CN1051145A - 连杆式步行轮 - Google Patents

Abstract

本发明是由轮辋，脚掌和环形对称多杆机构构成 的连杆式步行轮，把动物腿的结构及其步行方式的优 良越野性和一般车轮在制造和使用上的方便性相结 合，以脚掌着地，以轮辋作机架，以环形对称多杆机构 控制脚掌对轮辋的相对运动，该新型行走、推进装置 与低压充气轮胎相比，能减少能耗，与履带装置相比， 密封性能更好，在水田、沼泽、冰雪、沙漠、原野、耕地、 林区、山地上行驰时，有利于克服下陷、打滑，有利于 发挥牵引力。

Description

本发明涉及车辆的一种行走装置。

现有车辆的行走装置大多数是轮子，越野行驶时，容易下陷和打滑，难以发挥出牵引力，甚至自身也难以通过，许多车辆主要是做越野行驶的，人们不断改变车轮轮缘与地面的接触状态，做上花纹凸起，有时套上防滑链，缺点是泥浆层较厚时，就失去了防滑效果。更典型的是水田拖拉机和机耕船的叶轮，其叶片插入土壤，起推进作用，缺点是对土壤的扰动大，能耗大，可能破坏犁底层，影响行驶的平顺性，到硬路面行驶时，颠簸严重，给转移更换作业点造成困难。另一条改善途径是增加轮子的弹性变形，使轮缘接触地面部分被压扁，增加了接地面积和一小段轮缘在行驶中的持续接地时间。例如有些拖拉机和沙漠汽车采用降低轮胎的充气压力。缺点的增加弹性变形会明显增加能耗，降低轮胎使用寿命，实际使用时弹性变形不能太大。

人们早就注意到未修筑道路的自然环境中经过亿万年进化的动物行走方式，例如步行，具有特别好的越野性，故各种步行机的研制正方兴未艾，但多数是倾向于借助高技术，使其具有多变的适应高难度越野要求的动作输出，已多次制成样机，作过试验、表演。但尚未批量投产和推广使用，因其造价较高。观察动物的行走，通常是一种周期性的运动规律，比较稳定不变的基本动作，再叠加少量的随机适应性的变化。地面特别崎岖不平，每次落脚得选择合适地点，使动作变化多端，这种情况并不多，排除这种特殊情况，仍具有较好的越野性，适应面很广。步行的基本动作可以用廉价的机械机构来复现，部分随机适应性变化动作可以用局部自由度和适当增加部分构件的弹性来实现。在这种为廉价实用而适当降低越野性能设计要求的前提下，步行运动有利于越野，有两个特点，一是用脚掌的接地方式，即脚掌接地的空间性质，脚掌与脚杆是以运动副相连的，可以做相对运动，通常这种相对运动不必予以强制，任其适应不平地面，和减少转向运动中的位移，即脚掌具有几个局部自由度。脚掌的接地面积和花纹、钉刺等形状，可以在较大范围内选择和临时变更，人可以换鞋，马可以钉掌，自然界中的动物的脚掌和蹄子呈现着多种多样的形态。二是脚掌接地的时间性质，步行运动中，从脚掌挨着地面的瞬间开始，地面与脚掌及脚掌连向机体的各构件都开始或多或少的变形，变形增加，地面对脚掌的反力和脚掌及有关构件承受传递的力也随之增加，直到反抗变形的力与支撑力，牵引力平衡时，变形才停止，有效地起支撑作用和发挥牵引力主要是在变形接近停止和停止之后，即变形是起支撑作用和发挥牵引力的必要准备，这种准备是要耗能的，在越野行驶时，主要是地面的非弹性变形，例如轮子压出的车辙。为减少能耗，除了改善脚掌接地的空间性质，控制各构件的弹性外，应该延长接地的持续时间，使得变形（准备阶段）之后更充分地发挥其牵引和支撑作用，不要使变了形的地面过早地脱离脚掌。即脚掌相对于机体的相对运动轨迹中应该有比较长的接地段，作近似直线运动。相比而言，每一小段园轮的轮缘，其相对运动轨迹中的接地段相当短。从这个角度，轮缘的花纹凸起，叶轮的叶片和轮缘的弹性变形，它们的作用都是从滚动圆形刚性车轮（原始形态）向步行运动的靠拢。所以其越野性比光滑的刚性轮有所改善。尤其是低压充气轮胎，接地的轮缘与轮辋有相对运动，每一小段轮缘的相对机体的相对轨迹接近了作步行运动的脚掌。履带装置可以看作是压扁了的轮子，每块履带板的运动很接近作步行运动的脚掌，履带是一种行之有效的越野行走装置，缺点是链轮、支重轮与履带之间，以及二块履带板与中间连接销之间难以密封，阻止不了泥砂进入运动副接触面，导致磨损和能耗增加，另外链传动的不均匀性，履带板在转向时的滑移，也是缺点。这表明，把步行运动部分移到轮式装置中来时，在结构密封性和提高传动质量，减少转向阻力等方面尚有改进的余地。有人把几块类似脚掌的接地板按圆周均布铰接到轮辋上，代替轮缘，可以称之为步行轮，实质上更接近叶轮，其叶片有了形状变化，增加了局部自由度，缺点是其行驶平顺与叶轮相近，比较差。可以输入旋转动力，强制叶片或脚掌与轮辋之间有相对运动，这种相对运动可以比较复杂，更接近合理的步行运动，主要是使脚掌相对与机体的运动轨迹有一段较长的接地段，作近似直线匀速运动。这样构思的步行轮，即由主动型步行机演化的步行轮，与机架往往有二个或更多的连接点，而一般车轮与机架只有车轴一个连接点。连接点多了会给密封问题带来困难，这类步行轮与一般车轮不能通用，须作较多改装或重新设计，不能通用算不上多大缺点，但如果能通用，对实施和推广显然是有利的，这些在下述从动步行机中将进一步说明。

从专利文献中查到以下关于步行机发明，国际专利分类B62D  57/02：

“具有旋转导轨转向装置的步行机构”申请号为87104152·9，发明人为吉林工业大学高峰;“机械腿”申请号为88100628·9发明人为北京市西四地矿部供应局崔启坤;“铲入式步行式拖拉机”申请号为85109690和86105448发明人为谢经湟;“差动足八足步行机”申请号为86107599发明人为吉林长春光学精密机械学院任长青

这四项发明都不同程度地接近了动物的步行运动方式，而且主要采用常规机械结构，以降低制造成本，但这四种装置都不能与现有一般车轮通用，给实施增加困难。

本发明的目的是把动物腿的结构及其步行运动的有利于越野的一些特点移植到滚动的轮式结构中，提供一种适合批量廉价制造的，所有运动副都得到良好密封的，可以与轮胎车轮通用的越野行走装置。

本发明的实施方案是从“木牛流马”复原研究中引申而来的。“木牛流马”是中国古代一种著名的机械发明，虽然至今仍众说纷纭，但依据史籍记载及历来大多数人的想法，这是一种失传千年之久的奇妙机械，其奇妙处就在于它有接近牛马的行走方式，即是一种步行机。现代试验的绝大部分步行机都装有发动机或电源，通过电动、液压或机械传动机构使腿和脚掌实现步行动作。现在可以肯定，在一千七百年前的古代中国，不会有适合移动的小型发动机，古代步行机的能源只能是人对机架的推动，以地面对脚掌的反力驱使其轮番完成支地与迈步动作，而造成木牛自动行走的错觉，参照车轮有从动轮与主动轮（躯动轮）之分，步行机也可分为主动步行机和从动步行机。“木牛流马”是一种从动四足步行机。

步行运动最简单方式是两条腿交替支地，人和鸟的两条腿是左右配置的，尺蠖的运动也可看作是一种步行运动，相当于两条腿前后对称配置。马惯常取这样一种步态，可称为对角同步两点支撑，其两条前腿类似人的步态，两条后腿类似鸟的步态，同一侧的两条腿则类似尺蠖的步态，复原木牛流马最好是模拟马的这种步态，其一侧的机构就是一类对称的多连杆机构，在一次试验中，机架杆没有固定牢，在试验中发生了绕定点转动，于是联想到车轮的轮辋，轮辋就是绕定点即车轴转动的，此时脚掌的运动类似于低压充气轮胎的一段轮缘，如此想到低压充气轮胎可看作是广义的从动步行机构，其步行运动的实现主要有赖于弹性介质的变形，是一种环形的结构。反之，对称性从动步行机构也可以扩充成环形对称多杆机构，实现了从往复摆动式步行机到旋转式步行机的转变。往复摆动式步行机（动物肢体都只作往复摆动体）的设计中，提高抬腿迈步的高度及增大落地、离地轨迹的曲率半径是比较困难的，这会影响其越野性能。往复运动受杆件自身惯性影响，提高运行速度比较困难。转变为旋转式步行机后，这两类问题迎刃而解。用杆件和运动副使脚掌实现步行运动可以比低压充气轮胎的轮缘更发挥出步行的优点，主要是相对轨迹接地段更长些，通过合理的设计可以减少因变形和运动副摩擦产生的能耗。从动步行机构与低压充气轮胎的类同，则为实现步行轮与一般车轮的通用性，以及良好密封提供了条件。

把对称型步行机构扩充为环形对称多杆机构，杆件和运动副数目空前繁多，多达百余杆。与技术上一种普遍的习惯见解相抵触。多杆机构是连杆机构中较为复杂的，它具有实现多项高难度运动要求的较大潜力，一般说来，其设计工作量和难度也会急剧增加，由于不可避免的设计上和制造上的误差以及运动副间隙容易累积起来，使机构很难达到必要的运动精度，也容易发生自锁，而不能运转。

这里主要是用“局部锁定”技法来解决的，即在整个运动周期中的一段时间内，对某个运动副给予限制，使其失效。这是动物在步行运动中一种现象，例如人腿的膝盖骨就起“局部锁定”作用，其结果是降低了步行运动中对肌肉进行控制的难度，在多杆机构中运用“局部锁定”，可以限制传力的作用范围和误差间隙积累的破坏作用。本发明人在木牛流马复原研究中取得过两次初步突破（在报刊和电视上有过报导），一次是小模型，用的是对称十八杆机构，另一次是大模型，用的是非对称十七杆机构，制造都比较简陋，误差和运动副间隙很明显，杆件繁多，动作复杂，按常规推断它们都不可能完成从动步行运动，事实上都顺利完成了，其中一个原因就是运用了局部锁定技巧。本发明也将运用这一技巧。

图1是本发明一种实施例的示意图。在轮式拖拉机安装驱动轮的部位，已有连杆式步行轮取代了充气轮胎它没有轮缘与地面接触，每个连杆式步行轮通常有两个脚掌（2），支撑在地面上，见图1上部，在行驶中支地脚掌与轮辋间有确定的相对运动，使轮轴离地高度和前进速度基本不变，即保证行驶的平顺性。当支地脚掌前方一个脚掌（倒车时则为后方）开始落地时，处于后方（倒车时为前方）的脚掌开始离地（见图1下部）若一个脚掌正踩在一块凸起物上，则短时间内只有这一个脚掌起支撑作用。

图2是本发明的机构原理，即机构运动简图。本发明主要是一套环形对称多杆机构，它由执行杆组和传动杆组及公共杆构成，在本实施例中，这两种杆组都有10组，相间配置。因用途的差异，也可以把每种都设计成9组或11组、12组。同一种杆组具有相同的结构，因所在位置不同而处于不同的状态，图2只表示了几个杆组，已不难推断出全部结构及其环形对称形象。执行杆组的特征是没有以刚性运动副连向公共杆，它以腿杆（3）为中心，外端（以离开车轴中心远处为外，接近轴心为里，下同）。以球铰（4）与脚掌（2）连接，也可以用其它结构来取代球铰，例如摆环和十字接头等，要保证脚掌相对脚杆有3个或4个自由度。脚掌（1）由两部分构成，一部分是机体，另一部分可以更换的接地板，相当于鞋。腿杆中段两侧各铰接一条支杆（5），支杆相对于腿杆的转动受固定在腿杆上的挡销（6）的限制，这种限制在这个杆组在接地状态时起“局部锁定”作用，为减少行驶时的噪声，挡销与支杆的接触处要垫进柔性材料;为提高行驶速度，可添加弹簧使支杆保持接近挡销（6）的趋势。腿杆里端两侧各有一条曲线导槽（7）;导槽外端封口在接地态时起“局部锁定”作用。

传动杆组配置在两组执行杆组之间，可再细分为里外两部分，外侧是一个对称的四连杆机构，其机架杆是轮辋（2），即这个机构的拉杆（8）铰接在轮辋上，轮辋又是这整个环形对称多杆机构的机架杆，这是一个公共杆。当这个步行轮作为驱动轮使用时，轮辋固定在车轴上，与一般驱动轮没有差别。当这个步行轮作为从动轮使用时，则通过轴承装在车轴上，与一般从动轮没有差别。因此本发明的连杆式步行轮可以和普通车一样很方便地装在越野车辆上。

本发明虽然主要作为驱动轮使用，但是从车轴传来的旋转动力没有直接使任一个可称之为主动件的杆件动作去带动整个机构完成步行运动。车轴带动轮辋转动时，若没有脚掌接触地面，所有腿杆都处于不确定的运动状态而不能完成步行动作。作为一套实现预期的相对确定动作的机构，它必需包含有主动件，这里，主动件是在地面反力的作用下，由腿杆依次轮番充当的，但任一个腿杆都不能持续充当主动杆而使整套机构运动进行一个周期。

拉杆（8），利用一对辅助曲面（下述）和运动副间隙的作用，只受拉力而不受压力，两条拉杆（8）铰接的连杆具有对称形状，命名为杠杆（9），它靠里的两铰销分别与接近的支杆（5）铰接。这是两种杆件组外侧的连接点。当连接这一个传动杆组的两个执行杆组都支撑在地面上时，就会尽量向里挤，连接这一个传动杆组的两件支杆（5）都靠上了挡销（6），即外侧连接点相对脚杆（3）没有位置变化，起“局部锁定”作用，地面反力大部分都通过这里传到杠杆（9）上，从杠杆（9）两边传来的力部分抵消，抵消后的合力一部分通过拉杆（8），另外大部分通过一对辅助曲面传到轮辋上，其中一个动曲面（10）固定在杠杆（9）上，另一个是定曲面（11）固定在轮辋（2）上，两曲面接触，基本上作纯滚动，故承压虽大，而摩擦能耗较小。

传动杆组靠里的部分是一个梯形机构，这个梯形机构的机架杆命名为环形连杆（12），又是一个公共杆，它把10个梯形机构连在一起。它又以三个等长曲柄（13）与轮辋（2）铰接，构成一个平行四连杆机构，它的中心通常靠向起支撑作用的执行杆组。两条连架杆（14）各有三个铰接点，中间的点铰接在环形连杆（12）上，一端铰接着短连杆（15），另一端的铰销（16）插进腿杆（3）的曲线导槽（7）中，这是两种杆组的另一连接点，命名为里侧连接点，当连接这一个传动杆组的两个执行杆组都支撑在地面上时，它们的两个里侧连接点都处于腿杆（3）上曲线导槽（7）的外端，而处于局部锁定状态，只要这两个执行杆组都支撑在地面上，由车辆重量（比单个步行轮重得多！）产生的地面反力就迫使里外四处连接点处于“局部锁定”，即两处支杆（5）靠紧挡销（6），支杆（5）与腿杆（3）成一体（有点弹性变形）;两处曲线导槽（7）只有外端接触铰销（16），这种局部锁定状态，使得这两个执行杆组和它俩中间的传动杆组的运动只受公共杆和地面的制约，而不受其它所有杆组的影响，由于接触地面而传递进来的、由车辆重量和发挥牵引力所产生的地面反力，也就不影响其它所有杆组，这三个受地面反力影响的杆组及公共杆在这段“局部锁定”过程中，可作为“独立机构”看待，所包含的杆件和运动副数目比整个环形对称多杆机构大大减少了，而且重负荷主要影响“独立机构”外侧以杠杆（9）为中心的7个运动副，受力及相对位移量最大的是一处刚性滚动副-定曲面（10）与动曲面（11），这些措施使本发明滚动时的内部摩擦耗能减少，这就基本保证杆件如此繁多的机构仍能承受重载而运行。

本发明的多数构件都活动在轮辋之内，轮辋由两块盘状物合成一个中空盒，结合处有密封垫（17），腿杆与脚掌伸出在轮辋之外，但只在一个很有限范围内往复伸缩摇晃。所以可用弹性密封套（18）连在轮辋和脚掌上，至此所有运动副都可得到良好密封。

本发明的连杆式步行轮的预期效果是，比轮胎越野性好，容易克服打滑和下陷，容易发挥牵引力，对土壤破坏小。比低压轮胎寿命长，比履带轻巧，密封性好。故适合在水田、滩涂、沼泽、翻浆地、原野、冰雪、沙漠、戈壁、耕地、林区、山地等等广泛区域上行驶、推进或作业，也可在它硬路面上平顺行驶而不破坏路面，可与普通车轮通用互换。所用零件形状较简单、种类少、适合批量制造，造价较低。

Claims (5)

1、一种连杆式步行轮，由轮辋、脚掌及多杆机构组成，其特征是，由组数相等相间布置的执行杆组和传动杆组以及环形连杆(12)、等长曲柄(13)共同构成的环形对称多杆机构，设置在刚性的呈中空盒状的轮辋内，环形对称多杆机构的腿杆(3)伸出轮辋(2)，通过球铰(4)与脚掌(1)相连接，环形对称多杆机构的等长曲柄(13)和拉杆(8)铰接在轮辋(2)上，使套装在车轴上的轮辋(2)成为整套机构的机架，执行杆组由腿杆(3)和二条支杆(5)铰接而成，腿杆(3)的中部位置固定着限制支杆(5)摆动的两个挡销(6)，起“局部锁定”作用，腿杆(3)的里端设置有限制连架杆(14)上的铰销(16)运动范围的曲线导槽(7)，也起“局部锁定”作用，传动杆组的外侧杠杆(9)铰接两条拉杆(8)，并和执行杆组的支杆(5)铰接，传动杆组的里侧有短连杆(15)铰接两条连架杆(14)，连架杆(14)又与环形连杆(12)相铰接，传动杆组的杠杆(9)固定着一个动曲面(10)，与固定在轮辋(2)上的定曲面(11)相接触，起到传递压力的作用。

2、如权利要求1所述的连杆式步行轮，其特征是所述的执行杆组和传动杆组的组数相等，可分别为9、10、11和12。

3、如权利要求1所述的连杆式步行轮，其特征是所述的脚掌是由基体和可以更换的接地板组合而成。

4、如权利要求1所述的连杆式步行轮，其特征是所述的轮辋由两块盘状物对合而成，其结合处设有密封垫（17），轮辋（2）与脚掌（1）之间由伸缩密封套（18）相套连。

5、如权利要求1所述的连杆式步行轮，其特征是经常有两个脚掌接地，并在地面反力作用下可靠地实现行走。

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