CN102085145B - 一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置，属于机器人技术领域。对机器人腿机构采用模块化结构设计，各腿结构相同。四足步行时腿机构为3-UPU，两足步行时腿机构为3-SPU，用转动副止动装置实现两种腿机构间的转换。通过合并装置实现四足与两足间的转换。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。

Description

一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置

技术领域

本发明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的机械结构设计，该机器人主要用于助老助残步行机器人，属于机器人技术领域。 

背景技术

随着科学技术的发展，机器人的应用范围要求越来越广，而每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围，解决这一问题的方法就是对机器人进行可重构装置设计，使机器人能够根据需要被装配成不同构形的机器人，以完成多种环境下的工作任务，扩大机器人的使用范围。因此，可重构机器人的研究越来越广泛地受到重视。对于本发明中的一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置，根据可重构理论对机器人腿机构进行了可重构设计，从而扩大了该机器人的使用范围。 

本发明的可重构装置是用于助老助残并联腿步行机器人。对于助老助残步行机器人，现在研究较多的是两足步行机器人。但两足与四足相比，稳定性差，对老年人及下肢残疾人来讲，会产生恐惧心理，所以助老助残步行机器人首选应该是多足。然而，多足助老助残步行机器人的一个缺点是在上下楼梯时有较大的倾斜，会使乘坐者失去安全感。而本发明利用四足和两足的适用场合的不同，汲取了各自的优点，发明了可重构装置，通过快速安全地变换自身结构，可实现两足与四足间的转换，以适应机器人的工作环境或者工作任务的变化，从而很好地实现了步行目的。本发明将为老年人及下肢残疾人提供一种安心的、移动范围更大的乘坐工具，具有重要的社会意义。 

发明内容

本发明为一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置设计，通过可 重构理论实现了两足与四足间的转换，从而汲取了四足步行机器人和两足步行机器人在实际应用中的优点，使机器人性能得到了进一步的提高。 

基本设计思想如下所述。首先对机器人腿机构进行模块化结构设计，机器人四个腿机构结构完全相同，每一个腿为一个模块，3-SPU并联机构为机器人的基本腿机构。腿机构的组成为：一个三自由度铰链与腿机构上平台连接，中间一个直线驱动装置，一个虎克铰链与腿机构下平台连接。当四足步行时，将与上平台相铰接的竖直方向的转动副锁住，则此时并联腿机构为3-UPU，机构自由度为3，动平台可以实现三维移动。若将四足步行时机器人左右两边的腿机构进行前后合并，并且取消与上平台相连接的三自由度铰链的约束，此时腿机构变成6-SPU并联机构，机器人变成2-6SPU并联腿机器人，从而实现两足行走。 

一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置包括：转动副止动装置、合并装置。转动副止动装置主要包括：止动用吸盘式电磁铁、止动板电磁吸盘底座、上平台电磁吸盘底座、止动板摩擦片、上平台摩擦片、止动板摩擦片载体、上平台摩擦片载体、支撑柱、弹簧和转动副止动板。该装置的设计原理是通过转动副止动装置中所有止动板摩擦片和上平台摩擦片的贴紧和分离来控制上平台与万向节连接件的锁紧和打开，所有止动板摩擦片和上平台摩擦片间的贴紧与分离靠止动用吸盘式电磁铁来控制。合并装置包括合并用吸盘式电磁铁、前腿导向装置、后腿导向装置、推拉式电磁铁以及锁紧夹。该装置的设计原理是通过控制要合并的两腿的位置，经过合并用吸盘式电磁铁的吸合及导向装置的导向作用，使得足底能够得以合并，最后通过推拉式电磁铁带动锁紧夹动作来实现对前腿合并装置和后腿合并装置的锁紧。 

本发明采用可重构设计扩大了机器人的使用范围，使机器人具有更好的柔性。通过转动副止动装置实现了3-UPU并联机构与6-SPU并联机构间的转换，充分利用了三维移动3-UPU并联机构在三维空间移动的灵活性以及6-SPU并联机构在两足步行过程中可满足对自由度数和稳定性要求的特点；通过一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置实现了两足步行机器人与四足步行机 人间的转换，汲取了四足步行机器人有较好的静态和动态稳定性，以及两足步行机器人可以弥补四足步行机器人在上下楼梯或台阶时产生的身体倾斜等优点，使机器人综合性能得到进一步提高，在助老助残机步行器人方面有很好的应用前景。 

附图说明

图1是四足行走时，四足/两足并联腿步行机器人示意图； 

图2是两足行走时，四足/两足并联腿步行机器人示意图； 

图3是转动副止动装置(a)示意图； 

图4转动副止动装置(b)与机器人腿机构示意图； 

图5是前腿合并装置(a)示意图； 

图6是后腿合并装置(b)示意图； 

图7合并后合并装置示意图。 

四足/两足并联腿步行机器人示意图：1-腿机构1，2-腿机构2； 

转动副止动装置(a)示意图：3-止动板摩擦片，4-止动板摩擦片载体，5-转动副止动板，6-止动用吸盘式电磁铁，7-止动板电磁吸盘底座； 

转动副止动装置(b)与机器人腿机构示意图：8-上平台摩擦片，9-上平台摩擦片载体，10-支撑柱，11-上平台电磁吸盘底座，12-弹簧；13-上平台，14-上平台与万向节连接件，15-腿机构1的下平台； 

前腿合并装置(a)示意图：16-锁紧夹，17-推杆，18-推拉式电磁铁，19-合并用吸盘式电磁铁，20-前腿导向装置，21-导向板，22-前腿固定用板，23-垫板； 

后腿合并装置(b)示意图：24-腿机构2的下平台，25-后腿固定用板，26-后腿导向装置。 

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方案，并结合附图加以说明。 

本发明为一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置的机械结构设计，即实现四足机器人与两足机器人之间相互转换方案的设计。可重构装置包括转动副止动装置及合并装置。机器人重构的具体实现方案是：在四足步行时(如图1所示)，合并装置分开，转动副止动装置将3-SPU中与上平台连接的转动副锁死，每个腿机构为3-UPU机构。两足步行时(如图2所示)，转动副止动装置将3-SPU中被锁死的转动副打开，形成一个六自由度的6-SPU腿机构，再将四足步行机器人左右两边前后腿的足部平台通过合并装置连接在一起。下面以腿机构1和腿机构2的合并过程来说明机器人可重构的实现。 

如图3、图4所示，本发明转动副止动装置主要包括：止动用吸盘式电磁铁、止动板电磁吸盘底座、上平台电磁吸盘底座、止动板摩擦片、上平台摩擦片、止动板摩擦片载体、上平台摩擦片载体、支撑柱、弹簧和转动副止动板。 

转动副止动装置的结构布置是：转动副止动板5为正三角形，周边对称布置的三个止动板摩擦片载体4固定在转动副止动板5上，止动板摩擦片3固定在止动板摩擦片载体4上。在板的中心安装止动板电磁吸盘底座7，里面装有止动用吸盘式电磁铁6；上平台13也为正三角形，与转动副止动板5相对应的位置上布置着三个上平台摩擦片8，上平台摩擦片8固定在上平台摩擦片载体9上。上平台摩擦片载体9和上平台与万向节连接件14铰接在一起。上平台电磁吸盘底座11固定在上平台13中心。在上平台电磁吸盘底座11周边，对称布置着三个有螺纹的支撑柱10，支撑柱10上方固定在座椅上，支撑柱10下方固定在上平台13，其上装有弹簧12，转动副止动板5位于座椅与上平台13中间，由支撑柱10上的弹簧12撑起。 

转动副止动装置的动作过程：四足行走时，止动用吸盘式电磁铁6通电，止动板电磁吸盘底座7和上平台电磁吸盘底座11扣紧，固定在转动副止动板5上的止动板摩擦片3和上平台13上的上平台摩擦片8贴紧，则与上平台摩擦片载体9铰接的上平台与万向节连接件14失去了沿与上平台13垂直方向的转动。两足步行时，止动用吸盘式电磁铁6的断电，止动板电磁吸盘底座7和上平台电磁吸盘底座11松开，止动板摩擦片和上平台摩擦片分离，与上平台摩擦片载体9铰接的上平台与万向节连接件14可以沿与上平台13垂直的方向转动。 

如图5、图6所示，合并装置主要包括：合并用吸盘式电磁铁、前腿导向装置、后腿导向装置、推拉式电磁铁、锁紧夹。合并装置分为前腿合并装置(a)和后腿合并装置(b)两个部分，前腿合并装置(a)安装在前腿1的下平台15上，后腿合并装置(b)安装在后腿2的下平台24上。前腿合并装置(a)的结构布置是：前腿导向装置20通过前腿固定用板22固定在前腿1的下平台15上，其内部安装了合并用吸盘式电磁铁19；推拉式电磁铁18通过垫板23安装在下平台15上，推拉式电磁铁18的推杆17带动其前端安装的锁紧夹16伸出或缩回，固定在前腿导向装置20上的导向板21对锁紧夹16的动作起导向作用。后腿合并装置(b)的结构布置是：后腿导向装置26通过后腿固定用板25固定在后腿2的下平台24上。 

合并装置的动作过程：当两足行走时，通过操作系统使前腿导向装置20与后腿导向装置26合并，合并用吸盘式电磁铁19通电，使前腿导向装置20利后腿导向装置26贴紧，这时推拉式电磁铁18通电，其推杆17伸出，从而带动锁紧夹16伸出，将合并装置锁紧，实现了机器人两足合并，如图7所示。当四足行走时，推拉式电磁铁18断电，其推杆17缩回，从而带动锁紧夹16缩回，这时合并用吸盘式电磁铁19断电，合并装置打开，前腿合并装置(a)与后腿合并装置(b)分离，通过操作系统使腿机构1和腿机构2分开，最终实现了两足到四足的转变。 

Claims (3)

1.一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置，其特征在于：所述可重构装置包括转动副止动装置和合并装置；所述的四足/两足并联腿步行机器人两种腿机构3-UPU和6-SPU之间的相互转换是通过转动副止动装置中所有止动板摩擦片和上平台摩擦片的贴紧与分离控制上平台与万向节连接件的锁紧和打开来实现，所有止动板摩擦片和上平台摩擦片的贴紧与分离靠转动副止动装置中的止动用吸盘式电磁铁来控制；所述的四足/两足并联腿步行机器人左右两侧前后腿之间的合并是通过合并装置来实现，而合并装置由前腿合并装置和后腿合并装置构成，前腿合并装置安装在前腿的下平台上，后腿合并装置安装在后腿的下平台上；通过控制要合并两腿的位置，经合并用吸盘式电磁铁、前腿导向装置以及后腿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前腿合并装置和后腿合并装置锁紧；其中，3-UPU的含义是：3为腿机构包含3个分支，每个分支的结构为UPU，U为虎克铰，P为直线驱动装置；6-SPU的含义是：6为腿机构包含6个分支，每个分支的结构为SPU，S为球副即3自由度铰链，P为直线驱动装置，U为虎克铰。

2.根据权利要求1所述的一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置，其特征在于：所述的转动副止动装置主要包括止动用吸盘式电磁铁、止动板电磁吸盘底座、上平台电磁吸盘底座、止动板摩擦片、上平台摩擦片、止动板摩擦片载体、上平台摩擦片载体、支撑柱、弹簧和转动副止动板；其结构布置是：转动副止动板(5)为正三角形，周边对称布置的三个止动板摩擦片载体(4)固定在转动副止动板(5)上，止动板摩擦片(3)固定在止动板摩擦片载体(4)上，在转动副止动板(5)的中心安装止动板电磁吸盘底座(7)，里面装有止动用吸盘式电磁铁(6)，上平台(13)也为正三角形，与转动副止动板(5)相对应的位置上布置着三个上平台摩擦片(8)，上平台摩擦片(8)固定在上平台摩擦片载体(9)上，上平台摩擦片载体(9)和上平台与万向节连接件(14)铰接在一起，上平台电磁吸盘底座(11)固定在上平台(13)中心，在上平台电磁吸盘底座(11)周边，对称布置着三个有螺纹的支撑柱(10)，支撑柱(10)上方固定在座椅上，支撑柱(10)下方固定在上平台(13)上，其上装有弹簧(12)，转动副止动板(5)位于座椅与上平台(13)中间，由支撑柱(10)上的弹簧(12)撑起。

3.根据权利要求1所述的一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置，其特征在于：所述的合并装置主要包括前腿合并装置和后腿合并装置；其前腿合并装置(a)的结构布置是：前腿导向装置(20)通过前腿固定用板(22)固定在前腿(1)的下平台(15)上，其内部安装了合并用吸盘式电磁铁(19)，推拉式电磁铁(18)通过垫板(23)安装在前腿(1)的下平台(15)上，推拉式电磁铁(18)的推杆(17)带动其前端安装的锁紧夹(16)伸出或缩回，固定在前腿导向装置(20)上的导向板(21)对锁紧夹(16)的动作起导向作用；后腿合并装置(b)的结构布置是：后腿导向装置(26)通过后腿固定用板(25)固定在后腿(2)的下平台(24)上。

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