CN107414793B - 一种混联步行机器人的构建方法及其混联步行机器人 - Google Patents

Abstract

一种混联步行机器人的构建方法及其混联步行机器人属于步行机器人领域，主要包括A、B两个腿机构，一个腿机构是混联腿机构，另一个腿机构是混联腿机构或脚并联机构。混联腿机构由大腿机构和脚并联机构串联构成。两个腿机构具有特定的自由度组合，两个腿机构的上部固连在一起，两个腿机构的各个部件互相包含，互相交叉，且保持各自的独立活动空间。两个腿机构的脚趾三角形，在水平面上的投影有重合；该机器人前进过程中，重心不要作左右调整，就可以进行任意方向的稳态步行；该机器人运动副较少，机身高度较低。具有承载能力强，转向灵活，越障能力和上下坡能力强等优点。可用于服务，工业，农业，军事、航天等领域。

Description

一种混联步行机器人的构建方法及其混联步行机器人

技术领域

本发明公开了一种混联步行机器人的构建方法及其混联步行机器人，涉及现有双腿步行机器人结构的改进，属于步行机器人技术领域。

背景技术

现有的双腿步行机器人主要有仿生步行机器人和非仿生步行机器人两种。非仿生步行机器人主要有中国专利201010292424.1(以下简称文献1)公开的方案。在这一类步行机器人的方案中，有一部分具有在并联机构的下方串联广义移动副的结构(文献1中，权利要求10给出的方案)，其共同特点是，两个腿机构中，每一个腿机构都由一个并联机构和三个广义移动副(称为小腿)组成。由于所述的并联机构本身包含有Rx自由度和Ry自由度，而三个广义移动副也可形成Rx自由度和Ry自由度，所以大腿机构上的Rx自由度和Ry自由度是冗余自由度。同时，所述的并联机构本身包含有Tz自由度,三个广义移动副也有Z向自由度，所以腿机构上的Z向自由度也是冗余自由度。由于这几个冗余自由度的存在，文献1给出的步行机器人，1、运动副较多，机身高度较大，通过性较差。2，机体发生Rx，Ry方向的倾斜时，小腿会出现不与地面垂直的情况，小腿受力状况变差，爬坡能力受到限制。由此带来的问题是，实现同样的步行功能，需要更多的运动副，且性能不能充分发挥。

同时，由于上述文献1给出的步行机器人的小腿只有一个Z向自由度(P副)，脚趾间距不可以变化(调节)，三个着地点不可独立调节，故落脚点的选择受到限制。所以对路面的适应性较差。越障能力不能充分发挥。

上述非仿生步行机器人还有一个共同的缺点，仅仅依靠步行移动，在结构化路面上移动速度低，效率不高。

这种非仿生步行机器人，还有中国专利201510275161.6(以下简称文献2)公开的双面对称步行机器人方案(文献2的权利要求13-17)。由于其腿机构是文献1公开的方案。所以上述问题同样存在于文献2公开的双面对称步行机器人方案中。

所以，这一类步行机器人，其共有的缺点是：

1、由于并联机构上的Rx自由度和Ry自由度是冗余自由度，所以，并联机构运动副较多，结构较复杂。

2、由于并联机构是空间并联机构，同时Z向自由度也是冗余自由度。所以体积较大，机身高度较大，通过性较差。

3、由于脚并联机构的支链只有一个自由度，脚趾间距不可以变化，落脚点的选择受到限制，对路面的适应性差，越障能力差，在某些情况下，也会影响通过性。

4、移动方式单一，在结构路面上的移动速度低，效率低。

5、双面运动的步行机器人方案也需要较多的运动副，且机身高度较大，结构也较复杂，通过性较差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有下列特点的机器人，从而解决了现有技术存在的问题。本发明可以达到如下目的：

1、本发明提供了构建一种混联步行机器人的新方法，解决了Rx、Ry冗余自由度和Z向自由度冗余自由度带来的问题，从而以较少的自由度实现同样的步行运动，同时可达到更好的性能。

2、本发明还提供一种实现上述方法的混联步行机器人，这种步行机器人可以较少运动副实现同样的步行运动，同时可达到更好的性能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种混联步行机器人的构建方法，该构建方法如下：

(1)构建脚并联机构和大腿机构

构建脚并联机构

每一个脚并联机构包括一个脚足弓平台、三个趾骨支链和三个脚趾，三个趾骨支链固定连接在脚足弓平台上，连接点位于一个三角形的三个顶点上；三个趾骨支链的下端连接脚趾，三个脚趾形成一个足趾三角形；脚并联机构是一个升降站立腿；趾骨支链是由下列自由度组合形成的机构：Tz，TzTx，TzTy，TzTxTy，RxTz，RyTz,RxTzTx，RyTzTy或RxRyTz；

构建大腿机构

大腿机构包括上平台、下平台以及联接上平台和下平台的一个或一个以上的大腿支链，大腿支链是一个运动副，一个或多个串联机构，或一个混联机构；大腿机构是一个有一到五个自由度的机构；一到五个自由度，是Tx，Ty，Tz，Rz，Rx或Tx，Ty，Tz，Rz，Rx，Ry中的自由度的任意组合；包括单自由度，二、三、四、五自由度；

(2)、构建混联腿机构

混联腿机构包括一个大腿机构和一个脚并联机构，脚并联机构在大腿机构的下方，二者串联连接成为一个混联腿机构；选择脚并联机构的脚足弓平台或大腿机构的下平台作为共用的一个足弓平台；

(3)、选择两个合适的腿机构A、B

在上述的混联腿机构中，选取一个混联腿机构作为腿机构A，

在上述的混联腿机构和脚并联机构中，选取一个混联腿机构或脚并联机构作为腿机构B；

对两个腿机构的自由度组合要求是：

两个腿机构必须至少有一个Rz自由度，一个Tx(或Ty)的自由度，或者至少有一个混联腿机构的大腿机构同时拥有Rz自由度及Tx(或Ty)自由度；或者两个大腿机构都拥有Rz自由度和Tx、Ty自由度；

(4)、连接A、B两个腿机构，构建一个混联步行机器人

如果A、B两个腿机构是两个混联腿机构，则A、B两个腿机构的大腿机构的上平台固连在一起，两个连接在一起的上平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人；

如果两个腿机构一个是混联腿机构，另一个是脚并联机构，则混联腿机构的大腿机构的上平台与脚并联机构的脚足弓平台固连在一起，两个连接在一起的平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人；连接时，对大腿支链、足弓平台、跖骨支链、脚趾及脚趾三角形的布置要求是：

两个腿机构的各个大腿支链都有其独立的活动空间，互不干涉；

两个足弓平台或一高一低，或一内一外，或一前一后，互不干涉；

两个腿机构的跖骨支链都有其独立的工作空间，互不干涉；

两个腿机构的脚趾在水平面上的投影不重合；

连接在一起的两个腿机构的脚趾三角形的重心之间的距离小于两个脚趾三角形外接圆的半径之和，且两个脚趾三角形在水平面上的投影有重合。

一种混联步行机器人构建方法构建的混联步行机器人，包括A、B两个腿机构，一个腿机构A是混联腿机构，另一个腿机构B是混联腿机构或脚并联机构；两个腿机构的上部连接在一起，混联腿机构包括脚并联机构和大腿机构；

脚并联机构

脚并联机构包括一个脚足弓平台、三个趾骨支链和三个脚趾，三个趾骨支链固定连接在脚足弓平台上，连接点位于一个三角形的三个顶点上；三个趾骨支链的下端连接脚趾，三个脚趾形成一个足趾三角形；脚并联机构是一个升降站立腿；跖骨支链是一种具有一到多个自由度的支链；趾骨支链的自由度组合是：Tz，TzTx，TzTy，TzTxTy，RxTz，RyTz,RxTzTx，RyTzTy，RxRyTz自由度组合中的一种或多种；三个跖骨支链可以是相同的支链或不同的支链；

大腿机构

大腿机构包括上平台、下平台以及联接上平台和下平台的一个或一个以上的大腿支链，大腿机构的下平台是足弓平台型平台；大腿支链可以是一个运动副，一个或多个串联机构，或一个混联机构；大腿机构是一个具有一到五个自由度的机构；大腿机构的一到五个自由度，是Tx，Ty，Tz，Rz，Rx或Tx，Ty，Tz，Rz，Ry中的各个自由度的任意组合；

混联腿机构

混联腿机构包括一个大腿机构和一个脚并联机构，脚并联机构在大腿机构的下方，二者串联连接成为一个混联腿机构；脚并联机构与大腿机构公用一个平台，二者通过一个足弓平台连接在一起；

A、B两个腿机构

一个腿机构A是混联腿机构，另一个腿机构B是混联腿机构或脚并联机构；

对两个腿机构的自由度组合要求是：

两个腿机构的大腿机构必须至少有一个Rz自由度，一个Tx(或Ty)的自由度，或者至少有一个混联腿机构的大腿机构同时拥有Rz自由度及Tx(或Ty)自由度；或者两个大腿机构都拥有Rz自由度和Tx、Ty自由度；

如果两个腿机构都是混联腿机构，则A、B两个腿机构的大腿机构的上平台固连在一起，两个连接在一起的上平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人，

如果一个腿机构是混联腿机构，另一个腿机构是脚并联机构，则混联腿机构的大腿机构的上平台与脚并联机构的脚足弓平台固连在一起，两个连接在一起的上平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人；

两个腿机构的各个大腿支链都有其独立的活动空间，互不干涉；

两个足弓平台或一高一低，或一内一外，或一前一后，互不干涉；

两个腿机构的跖骨支链都有其独立的工作空间，互不干涉；

两个腿机构的脚趾在水平面上的投影不重合；

连接在一起的两个腿机构的脚趾三角形的重心之间的距离小于两个脚趾三角形外接圆的半径之和，且两个脚趾三角形在水平面上的投影有重合。

本发明的有益效果是：

1、由于本发明提出了一种新的混联机构作为腿机构，基本保留了并联机构的主要优点，所以，结构刚度大，结构紧凑、稳定；动力性能好，承载能力强；误差积累小，控制精度高；转向灵活，上坡能力强，能耗特性较佳。易于控制和轨迹规划。

2、完成同样的步行运动，比文献中的机器人少六个自由度。例如，能够爬较大斜坡的步行机器人，本发明需要12个自由度，文献1需要18个自由度，而传统的仿生机器人需要更多的自由度。本发明以更少的运动副，更低的机身高度，实现同样的步行运动，通过性更好，爬坡能力更强，受力状态更佳。

3、对于跖骨支链有二个以上的移动自由度的混联步行机器人，脚趾间距可以变化，可以独立的选择每一个落脚点，提高了对路面的适应性，通过性也有提高。

4、由于在跖骨支链的末端设计了车轮(轮式转动副)，混联步行机器人有两种移动方式，在结构路面上用车轮移动，移动速度和效率会大幅提高。

5、本发明还提供一种同时具有双面步行功能、轮行功能和滚动移动功能的移动机器人。双面运动的混联步行机器人方案具有较少的运动副，结构也会较简单。且机身高度较小，通过性较好。单面移动时，没有多余的运动部件。

6、运行较平稳，能够获得较为精准的图像。由于本发明在运动过程中，可以在各种状态下(包括在斜坡上)，机体基本保持水平状态，从而避免了采集视频图像的严重抖动，能够获得较为精准的图像。也为自主控制提供了良好的依据。

附图说明

图1-4是四种不同的脚并联机构立体示意图。图5是一个具有冗余自由度的跖骨支链简图。图6是两个相互关联的跖骨支链传动简图。图7-16是十种不同的大腿机构俯视图，图17是图16的大腿机构的一个支链的剖面图。图18-20是三种少自由度的混联腿机构立体简图。图21是一种满自由度的混联腿机构立体简图。图22、23是两种有轮的脚趾间距可以调节的混联腿机构立体简图。图24、25是两种有轮的可以双面步行的混联腿机构立体简图。图26是一种满自由度内外式混联步行机器人立体简图。图27是另一种满自由度内外式混联步行机器人俯视图。图28,29是图27的两个腿机构的支链剖面图。图30是一种有轮的满自由度双面混联步行机器人立体简图。图31，32是两种交叉式满自由度混联步行机器人立体简图。图33是图31、图32两种满自由度混联步行机器人的腿机构支链剖面图。

图中：脚并联机构标注：脚并联机构1，脚并联机构上平台(脚足弓平台)1.1，跖骨支链1.2，脚趾1.3，轮式转动副(车轮)1.4，传动箱1.5，输入端1.6，输出端1.7；大腿机构标注：大腿机构2，大腿上平台2.1，大腿支链2.2，大腿下平台(大腿足弓平台)2.3；混联腿机构标注：混联腿机构3，脚并联机构3.1，大腿机构3.2,足弓平台3.3；混联步行机器人标注：混联步行机器人4，A腿4.1，B腿4.2，骨盆4.3；大圆环5.1,

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种混联步行机器人的构建方法，特别是包括A、B两个腿机构构成的步行机器人的构建方法，其构建方法如下：

(1)构建脚并联机构(升降站立腿机构)和大腿机构

构建脚并联机构(升降站立腿机构)

每一个脚并联机构包括一个脚足弓平台、三个跖骨支链和三个脚趾，三个跖骨支链固定连接在脚足弓平台上，连接点位于一个三角形的三个顶点上。三个跖骨支链的下端连接脚趾，三个脚趾形成一个脚趾三角形。跖骨支链是由下列自由度组合形成的机构：Tz，TzTx，TzTy，TzTxTy，TzRx，TzRy,TzTxRx，TzTyRy，TzRxRy；

三个跖骨支链各自占据独立的活动空间，互不干涉；三个跖骨支链可以是相同的支链或不同的支链。

Y形、O形、C(U、V)形、T形、三角形、蝶形等脚足弓平台都是脚足弓平台配置时可供选择的形状。这几种结构只是一个近似的表达。同时也不限于这几种结构形状。

关于坐标系和符号意义

直角坐标系是这样建立的：坐标系XY平面为水平面，Z轴垂直于水平面，X方向是步行机器人前进方向，Y方向是横向运动方向。

关于符号(下同)：

T:表示移动自由度，

Tx，Ty，Tz，分别表示X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的移动自由度，

R:表示转动自由度，或转动副，

Rx，Ry，Rz，分别表示绕X轴、绕Y轴、绕Z轴的转动自由度。

脚并联机构是一个半闭环并联机构，主要具有升降和站立的基本功能，故脚并联机构也称为升降站立腿，脚并联机构可以作为一个升降站立腿单独应用。半闭环并联机构是指立脚相时是闭环机构，游脚相时是开环机构的一种特殊并联机构。

关于跖骨支链和脚趾的详细说明见后面“关于脚并联机构”、“关于跖骨支链”和“关于脚趾”。

构建大腿机构

大腿机构包括上平台、下平台以及联接上平台、下平台的一个或一个以上的大腿支链(包括一个运动副构成的支链)，大腿机构的下平台也称为大腿足弓平台。大腿机构的上平台也称为髋骨。大腿支链可以是一个运动副，一个或多个串联机构，或一个混联机构。大腿机构是一个由一到五个自由度的机构。一到五个自由度，是Tx，Ty，Tz，Rz，Rx或Ry中的自由度的任意组合；包括单自由度，二、三、四、五自由度。大腿机构有空间机构，平面机构，混联机构，或单个运动副几种类型。

Y形、O形、C(U、V)形、T形、三角形、蝶形等大腿足弓平台都是大腿足弓平台配置时可选择的形状。同时也不限于这几种结构形状。

大腿机构，其主要的功能是提供水平方向的运动和绕Z轴线的转动。Z方向的移动自由度可以有，也可以没有。最好两个腿机构都不包含Rx自由度或Ry自由度。

多个支链的大腿机构，相同支链或不同的支链都可以应用。不含有Rx自由度或Ry自由度的大腿机构，最少一个自由度，最多四个自由度。含有Rx自由度或Ry自由度的大腿机构，最多五个自由度。

构建脚并联机构(升降站立腿机构)和大腿机构不分先后。

关于大腿机构的详细说明见下面的“关于大腿机构”一节。

(2)、构建混联腿机构

混联腿机构包括一个大腿机构和一个脚并联机构，脚并联机构在大腿机构的下方，二者串联连接成为一个混联腿机构。脚并联机构的脚足弓平台与大腿机构的大腿足弓平台共用一个平台。共用的平台称为足弓平台。

(3)、选择两个合适的腿机构A、B

在上述的混联腿机构中，选取一个混联腿机构作为腿机构A，

在上述的混联腿机构和脚并联机构中，选取一个混联腿机构或脚并联机构作为腿机构B。

对两个腿机构的要求是：

两个腿机构必须至少有一个Rz自由度，一个Tx(或Ty)的自由度，或者至少有一个混联腿机构的大腿机构同时拥有Rz自由度及Tx(或Ty)自由度。最好的方案是两个大腿机构都拥有Rz自由度和Tx、Ty自由度。Tz自由度可有可无。

由于每一个腿机构的脚并联机构都有Rx、Ry、Tz自由度，所以两个腿机构相互配合，可以完成正常的迈步和转向。

有两种组合：混联腿机构+混联腿机构；混联腿机构+脚并联机构。

(4)、连接A、B两个腿机构，构建一个混联步行机器人

A、B两个腿机构的连接：

如果A、B两个腿机构是两个混联腿机构，A、B两个腿机构的大腿机构的上平台固连在一起，两个连接在一起的上平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人；

如果A、B两个腿机构一个腿机构是混联腿机构，另一个腿机构是脚并联机构，则混联腿机构的大腿机构的上平台与脚并联机构的脚足弓平台固连在一起,两个连接在一起的平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人。

连接时，对大腿支链、足弓平台、跖骨支链、脚趾及脚趾三角形的布置要求是：

两个腿机构的各个大腿支链都有其独立的活动空间，互不干涉。

两个足弓平台或一高一低，或一内一外，或一前一后，互不干涉。

两个腿机构的跖骨支链都有其独立的活动空间，互不干涉。

两个腿机构的脚趾在水平面上的投影不重合。

连接在一起的两个腿机构的脚趾三角形的重心之间的距离小于两个脚趾三角形外接圆的半径之和，且两个脚趾三角形在水平面上的投影有重合。

足弓平台的选择和配置，主要目的是保证两个足弓平台各自有独立的活动空间，从而保证安装在上面的跖骨支链也有独立的活动空间。

连接两个腿机构的目的是把两个结构复杂的腿机构，互相包含，互相穿插的连接在一起，保证各个运动部件都有自己的活动空间，从而通过合理的安排两个腿机构的运动，实现各种步行移动。

机器人的重心一般位于两个腿的上平台中心连线的中点。而这个重心一般布置在两个脚趾三角形重心连线的中点的正上方。

关于两个腿机构的连接的详细说明见后面“关于两个腿机构的连接和骨盆”一节。

实现上述构建方法的混联步行机器人，包括A、B两个腿机构，一个腿机构A是混联腿机构，另一个腿机构B是混联腿机构或脚并联机构；A、B两个腿机构的上部连接在一起。

混联腿机构包括脚并联机构和大腿机构。

脚并联机构(升降站立腿机构)

脚并联机构包括一个脚足弓平台、三个跖骨支链和三个脚趾，三个跖骨支链固定连接在脚足弓平台上，连接点位于一个三角形的三个顶点上。三个跖骨支链的下端连接脚趾，三个脚趾形成一个脚趾三角形。脚并联机构是一个半闭环并联机构，半闭环并联机构是一种特殊的并联机构。脚并联机构是一个升降站立腿。故脚并联机构也称为升降站立腿。

跖骨支链是一种具有一到多个自由度的支链。趾骨支链的自由度组合是Tz，TzTx，TzTy，TzTxTy，RxTz，RyTz,RxTzTx，RyTzTy，RxRyTz自由度组合中的一种或多种。

比较典型的跖骨支链，对应上面的自由度组合，分别是：P、PP、PP、RP、RP、PPP、RPP、RPP、UP。

Y形、O形、C(U、V)形、T形、三角形、蝶形等足弓平台都是足弓平台配置时可选择的形状。同时也不限于这几种结构形状。足弓形状与配置可参见文献1。

三个跖骨支链各自占据独立的工作空间，互不干涉。三个支链可以是相同的支链或不同的支链。

只有Rx、Ry自由度的腿机构，是一个站立腿，没有其它功能。

为了提供一个具有升降站立功能的腿机构，所述的每一个跖骨支链都具有一个Z方向的移动自由度。由转动副构成的单自由度的跖骨支链，能够改变脚趾间距。因为一个轴线在足弓平台平面上的转动副，有垂直方向的移动分量，也有水平方向的移动分量。水平方向的移动分量，可以用来改变脚趾间距。

为了提供一个更好地可以独立改变脚趾间距的腿机构，所述的混联步行机器人，脚并联机构的跖骨支链，至少有一个跖骨支链，除具有一个Z轴方向的移动自由度外，还有水平方向的一个或两个移动自由度。即具有包括Tz自由度和一个或两个方向的水平移动自由度。

实际上，脚并联机构主要功能是一个升降站立腿。所以，脚并联机构可以作为一个升降站立腿单独应用。有水平方向自由度的跖骨支链，不仅可以调节脚趾间距，还可以提供水平方向的移动自由度。

不能改变脚趾间距的脚并联机构(例如文献1给出的步行机器人)，只能在两个具有确定宽度的平行木板上行走。改变脚趾间距后，则可以在各种宽度的平行木板上行走。甚至可以在独木桥上小步行走。提高了对路面的适应能力。

关于脚并联机构的详细说明见下面“关于脚并联机构”、“关于跖骨支链”和“关于脚趾”三节内容。

大腿机构

大腿机构包括上平台、下平台以及联接上平台、下平台的一个或一个以上的大腿支链(包括一个运动副构成的支链)，大腿机构的下平台称为大腿足弓平台。大腿支链可以是一个运动副，一个或多个串联机构，或一个混联机构。

大腿机构是一个具有一到五个自由度的机构。大腿机构的一到五个自由度，是Tx，Ty，Tz，Rz，Rx或Tx，Ty，Tz，Rz，Ry中的各个自由度的任意组合；包括单自由度，2、3、4、5自由度，共36种。其中，有14种机构，没有Rx或Ry自由度；其中，有4种结构是平面机构。

Y形、O形、C(U、V)形、T形、三角形、蝶形等大腿足弓平台都是大腿足弓平台配置时可选择的形状。同时也不限于这几种结构形状。

上述包含Rx或Ry自由度的机构，不是最佳的大腿机构。两个腿机构都不包含Rx自由度或Ry自由度是比较好的方案。

大腿机构是空间并联机构或混联机构时，其空间机构和混联机构的自由度组合是3TRz，3T0R，(3T0R)Rz，(3TRz)Rz，(TxTy)Rz；空间机构中最好的自由度组合是3TRz，混联机构中最好的方案是(3T0R)Rz，和(TxTy)Rz，(RzTxTy)Rz。混联机构中的Rz可以连续转向。

所以，其大腿机构是空间并联机构或混联机构时，较好的方案是，其自由度组合是3TRz和(3T0R)Rz、(TxTy)Rz、(TxTyRz)Rz中的一种。

而两个腿机构的大腿机构都是平面机构时结构最简单，没有任何冗余自由度。所以平面机构是大腿机构中最好的方案。其自由度组合是TxTyRz、TxTy、TxRz、TyRz中的一种。三自由度平面机构又是其中最好的方案。

大腿机构，其主要的功能是提供水平方向的运动和绕Z轴线的转动。水平方向的运动和绕Z轴线的转动可以分布在两个腿上。也可以集中在一个腿上。或两个腿上都有。大腿机构允许具有Tz、Rx、Ry的冗余自由度。但是，Rx、Ry自由度不能同时出现在一个腿机构上。

大腿机构的上平台也称为髋骨。

关于大腿机构的详细说明见下面“关于大腿机构”一节

混联腿机构

混联腿机构包括一个大腿机构和一个脚并联机构，脚并联机构在大腿机构的下方，二者串联连接成为一个混联腿机构。脚并联机构与大腿机构共用一个足弓平台,二者通过这个共用平台连接在一起。共用的平台称为足弓平台。

构建混联腿机构的主要目的是使脚并联机构获得迈步和转向等功能。混联腿机构允许有冗余自由度。

对两个腿机构的要求是：

结构要求：一个腿机构是混联腿机构，另一个腿机构是混联腿机构或脚并联机构。

自由度组合要求：两个腿机构的大腿机构必须至少有一个Rz自由度，一个Tx(或Ty)的自由度，或者至少有一个混联腿机构的大腿机构同时拥有Rz自由度及Tx(或Ty)自由度。最好的方案是两个大腿机构都拥有Rz自由度和Tx、Ty自由度。大腿机构的Tz自由度可有可无。由于每一个腿机构的脚并联机构都有Rx、Ry、Tz自由度，所以两个腿机构可以完成正常的迈步和转向。

有两种组合：组合一，A腿机构是混联腿机构+B腿机构是混联腿机构；组合二：A腿机构是混联腿机构+B腿机构是脚并联机构。

两个满自由度的混联腿机构能够组合成为一个混联步行机器人。一个满自由度的混联腿机构与一个少自由度的腿机构或脚并联机构也能够组合成为一个混联步行机器人。两个少自由度的腿机构只有满足一定的自由度条件时，才能组成混联步行机器人。

A、B两个腿机构的连接

如果两个腿机构都是混联腿机构，则A、B两个腿机构的大腿机构的上平台固连在一起，两个连接在一起的上平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人；

如果一个腿机构是混联腿机构，另一个腿机构是脚并联机构，则混联腿机构的大腿机构的上平台与脚并联机构的脚足弓平台固连在一起,两个连接在一起的平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人。

连接时，对大腿支链、足弓平台、跖骨支链、脚趾和脚趾三角形的布置要求是：

两个腿机构的各个大腿支链都有其独立的活动空间，互不干涉；

两个足弓平台或一高一低，或一内一外，或一前一后，互不干涉；

两个腿机构的跖骨支链都有其独立的活动空间，互不干涉；

两个腿机构的脚趾在水平面上的投影不重合。

连接在一起的两个腿机构的脚趾三角形的重心之间的距离小于两个脚趾三角形外接圆的半径之和，且两个脚趾三角形在水平面上的投影有重合。

Y形、O形、C(U、V)形、T形、三角形、蝶形等足弓平台都是足弓平台配置时可选择的形状。这几种结构只是一个近似的表达。同时也不限于这几种结构。两个足弓平台的配置，以互不干涉为最高准则。

实际上对大腿支链、足弓平台、脚趾及脚趾三角形的总要求是，各部件都有自己的独立活动范围，互不干涉。在某些特殊空间，允许工作空间有部分重叠(例如，在两个活动空间的交界处)，通过控制，也能够达到互不干涉的目的，就像人的两条腿一样。这样的配置，通过控制，可以获得更好的性能。

机器人的重心一般位于两个腿的上平台中心连线的中点。而这个中点一般布置在两个脚趾三角形重心连线的中点的正上方。

连接的目的是把两个结构复杂的腿机构，互相包含，互相穿插的连接在一起，保证各个运动部件都有自己的活动空间，从而通过合理的安排两个腿机构的运动，实现各种步行移动。连接在一起后，两个腿机构的大腿支链要有各自的活动空间；连接在一起后，两个跖骨支链也要有各自的活动空间。

两个脚趾三角形的重心之间的距离，存在两个比较好的结构方案：

A、B两个腿机构的上平台固连在一起，两个腿机构的脚趾三角形的重心之间的距离是下列两种情况中的一种：

a、两个腿机构的脚趾三角形的中心之间的距离为0或小于0.20(Ra+Rb)，参见实施例1

b、两个腿机构的脚趾三角形的中心自己的距离大于等于0.30(Ra+Rb)小于等于0.70(Ra+Rb)，参见实施例3.

其中

Ra是A腿机构脚趾三角形外接圆的半径，

Rb是B腿机构脚趾三角形外接圆的半径；

第一种是一个各向同性的连接方案，称为内外式结构方案(参见实施例1、2)；第二种是一个非各向同性的方案，称为交叉式结构方案(参见实施例3、4)。

内外式结构方案，如果是两个相同的腿机构，两个上平台连接时有约60度的相位差。

交叉式结构方案，一般的要有一个腿机构的脚趾落在另一个脚趾三角形的中心。

为了提供一个在机体翻转的情况下仍然可以步行的混联步行机器人，包括A腿机构、B腿机构和骨盆，混联步行机器人的两个腿机构的跖骨支链是下列跖骨支链之一种或两种的组合：

A、跖骨支链的第一个运动副是双作用移动副，移动副的轴线垂直于足弓平台平面；

B、跖骨支链的第一个运动副是转动副，跖骨支链是PHRHP,其中转动副的轴线垂直于足弓平台平面；

C、跖骨支链的第一个运动副是转动副，转动副的轴线与足弓平台平面平行

这样，就形成一个可以双面步行的机器人。双作用移动副或PHRHP支链,都有两个输出端，一个在上，一个在下，两面都可工作。转动副通过转动把跖骨支链的输出端转移到另一面，两面都可以做步行移动。

跖骨支链运动副的顺序编号：与足弓连接的运动副编号为第一号，与第一号连接的运动副编号为第二号，余类推。

为了防止混联步行机器人在侧立状态下不能移动或不能转换为步行状态，在混联双面步行机器人的骨盆上连接一个大圆环，这个大圆环与骨盆在一个平面上，这个大圆环的中心与骨盆的中心在同一个位置。大圆环的直径大于脚趾三角形的外接圆直径。

于是，提供了一个在机体翻转的情况不可以侧立且可以转换为步行状态的机器人。

大圆环包括圆环，椭圆环，凸多边形和有部分间断的环。发生侧立状况时，环与两个脚趾形成三个支撑点。在用这三个支撑点(形成一个环脚三角形或多边形)接触水平地面时，机器人机体的重心，在水平面上的投影，落在这个环脚三角形或多边形的外面。机体会倒下。三个或六个脚趾重新着地，恢复步行功能。非圆的大环，半径是指环边沿到骨盆中心的距离。

多边形或间断的圆环只可以实现不能侧立的目的。圆环有防侧立的功能和滚动移动的功能。圆环的方案优于多边形方案，也优于间断的方案。

圆环的作用：机器人机体不能侧立，可以向两个方向倒下，恢复步行功能。如果极端情况下，机器人机体只能侧立(例如立在一个六七十度或更陡峭的斜面上，不能倒下)，则这个机器人可以滚动移动。滚动移动，可以脱离陡峭斜面，恢复步行功能。于是，提供了一种可以双面步行、可以滚动移动的机器人。

为了提高带大圆环的双面步行机器人的通过性，减小正常步行时的横向尺寸，所述的大圆环是可伸缩环。任何使大圆环变大变小的可展机构，都可应用于可伸缩环。参考文献1有可供参考的方案。

为了提供一个即可以步行又可以轮行的腿机构，至少有一个腿机构的脚趾全部是轮式转动副构成的脚趾，轮式转动副的轴线平行于基础平台平面。车轮上有锁定或刹车装置。轮式转动副可以是转向轮和定向轮，定向轮的轴线与前进方向垂直。

当三个跖骨支链的自由度不相同时，或只有一个或两个支链用来改变脚趾间距时，会出现脚趾三角形重心位置(相对于原来的脚趾三角形)发生较大变化的情况。这给控制增加了困难。如果三个跖骨支链上的脚趾都独立的移动，则自由度(主动副)又会较多。

为了解决这个问题，在足弓平台上设计安装一个传动箱，这个传动箱有一个输入端，有两个或三个输出端，一个输出端连接一个跖骨支链。

两个或三个输出端具有相向的或相背的移动方向或转动方向。传动箱的形状与足弓的整体或部分形状相一致。跖骨支链的上方连接在输出端上。安装传动箱的足弓平台不影响另一个足弓平台的独立运动。

相向的或相背的移动或转动是指，输入端有一个确定的输入后，连接在两个或三个输出端的跖骨支链上的脚趾之间的距离会变小(称为相向的移动)。输入端有另一个确定的输入后，脚趾之间的距离会变大(称为相背的移动)。例如向心的移动是相向的移动。

传动箱具有与足弓平台的局部或整体相同或相近的形状。两个输出端时，传动箱的形状与足弓的部分形状相一致；三个输出端时，传动箱的形状与足弓的整体形状相一致。

两个输出端传动箱的传动例子：以PHRHP传动链驱动跖骨支链。PHRHP传动链的R副是主动副，两个H副的螺旋方向相反，转动副一个方向主动时，两个移动副的输出端，要么相互靠近，要么相互远离。实现了一个转动副调节两个脚趾的目的。

三个输出端传动箱的传动例子。以Y型足弓平台为例。传动箱为Y形状。一个输入端在中间，输入端分别与两个齿轮啮合，输入端是主动齿轮，另外两个齿轮是被动齿轮。还有三个端部齿轮安装在Y型传动箱的最外端，中间的主动齿轮驱动一个端部齿轮，中间的另外两个被动齿轮，分别驱动另外两个端部齿轮。六个齿轮的轴线在水平面上。三个端部齿轮各连接一个跖骨支链。主动端有一个输入时，三个脚趾要么靠近，要么远离。实现了一个转动副调节三个脚趾间距的目的。

传动箱的作用是两个或三个脚趾同步运动，改变脚趾相对位置，三角形作某种对称变化，重心位置变化较小，便于控制。传动箱的设计属于公知技术，有多种方案。不再赘述。

下面详细说明有关名词和相关结构。

关于脚并联机构

脚并联机构既是一种独立的腿机构，也是混联腿机构的一个重要组成部分。

脚并联机构的主要功能是提供绕X轴线的转动自由度，提供绕Y轴线的转动自由度和Z方向的移动自由度。多自由度支链还可以改变脚趾间距，提供水平方向的移动自由度。带轮的支链有轮行和步行两个功能。所以，脚并联机构的主要作用：1、在各种不平表面上，能够保持机体水平或某一个固定的姿态行走，2、实现抬步运动。

脚并联机构按照其自由度分类，有二自由度、三自由度，一直到九自由度的脚并联机构。如果加上冗余自由度的情况，种类还会更多。

关于跖骨支链

跖骨支链是连接在足弓平台上的支链，是足弓平台与地面之间的支撑。它是有特定的自由度组合的支链。相当于动物的脚趾与脚踝之间的跖骨，与跖骨不同的是，跖骨支链可以变化长度、角度等。

跖骨支链分为五种情况：0自由度跖骨支链(一个脚并联机构最多一个)，单自由度跖骨支链(Tz自由度)，双自由度跖骨支链(TzTx，TzTy，，TzRx，TzRy自由度组合)，三自由度跖骨支链(TzTxTy,TzTxRx，TzTyRy，TzRxRy自由度组合)，带轮子的跖骨支链(包括转向轮，定向轮，带轮的跖骨支链最多5个自由度)。

三个跖骨支链可以是相同的支链或不同的支链。三个跖骨支链各占据独立的工作空间，互不干涉。

一个0自由度跖骨支链，就是一个杆件。一个0自由度跖骨支链与两个单自由度跖骨支链配合，可以形成一个脚并联机构，形成一个站立腿机构。这个腿机构没有Z方向移动自由度，无升降功能。有一个这样的腿机构的步行机器人只能上下波动式间歇运动。

单自由度跖骨支链，只有一个Z方向移动自由度。三个单自由度跖骨支链，形成一个脚并联机构，每一个跖骨支链都有Z方向的移动自由度(包括含有Z向自由度分量的自由度)。例如一个移动副P构成的跖骨支链，其移动副轴线垂直于水平面；再如，一个转动副R或平行四边形运动副Pa构成的跖骨支链，其转动副轴线平行于水平面，R，Pa运动副转动时含有Z方向的运动分量。需要说明的是，应用R或Pa时，R或Pa的转动角度接近90度时，Z方向的分量几乎为零，且抬步时扰动空间大。但是，这时也有优点：水平方向的分量比较大，可以用来改变脚趾间距。

还有两个运动副组成的单自由度跖骨支链：PP(P副轴线重合)，第二个P副是消极副，作减振用。还有三个运动副组成的支链：RHP，(三个运动副轴线重合)，形成上下移动的自由度，动力输入是转动副。

移动副构成的单自由度跖骨支链形成的脚并联机构是一个不可调节脚趾间距的升降站立腿。转动副构成的单自由度跖骨支链形成的脚并联机构是一个可调节脚趾间距的升降站立腿。

二移动自由度跖骨支链

单运动副构成的二自由度跖骨支链，例如，二平移平行四边形类复杂运动副(包括2-RPR平行四边形类复杂运动副和3-UU平行四边形类复杂运动副，也称为二维纯平移万向铰)。两个运动副构成的双自由度跖骨支链，例如：PP(两个P副轴线相互垂直)，RP，RR，PaP,PC，PaPP,PaR，RC。三个运动副组成的双自由度跖骨支链，例如，PPP(前两个P副轴线相互垂直，后两个P副轴线重合)，PCC，PaPP。最后一个运动副是消极副，作减振用。

双自由度跖骨支链形成的脚并联机构是一个可以改变脚趾间距的升降站立腿。二移动自由度跖骨支链，除了增大落趾点的选择范围外，还可以增大步幅，增加脚并联机构的一个Tx自由度。可加快前进方向的步行速度，提高越过壕沟的能力。对于具有Tx自由度的大腿机构，Tx自由度是一个冗余自由度。

三个移动自由度的跖骨支链，移动自由度组合为TxTyTz,RxTzTx,RyTzTy,RxRyTz。

单运动副构成的三自由度跖骨支链有三平移万向铰M；双运动副构成的三自由度跖骨支链有UP支链、PI支链、CP支链或U*P支链；三平移并联机构有3-UPU；串联机构有RRR，PPaP。三自由度跖骨支链形成的脚并联机构是一个可变换脚趾间距的升降站立腿。

三个移动自由度的跖骨支链，可以在更大的范围内(两个维度)选择落趾点，可以增大步幅，三个自由度的跖骨支链，除了更大的落趾点的选择范围外。加快前进方向和横向的步行速度，提高越过壕沟的能力。

跖骨支链主要应用串联机构。有时并联机构也可以应用，但结构复杂，工作过程扰动空间较大。三个平移自由度跖骨支链，如果用并联机构，就会比较复杂，会增加腿的重量。但是，它有更高的承载能力。

两个或三个自由度的跖骨支链，不论机体是水平状态或倾斜状态，其轴线经过控制都可与地面垂直，优化了受力状态。同时，在同样的结构尺寸下，上坡能力有提高(提高5-10度)。

跖骨支链除了上述具有独立自由度的支链外，还有一种相互关联的跖骨支链。相互关联的跖骨支链，可以用较少的自由度，实现脚趾的某种对称移动，既改变了脚趾间距，又不使重心的位置发生较大的变化。

为了提高在结构路面上的移动速度，在趾部安装一个车轮，即安装轮式转动副Rw，车轮轴线平行于基础平台平面，定向轮轴线与前进方向垂直。轮子包括，带转向自由度的和不带转向自由度的两种。带轮子的跖骨支链的例子：PRw，PPRw，PPPRw，RPRw，RPPRw，RRw，RRRw，RRPRw，RPRw，PaRw，PaRRw PaPRw，PaPPRw，PPRw。有转向轮的跖骨支链最多5个自由度。

足弓平台与三个跖骨支链连接，形成一个完整的足弓。足弓高低可变；某些跖骨支链，脚趾的间距也是可变的。

跖骨支链中，如果两个P副轴线重合，则有一个消极副，作减振用。如果两个P副轴线垂直，则是两个主动副，构成两个自由度的支链。

以上符号的意义：P表示广义移动副，R表示转动副，Rw表示轮式转动副，即车轮，C表示圆柱副，H表示螺旋副，Pa表示平行四边形运动副，U*和I表示二平移平行四边形复杂运动副，也称为二纯平移万向铰，M表示三平移平行四边形类复杂运动副。

不论应用哪一种跖骨支链，脚趾三角形都要尽可能大，以得到较大的稳定范围。

跖骨支链的长度变化量越大，则爬坡能力越强。为提供爬坡的能力，跖骨支链应当增加移动变化量。例如，用多节移动副，增加移动量。

跖骨支链与足弓平台的连接，应当注意第一个运动副的轴线与足弓平台平面的关系。例如，P副或RHP作为跖骨支链，第一个运动副轴线垂直于基础平台平面；PP(P垂直于P)或PR作为跖骨支链，第一个运动副轴线平行于基础平台平面；RR、RP或RPP作为跖骨支链，第一个运动副的轴线平行于基础平台平面。

关于脚趾

三个脚趾不共线，通常是在一个正三角形或等腰三角形的三个顶点上。自然地，三个跖骨支链与足弓平台的连接点也不共线。

脚趾有多种结构形式。为了在天棚，墙面等特殊表面上工作，在趾部可以装有吸盘，电磁铁等。为了减少落地时的冲击，提高步行机器人的稳定性，在脚趾下部安装有弹性减振装置。例如脚趾安装有一弹性垫；或在跖骨支链的末端安装有消极移动副，安装一个运动副类型的减震器。趾部下端形状最好为半球状或椭球状。这可以适应各种路面。轮子也是一种特殊的脚趾。脚趾下部还可以安装有测距传感器和压力传感器等。

关于大腿机构

大腿机构是具有确定的自由度和自由度组合的机构。单自由度的大腿机构有6种，其中4种大腿机构中没有Rx或Ry自由度；双自由度组合的大腿机构有14种，其中6种大腿机构中没有Rx或Ry自由度；三自由度组合的大腿机构有9种，其中3种大腿机构中没有Rx或Ry自由度；四自由度组合的大腿机构有5种，其中1种大腿机构中没有Rx或Ry自由度；五自由度组合的大腿机构有2种，其中0种大腿机构中没有Rx或Ry自由度。

在各种自由度组合(包括单自由度)的大腿机构中，有14种大腿机构，没有Rx或Ry自由度；有22种大腿机构，包含有Rx或Ry自由度。在14种没有Rx、没有Ry自由度的大腿机构中，除去单自由度的大腿机构，还有10大腿机构。这10种大腿机构可以是并联机构或串联机构。3自由度和4自由度的大腿机构有4种，这四种还可以是混联机构。在10种没有Rx、没有Ry自由度的大腿机构中，除去含有Tz自由度的大腿机构，还有4种机构都是平面大腿机构。

包含有Rx或Ry自由度的大腿机构，在特殊场合应用有优势。例如，多数工作场合是倾斜路面，机体还要求水平姿态的情况。

大腿机构可以是串联机构，并联机构，混联机构或单个运动副。多个支链的大腿机构，相同支链或不同的支链都可以应用。一个腿机构可以没有或只能有一个绕水平轴线转动的自由度。Rx自由度和Ry自由度不能同时出现在一个大腿机构中。

大腿机构如果有两个或多个支链，各支链应当互不干涉。这也是一个机构必须满足的条件。

大腿机构有空间机构，混联机构，平面机构，或单个运动副。下面分别讨论。

空间机构：其自由度组合包括：3TRz，3T0R。3TRzRx，3TRzRy，3TRx，3TRy。

空间机构有很多种结构形式。空间并联机构：3T0R机构，例如(3-UPU)、(3-PUU)、(3-CPP)机构等。3TRz机构，例如4-UPU并联机构。

混联机构，例如，自由度组合(3T0R)Rz，(3TRz)Rz，Rz(3TRz)，(3TRz)Rx，(3TRz)Ry，(3T)Rx，(3T)Ry，(TxTy)Rz；(TxTyRz)Rz等。上述的空间机构或下述的平面机构串联一个转动副Rz即可。绕Z轴转动的自由度允许有冗余自由度。

平面机构的自由度组合有TxTyRz，TxTzRz，TyTzRz，TxTy，TxTz，TyTz，TxRz，TyRz，TzRz多种；构成的机构包括并联机构和串联机构。例如并联机构：3-RRR,3-RPS,3-RPR，3-RPR，3-PRP，3-PaPaRz机构等。例如串联机构：RRR,RPR,PaPaRz机构，还有：PRz，RzU*，(CC)Rz机构等。这些平面并联机构都可以应用到本发明中。

单个运动副形成的机构比较简单。例如Tx由P副形成，Ty由P副形成，Rz由R副形成，TzRz由C副形成。单运动副I，M，U*也是可行的。

同时具有Tx、Ty、Rz三个自由度的大腿机构称为满自由度大腿机构；除Tx、Ty、Rz自由度外，还有其它自由度的大腿机构称为冗余自由度大腿机构；缺少Tx、Ty、Rz自由度中任一个自由度的大腿机构称为少自由度大腿机构，例如，具有Tx、Ty、Tz自由度的大腿机构称为少自由度大腿机构。

大腿机构按照功能分类有转向大腿机构，单向移步大腿机构，双向移步大腿机构，单向移步转向大腿机构，双向移步转向大腿机构，冗余自由度大腿机构。

在众多的大腿机构中，选择大腿机构的原则是：并联机构优于串联机构；不含Rx，Ry的机构优于包含一个Rx或Ry的机构；在某些情况下，不含Tz的机构优于包含Tz的机构；在某些情况下，混联机构优于并联机构；在某些情况下，平面并联机构优于空间并联机构；在某些情况下，冗余支链并联机构优于满(恰)支链并联机构(自由度数与支链数相等的并联机构)。

关于混联腿机构

构建混联腿机构就是连接一个脚并联机构和一个大腿机构。任意一个脚并联机构和任意一个大腿机构，只要共用一个足弓平台，都可以构成一个混联腿机构。

构建混联腿机构的目的是使脚并联机构获得迈步、转向功能。大腿机构与脚并联机构的连接部件就是足弓平台，二者共用一个足弓平台。简单说，连接在一起且共用了一个足弓平台的大腿机构和脚并联机构就是一个混联腿机构。

混联腿机构除脚并联机构的Rx、Ry、Tz自由度外，大腿机构同时还至少具有下述三个自由度的一个自由度：1、前进方向的运动自由度Tx，2、横向运动自由度Ty，3、绕Z轴线转动的自由度Rz。

脚并联机构的站立、抬步功能，与大腿机构的前进方向的运动自由度配合完成前进方向的迈步功能；脚并联机构的站立、抬步功能，与大腿机构的横向运动自由度配合完成横向方向的迈步功能；脚并联机构的站立、抬步功能，与大腿机构的转向运动自由度配合完成转向功能。

最好的混联腿机构有六个或更多的自由度。混联腿机构的主要功能包括站立、迈步和转向功能。混联腿机构有单向迈步腿，双向迈步腿，转向腿，单向迈步转向腿，全能腿，可调脚趾间距腿等。

混联腿机构允许有其它冗余自由度。本发明消除了Rx，Ry自由度同时冗余的情况。单个Rx，Ry自由度冗余是允许的。其它自由度的冗余也是允许的。

冗余自由度混联步行机器人包括两种情况。

大腿机构出现冗余自由度，分为两种情况。1、大腿机构中有Tz、Rx或Ry自由度，则与脚并联机构的自由度出现重合，形成冗余自由度。例如，大腿机构应用了3TRz,或TxRx，则3TRz出现了Tz自由度冗余，TxRx出现了Rx自由度冗余。2、大腿机构自身出现自由度冗余。例如，大腿机构用3自由度平面机构再串联一个Rz，则Rz出现冗余自由度。具有冗余自由度大腿机构的混联腿机构必是一个冗余自由度混联腿机构。

脚并联机构出现自由度冗余，分为两种情况。1、在脚并联机构中，如果跖骨支链都是两个自由度或三个自由度，则脚并联机构具有Ty或Tx自由度。如果与之配合的大腿机构也有Ty或Tx自由度，则会出现Ty或Tx自由度冗余。2、跖骨支链自身有自由度冗余。例如，跖骨支链中有两个轴线重合的移动副(或圆柱副)，其中一个作为减震器(消极副)，减震器就是一个冗余自由度。再如，三个轴线平行的转动副，作为跖骨支链，最下面的转动副是消极副，作为减震器使用，则也有一个冗余自由度(参见图5)。具有冗余自由度脚并联机构的混联腿机构必是一个冗余自由度混联腿机构。

冗余自由度混联腿机构不影响腿机构的应用。某些情况下还是好事情。

关于两个腿机构的连接和骨盆

并不是任意两个混联腿机构或一个混联腿机构与一个脚并联机构连接就可以形成一个混联步行机器人。例如两个图18中的腿机构不能形成步行混联机器人。因为这个机器人没有转向能力。两个腿机构除满足自由度要求外，结构还必须满足一定的要求。

两个满自由度的混联腿机构能够组合成为一个混联步行机器人。一个满自由度的混联腿机构与一个少自由度的腿机构或脚并联机构也能够组合成为一个混联步行机器人。两个少自由度的腿机构只有满足一定的自由度条件时，才能组成混联步行机器人。有时，脚并联机构的水平方向的自由度与大腿机构配合，也可以实现步行移动。但是这不是最好的选择。例如。一个转向大腿机构配一个单向脚趾间距可调脚并联机构构成一个混联腿机构。两个这样的混联腿机构可以构成一个混联步行机器人。显然，这不是一个好方案。但是，有了这样一个冗余自由度，当大腿机构的移步自由度出现故障时，步行机器人还可以依靠这个冗余自由度步行，这是潜在的好处。

连接两个腿机构后形成的骨盆，还用于安装机体(机身)和操作手等。

自然地，连接两个混联腿机构时，两个腿机构的脚趾都应当在下面，两个腿机构的尺度应大致相当。

连接后的两个大腿机构形成一层、二层或多层机构：主要分为几种情况。

一层结构：骨盆、A腿大腿支链和B腿大腿支链、A腿足弓平台和B腿足弓平台都在同一层。

二层结构：骨盆一层，A腿大腿支链和B腿大腿支链与骨盆在同一层，A腿足弓平台和B腿足弓平台在同一层。例如RPR支链，RRR支链用于腿机构(参见实施例2，3，4)。两层结构还包括一个混联腿机构与一个脚并联机构组合形成的混联步行机器人。有一个腿机构没有大腿支链。脚并联机构的足弓平台与混联腿机构的上平台组成一层。混联腿机构的足弓平台形成一层，共两层。

三层结构：骨盆一层，A腿大腿支链和B腿大腿支链与骨盆在同一层，A腿足弓平台在第二层，B腿足弓平台在第三层。例如实施例1。

四层结构：为了加大活动空间，A腿大腿支链(包括骨盆)单独占据一层。B腿大腿支链(包括骨盆)也单独占据一层。两个腿机构的大腿支链允许有比较大的扰动空间，A腿足弓平台在第三层，B腿足弓平台在第四层。这种结构，两个骨盆一上一下连接为一体。

如果一个大腿机构的上平台和它的支链各占一层，则一个混联步行机器人可能会有六层。

对两个足弓平台或一高一低，或一内一外，或一前一后，互不干涉的要求，通常只要满足一条即可。足弓平台结构，凸的、平面的、凹的都可以。足弓平台的形状有Y、T、O、C、V、U、三角形、蝶形等多种结构形式，这几种结构只是一个近似的表达。同时也不限于这几种结构形式。配置两个足弓平台的目标是防止两个足弓平台的干涉，为两个足弓平台提供各自的活动空间，为两个跖骨支链提供各自的活动空间。满足足弓平台设计目的的各种形状都可以用来做足弓平台。有关足弓的结构与配置参阅文献1。

本发明的混联腿机构的特点是腿的抬步功能与移步功能分离，二者不相耦合，易于控制。

几点说明：

关于跖骨支链的移动自由度，是指脚趾这个点的移动自由度。所以安装在转动副上的脚趾，是具有移动自由度的。在符号串表达的自由度组合中，字母的顺序并不表示自由度的顺序。例如Rz(3T0R)与Rz(3TRz)是一样的，与顺序无关。本发明的混联步行机器人的外部，可采用封闭式结构，用于防火，防水或防辐射的场合。本发明的驱动建议应用远程驱动(例如固定的电机用齿带实现远程传动)，以减小运动部件的惯量。本发明中的各种机构应避开奇异位形。本发明的混联腿机构配置普通腿机构也是可行方案。包括文献1公开的腿机构，都可以配置普通的仿生腿机构，构成步行机器人。本发明是一个非仿生步行机器人。体现在三个方面：一是混联腿机构的移步功能和抬步功能是解耦的，转向功能和抬步功能也是解耦的。这是动物界没有见到的。二是两个腿可以互相包容，互相穿插。而动物的腿都是一个实心体，不能互相穿插，也不能互相包容。三是动物都有前后腿或左右腿或者前后左右腿都有。本发明给出的步行机器人没有前后左右腿，只有内外腿。所以本发明是非仿生步行机器人。

本发明给出的混联步行机器人的工作过程与文献1的步行机器人工作过程基本相同。这儿，对几个典型混联步行机器人的工作过程作简单说明。

混联步行机器人的自由度越少，其移动的功能越差。七个自由度，只能做波动式间歇移动，间歇转向(大角度时)，不能横向移动。八个自由度，依据自由度组合，1、只能做水平式间歇移动，间歇转向，不能横向移动，2、或只能做波动式间歇移动，连续转向，不能横向移动。3、只能做波动式间歇移动，间歇转向和横向移动。增加一个自由度，会改善机器人的步行功能。十二个自由度，可以作各种移动。如果脚趾间距可以调节，则需要十二个以上的自由度，这时，可以适应各种路面。

下面介绍三类混联步行机器人的步行工作过程。

以实施例1为例，说明内外式全(满)自由度混联步行机器人的工作过程。

1、静态稳定性直线行走：在一个步容周期内，停止时，假设A腿处于立脚相，B腿处于游脚相，步行过程中，骨盆保持水平。

A腿大腿机构上平台作水平运动，带动B腿移动，B腿脚趾三角形也作水平运动，实现移步，到达预定位置或达到最大步幅后，B腿各个跖骨支链放下来，三个脚趾依据地面高度，接触地面，B腿承受载荷。B腿变为立脚相。而后，A腿各个跖骨支链抬起来(缩短)，A腿变为游脚相。B腿大腿机构上平台作水平运动，带动A腿移动，同时A腿脚趾三角形也同方向作水平运动，实现移步，到达预定位置或达到最大步幅后，A腿跖骨支链放下来(伸长)，三个脚趾依据地面高度，接触地面，A腿承受载荷，A腿重新变为立脚相。完成一个循环。重复上述过程，实现直线水平步行移动。

实际的工作过程看出，本发明对不平路面的适应完全由脚并联机构完成；抬腿的任务主要由脚并联机构完成，只有在大腿机构存在Tz自由度时，抬腿的任务才由脚并联机构和大腿机构共同完成，但是大腿机构只是次要的作用；移步和转向功能主要由大腿机构完成。只有在脚并联机构的支链存在两个或三个自由度时，移步和转向的任务才由脚并联机构和大腿机构共同完成，但是脚并联机构的移步功能只是次要的作用。

2、静态稳定性转向：停止时，假设A腿处于立脚相，B腿处于游脚相。

处于游脚相的B腿脚趾三角形相对上平台转动，若达不到要求，上平台在立脚相A腿的带动下同方向转动。到达所要求转向角度或最大转向角度时，游脚相B腿脚趾放下，各个脚趾依据地面高度接触地面，B腿变为立脚相，A腿变为游脚相。立脚相B腿再转动一个角度，游脚相A腿也再转动一个角度，达到所要求转向角度。若角度不足，可重复上述过程，连续转向。转向过程中，机器人的重心不发生变化，始终处在立脚相腿机构三个脚趾形成的稳定三角形内。

3、静态稳定性直线行走的同时转向：由于转向过程中，机器人的重心不发生变化，所以步行机器人直线行走的同时，伴随转向，可以完成行走中的转向。

在这种步态下，一个步态的最大转向角和最大步幅都会适当减小。

4、动态步行

当向前运动时，即使机器人的重心瞬间超出了立脚相腿的稳定三角形范围，机器人仍然不需要左右调整重心位置。例如，如果A腿处于游脚相，B腿处于立脚相，只要B腿施力蹬地，上平台获得一个较大的向前和略向上的速度，重心迅速向前转移，A腿快速着地，重力完全落在A腿上，A腿变为立脚相，B腿抬起，B腿变为游脚相，就可以实现动态步行。

因此，不论是稳态步行，还是动态步行，机器人都不要在横向上调整其重心。

内外式步行机器人具有各向同性性。不转向的情况下，向各个方向的步行，其运动方式与上述过程基本相同，不在赘述。

以实施例3为例，说明交叉式步行机器人的工作过程。

1、静态稳定性直线行走

停止时，假设内A腿处于立脚相，外B腿处于游脚相。以两个脚趾三角形的中心连线为前进方向。

前进方向步行，B腿脚趾向前伸出，同时A腿驱动大腿上平台也向同一方向移动，于是上平台向前移动，重心随之前移，B腿脚趾随之前移，最后达到所需步长或最大步长时，B腿脚趾落地，承力，重心由A腿转向B腿，B腿处于立脚相，A腿抬起缩回，A腿处于游脚相。上平台继续向前移动，重心继续随之前移，重心移到B腿的中心上。B腿处于立脚相，开始下一个迈步运动，开始下一个循环。

2、静态稳定性转向：处于游脚相的B腿相对上平台转动，若达不到要求，上平台在立脚相A腿的带动下同方向转动。到达所要求转向角度或最大转向角度时，游脚相B腿放下，变为立脚相，立脚相A腿变为游脚相，立脚相腿再转动一个角度，达到所要求转向。若角度不足可重复上述过程，连接转向。转向过程中，机器人的重心不发生变化，始终处在立脚相腿机构三个脚趾形成的稳定三角形内。

以实施例7为例说明内外式八自由度混联步行机器人的工作过程。

这是一种自由度最少的混联步行机器人之一。这个混联步行机器人只能作间歇式步行运动。B腿用于单向迈步和转向，A腿可以完成站立和升降功能。B腿移步的同时可以转向，转向的同时也可以迈步。步行过程描述如下：A腿处于立脚相，机体重心基本不动，B腿抬起移步，放下；B腿承受机体载荷，顶起上平台，B腿变为立脚相，A腿抬起，机体在B腿的驱动下向前移动，到达新位置后内，A腿伸出，着地，承受载荷，A腿又处于立脚相，，B腿缩回，B腿变为游脚相，开始下一个循环，实现连续步行。

这个少自由度步行机器人转向过程也是间断进行。过程参考内外式全(满)自由度混联步行机器人的转向工作过程，不再赘述。

本发明有多种优秀的实施方案。为了比较清楚、全面的介绍各种方案，首先说明脚并联机构的多种结构方案，再说明混联腿机构的多种方案，最后介绍几种典型的混联步行机器人实施例。

脚并联机构(升降站立腿)

脚并联机构既是混联腿机构的必备机构，也是混联步行机器人腿机构的可选腿机构之一。所以是一种十分重要的机构。脚并联机构，按照跖骨支链的自由度分为，站立腿，升降站立腿，单方向脚趾间距可调升降站立腿，两个方向的脚趾间距可调升降站立腿机构，轮行腿，滚动腿等。脚趾三角形的一个高可定义为脚长，其底边定义为脚宽。

下面是脚并联机构的几种典型方案。

图1-4是四种不同的脚并联机构立体图。脚并联机构作为腿机构独立应用，多数情况下，只能与同时具有迈步和转向功能的混联腿机构配合，才能构成混联步行机器人。

图1是第一种脚并联机构1的立体图，其足弓1.1是环形足弓，其跖骨支链1.2是移动副，移动副轴线垂直于足弓平台平面，跖骨支链的下端是脚趾1.3，脚趾1.3间距不可以调节。这是一个升降站立腿，有三个自由度。如果右下角的跖骨支链换为转动副，转动副的轴线垂直于前进方向，则脚趾间距可以改变。

图2是第二种脚并联机构1的立体图，其足弓1.1是T形足弓，三个跖骨支链1.2，都是两个串联的转动副，两个自由度。三个跖骨支链有六个自由度。第一个转动副的轴线相互平行。跖骨支链的下端是脚趾1.3，脚趾1.3间距可以调节。跖骨脚并联机构有一个前进方向的自由度。

图3是第三种脚并联机构1的立体图，其足弓1.1是C形足弓，其跖骨支链1.2是两个串联的转动副，每个跖骨支链都有两个自由度，脚趾1.3间距可以独立调节；脚趾安装有轮式转动副(车轮)1.4，车轮的轴线互相平行，三个车轮至少有一个转向轮。这是一个脚趾间距可以独立调节的且可以轮行的升降站立腿。这个脚并联机构的跖骨支链也可以翻转到足弓平台的上面，当机器人翻转180度时，仍然具有步行和轮行能力。

图4是第四种脚并联机构1的立体图，其足弓1.1是T形足弓，其跖骨支链1.2是RP支链，两个运动副轴线互相垂直，跖骨支链有两个自由度，脚趾间距可以独立调节；脚趾安装有车轮1.4，定向轮的轴线互相平行，三个车轮至少有一个转向轮。这是一个脚趾间距可以独立调节的且可以轮行的升降站立腿。这个跖骨支链也可以翻转到足弓平台的上方。这样，当机器人翻转180度时，机器人仍然可以变步行或轮行。

图5是一个具有消极转动副的跖骨支链，它由三个转动副组成，三个转动副轴线互相平行。有两个自由度和一个冗余自由度。最下面的转动副是消极副，作减振用。标注同图1。

图6是一个有两个输出端传动箱的传动例子。以T型足弓平台1、1为安装平台。传动箱1.5为长条形状，安装在T足弓平台的“横”上。中间的两个齿轮，一个是主动齿轮，是输入端1.6，与它啮合的齿轮，是被动齿轮，两个齿轮转动方向相反。还有两个齿轮安装在传动箱的两端，是两个输出端1.7，中间的主动齿轮驱动一个端部齿轮，中间的被动齿轮驱动另一个端部齿轮。四个齿轮的轴线在水平面上，且相互平行。两个端部齿轮的转动方向是相反的。两个端部齿轮各连接一个跖骨支链1.2(RR)。两端的齿轮轴就是两个跖骨支链的第一个转动副，这两个转动副是相关的。有一个转动副驱动。主动端有一个输入时，两个脚趾1.3要么靠近，要么远离。实现了一个转动副调节两个脚趾1.3的目的。有了这个传动箱，只要4个或5个自由度，就可以实现改变脚趾间距和脚的大小的目的。

这个传动箱的传动链也可以改为PHRHP，中间的转动副是主动副，两个移动副是输出端。两个螺旋副的螺纹方向相反。三个脚趾1.3的间距可以独立调节。

混联腿机构

由于混联腿机构由大腿机构和脚并联机构组成，这儿先说明大腿机构。

按照大腿机构的自由度，大腿机构分为：单自由度大腿机构，双自由度大腿机构，三自由度大腿机构，冗余自由度大腿机构(含有Rx、Ry、Tz自由度的大腿机构称为冗余自由度大腿机构)。

图7-图17是几种不同的大腿机构的示意图。

图7是一种双自由度(1TxRz)大腿机构2的简图，其大腿足弓平台2.3(下平台)是环形足弓平台，上平台2.1是三角形平台；三个大腿支链2.2，两个自由度(1Tx1Rz)，一个支链是冗余支链，三个大腿支链2.2分别是一个PR支链，两个RRR支链。

图8是另一种双自由度(TxTy0R)大腿机构2的简图，其大腿足弓平台2.3(下平台)是蝶形足弓平台，上平台2.1是三角形平台；三个大腿支链2.2，两个自由度(TxTy0R)，一个支链是消极支链，三个大腿支链2.2分别是一个PaPa支链，两个RPR(或RPS)支链。

图9、图10、图11、图12是三种大腿机构2的简图，三个大腿机构2都是满自由度平面并联机构，三个自由度(TxTyRz)，图10的大腿支链2.2是RPR支链，其余几个大腿支链2.2是RRR支链。其上平台2.1分别是六边形平台和三角形，大腿足弓平台2.3(下平台)分别是环形足弓平台，T型足弓平台、三角形足弓平台和C形足弓平台。

图13、图14是另外两种大腿机构的简图，都是满自由度平面并联机构，三个自由度(TxTyRz)，三种大腿支链2.2分别是RRR或RPR支链。大腿足弓平台2.3分别是环型和凸边三角形，其上平台2.1的类型如图示，不再赘述。

图15是另外一种大腿机构2的简图，也是满自由度平面并联机构，三个大腿支链2.2都是PRP支链。其上平台2.1和大腿足弓平台2.3(下平台)都是圆形平台。

图16是一种混联机构的大腿机构2的简图，混联机构由一个平面并联机构和一个转动副2.4串联构成，三个自由度(TxTyRz)。三个大腿支链2.2都是RRR支链，其中一个支链是冗余支链，构成一个二自由度并联机构。其上平台2.1是Y型，大腿足弓平台2.3(下平台)是环型。图17是图10混联机构大腿机构一个支链的剖面图，一个具有消极支链的平面二自由度并联机构串联一个转动副2.4。中心的转动副轴线垂直于水平面，提供转向自由度。其余标注同图16

混联腿机构

混联腿机构有多种类型。例如，站立腿，升降站立腿，转向腿，转向迈步腿，单向迈步腿，双向迈步腿，全能腿，单方向脚趾间距可调升降站立腿，两个方向的脚趾间距可调升降站立腿机构，轮行腿，滚动腿等。下面是混联腿机构的几种典型方案。

图18-图25是几种不同的混联腿机构，其足弓平台3.3都是Y型足弓平台。

图18-图20是三种少自由度混联腿机构。其脚并联机构3.2的跖骨支链都是移动副。

图18是一种转向混联腿机构3的简图，大腿机构3.1由一个转动副构成，转动副轴线垂直于水平面，上平台3.1是三角形，足弓平台3.3是Y型。大腿机构是一个单自由度机构。脚并联机构3.2是具有Y足弓平台的升降站立腿。转向混联腿机构有四个自由度，具有转向和升降站立功能。这个转向腿机构，只能与具有包括迈步或更多功能的混联腿机构配合，才能构成步行机器人。

图19是一种单向迈步混联腿机构3的简图，大腿机构3.1由一个棱柱副构成，棱柱副轴线水平，脚并联机构3.2是具有Y足弓平台3.3的升降站立腿，这个单向迈步混联腿机构有四个自由度，具有迈步和站立两个功能。棱柱副也可以换位C副，多出一个冗余自由度Rx。这个单向迈步腿机构，只能与具有包括转向或更多功能的混联腿机构配合，才能构成步行机器人。

图20是一种单向迈步转向混联腿机构3的简图，大腿机构3.1的大腿支链由两个平行的圆柱副和一个转动副串联构成。圆柱副轴线水平，再串联一个转动副，转动副轴线垂直于水平面，大腿机构有两个自由度(TxRz),脚并联机构3.2是具有Y足弓平台3.3的升降站立腿，单向迈步转向混联腿机构有五个自由度，具有迈步、转向和站立三个功能。这个单向迈步转向腿机构，可以与各种腿机构配合，构成步行机器人。

图21是一种满自由度混联腿机构3。它们的大腿机构3.1是满自由度平面并联机构，大腿支链是RRR支链，脚并联机构3.2是跖骨支链为移动副的升降站立腿。足弓平台3.3是Y型足弓平台。图21的机体高度，在移动副缩回时，机体腹部(最下面的足弓平台)可以接触地面。机器人可以爬行。这个腿机构，能与任何一个腿机构配合，构成步行机器人。任何一种满自由度腿机构，都能与任何一个腿机构配合，构成步行机器人。

图22是一种混联腿机构3的立体图。大腿机构3.1与图21的大腿机构相同。足弓平台3.3是Y型平台，脚并联机构3.2的跖骨支链有两个自由度，支链是RR支链，两个转动副轴线平行，脚趾间距可以调节，跖骨支链的输出端有轮，至少一个轮是转向轮。跖骨跖骨支链可以翻转到骨盆平面的上方。当机体翻转180度时，仍然可以步行或轮行。

图23是另一种与图22略有不同的混联腿机构3的立体图。大腿机构3.1通过足弓平台3.3连接脚并联机构3.2。与图22的区别是，跖骨支链的两个自由度，由PP支链完成，两个移动副轴线相互垂直，脚趾间距可以调节，跖骨支链的输出端有轮。跖骨跖骨支链不能翻转到骨盆平面的上方。标注同图22.

图24是一种双面步行的混联腿机构3。大腿机构3.1通过足弓平台3.3连接脚并联机构3.2。基本机构与图21相同。主要差别是图21的单输出移动副换为图24的双输出移动副。可以看出，机体翻转180度时，仍然可以步行。这个方案与图25的差别是双面步行不需要转换。两个这样的腿机构组合，可以构成双面步行机器人。如果在骨盆平面内，安装一个大圆环，则侧立时或可以倒下恢复步行状态，实现双面步行，或保持机器人侧立，可以滚动移动。

图25是一个具有大圆环的腿机构。腿机构3有六个自由度，具有两个方向迈步功能和转向、站立功能。大腿机构3.1是一个平面并联机构，三个自由度，大腿支链是RRR支链，脚并联机构3.2是一个三自由度半闭环并联机构，跖骨支链是RP支链，脚趾是轮式转动副。脚并联机构是有Y足弓3.3的升降站立腿。除具有双向迈步、转向和站立三个功能外，还可以轮行代替步行。就其工作状态而言，这个混联步行机器人是关于骨盆平面对称的。大圆环5.1与骨盆在一个平面内。大圆环直径大于脚趾三角形外接圆直径，保证侧立时机体可以倒下，恢复步行状态。

两个这样的腿机构组合，可以构成双面步行机器人，具有步行、轮行和滚动三种运动方式。一个腿机构上有大圆环即可，不用两个大圆环。带有大圆环的机器人，在侧立时如果不能倒下也不能步行，则可以通过改变重心位置实现滚动移动。

七个实施例

图26-33是多种不同的混联步行机器人的简图。在下述的实施例中，多数大腿机构的大腿支链都应用了RRR支链。这只是为了表达的方便。实际上，实施例中的大腿机构的支链，更换为其它支链都是完全可行的。例如，更换为RPR支链，PRP支链，都是可行的。一个大腿机构，应用不同类型的支链也是可行的。

在下述的实施例中，多数脚并联机构的跖骨支链都应用了一个自由度或两个自由度的支链。这也只是为了表达的方便。实际上，实施例中的跖骨机构的支链，更换为其它多自由度或更多运动副的支链，包括具有冗余自由度的跖骨支链都是完全可行的。例如，应用RRR支链，RPP支链，都是可行的。一个跖骨支链，应用不同类型的跖骨支链也是可行的。例如，五个自由度的脚并联机构，不但能够满足抬步、站立的要求，还能够改变脚趾的间距。

在下述的各个实施例中，连接在一起的两个腿机构，其两个大腿支链，两个足弓平台、两组跖骨支链都有各自独立的工作空间，互不干涉。两个相邻的脚趾的工作空间也允许有部分重合，可以通过控制的方法防止互相干涉。

实施例1(图26)是由两个混联腿机构(图21)构成的混联步行机器人4，A腿机构4.1和B腿机构4.2的上平台(髋骨平面相互错开60度)连接在一起，形成一个骨盆4.3。两个大腿机构的支链在同一个层面上(也可以在不同的层面上)。两个腿机构的大腿支链各占据约60度的扇形空间，互不干涉。两个Y型足弓平台位于不同的高度，互不干涉。每个跖骨支链各占据60度左右的扇形空间，互不干涉。其两个腿机构上的脚趾，各占据大约60度的扇形空间。每一个脚趾都有独立的自由工作空间。这是内外式的混联步行机器人。两个脚趾三角形的重心间距基本上等于0。两个脚趾三角形在水平面上的投影是大部分重叠的，两个上平台的中心是基本重合的。这是一个具有各向同性的混联步行机器人。

如果这个机器人的跖骨支链的移动副由RHP支链完成，则机器人的驱动电机都可以安装在骨盆上。跖骨支链的驱动，可以把电机安装在骨盆上，通过大腿支链的两个平行的转动副轴线，用两个齿带间接传动驱动跖骨支链。

实施例2(图27)是由一大一小两个混联腿机构构成的混联步行机器人4，较大的混联腿机构4.1参考图13，较小的腿机构4.2参考图11。两个腿机构的上平台连接在一起，形成一个骨盆4.3，两个大腿机构的支链在同一个层面上，骨盆在另一个层面上(也可以在同一个的层面上)。大腿支链2.2都有自己的活动空间，互不干涉。两个足弓平台位于同一个高度，一个是凸边三角形，较大，一个是Y型，较小，二者互不干涉。每个跖骨支链1.2都有自己的活动空间。如果较大的腿机构脚趾三角形较大，则脚趾工作空间可以比较大。两个脚趾三角形重心之间的距离为0，足弓平台结构也适于双面机器人。图28是较大的腿机构的一个支链(包括大腿支链和跖骨支链)的剖面图；图29是较小的腿机构的一个支链(包括大腿支链和跖骨支链)的剖面图。标注同图27。

实施例3(图30)是一种双面步行、轮行的混联步行机器人4。混联腿机构与图25的腿机构相同(没有大圆环)。A腿机构4.1和B腿机构4.2都有有六个自由度，具有两个方向的迈步功能和转向、站立功能。大腿机构是一个平面并联机构，三个自由度，大腿支链是RRR支链，脚并联机构是一个三自由度半闭环并联机构。跖骨支链是RPRw支链。脚并联机构是Y足弓平台的单向可调节脚趾间距的升降站立腿。

两个腿机构的上平台(髋骨)平面相互错开60度连接在一起，形成一个骨盆4.3。两个脚趾三角形重心之间的距离为0。两个大腿机构的支链在同一个层面上(也可以在不同的层面上)。两个腿机构的支链各占据约60度的扇形空间，互不干涉。两个Y型足弓平台位于不同的高度，互不干涉。每个跖骨支链各占据60度左右的扇形空间，互不干涉。跖骨支链的端部有轮，跖骨支链可以翻转到骨盆的上方，形成双面步行机器人。

如果在骨盆平面内安装一个大圆环(参考图25)，可以变为一个在侧立时可以滚动的机器人。为了减少正常步行时的横向尺寸，大圆环可以设计成可伸缩的大圆环，大圆环不限于文献2给出的可展机构。那么，这个机器人有三种运动方式：步行、轮行和滚动。这是一个轮腿结合式步行机器人。

实施例4(图31)是由一左一右两个混联腿机构构成的混联步行机器人4，两个腿机构的上平台一左一右连接在一起，形成一个骨盆4.3，两个大腿机构的支链在同一个层面上，骨盆4.3在另一个不同的层面上，左侧腿机构4.1的足弓平台是C型足弓平台，右侧腿机构4.2的足弓平台是T型足弓平台，两个足弓平台位于同一个高度上，互不干涉。两个脚趾三角形同相位，右侧脚并联机构的一个脚趾位于左侧腿机构的脚趾三角形的中心。两个脚趾三角形的重心之间的距离是0.5(Ra+Rb)。这是一个仅有一个对称轴线的混联步行机器人，这是一个非各向同性的混联步行机器人。前进方向的运动速度会快些，侧向运动会慢些。图33是一个支链(包括大腿支链和跖骨支链)的剖面图。

实施例5(图32)是另一种由一左一右两个混联腿机构构成的混联步行机器人4，两个腿机构的上平台连接在一起，两个上平台形成一个长方形的骨盆4.3，两个大腿机构的支链在同一个层面上，大腿支链都有各自的独立活动空间，骨盆在另一个不同的层面上(也可以在同一个层面上)，左侧腿机构4.1的足弓平台是曲线凸边三角形型足弓平台，右侧腿机构4.2的足弓平台也是曲线凸边三角形型足弓平台，两个足弓平台位于不同高度上，互不干涉。右侧脚并联机构的一个脚趾位于左侧腿机构的脚趾三角形的中心。左侧脚并联机构的一个脚趾位于右侧腿机构的脚趾三角形的中心。两个脚趾三角形的重心之间的距离是0.5(Ra+Rb)。这是一个有两个对称轴线的混联步行机器人，也是一个非各向同性的混联步行机器人。前进方向的运动速度会快些，侧向运动会慢些。图33是一个支链(包括大腿支链和跖骨支链)的剖面图。

实施例6是由图18与图19结合构成的一个少自由度混联步行步行机器人(八个自由度)。图18是一个转向升降站立腿，图19是一个单向迈步腿机构。装配时，两个腿机构的跖骨支链各占据60度扇形空间。一个腿机构完成转向升降站立功能，一个腿机构完成迈步功能。这个机器人只能进行间断式直行和间断转向(小角度转向时，可以连续转向)的运动。

实施例7是由图20与图1结合构成的一个八自由度步行机器人。这是一个混联腿机构与一个脚并联机构组合构成的混联步行机器人。图1是一个升降站立腿，图20是一个单向迈步转向腿机构。装配时，两个腿机构的跖骨支链各占据60度扇形空间。一个腿机构完成升降站立功能，另一个腿机构完成转向和迈步功能。这个机器人只能进行间断式直行和间断转向(小角度转向时，可以连续转向)的运动。

Claims (11)

1.一种混联步行机器人的构建方法，其特征在于，该构建方法如下：

(1)构建脚并联机构和大腿机构

构建脚并联机构

每一个脚并联机构包括一个脚足弓平台、三个趾骨支链和三个脚趾，三个趾骨支链固定连接在脚足弓平台上，连接点位于一个三角形的三个顶点上；三个趾骨支链的下端连接脚趾，三个脚趾形成一个脚趾三角形；脚并联机构是一个升降站立腿；趾骨支链是由下列自由度组合形成的机构：Tz，TzTx，TzTy，TzTxTy，RxTz，RyTz,RxTzTx，RyTzTy或RxRyTz；

构建大腿机构

大腿机构包括上平台、下平台以及联接上平台和下平台的一个或一个以上的大腿支链，大腿支链是一个运动副，一个或多个串联机构，或一个混联机构；大腿机构是一个有一到五个自由度的机构；一到五个自由度，是Tx，Ty，Tz，Rz，Rx或Tx，Ty，Tz，Rz，Rx，Ry中的自由度的任意组合；包括单自由度，二、三、四、五自由度；

(2)、构建混联腿机构

混联腿机构包括一个大腿机构和一个脚并联机构，脚并联机构在大腿机构的下方，二者串联连接成为一个混联腿机构；选择脚并联机构的脚足弓平台或大腿机构的下平台作为共用的一个足弓平台；

(3)、选择两个合适的腿机构A、B

在上述的混联腿机构中，选取一个混联腿机构作为腿机构A，

在上述的混联腿机构和脚并联机构中，选取一个混联腿机构或脚并联机构作为腿机构B；

对两个腿机构的自由度组合要求是：

两个腿机构必须至少有一个Rz自由度，一个Tx或Ty的自由度，或者至少有一个混联腿机构的大腿机构同时拥有Rz自由度及Tx或Ty自由度；或者两个大腿机构都拥有Rz自由度和Tx、Ty自由度；

(4)、连接A、B两个腿机构，构建一个混联步行机器人

如果A、B两个腿机构是两个混联腿机构，则A、B两个腿机构的大腿机构的上平台固连在一起，两个连接在一起的上平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人；

如果两个腿机构一个是混联腿机构，另一个是脚并联机构，则混联腿机构的大腿机构的上平台与脚并联机构的脚足弓平台固连在一起，两个连接在一起的平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人；连接时，对大腿支链、足弓平台、跖骨支链、脚趾及脚趾三角形的布置要求是：

两个腿机构的各个大腿支链都有其独立的活动空间，互不干涉；

两个足弓平台或一高一低，或一内一外，或一前一后，互不干涉；

两个腿机构的跖骨支链都有其独立的工作空间，互不干涉；

两个腿机构的脚趾在水平面上的投影不重合；

连接在一起的两个腿机构的脚趾三角形的重心之间的距离小于两个脚趾三角形外接圆的半径之和，且两个脚趾三角形在水平面上的投影有重合。

2.一种由权利要求1所述的混联步行机器人构建方法构建的混联步行机器人，其特征在于，包括A、B两个腿机构，一个腿机构A是混联腿机构，另一个腿机构B是混联腿机构或脚并联机构；两个腿机构的上部连接在一起，混联腿机构包括脚并联机构和大腿机构；

脚并联机构

脚并联机构包括一个脚足弓平台、三个趾骨支链和三个脚趾，三个趾骨支链固定连接在脚足弓平台上，连接点位于一个三角形的三个顶点上；三个趾骨支链的下端连接脚趾，三个脚趾形成一个脚趾三角形；脚并联机构是一个升降站立腿；跖骨支链是一种具有一到多个自由度的支链；趾骨支链的自由度组合是：Tz，TzTx，TzTy，TzTxTy，RxTz，RyTz,RxTzTx，RyTzTy，RxRyTz自由度组合中的一种或多种；三个跖骨支链是相同的支链或不同的支链；

大腿机构

大腿机构包括上平台、下平台以及联接上平台和下平台的一个或一个以上的大腿支链，大腿机构的下平台是足弓平台型平台；大腿支链是一个运动副，一个或多个串联机构，或一个混联机构；大腿机构是一个具有一到五个自由度的机构；大腿机构的一到五个自由度，是Tx，Ty，Tz，Rz，Rx或Tx，Ty，Tz，Rz，Ry中的各个自由度的任意组合；

混联腿机构

混联腿机构包括一个大腿机构和一个脚并联机构，脚并联机构在大腿机构的下方，二者串联连接成为一个混联腿机构；脚并联机构与大腿机构公用一个平台，二者通过一个足弓平台连接在一起；

A、B两个腿机构

一个腿机构A是混联腿机构，另一个腿机构B是混联腿机构或脚并联机构；

对两个腿机构的自由度组合要求是：

两个腿机构的大腿机构必须至少有一个Rz自由度，一个Tx或Ty的自由度，或者至少有一个混联腿机构的大腿机构同时拥有Rz自由度及Tx或Ty自由度；或者两个大腿机构都拥有Rz自由度和Tx、Ty自由度；

如果两个腿机构都是混联腿机构，则A、B两个腿机构的大腿机构的上平台固连在一起，两个连接在一起的上平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人，

如果一个腿机构是混联腿机构，另一个腿机构是脚并联机构，则混联腿机构的大腿机构的上平台与脚并联机构的脚足弓平台固连在一起，两个连接在一起的上平台形成一个骨盆，两个连接在一起的腿机构形成一个混联步行机器人；

两个腿机构的各个大腿支链都有其独立的活动空间，互不干涉；

两个足弓平台或一高一低，或一内一外，或一前一后，互不干涉；

两个腿机构的跖骨支链都有其独立的工作空间，互不干涉；

两个腿机构的脚趾在水平面上的投影不重合；

连接在一起的两个腿机构的脚趾三角形的重心之间的距离小于两个脚趾三角形外接圆的半径之和，且两个脚趾三角形在水平面上的投影有重合。

3.由权利要求2所述的混联步行机器人，其特征在于，所述的趾骨支链，至少有一个跖骨支链，除具有一个Z轴方向的移动自由度外，还有水平方向的一个或两个移动自由度。

4.由权利要求2所述的混联步行机器人，其大腿机构是空间并联机构或混联机构：其自由度组合是3TRz，(3T0R)Rz，(3TRz)Rz，(TxTy)Rz中的一种。

5.由权利要求2所述的混联步行机器人，所述的大腿机构是平面并联机构；其自由度组合是TxTyRz，TxTy，TxRz，TyRz中的一种。

6.由权利要求2所述的混联步行机器人，其特征在于，所述的A、B两个腿机构的脚趾三角形的重心之间的距离是下列两种情况中的一种：

a、两个腿机构的脚趾三角形的中心之间的距离为0或小于0.20(Ra+Rb)，

b、两个腿机构的脚趾三角形的中心之间的距离大于等于0.30(Ra+Rb)小于等于0.70(Ra+Rb)，

其中

Ra是A腿机构脚趾三角形外接圆的半径，

Rb是B腿机构脚趾三角形外接圆的半径。

7.由权利要求2所述的混联步行机器人，其特征在于，包括A腿机构、B腿机构和骨盆，所述的腿机构的跖骨支链的第一个运动副是下列3种运动副之一种：

A、跖骨支链的第一个运动副是双作用移动副，移动副的轴线垂直于足弓平台平面；

B、跖骨支链的第一个运动副是转动副，跖骨支链是PHRHP，其中转动副的轴线垂直于足弓平台平面；

C、跖骨支链的第一个运动副是转动副，转动副的轴线与足弓平台平面平行。

8.由权利要求7所述的混联步行机器人，其特征在于，所述的骨盆上连接一个大圆环，所述大圆环与骨盆平面在一个平面上，大圆环的中心与骨盆的中心在同一个位置；大圆环的直径大于脚趾三角形的外接圆直径。

9.由权利要求8所述的混联步行机器人，其特征在于，所述大圆环是可伸缩圆环。

10.由权利要求2、7、8、9中任一项所述的混联步行机器人，其特征在于，其所述的腿机构，至少有一个腿机构上的脚趾全部是轮式转动副构成的脚趾，轮式转动副的轴线平行于基础平台平面，至少与一个轮式转动副是转向轮，车轮上有锁定或刹车装置。

11.如权利要求2、3、4、5、6中任一项所述的混联步行机器人，其特征在于，所述的脚并联机构，其足弓平台上安装一个传动箱；所述传动箱有一个输入端，有两个或三个输出端，一个输出端连接一个跖骨支链；两个或三个输出端具有相向的或相背的移动方向或转动方向；传动箱的形状与足弓的整体或部分形状相一致。

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