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
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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
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/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
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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@