with external micro control unit (MCU) by using controller area network (CAN) bus, as well as on-line calculation and real-time delivery of the actual ZMP trajectory throughout the whole walking phase. The actual experiments demonstrated that this sensor system can effectively complete the real-time collection, computing and communication of the feet force information. Key words: small humanoid robot；zero moment point (ZMP)；force/torque sensors
0 引 言
在仿人机器人运动控制方法研究中， 如何增强机器 人在未知环境下的适应能力一直是研究的重点之一。 仿 人机器人通过脚掌与地面接触， 最重要的信息是地面通 过脚掌对机器人所作用的力信息。因此，在机器人机构 上安装力传感器，以增强机器人对环境的适应能力，从 而实现稳定行走， 这是仿人机器人控制技术研究的一个
收稿日期：2009-10-21 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20070611018) 作者简介：王晓龙(1984－ )，男，硕士研究生，主要研究方向：智能机器人 通信联系人：李祖枢(1945－ )，男，教授，主要研究方向：仿人智能控制与智能机器人，zushuli@