机械腿

1、本专利是以一种独特的行走步法(原理)为核心，这种步法的要点是：通过腿的伸缩以适应地形的起伏，又通过腿的伸缩来保持车身中心高度，或者具体一点：腿在前跨着地瞬间，腿的伸缩暂时停止，在向后蹬爬过程中通过伸或缩恢复到标准高度。
(标准高度的定义已在说明书中叙述)
2、为实现1项所述的步法，要求机械腿具有对地面高度进行检测的功能、判断决策功能和执行功能。实现这三项功能最简单可靠的是“内斜轨”机构。
“内斜轨”机构的特征是：一条装在车上的滑轨，引导着一个滑块作往复运动以实现腿的前跨、后蹬爬动作;滑轨的后端与车身交连，前端可以提起，使滑轨实现垂直方向往复运动并带动脚掌提起和放下，一套逆止机构（单向阀、棘爪等）使腿在前跨着地后阻止回缩，然后在向后蹬爬过程中滑块趋近滑轨后端而使腿伸或缩到接近标准高度。
不采用内斜轨机构，例如采取向油缸补油、泄油方法，也能达到类似的目的。
3、根据1、2项，机械腿要有动力来源。动力可以是液压式、电动式、纯机械式（通过轮、轴等零件传递的发动机回转动力），甚至可以只用人力。
4、为增大脚掌的运动幅度，可选用任何一种线性或非线性放大机构。其中仿效绘图放大仪的放大机构最为适用。
5、根据1、2、3、4项，在同一步法原理之下选择不同结构形式和不同的动力来源，可设计出不同尺寸、不同载重力、不同速度、不同牵引力、对地面有不同压强的一系列机械腿产品。
6、由于每副机械腿具有相对独立的功能，装到运载工具上的腿可多可少。由一副（作为牵引头使用）、两副（相当于两轮手扶拖拉机）、四副（相当于四轮汽车）……一直到十余副（陆地行舟式大型运输车），以适应多种需求。
7、由上述第六项，可对现有车辆进行改装：卸掉轮子或履带，换成机械腿。也可以只换一部分轮子。例如汽车，只须将后轮换成机械腿，保留前轮用于转向。

本发明为主要用于汽车、拖拉机等运载、牵引机械的一种通用部件。\n本发明是模仿动物步行原理，由机械零件构成的行走机构，取代轮子或履带，以提高越野性能和牵引力。\n模仿动物行走的机器，在本案申请之前已有多种，现于简述并作对比：\n1.九十多年前，1893年美国就有人以“机器马”为题登记了专利，但显然始终没有实施。就其动作原理来说，只能作为一种玩具，在光滑平地上“走步”而已。其简要报导见美国《科学》杂志（SCIENTIFIC    AMERICAN）1983年5期，科技文献出版社重庆分社有中译本。\n2.根据上述同一资料来源，在该期杂志中有《走路的机器》一文，比较详细的提出了一种爬行机的设计方案。这是模仿昆虫爬行方式的六足爬行机。其步法原理是：六条腿分成两组，每组三条同时落下，就如三角架那样使机身得到稳定支持。另一组腿则提起离地并向前移。两组腿轮流着地，获得连续行走的功能。\n此类六足爬行机，近年我国电视新闻报导中也出现多次。其中1986年12月，中央电视台播出俄亥俄州立大学的“机器马”也是六足型，有两层楼高，集机械、液压、电器、电子技术于一身，已投入800万美元，但尚未达到实用阶段。1988年元月16日《人民日报》发表了一张照片，是日本试制的“水下机器人”，也是六足爬行式。\n3.1988年2月28日，《人民日报》报道了国防科技大学制成的我国第一台两足步行机器人。在此之前国外已有同类样机。此种机器人不以载重 为目的，而是研究人腿走路机理，主要用于危险环境中的遥控作业。\n4.1986年，在北京举办的兵器工业部民品展览会上，长春光学机械研究所展出了一台运载步行机，据说已登记专利即将公告。这一机器有八条腿，能够近距离遥控，主要用途为工兵排雷等危险作业，也是运载工具。\n本发明的“机械腿”从形式看，比较接近上述1、4两种而与六足爬行机相去较远，与两足机器人相差更大。无论那一种与本发明相比，都有重大本质区别：\n1.本发明不是全机设计，而是针对“腿”。以一副腿（两条）为一个独立部件，代替一个车轮。这一特点意味着可适应任何一种现有轮式车辆，只须在原来装轮子的部位换成一副腿，就成为“机器马”，因而可对现有车辆进行改装。与此相反，已有各种设计都是整体设计，必须从头设计和制造。\n2.行走步法完全不同。与地面接触的脚掌（爪）的运行轨迹，1、3、4三种都是将机械旋转运动转变成含有直线段的封闭回线运动，其回线形态是固定的，不能根据地面起伏而随机改变。相反，本发明能适应地形随机起伏，具有对地面高低不平进行检测、判断的本领，和立即作出改变运行轨迹的决策并予执行。因此，即便在困难地区，车身运动仍然十分平稳，能高速行驶。\n3.各种已出现的六足爬行机和两腿机器人，几乎一无例外地使用电子计算机（电脑）、电器、液压等一系列现代尖端技术，因而结构复杂、造价高昂、维护困难，不易推广。虽然研究多年，至今距离实用阶段还很遥远。与此相反，本发明却是一种非常简单的机械杠杆机构，任何一个机械厂都能制造。尽管它具有检测、逻辑判断功能，但不需要电脑、传感器之类。其动力可以是电力，可以是液压或两者的结合，甚至单纯用人力驱动。\n本发明的目的及其效果可从两方面说明：\n1.解决汽车、拖拉机、坦克等运载工具在困难地区如沙漠、沼泽、山地、水田、森林等环境下提高越野性和牵引力。\n2.从经济方面，步行式车辆在道路困难地区可比轮式、履带式车辆节省燃料。越是困难地区，节油效果越是显著。而且，机械腿只用脚掌稀稀落落的“点”着地，而不是“寸不离地”，因而磨损很小，节省大量用于制造轮胎的橡胶或用于制造履带的合金钢。\n构成原理：\n本发明的核心是一种与以前已公开的机器人、机器马都不相同的行走步法，其动作原理参见图1到图7。这是步法的分解图。\n图1，表示了装在车身1上的一副机械腿，正处于静止状态。车身上一个固定标志点2与脚掌3和4所触地面5之间的垂直高度为6，并称之为“标准高度”。\n图2，车身开始运行（自左向右），前脚掌离地并向前跨。后脚掌则向后蹬爬，但它在垂直方向上高度不变，车身1仍保持标准高度6。\n图3，前脚掌3放下并着地。着地点的高度事先不知，只是让脚掌落下直到着地为止。此时着地处到车身标志点之间的高度可能大于也可能小于标准高度，这个高度称之为“着地瞬时高度”7。因为“踩”在高处，故7小于6。\n脚掌3一旦触地，在垂直方向上的活动被“暂停”（锁住），但水平方向仍在活动。\n图4，前脚掌3向后蹬爬，在蹬爬的过程中逐渐地强行伸长（蹬起），使车身抬高。后脚掌此时已离地前跨。\n图5，前脚掌已经蹬爬到最后位置（后止点），车身1的高度也已抬高到标准高度6.后脚掌已到前止点并着地。\n图6，后脚掌4着地瞬间，在垂直方向上被“暂停”。由于遇到地面低洼点，着地瞬时高度8大于标准高度6。同时，前脚掌已离地开始向前跨步。\n图7，后脚掌向后蹬爬，并逐渐收缩，使车身1下降。到最后点时，车身1已降到标准高度。\n以后的动作，重复图2到图7过程。\n最佳实施方案：\n从技术上易于实现，经济效益好的要求出发，可考虑用液压式机械腿改装现有汽车。改装的方法是只将后轮用机械腿代替，保留前轮。这样改动的工作量较小，汽车原有的驾驶室、车厢、大梁都不用改动，成本低，却获得优越的越野性能。\n如图8所示，两条单腿构成的一副机械腿，安装于车身1上。车身以箭号2的方向自左至右前进。在图示的状态下，由发动机驱动的油泵4提供的压力油，首先通过换向阀5，然后分成三路。第一路向下打开液压锁9的逆止阀，通过管道10进入垂直油缸11上腔，压活塞杆下行，推动滑轨12右端下移，使滑轨向前下方倾斜，直到滑块13的下端部接触到路面为止。\n第二路压力油经管道6到水平油缸7的前腔，推动活塞向后，并带动13向后移动。如此，13即向后爬蹬，起到支撑和驱动作用。\n油缸7后腔的回油，通过管道8到达前腿的水平油缸22的后腔，驱使活塞前移，并带动在滑轨20上的滑块19向前移动。从阀门5出来的第三路油经控制管道虚线通向单向液压锁15。并使之打开，因而允许油缸17上腔的油经管道16返回油池3。在弹簧18的收缩力作用下，滑轨20的前端部被拉到最高位置。于是，在20向上拉起和19右移的配合下，前腿离地向前跨步。\n由于前腿已离地，车身重量便由后腿支撑。地面反作用力将使垂直油缸11的活塞向上顶，因液压锁9处于封闭状态，于是11的上腔及管道10中的油液被“困”，支持着车身重量。\n后腿滑块13在着地后爬蹬的过程中，相对于车身1的垂直高度在变化，因为滑轨12是倾斜的。如以28代表车身上一个固定标志点，则28与着地点29之间垂直高度瞬时值25在15后移过程中是逐渐变小的，因而车身相对于地面略有下降。当15走到最后位置时，瞬间高度25将趋近于标准的高度26。\n如果在开始时滑块13下端触及的路面是凸起的，例如“踩”在石头上，则油缸11的活塞杆伸出不多一点就被停住，滑轨处于向前上方倾斜，此时瞬间高度25将小于标准高度26。但，13在后移的过程中，总是趋向于滑轨12的左支点，也就是25趋向于26，结果车身升起，“爬”上了石头。\n当13后移到头，碰到触点14，便推动油阀5换向。此时前腿滑块19已向前移到最前点，来自油管16的油压推动油缸17的活塞下压，直到滑块19触及地面。以后的动作就进入下一循环，只不过两腿的状态互换。\n因此，只需连续供油，便可连续行走。其速度取决于供油的流量，其爬坡 能力取决于油压。当需要减速刹车时，可以使用节流阀24。\n上述行走机构的核心是装在机内的可倾斜滑轨、在其上滑行的滑块和逆止机构，这是本发明的重要内容之一，可称之为“内斜轨”机构。\n图8仅为原理示意。实际的设计还有不少的其它考虑。例如：\n1.两条腿的布局应为并排，而不是前后排列，以减少安装空间。\n2.两个滑块的动作幅度嫌小，应用放大机构加以扩展。\n3.要考虑后退倒车，可在油路控制系统中加控制阀。\n4.要考虑两腿动作的匹配，水平油缸7、22的活塞杆此去彼回必须准确统一，因而要有“箝位”的功能。这也可在油路设计时加以安排。\n5.走在不同路面上，触地脚掌要“换鞋”。例如在公路上用“橡胶底”，在野外无路处则用“钢爪”，在沙漠、沼泽、农田中则用大面积“脚掌”。为此，要有一种方便的“换鞋”方法，这也可在油路中考虑。\n6.如果取消水平油缸，则是取消了前进驱动力。这样的机械腿是“被动式”，仅起到支撑作用，可用于拖挂式车辆。\n图9是根据图8原理，用于汽车的机械腿设计组装图。（只划出了一条腿，另一条完全相同，并排安装），这是按照代替解放牌CA-10的后轮而设计。在这一设计中，采用一套类似于绘图放大仪的四连杆机构（由1、2、3、4四条杆组成）将滑块10的动作放大。油缸5、6，油阀7、8、9等，均为市场采购的标准件。\n除了采用油压驱动，也可以采用电动，简单原理见图10.驱动滑块2在滑轨1上运行的，是一种惯性小、功率大的往复回转电机3，通过减速齿轮4与滑轨1上齿条啮合，交替作做正、反转，代替水平油缸实现往复运行。代替 垂直油缸的，是另一个固定在机架上的小电机5，也是低惯性，但功率小，用齿轮6驱动装于滑轨1上的扇形齿块，实现滑轨前端的起落动作。电动的摩擦抱闸7，由简单的电路控制，脚掌着地时把小电机5的轴抱住。\n以压缩空气为动力的机械腿，基本上与液压式相同。\n不用油压、电力、压缩空气，只用齿轮、杠杆等简单零件构成的“纯机械式”机械腿，由于载重力、速度限制，用途不大。但也可以设计成战地轻型车辆、小型拖拉机，其动力甚至可以只用人力.一种可行的方案见图11：\n滑块1在滑轨2上的往复运行，由凸轮2、杠杆3、拉杆4和弹簧5提供。抬腿机构是由凸轮6、杠杆7和连杆8构成。当1运行到后止点，7即拉着8向上提起。8首先通过三角形推爪块9（9与滑轨2端头的扇齿块10用小轴11交连），将棘爪12推开，继而拉扇齿块10上升;在前跨着地时，棘爪12发挥逆止作用，使腿在垂直高度上停住。两个凸轮应是共轴，只需有动力连续驱动其轴转动，即可行走。如果将棘爪系统改为摩擦盘，则载重力可增加。\n全车布局：\n本设计是每一副机械腿代替一个车轮，因此全车布局有多种型式，预计可开发出如下一系列产品：\n一副腿加两个轮子，构成类似于三轮车的样子，可用于野外不太困难的地段。\n两副腿左右分布就构成手扶拖拉机。\n四副腿的布置是“标准式”。前面两副腿各绕一垂直轴微动，就可以转向，适用于气车、拖拉机。把车身设计成前后两部，中间用铰链相接，构成“腰部”转向，可用于拖拉机、拖车、挖掘机、装载机等。\n六副腿的布置可用于坦克，越过堑壕的能力优于履带。\n八副腿以上，可制成庞大的载重车辆.用于边远地区，就如“陆地行舟”了。