CN111332383A - 一种凸轮联动式四足步行机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种凸轮联动式四足步行机，采用单一驱动力通过两路凸轮机构实现大腿平移和小腿摆动的运动解耦。大腿部的凸轮机构实现腿部平移运动，小腿部的凸轮机构实现抬腿运动。四个大腿凸轮之间具有一定的转角相位差，以满足四足交替的相位变化要求。当一条腿处于抬腿相时，其上凸轮摆杆机构带动小腿摆动，完成抬腿运动；当一条腿处于落地相时，其上凸轮摆杆机构处于休止期，使小腿保持直立。随着四条腿的依次抬腿完成一个步态周期。该步行机既可以保证每条腿的行走运动规律，又能实现行走过程中每一瞬时都有三足支撑，具有稳定性高的特点，且该步行机仅需一个驱动器，控制简单，传动精巧，利于整体结构的轻量化和小型化。

Description

一种凸轮联动式四足步行机

技术领域

本发明属于仿生四足机器人领域，具体涉及一种凸轮联动式四足步行机。

背景技术

步行机在运动过程中通过离散点与地面接触，各支撑腿可以实现非连续的地面支撑，灵活性较好，具有较强的越障能力和地形适应能力，在军事活动、灾难救援等复杂地形环境的物资运输中具有广阔的应用前景。目前四足步行机的驱动布局和设计形式多种多样，但是多数采用两个以上的独立驱动单元进行驱动，整体的质量和控制较为复杂，且可靠性较低。为此，本发明提出了一种采用单一动力输入的四足步行机构，避免了因过多驱动单元引入的大质量和低可靠性问题，同时通过机械创新设计，提出了一种以凸轮机构为核心的机械传动装置，实现了腿部水平运动和竖直运动的解耦以及四足的步态协调运动。

发明内容

本发明提供一种凸轮联动式四足步行机，采用单一驱动力通过两路凸轮机构实现大腿平移和小腿摆动的运动解耦，既可以保证每条腿的行走运动规律，又可以满足四足交替的相位变化要求，以保证四足移动机构行走过程的每一瞬时都有三足支撑。该步行机仅需一个驱动器，控制简单，且传动精巧，利于整体结构的轻量化和小型化，可搭载影像采集设备，实现狭窄空间的救灾探测；因其材料与制作成本低，在玩具开发中也有很好的应用前景。

本发明是通过下述方法实现的：

凸轮联动式四足步行机，由四条腿、传动系统以及工作台组成，各部分均通过支架安装在工作台上。电机的运动和动力通过齿轮系传递给各轴。两条前腿的大腿凸轮安装在前横轴上，两条后腿的大腿凸轮安装在后横轴上；当各大腿凸轮转动并分别带动各腿顶杆移动时，固连于各顶杆上的大腿部随顶杆同步移动，从而实现各大腿部分别沿各大腿轴的平移。四个小腿凸轮分别安装在各下置横轴上，当各小腿凸轮转动并分别带动各小腿部绕各小腿心轴摆动时，实现小腿的抬腿运动。各小腿支架分别固连于各大腿部上，实现各小腿部随各大腿部的平移。四个大腿凸轮在安装时保持各凸轮之间具有一定的转角相位差，实现当一条腿相对工作台向前平移时，另外三条腿相对工作台向后平移，且与此同时相对向前平移腿上的小腿部发生摆动，而相对向后平移各条腿上的小腿部保持直立，随着四条腿的依次抬腿完成一个步态周期。

技术效果如下：

1、本发明包含了四足步行机传动装置，将单一动力输入通过两路凸轮机构实现大腿平移和小腿摆动的运动解耦，既可以保证每条腿的行走运动规律，又可以满足四足交替地相位变化，以保证四足移动机构的行走。

2、本发明包含了大腿轴结构，使各条腿上的圆柱齿轮既能分别随大腿轴一起转动又能分别随大腿部一起沿大腿轴移动。

3、本发明包含了四个大腿凸轮和四个小腿凸轮，实现了抬腿相与落地相依次交替的步态周期。

4、本发明以简单的形式，合理的布局，实现了单一动力输入下的四足步行机研究，提高了该装置的可靠性和适用范围。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中凸轮联动式四足步行机的整体构造图。

图2是本发明中凸轮联动式四足步行机的主传动系统构造图。

图3是本发明中凸轮联动式四足步行机的左前腿构造图。

图4是本发明中凸轮联动式四足步行机的右前腿构造图。

图5是本发明中凸轮联动式四足步行机的左后腿构造图。

图6是本发明中凸轮联动式四足步行机的右后腿构造图。

图中：左前腿—1，右前腿—2，左后腿—3，右后腿—4，传动系统—5，工作台—6，大腿凸轮—11、21、31、41，顶杆—12、22、32、42，大腿部—13、23、33、43，小腿凸轮—14、24、34、44，小腿部—15、25、35、45，压紧弹簧—16、26、36、46，上置锥齿轮—171、172、271、272、371、372、471、472，圆柱齿轮—181、182、281、282、381、382、481、482，下置锥齿轮—191、192、291、292、391、392、491、492，大腿轴—111、211、311、411，下置纵轴—112、212、312、412，下置横轴—113、213、313、413，小腿心轴—114、214、314、414，顶杆导向支架—115、215、315、415，大腿轴支架—1161、1162、2161、2162、3161、3162、4161、4162，小腿支架—117、217、317、417，电机—51，主锥齿轮—521、522，主轴—53，前分流锥齿轮—541、542，后分流锥齿轮—551、552，前横轴—56，后横轴—57，电机支架—58，主轴支架—591、592。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1所示为凸轮联动式四足步行机，主要由左前腿1、右前腿2、左后腿3、右后腿4、传动系统5、以及工作台6组成。如图2～图6所示，各部分通过电机支架58、主轴支架591、592以及大腿轴支架1161、1162、2161、2162、3161、3162、4161、4162安装于工作台6上。

如图2所示，电机51的运动和动力经主锥齿轮521、522传递给主轴53，再经传动比为1的前分流锥齿轮541、542和后分流锥齿轮551、552分别传递给前横轴56和后横轴57，前横轴56带动两条前腿的大腿凸轮11、21转动，后横轴57带动两条后腿的大腿凸轮31、41转动。

如图3～图6所示，各条腿的由大腿到小腿的运动传递路线分别为：

左前腿1：前横轴56→上置锥齿轮171→上置锥齿轮172→大腿轴111→圆柱齿轮181→圆柱齿轮182→下置纵轴112→下置锥齿轮191→下置锥齿轮192→下置横轴113→小腿凸轮14；

右前腿2：前横轴56→上置锥齿轮271→上置锥齿轮272→大腿轴211→圆柱齿轮281→圆柱齿轮282→下置纵轴212→下置锥齿轮291→下置锥齿轮292→下置横轴213→小腿凸轮24；

左后腿3：后横轴57→上置锥齿轮371→上置锥齿轮372→大腿轴311→圆柱齿轮381→圆柱齿轮382→下置纵轴312→下置锥齿轮391→下置锥齿轮392→下置横轴313→小腿凸轮34；

右后腿4：后横轴57→上置锥齿轮471→上置锥齿轮472→大腿轴411→圆柱齿轮481→圆柱齿轮482→下置纵轴412→下置锥齿轮491→下置锥齿轮492→下置横轴413→小腿凸轮44。

当各大腿凸轮11、21、31、41转动并分别带动各腿顶杆12、22、32、42沿各顶杆导向支架115、215、315、415移动时，固连于各顶杆12、22、32、42上的大腿部13、23、33、43随相对应的顶杆同步移动，从而实现各大腿部13、23、33、43分别沿各大腿轴111、211、311、411的平移。

当各小腿凸轮14、24、34、44转动并分别带动各小腿部15、25、35、45绕各小腿心轴114、214、314、414摆动时，实现小腿的抬腿运动。

各小腿支架117、217、317、417分别固连于各大腿部13、23、33、43上，实现各小腿部15、25、35、45随各大腿部13、23、33、43的平移。

圆柱齿轮181、281、381、481分别安装在各大腿轴111、211、311、411上，各条腿上的圆柱齿轮181、281、381、481既能分别随各大腿轴111、211、311、411一起转动又能分别随各大腿部13、23、33、43一起沿各大腿轴111、211、311、411移动。

根据步态要求，四个大腿凸轮11、21、31、41在安装时应保持各凸轮之间具有一定的转角相位差，以完成抬腿相与落地相依次交替的步态周期。

抬腿相的小腿摆动，落地相的小腿直立，即：当各大腿凸轮11、21、31、41转动使各大腿部13、23、33、43相对于工作台6向前运动(即为抬腿相)时，相应小腿凸轮14、24、34、44完成推程以及回程，实现相应小腿部15、25、35、45的摆动；当各大腿凸轮11、21、31、41转动使各大腿部13、23、33、43相对于工作台6向后运动(即为落地相)时，相应小腿凸轮14、24、34、44处于近休，实现相应小腿部15、25、35、45的直立。

本例中，凸轮与从动件维持高副接触的方式分别为：大腿凸轮机构采用形封闭方式，即大腿凸轮采用端面凸轮保持高副接触；小腿凸轮机构采用力封闭方式，即各小腿凸轮机构分别采用压紧弹簧16、26、36、46保持高副接触。

调整大腿凸轮11、21、31、41推程角与回程角的比例关系，可以分别实现三足步态和二足步态，即当左右前腿的大腿凸轮11、21推程角与回程角的比例为1:3且左右后腿的大腿凸轮31、41推程角与回程角的比例为3:1时，可以实现三足步态；当各大腿凸轮11、21、31、41推程角与回程角的比例为1:1时，可以实现二足步态。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种凸轮联动式四足步行机，包括左前腿(1)、右前腿(2)、左后腿(3)、右后腿(4)、传动系统(5)、以及工作台(6)，各部分通过支架固定于工作台上，其特征是：电机(51)的运动和动力通过齿轮系传递给各轴；两条前腿的大腿凸轮(11、21)安装在前横轴(56)上，两条后腿的大腿凸轮(31、41)安装在后横轴(57)上，当各大腿凸轮(11、21、31、41)转动并分别带动各腿顶杆(12、22、32、42)移动时，固连于各顶杆(12、22、32、42)上的大腿部(13、23、33、43)随其同步移动，从而实现各大腿部(13、23、33、43)分别沿各大腿轴(111、211、311、411)的平移；四个小腿凸轮(14、24、34、44)分别安装在各下置横轴(113、213、313、413)上，当各小腿凸轮(14、24、34、44)转动并分别带动各小腿部(15、25、35、45)绕各小腿心轴(114、214、314、414)摆动时，实现小腿的抬腿运动；各小腿支架(117、217、317、417)分别固连于各大腿部(13、23、33、43)上，实现各小腿部(15、25、35、45)随各大腿部(13、23、33、43)的平移；四个大腿凸轮(11、21、31、41)在安装时保持各凸轮之间具有一定的转角相位差，实现当一条腿相对工作台(6)向前平移时，另外三条腿相对工作台(6)向后平移，且相对向前平移腿上的小腿部发生摆动，而相对向后平移各条腿上的小腿部保持直立，随着四条腿的依次抬腿完成一个步态周期。

2.根据权利要求1所述的一种凸轮联动式四足步行机，其特征是：电机(51)的运动和动力经主锥齿轮(521、522)传递给主轴(53)，再经传动比为1的前分流锥齿轮(541、542)和后分流锥齿轮(551、552)分别传递给前横轴(56)和后横轴(57)，前横轴(56)带动两条前腿的大腿凸轮(11、21)转动，后横轴(57)带动两条后腿的大腿凸轮(31、41)转动。

3.根据权利要求1所述的一种凸轮联动式四足步行机，其特征是：各条腿的由大腿到小腿的运动传递路线为，前横轴(56)或后横轴(57)的运动由各条腿的上置锥齿轮(171、172、271、272、371、372、471、472)分别传递给各大腿轴(111、211、311、411)，再由圆柱齿轮(181、182、281、282、381、382、481、482)分别传递给各下置纵轴(112、212、312、412)，最后由下置锥齿轮(191、192、291、292、391、392、491、492)分别传递给各条腿上的下置横轴(113、213、313、413)，由各下置横轴(113、213、313、413)分别带动各小腿凸轮(14、24、34、44)转动。

4.根据权利要求1所述的一种凸轮联动式四足步行机，其特征是：圆柱齿轮(181、281、381、481)分别安装在各大腿轴(111、211、311、411)上，各条腿上的圆柱齿轮(181、281、381、481)既能分别随各大腿轴(111、211、311、411)一起转动又能分别随各大腿部(13、23、33、43)一起沿各大腿轴(111、211、311、411)移动。

5.根据权利要求1所述的一种凸轮联动式四足步行机，其特征是：根据步态要求，四个大腿凸轮(11、21、31、41)在安装时保持各凸轮之间具有一定的转角相位差，完成抬腿相与落地相依次交替的步态周期。

6.根据权利要求1所述的一种凸轮联动式四足步行机，其特征是：抬腿相的小腿摆动，落地相的小腿直立。

7.根据权利要求1所述的一种凸轮联动式四足步行机，其特征是：当各大腿凸轮(11、21、31、41)转动使各大腿部(13、23、33、43)相对于工作台(6)向前运动时，相应小腿凸轮(14、24、34、44)完成推程以及回程，实现相应小腿部(15、25、35、45)的摆动；当各大腿凸轮(11、21、31、41)转动使各大腿部(13、23、33、43)相对于工作台(6)向后运动时，相应小腿凸轮(14、24、34、44)处于近休，实现相应小腿部(15、25、35、45)的直立。

8.根据权利要求5～7中任一项所述的一种凸轮联动式四足步行机，其特征是：调整大腿凸轮(11、21、31、41)推程角与回程角的比例关系，可以分别实现三足步态和二足步态。

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