凸轮转换式三关节机械腿

1、一种凸轮转换式三关节机械腿，主要由机架(8)、操纵架(10)、 转弯闸把(11)、掌(1)和发动机(13)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)铰连接，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(31)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 个平行四边形。
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 在操纵架(10)上，操纵架(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。
5、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 于上肢摆动凸轮(7)及其在其上面的曲线槽(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，构成行走函数控制器。

技术领域\n本发明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。\n技术背景\n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)，并展出引入注目的“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。\n发明内容\n本发明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。\n本发明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。\n本发明的有益效果是：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。\n附图说明\n以下结合附图以实施例具体说明。\n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。\n图2示图1的基本结构简化装配图剖视主视图。\n图3示图2的B-B剖视放大图。\n图4示图2的C-C剖视放大图。\n图5示采用轨迹图解法设计的匀速行走凸轮曲线图。\n图6示平地行走迈步形式姿态、步距和迈腿高度示意图。\n图7示上30°坡行走迈步形式姿态、步距和迈腿高度示意图。\n图8示下20°坡行走迈步形式姿态、步距和迈腿高度示意图。\n图9示图2的机构简化示意图。\n图10示安装有两对机械腿的机械示意图。\n图11示安装有机械腿和轮相结合的残疾人车的示意图。\n图12安有两对机械腿，并安装有轮子的两用机械示意图。\n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；\n具体实施方式\n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31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。\n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、下两个平行四边形，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。\n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.\n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装在操纵架10上，操纵架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。\n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。\n本发明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。\n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。\n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。\n上述实施例为只装一对机械腿的实施例一；\n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。\n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。\n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。