專利名稱：凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬仿生腿式步行機(jī)器的機(jī)械腿機(jī)構(gòu)，特別涉及一種由凸輪、曲柄、滑套、搖桿構(gòu)成組合傳動機(jī)構(gòu)的凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿。
技術(shù)背景目前，在世界各國研究、使用腿式步行機(jī)械和圓輪式運(yùn)輸機(jī)械較多，兩者相比各有不同的優(yōu)缺點，在某些方面腿式比圓輪式有著明顯的優(yōu)越性，例如腿式能邁過梯坎，能在沙地、雪地正常行走。但腿式步行機(jī)構(gòu)的原理、結(jié)構(gòu)、控制、制作是復(fù)雜的，以人腿為例，全腿有33塊骨、四大主要關(guān)節(jié)、60余條肌肉(或肌群)，僅腳就是26塊骨，30多束肌肉，200多條韌帶。近年來，日、美等國家都有專門機(jī)構(gòu)和人員對腿式行走機(jī)器進(jìn)行實驗研究，并取得一定成果(我國也有類似研究成果)，并展出引人注目的“多關(guān)節(jié)”能“平穩(wěn)”行走的樣機(jī)。就現(xiàn)狀分析，圓輪式機(jī)械已很完善，但腿式行走機(jī)械的研究還處于初級階段，其根本原因是行走運(yùn)動本身比較復(fù)雜，目前還沒有找到一個簡單而有效的機(jī)構(gòu)實現(xiàn)這一運(yùn)動；日本研制的四腿機(jī)器長50cm，高15cm，重17Kg，時速252m，是專門用于核反應(yīng)堆內(nèi)部及海底作業(yè)；研制的人形機(jī)器人，可模擬人行走，但速度也很慢。美籍華人關(guān)阮芳研制的雙腿走路機(jī)器人，造價達(dá)一萬五千美元，每邁一步都須由一個含有九百行指令的程序控制，同時還需要用四個電子數(shù)據(jù)庫的資料，主要為危險環(huán)境服務(wù)。中國研制的有四只大腿的搖控仿生載重步行機(jī)，是為了解決特殊環(huán)境的石油勘探設(shè)計的。當(dāng)前，用電腦控制下的待服系統(tǒng)是當(dāng)今世界范圍研制腿式機(jī)器動力傳動系統(tǒng)的主流，它至少有以下不足以電為動力，作為遠(yuǎn)距離運(yùn)輸機(jī)械適應(yīng)性差；結(jié)構(gòu)復(fù)雜(尤其是控制系統(tǒng))，價格高昂。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述技術(shù)不足，提供一種仿生腿式步行機(jī)構(gòu)，取代或部分取代各種陸地交通運(yùn)輸機(jī)械的圓輪；應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)各種復(fù)雜地形，可以在沒有人造路面，輪式動力機(jī)械難以行進(jìn)的地方行走；結(jié)構(gòu)簡單，造價低、輕小靈便的凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿。
本實用新型解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是由機(jī)架、操縱架、轉(zhuǎn)彎閘把、掌和發(fā)動機(jī)組成的凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿。其特點是在機(jī)架上活動地裝有左右一對上肢、下肢和掌及其三個關(guān)節(jié)；上肢為一空心管，上端用滾動軸承活動地套裝在機(jī)架上的上軸上；上部開一前后方向槽，槽內(nèi)活動地裝有下肢伸曲凸輪；下肢伸曲凸輪用凸輪鍵與上軸固定連接；上肢空心管內(nèi)活動地裝一個頂桿，頂桿穿一彈簧，上端固定一頂桿銷，在頂桿銷上活動地裝一頂輪，在彈簧的作用下使頂輪頂在下肢伸曲凸輪曲面上；頂桿下端用桿板銷活動地與支板鉸鏈連接，支板下端用支板銷與下肢鉸鏈連接；下肢下端用下肢銷活動地與掌的上轉(zhuǎn)盤鉸鏈連接；上肢的下部與下肢上部用中肢銷鉸鏈連接，上肢中部外圓柱上裝一滑套，滑套上設(shè)有軸銷，軸銷上裝有軸套與曲柄中間的滑槽活動連接，軸銷端頭裝有滾套與上肢擺動凸輪上設(shè)的曲線槽活動連接；上肢擺動凸輪用凸輪套裝在上軸上，中部由軸承活動地支撐中軸，并用彈性檔圈卡住，下端由軸承活動地裝在下軸上。
本實用新型的有益效果是1、應(yīng)用范圍廣，可取代或部分取代輪式交通運(yùn)輸機(jī)械，可將使用范圍擴(kuò)大到輪式難以應(yīng)用的環(huán)境；2、輕小、靈便，可邁過較高的梯坎，上、下較陡的坡；3、結(jié)構(gòu)簡單，造價低，批量生產(chǎn)時造價僅與輪式機(jī)械相當(dāng)；4、輕便靈活，可在農(nóng)業(yè)中取代耕畜，一機(jī)多用，適合于農(nóng)業(yè)耕作、運(yùn)輸，無須喂養(yǎng)和管理；5、對礦山、新開發(fā)區(qū)和自然環(huán)境復(fù)雜的特殊地方有著明顯的優(yōu)越性；6、可作為殘疾人交通工具，能爬山過坎，在無人造路面的地方使用。
以下結(jié)合附圖以實施例具體說明。


圖1示凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿基本結(jié)構(gòu)的機(jī)械簡化示意圖。
圖2示
圖1的基本結(jié)構(gòu)簡化裝配圖剖視主視圖。
圖3示圖2的B-B剖視放大圖。
圖4示圖2的C-C剖視放大圖。
圖5示采用軌跡圖解法設(shè)計的勻速行走凸輪曲線圖。
圖6示平地行走邁步形式姿態(tài)、步距和邁腿高度示意圖。
圖7示上30°坡行走邁步形式姿態(tài)、步距和邁腿高度示意圖。
圖8示下20°坡行走邁步形式姿態(tài)、步距和邁腿高度示意圖。
圖9示圖2的機(jī)構(gòu)簡化示意圖。
圖10示安裝有兩對機(jī)械腿的機(jī)械示意圖。
圖11示安裝有機(jī)械腿和輪相結(jié)合的殘疾人車的示意圖。
圖12安有兩對機(jī)械腿，并安裝有輪子的兩用機(jī)械示意圖。
圖中，1-掌；2-下肢；3-下支桿；4-支板；5-上肢；6-上支桿；7-上肢擺動凸輪；7-1-曲線槽；8-機(jī)架；9-下肢伸曲凸輪；10-操縱架；11-轉(zhuǎn)彎閘把；12-姿態(tài)調(diào)整桿；13-發(fā)動機(jī)；14-鏈條；15-拉線器；16-中支銷；17-拉板；18-中肢銷；19-旋轉(zhuǎn)閘；20-彈性封皮；21-下轉(zhuǎn)盤；22-上轉(zhuǎn)盤；23-滾子；24-滾子銷；25-卡簧；26-螺旋滾道；27-下肢銷；28-下支銷；29-支板銷；30-桿板銷；31-曲柄；32-滑套；33-頂桿；34-彈簧；35-頂桿銷；36-頂輪；37-上軸；38-上支銷；39-定位銷；40-螺母；41-檔圈；42-滾動軸承；43-凸輪鍵；44-滾動軸承；45-機(jī)架滾動軸承；46-凸輪軸套；47-上大齒輪；47-1-下大齒輪；48-大齒輪鍵；49-小齒輪；50-鏈輪；51-鏈輪鍵；52-中軸；53-槽軸套；54-桿軸套；55-下軸；56-曲柄鍵；57-調(diào)整套；58-彈性檔圈；59-小齒輪鍵；60-軸銷；具體實施方式
參照附
圖1、2、3、4，凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿主要由機(jī)架8、姿態(tài)調(diào)整桿12、操縱桿10、轉(zhuǎn)彎閘把11、掌1和發(fā)動機(jī)13等部件組成。其特點是在機(jī)架8上活動地裝有左右一對上肢5、下肢2、掌1及其三個主要關(guān)節(jié)；上肢5為一空心管，上端用滾動軸承42、44活動地套裝在機(jī)架8上的上軸37上，為上關(guān)節(jié)；上肢5上部開一前后方向槽，槽內(nèi)活動地裝下肢伸曲凸輪9，下肢伸曲凸輪9用凸輪鍵43與上軸37固定連接；上肢5空心管內(nèi)活動地裝一個頂桿33，頂桿33穿一彈簧34，上端固定一頂桿銷35，在頂桿銷35上活動地裝一頂輪36；在彈簧34的彈力作用下使頂輪36緊緊地頂在下肢伸曲凸輪9的曲面上；頂桿33下端用桿板銷30活動地與支板4鉸鏈連接，支板4下端用支板銷29活動地與下肢2鉸鏈連接；下肢2下端用下肢銷27活動地與掌1的上轉(zhuǎn)盤22連接，為下關(guān)節(jié)；上肢5中部外圓柱上裝一滑套32，滑套32上設(shè)有軸銷60，軸銷60上裝有桿軸套54與曲柄3 1中間滑槽活動連接；軸銷60端頭裝有槽軸套53與上肢擺動凸輪9上設(shè)的曲線槽7-1活動地連接；上肢5下端用中肢銷18活動地與下肢2上端鉸鏈連接，為中關(guān)節(jié)；上肢擺動凸輪9上端用凸輪軸套46套裝在上軸37上。
為了機(jī)架8的平衡與穩(wěn)固，左右腿成對使用，交替踏步邁步如人行走，可兩對以上使用。機(jī)架8裝有上支銷38，在上支銷38鉸接安裝上支桿6，上支桿6下端用中支銷16鉸接下支桿3和拉板17，拉板17右端與中肢銷18連接，下支桿3下端用下支銷28與掌1的上轉(zhuǎn)盤22活動連接。這樣機(jī)架8通過上支桿6、上肢5，下支桿3、下肢2，拉板17及掌1構(gòu)成上、下兩個平行四邊行，利用平行四邊形原理，使機(jī)架8保持與地表平行，通過左右腿交替踏步邁步、掌1的支撐實現(xiàn)平衡；調(diào)整姿態(tài)，保持穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，它包括姿態(tài)調(diào)整桿12用定位銷39固定在機(jī)架8上，下端用軸承裝在下軸55上，與上肢擺動凸輪7構(gòu)成三角形架5。
動力傳動系統(tǒng)該機(jī)構(gòu)的動力源，可采用人力，發(fā)動機(jī)13等。本實施例可用于人力，也可借用2.8～4馬力發(fā)動機(jī)，按一定比例放大圖中尺寸，可用于中型或大型機(jī)械，對結(jié)構(gòu)作一定修改可用于一些特殊環(huán)境及作業(yè)中。以一對腿一對從動輪為例如
圖11所示，動力指標(biāo)如下自重40Kg，載重200Kg，上30°坡，速度v＝1.5m/s，功率N＝3馬力；平地走，v＝6m/s，N＝3馬力；最大牽引力可達(dá)250Kg以上，速度范圍5～20Km/h。動力傳動裝置，它包括在機(jī)架8上裝一臺發(fā)動機(jī)13，發(fā)動機(jī)13輸出軸固定安裝一個鏈輪，用鏈條14將發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)動力傳到與用鏈輪鍵51與中軸52固定連接的鏈輪50上；中軸52用小齒輪鍵59固定裝一個小齒輪49，小齒輪49分別與上大齒輪47和下大齒輪47-1相嚙合；上大齒輪47用大齒輪鍵48與上軸37固定連接，下大齒輪47-1用鍵與下軸55固定連。；上肢擺動凸輪7上端用凸輪軸套46套裝在上軸37上，可以轉(zhuǎn)動；中部用軸承支撐中軸52端頭，并用彈簧檔圈58卡??；下端用軸承裝在下軸55上，可以轉(zhuǎn)動；在下軸55軸頭用曲桿鍵56固定裝一個曲柄31。
掌1和控制系統(tǒng)掌1它包括下肢2用下肢銷27，下支桿3用下支銷28同時與上轉(zhuǎn)盤22活動連接，上轉(zhuǎn)盤22下面裝有滾子銷24，用卡簧25卡住，滾子銷24上活動地裝有滾子23，在下轉(zhuǎn)盤21上固定裝有螺旋滾道26，滾子23滑動地裝在螺旋滾道26上，上下轉(zhuǎn)盤22、21之間用彈性封皮20封閉連接在一起?？刂妻D(zhuǎn)向系統(tǒng)，它包括在掌1的上轉(zhuǎn)盤22上固定一個旋轉(zhuǎn)閘19用拉線器15與轉(zhuǎn)彎閘把11連接，轉(zhuǎn)彎閘把11裝在操縱桿10上，操縱桿10裝在姿態(tài)調(diào)整桿12上，操縱上述機(jī)構(gòu)，即可實現(xiàn)行走姿態(tài)的調(diào)整和轉(zhuǎn)彎等各項功能。掌1的形狀、類型可根據(jù)具體環(huán)境要求設(shè)計，本實施例中的掌1適用于旱地，在惡劣條件下使用，各關(guān)節(jié)處應(yīng)加裝橡膠尼龍軟套，以防塵、防水、防污。
凸輪曲線上肢擺動凸輪7及其上面的曲線槽7-1和下肢伸曲凸輪9的凸輪曲線柱面，是一組采用軌跡圖解法優(yōu)化設(shè)計出的勻速行走曲線(見附圖5)，構(gòu)成行走函數(shù)控制器。為了能調(diào)節(jié)行走姿態(tài)、步距、邁腿高度，以適應(yīng)上、下坡及牽引力大小變化，通過調(diào)整定位銷39的位置去操縱姿態(tài)調(diào)整桿12，使上肢擺動凸輪7繞上軸37轉(zhuǎn)動一定角度(平時固定不動)，使機(jī)械重心、步距、邁腿時掌1的空間運(yùn)動軌跡都得以改變。附圖6、7、8表明平地走、上30°坡、下20°坡三種不同行走姿態(tài)，連續(xù)操縱，可得到連續(xù)變化的行走姿態(tài)。
本實用新型凸輪轉(zhuǎn)換三關(guān)節(jié)機(jī)械腿的行走過程見附圖9所示，實線表示右腿正踏地，雙點劃線表示左腿剛抬起邁步，開動發(fā)動機(jī)13，由鏈條14帶動鏈輪50、小齒輪49、上大齒輪47、下大齒輪47-1轉(zhuǎn)動，右腿上肢5在曲柄31、滑套32、上肢擺動凸輪7共同作用下作有規(guī)律的向后擺動；右腿下肢2在下肢伸曲凸輪9、頂桿33，支板4共同作用下作有規(guī)律的伸曲運(yùn)動，從而實現(xiàn)支撐機(jī)架8向前運(yùn)動。左腿上肢5在左側(cè)曲柄31、滑套32、上肢擺動凸輪7共同作用下，作用規(guī)律的向前擺動；左腿下肢2在左側(cè)下肢伸曲凸輪9、頂桿33、彈簧34、支板4共同作用下作有規(guī)律的伸曲運(yùn)動，從而實現(xiàn)抬腿邁步。左右腿的曲柄31、下肢伸曲凸輪9相差180度角，保證左、右腿實現(xiàn)交替踏步邁步，周而復(fù)始。
轉(zhuǎn)彎過程轉(zhuǎn)彎時，只需轉(zhuǎn)動架體，靠一掌1觸地時產(chǎn)生的磨擦力矩，可轉(zhuǎn)過任意角度。掌1的結(jié)構(gòu)前面已述。抬腿邁步時，轉(zhuǎn)彎閘把11通過拉線器15控制旋轉(zhuǎn)閘19，對上轉(zhuǎn)盤22、下轉(zhuǎn)盤21施加周向外力，使下轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一定角度，則滾子23沿螺旋面滾道26轉(zhuǎn)動，并推動上轉(zhuǎn)盤22相對下轉(zhuǎn)盤21上升一定高度；當(dāng)下轉(zhuǎn)盤22踩踏到地面固定時，在上部重力作用下，上轉(zhuǎn)盤22將恢復(fù)到原來狀態(tài)，使機(jī)架8整體轉(zhuǎn)動一定角度。轉(zhuǎn)角大小，由人操縱轉(zhuǎn)彎閘把11控制。
姿態(tài)調(diào)整上肢擺動凸輪7上部套裝在上軸37上，可以轉(zhuǎn)動，下部套裝在下軸55上，可以轉(zhuǎn)動；姿態(tài)調(diào)整桿12套裝在下軸55上可以轉(zhuǎn)動，當(dāng)上、下不同坡度而需要改變行走姿態(tài)、步距，或者需要改變牽引力大小時，操縱姿態(tài)調(diào)整桿12的位置，使上肢擺動凸輪7繞上軸37轉(zhuǎn)動一個角度，使兩腿夾角變化，機(jī)體重心移動(上坡前移、下坡后移)，即可滿足相應(yīng)運(yùn)動姿態(tài)。
上述實施例為只裝一對機(jī)械腿的實施例一；實施例二，參照附
圖10，安裝有兩對機(jī)械腿的機(jī)械，其腿的結(jié)構(gòu)同實施例一。
實施例三，參照附
圖11，在機(jī)械上裝一對機(jī)械腿和一對輪相結(jié)合，實用于殘疾人車所用，其腿的結(jié)構(gòu)同實施例一。
實施例四，參照附
圖12，在機(jī)械上裝兩對或多對機(jī)械腿并安裝有輪子的兩用機(jī)械，腿的結(jié)構(gòu)同實施例一。
權(quán)利要求1.一種凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿，由機(jī)架(8)、操縱架(10)、轉(zhuǎn)彎閘把(11)、掌(1)和發(fā)動機(jī)(13)等部件組成，其特征是在機(jī)架上活動地裝有左右一對上肢(5)、下肢(2)和掌(1)及其三個關(guān)節(jié)；上肢(5)為一空心管，上端用滾動軸承(42)、(44)活動地套裝在機(jī)架(8)上的上軸(37)上，上部開一前后方向槽，槽內(nèi)活動地裝有下肢伸曲凸輪(9)；下肢伸曲凸輪(9)用凸輪鍵(43)與上軸(37)固定連接；上肢(5)空心管內(nèi)活動地裝一頂桿(33)，頂桿(33)穿一彈簧(34)，上端固定一頂桿銷(35)，在頂桿銷(35)上活動地裝一頂輪(36)，在彈簧(34)的作用下使頂輪(36)頂在下肢伸曲凸輪(9)的曲面上，頂桿(33)下端用桿板銷(30)活動地與支板(4)鉸接，支板(4)下端用支板銷(29)與下肢(2)鉸接；下肢(2)下端用下肢銷(27)活動地與掌(1)的上轉(zhuǎn)盤(22)連接；上肢(5)的下部與下肢(2)上部用中肢銷(18)絞連接，上肢(5)中部外圓柱上裝一滑套(32)，滑套(32)上設(shè)有軸銷(60)，軸銷(60)上裝有軸套(54)與曲柄(3 1)中間滑槽活動連接，軸銷(60)端頭裝有槽軸套(53)與上肢擺動凸輪(7)上設(shè)的曲線槽(7-1)活動連接；上肢擺動凸輪(7)上端用凸輪軸套(46)裝在上軸(37)上，中部用軸承活動地支撐中軸(52)，并用彈性檔圈(58)卡住，下端用軸承活動裝在下軸(55)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿，其特征在于機(jī)架(8)上裝有上支銷(38)，在上支銷(38)上鉸接安裝上支桿(6)，上支桿(6)下端用中支銷(16)鉸接下支桿(3)和拉板(17)，拉板(17)右端與中肢銷(18)連接，下支桿(3)下端用下支銷(28)與掌(1)的上轉(zhuǎn)盤(22)活動連接；機(jī)架(8)、上支桿(6)、上肢(5)、下支桿(3)、下肢(2)、拉板(17)及掌(1)構(gòu)成上、下兩個平行四邊行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿，其特征在于控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它包括在掌(1)的上轉(zhuǎn)盤(22)上固定一個旋轉(zhuǎn)閘(19)用拉線器(15)與轉(zhuǎn)彎閘把(11)連接，轉(zhuǎn)彎閘把(11)裝在操縱桿(10)上，操縱桿(10)裝在姿態(tài)調(diào)節(jié)桿(12)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿，其特征在于調(diào)整姿態(tài)，保持穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，它包括姿態(tài)調(diào)整桿(12)用定位銷(39)固定在機(jī)架(8)上，下端用軸承裝在下軸(55)上，與上肢擺動凸輪(7)構(gòu)成的三角形架。
專利摘要本實用新型屬于仿生腿式步行機(jī)器的機(jī)械腿機(jī)構(gòu)，特別涉及一種由凸輪、曲柄、滑套、搖桿構(gòu)成組合傳動機(jī)構(gòu)的凸輪轉(zhuǎn)換式三關(guān)節(jié)機(jī)械腿，由機(jī)架8、操縱架10、轉(zhuǎn)彎閘把11、掌1和發(fā)動機(jī)13等部件組成，在機(jī)架上活動地裝有左右一對上肢5、下肢2和掌1及其三個關(guān)節(jié)；上肢5為一空心管，下肢伸曲凸輪9用凸輪鍵43與上軸37固定連接；上肢5空心管內(nèi)活動地裝一頂桿33，上肢5的下部與下肢2上部用中肢銷18絞連接，上肢5中部外圓柱上裝一滑套32，上肢擺動凸輪7上端用凸輪軸套46裝在上軸37上，中部用軸承活動地支撐中軸52，并用彈性擋圈58卡住，下端用軸承活動裝在下軸55上，應(yīng)用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，輕便靈活。
文檔編號B62D57/032GK2686971SQ20042003113
公開日2005年3月23日 申請日期2004年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月8日
發(fā)明者張士慶, 張?zhí)?申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)