基于并联机构的双足行走机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于并联机构的双足行走机器人。

背景技术：

服务机器人的巨大应用价值和市场前景已经成为包括欧美、日韩和中国在内的许多国家的共识,且已被一些国家制定专项发展规划和战略。而仿人机器人因具有能适应人类的生活环境、能直接使用人类的工具、以及因具有人的特征而拥有亲和力这三个突出优点,成为最被看好的人类未来的机器人伙伴,也使其成为服务机器人领域的研究热点之一。据不完全统计,从1973年第一台正真意义上的仿人机器人在日本诞生以来,全世界开展的仿人机器人项目已超过100个。

目前，目前全世界范围内的研究者已对机器人四肢的仿生设计开展了大量的研究,在机构设计上模仿人类的关节进行自由度配置,以模拟人类的运动和动作特征。特别是单腿通常均设计有一个自由度,来实现手和脚在三维空间中的运动。大多数现有的双足运动器件都是基于类似人体结构的腿部设计，如asimo、hubo、hrp、atalas等串联机构。

与串联机构进行比较，并联机构在动态稳定性，位置精度，负载/自重比方面具有更好的性能。如专利号为us7498758b2的美国专利，公开了一种双足行走机器人，它是基于gough-stewart并联机构的腿部设计，并且是世界上第一个动态双足步行的双足机器人；如授权公告号为cn102085145b的中国专利，公开了一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置，其四足步行时腿部机构为3-upu，而双足步行时腿机构为6-spu，实现两种腿部机构间的转换通过用转动副止动装置和合并装置来实现，其中，转动副止动装置包括：电磁铁、电磁吸盘底座、摩擦片、摩擦片载体、支撑柱、弹簧和转动副止动板，由摩擦片的贴紧与分离控制s副中转动副的锁紧与打开，摩擦片的贴紧与分离靠吸盘式电磁铁控制，合并装置包括电磁吸盘、导向装置、推拉式电磁铁和锁紧夹，通过控制要合并两腿的位置，经电磁吸盘及导向装置使足底合并，再由推拉式电磁铁带动锁紧夹动作使合并装置锁紧。

上述双足运动机器人虽都是使用的并联机构，但为满足机器人直行、转弯和越障多种功能，均采用了六自由度的结构。经过长期的使用实践表明，这些六自由度并联机构都存在着复杂的运动学正解、运动平台的耦合位置和方向，工作空间小的缺点。因此，怎么在保证机器人直行、转弯和越障多种功能的前提下，设计出少于6个自由度的基于并联机构的双足行走人是我们亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单、工作空间大、少于6个自由度的基于并联机构的双足行走机器人。

本发明提供的这种基于并联机构的双足行走机器人，包括腰部平台和两对称设置连接于腰部平台下侧的腿部机构，腿部机构包括上平台、下平台、三个通过万向节铰接于上平台和下平台间的伸缩缸，还包括安装在腰部平台上的转向机构、安装在各腿部机构底部的脚掌机构，

转向机构包括腰部驱动电机和两传动轴，腰部驱动电机安装在腰部平台上，两传动轴可转动的对称连接于腰部平台上，腰部驱动电机通过传动机构与安装在两传动轴上的电磁离合器连接，腰部驱动电机通过传动机构及吸合的电磁离合器驱动传动轴自转；

腿部机构还包括滑杆，上平台与传动轴底部连接并由传动轴带动旋转，滑杆两端均通过万向接头与上平台中心和下平台中心连接，万向接头与上平台连接段上的铰链轴线指向上平台上的一个万向节，万向接头与下平台连接段上的铰链轴线指向下平台上对应的万向节；

脚掌机构包括由上至下依次连接的六维力传感器、传感器底座、轮胎式联轴器和脚掌，六维力传感器连接在下平台底部，在传感器底座与脚掌之间均布有用于减震的橡胶柱。

所述传动机构为齿轮传动机构，该齿轮传动机构包括一个驱动齿轮、两个传动齿轮和两个从动齿轮，电磁离合器包括衔铁和固定在传动轴上的动盘，从动齿轮与衔铁一对一固定连接并与对应的传动轴同轴布置，驱动齿轮安装在腰部驱动电机的输出轴上，传动齿轮和从动齿轮均可转动的连接于腰部平台上，从动齿轮通过传动齿轮与驱动齿轮啮合连接。

在各上平台底部绕其中心环形均布有三个万向节，在各下平台顶部绕其中心环形均布有三个万向节，与上平台连接的万向节接头绕垂直于上平台的轴线旋转，与下平台连接的万向节接头绕垂直于下平台的轴线旋转。

伸缩缸的固定端通过万向节与上平台连接，伸缩缸的伸缩端通过万向节与下平台连接。

与同一伸缩缸连接的两万向节的旋转轴线两两平行。

在所述脚掌底部安装有用于减震及缓冲的橡胶垫。

本发明利用一个单自由度的腰部驱动电机驱动两个基于并联结构的三自由度腿部机构，在双腿总共只配置有4个自由度的情况下,通过腿部机构中的三个电动缸同步伸长或缩短，使整个腿部机构上下移动抬腿；通过各腿部机构中电动缸先后伸长或缩短，使两腿部机构轮流上下移动抬脚，实现交替迈腿动作；在滑杆的约束作用下，通过两个电磁离合器的先后吸合，使两个腿部机构在行走中绕腰部平台法线做转向动作；利用脚掌与下平台间的轮胎式联轴器，通过其具有的被动自由度，让脚掌适应不平的路面，从而实现机器人稳定的直行、转弯、越障和上下楼梯功能，比现有6个自由度机器人的设计结构简单，工作空间大，有效载荷与自重比高。

附图说明

图1为本发明的运动学方案。

图2为本发明的结构示意图。

图3为图2中a向腰部转向机构的放大结构示意图。

图4为图3中b-b向局部剖视结构示意图。

图5为本发明中腿部机构的结构示意图。

图6为本发明中脚掌机构的结构示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、腰部平台；

2、转向机构；21、腰部驱动电机；22、驱动齿轮；23、传动齿轮；24、从动齿轮；25、电磁离合器；26、传动轴；27、法兰盘；

3、腿部机构；31、上平台；32、下平台；33、万向节；34、伸缩缸；35、滑杆；36、万向接头；

4、脚掌机构；41、六维力传感器；42、传感器底座；43、轮胎式联轴器；44、脚掌；45、橡胶柱；46、橡胶垫。

具体实施方式

从图1和图2可以看出，本发明这种基于并联机构的双足行走机器人，包括腰部平台1、转向机构2、两个三自由度的腿部机构3和两个脚掌机构4，转向机构2安装在腰部平台1上，两腿部机构3对称设置连接于腰部平台1下侧，两个脚掌机构4一对一的连接到两个腿部机构3底部。

从图2至图4可以看出，本发明的转向机构2包括腰部驱动电机21、传动机构、两电磁离合器25和两传动轴26，传动机构为齿轮传动机构，该齿轮传动机构包括一个驱动齿轮22、两个传动齿轮23和两个从动齿轮24，电磁离合器25包括衔铁和动盘，

腰部驱动电机21通过法兰盘27固定在腰部平台1中心上方；电磁离合器25的动盘一对一的固定在传动轴26上；两传动轴26通过两个滚动轴承可转动的对称安装于腰部平台1上，在传动轴26上端通过螺钉连接有用于轴向定位的挡圈；驱动齿轮22、传动齿轮23和从动齿轮24均是圆柱直齿轮，驱动齿轮22通过联轴器安装在腰部驱动电机21的输出轴上并由腰部驱动电机21驱动旋转，从动齿轮24通过螺钉一对一的固定在电磁离合器25的衔铁上，从动齿轮24通过两个圆柱滚子轴承安装在腰部平台1上，从动齿轮24与对应的传动轴26同轴布置，传动齿轮23对称安装在驱动齿轮22与从动齿轮24之间的腰部平台1上的轴座上，传动齿轮23可绕轴座中心自由转动，驱动齿轮22与传动齿轮23、传动齿轮23与从动齿轮24两两啮合连接，从动齿轮24通过传动齿轮23与驱动齿轮21啮合连接，腰部驱动电机21通过传动机构与安装在两传动轴26上的电磁离合器25连接，腰部驱动电机21通过传动机构及吸合的电磁离合器25驱动传动轴26自转。

当腰部驱动电机21转动时，两个传动齿轮23接收来自驱动齿轮22的转矩并将其传递给从动齿轮24，并带动左右两个电磁离合器25的衔铁一起转动，两个从动齿轮24转速一致，转动方向相同。电磁离合器25通电，使电磁离合器25的衔铁和动盘吸合，与电磁离合器25动盘连接的传动轴26跟随从动齿轮23一起转动，并且传递转矩到腿部机构3的上平台31上，实来腿部机构转动，通过控制两个电磁离合器25的通断电顺序可以实现两个腿部机构3在行走中的转向动作。

从图2和图5可以看出，本发明的腿部机构3包括上平台31、下平台32、六个万向节33、三个伸缩缸34、滑杆35和两万向接头36，

上平台31通过螺钉安装在传动轴26底部并由传动轴26带动旋转，

在上平台31底部绕其中心环形均布有三个万向节33，该三个万向节33的上接头的旋转轴线垂直于上平台31，该三个万向节33的下接头的旋转轴线与上接头的旋转轴线垂直；

在下平台32顶部绕其中心环形均布有三个万向节33，该三个万向节33的下接头的旋转轴线垂直于下平台32，该三个万向节33的上接头的旋转轴线与下接头的旋转轴线垂直；

伸缩缸34的固定端通过万向节33与上平台31铰接连接，伸缩缸34的伸缩端通过万向节33与下平台32铰接连接，与同一伸缩缸34连接的两万向节33的旋转轴线两两平行布置；

滑杆35两端均通过万向接头36与上平台31中心和下平台32中心连接，滑杆35约束腿部机构3绕腰部平台1的法线做旋转运动；

万向接头36与上平台31连接段上的铰链轴线指向上平台31上的一个万向节33，万向接头36与下平台32连接段上的铰链轴线指向下平台32上对应的万向节33。

从图2和图6可以看出，本发明的脚掌机构4包括六维力传感器41、传感器底座42、轮胎式联轴器43、脚掌44、若干橡胶柱45和橡胶垫46，六维力传感器41一对一的连接在下平台32底部，传感器底座42通过螺钉安装在六维力传感器41底部，轮胎式联轴器43通过螺钉安装在传感器底座42底部，脚掌44通过螺钉安装在轮胎式联轴器43底部，橡胶柱45均匀安装在传感器底座42与脚掌44之间，橡胶垫46安装在脚掌44底部用于减震及缓冲。

在本发明中，伸缩缸采用伺服电动缸。