專利名稱：兩腿步行機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
目前，兩腿步行機(jī)器人雖然已經(jīng)問(wèn)世，但是，現(xiàn)有的兩腿步行機(jī)器人在步行機(jī)理上與人的步行還有很大差別，人步行最主要的機(jī)理是游動(dòng)足著地時(shí)，支撐足蹬地，使身體產(chǎn)生慣性力，這一慣性力不僅使身體向前運(yùn)動(dòng)，而且使兩腿在大腦的指配下通過(guò)肌肉協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)邁步。人步行前進(jìn)足蹬地是主導(dǎo)因素，大腦協(xié)調(diào)是配合因素。一般人在普通路面正常行走時(shí)，身體的重心不總是落在支撐足上，而是從足后邊經(jīng)過(guò)足或足的內(nèi)側(cè)到足前邊。尤其是身體的重心落在支撐足后邊時(shí)，沒有足蹬地產(chǎn)生的慣性力，身體平衡就無(wú)法保持，身體平衡不能保持就無(wú)從談起邁步行走。只有一種情況不需要足蹬地實(shí)現(xiàn)步行，那就是在步行全過(guò)程中身體重心總是落在支撐足上，重心總是落在支撐足上的步行，不是真正意義上的步行，至少可以說(shuō)不是一種健康人的步行，真正的步行，應(yīng)該是在步行過(guò)程中，不僅當(dāng)身體重心落在支撐足上時(shí)能夠步行，而且不管重心落在支撐足后邊或支撐足前邊都能夠?qū)崿F(xiàn)步行。人正是由于依靠足蹬地與大腦協(xié)調(diào)這種主導(dǎo)因素與配合因素有機(jī)結(jié)合，才使人具備了步行這種完美無(wú)缺的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。人可以在平直路面行走，也可以在不平路面行走，人的步行步幅可大可小、速度可快可慢，而且耗能非常低?，F(xiàn)有的兩足步行機(jī)器人幾乎都是不具備足蹬地功能，僅靠智能控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)步行，所以重心離不開支撐足，它不僅步幅小、速度慢、耗能高，而且結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、控制難度相當(dāng)大。
本發(fā)明的目的就在于克服上述缸陷，為社會(huì)提供一種具備足蹬地功能、容易控制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能低、速度快的步行機(jī)。
本發(fā)明的目的是通過(guò)如下措施達(dá)到的兩腿步行機(jī)包括聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)、液控系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、軀干、腿和足及手臂。其特征在于聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)由副擺輪(2)、離合片(6)、壓簧(7)、主擺輪(8)、小軸(10)、小連桿(11)、聯(lián)動(dòng)輪(12)、操縱繩索(16)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)組成；調(diào)速機(jī)構(gòu)由調(diào)速電機(jī)(13)、調(diào)速擺(14)、小滑動(dòng)套(15)、大滑動(dòng)套(17)和調(diào)速繩索組成；液控系統(tǒng)由上缸體(3)、活塞(4)、后缸體(34)、大活塞(35)、下缸體(41)、活塞、液控膠囊(38)、足控板(39)、導(dǎo)管組成；氣動(dòng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)(52)、氣瓶(9)、可調(diào)式減壓器(53)、閥缸、導(dǎo)管組成；軀干由機(jī)架(1)、大軸(5)及安裝在機(jī)架上的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)、空氣壓縮機(jī)、氣瓶組成；腿由上連桿(18)、中連桿(23)、滑動(dòng)軸承、螺母(19)、滑銷蓋(50)、滑動(dòng)銷(51)、下連桿(25)、動(dòng)力桿(36)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)組成；足由足體(43)、離合子(42)、下簧座(37)、壓簧、下缸體(41)、活塞、液控膠囊(38)、足控板(39)組成。兩腿步行機(jī)是在游動(dòng)足著地時(shí)，依靠氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)支撐足蹬地產(chǎn)生的反作用力前進(jìn)的，步態(tài)轉(zhuǎn)換由液控系統(tǒng)自動(dòng)控制，在平整路面直行時(shí)，由聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)邁步行走。當(dāng)起步、停止、轉(zhuǎn)向或在不平路面行走時(shí)，智能控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)速機(jī)構(gòu)可以方便地實(shí)施控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.采用壓縮空氣做為動(dòng)力源、氣缸為驅(qū)動(dòng)器、動(dòng)力桿為傳動(dòng)件，一方面可以使足產(chǎn)生蹬地動(dòng)作，另一方面可以實(shí)現(xiàn)力的有效傳遞。
2.足蹬地動(dòng)作，不僅使步行機(jī)獲得了前進(jìn)的動(dòng)能，也使聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)獲得了自動(dòng)協(xié)調(diào)的動(dòng)能，同時(shí)解決了動(dòng)平衡問(wèn)題。
3.由聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液控系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，不僅使是十分復(fù)雜的控制問(wèn)題變得簡(jiǎn)單有效。而且，在平整路面直行時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)步行。
4.調(diào)速機(jī)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的變速方式，他不是改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的動(dòng)力源，也不是在原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間加變速箱或離合器，而是在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，實(shí)施了增量控制。這種控制方式，對(duì)于機(jī)械手、步行機(jī)、機(jī)器人這種多關(guān)節(jié)、多機(jī)構(gòu)復(fù)雜的控制設(shè)備來(lái)說(shuō)，是非常適用的。
5.由氣閥、氣缸、油缸組合而成的閥缸，不僅可以使氣閥迅速開啟，也最大限度地縮小了氣閥與氣缸之間的距離。因此提高了動(dòng)力源的有效利用率。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述

圖1是本實(shí)施例的主視圖和左視圖。
圖2是液控系統(tǒng)圖。
圖3是氣動(dòng)系統(tǒng)圖。
圖4是圖1的B-B剖面圖。
圖5是圖1的C-C剖面圖。
圖6是圖1的D-D剖面圖。
圖7是圖1的E-E剖面圖。
圖8是閥缸的主視圖。
圖9是聯(lián)動(dòng)輪帶動(dòng)主擺輪擺動(dòng)過(guò)程圖。
一、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，見圖1。聯(lián)動(dòng)輪(12)上有四個(gè)繩槽，兩個(gè)髖關(guān)節(jié)、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)的操縱繩索纏繞在該繩槽內(nèi)。在聯(lián)動(dòng)輪(12)中部有一個(gè)雙搖臂，利用小軸(10)、小連桿(11)、小螺栓及滑動(dòng)軸承把該雙搖臂與兩個(gè)主擺輪(8)連接在一起，在兩個(gè)副擺輪(2)的外圓上各有一繩槽，膝關(guān)節(jié)操縱繩索纏繞在該繩槽內(nèi)，副擺輪(2)套在主擺輪(8)上，在主、副擺輪內(nèi)部裝有壓簧(7)、離合片(6)，在副擺輪(2)和離合片(6)的外側(cè)裝有上油缸，即上缸體(3)和活塞(4)，利用大軸(5)把上述零部件安裝在機(jī)架(1)上。在上油缸有壓力時(shí)，離合片使主、副擺輪結(jié)合(見圖5)，副擺輪(2)隨主擺輪(8)擺動(dòng)。在上油缸沒有壓力時(shí)，在壓簧(7)的作用下，離合片(6)使主、副擺輪脫開，副擺輪不隨主擺輪擺動(dòng)。
二、調(diào)速機(jī)構(gòu)，見圖1。在調(diào)速電機(jī)(13)和調(diào)速擺(14)的圓上有繩槽，在繩槽內(nèi)纏繞著調(diào)速繩索，調(diào)速電機(jī)(13)通過(guò)調(diào)速繩索可使調(diào)速擺(14)擺動(dòng)，有多少個(gè)關(guān)節(jié)就有多少個(gè)調(diào)速電機(jī)和調(diào)速擺，本實(shí)施例是八個(gè)調(diào)速電機(jī)(13)、八個(gè)調(diào)速擺(14)，在調(diào)速擺的擺臂上總共安裝著十六個(gè)小滑動(dòng)套(15)，在調(diào)速擺(14)的左下方、右下方的機(jī)架(1)上分別安裝著十六個(gè)大滑動(dòng)套(17)。八對(duì)調(diào)速電機(jī)、調(diào)速擺分別控制著左右髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)，左踝關(guān)節(jié)操縱繩索和右髖關(guān)節(jié)操縱繩索，從聯(lián)動(dòng)輪纏繞下來(lái)，先經(jīng)過(guò)調(diào)速擺(14)左上、右上、左下、右下方的四個(gè)大滑動(dòng)套，再經(jīng)過(guò)調(diào)速擺(14)上的小滑動(dòng)套(15)后，右髖關(guān)節(jié)操縱繩索下來(lái)直接纏繞在上連桿(18)上端的單接耳上。左踝關(guān)節(jié)操縱繩索還要經(jīng)過(guò)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)上的滑動(dòng)銷，然后纏繞在左踝關(guān)節(jié)的繩輪上。左髖關(guān)節(jié)操縱繩索，從聯(lián)動(dòng)輪纏繞后下來(lái)，先經(jīng)過(guò)調(diào)速擺(14)左下、右下方的大滑動(dòng)套(17)，再經(jīng)過(guò)調(diào)速擺(14)上的小滑動(dòng)套(15)后，左髖關(guān)節(jié)操縱繩索就直接纏繞在上連桿上端的單接耳上。右踝關(guān)節(jié)操縱繩索，還要經(jīng)過(guò)右髖關(guān)節(jié)和右膝關(guān)節(jié)上的滑動(dòng)銷，然后纏繞在右踝關(guān)節(jié)的繩輪上。兩個(gè)膝關(guān)節(jié)操縱繩索，分別從兩個(gè)副擺輪下來(lái)，先經(jīng)過(guò)調(diào)速擺(14)左下、右下方的大滑動(dòng)套，再經(jīng)過(guò)調(diào)速擺上的小滑動(dòng)套，從小滑動(dòng)套下來(lái)，還要經(jīng)過(guò)髖關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)上的滑動(dòng)銷，然后纏繞在膝關(guān)節(jié)的繩輪(24)上。轉(zhuǎn)向操縱繩索，先固定在機(jī)架(1)的下部，再經(jīng)過(guò)調(diào)速擺(14)兩邊的小滑動(dòng)套，從小滑動(dòng)套下來(lái)，還要經(jīng)過(guò)髖關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)上的滑動(dòng)銷，然后纏繞在中連桿上端的凸臺(tái)上。在平整路面直行時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)邁步行走，調(diào)速機(jī)構(gòu)不參與工作。當(dāng)起步、停止、轉(zhuǎn)向和在不平路面行走或上下樓梯時(shí)，由智能控制系統(tǒng)控制相應(yīng)的調(diào)速電機(jī)，利用調(diào)速繩索，使相應(yīng)的調(diào)速擺順、逆時(shí)針擺動(dòng)，由于各關(guān)節(jié)的操縱繩索都是經(jīng)過(guò)兩邊的大滑動(dòng)套和小滑動(dòng)套，調(diào)速擺擺動(dòng)時(shí)，纏繞在關(guān)節(jié)上的操縱繩索一邊拉一邊放，從而使關(guān)節(jié)角位移或者角速度產(chǎn)生了增量，如果這增量與關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向相同，就是正增量，關(guān)節(jié)的角位移或者角速度增加，反之，則是負(fù)增量，關(guān)節(jié)的角位移或者角速度減小。
三、液控系統(tǒng)，見圖2。液控系統(tǒng)共有兩個(gè)，左足和右足各控制一個(gè)液控系統(tǒng)，兩系統(tǒng)的部件及結(jié)構(gòu)完全一樣，都是由上油缸(3、4)、下油缸(4、41)、后油缸(34、35)、液控膠囊(38)和液壓導(dǎo)管組成。左液控系統(tǒng)的控制路徑是從左邊的液控膠囊(38)上行到第一個(gè)三向節(jié)點(diǎn)分成兩路，一路到右下油缸(34、35)；另一路繼續(xù)上行拐向右邊，到第二個(gè)三向節(jié)點(diǎn)后分成兩路，一路到右下油缸(4、41)；另一路到右上油缸(3、4)。右液控系統(tǒng)的控制路徑是，從右邊的液控膠囊(38)上行到第一個(gè)三向節(jié)點(diǎn)后分成兩路，一路到右后缸(34、35)；另一路繼續(xù)上行向左拐到第二個(gè)三向節(jié)點(diǎn)后分成兩路，一路到左下油缸(4、41)，另一路到左上油缸(3、4)。按照?qǐng)D2所示，它已經(jīng)表明液控系統(tǒng)各部件之間的控制關(guān)系，即安裝在左足內(nèi)的液控膠囊，控制著左腿后油缸、右足下油缸和軀干右上油缸。安裝在右足內(nèi)液控膠囊，控制著右腿后油缸、左足下油缸和軀干左上油缸，上油缸活塞和下油缸活塞形狀大小完全一樣都用編號(hào)(4)表示，左右相對(duì)應(yīng)的油缸形狀大小也完全一樣，所以都采用相同編號(hào)來(lái)表示。
四、氣動(dòng)系統(tǒng)，見圖3。氣動(dòng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)(52)、氣瓶(9)、可調(diào)式減壓器(53)、二位三通氣閥(28、29、30)、薄膜式氣缸(46、47、48)組成。其中空氣壓縮機(jī)、氣瓶、可調(diào)式減壓器都現(xiàn)有技術(shù)或現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)件。二位三通氣閥、薄膜式氣缸都是組合件，它們與后油缸組合成閥缸，見圖8閥缸的主視圖，閥缸由上簧座(26)、閥缸后體(27)、閥套(28)、閥片(29)、密封圈(30)、中簧(31)、后簧座(32)、后簧(33)、后缸體(34)、大活塞(35)、閥缸前體(44)、控制銷(45)、氣缸套(46)、薄膜(47)、氣缸活塞(48)、上簧(49)組成。其中氣閥部分包括閥套(28)、閥片(29)、密封圈(30)，氣閥的功能是溝通或關(guān)閉通往氣缸氣路的，在氣閥上部有上簧(49)，下部有控制銷(45)，當(dāng)控制銷后移釋放氣閥時(shí)，在上簧(49)的作用下，氣閥迅速打開。氣缸部分包括氣缸套(46)、薄膜(47)、氣缸活塞(48)，氣缸的功能是直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力桿(36)使足產(chǎn)生蹬地動(dòng)作，使身體產(chǎn)生慣性力。依靠這個(gè)慣性力，身體向前運(yùn)動(dòng)及協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)向前邁步。后油缸部分包括后缸體(34)、大活塞(35)，后油缸的功能是推動(dòng)氣閥向上移動(dòng)，使其恢復(fù)到關(guān)閉位置。閥缸共有兩個(gè)，分別安裝左右腿上。
五、軀干，見圖1。軀干由機(jī)架(1)和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和氣瓶等組成。空氣壓縮機(jī)是現(xiàn)有技術(shù)或者是現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)件，它可以安裝在軀干上，也可以做為附件背在身上。
六、腿和足，見圖1。腿主要有由上連桿(18)、中連桿(23)、下連桿(25)、動(dòng)力桿(36)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)組成。足主要由足體(43)、下簧座(37)、離合子(42)、活塞、下缸體(41)、液控膠囊(38)、足控板(39)組成。上連桿(18)上端有單接耳，用螺栓、滑動(dòng)軸承，把它與機(jī)架(1)下端的雙接耳安裝在一起組成髖關(guān)節(jié)，在上連桿(18)上端的單接耳上，纏繞著髖關(guān)節(jié)操縱繩索。在髖關(guān)節(jié)的兩邊還裝有滑銷蓋(50)和滑動(dòng)銷(51)見圖6，在上連桿(18)下端凸臺(tái)的內(nèi)側(cè)也裝有滑動(dòng)銷，見圖7，用螺母(19)、滑動(dòng)軸承(20、21、22)把上連桿(18)的下端與中連桿(23)的上端安裝在一起組成轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)，見圖1。在中連桿(23)的上端凸臺(tái)上纏繞著轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)操縱繩索。用螺栓、滑動(dòng)軸承把中連桿(23)下端的單接耳與下連桿(25)上端的雙接耳安裝在一起，組成膝關(guān)節(jié)。在膝關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)安裝著繩輪(24)，膝關(guān)節(jié)操縱繩索纏繞在該繩輪上，在膝關(guān)節(jié)外側(cè)安裝著滑動(dòng)銷和滑銷蓋。在小連桿(25)內(nèi)部有動(dòng)力桿(36)，用螺栓、滑動(dòng)軸承把動(dòng)力桿(36)下端單接耳、下連桿下端雙接耳與足體(43)上端的雙接耳安裝在一起，組成踝關(guān)節(jié)。在踝關(guān)節(jié)的外側(cè)裝有繩輪，踝關(guān)節(jié)操縱繩索纏繞在該繩輪上。在足體(43)內(nèi)裝有下缸體(41)、活塞、離合子(42)、壓簧、下簧座(37)，在足體(43)的下部裝有液控膠囊(38)、足控板(39)，用小軸(40)把足控板(39)與足體(43)安裝在一起。
七、智能控制系統(tǒng)是現(xiàn)有技術(shù)，它包括視覺傳感器、位置傳感器、CPU、放大器等。
下面詳細(xì)介紹兩腿步行機(jī)邁步行走情況，以在平整路面直行由兩足并立先邁左腿為例。兩足并立先邁左腿時(shí)，在智能控制系統(tǒng)控制下左髖、右踝關(guān)節(jié)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)與之對(duì)應(yīng)的調(diào)速擺做逆時(shí)針擺動(dòng)，通過(guò)操縱繩索使左髖關(guān)節(jié)、右踝關(guān)節(jié)隨之做逆時(shí)針擺動(dòng)。左膝關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左踝關(guān)節(jié)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)與之對(duì)應(yīng)的調(diào)速擺做順時(shí)針擺動(dòng)，通過(guò)操縱繩索使左膝關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左踝關(guān)節(jié)隨之做順時(shí)針擺動(dòng)。右膝調(diào)速電機(jī)控制右膝調(diào)速擺，使右膝關(guān)節(jié)保持不動(dòng)。左足離開地面后，左腿即為游動(dòng)腿，此時(shí)，左足液控膠囊不受足控板壓縮，左足液控系統(tǒng)內(nèi)沒有工作壓力，因此，左腿后缸體在中簧(31)的作用下下移，下移到底后，在后簧(33)的作用下，控制銷(45)向前伸到可以上頂氣閥的位置，為步態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)后油缸關(guān)閉氣閥作準(zhǔn)備；右足體(43)內(nèi)的離合子(42)，在壓簧的作用下前移，一方面使動(dòng)力桿(36)與足體(43)脫開，足可以繞踝關(guān)節(jié)自由擺動(dòng)，另一方面推動(dòng)活塞縮入下缸體(41)內(nèi)；軀干右上主、副擺動(dòng)輪內(nèi)的離合片在壓簧的作用下，向外側(cè)移動(dòng)，一方面使主擺輪與副擺輪脫開，副擺輪不隨主擺輪擺動(dòng)，另一方面使活塞縮入上缸體內(nèi)。由于上述油缸活塞都縮入缸體內(nèi)，各油缸都回油，使左足液控膠囊充滿油液，左足控板在重力作用下，繞小軸(40)向下擺動(dòng)，受到限動(dòng)后，停在低于足體(43)下表面的位置。左足離開地面后，步行機(jī)的全部重量就由右腿支撐，此時(shí)，右腿即為支撐腿。右足液控膠囊在兩足并立時(shí)受足控板壓縮，現(xiàn)在仍然受到壓縮，右足液控系統(tǒng)仍然有壓力，右后缸體(34)保持在氣閥關(guān)閉位置；左下油缸使離合子(42)處在最后邊位置，此時(shí)，左足可以繞踝關(guān)節(jié)順時(shí)針擺動(dòng)，不能反時(shí)針擺動(dòng)；左上油缸使離合片(6)處在主、副擺輪結(jié)合的位置，副擺輪能夠隨主擺輪擺動(dòng)。當(dāng)左足著地時(shí)，起步過(guò)程結(jié)束，調(diào)速機(jī)構(gòu)退出工作。
起步過(guò)程結(jié)束即開始正常步行，正常步行時(shí)，身體前進(jìn)依靠氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)支撐足蹬地產(chǎn)生的慣性力，步態(tài)轉(zhuǎn)換由液控系統(tǒng)自動(dòng)控制，兩腿邁步由聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)上述由左腿起步終結(jié)時(shí)，即左足著地時(shí)，左足由游動(dòng)狀態(tài)突然著地，這時(shí)左足控板受到地面的沖擊力，壓縮左液控膠囊，這時(shí)左液控系統(tǒng)產(chǎn)生壓力一是左后缸體帶動(dòng)控制銷上移，把氣閥上頂?shù)疥P(guān)閉位置，這時(shí)，氣缸的來(lái)氣路被閥片(29)阻斷，氣缸的放氣由前閥片上的倒角面通過(guò)閥套上的放氣槽直通大氣；二是右上油缸推動(dòng)離合片(6)使主、副擺輪結(jié)合，副擺輪(2)可以隨主擺輪(8)擺動(dòng)；三是右下油缸工作，活塞向后推動(dòng)離合子(42)，使右腿動(dòng)力桿與足結(jié)合，此時(shí)，由于右腿仍然支撐著身體，右腿繼續(xù)繞踝關(guān)節(jié)向前擺動(dòng)，動(dòng)力桿由于受到離合子(42)的限動(dòng)，使它不能隨右腿繼續(xù)繞踝關(guān)節(jié)向前擺動(dòng)，而是隨足體(43)相對(duì)停止，于是閥缸與動(dòng)力桿就產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)使動(dòng)力桿(36)向后推壓控制銷(45)。當(dāng)控制銷向后移到閥套(28)下端不在控制銷上而是對(duì)著控制銷上的孔時(shí)，氣閥在上簧(49)的作用下，迅速下移打開氣缸的來(lái)氣路，這時(shí)，氣缸活塞(48)在迅速進(jìn)入氣缸內(nèi)壓縮空氣的作用下迅速頂動(dòng)動(dòng)力桿(36)，動(dòng)力桿通過(guò)離合子使右足產(chǎn)生蹬地動(dòng)作，地面對(duì)步行機(jī)產(chǎn)生反作用力，按照坐標(biāo)法這個(gè)反作用力F可以分解為Fx、Fy兩個(gè)分力。按照靜力學(xué)原理，步行過(guò)程中身體的重心總是落在支撐足內(nèi)側(cè)，重心偏離支撐面就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不平衡力和力矩，F(xiàn)y分力使該不平衡力和力矩得到平衡；Fx分力，使軀干和左腿以左足為支點(diǎn)向前運(yùn)動(dòng)，左腿繞左踝關(guān)節(jié)向前擺動(dòng)，使固定在踝關(guān)節(jié)上的繩輪通過(guò)操縱繩索帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)輪(12)擺動(dòng)。聯(lián)動(dòng)輪(12)擺動(dòng)，一方面通過(guò)繩索帶動(dòng)和協(xié)調(diào)右踝關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)和左髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，另一方面聯(lián)動(dòng)輪(12)通過(guò)小連桿(11)，帶動(dòng)兩個(gè)主擺輪擺動(dòng)，其中右主擺輪(8)與副擺輪是結(jié)合的，副擺輪隨主擺輪擺動(dòng)，纏繞在右副擺輪上的繩索，操縱右膝關(guān)節(jié)做先曲后伸運(yùn)動(dòng)。聯(lián)動(dòng)輪(12)通過(guò)小連桿(11)使主擺輪(8)擺動(dòng)過(guò)程，見圖9，圖中過(guò)程I表示了右足蹬地后，聯(lián)動(dòng)輪(12)逆時(shí)針擺動(dòng)，通過(guò)小桿(11)帶動(dòng)主擺輪(8)順時(shí)針擺動(dòng)，副擺輪利用繩索操縱膝關(guān)節(jié)由直腿開始曲屈；過(guò)程II表示了聯(lián)動(dòng)輪(12)從過(guò)程I繼續(xù)逆時(shí)針擺動(dòng)，小連桿(11)帶動(dòng)主擺輪(8)順時(shí)針擺動(dòng)到轉(zhuǎn)向點(diǎn)，副擺輪操縱膝關(guān)節(jié)曲屈到最大角度；過(guò)程III表示了聯(lián)動(dòng)輪(12)從過(guò)程II繼續(xù)逆時(shí)針擺動(dòng)，小連桿(11)帶動(dòng)主擺輪(8)由順時(shí)針轉(zhuǎn)為逆時(shí)針擺動(dòng)，副擺輪操縱膝關(guān)節(jié)由曲屈變?yōu)樯煺?。?dāng)右腿完成蹬地動(dòng)作后，即由支撐腿變?yōu)橛蝿?dòng)腿，右足控膠囊不受足控板壓縮，右液控系統(tǒng)沒有工作壓力一是左主、副擺輪內(nèi)的離合片在壓簧的作用下，使主、副擺輪脫開，上油缸活塞隨之被推入上缸體內(nèi)，左主、副擺輪脫開，副擺輪不隨主擺輪擺動(dòng)，不輸出操作，左膝關(guān)節(jié)不動(dòng)，仍保持直腿；二是左足體內(nèi)的離合子在壓簧的作用下前移，使動(dòng)力桿與足體脫開，下油缸活塞隨之被推入下缸體內(nèi)，動(dòng)力桿與足體脫開，可以使左腿繞踝關(guān)節(jié)自由擺動(dòng)；三是右后缸體在中簧的作用下下移，到底后控制銷在后簧的作用前移，使控制銷能夠上頂氣閥。由于上述油缸回油使右足液控膠囊內(nèi)充滿油液，右足控板在重力作用下下擺。當(dāng)右足再次著地時(shí)，右足液控系統(tǒng)產(chǎn)生壓力，該系統(tǒng)工作，控制左足蹬地。左足離地后，左足液控系統(tǒng)沒有壓力，該系統(tǒng)不工作。當(dāng)左腿為支撐腿時(shí)，該腿踝關(guān)節(jié)帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)輪逆時(shí)針擺動(dòng)，當(dāng)右腿為支撐腿時(shí)，該腿踝關(guān)節(jié)帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)輪順時(shí)針擺動(dòng)，如此交替循環(huán)實(shí)現(xiàn)步行，在步行過(guò)程中兩個(gè)手臂的自由擺動(dòng)，或?qū)ζ溥M(jìn)行控制擺動(dòng)，對(duì)于動(dòng)平衡可以發(fā)揮輔助作用。停止時(shí)，由智能控制系統(tǒng)控制調(diào)速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
上下樓梯或在不平路面上行走與在平整路面上行走有相同之處，也有不同之處，相同之處一是氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)支撐足蹬地，反作用力使身體向前運(yùn)動(dòng)；二是液控系統(tǒng)自動(dòng)控制步態(tài)轉(zhuǎn)換；三是聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。不同之處是在平整路面直行時(shí)，由液控系統(tǒng)和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)共同工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)步行；在不平整路面行走或上下樓梯時(shí)，在液控系統(tǒng)和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)共同工作的基礎(chǔ)上，智能控制系統(tǒng)和調(diào)速機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)步行。在不平路面行走或上下樓梯時(shí)，步行機(jī)的步幅和足著地點(diǎn)是不斷變化的。為適應(yīng)這種不斷變化，智能控制系統(tǒng)根據(jù)路況控制調(diào)速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)速電機(jī)通過(guò)調(diào)速繩索，使調(diào)速擺擺動(dòng)，從相應(yīng)關(guān)節(jié)上來(lái)經(jīng)過(guò)小滑動(dòng)套的操縱繩索，在調(diào)速擺的擺動(dòng)下一邊拉、一邊放，這時(shí)正在運(yùn)動(dòng)中的操縱繩索就會(huì)產(chǎn)生速度增量或位移增量，即關(guān)節(jié)的角位移增量或角速度增量，與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向相同的增量是正增量，反之則是負(fù)增量。要滿足步幅和著地點(diǎn)不斷變化的要求，只對(duì)一個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)是不夠的，必須同時(shí)對(duì)幾個(gè)關(guān)節(jié)根據(jù)路況進(jìn)行不同增量的調(diào)節(jié)。兩腿步行機(jī)有多少關(guān)節(jié)就有多少個(gè)調(diào)速電機(jī)和調(diào)速擺，調(diào)速電機(jī)就是智能控制與步行機(jī)的接口，智能控制系統(tǒng)只對(duì)調(diào)速電機(jī)實(shí)施控制，就可以使步行機(jī)在不平路面行走或上下樓梯。
權(quán)利要求
1.兩腿步行機(jī)包括聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)、液控系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、軀干、腿和足及手臂，其特征在于聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)由副擺輪(2)、離合片(6)、壓簧(7)、主擺輪(8)、小軸(10)、小連桿(11)、聯(lián)動(dòng)輪(12)、操縱繩索(16)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)組成；調(diào)速機(jī)構(gòu)由調(diào)速電機(jī)(13)、調(diào)速擺(14)、小滑動(dòng)套(15)、大滑動(dòng)套(17)和調(diào)速繩索組成；液控系統(tǒng)由上缸體(3)、活塞(4)、后缸體(34)、大活塞(35)、下缸體(41)、活塞、液控膠囊(38)、足控板(39)、導(dǎo)管組成；氣動(dòng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)(52)、氣瓶(9)、可調(diào)式減壓器(53)、閥缸、導(dǎo)管組成；軀干由機(jī)架(1)、大軸(5)及安裝在機(jī)架上的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)、空氣壓縮機(jī)、氣瓶組成；腿由上連桿(18)、中連桿(23)、滑動(dòng)軸承、螺母(19)、滑銷蓋(50)、滑動(dòng)銷(51)、下連桿(25)、動(dòng)力桿(36)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)組成；足由足體(43)、離合子(42)、下簧座(37)、壓簧、下缸體(41)、活塞、液控膠囊(38)、足控板(39)組成，兩腿步行機(jī)是在游動(dòng)足著地時(shí)，依靠氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)支撐足蹬地產(chǎn)生的反作用力前進(jìn)的，步態(tài)轉(zhuǎn)換由液控系統(tǒng)自動(dòng)控制，在平整路面直行時(shí)，由聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)邁步行走；當(dāng)起步、停止、轉(zhuǎn)向或在不平路面行走時(shí)，智能控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)速機(jī)構(gòu)可以方便地實(shí)施控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于在聯(lián)動(dòng)輪(12)上有四個(gè)繩槽，兩個(gè)髖關(guān)節(jié)、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)的操縱繩索纏繞在該繩槽內(nèi)，在聯(lián)動(dòng)輪(12)的中間有一個(gè)雙搖臂，利用小連桿(11)、小軸(10)把該搖臂與兩個(gè)主擺輪(8)連在一起，副擺輪(2)套在主擺輪(8)上，在副擺輪上有一繩槽，膝關(guān)節(jié)的操縱繩索纏繞在該繩槽內(nèi)，在主、副擺輪內(nèi)裝有離合片(6)和壓簧(7)，在副擺輪(2)、離合片(6)的外側(cè)有上油缸(3、4)，在上油缸有壓力時(shí)，離合片(6)使主、副擺輪結(jié)合，副擺輪(2)隨主擺輪(8)擺動(dòng)，在上油缸沒壓力時(shí)，在壓簧(7)的作用下，離合片(6)使主、副擺輪脫開，副擺輪(2)不隨主擺輪(8)擺動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)速機(jī)構(gòu)，其特征在于在調(diào)速電機(jī)(13)和調(diào)速擺(14)的圓上有繩槽，在繩槽內(nèi)纏繞著調(diào)速繩索，調(diào)速電機(jī)(13)通過(guò)調(diào)速繩索可使調(diào)速擺(14)擺動(dòng)，有多少個(gè)關(guān)節(jié)就有多少個(gè)調(diào)速電機(jī)和調(diào)速擺，在調(diào)速擺(14)的兩個(gè)擺動(dòng)臂上用小軸(10)，安裝著小滑動(dòng)套(15)，在調(diào)速擺的左上、右上方用四個(gè)短螺栓分別把四個(gè)大滑動(dòng)套安裝在機(jī)架(1)上，在左下、右下方用兩個(gè)長(zhǎng)螺栓，分別把十六個(gè)大滑動(dòng)套(17)安裝在機(jī)架(1)上，髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)操縱繩索從聯(lián)動(dòng)輪下來(lái)，先經(jīng)過(guò)固定在機(jī)架上的大滑動(dòng)套、再經(jīng)過(guò)固定在調(diào)速擺上的小滑動(dòng)套后到各關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)操縱繩索從副擺輪下來(lái)先經(jīng)固定在機(jī)架上的大滑動(dòng)套，再經(jīng)過(guò)調(diào)速擺上的小滑動(dòng)套后到膝關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)操縱繩索先固定在機(jī)架下部或大滑套的長(zhǎng)螺栓上，再經(jīng)過(guò)調(diào)速擺上的小滑動(dòng)套后到轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液控系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由六個(gè)油缸、兩個(gè)液控膠囊及導(dǎo)管組成，其中由上缸體(3)和活塞(4)組成上油缸，由后缸體(34)和大活塞(35)組成后油缸，由下缸體(41)和活塞組成下油缸，液控系統(tǒng)共有兩個(gè)，它們構(gòu)成相同，相互獨(dú)立存在，左足控制的液控系統(tǒng)，控制著右下油缸、右上油缸和左后油缸，右足控制的液控系統(tǒng)，控制著左下油缸、左上油缸和右后油缸，液控系統(tǒng)由足控板控制，游動(dòng)足著地時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生工作壓力，支撐足離地后系統(tǒng)失去工作壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿和足，其特征在于上連桿(18)上端有單接耳，用小螺栓、滑動(dòng)軸承把它與機(jī)架(1)下端的雙接耳安裝在一起組成髖關(guān)節(jié)，在上連桿(18)上端的單接耳上纏繞著髖關(guān)節(jié)操縱繩索，在髖關(guān)節(jié)的兩邊還裝有滑銷蓋(50)和滑動(dòng)銷(51)，用螺母、滑動(dòng)軸承(20、21、22)把上連桿(18)的下端與中連桿(23)的上端安裝在一起，組成轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)，在中連桿(23)上端凸臺(tái)上纏繞著轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)操縱繩索，在上連桿下端凸臺(tái)的內(nèi)側(cè)還裝有滑動(dòng)銷，用螺栓、滑動(dòng)軸承把中連桿(23)下端的單接耳與下連桿(25)上端的雙接耳安裝在一起組成膝關(guān)節(jié)，在膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)安裝著繩輪(24)，膝關(guān)節(jié)操縱繩索纏繞在該繩輪上，在膝關(guān)節(jié)外側(cè)安裝著滑動(dòng)銷和滑銷蓋，在小連桿(25)內(nèi)部有動(dòng)力桿(36)，用螺栓、滑動(dòng)軸承把動(dòng)力桿(36)下端單接耳、小連桿下端的雙接耳與足體(43)上端的雙接耳安裝在一起組成踝關(guān)節(jié)，在踝關(guān)節(jié)的外側(cè)安裝著繩輪，踝關(guān)節(jié)操縱繩索纏繞在該繩輪上，在足體(43)內(nèi)裝有下缸體(41)、活塞、離合子(42)、壓簧、下簧座(37)，在足體(43)的下部還裝有液控膠囊(38)、足控板(39)，用小軸(40)把足控板(39)與足體(43)安裝在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣動(dòng)系統(tǒng)中的閥缸，其特征在于閥缸安裝在下連桿(25)的后邊，它包括上簧座(26)、閥缸后體(27)、閥套(28)、閥片(29)、密封圈(30)、中簧(31)、后簧座(32)、后簧(33)、后缸體(34)、大活塞(35)、閥缸前體(44)、控制銷(45)、氣缸套(46)、溥膜(47)、氣缸活塞(48)、上簧(49)，閥缸是一個(gè)由氣閥、氣缸、下油缸三種部件組合而成的組合體，其中氣閥包括閥套(28)、閥片(29)、密封圈(30)；氣缸包括氣缸套(46)、溥膜(47)、氣缸活塞(48)；后油缸包括后缸體(34)、大活塞(35)、密封圈。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。兩腿步行機(jī),由聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)、液控系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、軀干、腿、足和智能控制系統(tǒng)等組成。當(dāng)游動(dòng)足著地時(shí),氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)支撐足蹬地,在反作用力下,一是游動(dòng)足與支撐足交替變換;二是軀干和支撐腿繞踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)邁步,在平路直行時(shí),由聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、液控系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)共同工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走。當(dāng)起步、停止、轉(zhuǎn)向或在不平路面行走時(shí),智能控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)速機(jī)構(gòu)可以方便地實(shí)施控制。
文檔編號(hào)B25J5/00GK1269280SQ9910358
公開日2000年10月11日 申請(qǐng)日期1999年4月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月5日
發(fā)明者張平順 申請(qǐng)人:張平順