Изобретение относится к области рычажных механизмов шагающих устройств.The invention relates to the field of linkage mechanisms of walking devices.
Известны несколько типов механизмов для шагающих устройств.Several types of mechanisms for walking devices are known.
Известен механизм Кланна, описание которого приведено в патенте: US 6260862 B1, Walking device, Joseph C. Klann. Механизм Кланна состоит из двух кривошипов, двух шатунов, коромысла и корпуса. Это шестизвенный механизм. Недостатком механизма Кланна является искусственная, а не природная траектория движения опоры, имеющая сложный геометрический вид. Траектория движения опоры в механизме Кланна характерна для цепляющих механизмов и насекомых, например, пауков, а не для шагающих машин в природном понимании траектории движения стопы человека или копыта животного. Шагающая машина с механизмом Кланна не будет совершать поступательного движения, будет резко вибрировать в вертикальном и горизонтальном направлениях, создавая дискомфорт для находящихся в ней людей и подвергая детали повышенным нагрузкам.Known Clan mechanism described in patent: US 6260862 B1, Walking device, Joseph C. Klann. The Clann mechanism consists of two cranks, two connecting rods, a rocker arm and a housing. This is a six-link mechanism. The disadvantage of the Clann mechanism is an artificial, rather than a natural, trajectory of the movement of the support, which has a complex geometric shape. The trajectory of the movement of the support in the Clann mechanism is characteristic of catching mechanisms and insects, for example, spiders, and not of walking machines in the natural sense of the trajectory of the foot of a person or the hoof of an animal. A walking machine with a Clann mechanism will not make translational motion, it will vibrate sharply in the vertical and horizontal directions, creating discomfort for people inside it and exposing parts to increased loads.
Известен механизм Тео Янсена, состоящий из двенадцати рычагов, который автор демонстрировал на своей лекции «Искусственные формы жизни» 21 мая 2014 года в рамках программы «Политех на Стрелке». Электронный ресурс: https://theoryandpractice.ru/videos/711-teo-yansen-iskusstvennye-formy-zhizni. Этот механизм тоже нельзя считать шагающим, потому что в траектории движения опоры отсутствует прямолинейный участок относительного перемещения, характерный для траектории стопы человека или копыта животного. Криволинейные траектории опоры характерны для насекомых, а с точки зрения механики являются цепляющими, а не шагающими. Основные назначения механизма Тео Янсена - реклама, развлечения, шоу бизнес, обучение моделированию, изучение сложного движения, но не создание промышленных образцов шагающей техники.Theo The Jansen mechanism is known, consisting of twelve levers, which the author demonstrated at his lecture “Artificial life forms” on May 21, 2014 as part of the Polytechnic on Strelka program. Electronic resource: https://theoryandpractice.ru/videos/711-teo-yansen-iskusstvennye-formy-zhizni. This mechanism also cannot be considered as walking, because in the trajectory of the movement of the support there is no rectilinear portion of the relative displacement characteristic of the trajectory of the foot of a person or the hoof of an animal. Curved trajectories of the support are characteristic of insects, and from the point of view of mechanics they are catchy, not walking. The main purposes of the Theo Jansen mechanism are advertising, entertainment, show business, modeling training, the study of complex motion, but not the creation of industrial models of walking equipment.
Известен четырехзвенный, если считать неподвижный корпус, лямбдаобразный механизм П.Л. Чебышева, состоящий из ведущего кривошипа 1, шатуна 2, коромысла 3 и корпуса 4, схема которого показана на фиг. 1. Описание этого механизма приведено в книге: Полное собрание сочинений П.Л. Чебышева. Том. 4. Теория механизмов. - Москва-Ленинград: Издательство Академии наук СССР, 1948 г. - С. 165, в статье П.Л. Чебышева в этой книге «О преобразовании вращательного движения в движение по некоторым линиям» на стр. 161-165, к которой имеется электронный режим доступа http://www.tcheb.ru/1. На фиг. 1 представлена кинематическая схема четырехзвенного лямбдаобразного механизма П.Л. Чебышева. Этот механизм позволяет получить природную траекторию движения стопы человека или копыта животного, однако недостатком этого механизма является верхнее расположение точки шатуна, которая описывает эту природную траекторию. Нельзя перевернуть механизм для получения нижнего расположения природной траектории, потому что рабочий прямолинейный участок траектории относительного движения опоры тоже перевернется и займет верхнее положение над дугообразным участком переноса стопы-опоры в процессе шага.The four-link, if you consider the stationary body, the lambda-shaped mechanism of P.L. Chebyshev, consisting of a leading crank 1, connecting rod 2, rocker 3 and housing 4, a diagram of which is shown in FIG. 1. A description of this mechanism is given in the book: Complete Works of P.L. Chebyshev. Tom. 4. Theory of mechanisms. - Moscow-Leningrad: Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1948 - S. 165, in an article by P.L. Chebyshev in this book "On the conversion of rotational motion into motion along certain lines" on pages 161-165, to which there is an electronic access mode http://www.tcheb.ru/1. In FIG. 1 shows the kinematic diagram of a four-link lambda-like mechanism P.L. Chebyshev. This mechanism allows you to get a natural trajectory of the foot of a person or animal hooves, however, the drawback of this mechanism is the upper location of the connecting rod point, which describes this natural trajectory. The mechanism cannot be turned over to obtain a lower location of the natural trajectory, because the working rectilinear portion of the trajectory of the relative motion of the support will also roll over and occupy the upper position above the arcuate transfer portion of the support foot during the step.
Известен механизм двойного шарнирного параллелограмма (Электронный ресурс «Математические этюды»: http://www.etudes.ru/ru/etudes/translation-rotation/), схема которого показана на фиг. 2. Этот механизм состоит из трех пар параллельных рычагов. Параллельные коромысла 5 и 6 закреплены одними концами шарнирно на неподвижном корпусе 4, а к другим концам коромысел шарнирно прикреплен шатун 9, параллельно которому с помощью шатунов 7 и 8 установлен на шарнирах шатун 10. Механизм двойного параллелограмма позволяет выполнять параллельный перенос траектории движения точки, потому что траектории концов шатунов 9 и 10 одинаковые.The double-hinged parallelogram mechanism is known (Electronic resource "Mathematical Studies": http://www.etudes.ru/ru/etudes/translation-rotation/), a diagram of which is shown in FIG. 2. This mechanism consists of three pairs of parallel levers. The parallel rocker arms 5 and 6 are pivotally fixed at one end to the fixed body 4, and the connecting rod 9 is pivotally attached to the other ends of the rocker arm, in parallel with which the connecting rod 10 is mounted on the hinges 10. The double parallelogram mechanism allows parallel transfer of the point's trajectory, therefore that the trajectories of the ends of the connecting rods 9 and 10 are the same.
Цель изобретения заключается в переносе траектории движения стопы-опоры шагающей машины из верхней части механизма в нижнюю часть.The purpose of the invention is to transfer the trajectory of the foot-support of a walking machine from the upper part of the mechanism to the lower part.
Основу предлагаемого устройства составляет известный лямбдаообразный механизм П.Л. Чебышева, состоящий из ведущего кривошипа 1, шатуна 2 и коромысла 3. Шатун 2 соединяется с коромыслом 3 в центральной части с помощью цилиндрического шарнира. Ведущий кривошип 1 и коромысло 3 закреплены шарнирно на неподвижном корпусе 4. При вращении ведущего кривошипа 1 верхняя точка шатуна 2 описывает природную траекторию движения стопы человека или копыта животного. Исключительно для реализации этой траектории П.Л. Чебышевым фактически был разработан этот четырехзвенный, если считать корпус 4, лямбдаобразный механизм. Четырехзвенный лямбдаобразный механизм П.Л. Чебышева выбран в качестве прототипа для предлагаемого нового устройства. Недостатком лямбдаобразного механизма П.Л. Чебышева является верхнее расположение природной траектории движения стопы-опоры шагающей машины. При этом самая простая схема шагающего механизма - это один лямбдаобразный механизм, в котором опора закрепляется в верхней части шатуна в его расчетной рабочей точке. Но на практике опора всегда должна располагаться снизу корпуса, под корпусом, причем значительно ниже корпуса шагающей машины. Получилось противоречие. С одной стороны, получена природная траектория движения стопы-опоры. С другой стороны, природная траектория движения стопы-опоры не может быть реализована на практике, потому что находится выше самой шагающей машины. Перенос природной траектории движения стопы-опоры ниже шагающей машины - это далеко не тривиальная задача. Например, в стопоходящей машине П.Л. Чебышева, показанной на Всемирной выставке в Париже в 1895 году, смещение природной траектории движения стопы-опоры на верхней точке шатуна лямбдаобразного механизма вниз выполнено добавлением еще одного такого же лямбдаобразного четырехзвенного механизма с последующей синхронизацией движения двух дополнительных удлиняющих вертикальных шатунов. Если учесть, что шагающая машина должна иметь не менее четырех опор, то необходимы четыре лямбдаобразных механизма, четыре вертикальных удлиняющих шатуна и пара связей этих шатунов для устранения дополнительной лишней степени свободы механизма. В новом устройстве предложено отказаться от второго лямбдаобразного механизма как необходимого дополнения к первому такому же механизму. В новом устройстве реализован перенос рабочей природной траектории стопы-опоры шагающей машины из верхней части машины в нижнюю часть машины с помощью двойного параллелограмма, показанного на фиг. 2 и предназначенного именно для этой цели. На фиг. 3 показана кинематическая схема предлагаемого механизма шагающей машины. Верхний шарнир шатуна 10 двойного параллелограмма соединен с верхней рабочей точкой шатуна 2 лямбдаобразного механизма, которая описывает природную траекторию стопы-опоры шагающей машины. Одинаковые шатуны 7 и 8 одними концами шарнирно соединены соответственно с верхним и нижним концами шатуна 10, а другими концами также шарнирно соединены соответственно с шатуном 9. Шатун 9 имеет такие же размеры, как шатун 10. Пары противоположно расположенных шатунов 7 и 8, 9 и 10 образуют первый шарнирный параллелограмм, считая от ведущего лямбдаобразного механизма с рычагами 1, 2, 3. К верхнему концу шатуна 9 и одновременно к левому концу шатуна 7 шарнирно крепится коромысло 5. Шатуны 7, 9 и коромысло 5 могут свободно вращаться друг относительно друга вокруг общих шарнирных осей. Точно также к нижнему концу шатуна 9 и к левому концу шатуна 8 шарнирно крепится коромысло 6. Шатуны 8, 9 и коромысло 6 могут свободно вращаться друг относительно друга вокруг общих шарнирных осей. Два одинаковых коромысла 5 и 6 образуют верхнюю и нижнюю пару второго шарнирного параллелограмма. Правой и левой сторонами второго шарнирного параллелограмма являются шатун 9 и неподвижный корпус 4, на котором установлена пара шарниров на таком же расстоянии друг от друга, как и на шатуне 9. Лямбдаобразный механизм формирует на верхней точке шатуна 2 природную траекторию стопы-опоры шагающего механизма, а двойной шарнирный параллелограмм, составленный из шатунов 7, 8, 9, 10, коромысел 5 и 6, корпуса 4 и соответствующих шарнирных связей, переносит эту природную траекторию стопы-опоры шагающей машины в нижнюю часть шагающей машины на нижнюю точку шатуна 10 двойного шарнирного параллелограмма. Нижняя точка шатуна 10 двойного шарнирного параллелограмма полностью повторяет движение верхней точки шатуна 10 по свойству двойного шарнирного параллелограмма, то есть также описывает природную траекторию стопы-опоры шагающей машины. Величина смещения природной траектории шага стопы-опоры шагающего механизма определяется исключительно длинами шатунов 9, 10 и расстоянием между шарнирами на корпусе 4 - все они должны быть одинаковыми. Длины одинаковых шатунов 7, 8 и одинаковых коромысел 5, 6 определяют смещение природной траектории шага в продольном направлении шагающей машины, поэтому не являются критичными для достижения цели предлагаемого устройства, то есть для смещения природной траектории шага стопы-опоры вниз, под корпус шагающей машины.The basis of the proposed device is the well-known lambda-like mechanism P.L. Chebyshev, consisting of the leading crank 1, connecting rod 2 and rocker 3. The connecting rod 2 is connected to the rocker 3 in the central part using a cylindrical hinge. The leading crank 1 and the rocker 3 are pivotally mounted on the fixed body 4. When the leading crank 1 rotates, the top point of the connecting rod 2 describes the natural trajectory of the foot of a person or the hoof of an animal. Exclusively for the implementation of this trajectory P.L. Chebyshev actually developed this four-link, if you count housing 4, lambda-shaped mechanism. Four-link lambda mechanism P.L. Chebyshev is selected as a prototype for the proposed new device. The disadvantage of the lambda mechanism P.L. Chebyshev is the upper location of the natural trajectory of the foot-support of a walking machine. In this case, the simplest scheme of the walking mechanism is one lambda-shaped mechanism in which the support is fixed in the upper part of the connecting rod at its calculated operating point. But in practice, the support should always be located below the body, under the body, and much lower than the body of the walking machine. It turned out a contradiction. On the one hand, a natural trajectory of the foot support has been obtained. On the other hand, the natural trajectory of the foot-support cannot be implemented in practice, because it is located above the walking machine itself. Transferring the natural trajectory of the foot support below the walking machine is far from a trivial task. For example, in the stopping car P.L. Chebyshev, shown at the World Exhibition in Paris in 1895, the displacement of the natural trajectory of the foot-support at the upper point of the connecting rod of the lambda-shaped mechanism downward is done by adding one more of the same lambda-shaped four-link mechanism with subsequent synchronization of the movement of two additional extension vertical connecting rods. If you consider that a walking machine must have at least four supports, then you need four lambda-shaped mechanisms, four vertical extension rods and a pair of ties of these rods to eliminate an additional extra degree of freedom of the mechanism. In the new device, it is proposed to abandon the second lambda-shaped mechanism as a necessary addition to the first such mechanism. The new device implements the transfer of the working natural trajectory of the foot-support of the walking machine from the upper part of the machine to the lower part of the machine using the double parallelogram shown in FIG. 2 and designed specifically for this purpose. In FIG. 3 shows a kinematic diagram of the proposed walking machine mechanism. The upper hinge of the connecting rod 10 of the double parallelogram is connected to the upper working point of the connecting rod 2 of the lambda-shaped mechanism, which describes the natural trajectory of the foot-support of the walking machine. Identical connecting rods 7 and 8 at one end are pivotally connected respectively to the upper and lower ends of the connecting rod 10, and the other ends are also pivotally connected respectively to the connecting rod 9. The connecting rod 9 has the same dimensions as the connecting rod 10. The pairs of oppositely located connecting rods 7 and 8, 9 and 10 form the first articulated parallelogram, counting from the leading lambda-shaped mechanism with levers 1, 2, 3. To the upper end of the connecting rod 9 and at the same time to the left end of the connecting rod 7 the beam 5. The connecting rods 7, 9 and the beam 5 can freely rotate relative to each other and around common pivot axles. In the same way, the rocker arm 6 is pivotally attached to the lower end of the connecting rod 9 and to the left end of the connecting rod 8. The connecting rods 8, 9 and the rocker 6 can freely rotate relative to each other around common hinge axes. Two identical rocker arms 5 and 6 form the upper and lower pair of the second articulated parallelogram. The right and left sides of the second articulated parallelogram are a connecting rod 9 and a fixed body 4, on which a pair of hinges is mounted at the same distance from each other as on the connecting rod 9. The lambda-shaped mechanism forms at the upper point of the connecting rod 2 a natural trajectory of the foot-support of the walking mechanism, and a double articulated parallelogram composed of connecting rods 7, 8, 9, 10, rocker arms 5 and 6, housing 4 and the corresponding articulated joints transfers this natural trajectory of the foot-support of the walking machine to the lower part of the walking machine to the lower point ku connecting rod 10 double articulated parallelogram. The lower point of the connecting rod 10 of the double hinged parallelogram completely repeats the movement of the upper point of the connecting rod 10 in the property of the double hinged parallelogram, that is, it also describes the natural trajectory of the foot-support of the walking machine. The amount of displacement of the natural trajectory of the step of the foot-support of the walking mechanism is determined solely by the lengths of the connecting rods 9, 10 and the distance between the hinges on the housing 4 - they should all be the same. The lengths of the same connecting rods 7, 8 and the same rocker arms 5, 6 determine the displacement of the natural step path in the longitudinal direction of the walking machine, therefore, they are not critical for achieving the goal of the proposed device, that is, to shift the natural step path of the foot-support down under the body of the walking machine.
Существенным признаком предлагаемого устройства является совмещение лямбдаобразного механизма П.Л. Чебышева с двойным параллелограммом, позволяющее получить новый технический результат - перенос природной траектории шага стопы-опоры из верхней части механизма вниз на любое расстояние.An essential feature of the proposed device is the combination of the lambda mechanism P.L. Chebyshev with a double parallelogram, which allows to obtain a new technical result - the transfer of the natural trajectory of the foot-support step from the top of the mechanism down to any distance.
Технический результат заключается в точном переносе природной траектории движения стопы человека или копыта животного из верхней части лямбдаобразного четырехзвенного механизма П.Л. Чебышева в нижнюю часть механизма на произвольное расстояние, которое определяется конструкционными требования технического задания.The technical result consists in the exact transfer of the natural trajectory of the foot of a person or the hoof of an animal from the upper part of the lambda-shaped four-link mechanism P.L. Chebyshev in the lower part of the mechanism at an arbitrary distance, which is determined by the structural requirements of the technical specifications.
