CN1177322A - 腿机构 - Google Patents

Abstract

一腿机构,其包括一个通过一髋关节(H)枢轴地连接于本体(1)或类似物的上臂(2)和一个通过一膝关节(K)枢轴地连接于上臂的另一端的下臂(3),所述本体(1)借助所述腿机构是可移动的,下臂的下端包括一支撑于行走面(M)的行走部件(9),在上臂(2)和本体(1)之间的髋关节(H)处和上臂(2)与下臂(3)之间的膝关节(K)处分别带有一致动器(4、5),用于影响相应关节的枢轴运动,在其中一个关节(K、H)处除了具有一主动致动器外还设置一被动的力传递装置(7)来通过一接收致动器(6、12)传递在主动致动器的作用下在关节处发生的枢轴运动角(α、β)的变化和一外部负荷,以便根据下臂(3)的下端的位置变化补偿该角度的变化。

Description

腿机构

本发明涉及权利要求1的前序部分所描述的类型的腿机构。

在本申请人从前的芬兰专利No.87171中特别描述了载承负载的腿机构的目的。这种腿机构的目的一方面是支撑其所载运的装置的本体所产生的负荷，另一方面是实现前进运动。这种具有一上臂和一下臂的腿机构通常与所谓“行走机器”连用。这种机器的运动模式是从哺乳动物的腿获得的，引起前进的行走运动取决于通过髋关节连接于本体(机架)的大腿(上臂)和通过膝关节连接于大腿的胫(下臂)的运动路径，这些运动路径是由于相对各关节发生的枢轴运动而产生的。

机器模仿自然界的运动路径时，对使上述部件运动的致动器和与其相关的控制操作设置有高级命令。为了在每一时刻就运动路径和负载情况而言使腿机构都具有正确的运动，控制和操作系统必须是高度复杂和功能可靠的，以便能够没有任何障碍地完成前进运动和负载支撑。

本发明的目的是消除上述缺点，并提供一种与机器本身相关的解决方案，其能够增加腿功能的可靠性并改进效率。为了获得此目的，按照本发明的腿机构以权利要求1所公开的特征部分为主要特征。基本概念是，在一个关节上发生的角度变化可以通过一特定的被动动力传递装置传给另一致动器的运动或者补偿所述角度变化的关节，以实现理想的运动路径。无需使用与上述致动器或关节相关的主动致动器来实现相应的理想运动，而是自动发生由于角度变化所产生的运动。

按照权利要求3所公开的一种有利的替代形式，被动动力传动装置传递膝关节的运动引起髋关节的运动。例如，当膝关节角度的绝对值增加，即下臂(胫)离开一预定的中间位置运动时，相应的髋关节朝向支撑面的角度会减小。下臂的下端的支撑点在这种情况下根据尺寸设计实施一种直线或接近于直线的运动。

一种替换形式是，使下臂的下端可以以这样一种方式在长度上变化，在作用在臂与支撑点之间的一致动器的运行过程中，当膝关节角度的绝对值增加时臂的下端处的支撑点移动得离臂的其余部分更远。

关于本发明所涉及的优选实施例，参考从属权利要求和下面的描述。

参照附图，在下述内容中说明本发明，其中：

图1为按照本发明的腿机构和所属致动器的侧视图；

图2为与图1所示的实施例相比略有改进的一实施例的示意性简图；

图3示出了髋关节结构的另一实施例；

图4示出了运动补偿的另一实施例；

图5示出了将腿机构连接于本体的替代形式；和

图6示出了一种使用了按照本发明的腿机构的机器。

图1以侧视图方式示出了按照本发明的腿机构的一第一实施例。该腿机构连接于由其所载运的一本体1上。这种连接是通过一髋关节H实现的，机构的一上臂2枢轴地连接于髋关节，该臂可在垂直平面内枢轴运动。一下臂3通过一膝关节K枢轴地连接于上臂2的另一端，该臂可在垂直平面内枢轴运动。在下臂3的下端有一支撑点A，它接受通过与行走面M接触所引起的负荷，并有一行走部件9枢轴连接于该支撑点A。通过一长度可变的主动致动器4来影响在上臂2的纵轴与垂直平面之间所形成的朝向行走面M的一角度α的变化，该主动致动器的第一端安装在本体1上，而其另一端安装在上臂2上。与此相对应，在膝关节K处设有另一个长度可变的主动致动器5，其第一端安装在上臂2上，而其第二端安装在下臂3上这另一致动器的长度变化引起朝向行走面M的形成于一预定的起始线与下臂的纵轴线之间的角度β的一种变化，该预定的起始线例如为平行于与机器本体1垂直的一条线的一垂直线。在图1所示的位置中，这一角度β的值为0，因为下臂3的纵轴线与称之为零线的线重合

上述由主动致动器所产生的功能在以前就是公知的，通过使用由联接于一压力介质源的压力介质，例如液压缸操作的并通过一阀控制的致动器4、5，可以以一种本身公知的方式实现上述功能。

一个被动的力传递装置7设置在膝关节K处，该装置不仅从位于同一关节K处用于改变关节角度β的主动致动器5的运动而且也从作用在行走部件上的外部负荷来接受其驱动力。提供该装置是为了将运动传递到位于髋关节H处的一接收致动器6。这就会引起髋关节H的角度α的变化，这一变化补偿了膝关节K的角度β的变化。

图1示出腿离开行走面M的情况。如果，例如角β增加，这就是说，下臂3(胫)从角β的值为0的中间位置向前摆动，则角α减小，也就是上臂2下降，如图中箭头所示。在上述力的正确传递的情况下，这样就可以使下臂3的下端处的支撑点A大致沿着图1中以一虚线示出的水平路径移动。在这种情况下，髋关节H的主动致动器4不必运动就可实现相应的运动，但可以独立于接收致动器6来使用它调节整个腿机构的高度。以这种方式，就可以通过主动致动器4在迈下一步之前使腿机构能离开行走面M而抬高。如果前面有阻挡物，需将腿机构抬得较高些，则使用髋关节H处的所述主动致动器4，使上臂2和下臂3同时提升。通过膝关节K的致动器5独立于上臂2的各瞬时高度位置，即独立于角度α实现下臂3和上臂2的联动。

在腿接触行走面M的情况下如下运行。在这一步骤的支撑阶段开始时，可以通过髋关节H处的主动致动器4将腿机构接触地面定位，因此上臂2降下，最好同时下臂3也从垂线作向前的枢轴运动，离开上臂2至角β的程度。在这种情况下，由腿机构所载运的本体1的负荷的一部分被导向该腿机构，而机器的其它腿机构同时接受本体负荷的其它分额。通过致动器5转动膝关节K，使取决于步长的角β减少，可以减少到相应于下臂3的中间位置为0的值，并转至负值，然后角β的绝对值又重新增加。按照同样的顺序，角α增加，当角β为0时角α达到其最大值，然后又减小。在一种理想的情况下，利用补偿作用使由腿机构载运的本体1的高度位置保持不变，换句话说，本腿机构的功能相当于一轮子。

移动上臂2的致动器、主动致动器4和接受来自主动力传递装置7的运动动力的致动器6均为长度可变型的，它们以这样一种方式一个接着一个连接，本体1上的主动致动器4的固定点以这样一种方式构成，使接收致动器6的紧挨着液压缸并指向上臂2的端部，而致动器6的第二端连接于本体1本身。当接收致动器6的长度变化时主动致动器4的长度并不自动变化。因此，致动器转动上臂2所形成的整个机构的长度变化仅仅归因于接收致动器6的长度变化。当利用主动致动器4使上臂2移动时发生一种相应的情况，即只有一个致动器引起总长度的变化，因为所述致动器可以彼此独立地操作，并且它们只是以机械方式一个接着一个地连接。在同时使用两主动致动器4和5的过程中，组合的致动器长度的变化是由于致动器4和6的联合运动所引起的。

在实践中，从膝关节K至髋关节H，产生运动的力是通过压力介质，例如液压油利用一种所谓被动回路10传递的构成力传递被动装置7的致动器的第一端安装于上臂2上，而其第二端安装于下臂3上，当膝关节K的角β从图1中所示的臂的纵轴相对于机器本体1位于垂直位置的下臂的中间位置增加时，压力介质从围绕活塞杆的致动器腔室传送到接收回路10中的管线10a的围绕活塞杆的腔室中。因此，致动器6缩回，同时装置7伸长。这一位置的相对侧通过压力介质的返回管线10b互相连接以形成一封闭回路。活塞和腔室的尺寸设计成使互相连接侧的体积变化彼此相应，还应使在角α的某一值上使角β的变化引起角α变化正确的角度。致动器4和5的这种组合就是所谓串列式缸。

除了有利的运动路径以外，本发明还提供了一种制动功能。例如当机器由腿机构支撑于行走面M上时，下臂3从图1所示的中间位置的转移立刻引起上臂2相对于本体1的下降。当下臂3处于枢轴向前或向后的位置时，以及当角β的绝对值倾向于增加时发生同样的现象。从受力的角度上看，在膝关节K上力的作用方式使得膝部的主动致动器5的尺寸可以设计得比通常的腿机构的该致动器小。

图1还示出了一种有利的机构，通过这种机构，上臂2和下臂3连接于本体并互相连接。上臂2由一平行四连杆机构构成，该平行四连杆机构包括一主臂2a，它主要接受负荷，并构成平行四连杆的一长边，它还用作主动致动器4的连接点该机构还包括一辅臂2b，它构成平行四连杆机构的第二长边。主臂和辅臂枢轴地连接于本体1，平行四连杆的另一端由一连杆8封闭，连杆8与主辅臂的端部彼此枢轴地连接，并以这种方式包含平行四连杆的短边。同时，连杆8与主臂2a的铰接点的轴线与主臂2a和下臂3之间的膝关节K的枢轴轴线重合。

连杆8成形为一板状件，其平面基本上位于机构的枢轴平面内。膝关节K的主动致动器5的一端连接于该板，其另一端连接于下臂3。

传递运动动力的被动装置7的一端随之枢轴地连接于连杆8，而其另一端枢轴地连接于下臂3。而且，装置7与连杆8之间的连接点的枢轴轴线可以与连杆8与辅臂2b之间的枢轴轴线重合，如图1所示。

长度可变的被动装置7进一步可以这样定位，当膝关节K与下臂3的下端的支撑点A之间的连线位于图1所示的中间位置，被动装置7上的连接点与该线重合时，被动装置7最短，即处于死点。在按照图1所示的解决方案中，以这样一种方式实现这种定位，装置7与下臂3的枢轴连接点设置在此线上，而与上臂2的枢轴连接点位于平行四边形的短边上的连杆8的转动中心的下点处。当角β的值为0时，该短边与该线或下臂处于其中间位置时的纵轴线重合。在被动装置7的最短位置，接收致动器6则处于其最长位置。不言自明，下臂3的纵轴线相对于平行四连杆的短边可以以另一种方式在其中间位置定向，被动装置7与上臂2的连接点可以提供在除平行四连杆的铰接点之外的其它地方。在这种情况下，也可以这样设置，使装置7的纵轴线与下臂3的纵轴线在下臂3的某一中间位置上重合。

图2示意性地表示出一种与图1中的实施例多少有些不同的机构的解决方案。接收致动器6和主致动器4的连接差别在于，在图1的实施例中，该对致动器在本体1一侧连接于辅臂2b与本体之间的铰接点，而在图2的实施例中，其连接于本体上的一单独铰接点。然而这种设置并不影响机构的基本功能。在下臂3中还采用了一种平行四连杆机构，其包括在膝关节K与支撑点A之间延伸、主要接受负荷的主臂3a和一与其平行的辅臂3b，其上端枢轴地连接于连杆8，而其下端枢轴地连接于行走部件9，支撑点A也与其枢轴地连接。通过这种解决方案，行走部件9相对于本体1保持在同一方向上，行走部件9可以是挨着行走面M放置的一盘形或其它形状片。被动的力传递装置7靠着上臂2的一端上的一自身点与连杆8枢轴地连接，且其另一端则枢轴地连接于臂3a。在其他方面，该机构的运行与上面所述的相同。

图3示出了髋关节H的另一种结构。上臂2和下臂3均由如图2所示的平行四连杆结构构成。上臂2在形成平行四连杆结构的短边的两铰接点上枢轴连接于本体1。主动致动器4与接收致动器6以这种方式机械连接在一起，使接收致动器6枢轴地连接于本体1，其另一端枢轴地连接于一杆臂11，杆臂11也枢轴地连接于本体1，在这种情况下，连接于平行四连杆的其中一铰接点。杆臂的相对端携带主动致动器4面向本体的一端。这一方案不同于图1和2所示的串列式缸的方案，但在其他方面，使用它可以得到类似的效果：主致动器4和接收致动器6以这样一种方式一起对上臂2的枢轴点产生影响，使它们可以单独动作，且它们的长度变化结合起来确定上臂2的位置的变化和角α的变化，而且，在按照图3的结构中，膝的被动致动器的下端连接点不在臂3的纵轴线上。然而这对机构的基本功能并没有影响。

图4示出了一种结构，在这种结构中，不是通过膝关节K处的被动的力传动装置7作用在髋关节H上，而是通过另一种方式可以获得补偿功能。在这种情况下，在髋关节H处需要的只是主动致动器4，图中示出了其端部连接于上臂2。在下臂3的下端固定一长度可调致动器12，从而使该下端设置成长度可调的，并因此获得补偿功能。随着角β的增加，被动的力传递装置7的长度变化将被传递，以构成接收致动器12的长度变化，其以这样一种方式补偿下臂3的位置变化，使致动器12变长，从而支撑点A的下端和行走部件9向下移动。当角β减小时，长度变化反向发生。在这种结构中也可限定某一中间位置或零线，在该位置角β为0，接收致动器12最短，在此位置上，下臂3的位置在两方向中任一方向的任何偏离将会引起该臂的下端处的支撑点A向更低的位置移动。

在图4的实施例中，也是通过一种压力介质，例如液压油，采用被动回路10在膝关节K和下臂2的下端之间传递力。其原理与上面参考图1-3所作的描述相同。

下臂3的下端结构是这样实现的，将所述接收致动器12固定安装在平行四连杆结构的臂3的短边上，致动器的下端，在本例中为液压缸的活塞杆端在点A枢轴地连接于一盘形行走部件9。点A可以认为是在臂下端的支撑点，通过该点在行走面M与本体1之间传递力。

就腿机构的运动限制而言，上面的叙述并不限定本发明。本发明优选具有这样一种结构，下臂3具有一很好限定的中间位置，其对于上述补偿运动也是极限位置，在该位置，通过补偿得到的髋关节H的角α最大，或下臂3的下端的可变长度最短，角β为0。臂3的纵轴与一预定的零线重合的中间位置可以通过一种静态有利的方式选择，例如，它可以是一条相对于机器本体1在某一方向上延伸的线。利用上臂2的平行四连杆结构可以实现这样的选择，因为相对于上臂2以某一角度延伸的上臂3相对于本体1也总是处于一精确预定的角度。

图5示出了腿机构在髋关节H处是如何通过将其枢轴地连接于一辅助本体1b而与本体1连接的，辅助本体1b可相对于本体1a的其余部分可枢轴旋转。因此，整个腿机构可以在由实际本体与辅助本体1b之间的关节所确定的运动边界之内转动。

出于举例的目的，图6示出了可以使用按照本发明的腿机构的一种机器。它涉及一种能够在特定场所内行走并打算在森林中工作的机器。该机器具有六条腿与本体铰接，每一侧有三条腿。在这一方案中，腿机构的枢轴旋转平面在前进方向上延伸，并且所述枢轴旋转平面也可旋转到另一平面内，因为髋关节H安装在一相对于本体的其余部分可枢轴转动的零件上，例如装在图5中所示的辅助机体1b上。然而，本发明可以用于其它类型的机器，它可以具有不同数量的腿，并以不同的方式连接于本体。

至于腿机构本身，本发明并不仅仅局限于上述实施例。在由权利要求书所表示的发明概念的范围内可以对本发明作出修改。例如，并非必须以图1-3所示的方式将致动器4-6一个接一个地机械连接。但无论如何，如果它们具有它们自己的铰接点，在主动致动器4内必须提供自由运动的可能性，例如在一液压缸的情况下为活塞相对侧的腔室之间的自由循环，因为在接收致动器6的运行过程中它也要运动。

腿机构的结构也可以以这样一种方式实现，致动器位于臂2和3之内。例如图1的表示可以理解为致动器在臂外的一侧视图，也可以理解为沿臂的中垂面截取的一剖视图，在这种情况下，枢轴转动的臂由平行的子臂对构成，在臂的内部，致动器铰接在子臂之间。

对本发明作适当的变化后就可与在申请人的早期专利No.87171中作过描述的、包含主动致动器力偶的腿机构连用。

Claims (12)

1.一种腿机构，其包括一个通过一髋关节(H)枢轴地连接于一本体(1)或类似物的上臂(2)和一个通过一膝关节(K)枢轴地连接于上臂的另一端的下臂(3)，所述本体(1)借助所述腿机构是可移动的，下臂的下端包括一支撑于行走面(M)的行走部件(9)，从而在上臂(2)和本体(1)之间的髋关节(H)处和上臂(2)与下臂(3)之间的膝关节(K)处分别带有一致动器(4、5)，用于影响相应关节的枢轴运动，其特征在于：在其中一关节(K、H)处除了具有一主动致动器外还设置有一被动的力传递装置(7)来通过一接收致动器(6、12)传递在主动致动器的作用下在关节处发生的枢轴运动角(α、β)的变化和一外部负荷，以便根据下臂(3)的下端的位置变化补偿该角度的所述变化。

2.如权利要求1所述的腿机构，其特征在于：被动的力传递装置(7)设置在膝关节(K)处，用于传递由位于该关节处的主动致动器(5)所引起的枢轴运动，以便根据下臂(3)的下端的位置变化补偿由所述枢轴运动所引起的角度的变化。

3.如权利要求2所述的腿机构，其特征在于：接收致动器(6)位于髋关节(H)处，并设置成影响上臂(2)的枢轴旋转角(α)的变化。

4.如权利要求2所述的腿机构，其特征在于：接收致动器(12)位于下臂(3)的下端，并设置成影响下臂(3)的长度的变化。

5.如前述任一权利要求所述的腿机构，其特征在于：被动的力传递装置(7)和接收致动器(6、12)为长度可调型的。

6.如权利要求3和5所述的腿机构，其特征在于：除了从被动的力传递装置(7)接收运动以外，作用在髋关节(H)处的主动力致动器(4)也是长度可调型的，并且所述致动器以这种方式一个接一个地连接，使它们的总的长度变化决定关节处的相应角度的变化。

7.如权利要求5或6所述的腿机构，其特征在于：主动致动器(4、5)、被动的力传递装置(7)和接收致动器(6、12)以通过压力介质操作的缸的形式来实现。

8.如前述任一权利要求所述的腿机构，其特征在于：上臂(2)以平行四连杆机构的形式来实现。

9.如权利要求8所述的腿机构，其特征在于：在上臂(2)的与膝关节(K)相邻的一端处有一连杆(8)，其形成平行四连杆机构的一部分，并用作位于膝关节(K)处的主动致动器(5)的一端的连接，所述致动器的另一端连接于下臂(3)。

10.如权利要求9所述的腿机构，其特征在于：被动的力传递装置(7)的一端连接于所述平行四连杆机构的连杆(8)，其另一端连接于下臂(3)。

11.如权利要求8-10中任一权利要求所述的腿机构，其特征在于：下臂(3)也是以平行四连杆机构的形式实现的。

12.如权利要求4和11所述的腿机构，其特征在于：位于下臂(3)的下端的致动器(12)安装在平行四连杆机构的短边上。

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