专利名称：用于产生步行运动的改进方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种产生步行运动的机构。
背景技术：
本发明涉及一种用于产生步行运动的改进方法和设备。美国专利No. 6, 866, 557 (该专利包含于本文以参考它公开的全部内容)描述了一种方法和设备，其中在杆的远端产生匀速直线运动，所述杆由位于相反端的圆形曲柄驱动并且由布置在位于杆的两端之间的点的可滑动枢轴约束。在该设备中，杆跟随枢轴点，从而从远端延伸到近端的杆的中心线与固定枢轴点交叉。现有技术的前述例子和与现有技术相关的限制应该是说明性的而非排他性的。在阅读说明书并研究附图时，现有技术的其它限制将会对于本领域技术人员而言变得清楚。
被包括在本文中并形成说明书的一部分的附图表示一些但并非唯一或排他性的示例性实施例和/或特征。本文公开的实施例和附图应该视为说明性的而非限制性的。
在附图中图I是采用利用根据本发明的设备和方法实现的六腿机构的示例性行走玩具的透视图。图2是图I中的示例性行走玩具的正视图。图3是图I和2中的示例性行走玩具的透视图，但没有外壳以便露出里面的部件。图4是示例性行走玩具的另一透视图，没有外壳并且没有电子部件和电池以便露出玩具的更多示例性部件和结构。图5是示例性行走玩具的底视图。图6是示例性行走玩具的底视图，底盖被去除以便露出里面的马达和齿轮传动机构。图7是示例性行走玩具的齿轮系的视图。图8是齿轮系的近视图，位于一侧的中心腿被去除以露出另外的部件和特征。图9是显示示例性腿和腿安装细节的示例性行走玩具的一侧的一部分的放大透视图。图10是显示腿如何被顶壳体和底壳体捕获的在中心腿部分的示例性行走玩具的首1J视图。图11是显示当曲柄处于零度时腿的轮廓如何安装在壳体中的槽内的垂直于腿驱动曲柄之一的透明内视图。图12是显示当曲柄处于45度时腿的轮廓如何安装在壳体中的槽内的垂直于腿驱动曲柄之一的透明内视图。图13是显示当曲柄处于90度时腿的轮廓如何安装在壳体中的槽内的垂直于腿驱动曲柄之一的透明内视图。图14是显示当曲柄处于135度时腿的轮廓如何安装在壳体中的槽内的垂直于腿驱动曲柄之一的透明内视图。图15是显示当曲柄处于150度时腿的轮廓如何安装在壳体中的槽内的垂直于腿驱动曲柄之一的透明内视图。图16是显示当曲柄处于180度时腿的轮廓如何安装在壳体中的槽内的垂直于腿驱动曲柄之一的透明内视图。图17是显示作为从零到180度的曲柄角度的函数的槽和大腿轮廓之间的间隙(按照mm)的曲线图。 图18是显示作为从零到180度的曲柄角度的函数的在角度游隙方面的槽和大腿轮廓之间的间隙的曲线图。图19是针对从零到180度的一系列等距曲柄角度增量的相对于机构机架的腿的远端的X和y位置的曲线图。图20是腿的远端的位置和在匀速直线运动中移动的理想点的位置之间的X和y位置差异的曲线图。
具体实施例方式本发明涉及一种方法和设备，该方法和设备包括非零宽度的出口槽和非零的变化的宽度的杆以模拟约束动作，替代由美国专利No. 6，866，557中的槽和销钉形成的可滑动枢轴。这种方法和设备能够以更强壮的方法实现，同时还考虑与表面(装置在该表面上步行)接触的腿或其它部件的远端的非零尺寸。在美国专利No. 6，866，557的销钉设备上的槽中，由于部件的比例(诸如，曲柄轴线和枢轴点之间的距离仅稍微大于曲柄半径，小的枢轴销经受磨损和断裂，尤其是在齿轮用作曲柄并且齿轮的齿干扰或阻止大的枢轴销的使用的实现方式中)，一些实现方式例如小或更加紧凑的玩具或其它实现方式可能受到限制或者不可行。现有技术的一个问题在于从曲柄轴线到枢轴点的距离仅稍微大于曲柄半径。这限制了实际的实现方式。在一些情况下，所需要的枢轴销很小并且能够容易被损坏。在齿轮用作曲柄的其它情况下，齿轮的齿能够干扰合理尺寸的枢轴销。需要一种限制杠杆以可滑动地围绕一个点枢转或模拟这种运动而不需要脆弱并且不可靠的枢轴销的装置。结合作为例子的说明性的而非限制范围的系统、工具和方法描述并表示下面的实施例及其各方面。在各种示例性实现方式和实施例中，减少或消除一个或多个上述问题，而其它示例性实施例涉及其它改进。图I和2显示呈玩具机器虫形式的示例性行走装置1000，该玩具机器虫具有设计为产生步行运动的机构，但该机构能够为了其它目的与其它装置一起使用。这个示例性实施例1000使用以微小的角度倾斜的基本曲柄/枢轴/杆方案，从而当每个腿301a、301b、301c、301d、303a、303b 在它的脚步期间延伸时，各个腿 301a、301b、301c、301d、303a、303b的远端302a、302b、302c、302d、304a、304b按照在任何特定时间使足够的腿留在表面100上的顺序从表面100抬起，以在一个或多个其它腿相对于玩具1000的机体在踏步运动中使它们的远端抬起并移动时为装置1000提供稳定的支撑。在示出的例子中，这个微小的倾斜角是相对于水平的33. 4度。然而，也能够使用其它角度来满足各种设计目的。此外，能够使用多于六个腿或少于六个腿。外壳600覆盖在一些情况下也可包含控制电子设备和电池的装置1000的上部。顶壳体200和底壳体500a、500b包围为腿301a、301b、301c、301d、303a、303b提供运动的机构。外壳600的形状能够是设计元素，或者能够用作用于行走装置的控制电子设备、电池或其它部件的保护罩。在一些情况下，它能够既是设计元素又是功能罩。图3显示去除了外壳600的装置1000的这个示例性实施例的透视图。在这个实施例中，印刷电路板700保持着控制该装置所需的几个部件。开关705允许打开和关闭电 源。电池710提供电源。接收器720接收来自控制器(未示出)的红外信号。子板730保持用于对电池710再充电的连接器。一旦本领域技术人员理解本发明，他们能够设计这些示例性电子和控制部件用于各种功能，例如开始、停止、前进、后退、快、慢、左转、右转和用于各种目的的其它功能。然而，这种功能和控制不是本发明的一部分，因此对于本发明的理解而言，这里不需要对它们的进一步描述。图4显示去除了几个控制部件的这个示例性装置实施例1000的透视图。特征204用于保持电池710。支座202a、202b用于保持印刷电路板700。特征203保持子板730。图5显示这个示例性实施例的底部，其中底壳体500a、500b可见。在这个实施例中，底壳体500a、500b利用十个螺钉固定到主壳体200 (图4)。这些螺钉未显示在图5中，但在图5中能够看见用于这些螺钉的底壳体500a、500b中的孔和凹槽(例如，501)。图6显示示例性装置1000，去除了底壳体500a、500b (图5)，露出机构的细节。在这个示例性实施例中的示例性行走装置1000的机构包括两个独立侧。腿30la、30Ib和303a位于右侧，并且腿301c、301d和303b位于左侧。右侧的腿彼此同步地移动。左侧的腿彼此同步地移动。左侧的腿独立于右侧的腿而移动。在其它实现方式中，能够使用腿同步和/或相关性或独立性的其它组合。在示例性实施例1000中，马达401b通过蜗轮161b驱动减速器160b。减速器160b在这个例子中具有22个齿，因此对于马达401b输出轴的每22圈，它旋转一整圈。减速器160b还具有与空转齿轮155c咬合的八齿齿轮(八齿齿轮位于减速器160b的下侧，因此不能在图6中看见，但本领域技术人员容易理解八齿齿轮)。空转齿轮155c咬合曲柄齿轮150d和150e。能够使用其它齿轮传动比。曲柄齿轮150e咬合空转齿轮155d，空转齿轮155d又咬合曲柄齿轮150f。因此，当马达401b的输出轴旋转时，三个曲柄齿轮150d、150e、150f彼此同步地旋转，引起左侧腿301c、301d和303b执行步行运动。能够使用其它尺寸和结构的齿轮和空转齿轮。类似地，马达401a通过蜗轮161a驱动减速器160a。减速器160a通过位于空转齿轮155b下侧的八齿小齿轮咬合空转齿轮155b，因此八齿小齿轮在图6中不可见。空转齿轮155b咬合曲柄齿轮150c和曲柄齿轮150b。曲柄齿轮150b还咬合空转齿轮155a，空转齿轮155a又咬合曲柄齿轮150a。因此，当马达401a的输出轴旋转时，位于右侧的曲柄齿轮150c、150b、150a —致地移动以移动腿301a、301b和303a，从而产生步行运动。腿301a、301b、301c、301d、303a、303b 的运动引起它们各自的远端 302a,302b,302c、302d、304a、304b在它们各自的完整周期(对应于各曲柄150a、150c、150d、150f、150b、150e旋转一整圈)的三分之二与表面100 (图I)咬合。另外，给定侧的腿被同步以比邻近腿领先或落后完整跨步周期的1/3。因此，在任何一次，腿的六个远端中的四个远端将会与支撑表面100(图I)咬合。因此，行走装置总是保持平衡而不需要同步左侧和右侧。因此能够通过独立地控制左侧和右侧操纵示例性行走装置1000。例如，当使用多于六个腿或少于六个腿时，能够使用其它领先和落后设置。图7显示示例性实施例1000的左侧的机构的法向视图，即垂直于曲柄150a、150b、150c的旋转轴线。实施例的右侧与左侧对称，因此操作的讨论适合两侧。
如以上所解释，曲柄齿轮150a、150b、150c提供移动各个腿301a、303a、301b所需的曲柄运动。以中心腿303a作为例子，曲柄齿轮150b提供曲柄销152b(参见图8)以驱动腿 303a。参照图8，空隙250由壁半径250a和250b形成，壁半径250a和250b在空隙250的相对横向侧形成相对横向轴承，以在曲柄150b旋转时承载腿303a的引导表面306a、306b。如以下所解释，这个空隙(在本文称为空隙250)引导腿303a。现在参照图11以及图8，腿303a的弯曲的轮廓306a、306b使得在曲柄150b的整个旋转期间，腿303a被由半径250a、250b提供的横向轴承紧密地限制在空隙250内。图9显示顶壳体200和底壳体500a如何提供空隙250和空隙550，空隙250和空隙550在这个实施例中一起提供在壳体200、500a中的开口，用于使腿303a通过并且限制腿303a。底壳体500a中的空隙550类似于壳体200中的空隙250，但由底壳体500a中的半径形成，所述底壳体500a中的半径类似于壳体200中的半径250a、250b并与壳体200中的半径250a、250b并置以提供用于限制腿303a的横向轴承。在图9中能够看见这种半径之一(半径550a)，但另一半径在图9的视图中被腿303a掩盖。空隙250、550通过壳体200、500a容纳腿303a的伸出部分，并且形成空隙250、550的半径以这种方式承载位于腿303a的相对横向侧的弯曲表面306a、306b，即限制腿303a的横向移动，但允许腿303a在空隙250、550中的纵向移动。所获得的在曲柄旋转期间的腿303a的运动包括通过在一个或两个半径250a、250b上的弯曲引导表面306a、306b的滑动移动施加的腿303a相对于机体200,500a的纵向移动和枢转运动。对空隙250和弯曲引导表面306a、306b确定尺寸和形状，从而两个引导表面306a、306b都与由半径250a、250b提供的各横向轴承处于滑动接触或者非常接近于滑动接触，在曲柄150b的一圈的大部分(如果并非在曲柄150b的一圈的全部)在曲柄150b的一圈的一半，在引导表面306a、306b和各轴承250a、250b之间几乎没有或者没有游隙。半径250a、250b形成分别靠在腿303a的相对横向侧306a、306b上的轴承。壳体200的轴承260部分和底壳体500a形成靠在在由空隙250、550提供的开口中滑动的腿303a的各个顶表面和底表面上的各个顶轴承和底轴承。半径靠在腿303a的腿相对侧还防止腿303a转动，例如围绕经弯头303a’延伸到曲柄销152b的虚线303a”旋转。图10显示穿过空隙250、550的中心的剖视图。在这个视图中，能够看出，腿303a被轴承260、曲柄销152b和底壳体500a以这种方式限制在剖面的平面中阻止腿303a在垂直于虚线303a’的剖面的平面中的横向移动，同时允许沿着虚线303a’的方向的纵向移动，这是因为轴承260和底壳体500a可滑动地靠在腿303a的各个相对(例如，上和下)表面上。
图11、12、13、14、15和16顺序地显示处于曲柄齿轮150b的各种位置的腿303a。因为机构的对称性，所以仅需要针对一圈的1/2(例如，从旋转的0°至180° )显示由于曲柄齿轮150b导致的运动。从图11-16能够看出，如以上所解释，在曲柄齿轮150b的180度旋转中，曲线306a、306b始终在槽250内可滑动地限制腿303a。已发现除了曲柄销152b位于图16中显示的顶部死点附近之外，对于驱动齿轮150b的几乎所有角度，腿304a和槽250之间的界面中的活动空间或游隙能够有效地减小至零或几乎减小至零。图17是作为从零到180度的旋转的曲柄齿轮150b角度的函数的腿303a和槽250之间的示例性可工作间隙的曲线图。对于图17中的曲线图，零度由如图16中所示位于顶部死点的曲柄齿轮150b限定，并继续旋转180度至图11中显示的位置。如图17中所示，间隙在这个例子中在曲柄150b的旋转期间在任何地方不超过O. 4mm,并且针对曲柄150b的旋转的一半(即，180度)中的大约150度而言为零或者几乎为零。为了实用目的，优选地， 间隙在一圈期间不超过O. 5mm,并且它针对曲柄150b的一圈的一半中的至少150度而言小于大约O. Imm,因此在一整圈的至少两个150度间隔期间小于O. 1mm。在腿303a的角度游隙方面能够表达相同的间隙。通过在曲柄齿轮150b保持在固定角度的情况下由腿303a扫过的角度限定这种角度游隙(由图18的纵坐标给出)。对于如以上所解释的曲柄150b和曲柄销152b的一整圈的大约三分之二而言，这种受限制的运动的结果把腿303a的远端304a设置于匀速直线运动或者接近于匀速直线运动。通过美国专利No. 6，866，557的比较，对于曲柄半径、相对于曲柄轴线的枢轴距离和腿部大腿长度的类似选择，腿303a和远端304a的运动是很类似的。然而，这种示例性实现方式的腿303a的受限制的运动与通过使用美国专利No. 6，866，557的枢轴和细长槽获得的运动不同。然而，通过这种示例性实现方式的方法和设备获得的运动非常接近于这种匀速直线运动。本发明的一个方面还允许考虑腿303a的远端304a的非零尺寸。腿303a的远端304a(脚)能够是球形的，或者假设为是球形的，这以可预测并且可描述的方法允许脚沿着表面100(图I)按照腿303a的在腿303a的运动的踏步直线部分中的角度的滚动。曲柄周期的踏步部分351是当远端304a相对于壳体200、500a以基本上直线或接近于直线的运动移动时的情况，并且曲柄周期的跨步部分353是当远端304a相对于壳体200、500a抬起或举起并返回到另一踏步部分的开始时的情况。参见例如图19，图19表示曲柄周期的一半-另一半与示出的一半对称。因此，当在特定设计或应用中选择模拟匀速直线运动所需的最佳尺寸参数时，能够考虑并包括脚的非零尺寸。图19显示远端304a(脚)运动的数值模拟，该数值模拟考虑脚的直径和它在踏步的一半期间在表面100(图I)上滚动的方法。如以上所解释，另一半与示出的一半对称。当然，图19也包括由槽250和弯曲表面306a、306b限制的腿303a的运动。图20显示当示例性行走装置1000走过时远端304a (脚)相对于表面100 (图I)上的固定点的示例性运动。从这个图20，能够看出，匀速直线运动的近似中的误差在远端304a移动的踏步部分上达到大约O. 05英寸最大值。这种示出的情况代表大约2英寸长的示例性玩具机器虫1000。本发明中限定腿运动的关键尺寸类似于美国专利No. 6，866，557。然而，在这种示例性情况下，腿303a的运动不像美国专利No. 6，866，557中那样由完全线性的槽限制。而是，空隙250、550引导腿303a并与弯曲表面306a、306b接触。虽然这种运动稍微不同于由美国专利No. 6，866，557的理想线性槽获得的运动，但数值优化仍然能够导致非常接近理想直线运动的运动。曲线306a、306b的形状的确定和球形远端304a(脚)的效果能够实际上是数字的。迭代方案连续地模拟所需的曲线，同时解算器方法用于调整各种其它参数以使误差函数最小化。误差函数比较获得的运动与理想的直线运动。这种数值方法在本领域的能力或技术人员内是公知的。这个实施例的许多其它特征支持这种玩具机器虫(诸如，本文描述的例子1000)的大规模生产。在这种情况下，顶壳体200是允许容易组装的单个零件。在大规模生产组装线上，顶壳体200能够颠倒地布置。在这个位置，夹具允许组装轮轴、齿轮、马达和腿。这种方案还简化了腿的定相，从而每个腿相对于其余的腿正确地移动。
一旦在顶壳体200中正确地对齐机构的所有子部件，则底盖500a和500b能够放置在合适的位置，并且整个机械组件能够紧固在一起。与美国专利No. 6，866，557相比，如本文所述的用于限制腿的槽或空隙方法和设备允许一种具有能够断裂或磨损的更少的零件的坚固的产品。如图10的剖视图中所示，曲柄齿轮布置在它们驱动的腿上方。以这种方法，示例性装置1000的重量把力转移到壳体200、500a、500b中，而非转移到驱动齿轮中，这允许传动系中的更小的摩擦。它还有助于容易的组装。前面的描述提供了表示由下面的特征限定的本发明的原理的例子。由于一旦本领域技术人员理解本发明，对于本领域技术人员将会容易地发生许多不显著的修改和改变，所以不希望把本发明限制于以上显示和描述的精确示例性结构和过程。因此，可采用落在如各特征所述的本发明的范围内的所有合适的组合、子组合、修改和等同物。当在本说明书中使用时，包括各特征的词语“包括”和“包含”旨在指定存在已说明的特征、整数、部件或步骤，但它们不排除存在或增加一个或多个其它特征、整数、部件、步骤或其组合。本描述中的术语上部、向上、下部、底部、顶部、下、向下、垂直、水平、在...上方、在…下方和其它方向术语涉及附图中描述的图示方向，除非另外指出，否则在本描述中仅为了方便和清楚而使用这些术语。
权利要求
1.一种步行设备，包括 多个曲柄，可旋转地安装在机体中，其中机体具有与每个曲柄相邻的开口，并且顶部、底部、左侧和右侧横向轴承限定所述开口 ；和 腿，具有连接到曲柄的近端，所述腿以这种方式经所述开口延伸到远端，即顶部、底部、左侧和右侧轴承以在曲柄旋转时允许腿相对于壳体的纵向移动而不允许腿相对于壳体的横向移动的方式靠在腿的各个顶部、底部、左侧和右侧表面上。
2.如权利要求I所述的步行设备，其特征在于，所述左侧和右侧轴承限定左侧和右侧轴承之间的开口中的空隙，并且按照曲线对腿的横向右侧和横向左侧中的每一个确定形状，该曲线允许腿在曲柄旋转时相对于壳体纵向地并且可枢转地移动，同时在曲柄的一圈的超过一半期间与左侧轴承和右侧轴承之中的至少一个保持滑动接触。
3.如权利要求2所述的步行设备，其特征在于，所述开口的横向侧上的横向轴承和腿 的横向侧之间的间隙不超过0. 5mm。
4.如权利要求2所述的步行设备，其特征在于，所述开口的横向侧上的横向轴承之间的间隙在曲柄的一圈的一半的至少150度期间不超过0. 1mm。
5.一种为装置提供步行运动的方法，包括 在具有多个空隙的壳体中安装多个可旋转的曲柄，以使每个曲柄与空隙相邻； 使多个腿延伸穿过各个空隙，并把腿的近端连接到各个曲柄，以使腿的远端布置在壳体外面，其中，每个腿具有相对的横向弓I导表面，以这种方式对相对的横向弓I导表面确定形状，即在曲柄的一圈的至少一半期间至少一个横向引导表面与空隙的横向侧接触；以及 使至少一个曲柄旋转。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括为每个腿提供一定形状，该形状垂直于连接到腿的近端的曲柄销经空隙向外延伸，为每个腿提供位于空隙外面的部分，该部分以除垂直于曲柄销之外的角度延伸到远端，并且使延伸穿过槽的腿的部分和曲柄相对于该装置所步行的支撑表面按照一定角度倾斜。
7.一种用于使杠杆的远端移动的设备，包括可旋转曲柄机构，可枢转地连接到杠杆的近端；和开口，所述杠杆的中间部分被限制为穿过该开口。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述开口是相对于所述可旋转曲柄机构的旋转轴线固定的空隙。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述杠杆的中间部分的宽度沿着它的长度变化，以使它在所述曲柄机构的一圈的大部分期间受到很好的限制。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述曲柄机构的恒定角速度导致杠杆的远端的恒定线速度。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，由杠杆的远端描绘出的路径很接近于直线。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，在曲柄机构的一圈的超过一半期间并且同时发生响应于曲柄机构的恒定角速度的杠杆的远端的直线运动和恒定线速度。
13.—种用于在支撑表面上支撑并移动机体的机车设备,包括多个腿，从机体延伸，腿包括可旋转地连接到曲柄机构的杠杆；开口，杠杆的中间部分被限制为穿过该开口 ；和杠杆的远端,适应于接触并支撑机体。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述开口是相对于机体固定的空隙。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述杠杆的中间部分的宽度在杠杆的长度上变化，以使杠杆被很好地限制在固定的空隙内。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述杠杆的远端响应于曲柄机构的旋转沿直线移动。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述曲柄机构的恒定角速度产生杠杆的远端的恒定线速度。
18.一种用于响应于曲柄机构的匀速旋转运动而提供杠杆的非零半径、半球形、远端和支撑表面的切点的直线运动的设备，该曲柄机构可旋转地连接到所述杠杆的近端，其中，杠杆的中间部分被限制为穿过开口。
19.一种用于响应于曲柄机构的匀速旋转运动而提供杠杆的远端的直线运动的设备，该曲柄机构可旋转地连接到所述杠杆的近端，其中，在超过所述曲柄机构的一圈的四分之一期间发生所述直线运动，并且其中，杠杆的中间部分被限制在固定空隙内。
20.一种用于响应于曲柄机构的匀速旋转运动而提供杠杆的远端的直线运动的设备，该曲柄机构可旋转地连接到所述杠杆的近端，所述杠杆被限制为在固定的槽内穿过。
21.一种设备，包括可旋转曲柄机构，可枢转地连接到杠杆的近端；和空隙，在空隙之间限制所述杠杆的中间部分，其中，在大于一圈的四分之一的间隔上的按照恒定角速度的所述曲柄的旋转导致所述杠杆的远端的直线运动。
全文摘要
一种用于步行运动的设备(1000)包括非零宽度的出口槽，并且延伸穿过该槽并连接到曲柄的非零的非均匀宽度的杆或腿(303a)以这种方式限制杆或腿(303a)，即当杆或腿的近端连接到曲柄并且曲柄旋转时产生杆或腿的远端(304a)的几乎直线的运动。
文档编号A63H7/00GK102781529SQ201180012727
公开日2012年11月14日 申请日期2011年1月6日 优先权日2010年1月6日
发明者M·兰德尔 申请人:M·兰德尔