CN2686971Y

CN2686971Y - 凸轮转换式三关节机械腿

Info

Publication number: CN2686971Y
Application number: CN 200420031134
Authority: CN
Inventors: 张士庆; 张号
Original assignee: Liaoning Technical University
Current assignee: Liaoning Technical University
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2014-04-08

Abstract

本实用新型属于仿生腿式步行机器的机械腿机构，特别涉及一种由凸轮、曲柄、滑套、摇杆构成组合传动机构的凸轮转换式三关节机械腿，由机架8、操纵架10、转弯闸把11、掌1和发动机13等部件组成，在机架上活动地装有左右一对上肢5、下肢2和掌1及其三个关节；上肢5为一空心管，下肢伸曲凸轮9用凸轮键43与上轴37固定连接；上肢5空心管内活动地装一顶杆33，上肢5的下部与下肢2上部用中肢销18绞连接，上肢5中部外圆柱上装一滑套32，上肢摆动凸轮7上端用凸轮轴套46装在上轴37上，中部用轴承活动地支撑中轴52，并用弹性挡圈58卡住，下端用轴承活动装在下轴55上，应用范围广，结构简单，造价低，轻便灵活。

Description

凸轮转换式三关节机械腿

技术领域

本实用新型属仿生腿式步行机器的机械腿机构，特别涉及一种由凸轮、曲柄、滑套、摇杆构成组合传动机构的凸轮转换式三关节机械腿。

技术背景

目前，在世界各国研究、使用腿式步行机械和圆轮式运输机械较多，两者相比各有不同的优缺点，在某些方面腿式比圆轮式有着明显的优越性，例如腿式能迈过梯坎，能在沙地、雪地正常行走。但腿式步行机构的原理、结构、控制、制作是复杂的，以人腿为例，全腿有33块骨、四大主要关节、60余条肌肉(或肌群)，仅脚就是26块骨，30多束肌肉，200多条韧带。近年来，日、美等国家都有专门机构和人员对腿式行走机器进行实验研究，并取得一定成果(我国也有类似研究成果)，并展出引人注目的“多关节”能“平稳”行走的样机。就现状分析，圆轮式机械已很完善，但腿式行走机械的研究还处于初级阶段，其根本原因是行走运动本身比较复杂，目前还没有找到一个简单而有效的机构实现这一运动；日本研制的四腿机器长50cm，高15cm，重17Kg，时速252m，是专门用于核反应堆内部及海底作业；研制的人形机器人，可模拟人行走，但速度也很慢。美籍华人关阮芳研制的双腿走路机器人，造价达一万五千美元，每迈一步都须由一个含有九百行指令的程序控制，同时还需要用四个电子数据库的资料，主要为危险环境服务。中国研制的有四只大腿的摇控仿生载重步行机，是为了解决特殊环境的石油勘探设计的。当前，用电脑控制下的待服系统是当今世界范围研制腿式机器动力传动系统的主流，它至少有以下不足：以电为动力，作为远距离运输机械适应性差；结构复杂(尤其是控制系统)，价格高昂。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述技术不足，提供一种仿生腿式步行机构，取代或部分取代各种陆地交通运输机械的圆轮；应用范围广，适应各种复杂地形，可以在没有人造路面，轮式动力机械难以行进的地方行走；结构简单，造价低、轻小灵便的凸轮转换式三关节机械腿。

本实用新型解决技术问题采用的技术方案是：由机架、操纵架、转弯闸把、掌和发动机组成的凸轮转换式三关节机械腿。其特点是在机架上活动地装有左右一对上肢、下肢和掌及其三个关节；上肢为一空心管，上端用滚动轴承活动地套装在机架上的上轴上；上部开一前后方向槽，槽内活动地装有下肢伸曲凸轮；下肢伸曲凸轮用凸轮键与上轴固定连接；上肢空心管内活动地装一个顶杆，顶杆穿一弹簧，上端固定一顶杆销，在顶杆销上活动地装一顶轮，在弹簧的作用下使顶轮顶在下肢伸曲凸轮曲面上；顶杆下端用杆板销活动地与支板铰链连接，支板下端用支板销与下肢铰链连接；下肢下端用下肢销活动地与掌的上转盘铰链连接；上肢的下部与下肢上部用中肢销铰链连接，上肢中部外圆柱上装一滑套，滑套上设有轴销，轴销上装有轴套与曲柄中间的滑槽活动连接，轴销端头装有滚套与上肢摆动凸轮上设的曲线槽活动连接；上肢摆动凸轮用凸轮套装在上轴上，中部由轴承活动地支撑中轴，并用弹性档圈卡住，下端由轴承活动地装在下轴上。

本实用新型的有益效果是：1、应用范围广，可取代或部分取代轮式交通运输机械，可将使用范围扩大到轮式难以应用的环境；2、轻小、灵便，可迈过较高的梯坎，上、下较陡的坡；3、结构简单，造价低，批量生产时造价仅与轮式机械相当；4、轻便灵活，可在农业中取代耕畜，一机多用，适合于农业耕作、运输，无须喂养和管理；5、对矿山、新开发区和自然环境复杂的特殊地方有着明显的优越性；6、可作为残疾人交通工具，能爬山过坎，在无人造路面的地方使用。

附图说明

以下结合附图以实施例具体说明。

图1示凸轮转换式三关节机械腿基本结构的机械简化示意图。

图2示图1的基本结构简化装配图剖视主视图。

图3示图2的B-B剖视放大图。

图4示图2的C-C剖视放大图。

图5示采用轨迹图解法设计的匀速行走凸轮曲线图。

图6示平地行走迈步形式姿态、步距和迈腿高度示意图。

图7示上30°坡行走迈步形式姿态、步距和迈腿高度示意图。

图8示下20°坡行走迈步形式姿态、步距和迈腿高度示意图。

图9示图2的机构简化示意图。

图10示安装有两对机械腿的机械示意图。

图11示安装有机械腿和轮相结合的残疾人车的示意图。

图12安有两对机械腿，并安装有轮子的两用机械示意图。

图中，1-掌；2-下肢；3-下支杆；4-支板；5-上肢；6-上支杆；7-上肢摆动凸轮；7-1-曲线槽；8-机架；9-下肢伸曲凸轮；10-操纵架；11-转弯闸把；12-姿态调整杆；13-发动机；14-链条；15-拉线器；16-中支销；17-拉板；18-中肢销；19-旋转闸；20-弹性封皮；21-下转盘；22-上转盘；23-滚子；24-滚子销；25-卡簧；26-螺旋滚道；27-下肢销；28-下支销；29-支板销；30-杆板销；31-曲柄；32-滑套；33-顶杆；34-弹簧；35-顶杆销；36-顶轮；37-上轴；38-上支销；39-定位销；40-螺母；41-档圈；42-滚动轴承；43-凸轮键；44-滚动轴承；45-机架滚动轴承；46-凸轮轴套；47-上大齿轮；47-1-下大齿轮；48-大齿轮键；49-小齿轮；50-链轮；51-链轮键；52-中轴；53-槽轴套；54-杆轴套；55-下轴；56-曲柄键；57-调整套；58-弹性档圈；59-小齿轮键；60-轴销；

具体实施方式

参照附图1、2、3、4，凸轮转换式三关节机械腿主要由机架8、姿态调整杆12、操纵杆10、转弯闸把11、掌1和发动机13等部件组成。其特点是在机架8上活动地装有左右一对上肢5、下肢2、掌1及其三个主要关节；上肢5为一空心管，上端用滚动轴承42、44活动地套装在机架8上的上轴37上，为上关节；上肢5上部开一前后方向槽，槽内活动地装下肢伸曲凸轮9，下肢伸曲凸轮9用凸轮键43与上轴37固定连接；上肢5空心管内活动地装一个顶杆33，顶杆33穿一弹簧34，上端固定一顶杆销35，在顶杆销35上活动地装一顶轮36；在弹簧34的弹力作用下使顶轮36紧紧地顶在下肢伸曲凸轮9的曲面上；顶杆33下端用杆板销30活动地与支板4铰链连接，支板4下端用支板销29活动地与下肢2铰链连接；下肢2下端用下肢销27活动地与掌1的上转盘22连接，为下关节；上肢5中部外圆柱上装一滑套32，滑套32上设有轴销60，轴销60上装有杆轴套54与曲柄3 1中间滑槽活动连接；轴销60端头装有槽轴套53与上肢摆动凸轮9上设的曲线槽7-1活动地连接；上肢5下端用中肢销18活动地与下肢2上端铰链连接，为中关节；上肢摆动凸轮9上端用凸轮轴套46套装在上轴37上。

为了机架8的平衡与稳固，左右腿成对使用，交替踏步迈步如人行走，可两对以上使用。机架8装有上支销38，在上支销38铰接安装上支杆6，上支杆6下端用中支销16铰接下支杆3和拉板17，拉板17右端与中肢销18连接，下支杆3下端用下支销28与掌1的上转盘22活动连接。这样机架8通过上支杆6、上肢5，下支杆3、下肢2，拉板17及掌1构成上、下两个平行四边行，利用平行四边形原理，使机架8保持与地表平行，通过左右腿交替踏步迈步、掌1的支撑实现平衡；调整姿态，保持稳定机构，它包括姿态调整杆12用定位销39固定在机架8上，下端用轴承装在下轴55上，与上肢摆动凸轮7构成三角形架5。

动力传动系统：该机构的动力源，可采用人力，发动机13等。本实施例可用于人力，也可借用2.8～4马力发动机，按一定比例放大图中尺寸，可用于中型或大型机械，对结构作一定修改可用于一些特殊环境及作业中。以一对腿一对从动轮为例如图11所示，动力指标如下：自重40Kg，载重200Kg，上30°坡，速度v＝1.5m/s，功率N＝3马力；平地走，v＝6m/s，N＝3马力；最大牵引力可达250Kg以上，速度范围5～20Km/h。动力传动装置，它包括在机架8上装一台发动机13，发动机13输出轴固定安装一个链轮，用链条14将发动机旋转动力传到与用链轮键51与中轴52固定连接的链轮50上；中轴52用小齿轮键59固定装一个小齿轮49，小齿轮49分别与上大齿轮47和下大齿轮47-1相啮合；上大齿轮47用大齿轮键48与上轴37固定连接，下大齿轮47-1用键与下轴55固定连。；上肢摆动凸轮7上端用凸轮轴套46套装在上轴37上，可以转动；中部用轴承支撑中轴52端头，并用弹簧档圈58卡住；下端用轴承装在下轴55上，可以转动；在下轴55轴头用曲杆键56固定装一个曲柄31。

掌1和控制系统：掌1它包括下肢2用下肢销27，下支杆3用下支销28同时与上转盘22活动连接，上转盘22下面装有滚子销24，用卡簧25卡住，滚子销24上活动地装有滚子23，在下转盘21上固定装有螺旋滚道26，滚子23滑动地装在螺旋滚道26上，上下转盘22、21之间用弹性封皮20封闭连接在一起。控制转向系统，它包括在掌1的上转盘22上固定一个旋转闸19用拉线器15与转弯闸把11连接，转弯闸把11装在操纵杆10上，操纵杆10装在姿态调整杆12上，操纵上述机构，即可实现行走姿态的调整和转弯等各项功能。掌1的形状、类型可根据具体环境要求设计，本实施例中的掌1适用于旱地，在恶劣条件下使用，各关节处应加装橡胶尼龙软套，以防尘、防水、防污。

凸轮曲线：上肢摆动凸轮7及其上面的曲线槽7-1和下肢伸曲凸轮9的凸轮曲线柱面，是一组采用轨迹图解法优化设计出的匀速行走曲线(见附图5)，构成行走函数控制器。为了能调节行走姿态、步距、迈腿高度，以适应上、下坡及牵引力大小变化，通过调整定位销39的位置去操纵姿态调整杆12，使上肢摆动凸轮7绕上轴37转动一定角度(平时固定不动)，使机械重心、步距、迈腿时掌1的空间运动轨迹都得以改变。附图6、7、8表明平地走、上30°坡、下20°坡三种不同行走姿态，连续操纵，可得到连续变化的行走姿态。

本实用新型凸轮转换三关节机械腿的行走过程：见附图9所示，实线表示右腿正踏地，双点划线表示左腿刚抬起迈步，开动发动机13，由链条14带动链轮50、小齿轮49、上大齿轮47、下大齿轮47-1转动，右腿上肢5在曲柄31、滑套32、上肢摆动凸轮7共同作用下作有规律的向后摆动；右腿下肢2在下肢伸曲凸轮9、顶杆33，支板4共同作用下作有规律的伸曲运动，从而实现支撑机架8向前运动。左腿上肢5在左侧曲柄31、滑套32、上肢摆动凸轮7共同作用下，作用规律的向前摆动；左腿下肢2在左侧下肢伸曲凸轮9、顶杆33、弹簧34、支板4共同作用下作有规律的伸曲运动，从而实现抬腿迈步。左右腿的曲柄31、下肢伸曲凸轮9相差180度角，保证左、右腿实现交替踏步迈步，周而复始。

转弯过程：转弯时，只需转动架体，靠一掌1触地时产生的磨擦力矩，可转过任意角度。掌1的结构前面已述。抬腿迈步时，转弯闸把11通过拉线器15控制旋转闸19，对上转盘22、下转盘21施加周向外力，使下转盘旋转一定角度，则滚子23沿螺旋面滚道26转动，并推动上转盘22相对下转盘21上升一定高度；当下转盘22踩踏到地面固定时，在上部重力作用下，上转盘22将恢复到原来状态，使机架8整体转动一定角度。转角大小，由人操纵转弯闸把11控制。

姿态调整：上肢摆动凸轮7上部套装在上轴37上，可以转动，下部套装在下轴55上，可以转动；姿态调整杆12套装在下轴55上可以转动，当上、下不同坡度而需要改变行走姿态、步距，或者需要改变牵引力大小时，操纵姿态调整杆12的位置，使上肢摆动凸轮7绕上轴37转动一个角度，使两腿夹角变化，机体重心移动(上坡前移、下坡后移)，即可满足相应运动姿态。

上述实施例为只装一对机械腿的实施例一；

实施例二，参照附图10，安装有两对机械腿的机械，其腿的结构同实施例一。

实施例三，参照附图11，在机械上装一对机械腿和一对轮相结合，实用于残疾人车所用，其腿的结构同实施例一。

实施例四，参照附图12，在机械上装两对或多对机械腿并安装有轮子的两用机械，腿的结构同实施例一。

Claims

1、一种凸轮转换式三关节机械腿，由机架(8)、操纵架(10)、转弯闸把(11)、掌(1)和发动机(13)等部件组成，其特征是在机架上活动地装有左右一对上肢(5)、下肢(2)和掌(1)及其三个关节；上肢(5)为一空心管，上端用滚动轴承(42)、(44)活动地套装在机架(8)上的上轴(37)上，上部开一前后方向槽，槽内活动地装有下肢伸曲凸轮(9)；下肢伸曲凸轮(9)用凸轮键(43)与上轴(37)固定连接；上肢(5)空心管内活动地装一顶杆(33)，顶杆(33)穿一弹簧(34)，上端固定一顶杆销(35)，在顶杆销(35)上活动地装一顶轮(36)，在弹簧(34)的作用下使顶轮(36)顶在下肢伸曲凸轮(9)的曲面上，顶杆(33)下端用杆板销(30)活动地与支板(4)铰接，支板(4)下端用支板销(29)与下肢(2)铰接；下肢(2)下端用下肢销(27)活动地与掌(1)的上转盘(22)连接；上肢(5)的下部与下肢(2)上部用中肢销(18)绞连接，上肢(5)中部外圆柱上装一滑套(32)，滑套(32)上设有轴销(60)，轴销(60)上装有轴套(54)与曲柄(3 1)中间滑槽活动连接，轴销(60)端头装有槽轴套(53)与上肢摆动凸轮(7)上设的曲线槽(7-1)活动连接；上肢摆动凸轮(7)上端用凸轮轴套(46)装在上轴(37)上，中部用轴承活动地支撑中轴(52)，并用弹性档圈(58)卡住，下端用轴承活动装在下轴(55)上。

2、根据权利要求1所述的凸轮转换式三关节机械腿，其特征在于机架(8)上装有上支销(38)，在上支销(38)上铰接安装上支杆(6)，上支杆(6)下端用中支销(16)铰接下支杆(3)和拉板(17)，拉板(17)右端与中肢销(18)连接，下支杆(3)下端用下支销(28)与掌(1)的上转盘(22)活动连接；机架(8)、上支杆(6)、上肢(5)、下支杆(3)、下肢(2)、拉板(17)及掌(1)构成上、下两个平行四边行。

3、根据权利要求1所述的凸轮转换式三关节机械腿，其特征在于控制转向系统，它包括在掌(1)的上转盘(22)上固定一个旋转闸(19)用拉线器(15)与转弯闸把(11)连接，转弯闸把(11)装在操纵杆(10)上，操纵杆(10)装在姿态调节杆(12)上。

4、根据权利要求1所述的凸轮转换式三关节机械腿，其特征在于调整姿态，保持稳定机构，它包括姿态调整杆(12)用定位销(39)固定在机架(8)上，下端用轴承装在下轴(55)上，与上肢摆动凸轮(7)构成的三角形架。