專利名稱：一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，該機器人主要用于助老助殘步行機器人，屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機器人的應(yīng)用范圍要求越來越廣，而每種機器人的構(gòu)形僅 能適應(yīng)一定的有限范圍，解決這一問題的方法就是對機器人進行可重構(gòu)裝置設(shè)計，使機器 人能夠根據(jù)需要被裝配成不同構(gòu)形的機器人，以完成多種環(huán)境下的工作任務(wù)，擴大機器人 的使用范圍。因此，可重構(gòu)機器人的研究越來越廣泛地受到重視。對于本發(fā)明中的一種用 于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置，根據(jù)可重構(gòu)理論對機器人腿機構(gòu)進行了可 重構(gòu)設(shè)計，從而擴大了該機器人的使用范圍。本發(fā)明的可重構(gòu)裝置是用于助老助殘并聯(lián)腿步行機器人。對于助老助殘步行機器 人，現(xiàn)在研究較多的是兩足步行機器人。但兩足與四足相比，穩(wěn)定性差，對老年人及下肢殘 疾人來講，會產(chǎn)生恐懼心理，所以助老助殘步行機器人首選應(yīng)該是多足。然而，多足助老助 殘步行機器人的一個缺點是在上下樓梯時有較大的傾斜，會使乘坐者失去安全感。而本發(fā) 明利用四足和兩足的適用場合的不同，汲取了各自的優(yōu)點，發(fā)明了可重構(gòu)裝置，通過快速安 全地變換自身結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)兩足與四足間的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)機器人的工作環(huán)境或者工作任務(wù) 的變化，從而很好地實現(xiàn)了步行目的。本發(fā)明將為老年人及下肢殘疾人提供一種安心的、移 動范圍更大的乘坐工具，具有重要的社會意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置設(shè)計，通過可重構(gòu) 理論實現(xiàn)了兩足與四足間的轉(zhuǎn)換，從而汲取了四足步行機器人和兩足步行機器人在實際應(yīng) 用中的優(yōu)點，使機器人性能得到了進一步的提高?；驹O(shè)計思想如下所述。首先對機器人腿機構(gòu)進行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，機器人四個 腿機構(gòu)結(jié)構(gòu)完全相同，每一個腿為一個模塊，3-SPU并聯(lián)機構(gòu)為機器人的基本腿機構(gòu)。腿機 構(gòu)的組成為一個三自由度鉸鏈與腿機構(gòu)上平臺連接，中間一個直線驅(qū)動裝置，一個虎克鉸 鏈與腿機構(gòu)下平臺連接。當四足步行時，將與上平臺相鉸接的豎直方向的轉(zhuǎn)動副鎖住，則此 時并聯(lián)腿機構(gòu)為3-UPU，機構(gòu)自由度為3，動平臺可以實現(xiàn)三維移動。若將四足步行時機器 人左右兩邊的腿機構(gòu)進行前后合并，并且取消與上平臺相連接的三自由度鉸鏈的約束，此 時腿機構(gòu)變成6-SPU并聯(lián)機構(gòu)，機器人變成2-6SPU并聯(lián)腿機器人，從而實現(xiàn)兩足行走。一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置包括轉(zhuǎn)動副止動裝置、合 并裝置。轉(zhuǎn)動副止動裝置主要包括吸盤式電磁鐵、電磁吸盤底座、摩擦片、摩擦片載體、支 撐柱、彈簧和轉(zhuǎn)動副止動板。該裝置的設(shè)計原理是通過摩擦片的貼緊與分離來控制S副中 轉(zhuǎn)動副的鎖緊與打開來實現(xiàn)，摩擦片間的貼緊與分離靠吸盤式電磁鐵來控制。合并裝置包 括電磁吸盤、導向裝置、推拉式電磁鐵以及鎖緊夾。該裝置的設(shè)計原理是通過控制要合并的兩腿的位置，經(jīng)過電磁吸盤的吸合及導向裝置的導向作用，使得足底能夠得以合并，最后通 過推拉式電磁鐵帶動鎖緊夾動作來實現(xiàn)對合并裝置的鎖緊。本發(fā)明采用可重構(gòu)設(shè)計擴大了機器人的使用范圍，使機器人具有更好的柔性。通 過轉(zhuǎn)動副止動裝置實現(xiàn)了 3-UPU并聯(lián)機構(gòu)與6-SPU并聯(lián)機構(gòu)間的轉(zhuǎn)換，充分利用了三維移 動3-UPU并聯(lián) 機構(gòu)在三維空間移動的靈活性以及6-SPU并聯(lián)機構(gòu)在兩足步行過程中可滿足 對自由度數(shù)和穩(wěn)定性要求的特點；通過一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝 置實現(xiàn)了兩足步行機器人與四足步行機人間的轉(zhuǎn)換，汲取了四足步行機器人有較好的靜態(tài) 和動態(tài)穩(wěn)定性，以及兩足步行機器人可以彌補四足步行機器人在上下樓梯或臺階時產(chǎn)生的 身體傾斜等優(yōu)點，使機器人綜合性能得到進一步提高，在助老助殘機步行器人方面有很好 的應(yīng)用前景。


圖1是四足行走時，四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人示意圖；圖2是兩足行走時，四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人示意圖；圖3是轉(zhuǎn)動副止動裝置(a)示意圖；圖4轉(zhuǎn)動副止動裝置(b)與機器人腿機構(gòu)示意圖；圖5是裝置(a)示意圖；圖6是裝置(b)示意圖；圖7合并后合并裝置示意圖。四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人示意圖1_腿機構(gòu)1，2_腿機構(gòu)2;轉(zhuǎn)動副止動裝置(a)示意圖3_摩擦片，4-摩擦片載體，5-轉(zhuǎn)動副止動板，6-吸盤 式電磁鐵，7-電磁吸盤底座；轉(zhuǎn)動副止動裝置(b)與機器人腿機構(gòu)示意圖8_摩擦片，9-摩擦片載體，10-支撐 柱，11-電磁吸盤底座，12-彈簧；13-腿機構(gòu)1的上平臺，14-上平臺與萬向節(jié)連接件，15-腿 機構(gòu)下1的平臺；裝置(a)示意圖16-鎖緊夾，17-推桿，18-推拉式電磁鐵，19-吸盤式電磁鐵， 20-導向裝置，21-導向板，22-固定用板，23-墊板；裝置(b)示意圖24_腿機構(gòu)2的下平臺，25-固定用板，26-導向裝置。
具體實施例方式下面給出本發(fā)明的具體實施方案，并結(jié)合附圖加以說明。本發(fā)明為一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計， 即實現(xiàn)四足機器人與兩足機器人之間相互轉(zhuǎn)換方案的設(shè)計?？芍貥?gòu)裝置包括轉(zhuǎn)動副止動裝 置及合并裝置。機器人重構(gòu)的具體實現(xiàn)方案是在四足步行時(如圖1所示)，合并裝置分 開，轉(zhuǎn)動副止動裝置將3-SPU中與上平臺連接的轉(zhuǎn)動副鎖死，每個腿機構(gòu)為3-UPU機構(gòu)。兩 足步行時(如圖2所示)，轉(zhuǎn)動副止動裝置將3-SPU中被鎖死的轉(zhuǎn)動副打開，形成一個六自 由度的6-SPU腿機構(gòu)，再將四足步行機器人左右兩邊前后腿的足部平臺通過合并裝置連接 在一起。下面以腿機構(gòu)1和腿機構(gòu)2的合并過程來說明機器人可重構(gòu)的實現(xiàn)。如圖3、圖4所示，本發(fā)明轉(zhuǎn)動副止動裝置主要包括吸盤式電磁鐵、電磁吸盤底座、摩擦片、摩擦片載體、支撐柱、彈簧和轉(zhuǎn)動副止動板。轉(zhuǎn)動副止動裝置的 結(jié)構(gòu)布置是轉(zhuǎn)動副止動板5為正三角形，周邊對稱布置的三 個摩擦片載體4固定在轉(zhuǎn)動副止動板5上，摩擦片3固定在摩擦片載體4上。在板的中心 安裝電磁吸盤底座7，里面裝有吸盤式電磁鐵6 ；腿機構(gòu)的上平臺13也為正三角形，與轉(zhuǎn)動 副止動板5相對應(yīng)的位置上布置著三個摩擦片8，摩擦片8固定在摩擦片載體9上。摩擦片 載體9和上平臺與萬向節(jié)連接件14鉸接在一起。電磁吸盤底座11固定在上平臺13中心。 在電磁吸盤底座11周邊，對稱布置著三個有螺紋的支撐柱10，支撐柱10上方固定在座椅 上，支撐柱10下方固定在腿機構(gòu)上平臺13，其上裝有彈簧12，轉(zhuǎn)動副止動板5位于座椅與 腿機構(gòu)上平臺13中間，由支撐柱10上的彈簧12撐起。轉(zhuǎn)動副止動裝置的動作過程四足行走時，吸盤式電磁鐵6通電，電磁吸盤底座7 和電磁吸盤底座11扣緊，固定在轉(zhuǎn)動副止動板5上的摩擦片3和上平臺13上的摩擦片8 貼緊，則與摩擦片載體9鉸接的上平臺與萬向節(jié)連接件14失去了沿與上平臺13垂直方向 的轉(zhuǎn)動。兩足步行時，吸盤式電磁鐵6的斷電，電磁吸盤底座7和電磁吸盤底座11松開，上 下摩擦片分離，與摩擦片載體9鉸接的上平臺與萬向節(jié)連接件14可以沿與上平臺13垂直 的方向轉(zhuǎn)動。如圖5、圖6所示，合并裝置主要包括電磁吸盤、導向裝置、推拉式電磁鐵、鎖緊 夾。合并裝置分為裝置(a)和裝置(b)兩個部分，裝置(a)安裝在前腿1的下平臺15上， 裝置(b)安裝在后腿2的下平臺24上。裝置(a)的結(jié)構(gòu)布置是導向裝置20通過固定用 板22固定在前腿1的下平臺15上，其內(nèi)部安裝了吸盤式電磁鐵19 ；推拉式電磁鐵18通過 墊板23安裝在下平臺15上，電磁鐵18的推桿17帶動其前端安裝的鎖緊夾16伸出或縮回， 固定在導向裝置20上的導向板21對鎖緊夾16的動作起導向作用。裝置(b)的結(jié)構(gòu)布置 是導向裝置26通過S形的固定用板25固定在后腿2的下平臺24上。合并裝置的動作過程當兩足行走時，通過操作系統(tǒng)使導向裝置20與導向裝置26 合并，吸盤式電磁鐵19通電，使導向裝置20和導向裝置26貼緊，這時推拉式電磁鐵18通 電，其推桿17伸出，從而帶動鎖緊夾16伸出，將合并裝置鎖緊，實現(xiàn)了機器人兩足合并，如 圖7所示。當四足行走時，推拉式電磁鐵18斷電，其推桿17縮回，從而帶動鎖緊夾16縮回， 這時吸盤式電磁鐵19斷電，合并裝置打開，裝置(a)與裝置(b)分離，通過操作系統(tǒng)使腿機 構(gòu)1和腿機構(gòu)2分開，最終實現(xiàn)了兩足到四足的轉(zhuǎn)變。
權(quán)利要求
1.一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置，其特征在于所述可重構(gòu)裝 置包括轉(zhuǎn)動副止動裝置和合并裝置；機器人兩種腿機構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)換通過轉(zhuǎn)動副止動裝 置來實現(xiàn)，機器人左右兩側(cè)的前后兩腿之間的合并通過合并裝置實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置，其特 征在于所述的轉(zhuǎn)動副止動裝置主要包括吸盤式電磁鐵、電磁吸盤底座、摩擦片、摩擦片載 體、支撐柱、彈簧和轉(zhuǎn)動副止動板，兩腿機構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)換是通過摩擦片的貼緊與分離控 制S副中轉(zhuǎn)動副的鎖緊與打開，摩擦片的貼緊與分離靠吸盤式電磁鐵來控制；所述的轉(zhuǎn)動 副止動裝置的結(jié)構(gòu)布置是轉(zhuǎn)動副止動板(5)為正三角形，周邊對稱布置的三個摩擦片載 體(4)固定在轉(zhuǎn)動副止動板(5)上，摩擦片(3)固定在摩擦片載體(4)上，在板的中心安裝 電磁吸盤底座(7)，里面裝有吸盤式電磁鐵(6)，腿機構(gòu)的上平臺(13)也為正三角形，與轉(zhuǎn) 動副止動板(5)相對應(yīng)的位置上布置著三個摩擦片(8)，摩擦片(8)固定在摩擦片載體(9) 上，摩擦片載體(9)和上平臺與萬向節(jié)連接件(14)鉸接在一起；電磁吸盤底座(11)固定 在上平臺(13)中心，在電磁吸盤底座(11)周邊，對稱布置著三個有螺紋的支撐柱(10)，支 撐柱(10)上方固定在座椅上，支撐柱(10)下方固定在腿機構(gòu)上平臺(13)，其上裝有彈簧 (12)，轉(zhuǎn)動副止動板(5)位于座椅與腿機構(gòu)上平臺(13)中間，由支撐柱(10)上的彈簧(12) 撐起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置，其特 征在于所述的合并裝置主要包括吸盤式電磁鐵、導向裝置、推拉式電磁鐵、鎖緊夾；合并 裝置由裝置(a)和裝置(b)構(gòu)成，裝置(a)安裝在前腿⑴的下平臺(15)上，裝置(b)安 裝在后腿⑵的下平臺(24)上；通過控制要合并兩腿的位置，經(jīng)電磁吸盤和導向裝置使足 底合并，再由推拉式電磁鐵帶動鎖緊夾動作使合并裝置鎖緊；所述的裝置(a)的結(jié)構(gòu)布置 是導向裝置(20)通過固定用板(22)固定在前腿(1)的下平臺(15)上，其內(nèi)部安裝了吸 盤式電磁鐵(19)；推拉式電磁鐵(18)通過墊板(23)安裝在下平臺(15)上，電磁鐵(18) 的推桿(17)帶動其前端安裝的鎖緊夾(16)伸出或縮回，固定在導向裝置(20)上的導向板 (21)對鎖緊夾(16)的動作起導向作用；所述的裝置(b)的結(jié)構(gòu)布置是導向裝置(26)通 過S形的固定用板(25)固定在后腿(2)的下平臺(24)上。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于四足/兩足并聯(lián)腿步行機器人的可重構(gòu)裝置，屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域。對機器人腿機構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各腿結(jié)構(gòu)相同。四足步行時腿機構(gòu)為3-UPU，兩足步行時腿機構(gòu)為3-SPU，用轉(zhuǎn)動副止動裝置實現(xiàn)兩種腿機構(gòu)間的轉(zhuǎn)換。通過合并裝置實現(xiàn)四足與兩足間的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動副止動裝置包括電磁鐵、電磁吸盤底座、摩擦片、摩擦片載體、支撐柱、彈簧和轉(zhuǎn)動副止動板，由摩擦片的貼緊與分離控制S副中轉(zhuǎn)動副的鎖緊與打開，摩擦片的貼緊與分離靠吸盤式電磁鐵控制。合并裝置包括電磁吸盤、導向裝置、推拉式電磁鐵和鎖緊夾，通過控制要合并兩腿的位置，經(jīng)電磁吸盤及導向裝置使足底合并，再由推拉式電磁鐵帶動鎖緊夾動作使合并裝置鎖緊。
文檔編號B62D57/032GK102085145SQ20101057346
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者張典范, 徐桂玲, 杜寧, 王洪波, 胡星, 袁林 申請人:燕山大學