CN103345858B - 步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置 - Google Patents

Abstract

步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，涉及机器人训练平台领域，解决了现有纯并联平台和纯串联平台以及先串联后并联机构在强度、运动空间、运动学求解等方面综合优势差的问题。由四根并联支撑脚组成的并联机构，并联滑块通过两端带有球铰的连杆与下平台相连，上下层间采用两根串联滑轨组成的串联机构。X向移动导轨通过球铰与固连在地面上的Z向移动导轨相连，并联移动导轨的四个电机运动可实现下平台沿Z向的平动和绕X、Y、Z向的转动；X、Y向移动导轨的电机动作则可实现上平台在随下平台做随动动作的同时，有X向和Y向的相对平动，则最终实现上平台沿X、Y、Z三个方向的平动和绕X、Y、Z三个方向的转动。用于机器人的稳定性训练。

Description

步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置

技术领域

本发明属于机器人训练平台领域，具体涉及一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置。

背景技术

步行机器人在工业、军事、生活中的应用越发突出，因其在工作中更具灵活性，尤其在不稳定和障碍物多的环境中，不仅能代替人类完成程序化的工作任务，提高工作效率，而且在人类难于工作的环境中，日渐发挥重要的作用。而机器人对环境的适应能力决定了它们能否达到适应人们的需求标准，其适应能力的一方面便是机器人的步行稳定性，为了使机器人在投入使用之前能达到稳定性要求，需要在实验室中对机器人进行训练，使机器人具备能够在多种不稳定的环境中保持稳定的能力。所以，需要设计一种新型机器人稳定性训练平台，该训练平台可以模拟六自由度的运动空间。

而现有的实验训练平台如飞行模拟器、振动实验台，多属于单纯的并联机构或单纯的串联机构，单纯的串联平台具有工作空间大、操作灵活、正运动学分析和动力学分析相对容易的优点，但也具有机构刚度差、负载能力低，运动学逆解难于求解的缺点；而单纯的并联平台相对于串联平台，具有小的惯性、高的刚度、高速度的操作、改善的重量/载荷比和高的定位精度、逆运动学分析相对容易的优点，但也具有变小的工作空间、相对困难的机构设计和复杂的正运动学与动力学分析等不足之处，其中典型的并联平台如STEWART平台，运动空间小、机构高度高，不能满足步行机器人较大运动范围的需求，而且不便于机器人训练的安全和观察。

为此，一种全新的机构有待研究，该机构能结合串联平台和并联平台的优点，不仅能克服原有并联机构工作空间小的缺点，获得了较大的工作空间，而且能克服串联机构刚度小、承载能力不足等缺点。而串联与并联的混合机构可以有效的解决这些问题，但现有的串并联机构都存在一些问题，例如高度高、机构刚度差、负载能力低等，所以，一种结构合理、高度低、机构刚度好、负载能力强、工作空间大、操作灵活的串并联运动平台需要进一步研究。

发明内容

本发明为了解决现有纯并联平台和纯串联平台以及先串联后并联机构在强度、运动空间、运动学求解等方面综合优势差的问题，进而提供一种结构合理、高度低、机构刚度好、负载能力大、工作空间大、操作灵活的运动平台——步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，以对步行机器人的稳定性进行训练。

本发明为解决上述问题采用的技术方案是：

一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，所述装置包括上平板、下平板、四个并联移动导轨(并联支撑脚)、中心球铰导轨单元、X向移动导轨和Y向移动导轨，四个并联移动导轨分立并固定在地板的四角上；上平板和下平板平行设置并位于地板之上，且二者之间可相对移动；下平板的四角与四个并联移动导轨一一对应连接；在下平板的中央设有大于X向移动导轨长度和Y向移动导轨长度的矩形通孔，将X向移动导轨和Y向移动导轨放置其中(以减小在Z向所占的空间，降低平台的高度)，且能使Y向移动导轨在X向自由移动，下平板与X向移动导轨固联，Y向移动导轨作为X向移动导轨的导块，上平板作为Y向移动导轨的导块，形成上层的串联机构；四个并联移动导轨作为所述装置的基座固连在地板上，每个并联移动导轨上的可上下移动的导块作为执行部件通过一个球铰连杆与对应的一个球铰窝块相连；四个球铰窝块一一对应地与下平板的四角固接；每个球铰窝块(球铰连接块)与地板间设有一个万向伸缩杆；下平板和地板之间设有中心球铰导轨单元；四个并联移动导轨的四个伺服电机驱动四个导块的运动，进而实现下平板绕X、Y、Z向的转动和沿Z向的移动；X向移动导轨和Y向移动导轨的伺服电机的动作，则实现上平板在随下平板做随动动作的同时，有X向和Y向的相对平动；最终实现上平台沿X、Y、Z三个方向的平动和绕X、Y、Z三个方向的转动。

本发明采用双层结构，下层采由四根并联支撑脚组成的并联机构，该支撑脚包括伺服电机、连轴器、支撑脚架、导块、一根滚珠丝杠和两根光杠，导块的末端与球铰连杆连接，球铰连杆的末端与下平台连接，四个并联电机的运动，则可实现下平板绕X、Y、Z向的转动和沿Z向的移动。在下平台的中部加工矩形通孔，内嵌X、Y两个方向的移动导轨，下平台与X向导轨固联，Y向导轨作为X向导轨的导块，上平台作为Y向导轨的导块，在X、Y两向导轨动作时，上平台即可实现X、Y两个方向的运动，最终实现上平台的绕X、Y、Z三个方向的移动和绕X、Y、Z三个方向的转动。将X向移动导轨下端面加工球铰窝，与固联在地面的中心球铰导轨相连，中心球铰导块只能沿Z方向移动，因此，在X、Y两向导轨不动的情况下，X向移动导轨只能随并联支撑脚的导块运动，沿Z向移动和绕X、Y、Z向转动。为了使上下平台间保持平行移动，上下平台间采用多钢球的滚动支撑模式。并且为了减小四个并联导轨处电机所受扭矩，在下平台与地面间安装万向伸缩杆，内置压缩弹簧，用以辅助支撑下平台。上平台上带有陀螺仪，用以测量上平台的角位移、角速度、角加速度等参数，在上平台侧面安装的激光位移传感器，在下平台的侧面安装激光反射板，用以测量上平台相对下平台的位移、速度和加速度，将这些信号反馈给机器人的平横修正运动生成器，机器人对步行动作进行调整，达到稳定性训练的目的。

本发明的有益效果是：本发明能够按照设定的程序完成平台沿X、Y、Z三个方向的平动和绕X、Y、Z三个方向的转动，进而对机器人的稳定性进行训练。本发明综合了在支撑强度、运动空间、运动学求解各方面的优势，得到结构合理、高度低、机构刚度好、负载能力大，工作空间大，操作灵活的运动平台，能够提供模拟六自由度的运动空间，机器人站在上平台上进行稳定性训练，陀螺仪和激光位移传感器将上平台位姿参数反馈给机器人，使步行机器人不断调整自身姿态，以适应外部环境变化，达到稳定性训练的目的，最终使机器人具备在脱离训练平台的情况下，也能适应不稳定环境的自稳定能力。

本发明实现了平台的六自由度运动并具有支撑强度高、运动空间大、高度低、方便人操作和观察，有效解决了纯并联平台和纯串联平台以及先串联后并联机构不能在强度、运动空间、运动学求解各方面综合优势的缺陷。

本发明能够提供模拟六自由度的运动空间，机器人站在上平台上进行稳定性训练，上平台上的蛇螺仪和激光位移传感器将上平台的位姿信号反馈给机器人，使步行机器人不断调整自身姿态，以适应外部环境变化，达到稳定性训练的目的，最终使机器人具备在脱离训练平台的情况下，也能适应不稳定环境的自稳定能力。

附图说明

图1是本发明机构原理图(图中，标号1、2、3、4表示并联移动副，与四个并联移动导轨20，23，25，29相对应；5、6、7、8、9、10、11、12、13为球面副，5、6、7、8、9与四个球铰连杆35的上端对应，9、10、11、12与四个球铰连杆35的下端对应；14、15、16为移动副，14与中心球铰导轨单元26对应，15与X向移动导轨对应，16与Y向移动导轨对应)，图2是本发明控制系统框图，图3是本发明整体结构三维图(24表示台阶)，图4是本发明并联支撑脚三维图，图5是下平板与上平板滑动装配体三维图(为便于表达，去掉上平板)，图6是中心球铰导轨单元26(中心脚移动幅)的三维图，图7为万向多节伸缩杆三维图，图8是图7的机构简图，图9是上平板的立体图(仰视方向)，图10是激光位移传感器与激光反射板的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1至9所示，本实施方式所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置包括上平板22、下平板27、四个并联移动导轨(并联支撑脚)20，23，25，29、中心球铰导轨单元26、X向移动导轨40和Y向移动导轨41，四个并联移动导轨20，23，25，29分立并固定在地板28的四角上；上平板22和下平板27平行设置并位于地板28之上，且二者之间可相对移动；下平板27的四角与四个并联移动导轨20，23，25，29一一对应连接；在下平板27的中央设有大于X向移动导轨40长度和Y向移动导轨41长度的矩形通孔，将X向移动导轨40和Y向移动导轨41放置其中(以减小在Z向所占的空间，降低平台的高度)，且能使Y向移动导轨41在X向自由移动，下平板27与X向移动导轨40固联，Y向移动导轨41作为X向移动导轨40的导块，上平板22作为Y向移动导轨41的导块，形成上层的串联机构；四个并联移动导轨20，23，25，29作为所述装置的基座固连在地板28(通过支架37)上，每个并联移动导轨上的可上下移动的导块34作为执行部件通过一个球铰连杆35与对应的一个球铰窝块38相连；四个球铰窝块38一一对应地与下平板27的四角固接；每个球铰窝块38(球铰连接块)与地板28间设有一个万向伸缩杆39；下平板27和地板28之间设有中心球铰导轨单元26；四个并联移动导轨20，23，25，29的四个伺服电机30驱动四个导块34的运动，进而实现下平板27绕X、Y、Z向的转动和沿Z向的移动；X向移动导轨40和Y向移动导轨41的伺服电机30的动作，则实现上平板22在随下平板27做随动动作的同时，有X向和Y向的相对平动；最终实现上平台22沿X、Y、Z三个方向的平动和绕X、Y、Z三个方向的转动。

具体实施方式二：如图3所示，本实施方式所述四根球铰连杆35下端的四个球铰中心组成矩形的长、宽分别小于四根球铰连杆35上端的四个球铰中心组成矩形的长、宽。为了避免出现平行四连杆所造成的不稳定结构，四根球铰连杆35彼此构成梯形形状，即图1中，5、6、7、8四个球铰中心组成矩形的长宽大于9、10、11、12四个球铰中心组成矩形的长宽。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图3、图5和图9所示，本实施方式所述上平板22与下平板27间采用串联机构形式，为使在平行移动过程中上平板22有足够的支撑强度且不发生较大变形，在下平板27的上平面加工与X向移动导轨40方向相同的多个矩形凹槽，在每个凹槽内对应放入带有圆形凹窝的矩形长条块44，在上平板22的下平面加工与Y向移动导轨40方向相同的多个矩形凹槽并在每个凹槽内对应放入带有圆形凹窝的矩形长条块；钢球42通过直线型保持架43安装在对应的矩形凹槽内；下平板27上的矩形凹槽和上平板22上的矩形凹槽相互纵横交织配合，上平板22与下平板27通过钢球42进行滚动支撑。为增加钢球42与上下矩形长条块44的耐磨性，矩形长条块44材料为钢，为不致钢球42滑落，采用直线型保持架43，该保持架43可以在凹槽内沿X向移动。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二相同。

具体实施方式四：如图3、图5和图6所示，本实施方式中，X向移动导轨(40)下端面加工球铰窝，与固联在地面的中心球铰导轨单元(26)相连，该中心球铰导轨单元(26)由球铰法兰(45)、导轨(47)和中心球铰导块(46)组成，球铰法兰(45)固定于X向移动导轨(40)上，球铰法兰(45)通过中心球铰导块(46)与导轨(47)连接，中心球铰导块(46)只能沿导轨(47)在Z方向移动，导轨(47)下端固连在地板(28)上；X向移动导轨(40)与并联移动导轨(20，23，25，29)的运动方式相同，做沿Z向的移动和绕X、Y、Z向的转动。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：如图6所示，本实施方式所述中心球铰导轨46采用多节伸缩式结构，可以让中心球铰导块46可沿导轨47在更大范围内移动，中心球铰导块46为空腔结构，内装压缩弹簧，在Z方向支撑下平板27，以降低伺服电机30带动上平板22、下平板27所需的力。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：如图5和图6所示，本实施方式在X向移动导轨40与下平板27的连接处垫上垫片52，以使上下平板间的钢球组能进到滑动支撑作用，为使整体的质量小且有足够的支撑强度，将下平板27下表面加工方格子来降低下平板27质量并且支撑强度更好。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：如图7和图8所示，本实施方式中，为降低伺服电机30带动两平板所需的力，四个球铰连接块38与下平板27固连，球铰连接块38与地板28间采用万向伸缩结构(万向伸缩杆39)，万向伸缩杆39由两个万向节48，50、一个多节伸缩连杆49组成，一个多节伸缩连杆49的两端分别与一个万向节连接，所述多节伸缩杆19可轴向转动，万向伸缩杆39能随下平板27的动作而改变万向伸缩杆的角度和伸缩长度；所述多节伸缩杆49设计成空腔结构，内装压缩弹簧，用以支撑下平板27，进而降低并联移动导轨上的伺服电机30带动上平板和下平板所需的力。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：如图3和图10本实施方式所述的步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置还包括设置在上平板22上的陀螺仪21，用以测量上平板22的角位移、角速度、角加速度；在上平板22侧面安装的激光位移传感器53，并且在下平板27的侧面安装激光反射板54，用以测量上平板22相对下平板27的位移、速度和加速度；陀螺仪21和激光位移传感器53用于将上述位姿参数反馈给机器人19的平衡修正运动生成器，机器人19通过不断修正运动参数，使之达到步行稳定的目的。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：如图4所示，本实施方式中，伺服电机30带动并联移动导轨上的滚珠丝杠36转动，进而带动导块连接块33沿导轨32移动，导块34与导块连接块33固联，导块34带有球铰窝，与球铰连杆35相连；X向移动导轨40和Y向移动导轨41均采用滚珠丝杠来驱动。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式十：本实施方式中，四个并联移动导轨(20，23，25，29)可采用齿轮齿条、液压缸或气缸这些直线驱动机构驱动；X向移动导轨(40)和Y向移动导轨(41)可采用齿轮齿条、液压缸或气缸这些直线驱动机构来驱动。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

实施例：图1中，1、2、3、4为移动副，5、6、7、8、9、10、11、12、13为球面副，14、15、16为移动副，17为上平台，18为下平台，由图1可知，本发明中存在6个移动副，9个球面副，根据空间自由度计算公式：

$M=6(n-1)-\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}(6-f_i),(i=\mathrm{1,2},\·\·\·16)$

其中：n为机构总构件数，g为运动副数，fi为第i运动副的相对自由度数。

在此发明中，首先计算下平台的自由度数，不考虑固联于下平台上的X、Y移动副，则n＝10，g＝14，1～4为移动副，fi＝1，5～13为球面副，fi＝3，14为移动副，fi＝1，代入公式，减去局部自由度和虚自由度，计算得M＝4。另加15、16两个移动副，所以总的自由度数M＝6。

物体在空间具有六个自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕三个坐标轴的转动自由度。因此，要完全确定物体的位置，就必须消除这六个自由度。

如图3，基坐标系O-XYZ设在基座(地板)28的中心处，X、Y方向沿长度和宽度方向，Z轴垂直于O-XYZ平面指向上平板22，上平板22动坐标系O_s-X_sY_sZ_s建立在上平台22的中心处，初始时刻，X_s轴与X轴平行，Y_s轴与Y轴平行，Z_s轴与Z轴重合，动坐标系O_s-X_sY_sZ_s的坐标轴方向随着上平板的动作而改变。

首先让机器人19站在上平板(上平台)22上，机器人19通过动作样本生成器产生运动信号Θ(t)，运动信号Θ(t)经机器人平衡修正动作样本生成器进行修正，然后将修正后的信号Θ′(t)输给步人机器人运动控制器，输出实际6个电机的驱动信号，即电压U_R(t)和电流I_R(t)，控制机器人(19)的关节动作，进而得到机器人19的实际动作，机器人19关节处装有光电偏码器和六维力力矩传感器，可以测得机器人19的关节角变化Θ_f(t)和关节所受的力和力矩F(t)，将检测信号反馈给平衡修正动作样本生成器和步人机器人运动控制器。平台方面，通过随机信号发生器产生上平台22的运动限幅随机信号，通过串并联机构的逆运动学得到6个电机30的动作信号，包括6个电机30的转角位移和转速，即θ(t)，将这些信号输入到此串并联机构的运动控制器中，输出实际6个电机的驱动信号，即电压U(t)和电流I(t)，用以控制6个电机30的动作，进而产生实际上平板(上平台)22运动参数α′、β′、γ′、和x′、y′、z′、通过陀螺仪21和激光位移传感器53，将这些位姿参数反馈给机器人19的平衡修正运动生成器。机器人19通过不断修正运动参数，使之达到步行稳定的目的。

采用先并联后串联的结构型式，综合了在支撑强度、运动空间、运动学求解各方面的优势，首先，并联支撑导轨20，23，25，29作为并联机构的基座，固连在地板28和支架37上，导块34作为并联机构的执行机构，通过球铰与球铰连杆35相连，球铰连杆35通过球铰与四个球铰窝块40相连，四个球铰窝块40再与下平板27相连，球铰大小可使下平板27能在正负30度范围内自由转动。在下平板27中央留出大于X向移动导轨40和Y向移动导轨41的方形通孔，将X向移动导轨40和Y向移动导轨41放置其中，以减小在Z向所占的空间，降低平台的高度，Y向移动导轨41作为X向移动导轨40的导块，上平台作为Y向移动导轨41的导块，进行形成上层的串联机构。

控制6个电机的动作，来实现上平台的运动姿态，先让X向移动导轨40和Y向移动导轨41不动作，只有并联支撑脚20，23，25，29的四个电机30动作，将X向移动导轨40通过球铰与固连在地面上的Z向导轨26相连，并且将X向移动导轨40与下平板27固连，此Z向导轨就是球铰中心导轨47，它起到使下平板不能沿X、Y两个方向平动，这样，并联支撑脚20，23，25，29的四个电机30的运动可实现下平板27绕X、Y、Z向的转动和沿Z向的移动，上平板此时与下平板姿态相同。X向移动导轨40和Y向移动导轨41的动作，则可实现上平板22在随下平板27做随动动作的同时，也有两者的相对平动，则最终实现上平板22沿X、Y、Z三个方向的平动和绕X、Y、Z三个方向的转动。

当下平板27处于水平状态时，将四根球铰连杆35设计成彼此构成梯形形状，从而从空间上构成梯形体，避免因构成长方体而造成的不稳定结构，从而避免了平板绕Z轴方向的自由转动。

为使在上平板22与下平板27在平动过程中上板有足够的支撑强度和刚度，在下平板27上表面加工与X向移动导轨方向相同的矩形凹槽，再在此凹槽内放入带有圆形凹槽的矩形长条块44，在上板22下平面加工并安装同样的结构，方向与Y向移动导轨方向相同，上平板22与下平板27通过钢球42进行滚动支撑，为增加钢球与上下矩形长条块44的耐磨性，矩形长条块44材料为钢，为不致钢球42滑落，采用直线型保持架43，该保持架43可以在凹槽内沿X向移动。

在X向导轨40与下平板27通过连接块进行固连，且连接处垫上垫片52，以使上下平板间的钢球组能进到滑动支撑作用。

为使球铰中心导轨47在Z方向较大范围移动，采用多节伸缩结构，球铰中心导块46为容腔结构，内装压缩弹簧，辅助支撑X向移动导轨40，进而降低电机30带动两平板所需的力。

导块34、球铰窝块38以及中心球铰导块45的末端球窝结构都由三部分组成，即上半球窝、下半球窝和锁紧螺母，上半球窝与下半球窝通过半孔部分定位，通过上半球窝与下半球窝之间的螺纹拧紧(采用螺纹将上半球窝与下半球窝拧紧在一起)，通过锁紧螺母起到防松的作用。与球铰的接触件均为钢件。

伺服电机连接减速器，以得到大扭矩，为减轻平台重量，采用铝合金板作为上下板，为使整体的质量小且有足够的支撑强度，减小两平台的厚度并在下表面加工出方格。

为减小并联支撑脚20，23，25，29处电机带动两平板运动的力，与下平板27固连的四个球铰连接块38与地板28之间由四根万向多节伸缩杆39相连，此万向伸缩装置39由两个万向节48、50，一个多节伸缩连杆39组成，此多节伸缩杆19可转轴向转动，此装置能随下平板27的动作而改变万向伸缩杆的角度和伸缩长度；此多节伸缩杆39设计成空腔结构，内装压缩弹簧，用以辅助支撑下平板27，进而降低电机30带动两平板所需的力。

在并联支撑肢20，23，25，29和X向导轨40、Y向导轨41的电机处自带编码器，用以对电机的转速、角加速度进行测量，进而对各滑块的平移动速度进行测量；上平台22上带有陀螺仪21，用以测量上平台22的角位移、角速度、角加速度等参数，和在上平台22的X、Y两个侧面安装的两个激光位移传感器53，并在下平台27的X、Y两侧面安装两个激光反射板54，用以测量上平台22相对下平台27的位移、速度和加速度，陀螺仪21和激光位移传感器53将这些位姿参数信号反馈给机器人19，使步行机器人19不断调整自身姿态，以适应外部环境变化。

在仿真软件中给上平台22施加限幅随机的运动，六个导轨滑块会与之作随动运动。将六个滑块的运动记录下来，作为实际六个电机30的驱动信号，这样，上平台22就会产生随机的运动。

将步行机器人19放在上平台22上，随上平板22的随机动作而动作，步行机器人19不断调整自身姿态，以适应上平台的姿态变化，达到稳定性训练的目的，经过多次训练，使机器人19掌握多种不稳定环境条件下的稳定调节能力，最终使机器人19具备在脱离训练平台的情况下，也能适应不稳定环境的自稳定能力。

本发明的工作原理是：通过控制四个并联导轨电机30，带动丝杠转动，将力传到导块34上，再通过四个球铰连杆35带动下平台27运动，四个并联支撑脚20，23，25，29中的电机30的运动，则可实现下平台27绕X、Y、Z三个方向的转动和沿Z方向的移动。在下平台27的留出尺寸大于Y向移动导轨的矩形通孔，内嵌X、Y两个方向的移动导轨40、41，下平台27与X向移动导轨40固联，Y向移动导轨41作为X向移动导轨41的导块，上平台22作为Y向移动导轨41的导块，这样，上平台22与下平台27只能做平行运动。在X向移动导轨40下端固联中心球铰导块46，中心球铰导块46作为导轨47的导块，导轨47固联在地面上，这样，可以限制下平台27沿X、Y方向的运动，即下平台27有4个自由度，再通过X向移动导轨40和Y向移动导轨41，可实现上平台22沿X、Y方向的大范围移动，所以，最终实现了上平台22沿X、Y、Z三个方向的移动和绕X、Y、Z三个方向的转动的功能，下平台27与地板28间采用内装压缩弹簧的万向多节伸缩杆39，用以辅助支撑下平板27。上平台22上带有陀螺仪21，用以测量上平台22的角位移、角速度、角加速度等参数，在上平台22侧面安装的激光位移传感器53，并且在下平台27的侧面安装激光反射板54，用以测量上平台22相对下平台27的位移、速度和加速度，陀螺仪21和激光位移传感器53将这些上平台22的位姿参数信号反馈给机器人19，使步行机器人19不断调整自身姿态，以适应外部环境变化，达到稳定性训练的目的。

Claims (10)

1.一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：所述装置包括上平板(22)、下平板(27)、四个并联移动导轨(20，23，25，29)、中心球铰导轨单元(26)、X向移动导轨(40)和Y向移动导轨(41)，四个并联移动导轨(20，23，25，29)分立并固定在地板(28)的四角上；上平板(22)和下平板(27)平行设置并位于地板(28)之上，且二者之间可相对移动；下平板(27)的四角与四个并联移动导轨(20，23，25，29)一一对应连接；在下平板(27)的中央设有大于X向移动导轨(40)长度和Y向移动导轨(41)长度的矩形通孔，将X向移动导轨(40)和Y向移动导轨(41)放置其中，且能使Y向移动导轨(41)在X向自由移动，下平板(27)与X向移动导轨(40)固联，Y向移动导轨(41)作为X向移动导轨(40)的导块，上平板(22)作为Y向移动导轨(41)的导块，形成上层的串联机构；四个并联移动导轨(20，23，25，29)作为所述装置的基座固连在地板(28)上，每个并联移动导轨上的可上下移动的导块(34)作为执行部件通过一个球铰连杆(35)与对应的一个球铰窝块(38)相连；四个球铰窝块(38)一一对应地与下平板(27)的四角固接；每个球铰窝块(38)与地板(28)间设有一个万向伸缩杆(39)；下平板(27)和地板(28)之间设有中心球铰导轨单元(26)；四个并联移动导轨(20，23，25，29)的四个伺服电机(30)驱动四个导块(34)的运动，进而实现下平板(27)绕X、Y、Z向的转动和沿Z向的移动；X向移动导轨(40)和Y向移动导轨(41)的伺服电机(30)的动作，则实现上平板(22)在随下平板(27)做随动动作的同时，有X向和Y向的相对平动；最终实现上平台(22)沿X、Y、Z三个方向的平动和绕X、Y、Z三个方向的转动。

2.根据权利要求1所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：四根球铰连杆(35)下端的四个球铰中心组成矩形的长、宽分别小于四根球铰连杆(35)上端的四个球铰中心组成矩形的长、宽。

3.根据权利要求2所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：在下平板(27)的上平面加工与X向移动导轨(40)方向相同的多个矩形凹槽，在每个凹槽内对应放入带有圆形凹窝的矩形长条块(44)，在上平板(22)的下平面加工与Y向移动导轨(40)方向相同的多个矩形凹槽并在每个凹槽内对应放入带有圆形凹窝的矩形长条块(51)；钢球(42)通过直线型保持架(43)安装在对应的矩形凹槽内；下平板(27)上的矩形凹槽和上平板(22)上的矩形凹槽相互纵横交织配合，上平板(22)与下平板(27)通过钢球(42)进行滚动支撑。

4.根据权利要求3所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：X向移动导轨(40)下端面加工球铰窝，与固联在地面的中心球铰导轨单元(26)相连，该中心球铰导轨单元(26)由球铰法兰(45)、导轨(47)和中心球铰导块(46)组成，球铰法兰(45)固定于X向移动导轨(40)上，球铰法兰(45)通过中心球铰导块(46)与导轨(47)连接，中心球铰导块(46)只能沿导轨(47)在Z方向移动，导轨(47)下端固连在地板(28)上；X向移动导轨(40)与并联移动导轨(20，23，25，29)的运动方式相同，做沿Z向的移动和绕X、Y、Z向的转动。

5.根据权利要求4所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：中心球铰导轨(46)采用多节伸缩式结构，可以让中心球铰导块(46)可沿导轨(47)在更大范围内移动，中心球铰导块(46)为空腔结构，内装压缩弹簧，在Z方向支撑下平板(27)，以降低伺服电机(30)带动上平板(22)、下平板(27)所需的力。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：在X向移动导轨(40)通过球铰法兰(45)与下平板(27)固连，X向移动导轨(40)与下平板(27)垫上垫片(52)。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：万向伸缩杆(39)由两个万向节(48，50)、一个多节伸缩连杆(49)组成，一个多节伸缩连杆(49)的两端分别与一个万向节连接，所述多节伸缩杆(19)可轴向转动，万向伸缩杆39能随下平板(27)的动作而改变万向伸缩杆的角度和伸缩长度；所述多节伸缩杆(49)设计成空腔结构，内装压缩弹簧，用以支撑下平板(27)，进而降低并联移动导轨上的伺服电机(30)带动上平板和下平板所需的力。

8.根据权利要求7所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：所述装置还包括设置在上平板(22)上的陀螺仪(21)，用以测量上平板(22)的角位移、角速度、角加速度；在上平板(22)侧面安装的激光位移传感器(53)，并且在下平板(27)的侧面安装激光反射板(54)，用以测量上平板(22)相对下平板(27)的位移、速度和加速度；陀螺仪(21)和激光位移传感器(53)用于将测量得到的位姿参数反馈给机器人(19)的平衡修正运动生成器。

9.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：伺服电机(30)带动并联移动导轨上的滚珠丝杠(36)转动，进而带动导块连接块(33)沿导轨(32)移动，导块(34)与导块连接块(33)固联，导块(34)带有球铰窝，与球铰连杆(35)相连；X向移动导轨(40)和Y向移动导轨(41)均采用滚珠丝杠来驱动。

10.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置，其特征在于：四个并联移动导轨(20，23，25，29)采用齿轮齿条、液压缸或气缸这些直线驱动机构驱动；X向移动导轨(40)和Y向移动导轨(41)采用齿轮齿条、液压缸或气缸这些直线驱动机构来驱动。