专利名称：曲柄连杆机构型步行机械的制作方法
曲柄连杆机构型步行机械是牵引、交通运输仿生机械。
由于生物的骨骸都由一系列杠杆组成，其行走都用脚，效率之高、耗能之低，令人类感叹。自古以来就有人研制仿生机械。美国研制有遥控能上山顶的仿蜘蛛型爬行机械，日本研制了四足能上下楼梯的电脑机器人，捷克人发明了仿袋鼠跳跃式机械……。我国也有许多专家早就在进行研究，从“农业工程学报”上看到吉林工大发明的半步轮、步行轮也都属于仿生机械系列。本人也是从1976年就开始研究仿生机械的。
现代轮式履带式牵引、负载式交通运输机械的通过性能很不尽人意，很大程度上受道路的限制，而造路就要耗费大量的人类耐以生存的土地和物资。不能像人及牛、马、骆驼等动物，几乎能去地表上任何地方，没有路的地方也能走出路来。在南方拖拉机遇到稍大一点的小坑小洼小沟就过不去，遇有作物地块，损害作物太多也就过不了，很大程度上也依赖于路。对于搞农机的我很有感触，因此开始研究生物的机体结构及运动方式，结合机械原理，经过长期努力，试验完成曲柄连杆机构型步行机械试验样机。
历来研制仿生机械的最大难点是找不到简单的能相似完成动物的脚一样活动的机构，而曲柄连杆机构型步行机械的发明正是对这一难点有了突破，研究出既有结构简单相似于生物的机体，又有与生物一样会走的脚。其原理是以曲柄连杆机构原理为基点，在连杆外加上有活动支点的导套，限制连杆的运动轫迹，使曲柄O1a1绕支点O1反时针转过180度即上半圈时，由于设计时确定的曲柄、连杆、跨距三者的长度而形成的尺寸链，使连杆末端(即脚掌)的运动轫迹为一直线。本试验机曲柄为116毫米，连杆长为866毫米，半跨距为317毫米，则 当曲柄处于0度或180度时曲柄支点Q1离面高度为 毫米，当曲柄处于90度时，连杆与曲柄同时垂直于地面，所以支点O1离地高度为866-116＝750毫米，所以曲柄在转上半圈时，曲柄支点离地面高度不变即机体高度不变。也就是当脚掌踏在地表上，曲柄绕支点O1转180度时，支点O1向前运动时离地高度不变。当曲柄继续转180度时(即下半圈)，随着连杆的下伸，由于连杆是由四杆铰连而成，而且还有专用机构从而使连杆下段会弯曲抬起。此时由于对侧的脚踏在地上而使机体前进，带动抬起的脚一起前移。这样左右脚的不断踏下抬起。同牛或马一样的机器就会运行了。
如附图
所示的就是曲柄连杆机构型步行机械中的一条连杆(即一条腿)在地上和抬起时的全程情况。当曲柄转过上半圈180度时，脚落在地表上没有动，而支点O1O2前进了一直线距离。当转过下半圈180度时，脚下肢抬起由于对侧脚落在地上使机体前进而随之前进了一段与落在地上机体前移相同的距离。这是在机器没有转弯时的情况。
整机设计曲柄连杆机构型步行机械的行走机构是步行脚，是整机设计的关键，由于目前还没有实用型的步行机问世，人们对它了解甚少，实际上比现有机械车辆还要简单。以四脚步行机为例，由于四只脚需要同步，即四只脚的抬起与落下要求有规律，以免整机翻倒。如果牛的两前脚或侧边的脚同时抬起那么就会滚倒。所以要求前后脚，左右脚要轮流抬起，而且抬起的时间也是有规定的，不能太多也不能太少，所以传动机构里就不要差速器、半轴等另部件、制动也只要求整机制动，而不需要每只脚有制动。其整机结构就机械实用型包括有机架、动力、离合器、传动系统、变速箱、转向机构、制动机构、行走机构、电器部分、操纵机构，还有一些像输出轴，牵引架之类的附属机构等，大部份另部件，其性能结构与现代汽车、拖拉机上的差不多，有的连接方式、形状、尺寸，安装位置需要改变。对传动系统、机架、行走机构有较大的区别。机架是马鞍型的，动力、变速箱，离合器等重量较大的部件装在肚子里面。因步行机与地面是点接触，振动与冲力肯定要大一些，惯性平衡不但与设计有关与操作者的技术水平也有很大关系。为达到较好的稳定性，所以要使整机重心在四脚之间，而且越低越好。对传动系统，由于四脚需要同步，为达到惯性平衡，围转无死点，所以传动件要求重量符合设计要求，采用围转运动，传动件采用圆柱面配合的刚性传动系。其动力传动路线如下。动力——离合器——变速箱——前后传动轴(轴上装制动器)——万向节——伞齿轮付(改变方向)——脚的曲柄。脚的结构(见附图)，就是曲柄连杆机构，由(1)限制连杆端点(即脚掌)运动轫迹的导套，导套的活动支点与曲柄的活动支点同在机架上，(2)分成上、中、下三节和脚掌相互铰链而成的连杆，(3)使脚掌踏到终点时能抬起且碰到石块时还能抬高和踏在地上时不弯曲能支撑机重的支撑伸缩杆和套组成。脚掌与下杆的连接要求是相互之间的连接角度与范围保证使脚掌落在地上的时间高于抬空时间及行走时不拖在地上成为整机前移与转向时阻力的设计要求。脚掌底曲面的面积与形状达到地面能承重不打滑的要求。另外为保证停机的平稳有的机型必须有支撑杆。
根据用途与地形对于脚的数量与安装位置可有区别。例如要仿造狗拉的彐撬，运行于彐野。可制多脚并列的步行机，代替狗的牵引机，如果要淌水，可以在机架下面做隔板，将动力及变速箱等须防进水的部件在导套支点处隔开，然后将连杆的下杆稍做成偏形，步行机就可淌水。根据地形与需要脚可以选二只及更多的偶数只以增加平稳性及牵引力。
该发明是车辆的一种新机型，与现有车辆相比，提高了车的通过性能，增加了车的使用领域。降低了车对路的要求，节约土地、节约资金，不用橡胶，没有差速器，最终传动等部件，结构简单灵巧，减低了车的成本，并且能开拓比现有车辆更多领域的机型。与国外高科技电脑型仿生机械相比、无须装多只电机，装一只电机或动力加上传感器，遥控器等部件就可以做成高科技无人操作遥控产品，能解决很多问题，与还没有成为实用型的仿生机械相比由于采用了最简单的曲柄连杆机构为行走机构，采用往复围转运动消除运动死点平衡惯性，采用圆柱面配合提高效率，降低成本，减少磨损，成为实用型能开拓于各种领域的仿生机构。
实行该发明的设计程序与要点(1)明确使用区域与用途，以作业要求确定时速。(2)以牵引力确定机体重量大小。(3)以时速、地表复杂程度确定机体高度，时速大高度相对较低，地表复杂高度较低。(4)以时速、高度确定脚的跨距。(5)以高度、跨距、时速就可以确定曲柄连杆机构的连杆长度、曲柄长度、跨距三个尺寸链，即一只脚的长度尺寸，至于其它尺寸按牵引力来进行计算。(6)以时速、土地承载力确定脚的只数与脚掌底面积大小，时速大、脚数少，时速慢，牵引力大脚数多，土地承载力小，脚掌低面积大，承载力大脚掌底面积可少。具体的尺寸可计算。(7)以用途与工作场所确定脚的前后排列与并列。(8)根据牵引力选用动力。(9)根据脚的三要素及动力等设计机架，然后选配传动系统、离合器、变速箱、制动器、电器及线路、动力输出、牵引架等另部件以及整机的配置。另外，还有所需材料、公称尺寸、要求精度，以及加工，检验的工装设备及质量标准与工艺流程等一系列的技术与工艺工作。对于目前还没有定型产品之前，选用一些现有车型的另部件进行加工改造试制曲柄连杆机构步行机的新车型，逐步达到批量生产的阶段。
权利要求
1.曲柄连杆机构型步行机械的要点是研究了曲柄连杆机构的运行特点，在连杆外加上有活动支点的导套，使连杆的运动轨迹受到限制。使连杆端点(即脚掌)的运动轨迹在设计计算出的连杆长度、曲柄长度和跨距三要素而形成的尺寸链的前提下达到曲柄在转上半圈时是一直线的工作原理与结构方式。
2.为使脚踏在地上时能支撑机重且不弯曲而在完成撑行过程后又能抬起。将脚设计为四段，即上杆、中杆、下杆和脚掌，相互间为活动铰链，并在导套和下杆上安装了脚踏在地上支撑机重且不弯曲和曲柄转下半圈时使脚掌抬起的支承抬脚伸缩杆套的原理及结构方式。
3.为使该机械运行平稳，根据连杆运动轨迹，相对延长脚落地时间而设计的底面为弧形的脚掌以及与下杆铰链及相对活动角度的结构方式。
全文摘要
曲柄连杆机构型步行机械是仿骆驼等生物用脚走的牵引运输机械。大部分零部件的结构、性能与现代车辆的基本相同，其行走机构即脚由曲柄连杆机构组成，整机有偶数脚，分前后型、并列型，能转向、转向器随脚的安装形式而定。由曲柄、连杆、跨距三者的长度所组成尺寸链的脚运行时使机体的高度不变，传动采用同步往复运动，运动副采用圆柱面配合，运动惯性基本平衡无死点。用于丘陵、沙漠、作物田中等不易或无需修路地域。
文档编号B62D57/02GK1130139SQ95120630
公开日1996年9月4日 申请日期1995年12月6日 优先权日1995年12月6日
发明者邹章效 申请人:邹章效