CN114346999A - 一种并联机构与四杆机构组合机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联机构与四杆机构组合机器人，以气缸、气动马达、气动肌肉驱动机器人关节的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人主要由气缸、气动马达、蜗轮、蜗杆、气动肌肉、连接件、以及关节控制系统组成。腰关节采用利用多根串联气动肌肉构建单根肌肉组成并联关节，髋关节则由气动马达与蜗轮蜗杆组合驱动，膝关节利用摆动气缸与杆结构组合，同时结合直线气缸，踝关节和脚由直线气缸驱动，肩关节由气缸并联驱动，肘关节由气动马达与杆结构结合，腕关节的运动完全由气爪实现。本发明专利以气动肌肉、气缸、气动马达驱动，具有结构紧凑，运动模式多样、运动范围较广的特点，可用于教学和演示。

Description

一种并联机构与四杆机构组合机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人设备技术领域，特别是一种结构紧凑，运动模式多样、运动范围较广的一种并联机构与四杆机构组合机器人。

背景技术

空气作为一种清洁的资源，取之不尽用之不完，同时还具有防爆性好，在工业自动化领域，特别是轻工业中广泛应用。

机器人技术是近些年发展的热点，取代人类完成繁重的工作，同时由于计算机技术的迅速发展，机器人网络和智能制造技术相结合，组件无人工厂将是未来的趋势，但是目前的气动关节机器人大部分局限于点对点的工序和工位控制。

CN110936367B，申请号：201911082363.3，涉及一种气动仿人机器人系统，以气缸驱动仿人机器人的髋关节、膝关节、脚关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。由直线气缸、摆动气缸、带轮、丝杠、锥齿轮、齿形带、齿形轮以及连接件组成。髋关节和肩关节由摆动气缸通过带轮驱动，膝关节由丝杠和气缸组合驱动，脚关节由多根气缸驱动，肘关节由摆动气缸驱动，腕关节由两组变距离摆动部件和气缸并联机构组成；髋关节、膝关节、脚关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节分别具有2、1、4、6、2、1、4个自由度，全身共计34个自由度。

CN110682305B，申请号：201910995867.8涉及一种仿人型机器人系统，腰关节装置的两侧分别设置上肢装置，下端两侧分别设置下肢装置，以气缸、气动肌肉和弹簧组合体驱动仿人机器人的上肢装置、腰关节装置、下肢装置的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。由气缸、带轮、连接件、气动肌肉和弹簧组合体、连接板、气爪等组成。摆动气缸之间结合，摆动气缸与带传动结合，气爪驱动上肢系统，气动肌肉和弹簧组合体和直线气缸驱动腰关节系统，直线气缸、直线气缸与杆结构结合驱动下肢系统。单上肢系统、腰关节系统、单下肢系统分别具有5、7、12个自由度，整个机器人共计41个自由度。

CN110561457B，申请号：201910890458.1,涉及基于气缸的仿人机器人系统，上肢关节装置的腰部第一连接件的两端分别可转动连接肱骨支架，肱骨支架依次连接大臂连接件，万向节和小臂连接件；腰关节装置的腰部第一摆动气缸两端设置在腰部第一连接件上，腰部第一摆动气缸固定在腰部第二连接件上，腰部第二连接件固定在腰部第二摆动气缸的转动轴上，腰部第二摆动气缸的缸体固定在腰部第三连接件上，腰部第三连接件的两侧分别可转动连接至少四个腰部气缸。

分别设计出刚性仿人机器人关节，仅为执行元件并联的形式驱动关节，结构和运动模式都较为单一，运动空间也较为有限。需要一种结构紧凑，运动模式多样、运动范围较广的一种并联机构与四杆机构组合机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑，运动模式多样、运动范围较广的一种并联机构与四杆机构组合机器人。

一种并联机构与四杆机构组合机器人，包括：

腰关节，所述腰关节的两侧分别设置互为镜像的上肢关节，下部分别设置互为镜像的下肢关节；

所述腰关节的胸连接件固定连接腰关节上侧板，所述腰关节上侧板可转动连接上侧支柱，所述上侧支柱固定连接腰关节中间板，所述腰关节中间板可转动连接下侧支柱，所述下侧支柱固定连接腰关节下侧板，所述腰关节上侧板、气动肌肉一、气动肌肉三、气动肌肉五、腰关节下侧板依次可转动连接，所述腰关节上侧板、气动肌肉二、气动肌肉四、气动肌肉六、腰关节下侧板依次可转动连接，所述腰关节上侧板、气动肌肉七、气动肌肉八、气动肌肉九、腰关节下侧板依次可转动连接；

所述下肢关节的髋关节连接件五固定连接腰关节下侧板，所述髋关节连接件五固定连接髋关节气动马达三的壳体，所述髋关节气动马达三的转子和蜗杆三固定连接，所述蜗杆三分别同蜗轮三和蜗轮四啮合，所述蜗轮三和蜗轮四分别同髋关节连接件五可转动连接，所述蜗轮四或者蜗轮三分别同髋关节连接件一固定连接，所述髋关节连接件一和髋关节气动马达一的壳体固定连接，所述髋关节气动马达一的转子固定连接蜗杆一，所述蜗杆一和蜗轮一啮合，所述蜗轮一和髋关节连接件一可转动连接，所述蜗轮一和髋关节连接件二固定连接，所述髋关节连接件二和髋关节连接件三固定连接，所述髋关节连接件三固定连接髋关节气动马达二的壳体，所述髋关节气动马达二的转子固定连接蜗杆二，所述髋关节连接件三和蜗轮二可转动连接，所述蜗轮二和髋关节连接件四固定连接，所述髋关节连接件四和大腿连接件固定连接，所述大腿连接件和小腿连接件可转动连接，所述大腿连接件和摆动气缸的壳体固定连接，所述摆动气缸的转子分别同连杆三、连杆五固定连接，所述连杆三可转动连接连杆四，所述连杆五可转动连接连杆六，所述连杆五和连杆四分别可转动连接小腿连接件，所述小腿连接件和脚中间板可转动连接，所述小腿连接件和脚中间板分别可转动连接小腿气缸一、小腿气缸二的两端，所述脚中间板分别可转动连接脚前侧板、脚后侧板，所述脚后侧板分别固定连接脚气缸一、脚气缸二，所述脚气缸一通过连杆一可转动连接脚前侧板，所述脚气缸二通过连杆二可转动连接脚前侧板；

所述胸连接件分别可转动连接上肢关节的大臂气缸一、大臂气缸二、大臂气缸三，所述大臂气缸一、大臂气缸二、大臂气缸三分别可转动连接大臂中间杆，所述大臂中间杆和胸连接件可转动连接，所述大臂中间杆固定连接肘关节连接件，所述肘关节连接件固定连接小臂连接件，所述肘关节连接件固定连接肘关节气动马达的壳体，所述肘关节气动马达的转子固定连接连杆七、所述连杆七可转动连接连杆八，所述连杆八、螺纹连接杆一、连杆九、腕部连接件依次固定连接，所述连杆九和螺纹连接杆二固定连接，所述螺纹连接杆二和小臂连接件可转动连接，所述腕部连接件固定连接气爪；

一种并联机构与四杆机构组合机器人单下肢机械结构图中，对连杆五43、连杆六44、连杆六44与小腿连接件35可转动连接进行简化，得闭合链扭转的约束方程如下

其中：

是点A、B、C、D的扭矩。扭转包括角速度与旋转中心的位置。方程(1)用角速度与旋转中心的位置表示

其中：ω_A、ω_B、ω_C、ω_D表示点A、B、C、D的角速度，(x_A,y_A)、(x_B,y_B)、(x_C,y_C)、(x_D,y_D)表示点A、B、C、D的位置。

四杆机构由主动关节A和被动关节B、C、D组成，则被动关节B、C、D的角速度可以简单地由下式得到

被动关节B、C、D的角速度可以通过反演矩阵来确定。

关节A、B、C、D的角速度可由两个相连连杆表示，如下所示

其中：ω_AB、ω_BC、ω_CD、ω_DA分别表示杆AB、BC、CD、DA的角速度。由于杆DA分别与摆动气缸40、小腿连接件35固定连接，可以看作为固定杆，因此ω_DA＝0，式(4)可以进一步表示为

转动为表示两连杆之间的相对运动。在四杆机构ABCD中，6个扭转包括A、B、C、D四个点的扭转，另外两个扭转处于图10中的E、F点处。E、F点的扭转如下所示：

并且E、F点的角速度可以表示为

ω_E＝ω_A+ω_B＝-ω_C-ω_D＝ω_BC-ω_DA (8)

ω_F＝ω_D+ω_A＝-ω_B-ω_C＝ω_AB-ω_CD (9)

计算机，所述计算机分别连接上肢关节控制系统、腰关节控制系统、下肢关节控制系统。

所述腰关节上侧板、腰关节中间板、腰关节下侧板分别为圆盘形。

所述气动肌肉三、气动肌肉四、气动肌肉八分别穿过腰关节中间板，所述气动肌肉三、气动肌肉四、气动肌肉八均匀分布在腰关节中间板四周。

所述气动肌肉一、气动肌肉二、气动肌肉七均匀分布在腰关节上侧板的四周，所述气动肌肉五、气动肌肉六、气动肌肉九均匀分布在腰关节下侧板四周，所述上侧支柱两端分别位于腰关节上侧板、腰关节中间板中心，所述下侧支柱两端分别位于腰关节中间板、腰关节下侧板中心。

所述髋关节连接件二和髋关节连接件四的摆动方向空间正交。

所述大腿气缸一、大腿气缸二关于摆动气缸的中心面对称，所述小腿气缸一、小腿气缸二关于摆动气缸的中心面对称，所述脚气缸一、脚气缸二关于摆动气缸的中心面对称。

所述胸连接件为中空壳体。

所述大臂气缸一、大臂气缸二、大臂气缸三两两空间相交，均匀分布在大臂中间杆的四周。

所述小臂连接件数量为两根，一端分固定在肘关节连接件上，另一端分别可转动连接螺纹连接杆二的两端

所述计算机为控制器，所述上肢关节控制系统分别控制大臂气缸一、大臂气缸二、大臂气缸三、肘关节连接件、气爪；

所述下肢关节控制系统分别控制髋关节气动马达一、髋关节气动马达二、髋关节气动马达三、摆动气缸、大腿气缸一、大腿气缸二、小腿气缸一、小腿气缸二、脚气缸一、脚气缸二；

所述腰关节控制系统分别控制气动肌肉一、气动肌肉三、气动肌肉五、气动肌肉二、气动肌肉四、气动肌肉六、气动肌肉七、气动肌肉八、气动肌肉九。

本发明公开了一种并联机构与四杆机构组合机器人，以气缸、气动马达、气动肌肉驱动机器人关节的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人主要由气缸、气动马达、蜗轮、蜗杆、气动肌肉、连接件、以及关节控制系统组成。腰关节采用利用多根串联气动肌肉构建单根肌肉组成并联关节，髋关节则由气动马达与蜗轮蜗杆组合驱动，膝关节利用摆动气缸与杆结构组合，同时结合直线气缸，踝关节和脚由直线气缸驱动，肩关节由气缸并联驱动，肘关节由气动马达与杆结构结合，腕关节的运动完全由气爪实现。本发明专利以气动肌肉、气缸、气动马达驱动，具有结构紧凑，运动模式多样、运动范围较广的特点，可用于教学和演示。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根串联气动肌肉构建单根肌肉组成并联关节，可以同时实现多关节多个方向的运动；

2.本发明利用摆动气缸与杆结构组合，结合直线气缸一起驱动关节运动，保证关节的运动模式多样化；

3.本发明髋关节、膝关节、踝关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节分别具有2、3、2、2、2、1、3个自由度，可以形象地模拟人下肢可以实现的各种动作。

附图说明

图1是一种并联机构与四杆机构组合机器人整体机械结构图；

图2是一种并联机构与四杆机构组合机器人腰关节机械结构图；

图3是一种并联机构与四杆机构组合机器人双下肢机械结构图；

图4是一种并联机构与四杆机构组合机器人髋关节正面机械结构图；

图5是一种并联机构与四杆机构组合机器人髋关节背面机械结构图；

图6是一种并联机构与四杆机构组合机器人单下肢机械机械结构图；

图7是一种并联机构与四杆机构组合机器人大臂机械结构图；

图8是一种并联机构与四杆机构组合机器人小臂机械结构图；

图9是一种并联机构与四杆机构组合机器人控制系统方框示意图；

图10是一种并联机构与四杆机构组合机器人的机构简图；

图中：上肢关节1、腰关节2、下肢关节3、腰关节上侧板4、气动肌肉一5、气动肌肉二6、上侧支柱7、气动肌肉三8、气动肌肉四9、下侧支柱10、气动肌肉五11、气动肌肉六12、腰关节下侧板13、气动肌肉七14、气动肌肉八15、腰关节中间板16、气动肌肉九17、髋关节气动马达一18、髋关节气动马达二18-2、蜗杆一19、髋关节连接件一20、蜗轮一21、髋关节连接件二22、蜗杆二23、蜗轮二24、髋关节连接件三25、髋关节连接件四26、髋关节连接件五27、髋关节气动马达三28、蜗轮三29、蜗杆三30、蜗轮四31、大腿连接件32、大腿气缸一33、大腿气缸二34、小腿连接件35、连杆一36、连杆二37、脚前侧板38、脚中间板39、摆动气缸40、连杆三41、连杆四42、连杆五43、连杆六44、小腿气缸一45、小腿气缸二46、脚气缸一47、脚气缸二48、脚后侧板49、胸连接件50、大臂气缸一51、大臂气缸二52、大臂中间杆53、大臂气缸三54、肘关节连接件55、肘关节气动马达56、连杆七57、连杆八58、螺纹连接杆一59、小臂连接件60、连杆九61、螺纹连接杆二62、腕部连接件63、气爪64、计算机65、上肢关节控制系统66、腰关节控制系统67、下肢关节控制系统68。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

一种并联机构与四杆机构组合机器人，包括：腰关节2，腰关节2的两侧分别设置互为镜像的上肢关节1，下部分别设置互为镜像的下肢关节3；腰关节2的胸连接件50固定连接腰关节上侧板4，腰关节上侧板4可转动连接上侧支柱7，上侧支柱7固定连接腰关节中间板16，腰关节中间板16可转动连接下侧支柱10，下侧支柱10固定连接腰关节下侧板13，腰关节上侧板4、气动肌肉一5、气动肌肉三8、气动肌肉五11、腰关节下侧板13依次可转动连接，腰关节上侧板4、气动肌肉二6、气动肌肉四9、气动肌肉六12、腰关节下侧板13依次可转动连接，腰关节上侧板4、气动肌肉七14、气动肌肉八15、气动肌肉九17、腰关节下侧板13依次可转动连接；

下肢关节3的髋关节连接件五27固定连接腰关节下侧板13，髋关节连接件五27固定连接髋关节气动马达三28的壳体，髋关节气动马达三28的转子和蜗杆三30固定连接，蜗杆三30分别同蜗轮三29和蜗轮四31啮合，蜗轮三29和蜗轮四31分别同髋关节连接件五27可转动连接，蜗轮四31或者蜗轮三29分别同髋关节连接件一20固定连接，髋关节连接件一20和髋关节气动马达一18的壳体固定连接，髋关节气动马达一18的转子固定连接蜗杆一19，蜗杆一19和蜗轮一21啮合，蜗轮一21和髋关节连接件一20可转动连接，蜗轮一21和髋关节连接件二22固定连接，髋关节连接件二22和髋关节连接件三25固定连接，髋关节连接件三25固定连接髋关节气动马达二18-2的壳体，髋关节气动马达二18-2的转子固定连接蜗杆二23，髋关节连接件三25和蜗轮二24可转动连接，蜗轮二24和髋关节连接件四26固定连接，髋关节连接件四26和大腿连接件32固定连接，大腿连接件32和小腿连接件35可转动连接，大腿连接件32和摆动气缸40的壳体固定连接，摆动气缸40的转子分别同连杆三41、连杆五43固定连接，连杆三41可转动连接连杆四42，连杆五43可转动连接连杆六44，连杆五43和连杆四42分别可转动连接小腿连接件35，小腿连接件35和脚中间板39可转动连接，小腿连接件35和脚中间板39分别可转动连接小腿气缸一45、小腿气缸二46的两端，脚中间板39分别可转动连接脚前侧板38、脚后侧板49，脚后侧板49分别固定连接脚气缸一47、脚气缸二48，脚气缸一47通过连杆一36可转动连接脚前侧板38，脚气缸二48通过连杆二37可转动连接脚前侧板38；

胸连接件50分别可转动连接上肢关节1的大臂气缸一51、大臂气缸二52、大臂气缸三54，大臂气缸一51、大臂气缸二52、大臂气缸三54分别可转动连接大臂中间杆53，大臂中间杆53和胸连接件50可转动连接，大臂中间杆53固定连接肘关节连接件55，肘关节连接件55固定连接小臂连接件60，肘关节连接件55固定连接肘关节气动马达56的壳体，肘关节气动马达56的转子固定连接连杆七57、连杆七57可转动连接连杆八58，连杆八58、螺纹连接杆一59、连杆九61、腕部连接件63依次固定连接，连杆九61和螺纹连接杆二62固定连接，螺纹连接杆二62和小臂连接件60可转动连接，腕部连接件63固定连接气爪64；计算机65，计算机65分别连接上肢关节控制系统66、腰关节控制系统67、下肢关节控制系统68。

腰关节上侧板4、腰关节中间板16、腰关节下侧板13分别为圆盘形。气动肌肉三8、气动肌肉四9、气动肌肉八15分别穿过腰关节中间板16，气动肌肉三8、气动肌肉四9、气动肌肉八15均匀分布在腰关节中间板16四周。气动肌肉一5、气动肌肉二6、气动肌肉七14均匀分布在腰关节上侧板4的四周，气动肌肉五11、气动肌肉六12、气动肌肉九17均匀分布在腰关节下侧板13四周，上侧支柱7两端分别位于腰关节上侧板4、腰关节中间板16中心，下侧支柱10两端分别位于腰关节中间板16、腰关节下侧板13中心。

髋关节连接件二22和髋关节连接件四26的摆动方向空间正交。大腿气缸一33、大腿气缸二34关于摆动气缸40的中心面对称，小腿气缸一45、小腿气缸二46关于摆动气缸40的中心面对称，脚气缸一47、脚气缸二48关于摆动气缸40的中心面对称。

胸连接件50为中空壳体。大臂气缸一51、大臂气缸二52、大臂气缸三54两两空间相交，均匀分布在大臂中间杆53的四周。小臂连接件60数量为两根，一端分固定在肘关节连接件55上，另一端分别可转动连接螺纹连接杆二62的两端

计算机65为控制器，上肢关节控制系统66分别控制大臂气缸一51、大臂气缸二52、大臂气缸三54、肘关节连接件55、气爪64；下肢关节控制系统68分别控制髋关节气动马达一18、髋关节气动马达二18-2、髋关节气动马达三28、摆动气缸40、大腿气缸一33、大腿气缸二34、小腿气缸一45、小腿气缸二46、脚气缸一47、脚气缸二48；腰关节控制系统67分别控制气动肌肉一5、气动肌肉三8、气动肌肉五11、气动肌肉二6、气动肌肉四9、气动肌肉六12、气动肌肉七14、气动肌肉八15、气动肌肉九17。

一种并联机构与四杆机构组合机器人主要包括上肢关节1、腰关节2、下肢关节3，并且上肢关节1、下肢关节3的数量分别为2，两个上肢关节1的结构完全一样，两个下肢关节3的结构完全一样。

上侧支柱7一端与腰关节上侧板4可转动连接，另一端与腰关节中间板16固定连接，下侧支柱10一端与腰关节中间板16可转动连接，另一端与腰关节下侧板13固定连接。气动肌肉三8两端分别与气动肌肉一5、气动肌肉五11可转动连接，气动肌肉四9两端分别与气动肌肉二6、气动肌肉六12可转动连接，气动肌肉八15两端分别与气动肌肉七14、气动肌肉九17可转动连接。在圆周上气动肌肉一5、气动肌肉二6、气动肌肉七14均匀分布，并且均与腰关节上侧板4可转动连接，在圆周上气动肌肉五11、气动肌肉六12、气动肌肉九17均匀分布，并且均与腰关节下侧板13可转动连接。气动肌肉一5、气动肌肉三8、气动肌肉五11组成支链一，气动肌肉二6、气动肌肉四9、气动肌肉六12组成支链二，气动肌肉七14、气动肌肉八15、气动肌肉九17组成支链三；支链一、支链二、支链三驱动腰关节上侧板4与上侧支柱7、下侧支柱10与腰关节中间板16之间绕X轴、Y轴的相对转动。

髋关节连接件五27与腰关节下侧板13固定连接，髋关节气动马达三28的壳体与髋关节连接件五27固定连接，髋关节气动马达三28的转子与蜗杆三30固定连接；蜗轮三29、蜗轮四31均与髋关节连接件五27可转动连接，同时蜗轮三29、蜗轮四31均与蜗杆三30啮合，蜗轮三29、蜗轮四31分别带动两个单下肢绕Z轴转动。蜗轮四31与髋关节连接件一20固定连接，髋关节气动马达一18的壳体与髋关节连接件一20固定连接，蜗杆一19与髋关节气动马达一18的转子固定连接，同时又与蜗轮一21啮合；蜗轮一21与髋关节连接件一20可转动连接，髋关节连接件二22与蜗轮一21固定连接；髋关节气动马达一18通过蜗杆一19、蜗轮一21驱动蜗轮一21相对于髋关节连接件一20绕X轴转动。髋关节连接件二22与髋关节连接件三25固定连接，髋关节气动马达二18-2的壳体与髋关节连接件三25固定连接，髋关节气动马达二18-2的转子与蜗杆二23固定连接，蜗轮二24与髋关节连接件三25可转动连接，髋关节连接件四26与蜗轮二24固定连接，髋关节气动马达二18-2通过蜗杆二23、蜗轮二24驱动蜗轮二24相对于髋关节连接件三25绕X轴转动。

髋关节连接件四26与大腿连接件32固定连接，大腿连接件32与小腿连接件35可转动连接；摆动气缸40与大腿连接件32固定连接，连杆三41、连杆五43与摆动气缸40固定连接，连杆五43与连杆六44可转动连接，连杆三41与连杆四42可转动连接，摆动气缸40在X轴正负方向先后通过连杆五43、连杆六44、连杆三41、连杆四42与小腿连接件35可转动连接。大腿气缸一33、大腿气缸二34作为主动元件驱动大腿连接件32、小腿连接件35之间绕X轴、Y轴、Z轴相对转动；大腿气缸一33、大腿气缸二34保持长度不变，摆动气缸40通过连杆五43、连杆六44、连杆三41、连杆四42驱动大腿连接件32、小腿连接件35之间绕X轴、Y轴相对转动。小腿连接件35与脚中间板39可转动连接，小腿气缸一45、小腿气缸二46两端分别与小腿连接件35、脚中间板39可转动连接，一起驱动小腿连接件35、脚中间板39之间绕X轴、Y轴、Z轴相对转动。脚中间板39两端分别与脚前侧板38、脚后侧板49可转动连接，脚气缸一47、脚气缸二48同时与脚后侧板49固定连接，脚气缸一47、脚气缸二48分别通过连杆一36、连杆二37与脚前侧板38可转动连接；脚气缸一47、脚气缸二48驱动脚前侧板38、脚中间板39、脚后侧板49之间绕X轴相对转动。

胸连接件50与腰关节上侧板4固定连接，大臂中间杆53与胸连接件50可转动连接，大臂气缸一51、大臂气缸二52、大臂气缸三54两端分别与胸连接件50、大臂中间杆53可转动连接，驱动大臂中间杆53相对于胸连接件50绕X轴、Y轴转动。

肘关节连接件55与大臂中间杆53固定连接，小臂连接件60与肘关节连接件55固定连接，肘关节气动马达56的壳体与肘关节连接件55固定连接，肘关节气动马达56的转子先后通过连杆七57、连杆八58、螺纹连接杆一59、连杆九61与腕部连接件63连接。连杆七57一端与肘关节气动马达56的转子固定连接，另一端与连杆八58可转动连接，螺纹连接杆一59两端分别与连杆八58、连杆九61固定连接，连杆九61与螺纹连接杆二62、腕部连接件63固定连接，螺纹连接杆二62与小臂连接件60可转动连接，腕部连接件63与气爪64固定连接。肘关节气动马达56通过连杆七57、连杆八58、螺纹连接杆一59、连杆九61驱动小臂连接件60、腕部连接件63之间绕Y轴相对转动；气爪64具有绕X轴转动和沿Y轴、Z轴的直线运动。

计算机65通过上位机程序、以及运动学、动力学、控制器与上肢关节控制系统66、腰关节控制系统67、下肢关节控制系统68通信，进而实现对上肢关节1、腰关节2、下肢关节3的控制。

上肢关节控制系统66、腰关节控制系统67、下肢关节控制系统68控制高速开关阀或者气动比例压力阀对各气动肌肉进行充气或者放气，以实现机器人各关节和整个机器人运动到预定的位姿。

在图6一种并联机构与四杆机构组合机器人单下肢机械结构图中，对连杆五43、连杆六44、连杆六44与小腿连接件35可转动连接进行简化如图10所示，得闭合链扭转的约束方程如下

其中：

是点A、B、C、D的扭矩。扭转包括角速度与旋转中心的位置。方程(1)用角速度与旋转中心的位置表示

其中：ω_A、ω_B、ω_C、ω_D表示点A、B、C、D的角速度，(x_A,y_A)、(x_B,y_B)、(x_C,y_C)、(x_D,y_D)表示点A、B、C、D的位置。

四杆机构由主动关节A和被动关节B、C、D组成，则被动关节B、C、D的角速度可以简单地由下式得到

被动关节B、C、D的角速度可以通过反演矩阵来确定。

关节A、B、C、D的角速度可由两个相连连杆表示，如下所示

其中：ω_AB、ω_BC、ω_CD、ω_DA分别表示杆AB、BC、CD、DA的角速度。由于杆DA分别与摆动气缸40、小腿连接件35固定连接，可以看作为固定杆，因此ω_DA＝0，式(4)可以进一步表示为

转动为表示两连杆之间的相对运动。在四杆机构ABCD中，6个扭转包括A、B、C、D四个点的扭转，另外两个扭转处于图10中的E、F点处。E、F点的扭转如下所示：

并且E、F点的角速度可以表示为

ω_E＝ω_A+ω_B＝-ω_C-ω_D＝ω_BC-ω_DA (8)

ω_F＝ω_D+ω_A＝-ω_B-ω_C＝ω_AB-ω_CD (9)

本发明，通过控制各关节的气缸、气动肌肉、气动马达，实现一种并联机构与四杆机构组合机器人位姿的控制，可以动态形象的模拟人的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他一种并联机构与四杆机构组合机器人无法比拟的优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，包括：

腰关节(2)，所述腰关节(2)的两侧分别设置互为镜像的上肢关节(1)，下部分别设置互为镜像的下肢关节(3)；

所述腰关节(2)的胸连接件(50)固定连接腰关节上侧板(4)，所述腰关节上侧板(4)可转动连接上侧支柱(7)，所述上侧支柱(7)固定连接腰关节中间板(16)，所述腰关节中间板(16)可转动连接下侧支柱(10)，所述下侧支柱(10)固定连接腰关节下侧板(13)，所述腰关节上侧板(4)、气动肌肉一(5)、气动肌肉三(8)、气动肌肉五(11)、腰关节下侧板(13)依次可转动连接，所述腰关节上侧板(4)、气动肌肉二(6)、气动肌肉四(9)、气动肌肉六(12)、腰关节下侧板(13)依次可转动连接，所述腰关节上侧板(4)、气动肌肉七(14)、气动肌肉八(15)、气动肌肉九(17)、腰关节下侧板(13)依次可转动连接；

所述下肢关节(3)的髋关节连接件五(27)固定连接腰关节下侧板(13)，所述髋关节连接件五(27)固定连接髋关节气动马达三(28)的壳体，所述髋关节气动马达三(28)的转子和蜗杆三(30)固定连接，所述蜗杆三(30)分别同蜗轮三(29)和蜗轮四(31)啮合，所述蜗轮三(29)和蜗轮四(31)分别同髋关节连接件五(27)可转动连接，所述蜗轮四(31)或者蜗轮三(29)分别同髋关节连接件一(20)固定连接，所述髋关节连接件一(20)和髋关节气动马达一(18)的壳体固定连接，所述髋关节气动马达一(18)的转子固定连接蜗杆一(19)，所述蜗杆一(19)和蜗轮一(21)啮合，所述蜗轮一(21)和髋关节连接件一(20)可转动连接，所述蜗轮一(21)和髋关节连接件二(22)固定连接，所述髋关节连接件二(22)和髋关节连接件三(25)固定连接，所述髋关节连接件三(25)固定连接髋关节气动马达二(18-2)的壳体，所述髋关节气动马达二(18-2)的转子固定连接蜗杆二(23)，所述髋关节连接件三(25)和蜗轮二(24)可转动连接，所述蜗轮二(24)和髋关节连接件四(26)固定连接，所述髋关节连接件四(26)和大腿连接件(32)固定连接，所述大腿连接件(32)和小腿连接件(35)可转动连接，所述大腿连接件(32)和摆动气缸(40)的壳体固定连接，所述摆动气缸(40)的转子分别同连杆三(41)、连杆五(43)固定连接，所述连杆三(41)可转动连接连杆四(42)，所述连杆五(43)可转动连接连杆六(44)，所述连杆五(43)和连杆四(42)分别可转动连接小腿连接件(35)，所述小腿连接件(35)和脚中间板(39)可转动连接，所述小腿连接件(35)和脚中间板(39)分别可转动连接小腿气缸一(45)、小腿气缸二(46)的两端，所述脚中间板(39)分别可转动连接脚前侧板(38)、脚后侧板(49)，所述脚后侧板(49)分别固定连接脚气缸一(47)、脚气缸二(48)，所述脚气缸一(47)通过连杆一(36)可转动连接脚前侧板(38)，所述脚气缸二(48)通过连杆二(37)可转动连接脚前侧板(38)；

所述胸连接件(50)分别可转动连接上肢关节(1)的大臂气缸一(51)、大臂气缸二(52)、大臂气缸三(54)，所述大臂气缸一(51)、大臂气缸二(52)、大臂气缸三(54)分别可转动连接大臂中间杆(53)，所述大臂中间杆(53)和胸连接件(50)可转动连接，所述大臂中间杆(53)固定连接肘关节连接件(55)，所述肘关节连接件(55)固定连接小臂连接件(60)，所述肘关节连接件(55)固定连接肘关节气动马达(56)的壳体，所述肘关节气动马达(56)的转子固定连接连杆七(57)、所述连杆七(57)可转动连接连杆八(58)，所述连杆八(58)、螺纹连接杆一(59)、连杆九(61)、腕部连接件(63)依次固定连接，所述连杆九(61)和螺纹连接杆二(62)固定连接，所述螺纹连接杆二(62)和小臂连接件(60)可转动连接，所述腕部连接件(63)固定连接气爪(64)；

一种并联机构与四杆机构组合机器人单下肢机械结构图中，对连杆五43、连杆六44、连杆六44与小腿连接件35可转动连接进行简化，得闭合链扭转的约束方程如下

其中：

是点A、B、C、D的扭矩。扭转包括角速度与旋转中心的位置。方程(1)用角速度与旋转中心的位置表示

其中：ω_A、ω_B、ω_C、ω_D表示点A、B、C、D的角速度，(x_A,y_A)、(x_B,y_B)、(x_C,y_C)、(x_D,y_D)表示点A、B、C、D的位置。

四杆机构由主动关节A和被动关节B、C、D组成，则被动关节B、C、D的角速度可以简单地由下式得到

被动关节B、C、D的角速度可以通过反演矩阵来确定。

关节A、B、C、D的角速度可由两个相连连杆表示，如下所示

其中：ω_AB、ω_BC、ω_CD、ω_DA分别表示杆AB、BC、CD、DA的角速度。由于杆DA分别与摆动气缸40、小腿连接件35固定连接，可以看作为固定杆，因此ω_DA＝0，式(4)可以进一步表示为

转动为表示两连杆之间的相对运动。在四杆机构ABCD中，6个扭转包括A、B、C、D四个点的扭转，另外两个扭转处于图10中的E、F点处。E、F点的扭转如下所示：

并且E、F点的角速度可以表示为

ω_E＝ω_A+ω_B＝-ω_C-ω_D＝ω_BC-ω_DA (8)

ω_F＝ω_D+ω_A＝-ω_B-ω_C＝ω_AB-ω_CD (9)

计算机(65)，所述计算机(65)分别连接上肢关节控制系统(66)、腰关节控制系统(67)、下肢关节控制系统(68)。

2.根据权利要求1所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，所述腰关节上侧板(4)、腰关节中间板(16)、腰关节下侧板(13)分别为圆盘形。

3.根据权利要求1所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，所述气动肌肉三(8)、气动肌肉四(9)、气动肌肉八(15)分别穿过腰关节中间板(16)，所述气动肌肉三(8)、气动肌肉四(9)、气动肌肉八(15)均匀分布在腰关节中间板(16)四周。

4.根据权利要求1所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，所述气动肌肉一(5)、气动肌肉二(6)、气动肌肉七(14)均匀分布在腰关节上侧板(4)的四周，所述气动肌肉五(11)、气动肌肉六(12)、气动肌肉九(17)均匀分布在腰关节下侧板(13)四周，所述上侧支柱(7)两端分别位于腰关节上侧板(4)、腰关节中间板(16)中心，所述下侧支柱(10)两端分别位于腰关节中间板(16)、腰关节下侧板(13)中心。

5.根据权利要求1所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，所述髋关节连接件二(22)和髋关节连接件四(26)的摆动方向空间正交。

6.根据权利要求1所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，所述大腿气缸一(33)、大腿气缸二(34)关于摆动气缸(40)的中心面对称，所述小腿气缸一(45)、小腿气缸二(46)关于摆动气缸(40)的中心面对称，所述脚气缸一(47)、脚气缸二(48)关于摆动气缸(40)的中心面对称。

7.根据权利要求1所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，所述胸连接件(50)为中空壳体。

8.根据权利要求1所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，所述大臂气缸一(51)、大臂气缸二(52)、大臂气缸三(54)两两空间相交，均匀分布在大臂中间杆(53)的四周。

9.根据权利要求1所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，所述小臂连接件(60)数量为两根，一端分固定在肘关节连接件(55)上，另一端分别可转动连接螺纹连接杆二(62)的两端。

10.根据权利要求1所述的一种并联机构与四杆机构组合机器人，其特征在于，所述计算机(65)为控制器，所述上肢关节控制系统(66)分别控制大臂气缸一(51)、大臂气缸二(52)、大臂气缸三(54)、肘关节连接件(55)、气爪(64)；

所述下肢关节控制系统(68)分别控制髋关节气动马达一(18)、髋关节气动马达二(18-2)、髋关节气动马达三(28)、摆动气缸(40)、大腿气缸一(33)、大腿气缸二(34)、小腿气缸一(45)、小腿气缸二(46)、脚气缸一(47)、脚气缸二(48)；

所述腰关节控制系统(67)分别控制气动肌肉一(5)、气动肌肉三(8)、气动肌肉五(11)、气动肌肉二(6)、气动肌肉四(9)、气动肌肉六(12)、气动肌肉七(14)、气动肌肉八(15)、气动肌肉九(17)。

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