CN103661664B - 分动式控制多足步行机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分动式控制多足步行机，主要包括中心驱动能源机构、分动器机构、联动器机构和布置在步行机架体两侧的可调节腿机构，中心驱动能源通过减速机构与分动器机构连接，分动器机构通过连杆与联动器机构连接，联动器机构带动以Z字形交错分布在分动式控制多足步行机架体两侧的可调节腿机构运动，驱动步行机行进；本发明打破了传统步行机的单一的驱动控制方式，控制装置简单，但是能源利用率、速度、稳定性、机动性和承载能力都将得到很大的提高。

Description

分动式控制多足步行机

技术领域

本发明属于多足步行机领域和交通运输工程领域，具体涉及一种分动式控制的多足步行机。

背景技术

在自然界中，存在一些人类无法到达的地方和一些可能危及人类生命的特殊场合，如水下作业、星球探测、山路行走等。对于那些具有地形不规则和崎岖不平特点的恶劣环境，轮式移动步行机和履带式移动步行机的应用受到限制。与轮式和履带式移动步行机相比，在崎岖不平的路面上，多足步行机具有独特优越的性能，在这种背景下，对于多足步行机的研究蓬勃发展起来，而仿生步行机的出现更加显示出多足步行机的优势。

目前世界上许多国家都已经投入相当大的人力和财力开展这类步行机的研究与开发。社会上已经出现的多足步行机无论在机械机构上还是在控制系统上都无法突破功能的单一性，并且在全方位、快速、自适应动态步行等运动控制方面还有许多的不足和限定条件，都是只能进行单一的控制，比如：只能单独控制每条腿的单独运动，这类机构能源的利用率太低，而且这类步行机所承受的载荷不能很大，严重制约其使用价值。

现有的多足步行机大多采用分布控制，结构复杂，传动效率低，这样的腿很难实现实用的具有合理的步行机机械结构和控制系统。如现在利用仿生学原理研制出来的很多微型多足步行机，虽然结构简单，但是每条腿不能单独控制，且缺乏柔性，不能抗冲击。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分动式控制多足步行机，它控制装置简单并能够承受较大的负载且运动自由度大。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种分动式控制多足步行机，主要包括中心驱动能源机构、分动器机构、联动器机构和布置在步行机架体两侧的可调节腿机构，中心驱动能源通过减速机构与分动器机构连接，分动器机构通过连杆与联动器机构连接，联动器机构带动以Z字形交错分布在分动式控制多足步行机架体两侧的可调节腿机构运动，驱动步行机行进；中心驱动能源机构工作时，动力经分动器机构后输出类似于封闭半圆弧曲线，再带动联动器机构沿封闭半圆弧曲线的轨迹运动，可调节腿机构末端与联动器机构连接，在大腿根部用十字结与分动式控制多足步行机架体连接，使得可调节腿机构的运动轨迹与分动器机构的输出曲线形成反对称形式，当分动器机构运动带动可调节腿机构运动时，可调节腿机构在地面上的运动轨迹就是分动器机构输出曲线的直线段，在空中的运动轨迹为分动器机构输出曲线的圆弧段，上述直线段的运动时间不小于圆弧段的运动时间，以确保分动式控制多足步行机在行进过程中至少有一组可调节腿机构在地面上；分动器机构有两组以上输出曲线，设置每组曲线的起始输出位置，实现分动式控制多足步行机多分节律迈步前进；可调节腿机构可以调节腿的长度和腿的弯曲角度，实现分动式控制多足步行机抬脚高度和迈步宽度的双重调节；在可调节腿机构的小腿处设置具有可调节的减震弹簧，以减小分动式控制多足步行机在行进时对架体的冲击。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）采用分动式驱动控制的设计思想，打破了传统步行机的单一的驱动控制方式；（2）使得多足步行机的能源利用率将有一个很大的提高；（3）采取本发明的机构的控制装置简单；（4）多足步行机在速度、稳定性、机动性和承载能力将得到很大提高。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明的中心驱动能源机构和分动器机构示意图。

图3为本发明以Z字形交错分布在分动式控制多足步行机架体两侧的可调节腿机构。

图4为本发明分动器机构中的回归式凸轮四杆机构示意图。

图5为本发明的可调节腿机构的运动轨迹曲线示意图。

图6为本发明的整体结构示意图。

图7为本发明的限位机构示意图。

图8（a）为本发明的快速步行联动器局部视图；图8（b）为本发明的快速步行联动器的局部剖视图。

图9为本发明的可调节腿机构示意图。

具体实施方式

结合图1、图2和图3，分动式控制多足步行机，包括中心驱动能源机构、分动器机构、联动器机构和以Z字形交错分布在分动式控制多足步行机架体两侧的可调节腿机构。中心驱动能源机构包括中心能源1（市购）和减速机构，中心能源可以使用柴油机、汽油机或电机等；减速机构包括直齿锥齿轮轴2、直齿锥齿轮3、小直齿轮轴P、第一直齿轮4、导杆5、第二直齿轮6和支座7。将支座7固定在分动式控制多足步行机架体15的上方，支座7的特征在于它有三个安装凸台X、Y和Z，凸台X与凸台Y的安装孔轴线相互垂直，凸台Y与凸台Z的安装孔轴线相互平行，直齿锥齿轮轴2安装在凸台X上，直齿锥齿轮3与直齿轮轴P两侧对称的安装在凸台Y上，直齿锥齿轮3与直齿轮轴P固定，直齿锥齿轮轴2与直齿锥齿轮3啮合，第一直齿轮4与第二直齿轮6通过导杆5两侧对称安装在凸台Z上，直齿轮轴P与第二直齿轮6啮合，第一直齿轮4与第二直齿轮6分别于导杆5的两端固定。工作时，中心能源1驱动直齿锥齿轮轴2，带动直齿锥齿轮3与直齿轮轴P同步转动，再带动第一直齿轮4和第二直齿轮6转动。中心驱动能源机构将中心能源的输入一分为二输出。

结合图2和图4，分动器机构由两组以上平行布置的回归式凸轮四杆机构组成（回归式凸轮四杆机构可以是两组、三组、四组甚至更多组，下面以两组为例进行说明），回归式凸轮四杆机构的安装平面与支座7的安装平面平行，回归式凸轮四杆机构ABCD由曲柄杆AB、连杆BC、摆杆CD和固定杆DA组成，其中连杆BC、摆杆CD和固定杆DA长度相等，固定杆DA的A端取为第一直齿轮4的转动中心，在第一直齿轮4的半径方向上取一点B，A、B两点的长度与曲柄杆AB的长度相等，固定杆DA的D端固定在支座7上，摆杆CD可绕D点转动，四杆首尾依次用旋转副连接。另一组回归式凸轮四杆机构A′B′C′D′与ABCD结构相同，不同的是：A′取第二直齿轮6的转动中心，B′是第二直齿轮6半径方向上的一点，D′与D位置相同，在初始位置上AB与A′B′相差一定的相位角。当驱动导杆5转动时，第一直齿轮4与第二直齿轮6同步转动，第一直齿轮4带动连杆BC绕B点转动，连杆BC带动杆CD绕D端转动，第二直齿轮6带动连杆B′C′绕B′点转动，连杆B′C′带动摆杆C′D′绕D′端转动。连杆BC的凸出端E为四连杆ABCD运动曲线的输出端，连杆B′C′的凸出端E′为四连杆A′B′C′D′运动曲线的输出端。驱动中心能源1，动力经减速机构传到分动器机构，分动器机构通过联动器机构带动可调节腿机构，实现可调节腿机构按照分动器机构输出的曲线运动。

结合图5，步行机足部着地行走的轨迹曲线接近直线，实现步行机可以在地面平稳行走；步行足腿部抬起轨迹类似于半圆弧，实现步行机的迈步。设置分动器机构的两组输出曲线（输出曲线可以是两组、三组、四组甚至更多组，它与回归式凸轮四杆机构的组数一致，下面以两组为例进行说明）的初始位置，实现当一组步行足着地而另外一组步行足在空中划弧线，在步行机行进过程中始终保持有一组足着地，从而实现两组足交换行走的功能，使步行机可以平稳的一步一步前进。

结合图2、图6和图7，联动器机构包括快速步行联动器（快速步行联动器可以是两组、三组、四组甚至更多组，它与输出曲线的组数一致，下面以两组为例进行说明）和限位机构（限位机构的个数与快速步行联动器的组数对应，一组快速步行联动器可以与一个以上的限位机构连接），快速步行联动器是腿机构与分动器机构中间连接的桥梁，第一快速步行联动器10与连杆8的一端固定连接，第一连杆8的另一端与连杆BC的输出点E用旋转副连接，第一连杆8可绕点E转动，第二快速步行联动器11与第二连杆9的一端固定连接，第二连杆9的另一端与连杆B′C′的输出点E′用旋转副连接，第二连杆9可绕点E′转动。限位机构包括内侧限位板12、中间限位板13和外侧限位板14，限位板的工作面一般采用矩形槽或燕尾槽的结构（以矩形槽为例进行说明），限位板工作面的表面粗糙度要求较高，表面粗糙度不低于3.2（GB/T1031-1995）。内侧限位板12与快速步行联动器固定连接，中间限位板13的安装平面与内侧限位板12的安装平面垂直，中间限位板13内侧矩形槽各工作面与内侧限位板12的矩形槽各工作面过渡配合，外侧限位板14的安装平面与内侧限位板12的安装平面平行，中间限位板13外侧矩形槽各工作面与外侧限位板14的矩形槽各工作面过渡配合，外侧限位板14与架体15固定。当快速步行联动器运动时，带动内侧限位板12同步运动，内侧限位板12在中间限位板13内侧的矩形槽上做水平面平动，再带动中间限位板13的外侧矩形槽在外侧限位板14上做垂直面的竖直运动，通过限位机构可严格限制分动器机构的运动在回归式凸轮四杆机构的平面内。结合图8，第一快速步行联动器10和第二快速步行联动器11上各有一排小孔，孔的特征在于其剖面呈向外的半圆弧状，可调节腿机构的末端穿过快速步行联动器上的孔实现接触连接，使得可调节腿机构随快速步行联动器的运动轨迹运动。分动式控制多足步行机的可调节腿机构（可调节腿机构由四条以上的腿组成）呈左右交错分布，分为两组，每组可调节腿机构分别与第一快速步行联动器10和第二快速步行联动器11对应接触连接，当中心驱动能源机构工作时，动力经过分动器机构传递到第一快速步行联动器10和第二快速步行联动器11，第一快速步行联动器10和第二快速步行联动器11再分别带动对应的可调节腿机构运动，实现分动式控制多足步行机的行走功能，通过改变中心能源1的输出方向可改变分动式控制多足步行机的行走方向。

结合图9，可调节腿机构分为大腿、髋部和小腿，可调节腿机构一端与快速步行联动器连接，在大腿根部通过十字结和架体相连接，十字结有两个方向的转动自由度，限制可调节腿机构绕大腿轴线转动，可以满足足部机构绕机身作划船式的弧线摆动。可调节腿机构包括拉杆16、减速齿轮组17、小电机18、螺杆19、大腿外套筒20、螺母21、大腿内套筒22、调节螺母23、调节螺杆24、连接杆25、小腿内套筒26、减震弹簧27和小腿外套筒28。拉杆16与大腿外套筒20固定连接，减速齿轮组17安装在大腿外套筒20前端，螺杆19安装在大腿外套筒20的轴向中心位置与减速齿轮组17固定连接，螺母21固定在大腿内套筒22轴端中心位置，与螺杆19啮合，大腿外套筒20与大腿内套筒22同轴线安装。当小电机18驱动减速齿轮组17转动时，带动螺杆19在大腿外套筒20的轴线中心转动，螺杆19与螺母21啮合，螺杆19转动推动螺母21沿大腿外套筒20轴线方向平移，以调节大腿的伸缩长度。当步行机需要转弯的时候，可通过控制机体一侧的步行足全部伸到最长，另一侧的步行足缩到最短来实现。由于螺杆螺母的啮合有自锁的功能，这就保证了步行机在行走过程中的稳定性和准确性。大腿与小腿通过髋部连接，髋部的具体结构有两种，第一种为：调节螺母23安装在大腿外侧，调节螺杆24一端与调节螺母23啮合，另一端做成环状孔，连接杆25一端与小腿固定连接，另一端穿过调节螺杆24的环状孔，微调调节螺母23与调节螺杆24的啮合长度，使调节螺杆24拉动连接杆25，再带动小腿运动，实现大腿与小腿之间夹角的调节；第二种为：髋部的调节螺母23通过旋转副连接安装在大腿内套筒22的外面，调节螺杆24通过旋转副连接安装在小腿上，调节螺杆24与调节螺母23啮合，微调调节螺母23与调节螺杆24的啮合长度可改变大腿与小腿之间的夹角。小腿的减震弹簧27安装在小腿外套筒里面，一端与小腿内套筒26内表面固定，另一端与小腿外套筒28凸台固定，小腿内套筒26下端还设置有调节销，变换调节销的位置可改变减震弹簧27的长度，当可调节腿机构在地面上行走时，足部和小腿之间用减震弹簧连接，减小了足部与地面接触时对机体的冲击，对整个步行机起到缓冲的作用，降低步行机振动的负面影响，也同时可以作为储能元件，提高了能源的利用率。如条件允许可在小腿外套筒28与地面接触的位置增加橡胶垫，以减小对腿部的磨损。

Claims (8)

1.一种分动式控制多足步行机，主要包括中心驱动能源机构、分动器机构、联动器机构和布置在步行机架体两侧的可调节腿机构，其特征在于：中心驱动能源机构通过减速机构与分动器机构连接，分动器机构通过连杆与联动器机构连接，联动器机构带动以Z字形交错分布在分动式控制多足步行机架体两侧的可调节腿机构运动，驱动步行机行进；中心驱动能源机构工作时，动力经分动器机构后输出类似于封闭半圆弧曲线，再带动联动器机构沿封闭半圆弧曲线的轨迹运动，可调节腿机构末端与联动器机构连接，在大腿根部用十字结与分动式控制多足步行机架体连接，使得可调节腿机构的运动轨迹与分动器机构的输出曲线形成反对称形式，当分动器机构运动带动可调节腿机构运动时，可调节腿机构在地面上的运动轨迹就是分动器机构输出曲线的直线段，在空中的运动轨迹为分动器机构输出曲线的圆弧段，上述直线段的运动时间不小于圆弧段的运动时间，以确保分动式控制多足步行机在行进过程中至少有一组可调节腿机构在地面上；分动器机构有两组以上输出曲线，设置每组曲线的起始输出位置，实现分动式控制多足步行机多分节律迈步前进；可调节腿机构可以调节腿的长度和腿的弯曲角度，实现分动式控制多足步行机抬脚高度和迈步宽度的双重调节；在可调节腿机构的小腿处设置具有可调节的减震弹簧，以减小分动式控制多足步行机在行进时对架体的冲击。

2.根据权利要求1所述的分动式控制多足步行机，其特征在于：减速机构包括直齿锥齿轮轴（2）、直齿锥齿轮（3）、小直齿轮轴（P）、第一直齿轮（4）、导杆（5）、第二直齿轮（6）和支座（7）；将支座（7）固定在分动式控制多足步行机架体（15）的上方，支座（7）的特征在于它有三个安装凸台分别为凸台X、凸台Y和凸台Z，凸台X与凸台Y的安装孔轴线相互垂直，凸台Y与凸台Z的安装孔轴线相互平行，直齿锥齿轮轴（2）安装在凸台X上，直齿锥齿轮（3）与小直齿轮轴（P）两侧对称的安装在凸台Y上，直齿锥齿轮（3）与小直齿轮轴（P）固定，直齿锥齿轮轴（2）与直齿锥齿轮（3）啮合，第一直齿轮（4）与第二直齿轮（6）通过导杆（5）两侧对称安装在凸台Z上，小直齿轮轴（P）与第二直齿轮（6）啮合，第一直齿轮（4）与第二直齿轮（6）分别于导杆（5）的两端固定；工作时，中心能源（1）驱动直齿锥齿轮轴（2），带动直齿锥齿轮（3）与小直齿轮轴（P）同步转动，再带动第一直齿轮（4）和第二直齿轮（6）同步转动。

3.根据权利要求2所述的分动式控制多足步行机，其特征在于：分动器机构由两组以上平行布置的回归式凸轮四杆机构组成，回归式凸轮四杆机构的安装面与第一直齿轮（4）平行，回归式凸轮四杆机构由曲柄杆、连杆、摆杆和固定杆组成，固定杆的A端取为第一直齿轮（4）的转动中心，在第一直齿轮（4）的半径方向上取一点B，A、B两点的长度与曲柄杆的长度相等，固定杆的D端固定在支座（7）上，摆杆可绕D点转动，四杆首尾依次用旋转副连接；在与曲柄杆连接的连杆上方取一点E，使曲柄杆驱动回归式凸轮四杆机构运动时，点E的输出曲线类似于一个封闭的半圆弧，封闭的半圆弧的上半边近似于直线段，下半边近似于圆弧，直线段的运动时间不小于圆弧段的运动时间；调节回归式凸轮四杆机构的初始位置，使每组输出曲线的起始位置都相差一个相位角。

4.根据权利要求3所述的分动式控制多足步行机，其特征在于：联动器机构包括快速步行联动器和限位机构；快速步行联动器是可调节腿机构与分动器机构中间连接的桥梁，快速步行联动器上有一排小孔，孔的剖面呈向外的半圆弧状，可调节腿机构末端位置与快速步行联动器接触连接，实现可调节腿机构与快速步行联动器之间有多个自由度；限位机构由内侧限位板（12）、中间限位板（13）和外侧限位板（14）组成，它通过内侧限位板（12）和外侧限位板（14）分别与分动式控制多足步行机架体和快速步行联动器固定连接，中间限位板（13）两侧的矩形槽分别与内侧限位板（12）和外侧限位板（14）上的矩形槽过渡配合，限制快速步行联动器在竖直面内运动；连杆一端与快速步行联动器固定连接，另一端与回归式凸轮四杆机构的输出点E旋转副连接，通过限位机构限制快速步行联动器在竖直面内平动；每组快速步行联动器与一个以上的限位机构连接。

5.根据权利要求4所述的分动式控制多足步行机，其特征在于：可调节腿机构分为大腿，髋部和小腿，可调节腿机构的末端与快速步行联动器接触连接，大腿根部通过十字结与分动式控制多足步行机架体连接；可调节腿机构包括拉杆（16）、减速齿轮组（17）、小电机（18）、螺杆（19）、大腿外套筒（20）、螺母（21）、大腿内套筒（22）、调节螺母（23）、调节螺杆（24）、连接杆（25）、小腿内套筒（26）、减震弹簧（27）和小腿外套筒（28）；在大腿外套筒（20）内设置螺杆（19），螺杆（19）可在大腿外套筒（20）内自转，在大腿内套筒（22）内固定螺母（21），安装时螺杆（19）与螺母（21）啮合，通过调节螺杆（19）与螺母（21）的啮合长度来调节大腿的长度，实现大腿的伸缩功能；大腿与小腿通过髋部连接，实现大腿与小腿之间的夹角可调；小腿内置可调节的减震弹簧；在可调节腿机构的小腿末端增加耐磨可抗冲击元器件。

6.根据权利要求5所述的分动式控制多足步行机，其特征在于所述的髋部的结构为：髋部的调节螺母（23）通过旋转副连接安装在大腿内套筒（22）的外面，调节螺杆（24）通过旋转副连接安装在小腿上，调节螺杆（24）与调节螺母（23）啮合，微调调节螺母（23）与调节螺杆（24）的啮合长度可改变大腿与小腿之间的夹角。

7.根据权利要求5所述的分动式控制多足步行机，其特征在于所述的髋部的结构为：调节螺母（23）安装在大腿外侧，调节螺杆（24）一端与调节螺母（23）啮合，另一端做成环状孔，连接杆（25）一端与小腿固定连接，另一端穿过调节螺杆（24）的环状孔，微调调节螺母（23）与调节螺杆（24）的啮合长度，使调节螺杆（24）拉动连接杆（25），再带动小腿运动，实现大腿与小腿之间夹角的调节。

8.根据权利要求5所述的分动式控制多足步行机，其特征在于：所述的耐磨可抗冲击元器件是橡胶垫。