本發(fā)明屬于智能機(jī)器人，具體涉及一種可穿戴的人機(jī)共融的輪足機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、探索人體運(yùn)動(dòng)奧秘，用工程科學(xué)方法增強(qiáng)人體運(yùn)動(dòng)和負(fù)載能力，是廣大科技工作者的夢(mèng)想，也是機(jī)器人學(xué)等交叉學(xué)科基礎(chǔ)研究的重要科學(xué)目標(biāo)之一?，F(xiàn)代社會(huì)中，使用人力進(jìn)行遠(yuǎn)距離、長時(shí)間的負(fù)荷運(yùn)輸任務(wù)仍然相當(dāng)普遍。在民用領(lǐng)域，電力巡檢工經(jīng)常要背負(fù)10公斤以上裝備爬山穿林十余公里進(jìn)行重要輸電線路巡檢；地質(zhì)勘探員則需人均負(fù)重近20公斤，奔波在高山深谷之間考察勘探；而在礦山、機(jī)場、建筑工地、搶險(xiǎn)救災(zāi)等許多野外場景下，由于沒有很好的安裝和使用環(huán)境，使得搬運(yùn)工作無法由標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)和移動(dòng)機(jī)器人完成，因而大多還是依靠人力背負(fù)。此外，在國防領(lǐng)域，負(fù)重30公斤、8小時(shí)走完50公里更是野營拉練的常態(tài)。為解決這些重大領(lǐng)域中如何應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)提升人力背負(fù)運(yùn)輸能力的突出問題，研究以人為核心的可穿戴運(yùn)載輔助機(jī)器人十分必要。

2、從目前市面上用于運(yùn)載輔助的機(jī)器人可以大致分為可穿戴機(jī)器人和普通運(yùn)載平臺(tái)兩個(gè)大類。

3、可穿戴機(jī)器人主要包括各類懸浮背包、噴氣背包、剛性/柔性外骨骼以及它們的組合形式。懸浮背包通過在背包中添加彈性機(jī)構(gòu)或主動(dòng)控制裝置以調(diào)節(jié)負(fù)載和穿戴者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以有效減小動(dòng)態(tài)負(fù)荷，降低人體代謝能耗損失；噴氣背包通過使用射流向上推進(jìn)背部負(fù)載，從而降低負(fù)載對(duì)穿戴者的壓力；特殊設(shè)計(jì)的剛性外骨骼可以實(shí)現(xiàn)部分負(fù)載轉(zhuǎn)移到地面，從而減輕穿戴者身體承受的負(fù)擔(dān)；而柔性外骨骼對(duì)下肢各關(guān)節(jié)提供相應(yīng)的輔助力，已被證明能夠減少人在自由步行和跑步過程中的能量消耗。盡管已經(jīng)取得了長足發(fā)展，這些類型的人機(jī)共融可穿戴機(jī)器人仍然存在一定的局限性：

4、懸浮背包可以減小負(fù)載動(dòng)態(tài)慣性力(動(dòng)載荷)，但無法進(jìn)一步消除負(fù)載本身帶來的大部分載荷，而噴氣背包能量效率低、續(xù)航時(shí)間短且控制困難。此外背包中添加的本體機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置和動(dòng)力電池，使人體承擔(dān)了額外的負(fù)載，造成人體運(yùn)載過程中代謝能的附加耗損。

5、剛性外骨骼本體的慣性會(huì)對(duì)人的自然步態(tài)造成影響，且機(jī)器人關(guān)節(jié)和人體關(guān)節(jié)之間通常也存在錯(cuò)位問題，導(dǎo)致人機(jī)協(xié)調(diào)控制困難，對(duì)穿戴者的運(yùn)載能力提升有限；柔性機(jī)器人外骨骼只能對(duì)下肢各關(guān)節(jié)提供輔助，但無法轉(zhuǎn)移負(fù)載而導(dǎo)致人體仍承受較大的載荷。

6、關(guān)于運(yùn)載輔助平臺(tái)系統(tǒng)的研究大多是以底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)做分類，主要集中在：輪式、足式、履帶式。其中輪式又以兩輪平衡系統(tǒng)為重點(diǎn)，可分為普通兩輪倒立擺平衡底盤、帶滑塊倒立擺型平衡底盤與輪腿式平衡底盤三個(gè)方面。

7、履帶式底盤擁有較好的地形通過性，但在移動(dòng)速度和靈活性上都有所欠缺。足式底盤中以雙足底盤、四足底盤的結(jié)構(gòu)較為精簡，通過性與靈活性也較強(qiáng)，但相比輪式及履帶式底盤，運(yùn)行速度較慢。輪式底盤能擁有較快的移動(dòng)速度，尤其是agv機(jī)器人為代表的運(yùn)載機(jī)器人，其四輪底盤可以靈活的進(jìn)行全向移動(dòng)，但運(yùn)行環(huán)境都為平坦地面，無法適應(yīng)復(fù)雜地形。如今為了追求更小的體積以及更高的靈活度，兩輪平衡系統(tǒng)便成為輪式底盤的研究重點(diǎn)。

8、普通兩輪倒立擺平衡底盤通過驅(qū)動(dòng)輪的加減速來實(shí)現(xiàn)倒立擺的平衡，即車體前傾(重心在支撐點(diǎn)前)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪向前加速，車體后仰(重心在支撐點(diǎn)后)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪向后加速。移動(dòng)過程通過改變俯仰角度來調(diào)整重心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退及加減速。但這樣會(huì)導(dǎo)致前后移動(dòng)時(shí)會(huì)伴隨車體前傾或后仰，移動(dòng)時(shí)機(jī)器人軀干(車體)無法持續(xù)保持豎直姿態(tài)，即較難實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)載的功能。此外，普通兩輪倒立擺型平衡底盤需要通過驅(qū)動(dòng)輪的加減速進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，比較適合連續(xù)型地面環(huán)境，當(dāng)運(yùn)動(dòng)過程中遇到路緣石，臺(tái)階等階躍地形時(shí)很容易跌倒。

9、帶滑塊倒立擺型平衡底盤，通過改變滑塊位置改變重心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退及加減速，控制相對(duì)簡單，能較快完成啟停，可以在在機(jī)器人軀干保持豎直的姿態(tài)下依舊通過調(diào)節(jié)滑塊改變重心，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。但帶滑塊倒立擺平衡底盤需增加單獨(dú)用于重心調(diào)整的滑塊裝置，滑塊重量相對(duì)機(jī)器人整體較小，對(duì)機(jī)器人重心的調(diào)節(jié)范圍有限，難以獲得較大加速度。此外，帶滑塊倒立擺型平衡底盤也存在適合連續(xù)型地面環(huán)境，當(dāng)運(yùn)動(dòng)過程中遇到路緣石，臺(tái)階等階躍地形時(shí)很容易跌倒的問題。

10、輪腿式平衡底盤通過腿部變形快速改變自身重心位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退及加減速，甚至實(shí)現(xiàn)彈跳功能，且機(jī)器人軀干姿態(tài)可保持豎直狀態(tài)不變。然而輪腿式平衡在面對(duì)復(fù)雜地形，如碎石、臺(tái)階時(shí)，依舊難以完全適應(yīng)，且還需配合人完成搬運(yùn)工作。

11、此外，上述市面上的大多數(shù)運(yùn)載底盤都難以實(shí)現(xiàn)與人的交互，做到協(xié)助提升人力背負(fù)運(yùn)輸能力的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種可穿戴的人機(jī)共融的輪足機(jī)器人，通過輪足切換，適應(yīng)復(fù)雜的路面環(huán)境，且切換結(jié)構(gòu)靈活穩(wěn)定。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種人機(jī)共融的輪足機(jī)器人，包括連接平臺(tái)以及與所述連接平臺(tái)通過擺轉(zhuǎn)電機(jī)活動(dòng)連接的左輪腿和右輪腿；所述左輪腿包括大腿、傳動(dòng)連桿組、小腿和輪組；所述右輪腿與所述左輪腿的結(jié)構(gòu)相同；

3、所述小腿包括踝關(guān)節(jié)電機(jī)布局總成、兩根踝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管、小腿碳管、膝-小腿連接板和踝關(guān)節(jié)總成；所述大腿和傳動(dòng)連桿組的一端均與所述膝-小腿連接板活動(dòng)連接，另一端均與所述擺轉(zhuǎn)電機(jī)活動(dòng)連接；所述小腿碳管的一端和膝-小腿連接板的端部連接，另一端通過所述踝關(guān)節(jié)總成與所述輪組活動(dòng)連接；所述膝-小腿連接板的另一端與所述踝關(guān)節(jié)電機(jī)布局總成連接；

4、所述兩根踝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管的一端均與所述踝關(guān)節(jié)電機(jī)布局總成連接，另一端均通過所述踝關(guān)節(jié)總成與所述輪組活動(dòng)連接；通過所述踝關(guān)節(jié)電機(jī)布局總成驅(qū)動(dòng)所述兩根踝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)輪足切換。

5、進(jìn)一步的，所述踝關(guān)節(jié)總成包括輪組連接法蘭、萬向節(jié)、第二小腿固定件、踝關(guān)節(jié)限位、一字轉(zhuǎn)軸、第一轉(zhuǎn)軸連接件、兩個(gè)第二轉(zhuǎn)軸連接件和輪組連接板；

6、所述輪組連接法蘭和輪組連接板均與所述輪組固定連接，且所述輪組連接法蘭位于所述輪組連接板的中間部位；所述第二小腿固定件的一端通過所述萬向節(jié)固定于所述輪組連接法蘭上，另一端與所述小腿碳管連接；

7、所述一字轉(zhuǎn)軸通過所述第一轉(zhuǎn)軸連接件固定于所述輪組連接板的側(cè)面，所述一字轉(zhuǎn)軸的兩端分別連接一個(gè)第二轉(zhuǎn)軸連接件，用于連接所述兩根踝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管。

8、進(jìn)一步的，所述輪組包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、與所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)第一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接的輪轂以及套設(shè)于所述輪轂外側(cè)的輪胎，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于在輪式狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)所述輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)；

9、所述輪組連接法蘭包括與所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的第二端固定連接的法蘭底座以及垂直設(shè)置于所述法蘭底座上的法蘭限位板；所述第二小腿固定件包括與所述萬向節(jié)活動(dòng)連接的固定件本體以及固定于所述固定件本體一側(cè)的固定件限位板；所述固定件限位板所在平面與所述小腿碳管平行，且朝向所述萬向節(jié)的一端向外凸出，以在輪式狀態(tài)下，與所述法蘭限位板相接觸，實(shí)現(xiàn)輪式狀態(tài)的限位。

10、進(jìn)一步的，所述輪轂包括通過螺釘依次固定在一起的第一輪轂外側(cè)板、第一輪轂支撐件、第一輪轂內(nèi)側(cè)板、第二輪轂支撐件、第二輪轂內(nèi)側(cè)板、隔離柱和第二輪轂外側(cè)板。

11、進(jìn)一步的，所述踝關(guān)節(jié)電機(jī)布局總成包括兩組分別用于與所述兩根踝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管的一端活動(dòng)連接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺臂以及一組與所述小腿碳管的一端活動(dòng)連接的膝-小腿連接板固定件；所述固定件位于兩組所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺臂的正中間；

12、每組所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺臂包括第一踝關(guān)節(jié)電機(jī)輸出擺臂、第二踝關(guān)節(jié)電機(jī)輸出擺臂、踝關(guān)節(jié)電機(jī)、第一踝關(guān)節(jié)電機(jī)固定件和第二踝關(guān)節(jié)電機(jī)固定件；兩組所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺臂的兩個(gè)踝關(guān)節(jié)電機(jī)同軸設(shè)置，每個(gè)所述踝關(guān)節(jié)電機(jī)的外周通過第二踝關(guān)節(jié)電機(jī)固定件固定，所述第一踝關(guān)節(jié)電機(jī)固定件位于兩個(gè)所述踝關(guān)節(jié)電機(jī)的中間，且能轉(zhuǎn)動(dòng)，所述膝-小腿連接板固定件與所述第一踝關(guān)節(jié)電機(jī)固定件的端部連接，用于固定所述膝-小腿連接板；

13、所述第二踝關(guān)節(jié)電機(jī)輸出擺臂的一端與所述踝關(guān)節(jié)電機(jī)活動(dòng)連接，另一端與所述第一踝關(guān)節(jié)電機(jī)輸出擺臂連接，所述膝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管與所述第一踝關(guān)節(jié)電機(jī)輸出擺臂活動(dòng)連接。

14、進(jìn)一步的，所述大腿包括第一大腿固定件、大腿碳管、第二大腿固定件、第一交叉滾子軸承、墊片和大腿-膝連接板；

15、所述大腿碳管的一端通過第一大腿固定件與所述擺轉(zhuǎn)電機(jī)活動(dòng)連接，另一端通過第二大腿固定件與大腿-膝連接板連接；所述第一交叉滾子軸承固定于所述大腿-膝連接板上，所述墊片固定于所述第一交叉滾子軸承上，所述大腿-膝連接板通過第一交叉滾子軸承與所述膝-小腿連接板活動(dòng)連接。

16、進(jìn)一步的，所述傳動(dòng)連桿組包括膝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管、小腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)輸出擺臂和第二擺臂墊塊；所述膝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管的一端通過魚眼接頭與所述膝-小腿連接板活動(dòng)連接，另一端通過魚眼接頭與所述小腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)輸出擺臂活動(dòng)連接，所述第二擺臂墊塊位于所述魚眼接頭與所述小腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)輸出擺臂之間。

17、進(jìn)一步的，所述擺轉(zhuǎn)電機(jī)包括大腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)、大腿墊塊、髖-大腿連接板、小腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)、大腿加強(qiáng)板和擺轉(zhuǎn)電機(jī)墊塊；通過螺釘將所述髖-大腿連接板、擺轉(zhuǎn)電機(jī)墊塊與大腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)連接固定，通過螺釘和防松螺母將所述大腿墊塊、髖-大腿連接板和大腿加強(qiáng)板連接固定；所述小腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)位于所述髖-大腿連接板和大腿加強(qiáng)板之間，分別從所述髖-大腿連接板和大腿加強(qiáng)板的兩側(cè)通過螺釘將所述小腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)連接固定；

18、通過所述小腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)改變所述大腿與小腿間的夾角，以實(shí)現(xiàn)所述輪足機(jī)器人蹲下與站起的動(dòng)作；

19、通過所述大腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)控制所述輪足機(jī)器人向前或向后邁腿的動(dòng)作。

20、進(jìn)一步的，所述連接平臺(tái)包括第一固定板、兩個(gè)髖關(guān)節(jié)擺轉(zhuǎn)電機(jī)、第二固定板、四個(gè)支撐件、底板、第三固定板和兩個(gè)髖關(guān)節(jié)總成；

21、所述髖關(guān)節(jié)總成包括第二交叉滾子軸承、第一髖關(guān)節(jié)板、第二髖關(guān)節(jié)板、第一髖關(guān)節(jié)墊塊、第二髖關(guān)節(jié)墊塊、第三髖關(guān)節(jié)板和第四髖關(guān)節(jié)板；

22、所述第一固定板、第二固定板和第三固定板通過四個(gè)支撐件平行固定于所述底板上，所述髖關(guān)節(jié)總成位于所述第二固定板和第三固定板之間，兩個(gè)所述髖關(guān)節(jié)擺轉(zhuǎn)電機(jī)固定于所述第一固定板和第二固定板之間，且分別與所述兩個(gè)髖關(guān)節(jié)總成的第一髖關(guān)節(jié)板連接；所述髖關(guān)節(jié)擺轉(zhuǎn)電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)所述輪足機(jī)器人向左或向右邁腿的動(dòng)作；

23、所述第一髖關(guān)節(jié)板、第二髖關(guān)節(jié)板、第三髖關(guān)節(jié)板和第四髖關(guān)節(jié)板組成矩形框架；所述第一髖關(guān)節(jié)板和第四髖關(guān)節(jié)板通過第二交叉滾子軸承分別與所述第二固定板和第三固定板固定；

24、所述第一髖關(guān)節(jié)墊塊和第二髖關(guān)節(jié)墊塊分別固定于所述第二髖關(guān)節(jié)板和第三髖關(guān)節(jié)板的內(nèi)壁，所述大腿擺轉(zhuǎn)電機(jī)固定于所述第一髖關(guān)節(jié)墊塊和第二髖關(guān)節(jié)墊塊之間。

25、進(jìn)一步的，所述輪足機(jī)器人還包括與所述連接平臺(tái)連接的對(duì)接模塊、與所述對(duì)接模塊固定的連接脊柱以及固定于所述連接脊柱端部的鎖扣，所述鎖扣用于將所述輪足機(jī)器人與人體對(duì)接；所述對(duì)接模塊)上設(shè)有與所述連接脊柱連接的收線電機(jī)，用于控制所述連接脊柱的擺動(dòng)，以改變所述鎖扣的位置。

26、所述對(duì)接模塊包括對(duì)接電機(jī)、第一固定件、絲杠聯(lián)軸器、絲杠、滑軌、繞線輪、收線電機(jī)、第一滑車板、第二滑車板、第三滑車板、絲杠螺母、第四滑車板、第二鋁柱、第三鋁柱、滑塊、第二固定件和絲杠法蘭軸承；

27、所述連接脊柱包括尾部第一脊柱關(guān)節(jié)、尾部第二脊柱關(guān)節(jié)、第一脊柱關(guān)節(jié)、第二脊柱關(guān)節(jié)、脊柱法蘭軸承、首部第一脊柱關(guān)節(jié)和首部第二脊柱關(guān)節(jié)；

28、所述鎖扣包括鎖扣母端、鎖扣法蘭軸承、鎖扣按鍵、鎖扣鎖舌和鎖扣公頭；

29、所述滑軌通過螺釘連接固定于所述連接平臺(tái)中的第三固定板上；所述連接脊柱中尾部第一脊柱關(guān)節(jié)通過螺釘連接固定于所述對(duì)接模塊的第四滑車板上；所述鎖扣公頭通過螺釘連接固定于所述連接脊柱中的首部第一脊柱關(guān)節(jié)上，所述鎖扣中的母端用于與人體的固定點(diǎn)連接。

30、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

31、1、本發(fā)明提供的人機(jī)共融的輪足機(jī)器人，通過大腿和小腿活動(dòng)連接構(gòu)成膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，小腿和輪組活動(dòng)連接構(gòu)成踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過小腿和輪組的夾角變化，實(shí)現(xiàn)輪足切換，通過擺轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)大腿和小腿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蹲下、站起、邁腿等動(dòng)作。

32、2、本發(fā)明大腿和小腿之間通過大腿碳管和膝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管與膝-小腿連接板的活動(dòng)連接構(gòu)成膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，在重量輕的同時(shí)保證了使用強(qiáng)度，且便于裝配拆卸。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸采用第一交叉滾子軸承，使膝關(guān)節(jié)在受到徑向沖擊時(shí)關(guān)節(jié)潤滑不會(huì)受到過大影響，受到軸向沖擊時(shí)也能夠有效減小關(guān)節(jié)所受影響。且通過膝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管的連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，可以改變大腿與小腿間的夾角，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人蹲下與站起的動(dòng)作，因此調(diào)控靈活性更高。

33、3、踝關(guān)節(jié)連桿絲杠及碳管端部的魚眼接頭與踝關(guān)節(jié)電機(jī)布局總成中的尼龍墊片、第一踝關(guān)節(jié)電機(jī)輸出擺臂通過螺釘和防松螺母連接固定，通過將魚眼接頭懸臂式且開放式的固定于尼龍墊片上，可以有效的增大魚眼接頭的活動(dòng)范圍，達(dá)到±20°的活動(dòng)范圍，使機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)更加靈活。此外，踝關(guān)節(jié)電機(jī)的布局考慮了小腿的活動(dòng)范圍，即第二踝關(guān)節(jié)電機(jī)固定件在小腿活動(dòng)時(shí)不會(huì)與大腿發(fā)生干涉；此設(shè)計(jì)可以使小腿與大腿的活動(dòng)夾角在32°至140°之間，保證了機(jī)器人膝關(guān)節(jié)的靈活性。

34、4、本發(fā)明第二小腿固定件和輪組連接法蘭的限位結(jié)構(gòu)，在輪式狀態(tài)下通過零件上兩個(gè)面的正交接觸，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械限位，在機(jī)器人重力的作用下，使踝關(guān)節(jié)電機(jī)不施加驅(qū)動(dòng)力也能保證輪式狀態(tài)的穩(wěn)定，即輪組與小腿間的位置確定且精確穩(wěn)定，減小機(jī)器人的控制負(fù)擔(dān)。

35、5、本發(fā)明通過對(duì)接模塊的對(duì)接電機(jī)，實(shí)現(xiàn)連接脊柱的左右平移，使機(jī)器人在不能精確對(duì)準(zhǔn)人體的情況下依舊能實(shí)現(xiàn)對(duì)接機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)；通過收線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連接脊柱的左右擺動(dòng)，從而改變其末端鎖扣的位置，使機(jī)器人穿戴者在轉(zhuǎn)向時(shí)人體可以不受機(jī)器人方向的影響，減小穿戴的拘束感。

36、6、本發(fā)明人機(jī)共融的輪足機(jī)器人主要包括輪足機(jī)器人底盤及機(jī)器人與人間的連接部分。輪足平衡機(jī)器人底盤可以通過機(jī)器人與人間的連接部分實(shí)現(xiàn)與人的連接及固定，達(dá)到托舉人體腰部，減小人體運(yùn)載負(fù)擔(dān)的目的；輪足平衡機(jī)器人底盤也可以單獨(dú)運(yùn)行，以機(jī)器人個(gè)體的形式進(jìn)行運(yùn)載任務(wù)。因此，應(yīng)用場景廣，實(shí)用新強(qiáng)。