專利名稱：曲柄連桿機(jī)構(gòu)型步行機(jī)械的制作方法
曲柄連桿機(jī)構(gòu)型步行機(jī)械是牽引、交通運(yùn)輸仿生機(jī)械。
由于生物的骨骸都由一系列杠桿組成，其行走都用腳，效率之高、耗能之低，令人類感嘆。自古以來(lái)就有人研制仿生機(jī)械。美國(guó)研制有遙控能上山頂?shù)姆轮┲胄团佬袡C(jī)械，日本研制了四足能上下樓梯的電腦機(jī)器人，捷克人發(fā)明了仿袋鼠跳躍式機(jī)械……。我國(guó)也有許多專家早就在進(jìn)行研究，從“農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)”上看到吉林工大發(fā)明的半步輪、步行輪也都屬于仿生機(jī)械系列。本人也是從1976年就開(kāi)始研究仿生機(jī)械的。
現(xiàn)代輪式履帶式牽引、負(fù)載式交通運(yùn)輸機(jī)械的通過(guò)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(fèi)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(dòng)物，幾乎能去地表上任何地方，沒(méi)有路的地方也能走出路來(lái)。在南方拖拉機(jī)遇到稍大一點(diǎn)的小坑小洼小溝就過(guò)不去，遇有作物地塊，損害作物太多也就過(guò)不了，很大程度上也依賴于路。對(duì)于搞農(nóng)機(jī)的我很有感觸，因此開(kāi)始研究生物的機(jī)體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式，結(jié)合機(jī)械原理，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，試驗(yàn)完成曲柄連桿機(jī)構(gòu)型步行機(jī)械試驗(yàn)樣機(jī)。
歷來(lái)研制仿生機(jī)械的最大難點(diǎn)是找不到簡(jiǎn)單的能相似完成動(dòng)物的腳一樣活動(dòng)的機(jī)構(gòu)，而曲柄連桿機(jī)構(gòu)型步行機(jī)械的發(fā)明正是對(duì)這一難點(diǎn)有了突破，研究出既有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單相似于生物的機(jī)體，又有與生物一樣會(huì)走的腳。其原理是以曲柄連桿機(jī)構(gòu)原理為基點(diǎn)，在連桿外加上有活動(dòng)支點(diǎn)的導(dǎo)套，限制連桿的運(yùn)動(dòng)軔?ài)E，使曲柄O1a1繞支點(diǎn)O1反時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)180度即上半圈時(shí)，由于設(shè)計(jì)時(shí)確定的曲柄、連桿、跨距三者的長(zhǎng)度而形成的尺寸鏈，使連桿末端(即腳掌)的運(yùn)動(dòng)軔?ài)E為一直線。本試驗(yàn)機(jī)曲柄為116毫米，連桿長(zhǎng)為866毫米，半跨距為317毫米，則 當(dāng)曲柄處于0度或180度時(shí)曲柄支點(diǎn)Q1離面高度為 毫米，當(dāng)曲柄處于90度時(shí)，連桿與曲柄同時(shí)垂直于地面，所以支點(diǎn)O1離地高度為866-116＝750毫米，所以曲柄在轉(zhuǎn)上半圈時(shí)，曲柄支點(diǎn)離地面高度不變即機(jī)體高度不變。也就是當(dāng)腳掌踏在地表上，曲柄繞支點(diǎn)O1轉(zhuǎn)180度時(shí)，支點(diǎn)O1向前運(yùn)動(dòng)時(shí)離地高度不變。當(dāng)曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)180度時(shí)(即下半圈)，隨著連桿的下伸，由于連桿是由四桿鉸連而成，而且還有專用機(jī)構(gòu)從而使連桿下段會(huì)彎曲抬起。此時(shí)由于對(duì)側(cè)的腳踏在地上而使機(jī)體前進(jìn)，帶動(dòng)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(jī)器就會(huì)運(yùn)行了。
如附圖
所示的就是曲柄連桿機(jī)構(gòu)型步行機(jī)械中的一條連桿(即一條腿)在地上和抬起時(shí)的全程情況。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)上半圈180度時(shí)，腳落在地表上沒(méi)有動(dòng)，而支點(diǎn)O1O2前進(jìn)了一直線距離。當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)下半圈180度時(shí)，腳下肢抬起由于對(duì)側(cè)腳落在地上使機(jī)體前進(jìn)而隨之前進(jìn)了一段與落在地上機(jī)體前移相同的距離。這是在機(jī)器沒(méi)有轉(zhuǎn)彎時(shí)的情況。
整機(jī)設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)型步行機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)是步行腳，是整機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，由于目前還沒(méi)有實(shí)用型的步行機(jī)問(wèn)世，人們對(duì)它了解甚少，實(shí)際上比現(xiàn)有機(jī)械車輛還要簡(jiǎn)單。以四腳步行機(jī)為例，由于四只腳需要同步，即四只腳的抬起與落下要求有規(guī)律，以免整機(jī)翻倒。如果牛的兩前腳或側(cè)邊的腳同時(shí)抬起那么就會(huì)滾倒。所以要求前后腳，左右腳要輪流抬起，而且抬起的時(shí)間也是有規(guī)定的，不能太多也不能太少，所以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)里就不要差速器、半軸等另部件、制動(dòng)也只要求整機(jī)制動(dòng)，而不需要每只腳有制動(dòng)。其整機(jī)結(jié)構(gòu)就機(jī)械實(shí)用型包括有機(jī)架、動(dòng)力、離合器、傳動(dòng)系統(tǒng)、變速箱、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、電器部分、操縱機(jī)構(gòu)，還有一些像輸出軸，牽引架之類的附屬機(jī)構(gòu)等，大部份另部件，其性能結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代汽車、拖拉機(jī)上的差不多，有的連接方式、形狀、尺寸，安裝位置需要改變。對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架、行走機(jī)構(gòu)有較大的區(qū)別。機(jī)架是馬鞍型的，動(dòng)力、變速箱，離合器等重量較大的部件裝在肚子里面。因步行機(jī)與地面是點(diǎn)接觸，振動(dòng)與沖力肯定要大一些，慣性平衡不但與設(shè)計(jì)有關(guān)與操作者的技術(shù)水平也有很大關(guān)系。為達(dá)到較好的穩(wěn)定性，所以要使整機(jī)重心在四腳之間，而且越低越好。對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)，由于四腳需要同步，為達(dá)到慣性平衡，圍轉(zhuǎn)無(wú)死點(diǎn)，所以傳動(dòng)件要求重量符合設(shè)計(jì)要求，采用圍轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)件采用圓柱面配合的剛性傳動(dòng)系。其動(dòng)力傳動(dòng)路線如下。動(dòng)力——離合器——變速箱——前后傳動(dòng)軸(軸上裝制動(dòng)器)——萬(wàn)向節(jié)——傘齒輪付(改變方向)——腳的曲柄。腳的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)附圖)，就是曲柄連桿機(jī)構(gòu)，由(1)限制連桿端點(diǎn)(即腳掌)運(yùn)動(dòng)軔?ài)E的導(dǎo)套，導(dǎo)套的活動(dòng)支點(diǎn)與曲柄的活動(dòng)支點(diǎn)同在機(jī)架上，(2)分成上、中、下三節(jié)和腳掌相互鉸鏈而成的連桿，(3)使腳掌踏到終點(diǎn)時(shí)能抬起且碰到石塊時(shí)還能抬高和踏在地上時(shí)不彎曲能支撐機(jī)重的支撐伸縮桿和套組成。腳掌與下桿的連接要求是相互之間的連接角度與范圍保證使腳掌落在地上的時(shí)間高于抬空時(shí)間及行走時(shí)不拖在地上成為整機(jī)前移與轉(zhuǎn)向時(shí)阻力的設(shè)計(jì)要求。腳掌底曲面的面積與形狀達(dá)到地面能承重不打滑的要求。另外為保證停機(jī)的平穩(wěn)有的機(jī)型必須有支撐桿。
根據(jù)用途與地形對(duì)于腳的數(shù)量與安裝位置可有區(qū)別。例如要仿造狗拉的彐撬，運(yùn)行于彐野?？芍贫嗄_并列的步行機(jī)，代替狗的牽引機(jī)，如果要淌水，可以在機(jī)架下面做隔板，將動(dòng)力及變速箱等須防進(jìn)水的部件在導(dǎo)套支點(diǎn)處隔開(kāi)，然后將連桿的下桿稍做成偏形，步行機(jī)就可淌水。根據(jù)地形與需要腳可以選二只及更多的偶數(shù)只以增加平穩(wěn)性及牽引力。
該發(fā)明是車輛的一種新機(jī)型，與現(xiàn)有車輛相比，提高了車的通過(guò)性能，增加了車的使用領(lǐng)域。降低了車對(duì)路的要求，節(jié)約土地、節(jié)約資金，不用橡膠，沒(méi)有差速器，最終傳動(dòng)等部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈巧，減低了車的成本，并且能開(kāi)拓比現(xiàn)有車輛更多領(lǐng)域的機(jī)型。與國(guó)外高科技電腦型仿生機(jī)械相比、無(wú)須裝多只電機(jī)，裝一只電機(jī)或動(dòng)力加上傳感器，遙控器等部件就可以做成高科技無(wú)人操作遙控產(chǎn)品，能解決很多問(wèn)題，與還沒(méi)有成為實(shí)用型的仿生機(jī)械相比由于采用了最簡(jiǎn)單的曲柄連桿機(jī)構(gòu)為行走機(jī)構(gòu)，采用往復(fù)圍轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)消除運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)平衡慣性，采用圓柱面配合提高效率，降低成本，減少磨損，成為實(shí)用型能開(kāi)拓于各種領(lǐng)域的仿生機(jī)構(gòu)。
實(shí)行該發(fā)明的設(shè)計(jì)程序與要點(diǎn)(1)明確使用區(qū)域與用途，以作業(yè)要求確定時(shí)速。(2)以牽引力確定機(jī)體重量大小。(3)以時(shí)速、地表復(fù)雜程度確定機(jī)體高度，時(shí)速大高度相對(duì)較低，地表復(fù)雜高度較低。(4)以時(shí)速、高度確定腳的跨距。(5)以高度、跨距、時(shí)速就可以確定曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連桿長(zhǎng)度、曲柄長(zhǎng)度、跨距三個(gè)尺寸鏈，即一只腳的長(zhǎng)度尺寸，至于其它尺寸按牽引力來(lái)進(jìn)行計(jì)算。(6)以時(shí)速、土地承載力確定腳的只數(shù)與腳掌底面積大小，時(shí)速大、腳數(shù)少，時(shí)速慢，牽引力大腳數(shù)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(jì)算。(7)以用途與工作場(chǎng)所確定腳的前后排列與并列。(8)根據(jù)牽引力選用動(dòng)力。(9)根據(jù)腳的三要素及動(dòng)力等設(shè)計(jì)機(jī)架，然后選配傳動(dòng)系統(tǒng)、離合器、變速箱、制動(dòng)器、電器及線路、動(dòng)力輸出、牽引架等另部件以及整機(jī)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(yàn)的工裝設(shè)備及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與工藝流程等一系列的技術(shù)與工藝工作。對(duì)于目前還沒(méi)有定型產(chǎn)品之前，選用一些現(xiàn)有車型的另部件進(jìn)行加工改造試制曲柄連桿機(jī)構(gòu)步行機(jī)的新車型，逐步達(dá)到批量生產(chǎn)的階段。
權(quán)利要求
1.曲柄連桿機(jī)構(gòu)型步行機(jī)械的要點(diǎn)是研究了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特點(diǎn)，在連桿外加上有活動(dòng)支點(diǎn)的導(dǎo)套，使連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡受到限制。使連桿端點(diǎn)(即腳掌)的運(yùn)動(dòng)軌跡在設(shè)計(jì)計(jì)算出的連桿長(zhǎng)度、曲柄長(zhǎng)度和跨距三要素而形成的尺寸鏈的前提下達(dá)到曲柄在轉(zhuǎn)上半圈時(shí)是一直線的工作原理與結(jié)構(gòu)方式。
2.為使腳踏在地上時(shí)能支撐機(jī)重且不彎曲而在完成撐行過(guò)程后又能抬起。將腳設(shè)計(jì)為四段，即上桿、中桿、下桿和腳掌，相互間為活動(dòng)鉸鏈，并在導(dǎo)套和下桿上安裝了腳踏在地上支撐機(jī)重且不彎曲和曲柄轉(zhuǎn)下半圈時(shí)使腳掌抬起的支承抬腳伸縮桿套的原理及結(jié)構(gòu)方式。
3.為使該機(jī)械運(yùn)行平穩(wěn)，根據(jù)連桿運(yùn)動(dòng)軌跡，相對(duì)延長(zhǎng)腳落地時(shí)間而設(shè)計(jì)的底面為弧形的腳掌以及與下桿鉸鏈及相對(duì)活動(dòng)角度的結(jié)構(gòu)方式。
全文摘要
曲柄連桿機(jī)構(gòu)型步行機(jī)械是仿駱駝等生物用腳走的牽引運(yùn)輸機(jī)械。大部分零部件的結(jié)構(gòu)、性能與現(xiàn)代車輛的基本相同，其行走機(jī)構(gòu)即腳由曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成，整機(jī)有偶數(shù)腳，分前后型、并列型，能轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)向器隨腳的安裝形式而定。由曲柄、連桿、跨距三者的長(zhǎng)度所組成尺寸鏈的腳運(yùn)行時(shí)使機(jī)體的高度不變，傳動(dòng)采用同步往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副采用圓柱面配合，運(yùn)動(dòng)慣性基本平衡無(wú)死點(diǎn)。用于丘陵、沙漠、作物田中等不易或無(wú)需修路地域。
文檔編號(hào)B62D57/02GK1130139SQ95120630
公開(kāi)日1996年9月4日 申請(qǐng)日期1995年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月6日
發(fā)明者鄒章效 申請(qǐng)人:鄒章效