基于并联机构的双足行走机器人.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910429789.5 (22)申请日 2019.05.22 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南 路932号 (72)发明人 王明峰周力波邓华 (74)专利代理机构 长沙永星专利商标事务所 (普通合伙) 43001 代理人 柳莺 (51)Int.Cl. B62D 57/032(2006.01) (54)发明名称 基于并联机构的双足行走机器人 (57)摘要 本发明公开了一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 。

2、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。 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,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。 权利要求书1页 说明书4页 附图6页 CN 110104091 A 2019.08.09 CN 110104091 A 1.一种基于并联机构的双足行走机器人， 包括。

3、腰部平台(1)和两对称设置连接于腰部 平台下侧的腿部机构(3)， 腿部机构包括上平台(31)、 下平台(32)、 三个通过万向节(33)铰 接于上平台和下平台间的伸缩缸(34)， 其特征在于： 还包括安装在腰部平台上的转向机构 (2)、 安装在各腿部机构底部的脚掌机构(4)， 转向机构包括腰部驱动电机(21)和两传动轴(26)， 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(25)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(35)， 上平台与传动轴底部连接并由传动轴。

4、带动旋转， 滑杆两端 均通过万向接头(36)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(41)、 传感器底座(42)、 轮胎式联轴 器(43)和脚掌(44)， 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(45)。 2.根据权利要求1所述的基于并联机构的双足行走机器人， 其特征在于： 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(22)、 两个传动齿轮(23)和两个从动 齿轮(24)，。

5、 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。 3.根据权利要求1所述的基于并联机构的双足行走机器人， 其特征在于： 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。 4.根据权利要求3所述的基于并联机构的双足行走机器人， 其特征在于： 伸缩缸的固定 端通过万。

6、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。 5.根据权利要求3所述的基于并联机构的双足行走机器人， 其特征在于： 与同一伸缩缸 连接的两万向节的旋转轴线两两平行。 6.根据权利要求1所述的基于并联机构的双足行走机器人， 其特征在于： 在所述脚掌底 部安装有用于减震及缓冲的橡胶垫(46)。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110104091 A 2 基于并联机构的双足行走机器人 技术领域 0001 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 0002 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。

7、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。 0003 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。

8、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。 0004 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。

9、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。 0005 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。

10、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。 发明内容 0006 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。 0007 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 说。

11、明书 1/4 页 3 CN 110104091 A 3 的脚掌机构， 0008 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； 0009 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； 0010 脚掌机构包括由。

12、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。 0011 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。 0012 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。

13、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。 0013 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。 0014 与同一伸缩缸连接的两万向节的旋转轴线两两平行。 0015 在所述脚掌底部安装有用于减震及缓冲的橡胶垫。 0016 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。

14、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 0017 图1为本发明的运动学方案。 0018 图2为本发明的结构示意图。 0019 图3为图2中A向腰部转向机构的放大结构示意图。 0020 图4为图3中B-B向局部剖视结构示意图。 0021 图5为本发明中腿部机构的结构示意图。 0022 图6为。

15、本发明中脚掌机构的结构示意图。 说明书 2/4 页 4 CN 110104091 A 4 0023 图中示出的标记及所对应的构件名称为： 0024 1、 腰部平台； 0025 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； 0026 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； 0027 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。

16、胶柱； 46、 橡胶垫。 具体实施方式 0028 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。 0029 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， 0030 腰部驱。

17、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。

18、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。 0031 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。

19、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。 0032 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， 0033 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， 0034 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 说明书。

20、 3/4 页 5 CN 110104091 A 5 直； 0035 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； 0036 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； 0037 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； 0038 万向接头36与上平台31连接段。

21、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。 0039 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。 0040 在本发明中， 伸缩缸采用伺服电动缸。 说明书 4/4 页 6 CN 110104091 A 6 图1 说明书附图 1/6 页 7 CN 110104091 A 7 图2 说明书附图 2/6 页 8 CN 110104091 A 8 图3 说明书附图 3/6 页 9 CN 110104091 A 9 图4 说明书附图 4/6 页 10 CN 110104091 A 10 图5 说明书附图 5/6 页 11 CN 110104091 A 11 图6 说明书附图 6/6 页 12 CN 110104091 A 12 。