CN111017062A

CN111017062A - 一种柔性肢腿

Info

Publication number: CN111017062A
Application number: CN201911082884.9A
Authority: CN
Inventors: 鲁洁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-04-17

Abstract

本发明公开了一种柔性肢腿，包括：细长油缸、短粗油缸、弹性元件、主动调节模块；所述部件经液压油管连接组成一个可放大行程的柔性肢腿，所述柔性肢腿以细长油缸作为执行部件，将细长油缸设计成运动装置的机械假肢，或者弹性悬挂的外露部分，一方面获得较大的运动行程，另一方面将尺寸相对较大的弹性元件布置到整机内部的合适位置。本发明的有益效果是：采用的所述细长油缸的结构简洁，便于模拟动物的四肢外形或者运动肌肉；所述弹性元件通常尺寸较大可以隐藏布置到整机(或整车)内部合适位置。适合应用成为行走机器人的人工智能肢腿，或者轮式行驶装备的悬挂系统。

Description

一种柔性肢腿

技术领域

本发明涉及行走机器人领域和汽车领域，具体涉及机器人的仿生四肢结构，或者汽车底盘的悬挂系统。

背景技术

汽车悬架是连接车身和车轮的必要部件，它可以缓冲衰减来自于路面的冲击，同

时保证在高低不平路况下各个车轮及时抓地。其悬挂系统由导向机构、弹性元件、减

振部件组成，占用的布置空间较大。

近年来，出现以美国波士顿动力机器狗为代表的行走机器人，其行走四肢(或者

站立机器人的双脚)既是运动部件又是弹性支撑体，其弹性特征的研究与汽车悬架相关理论比较接近。

无论是汽车悬架，还是行走机器人，除了需要合理解决弹性支撑体弹性性能匹配问题，还面临零部件的实际空间布置难题。

本发明就是充分利用液压系统的帕斯卡原理，从而利用液压油来传递受力，使得结构简单的部件外露在整机的外部，将尺寸较大的部件隐藏布置在整机的内部合适位置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：

减小外露在整机机身(机器人躯干或车辆车身)的部件结构尺寸。将通常体积较大的真正的弹性元件柔性转移到任意适合安装的位置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

首先根据整机的总质量，并兼顾外部环境的冲击力情况，设计计算所述细长油缸的活塞杆最小允许直径r，这样使得所述柔性肢腿的对外外露输出部件体积最小。

利用液压油的不可压缩性，和液压油管可以自由弯曲布置的特性，选择使用液压方案来传递力与运动。因而，采用了细长油缸作为外露执行部件，采用短粗油缸作为调节力与行程关系的部件，将细长油缸接受到的路面的冲击力最终传递给弹性元件。

本发明充分利用液压系统的帕斯卡原理，即：串联中的两个直径不同的活塞，直径小的活塞行程大而传递的推力小，直径大的活塞行程小而传递的推力大。将所述短

粗油缸的活塞直径R设计成大于细长油缸的活塞直径r，使得短粗油缸向末端弹性元件传递的力较大而行程较短。

进一步地，所述短粗油缸和弹性元件因体积相对较大，不便于安装在细长油缸的活塞杆同轴线位置，但可以经柔性液压油管的连接，转移到任意其它合适位置安装。

进一步地，当需要改变所述细长油缸在某时刻的初始静平衡位置时，则利用所述主动调节模块向液压油路中补充或抽取液压油。主动调节模块是一个独立的电动液压泵站，某些应用场合不需要调节整机高度，则可以取消使用所述主动调节模块。

进一步地，通过选择合适的液压管路的内径，可以获得合适的运动阻尼，也可以在管路中串接一个节流阀实现阻尼可调节。此阻尼特性可以用来衰减弹性运动的往复振荡。从而取消了传统汽车悬架系统中的减振器。

进一步地，当采用压缩氮气作为弹性元件时，可以将所述短粗油缸和弹性元件两个组件简化为合二为一的蓄能器，具体形式可以是囊式蓄能器、隔膜式蓄能器或活塞式蓄能器。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明规避了常见钢板弹簧悬、扭杆弹簧、螺旋弹簧等单一弹性元件作为直接冲击接收部件在空间布置上的缺陷，充分利用液压油管的柔性来传递受力，从而简化了悬挂装置外露部分的结构。

本发明属于一种复合弹性综合体。目前工程领域的复合弹性综合体还有空气弹簧、油气弹簧。空气弹簧为满足气体的容量外形体积依然偏大，油气弹簧因制造工艺的原因通常也是体积较大仅适合于重载荷领域。本发明既适于轻载又适于重载应用场合，同等技术指标条件下执行机构的体积小于空气弹簧和油气弹簧，更利于空间布置。

本发明所采用的组成部件均为成熟制造工艺可完成的独立功能部件，油缸和弹性元件均为成熟的工业产品，因而成本低，生产周期短。

本发明合理利用液压管路，转移了运动和力的方向及大小，所述短粗油缸和氮缸可以灵活选择合适的位置进行安装，只有相对细而长的所述细长油缸暴露在机器的外部，从而有利于仿生肢腿的造型实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种柔性肢腿组成结构图；

图2为力与行程计算简化图；

图3为所述柔性肢腿在轮式车辆上的实施例。

图4为所述柔性肢腿在仿生机器人上的实施例。

图5为囊式蓄能器替代短粗油缸和弹性元件的实施例。

图中所示：11、细长油缸；12、短粗油缸；13、弹性元件；14、主动调节模块；15、液压管路；31、细长油缸；32、短粗油缸；33、弹性元件；34、轮毂与制动器；35、大梁；36、机械安装座。。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

如图1所示，一种柔性肢腿，其特征在于，它包括：细长油缸、短粗油缸、弹性元件、主动调节模块及必要的液压管路组成。

如图2所示，相关的理论计算如下：

假设细长油缸活塞半径为r,短粗油缸活塞半径为R,根据帕斯卡原理，相连通的液体容腔中各处的压强P相等：

P＝F1/(πr²)＝F2/(πR²)

则可推算出：

F2＝F1(R²/r²)

其中F1为簧上总重量分配到单个肢腿上的重量；r由实际受力状况设定合适的数值；也就是说，F1和r可视为由整机(整车)设计要求可推算出的已知量。

那么，选择合适的R,通常R＞r,则F2按指数关系增大。

同样地，根据液压油的不可压缩原则，两个油缸的容积变化相等，即：

πr²xL1＝πR²L2

其中L1为细长油缸的行程，L2为短粗油缸的行程；

那么，L2＝L1(r²/R²)，则L2按指数关系减小。

这样一来，短粗油缸传递给氮缸的力较大且行程较小，这正好与工程领域中的常见弹性元件特性相吻合。

如图3所示的实施例中，该轮式车辆总质量为4000kg，平均分配到四个车轮的柔性肢腿质量为1000kg，约10000N；根据工程经验和强度校核，细长油缸的活塞直接选择r＝25mm；初步试选短粗油缸的活塞半径R＝50mm，则推算出弹性元件的工作推力为40000N，该规格的选择氮气缸比较合适，再选取氮气缸的工作行程为40mm，则可推算出细长油缸的工作行程可达到160mm，此行程大于常规车辆的悬架工作行程(汽车领域称：静挠度与动挠度之和)，可获得车辆的良好舒适性。

本发明实施例中，所述细长油缸31的活塞杆连接轮毂与制动器34，从而引导轮胎上下运动；油缸的外缸筒属于固定零件，通过机械安装座36与车辆的大梁35固定连接。

本发明实施例中，所述短粗油缸32安装在细长油缸31的并列位置，充分利用了细长油缸31与大梁35之间的空档空间，短粗油缸32的外缸筒也是与机械安装座36固定连接。其运动活塞朝下，活塞的下方是弹性元件33。弹性元件33的底部也是固定安装在机械安装座36上。

进一步地，本发明实施例中，所述细长油缸31的活塞杆行程经计算可达160mm，根据与常规车辆对比，完全可以满足大多数实际路况的使用要求，因而，图3本发明实施例中取消了所述主动调节模块14。

进一步地，本发明实施例中的弹性元件33可以用螺旋弹簧、橡胶弹簧或其它弹簧来替代，在满足设计指标的前提下，综合考虑陈本、可靠性、疲劳寿命。

进一步地，本发明实施例中的弹性元件33和短粗油缸32可以选择在车辆的其它位置安装。

Claims

1.一种柔性肢腿，其特征在于，包括：细长油缸、短粗油缸、弹性元件、主动调节模块等零部件组成的柔性伸缩装置。所述细长油缸用作执行机构，它放大了所述短粗油缸的行程，且缩小了所述弹性元件的推力；所述短粗油缸其直径大于所述细长油缸，可以根据应用装备的总体设计参数计算出两种油缸的合适缸径和行程。外部路面的凸凹不平导致对细长油缸的冲击力，经由液压油传递到短粗油缸的活塞，最终传递给弹性元件。

2.根据权利要求1所述的一种柔性肢腿，其特征在于：利用液压油的不可压缩性来传递运动和传递受力，从而可利用液压油管的可自由弯曲特性，来灵活布置直径较大的所述短粗油缸和弹性元件。

3.根据权利要求1所述的一种柔性肢腿，其特征在于：可以根据需要扩充一套主动调节模块，用来智能调节所述细长油缸的初始位置；所述主动调节模块通过补充或者回收液压油的方式来工作，其液压油路直接与所述短粗油缸的液压油路相通。

4.根据权利要求2所述的一种柔性肢腿，其特征在于：在某些应用场合，可以取消液压油管，将所述细长油缸和所述短粗油缸的外缸筒制造成一体结构，内部液压油路保持连通。

5.根据权利要求3所述的一种柔性肢腿，其特征在于：根据实际应用场景的需要，可以取消所述主动调节模块，由所述细长油缸、短粗油缸、弹性元件三者组成的柔性肢腿系统，同样构成基本的工作系统。

6.根据权利要求1所述的一种柔性肢腿，其特征在于：所采用的弹性元件不限于常见的螺旋弹簧，还可以根据需要选择使用氮气缸、橡胶弹簧、钢板弹簧等其它形式的弹簧。

7.根据权利要求6所述的一种柔性肢腿，其特征在于：当采用压缩氮气作为弹性元件时，可以将短粗油缸和弹性元件两个组件简化为合二为一的蓄能器，具体形式可以是囊式蓄能器、隔膜式蓄能器或活塞式蓄能器。