曲柄連杆機構型步行機械的製作方法

2023-06-04 07:14:26 3

專利名稱：曲柄連杆機構型步行機械的製作方法
曲柄連杆機構型步行機械是牽引、交通運輸仿生機械。
由於生物的骨骸都由一系列槓桿組成，其行走都用腳，效率之高、耗能之低，令人類感嘆。自古以來就有人研製仿生機械。美國研製有遙控能上山頂的仿蜘蛛型爬行機械，日本研製了四足能上下樓梯的電腦機器人，捷克人發明了仿袋鼠跳躍式機械……。我國也有許多專家早就在進行研究，從「農業工程學報」上看到吉林工大發明的半步輪、步行輪也都屬於仿生機械系列。本人也是從1976年就開始研究仿生機械的。
現代輪式履帶式牽引、負載式交通運輸機械的通過性能很不盡人意，很大程度上受道路的限制，而造路就要耗費大量的人類耐以生存的土地和物資。不能像人及牛、馬、駱駝等動物，幾乎能去地表上任何地方，沒有路的地方也能走出路來。在南方拖拉機遇到稍大一點的小坑小窪小溝就過不去，遇有作物地塊，損害作物太多也就過不了，很大程度上也依賴於路。對於搞農機的我很有感觸，因此開始研究生物的機體結構及運動方式，結合機械原理，經過長期努力，試驗完成曲柄連杆機構型步行機械試驗樣機。
歷來研製仿生機械的最大難點是找不到簡單的能相似完成動物的腳一樣活動的機構，而曲柄連杆機構型步行機械的發明正是對這一難點有了突破，研究出既有結構簡單相似於生物的機體，又有與生物一樣會走的腳。其原理是以曲柄連杆機構原理為基點，在連杆外加上有活動支點的導套，限制連杆的運動軔跡，使曲柄O1a1繞支點O1反時針轉過180度即上半圈時，由於設計時確定的曲柄、連杆、跨距三者的長度而形成的尺寸鏈，使連杆末端(即腳掌)的運動軔跡為一直線。本試驗機曲柄為116毫米，連杆長為866毫米，半跨距為317毫米，則 當曲柄處於0度或180度時曲柄支點Q1離面高度為 毫米，當曲柄處於90度時，連杆與曲柄同時垂直於地面，所以支點O1離地高度為866-116＝750毫米，所以曲柄在轉上半圈時，曲柄支點離地面高度不變即機體高度不變。也就是當腳掌踏在地表上，曲柄繞支點O1轉180度時，支點O1向前運動時離地高度不變。當曲柄繼續轉180度時(即下半圈)，隨著連杆的下伸，由於連杆是由四桿鉸連而成，而且還有專用機構從而使連杆下段會彎曲抬起。此時由於對側的腳踏在地上而使機體前進，帶動抬起的腳一起前移。這樣左右腳的不斷踏下抬起。同牛或馬一樣的機器就會運行了。
如附圖
所示的就是曲柄連杆機構型步行機械中的一條連杆(即一條腿)在地上和抬起時的全程情況。當曲柄轉過上半圈180度時，腳落在地表上沒有動，而支點O1O2前進了一直線距離。當轉過下半圈180度時，腳下肢抬起由於對側腳落在地上使機體前進而隨之前進了一段與落在地上機體前移相同的距離。這是在機器沒有轉彎時的情況。
整機設計曲柄連杆機構型步行機械的行走機構是步行腳，是整機設計的關鍵，由於目前還沒有實用型的步行機問世，人們對它了解甚少，實際上比現有機械車輛還要簡單。以四腳步行機為例，由於四隻腳需要同步，即四隻腳的抬起與落下要求有規律，以免整機翻倒。如果牛的兩前腳或側邊的腳同時抬起那麼就會滾倒。所以要求前後腳，左右腳要輪流抬起，而且抬起的時間也是有規定的，不能太多也不能太少，所以傳動機構裡就不要差速器、半軸等另部件、制動也只要求整機制動，而不需要每隻腳有制動。其整機結構就機械實用型包括有機架、動力、離合器、傳動系統、變速箱、轉向機構、制動機構、行走機構、電器部分、操縱機構，還有一些像輸出軸，牽引架之類的附屬機構等，大部份另部件，其性能結構與現代汽車、拖拉機上的差不多，有的連接方式、形狀、尺寸，安裝位置需要改變。對傳動系統、機架、行走機構有較大的區別。機架是馬鞍型的，動力、變速箱，離合器等重量較大的部件裝在肚子裡面。因步行機與地面是點接觸，振動與衝力肯定要大一些，慣性平衡不但與設計有關與操作者的技術水平也有很大關係。為達到較好的穩定性，所以要使整機重心在四腳之間，而且越低越好。對傳動系統，由於四腳需要同步，為達到慣性平衡，圍轉無死點，所以傳動件要求重量符合設計要求，採用圍轉運動，傳動件採用圓柱面配合的剛性傳動系。其動力傳動路線如下。動力——離合器——變速箱——前後傳動軸(軸上裝制動器)——萬向節——傘齒輪付(改變方向)——腳的曲柄。腳的結構(見附圖)，就是曲柄連杆機構，由(1)限制連杆端點(即腳掌)運動軔跡的導套，導套的活動支點與曲柄的活動支點同在機架上，(2)分成上、中、下三節和腳掌相互鉸鏈而成的連杆，(3)使腳掌踏到終點時能抬起且碰到石塊時還能抬高和踏在地上時不彎曲能支撐機重的支撐伸縮杆和套組成。腳掌與下杆的連接要求是相互之間的連接角度與範圍保證使腳掌落在地上的時間高於抬空時間及行走時不拖在地上成為整機前移與轉向時阻力的設計要求。腳掌底曲面的面積與形狀達到地面能承重不打滑的要求。另外為保證停機的平穩有的機型必須有支撐杆。
根據用途與地形對於腳的數量與安裝位置可有區別。例如要仿造狗拉的彐撬，運行於彐野。可制多腳並列的步行機，代替狗的牽引機，如果要淌水，可以在機架下面做隔板，將動力及變速箱等須防進水的部件在導套支點處隔開，然後將連杆的下杆稍做成偏形，步行機就可淌水。根據地形與需要腳可以選二隻及更多的偶數隻以增加平穩性及牽引力。
該發明是車輛的一種新機型，與現有車輛相比，提高了車的通過性能，增加了車的使用領域。降低了車對路的要求，節約土地、節約資金，不用橡膠，沒有差速器，最終傳動等部件，結構簡單靈巧，減低了車的成本，並且能開拓比現有車輛更多領域的機型。與國外高科技電腦型仿生機械相比、無須裝多隻電機，裝一隻電機或動力加上傳感器，遙控器等部件就可以做成高科技無人操作遙控產品，能解決很多問題，與還沒有成為實用型的仿生機械相比由於採用了最簡單的曲柄連杆機構為行走機構，採用往復圍轉運動消除運動死點平衡慣性，採用圓柱面配合提高效率，降低成本，減少磨損，成為實用型能開拓於各種領域的仿生機構。
實行該發明的設計程序與要點(1)明確使用區域與用途，以作業要求確定時速。(2)以牽引力確定機體重量大小。(3)以時速、地表複雜程度確定機體高度，時速大高度相對較低，地表複雜高度較低。(4)以時速、高度確定腳的跨距。(5)以高度、跨距、時速就可以確定曲柄連杆機構的連杆長度、曲柄長度、跨距三個尺寸鏈，即一隻腳的長度尺寸，至於其它尺寸按牽引力來進行計算。(6)以時速、土地承載力確定腳的只數與腳掌底面積大小，時速大、腳數少，時速慢，牽引力大腳數多，土地承載力小，腳掌低面積大，承載力大腳掌底面積可少。具體的尺寸可計算。(7)以用途與工作場所確定腳的前後排列與並列。(8)根據牽引力選用動力。(9)根據腳的三要素及動力等設計機架，然後選配傳動系統、離合器、變速箱、制動器、電器及線路、動力輸出、牽引架等另部件以及整機的配置。另外，還有所需材料、公稱尺寸、要求精度，以及加工，檢驗的工裝設備及質量標準與工藝流程等一系列的技術與工藝工作。對於目前還沒有定型產品之前，選用一些現有車型的另部件進行加工改造試製曲柄連杆機構步行機的新車型，逐步達到批量生產的階段。
權利要求
1.曲柄連杆機構型步行機械的要點是研究了曲柄連杆機構的運行特點，在連杆外加上有活動支點的導套，使連杆的運動軌跡受到限制。使連杆端點(即腳掌)的運動軌跡在設計計算出的連杆長度、曲柄長度和跨距三要素而形成的尺寸鏈的前提下達到曲柄在轉上半圈時是一直線的工作原理與結構方式。
2.為使腳踏在地上時能支撐機重且不彎曲而在完成撐行過程後又能抬起。將腳設計為四段，即上杆、中杆、下杆和腳掌，相互間為活動鉸鏈，並在導套和下杆上安裝了腳踏在地上支撐機重且不彎曲和曲柄轉下半圈時使腳掌抬起的支承抬腳伸縮杆套的原理及結構方式。
3.為使該機械運行平穩，根據連杆運動軌跡，相對延長腳落地時間而設計的底面為弧形的腳掌以及與下杆鉸鏈及相對活動角度的結構方式。
全文摘要
曲柄連杆機構型步行機械是仿駱駝等生物用腳走的牽引運輸機械。大部分零部件的結構、性能與現代車輛的基本相同，其行走機構即腳由曲柄連杆機構組成，整機有偶數腳，分前後型、並列型，能轉向、轉向器隨腳的安裝形式而定。由曲柄、連杆、跨距三者的長度所組成尺寸鏈的腳運行時使機體的高度不變，傳動採用同步往復運動，運動副採用圓柱面配合，運動慣性基本平衡無死點。用於丘陵、沙漠、作物田中等不易或無需修路地域。
文檔編號B62D57/02GK1130139SQ95120630
公開日1996年9月4日 申請日期1995年12月6日 優先權日1995年12月6日
發明者鄒章效 申請人:鄒章效