（机械电子工程专业论文）基于传感的低功耗步行机器人膝关节研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 摘要 摘要 研究生姓名：郭锐导师姓名：罗翔 学校名称：东南大学 低功耗步行是步行机器人研究的热点之一。在低功耗步行的研究中，膝关节的研究和脚部多维力传感 器的研究是关键内容。本课题以国家自然科学基金项目低功耗步行机器人足的作用机理和设计方法研 究为背景，对步行机器人助力膝关节及步行机器人脚部多维力传感器进行了研究。 首先，本文在分析目前步行机器人膝关节驱动方法的基础上，提出了一种以主动驱动为主，以助力调 节为辅的驱动方法。介绍了步行机器人膝关：1 了助力调节方法的原理，并提出了一种具体的助力调节方法一 基于凸轮的步行机器人膝关节助力调节方法。 其次，在明确基于凸轮的步行机器人膝关节助力调节方法原理的基础上对具有助力调节系统的步行机 器人膝关：肖进行了机构设计。 再次，本文对基丁二凸轮的步行机器人膝关节助力调节方法进行了仿真和实验研究。研究结果表明：基 于凸轮的助力调节方法能有效降低步行机器人在周期性稳定步行摆动相膝关节的峰值驱动扭矩，从而可以 选择功率和峰值扭矩更小的电机，减轻系统的自重，节省步行的能耗。 最后，为了给步行机器人基于传感的动态步行及其c o p 的检测提供信号，作者对步行机器人脚部多维 力传感器进行了研究。具体研究了步行机器人脚部多维力传感器的机构及其静力分析，布片、组桥、贴片， 传感器的信号处理电路。并对所设计的传感器系统进行了实验研究，实验结果表明：本文所研究的机器人 脚部多维力传感器能够检测到所施加的力。 总之，本论文完成了低功耗步行机器人的膝关节和相关传感器研制，所做的工作具有创新性，为今后 的整机研制和两足步行实验打下基础。 关键字：低功耗步行机器人；膝关节；助力：凸轮；多维力传感器 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t b yg u or u i s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o ll u ox i a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y l o w p o w e rb i p e dr o b o ti so n eo ft h eh o t s p o t si nt h er e s e a r c hf i l e do fb i p e dr o b o t i nt h er e s e a r c ho f l o w - p o w e rb i p e dr o b o t ，t h er e s e a r c ho ft h ek n e ea n dt h em u l t i - d i m e n s i o ns e n s o ri st h ek e y t h ek n e ew h i c hh a s a s s i s t a n tt o r q u er e g u l a t i o ns y s t e ma n dt h em u l t i - d i m e n s i o ns e n s o ro ft h el o w - - p o w e rb i p e dr o b o ta r er e s e a r c h e di n t h i sp a p e rs u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n an a m e dt h er e s e a r c ho fm e c h a n i s ma n d d e s i g nm e t h o do ft h ef o o to fl o w - p o w e rb i p e dr o b o t f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y z i n go ft h ea c t u a t i o nm e t h o d so ft h eb i p e dr o b o tk n e e s ，an e wa c t u a t i o nm e t h o d t h a tt h ek n e ei sa c t u a t e db ym o t o rp r i m a r i l ya n da s s i s t e db ya na s s i s t a n td e v i c ew h i c hc a np r o v i d ea l la s s i s t a n t t o r q u ef o rt h er e v o l u t i o no fk n e ej o i n ti si n v e s t i g a t e d t h eb a s i ct h e o r yo ft h ea s s i s t a n tt o r q u er e g u l a t i o nf o r r e v o l u t i o nj o i n ti si n t r o d u c e d b a s e do nt h et h e o r y , as p e c i f i cm e t h o dn a m e da s s i s t a n tt o r q u er e g u l a t i o nm e t h o d b a s e do nc a mf o rt h ek n e eo fb i p e dr o b o ti si n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h em e c h a n i s mo ft h ek n e ew h i c hh a sa s s i s t a n tt o r q u er e g u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h e a s s i s t a n tt o r q u er e g u l a t i o nm e t h o db a s e do nc a mf o rt h ek n e eo fb i p e dr o b o t t h e n ，t h ea s s i s t a n tt o r q u er e g u l a t i o nm e t h o db a s e do nc a mf o rt h ek n e eo fb i p e dr o b o ti sr e s e a r c h e dt h r o u g h s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h er e s u l to ft h er e s e a r c hs h o w st h a tt h em a x i m u m t o r q u eo ft h em o t o ru s e dt oa c t u a t e t h ek n e ei sd e c r e a s e d t h u s ，t h em o t o rw i t hl o w e rp o w e ra n ds m a l l e rm a x i m u m t o r q u ec a nb es e l e c t e d s i n c et h e w e i g h to ft h em o t o ri so n eo fm a i nc o m p o n e n t so ft h et o t a lw e i g h to fr o b o t ，w e i g h to ft h ew h o l es y s t e mc a nb e d e c r e a s e da n dt h ee n e r g yo ft h ew a l k i n gc a nb es a v e du p t h i sm e t h o dc a na l s ob eu s e df o rt h ek n e eo ft h e a r t i f i c i a ll e g f i n a l l y , t h em u l t i - d i m e n s i o ns e n s o rw h i c hi su s e dt os u p p l ys i g n a lf o rt h es e n s o rb a s e dd y n a m i cw a l k i n ga n d t h ec o m p u t a t i o no ft h ec o pi sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g no ft h es e n s o rs t r u c t u r e ，s t a t i ca n a l y s i so ft h e s t r u c t u r e ，a p p l i c a t i o no ft h es t r a i ng a g e s ，d e s i g na n dd e b u g g i n go ft h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n dt h ee x p e r i m e n t a r ed o n ei nt h er e s e a r c h t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es e n s o rr e s e a r c h e di nt h i sp a p e rc a ns e n s et h e f o r c e s i nb r i e f , t h ek n e ew h i c hh a sa s s i s t a n tt o r q u er e g u l a t i o ns y s t e ma n dt h em u l t i d i m e n s i o ns e n s o ro ft h e l o w p o w e rb i p e dr o b o ta r er e s e a r c h e di n n o v a t i v e l yi nt h i sp a p e r t h ef o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho ft h ew h o l e s y s t e ma n dt h ee x p e r i m e n to fl o w - p o w e rb i p e dw a l k i n gi sl a i db yt h er e s e a r c hi nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：l o w - p o w e rb i p e dr o b o t ，a s s i s t a n tt o r q u e ，k n e e ，c a m ，m u l t i - d i m e n s i o ns e n s o r a b s t r a c t i i e jj 豪i i l 第一章绪论1 1 1j ；l 肓1 1 2 国内外研究现状1 1 3 课题的背景及意义4 1 4 本论文的主要t 作4 第二章步行机器人膝关节助力调节方法原理概述。5 2 1 步行机器人膝关节助力调节方法的原理5 2 2 基于凸轮的助力调节方法的原理6 2 3 本章小结7 第三章步行机器人助力膝关节的机构设计。8 3 1j ；i 言8 3 2 步行机器人助力膝关节机构设计的目标和原则8 3 3 步行机器人助力膝关：肖机构设计8 3 4 本章小结1 0 第四章基于凸轮的步行机器人膝关节助力调节方法仿真及实验研究1 1 4 1i ；i 言1 1 4 2 基于凸轮的步行机器人膝关节助力调节方法的仿真研究1 1 4 3 基丁：凸轮的步行机器人膝关节助力调： 了方法的实验研究2 2 4 4 本章小结2 7 第五章步行机器人脚部多维力传感器的研究2 8 5 1i ；i 言：1 8 5 2 传感器方案的确定2 8 5 3 传感器本体方案一的研究3 0 5 4 传感器本体方案二的研究3 5 5 5 传感器的布片、组桥及贴片3 7 5 6 传感器信号处理电路的研究4 5 5 7 传感器系统的实验及分析。4 9 5 8 本章小结5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 总1 2 5 3 6 2 展望! i ：； j l 定谢5 z i 参考文献5 5 攻读硕士研究生期间发表的论文5 7 i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 机器人是近年来发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以 及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之 一。 两足步行机器人是近些年来机器人领域研究的热点。世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤 一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”。步行功能的具备为扩大机器人的应用领域 开辟了无限广阔的前景。研究两足步行机器人的原冈和目的，概括起来有如下4 个：( 1 ) 希望研制出两足 步行机构，使它们能在许多结构性和非结构性环境中行走，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领 域；( 2 ) 希望更多地了解和掌握人类的步行特性，并利用这些特性为人类服务；( 3 ) 两足步行系统具有非常 丰富的动力学特性，在这一方面的研究可以拓宽力学及机器人学的研究方向；( 4 ) 两足步行机器人可以作 为一种智能机器人在人工智能中发挥重要的作用。在具有许多优点的步行机器人中，由于两足步行机器人 体积较小，所以它们对环境有最好的适应性。这种机器人除结构较为简单外，在静、动态稳定步行方面， 在高速运动方面，都是最困难的，但这些困难在技术上又并非不能克服。目前，两足步行机器人的应用领 域主要是康复医学。从长远来看，两足步行机器人在无人工厂、核电站、海底开发、宇宙探索、康复医学 以及教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景旧1 。 在两足步行机器人的众多研究领域中，低功耗步行机器人是研究的热点。而低功耗步行机器人的膝关 节及脚底多维力传感器则是研究的重点和难点。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 步行机器人膝关节 目前国内的步行机器人膝关节主要是利用电机等驱动设备进行主动驱动，即在机器人行走过程中，膝 关节的角度完全由电机等驱动设备控制。如国防科技大学于2 0 0 0 年1 1 月研制出我国首台两足步行机器人 一先行者，如图卜1 所示；哈尔滨工业大学自1 9 8 5 - 2 0 0 0 年研制出双足步行机器人：h i t i 、h i t i i 和 h i t - i i i ，如图1 - 2 所示；北京理工大学于2 0 0 2 年1 2 月研制出仿人机器人b l o t 0 1 ，是目前国内最先进的 两足步行机器人，如图1 - 3 所示川畸1 ；清华大学于2 0 0 2 年4 月9 日研制出具有自主知识产权的仿人机器 人t h b i p - i 样机，如图1 - 4 所示。以匕机器人的膝关节均由电机等驱动设备进行主动控制伸1 。 图1 - 1 国防科技人学“先行者”机器人图卜2 哈工人的“h i t ”机器人 啊，矿虿，。爵 匕， 东南大学硕上学位论文 图1 - 3 北理t 的“b r h - 0 1 ”机器人图卜4 清华大学“t h b i p - i ”机器人 国外所研究的步行机器人膝关节既有利用电机等驱动设备进行主动驱动的，也有利用自然动力借助惯 性自然摆动的。图1 - 5 所示为日本本田公司研制的仿人机器人a s i m o 。此机器人膝关节是由电机进行主 动驱动，即膝关节运动角度完全由电机控制。图1 - 6 所示为m i t 的机器人s p r i n gf l a m i n g o 及其膝关节旧1 。 此机器人的所有驱动电机均在髋部，通过缆索来驱动各个关节。其中膝关节处缆索通过2 5 i n 厚的滑轮连 结在小腿上，缆索另一端连接在电机上。s p r i n gf l a m i n g o 的膝关节既可以利用电机对其进行主动伺服驱 动，也可以利用自然动力借助惯性自然摆动。图卜7 所示为c o r n e l l 大学的机器人及其膝关节旧。此机器 人膝关节处无电机等驱动设备，其驱动方式为利用自然动力借助惯性自然摆动。 图1 - 5 日本本田公司的仿人机器人a s i m o 图卜6m i t 的机器人s p r i n gf l a m i n g o 及其膝关节 瓣 图卜7c o r n e l l 大学的机器人及其膝关节 2 _ 户。p 一眵，加 ， 悬。参鼍渗 岛厂k o，_l 。z硝叠 第一章绪论 1 2 2 步行机器人脚部多维力传感器 国外研究机器人用多维力传感器是从研究六维腕力传感器开始的。早在7 0 年代初，瑞士联邦工学院就 开始了这方面的研究，并设计了一种以电阻虑变片为敏感元件的六维力传感器，从理论上探索了解决这个 问题的可能性。随后，日本、美国、德国、法国、比利时和以色列等国也相继进行了探索和研究，先后设 计了适用于多种工作场合的六维力传感器。 1 9 7 3 年，美国s r i 研究所研制出了积木式传感器，如图1 - 8 所示，它是由一块块积木式弹性体组合而成， 其加：1 ：精度和装配精度对其影响很大，滞后和积累误差也较大，这些因素使它的实用性变得很小。 图1 - 8 积木式六维力传感器 美 d r a p e r 实验室研制的w a s t o n 腕力传感器，如图1 - 9 所示，它f h 3 根竖直的应变梁和上下两个轮辕构 成，3 根竖梁在轮辕上按1 2 0 。排列，其特点是横向效应好，而竖向效应差。 a ， 图1 - 9w a s t o n 腕力传感器图1 - 1 0s c h e i n m a n 腕力传感器 斯坦福大学人- t 智能研究所7 0 年代设计的，由美国l o a d 公司生产的s c h e i n n a n 腕力传感器，如图卜1 0 所示，这种传感器的弹性体采用了十字梁型结构，其特点是承受竖直方向载荷能力差。 另外日本东京大学机械系设计了光学六维力传感器；意大利人g i o v a n c ig i v a n a z z o 设计了一种电容式 六维力传感器；加拿大的a b z e r g u i 教授用8 个压电敏感元件设计了压电式六维力传感器。 国内对多维力传感器的研究是从上世纪8 0 年代初开始的。1 9 8 6 年中科院沈阳自动化研究所对我国第一 台五维力传感器进行了鉴定。以后，又有东南大学，南京理工大学，哈尔滨一i ：业大学，华中理工大学等研 制出了不同类型不同结构的多维力传感器。1 9 9 1 年，东南大学，中科院合肥智能研究所，哈尔滨工业大学 三家单位联合研制了s a f m s 型系列多维力传感器，这是一种十字梁变形筋的多维力传感器“。目前哈_ t 大 研制出了一种8 竖梁结构的脚步六维力传感器，如图1 - 1 1 所示，结合特定的贴片方案，原理上消除了耦合， 减少了后期的解耦运算，具有较好的实时性“。 l ， 移念， 功一 图卜1 1 哈工大机器人脚部传感器结构 3 是关 动， 大且 备驱 动，而是借助惯性利用自然动力使大腿带动小腿自然摆动，这种驱动方法存在的问题是惯性和自然动力不 易控制，可能无法使膝关节摆动剑理想位置。 本课题通过对以上两种步行机器人膝关节驱动方式的分析，提出了一种以电机驱动为主，以助力调节 为辅的关节驱动方式。研究设计一种带有助力调：i 了系统的机器人膝关节，助力调节系统由凸轮、弹性元件 等基本元件组成，为机器人膝关节提供辅助力矩。助力调节系统提供的辅助力矩能够代替部分膝关节电机 的驱动扭矩，调节膝关节电机的正向最大驱动扭矩和负向最大驱动扭矩，降低电机峰值驱动扭矩，从而可 以选择功率和峰值扭矩更小的电机，减轻系统的自重，节省步行的能耗。相应的技术也可以应用在假肢膝 关节设计上，可以使佩戴者驱动力矩减小，步行更加省力。 1 3 2 步行机器人脚底多维力传感器 在所有机器人传感器中，力传感器是最基本的一种，也是机器人运动过程中运用最多的一种1 1 引。将力 传感器安装在机器人关节处，可检测机器人与外部环境相互接触时所承受的力的方向和大小，为机器人的 控制提供力感信息| 4 。目前应用的入维力传感器普遍存在问题是：有的结构复杂、有的尺寸大、有的刚度 低、有的应变灵敏度低、有的解耦难等等旧1 。本课题通过研究制作步行机器人脚部的多维力传感器，检测 步行机器人在行走过程中脚部受到的力和力矩，一方面为步行机器人基于传感的动态步行提供了反馈信 号，另一方面为c o p ( c e n t e ro fp r e s s u r e ) 的实时计算提供了力和力矩信号，从而能够使上位机控制机 器人实现动态稳定步行。 1 4 本论文的主要工作 本课题研究的对象是步行机器人膝关节及脚部多维力传感器，详细研究了步行机器人膝关节助力调节 方法及步行机器人脚底多维力传感器的结构设计及其静力分析，布片、组桥、贴片与信号处理电路。全文 结构如下： 第一章：主要介绍了课题的研究背景及意义、国内外研究现状和论文的主要内容及组织安排。 第二章：对步行机器人膝关节助力调节方法的原理进行了简单的介绍。 第三章：在助力调节方法原理的基础上，对具有助力调节系统的步行机器人膝关节的机构进行了设计。 第四章：对基于凸轮的步行机器人膝关节助力调节方法进行了详细的仿真和实验研究。 第五章：对步行机器人脚部多维力传感器的结构设计及其静力分析，布片、组桥、贴片与信号处理电 路进行了研究，并对所研制的传感器系统进行了实验研究。 第六章：总结了本文所作的工作与内容，并对进一步的工作进行了展望。 4 第二章步行机器人膝关节助力调节方法原理概述 第二章步行机器人膝关节助力调节方法原理概述 2 1 步行机器人膝关节助力调节方法的原理 人类的基本步态划分为支撑相和摆动相。支撑相指脚与地面接触阶段；摆动相指脚与地面分离阶段。 如图2 - 1 所示为人类行走典型步态，摆动相从摆动腿脚尖离地开始，随着人腿的摆动，小腿后屈，当小腿 相对于大腿后屈剑最大角度后，小腿开始随着人腿向前摆动，直到摆动腿脚跟着地摆动相结束。膝关二i 了助 力调节方法的研究目标是降低摆动相膝关节的峰值驱动扭矩。 造n 吃步掣茹分弋u吃 r s u p p o rtp h a s e s - ii l l p h a s e 图2 1 人类行走典型步态图n 3 1 摆动相摆动腿模型如图2 - 2 所示。 图2 - 2 摆动相摆动腿模型图 摆动腿的动力学模型如( 2 1 ) 所示： 绚+ c ( q ，q ) + g f ( 2 1 ) 其中m 月4 蚪为惯性矩阵，c e r 4 “为离心力及科氏力作用矩阵，g e r 4 为重力作用向量， g - 岛妇，z ，y ) r 表示髋关节和膝关节运动角度及基本点d 位置。 在本文中，为简化研究，令基本点d 。固定不动，髋关节和膝关节按给定角度一时间函数运动。当步行 机器人进行周期稳定步行时，摆动相髋关节和膝关节运动角度随时间变化的函数可以假设为： 9 咖o ) - , 4 0 t “+ 4 t “- 1 + 4 t 4 2 + + 4 一l t + 4 ，0 ts r ，n 一1 ，2 ，3 ， ( 2 2 ) o ) = b o t “+ 置t ”1 + 最t 脚+ + 色一1 t + 鼠，0s fsr ，n - 1 , 2 ，3 ( 2 3 ) 其中，o ) 为髋关节运动角度，。o ) 为膝关节运动角度，t e l 0 ，t 】为运动时间，t 为摆动相周期。 通过( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可得到膝关节驱动扭矩随时间变化的函数： 一 r ( f ) - o 10 o 【 缉+ c ( 香，q ) + g 】 ( 2 4 ) s 銮塑- 大堂堡主堂篁堡塞 一一 由( 2 4 ) 、( 2 3 ) 可得剑膝关节驱动扭矩随膝关。肖运动角度变化的函数： f ( 气。) = d o 9 妇4 + q 9 b | 。4 以+ + 见1 q 妇+ 乜，岛s 。s 岛，n ，1 ，2 ，3 ，( 2 5 ) 其中，n ，晓 为膝关节运动角度范围。 在膝关节摆动过程中，存在膝关节正向最人驱动扭矩o 和负向最人驱动扭矩r 一。，则膝关节的驱 动扭矩满足r ( 气。) p 一一，f + 。】的条件。定义膝关节峰值扭矩如