并联腿部结构和步行机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种并联腿部结构和步行机器人。

背景技术：

高速、高承载四足机器人是模仿四足动物运动形式的特种机器人，该类机器人能够在复杂的非结构环境中稳定的行走，可以代替人完成许多危险作业，在军事、矿山开采、核能工业、消防及营救、建筑业、农业采伐、示教娱乐等行业有着许多的应用前景。长期以来，四足机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。

目前国内腿式机器人即步行机器人以其优越的机动性能和复杂环境下的适应性得到广泛关注。对于步行机器人来说，腿部结构、性能直接影响到整体性能。

其中，串联机器人具有以髋部、大腿部、小腿部为依次串联的串联腿部结构，第一，由于采用串联结构，在末端足部想要到达目标位置时需要各关节的依次响应，因此在腿部的响应速度上较慢；第二，串联结构需要电机及驱动系统提供较快的驱动速度才能实现其快速行走，因此行走速度慢；第三，由于采用髋部、大腿部、小腿部为依次串联的串联腿部结构，因此由于其较长的传动链导致其刚性随传动链的增长而降低，同时使其承载能力降低，进而必须通过增强整体结构强度或增大电机及驱动系统的扭矩来补偿以上缺点，这必然导致整体重量增加及需要更高性能的驱动系统，这必然导致其制造成本增加。

因而，亟待提出一种新的并联腿部结构并将其用于并联机器人，以解决上述串联机器人存在的种种问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的第一方面的目的在于提供一种并联腿部结构。

本申请的第二方面的目的在于提供一种机器人。

第一方面，本申请实施例提供了一种并联腿部结构，适用于步行机器人。所述并联腿部结构包括静平台、足部单元、至少两个第一驱动臂；所述第一驱动臂的两端分别与所述静平台和所述足部单元铰接；

所述第一驱动臂能够伸缩，以改变所述第一驱动臂的两端之间的距离。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述并联腿部结构还包括第二驱动臂和连接杆，所述连接杆的第一端与所述静平台的第一位置铰接，所述连接杆的第二端与所述足部单元铰接，所述第二驱动臂的两端分别与所述连接杆的第二端和所述静平台的第二位置铰接；

两个所述第一驱动臂分别与所述静平台的铰接位置的连线所在直线为第一直线，所述第一位置与所述第二位置中的至少一个不在所述第一直线上；

所述第二驱动臂能够伸缩，以改变所述第二驱动臂的两端之间的距离。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第一驱动臂、所述第二驱动臂和所述连接杆分别通过虎克铰链与所述静平台铰接；

所述第二驱动臂通过虎克铰链与所述连接杆铰接；

所述第一驱动臂、所述第二驱动臂和所述连接杆相对于所述静平台的可转动方向均包括所述第一方向和第二方向，所述第二方向与所述第一方向呈夹角设置；

所述第二驱动臂相对于所述连接杆的可转动方向包括所述第一方向和所述第二方向。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第一驱动臂和所述连接杆均通过回转铰链与所述足部单元铰接；

所述回转铰链包括相连接的底座和转轴，，所述底座固定连接在所述足部单元上，所述第一驱动臂和所述连接杆的第二端分别通过所述转轴与所述底座可转动连接；

与所述第一驱动臂连接的所述转轴平行于与所述连接杆连接的所述转轴；

所述第一驱动臂和所述连接杆相对于所述足部单元的可转动方向为第一方向。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所有所述回转铰链均设置在同一直线上。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂均为直线电机或线性电动缸。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述足部单元包括动平台和足部本体，所述足部本体设置在所述动平台的底表面，所述第一驱动臂和所述连接杆的第二端分别与所述动平台的顶表面铰接。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述足部本体远离所述动平台的一端设置有防滑套。

第二方面，本申请实施例还提供一种步行机器人，包括：机身平台和多个如第一方面提供的并联腿部结构；

多个所述并联腿部结构的静平台分别与所述机身平台的底表面相连接，且多个所述静平台在所述机身平台的连接位置非直线设置。

结合第二方面，本申请实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述并联腿部结构的数量为四个，四个所述静平台与所述机身平台的连接位置内接于同一个圆。

本申请实施例提供的并联腿部结构，包括静平台、足部单元、至少两个第一驱动臂；第一驱动臂的两端分别与静平台和足部单元铰接；第一驱动臂能够伸缩，以改变第一驱动臂的两端之间的距离。改变其两个第一驱动臂中的至少一个伸缩状态，就能够驱动足部单元的移动预定距离，通过两个第一驱动臂的伸缩状态的耦合，增大了足部单元的可移动范围，从而提高了足部单元行走的灵活性。相对于现有的串联腿部结构，结构刚度、响应速度和行走速度均得到大幅提升，简化了结构的复杂程度，降低了制造成本。相对于现有的并联腿部结构，具有更好的灵活性和适用性。本申请实施例提供的步行机器人，包括多个该并联腿部结构，通过多个并联腿部结构的协调及耦合运动，能够实现走、跑和跳等运动。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的并联腿部结构的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的并联腿部结构的部分的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的第二驱动臂的结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的并联腿部结构的连接杆的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的并联腿部结构的足部单元的结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的步行机器人的结构示意图；

图7为本发明实施例二提供的步行机器人的机身平台的结构示意图。

图标：1-并联腿部结构；10-静平台；11-足部单元；110-动平台；111-足部本体；112-防滑套；12-第一驱动臂；13-第二驱动臂；14-连接杆；15-虎克铰链；16-回转铰链；2-步行机器人；20-机身平台；21-电池模组。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参见图1-图5所示，本实施例提供了一种并联腿部结构；图1为本实施例提供的并联腿部结构的结构示意图，图2为本实施例提供的并联腿部结构的部分的结构示意图，清楚地示出了第二驱动臂、连接杆、静平台和足部单元之间的连接关系中，图3为本实施例提供的并联腿部结构的第二驱动臂的结构示意图，图4为本实施例提供的并联腿部结构的连接杆的结构示意图，图5为本实施例提供的并联腿部结构的足部单元的结构示意图。

参见图1-图5所示，结合图6和图7，该并联腿部结构，适用于步行机器人。

本实施例中的并联腿部结构1，包括静平台10、足部单元11、至少两个第一驱动臂12；

第一驱动臂12的两端分别与静平台10和足部单元11铰接；静平台10为第一驱动臂12和第二驱动臂13提供了稳定的机架，可以通过静平台10与步行机器人2的机身平台20相连接，从而将第一驱动臂12连接在步行机器人2的机身平台20以形成具有行走能力的步行机器人2。

可选地，静平台10为设置有连接孔的金属连接板，可通过连接孔与步行机器人2的机身平台20固定连接；可选地，金属连接板的材质可为铝或铝合金等，既能够保证金属连接板的结构强度，也能够保证金属连接板的轻量化；

足部单元11作为整个并联腿部结构1与地面接触的受力点，起到减振及保护整个系统的作用；可选地，足部单元11被构造成类似于犬科动物小腿的外形，不仅有利于提高美观度，而且还能够提高足部单元11对于复杂地形的适应能力。

第一驱动臂12能够伸缩，以改变第一驱动臂12的两端之间的距离。在静平台10不动的情况下，改变两个第一驱动臂12中至少一个的长度，就能改变足部单元11相对于静平台10的摆角，且由于第一驱动臂12的两端之间的距离始终较远，所以静平台10与足部单元11之间的距离较远，因此在足部单元11相对于静平台10做小幅度摆动时可以将其近似为位置自由度，即近似于足部单元11可以平移。当然，在足部单元11相对于静平台10做大幅度摆动时可以将其近似为摆动自由度，即近似于足部单元11可以转动。也就是说，该并联腿部结构1，改变其两个第一驱动臂12中的至少一个伸缩状态，就能够驱动足部单元11实现预定运动，通过两个第一驱动臂12的伸缩状态的耦合，增大了足部单元11的可移动范围，从而提高了足部单元11行走的灵活性。

可选地，通过改变两个第一驱动臂12中的至少一个的驱动速度，可以控制足部单元11运动到预定位置的速度。值得解释的是，通过一定算法可以实现两个第一驱动臂12的耦合驱动，从而驱动足部单元移动、转动或驱动足部单元实现移动和转动的耦合运动。

现有的串联腿部结构，采用串联结构，即以髋部、大腿部和小腿部和足部为依次串联，由于在末端足部想要到达目标位置时需要个关节依次响应，因此该串联腿部结构的响应速度很慢；而该并联腿部结构1由于通过两个并联设置的第一驱动臂12共同驱动足部单元11，因此第一驱动臂12只需小幅伸缩就能够使足部单元11产生较大的运动幅度。也就是说，相对于现有的串联腿部结构，该并联腿部结构1的响应速度和行走速度均得到大幅提升。

在结构的复杂程度方面，现有的串联腿部结构，需要进行较长的传动链设计和参数计算，而该并联腿部结构1，需要设计的结构只有实现铰接的铰链及静平台10的连接结构等。也就是说，相对于现有的串联腿部结构，结构得到了大幅简化，生产成本也得到了大幅降低。

在结构刚度方向，现有的串联腿部结构，由于其传动链是逐级串联驱动，后一级驱动结构需要较前一级驱动结构承受更高的力矩，所以其结构刚度和结构强度方面的表现不好。而该并联腿部结构1两个第一驱动臂12分别单独驱动足部单元11，所以两个第一驱动臂12在运动周期中承受的力矩变化不大，因而该并联腿部结构1相对于现有的串联腿部结构具有更好的刚性和承载能力。

现有的并联腿部结构只具有位置自由度而缺少姿态自由度，而该并联腿部结构1既具有位置自由度又具有姿态自由度，相对于现有的并联腿部结构，具有更好的灵活性和适用性。

本实施例提供的并联腿部结构1，包括静平台10、足部单元11、至少两个第一驱动臂12；第一驱动臂12的两端分别与静平台10和足部单元11铰接；第一驱动臂12能够伸缩，以改变第一驱动臂12的两端之间的距离。改变其两个第一驱动臂12中的至少一个伸缩状态，就能够驱动足部单元11实现预定运动，通过两个第一驱动臂12的伸缩状态的耦合，增大了足部单元11的可移动范围，从而提高了足部单元11行走的灵活性。相对于现有的串联腿部结构，结构刚度、响应速度和行走速度均得到大幅提升，简化了结构的复杂程度，降低了制造成本。相对于现有的并联腿部结构，具有更好的灵活性和适用性。

本实施例的可选方案中，并联腿部结构1还包括第二驱动臂13和连接杆14，连接杆14的第一端与静平台10的第一位置铰接，连接杆14的第二端与足部单元11铰接，第二驱动臂13的两端分别与连接杆14的第二端和静平台10的第二位置铰接；连接杆14的两端分别与静平台10的第一位置和足部单元11铰接，因而第一位置即为足部单元11相对于静平台10摆动的中心，而连接杆14与足部单元11的铰接位置即可看做是足部单元11在两个第一驱动臂12的驱动作用下的定轴转动中心，通过增设连接杆14进一步提升了该并联腿部结构1的结构刚度，也提升了足部单元11相对于静平台10的运动的可控性。

两个第一驱动臂12分别与静平台10的铰接位置的连线所在直线为第一直线，第一位置与第二位置中的至少一个不在第一直线上；第二驱动臂13能够伸缩，以改变第二驱动臂13的两端之间的距离。从而可以通过两个第一驱动臂12耦合驱动足部单元11，使该并联腿部结构1实现第一位置自由度，再通过第二驱动臂13驱动连接杆14，从而使该并联腿部结构1实现第二位置自由度，此外，由于足部单元11在第二驱动臂13和两个第一驱动臂12的耦合驱动作用下，还能够绕连接杆14与足部单元11的连接处转动，从而使该并联腿部结构1获取了一个姿态自由度。也就是说，通过设置两个第一驱动臂12、连接杆14和第二驱动臂13，并通过第二驱动臂13和两个第一驱动臂12的耦合驱动可以实现两个位置自由度和一个姿态自由度，从而能够通过这样简单的并联腿部结构1，模仿复杂的动物的髋部、大腿部及小腿部运动。

该可选方案提供的并联腿部结构1，连接杆14连接在静平台10与足部单元11之间，第二驱动臂13连接在连接杆14的第二端和静平台10之间，通过第二驱动臂13和两个第一驱动臂12的耦合驱动可以实现两个位置自由度和一个姿态自由度。因而相对于现有的并联腿部结构，该可选方案提供的并联腿部结构1，能够模仿动物的髋部、大腿部及小腿部产生的多种多样的姿态和步态，能够像动物那样适应非结构地理环境，灵活性、适应性和可活动范围均得到显著提高。

可选地，第一驱动臂12和第二驱动臂13均可通过一定算法实现耦合驱动。

可选地，连接杆14可为长度可调的连接杆14，从而能够根据静平台10与足部单元11之间的连接距离的需求，适当调节连接杆14的长度。

可选地，第一驱动臂12、第二驱动臂13和连接杆14的形状既可以为直线形也可以为曲线形等其他形状，只要第一驱动臂12的延伸方向、连接杆14的延伸方向为静平台10至足部单元11的方向即可，同理第二驱动臂13的延伸方向为静平台10至连接杆14即可。

可选地，为适应第一位置与第二位置中的至少一个不在第一直线上，静平台10包括相互垂直地连接的横板和纵板，连接杆14和两个第一驱动臂12分别与横板铰接，第一位置位于两个第一驱动臂12与静平台10的连接位置之间，第二驱动臂13与纵板铰接。

本实施例的可选方案中，第一驱动臂12、第二驱动臂13和连接杆14分别通过虎克铰链15与静平台10铰接；

第二驱动臂13通过虎克铰链15与连接杆14铰接。

通过设置虎克铰链15，既能够实现第一驱动臂12、第二驱动臂13和连接杆14相对于静平台10的可靠连接，而且还能够保证在两个方向的转动，进而便于实现两个位置自由度，有利于提高并联腿部结构1的运动灵活性。

可选地，虎克铰链15包括一个十字转轴和两个连接底座，连接底座可为蹄形座或板状座等，十字转轴包括交叉设置的第一转轴和第二转轴，第一转轴和第二转轴。

可选地，第一驱动臂12、第二驱动臂13和连接杆14相对于静平台10的可转动方向均包括第一方向和第二方向，第二方向与第一方向呈夹角设置；可选地，第一方向与第二方向的夹角可以为30°、36°、45°或90°等。

第二驱动臂13相对于连接杆14的可转动方向包括第一方向和第二方向，或第二驱动臂13相对于连接杆14的可转动方向包括第一方向和第三方向。第三方向与第一方向呈夹角设置，且第三方向和第二方向不相一致。

值得解释的是，转动方向是根据右手定则结合第一驱动臂12、第二驱动臂13和连接杆14的转速确定的。

该第一方向和第二方向仅为可实施的一个实施例，在实际使用过程中可以根据需要定义第一方向和第二方向的具体方向。

本实施例的可选方案中，第一驱动臂12和连接杆14均通过回转铰链16与足部单元11铰接；

回转铰链16包括相连接的底座和转轴，，底座固定连接在足部单元11上，第一驱动臂12和连接杆14的第二端分别通过转轴与底座可转动连接；

与第一驱动臂12连接的转轴平行于与连接杆14连接的转轴。

可选地，第一驱动臂12和连接杆14相对于足部单元11的可转动方向为第一方向。该第一方向仅为可实施的一个实施例，在实际使用过程中可以根据需要定义第一方向的具体方向。

本实施例的可选方案中，所有回转铰链16均设置在同一直线上。

通过将回转铰链16均设置在同一直线上，有助于提高两个第一驱动臂12的耦合驱动效率，进而提高该并联腿部结构1在第一位置自由端上的响应速度，同时当结合第二驱动臂13和连接杆14的时候，有助于提高第二驱动臂13对于连接杆14的驱动效率，进而提高该并联腿部结构1在第二位置自由度上的响应速度。

本实施例的可选方案中，第一驱动臂12和第二驱动臂13均为直线电机或线性电动缸。

通过直线电机和线性电动缸，均能够实现线性驱动，以改变第一驱动臂12的两端的距离、第二驱动臂13的两端的距离，能够高效地实现第一驱动臂12和第二驱动臂13的伸缩运动。

可选地，第一驱动臂12和第二驱动臂13还可以为摆杆驱动结构。

且直线电机、线性电动缸和摆杆驱动结构均易于组装、调整伸缩方向和伸缩速度，便于有效提高该并联腿部结构1的运动可控性，即能够控制该并联腿部结构1的足部单元11到达目标位置的准确性。

具体地，当第一驱动臂12和第二驱动臂13为线性电动缸，通过控制线性电动缸的电机的正反转，可以控制线性电动缸的缸杆的伸缩，通过控制线性电动缸的电机的转速，可以控制线性电动缸的缸杆的伸缩速度。

本实施例的可选方案中，足部单元11包括动平台110和足部本体111，足部本体111设置在动平台110的底表面，第一驱动臂12和连接杆14的第二端分别与动平台110的顶表面铰接。

通过设置动平台110，便于足部单元11通过动平台110连接两个第一驱动臂12以及连接杆14，具体地，便于与回转铰链16连接；依据仿生学原理便于将足部本体111构造成对于崎岖底面的贴合能力和适应能力较强的形状，例如犬类动物的小腿的形状。

可选地，动平台110为金属连接板，金属连接板的材质可为铝或铝合金等。

可选地，动平台110与足部单元11为一体成型。

本实施例的可选方案中，足部本体111远离动平台110的一端设置有防滑套112。从而能够提高该并联腿部机构的抓地力，进而提高该并联腿部结构1的行进稳定性。

实施例二

实施例二提供了一种步行机器人，该实施例包括实施例一的并联腿部结构，实施例一所公开的并联腿部结构的技术特征也适用于该实施例，实施例一已公开的并联腿部结构的技术特征不再重复描述。

参见图6和图7，结合图1至图5所示，本实施例提供了一种步行机器人，图6示出了本实施例提供的步行机器人的结构示意图，图7示出了本实施例提供的步行机器人的机身平台的结构示意图。

本实施例提供的步行机器人2，包括机身平台20和多个如实施例一提供的并联腿部结构1；

多个并联腿部结构1的静平台10分别与机身平台20的底表面相连接，且多个静平台10在机身平台20的连接位置非直线设置。

机身平台20为多个并联腿部结构1提供了连接固定点，是整个步行机器人2的连接枢纽。可选地，机身屏体为框架结构，框架结构的内部空间可用于容纳为整个步行机器人2提供动力源的电池模组21。

该步行机器人2包括多个并联腿部结构1，通过多个并联腿部结构1的协调及耦合运动，能够实现走、跑和跳等运动。

可选地，并联腿部结构1为四个、六个或八个等。

本实施的可选方案中，并联腿部结构1的数量为四个，四个静平台10与机身平台20的连接位置内接于同一个圆。

通过将并联腿部结构1的数量设置为四个，并使四个并联腿部结构1的静平台10分别位于一个四边形的四个顶点的位置。既能够保证步行机器人2的并联腿部结构1的数量的简洁性，且可保证步行机器人2能够实现的运动形式的多样性。

本实施例中的步行机器人具有实施例一的并联腿部结构的优点，实施例一所公开的并联腿部结构的优点在此不再重复描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。