[发明专利]一种双足机器人足底受力状态检测系统及方法

权利要求书

1.一种双足机器人足底受力状态检测系统，其特征在于，包括双足机器人脚底、竖直方向力检测模块、水平方向力检测模块以及信号处理电路；竖直方向力检测模块采集双足机器人脚底沿竖直方向上的受力状态数据；水平方向力检测模块采集双足机器人脚底沿水平方向上的受力状态数据；信号处理电路负责处理竖直方向力检测模块以及水平方向力检测模块所产生的数据。

2.根据权利要求1所述双足机器人足底受力状态检测系统，其特征在于：

竖直方向力检测模块包括阵列式压阻薄膜压力传感器；所述阵列式压阻薄膜压力传感器具有m行n列共m×n个传感器单元；

水平方向力检测模块包括水平方向力测量单元块、薄膜压力传感器；水平方向力测量单元块的外形为长方体；双足机器人脚底设置有凹腔，水平方向力测量单元块部分嵌入凹腔，水平方向力测量单元块的高度不小于凹腔的深度；凹腔的四个内壁分别设置一个薄膜压力传感器，薄膜压力传感器设置在水平方向力测量单元块与凹腔之间；双足机器人脚底至少设置一个水平方向力检测模块；所有水平方向力检测模块内设置的薄膜压力传感器组成一个s行4列的水平方向薄膜传感器阵列，s为水平方向力检测模块的数量。

3.根据权利要求2所述双足机器人足底受力状态检测系统，其特征在于，所述信号处理电路包括竖直方向力检测模块驱动电路、水平方向力检测模块驱动电路以及数据处理电路；竖直方向力检模块驱动电路、水平方向力检测模块驱动电路分别连接数据处理电路。

4.根据权利要求3所述双足机器人足底受力状态检测系统，其特征在于，数据处理电路用于将竖直方向力检测模块驱动电路以及水平方向力检测模块驱动电路产生的模拟信号进行滤波、模数转换并输出给单片机或者微处理器进行运算。

5.根据权利要求3所述双足机器人足底受力状态检测系统，其特征在于，竖直方向力检测模块驱动电路包括n选一多路选择器、m选一多路选择器、m个电阻以及m个运算放大器；n选一多路选择器的n个通道分别与阵列式压阻薄膜压力传感器的n列连接；n选一多路选择器的共同接线端与电源VCC连接；m个运算放大器的反相输入端分别与阵列式压阻薄膜压力传感器的m行，其同相输入端分别与地相连，其输出端分别与m选一多路选择器的m个通道相连，m个电阻的一端分别与m个运算放大器的反相输入端连接，另一端分别与m个运算放大器的输出端连接，m选一多路选择器的共同接线端与数据处理电路连接。

6.根据权利要求3所述双足机器人足底受力状态检测系统，其特征在于，水平方向力检测模块驱动电路包括4选1多路选择器，s选1多路选择器，s个电阻，s个运算放大器，4选一多路选择器的4个通道分别与阵列式压阻薄膜压力传感器的4列连接，其共同接线端与电源VDD连接；s个运算放大器的反相输入端分别与水平方向薄膜传感器阵列的s行，其同相输入端分别与地相连，其输出端分别与s选一多路选择器的s个通道相连，s个电阻的一端分别与s个运算放大器的反相输入端连接，另一端分别与s个运算放大器的输出端连接，s选一多路选择器的共同接线端与数据处理电路连接。

7.根据权利要求2所述双足机器人足底受力状态检测系统，其特征在于，所述凹腔的顶部内壁与水平方向力测量单元块固接。

8.根据权利要求2所述双足机器人足底受力状态检测系统，其特征在于，所述水平方向力检测模块的薄膜压力传感器为压阻型薄膜压力传感器。

9.根据权利要求2所述双足机器人足底受力状态检测系统，其特征在于，所述竖直方向力检测模块还包括上缓冲层以及下缓冲层；上缓冲层、阵列式压阻薄膜压力传感器、下缓冲层依次连接。

10.一种双足机器人足底受力状态检测方法，其特征在于，基于权利要求1～9任一项所述双足机器人足底受力状态检测系统，包括如下步骤：

S1.确定双足机器人足底一点为原点O，沿着足底的前向方向为x轴，垂直于足底向上方向为z轴，根据右手定则确定y轴，据此，获取竖直方向力检测模块中阵列式压阻薄膜压力传感器的传感器单元中心点相对于原点O的坐标，记为(x_ij,y_ij)，获取所有水平方向力检测模块中水平方向力测量单元块中心点相对于原点O的坐标，记为(u_i′,v_i′)；

S2.标定竖直方向力检测模块中阵列式压阻薄膜压力传感器的所有传感器单元，并获得力与电阻值关系曲线，记为：

F_ij＝f(R_ij)

此处，F_ij与R_ij分别为竖直方向力检测模块中阵列式压阻薄膜压力传感器第i行第j列的传感器单元的受力大小以及电阻值；

标定所有水平方向力检测模块中水平方向薄膜传感器阵列的薄膜压力传感器，并获得力与电阻值关系曲线，记为：

G_i′j′＝g(R_i′0j′)

此处，G_i′j′与R_i′0j′分别为第i’个水平方向力检测模块中第j’个薄膜压力传感器的受力大小以及电阻值；

S3.采集t时刻双足机器人脚底竖直方向受力情况，使用下式计算出竖直方向力检测模块中阵列式压阻薄膜压力传感器的传感器单元的电阻值为：

此处，R_ij为竖直方向力检测模块中阵列式压阻薄膜压力传感器第i行第j列的传感器单元的电阻值，R_fi为连接第i行的反馈电阻的阻值，Vout_ij为该传感器单元的输出电压值，VCC为n选一多路选择器共同接线端的电压；

采集t时刻双足机器人脚底水平方向受力情况，使用下式计算出水平方向力检测模块中薄膜压力传感器的电阻值为：

此处，R_i′0j′为所有水平方向力检测模块中水平方向薄膜传感器阵列的第i’行第j’列的薄膜压力传感器的电阻值，R_fti′为连接第i’行的反馈电阻的阻值，Vout_i′0j′为该传感器单元的输出电压值，VDD为4选一多路选择器共同接线端的电压；

S4.基于步骤S2～S3，获得竖直方向上各个传感器单元的受力数据F_ij，和水平方向上各个薄膜压力传感器的受力数据G_i′j′；i∈[1,n]，j∈[1,m]；i′∈[1,s]，j′∈[1,4]；

利用下式计算水平方向力检测模块沿X轴以及Y轴方向的水平方向力：

δ_i′x＝G_i′a-G_i′b

δ_i′y＝G_i′c-G_i′d

此处，G_i′a,G_i′b分别表示第i′个水平方向力检测模块在x轴方向的两个薄膜压力传感器的受力值，G_i′c,G_i′d分别表示第i′个水平方向力检测模块在y轴方向的两个薄膜压力传感器的受力值；

S5.根据步骤S1与S4中获得的坐标以及竖直方向受力数据，根据下式获得双足机器人脚底的零力矩点坐标：

此处，p_x与p_y代表零力矩点的坐标；

S6.根据步骤S1、S4与S5获得零力矩点坐标处的水平方向力产生的力矩τ_z：