CN201357883Y - 应用重心翻转过程迈步的四脚行走机器 - Google Patents

Abstract

一种应用重心翻转过程迈步的四脚行走机器，由主体框架、锥形支撑轴、盘簧发条盒、主驱动传动轴、传动推脚滑块、星形轮传动驱动轴、星形轮内传动齿轮及重心翻转锤、支撑脚和抬脚扭簧组成，利用机器整体重心在四脚所形成的两个不在同一平面上的三角形内来回翻转的过程中，抬起空闲的一只脚，达到机器迈步的目的；它运用直脚作支撑脚，作为运载机械，承重能力特别强，可用于解释建造埃及金字塔的巨石搬运方法以及小说三国演义中的步行机器“木牛流马”的原型，对现代步行机器的发明和制造是个有益的借鉴，用这个方法制造玩具，可以给广大的在生长发育过程中的儿童一个潜移默化的启智作用。

Description

应用重心翻转过程迈步的四脚行走机器

技术领域

本实用新型涉及一种应用整体重心翻转过程实现迈步的四脚行走机器。

背景技术

没有查找到非常类似的技术方案。在现有的肢体行走机械、玩具和行走机器人领域，大多数都忽略了对整体重心的运用，由于不重视整体重心的运用，使得机械在运行过程中，重心不稳；运行不滑顺；灵活度不足，承重能力也弱。本申请人认为，在上述领域忽略整体重心的研究运用是方向性错误。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种应用重心翻转过程迈步的四脚行走机器，以弥补上述现有技术存在的不足。

本实用新型的目的通过以下技术方案达到：一种应用重心翻转过程迈步的四脚行走机器，由主体框架、锥形支撑轴、盘簧发条盒、主驱动传动轴、传动推脚滑块、星形轮传动驱动轴、星形轮内传动齿轮及重心翻转锤、支撑脚和抬脚扭簧组成，主体框架与锥形支撑轴连接，锥形支撑轴套接在支撑脚上，在它们的连接处安装有抬脚扭簧；连接在底盖上的盘簧发条盒与传动齿轮啮合，主驱动传动轴两端的驱动齿轮各与传动齿轮啮合，同时第一传动挡板、上槽轮定位圆弧面和第二传动挡板分别与第一受力挡板、下槽轮定位圆弧面和第二受力挡板搭接；星形轮驱动齿轮与星形轮内传动齿轮啮合相连，同时星形轮内定位齿轮与星形轮外齿轮盘啮合相连，承力推栓套在后脚承推槽内连接。

所述的驱动齿轮∶星形轮传动齿轮的传动比为2∶1。

所述的星形轮驱动齿轮∶星形轮内传动齿轮的传动比为2∶1。

所述的星形轮外齿轮盘∶星形轮内定位齿轮的传动比为2∶1。

所述的支撑脚是直脚。

所述的主驱动传动轴的上槽轮定位圆弧面与传动推脚滑块的下槽轮定位圆弧面相互滑动连接形成间歇槽轮定位圆弧面结构。

所述的锥形支撑轴与支撑脚上端的刀口形连接孔连接，支撑脚可摇动自如地安装于主体框架上。

本实用新型的优点：以整体重心翻转过程实现迈步，①结构简单以及实施所需的工艺简单。②本实用新型运用直脚作支撑脚，作为运载机械，承重能力特别强，可用于解释古代人们搬运巨石的方法。对现代步行机器的发明和制造是个有益的借鉴。③本实用新型提出的行走方法运行滑顺，摩擦阻力小，行走省力。

附图说明

图1是本实用新型的起始位置原理俯视图。

图2是本实用新型的起始位置原理立体图。

图3是本实用新型的前脚抬起位置原理俯视图。

图4是图3的立体图。

图5后脚抬起位置原理俯视图。

图6是图5的立体图。

图7是完成一个步幅位置原理俯视图。

图8是图7的立体图。

图9是本实用新型中的实施例一“木牛流马”的各主要组成部件标注图。

图10是图9中主体框架(1)剖去一侧面板后的立体图。

图11是图9中主体框架(1)剖去一侧内外板后的立体图。

图12是实施例一“木牛流马”的各主要组成部件分解示意图。

图13是实施例一“木牛流马”的起始位置原理示意图。

图14是图13的立体图。

图15是实施例一“木牛流马”的前脚抬起位置原理示意图。

图16是图15的立体图。

图17是实施例一“木牛流马”的后脚抬起位置原理示意图。

图18是图17的立体图。

图19是实施例一“木牛流马”的步幅完成位置原理示意图。

图20是图19的立体图。

图21是实施例二“古代巨石运输方法”的立体示意图。

具体实施方式

本实用新型运用两个几何原理：①不在同一直线上的三点决定一个平面。②四边形对角线连接后，四个角点可形成四个三角形。

本实用新型涉及四脚行走运载机械和四脚行走玩具类技术领域，利用机器整体重心在四脚所形成的两个不在同一平面上的三角形内来回翻转的过程中，抬起空闲的一只脚，达到机器迈步的目的，参见图1-2。

I、静态结构说明

①设置一个平行于地面的重心翻转平面A。

②过机器及其被运载物的整体重心作垂直于平面A的法线，法线与A平面的交点O称为重心翻转点。

③过法线作两个平面B和C，使每一个平面平分机器及其被运载物，使平面两边的重量完全相等。A平面与B和C平面分别相交于重心翻转线ab和cd。

④在A平面上以重心翻转点O为圆心作一个圆，交重心翻转线ab和cd于四只点D、E、G、H，这四只点即为脚支撑点。将这四只点中不在同一重心翻转线上的两点设为前脚支撑点，另两点设为后脚支撑点。

⑤在A平面上设置一个重心翻转锤F。重心翻转锤F能在两前脚支撑点和两后脚支撑点的中点连线上来回运动，促使机器的整体重心在重心翻转线ab和cd两边类似于天平摆动。

⑥在支撑点上连接四只长短完全相等的支撑脚，在两前脚之间和两后脚之间各绑定一条长度相同的步幅限制绳，使两前脚与两后脚步幅完全一致。

II、运动过程说明

⑦起始位置：如图1-2，设d点为D支撑点上的脚的落地点，e点为E支撑点上的脚的落地点，g点为G支撑点上的脚的落地点，h点为H支撑点上的脚的落地点，N向为运动的前方向，S向为运动的反方向。当处在此位置时，机器的重心落在三角形Δdgh内。整个机器的重量主要由DGHdgh三棱柱形结构支撑。

⑧前脚抬起位置：如图3-4，当机器向N方向前进，从俯视角度看，重心翻转点O向d点和g点的连线靠近。当重心翻转点O完全和dg连线重合时，Dd脚和Gg脚落地且垂直于地面。此时除重心翻转锤外的整个机器形成一个天平，天平以平面DdGg为平分面，重心翻转锤为调节码。此时重心翻转锤F，处在以平分面DdGg为界的S向靠后位置，整个机器倒向S方向。整个机器的重量完全由DGHdgh三棱柱形结构支撑，重心翻转平面A与地面形成夹角，以地面为基准，高点在E点，低点在H点，e点离开地面悬空。前支撑脚Ee在N向力的作用下，向N方向抬起。在步幅绳的作用下，前支撑脚Ee不会无限抬高，以步幅绳拉紧为限，至此，前脚抬起动作完成。

⑨后脚抬起位置：如图5-6，Dd脚和Gg脚处在垂直于地面的位置不动。重心翻转锤F向N方向运动，穿过平分面DdGg运动到机器前端。此时，机器以平分面DdGg为界，重心翻转平面A向N方向翻转，倒向N方向。整个机器的重量由DEGdeg三棱柱形结构支撑。重心翻转平面A与地面形成夹角，以地面为基准，高点在H点，低点在E点，h点离开地面悬空。脚Hh在N向力的作用下，向N方向抬起。在步幅绳的作用下，脚Hh不会无限抬高，以步幅绳拉紧为限，至此，后脚抬起动作完成。

⑩完成步幅动作：当后脚Hh抬起后，重心翻转锤F转向S方向运动，到达重心翻转点O，重心翻转平面A再次翻转，翻转到与地面平行的位置，包括重心翻转锤F在内的整个机器，形成一个完整的天平。此时e点和h点均离开地面悬空，只有d点和g点落地支撑机器。之后，整个机器向N方向运动，由于向N方向运动，Dd脚和Gg脚脱离垂直于地面的位置，使整个机器失去垂直方向的支撑。由于机器受到Dd脚和Gg脚的N向前顶力的作用，整个机器向N方向下落，回到四只脚落地的状态。至此完成一个步幅，如图7-8，各脚的前后位置与图1-2所示的起始位置相反。

实施例一  木牛流马

在小说三国演义中，诸葛亮制造了一种步行机器叫“木牛流马”，本实施例用于解释并再现“木牛流马”的原型。它能用古代的制造技术实现步行，用这个方法制造玩具，可以给广大的在生长发育过程中的儿童一个潜移默化的启智作用。

I、木牛流马机器连接说明，参见图9-20。

主体框架1的支撑孔1-1与锥形支撑轴2连接，锥形支撑轴2套接在支撑脚8的刀口形连接孔8-1上，在它们的连接处安装有抬脚扭簧9。盘簧发条盒3连接在底盖上，与盘簧发条盒制成一体的驱动齿轮3-1与主驱动传动轴4一端的传动齿轮4-1啮合相连。主驱动传动轴4两端的驱动齿轮4-2各与星形轮传动驱动轴6上的传动齿轮6-1啮合相连，同时第一传动挡板4-3、上槽轮定位圆弧面4-4和第二传动挡板4-5分别与传动推脚滑块5的第一受力挡板5-1、下槽轮定位圆弧面5-2和第二受力挡板5-3搭接。星形轮传动驱动轴6上的星形轮驱动齿轮6-2与星形轮内传动齿轮及重心翻转锤7的星形轮内传动齿轮7-2啮合相连，同时星形轮内定位齿轮7-1与主体框架1内壁上的星形轮外齿轮盘1-2啮合相连。传动推脚滑块5的承力推栓5-4套穿过支撑脚8的后脚承推槽8-2内并穿在传动推脚滑块的螺栓孔5-5内固定连接。

II、机器运动过程说明

以下传动齿轮的传动比为：

驱动齿轮(4-2)∶星形轮传动齿轮(6-1)＝2∶1；

星形轮驱动齿轮(6-2)∶星形轮内传动齿轮(7-2)＝2∶1；

星形轮外齿轮盘(1-2)∶星形轮内定位齿轮(7-1)＝2∶1；

以上传动齿轮的传动比目的在于：当机器处于一个步幅的不同位置时，重心翻转锤应处于配合脚步的特定对应的位置，以促使机器在重心翻转平面前后翻转过程中准确迈步。

①起始位置：如图13-14，当重心翻转锤7-3处于机器靠后的水平位置，同时机器的两前脚FL、FR和一后脚BL朝前，另一后脚BR朝后。与BL脚连接的传动推脚滑块5的第一挡板5-1与同一侧的第一传动挡板4-3搭接。当机器处于此位置时为一个步幅的起始位置。后脚BL、BR也可前后交换，但此时5-1和4-3的搭接也应交换到另一侧。

②前脚抬起位置：如图15-16，主驱动传动轴4在盘簧发条3的驱动下转动，此时第一传动挡板4-3推动传动推脚滑块5向前运动，承力推栓5-4在后脚承推槽8-2内推动后脚BL运动到垂直于地面的位置。与此同时，驱动齿轮4-2推动星形轮传动齿6-1，星形轮驱动齿轮6-2推动星形轮内传动齿轮7-2；重心翻转锤7-3转动到机器的中线平衡位置，即重心翻转点。至此，主驱动传动轴4转过八分之一转。当后脚运动时，前脚FR与后脚BL形成一对支撑点，由于重心在后，重心点落在FR、BL、BR三脚着地点形成的三角形内。脚运动后使四脚支撑点到地面的距离不同，高点在重心翻转线FR、BL两脚上，低点在脚BR上，这时空闲的前脚FL离地轮空，在抬脚扭簧9的作用下抬起。

③后脚抬起位置：如图17-18，主驱动传动轴4继续转动，驱动各部件运动，重心翻转锤7-3转到靠前位置。上槽轮定位圆弧面4-4与下槽轮定位圆弧面5-2滑动搭接，固定后脚BL处于垂直位置不动，由于重心翻转锤7-3运动到靠前位置，重心翻转在前，由FL、FR、BL三脚支撑机器的重量，空闲的后脚BR离地轮空，在抬脚扭簧的作用下抬起。

④步幅完成位置：如图19-20，主驱动传动轴继续转动，驱动各部件运动，星形轮内传动齿轮及重心翻转锤转到起始位置。第二传动挡板4-5推动第二受力挡板5-3运动使脚向后运动完成一次迈步。注意，当后脚开始向后运动时，重心翻转锤7-3刚巧穿过重心翻转点向后运动，使前脚离地抬起。一个步幅完成后，各脚的前后位置与上一步幅起始位置完全相反。这时，主驱动传动轴4转了二分之一转。

实施例二  古代巨石运输方法

用于建造埃及金字塔的巨石，重的有几十吨，如何搬运这些巨石，一直是个迷。本实施例解释了巨石的运输方法。运用这个方法制造成大型简易机器，可以在没有修建公路价值的地区，如沙漠中运输重物。

I、车架结构

参见图21，古代埃及人利用农闲季节进行巨石运输。首先，组织农民和奴隶到采石场采下巨石，接着对巨石进行初加工，加工成容易找到重心的形状，如长方形、正方形等，由图1-2和静态结构说明所述方法确定四脚支撑点，在每个角点上绑一根木支柱，使每根木支柱从绑定点到地面的重直距离完全相等。在每根木柱上绑一条牵引抬脚迈步牵引绳B。同时在两前脚木支柱和两后脚木支柱之间各绑一条步幅限制绳C，使前脚绑定点之间的绳长与后脚绑定点之间的绳长相等，总之两前脚与两后脚步幅完全一致。在巨石前端绑一条牵引绳K，使牵引端从巨石朝下一面穿出。如果所需运输的巨石形状不规则，无法找到重心及重心翻转线。可以先用树干做一方形盒子将巨石固定在盒中，再对木盒找重心及重心翻转线，然后绑定四脚。将绑好的巨石称为车架，以下简称车架。

将拉车架的人分为四组：①指挥组：由1-3人组成，有一名总指挥。②主牵引组：人数以能拉动巨石为限。③牵引抬脚迈步组：分为4个小组，每组人数以能拉动木支柱抬起为限。④平面重心翻转秤砣组，即重心翻转锤F：人数以能使重心所在平面翻转为限。

II、迈步运动过程：

a)初始状态：如图21；使四脚着地，重心翻转平面处于水平状态。秤砣组站在平面重心位置，主牵引组将牵引绳拉紧，牵引抬脚迈步组沿前后方向将抬脚迈步绳拉紧，指挥组就位使各组能看见令旗。

b)初始拉动，使前脚抬起：在指挥组的指挥下，主牵引组拉动车架，秤砣组向后跑至尾部，使重心在后，一条重心翻转线上的两脚FR、BL由于向前运动绑定点到地面的距离被抬高，因为重心在后，脚BR的绑定点降低，重心翻转平面向后倾斜，脚FL轮空离地，在牵引抬脚迈步组的拉动下向前抬起。这时，车架的全部重量由FR、BL、BR三脚支撑。

c)后脚抬起：主牵引组继续拉动车架。当着地的两脚FR、BL接近垂直于地面时，指挥组指挥秤砣组向前跑至最前端，使重心平面向前翻转，脚BR轮空离地，在牵引抬脚迈步组的拉动下抬起。这时，车架的全部重量由FL、BL、FR三脚支撑。

d)完成步幅：主牵引组继续向前拉动车架，当FR、BL垂直于地面时，在指挥组的指挥下，秤砣组跑回重心点，使前脚FL再次抬起，这时，车架重量由FR、BL两脚支撑。主牵引组继续拉动车架，已抬起的重心翻转线上两脚FL、BR向下落回到地面，车架回到启始状态，完成一次迈步，这时左右脚的前后状态与首次启动时完全相反。用相同的方法可以完成n次迈步。

e)转向方法：在指挥组的指挥下，牵引抬脚迈步组改变牵引方向。如向右转：FL、FR两前脚向右牵引，后脚BL、BR向左牵引。向左转则完全相反。

Claims (7)

1、一种应用重心翻转过程迈步的四脚行走机器，由主体框架(1)、锥形支撑轴(2)、盘簧发条盒(3)、主驱动传动轴(4)、传动推脚滑块(5)、星形轮传动驱动轴(6)、星形轮内传动齿轮及重心翻转锤(7)、支撑脚(8)和抬脚扭簧(9)组成，其特征在于：主体框架(1)与锥形支撑轴(2)连接，锥形支撑轴(2)套接在支撑脚(8)上，在它们的连接处安装有抬脚扭簧(9)；连接在底盖上的盘簧发条盒(3)与传动齿轮(4-1)啮合，主驱动传动轴(4)两端的驱动齿轮(4-2)各与传动齿轮(6-1)啮合，同时第一传动挡板(4-3)、上槽轮定位圆弧面(4-4)和第二传动挡板(4-5)分别与第一受力挡板(5-1)、下槽轮定位圆弧面(5-2)和第二受力挡板(5-3)搭接；星形轮驱动齿轮(6-2)与星形轮内传动齿轮(7-2)啮合相连，同时星形轮内定位齿轮(7-1)与星形轮外齿轮盘(1-2)啮合相连，承力推栓(5-4)套在后脚承推槽(8-2)内连接。

2、如权利要求1所述的四脚行走机器，其特征在于：驱动齿轮(4-2)∶星形轮传动齿轮(6-1)的传动比为2∶1。

3、如权利要求1所述的四脚行走机器，其特征在于：星形轮驱动齿轮(6-2)∶星形轮内传动齿轮(7-2)的传动比为2∶1。

4、如权利要求1所述的四脚行走机器，其特征在于：星形轮外齿轮盘(1-2)∶星形轮内定位齿轮(7-1)的传动比为2∶1。

5、如权利要求1所述的四脚行走机器，其特征在于：支撑脚(8)是直脚。

6、如权利要求1所述的四脚行走机器，其特征在于：主驱动传动轴(4)的上槽轮定位圆弧面(4-4)与传动推脚滑块(5)的下槽轮定位圆弧面(5-2)相互滑动连接形成间歇槽轮定位圆弧面结构。

7、如权利要求1所述的四脚行走机器，其特征在于：锥形支撑轴(2)与支撑脚(8)上端的刀口形连接孔(8-1)连接，支撑脚(8)可摇动自如地安装于主体框架(1)上。

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