專利名稱：一種四足行走機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種四足行走機構(gòu)，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(xiàn)靈活轉(zhuǎn)彎功能的四足行走機構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前的各種四足行走機構(gòu)，包括各種四足行走類動物玩具和四足機器人，
其要么沒有轉(zhuǎn)彎機構(gòu)；要么行走機構(gòu)非常復(fù)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(dǎo)致穩(wěn)定性差；轉(zhuǎn)彎 方式為雙前腿同時、同步幅硬性轉(zhuǎn)彎，步伐沒有改變，這樣就出現(xiàn)了，因為轉(zhuǎn) 彎過程中四足的步幅大小與角度配合的不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致足與地面產(chǎn)生強制滑移， 相關(guān)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(wěn)定步態(tài)是單腿抬起向前邁，其余三條腿支撐向后登，一 條腿落地后另 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(huán)往復(fù)；如果需要改變行走方向，它們在轉(zhuǎn)彎時的步態(tài)是通過外側(cè)腿走 大步，內(nèi)側(cè)腿走小步實現(xiàn)的，這樣才可以減少轉(zhuǎn)彎半徑并快速轉(zhuǎn)彎，本實用新 型的行走步態(tài)及轉(zhuǎn)彎方式即為這種自然界中四足動物的姿態(tài)。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)相對簡單，利于生產(chǎn)、能穩(wěn)定行走、 能靈活實現(xiàn)自然轉(zhuǎn)彎且能耗較小的新型四足行走機構(gòu)。驅(qū)動方式可以為蓄電池 供電或者小型汽油發(fā)動機及人力驅(qū)動。本實用新型客適用于玩具、軍事及野外 作業(yè)、探險等方面。
本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種四足行走機構(gòu)，包括外殼，所述外殼內(nèi)設(shè)置有步伐驅(qū)動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機 構(gòu)，所述步伐驅(qū)動機構(gòu)連接設(shè)置于外殼下方的腿部，所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)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(qū)動裝置。步伐驅(qū)動機構(gòu)為凸輪機構(gòu)。 步伐驅(qū)動機構(gòu)為齒輪機構(gòu)。
于現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的一種四足行走機構(gòu)能靈活實現(xiàn)自然轉(zhuǎn)彎且 能耗較小，具有結(jié)構(gòu)簡單，利于生產(chǎn)、能穩(wěn)定行走等特點。
以下結(jié)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(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)示意圖(實施例1);
圖2為一種四足行走機構(gòu)的凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖(實施例1);
圖3為一種四足行走機構(gòu)的齒輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖(實施例1);
圖4為一種四足行走機構(gòu)的轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖(實施例1);
圖5為一種四足行走機構(gòu)的人力驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖(實施例1);
圖6為一種四足行走機構(gòu)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(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)示意圖(實施例2);
圖8為一種四足行走機構(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)示意圖(實施例3);
圖9為一種四足行走機構(gòu)的步伐驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖(實施例3);
圖IO為一種四足行走機構(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)示意圖(實施例4)。
具體實施方式
以下結(jié)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，相臨各段腿桿之間關(guān)節(jié)處相互鉸接。為實現(xiàn)腿抬腿的仿生彎 曲——蹄1與大腿3之間、兩個關(guān)節(jié)前后相反的部位，采用一根彈簧連桿6連 接，該彈簧桿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(guān)節(jié)前后同向的部位，采用連桿7連接。膀4通過關(guān)節(jié) 件5與機架8連接，關(guān)節(jié)件5類似于十字萬向連軸器，但其兩條旋轉(zhuǎn)軸線不同 心，其與膀4鉸接于水平軸線，與機架鉸接于垂直軸線。后腿與前腿結(jié)構(gòu)完全 一樣，只是形狀和彈簧連桿6的連接點方向不同，后腿蹄1與大腿3之間、兩個關(guān)節(jié)前后相同的部位。 -
每一條腿上有兩個從動液壓桿，其中一個關(guān)聯(lián)擺腿一個關(guān)聯(lián)抬腿，分別為
擺腿從動桿9和抬腿從動桿10。擺腿從動桿9的活塞桿與膀4鉸接，其缸體與 關(guān)節(jié)件5活動連接。抬腿從動桿10的活塞桿與大腿3鉸接，其缸體與膀4活 動連接。
步伐驅(qū)動機構(gòu)可采用凸輪機構(gòu)或者齒輪機構(gòu)。
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、 一右后、一 右前、 一左后，如此循環(huán)，即當(dāng)其中一條腿抬腿向前邁步的時候，其余三條腿 同時著地向后登步，那么把一條腿完整一步的整個運動過程視為一個周期，則 抬腿向前邁步占1 / 4周期，著地向后蹬步占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(wěn)定性大大優(yōu)于以對角線行走的方式。
一、凸輪機構(gòu)-
要滿足上述腿的運動周期狀態(tài)，就需要擺腿從動桿9的運動具有同樣的周 期效應(yīng)，即伸展占3/4周期，收縮占l/4周期。如圖2所示，擺腿從動桿9 與擺腿主動桿11通過液管連通，擺腿主動桿11的運動就需具有與擺腿從動桿 9相反的周期效應(yīng)。擺腿主動桿11的缸體與機架活動連接，其活塞桿與步幅從 動桿12的活塞桿鉸接。步幅從動桿1 2的缸體與杠桿機構(gòu)13固定連接為一個 整體。杠桿機構(gòu)13的磙子14頂在擺腿凸輪15上，擺腿凸輪15轉(zhuǎn)動則推動杠 桿機構(gòu)13擺動，杠桿機13擺動則推拉擺腿主動桿11的活塞往復(fù)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(yīng)。
在腿的運動過程中，抬腿從動桿10只在腿向前邁步的過程產(chǎn)生一次伸縮 運動，而腿向后登步的過程抬腿從動桿10停歇不動，為更簡便的實現(xiàn)這種停 歇往復(fù)的周期運動，本方案采用凸輪來實現(xiàn)。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。抬腿主動桿17的缸體固定在機架上， 其活塞桿頂在抬腿凸輪16上。抬腿主動桿17與抬腿從動桿10之間通過液管 連通。
一個擺腿凸輪15與一個抬腿凸輪16同軸并列組成一個凸輪組，擺腿凸輪 15的推程運動角與抬腿凸輪16的停歇角處于同一旋轉(zhuǎn)角范圍之內(nèi)。兩個杠桿機構(gòu)13以垂直180度對稱的位置相對頂在擺腿凸輪15上,兩個抬腿主動桿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 軸并列，兩個凸輪組之間旋轉(zhuǎn)角度相位差為90度。四個凸輪在轉(zhuǎn)動過程中， 同時產(chǎn)生回程運動的抬腿主動桿17和擺腿主動桿11，對應(yīng)連接到同一條腿的 抬腿從動桿10和擺腿從動桿9。四個凸輪在轉(zhuǎn)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(gòu)
如圖3所示，杠桿機構(gòu)13通過一個連桿19與曲柄20連接，抬腿主動桿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(yīng)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， 并且其有效齒數(shù)相等。齒輪21與齒輪24嚙合，齒輪21的有效齒數(shù)是齒輪24 齒數(shù)的1.5倍。齒輪組甲(軸甲)與齒輪組乙(軸乙)嚙合旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的結(jié)果是，當(dāng) 齒輪22與齒輪23嚙合，軸乙轉(zhuǎn)半圈帶動軸甲轉(zhuǎn)半圈，當(dāng)過度到齒輪2 1與齒 輪24嚙合，軸乙轉(zhuǎn)1.5圈帶動軸甲轉(zhuǎn)半圈。與齒輪組甲同軸的凸輪18每轉(zhuǎn)動 一圈就產(chǎn)生了一個周期變化，即其中半圈占l/4周期，另半圈占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。那么 與曲柄連接的杠桿機構(gòu)13和凸輪18推動的抬腿主動桿1 7的往復(fù)運動都具有 了與上述凸輪機構(gòu)相同的周期效應(yīng)。
分別與四條腿關(guān)聯(lián)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(zhuǎn)向機構(gòu)
如圖4所示，擺桿32與外殼的脖子固定，當(dāng)外殼的頭部轉(zhuǎn)動時，擺桿隨 之?dāng)[動，擺桿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同時與偏移桿26固定，偏移桿26在套索25的牽引下隨擺桿 32做往復(fù)運動。偏移桿26兩端各有一個滑槽，滑槽內(nèi)套住一個磙子，該磙子 固定在連桿29的中間，連桿29的兩端與轉(zhuǎn)向桿31鉸接，轉(zhuǎn)向桿31與關(guān)節(jié)件5固定。左右轉(zhuǎn)向桿31、關(guān)節(jié)件5、連桿29之間的角度和長短關(guān)系與汽車的轉(zhuǎn) 向機構(gòu)類似，目的是為滿足條件——在轉(zhuǎn)彎過程中，內(nèi)外側(cè)的腿相對于同一圓 心的半徑不同，其轉(zhuǎn)角弧度也就不同。
偏移桿26與兩個滑套27固定，滑套27套在滑軌28上，目的是使偏移桿 26只能產(chǎn)生位移不能產(chǎn)生擺動。步幅主動桿30其缸體與機架固定，其活塞桿 與偏移桿26固定。四個步幅主動桿30兩個分為一組，分別位于偏移桿26的 左右兩側(cè)，同側(cè)的兩個步幅主動桿30分別關(guān)聯(lián)同側(cè)的前后腿。步幅主動桿30 與關(guān)聯(lián)相同腿的步幅從動桿12連通。當(dāng)步幅主動桿30被偏移桿26牽引伸縮 時，步幅從動桿12同時產(chǎn)生伸縮。根據(jù)杠桿原理，當(dāng)步幅從動桿12的活塞桿 往外伸出時，與其像鉸接的擺腿主動桿ll的活塞行程就會增加，反之則減小。 由此在轉(zhuǎn)彎過程中，實現(xiàn)了四條腿步幅大小的自動適應(yīng)。
人力驅(qū)動裝置
如圖5所示，與外殼的脖子固定有擺桿32，推拉外殼的脖子，擺桿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(qū)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(guān)系的觸點37與電阻片40接觸， 銅片38可旋轉(zhuǎn)，電阻片40的長度以銅片38在旋轉(zhuǎn)過程中只能隨時有1個觸 點37與電阻片接觸為準。當(dāng)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(yīng)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(gòu)成類似開關(guān)的結(jié)構(gòu)——開關(guān)甲 與開關(guān)39并聯(lián)，再與電機串聯(lián)。當(dāng)開關(guān)39閉合時，開關(guān)甲因有電阻存在所以 在電路中無效，當(dāng)開關(guān)39斷開時，如過此時有一條腿懸空，那么銅片38與電 阻片40則處于閉合狀態(tài)，電機就會繼續(xù)旋轉(zhuǎn)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，從而停止于四腿著地的狀 態(tài)。電阻片40之所以采用電阻片而不采用銅片，是為了在停止過程中逐漸減 速，以避免由于慣性使十字銅片轉(zhuǎn)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(qū)別只是腿的結(jié)構(gòu)不同。
本實施例的腿采用一種標準的平行四連桿機構(gòu)。如圖7所示，腿桿l與搖 桿2鉸接于D點，搖桿2的支點6 (c點)與連接件5鉸接，搖桿2的另一端與 抬腿從動桿10的缸體鉸接于B點，抬腿從動桿10的活塞桿頂端A點固定磙子 3。抬腿從動桿IO、搖桿2、腿桿l、連桿7的鉸接點構(gòu)成一個平行四邊形。各 段的長度關(guān)系，按ABCDE點劃分，AB / DE=CB / CD。滑槽4與連接件5固定為 一個整體。擺腿從動桿9的活塞桿與抬腿從動桿10的活塞桿頂端鉸接，擺腿 從動桿9的缸體與連接件5固定。接件5與機架鉸接。
將前腿的結(jié)構(gòu)前后鏡像就得到后退的結(jié)構(gòu)。
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，相臨各段腿桿之間關(guān)節(jié)處相互鉸接。為實現(xiàn)腿抬腿的仿生彎 曲——蹄1與大腿3之間、兩個關(guān)節(jié)前后相反的部位，采用一根彈簧連桿6連 接，該彈簧桿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(guān)節(jié)前后同向的部位，采用連桿7連接。膀4通過關(guān)節(jié) 件5與機架6連接，關(guān)節(jié)件5類似于十字軸，但其兩條旋轉(zhuǎn)軸線不同心，其與 膀4通過軸承套接于水平軸線，與機架鉸接于垂直軸線。膀4的頂端通過軸承 與軸9套。接后腿與前腿結(jié)構(gòu)完全一樣，只是形狀和彈簧連桿6的連接點方向 不同，后腿蹄1與大腿3之間、兩個關(guān)節(jié)前后相同的部位。
每一條腿上有一個關(guān)聯(lián)抬腿的從動液壓桿8。從動桿8的活塞桿與大腿3 鉸接，其缸體與膀4活動連接。
步伐驅(qū)動機構(gòu)
如圖9所示，套接于膀4頂端的軸9與連桿10鉸接，鉸接的轉(zhuǎn)動軸心點 在關(guān)節(jié)件5和機架6鉸接的軸心線上。連桿10與滑稈1 2通過球形關(guān)節(jié)連接， 滑桿1 2可在滑套11中來回滑動，滑套11與機架固定?；瑮U12的另一端固定磙子13，磙子13位于圓臺凸輪14的軌跡槽當(dāng)中。圓臺凸輪轉(zhuǎn)動可驅(qū)動滑桿 12做往復(fù)運動?；瑮U12通過連桿10可驅(qū)動膀4的上端往復(fù)擺動，與膀相連的 腿則產(chǎn)生相應(yīng)的擺動。在0偏移的狀態(tài)下，滑桿12與連桿10處于同一直線上， 滑桿12與機體的縱向軸心線在水平面上的夾角等于做最小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎時內(nèi) 側(cè)腿的轉(zhuǎn)動角度Q。以左前腿為例，軸9與連桿10鉸接的鉸接點A的運動軌跡 與滑桿12處于同一直線上時，A點的運動幅度最小，A的運動軌跡與滑桿12 之間的夾角越大點A的運動幅度就越大。如此，當(dāng)機器做最小半徑左轉(zhuǎn)時，左 前腿做逆時針轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎過程中，由于鉸接點A的運動軌跡與滑桿12角度關(guān)系的 變化自然實現(xiàn)了步幅大小的相應(yīng)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(xiàn)了往復(fù) 擺腿的周期效應(yīng)。前后兩個圓臺凸輪14分別關(guān)聯(lián)兩條前腿或兩條后腿，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。抬腿主動桿15的缸體固定在 機架上，其活塞桿前端面定有一個磙子13，磙子13位于圓臺凸輪的軌道槽內(nèi)。 一個圓柱凸輪16同時作用于兩個以180度位置對稱的抬腿主動桿15，前后兩 個圓臺凸輪之間的相位差為90度。也可以只采用一個圓臺凸輪16，那么分別 關(guān)聯(lián)四條腿的四個抬腿主動桿15以十字對稱的位置關(guān)系同時與圓柱凸輪16作 合。
轉(zhuǎn)彎機構(gòu)
與實施例1完全一致，只是本實施例中不再附加步幅調(diào)節(jié)液壓桿。 實施例4:
本實施例與實施例3不同之處僅在于腿部。
如
圖10所示，腿桿1通過球形關(guān)節(jié)2與杠桿4的一端套接。定向器3是 一個內(nèi)圓可旋轉(zhuǎn)的圓盤，類似于軸承，定向器3的內(nèi)圓中間有一個滑槽，其外 圓與機架固定。腿桿l的自球形關(guān)節(jié)以上部分位于定向器3的滑槽內(nèi)，定向器 3通過其中間的滑槽限定了腿桿1的擺動方向。腿桿1的頂端與連桿IO通過球 形關(guān)節(jié)連接于A點，A點、定向器3的圓心點、球形關(guān)節(jié)2的軸心點在0偏移 狀態(tài)下三點處于同一直線上。杠桿4的支點固定在機架上，其一端連接腿桿1，另一端與抬腿從動桿8的活塞桿鉸接。抬腿從動桿8的缸體與機架鉸接。 實施例5:
與實施例3相同的腿部結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動機構(gòu)改為齒輪驅(qū)動。
該齒輪機構(gòu)與實施例1中的齒輪機構(gòu)相同。
以上所述的實施例，只是本實用新型較優(yōu)選的具體實施方式
的一種，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員在本實用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應(yīng)包含 在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種四足行走機構(gòu)，包括外殼，其特征在于，所述外殼內(nèi)設(shè)置有步伐驅(qū)動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，所述步伐驅(qū)動機構(gòu)連接設(shè)置于外殼下方的腿部，所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)分別連接外殼前方的頭部和腿部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種四足行走機構(gòu)，其特征在于，所述頭部和 腿部連接有人力驅(qū)動裝置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種四足行走機構(gòu)，其特征在于，所述步伐驅(qū) 動機構(gòu)為凸輪機構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種四足行走機構(gòu)，其特征在于，所述步伐驅(qū) 動機構(gòu)為齒輪機構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利1或2所述的一種四足行走機構(gòu)，其特征在于，所述腿部包 括蹄、小腿、大腿和膀，相臨各段之間關(guān)節(jié)處相互鉸接，蹄與大腿之間、兩個 關(guān)節(jié)前后相反的部位，采用一根彈簧連桿連接，小腿與膀之間、兩個關(guān)節(jié)前后 同向的部位，采用連桿連接，膀通過關(guān)節(jié)件與機架連接，關(guān)節(jié)件類似于十字萬 向連軸器，但其兩條旋轉(zhuǎn)軸線不同心，其與膀鉸接于水平軸線，與機架鉸接于 垂直軸線，腿上設(shè)置有兩個從動液壓桿，分別為擺腿從動桿和抬腿從動桿，擺 腿從動桿的活塞桿與膀鉸接，其缸體與關(guān)節(jié)件活動連接，抬腿從動桿的活塞桿 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(gòu)，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(xiàn)靈活轉(zhuǎn)彎功能的四足行走機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括外殼，所述外殼內(nèi)設(shè)置有步伐驅(qū)動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，所述步伐驅(qū)動機構(gòu)連接設(shè)置于外殼下方的腿部，所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)分別連接外殼前方的頭部和腿部。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的一種四足行走機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，利于生產(chǎn)、能穩(wěn)定行走、能靈活實現(xiàn)自然轉(zhuǎn)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(yōu)先權(quán)日2007年10月29日
發(fā)明者何勝權(quán) 申請人:何勝權(quán)