地面反作用力測量模塊及採用該模塊的機器人足部結構的製作方法
2023-09-15 04:34:05
專利名稱：地面反作用力測量模塊及採用該模塊的機器人足部結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於移動式機器人的地面反作用力測量模塊及採用該模塊的機器人足部結構，更具體的是，本發明涉及一種用於移動式機器人的可以利用薄膜型壓縮傳感器來測量地面反作用力的地面反作用力測量模塊，以及採用該模塊的機器人足部結構。
背景技術：
在典型的移動式機器人中，重要的是保持機器人的平衡以穩定行走。因此，為了獲得對於行走過程中機器人的平衡所需的信息，需要測量從地面傳遞到機器人足部上的地面反作用力。
在傳統的移動式機器人中，日本專利公告第2000-254888號公開了一種地面反作用力測量系統，其利用測壓元件來測量從地面傳遞的地面反作用力。
在利用測壓元件的地面反作用力測量系統中，測壓元件的安裝位置應當在設計移動式機器人時就考慮，這是因為其特有的測量方法。因此，當測壓元件要設置在成品機器人上時，由於機器人的結構需要變化，因此測壓元件的安裝實際上變得困難了。而且，由於需要附加的操作測壓元件的系統，因此模塊的總體積增加。此外，利用測壓元件的測量系統較為昂貴。
發明內容
為了解決上述和/或其他問題，本發明提供了一種用於移動式機器人的利用薄膜型壓縮傳感器的地面反作用力測量模塊，其可以容易地安裝在機器人上，不需改變成品機器人的結構，該模塊模塊化成為簡單結構，易於維護和修理，並且可以響應傳遞自地面的衝擊，本發明還提供了一種採用該測量模塊的機器人足部結構。
根據本發明的一個方面，用於移動式機器人的地面反作用力測量模塊包括外殼，其設置在移動式機器人面向地面的預定部分；移動單元，其設置成能夠根據從地面傳遞至移動式機器人的對地面的壓力的存在而相對於外殼移動；以及壓縮傳感器，其設置在外殼中，以測量來自於通過移動單元傳遞的壓力的存在的地面反作用力。
外殼包括壓縮傳感器支架，其包括容納壓縮傳感器的容納部分和將容納部分與外界連接的通孔；以及覆蓋件，其連接到容納部分上方的外殼上。
本發明的上述和其他特徵和優點將通過對優選實施例的詳細描述和參照附圖而更加清楚，附圖中圖1是根據本發明優選實施例的用於移動式機器人的地面反作用力測量模塊的分解透視圖；圖2是說明圖1中地面反作用力測量模塊的剖視圖；圖3是說明圖1中地面反作用力測量模塊的操作的剖視圖；圖4A是圖1中壓縮傳感器的視圖；圖4B是圖4A中等效電路的視圖；圖5是根據本發明另一優選實施例的用於移動式機器人的地面反作用力測量模塊的剖視圖；圖6示出根據圖5中壓縮傳感器測量的地面反作用力變化的A/D變換值的曲線；圖7示出機器人足部結構的剖視圖，該結構採用了根據本發明第一優選實施例的用於移動式機器人的地面反作用力測量模塊；圖8A是安裝在機器人足部四個位置上的地面反作用力測量模塊的視圖，以說明地面反作用力中心的計算；圖8B至8C是用於說明通過將地面反作用力測量模塊布置在機器人足部四個位置上對於地面反作用力中心和其尺寸的計算示例的視圖；圖9示出機器人足部結構的剖視圖，該結構採用了根據本發明第二優選實施例的用於移動式機器人的地面反作用力測量模塊。
具體實施例方式
參照圖1和2，根據本發明優選實施例的用於移動式機器人的地面反作用力測量模塊包括外殼20，其設置在移動式機器人面向地面的預定部分(即，機器人足部10)；移動單元30，其設置成能夠根據機器人足部10是否接收來自地面的壓力而相對於外殼20移動；以及壓縮傳感器40，其設置在外殼20中，以測量來自於通過移動單元30傳遞的壓力的存在的地面反作用力。
外殼20包括聯接到機器人足部10上的壓縮傳感器支架21和聯接到壓縮傳感器支架21上的覆蓋件27。壓縮傳感器支架21包括容納壓縮傳感器40的容納部分23和將容納部分23與外界連接的通孔25。從中穿過電連接到壓縮傳感器40上的電纜41的空間26形成在壓縮傳感器支架21的面向覆蓋件27的部分。覆蓋件27保護壓縮傳感器40並且聯接到容納部分23之上。而且，覆蓋件27支承壓縮傳感器40的後表面，從而壓縮傳感器40在壓力從地面施加時接收預定的壓力。
由於地面反作用力測量模塊通過提供外殼20而併入，因此根據本發明的地面反作用力測量模塊可以自由安裝在機器人足部10的所需位置。
移動單元30包括可移動地安裝在通孔25中的移動元件31；聯接到移動元件31上並且通過直接接觸地面來支承移動式機器人的支承元件33；介於外殼20和支承元件33之間的彈性元件35。
優選的是，移動單元30還包括根據移動元件31的移動而有選擇地接觸壓縮傳感器40的蓋件37。蓋件37圍繞著設置在容納部分23中的移動元件31的一端插入。蓋件37由橡膠製造以具有預定的彈性。因而，當壓力施加到壓縮傳感器40上時，蓋件37可以防止對壓縮傳感器40的測量部分的損害，同時吸收傳遞自地面的衝擊。
直接接觸地面的支承元件33聯接到移動元件31的另一端。如圖1和2所示，支承元件33是一種具有碟形的結構，或者是一種具有盤形的結構，其可以同時聯接到地面反作用力測量模塊的多個移動元件上，如下文所述。
支承元件33通過需要時改變其形狀而可分離地聯接到移動元件31上。為此，支承元件33優選利用螺釘39聯接到移動元件31上。除了利用螺釘39的聯接方法之外，鉤聯接結構(未示出)也是可利用的。
彈性元件35設置在壓縮傳感器支架21和支承元件33之間，可以為O形環、螺旋彈簧和由彈性材料製成的波形彈簧(wave spring)中的任一種。彈性元件35防止蓋件37當作用在支承元件33上的壓力除去時接觸壓縮傳感器40。
如圖3所示，當壓力從地面E傳遞至支承元件33時，支承元件33通過克服彈性元件35的回覆力朝向壓縮傳感器40移動。因而，蓋件37接觸壓縮傳感器40。
壓縮傳感器40優選是一種薄膜形式的負荷測量傳感器，使得可以測量通過移動單元30傳遞的壓力的變化量。圖4A和4B示出為薄膜型負荷或壓力測量傳感器其中一種的力傳感電阻(FSR)裝置。
FSR裝置通過兩個電極A和B電連接到外部。FSR裝置包括由傳導體製成並且彼此分隔開預定距離的第一和第二傳導路徑43a和43b；設置在第一和第二傳導路徑43a和43b的下部分上的電阻膜45，以防止第一和第二傳導路徑43a和43b之間的電流流動。因此，FRS裝置檢測是否有外界電壓施加，當有電壓施加時，電極A和B的合成的電壓值根據壓力變化量改變。測量的地面反作用力經過放大和A/D轉換電路，可用於生成行走機器人的行走圖樣和希望的行走算法。
與上文的採用了一個負荷測量傳感器的優選實施例不同，壓縮傳感器40可以包括至少兩個薄膜型負荷或壓力測量傳感器。
圖5示出第一和第二薄膜型負荷或壓力測量傳感器40a和40b彼此交疊設置的情況。第一和第二薄膜型負荷或壓力測量傳感器40a和40b可以為測量相同負荷的傳感器。這種情況下，地面反作用力可以從通過第一和第二薄膜型負荷或壓力測量傳感器40a和40b測量到的負荷平均值來測定。因此，由於地面反作用力利用平均值測定，有關通過壓縮傳感器40測量的壓力變化量的誤差減小，從而穩定地獲得正確的地面反作用力值。
此外，第一和第二薄膜型負荷或壓力測量傳感器40a和40b可以為測量不同負荷的傳感器。這種情況下，第一和第二薄膜型負荷或壓力測量傳感器40a和40b根據地面反作用力值的範圍而被有選擇地利用，並且適當地響應地面反作用力的各種變化。
圖6是示出根據反作用力的A/D(模擬-數字)轉換值的曲線，其中反作用力是利用保證相對於不同負荷的線性的第一和第二薄膜型負荷或壓力測量傳感器40a和40b測量的。在此，A/D轉換值通過將第一和第二薄膜型負荷或壓力測量傳感器40a和40b測量的電壓信號轉換成數字值而得到的，並且根據反作用力值改變。參照圖6，當測量的反作用力對應於部分I時，數據從保證相對於較輕負荷的線性的第一負荷測量傳感器40a獲取。當測量的反作用力對應於部分II時，數據從保證相對於較重負荷的第二負荷測量傳感器40b獲取。
因此，通過根據反作用力的大小而有選擇地利用第一和第二薄膜型負荷或壓力測量傳感器40a和40b，可以相對於在不同時間裡變化的地面反作用力值充分得到線性，且可以獲得穩定的地面反作用力值。
儘管第一和第二薄膜型負荷或壓力測量傳感器作為壓縮傳感器在圖5和6中得以描述，但是壓縮傳感器不限於兩個傳感器並可以包括兩個或多個傳感器。這時，測量相同負荷的傳感器和測量不同負荷的傳感器可以結合使用。
參照圖7至9，現在描述根據上述優選實施例的採用地面反作用力測量模塊的機器人足部結構。
參照圖7，根據本發明優選實施例的機器人足部結構包括機器人足部10，以及多個安置在機器人足部10的朝向地面的預定部分處的地面反作用力測量模塊。
每個地面反作用力測量模塊都包括外殼20；移動單元30，其設置成能夠根據對地面壓力的存在而相對於外殼20移動；以及壓縮傳感器40，其安置在外殼20中，以測量來自於通過移動單元30傳遞的壓力的存在的地面反作用力。由於外殼20的結構和操作，移動單元30和壓縮傳感器40基本上與參照圖1至6所述的相同，對其省略詳細描述。
在該優選實施例中，多個支承元件33安置在地面反作用力測量模塊上，作為移動單元30的一個組成元件。因而，轉移到機器人足部10上的地面反作用力可以藉助地面反作用力測量模塊安置的部位而獨立測量。因而，當機器人行走在不平的地面時，容易進行地面反作用力的測量。
圖8A示出了這樣一種情況，其中圖7的地面反作用力測量模塊設置在機器人足部的四個位置，即I，II，III，和IV。
圖8A中，a和b分別表示設置在象限I，II，III，和IV的地面反作用力測量模塊的X軸方向和Y軸方向各自的位置值。A、B、C和D各自表示A/D轉換值，例如0至1023之間的值。
這時，X軸方向和Y軸方向上的地面反作用力的中心xc和yc如下獲得。即，xc和yc和a，b，A/D轉換值之間的關係滿足下述等式。
(a2-xc)(B+D)=(xc+a2)(A+C)]]>[等式1](b2-yc)(A+B)=(yc+b2)(C+D)]]>[等式2]等式1和2可以以xc和yc的形式重新寫成xc=a(B+D-A-C)2(A+B+C+D)]]>[等式3]yc=b(A+B-C-D)2(A+B+C+D)]]>[等式4]如上所述，通過利用地面反作用力測量模塊生成地面反作用力中心xc和yc，移動式機器人可以基於地面反作用力中心保持平衡。
由於上述等式只表示了地面反作用力中心的位置，以顯示地面反作用力在一起的大小，可以利用下述等式。
xc=a(B+D-A-C)2N]]>[等式5]yc=b(A+B-C-D)2N]]>在此，N表示施加到地面反作用力測量模塊上的總負荷的A/D轉換值。
例如，當0kg的力施加到採用了能夠測量高達10kg負荷的壓縮傳感器的機器人足部的部分II和III二者上時(假設當10kg的負荷施加時，A/D轉換值為N)，而且1)20kg的總負荷被分割，使得10kg的力施加到部分I和II每一個上，和2)10kg的總負荷被分割，使得5kg的力施加到部分I和IV每一個上時，對於情況1)和2)來說，從等式4計算得到的地面反作用力中心表示在圖8B中。但是，根據等式5的計算，情況1)中，由於地面反作用力中心如圖8B所示，在情況2)中，地面反作用力中心如圖8C所示，可以估計地面反作用力的大小。
參照圖9，根據本發明另一優選實施例的機器人足部結構包括機器人足部10，以及多個安置在機器人足部10的朝向地面的預定部分處的地面反作用力測量模塊。
每個地面反作用力測量模塊都包括外殼20；移動單元30，其設置成能夠根據對地面的地面反作用力的存在而相對於外殼20移動；以及壓縮傳感器40，其安置在外殼20中，以測量來自於通過移動單元30傳遞的壓力的存在的地面反作用力。由於外殼20的結構和操作，移動單元30和壓縮傳感器40基本上與參照圖1至6所述的相同，對其省略詳細描述。
在該優選實施例中，地面反作用力測量模塊特有地設置成相對於在地面反作用力測量模塊安裝的部位上測量的地面反作用力而彼此互相作用。
為此，根據該優選實施例的移動單元30包括貫通至少兩個地面反作用力測量模塊一體形成的支承元件32，作為一個組成元件。這種情況下，當移動式機器人行走在不平的表面上時，容易進行地面反作用力的測量。即，由於地面反作用力測量模塊獨立測量的值不互相影響，因此可以產生穩定的信號值。
在上述地面反作用力測量模塊中，獨立設置的支承部分33和一體形成的支承元件32中的每一個可拆卸地藉助螺釘(圖1中的39)連接到移動元件31上，如果需要，支承元件可以容易地更換。
在上述機器人足部結構中，由於地面反作用力測量模塊的安裝位置可容易地改變，根據移動式機器人結構的變化而導致的重心改變，即，移動式機器人上體的改變也可以容易地處理。
如上所述，與傳統的利用測壓元件的傳統型測量模塊相比，具有上述結構的移動式機器人的地面反作用力測量模塊以及採用了根據本發明的該模塊的機器人足部結構具有的優點在於可以有小型模塊，成本得以降低。
而且，由於多個測量相同負荷的傳感器和測量不同負荷的傳感器設置成負荷測量傳感器，可以穩定地處理地面反作用力的大範圍改變。由於提供了呈現出彈性的蓋件，壓縮傳感器可被保護不受傳遞自地面的衝擊。
此外，由於部件模塊化，安裝位置可以相對於機器人足部容易地變化，從而可以主動處理根據移動式機器人結構的變化而發生的重心的變化。
權利要求
1.一種用於移動式機器人的地面反作用力測量模塊，其包括外殼，其設置在移動式機器人面向地面的預定部分；移動單元，其設置成能夠根據從地面傳遞至移動式機器人的對地面的壓力的存在而相對於外殼移動；以及壓縮傳感器，其設置在外殼中，以測量來自於通過移動單元傳遞的壓力的存在的地面反作用力。
2.如權利要求1所述的模塊，其中外殼包括壓縮傳感器支架，其包括容納壓縮傳感器的容納部分和將該容納部分與外界連接的通孔；以及覆蓋件，其連接到容納部分上方的外殼上。
3.如權利要求2所述的模塊，其中移動單元包括插入通孔中並能夠在其中移動的移動元件；蓋件，其圍繞設置在容納部分中的移動元件一端插入，並且根據移動元件的位置有選擇地接觸壓縮傳感器；支承元件，其聯接到移動元件上的另一端，並且直接接觸地面來支承移動式機器人；以及彈性元件，其介於外殼和支承元件之間，並且防止蓋件在作用於支承元件上的壓力除去時接觸壓縮傳感器。
4.如權利要求1至3所述的模塊，其中壓縮傳感器是薄膜型負荷測量傳感器，能夠測量通過移動單元傳遞的壓力變化量。
5.如權利要求4所述的模塊，其中壓縮傳感器包括至少兩個測量相同負荷的薄膜型負荷或壓力測量傳感器，從而地面反作用力從由各個薄膜型負荷或壓力測量傳感器測量到的負荷平均值得以測定。
6.如權利要求4所述的模塊，其中壓縮傳感器包括至少兩個測量不同負荷的薄膜型負荷或壓力測量傳感器，從而地面反作用力通過根據地面反作用力值的範圍來選擇薄膜型負荷或壓力測量傳感器而得以測定。
7.一種機器人足部結構，包括機器人足部；和多個設置在機器人足部朝向地面的預定部分的地面反作用力測量模塊，該地面反作用力測量模塊包括設置在移動式機器人面向地面的預定部分的外殼，設置成能夠根據傳遞至移動式機器人的對地面的壓力的存在而相對於外殼移動的移動單元，以及設置在外殼中以測量來自於通過移動單元傳遞的壓力的存在的地面反作用力的壓縮傳感器，其中地面反作用力測量模塊設置成相對於各個地面反作用力測量模塊安置的部位而獨立地測量地面反作用力。
8.如權利要求7所述的結構，其中外殼包括具有容納壓縮傳感器的容納部分和將該容納部分與外界連接的通孔的壓縮傳感器支架，以及連接到容納部分上方的外殼上的蓋件，而且移動單元包括插入通孔中並能夠在其中移動的移動元件，圍繞設置在容納部分中的移動元件一端插入並且根據移動元件的位置有選擇地接觸壓縮傳感器的蓋件，聯接到移動元件上的另一端並且直接接觸地面來支承移動式機器人的支承元件，以及介於外殼和支承元件之間並且防止蓋件在作用於支承元件上的壓力除去時接觸壓縮傳感器的彈性元件。
9.一種機器人足部結構，包括機器人足部；和多個設置在機器人足部朝向地面的預定部分的地面反作用力測量模塊，該地面反作用力測量模塊包括設置在移動式機器人面向地面的預定部分的外殼，設置成能夠根據傳遞至移動式機器人的對地面的壓力的存在而相對於外殼移動的移動單元，以及設置在外殼中以測量來自於通過移動單元傳遞的壓力的存在的地面反作用力的壓縮傳感器，其中地面反作用力測量模塊設置成相對於在各個地面反作用力測量模塊安置的部位測量的地面反作用力而彼此互相作用。
10.如權利要求9所述的結構，其中外殼包括具有容納壓縮傳感器的容納部分和將該容納部分與外界連接的通孔的壓縮傳感器支架，以及連接到容納部分上方的外殼上的蓋件，而且移動單元包括插入通孔中並能夠在其中移動的移動元件，圍繞設置在容納部分中的移動元件一端插入並且根據移動元件的位置有選擇地接觸壓縮傳感器的蓋件，聯接到移動元件上的另一端並且直接接觸地面來支承移動式機器人的支承元件，以及介於外殼和支承元件之間並且防止蓋件在作用於支承元件上的壓力除去時接觸壓縮傳感器的彈性元件，而且其中支承元件一體地聯接到地面反作用力測量模塊的至少兩個上。
全文摘要
本發明公開了一種用於移動式機器人的地面反作用力測量模塊，其包括外殼，其設置在移動式機器人面向地面的預定部分；移動單元，其設置成能夠根據從地面傳遞至移動式機器人的對地面的壓力的存在，而相對於外殼移動；以及壓縮傳感器，其設置在外殼中以測量來自於通過移動單元傳遞的壓力的存在的地面反作用力。因此，可以穩定地處理大範圍的地面反作用力的變化，可以容易地改變機器人足部的安裝位置。
文檔編號B25J19/02GK1524664SQ0313126
公開日2004年9月1日 申請日期2003年5月12日 優先權日2003年2月27日
發明者孫榮, 吳淵宅, 盧慶植, 郭朱泳, 李湧權, 孫 榮 申請人:三星電子株式會社