CN115092282A - 一种仿生步行腿机构及特种车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生步行腿机构及特种车辆。所述仿生步行腿机构包括侧摆架、足端，以及安装在侧摆架和足端之间的四连杆机构；所述侧摆架上装有驱动其侧向摆动的摆动油缸；所述侧摆架上还装有竖向布置的第一油缸和水平布置的第二油缸；所述第一油缸和第二油缸用于驱动所述四连杆机构伸展或收缩，实现摆动相的跨步和支撑相的车体前移；所述四连杆机构与足端之间设有伸缩套和驱动所述伸缩套伸出或缩进的伸缩油缸。本发明的仿生步行腿机构可以提高承载能力，进一步地，具有高效、快速行走能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生步行腿机构及特种车辆，属于特种车辆领域。
背景技术
陆地移动(车辆)平台是实现人员和物品载运的主要方式，移动平台的行驶系统基本类型有：轮式、履带式和步式。轮式机动性高，能量利用效率高，适合铺装路面，履带式通过性好，但高速机动能力差，步式行驶系统通过性最好，可实现非连续性的行走跨越，但其速度低，能量效率低。
现有陆地移动装备平台的行驶系统有往双模态趋势发展，出现了轮履结合或者轮步结合的形式，以适应更广的复杂地形环境，其中轮步结合式的双行驶系统，轮式模式下具有轮式行走的效率，步行模式下具备高通过性。但是现有轮步结合平台的机动性差，不适合在铺装路面的高速行驶，没有真正拓展平台的应用场景，如步履挖掘机，其行驶系统也只针对山地非道路环境。
因此，双行驶系统下既能够依托道路环境实施轮式快速机动，又能够在无道路依托时以腿式结构行走和攀爬，将大大拓了展移动设备平台的应用领域和使用场景，是解决广大边疆山地区域物资输送和救援保障的有效途径。
现有移动装备平台的主要存在问题有：
1)多数为单行驶系统，极少采用轮步结合双行驶系统。
2)现有轮步双行驶系统，两者结合程度不高，特别是不能解决高速轮式行驶系统和重载高速步式行驶系统的有机集成；(如步履挖掘机，轮腿复合机器人等)。
3)现有轮步双行驶系统平台的承载能力不够，或者外廓尺寸大，不适合道路行驶。
步行腿机构是移动平台实现移动作业的结构保障，步行腿使得平台能够在复杂的非结构环境下稳定地行进，其构型不但影响平台整体的通行能力，也会对能量利用效率等产生重要的影响。
现有步行腿构型兼顾高承载、高速、高能效的相对较少，如仿生四足机器人大狗，虽然速度和能效相对较高，但是承载能力不够，在山地高原区域单机可运输的物资量有限；现有满足大承载能力的步行腿机构达不到高效快速行走。
发明内容
本发明旨在提供一种仿生步行腿机构及特种车辆，该仿生步行腿机构可以提高承载能力，进一步地，具有高效、快速行走能力。
本发明的仿生步行腿机构还具有高通过性和在极限大坡度上的驻锄功能。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种仿生步行腿机构，其结构特点是，包括侧摆架、足端，以及安装在侧摆架和足端之间的四连杆机构；
所述侧摆架上装有驱动其侧向摆动的摆动油缸；
所述侧摆架上还装有竖向布置的第一油缸和水平布置的第二油缸；所述第一油缸和第二油缸用于驱动所述四连杆机构伸展或收缩，实现摆动相的跨步和支撑相的车体前移；
所述四连杆机构与足端之间设有伸缩套和驱动所述伸缩套伸出或缩进的伸缩油缸。
由此，通过第一油缸和第二油缸的配合，在使得仿生步行腿机构撑起(步行模式)或收起(轮行模式)，双行驶系统相辅相成，互相独立，互不干涉。同时，伸缩油缸驱动伸缩套伸出，实现了在极限大坡度上的驻锄功能。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
在本发明其中一个优选的实施例中，所述四连杆机构包括连杆一，连杆二，连杆三和垂直腿连杆四；所述垂直腿连杆四的下端通过伸缩套铰接在足端上，该垂直腿连杆四的上端与连杆三的一端铰接相连，该连杆三的另一端与第一油缸的伸缩端铰接相连；所述垂直腿连杆四的中上部与连杆二的一端铰接相连，该连杆二的另一端与连杆一的下端铰接相连，连杆一的上端铰接在连杆三中部；所述连杆二与连杆一的铰接点与第二油缸的伸缩端铰接相连。
在本发明其中一个优选的实施例中，所述伸缩油缸安装在垂直腿连杆四内，所述伸缩套套装在所述垂直腿连杆四内，并由所述伸缩油缸驱动相对垂直腿连杆四伸出或缩进。
在本发明其中一个优选的实施例中，所述足端具有橡胶花纹底面，在足端与橡胶花纹底面之间设有弹簧。
在本发明其中一个优选的实施例中，所述第一油缸和第二油缸驱动四连杆机构等比例缩放。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种特种车辆，其包括底盘，装在底盘上的轮式行驶系统，所述底盘的左右两侧面纵向安装至少两组可以绕车体侧向摆动的所述的仿生步行腿机构，所述仿生步行腿机构收起后为轮行模式，所述仿生步行腿机构撑起时为步行模式。
由此，本发明的两种行驶系统实现了有机集成，完全保留了高速大承载的轮式底盘车辆行驶系统的基础上，增加了重载高速步行腿行驶系统，拓展了装备的应用范围。
在本发明其中一个优选的实施例中，所述仿生步行腿机构通过销轴铰接安装在底盘两侧的耳座上，所述侧摆架通过摆动油缸推动作侧向摆动。
在本发明其中一个优选的实施例中，所述特种车辆采用单动力源，该单动力源通过变速箱传动轴驱动车桥车轮进行轮式驱动，通过取力装置驱动泵来实现对仿生步行腿机构的摆动油缸动作；或
在本发明其中另一个优选的实施例中，所述特种车辆采用双动力源，其中一个动力源通过变速箱传动轴驱动车桥车轮进行轮式驱动，另一个动力源通过取力装置驱动泵来实现对仿生步行腿机构的摆动油缸动作。
在本发明其中一个优选的实施例中，所述底盘的左右两侧面纵向均安装有三组仿生步行腿机构。进一步地，前两组的仿生步行腿机构的伸腿方向和后一组的仿生步行腿机构的伸腿方向相反。这种可以更好地保证车辆上坡或下坡的稳定性能。
由此，本发明的特种车辆实现了双模态的移动行驶功能。轮行模式为高速底盘车辆行驶系统，步行模式满足重载快速行走需求；驱动模式相应的分为轮行和步行两种模式，驱动传动可相互独立，也可并联耦合，减小装机功率。
仿生腿足机构具备上下、前后和侧向摆动三个自由度。仿生腿足机构水平、垂直方向分别由驱动器驱动，实现运动解耦，使得腿足摆动油缸受力减小，能量利用效率高。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、仿生步行腿平行四连杆机构，实现高承载能力；
2、仿生步行腿垂直和水平运动解耦，设有伸缩机构，快速行走时，调节伸缩机构，可实现能量的高效利用；
3、仿生步行腿垂直腿的伸缩机构，障碍路段时，可调节伸缩机构，调节整机离地间隙和倾斜角度，实现高通行能力；
4、仿生步行腿垂直腿的伸缩机构，可起到驻锄助力作用，实现装备平台大坡度爬行。
相比现有的单行驶系统装备平台，本发明的双行驶系统平台可大大拓展装备的应用范围，本发明的两种行驶系统的有机集成，完全保留了高速大承载的轮式底盘车辆行驶系统的基础上，增加了重载高速步行腿行驶系统，可大大提高山地高原环境地区物资人员输送救援保障能力。
本方案的双行驶系统布置行驶稳定性高，可维护性好。双行驶系统相辅相成，互相独立，不干涉。
附图说明
图1是本发明一个实施例的仿生步行腿机构收起后状态图(轮行模式)；
图2是本发明一个实施例的仿生步行腿机构撑起时状态图(步行模式)；
图3是本发明一个实施例中仿生步行腿机构收起时的放大图；
图4是图3的另一侧面示意图；
图5是本发明一个实施例中仿生步行腿机构的工作原理图；
图6是本发明一个实施例中仿生步行腿机构伸出时的放大图；
图7是图6的另一侧面示意图；
图8是本发明一个实施例中仿生步行腿机构撑起时的放大图；
图9是图8的工作原理图。
图10是安装步行腿机构的车辆大坡度攀爬时后腿的驻锄助力的状态图
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
一种特种车辆，参见图1和图2，在高速轮式底盘的基础上，两侧面纵向安装可以绕车体3侧向摆动的仿生步行腿机构5，仿生步行腿机构5收起后为轮行模式，装备平台为高速越野底盘车辆，仿生步行腿机构5撑起时为步行模式，轮式行驶系统4的车轮悬架抬升锁止，装备平台可实现步行行走。
整体布置按照模块化设计：驾驶舱1，动力舱2前后布置，有效降低车身高度且动力总成结构紧凑易维护，车架3(含后任务平台)结合承载式和非承载式车身特点进行连接，满足步行模式下的大刚强度和大承载需求。
两外侧布置仿生步行腿机构5，与现有轮式行驶系统4有机集成，既相互独立又相辅相成：轮行模式，仿生步行腿机构5收起锁定，装备平台即为一成熟高速越野底盘车辆；步行模式，仿生步行腿机构5伸出撑起，轮式行驶系统4通过油气悬架收起锁止，装备平台变型为步行行走的机器人平台，可实现复杂大障碍地面条件下的通行能力。步行行驶系统的两外侧布置从功能上可以使得装备平台有更好的稳定性，也使得维护具有更好的可达性。
如图1和2所示，所述底盘的左右两侧面纵向均安装有三组仿生步行腿机构5。其中前两组的仿生步行腿机构5的伸腿方向和后一组的仿生步行腿机构5的伸腿方向相反。
如图3和4所示，仿生步行腿机构5通过销轴铰接安装在车架两侧的耳座上，通过摆动油缸5-9推动侧摆架5-1作侧向摆动，以实现步行行走时的装备平台转弯。
如图5-7所示，本实施例的仿生步行腿机构5由垂直油缸5-3，水平油缸5-8分别驱动四连杆机构(连杆一5-2，连杆二5-4，连杆三5-5和垂直腿连杆四5-6)的垂直运动和水平运动，从而实现摆动相的跨步和支撑相的车体前移，再由摆动油缸5-10推动侧摆架5-1实现侧摆运动，侧摆架类似髋关节，通过销轴与躯体车架连接。另有垂直支撑腿5-6内部设置有伸缩套5-10以及伸缩摆动油缸5-11，而且足端5-7采用橡胶花纹底面5-13和弹簧5-12，和伸缩摆动油缸5-11组成多级缓冲。由此，仿生步行腿机构5通过第一油缸5-3和第二油缸5-8将四连杆机构固定安装到侧摆架5-1上，第一油缸和第二油缸驱动平行四连杆机构等比例缩放，可实现垂直和水平两个方向运动的解耦，达到关节控制更简单，能量效率更高的效果。
步行腿在高效、快速行走时，伸缩摆动油缸5-11缩回，步行腿的垂直和水平方向实现运动解耦，足端5-7运动更高效，整体步行的能量利用效率更高；步行腿在越障、过壕沟等极限通过性要求时，伸缩摆动油缸5-11伸出，增大装备平台的离地间隙，实现高通过性需求，更可以在攀爬大坡度时，实现驻锄助力，如图10所示。
如图3和4所示，垂直腿连杆四5-6的下端铰接在足端5-7上，垂直腿连杆四5-6的上端与连杆三5-5的一端铰接相连，垂直腿连杆四5-6的中上部与连杆二5-4的一端铰接相连，连杆三5-5的另一端铰接在侧摆架5-1上。连杆二5-4的另一端与连杆一5-2的下端铰接相连，连杆一5-2的上端铰接在连杆三5-5中部靠侧摆架5-1的位置。
装备平台可采用单动力源或者双动力源驱动，对应两种行驶系统布置，驱动线路分为轮行驱动传动线路和步行传动线路。采用单动力源(如发动机)通过变速箱传动轴可驱动车桥车轮进行轮式驱动，通过取力装置驱动泵来实现对仿生步行腿机构5的摆动油缸动作；采用双动力源(如发动机+动力电池)，可以对双动力源进行混合连接，以实现装备平台驱动系统的高效大里程和减小装机功率。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本实施例的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种仿生步行腿机构，其特征在于，包括侧摆架(5-1)、足端(5-7)，以及安装在侧摆架(5-1)和足端(5-7)之间的四连杆机构；
所述侧摆架(5-1)上装有驱动其侧向摆动的摆动油缸(5-9)；
所述侧摆架(5-1)上还装有竖向布置的第一油缸(5-3)和水平布置的第二油缸(5-8)；所述第一油缸(5-3)和第二油缸(5-8)用于驱动所述四连杆机构伸展或收缩，实现摆动相的跨步和支撑相的车体前移；
所述四连杆机构与足端(5-7)之间设有伸缩套(5-10)和驱动所述伸缩套(5-10)伸出或缩进的伸缩油缸(5-11)。
2.根据权利要求1所述的仿生步行腿机构，其特征在于，所述四连杆机构包括连杆一(5-2)，连杆二(5-4)，连杆三(5-5)和垂直腿连杆四(5-6)；所述垂直腿连杆四(5-6)的下端通过伸缩套(5-10)铰接在足端(5-7)上，该垂直腿连杆四(5-6)的上端与连杆三(5-5)的一端铰接相连，该连杆三(5-5)的另一端与第一油缸(5-3)的伸缩端铰接相连；所述垂直腿连杆四(5-6)的中上部与连杆二(5-4)的一端铰接相连，该连杆二(5-4)的另一端与连杆一(5-2)的下端铰接相连，连杆一(5-2)的上端铰接在连杆三(5-5)中部；所述连杆二(5-4)与连杆一(5-2)的铰接点与第二油缸(5-8)的伸缩端铰接相连。
3.根据权利要求2所述的仿生步行腿机构，其特征在于，所述伸缩油缸(5-11)安装在垂直腿连杆四(5-6)内，所述伸缩套(5-10)套装在所述垂直腿连杆四(5-6)内，并由所述伸缩油缸(5-11)驱动相对垂直腿连杆四(5-6)伸出或缩进。
4.根据权利要求1所述的仿生步行腿机构，其特征在于，所述足端(5-7)具有橡胶花纹底面(5-13)，在足端(5-7)与橡胶花纹底面(5-13)之间设有弹簧(5-12)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的仿生步行腿机构，其特征在于，所述第一油缸(5-3)和第二油缸(5-8)驱动四连杆机构等比例缩放。
6.一种特种车辆，包括底盘，装在底盘上的轮式行驶系统(4)，其特征在于，所述底盘的左右两侧面纵向安装至少两组可以绕车体(3)侧向摆动的如权利要求1-4中任一项所述的仿生步行腿机构(5)，所述仿生步行腿机构(5)收起后为轮行模式，所述仿生步行腿机构(5)撑起时为步行模式。
7.根据权利要求5所述的特种车辆，其特征在于，所述仿生步行腿机构(5)通过销轴铰接安装在底盘两侧的耳座上，所述侧摆架(5-1)通过摆动油缸(5-9)推动作侧向摆动。
8.根据权利要求5所述的特种车辆，其特征在于，所述特种车辆采用单动力源，该单动力源通过变速箱传动轴驱动车桥车轮进行轮式驱动，通过取力装置驱动泵来实现对仿生步行腿机构(5)的摆动油缸动作；或
所述特种车辆采用双动力源，其中一个动力源通过变速箱传动轴驱动车桥车轮进行轮式驱动，另一个动力源通过取力装置驱动泵来实现对仿生步行腿机构(5)的摆动油缸动作。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的特种车辆，其特征在于，所述底盘的左右两侧面纵向均安装有三组仿生步行腿机构(5)。
10.根据权利要求9所述的特种车辆，其特征在于，前两组的仿生步行腿机构(5)的伸腿方向和后一组的仿生步行腿机构(5)的伸腿方向相反。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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