一种基于惯性测量单元组的双足运动数据采集系统

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种基于惯性测量单元组的双足运动数据采集系统。

背景技术

随着机器人行业的发展，机器人按照性能、运动方式、应用场景等分化越来越明显。足式机器人以运动性能强，环境适应性强而成为近几年研究的热门。在双足机器人运动分析过程中，通常的方法是采用电机运动解算的方式来得出运动数据，涉及到单关节电机运动测量、运动方向限位和多电机数据整合等，计算量随着自由度增多而增加。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于惯性测量单元组的双足运动数据采集系统，该系统能够简化运动数据获取过程，满足快速搭建运动分析系统的要求。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于惯性测量单元组的双足运动数据采集系统，该系统包括：

惯性测量单元组，其包括五个惯性测量单元，分别安装于双足机器人的重心、双足机器人的左腿膝关节、右腿膝关节、左腿踝关节、右腿踝关节；五个惯性测量单元均与处理器单元电连接；

处理器单元，其用于对接收到的测量数据进行处理，并完成数据重构，将五个所述惯性测量单元得到的多组数据转化为双足运动数据；

数据交互单元，用于与处理器单元电连接，接收所述处理器单元传输的运动模型数据，对数据进行格式封装处理并将数据上传，同时还接收下行控制数据，解压数据并传输给所述处理器单元；

电源模块，为整个系统供电，内部包括多路电平转化电路，为所述惯性测量单元组、所述处理器单元、所述数据交互单元提供所需工作电压。

进一步地，所述处理器单元包括惯性测量单元驱动模块、数据坐标修正模块、数据滤波处理模块、数据模型重构模块和运动数据格式转换模块；

所述惯性测量单元驱动模块用于控制五个惯性测量单元，完成其初始化操作；

所述数据坐标修正模块用于接收五个惯性测量单元上行的数据，对数据进行坐标系矫正；

所述数据滤波处理模块用于对数据坐标修正模块矫正后的数据进行预处理；

所述数据模型重构模块用于对预处理后的数据进行重构；

所述运动数据格式转换模块用于将重构后的数据转化为数据传输用格式。

进一步地，五个所述惯性测量单元分别安装在双足机器人的重心位置、双足右腿膝关节转轴轴线上、双足左腿膝关节转轴轴线上、右足关节转轴轴线上、左足关节转轴轴线上。

进一步地，所述数据交互单元包括系统内部和上位主机通信接口。

本发明的有益效果如下：

本发明的基于惯性测量单元组的双足运动数据采集系统简化了双足运动分析系统搭建过程，通过惯性测量单元组的数据直接转化为双足运动数据，减少因电机运动解算所带来的数据处理限制。同时该系统还具有可移植性，可降低调试成本。

附图说明

图1为本发明的双足运动数据采集系统的示意图；

图2为惯性测量单元组安装位置示意图；

图3为运动分析模型预设坐标系示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和2所示，本发明的基于惯性测量单元组的双足运动数据采集系统，包括惯性测量单元组、处理器单元、数据交互单元和电源模块；

惯性测量单元组包括惯性测量单元1～5，五个惯性测量单元均为独立模块，均与处理器单元电连接。惯性测量单元内部包括惯性测量单元电路和对外电气连接接口。对外电气连接接口包括电源接口和通信接口，单元内部工作所需电源通过电源接口传输，下行控制指令和上行测量数据通过通信接口传输，通信接口可采用I2C、SPI接等接口。如图2所述，惯性测量单元1安装于运动系统重心位置，惯性测量单元2安装于双足右腿膝关节转轴轴线上，惯性测量单元3安装于双足左腿膝关节转轴轴线上，惯性测量单元4安装于右足关节转轴轴线上，惯性测量单元5安装于左足关节转轴轴线上。对于安装位置要明确，在结构系统中需要标定如上要求位置，可通过增加模块安装位置坐标系指示和标号指示，保证在实际安装过程中的正确性。惯性测量单元采用螺钉固定的方式固定于安装位置上。

处理器单元包括惯性测量单元驱动模块、数据坐标修正模块、数据滤波处理模块、数据模型重构模块和运动模型格式转换模块；

所述惯性测量单元驱动模块用于控制五个惯性测量单元，完成其初始化操作；

所述数据坐标修正模块用于接收五个惯性测量单元上行的数据，对数据进行坐标系矫正；

所述数据滤波处理模块用于对数据坐标修正模块矫正后的数据进行预处理；

所述数据模型重构模块用于对预处理后的数据进行重构；

所述运动数据格式转换模块用于将重构后的数据转化为数据传输用格式。

处理器单元将数据打包上行到数据交换单元，完成与上位机的数据交互。

数据交互单元，包括系统内部和上位主机通信接口，用于与处理器电连接，接收所述处理器单元传输的运动模型数据，对数据进行格式封装处理并将数据上传，同时还接收下行控制数据，解压数据并传输给所述处理器单元。作为其中一种实施方式，数据交互单元采用USB或PHY端口。

电源模块，为整个系统供电，内部包括多路电平转化电路，为所述惯性测量单元组、所述处理器单元、所述数据交互单元提供所需工作电压。如产生的供电电平为5V、3.3V和1.2V，对应为惯性测量单元组、处理器单元和数据交互单元提供电源。

本发明的双足运动数据采集系统进行数据采集的过程如下：

(1)首先确定五个惯性测量单元的安装位置，且保证每个惯性测量单元的编号和系统中对应的位置点对应，安装固定惯性测量单元；

(2)为各个模块进行电气连接，并确认连线正确，确保提供电源能够满足模块的电平需求，通信端口数据交互正常；

(3)为系统供电，逐个移动惯性测量单元，通过处理器单元调试端口查看惯性测量单元坐标系是否满足预设坐标系，如图3所示，是否需要进行坐标系转换工作，对确认完成的坐标系信息进行保存；

(4)完成如上操作后，处理器单元处理惯性测量单元的数据，通过数据交互单元端口即可得到运动数据，在不变动安装位置的前提下，此系统可进行断电重启操作且数据不会丢失。

相对于传统的双足机器人的双足运动数据采集系统，即，仅在重心位置设置一个惯性测量单元，并通过电机的运动测量获得数组运动数据，本发明的数据采集系统极大地减少了运动数据采集量，采集和处理数据的效率都有极大的提升。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。