CN110329388A - 一种优化设计的多级连杆十二足代步车 - Google Patents

一种优化设计的多级连杆十二足代步车 Download PDF

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汪千金
赵精伟
舒玉恒
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吴超
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Abstract

本发明公开了一种优化设计的多级连杆十二足代步车，主要由多级连杆机构、曲轴、减速电机、踏板构成。曲轴与多级连杆机构相连，在电机驱动下转动并带动多级连杆机构做周期性运动，将电机旋转运动转化为足部步行动作。多级连杆机构由左右两组驱动机构组成，每组驱动机构由三个成120度相位差的多级连杆机构串联组成。本发明的多级连杆机构各连杆长度是以足端运动轨迹为优化目标经过优化设计而得到的最优数值，优化后的连杆机构中各连杆长度满足一定比例关系，使得连杆机构的足端与地面接触时垂直方向位移波动小，同时在做抬腿运动时足端离地面距离尽量高，使得车体的运动平稳性和越障能力得到最大程度提升。

Description

一种优化设计的多级连杆十二足代步车
技术领域
本发明涉及足式代步车的技术领域，具体涉及一种优化设计的多级连杆十二足代步车。
背景技术
目前市面上的代步车大多是传统式的轮式结构，本发明根据多级连杆机构的运动特点，设计了一种足式代步车，并经过连杆参数优化提升运行稳定性和越障能力，使其代步体验得到提升，实用性得到提高。此外，由于采用复杂的连杆机构，本发明具有较高的机械原理展示功能和观赏价值。
发明内容
本发明涉及一种优化设计的多级连杆十二足代步车，多级连杆机构各连杆长度是以足端运动轨迹为优化目标经过优化设计而得到的最优数值，优化后的连杆机构中各连杆长度满足一定比例关系，使得连杆机构的足端与地面接触时垂直方向位移波动小，同时在做抬腿运动时足端离地面距离尽量高，使得车体的运动平稳、越障能力强，同时可以展现机械原理，观赏性强，可用于科技馆和景区游客乘坐。
本发明采用的技术方案是：一种优化设计的多级连杆十二足代步车，包括踏板、多级连杆机构、曲轴和减速电机，其中：
所述的踏板，用于承载乘客和联结下方连杆机构；所述踏板由板面和连接块组成；
所述的曲轴，用于传递电机减速器输出的动力至各多级连杆机构；所述曲轴由一级输入曲柄、一级曲杆、一级输出曲柄、二级输入曲柄、二级曲杆、二级输出曲柄、三级输入曲柄、三级曲杆、三级输出曲柄组成；一级输入曲柄与电机减速器输出轴相连，一级输出曲柄与二级输入曲柄通过花键连接，一级输入曲柄与一级输出曲柄通过一级曲杆与两者孔轴配合；二级输入曲柄通过二级曲杆的孔轴配合与二级输出曲柄连接，二级输出曲柄与三级输入曲柄花键配合，三级输出曲柄通过轴承固定在多级连杆机构上；
所述的多级连杆机构，用于将电机输出的旋转运动转化为代步车前进所需的腿部动作；所述多级连杆机构包括：左AD杆、左AG杆、左上三角、左CG杆、左EF杆、左下三角、右下三角、右EF杆、右CG杆、右AG杆、右上三角、右AD杆；各连杆左右两侧对称分布；左AD杆、左AG杆、右AD杆、右AG杆连接在曲杆上。左上三角和左下三角通过左CG杆、左EF杆连接，右上三角和右下三角通过右CG杆、右EF杆连接；
所述的减速电机，用于驱动曲轴带动多级连杆机构运动；所述减速电机，输出扭矩应能满足代步车行走扭矩要求，保证代步车的正常启动和负载运动。
其中，所述的多级连杆机构包括中各连杆长度满足如下比例关系：
AB AD AG BC CG EF CD CE DE GF GH FH
47.5 136.8 174.3 131 103.6 123.2 102 99 157 96 119 151
注：该杆长比例关系是以车体行进过程中连杆机构的足端与地面接触时垂直方向位移波动尽量小和抬腿运动时足端离地距离尽量大为优化目标，通过Adams与Matlab联合仿真优化得到的最佳设计数据，以保证代步车的运动平稳性和越障能力。
其中，所述的多连杆机构由左右两组驱动机构组成，每组驱动机构的三个曲柄相互之间呈120度空间角度相位差布局，在减速电机的驱动下三个多级连杆机构呈120度相位差周期性运动，保证在任意时刻有6条腿与地面接触。
其中，各级曲柄通过六齿花键配合并且相互交错一个齿的角度，以此保证曲轴的三个曲柄在装配时各自相差120度空间角度。
本发明原理为：一种优化设计的多级连杆十二足代步车，包括踏板、多级连杆连杆机构、曲轴，其中：
所述的踏板，与代步车下部多级连杆机构固定连接，操作者可以站立在踏板上控制代步车运动；
所述的多级连杆机构，共六组每侧三组串联组成，用于驱动代步车运动；
所述的曲轴，用于将电机动力传输到各多级连杆机构中，并且使得每侧三个多级连杆机构存在120度旋转角度差；
其中，所述的多级连杆机构包括机架BC、上三角、下三角、曲柄AB、连杆AD、连杆AG、连杆CG、连杆EF。
其中，以杆BC为机架，AB为曲柄CD为摇杆AD为连杆构成曲柄摇杆1；以杆BC为机架，AB为曲柄CG为摇杆AG为连杆构成曲柄摇杆2。
其中，上三角和下三角通过连杆CG、EF连接。
利用多级连杆的运动特性，足端周期性与地面接触，驱动代步车运动，选用合适尺寸的连杆，通过曲轴将电机的动力输入。选择合适的连杆尺寸可以增加其稳定性，同时提高代步车的越障能力。其构成简图如图1所示，在代步车运行时，两侧的电机通过曲轴将动力输入到多级连杆机构中，由于多级连杆机构的特殊性，机构足端周期性与地面接触并驱动整机行走。在代步车需要转弯时，操作者可以通过控制器改变两侧电机的转向，从而使两侧的连杆机构形成转速差，带动整车转向。
采用Adams软件对装置的连杆运动规律进行了仿真计算。仿真中，选取一组合适的杆长，添加驱动后，在仿真中绘制出足端运动轨迹，将足端运动轨迹导入Matlab软件进行直线拟合计算和高度测量，在一定范围内改变杆长进行反复计算和测量，根据结果选取一组具有最优杆长组合，保证足端与底面接触的时候足端的高度基本保持不变，在一次循环中“抬腿”的高度较高，具有一定的越障能力。
本发明的有益效果是：
利用了多级连杆机构的运动特点，将其和代步车结合起来，增强了趣味性和观赏性，同时经过连杆参数优化之后，代步车的运动平稳性和越障能力得到提高。
(1)本发明的多级连杆机构各连杆长度是以足端运动轨迹为优化目标经过优化设计而得到的最优数值，优化后的连杆机构中各连杆长度满足一定比例关系，使得连杆机构的足端与地面接触时垂直方向位移波动小，同时在做抬腿运动时足端离地面距离尽量高，使得车体的运动平稳性和越障能力得到最大程度提升。
(2)本发明由两个电机驱动，可以通过控制左右两个电机的正反转实现前进、后退和转弯，控制简单，运动灵活。
(3)本发明具有较高的观赏性和趣味性，同时也能直观展示机械原理，可用于科技馆内的儿童和景区游客乘坐使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明踏板结构视图；
图3是本发明的曲轴的爆炸视图；
图4是本发明的多级连杆机构的结构视图；
图5是本发明仿真优化过程中部分足端轨迹展示，其中，图5(a)为第一组，图5(b)为第二组，图5(c)为第三组；
图6是本发明最优连杆比例参数；
图7是多级连杆关节的关键部位结构图，其中，图7(a)为踝关节结构图，图7(b)为髋关节结构图。
附图标记含义为：1为踏板，2为多级连杆机构，3为曲轴，4为减速电机，101为板面，102为连接块，201为一级输入曲柄，202为一级曲杆，203一级输出曲柄，204为二级输入曲柄，205为二级曲杆，206为二级输出曲柄，207为三级输入曲柄，208为三级曲杆，209为三级输出曲柄，301为左AD杆，302为左AG杆，303为左上三角，304为左CG杆，305为左EF杆，306为左下三角，307为右下三角，308为右EF杆，309为右CG杆，310为右AG杆，311为右上三角，312为右AD杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，结合附图对本发明进一步详细说明。此处所描述的具体实施方案仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种优化设计的多级连杆十二足代步车，包括踏板1、多级连杆机构2、曲轴3和减速电机4。
如图2所示，所述踏板1由板面101和连接块102组成。板面101和连接块102通过螺钉连接固定，连接块102通过螺钉与多级连杆机构固定。
如图3所示，所述曲轴3，用于传递电机减速器输出的动力至各多级连杆机构；由一级输入曲柄201、一级曲杆202、一级输出曲柄203、二级输入曲柄204、二级曲杆205、二级输出曲柄206、三级输入曲柄207、三级曲杆208、三级输出曲柄209组成。一级输入曲柄201与电机减速器输出轴相连，一级输出曲柄203与二级输入曲柄204通过花键连接，一级输入曲柄201与一级输出曲柄203通过一级曲杆202与两者孔轴配合；二级输入曲柄204通过二级曲杆205的孔轴配合与二级输出曲柄206连接，二级输出曲柄206与三级输入曲柄207花键配合，三级输出曲柄209通过轴承固定在多级连杆机构上；
如图4所示，所述多级连杆机构2，用于将电机输出的旋转运动转化为代步车前进所需的腿部动作；包括：左AD杆301、左AG杆302、左上三角303、左CG杆304、左EF杆305、左下三角306、右下三角307、右EF杆308、右CG杆309、右AG杆310、右上三角311、右AD杆312。各连杆左右两侧对称分布。左AD杆301、左AG杆302、右AD杆312、右AG杆310连接在曲杆上。左上三角303和左下三角306通过左CG杆304、左EF杆305连接，右上三角311和右下三角307通过右CG杆309、右EF杆308连接；
各组成部件之间的连接关系如下所述：连接块102通过螺钉固定在面板101上，连接块102下部有孔通过螺纹与多级连杆机构2固定连接；每侧的各多级机构之间通过长轴肩螺钉连接形成一个整体；各多级连杆机构的动力通过曲轴输入，在配合时保证左AD杆301、左AG杆302、右AD杆312、右AG杆310通过轴承连接在各级的曲杆上；一级输入曲柄201与电机输出轴连接，一级输出曲柄203与二级输入曲柄204通过花键连接，二级输入曲柄204通过二级曲杆205的孔轴配合与二级输出曲柄206连接，二级输出曲柄206与三级输入曲柄207花键配合，三级输出曲柄209通过轴承固定在多级连杆机构上。
为了简化多级连杆机构中各连杆复杂的连接关系，设计了其重要关节处的机械结构，连杆AG、连杆CG和下三角之间都要有相对运动，在套筒里装入两个深沟球轴承，连杆CG和套筒间焊接，连杆AG通过两个凸缘轴承与心轴连接。轴承之间、轴承和下三角之间用套轴向固定。
相对于踝关节的结构，髋关节由于存在机架，结构相对比较复杂，机架、上三角、套筒间都需要有相对运动。机架和心轴间相对固定，套筒中装入两个深沟球轴承，上三角板1、板2各用两个凸缘轴承和心轴连接。在机架和轴承、轴承和轴承间用轴套轴向固定。
基于多级连杆机构的十二足代步车运动过程描述：减速电机带动两侧的曲轴旋转，两侧曲轴通过各级曲杆带动多级连杆机构运动。由于曲轴上三个曲杆在空间上相差120度，多级连杆机构在运动时也存在120度相位差，每侧的三个多级连杆机构依次与地面接触驱动代步车运动。通过控制两侧的电机转速来操控代步车实现转弯、前进、后退等功能。
本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (4)

1.一种优化设计的多级连杆十二足代步车，其特征是：包括踏板(1)、多级连杆机构(2)、曲轴(3)和减速电机(4)，其中：
所述的踏板(1)，用于承载乘客和联结下方连杆机构；所述踏板(1)由板面(101)和连接块(102)组成；
所述的曲轴(3)，用于传递电机减速器输出的动力至各多级连杆机构；所述曲轴(3)由一级输入曲柄(201)、一级曲杆(202)、一级输出曲柄(203)、二级输入曲柄(204)、二级曲杆(205)、二级输出曲柄(206)、三级输入曲柄(207)、三级曲杆(208)、三级输出曲柄(209)组成；一级输入曲柄(201)与电机减速器输出轴相连，一级输出曲柄(203)与二级输入曲柄(204)通过花键连接，一级输入曲柄(201)与一级输出曲柄(203)通过一级曲杆(202)与两者孔轴配合；二级输入曲柄(204)通过二级曲杆(205)的孔轴配合与二级输出曲柄(206)连接，二级输出曲柄(206)与三级输入曲柄(207)花键配合，三级输出曲柄(209)通过轴承固定在多级连杆机构上；
所述的多级连杆机构(2)，用于将电机输出的旋转运动转化为代步车前进所需的腿部动作；所述多级连杆机构(2)包括：左AD杆(301)、左AG杆(302)、左上三角(303)、左CG杆(304)、左EF杆(305)、左下三角(306)、右下三角(307)、右EF杆(308)、右CG杆(309)、右AG杆(310)、右上三角(311)、右AD杆(312)；各连杆左右两侧对称分布；左AD杆(301)、左AG杆(302)、右AD杆(312)、右AG杆(310)连接在曲杆上；左上三角(303)和左下三角(306)通过左CG杆(304)、左EF杆(305)连接，右上三角(311)和右下三角(307)通过右CG杆(309)、右EF杆(308)连接；
所述的减速电机(4)，用于驱动曲轴带动多级连杆机构运动；所述减速电机(4)，输出扭矩应能满足代步车行走扭矩要求，保证代步车的正常启动和负载运动。
2.根据权利要求1所述的一种优化设计的多级连杆十二足代步车，其特征是：所述的多级连杆机构包括中各连杆长度满足如下比例关系：
AB AD AG BC CG EF CD CE DE GF GH FH 47.5 136.8 174.3 131 103.6 123.2 102 99 157 96 119 151
该杆长比例关系是以车体行进过程中连杆机构的足端与地面接触时垂直方向位移波动尽量小和抬腿运动时足端离地距离尽量大为优化目标，通过Adams与Matlab联合仿真优化得到的最佳设计数据，以保证代步车的运动平稳性和越障能力。
3.根据权利要求1所述的一种优化设计的多级连杆十二足代步车，其特征是：所述的多连杆机构由左右两组驱动机构组成，每组驱动机构的三个曲柄相互之间呈120度空间角度相位差布局，在减速电机的驱动下三个多级连杆机构呈120度相位差周期性运动，保证在任意时刻有6条腿与地面接触。
4.根据权利要求1所述的一种优化设计的多级连杆十二足代步车，其特征是：各级曲柄通过六齿花键配合并且相互交错一个齿的角度，以此保证曲轴的三个曲柄在装配时各自相差120度空间角度。
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