一种并联步行机器人的连接方法及其并联步行机器人 技术领域 本发明公开一种并联步行机器人的连接方法及其并联步行机器人， 涉及现有双腿 步行机器人结构的改进， 属于并联机器人技术领域。
背景技术 用多环并联机构做成的步行机器人， 例如， 有日本早稻田大学 1972 年开始研制的 所有并联机构的 WL 系列二足步行机器人， 和日本高西淳夫发明的双足步行机器人的下半 身模块 ( 中国专利号为 03826959.7) 等。这一类步行机器人的结构如图 1、 图 2 所示 ： 并联 机构运动时， 动平台有一个最高位置， 有一个最低位置， 介于最高位置和最低位置中间的某 个位置称为中立位置。例如， 对于 6SPS sterwart 平台， 当 P 副伸长到一半位置时， 就可以 是一个中立位置。
这一类步行机器人由左、 右两个并列的六自由度空间并联机构组成。单个的并联 机构都是 stewart 平台。 每个并联机构都由上平台 1p、 下平台 3p 和连接上下平台的六个支 链 2p 组成。六个支链均为 SPS 型 ( 两杆三副 )。左侧并联机构与右侧并联机构大小相同、 左右对称。都呈倒棱台形 ( 上平台较大、 下平台较小 )， 两个并联机构上平台高度相同， 两 个上平台固连在一起。左侧并联机构与右侧并联机构都是对称的并联机构 ( 各个支链都相 同 )。
以左侧并联机构为例。左侧并联机构的上平台是六边形 ( 六个髋关节安装座的连 线是六边形 ) 平台 1p， 下部是三角形 ( 三组踝关节的连线形成的三角形 ) 平台 3p， 上平台 有六个髋关节安装座 ( 俯视图上用椭圆形表示 )， 分布在上平台构架 1.2p 的六个角上。支 链上端的 S 副 ( 球副 ) 是髋关节 1.3p， 分别安装在上平台的六个髋关节安装座 1.1p 上。支 链上端的 S 副 ( 球副 ) 与 P 副之间由连杆 1.6p 连接， 支链下端的 S 副 ( 球副 ) 与 P 副之间 由连杆 1.7p 连接。下平台有三个踝关节复合球铰安装座， 分布在一个三角形的三个角上， 六个 SPS 型支链下端的 S 副 ( 球副 )1.5p， 两两分组， 分别安装在下平台的三个踝关节安装 座 1.8p( 俯视图上用圆形表示 ) 上。支链下端的 S 副 ( 球副 ) 是踝关节 1.5p， 使用复合球 铰， 两个球副 ( 踝关节 ) 共用一个复合球铰。三个踝关节安装座 1.8p 的下方是脚掌 1.9p。 P 副 1.4p 是主动副， 六个 P 副使一个并联机构获得六个自由度。
左侧并联机构与右侧并联机构左右分开， 二者互不交叉， 互不重叠。 左侧并联机构 与右侧并联机构的下平台 ( 脚掌 ) 左右分开， 并保持适当距离。两个并联腿机构的脚掌多 边形在水平面上的投影没有重合部分。
这一类步行机器人， 从它的左右分开的结构可以看出， 其共有的缺点是 ：
1、 机器人的重心在两个腿之间， 双腿站立时， 重心落在两个脚掌之间。 两个并联腿 机构的脚趾多边形在水平面上的投影没有重合部分。一脚抬起， 不作重心调整， 就会摔倒， 总体受力不好。 步行时， 一脚抬起， 处于游脚相， 重心要左右适当移动， 移到立脚相腿的稳定 三角形 ( 多边形 ) 内， 才可以向前迈步。行走时， 重心的轨迹是 S 形。2、 脚掌下面基本上是 平面， 脚掌与地面是面接触， 对不平路面适应性差。 例如， 落脚处的路面上有一个小石头， 脚
就无法站立。3、 分析表明， 这一类步行机器人， 实现最基本的步行运动， 单腿要有 4 个自由 度， 两个腿要有 10 个自由度， 需要的自由度较多。4、 脚掌虽然左右分开， 并保持了适当距 离， 但左右方向移步仍然受到限制和相互干扰。为防止相互干扰， 相应的控制较复杂。本发 明可以达到如下目的 ： 提供一种具有特定下平台结构的并联机构和两个并联机构可以互相 交叉、 互相包含的连接在一起的并联机器人的连接方法和并联机器人。提供一种向前行走 时， 重心不要左右调整， 即可实现稳态步行的步行机器人。 作为操作手， 受力良好， 可以完成 各种复杂操作。 提供一种脚掌较大， 脚趾之间有足弓或很大空隙， 对不平和松软路面适应性 强的机器人。提供一种实现最基本的步行运动， 需要的自由度较少的机器人。提供一种控 制简单， 两腿相互没有干涉的机器人。 提供一种有较宽的姿态调节范围、 上下陡坡或楼梯方 便的机器人。 发明内容
本发明公开一种并联步行机器人的连接方法， 解决了现有多环并联机构步行机器 人行走时需要左右调整重心的缺欠。
本发明还提供了实现上述方法的机器人， 向前行走时重心不需左右调整。 本发明的并联步行机器人的连接方法解决方案如下 ：
将 A、 B 两个并联机构连接一体构成机器人的， 每一个并联机构包括上平台、 下平 台以及联接上平台、 下平台的三个或三个以上的支链， 其特征在于两个并联机构的连接方 法包括 ：
(1)、 所述的并联机构应符合下列条件 ：
a、 两个并联机构的自由度之和大于等于 7 ； b、 每个并联机构都必须至少包含一个 绕 X 轴转动的自由度和一个绕 Y 轴转动的转动自由度 ； c、 两个并联机构中， 还必须至少包含 一个称为转向自由度的绕 Z 轴转动的自由度 ； d、 两个并联机构中， 至少在一个并联机构上， 还必须至少有一个沿 X 轴方向平移的自由度与沿 Z 轴方向平移自由度的组合或者沿 Y 轴方 向平移的自由度与沿 Z 轴方向平移自由度的组合 ；
(2)A、 B 两个并联机构的上平台固连在一起， 两个并联机构髋关节多边形的中心在 水平面上的投影之间的距离及相互关系是下列两种情况中的一种 ：
a、 两个并联机构的髋关节多边形的中心在水平面上的投影距离为 0 或小于等 于 0.25(Ra+Rb)， 且从俯视图看， 即只比较两个并联机构的横向尺寸， 所述的一个并联机 构比另一个并联机构较大， 较小的并联机构在内， 较大的并联机构在外 ； b、 两个并联机构 的髋关节多边形的中心在水平面上的投影之间的距离大于等于 0.25(Ra+Rb) 小于等于 0.8(Ra+Rb)， 其中
Ra 是能够包含 A 并联机构所有脚趾的最小的圆的半径 ；
Rb 是能够包含 B 并联机构所有脚趾的最小的圆的半径 ；
(3)、 A、 B 两个并联机构的下平台由两个互相独立、 无互相干扰且不与其它支链干 涉的足弓构成， 足弓包括足弓分支、 踝关节安装座、 脚趾 ； 两个互不干涉的外腿上的足弓和 内腿上的足弓构成一对足弓副， 其中， 如果 A 并联机构的脚趾多边形的内部包含 B 并联机构 的一个或多个脚趾， 那么， A 并联机构称为外腿， B 并联机构称为内腿。足弓副是下列四种足 弓副中的一种 ：
a、 外腿是内敛式足弓， 内腿是内敛式足弓 ；
b、 外腿是内敛式足弓， 内腿是外展式足弓 ；
c、 外腿是外展式足弓， 内腿是内敛式足弓 ；
d、 外腿是外展式足弓， 内腿是外展式足弓 ；
而且， 每一对足弓副都要满足下列条件之一 ： a、 一个足弓高， 一个足弓低， b、 两个 足弓一样高。
实现上述方法的并联步行机器人， 由 A、 B 两个并联机构构成， 每个并联机构又包 括上平台、 下平台以及联接上平台、 下平台的三个或三个以上的支链， 其特征在于 ：
(1)、 所述的并联机构应符合下列条件 ：
a、 两个并联机构的自由度之和大于等于 7 ；
b、 每个并联机构都必须至少包含一个绕 X 轴转动的自由度和一个绕 Y 轴转动的转 动自由度 ；
c、 两个并联机构中， 还必须至少包含一个称为转向自由度的绕 Z 轴转动的自由 度；
d、 两个并联机构中， 至少在一个并联机构上， 还必须至少有一个沿 X 轴方向平移 的自由度与沿 Z 轴方向平移自由度的组合或者一个沿 Y 轴方向平移的自由度与沿 Z 轴方向 平移自由度的组合 ； (2)A、 B 两个并联机构的上平台固连在一起， 两个并联机构的髋关节多边形的中心 在水平面上的投影之间的距离及相互关系是下列两种情况中的一种 ：
a、 两个并联机构的髋关节多边形的中心在水平面上的投影距离为 0 或小于等于 0.25(Ra+Rb)， 且从俯视图看， 即只比较两个并联机构的横向尺寸， 所述的一个并联机构比 另一个并联机构较大， 较小的并联机构在内， 较大的并联机构在外 ；
b、 两个并联机构的髋关节多边形的中心在水平面上的投影之间的距离大于等于 0.25(Ra+Rb) 小于等于 0.8(Ra+Rb) ； 其中
Ra 是能够包含 A 并联机构所有脚趾的最小的圆的半径 ；
Rb 是能够包含 B 并联机构所有脚趾的最小的圆的半径 ；
(3)、 A、 B 两个并联机构的下平台由两个互相独立、 无互相干扰且不与其它支链干 涉的足弓构成， 足弓包括足弓分支、 踝关节安装座、 脚趾， 两个互不干涉的外腿上的足弓与 内腿上的足弓构成一对足弓副 ； 足弓副是下列四种足弓副中的一种 ：
a、 外腿是内敛式足弓， 内腿是内敛式足弓 ；
b、 外腿是内敛式足弓， 内腿是外展式足弓 ；
c、 外腿是外展式足弓， 内腿是内敛式足弓 ；
d、 外腿是外展式足弓， 内腿是外展式足弓 ；
而且， 每一对足弓副都要满足下列条件之一 ： a、 一个足弓较高， 一个足弓较低 ； b、 两个足弓一样高。
所述的并联步行机器人， 其特征在于 ： 所述的两个并联机构的足弓是下列三种足 弓中的一种 ：
(1)、 平面足弓 ；
(2)、 凸型足弓 ；
(3)、 凹型足弓。
所述的并联步行机器人， 其特征在于 ： 所述的两个并联机构的相位是下列四种中 的一种 ：
(1)、 两个并联机构的相位差在 0-10 度之间取值 ；
(2)、 两个并联机构的相位差在 50-70 度之间取值 ；
(3)、 两个并联机构的相位差在 80-100 度之间取值 ；
(4)、 两个并联机构的相位差在 170-190 度之间取值。
所述的多环并联步行机器人， 其特征在于 ： 所述的 A 并联腿机构是从 6 自由度、 5 自由度、 4 自由度、 3 自由度、 2 自由度并联机构中选出的一种 ； 所述的 B 并联腿机构是从 6 自 由度、 5 自由度、 4 自由度、 3 自由度、 2 自由度并联机构中选出的一种。
所述的并联步行机器人， 其特征在于 ： 所述的两个并联机构的支链全部是或者主 要是下列支链形式中的一种或者是一个腿使用一种支链， 另一个腿使用另一种支链 ：
(1)、 SPS 支链， 从上往下依次是球副， 移动副， 球副 ；
(2)、 PSS 支链， 从上往下依次是移动副， 球副， 球副 ；
(3)、 RSS 支链， 从上往下依次是转动副， 球副， 球副 ； (4)、 SRS 支链， 从上往下依次是球副， 转动副， 球副。
所述的并联步行机器人， 其特征在于 ： 所述的两个并联腿机构可以是台体式并联 机构， 也可以是平台式并联机构， 或者一个并联机构是台体式结构， 另一个并联机构是平台 式结构。
所述的并联步行机器人， 其特征在于 ： 所述的并联机构的形状是下列三种形状之 一：
(1) 柱状并联机构，
(2) 正棱台形并联机构，
(3) 倒棱台形并联机构。
所述的并联步行机器人， 其特征在于 ： 所述的脚趾为六个， 分为两组， 同一组脚趾 包括两个并联机构上的脚趾， 每组三个， 分别布置在两条平行线上。
所述的并联步行机器人， 其特征在于 ： 所述的足弓的下部， 至少串联安装一个广义 移动副， 广义移动副的轴线与上平台平面垂直。
所述的并联步行机器人， 其特征在于 ： 所述的两个上平台固定在基座上， 两个并联 机构的下平台悬空， 下平台上分别连接有末端执行器， 两个并联机构的自由度之和大于等 于 9。
下面详细说明本发明涉及的名词和有关结构。
本发明所述的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， 坐标原点位于踝 ( 髋 ) 关节多边形的几何中心。踝关节多边形是依次连接踝关节形成的多 边形。
自由度及其组合 ：
并不是所有的并联机构都可以用于本发明。 例如缺少一个或两个绕水平轴转动自 由度的并联机构不能用于本发明， 具体的说来， 3T1R， 3T0R(T ： 平移自由度， R： 转动自由度， 3T1R 表示具有三个移动自由度、 一个转动自由度的并联机构， 下同 ) 肯定不能用于本发明。
不仅如此， 两个并联机构还要有特定的自由度组合才能构成本发明。 有些并联机构， 虽然也 有两个绕水平轴转动的自由度组合， 例如， 两个 3T2R 并联机构就不能组成步行机器人， 因 为， 缺少转向自由度， 机器人只能直行， 不能拐弯。
在本发明特定的构思下， 并联机器人完成一个最基本的步行运动， 最起码的条件 是， 自由度总数要大于等于 7， 还要有特定的自由度组合 ： 每个腿都要有直立功能， 有两个 绕水平轴转动的自由度组合， 以适应不平的路面 ； 两个腿至少要有一个转向自由度 ( 最多 两个 )， 两个腿还要至少有一个移步自由度组合 ( 最多四个 )。一个移步自由度的组合应当 在一个腿上。
绕 X 轴、 Y 轴转动的两个转动自由度可以完成适应不平路面的要求， 即在各种不同 的路面上， 上平台都可以保持水平状态， 所以称为直立自由度组合， 简称直立自由度。沿 Z 向的移动自由度可以完成抬步和适应不同高度地面的功能， 所以把沿 Z 向的移动自由度称 为抬步自由度。绕 Z 轴转动的自由度， 称为转向自由度。具有绕 Z 轴转动的自由度， 则该机 构可原地或运动中转向， 即转向自由度完成转向和转弯功能。转向自由度可以分布在 A 并 联机构， 也可以分布在 B 并联机构上。两个并联机构也可以都有转向自由度。一个腿上的 抬步自由度和一个水平移动的自由度组合称为移步自由度组合， 简称移步自由度。移步自 由度组合可以完成一个基本的移步运动。具有 X 向的平移的自由度， 配合抬步自由度， 则可 向 X 向移动 ； 具有 Y 向的平移的自由度， 配合抬步自由度， 则可向 Y 向移动。即移步自由度 完成前进或后退功能。
一个六自由度并联机构， 具有一个直立自由度组合， 一个转向自由度， 两个移步自 由度组合。六自由度并联机构既可原地或运动中转向， 又可以不要转向就完成向任意方向 的运动。两个六自由度并联机构组成的机器人， 可以作任何形式的步行运动。
不同数目自由度的机器人具有不同的步行运动或工作能力。
含有 0T2R 并联机构的机器人、 自由度等于 7(5+2)、 或者自由度等于 8(6+2) 的机器 人和含有 0T3R 并联机构的机器人、 自由度等于 7(4+3)、 8(5+3) 或 9(6+3) 的并联机器人， 只 能够进行波浪式间歇步行运动。
含有 1T2R 并联机构的机器人， 自由度等于 8(5+3) 或者 9(6+3) 的机器人和含有 1T3R 并联机构的机器人， 自由度等于 8(4+4)、 9(5+4) 或 10(6+4) 的并联机器人， 能够进行间 歇步行运动。
两个 6 自由度并联机构做成的 12 自由度步行机器人是最佳方案之一， 可以作任何 形式的步行运动。
关于轴线和髋关节多边形 ：
两个并联腿机构的轴线重合的或者是相距比较近的是内外式步行机器人。 两个并 联机构的轴线间距大于 0.25(Ra+Rb)、 小于 0.8(Ra+Rb)， 称为左右式步行机器人。
并联机构的轴线是指过髋关节 ( 或踝关节 ) 多边形的中心且垂直于髋关节多边形 平面的直线。 同一个并联腿机构的脚趾三角形和踝关节多边形在水平面上的投影基本重合 ( 脚趾在踝关节的正下方 )， 或者重合面积较大 ( 脚趾在两个踝关节之间 )。
关于 Ra、 Rb 和髋关节多边形、 准三角形 ：
一般地， 作为末端执行器的脚趾都在一个平面上。特别地， 当有三个脚趾时， Ra 是 A 腿脚趾三角形的外接圆半径， Rb 是 B 腿脚趾三角形的外接圆半径。当脚趾不是三角形布置时， 例如， 八字、 六边形或四边形， 上述的外接圆是指能够包含所有脚趾的最小的圆。
在多数情况下， 对于 6SPS 等并联机构， 一个并联机构上的上平台的各铰支点 ( 髋 关节安装座 ) 可以分为三组， 每组最多两个支链， 分别分布在一个三角形的三个顶点附近， 形成准三角形布置。准三角平台就是将 6 个铰支点两两分组， 同一组的两个球铰 ( 或 U 铰 ) 在保证不干涉的前提下距离充分小， 这样一来， 三组铰支点布置在一个三角形的三个顶点 附近， 基本上接近三角布置， 故称为准三角平台。 例如实施例 1、 4。 踝关节也有类似的布置， 也可以称为准三角形布置。
关于两个并联机构轴线之间的距离 ：
理论上讲， 只要两个髋关节多边形的中心间的距离小于 (Ra+Rb)， 两个并联机构各 自的脚趾多边形在水平面上的投影就会有重合， 这个重合的图形称为公共稳定多边形 ； 机 器人的重心通常设置在公共稳定多边形的中心 ( 形心 )。 公共稳定多边形面积大于零时， 机 器人以适当的步长前行时， 重心不要左右摆动。
一般的讲， 同样的两个并联机构， 距离为零时， 公共稳定多边形面积最大， 距离越 大重合面积越小， 公共稳定多边形面积越小。当距离大于 (Ra+Rb) 时， 完全没有重合， 公共 稳定多边形面积为零。为了可靠和保证具有适当的余度， 可以取两个髋关节多边形的中心 间的距离小于等于 0.8(Ra+Rb)。 内外式步行机器人轴线之间的距离， 两个轴线基本重合时， 机器人的特点是运动 具有对称性， 例如， X 方向的步长和 Y 方向的步长相近或相等。
两个轴线之间的距离较大时， 例如， 距离在 0.1--0.2(Ra+Rb) 时， 适合两个扁平的 并联机构组合， 例如并联机构的髋关节三角形和踝关节三角形都是等腰三角形， 而且四个 三角形的轴线在水平面上的投影重合， 机器人的特点是运动在某个方向具有优越性， 例如， 这个方向的步长更大。
对于两个六自由度并联机构组成的机器人， 如果两个髋关节多边形是正六边形或 者是正三角形， 两个踝关节多边形也是正三角形， 再配合适当的支链工作空间， 那么， 机器 人的步行特性就可能是对称的。例如， X 方向的最大步长与 Y 方向的最大步长是相同或相 近的， 绕 X 轴转动的最大角度与绕 Y 轴的最大角度是相同或相近的。如果把两个髋关节多 边形改为扁平的六边形或者是等腰三角形， 把两个踝关节多边形改为等腰三角形， 且它们 的对称轴在水平面上的投影重合， 再配合适当的支链工作空间， 那么， 机器人的步行特性就 是非对称的。例如， X 方向的最大步长比 Y 方向的最大步长大， 绕 X 轴转动的最大角度比绕 Y 轴的最大角度大， 等等。这样， 前进的速度就会大于横向移动的速度。这同许多动物的运 动特性是相似的。对于少自由度并联机构组成的机器人， 也存在类似的情况。
在髋关节多边形改为扁平的六边形或者是等腰三角形 ( 踝关节多边形也改为等 腰三角形 ) 的情况下， 内外式机器人的两个并联机构的中心之间的距离可以达到较大的数 值， 例如， 0.2---0.3(Ra+Rb)。
通常情况下， 外腿较大， 内腿较小。如果外腿远大于内腿， 内外式机器人的两个并 联机构的中心之间的距离也可以达到较大的数值， 例如， 0.2---0.3(Ra+Rb)。 这样的机器人 适于在沟槽形的路面上行走。
左右式步行机器人轴线之间的距离， 通常一个腿机构的髋关节中心位于另一个 腿机构脚趾多边形边沿 ( 包括顶点 ) 附近。或者说， 一个腿机构的轴线位于另一个腿机
构踝关节多边形的边沿附近。这时， 两个髋关节多边形的中心距离在 0.35-0.65(Ra+Rb) 左 右。 这 是 较 佳 的 方 案。 左 右 式 步 行 机 器 人 轴 线 之 间 的 距 离， 较 小 时， 例 如， 距离在 0.25--0.50(Ra+Rb) 时， 机器人的步行运动更近于内外式步行机器人， 例如， X 方向的步长 和 Y 方向的步长相近。较大时， 例如， 距离在 0.5--0.8(Ra+Rb) 时， 机器人的特点是运动在 某个方向具有优越性， 例如， 这个方向的步长更大。与内外式并联步行机器人类似， 适合两 个扁平的并联机构组合， 即并联机构的髋关节多边形是等腰三角形或扁平的六边形和踝关 节三角形是等腰三角形， 而且四个图形的轴线在水平面上的投影重合， 机器人的特点是运 动在某个方向具有优越性， 例如， 这个方向的步长更大。
两个并联机构之间的间距还同具体的并联机构有关。例如， 一个 5 自由度并联机 构和一个 3 自由度并联机构组合， 由于 3 自由度并联机构只有三个支链， 与 5 自由度并联机 构干涉较少， 两个髋关节多边形的中心距离几乎可以在 0.0---1.0(Ra+Rb) 之间连续变化。
内 外 式 和 左 右 式 不 是 截 然 分 开 的， 一些内外式轴线之间的距离可能达到 0.3(Ra+Rb)。一些左右式轴线之间的距离可能只有 0.20(Ra+Rb)。另外一些可能很难区分 内外式或左右式， 例如实施例 7。
关于并联机构大小的定义 ： 两个并联机构的大小是不太容易比较的。 本文所说的并联机构大小是横向尺寸的 比较。 为了比较两个并联机构横向尺寸的大小， 引入如下关节投影多边形的概念 ： 一个并联 机构的髋关节、 踝关节在水平面上有投影， 依次连接这些投影点得到的多边形称为髋关节 踝关节投影多边形， 简称关节投影多边形。 两个并联机构横向尺寸的比较， 关节投影多边形 面积较大的并联机构称为大并联机构， 关节投影多边形面积较小的并联机构称为小并联机 构， 不论二者的高度如何。例如， 以图 6 为例， 多边形 N2、 N5、 N3、 N6、 N1、 N4、 N2 就是实施例 1 外腿的关节投影多边形。实施例 4 的内腿的关节投影多边形是 F1、 F5、 F2、 F6、 F3、 F4、 F1。 实施例 4 的外腿的关节投影多边形是 N1、 N4、 N2、 N5、 N3、 N6、 N1( 图 12)。如果说 A 并联机 构比 B 并联机构大， 那么， 就是说， A 并联机构对应的关节投影多边形的面积比 B 并联机构 的关节投影多边形面积大。较大的并联机构称为外腿， 较小的并联机构称为内腿。不论这 两个并联机构的高度是谁大谁小， 只看关节投影多边形面积。
这只是一个近似的比较方法。实际设计中， 要考虑支链的具体结构和工作空间、 步长要求等等， 具体的确定两个并联机构的大小。对于以 RSS、 SRS、 RRS 等为支链的并联机 构， 可以把上部的两个运动副作为髋关节运动副。 如果髋关节投影点不是唯一的， 其投影也 要综合考虑投影点的位置或取中立位置的投影点。图 21 中外腿的关节投影多边形是 N11、 N12、 N4、 N21、 N22、 N5、 N31、 N32、 N6、 N11。
对于内外式并联步行机器人， 并联机构的大小是相对的， 根据机器人的工作环境， 任务需要具体确定。 一般地讲， 在整体尺寸确定后， 应当使步长最大 ； 在最大步长确定后， 应 当使整体尺寸最小， 结构最紧凑。
下述的各种足弓副方案， 既适合内外式机器人， 也适合左右式机器人。 左右交叉式 并联步行机器人优先使用以下的足弓组合 ： 外腿是 C 形或 U 形足弓， 内腿是 T 形内敛式足弓 等。
每个支链都有自己的活动空间， 而且， 各个支链的活动空间大小比较均衡， 整体结 构比较紧凑。 在给出的实施例中， 都达到了支链的活动空间比较均衡， 整体结构比较紧凑的
目的。 关于支链间隔的调整 ：
连接在一起的两个上平台， 可以在一个平面上， 也可以不在一个平面上。 两个上平 台的上下间隔用于协调两个并联机构的高度。一般的， 对于内外式结构， 外腿的上平台较 高， 内腿的上平台较低。通常情况下， 中立位置时， 两个并联机构的踝关节 ( 或脚趾 ) 在一 个平面上。两组腿机构可以相同， 也可不同。两个并联机构的各个支路， 在其上部最好也分 为三组。内腿与外腿互不干涉， 二者运动以互不干涉， 且结构和运动空间最小为最佳方案。 两个上平台也可以绕轴线相互转动一个角度 ( 称为相位 )， 用于调节支链之间的距离和调 节足弓之间的距离。
对于支链是 SPS、 PSS、 RSS、 RRS、 SRS、 PS、 S 等等的并联机构， 两个腿机构可以采用 一大一小、 一内一外、 一上一下、 一前一后等一种或多种方式相互错开， 防止干涉。
支链是 SPS 的并联机构， 一个腿上的上平台的各连接点可以布置在一个环形带 上。
对于平台式并联机构髋关节三角形与其在水平面上的投影是相同的， 只有台体式 并联机构是不同的。
在两个并联机构处于中立位置时， A、 B 两个并联机构的脚趾多边形在水平面上的 投影有重合。
关于四种足弓副 ：
上述四种组合既适合内外式机器人方案， 也适合左右式机器人方案。
对于外腿是内敛式足弓、 内腿是内敛式足弓的组合， 例如， Y+Y、 T+T， V+T、 V+Y、 △ +Y、 △ + △等， 参见实施例 4、 5、 7、 15 等。 对于外腿是内敛式足弓、 内腿是外展式足弓的组 合， 例如， T+U、 Y+U， Y+C、 Y+O， △ +O、 A+O 等， 参见实施例 11、 16、 17 等。对于外腿是外展式足 弓、 内腿是内敛式足弓的组合， 例如， O+Y， C+T、 C+Y、 U+Y、 U+T、 C+ △等， 参见实施例 1、 2、 8、 9、 16、 21 等。对于外腿是外展式足弓、 内腿是外展式足弓的组合， 例如， O+O， O+C， C+C， O+V， C+O， Y+T、 △ + △等， 参见实施例 3、 14、 15、 19、 20 等 ( 前一个符号代表外腿， 后一个符号代表 内腿， 例如， C+Y 表示外腿是 C 形足弓、 内腿是 Y 形足弓 )。从俯视图上看， 大多数足弓具有 一个对称轴， 两个足弓组成的足弓副， 其轴线通常是重合的。
关于两种足弓的定义 ：
足弓有两类 ： 内敛式足弓和外展式足弓。
1)、 内敛式足弓 ： 在并联机构的中立位置和运动的过程中， 从俯视图的角度观察， 下平台构件 ( 足弓 ) 不露出或较少露出并联机构围成的多面体。足弓可以进入下平台正下 方或正上方的部分空间， 足弓较少露出或不露出侧面。其俯视图形状主要为 Y 形、 T 形、 三 角形 ( △形 )、 V 形、 A 形等， 有时， 也可以变异为其他复杂形状。内敛式足弓和外展式足弓 都是相对于并联机构的轴线而言的。内敛式足弓的分支靠近轴线， 外展式足弓的分支不靠 近轴线。 Y 形足弓或 T 形足弓的三个分支的三个端点固定连接在一起， 另外有三个自由端在 外侧， 踝关节安装座多数在外端。
2)、 外展式足弓 ： 从俯视图的角度观察， 下平台构件 ( 足弓 ) 设置在并联机构的外 侧或靠近外侧， 在并联机构的各种运动状态下， 下平台构件 ( 足弓 ) 较少或决不进入并联机 构围成的多面体之内， 并联机构的中央部位有一个较大的不受干扰的空间。外展式足弓对
并联机构和足弓的内部空间干扰很小， 甚至没有干扰。外展式足弓包括环形 ( 例如圆形、 椭 圆形、 三角形、 花瓣形， 六边形等 ) 和半环形 ( 例如， V 形、 A 形、 U 形、 C 形、 L 形、 W 形等 ) 两 种。 环形足弓或三角形足弓的三个分支两个端点两两相连， 形成环形结构， 踝关节安装座在 连接处。V 形或 C 形足弓的分支在一个端点相连， 形成开口结构， 踝关节安装座在连接处和 自由端。
其中， 三角形足弓、 V 形足弓和 A 形足弓介于内敛式足弓和外展式足弓之间， 既可 作为内敛式足弓使用， 也可以作为外展式足弓使用。
此外， 还有混合形足弓， 是内敛式足弓和外展式足弓的变异， 例如， 图 22。 其足弓一 部分外展、 一部分内敛或者处于外展或内敛之间。混合形足弓的俯视图形状为 L 形、 V 形、 U 形、 W 形、 环形、 雪花形、 Y 形等形状， 实际应用中， 其形状依工作环境和步行机器人的结构决 定。变异的混合式足弓可以帮助优化机器人结构。在下面的分析中， 没有把混合形足弓单 独列为一类。实际应用中， 混合形足弓可以归入相近的内敛式足弓或外展式足弓。例如， 图 22 是变异的内敛式足弓。
下平台的各连接点最好是三角式布置或准三角式布置。铰支点分组， 可以使其自 身扰动空间比较集中， 为另一腿机构提供较大的整块空间， 可以在有限的范围内， 为腿机构 提供最大的工作空间。有时， 踝关节安装座也可分为四组， 例如， 两个 U 形凹足弓构成的足 弓副。
关于足弓的高度
并联步行机器人， 两个并联机构的足弓副在水平面上的投影有交点， 至少在足弓 副的交点处， 一个腿上的足弓分支较高， 一个腿上的足弓分支较低， 形成互不干扰的足弓 副。
按照一对足弓副在俯视图上有无交点， 足弓副又可以分为两类 ：
无交点足弓副， 一对足弓副在俯视图上无交点。 例如 ： 一个大环形足弓的中心配置 一个较小的 Y 形足弓 ； 一个大环形足弓的中心配置一个较小的环形足弓 ； 再如， C+T、 C+Y 等 等。两个内敛式足弓的配合， 也可以配置成无交点足弓副， 例如， 一个较大三角形足弓的中 心配置一个较小的 Y 形足弓 ； 合理地设置足弓的大小， 无交点足弓副不会产生足弓之间的 干涉。
有交点足弓副， 一对足弓副在俯视图上有交点。例如 ： 两个 Y 形足弓的配合 ； 一个 小环形足弓配置一个较大的 Y 形足弓， 再如， V+O， T+O 等等。为了防止足弓的干涉， 有交点 足弓副， 要采取一个足弓较高， 一个足弓较低的措施。 例如， 一个足弓是凸的， 另一个足弓是 凹的 ； 如果两个都是凹的， 那么， 一个较高， 一个较低。如果两个都是凸的， 那么， 一个较高， 一个较低。
在两个并联机构处于中立位置时， A、 B 两个并联机构的脚趾多边形在水平面上的 投影有重合。
足弓上的脚趾， 是足弓上最低的与地面接触的部分。脚趾可以认为是步行机器人 的末端执行器。虽然有多个脚趾， 但同一个并联机构上的脚趾是相互关联的， 不能独立控 制， 所以仍然是两腿两足机器人。
关于平面足弓、 凸型足弓和凹型足弓 ： 无论是外展式足弓还是内敛式足弓， 按照足 弓的侧面形状， 足弓又可分为 ： 平面足弓、 凸型足弓、 凹型足弓等三种结构形式。平面足弓 ： 足弓的侧面形状， 基本处于一个平面上。平面足弓是最简单的足弓， 也 是最基本的足弓。足弓的分支向上凸起变成凸型足弓， 足弓的分支向下凹， 变成凹形足弓， 足弓的分支既向上凸起又有下凹则演变为凹凸形足弓等等。平面足弓， 足弓平面下部是脚 趾 ( 整个或部分足弓 )。凸型足弓、 从足弓的侧面看， 足弓的分支的图形是向上凸起的。以 内敛式 Y 形凸足弓为例， 三个分支在上部连接在一起。三个分支的外端下部或中部是关节 安装座 (2.9)。关节安装座的下方或足弓的最下端是脚趾 (2.10)。中部是关节安装座时， 机器人有较长的脚趾。凹型足弓， 从足弓的侧面看， 足弓分支的图形是向下凹的。( 形状同 凸型足弓上下相反 )， ( 参见图 9)。由于凹型足弓在运动过程中不占用踝关节平面以上的 空间， 所以， 并联机构各个支链包围的空间可以留作它用。 凹型足弓的下部大部分足弓可以 作为脚掌使用， 所以也可称为大脚足弓。 凹形足弓， 脚大， 对地压强小， 适于在松软路面上行 走。图 9 中足弓副的内腿足弓是 Y 形凹足弓。分支的端部连接在一起。分支的上部外侧是 关节安装座 (1.9)。分支的下方是脚趾 (1.10)。
无论是平面足弓、 凸形足弓还是凹形足弓， 只要是内敛式足弓， 就都包括 Y 形足 弓、 T 形足弓、 △形足弓和 V 形足弓、 A 形足弓等。
无论是平面足弓、 凸形足弓还是凹形足弓， 只要是外展式足弓， 就都包括 O 形足 弓、 C 形足弓、 W 形足弓、 U 形足弓、 △形足弓和 V 形足弓、 A 形足弓等。
所以， 内敛式足弓有三种结构形式， 外展式足弓也有三种结构形式。总共有 6 种足 弓， 任取两个 ( 同一种足弓可以重复取 )， 共有 36 种排列， 36 副足弓副。考虑到各种足弓的 变异， 实际的足弓副种类会更多。
此外， 还有凸凹交错足弓， 是平面足弓、 凹足弓、 凸足弓的变异， 参见图 22。从足弓 的侧面看， 足弓的一个 ( 或 2 个 ) 分支图形是向上凸的， 另一个 ( 或 2 个 ) 分支图形是向下 凹的， 或者一个分支既有上凸又有下凹。 实际应用中， 其形状依工作环境和步行机器人的结 构决定。变异的交错式足弓可以帮助优化机器人结构。在本文的分析中， 没有把交错形足 弓单独列为一类。实际应用中， 交错形足弓可以归入相近的平面足弓、 凸足弓或凹足弓。
关于相位差
两个并联机构的相对位置， 除了髋关节多边形的中心间的距离和两个上平台的上 下距离外， 还有 ： 两个平台的相位， 即绕其中一个平台的轴线转动另一个平台， 改变两个并 联机构的相对位置。 如果两个并联机构的踝关节多边形的一个对称轴在水平面上的投影重 合称这两个并联机构为同相位。两个轴线相对转一个 60 度角， 称这两个并联机构的相位角 是 60 度。改变相位， 可以用来调整各个支链的相互位置， 调整两个下平台的相互位置， 调整 公共稳定多边形的大小， 防止互相干涉。改变相位， 对公共稳定多边形有较大影响。通常情 况下， 两个并联机构可以以任何相位角度配合在一起， 例如， 实施例 18， 两个并联机构的相 位差是 30 度。但以相位角度等于 0 度、 60 度、 90 度、 180 度为最佳。在上述数值正负 10 度 内变化也是很好的方案。
实施例中的方案多是这三个方案的具体化。在最佳方案中， 各个支链的工作空间 比较大， 且比较均衡。 类似地， 如果两个并联机构的踝关节多边形的一个对称轴在水平面上 的投影重合， 也可以称两个并联机构为同相位。 通常情况下， 同一个并联机构的髋关节多边 形的中心在水平面上的投影与踝关节多边形的几何中心重合或距离很近。
此外， 小范围的改变两个平台平面的夹角， 可以用来调整各个支链的相互位置， 调整两个下平台的相互位置， 调整公共稳定多边形的大小， 但作用较小。
关于并联机构的自由度 ： 具体说来， 下列的具有二个、 三个、 四个、 五个、 六个自由 度的并联机构 ( 本文所说的并联机构都是指空间并联机构 )， 都可以用于本发明。
6-DOF(3T3R 表示具有三个平移自由度和三个转动自由度的并联机构， T 表示平移 自由度， R 表示转动自由度， 下类同 ) 并联机构， 包括各种结构形式的六自由度并联机构， 包 括平台式或台体式并联机构， 包括单开链支路， 和混和单开链支路的六自由度并联机构， 都 可以用于本发明。六个自由度的并联机构， 可以同自身和下列的任意一个并联腿机构组成 一个步行机器人。
五自由度并联机构中的 2T3R( 包括一个移步自由度组合， 一个转向自由度、 一个 直立自由度组合、 缺少一个水平面上的平移自由度， ) 并联机构可以同 2T3R、 3T2R、 2T2R、 1T3R、 1T2R、 0T3R 和 0T2R 并联腿机构组成步行机器人。
五自由度并联机构中的 3T2R( 包括两个移步自由度组合、 一个直立自由度组合、 缺少一个绕 Z 轴转动的自由度 ) 并联腿机构可以同 2T3R、 1T3R 和 0T3R 并联腿机构组成一 个步行机器人。
四自由度的并联机构， 包括 2T2R( 包括一个移动自由度组合和一个直立自由度组 合 ) 和 1T3R( 包括一个转向自由度、 一个直立自由度组合和一个抬步自由度 ) 两种并联机 构。4 自由度并联机构中， 只有 2T2R 与 1T3R 组合、 2T2R 与 0T3R 组合这两个方案可以组成 步行机器人。与 1T3R、 0T3R 并联机构组合的机器人， 只能作间歇式步行运动。 三自由度的并联机构， 只有 1T2R( 包括一个直立自由度组合和一个抬步自由度 ) 和 0T3R( 包括一个直立自由度组合和一个转向自由度 ) 两个空间并联机构可以用于步行机 器人。与 1T2R 并联机构组合的机器人， 只能作间歇式运动， 与它配合的并联机构最少要有 5 个自由度且只能是 2T3R。与 0T3R 并联机构组合的机器人， 只能作波浪式间歇运动， 与它 配合的并联机构最少要有 4 个自由度。
二自由度并联机构 (0T2R) 是一个三支链二自由度空间并联机构， 一个自由度是 绕 X 轴转动的自由度， 另一个是绕 Y 轴转动的自由度。它可以适应各种不平路面， 不能调整 上平台高度。它仅仅是一个站立腿。与它组合的机器人， 只能作波浪式间歇运动。与它配 合的并联机构最少要有 5 个自由度。
上述各种自由度的两个腿机构， 可以产生 11 种可行的组合。例如， 6+6( 参见实施 例 1--32)， 6+5( 参见实施例 33， 34)， 6+4( 参见实施例 35、 36)， 6+3( 参见实施例 37、 38， 47)， 6+2( 实施例 48)， 5+5( 参见实施例 39、 40)， 5+4( 参见实施例 41、 42、 53)， 5+3( 参见实施例 43、 44、 49)， 5+2( 实施例 50)， 4+4( 参见实施例 45、 46)、 4+3( 实施例 51) 等方案。 “6+6” 表 示两个 6 自由度并联机构组成的机器人， 其余类推。
两个并联机构都是六自由度并联机构， 可以进行各种各样的步行运动。
关于并联机构的支链 ： 并联步行机器人的两个并联机构的支链可以全部是或者主 要是下列支链形式中的一种或者是一个腿使用一种支链， 另一个腿使用另一种支链 ：
1、 SPS 支链， 2、 PSS 支链， 3、 RSS 支链， 4、 SRS 支链。少自由度并联机器人还可以使 用下述支链 ：
RRS 支链， 从上往下依次是转动副， 转动副， 球副 ； PRS 支链， 从上往下依次是移动 副， 转动副， 球副 ； PS 支链， 从上往下依次是移动副， 球副 ； S 支链 ( 二杆一球副 )。
以 SPS 为支链的并联腿机构。包括 SPU、 SCU、 UCU 等支链形式 (S 代表球副、 P 代表 广义移动副、 R 代表转动副、 U 代表万向铰、 C 代表圆柱副， 从左往右， 依次表示最上面的运动 副， 中间的运动副和最下面的运动副， 以下同 )。
对于双层并联机构的 6-SPS， 其分支运动链分别布置在直径不等的圆周上， 不能用 于本发明的外腿上。但可以用于内腿。
以 PSS 为支链的并联机构， P 副的轴线方向可以有许多方案。各种方向的轴线， 包 括 Hexaglide 并联操作手机构， 都可以用于本发明都可以用于本发明。参见实施例 8---14
以 RSS 为支链的并联机构， R 副的轴线也有三个方向， 都可以用于本发明。
以 SRS 为支链的并联腿机构也可以用于本发明， 参见实施例 22。
关于台体式并联机构 ： 台体式机器人参见实施例 27、 30 和实施例 53。本发明说明 书中， 台体式并联机构的上部台架也统一称为上平台。
关于正棱台形、 倒棱台形和柱状并联机构 ： 当一个并联机构的髋关节多边形与踝 关节多边形大小、 面积相同或相近时， 称这个并联机构为柱状并联机构。 当一个并联机构上 的髋关节多边形比踝关节多边形较小时， 称这个并联机构为称为正棱台并联机构。当一个 并联机构上的髋关节多边形比踝关节多边形较大时， 称这个并联机构为称为倒棱台并联机 构。三种形状的并联机构作为内腿、 外腿， 共有十八种排列 ： 包括内外式九种， 左右式九种 ： 外腿是柱状并联机构， 内腿分别是柱状、 正棱台和倒棱台并联机构 ；
外腿是正棱台并联机构， 内腿分别是柱状、 正棱台和倒棱台并联机构 ；
外腿是倒棱台并联机构， 内腿分别是柱状、 正棱台和倒棱台并联机构 .
其中， 外腿是柱状并联机构， 内腿分别是柱状和正棱台并联机构和外腿是倒棱台 状并联机构， 内腿分别是柱状和正棱台并联机构等四种方案是较佳的方案。内腿是倒棱台 形状并联机构的机器人， 内腿踝关节三角形较小， 可以在特殊条件下使用。
无论是内外式， 还是左右式并联机器人， 都可以使用这十八种排列， 技术上， 不存 在困难。实际设计中， 依据具体的设计任务， 支链的结构形式等等因素确定。
关于双轨迹步行机器人 ： 并联步行机器人的脚趾为六个， 分为两组， 每组三个， 同 一组脚趾包括两个并联机构上的脚趾， 分别布置在两条平行线上。基于本发明的机器人通 常有六个脚趾。 直线行走时， 会留下三行至六行足迹。 如果把六个脚趾分为两组， 每组三个， 每组脚趾分别分布在两条平行直线上， 那么， 沿着平行线的方向行走， 就只有两条足迹。参 见实施例 7。
关于脚趾下安装广义运动副的机器人 ： 广义移动副 ( 如移动幅、 圆柱幅、 螺旋幅 等 ) 最好安装三个， 更多也是可行的。这些移动副作为主动副， 驱动上平台运动。这样， 在 动动过程中， 上平台既可以保持水平或更为倾斜的状态， 又有利于越过较高的障碍物， 上下 楼梯， 或涉深水等。 一部分脚趾装有移动幅， 在某一方向上， 即可实现在水平态上坡 ； 全部脚 趾装上移动副， 则可实现全向水平上坡。装上移动幅后， 还有利于越过较高的障碍物， 或涉 深水等。 例如， 当踏上斜坡时， 则在原地的一趾或两趾上的移动幅， 自动伸长， 维持上平台的 水平态。 这个方案， 克服了上述的所有机器人方案存在的二个不足 ： 1、 在上下大斜坡或者台 阶 ( 楼梯时 )， 受到平台侧倾能力的限制， 不易做到上平台保持水平， 或者说， 即使保持了水 平， 运动能力则受到限制， 2、 不易涉深水或越过较高大的障碍物。
关于安装末端执行器的机器人 ： 两个末端执行器形成两个手指， 在两个并联机构
的驱动下， 互相配合， 可以完成各种操作。末端执行器可以是手术刀， 或其他操作手等。基 座可以是各种方位的基座。两个并联机构的自由度之和最好等于 12。
本发明罗列的并联机构的各个支链， 作适当的代换后形成的并联机构， 自然包括 在本发明之中。例如 ： 下列的代换， (1) 基于改变运动副次序与轴线方向的类型扩展 ； 保持 运动输出特征不变的条件下， 改变运动副次序与轴线方向的类型扩展， 包括非完全并联机 构； (2) 基于运动副类型替代的类型扩展 ； (3) 使用含有复杂运动副的运动链， 可以用于代 替本发明中的某个支链。如 SPS、 SCS 代替 SPS， 用 SPS 代替 TPS， 用 S-S 代替转动副构件 R-R-R ； P 副与相邻的 R 副用 C 副替代 ； 轴线相交的两 R 副用 U 副替代 ； 基于等效支路替代的 类型扩展等。
关于本发明所说的并联腿机构的支链， 既包括以上等多种单开链支路， 也包括各 种混和单开链支路。 混合单开链是指含有回路的开链， 更一般地， 混合单开链由并联机构串 联若干运动副和构件组成 ( 称为扩展混合单开链 )。
两个并联机构可以是支链相同的并联机构， 也可以是支链不相同的并联机构。例 如， 一个并联机构是 SPS 支链， 另一个并联机构是 PSS 支链。
本发明的实际应用中， 要避开并联机构的奇异位形。
为了减少落地时的冲击， 在足趾下部安装有弹性减振装置。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。足趾下部安装有测距传感器和压力传感器等。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。
动态工作过程
内外式步行机器人的工作过程 ( 以实施例 1 为例 )。图 64 是内腿处于立脚相时， 12DOF 内外式步行机器人的足弓俯视图和足迹图。圆形 ( 虚线 ) 表示足迹范围。内足足弓 ( 下平台 ) 为 Y 形， 外足足弓是环形。机器人的重心位于六边形足弓的形心的上方。图 65 是当外腿处于立脚相， 内腿处于游脚相时， 内腿的足迹范围。圆形 ( 虚线 ) 表示可能的足迹 范围。游脚相足趾的运动由两部分构成 ： 一部分是其立脚相腿机构的 P 副使上平台产生的 运动， 另一部分是其游脚相腿机构使游脚相足弓产生的运动。二者合成形成了移步运动。
1、 静态稳定性直线行走 ： 在一个步容周期内， 停止时， 假设内腿处于立脚相， 外腿 处于游脚相。
任意方向前进 ( 可以不转向 )， 外腿向前伸出， 内腿驱动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， 外腿随之前移， 最后达到所需步长或最大步长时， 外腿落地， 承力， 重心由内腿转向外腿中心， 内腿抬起缩回， 内腿处于游脚相。 上平台继续向 前移动， 重心继续随之前移， 重心移到外腿的中心上。外腿处于立脚相， 开始下一个迈步运 动， 开始下一个循环。
当向前运动时， 游脚相腿向前， 机器人的重心随之向前运动， 机器人的重心仍然在 立脚相腿机构三个脚趾形成的稳定三角形内， 且重心仍然位于稳定三角形的中间部位， 机 器人不需要左右调整重心位置， 即可完成移步运动。
2、 静态稳定性转向 ： 处于游脚相的足弓相对上平台转动， 若达不到要求， 上平台在 立脚相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， 游脚相足放下， 变 为立脚相， 立足相足变游脚相， 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， 机器人不需要左右调整重心位置。
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， 机器人的重心仍然在立脚相腿机构三个脚趾 形成的稳定三角形内， 且重心仍然位于稳定三角形的中间部位， 机器人不需要左右调整重 心位置。
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， 如果内腿处于游脚相， 外腿处于立脚相， 只要外腿 用力蹬地， 内腿快速着地， 上平台获得一个较大的前进速度， 重心迅速向前转移， 完全落在 内腿上， 内腿变为立脚相， 外腿抬起， 外腿处于游脚相， 就可以实现动态步行。 开始内腿作为 立脚相的下一个迈步运动。
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。
交叉式步行机器人的工作过程 ( 以实施例 5 为例 ) 图 66 是 2×6DOF 前后交叉式 步行机器人内腿立脚相、 外腿游脚相时， 足弓副的俯视图和足迹图。图 67 是 2×6DOF 前后 交叉式步行机器人外腿游脚相、 内腿立脚相时足弓副的俯视图和足迹图。标注见标注符号 表。
1、 静态稳定性直线行走 ： 在一个步容周期内， 停止时， 假设内腿处于立脚相， 外腿 处于游脚相。
任意方向前进 ( 可以不转向 )， 外腿向前伸出， 内腿驱动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， 外腿随之前移， 最后达到所需步长或最大步长时， 外腿落地， 承力， 重心由内腿转向外腿， 内腿抬起缩回， 内腿处于游脚相。 上平台继续向前移 动， 重心继续随之前移， 重心移到外腿的中心上。 外腿处于立脚相， 开始下一个迈步运动， 开 始下一个循环。
当向前运动时， 游脚相腿向前， 机器人的重心随之向前运动， 机器人的重心仍然在 立脚相腿机构三个脚趾形成的稳定三角形内， 且重心仍然位于稳定三角形的中间部位， 机 器人不需要左右调整重心位置， 即可完成移步运动。
2、 静态稳定性转向 ： 处于游脚相的足弓相对上平台转动， 若达不到要求， 上平台在 立脚相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， 游脚相足放下， 变 为立脚相， 立足相足变游脚相， 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， 机器人不需要左右调整重心位置。
5DOF+3DOF 内外式步行机器人的工作过程 ( 以实施例 44 为例， 参见图 68)。外腿 五个自由度， 外腿为半环形足弓 3， 内腿三个自由度， 内腿足弓 6 为 Y 形。 由于外腿缺少一个 平移自由度， 5DOF 并联机构， 支链 RPS 上的脚趾只能在一个平面上运动， 所以， 只能作一个 方向上的平动， 转动只能绕支链 RPS 上的脚趾转动。内腿只有三个自由度， 是一个只能站立 和抬步的腿， 不能移步。这个结构的机器人的步行比较慢。
静态稳定性直线行走 ： 在一个步容周期内， 停止时， 假设内腿处于立脚相， 外腿处 于游脚相。 向前步行时， 外腿向前伸出， 重心不动， 外腿达到所需步长或最大步长时， 外腿落 地， 承力， 内腿抬起缩回， 内腿处于游脚相， 外腿驱动上平台向前运动， 重心前移， 重心由内腿转向外腿， 到适当位置后， 内腿放下， 内腿重新处于立脚相。 外腿处于游脚相， 开始下一个 迈步运动， 开始下一个循环。 当内腿处于立脚相时， 外腿向前， 机器人的形心不动， 重心变化 较小， 机器人的重心仍然在内腿三个脚趾形成的稳定三角形内。
当外腿处于立脚相时， 外腿驱动上平台向前运动， 带动内腿同时向前运动， 机器人 的重心前移， 机器人的重心仍然在外腿三个脚趾形成的稳定三角形内， 且重心仍然位于稳 定三角形的中间部位， 机器人不需要左右调整重心位置， 即可完成移步运动。
2、 静态稳定性转向 ： 当内腿处于立脚相时， 不能转向。当外腿处于立脚相时， 外腿 驱动上平台绕支链 SPR 上的脚趾转动， 到达所要求转向角度或最大转向角度时， 内腿放下， 内腿变为立脚相， 外腿变为游脚相。如果没有到达所要求转向角度， 外腿继续转动一个角 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， 机器人不需要左右调 整重心位置。图 68 是 5DOF+3DOF 内外式步行机器人 2×6DOF 内腿立脚相、 外腿游脚相时， 足弓副的俯视图和足迹图。
其工作状态是外腿处于游脚相， 内腿处于立脚相的状况， 游脚相足趾 1.10 周围的 圆圈 ( 虚线 ) 示意性地表达了下侧两个脚趾的可能落脚点足趾前后的直线 ( 虚线 ) 示意性 地表达了足趾的可能落脚点。
4DOF+3DOF 内外式步行机器人的工作过程 ( 以实施例 51 为例 ) ： 这是一种自由度 最少的并联步行机器人之一。 外腿可以完成站立和移步功能， 内腿用于站立和转向。 移步的 同时可以预备转向， 转向的同时可以迈步。只能作波浪式间歇步行运动。内腿处于立脚相， 重心基本不动， 外腿抬起移步， 放下 ； 外腿继续伸出， 顶起上平台， 内腿抬起， 重心移动， 到达 新位置后， 外腿缩回， 内腿又处于立脚相， 开始下一个循环。
本项发明要解决三个最关键的问题。1、 从功能上考虑， 如何保证两个机构完成步 行运动所要求的最少自由度， 保证能够实现步行运动 ； 2、 从力学方面考虑， 两个空间并联机 构要具有公共稳定多边形， 保证能够稳态步行 ； 3、 从结构方面考虑， 在运动过程中， 两个复 杂的机构各个部件之间互不干涉， 保证能够安全可靠的工作。特别是本发明需要两个空间 并联腿机构互相包含或者互相交叉的连接在一起。在一个有限的空间内， 布置两个并联机 构， 6---12 个支链、 2 个上平台、 2 个下平台， 结构很复杂。不作合理布置， 二者会严重干涉。 本发明巧妙地解决了上述问题。
本发明的积极效果在于 ： 提供了一种特定下平台结构的并联机构、 一种两个并联 机构相互交叉、 相互包含连接在一起的连接方法、 一类适合于并联机器人使用的并联机构 和由两个并联机构组成的机器人， 综合起来具有如下优点 ：
两个下平台相互交叉， 互为内外， 二者距离接近且互不干涉， 为安装末端执行器和 各个末端执行器的独立运动提供了方便条件， 且受力良好。 作为步行机器人， 下平台的最低 点作为脚趾 ( 末端执行器 )， 一脚抬起， 重心不要左右移动， 仍然在立脚相腿的稳定三角形 ( 多边形 ) 内。移步前进过程中， 重心不要作左右调整， 就可以进行稳态步行， 行进稳定， 控 制方便。
具有由三个脚趾形成的大脚、 大足弓的特点， 多点着地， 脚趾之间有较大空隙， 对 复杂路面适应能力强 ； 稳定范围大 ； 转向灵活， 能耗特性较佳。 结构紧凑 ； 易于转向 ； 任意方 向移步两腿互不干涉。一个腿虽然是三个脚趾， 但三个脚趾是一个整体， 仍然是两腿 ( 两足 ) 机器人， 易 于控制和轨迹规划。
由于重心不要左右移动， 做一个最基本的步行机器人， 最少只要 7 个自由度。以同 样的步行模式运动， 比现有的并联步行机器人少两个自由度。刚度大， 结构稳定 ； 动力性能 好， 承载能力强 ； 误差积累小， 控制精度高 ； 附图说明 图 1 是现有技术中的典型的双腿并联步行机器人的主视图。
图 2 是图 1 的俯视图。
图 3- 图 37 是各种 12 自由度内外式结构步行机器人实施例图。
图 38-44 是前后式步行机器人 (12 自由度 ) 的实施例用图。
图 45-- 图 50、 图 59 是各种五自由度的并联腿机构。
图 54-- 图 58 是各种四自由度的并联腿机构。
图 60-- 图 62 是各种三自由度的腿机构。
图 64-- 图 68 是几种机器人的足弓副俯视图及足迹示意图。
图 3 为实施例 1(6SPS 支链、 2x 6DOF、 内外式结构、 外腿六边形足弓加内腿 Y 形足 弓步行机器人 ) 的主视图。内腿处于较上位置， 外腿处于中立位置。
图 4 为实施例 1( 图 3) 的俯视图。
图 5 为实施例 1( 图 3) 外腿的立体图。
图 6 为实施例 1 外腿 ( 图 5) 的俯视图。
图 7 为实施例 1 内腿的立体图。
图 8 为实施例 1 内腿足弓的立体图。
图 9 为实施例 1 外腿足弓的立体图。
图 10 为实施例 2(2x 6DOF、 6SPS 支链、 内外式结构、 外腿环形凹足弓加内腿 Y 形凹 足弓步行机器人 ) 的足弓副的立体图。
图 11 为实施例 3(2x 6DOF、 SPS 支链、 内外式结构、 外腿六边形平足弓加内腿六边 形平足弓步行机器人 ) 的足弓副的俯视图。
图 12 为实施例 4(2x 6DOF、 SPS 支链、 内外式结构、 外腿 Y 形凸足弓加内腿 Y 形凸 足弓步行机器人 ) 的俯视图。
图 13 为图 12 上 AOB 截面的剖视图。
图 14 为实施例 4 的足弓副的立体图。
图 15 为实施例 5 的足弓副的立体图。
图 16 是实施例 6 的俯视图。
图 17 是实施例 6 的足弓俯视图。
图 18 是实施例 7 的俯视图。
图 19 是实施例 7 的另一种足弓副俯视图。
图 20 是实施例 8( 第一种 PSS 支链、 2x 6DOF、 内外式结构、 外腿环形凸足弓加内腿 Y 形凹足弓步行机器人 ) 的主视图。
图 21 是实施例 8( 图 20) 的俯视图。
图 22 为实施例 8 机器人内腿的足弓立体图。
图 23 是两个柱状并联机构组成的左右式机器人结构示意图。
图 24 是一个倒棱台并联机构作为外腿、 一个正棱台并联机构作为内腿组成的内 外式机器人示意图。
图 25 是一个柱状并联机构作为外腿、 一个倒棱台并联机构作为内腿组成的内外 式机器人示意图。
图 26 是实施例 11( 第二种 PSS 支链、 2x 6DOF、 内外式结构、 外腿 Y 形凸足弓加内 腿六边形凸足弓步行机器人 ) 内腿的立体图。
图 27 是实施例 12( 第三种 PSS 支链、 2x 6DOF、 内外式结构、 外腿 C 形平足弓加内 腿 A 形平足弓步行机器人 ) 内腿的立体图。
图 28 为实施例 12 机器人上平台的俯视图。
图 29 是实施例 12 机器人足弓副的俯视图。
图 30 是实施例 15( 第一种 RSS 支链、 2x 6DOF、 内外式结构、 三角形平足弓加六边 形平足弓步行机器人 ) 内腿的立体图。
图 31 为实施例 15 机器人上平台的俯视图。
图 32 是实施例 15 机器人足弓副的俯视图。
图 33 是实施例 18( 第二种 RSS 支链、 2x 6DOF、 内外式结构、 环形平足弓加环形平 足弓步行机器人 ) 外腿的立体图。
图 34 为实施例 18 机器人上平台 ( 含部分支链 ) 的俯视图。
图 35 是实施例 18 机器人足弓副的俯视图。
图 36 是实施例 21( 第三种 6RSS 支链、 2x 6DOF、 内外式结构、 三角形平足弓加六边 形平足弓步行机器人 ) 外腿的俯视图。
图 37 是实施例 22(6SRS 支链、 2x 6DOF、 内外式结构、 Y 形凸足弓加六边形凸足弓 步行机器人 ) 内腿的立体图。
图 38 为实施例 24(2x 6DOF、 SPS 支链、 前后交叉式结构、 外腿 U 形足弓加内腿 T 形 足弓步行机器人 ) 的立体图。
图 39 为实施例 24 步行机器人 ( 图 32) 的俯视图。
图 40 为实施例 24 的足弓副的俯视图。
图 41 为实施例 25(2x 6DOF、 SPS 支链、 前后交叉式结构、 外腿 U 形凹足弓加内腿 T 形凹足弓步行机器人 ) 的足弓副的立体图。
图 42 为实施例 26(2x 6DOF、 SPS 支链、 前后交叉式结构、 外腿 C 形凸足弓加内腿 T 形凸足弓步行机器人 ) 的足弓副的立体图。
图 43 为实施例 27(2x 6DOF、 6RSS 支链、 前后交叉式结构、 外腿 U 形足弓加内腿 T 形足弓步行机器人 ) 的俯视图。
图 44 为实施例 30(2x 6DOF、 6PSS 支链、 前后交叉式结构、 外腿 U 形足弓加内腿 T 形足弓步行机器人 ) 的俯视图。
图 45 实施例 32 的俯视图。
图 46 是第一种 5DOF(4SPS+1RPS) 并联腿机构的的俯视图。
图 47 是第二种 5DOF(4PSS+1RRS) 并联腿机构的俯视图。图 48 是第三种 5DOF(4RSS+1RPS) 并联腿机构的俯视图。
图 49 是第四种 5DOF(4RSS+1RPS) 并联腿机构的俯视图。
图 50 是第五种 5DOF(4PSS+1RRS) 并联腿机构的俯视图。
图 59 是第六种 5DOF( 含有混合单开链 ) 并联腿机构的俯视图。
图 51 是实施例 40(5DOF 并联腿机构 +5DOF 内腿机构的 (10 自由度 ) 内外式结构 并联机器人 ) 的立体图。
图 52 是实施例 43(5DOF 并联腿机构 +3DOF 内腿机构的 (8 自由度 ) 内外式结构并 联机器人 ) 的主视图。
图 53 是图 52 的俯视图。
图 54 是第一种 4DOF(2SPS+2RPS) 并联腿机构的主视图。
图 55 是第二种 4DOF(3PSS+1PS) 并联腿机构的俯视图。
图 56 是第三种 4DOF(3RSS+1PS) 并联腿机构的俯视图。
图 57 是第四种 4DOF(2PRS+2PSS) 并联腿机构的俯视图。
图 58 是第五种 4DOF(2PSS+2RRS) 并联腿机构的俯视图。
图 59 是第六种 5DOF( 含有混合单开链 ) 并联腿机构的俯视图。
图 60 是第一种 3DOF(3RPS) 并联腿机构的立体图。 图 61 是第二种 3DOF(3RRS) 并联腿机构的俯视图。 图 62 是第三种 3DOF(3PRS) 并联腿机构的俯视图。 图 63 是踝关节上附加移动副的机器人的足部局部视图 ( 实施例 54、 55)。 图 64、 65 是实施例 1 内外式结构 12 自由度机器人足弓俯视图和足迹示意图。 图 66、 67 是实施例 22、 12 自由度前后交叉式结构并联机器人足弓俯视图和足迹示意图。 图 68 是实施例 41 内外式结构 8 自由度机器人足弓俯视图和足迹示意图。其中 ( 标注符号说明 ： 图 3---- 图 68) ：
外腿上平台 1 ； 外腿各支链 2 ； 外腿足弓 3 ； 内腿上平台 4 ； 内腿支路 5 ； 内腿足弓 6； 足弓上附加的移动副 7 ； 足弓上的 P 副缸体 7.1 ； 足弓上的移动副的活塞杆 1 ； 外腿上平 台与内腿上平台的定位连接装置 8 ； 扩展的混合单开链 9 ； 扩展的混合单开链上的并联机构 9.1 ； 扩展的混合单开链上的串联机构 9.2 ； 扩展的混合单开链上最下部的转动副 9.3 ； 柱状 并联机构作为外腿是 10.1a ； 柱状并联机构作为内腿是 10.1b ； 正棱台并联机构作为内腿是 10.2b ； 倒棱台并联机构作为外腿是 10.3a ； 外腿髋关节安装座 1.1 ； 外腿上平台框架 1.2 ； 外腿髋关节 ： 外腿支链上的第一个 ( 从上往下 ) 运动副 --- 球副 1.3 ； 外腿髋关节 ： 外腿支 链上的第一个 ( 从上往下 ) 运动副 --- 转动副 1.3.1 ； 外腿髋关节 ： 外腿支链上的第一个 外腿髋关节 ： 外腿支链上 ( 从上往下 ) 运动副 --- 轴线与上平台平面平行的移动副 1.3.2 ； 的第一个 ( 从上往下 ) 运动副 --- 轴线与上平台平面垂直的移动副 1.3.3 ； 上平台移动副 上的限位块 1.3.4 ； 外腿支链上的第二个 ( 从上往下 ) 运动副 --- 移动副 1.4 ； 外腿支链上 的第二个 ( 从上往下 ) 运动副 --- 转动副 1.4.1 ； 外腿支链上的第二个 ( 从上往下 ) 运动 副 --- 球副 1.4.2 ； 外腿支链最下部的球副即踝关节 1.5 ； 外腿支链最下部的复合球铰即踝 关节 1.5.1 ； 外腿混合单开链 SPS 支链的最下部的安装在另一个支链连杆 1.7 上的球副， 不作为踝关节 1.5.2 ； 外腿支链最上部的球副与第二个运动副 -- 移动副的连接杆 1.6 ； 外
腿支链最上部的转动副与第二个运动副 --- 转动副的连接杆 1.6.1 ； 外腿支链最上部的转 动副与第二个运动副 ----- 球副的连接杆 1.6.2 ； 外腿支链最上部的转动副与第二个运动 副 ----- 移动副的连接杆 1.6.3 ； 外腿支链最上部的球副与第二个运动副 -- 转动副的连接 杆 1.6.3( 图 31) ； 外腿支链下部的球副与第二个运动副 - 移动副的连接杆 1.7 ； 外腿支链 下部的球副与第二个运动副 - 转动副的连接杆 1.7.1 ； 外腿支链下部的球副与第二个运动 副 - 球副的连接杆 1.7.2 ； 外腿足弓分支 1.8 ； 外腿踝关节安装座 1.9 ； 外腿脚趾 1.10 ；
内腿髋关节安装座 2.1 ； 内腿上平台框架 2.2 ； 内腿髋关节 ： 内腿支链上的第一 个 ( 从上往下 ) 运动副 --- 球副 2.3 ； 内腿髋关节 ： 内腿支链上的第一个 ( 从上往下 ) 运 动副 --- 转动副 2.3.1 ； 内腿髋关节 ： 内腿支链上的第一个 ( 从上往下 ) 运动副 --- 轴线 与上平台平面平行的移动副 2.3.2 ； 内腿髋关节 ： 内腿支链上的第一个 ( 从上往下 ) 运动 副 --- 轴线与上平台平面垂直的移动副 2.3.3 ； 内腿支链上的第二个 ( 从上往下 ) 运动 副 --- 移动副 2.4 ； 内腿支链上的第二个 ( 从上往下 ) 运动副 --- 转动副 2.4.1 ； 内腿支链上 的第二个 ( 从上往下 ) 运动副 --- 球副 2.4.2 ； 内腿支链最下部的球副即踝关节 2.5 ； 内腿 支链最下部的转动副即踝关节 2.5.1 ； 内腿支链最上部的转动副与第二个运动副 ----- 移 动副的连接杆 2.6 ； 内腿支链最上部的转动副与第二个运动副 ----- 转动副的连接杆 2.6.1 ； 内腿支链最上部的转动副与第二个运动副 ----- 球副的连接杆 2.6.2 ； 内腿支链 下部的球副与第二个运动副 - 移动副的连接杆 2.7 ； 内腿支链下部的球副与第二个运动 副 - 转动副的连接杆 2.7.1 ； 内腿支链下部的球副与第二个运动副 - 球副的连接杆 2.7.2 ； 内腿足弓分支 2.8 ； 内腿踝关节安装座 2.9 ； 内腿脚趾 2.10 ； F1、 F2、 F3 表示内腿髋关节安装 座； F4、 F5、 F6 表示内腿踝关节安装座 ； N1、 N2、 N3 表示外腿髋关节安装座 ； N4、 N5、 N6 表示 外腿踝关节安装座。
实施例类型说明
实施例 1- 实施例 23 是 12 自由度、 内外式步行机器人 ；
实施例 24- 实施例 32 是 12 自由度、 前后式步行机器人 ；
实施例 33- 实施例 52 是内外式或前后式、 各种少自由度组合的步行机器人 ；
实施例 34、 36、 37、 42、 43、 44、 45 是只能进行间歇步行 ( 可以是直线轨迹 ) 的机器 人方案 ；
实施例 46-50 只能进行波浪式间歇步行的机器人方案 ；
实施例 51 是台体式步行机器人 ；
实施例 52 是含有混合单开链的步行机器人 ；
实施例 53- 实施例 54 是足弓上加运动副的步行机器人 ；
实施例 55、 56 是上平台上加末端执行器的步行机器人。 具体实施方式
实施例 1
根据图 3- 图 8 所示， 是一种支链为 SPS 的内外式结构、 内外式结构步行机器人， 外 腿是环形凸足弓， 内腿是 Y 形凸足弓。实施例 1 由两个 6SPS、 6 自由度并联机构做成。6 自 由度的并联机构由上平台、 下平台和连接上下平台的六个 SPS 支链组成。 从俯视图看 ( 本文 所说的并联机构的大小， 都是从俯视图观察比较， 而不管高度的大小， 即只比较横向尺寸 )，一个并联机构较大， 一个并联机构较小， 较大的称为外腿， 较小的称为内腿 ( 以下同 )。外 腿是倒棱台形， 内腿是正棱台形 ( 上平台髋关节多边形较小， 下平台踝关节多边形较大 )。 二者髋关节多边形的相位差是 60 度， 外腿上平台高于内腿上平台， 二者髋关节多边形的中 心在水平面上的投影是重合的。二者上平台通过连接件 8 固连在一起。外腿的六个髋关节 1.3 分为三组， 每组两个。外腿的三组髋关节 1.3 分别安装在外腿上平台 1 三角形框架 1.2 的顶点附近， 内腿的三组髋关节安装座 2.1 分为三组， 每组两个， 分别布置在外腿大三角形 的各边的中点 2.1 附近。外腿的三个足趾 1.10 分布在一个较大的三角形 ( 外接圆半径为 Ra) 的顶点附近， 外腿为环形外展式凸足弓 3 ； 内腿的三个踝关节安装座 2.9 位于一个较小 的三角形 ( 外接圆半径为 Rb) 的顶端附近， 内腿为 Y 形凸足弓 6。内腿各支链 5 均为 SPS 型。外腿各支链 2 均为 SPS 型。内腿和外腿都是对称的并联机构。可以看出， 内腿位于外 腿的中心部位， 运动中， 内腿、 外腿互不干扰。外腿的脚趾和内腿的支链和脚趾都有较大的 自由活动空间， 且结构紧凑。脚趾在其对应的踝关节的正下方， 所以， 脚趾多边形与踝关节 多边形基本上是重合的。脚趾由弹性材料做成， 为半球形。
外腿 ( 图 3) 的上平台 1 是 ( 准 ) 三角形框架 1.2， 3 个髋关节安装座 1.1 位于三 角形框架的角上， 每个髋关节安装座 1.1 上安装两个髋关节 1.3。6 个支路 2 均为 SPS(P 代 表广义移动副， S 代表球面副， 以下同 )。P 副 1.4 是主动副， S 副是被动副， 上部 S 副 1.3 与 P 副 1.4 由杆件 1.6 连接， 下部 S 副 1.5 与 P 副 1.4 由杆件 1.7 连接。各个支路上部的球 铰 1.3， 分为三组， 采用准三角形布置， 每组两个， 连接在髋关节安装座 1.1 上， 相邻的两个 支链呈 V 形。下部球铰 1.5 也分为三组， 也采用准三角形布置， 每组两个， 连在六边形足弓 3 的三个踝关节安装座 1.9 上。踝关节安装座 1.9 的正下方是脚趾 1.10。足弓 3 的俯视图 为六边形， 足弓 3 是外展式凸形足弓， 单个足弓分支 1.8 为倒 V 形。三个倒 V 形分支构件固 连在一起， 三个连接部有踝关节安装座 1.9。从图 5 和图 6 可以看出， 这个并联机构的中心 部分有一个不受干扰的空间。这个并联机构是对称的正棱台形并联机构 ( 所以， 只标注一 个分支 )。 该并联腿机构可以完成站立、 全向移步和任意转向等功能。 全向移步是在不转向 的情况下， 也可以向任意方向前进或后退。
内腿 ( 图 5) 的上平台 4 是三角形框架 2.2， 髋关节安装座 2.1 位于三角形框架的 角上。6 个支路 5 均为 SPS( 两杆三副 )， P 副 2.4 是主动副， S 副是被动副， 球面副可以使用 复合球铰。上部 S 副 2.3 与 P 副 2.4 由杆件 2.6 连接， 下部 S 副 2.5 与 P 副 2.4 由杆件 2.7 连接。6 个支链 5 的上端通过三个复合球铰 2.3 安装在上平台 4 上。6 个支路的下端通过 三个复合球铰 2.5 安装在足弓 6 上。足弓 6 是内敛式 Y 形凸足弓。足弓有三个分支 2.8， 分 支的外端是踝关节安装座 2.9 和脚趾 2.10。从图 7 可以看出， 内腿的足弓部分位于各个支 链的中心部位， 运动中， 足弓较少或不露出并联机构的外部， 其外部有一个不受干扰或较少 干扰的空间。这个并联机构是对称的正棱台形机构
脚趾在踝关节的正下方， 脚趾多边形与踝关节多边形基本上是重合的。外腿踝关 节多边形与内腿踝关节多边形在水平面上的投影大部分重合。 或者说外腿踝关节多边形在 水平面上的投影包含内腿踝关节多边形在水平面上的投影。 公共稳定多边形就是内腿脚趾 三角形。重心在公共稳定多边形的中心 ( 其它实施例也是这样。) 通常情况下， 对于内外式 并联步行机器人， 外腿髋关节多边形与内腿髋关节多边形在水平面上的投影也是大部分重 合的。从俯视图看， 两个足弓采用了一大一小， 一内一外的配置方式。 外腿上的一个脚趾 与相邻的内腿上的脚趾之间 60 度的范围内有两个支链， 一个靠外， 一个靠内， 二者不相交。 两个并联机构的相位差是 60 度。相邻支链的间隙较为均衡。
关于机器人的高度， 通常情况下， 中立位置时， 两个并联机构的脚趾平面在一个水 平面上 ( 其它的机器人也如此 )， 上平台可高可低或高度相同。实施例中没有引用的标注、 符号， 请见标注符号表， 下同。
实施例 2
是一种支链为 SPS 的内外式结构、 2x 6DOF、 外腿环形凹足弓加内腿 Y 形凹足弓步 行机器人。将实施例 1 中的外腿的六边形凸足弓换成环形凹足弓， 内腿的 Y 形凸足弓换成 Y 形凹足弓， 就是实施例 2 的步行机器人。
在图 10 中， 足弓 3 是外腿足弓， 它是是环形凹足弓， 位于内腿足弓外围。它由三个 足弓分支 1.8 组成， 三个足弓分支形成环形结构， 足弓的上部是踝关节安装座 1.9， 两个踝 关节安装座之间的足弓下部是脚趾 1.10。 足弓 6 是内腿足弓， 它是 Y 形凹足弓， 位于外腿足 弓的包围之中。它由三个足弓分支 2.8 组成， 三个足弓分支形成 Y 形结构， 足弓 6 的外端上 部是踝关节安装座 2.9， 足弓的下部是脚趾 2.10。外腿足弓与内腿足弓的各个部分之间都 有适当的距离。
实施例 3
是一种支链为 SPS 的内外式结构、 2x6DOF 步行机器人。图 11 是实施例 3 的足弓副 俯视图。将实施例 1 中的外腿的六边形凸足弓换成六边形平足弓， 内腿的 Y 形凸足弓换成 六边形平足弓， 就是实施例 3 的步行机器人。
在图 11 中， 足弓 3 是外腿足弓， 它是六边形平足弓， 位于内腿足弓外围。它由三个 足弓分支 1.8 组成， 三个足弓分支形成环形结构， 足弓的上部是踝关节安装座 1.9， 两个踝 关节安装座之间的足弓下部是一字形大脚趾 1.10。 足弓 6 是内腿足弓， 它是六边形平足弓， 位于外腿足弓的包围之中。它由三个足弓分支 2.8 组成， 三个足弓分支形成形结构， 足弓 6 的外端上部是踝关节安装座 2.9， 足弓的下部是脚趾 2.10。外腿足弓与内腿足弓的各个部 分之间都有适当的距离。在实施例 3 中， 脚趾在两个踝关节的中间， 脚趾多边形与踝关节多 边形是不相同的。脚趾由弹性材料做成， 为一字形 ( 长方形 )。
实施例 4
是一种支链为 SPS、 2x 6DOF 内外式结构、 Y 形足弓加 Y 形足弓步行机器人 ( 图 12-14)。在图 13 中为了表达清晰， 只画出了与剖切面紧邻的运动副、 足弓、 脚趾， 省去了较 远的运动副、 足弓、 脚趾。实施例 4 是由实施例 1 改造形成的。与实施例 1 比较， 实施例 4 的外腿也使用了 Y 形凸足弓。其余与实施例 1 相同。
从图 14 看出， 为了防止两个足弓 3、 6 的干扰， 保证外腿、 内腿的脚趾都有较大的工 作空间， 两个足弓相邻的分支之间的夹角约 60 度。两个足弓采用了一大一小， 一高一低的 配置方式。 外腿的 Y 形足弓比较低， 但较大， 内腿的 Y 形足弓比较高， 但较小。 外腿和内腿的 中心部分的高度是这样的 ： 当外腿抬起到最高时和当内腿放下到最低时， 二者刚好碰不到。 从图 12 看出， 外腿的髋关节安装座， 与内腿的踝关节安装座在一个垂直面 ( 这个垂直面过 并联机构的轴线 O) 上。或者说， 内腿的髋关节安装座， 与外腿的踝关节安装座在一个垂直 面上 ( 实施例 1 也有这个特点 )。可以认为是相位差为 180 度的例子。实施例 5
是另一种支链为 SPS 的、 外腿 Y 形凸足弓 + 内腿 Y 形凸足弓， 相位差 0 度的内外式 结构步行机器人。图 15 为实施例 5 的足弓副的立体图。
在实施例 4 中， 作如下改变 ： 将内腿足弓变低， 外腿足弓变高， 内腿足弓整体位于 外腿足弓的下方， 二者相对转动 60 度， 内腿足弓正好在外腿足弓的正下方， 俯视图看上去 基本上是重合的。上平台连带支链也转动相同的角度。即两个腿的踝关节三角形是同相位 的， 两个腿的髋关节三角形也是同相位的。于是， 形成实施例 5。
实施例 6
将实施例 4( 图 12) 作如下改动 ： 把外腿右侧的脚趾 N4( 图 12) 移到中心 O 点， 支 链 N1N4 和 N2N4 也作相应的移动。移动后， N1N4 支链位于脚趾 F4 的上方。N2N4 支链位于 脚趾 F5 的上方。内腿足弓改为 V 形足弓， 开口向右， 外腿足弓改为 V 形足弓， 开口向左， 足 弓副见图 17。两个并联机构的轴线之间的距离约 0.2(Ra+Rb)。实施例 6 的示意图 ( 俯视 图 ) 见图 16。在实施例 6 和实施例 7 中， 内腿和外腿不易区分， 可以简单的把较大的并联机 构称为外腿， 较小的并联机构称为内腿。
实施例 7
将实施例 4( 图 12) 作如下改动 ： 把外腿右侧脚趾 N4 向左移动， 移到内腿脚趾 F4、 F5 的中点， 把原来在一个安装座上 ( 分别是 N1 和 N2) 的两个踝关节分开， 支链 N1N4 和 N2N4 的上部髋关节安装座向右移动约 0.25(Ra+Rb)。移动后， 原来的一个安装座 N1 变成了两个 安装座 N11 和 N12。移动后， N1N4 支链仍然位于 F1F4 支链的左边， 且有较大的间距， 二者 不会干涉。N2N4 支链仍然位于 F1F5 支链的左边， 且有较大的间距， 二者不会干涉。内腿足 弓和外腿足弓形状不变， 大小略作调整。两个并联机构的轴线之间的距离约 0.2(Ra+Rb)。 从俯视图 18 看， N1 与 F1 的连线和 N4 与 F4 的连线同时垂直于对称轴线 N3F1。所以， 沿着 N1F1 直线的方向步行时， 只有两条轨迹。 通常， 本发明的机器人运动时， 最多有六个轨迹， 特 殊方向时， 也有三个轨迹。经过上述的特别设计， 可以实现双轨迹运动， 即脚趾分布在两条 平行线上。图 19 给出了实施例 7 的另一种足弓组合 ： 外腿足弓改为 W 形， 其它不变。
一般情况下， 大多数足弓在俯视图看， 都至少有一个对称轴， 两个足弓形成一个足 弓副时， 两个对称轴是重合的。
图 16-19 示意性的表达了实施例 6、 7 的主要结构特征， 虚线和双实线部分表示内 腿， 实线部分表示外腿。双实线是内腿 Y 形足弓。
柱状、 正棱台和倒棱台并联机构三种形状的并联机构作为内腿、 外腿， 共有十八种 排列 ： 包括内外式九种， 左右式九种。 无论是内外式， 还是左右式并联机器人， 都可以使用这 十八种排列， 技术上， 不存在困难。 实际设计中， 依据具体的设计任务， 支链的结构形式等等 因素确定。例如， 在实施例 1-5 和实施例 24-32 中， 依据具体的设计任务和支链的结构， 每 个并联机构都可以自由的选取三种形状中的一种。 其它少自由度机器人方案同样可以自由 的选取三种形状中的一种。技术上不会有太大的困难。图 23、 图 24、 图 25 给出了三种比较 典型的排列示意图。 图 23、 24、 25 中， 柱状并联机构作为外腿是 10.1a， 柱状并联机构作为内 腿是 10.1b， 正棱台并联机构作为内腿是 10.2b， 倒棱台并联机构作为外腿是 10.3a， 两个并 联机构的连接件是 8。
实施例 8如图 20--- 图 22 所示， 是支链为 PSS 的二个 6DOF 并联腿机构构成的内外式结构 步行机器人。内腿足弓是 Y 形凹足弓， 外腿足弓是六边形形凸足弓。6 自由度的并联机构由 上平台、 下平台和连接上下平台的六个 PSS 支链组成。两个 6PSS 并联腿机构结构， 除了足 弓外， 其它都相同。6-PSS 腿机构的 P 副沿切向运动。内腿足弓是 Y 形凹足弓 ( 这是一个变 异的足弓 )， 外腿足弓是环形凸足弓 ( 六边形 )。外腿大， 内腿小。外腿是倒棱台形， 较高， 内腿是正棱台形， 较低。两个并联机构的轴线是重合的。两个腿机构的上平台固联在一起。 两个并联机构的脚趾三角形采用同相位布置。内腿的脚趾在踝关节安装座和足弓的下方 ； 外腿的脚趾在踝关节安装座的下方。凹形足弓向下部扩展了活动空间， 凸形足弓向上部扩 展了活动空间， 因此， 二者的配合， 使两个并联机构都有了比较充分的自由活动空间。
上平台 4 是六边形结构 2.2， 其平面上安装 6 个 P 副 2.4， 6 个 P 副分别位于一个六 边形的六个边上， 移动副 P 的轴线方向沿切线方向。髋关节安装座 2.1 位于移动副 P 上。6 个支路 5 均为 PSS， P 副是主动副， S 副是被动副 .， S 副 2.3 与 S 副 2.5 之间由杆件 2.6 连 接。足弓 6 为 Y 形， 下部球铰 2.5 分为三组， 每组两个普通球铰， 形成准三角形布置。Y 形足 弓 6 的三个分支 2.8 的外端有三个踝关节安装座 2.9。脚趾 2.10 在足弓分支外端的下方。 这个并联机构也是对称的并联机构。 图 21 中， 中部较小的正六边形是内腿上平台。中部较大的正六边形是外腿上平 台。较小的正六边形的内部是内腿部分。较大的正六边形的外部是外腿部分。两个上平台 通过连接件 8 固联在一起。
实施例 8 的外腿与内腿结构相似 ： 除了足弓不同和整体较小外， 其它都相同。 上平 台 4 是六边形结构 1.2， 其平面上安装 6 个 P 副 1.4， 6 个 P 副分别位于一个六边形的六个边 上， 移动副 P 的轴线方向沿切线方向。髋关节安装座 2.1 位于移动副 P 上。6 个支路 5 均为 PSS， P 副是主动副， S 副是被动副 .， S 副 1.3 与 S 副 1.5 之间由杆件 1.6 连接。足弓 3 为 环形， 下部球铰 1.5 分为三组， 每组两个普通球铰， 形成准三角形布置。环形足弓 3 的三个 分支 1.8 的外端有三个踝关节安装座 1.9。踝关节安装座 1.9 的正下方是脚趾 1.10。这个 并联机构也是对称的并联机构。内腿是倒棱台形并联机构。外腿是正棱台形并联机构。
实施例 9
是支链为 PSS 的、 外腿六边形平足弓 + 内腿 Y 形 ( 混合 ) 凹足弓的并联步行机器 人。将实施例 8( 图 20-22) 中的外腿的六边形凸足弓换成 U 形平足弓， 内腿的 Y 形凹足弓 换成 U 形平足弓， 两个足弓 U 形开口相反， 内腿适当加高， 就是实施例 9 的步行机器人。
实施例 10
是外腿半环形凸足弓 + 内腿 Y 形平足弓的、 支链是 PSS 的并联步行机器人。将实 施例 8 中的外腿的六边形凸足弓换成 C 形凸足弓， 内腿的 Y 形凹足弓换成 Y 形凸足弓， 内腿 适当加高， 就是实施例 10( 参见图 20-22 和图 11) 的步行机器人。
实施例 11
是第二种支链为 PSS 的二个 6DOF 并联腿机构 ( 图 26) 构成的内外式结构步行机 器人。 把实施例 8 的并联机构作如下变化 ： 六边形结构的上平台换为圆形结构的上平台， 移 动副由直线运动变为沿圆周运动， 就是实施例 10 所用的并联机构 ( 图 26)。相邻的两个移 动副用限位块 1.3.4 隔开。足弓副配置是这样的 ： 外腿是 Y 形凸足弓， 内腿足弓是六边形凸 足弓。外腿 Y 形凸足弓较低， 内腿六边形凸足弓较高。内腿全部伸出、 外腿全部收回时， 两
个足弓不干涉。这是另一种足弓副在俯视图上有交点的足弓副。同样采用了一大一小， 一 高一低的配置方式。从俯视图看， 外腿大， 内腿小。外腿是倒棱台形， 内腿是正棱台形。两 个并联机构的轴线是重合的。相位差是 60 度。两个腿机构的上平台固联在一起。P 副是主 动副， S 副是被动副。
实施例 12
是第三种支链为 PSS(P 副径向运动 ) 的两个 6DOF 并联机构构成的内外式结构步 行机器人 ( 图 27、 28、 29)。外腿 C 形外展式平足弓 + 内腿 ( 图 27) 内敛式 A 形平足弓。图 27、 28 中箭头表示主动副的摆动方向。 内腿并联机构由上平台、 下平台和连接上下平台的六 个相同的 PSS 支链组成。上平台 4 是六边形框架结构 2.2， 其平面上安装 6 个 P 副 2.4。P 副的轴线在上平台平面内或与上平台平面平行， P 副沿径向运动 ( 以上平台框架的中心为 圆心 )， P 副两个一组， 同一组距离比较近， 且相互平行。足弓是 A 形平面足弓。脚趾是八字 形。髋关节安装座 2.1 在上平台六边形框架上。6 个支路 5 均为 PSS， P 副是主动副， S 副是 被动副。S 副 2.3 与 S 副 2.5 之间由杆件 2.6 连接。足弓 6 为 A 形内敛式足弓， 下部球铰 2.5 分为三组， 每组两个普通球铰， 形成准三角形布置。A 形足弓 6 的两个分支 2.8 的外端 有三个踝关节安装座 2.9。踝关节安装座 2.9 的正下方是脚趾 2.10。这个并联机构也是对 称的并联机构。
把图 27 内腿 Y 形足弓换为环形足弓， 整体放大， 但高度基本不变或略有放大， 就形 成了外腿。外腿在外， 内腿在内， 二者轴线重合。外腿上平台在上， 内腿上平台在下， 外腿上 平台与内腿上平台的相邻的 P 副轴线之间的夹角为 60 度。二者固联在一起。内腿上的 P 副在圆 (Rk) 内运动， 外腿的 P 副在这个圆 (Rk) 外运动， 限位块 1.3.4 限制了 P 副的运动范 围， 保证二者不干涉 ( 图 28)。同一个腿上的三组 P 副之间的夹角是 120 度。平台框架是两 个六边形框架， 其上连接六组十二个 P 副。外腿足弓足够大， 内腿足够足够小， 保证二者不 干涉。两个并联机构的相位是相差 60 度。相邻支链的间隙较为均衡。
实施例 13
是支链为 PSS 的机器人。参考实施例 12， 把实施例 12 的内腿 ( 图 27)A 形平足弓 换为 Y 形凸足弓， 把实施例 12 的外腿环形平足弓换为半环形凸足弓 ( 参考图 29)， 脚趾设置 在踝关节下方， 其它不变， 形成实施例 13。
实施例 14
参考实施例 12， 把例 12 的内腿 ( 图 27)A 形平足弓换为 U 形平足弓， 外腿为 U 形凹 足弓， 脚趾设置在足弓分支中部的下方， 两个 U 形足弓开口相反， 轴线重合， 其它不变， 形成 实施例 14。每个足弓都有两个相互平行的 “1” 字脚趾， 四个脚趾相互平行。
实施例 15
是一种由两个支链为 RSS 的 6 自由度的并联机构组成的内外式并联步行机器人 ( 图 30、 图 31、 图 32)。内腿 ( 图 30) 三角形内敛式平足弓 + 外腿三角形平足弓。图 30 中 箭头表示主动副的摆动方向。
内腿 ( 图 30) 上平台 4 是正三角形框架结构 2.2， 在这个正三角形的三个边上， 安 装 6 个 R 副 2.4， 6 个支路 5 均为 RSS。6-RSS 腿机构的 R 副的轴线分别与正三角形的三个 边重合， 每个边上有两个 R 副， 两个 R 副都在边的中点附近， R 副与其自身支链上的 S 副的 连杆是第一连杆 2.6， R 副是主动副， S 副是被动副 .， R 副转动， 第一连杆转动， 驱动下平台运动。理论上， R 副可以连续转动 360 度， 实际上， R 副只要水平面的上下摆动 90 度以下即 可实现所要求的 6 自由度运动。S 副与 S 副之间通过第二连杆 2.7 连接。连杆 2.7 的长度 大于连杆 2.6 长度的二倍以上。内腿足弓 6 是三角形平面足弓。R 副和中间的 S 副构成了 这个腿的髋关节， 髋关节安装座是 R 副与三角形上平台的连接座 2.1。支链的下部球铰 2.5 分为三组， 每组两个， 用普通球铰在连接踝关节安装座上， 形成准三角形布置。踝关节安装 座 2.9 的正下方是脚趾 2.10。这个并联机构也是对称的并联机构。
把图 30 的并联机构的三角形足弓换为环形足弓， 整体放大， 但高度基本不变或略 有放大， 就形成了外腿。外腿在外， 内腿在内， 二者轴线重合。外腿上平台在上， 内腿上平台 在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。 外腿的上平台三角形较大， 内腿的上平台三角 形较小， 外腿的上平台较高， 内腿的上平台的较低， 对应的 R 副的轴线平行。两个并联机构 的相位是同相位布置。二者在两个三角形的角处 8 固联在一起。内腿的 R 副在其上平台三 角形内侧摆动， 外腿的 R 副在其上平台三角形外侧摆动。摆动范围是水平面的上下 50 度左 右。
外腿踝关节多边形与内腿踝关节多边形在水平面上的投影大部分重合。 两个并联 机构相邻支链的间隙较为均衡。
实施例 16
是支链为 RSS、 外腿 Y 形内敛式凸足弓 + 内腿内敛式三角形平足弓的步行机器人 ( 参见图 30、 31、 32)。把实施例 15 的内腿三角形平足弓换为三角形平足弓， 外腿三角形平 足弓换为 Y 形凸足弓， 外腿足弓较高， 内腿足弓较低。脚趾设置在踝关节下方， 其它不变， 形 成实施例 16。
实施例 17
是支链为 RSS、 外腿 Y 形凸足弓 + 内腿环形凹足弓的步行机器人。参照图 30、 31、 32， 把实施例 15 的内腿三角形平足弓换为环形凹足弓， 把实施例 15 的外腿环形平足弓换为 Y 形凸足弓， 脚趾设置在足弓的下方， 其它不变， 形成实施例 17。
实施例 18
是第二种支链为 RSS 的二个 6DOF 并联腿机构构成的内外式结构步行机器人 ( 图 33、 图 34、 图 35)。外腿 O 形式平足弓 + 内腿 O 形平足弓。图 33、 34 中箭头表示主动副的摆 动方向。
外腿并联机构 ( 图 33) 由上平台、 下平台和连接上下平台的六个相同的 RSS 支链 组成。上平台 1 是圆形框架结构 1.2， 其周围均布安装 6 个髋关节安装座 1.1 和 6 个 R 副 1.3。6-RSS 腿机构的 R 副的轴线在上平台的同一个圆周上， 且与上平台平面垂直， R 副与中 间的 S 副的连杆可以小范围摆动， 六个 R 副均布在同一个圆周上， R 副是主动副。R 副和中 间的 S 副 1.4.2 构成了这个腿的髋关节， 髋关节安装座是 R 副与圆形上平台的连接座 2.1。 6 个支路 2 均为 RSS， R 副是主动副， S 副是被动副 .， S 副 1.4.2 与 S 副 1.5 之间由杆件 1.6 连接。足弓 3 为环形外展式足弓， 支链的下部球铰 1.5 分为三组， 每组两个， 用普通球铰连 接在环形足弓的三组踝关节安装座上， 形成准三角形布置。足弓是环形平面足弓。踝关节 安装座 2.9 的正下方是脚趾 2.10。这个并联机构也是对称的并联机构。
把图 33 所示的并联机构整体缩小， 但高度基本不变或略有缩小， 就形成了内腿。 外腿在外， 内腿在内， 二者轴线重合。 外腿上平台在上， 内腿上平台在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。外腿的上平台圆形较大， 内腿的上平台圆形较小， 外腿的上平台较高， 内腿的上平台的较低。 二者通过连接件 8 固联在一起。 外腿的上平台较高， 外腿的环形上平 台的半径较大， 外腿的第一连杆较长。内腿的上平台较低， 内腿的环形上平台的半径较小， 内腿的第一连杆较短， 两个并联机构的环形上平台固连在一起 ( 轴线重合 )。 外腿支链上中 间的 S 副 1.4 距离环形上平台的中心较远， 内腿支链上中间的 S 副距离环形上平台的中心 较近， 外腿和内腿的第一、 二连杆在水平面内小范围内摆动时互不干涉。摆动范围 90 度左 右。
外腿为环形外展式凸足弓 3， 外腿的环形足弓较大 ； 内腿的环形足弓较小 ； 外腿充 分大， 内腿适当小， 保证二者不干涉。
外腿踝关节多边形与内腿踝关节多边形在水平面上的投影大部分重合。 外腿髋关 节多边形与内腿髋关节多边形在水平面上的投影也是大部分重合。
两个并联机构的相位差是 30 度。这两个并联机构的相位差可以在 0---360 度范 围内任意改变。但相位差是 60 度或 0 度是较佳方案， 相邻支链的间隙较大且较为均衡。这 个实施例中的两个并联机构可以任意的布置其相位差。0-360 度都是可行的方案。相位差 是 60 度和 0 度的方案最好。
实施例 19
是支链为 RSS 的二个 6DOF 并联腿机构构成的内外式结构步行机器人。是外腿 O 形式凹足弓 + 内腿 O 形凸足弓的机器人。参照图 33、 图 34、 图 35， 把实施例 18 的内腿 O 形 平足弓换为 O 形凹足弓， 外腿环形平足弓换为环形凸足弓， 脚趾设置在踝关节下方， 其它不 变， 形成实施例 19。
实施例 20
是外腿 U 形式凹足弓 + 内腿 U 形凹足弓的、 具有两个 “11” 形脚趾的并联机器人。 参照图 33、 图 34、 图 35， 把实施例 18 的内腿 O 形平足弓换为 U 形凹足弓， 把实施例 18 的外 腿环形平足弓换为 U 形凹足弓， 脚趾设置在足弓的下方， 相位差 180 度， 其它不变， 形成实施 例 20。
实施例 21
是第三种支链为 RSS 的二个 6DOF 并联腿机构构成的内外式结构步行机器人。外 腿 ( 图 36) 是 O 形式凸足弓， 内腿是 Y 形凸足弓。
外腿并联机构由上平台、 下平台和连接上下平台的六个相同的 RSS 支链组成。上 平台 1 是六边形框架结构 1.2， 其周围安装 6 个髋关节安装座 1.1 和 6 个 R 副 1.3。R 副的 轴线在上平台平面内， 六个 R 副的轴线都通过上平台的中心 O。六个 R 副分为三组， 每组两 个， 同一组的 R 副距离较近。R 副与中间的 S 副 1.4 的连杆可以小范围上下摆动。同一组的 R 副上的两个连杆分布在左右两侧， 两个连杆可以在水平面的上下小范围摆动。 二者互不干 涉。六个 R 副均布在同一个圆周上， R 副是主动副。R 副 1.3.1 构成了这个腿的髋关节， 髋 关节安装座是 R 副与六边形上平台的连接座 2.1。S 副是被动副， S 副 1.4.2 与 S 副 1.5 之 间由第一杆件 1.7.2 连接。R 副 1.3.1 与 S 副 1.4.2 之间由第一杆件 1.6.2 连接。第一连 杆较短。第二连杆 1.7.2 较长。
足弓 3 为 O 形外展式足弓， 下部球铰 1.5 分为三组， 每组两个， 用普通球铰连接在 环形足弓的三组踝关节安装座上， 形成准三角形布置。踝关节安装座 2.9 的正下方是脚趾2.10。这个并联机构也是对称的并联机构。
把图 36 的并联机构环形足弓换为 Y 形足弓， 整体缩小， 但高度基本不变或略有缩 小， 就形成了内腿。 外腿在外， 内腿在内， 二者轴线重合。 外腿上平台在上， 内腿上平台在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。外腿的上平台六边形较大， 内腿的上平台六边形较 小， 外腿的上平台较高， 内腿的上平台的较低。二者固联在一起。外腿支链上 R 副 1.4.1 距 离上平台的中心较远， 内腿支链上的 R 副距离六边形上平台的中心较近。外腿和内腿的第 一、 二连杆摆动时互不干涉。第一连杆摆动范围在平台平面下 90 度以内。
外腿的环形足弓较大 ； 内腿的 Y 形足弓较小 ； 外腿充分大， 内腿适当小， 保证二者 不干涉。两个并联机构都是柱状并联机构。外腿踝关节多边形与内腿踝关节多边形在水平 面上的投影大部分重合。 外腿髋关节多边形与内腿髋关节多边形在水平面上的投影也有较 大部分重合。两个并联机构采用同相位布置。相邻支链的间隙较为均衡。
实施例 22
是一种支链为 SRS 的内外式结构、 外腿三角形凸足弓、 内腿 Y 形凸足弓的步行机器 人。图 37 是实施例 22 的内腿立体图。这是一种支链为 SRS 的 6 自由度的并联机构。它由 上平台、 下平台和连接上下平台的六个相同的 SRS 支链组成。
内腿 ( 图 37) 的上平台 1 是环形框架 1.2， 3 组髋关节安装座 1.1 位于环形框架上 的一个等边三角形的顶点上， 每个髋关节安装座上安装两个髋关节 1.3。6 个支路 2 均为 SRS(R 代表转动副， S 代表球面副 )。R 副 1.4.1 是主动副， S 副是被动副， 上部 S 副 1.3 与 R 副由杆件 1.6 连接， 下部 S 副 1.5 与 R 副由杆件 1.7 连接。各个支路上部的球铰， 分为三 组， 采用准三角形布置， 每组两个， 连在髋关节安装座上。下部球铰 1.5 也分为三组， 也采用 准三角形布置， 每组两个， 三个踝关节安装座 1.9 上。踝关节安装座的正下方是脚趾 1.10。 足弓 3 是 Y 形凸足弓。Y 形凸足弓的外端是踝关节安装座。
外腿 ： 参照图 37， 把内腿的 Y 形足弓换为三角形足弓， 整体放大， 但高度基本不变 或略有增加， 就形成了外腿。外腿在外， 内腿在内， 二者轴线重合。外腿上平台在上， 内腿上 平台在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。 外腿的上平台环形较大， 内腿的上平台环 形较小， 外腿的上平台较高， 内腿的上平台的较低。二者固联在一起。外腿和内腿的支链互 不干涉。
外腿的环形足弓较大 ； 内腿的 Y 形足弓较小 ； 外腿充分大， 内腿适当小， 保证二者 不干涉。外腿踝关节多边形与内腿踝关节多边形在水平面上的投影大部分重合。外腿髋关 节多边形与内腿髋关节多边形在水平面上的投影也有大部分重合。
实施例 23
是两个不同支链的 6 自由度并联机构组成的步行机器人。外腿是支链为 SPS 的 6 自由度并联机构 ( 图 5)。内腿是支链为 PSS 的 6 自由度并联机构 ( 图 26)。外腿倒棱台形、 较大、 在外， 内腿柱状、 较小、 在内， 二者轴线重合。外腿上平台在上， 内腿上平台在下， 内腿 高度较小， 外腿高度较大， 中立位置时两个并联机构的脚趾在同一个平面上。 外腿上平台与 内腿上平台的平面平行。二者的上平台固联在一起。
实施例 24
是 2×6DOF 左右交叉式 ( 也称为前后式 ) 结构外腿 U 形平足弓内腿 T 形平足弓步 行机器人 ( 图 38- 图 40)。图 39 只画出对称的一半。实施例 24 由两个 6SPS 并联腿机构前后交叉做成。除足弓形状不同外， 本例所用的并联机构与图 5 相同。两个腿机构大小相 近， 高度相同， 上部形状相近， 上部髋关节多边形形状相近， 都是准三角形框架。 两个腿机构 的轴线相距约 0.5(Ra+Rb)。外腿上平台 1 的 T 形构件 1.2 与内腿上平台 4 的 T 形构件 1.2 在同一水平面上， 二者 (1.2 和 2.2、 图中是双实线 ) 固连在一起，
左侧为外腿， 足弓为 U 形平足弓 3， U 形开口向右 ； 右侧为内腿， 足弓为 T 形平足弓 6。外腿的一组髋关节安装座 ( 右边的一个 ) 位于内腿髋关节三角形的中部。内腿的一组 踝关节安装座 ( 左边的一个脚趾 ) 位于外腿踝关节三角形的中部。在本文中， 从俯视图看， 如果一个腿的脚趾多边形包含另一个腿的一个或多个脚趾， 那么， 这个腿称为外腿， 另一个 腿称为内腿。
从俯视图 ( 图 39) 上看， 最左侧的两个支链 ( 图中只画出一个 ) 是外腿的两个支 链。这两个支链不会与内腿的支链干涉。最右侧的两个支链 ( 图中只画出一个 ) 是内腿的 两个支链。这两个支链也不会与外腿的支链干涉。中部有八个支链 ( 图中只画出对称轴下 方的四个 )。 对称轴下方的四个支链， 内腿有两个， 外腿有两个。 其中， 内腿的两个支链呈正 V 形， 外腿的两个支链呈倒 V 形， V 形的开口向下。内腿的这两个支链与外腿的支链呈异面 直线关系， 二者不会干涉， 且有较大的工作空间。 左右交叉式步行机器人的足弓组合同样包括各种情况。下面的实施例， 给出了几 种较佳的组合方案。左右交叉式步行机器人的形状、 大小， 要求不高 ： 可以大些， 可以小些。 柱状、 正棱台、 倒棱台都可以使用。
稍作变化， 可以得到实施例 24 的一个变种。把实施例 24 中的左侧外腿 ( 图 38、 39) 整体转动 180 度， 足弓也同时转动 180 度， U 形平足弓 ( 或 W 形 ) 开口向左， T 形平足弓 变为 T 形凸足弓。 两个并联机构的轴线之间的距离调整到 0.7--0.8(Ra+Rb)， 重新安装在一 起。其它不变。新的机器人对称轴的下方 ( 图 39) 中部会有两个髋关节安装座、 四个髋关 节。为保证较大的工作空间， 这四个髋关节交叉安装。即四个髋关节安装在一个四边形的 四个角上， 同一个对角线上的两个髋关节是一个腿上的。对称轴的上方 ( 图 39) 中部的四 个髋关节也作类似处理。新方案 U 字形足弓的对称轴上的一个脚趾位于另一个腿机构的三 个脚趾的中间 ； 图 39 中 T 字形足弓的左边的一个脚趾位于左侧腿机构的三个脚趾的中间 ； 二者互相包含。这时， 公共稳定多边形面积仍然大于零， 且有适当余度。U 形足弓变为凹足 弓， T 形足弓仍然是 T 形凸足弓， 也是一个好方案 ( 第二个变种 )。
实施例 25
是第二种支链是 SPS 的交叉式结构步行机器人 ( 图 41 并参见图 38、 图 39)。外腿 是 U 形凹足弓， 内腿是 Y 形凹足弓。将实施例 24 中的外腿的 U 形平足弓换成 U 形凹足弓， 内腿的 Y 形平足弓换成 T 形凹足弓， 就是实施例 25 的步行机器人。在图 41 中， 足弓 3 是外 腿足弓， 它是 U 形凹足弓， U 字开口向右， 它位于内腿足弓的左侧。 它由两个足弓分支 1.8 组 成， 两个足弓分支形成 U 形结构， ， 足弓的上部是踝关节安装座 1.9， 两个踝关节安装座之间 的足弓下部是脚趾 1.10. 外腿足弓有两个一字形大脚趾， 两个一字形大脚趾互相平行。对 于 U 形凹足弓， 脚趾是两个平行的一字脚趾， 只有脚趾多边形， 没有脚趾三角形。这时， 脚趾 三角形的外接圆是指能够包容脚趾多边形的最小的圆的半径。
足弓 6 是内腿足弓， 它是 T 形凹足弓， 位于外腿足弓的右侧。它由两个足弓分支 2.8 组成， 两个足弓分支形成 T 形结构， 足弓 6 的外端上部是踝关节安装座 2.9， 足弓的下部
是脚趾 2.10。内腿的两个一字形大脚趾相互垂直。内腿的一个脚趾 (T 字的下端 ) 位于外 腿的脚趾三角形的中心。 内腿足弓与外腿足弓之间有适当的距离， 保证两个足弓互不干涉。
实施例 26
是第三种支链是 SPS 的 12 自由度交叉式结构步行机器人 ( 图 42 并参见图 38、 39)。 外腿是 U 形凸足弓， 内腿是 T 形凸足弓 ( 图 42)。将实施例 24 中的外腿的 U 形平足弓换成 U 形凸足弓， 内腿的 T 形平足弓换成 T 形凸足弓， 就是实施例 26 的步行机器人。两个并联机 构都是柱状并联机构。在图 42 中， 足弓 3 是外腿 ( 左腿 ) 足弓， 它是 U 形凸足弓， U 字开口 向右， 它位于内腿足弓的左侧。它由两个足弓分支 1.8 组成， 两个足弓分支形成 U 形结构， 足弓的下部是踝关节安装座 1.9。三个踝关节安装座的下方是脚趾 1.10. 外腿足弓有三个 脚趾， 三个脚趾不共线。位于等腰三角形的三个角上。
足弓 6 是内腿足弓， 它是 T 形凸足弓， 位于外腿足弓的右侧。它由两个足弓分支 2.8 组成， 两个足弓分支形成 T 形结构， 足弓 6 的外端下方是踝关节安装座 2.9， 三个踝关节 安装座位于等腰三角形的三个角上， 其下方是三个脚趾 2.10。内腿的一个脚趾位于外腿的 脚趾三角形的中心。内腿足弓与外腿足弓之间有适当的距离， 保证两个足弓互不干涉。两 个并联机构的轴线之间的距离约 0.6(Ra+Rb)。 实施例 27
是 2×6DOF( 支链是 6-RSS) 交叉式结构外腿 U 形平足弓内腿 T 形平足弓步行机器 人 ( 图 43)。实施例 27 的外腿和内腿都使用图 30 所示的并联机构 (6RSS)。两个并联腿机 构前后交叉做成， 6 自由度的并联机构由上平台、 下平台和连接上下平台的六个 RSS 支链组 成。除支链不同外， 其它结构与实施例 24 相近。两个腿机构大小相近， 上部形状相近， 上部 髋关节多边形形状相近， 都是六边形框架。两个腿机构的轴线相距约 0.5(Ra+Rb)。两个腿 的上平台通过连接件 8 固连在一起。 为了防止支链之间的干涉， 采取以下措施 ： 1、 外腿右侧 的两个 R 副较低， 内腿左侧的两对 R 副较高 ； 2、 外腿的 R 副在上平台平面下摆动， 内腿的 R 副在上平台平面上摆动 ； 3、 内腿的两个同轴的 R 副之间的距离较大。两个并联机构都是台 体式并联机构。所有的 R 副都与上平台平面平行， 但部分 R 副不在一个平面上。左侧为外 腿， 足弓为 U 形平足弓 3 ； 右侧为内腿， 足弓为 T 形平足弓 6。内腿的一组踝关节安装座 ( 左 边的一个 ) 位于外踝关节三角形的中部。
实施例 28
是第二种支链是 RSS 的 2×6DOF 交叉式结构步行机器人。将实施例 27( 参见图 43) 中的外腿的 U 形平足弓换成 U 形凹足弓， 内腿的 T 形平足弓换成 T 形凹足弓， 就是实施 例 28 的步行机器人。足弓副立体图参见图 41。
实施例 29
是第三种支链为 RSS 的 2×6DOF 交叉式结构步行机器人 ( 参见图 43)。将实施例 27( 参见图 43) 中的外腿的 U 形平足弓换成 U 形凸足弓， 内腿的 T 形平足弓换成 Y 形凸足 弓， 就是实施例 29 的步行机器人。足弓副立体图参见图 42。
实施例 30
是支链为 6PSS 的 12 自由度交叉式结构步行机器人 ( 图 44)。外腿是 U 形平足弓， 内腿是 Y 形平足弓。外腿和内腿都使用图 27 所示的并联机构。两个并联腿机构前后交叉 做成。两个腿机构大小相近， 上部形状相近， 上部髋关节多边形形状相近， 都是正六边形框架。两个腿机构的轴线相距约 0.5(Ra+Rb)。两个腿的上平台通过连接件 8 固连在一起。为 了防止支链之间的干涉， 采取以下措施 ： 1、 外腿右侧的两个相互平行的 P 副较低， 内腿左侧 的两对 P 副较高 ； 2、 内腿的两个平行的 P 副之间的距离较大。所有的 P 副都与上平台平面 平行， 但部分 P 副不在一个平面上。两个并联机构都是台体式并联机构。左侧为外腿， 足弓 为 U 形平足弓 3 ； 右侧为内腿， 足弓为 Y 形平足弓 6。内腿的一组踝关节安装座 ( 左边的一 个 ) 位于外腿踝关节三角形的中部。
实施例 31
是第二种支链为 PSS 的 12 自由度交叉式结构步行机器人。将实施例 30( 参见图 44) 中的外腿的 U 形平足弓换成 U 形凹足弓， 内腿的 T 形平足弓换成 T 形凹足弓， 就是实施 例 31 的步行机器人。足弓副立体图参见图 41。如果将实施例 30 中的外腿 ( 图 27) 的 U 形 平足弓换成 U 形凸足弓， 内腿的 T 形平足弓换成 T 形凸足弓， 实施例 30 又会演变成具有凸 足弓步行机器人。足弓副立体图参见图 42。
实施例 32
将实施例 24( 参考图 39) 作如下改动 ： 左侧外腿的髋关节安装座 N1 一分为二， 变 为 N11 和 N12。N11 和 N12 分别向两侧移开， 远离对称轴 F1N6。N11 移到 F5 的外侧 ( 图 39 对称轴下侧 )， 同时， 外腿脚趾 N5 也适当外移。N12 也做类似的处理。外腿 U 形足弓变为 A 形足弓 ( 不变也可以 )。内腿整体略为缩小。其它不变。变化后的外腿， 整体上 ( 从俯视 图 ) 看， 是一个 C 形， 只要内腿适当小， 两个并联机构的轴线之间的距离可以从 0 到 (Ra+Rb) 任意选取。从内外式变化到左右式。从 0 变化到 (Ra+Rb)， 公共稳定多边形面积越来越小， 稳态步行的范围越来越小， 混合态步行的范围逐渐扩大。图 45 给出了实施例 32 的俯视图， 示意性的表达了实施例 32 的机构特征。图中双实线是上平台框架， 六个髋关节安装在上 面。
实施例 33-53 是自由度少于 12 的并联步行机器人。 其中， 在实施例 35， 37， 38， 43， 44， 45， 46 中， 有一个腿没有移步自由度组合， 所以， 这几个并联步行机器人只能作间歇式步 行运动 ( 可以保持直线轨迹 )。
实施 33
是一个 6DOF(6PSS) 并联机构作为外腿 ( 图 26) 和第四种 5 自由度 (4RSS+1RPS) 并联机构作为内腿 ( 图 49) 组成的内外式结构、 11 自由度步行机器人。 外腿三角形平足弓， 内腿 V 形平足弓。
内腿 ( 图 49) 由上平台、 下平台和连接上下平台的四个 RSS 支链和一个 RPS 支链 组成。上平台 1 是圆形框架结构 1.2， 其周围同一个圆周上均布安装 5 个髋关节安装座 1.1 和 5 个 R 副 1.3.1。RSS 支链的 R 副的轴线垂直于上平台平面。RPS 支链的 R 副的轴线在上 平台平面内， 垂直于过该点的半径。RSS 支链的 R 副与中间的 S 副的连杆可以在上平台平 面下小范围 ( 例如 60 度以内 ) 摆动， 四个 R 副是主动副。RPS 支链的 P 副是主动副。五个 支链上的 R 副 1.3.1 构成了这个腿的髋关节， 髋关节安装座是 R 副与上平台的连接座 2.1。 R 副 1.3.1 与 S 副 1.4.2 之间由第一杆件 1.6 连接。在 RSS 支链中， S 副 1.4.2 与 S 副 1.5 之间由第二杆件 1.7 连接。第一连杆较短。第二连杆较长。足弓 3 为 V 形， 下部球铰 1.5 分为三组， 四个 RSS 支链上的球副分为两组， 每组两个， 用普通球铰连接在足弓的两个踝关 节安装座上。 RPS 支链的球副连接在第三个踝关节安装座上， 形成准三角形布置。 踝关节安装座 2.9 的正下方是脚趾 2.10。这个并联机构也是对称的并联机构。该并联腿机构可以完 成站立、 单向移步等功能。配合转向， 也可以向任意方向前进或后退。
从俯视图看， 外腿 ( 图 26) 并联机构较大， 内腿 ( 图 43) 并联机构较小。外腿上平 台在上， 内腿上平台在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。二者轴线重合。外腿的上 平台环形较大， 内腿的上平台环形较小， 外腿的上平台较高， 内腿的上平台的较低。内腿的 第一连杆不与外腿的移动副干涉。二者固联在一起。
实施例 34
是一个 6DOF(6SPS) 并联机构和 5DOF(4SPS+1RPS) 并联机构组成的交叉式结构 11 自由度步行机器人。外腿 ( 参见图 5)U 形平足弓， 内腿 ( 图 46)T 形平足弓。把图 38 的步 行机器人的外腿 ( 左侧并联机构 ) 换为图 51 的步行机器人的外腿 ( 左侧并联机构 ) 即为 实施例 34。
实施例 35
是一个 6DOF(6PSS) 并联机构 ( 图 27) 和第三种 4 自由度 (3RSS+1PS) 并联机构 ( 图 56) 组成的内外式结构、 10 自由度步行机器人。外腿 ( 图 33)O 形平足弓， 内腿 ( 图 56) Y 形平足弓。
内腿 ( 图 56) 由上平台、 下平台和连接上下平台的四个支链组成， 其中 3 个 RSS 支 链和 1 个 PS 支链。上平台是六边形。下平台是 Y 形足弓。3 个 RSS 支链的上部转动副安装 在上平台上。其轴线通过上平台的中心， 且在一个平面上， 轴线之间的夹角是 120 度， 各个 转动副与上平台的中心之间的距离相等。PS 支链的移动副上端固联在上平台的中心， 轴线 与上平台平面垂直。PS 支链的下部球副安装在 Y 形足弓的中心。一个 PS 支链限制了下平 台的两个水平移动自由度。该并联腿机构可以完成站立、 抬步、 任意转向等功能， 但不能移 步。这是一个具有对称轴的并联机构。
从俯视图看， 外腿 ( 图 33) 并联机构较大， 内腿 ( 图 56) 并联机构较小。外腿上平 台在上， 内腿上平台在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。二者轴线重合。外腿三角 形平足弓内腿 Y 形凸足弓。
实施例 36
是一个 6DOF(6SPS) 并联机构 ( 图 5) 和第一种 4 自由度并联机构 (2SPS+2RPS)( 图 54) 组成的交叉式结构 10 自由度步行机器人。外腿 ( 图 5)U 形凸足弓， 内腿 ( 图 54)T 形凸 足弓。
内腿， 由上平台、 下平台和连接上下平台的四个支链组成， 其中 2 个 SPS 支链和 2 个 RPS 支链。下平台在本实施例中， 换为 T 形凸足弓。足弓有三个最低点。2 个 RPS 支链的 转动副安装在上平台， 转动副的轴线相互平行， 且与上平台平面平行。一个 RPS 支链较长， 一个 RPS 支链较短。较短 RPS 支链 ( 左侧 ) 下部的球副安装在一个足弓分支的上部， 其两 侧各有一个 SPS 支链。较短 RPS 支链的轴线与两个 SPS 支链的轴线不在一个平面上。较长 的 RPS 支链的下部的球副安装在足弓的一个最低点， 两个 SPS 支链的下部球副安装在足弓 的另外两个最低点上。两个 RPS 支链限制了下平台的一个水平移动自由度和一个绕 Z 轴的 转动自由度。该并联腿机构可以完成站立、 单向移步等功能， 但不能转向。
把实施例 22 中的内腿拆下， 换为第一种具有 T 形足弓的 4 自由度并联机构。较长 的 RPS 支链的下部的球副安装在外腿三个脚趾的中部。另外两个脚趾在右边， 两个并联机构高度相同， 两个上平台固联在一起， 形成实施例 36。
实施例 37
是一个 6DOF(6SPS) 并联机构 ( 图 5) 和 3DOF(3RRS) 并联机构 ( 图 61) 组成的内 外式结构 9 自由度步行机器人。外腿 ( 图 5)O 形平足弓， 内腿 ( 图 61)Y 形平足弓。把图 60 的 3 自由度并联机构的 RPS 支链换为 RRS 支链， 形成的另一个新的 3 自由度并联机构 ( 图 61)。其中， 同一个支链的两个 R 副的轴线平行。其余同图 60 所示的并联机构相同。从俯 视图看， 外腿 ( 图 5) 并联机构较大， 内腿 ( 图 61) 并联机构较小。外腿上平台在上， 内腿上 平台在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。二者轴线重合。外腿环形平足弓内腿三 角形平足弓。
实施例 38
是一个 6DOF(6SPS) 并联机构 ( 图 5) 和 3DOF(3RPS) 并联机构 ( 图 60) 组成的前后 式结构 9 自由度步行机器人。外腿如图 5， 足弓改为 U 形足弓 ； 内腿如图 60， 足弓改为 T 形 足弓。两个并联机构的轴线之间的距离是 0.25---0.3(Ra+Rb)( 依据两个腿的大小确定 )。 足弓副的配合参见图 40。实施例 38 略加改动， 即 6 自由度并联机构绕轴线转动 180 度， 可 以得到实施例 38 的一个变种。两个并联机构一前一后排列， 两个并联机构的轴线之间的距 离是 0.8(Ra+Rb)。六自由度腿在前， 足弓是正 V 字形凸足弓 ； 3 自由度并联腿机构在后， 足 弓是倒 T 字形凸足弓。正 V 字形足弓的最下边的一个脚趾位于 3 自由度腿机构的三个脚趾 的中间 ； 倒 T 字形足弓的最上边的一个脚趾位于 6 自由度腿机构的三个脚趾的中间 ； 二者 互相包含。这时， 公共稳定多边形面积仍然大于零。
实施例 39
是一个由第二种五自由度并联机构 ( 图 47) 作为内腿 (4PSS+1RRS) 和第三种五自 由度并联机构 ( 图 48) 作为外腿 (4PSS+1RPS) 组成的内外式结构、 10 自由度步行机器人。 外腿是六边形足弓， 内腿是三角形足弓。
内腿 ( 图 47) ： 将图 27 中的六自由度并联机构 (6PSS) 作如下改动 ： 将同一个踝关 节安装座上的两个 PSS 并联机构去掉， 换上一个 RRS 支链， 内腿足弓改为三角形足弓， 其它 不变， 即变为图 47 所示的五自由度 (4PSS+1RRS) 并联机构。RRS 支链的球副安装在这个踝 关节安装座上， RRS 支链的上部转动副安装在上平台三角形与这个踝关节安装座同侧的的 边的中点， 轴线与这个边重合。该并联腿机构可以完成站立、 单向移步和任意转向等功能。 配合转向， 也可以向任意方向前进或后退。
外腿 ( 图 48) 由上平台、 下平台和连接上下平台的五个支链组成， 其中 4 个 RSS 支 链， 一个 RPS 支链。上平台 1 是三角形框架结构 1.2。4-RSS 支链的 R 副的轴线在上平台平 面内， 四个 R 副的轴线都通过上平台的中心。四个 R 副分为三组， 有一组两个， 同一组的 R 副距离较近。R 副与中间的 S 副 1.4.2 的连杆可以小范围上下摆动。同一组的 R 副上的两 个连杆分布在左右两侧， 两个连杆可以在水平面的上下小范围摆动。二者互不干涉。四个 R 副分布在同一个圆周上， R 副是主动副。R 副 1.3.1 构成了这个腿的髋关节， 髋关节安装 座是 R 副与上平台的连接座 1.1。R 副 1.3.1 与 S 副 1.4.2 之间由第一杆件 1.6.2 连接。S 副 1.4.2 与 S 副 1.5 之间由第二杆件 1.7 连接。第一连杆较短。第二连杆较长。RPS 支链 的 R 副轴线在上平台平面内， 垂直于四个 RSS 支链的 R 副的对称轴。足弓 3 为六边形 ( 外 展式足弓 )， 四个 RSS 支链的下部球铰 1.5 分为三组， 每组两个， 用普通球铰连接在环形足弓的两个踝关节安装座上。RPS 支链的下部球铰 1.5 连接在第三个踝关节安装座上。踝关节 安装座 1.9 的正下方是脚趾 1.10。这个并联机构也是对称的并联机构。该并联腿机构可以 完成站立、 单向移步和任意转向等功能。配合转向， 也可以向任意方向前进或后退。
从俯视图看， 外腿 ( 图 48) 并联机构较大， 内腿 ( 图 47) 并联机构较小。外腿上平 台在上， 内腿上平台在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。二者轴线重合。外腿的上 平台较大， 内腿的上平台较小， 外腿的上平台较高， 内腿的上平台的较低。内腿的支链不与 外腿的支链干涉， 内腿的足弓也不与外腿的足弓干涉。两个并联机构的相位差可以是 0 度 或 180 度。二者的上平台固联在一起。
实施例 40
是由两个第一种 5DOF(4SPS+1RPS) 并联机构 ( 图 46) 组成的交叉式结构、 10 自由 度步行机器人 ( 图 51)。外腿 U 形平足弓、 内腿 T 形平足弓。将图 5 中的六自由度并联机构 作如下改动 ： 将相邻的上平台同一个边上的两个 SPS 并联机构去掉， 换上一个 RPS 支链， 其 它不变， 即变为图 46 所示的五自由度 (4SPS+1RPS) 并联机构。RPS 支链的运动副布置在这 个边的中点， 轴线与这个边重合， RPS 支链的球副布置在拆掉两个 SPS 支链的踝关节安装座 上。该并联腿机构可以完成站立、 单向移步和任意转向等功能。配合转向， 也可以向任意方 向前进或后退。两个第一种五自由度并联机构按照与实施例 24 相似的装配方法组合在一 起， 得到实施例 40( 图 51)。
实施例 41
由一个第五种五自由度并联机构 (4PSS+1RPS) 作为外腿 ( 图 50) 和一个第五种 4 自由度并联机构 4DOF(2PSS+2RRS) 作为内腿 ( 图 58) 组成的内外式结构步行机器人。外腿 O 形平足弓， 内腿 Y 形平足弓。 这是一个少自由度、 单向可以快速步行、 转向略为迟钝的机器 人。
外腿 ( 图 50) 上平台 1 是正五边形结构 1.2， 其平面上安装 4 个 P 副 1.3.2， 4个P 副分别位于一个五边形的四个边上， P 副的轴线分别与这四个边重合， 另一个边的中点安装 RRS 支链的 R 副， 最上面的 R 副的轴线与这个边重合， 两个 R 副的轴线平行。四个 P 副是主 动副， RRS 支链的最上面的 R 副是主动副。其余运动副是被动副。两个 R 副有杆件 1.6.1 连 接。R 副 1.4.1 与 S 副 1.5 之间由杆件 1.7.1 连接。中间的 S 副连接在 P 副 1.3.1 上。中 间的 S 副 1.4.2 与 S 副 1.5 之间由杆件 1.7.2 连接。足弓 3 为六边形， 下部球铰 1.5 分为 三组。四个 PSS 支链上的球副分为两组， 每组两个， 用普通球铰连接在足弓的两个踝关节安 装座上。 RRS 支链的球副连接在第三个踝关节安装座上， 形成准三角形布置。 踝关节安装座 1.9 的正下方是脚趾 1.10。这个并联机构也是对称的并联机构。图中的机构是正棱台形并 联机构。该并联腿机构可以完成站立、 单向移步和任意转向等功能。配合转向， 可以向任意 方向前进或后退。
内腿 ( 图 58) 由上平台 1、 下平台 3 和连接上下平台的四个支链 2 组成， 其中 2 个 PSS 支链和 2 个 RRS 支链 ( 或者 RPS 支链 )。上平台是长方形框架 1.2。下平台是环形足 弓。 2 个 RRS 支链的上部转动副 1.3.1 分别安装在上平台长方形的两个对边中点上， 轴线与 这两个边平行。两个转动副 1.3.1 和 1.4.1 的轴线相互平行， 二者通过连杆 1.6.1 连接， 下 部球副 1.5 与中间的转动副 1.4.1 通过连杆 1.7.1 连接。 2 个 PSS 支链的上部移动副 1.3.2 安装在上平台长方形框架的另外两个对边上， 移动副的轴线与这两个边平行。中间的球副1.4.2 安装在移动副 1.3.2 上， 下部球副 1.5 与中间球副通过连杆 1.7.2 连接。两个 RRS 支 链限制了下平台的一个水平移动自由度和一个绕 Z 轴的转动自由度。在本实施例中， 足弓 换为 Y 形足弓。这是一个对称的并联机构。该并联腿机构可以完成站立、 单向移步等功能。
从俯视图看， 外腿 ( 图 50) 并联机构较大， 内腿 ( 图 58) 并联机构较小。外腿上平 台在上， 内腿上平台在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。二者相位差是 0 度。外腿 的上平台较大， 内腿的上平台较小， 外腿的上平台较高， 内腿的上平台的较低。内腿的支链 不与外腿的支链干涉， 内腿的足弓也不与外腿的足弓干涉。二者的上平台固联在一起。
实施例 42
是由一个第四种五自由度并联机构 (4RSS+1RPS) 作为外腿 ( 图 49) 和一个第一种 4 自由度并联机构 4DOF(2PSS+2PRS) 作为内腿 ( 图 57) 组成的交叉式结构步行机器人。外 腿 U 形平足弓， 内腿 T 形平足弓。
外腿 ( 图 49) 由上平台、 下平台和连接上下平台的四个 RSS 支链和一个 RPS 支链组 成。上平台 (1) 是圆形框架结构 1.2， 其周围同一个圆周上均布安装 5 个髋关节安装座 1.1 和 5 个 R 副 1.3.1。RSS 支链的 R 副的轴线垂直于上平台平面。RPS 支链的 R 副的轴线在上 平台平面内， 垂直于过该点的半径。RSS 支链的 R 副与中间的 S 副的连杆可以小范围摆动， 四个 R 副是主动副。五个支链上的 R 副 1.3.1 构成了这个腿的髋关节， 髋关节安装座是 R 副与上平台的连接座 2.1。R 副 1.3.1 与 S 副 1.4.2 之间由第一杆件 1.6 连接。S 副 1.4.2 与 S 副 1.5 之间由第一杆件 1.7 连接。第一连杆较短。第二连杆较长。RPS 支链的 P 副是 主动副。足弓 3 为 V 形， 下部球铰 1.5 分为三组， 四个 RSS 支链上的球副分为两组， 每组两 个， 用普通球铰连接在足弓的两个踝关节安装座上。 RPS 支链的球副连接在第三个踝关节安 装座上， 形成准三角形布置。踝关节安装座 1.9 的正下方是脚趾 1.10。这个并联机构也是 对称的并联机构。该并联腿机构可以完成站立、 单向移步等功能。配合转向， 也可以向任意 方向前进或后退。
内腿 ( 图 57) 由上平台、 下平台和连接上下平台的四个支链组成， 其中 2 个 PSS 支 链和 2 个 PRS 支链。上平台 1 是长方形。下平台 3 是 T 形足弓。2 个 PRS 支链的上部移动 副 1.3.2 安装在上平台长方形的一个边 ( 称为 A 边 ) 上， 轴线与这个边平行， 两个 PSS 支链 的上部移动副安装在上平台长方形的另外一个边 (A 边的对边 )， 轴线与这个边平行。四个 移动副轴线平行。两个 PSS 支链的下部球副 1.5 安装在倒 T 形下平台的上端。两个 PRS 支 链的下部球副安装在倒 T 形下平台的另外两个端点上。两个 PRS 支链限制了下平台的一个 水平移动自由度和一个绕 Z 轴的转动自由度。这是一个有一个对称轴的并联机构。该并联 腿机构可以完成站立、 单向移步等功能。
从俯视图看， 外腿 ( 图 49) 并联机构较大， 内腿 ( 图 57) 并联机构较小。外腿上平 台在上， 内腿上平台在下， 外腿上平台与内腿上平台的平面平行。二者相位差是 0 度。外腿 的上平台较大， 内腿的上平台较小， 外腿的上平台较高， 内腿的上平台的较低。内腿是三角 形足弓， 外腿是六边形足弓。 内腿的支链不与外腿的支链干涉， 内腿的足弓也不与外腿的足 弓干涉。二者的上平台固联在一起。两个移步自由度组合分布在两个腿上， 而且， 运动方向 互相垂直。它只能进行间歇步行。如果相位差变为 90 度， 则可以连续地步行。
实施例 43 是一个 5DOF(4SPS+1RPS) 并联机构 ( 图 46) 和 3DOF(3RPS) 并联机构 ( 图 60) 组成的内外式结构、 8 自由度步行机器人 ( 图 52、 图 53、 图 46、 图 60)。外腿 ( 图 46)O 形平足 弓， 内腿 ( 图 60) 三角形凹足弓。这个机器人由于自由度较少， 只能实现间歇式步行。但结 构简单， 造价低， 仍然是一个可用的方案。
外腿正棱台形， 较大， 内腿倒棱台形 ( 图 53)， 较小， 公共稳定多边形较小 ( 如果要 求公共稳定多边形较大， 外腿改为倒棱台形， 内腿改为正棱台形 )。外腿上平台 1 高于内腿 上平台 4， 内腿位于外腿的中部， 二者轴线重合。二者固连在一起。外腿为 C 形外展式平足 弓 3， 外腿的足趾 3 三角形较大 ； 外腿共有五个支链。内腿为三角形凹足弓 6， 内腿共有三个 支链。内腿的足趾三角形较小。内腿和外腿都是对称的并联机构。外腿髋关节多边形与内 腿髋关节多边形在水平面上的投影大部分重合。 外腿踝关节多边形与内腿踝关节多边形在 水平面上的投影大部分重合。外腿共有五个支链， 其中四个支链 2 为 SPS 结构， 另一个支路 为 RPS 结构。四个 SPS 支链 2 与上平台 1 连接的球副 1.3 分为三组， 一组两个， 另外两组一 组一个， 分别布置在上平台三角形框架 1.2 的三个顶点附近， RPS 支路的 R 副 1.3.1 布置在 上平台三角形框架的一个边的中点， 这个边的两端是单个球副 1.3 安装座。R 副的轴线与 上平台平面平行且垂直于 XOZ 平面。外腿的三个足趾 1.10 分布在一个较大的三角形的顶 点附近， 外腿为 C 形外展式平足弓 3。SPR 支路的上端与上平台通过转动副 R1.3.1 连在一 起， 下端通过球副 1.5 与足弓 3 连在一起。所有 P 幅都可作为主动幅。上平台是三角形框 架 1.2， 上部关节分为四组， 两个中间的球铰 1.3 为一组， 另外两个球铰各自为一组， 转动副 自成一组。转动副安装在两个单独的球铰的中间。该步行腿机构可以完成站立、 单向移步 和转向等功能。单向移步配合转向可以向任意方向前进或后退。这个并联机构有一个对称 轴。
内腿是一个三自由度并联机构。三自由度的并联机构由上平台、 下平台和连接上 下平台的三个 RPS 支链组成。 3-RPS 并联机构， 从上往下依次为转动副、 移动副和球副。 支链 的下部通过球铰与足弓相联。上部 R 幅安装在上平台平面内的一个等边三角形的顶点上， R 幅轴线与上平台平面平行， R 幅轴线与等边三角形的顶点与中心的连线垂直。P 副是主动 副。下端的球副连接在 Y 形足弓的外端。三个球副的中心在一个等边三角形的顶点上。因 为 3 自由度并联机构只有直立和抬脚功能， 所以与它配合的并联机构最少要有 5 个自由度， 包括三个基本自由度、 转向和迈步自由度。 适当的作结构调整， 两个并联机构轴线之间的距 离可以从 0 调整到 0.8(Ra+Rb)。
实施例 44
是一个 5DOF(4RSS+1RPS) 并联机构 ( 图 49) 和 3DOF(3RPS) 并联机构 ( 图 62) 组 成的左右式结构步行机器人。外腿 ( 图 49)V 形平足弓， 内腿 ( 图 62)T 形平足弓。
外腿 ( 图 49) 在实施例 42 中已经描述。
内腿 ( 图 62) 由上平台、 下平台和连接上下平台的三个 PRS 支链组成。3-PRS 并 联机构， 从上往下依次为移动副、 转动副和球副。支链的下部通过球铰与足弓相联， 足弓是 T 形足弓。上部 P 幅安装在上平台平面内的一个等边三角形的顶点上， P 幅轴线与上平台 平面垂直， R 幅轴线与等边三角形的中心的连线垂直， 与 P 副轴线垂直。P 副是主动副。下 端的球副连接在 T 形足弓的外端。三个球副的中心在一个等边三角形的顶点上。因为 3 自由度并联机构只有直立和抬脚功能， 所以与它配合的并联机构最少要有 5 个自由度， 包 括三个基本自由度、 转向和迈步自由度。两个并联机构的上平台的中心左右分开， 距离为0.3(Ra+Rb)， 上平台的相位差为 0。3 自由度并联机构的一个脚趾在外腿三个脚趾的内部， 另外两个脚趾在外腿三个脚趾的外部。
实施例 45
是一个由第一种 4DOF(2T2R) 并联机构作为外腿 ( 图 54) 和第二种 4DOF(1T3R) 并 联机构作为内腿 ( 图 55) 组成的内外式结构、 8 自由度步行机器人。外腿 O 形平足弓， 内腿 Y 形平足弓。外腿 ( 图 54) 参见实施例 36 中的详细介绍。内腿 (1T3R) 共有 4 个支链， 其中 3 个支链 2 为 PUS 结构， 另一个支路为 PS(9) 结构。3 个 PUS 支链的上部 P 副分别连接到上 平台的正三角形框架上， 三个 P 副的轴线与正三角形的三个边线重合。三个 P 副所在的平 面与上平台平行。3 个 PUS 支链的下部球铰分别连接到三个踝关节安装座上。三个踝关节 安装座分布在一个正三角形的的顶点上。 PS 支链 1.3.3 的 P 副的上端固连到上平台的中心 ( 另外三个 P 副所在的正三角形的中心 )。PS 支链的轴线垂直与上平台平面。PS 支链的 S 副下端， 连接到 Y 形凸足弓的上部中心。PS 支链限制了下平台的两个平移自由度。内腿用 于抬步和转向。
外腿较大， 内腿较小。内腿位于外腿的中部， 二者轴线重合。二者的上平台固连在 一起。外腿为环形外展式凸足弓 3， 外腿的足趾 3 三角形较大 ； 内腿共有 4 个支链。外腿为 Y 形凸足弓 6， 内腿的足趾 3 三角形较小。内腿共有 4 个支链。外腿充分大， 内腿适当小， 保 证二者不干涉。外腿髋关节多边形与内腿髋关节多边形在水平面上的投影大部分重合。外 腿踝关节多边形与内腿踝关节多边形在水平面上的投影大部分重合。
实施例 46
是一个 4DOF(2T2R) 并联机构 ( 参见图 57) 和另一个 4DOF(1T3R) 并联机构 ( 图 55) 组成的前后式结构、 8 自由度步行机器人。
图 57 是外腿立体图。外腿改为 C 形平足弓， 开口向下。外腿的两个 PSS 支链在 前。图 55 是内腿 (1T3R) 立体图。内腿倒 T 形平足弓。内腿的一个脚趾在外腿三个脚趾的 中心， 内腿的另外两个脚趾在外腿三个脚趾的外面。这是一个左右行走的机器人。外腿在 前， 内腿在后， 两个上平台的中心距离是 0.4(Ra+Rb)。两个上平台固联在一起。
实施例 47-51 是一个腿缺少 Z 向平移自由度的步行机器人， 这几个实施例只能进 行波浪式间歇运动 ( 步行运动中， 机器人的重心上下波动 )。
实施例 47
是一个外腿六自由度、 内腿三自由度 (0T3R) 的步行机器人。首先， 把图 55 所示的 并联机构 PS 支链中的 P 副变成一个杆件， 就变成一个具有三个转动自由度的并联机构， 中 心的一个 S 副限制了下平台的三个平移自由度。然后用这个新的三自由度 (0T3R) 并联机 构代替实施例 35 的内腿， 外腿仍然用图 27 所示的并联机构。于是， 实施例 35 就转变成了 实施例 47。
实施例 48
是一个外腿六自由度、 内腿二自由度 (0T2R) 的步行机器人 ： 实施例 37 的外腿 ( 图 5) 不变， 内腿 ( 图 60) 三个 RPS 支链中的一个 P 副变成一个杆件， 内腿就变成一个具有两个 转动自由度的并联机构 ( 三支链两个自由度 2RPS+RS)。 于是， 实施例 37 就转变成了实施例 48。
实施例 49是一个外腿 ( 图 50) 五自由度、 内腿三自由度 (0T3R) 的步行机器人 ： 首先， 把图 55 所示的并联机构 PS 支链中的 P 副变成一个杆件。然后用这个新的三自由度 (0T3R) 并联机 构代替实施例 41 的内腿， 于是， 实施例 41 就转变成了实施例 49。
实施例 50
是一个外腿五自由度、 内腿二自由度 (0T2R) 的步行机器人。 实施例 43 的外腿 ( 图 46) 不变， 内腿 ( 图 60) 上的三个 RPS 支链中的一个 P 副变成一个杆件， 其它不变。于是， 实 施例 43 就转变成了实施例 50。
实施例 51
是一个外腿四自由度 (2T2R)、 内腿三自由度 (0T3R) 的步行机器人。实施例 45 的 外腿 ( 图 54) 不变内腿 ( 图 55) 中心的 PS 支链中的 P 副变成一个杆件， 其它不变。于是， 实施例 45 就转变成了实施例 51。
实施例 52
是一个 5 自由度 +3 自由度台体式并联机器人 ( 参见图 52)。在实施例 43 中， 作如 下改变 ： 将外腿上的 RPS 支链的上部 R 副安装座向下平移降低到内腿上平台的高度， 同时， RPS 支链适当变短。于是， 外腿变成台体式并联机构。其它不变。在一些特殊情况下， 台体 式并联机器人是有用的。
实施例 53
是由第六种 5 自由度 (3T2R) 并联机构 ( 图 59) 作为外腿和第二种 4 自由度 (1T3R) 并联机构 ( 图 55) 作为内腿组成的并联机器人。外腿含有混合单开链。外腿没有转向自由 度， 所以与它配合的并联机构必须具有转向自由度。只有 1T3R 四自由度并联机构、 2T3R 五 自由度并联机构、 3T3R 六自由度并联机构可以同它配合， 组成步行机器人。
外腿 ( 图 59) 由上平台、 下平台和连接上下平台的三个支链组成。上平台 1 是六 边形框架结构 1.1， 其周围分布安装 5 个髋关节安装座 1.1。一个支链是 SPS 支链 2， 另外 两个支链是混合单开链。第一个混合单开链 (10) 由两个 SPS 支链构成。一个 SPS 支链的 下部球副安装在另一个 SPS 支链的下部连杆 1.7 上。上部的两个球副安装在上平台六边形 相邻的两个角上。第二个混合单开链 (9) 由两个并联的 RPR 支链 (9.1) 再串联两个 RR 支 链 (9.2)。两个并联的 RPR 支链在一个平面内， 两个并联的 RPR 支链的四个 R 副轴线平行， 且平行与上平台平面， 垂直于两个 RPR 所在的平面。下面的两个 R 副相互平行， 轴线在两个 并联的 RPR 支链的平面内。足弓 3 为三角形， 两个 SPS 支链组成的混合单开链的下部球铰 1.5 安装在足弓的一个角上。第二个混合单开链的下部转动副安装足弓的在第二个角上， SPS 支链的下部球铰安装在第三个角上。第二个混合单开链限制了下平台一个绕 Z 轴的转 动自由度。外腿可以完成站立、 全向移步， 但不能转向。
内腿 ( 图 55) 在实施例 46 已作介绍。
外腿较大， 内腿较小。内腿位于外腿的中部， 二者轴线重合。外腿的三角形足弓较 大； 内腿的 Y 形足弓较小 ； 外腿充分大， 内腿适当小， 保证二者不干涉。 两个上平台固联在一 起。外腿踝关节多边形与内腿踝关节多边形在水平面上的投影大部分重合。
实施例 54
是踝关节处安装广义移动幅的 2x 6DOF 结构步行机器人。图 63 为踝关节处安装 移动幅的 2x 6DOF 结构步行机器人踝关节的局部视图。在实施例 1( 图 3、 图 4) 的基础上，在两个步行腿机构的足弓 3 和 6 部， 分别安装三个可以向下移动的移动幅 7。这些移动副， 可以作为主动副， 驱动上平台运动。在外腿的环形足弓的三个踝关节安装座 1.9 处， 两个相 邻踝关节 1.5 的中间部位， 分别安装三个圆柱幅 ( 油缸 )7， 圆柱幅的轴线垂直于水平面， 缸 体 7.1 位于踝关节 1.5 的上方， 脚趾 1.10 安装在活塞杆 7.2 的下端， 活塞杆 7.2 可以向下 伸出。外腿移动幅的安装与内腿移动幅的安装相似。平时活塞杆缩回， 需要时伸出。平时 不增加机器人的高度。内腿的移动幅安装与外腿类似。
实施例 55
是另一种踝关节处安装移动幅的 2x 6DOF 结构步行机器人。在实施例 24( 图 38) 的基础上， 在两个腿机构的踝关节安装座 1.9， 2.9， 分别安装三个可以向下移动的移动幅 7( 总六个移动副 )。踝关节的局部视图参见图 60。
实施例 56
是一个具有操作手的并联机器人。在实施例 4( 图 12、 图 13、 图 14) 的基础上， 把 其中一个足弓改为平足弓， 在两个足弓上， 分别安装两个末端执行器 ( 例如手术刀 )， 将两 个上平台固定在一个基座上， 即可。
实施例 57
是另一个具有操作手的并联机器人。 在实施例 24( 图 38、 图 39) 的基础上， 在每个 足弓上， 分别安装一个末端执行器 ( 例如手术刀 )， 将两个上平台固定在一个基座上， 即可 形成实施例 57。