CN114148429B - 一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人 - Google Patents

Abstract

一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，属于足式机器人领域，本发明为了解决现有外骨骼机器人多为串联双足机器人，其自由度低导致与穿戴者协调性差，刚度不足，行走速度慢，而并联机器人，虽然刚度较强，但尺寸大，结构复杂，不利于应用在双足机器人领域的问题，进而结合并联机器人的优点，改进并联结构应用于外骨骼和双足方面，提供一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，其核心是采用Delta构型并联机器人，腿部可以灵活控制，承载能力强，刚度好，通过两个Delta构型机器人的运动控制来完成整体机器人的协调性。纵向移动时，仿照猎豹奔跑动作实现高速移动。横向移动时，可以仿照人的走路动作进行移动。

Description

一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人

技术领域

本发明属于足式机器人领域，具体涉及一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人。

背景技术

中国正逐渐步入老龄化社会，中风的患病危险也随着年龄的增长成上升趋势。心脑血管患病及中风后，引起的行走障碍，给患者的生活带来了很大的影响。随着发病率和致残率的逐年增加，病后的康复需求也日益显著。机器人已经被证明可以提供重复渐进的康复运动。康复机器人逐渐用于运动功能障碍的患者，包括行走障碍。近年来，随着材料、传感、控制技术的发展，针对下肢的外骨骼机器人的数量逐渐增多，但多处于试验研究阶段，存在与穿戴者协调性差、承载能力弱等问题，导致难以实现真正帮助人体起到助力的作用。

双足机器人是高技术的典型代表，双足机器人动作灵活，对于陌生的环境表现出很强的适应性，可以在复杂地面进行行走，有着其他移动机器人无法比拟的优越性，因此双足机器人具有很高的研究价值。同时，并联机器人凭借其速度快、动态性能好，承载能力强，刚度强等优势备受青睐。其中标志性的并联机器人构型是80年代瑞士联邦理工学院Clavel提出的Delta并联机构，该构型采用“开放式球铰”和“轻质杆件”，降低了机器人运动惯量，闭环式结构提升机器人刚度，可以实现快速拾取和放置动作，在工业领域有着广泛的应用。

现今大多数双足机器人多采用串联结构，多自由度。导致整体的机器人的刚度不足，稳定性不足，从而控制难度增加，难以实现复杂的运动动作。同时负载能力较弱，行走速度不能很快。同时并联机器人由于尺寸较大，结构复杂的特点导致很少用于工作空间紧凑的场合，如双足机器人，外骨骼等。

发明内容

本发明为了解决现有外骨骼机器人多为串联双足机器人，其自由度低导致与穿戴者协调性差，刚度不足，行走速度慢，而并联机器人，虽然刚度较强，但尺寸大，结构复杂，不利于应用在双足机器人领域的问题，进而结合并联机器人的优点，改进并联结构应用于外骨骼和双足方面，提供一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人；

一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，所述双足机器人包括环形机架和两个足部机构，两个足部机构沿环形机架长度方向的中心线对称设置，且每个足部机构安装在环形机架的端部；

所述足部机构包括三个力臂组件和一个动平台，三个力臂组件中的一个力臂组件位于环形机架宽度方向的中心线上，三个力臂组件中剩余两个力臂组件沿环形机架宽度方向的中心线对称设置在位于环形机架宽度方向中心线上的力臂组件的两侧，且相邻两个力臂组件之间的夹角为60°，每个力臂组件的一端安装在环形机架上，每个力臂组件的另一端与动平台铰接；

所述环形机架中与每个力臂组件的连接处设有安装嵌槽，每个安装嵌槽的两侧分别设有一个伺服电机，且两个伺服电机的输出端同轴相对设置，每个力臂组件的一端安装在位于同一个安装嵌槽中两个伺服电机的输出端上。

进一步地，所述环形机架上加工有穿戴缺口，穿戴缺口中设有摆动块，摆动块的一端通过合页与环形机架铰接，摆动块的另一端与环形机架拆卸连接；

进一步地，所述摆动块的另一端通过多个螺栓与环形机架拆卸连接；

进一步地，所述每个伺服电机的壳体部设置在环形机架内部，每个伺服电机的输出端设置在安装嵌槽中；

进一步地，所述力臂组件包括主动臂和从动臂，主动臂的一端设置在环形机架中的一个安装嵌槽中，且主动臂安装在两个伺服电机的输出端上，主动臂的另一端与从动臂的一端铰接，从动臂的另一端与动平台铰接；

进一步地，所述主动臂包括两个主动杆，两个主动杆相对设置，每个主动杆的一端套装在一个伺服电机的输出端上，每个主动杆的另一端与从动臂的一端铰接；

进一步地，所述从动臂包括两个从动杆，两个从动杆相对设置，每个从动杆的一端与一个主动杆的另一端铰接，每个从动杆的另一端与动平台铰接；

进一步地，所述每个从动杆的一端与一个主动杆的另一端通过球副、铰链和鱼眼轴承中的一种结构进行铰接；

进一步地，所述每个从动杆的另一端与动平台通过球副、铰链和鱼眼轴承中的一种结构进行铰接；

进一步地，所述从动臂上设有两个弹簧，一个弹簧靠近主动臂设置，一个弹簧的两端分别与一个从动杆的外圆面固定连接，另一弹簧靠近动平台设置，另一个弹簧的两端分别与一个从动杆的外圆面固定连接；

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，双腿采用Delta构型并联机器人，腿部可以灵活控制，承载能力强，刚度好，通过两个Delta构型机器人的运动控制来完成整体机器人的协调性。纵向移动时，仿照猎豹奔跑动作实现高速移动。横向移动时，可以仿照人的走路动作进行移动。此外，人可以穿戴进双足机器人中，形成人体外骨骼形式，通过两个6自由度并联机构灵活运动带动行走能力障碍的患者进行能适应各种地面环境的行走，实现康复效果。

2、本发明提供的一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，有两个并联的足部机构，共有12个自由度，可以满足人体双腿的各种运动情况。并且Delta构型机器人的控制稳定可靠，根据行走时人体胯部与足部的相对位姿关系，控制Delta机器人动平台与静平台的位姿关系从而达到仿人的走路姿势。此外，并联机器人承载能力强，在双Delta机器人腿部结构下的双足机器人可以负载更高，可以支撑起一个人的重量，人的双腿穿入双足机器人的腿部后，双足机器人可以在承载人进行运动，可以很好地实现人机的协同，增强人的运动能力。

3、本发明提供的一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，在无人情况下，本发明可以形成独立的双足机器人，通过对环形机架位姿和双并联机器人的协调配合，完成仿人行走的动作，在灵活的6自由度并联腿的支持下，可以实现更多人体腿部的复杂动作。要实现快速移动时，双足机器人变为横向运动，由左右的并联机械臂位置变为一前一后的位置，并联机械臂通过对动平台位姿的控制使得前并联机械臂实现前跳动作，后机械臂实现后蹬动作，二者协调配合，形成仿四足动物奔跑动作，奔跑时，根据重心灵活调整动平台落地姿势，在复杂路面情况下能维持按照设定的轨迹运动。

4、本发明提供的一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，相比于现有技术中的并联双足机器人，首先提高了双足动作的自由度，并且结构相对简单，同时也节省了在制作中耗材，具有较高的穿戴舒适性。

附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明的轴侧图（图中箭头为本装置的可移动方向，X为横向，Y为前后）；

图3是本发明的主视图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明中动平台与力臂组件的结构示意图；

图中：1 合页、2 环形机架、21摆动块、3 伺服电机、4 主动臂、5 从动臂、6 弹簧和7 动平台。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式提供一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，其特征在于：所述双足机器人包括环形机架2和两个足部机构，两个足部机构沿环形机架2长度方向的中心线对称设置，且每个足部机构安装在环形机架2的端部；

所述足部机构包括三个力臂组件和一个动平台7，三个力臂组件中的一个力臂组件位于环形机架2宽度方向的中心线上，三个力臂组件中剩余两个力臂组件沿环形机架2宽度方向的中心线对称设置在位于环形机架2宽度方向中心线上的力臂组件的两侧，且相邻两个力臂组件之间的夹角为60°，每个力臂组件的一端安装在环形机架2上，每个力臂组件的另一端与动平台7铰接；

所述环形机架2中与每个力臂组件的连接处设有安装嵌槽，每个安装嵌槽的两侧分别设有一个伺服电机3，且两个伺服电机3的输出端同轴相对设置，每个力臂组件的一端安装在位于同一个安装嵌槽中两个伺服电机3的输出端上。

本实施方式中，环形机架2中间中空部分空间预留足够大，人体腰部可以从中穿入，同时为了人体与机器人固定，人的上肢可以扶在环形机架上，也可以在机架的中控部分布置背带等进行固定。人进入中间中空圆环部分之后，双脚固定在两个并联结构的动平台上，形成人体穿戴状态的外骨骼机器人形式。两侧各圆弧部分，以长边中心线为参考，左右夹角各60°的位置以及中心位置放置力臂组件。这样位置放置以便人体穿戴后行走时，并联机器人与人腿不发生干涉。

具体实施方式二：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的环形机架2作进一步限定，本实施方式中，所述环形机架2上加工有穿戴缺口，穿戴缺口中设有摆动块21，摆动块21的一端通过合页1与环形机架2铰接，摆动块21的另一端与环形机架2拆卸连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，当人在进去机器人中，将摆动块21绕合页1打开，人进入中间中空圆环部分之后，将摆动块21绕合页1闭合，双脚固定在两个并联结构的动平台7上，形成人体穿戴状态的外骨骼机器人形式。

具体实施方式三：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的摆动块21作进一步限定，本实施方式中，所述摆动块21的另一端通过多个螺栓与环形机架2拆卸连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

如此设置，便于摆动块21在人体穿戴后或是行走时，不会打开，对穿戴者带来危险。

具体实施方式四：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的伺服电机3作进一步限定，本实施方式中，所述每个伺服电机3的壳体部设置在环形机架2内部，每个伺服电机3的输出端设置在安装嵌槽中。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的力臂组件作进一步限定，本实施方式中，所述力臂组件包括主动臂4和从动臂5，主动臂4的一端设置在环形机架2中的一个安装嵌槽中，且主动臂4安装在两个伺服电机3的输出端上，主动臂4的另一端与从动臂5的一端铰接，从动臂5的另一端与动平台7铰接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，鉴于人体左右脚不同的形状以及左右并联机械臂不同的结构构型，为了人体穿戴时的舒适性，同时要保证没有人穿戴时独立机器人可以进行横向行走，左右两侧的动平台设计，左侧动平台7成左梯形，与两侧从动臂5的连接在梯形的腰，与中间从动臂5的连接在梯形的上底，右侧动平台7成右梯形，与两侧从动臂5的连接在梯形的腰，与中间从动臂5的连接在梯形的上底。

具体实施方式六：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的主动臂4作进一步限定，本实施方式中，所述主动臂4包括两个主动杆，两个主动杆相对设置，每个主动杆的一端套装在一个伺服电机3的输出端上，每个主动杆的另一端与从动臂5的一端铰接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的从动臂5作进一步限定，本实施方式中，所述从动臂5包括两个从动杆，两个从动杆相对设置，每个从动杆的一端与一个主动杆的另一端铰接，每个从动杆的另一端与动平台7铰接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

结合具体方式六和具体实施方式七说明，通过每个主动杆和对应的从动杆之间的铰接，并且每个主动杆有对应的一个伺服电机3进行控制，三者组成了一个完整的驱动链，每个足部机构上通过这6个驱动链对动平台7进行驱动，通过6个驱动链的相互配合和角度变化关系，可以增加足部机构运动时的自由度和姿态变化，同时也保证了足部机构在运动时的稳定性。

具体实施方式八：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的从动杆作进一步限定，本实施方式中，所述每个从动杆的一端与一个主动杆的另一端通过球副、铰链和鱼眼轴承中的一种结构进行铰接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的从动杆作进一步限定，本实施方式中，所述每个从动杆的另一端与动平台7通过球副、铰链和鱼眼轴承中的一种结构进行铰接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的从动臂5作进一步限定，本实施方式中，所述从动臂5上设有两个弹簧6，一个弹簧6靠近主动臂4设置，一个弹簧6的两端分别与一个从动杆的外圆面固定连接，另一弹簧6靠近动平台7设置，另一个弹簧6的两端分别与一个从动杆的外圆面固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中在从动臂5靠近端部的位置增加弹簧6，一方面保证了相邻两个从动杆之间的联动性，另一方面弹簧可以吸收从动臂在移动时产生的振幅，具有一定的隔振作用，同时还会降低噪声的产生。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

工作原理

本发明在使用时具有两种模式，一种为载人，一种为无人；

载人时，首先放松摆动块21与环形机架2上的紧固螺栓，将摆动块21绕合页1打开，人进入环形机架2中间中空圆环部分之后，将摆动块21绕合页1闭合，并通过锁紧螺栓锁紧，双脚固定在两个并联结构的动平台7上，形成人体穿戴状态的外骨骼机器人形式。通过控制12个伺服电机3带动两个足部机构运动，既可以实现行走动作；

无人时，通过对环形机架2的位姿和双并联足部机构的协调配合，完成仿人行走的动作，在灵活的6自由度并联腿的支持下，可以实现更多人体腿部的复杂动作。要实现快速移动时，双足机器人变为横向运动，由左右的并联机械臂位置变为一前一后的位置，并联机械臂通过对动平台位姿的控制使得前并联机械臂实现前跳动作，后机械臂实现后蹬动作，二者协调配合，形成仿四足动物奔跑动作，奔跑时，根据重心灵活调整动平台落地姿势，在复杂路面情况下能维持按照设定的轨迹运动。

Claims (3)

1.一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，其特征在于：所述双足机器人包括环形机架（2）和两个足部机构，两个足部机构沿环形机架（2）长度方向的中心线对称设置，且每个足部机构安装在环形机架（2）的端部；

所述足部机构包括三个力臂组件和一个动平台（7），三个力臂组件中的一个力臂组件位于环形机架（2）宽度方向的中心线上，三个力臂组件中剩余两个力臂组件沿环形机架（2）宽度方向的中心线对称设置在位于环形机架（2）宽度方向中心线上的力臂组件的两侧，且相邻两个力臂组件之间的夹角为60°，每个力臂组件的一端安装在环形机架（2）上，每个力臂组件的另一端与动平台（7）铰接；

所述环形机架（2）中与每个力臂组件的连接处设有安装嵌槽，每个安装嵌槽的两侧分别设有一个伺服电机（3），且两个伺服电机（3）的输出端同轴相对设置，每个力臂组件的一端安装在位于同一个安装嵌槽中两个伺服电机（3）的输出端上；

每个伺服电机（3）的壳体部设置在环形机架（2）内部，每个伺服电机（3）的输出端设置在安装嵌槽中；

所述力臂组件包括主动臂（4）和从动臂（5），主动臂（4）的一端设置在环形机架（2）中的一个安装嵌槽中，且主动臂（4）安装在两个伺服电机（3）的输出端上，主动臂（4）的另一端与从动臂（5）的一端铰接，从动臂（5）的另一端与动平台（7）铰接；

所述主动臂（4）包括两个主动杆，两个主动杆相对设置，每个主动杆的一端套装在一个伺服电机（3）的输出端上，每个主动杆的另一端与从动臂（5）的一端铰接；

所述从动臂（5）包括两个从动杆，两个从动杆相对设置，每个从动杆的一端与一个主动杆的另一端铰接，每个从动杆的另一端与动平台（7）铰接；

所述每个从动杆的一端与一个主动杆的另一端通过球副、铰链和鱼眼轴承中的一种结构进行铰接；

所述每个从动杆的另一端与动平台（7）通过球副、铰链和鱼眼轴承中的一种结构进行铰接；

所述从动臂（5）上设有两个弹簧（6），一个弹簧（6）靠近主动臂（4）设置，一个弹簧（6）的两端分别与一个从动杆的外圆面固定连接，另一弹簧（6）靠近动平台（7）设置，另一个弹簧（6）的两端分别与一个从动杆的外圆面固定连接。

2.根据权利要求1中所述的一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，其特征在于：所述环形机架（2）上加工有穿戴缺口，穿戴缺口中设有摆动块（21），摆动块（21）的一端通过合页（1）与环形机架（2）铰接，摆动块（21）的另一端与环形机架（2）拆卸连接。

3.根据权利要求2中所述的一种可辅助行走可穿戴的并联结构双足机器人，其特征在于：所述摆动块（21）的另一端通过多个螺栓与环形机架（2）拆卸连接。

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