一種四足行走機構的製作方法
2023-10-08 01:47:54
專利名稱：一種四足行走機構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種四足行走機構，具體提供一種與真實四足動物行走步 伐相同，且能夠真正實現靈活轉彎功能的四足行走機構。
背景技術：
目前的各種四足行走機構，包括各種四足行走類動物玩具和四足機器人，
其要麼沒有轉彎機構；要麼行走機構非常複雜，主要存在著兩大缺陷——行走 步伐為對角線行走，這與真實四足動物的步伐不符，從而導致穩定性差；轉彎 方式為雙前腿同時、同步幅硬性轉彎，步伐沒有改變，這樣就出現了，因為轉 彎過程中四足的步幅大小與角度配合的不協調而導致足與地面產生強制滑移， 相關專利例如01112242.0， 200420044587.8， 99203367.5等等。自然界中 四足動物在行走中的穩定步態是單腿抬起向前邁，其餘三條腿支撐向後登，一 條腿落地後另 一條腿又抬起的，在行走過程中始終有三條腿支撐著身體重量， 如此循環往復；如果需要改變行走方向，它們在轉彎時的步態是通過外側腿走 大步，內側腿走小步實現的，這樣才可以減少轉彎半徑並快速轉彎，本實用新 型的行走步態及轉彎方式即為這種自然界中四足動物的姿態。
發明內容
本實用新型的目的在於提供一種結構相對簡單，利於生產、能穩定行走、 能靈活實現自然轉彎且能耗較小的新型四足行走機構。驅動方式可以為蓄電池 供電或者小型汽油發動機及人力驅動。本實用新型客適用於玩具、軍事及野外 作業、探險等方面。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是
一種四足行走機構，包括外殼，所述外殼內設置有步伐驅動機構和轉向機 構，所述步伐驅動機構連接設置於外殼下方的腿部，所述轉向機構分別連接外 殼前方的頭部和腿部。
頭部和腿部連接有人力驅動裝置。步伐驅動機構為凸輪機構。 步伐驅動機構為齒輪機構。
於現有技術相比，本實用新型的一種四足行走機構能靈活實現自然轉彎且 能耗較小，具有結構簡單，利於生產、能穩定行走等特點。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1為一種四足行走機構的腿部結構示意圖(實施例1);
圖2為一種四足行走機構的凸輪機構結構示意圖(實施例1);
圖3為一種四足行走機構的齒輪機構結構示意圖(實施例1);
圖4為一種四足行走機構的轉向機構結構示意圖(實施例1);
圖5為一種四足行走機構的人力驅動機構結構示意圖(實施例1);
圖6為一種四足行走機構確保停止時四蹄著地的電路原理圖(實施例1);
圖7為一種四足行走機構的腿部結構示意圖(實施例2);
圖8為一種四足行走機構的腿部結構示意圖(實施例3);
圖9為一種四足行走機構的步伐驅動機構結構示意圖(實施例3);
圖IO為一種四足行走機構的腿部結構示意圖(實施例4)。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步說明，但不作為對本實 用新型的限定。
實施例l:
以前腿為例，如
圖1所示，其一共包括四段，從下至上依次為蹄l、小腿
2、大腿3、膀4，相臨各段腿杆之間關節處相互鉸接。為實現腿抬腿的仿生彎 曲——蹄1與大腿3之間、兩個關節前後相反的部位，採用一根彈簧連杆6連 接，該彈簧杆同時具有拉伸和壓縮的作用，以確保蹄1著地時與地面平行；小 腿2與膀4之間、兩個關節前後同向的部位，採用連杆7連接。膀4通過關節 件5與機架8連接，關節件5類似於十字萬向連軸器，但其兩條旋轉軸線不同 心，其與膀4鉸接於水平軸線，與機架鉸接於垂直軸線。後腿與前腿結構完全 一樣，只是形狀和彈簧連杆6的連接點方向不同，後腿蹄1與大腿3之間、兩個關節前後相同的部位。 -
每一條腿上有兩個從動液壓杆，其中一個關聯擺腿一個關聯抬腿，分別為
擺腿從動杆9和抬腿從動杆10。擺腿從動杆9的活塞杆與膀4鉸接，其缸體與 關節件5活動連接。抬腿從動杆10的活塞杆與大腿3鉸接，其缸體與膀4活 動連接。
步伐驅動機構可採用凸輪機構或者齒輪機構。
首先說明一下步伐，四足動物的真實行走步伐順序為一左前、 一右後、一 右前、 一左後，如此循環，即當其中一條腿抬腿向前邁步的時候，其餘三條腿 同時著地向後登步，那麼把一條腿完整一步的整個運動過程視為一個周期，則 抬腿向前邁步佔1 / 4周期，著地向後蹬步佔3 / 4周期。每一條腿按步伐順序 依次相差l/4周期，便非常接近了四足動物的真實行走步伐，又因為隨時有 三條腿著地，所以行走的穩定性大大優於以對角線行走的方式。
一、凸輪機構-
要滿足上述腿的運動周期狀態，就需要擺腿從動杆9的運動具有同樣的周 期效應，即伸展佔3/4周期，收縮佔l/4周期。如圖2所示，擺腿從動杆9 與擺腿主動杆11通過液管連通，擺腿主動杆11的運動就需具有與擺腿從動杆 9相反的周期效應。擺腿主動杆11的缸體與機架活動連接，其活塞杆與步幅從 動杆12的活塞杆鉸接。步幅從動杆1 2的缸體與槓桿機構13固定連接為一個 整體。槓桿機構13的磙子14頂在擺腿凸輪15上，擺腿凸輪15轉動則推動槓 杆機構13擺動，槓桿機13擺動則推拉擺腿主動杆11的活塞往復運動。擺腿 凸輪l 5的推程運動角為270度，回程運動角為90度，這樣就滿足了擺腿運 動的周期效應。
在腿的運動過程中，抬腿從動杆10隻在腿向前邁步的過程產生一次伸縮 運動，而腿向後登步的過程抬腿從動杆10停歇不動，為更簡便的實現這種停 歇往復的周期運動，本方案採用凸輪來實現。抬腿凸輪16的推程運動角為45 度回程運動角為45度停歇角為270度。抬腿主動杆17的缸體固定在機架上， 其活塞杆頂在抬腿凸輪16上。抬腿主動杆17與抬腿從動杆10之間通過液管 連通。
一個擺腿凸輪15與一個抬腿凸輪16同軸並列組成一個凸輪組，擺腿凸輪 15的推程運動角與抬腿凸輪16的停歇角處於同一旋轉角範圍之內。兩個槓桿機構13以垂直180度對稱的位置相對頂在擺腿凸輪15上,兩個抬腿主動杆17 以水平180度對稱的位置相對頂在抬腿凸輪16上。四條腿一共兩個凸輪組同 軸並列，兩個凸輪組之間旋轉角度相位差為90度。四個凸輪在轉動過程中， 同時產生回程運動的抬腿主動杆17和擺腿主動杆11，對應連接到同一條腿的 抬腿從動杆10和擺腿從動杆9。四個凸輪在轉動過程中四條腿的連接順序，以 滿足前述步伐順序為準。 二、 齒輪機構
如圖3所示，槓桿機構13通過一個連杆19與曲柄20連接，抬腿主動杆1 7頂在凸輪18上，凸輪18與曲柄20固定為一個整體，與凸輪18同軸固定的 是由齒輪21和齒輪22組成的齒輪組甲，齒輪21和齒輪22均為半圓齒輪，相 互的無齒部分與對方的有齒部分對應重合。與齒輪組甲嚙合的是由齒輪23和 齒輪24組成的齒輪組乙，其中齒輪23為半圓齒輪。齒輪23與齒輪22嚙合， 並且其有效齒數相等。齒輪21與齒輪24嚙合，齒輪21的有效齒數是齒輪24 齒數的1.5倍。齒輪組甲(軸甲)與齒輪組乙(軸乙)嚙合旋轉產生的結果是，當 齒輪22與齒輪23嚙合，軸乙轉半圈帶動軸甲轉半圈，當過度到齒輪2 1與齒 輪24嚙合，軸乙轉1.5圈帶動軸甲轉半圈。與齒輪組甲同軸的凸輪18每轉動 一圈就產生了一個周期變化，即其中半圈佔l/4周期，另半圈佔3/4周期， 凸輪18的推程運動角為90度、回程運動角為90度、停歇角為180度。那麼 與曲柄連接的槓桿機構13和凸輪18推動的抬腿主動杆1 7的往復運動都具有 了與上述凸輪機構相同的周期效應。
分別與四條腿關聯的四個齒輪組甲分為兩組分別與兩了齒輪組乙嚙合，兩 個齒輪組乙同軸固定且方向完全一致。把齒輪組甲如左圖劃分為4個相位，四 個齒輪組甲與兩個同軸的齒輪組乙的嚙合點依次相差一個相位，順序以步伐順 序為準。
轉向機構
如圖4所示，擺杆32與外殼的脖子固定，當外殼的頭部轉動時，擺杆隨 之擺動，擺杆的擺動端與一根封閉的套索25固定，套索25的索套端子固定在 機架上，套索25同時與偏移杆26固定，偏移杆26在套索25的牽引下隨擺杆 32做往復運動。偏移杆26兩端各有一個滑槽，滑槽內套住一個磙子，該磙子 固定在連杆29的中間，連杆29的兩端與轉向杆31鉸接，轉向杆31與關節件5固定。左右轉向杆31、關節件5、連杆29之間的角度和長短關係與汽車的轉 向機構類似，目的是為滿足條件——在轉彎過程中，內外側的腿相對於同一圓 心的半徑不同，其轉角弧度也就不同。
偏移杆26與兩個滑套27固定，滑套27套在滑軌28上，目的是使偏移杆 26隻能產生位移不能產生擺動。步幅主動杆30其缸體與機架固定，其活塞杆 與偏移杆26固定。四個步幅主動杆30兩個分為一組，分別位於偏移杆26的 左右兩側，同側的兩個步幅主動杆30分別關聯同側的前後腿。步幅主動杆30 與關聯相同腿的步幅從動杆12連通。當步幅主動杆30被偏移杆26牽引伸縮 時，步幅從動杆12同時產生伸縮。根據槓桿原理，當步幅從動杆12的活塞杆 往外伸出時，與其像鉸接的擺腿主動杆ll的活塞行程就會增加，反之則減小。 由此在轉彎過程中，實現了四條腿步幅大小的自動適應。
人力驅動裝置
如圖5所示，與外殼的脖子固定有擺杆32，推拉外殼的脖子，擺杆32則 帶動與之鉸接的齒條34來回運動。與齒條34嚙合的是兩個單向齒輪35，分別 與齒條34的上下兩個有齒面嚙合，兩個單向齒輪的受力方向相同。與兩個單 向齒輪35分別同軸固定有一個主動輪33,兩個主動輪33通過鏈條或皮帶分別 與兩個從動輪36連動，兩個從動輪36同軸固定。從動輪36的軸為所驅動機 械的源動軸。
確保停止時四蹄著地的電路
如圖6所示，銅片38通過4個成直角關係的觸點37與電阻片40接觸， 銅片38可旋轉，電阻片40的長度以銅片38在旋轉過程中只能隨時有1個觸 點37與電阻片接觸為準。當銅片上的一個觸點37與電阻片脫離時，下一個觸 點37不能立即與電阻片接觸，此間應具有一定的角度間隙。銅片38上的其中 一個觸點37與電阻片40從開始接觸到脫離這個過程與任意一條腿向前邁步的 抬腿至落腿過程同步。銅片38加上電阻片40構成類似開關的結構——開關甲 與開關39並聯，再與電機串聯。當開關39閉合時，開關甲因有電阻存在所以 在電路中無效，當開關39斷開時，如過此時有一條腿懸空，那麼銅片38與電 阻片40則處於閉合狀態，電機就會繼續旋轉直至銅片38與電阻片40脫離， 此時原本懸空的腿剛好著地而下一條腿還未抬起，從而停止於四腿著地的狀 態。電阻片40之所以採用電阻片而不採用銅片，是為了在停止過程中逐漸減 速，以避免由於慣性使十字銅片轉過斷路的角度，而不能停止。
實施例2 :
本實施例與實施例1的區別只是腿的結構不同。
本實施例的腿採用一種標準的平行四連杆機構。如圖7所示，腿杆l與搖 杆2鉸接於D點，搖杆2的支點6 (c點)與連接件5鉸接，搖杆2的另一端與 抬腿從動杆10的缸體鉸接於B點，抬腿從動杆10的活塞杆頂端A點固定磙子 3。抬腿從動杆IO、搖杆2、腿杆l、連杆7的鉸接點構成一個平行四邊形。各 段的長度關係，按ABCDE點劃分，AB / DE=CB / CD。滑槽4與連接件5固定為 一個整體。擺腿從動杆9的活塞杆與抬腿從動杆10的活塞杆頂端鉸接，擺腿 從動杆9的缸體與連接件5固定。接件5與機架鉸接。
將前腿的結構前後鏡像就得到後退的結構。
實施例3:
如圖8所示，以前腿為例，其一共包括四段，從下至上依次為蹄l、小腿 2、大腿3、膀4，相臨各段腿杆之間關節處相互鉸接。為實現腿抬腿的仿生彎 曲——蹄1與大腿3之間、兩個關節前後相反的部位，採用一根彈簧連杆6連 接，該彈簧杆同時具有拉伸和壓縮的作用，以確保蹄1著地時與地面平行；小 腿2與膀4之間、兩個關節前後同向的部位，採用連杆7連接。膀4通過關節 件5與機架6連接，關節件5類似於十字軸，但其兩條旋轉軸線不同心，其與 膀4通過軸承套接於水平軸線，與機架鉸接於垂直軸線。膀4的頂端通過軸承 與軸9套。接後腿與前腿結構完全一樣，只是形狀和彈簧連杆6的連接點方向 不同，後腿蹄1與大腿3之間、兩個關節前後相同的部位。
每一條腿上有一個關聯抬腿的從動液壓杆8。從動杆8的活塞杆與大腿3 鉸接，其缸體與膀4活動連接。
步伐驅動機構
如圖9所示，套接於膀4頂端的軸9與連杆10鉸接，鉸接的轉動軸心點 在關節件5和機架6鉸接的軸心線上。連杆10與滑稈1 2通過球形關節連接， 滑杆1 2可在滑套11中來回滑動，滑套11與機架固定。滑杆12的另一端固定磙子13，磙子13位於圓臺凸輪14的軌跡槽當中。圓臺凸輪轉動可驅動滑杆 12做往復運動。滑杆12通過連杆10可驅動膀4的上端往復擺動，與膀相連的 腿則產生相應的擺動。在0偏移的狀態下，滑杆12與連杆10處於同一直線上， 滑杆12與機體的縱向軸心線在水平面上的夾角等於做最小轉彎半徑轉彎時內 側腿的轉動角度Q。以左前腿為例，軸9與連杆10鉸接的鉸接點A的運動軌跡 與滑杆12處於同一直線上時，A點的運動幅度最小，A的運動軌跡與滑杆12 之間的夾角越大點A的運動幅度就越大。如此，當機器做最小半徑左轉時，左 前腿做逆時針轉動至角度Q，此時腿部的擺動幅度最小。反之腿部的擺動幅度 最大。這樣，在轉彎過程中，由於鉸接點A的運動軌跡與滑杆12角度關係的 變化自然實現了步幅大小的相應變化。
圓臺凸輪14的推程運動角為270度回程運動角為90度，如此實現了往復 擺腿的周期效應。前後兩個圓臺凸輪14分別關聯兩條前腿或兩條後腿，兩個 圓臺凸輪14之間相位差為90度。與圓臺凸輪同軸有圓柱凸輪16，其推程運動 角為45度回程運動角為45度停歇角為270度。抬腿主動杆15的缸體固定在 機架上，其活塞杆前端面定有一個磙子13，磙子13位於圓臺凸輪的軌道槽內。 一個圓柱凸輪16同時作用於兩個以180度位置對稱的抬腿主動杆15，前後兩 個圓臺凸輪之間的相位差為90度。也可以只採用一個圓臺凸輪16，那麼分別 關聯四條腿的四個抬腿主動杆15以十字對稱的位置關係同時與圓柱凸輪16作 合。
轉彎機構
與實施例1完全一致，只是本實施例中不再附加步幅調節液壓杆。 實施例4:
本實施例與實施例3不同之處僅在於腿部。
如
圖10所示，腿杆1通過球形關節2與槓桿4的一端套接。定向器3是 一個內圓可旋轉的圓盤，類似於軸承，定向器3的內圓中間有一個滑槽，其外 圓與機架固定。腿杆l的自球形關節以上部分位於定向器3的滑槽內，定向器 3通過其中間的滑槽限定了腿杆1的擺動方向。腿杆1的頂端與連杆IO通過球 形關節連接於A點，A點、定向器3的圓心點、球形關節2的軸心點在0偏移 狀態下三點處於同一直線上。槓桿4的支點固定在機架上，其一端連接腿杆1，另一端與抬腿從動杆8的活塞杆鉸接。抬腿從動杆8的缸體與機架鉸接。 實施例5:
與實施例3相同的腿部結構，其驅動機構改為齒輪驅動。
該齒輪機構與實施例1中的齒輪機構相同。
以上所述的實施例，只是本實用新型較優選的具體實施方式
的一種，本領 域的技術人員在本實用新型技術方案範圍內進行的通常變化和替換都應包含 在本實用新型的保護範圍內。
權利要求1、一種四足行走機構，包括外殼，其特徵在於，所述外殼內設置有步伐驅動機構和轉向機構，所述步伐驅動機構連接設置於外殼下方的腿部，所述轉向機構分別連接外殼前方的頭部和腿部。
2、 根據權利要求1所述的一種四足行走機構，其特徵在於，所述頭部和 腿部連接有人力驅動裝置。
3、 根據權利要求1所述的一種四足行走機構，其特徵在於，所述步伐驅 動機構為凸輪機構。
4、 根據權利要求1所述的一種四足行走機構，其特徵在於，所述步伐驅 動機構為齒輪機構。
5、 根據權利1或2所述的一種四足行走機構，其特徵在於，所述腿部包 括蹄、小腿、大腿和膀，相臨各段之間關節處相互鉸接，蹄與大腿之間、兩個 關節前後相反的部位，採用一根彈簧連杆連接，小腿與膀之間、兩個關節前後 同向的部位，採用連杆連接，膀通過關節件與機架連接，關節件類似於十字萬 向連軸器，但其兩條旋轉軸線不同心，其與膀鉸接於水平軸線，與機架鉸接於 垂直軸線，腿上設置有兩個從動液壓杆，分別為擺腿從動杆和抬腿從動杆，擺 腿從動杆的活塞杆與膀鉸接，其缸體與關節件活動連接，抬腿從動杆的活塞杆 與大腿鉸接，其缸體與膀活動連接。
專利摘要本實用新型涉及一種四足行走機構，具體提供一種與真實四足動物行走步伐相同，且能夠真正實現靈活轉彎功能的四足行走機構，其結構包括外殼，所述外殼內設置有步伐驅動機構和轉向機構，所述步伐驅動機構連接設置於外殼下方的腿部，所述轉向機構分別連接外殼前方的頭部和腿部。與現有技術相比，本實用新型的一種四足行走機構，具有結構簡單，利於生產、能穩定行走、能靈活實現自然轉彎且能耗較小等特點。
文檔編號A63H11/20GK201128445SQ20072017385
公開日2008年10月8日 申請日期2007年10月29日 優先權日2007年10月29日
發明者何勝權 申請人:何勝權