CN201128445Y - 一种四足行走机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种四足行走机构，具体提供一种与真实四足动物行走步伐相同，且能够真正实现灵活转弯功能的四足行走机构，其结构包括外壳，所述外壳内设置有步伐驱动机构和转向机构，所述步伐驱动机构连接设置于外壳下方的腿部，所述转向机构分别连接外壳前方的头部和腿部。与现有技术相比，本实用新型的一种四足行走机构，具有结构简单，利于生产、能稳定行走、能灵活实现自然转弯且能耗较小等特点。

Description

一种四足行走机构

技术领域

本实用新型涉及一种四足行走机构，具体提供一种与真实四足动物行走步伐相同，且能够真正实现灵活转弯功能的四足行走机构。

背景技术

目前的各种四足行走机构，包括各种四足行走类动物玩具和四足机器人，其要么没有转弯机构；要么行走机构非常复杂，主要存在着两大缺陷——行走步伐为对角线行走，这与真实四足动物的步伐不符，从而导致稳定性差；转弯方式为双前腿同时、同步幅硬性转弯，步伐没有改变，这样就出现了，因为转弯过程中四足的步幅大小与角度配合的不协调而导致足与地面产生强制滑移，相关专利例如：01112242.0，200420044587.8，99203367.5等等。自然界中四足动物在行走中的稳定步态是单腿抬起向前迈，其余三条腿支撑向后登，一条腿落地后另一条腿又抬起的，在行走过程中始终有三条腿支撑着身体重量，如此循环往复；如果需要改变行走方向，它们在转弯时的步态是通过外侧腿走大步，内侧腿走小步实现的，这样才可以减少转弯半径并快速转弯，本实用新型的行走步态及转弯方式即为这种自然界中四足动物的姿态。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构相对简单，利于生产、能稳定行走、能灵活实现自然转弯且能耗较小的新型四足行走机构。驱动方式可以为蓄电池供电或者小型汽油发动机及人力驱动。本实用新型客适用于玩具、军事及野外作业、探险等方面。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种四足行走机构，包括外壳，所述外壳内设置有步伐驱动机构和转向机构，所述步伐驱动机构连接设置于外壳下方的腿部，所述转向机构分别连接外壳前方的头部和腿部。

头部和腿部连接有人力驱动装置。

步伐驱动机构为凸轮机构。

步伐驱动机构为齿轮机构。

于现有技术相比，本实用新型的一种四足行走机构能灵活实现自然转弯且能耗较小，具有结构简单，利于生产、能稳定行走等特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为一种四足行走机构的腿部结构示意图(实施例1)；

图2为一种四足行走机构的凸轮机构结构示意图(实施例1)；

图3为一种四足行走机构的齿轮机构结构示意图(实施例1)；

图4为一种四足行走机构的转向机构结构示意图(实施例1)；

图5为一种四足行走机构的人力驱动机构结构示意图(实施例1)；

图6为一种四足行走机构确保停止时四蹄着地的电路原理图(实施例1)；

图7为一种四足行走机构的腿部结构示意图(实施例2)；

图8为一种四足行走机构的腿部结构示意图(实施例3)；

图9为一种四足行走机构的步伐驱动机构结构示意图(实施例3)；

图10为一种四足行走机构的腿部结构示意图(实施例4)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为对本实用新型的限定。

实施例1：

以前腿为例，如图1所示，其一共包括四段，从下至上依次为蹄1、小腿2、大腿3、膀4，相临各段腿杆之间关节处相互铰接。为实现腿抬腿的仿生弯曲——蹄1与大腿3之间、两个关节前后相反的部位，采用一根弹簧连杆6连接，该弹簧杆同时具有拉伸和压缩的作用，以确保蹄1着地时与地面平行；小腿2与膀4之间、两个关节前后同向的部位，采用连杆7连接。膀4通过关节件5与机架8连接，关节件5类似于十字万向连轴器，但其两条旋转轴线不同心，其与膀4铰接于水平轴线，与机架铰接于垂直轴线。后腿与前腿结构完全一样，只是形状和弹簧连杆6的连接点方向不同，后腿蹄1与大腿3之间、两个关节前后相同的部位。

每一条腿上有两个从动液压杆，其中一个关联摆腿一个关联抬腿，分别为摆腿从动杆9和抬腿从动杆10。摆腿从动杆9的活塞杆与膀4铰接，其缸体与关节件5活动连接。抬腿从动杆10的活塞杆与大腿3铰接，其缸体与膀4活动连接。

步伐驱动机构：可采用凸轮机构或者齿轮机构。

首先说明一下步伐，四足动物的真实行走步伐顺序为一左前、一右后、一右前、一左后，如此循环，即当其中一条腿抬腿向前迈步的时候，其余三条腿同时着地向后登步，那么把一条腿完整一步的整个运动过程视为一个周期，则抬腿向前迈步占1/4周期，着地向后蹬步占3/4周期。每一条腿按步伐顺序依次相差1/4周期，便非常接近了四足动物的真实行走步伐，又因为随时有三条腿着地，所以行走的稳定性大大优于以对角线行走的方式。

一、凸轮机构：

要满足上述腿的运动周期状态，就需要摆腿从动杆9的运动具有同样的周期效应，即伸展占3/4周期，收缩占1/4周期。如图2所示，摆腿从动杆9与摆腿主动杆11通过液管连通，摆腿主动杆11的运动就需具有与摆腿从动杆9相反的周期效应。摆腿主动杆11的缸体与机架活动连接，其活塞杆与步幅从动杆12的活塞杆铰接。步幅从动杆12的缸体与杠杆机构13固定连接为一个整体。杠杆机构13的磙子14顶在摆腿凸轮15上，摆腿凸轮15转动则推动杠杆机构13摆动，杠杆机13摆动则推拉摆腿主动杆11的活塞往复运动。摆腿凸轮15的推程运动角为270度，回程运动角为90度，这样就满足了摆腿运动的周期效应。

在腿的运动过程中，抬腿从动杆10只在腿向前迈步的过程产生一次伸缩运动，而腿向后登步的过程抬腿从动杆10停歇不动，为更简便的实现这种停歇往复的周期运动，本方案采用凸轮来实现。抬腿凸轮16的推程运动角为45度回程运动角为45度停歇角为270度。抬腿主动杆17的缸体固定在机架上，其活塞杆顶在抬腿凸轮16上。抬腿主动杆17与抬腿从动杆10之间通过液管连通。

一个摆腿凸轮15与一个抬腿凸轮16同轴并列组成一个凸轮组，摆腿凸轮15的推程运动角与抬腿凸轮16的停歇角处于同一旋转角范围之内。两个杠杆机构13以垂直180度对称的位置相对顶在摆腿凸轮15上，两个抬腿主动杆17以水平180度对称的位置相对顶在抬腿凸轮16上。四条腿一共两个凸轮组同轴并列，两个凸轮组之间旋转角度相位差为90度。四个凸轮在转动过程中，同时产生回程运动的抬腿主动杆17和摆腿主动杆11，对应连接到同一条腿的抬腿从动杆10和摆腿从动杆9。四个凸轮在转动过程中四条腿的连接顺序，以满足前述步伐顺序为准。

二、齿轮机构：

如图3所示，杠杆机构13通过一个连杆19与曲柄20连接，抬腿主动杆17顶在凸轮18上，凸轮18与曲柄20固定为一个整体，与凸轮18同轴固定的是由齿轮21和齿轮22组成的齿轮组甲，齿轮21和齿轮22均为半圆齿轮，相互的无齿部分与对方的有齿部分对应重合。与齿轮组甲啮合的是由齿轮23和齿轮24组成的齿轮组乙，其中齿轮23为半圆齿轮。齿轮23与齿轮22啮合，并且其有效齿数相等。齿轮21与齿轮24啮合，齿轮21的有效齿数是齿轮24齿数的1.5倍。齿轮组甲(轴甲)与齿轮组乙(轴乙)啮合旋转产生的结果是，当齿轮22与齿轮23啮合，轴乙转半圈带动轴甲转半圈，当过度到齿轮21与齿轮24啮合，轴乙转1.5圈带动轴甲转半圈。与齿轮组甲同轴的凸轮18每转动一圈就产生了一个周期变化，即其中半圈占1/4周期，另半圈占3/4周期，凸轮18的推程运动角为90度、回程运动角为90度、停歇角为180度。那么与曲柄连接的杠杆机构13和凸轮18推动的抬腿主动杆17的往复运动都具有了与上述凸轮机构相同的周期效应。

分别与四条腿关联的四个齿轮组甲分为两组分别与两了齿轮组乙啮合，两个齿轮组乙同轴固定且方向完全一致。把齿轮组甲如左图划分为4个相位，四个齿轮组甲与两个同轴的齿轮组乙的啮合点依次相差一个相位，顺序以步伐顺序为准。

转向机构：

如图4所示，摆杆32与外壳的脖子固定，当外壳的头部转动时，摆杆随之摆动，摆杆的摆动端与一根封闭的套索25固定，套索25的索套端子固定在机架上，套索25同时与偏移杆26固定，偏移杆26在套索25的牵引下随摆杆32做往复运动。偏移杆26两端各有一个滑槽，滑槽内套住一个磙子，该磙子固定在连杆29的中间，连杆29的两端与转向杆31铰接，转向杆31与关节件5固定。左右转向杆31、关节件5、连杆29之间的角度和长短关系与汽车的转向机构类似，目的是为满足条件——在转弯过程中，内外侧的腿相对于同一圆心的半径不同，其转角弧度也就不同。

偏移杆26与两个滑套27固定，滑套27套在滑轨28上，目的是使偏移杆26只能产生位移不能产生摆动。步幅主动杆30其缸体与机架固定，其活塞杆与偏移杆26固定。四个步幅主动杆30两个分为一组，分别位于偏移杆26的左右两侧，同侧的两个步幅主动杆30分别关联同侧的前后腿。步幅主动杆30与关联相同腿的步幅从动杆12连通。当步幅主动杆30被偏移杆26牵引伸缩时，步幅从动杆12同时产生伸缩。根据杠杆原理，当步幅从动杆12的活塞杆往外伸出时，与其像铰接的摆腿主动杆11的活塞行程就会增加，反之则减小。由此在转弯过程中，实现了四条腿步幅大小的自动适应。

人力驱动装置：

如图5所示，与外壳的脖子固定有摆杆32，推拉外壳的脖子，摆杆32则带动与之铰接的齿条34来回运动。与齿条34啮合的是两个单向齿轮35，分别与齿条34的上下两个有齿面啮合，两个单向齿轮的受力方向相同。与两个单向齿轮35分别同轴固定有一个主动轮33，两个主动轮33通过链条或皮带分别与两个从动轮36连动，两个从动轮36同轴固定。从动轮36的轴为所驱动机械的源动轴。

确保停止时四蹄着地的电路：

如图6所示，铜片38通过4个成直角关系的触点37与电阻片40接触，铜片38可旋转，电阻片40的长度以铜片38在旋转过程中只能随时有1个触点37与电阻片接触为准。当铜片上的一个触点37与电阻片脱离时，下一个触点37不能立即与电阻片接触，此间应具有一定的角度间隙。铜片38上的其中一个触点37与电阻片40从开始接触到脱离这个过程与任意一条腿向前迈步的抬腿至落腿过程同步。铜片38加上电阻片40构成类似开关的结构——开关甲与开关39并联，再与电机串联。当开关39闭合时，开关甲因有电阻存在所以在电路中无效，当开关39断开时，如过此时有一条腿悬空，那么铜片38与电阻片40则处于闭合状态，电机就会继续旋转直至铜片38与电阻片40脱离，此时原本悬空的腿刚好着地而下一条腿还未抬起，从而停止于四腿着地的状态。

电阻片40之所以采用电阻片而不采用铜片，是为了在停止过程中逐渐减速，以避免由于惯性使十字铜片转过断路的角度，而不能停止。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别只是腿的结构不同。

本实施例的腿采用一种标准的平行四连杆机构。如图7所示，腿杆1与摇杆2铰接于D点，摇杆2的支点6(c点)与连接件5铰接，摇杆2的另一端与抬腿从动杆10的缸体铰接于B点，抬腿从动杆10的活塞杆顶端A点固定磙子3。抬腿从动杆10、摇杆2、腿杆1、连杆7的铰接点构成一个平行四边形。各段的长度关系，按ABCDE点划分，AB/DE＝CB/CD。滑槽4与连接件5固定为一个整体。摆腿从动杆9的活塞杆与抬腿从动杆10的活塞杆顶端铰接，摆腿从动杆9的缸体与连接件5固定。接件5与机架铰接。

将前腿的结构前后镜像就得到后退的结构。

实施例3：

如图8所示，以前腿为例，其一共包括四段，从下至上依次为蹄1、小腿2、大腿3、膀4，相临各段腿杆之间关节处相互铰接。为实现腿抬腿的仿生弯曲——蹄1与大腿3之间、两个关节前后相反的部位，采用一根弹簧连杆6连接，该弹簧杆同时具有拉伸和压缩的作用，以确保蹄1着地时与地面平行；小腿2与膀4之间、两个关节前后同向的部位，采用连杆7连接。膀4通过关节件5与机架6连接，关节件5类似于十字轴，但其两条旋转轴线不同心，其与膀4通过轴承套接于水平轴线，与机架铰接于垂直轴线。膀4的顶端通过轴承与轴9套。接后腿与前腿结构完全一样，只是形状和弹簧连杆6的连接点方向不同，后腿蹄1与大腿3之间、两个关节前后相同的部位。

每一条腿上有一个关联抬腿的从动液压杆8。从动杆8的活塞杆与大腿3铰接，其缸体与膀4活动连接。

步伐驱动机构：

如图9所示，套接于膀4顶端的轴9与连杆10铰接，铰接的转动轴心点在关节件5和机架6铰接的轴心线上。连杆10与滑秆12通过球形关节连接，滑杆12可在滑套11中来回滑动，滑套11与机架固定。滑杆12的另一端固定磙子13，磙子13位于圆台凸轮14的轨迹槽当中。圆台凸轮转动可驱动滑杆12做往复运动。滑杆12通过连杆10可驱动膀4的上端往复摆动，与膀相连的腿则产生相应的摆动。在0偏移的状态下，滑杆12与连杆10处于同一直线上，滑杆12与机体的纵向轴心线在水平面上的夹角等于做最小转弯半径转弯时内侧腿的转动角度Q。以左前腿为例，轴9与连杆10铰接的铰接点A的运动轨迹与滑杆12处于同一直线上时，A点的运动幅度最小，A的运动轨迹与滑杆12之间的夹角越大点A的运动幅度就越大。如此，当机器做最小半径左转时，左前腿做逆时针转动至角度Q，此时腿部的摆动幅度最小。反之腿部的摆动幅度最大。这样，在转弯过程中，由于铰接点A的运动轨迹与滑杆12角度关系的变化自然实现了步幅大小的相应变化。

圆台凸轮14的推程运动角为270度回程运动角为90度，如此实现了往复摆腿的周期效应。前后两个圆台凸轮14分别关联两条前腿或两条后腿，两个圆台凸轮14之间相位差为90度。与圆台凸轮同轴有圆柱凸轮16，其推程运动角为45度回程运动角为45度停歇角为270度。抬腿主动杆15的缸体固定在机架上，其活塞杆前端固定有一个磙子13，磙子13位于圆台凸轮的轨道槽内。一个圆柱凸轮16同时作用于两个以180度位置对称的抬腿主动杆15，前后两个圆台凸轮之间的相位差为90度。也可以只采用一个圆台凸轮16，那么分别关联四条腿的四个抬腿主动杆15以十字对称的位置关系同时与圆柱凸轮16作合。

转弯机构：

与实施例1完全一致，只是本实施例中不再附加步幅调节液压杆。

实施例4：

本实施例与实施例3不同之处仅在于腿部。

如图10所示，腿杆1通过球形关节2与杠杆4的一端套接。定向器3是一个内圆可旋转的圆盘，类似于轴承，定向器3的内圆中间有一个滑槽，其外圆与机架固定。腿杆1的自球形关节以上部分位于定向器3的滑槽内，定向器3通过其中间的滑槽限定了腿杆1的摆动方向。腿杆1的顶端与连杆10通过球形关节连接于A点，A点、定向器3的圆心点、球形关节2的轴心点在0偏移状态下三点处于同一直线上。杠杆4的支点固定在机架上，其一端连接腿杆1，另一端与抬腿从动杆8的活塞杆铰接。抬腿从动杆8的缸体与机架铰接。

实施例5：

与实施例3相同的腿部结构，其驱动机构改为齿轮驱动。

该齿轮机构与实施例1中的齿轮机构相同。

以上所述的实施例，只是本实用新型较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1、一种四足行走机构，包括外壳，其特征在于，所述外壳内设置有步伐驱动机构和转向机构，所述步伐驱动机构连接设置于外壳下方的腿部，所述转向机构分别连接外壳前方的头部和腿部。

2、根据权利要求1所述的一种四足行走机构，其特征在于，所述头部和腿部连接有人力驱动装置。

3、根据权利要求1所述的一种四足行走机构，其特征在于，所述步伐驱动机构为凸轮机构。

4、根据权利要求1所述的一种四足行走机构，其特征在于，所述步伐驱动机构为齿轮机构。

5、根据权利1或2所述的一种四足行走机构，其特征在于，所述腿部包括蹄、小腿、大腿和膀，相临各段之间关节处相互铰接，蹄与大腿之间、两个关节前后相反的部位，采用一根弹簧连杆连接，小腿与膀之间、两个关节前后同向的部位，采用连杆连接，膀通过关节件与机架连接，关节件类似于十字万向连轴器，但其两条旋转轴线不同心，其与膀铰接于水平轴线，与机架铰接于垂直轴线，腿上设置有两个从动液压杆，分别为摆腿从动杆和抬腿从动杆，摆腿从动杆的活塞杆与膀铰接，其缸体与关节件活动连接，抬腿从动杆的活塞杆与大腿铰接，其缸体与膀活动连接。

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