機(jī)械腿

1、本專利是以一種獨(dú)特的行走步法(原理)為核心，這種步法的要點(diǎn)是：通過腿的伸縮以適應(yīng)地形的起伏，又通過腿的伸縮來保持車身中心高度，或者具體一點(diǎn)：腿在前跨著地瞬間，腿的伸縮暫時停止，在向后蹬爬過程中通過伸或縮恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)高度。
(標(biāo)準(zhǔn)高度的定義已在說明書中敘述)
2、為實(shí)現(xiàn)1項(xiàng)所述的步法，要求機(jī)械腿具有對地面高度進(jìn)行檢測的功能、判斷決策功能和執(zhí)行功能。實(shí)現(xiàn)這三項(xiàng)功能最簡單可靠的是“內(nèi)斜軌”機(jī)構(gòu)。
“內(nèi)斜軌”機(jī)構(gòu)的特征是：一條裝在車上的滑軌，引導(dǎo)著一個滑塊作往復(fù)運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)腿的前跨、后蹬爬動作;滑軌的后端與車身交連，前端可以提起，使滑軌實(shí)現(xiàn)垂直方向往復(fù)運(yùn)動并帶動腳掌提起和放下，一套逆止機(jī)構(gòu)（單向閥、棘爪等）使腿在前跨著地后阻止回縮，然后在向后蹬爬過程中滑塊趨近滑軌后端而使腿伸或縮到接近標(biāo)準(zhǔn)高度。
不采用內(nèi)斜軌機(jī)構(gòu)，例如采取向油缸補(bǔ)油、泄油方法，也能達(dá)到類似的目的。
3、根據(jù)1、2項(xiàng)，機(jī)械腿要有動力來源。動力可以是液壓式、電動式、純機(jī)械式（通過輪、軸等零件傳遞的發(fā)動機(jī)回轉(zhuǎn)動力），甚至可以只用人力。
4、為增大腳掌的運(yùn)動幅度，可選用任何一種線性或非線性放大機(jī)構(gòu)。其中仿效繪圖放大儀的放大機(jī)構(gòu)最為適用。
5、根據(jù)1、2、3、4項(xiàng)，在同一步法原理之下選擇不同結(jié)構(gòu)形式和不同的動力來源，可設(shè)計(jì)出不同尺寸、不同載重力、不同速度、不同牽引力、對地面有不同壓強(qiáng)的一系列機(jī)械腿產(chǎn)品。
6、由于每副機(jī)械腿具有相對獨(dú)立的功能，裝到運(yùn)載工具上的腿可多可少。由一副（作為牽引頭使用）、兩副（相當(dāng)于兩輪手扶拖拉機(jī)）、四副（相當(dāng)于四輪汽車）……一直到十余副（陸地行舟式大型運(yùn)輸車），以適應(yīng)多種需求。
7、由上述第六項(xiàng)，可對現(xiàn)有車輛進(jìn)行改裝：卸掉輪子或履帶，換成機(jī)械腿。也可以只換一部分輪子。例如汽車，只須將后輪換成機(jī)械腿，保留前輪用于轉(zhuǎn)向。

本發(fā)明為主要用于汽車、拖拉機(jī)等運(yùn)載、牽引機(jī)械的一種通用部件。\n本發(fā)明是模仿動物步行原理，由機(jī)械零件構(gòu)成的行走機(jī)構(gòu)，取代輪子或履帶，以提高越野性能和牽引力。\n模仿動物行走的機(jī)器，在本案申請之前已有多種，現(xiàn)于簡述并作對比：\n1.九十多年前，1893年美國就有人以“機(jī)器馬”為題登記了專利，但顯然始終沒有實(shí)施。就其動作原理來說，只能作為一種玩具，在光滑平地上“走步”而已。其簡要報導(dǎo)見美國《科學(xué)》雜志（SCIENTIFIC????AMERICAN）1983年5期，科技文獻(xiàn)出版社重慶分社有中譯本。\n2.根據(jù)上述同一資料來源，在該期雜志中有《走路的機(jī)器》一文，比較詳細(xì)的提出了一種爬行機(jī)的設(shè)計(jì)方案。這是模仿昆蟲爬行方式的六足爬行機(jī)。其步法原理是：六條腿分成兩組，每組三條同時落下，就如三角架那樣使機(jī)身得到穩(wěn)定支持。另一組腿則提起離地并向前移。兩組腿輪流著地，獲得連續(xù)行走的功能。\n此類六足爬行機(jī)，近年我國電視新聞報導(dǎo)中也出現(xiàn)多次。其中1986年12月，中央電視臺播出俄亥俄州立大學(xué)的“機(jī)器馬”也是六足型，有兩層樓高，集機(jī)械、液壓、電器、電子技術(shù)于一身，已投入800萬美元，但尚未達(dá)到實(shí)用階段。1988年元月16日《人民日報》發(fā)表了一張照片，是日本試制的“水下機(jī)器人”，也是六足爬行式。\n3.1988年2月28日，《人民日報》報道了國防科技大學(xué)制成的我國第一臺兩足步行機(jī)器人。在此之前國外已有同類樣機(jī)。此種機(jī)器人不以載重 為目的，而是研究人腿走路機(jī)理，主要用于危險環(huán)境中的遙控作業(yè)。\n4.1986年，在北京舉辦的兵器工業(yè)部民品展覽會上，長春光學(xué)機(jī)械研究所展出了一臺運(yùn)載步行機(jī)，據(jù)說已登記專利即將公告。這一機(jī)器有八條腿，能夠近距離遙控，主要用途為工兵排雷等危險作業(yè)，也是運(yùn)載工具。\n本發(fā)明的“機(jī)械腿”從形式看，比較接近上述1、4兩種而與六足爬行機(jī)相去較遠(yuǎn)，與兩足機(jī)器人相差更大。無論那一種與本發(fā)明相比，都有重大本質(zhì)區(qū)別：\n1.本發(fā)明不是全機(jī)設(shè)計(jì)，而是針對“腿”。以一副腿（兩條）為一個獨(dú)立部件，代替一個車輪。這一特點(diǎn)意味著可適應(yīng)任何一種現(xiàn)有輪式車輛，只須在原來裝輪子的部位換成一副腿，就成為“機(jī)器馬”，因而可對現(xiàn)有車輛進(jìn)行改裝。與此相反，已有各種設(shè)計(jì)都是整體設(shè)計(jì)，必須從頭設(shè)計(jì)和制造。\n2.行走步法完全不同。與地面接觸的腳掌（爪）的運(yùn)行軌跡，1、3、4三種都是將機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成含有直線段的封閉回線運(yùn)動，其回線形態(tài)是固定的，不能根據(jù)地面起伏而隨機(jī)改變。相反，本發(fā)明能適應(yīng)地形隨機(jī)起伏，具有對地面高低不平進(jìn)行檢測、判斷的本領(lǐng)，和立即作出改變運(yùn)行軌跡的決策并予執(zhí)行。因此，即便在困難地區(qū)，車身運(yùn)動仍然十分平穩(wěn)，能高速行駛。\n3.各種已出現(xiàn)的六足爬行機(jī)和兩腿機(jī)器人，幾乎一無例外地使用電子計(jì)算機(jī)（電腦）、電器、液壓等一系列現(xiàn)代尖端技術(shù)，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高昂、維護(hù)困難，不易推廣。雖然研究多年，至今距離實(shí)用階段還很遙遠(yuǎn)。與此相反，本發(fā)明卻是一種非常簡單的機(jī)械杠桿機(jī)構(gòu)，任何一個機(jī)械廠都能制造。盡管它具有檢測、邏輯判斷功能，但不需要電腦、傳感器之類。其動力可以是電力，可以是液壓或兩者的結(jié)合，甚至單純用人力驅(qū)動。\n本發(fā)明的目的及其效果可從兩方面說明：\n1.解決汽車、拖拉機(jī)、坦克等運(yùn)載工具在困難地區(qū)如沙漠、沼澤、山地、水田、森林等環(huán)境下提高越野性和牽引力。\n2.從經(jīng)濟(jì)方面，步行式車輛在道路困難地區(qū)可比輪式、履帶式車輛節(jié)省燃料。越是困難地區(qū)，節(jié)油效果越是顯著。而且，機(jī)械腿只用腳掌稀稀落落的“點(diǎn)”著地，而不是“寸不離地”，因而磨損很小，節(jié)省大量用于制造輪胎的橡膠或用于制造履帶的合金鋼。\n構(gòu)成原理：\n本發(fā)明的核心是一種與以前已公開的機(jī)器人、機(jī)器馬都不相同的行走步法，其動作原理參見圖1到圖7。這是步法的分解圖。\n圖1，表示了裝在車身1上的一副機(jī)械腿，正處于靜止?fàn)顟B(tài)。車身上一個固定標(biāo)志點(diǎn)2與腳掌3和4所觸地面5之間的垂直高度為6，并稱之為“標(biāo)準(zhǔn)高度”。\n圖2，車身開始運(yùn)行（自左向右），前腳掌離地并向前跨。后腳掌則向后蹬爬，但它在垂直方向上高度不變，車身1仍保持標(biāo)準(zhǔn)高度6。\n圖3，前腳掌3放下并著地。著地點(diǎn)的高度事先不知，只是讓腳掌落下直到著地為止。此時著地處到車身標(biāo)志點(diǎn)之間的高度可能大于也可能小于標(biāo)準(zhǔn)高度，這個高度稱之為“著地瞬時高度”7。因?yàn)椤安取痹诟咛帲?小于6。\n腳掌3一旦觸地，在垂直方向上的活動被“暫?！保ㄦi?。?，但水平方向仍在活動。\n圖4，前腳掌3向后蹬爬，在蹬爬的過程中逐漸地強(qiáng)行伸長（蹬起），使車身抬高。后腳掌此時已離地前跨。\n圖5，前腳掌已經(jīng)蹬爬到最后位置（后止點(diǎn)），車身1的高度也已抬高到標(biāo)準(zhǔn)高度6.后腳掌已到前止點(diǎn)并著地。\n圖6，后腳掌4著地瞬間，在垂直方向上被“暫?！?。由于遇到地面低洼點(diǎn)，著地瞬時高度8大于標(biāo)準(zhǔn)高度6。同時，前腳掌已離地開始向前跨步。\n圖7，后腳掌向后蹬爬，并逐漸收縮，使車身1下降。到最后點(diǎn)時，車身1已降到標(biāo)準(zhǔn)高度。\n以后的動作，重復(fù)圖2到圖7過程。\n最佳實(shí)施方案：\n從技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)效益好的要求出發(fā)，可考慮用液壓式機(jī)械腿改裝現(xiàn)有汽車。改裝的方法是只將后輪用機(jī)械腿代替，保留前輪。這樣改動的工作量較小，汽車原有的駕駛室、車廂、大梁都不用改動，成本低，卻獲得優(yōu)越的越野性能。\n如圖8所示，兩條單腿構(gòu)成的一副機(jī)械腿，安裝于車身1上。車身以箭號2的方向自左至右前進(jìn)。在圖示的狀態(tài)下，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的油泵4提供的壓力油，首先通過換向閥5，然后分成三路。第一路向下打開液壓鎖9的逆止閥，通過管道10進(jìn)入垂直油缸11上腔，壓活塞桿下行，推動滑軌12右端下移，使滑軌向前下方傾斜，直到滑塊13的下端部接觸到路面為止。\n第二路壓力油經(jīng)管道6到水平油缸7的前腔，推動活塞向后，并帶動13向后移動。如此，13即向后爬蹬，起到支撐和驅(qū)動作用。\n油缸7后腔的回油，通過管道8到達(dá)前腿的水平油缸22的后腔，驅(qū)使活塞前移，并帶動在滑軌20上的滑塊19向前移動。從閥門5出來的第三路油經(jīng)控制管道虛線通向單向液壓鎖15。并使之打開，因而允許油缸17上腔的油經(jīng)管道16返回油池3。在彈簧18的收縮力作用下，滑軌20的前端部被拉到最高位置。于是，在20向上拉起和19右移的配合下，前腿離地向前跨步。\n由于前腿已離地，車身重量便由后腿支撐。地面反作用力將使垂直油缸11的活塞向上頂，因液壓鎖9處于封閉狀態(tài)，于是11的上腔及管道10中的油液被“困”，支持著車身重量。\n后腿滑塊13在著地后爬蹬的過程中，相對于車身1的垂直高度在變化，因?yàn)榛?2是傾斜的。如以28代表車身上一個固定標(biāo)志點(diǎn)，則28與著地點(diǎn)29之間垂直高度瞬時值25在15后移過程中是逐漸變小的，因而車身相對于地面略有下降。當(dāng)15走到最后位置時，瞬間高度25將趨近于標(biāo)準(zhǔn)的高度26。\n如果在開始時滑塊13下端觸及的路面是凸起的，例如“踩”在石頭上，則油缸11的活塞桿伸出不多一點(diǎn)就被停住，滑軌處于向前上方傾斜，此時瞬間高度25將小于標(biāo)準(zhǔn)高度26。但，13在后移的過程中，總是趨向于滑軌12的左支點(diǎn)，也就是25趨向于26，結(jié)果車身升起，“爬”上了石頭。\n當(dāng)13后移到頭，碰到觸點(diǎn)14，便推動油閥5換向。此時前腿滑塊19已向前移到最前點(diǎn)，來自油管16的油壓推動油缸17的活塞下壓，直到滑塊19觸及地面。以后的動作就進(jìn)入下一循環(huán)，只不過兩腿的狀態(tài)互換。\n因此，只需連續(xù)供油，便可連續(xù)行走。其速度取決于供油的流量，其爬坡 能力取決于油壓。當(dāng)需要減速剎車時，可以使用節(jié)流閥24。\n上述行走機(jī)構(gòu)的核心是裝在機(jī)內(nèi)的可傾斜滑軌、在其上滑行的滑塊和逆止機(jī)構(gòu)，這是本發(fā)明的重要內(nèi)容之一，可稱之為“內(nèi)斜軌”機(jī)構(gòu)。\n圖8僅為原理示意。實(shí)際的設(shè)計(jì)還有不少的其它考慮。例如：\n1.兩條腿的布局應(yīng)為并排，而不是前后排列，以減少安裝空間。\n2.兩個滑塊的動作幅度嫌小，應(yīng)用放大機(jī)構(gòu)加以擴(kuò)展。\n3.要考慮后退倒車，可在油路控制系統(tǒng)中加控制閥。\n4.要考慮兩腿動作的匹配，水平油缸7、22的活塞桿此去彼回必須準(zhǔn)確統(tǒng)一，因而要有“箝位”的功能。這也可在油路設(shè)計(jì)時加以安排。\n5.走在不同路面上，觸地腳掌要“換鞋”。例如在公路上用“橡膠底”，在野外無路處則用“鋼爪”，在沙漠、沼澤、農(nóng)田中則用大面積“腳掌”。為此，要有一種方便的“換鞋”方法，這也可在油路中考慮。\n6.如果取消水平油缸，則是取消了前進(jìn)驅(qū)動力。這樣的機(jī)械腿是“被動式”，僅起到支撐作用，可用于拖掛式車輛。\n圖9是根據(jù)圖8原理，用于汽車的機(jī)械腿設(shè)計(jì)組裝圖。（只劃出了一條腿，另一條完全相同，并排安裝），這是按照代替解放牌CA-10的后輪而設(shè)計(jì)。在這一設(shè)計(jì)中，采用一套類似于繪圖放大儀的四連桿機(jī)構(gòu)（由1、2、3、4四條桿組成）將滑塊10的動作放大。油缸5、6，油閥7、8、9等，均為市場采購的標(biāo)準(zhǔn)件。\n除了采用油壓驅(qū)動，也可以采用電動，簡單原理見圖10.驅(qū)動滑塊2在滑軌1上運(yùn)行的，是一種慣性小、功率大的往復(fù)回轉(zhuǎn)電機(jī)3，通過減速齒輪4與滑軌1上齒條嚙合，交替作做正、反轉(zhuǎn)，代替水平油缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)行。代替 垂直油缸的，是另一個固定在機(jī)架上的小電機(jī)5，也是低慣性，但功率小，用齒輪6驅(qū)動裝于滑軌1上的扇形齒塊，實(shí)現(xiàn)滑軌前端的起落動作。電動的摩擦抱閘7，由簡單的電路控制，腳掌著地時把小電機(jī)5的軸抱住。\n以壓縮空氣為動力的機(jī)械腿，基本上與液壓式相同。\n不用油壓、電力、壓縮空氣，只用齒輪、杠桿等簡單零件構(gòu)成的“純機(jī)械式”機(jī)械腿，由于載重力、速度限制，用途不大。但也可以設(shè)計(jì)成戰(zhàn)地輕型車輛、小型拖拉機(jī)，其動力甚至可以只用人力.一種可行的方案見圖11：\n滑塊1在滑軌2上的往復(fù)運(yùn)行，由凸輪2、杠桿3、拉桿4和彈簧5提供。抬腿機(jī)構(gòu)是由凸輪6、杠桿7和連桿8構(gòu)成。當(dāng)1運(yùn)行到后止點(diǎn)，7即拉著8向上提起。8首先通過三角形推爪塊9（9與滑軌2端頭的扇齒塊10用小軸11交連），將棘爪12推開，繼而拉扇齒塊10上升;在前跨著地時，棘爪12發(fā)揮逆止作用，使腿在垂直高度上停住。兩個凸輪應(yīng)是共軸，只需有動力連續(xù)驅(qū)動其軸轉(zhuǎn)動，即可行走。如果將棘爪系統(tǒng)改為摩擦盤，則載重力可增加。\n全車布局：\n本設(shè)計(jì)是每一副機(jī)械腿代替一個車輪，因此全車布局有多種型式，預(yù)計(jì)可開發(fā)出如下一系列產(chǎn)品：\n一副腿加兩個輪子，構(gòu)成類似于三輪車的樣子，可用于野外不太困難的地段。\n兩副腿左右分布就構(gòu)成手扶拖拉機(jī)。\n四副腿的布置是“標(biāo)準(zhǔn)式”。前面兩副腿各繞一垂直軸微動，就可以轉(zhuǎn)向，適用于氣車、拖拉機(jī)。把車身設(shè)計(jì)成前后兩部，中間用鉸鏈相接，構(gòu)成“腰部”轉(zhuǎn)向，可用于拖拉機(jī)、拖車、挖掘機(jī)、裝載機(jī)等。\n六副腿的布置可用于坦克，越過塹壕的能力優(yōu)于履帶。\n八副腿以上，可制成龐大的載重車輛.用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，就如“陸地行舟”了。