專利名稱：機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，屬于仿生爬行機(jī)構(gòu)(如圖1所示)。這種機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，可以在有一定摩擦力的管、桿件中或路面上爬行。
背景技術(shù)：
目前，我國(guó)有各種氣管道、石油管道、下水道、自來(lái)水管道等很多管道，由于年久失修，每年都要出現(xiàn)大量故障，可是這些管道大多都埋在地下，因而一但出現(xiàn)泄漏就很難查找，而在這方面管道機(jī)器人卻可以發(fā)揮很大的作用，有著很大的市場(chǎng)。管道機(jī)器人系統(tǒng)由爬行機(jī)構(gòu)、用于管內(nèi)壁觀察和檢測(cè)裝置、控制和通訊裝置等組成。目前國(guó)內(nèi)外提出管、桿件的爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式、電動(dòng)液壓式、氣動(dòng)蠕動(dòng)式、電磁驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)式、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)式和儲(chǔ)氫合金驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)式等。其中，電動(dòng)機(jī)械式是在電機(jī)的帶動(dòng)下，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抱緊和松開(kāi)桿件的動(dòng)作，爬行是由三個(gè)橡膠輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；氣體蠕動(dòng)式則是在驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿的伸出和縮回來(lái)實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)的。人們還在積極探索具有較強(qiáng)的越障能力、承載能力和爬坡能力，可以攜帶更多的設(shè)備在管道內(nèi)外爬行，也可以在沙漠、山地等環(huán)境中負(fù)重行走的機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種仿生爬行機(jī)構(gòu)，它采用機(jī)械蠕動(dòng)式爬行方式，可以在有一定摩擦力的管、桿件中或路面上爬行。
為了達(dá)到本發(fā)明的目的所采取的技術(shù)方案包括車(chē)架1，在機(jī)架1上設(shè)置有n個(gè)爬行單元，正整數(shù)n≥2，每個(gè)爬行單元包括一個(gè)滑塊偏置距為e的平面四桿機(jī)構(gòu)、一個(gè)內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪9，e≥0；該平面四桿機(jī)構(gòu)主要由曲柄2、連桿3、滑塊4和導(dǎo)桿5組成，導(dǎo)桿5的一端和車(chē)架1固連，導(dǎo)桿5的另一端和滑塊4移動(dòng)連接，曲柄2的內(nèi)端和車(chē)架1轉(zhuǎn)動(dòng)連接，該連接點(diǎn)相對(duì)導(dǎo)桿5偏置距e，曲柄2的外端和連桿3的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，連桿3的另一端和滑塊4轉(zhuǎn)動(dòng)連接，內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)輪6、棘爪7和從動(dòng)輪8組成，主動(dòng)輪6和平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊4固連，從動(dòng)輪8和驅(qū)動(dòng)輪9同心固連，動(dòng)力來(lái)自曲柄2；平面四桿機(jī)構(gòu)在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)之間變化，內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)在向前爬行與向后鎖止之間變化，與車(chē)架1和驅(qū)動(dòng)輪9共同組成機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，棘爪棘輪機(jī)構(gòu)可以用超越離合器替代，即超越離合器的星輪10與滑塊4固連，超越離合器的外環(huán)11與驅(qū)動(dòng)輪9同心固連，這種機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)同樣可以向前移動(dòng)。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，n個(gè)爬行單元之間連接關(guān)系是并聯(lián)或/和串聯(lián)連接。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，當(dāng)爬行單元的數(shù)量n≥2時(shí)，多個(gè)爬行單元可以共用同一曲柄或各爬行單元由不同曲柄驅(qū)動(dòng)，曲柄2有一個(gè)或多個(gè)，當(dāng)曲柄2的個(gè)數(shù)少于n時(shí)，多個(gè)連桿3可與同一曲柄2連接。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，棘爪7與主動(dòng)輪6之間的夾角可調(diào)。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，在棘爪7上設(shè)有一手柄。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，可以將其中m個(gè)(正整數(shù)m≤n-2)爬行單元的平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5中的曲柄2、連桿3、滑塊4取消，將導(dǎo)桿5直接與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)6-7-8的主動(dòng)輪6或超越離合器的星輪10固連在一起，機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)仍然可以完成向前移動(dòng)。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，可將棘爪棘輪機(jī)構(gòu)改為雙向式棘輪機(jī)構(gòu)，這樣，通過(guò)改變棘爪的鎖止方向就可以實(shí)現(xiàn)本機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的前進(jìn)和后退功能。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，可以將多組由多個(gè)爬行單元組成的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)橫向?qū)ΨQ布置或縱向串聯(lián)連接，組成更復(fù)雜的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)。由多個(gè)爬行單元組成的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，當(dāng)多個(gè)爬行單元串聯(lián)時(shí)，同側(cè)的爬行單元的導(dǎo)桿5為一體式，即同側(cè)的爬行單元共用一個(gè)導(dǎo)桿5。
上述機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，可以調(diào)整各爬行單元中的偏置距e、曲柄2和連桿3的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，得到不同的向前移動(dòng)規(guī)律。
本發(fā)明采用簡(jiǎn)單的平面四桿機(jī)構(gòu)、棘爪棘輪機(jī)構(gòu)組合實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的越障能力、承載能力和爬坡能力，可通過(guò)改變桿件設(shè)計(jì)參數(shù)以滿足不同場(chǎng)合需求。


圖1為本發(fā)明含有2×2個(gè)爬行單元、偏置距e＞0時(shí)的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)原理圖；圖2為圖1所示的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)的工作狀態(tài)示意圖。其中圖2a)為車(chē)架向前有第一個(gè)較小移動(dòng)的起始位置；圖2b)為車(chē)架向前有第一個(gè)較小移動(dòng)的終止位置、有第一個(gè)較大移動(dòng)的起始位置；圖2c)為車(chē)架有第一個(gè)較大移動(dòng)的終止位置、不移動(dòng)的起始位置；圖2d)為車(chē)架不移動(dòng)的終止位置、車(chē)架有第二個(gè)較大移動(dòng)的起始位置；圖2e)為車(chē)架向前有第二個(gè)較大移動(dòng)的終止位置。
圖3為本發(fā)明含有2×2個(gè)爬行單元、偏置距e＝0時(shí)的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)原理圖；圖4為本發(fā)明含有2×2個(gè)爬行單元、偏置距e＝0時(shí)的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)的工作狀態(tài)示意圖，其中圖4a)為車(chē)架向前有第一個(gè)較大移動(dòng)的起始位置；圖4b)為車(chē)架向前有第一個(gè)較大移動(dòng)的終止位置、有第二個(gè)較大移動(dòng)的起始位置；圖4c)為車(chē)架有第二個(gè)較大移動(dòng)的終止位置；圖5為用超越離合器替代棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的含有2×2個(gè)爬行單元、偏置距e＞0時(shí)的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)原理圖；圖6為本發(fā)明含有3×2個(gè)爬行單元、偏置距e＞0時(shí)的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)原理圖；圖7為本發(fā)明含有4×2個(gè)爬行單元、偏置距e＞0時(shí)的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)原理圖；圖8為本發(fā)明的一種實(shí)施例的機(jī)構(gòu)原理圖，它含有2×2個(gè)爬行單元，但其中2個(gè)爬行單元取消了平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5中的曲柄2、連桿3和滑塊4，而將導(dǎo)桿5直接與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)6-7-8的主動(dòng)輪6固連在一起，偏置距e＞0；圖9為本發(fā)明兩個(gè)含有2×2個(gè)爬行單元的爬行機(jī)構(gòu)通過(guò)聯(lián)軸器串聯(lián)的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施方案下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。
如圖1、2所示，1為車(chē)架，2為曲柄，本實(shí)施例包括n＝2×2個(gè)爬行單元，這4個(gè)爬行單元按2行2列布置在車(chē)架1上，即機(jī)構(gòu)前、后排各有兩個(gè)爬行單元，它們共用一個(gè)曲柄2和一個(gè)導(dǎo)桿5。曲柄2是原動(dòng)件，設(shè)其轉(zhuǎn)動(dòng)方向是順時(shí)針回轉(zhuǎn)。
前排每個(gè)爬行單元包括一個(gè)滑塊偏置距為e(e≥0)的平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5、一個(gè)內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)6-7-8和驅(qū)動(dòng)輪9；平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5由曲柄2、連桿3、滑塊4和導(dǎo)桿5組成，導(dǎo)桿5和車(chē)架1固連、其左端和滑塊4移動(dòng)連接，曲柄2和車(chē)架1轉(zhuǎn)動(dòng)連接，連接點(diǎn)相對(duì)導(dǎo)桿5偏置距為e，曲柄2的一外端和連桿3的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，連桿3的另一端和滑塊4轉(zhuǎn)動(dòng)連接；內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)6-7-8由主動(dòng)輪6、棘爪7和從動(dòng)輪8組成，主動(dòng)輪6和平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5的滑塊4固連，從動(dòng)輪8和驅(qū)動(dòng)輪9同心固連。
后排每個(gè)爬行單元包括一個(gè)滑塊偏置距為e(e≥0)的平面四桿機(jī)構(gòu)2-3’-4’-5、一個(gè)內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)6’-7’-8’和驅(qū)動(dòng)輪9’；平面四桿機(jī)構(gòu)2-3’-4’-5由曲柄2、連桿3’、滑塊4’和導(dǎo)桿5組成，導(dǎo)桿5的右端和滑塊4’移動(dòng)連接，曲柄2的另一外端和連桿3’的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，連桿3’的另一端和滑塊4’轉(zhuǎn)動(dòng)連接；內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)6’-7’-8’由主動(dòng)輪6’、棘爪7’和從動(dòng)輪8’組成，主動(dòng)輪6’和平面四桿機(jī)構(gòu)2-3’-4’-5的滑塊4’固連，從動(dòng)輪8’和驅(qū)動(dòng)輪9’同心固連。
每個(gè)爬行單元中的棘爪棘輪機(jī)構(gòu)是完全一樣的。
主動(dòng)輪6和6’是不能轉(zhuǎn)動(dòng)的，從動(dòng)輪8在主動(dòng)輪6移動(dòng)的推力作用下間歇驅(qū)動(dòng)，從動(dòng)輪8’在主動(dòng)輪6’移動(dòng)的推力作用下間歇驅(qū)動(dòng)。平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5和2-3’-4’-5在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)之間變化，棘爪棘輪機(jī)構(gòu)6-7-8和6’-7’-8’在向前爬行和向后鎖止之間變化，使得爬行機(jī)構(gòu)的前、后兩排爬行單元交替向前移動(dòng)，從而使爬行機(jī)構(gòu)蠕動(dòng)式前進(jìn)。
如圖2所示，機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的爬行過(guò)程分為四個(gè)過(guò)程(1)當(dāng)爬行機(jī)構(gòu)從圖2a)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖2b)所示位置的過(guò)程中，車(chē)架1向前做微量移動(dòng)。在此過(guò)程中，前排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8和后排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8’都不移動(dòng)。圖2a)所示位置中，前排每個(gè)爬行單元中平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊處于左極限位置；圖2b)所示位置中，后排每個(gè)爬行單元中平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊處于右極限位置。具體運(yùn)動(dòng)如下
當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖2a)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖2b)所示位置的過(guò)程中，曲柄2通過(guò)連桿3拉動(dòng)滑塊4沿著導(dǎo)桿5向后移動(dòng)，由于滑塊4與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6固連在一起，棘爪7的鎖止作用會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)整體向后滑動(dòng)；但由于地面摩擦力的作用阻止了棘爪棘輪機(jī)構(gòu)不會(huì)向后滑動(dòng)，即滑塊4不會(huì)向后移動(dòng)，即從動(dòng)輪8不滑動(dòng)，這時(shí)導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5變成了移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。
同時(shí)，曲柄2通過(guò)連桿3’推動(dòng)滑塊4’沿著導(dǎo)桿5向后移動(dòng)，由于滑塊4’與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6’固連在一起，棘爪7’的鎖止作用會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)整體向后滑動(dòng)；但由于地面摩擦力的作用阻止了棘爪棘輪機(jī)構(gòu)不會(huì)向后滑動(dòng)，即滑塊4’不會(huì)向后移動(dòng)，即從動(dòng)輪8’不滑動(dòng)，這時(shí)導(dǎo)桿5向前移動(dòng)一較小位移，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3’-4’-5變成了移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。
(2)當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖2b)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖2c)所示位置的過(guò)程中，車(chē)架1向前做較大移動(dòng)。在此過(guò)程中，前排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8不移動(dòng)、后排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8’向前做較大移動(dòng)。圖2c)所示位置中，前排每個(gè)爬行單元中平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊處于右極限位置。具體運(yùn)動(dòng)如下當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖2b)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖2c)所示位置的過(guò)程中，同(1)中情況一樣前排每個(gè)爬行單元中的平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5仍是移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8不移動(dòng)。
同時(shí)，曲柄2通過(guò)連桿3’拉動(dòng)滑塊4’沿著導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，由于滑塊4’與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6’固連在一起，地面的摩擦力和棘爪7’的打滑會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8’向前滾動(dòng)。在此過(guò)程中，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3’-4’-5變成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
(3)當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖2c)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖2d)所示位置的過(guò)程中，車(chē)架1不移動(dòng)。在此過(guò)程中，前排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8和后排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8’都向前做微量移動(dòng)。圖2d)所示位置中，后排每個(gè)爬行單元中平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊處于左極限位置。具體運(yùn)動(dòng)如下當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖2c)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖2d)所示位置的過(guò)程中，曲柄2通過(guò)連桿3推動(dòng)滑塊4沿著導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，由于滑塊4與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6固連在一起，棘爪7的打滑會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8向前滾動(dòng)。在此過(guò)程中，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5變成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
同時(shí)，曲柄2通過(guò)連桿3’拉動(dòng)滑塊4’沿著導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，由于滑塊4’與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6’固連在一起，棘爪7’的打滑會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8’向前滾動(dòng)。在此過(guò)程中，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3’-4’-5變成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
(4)當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖2d)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖2e)所示位置的過(guò)程中，車(chē)架1向前做較大移動(dòng)。在此過(guò)程中，前排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8向前做較大移動(dòng)、后排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8’不移動(dòng)。圖2e)所示位置中，前排每個(gè)爬行單元中平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊處于左極限位置，機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)在此位置與圖2a)是一樣的。具體運(yùn)動(dòng)如下當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖2d)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖2e)所示位置的過(guò)程中，曲柄2通過(guò)連桿3推動(dòng)滑塊4沿著導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，由于滑塊4與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6固連在一起，棘爪7的打滑會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8向前滾動(dòng)。在此過(guò)程中，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5變成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
同時(shí)，曲柄2通過(guò)連桿3’推動(dòng)滑塊4’沿著導(dǎo)桿5向后移動(dòng)，由于滑塊4’與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6’固連在一起，棘爪7’的鎖止作用會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)整體向后滑動(dòng)；但由于地面摩擦力的作用阻止了棘爪棘輪機(jī)構(gòu)不會(huì)向后滑動(dòng)，即滑塊4’不會(huì)向后移動(dòng)，即從動(dòng)輪8’不滑動(dòng)，這時(shí)導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3’-4’-5變成了移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。
這樣，隨著曲柄2整周回轉(zhuǎn)，導(dǎo)桿5向前微量移動(dòng)、向前較大移動(dòng)、不移動(dòng)、向前較大移動(dòng)，……，循環(huán)交替進(jìn)行，從而使車(chē)架1向前爬行。考慮到上述四個(gè)過(guò)程中的車(chē)架1向前微量移動(dòng)和不移動(dòng)的時(shí)間較短，主要是兩次較大的向前移動(dòng)，所以機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)基本上是蠕動(dòng)式前進(jìn)的。
特別地，當(dāng)滑塊的偏置距e＝0時(shí)，機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)如圖3、4所示，其爬行過(guò)程分為兩個(gè)過(guò)程(1)當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖4a)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖4b)所示位置的過(guò)程中，導(dǎo)桿5向前作較大移動(dòng)，前排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8不移動(dòng)，而后排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8’向前做較大移動(dòng)。圖4a)所示位置中，前排每個(gè)爬行單元中平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊處于左極限位置，而后排每個(gè)爬行單元中平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊處于右極限位置；圖2b)所示位置中，前排每個(gè)爬行單元中平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊處于右極限位置，而后排每個(gè)爬行單元中平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊處于左極限位置。具體運(yùn)動(dòng)如下當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖4a)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖4b)所示位置的過(guò)程中，曲柄2通過(guò)連桿3拉動(dòng)滑塊4沿著導(dǎo)桿5向后移動(dòng)，由于滑塊4與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6固連在一起，棘爪7的鎖止作用會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)整體向后滑動(dòng)；但由于地面摩擦力的作用阻止了棘爪棘輪機(jī)構(gòu)不會(huì)向后滑動(dòng)，即滑塊4不會(huì)向后移動(dòng)，即從動(dòng)輪8不滑動(dòng)，這時(shí)導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5變成了移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。
同時(shí)，曲柄2通過(guò)連桿3’拉動(dòng)滑塊4’沿著導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，由于滑塊4’與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6’固連在一起，地面的摩擦力和棘爪7’的打滑會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8’向前滾動(dòng)。在此過(guò)程中，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3’-4’-5變成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
(2)當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖4b)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖4c)所示位置的過(guò)程中，導(dǎo)桿5向前做較大移動(dòng)，前排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8向前做較大移動(dòng)、后排每個(gè)爬行單元中棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8’不移動(dòng)。機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)在圖4c)所示位置與圖4a)是一樣的。具體運(yùn)動(dòng)如下當(dāng)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)從圖4b)所示位置開(kāi)始轉(zhuǎn)到圖4c)所示位置的過(guò)程中，曲柄2通過(guò)連桿3推動(dòng)滑塊4沿著導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，由于滑塊4與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6固連在一起，棘爪7的打滑會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪8向前滾動(dòng)。在此過(guò)程中，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5變成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
同時(shí)，曲柄2通過(guò)連桿3’推動(dòng)滑塊4’沿著導(dǎo)桿5向后移動(dòng)，由于滑塊4’與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪6’固連在一起，棘爪7’的鎖止作用會(huì)導(dǎo)致棘爪棘輪機(jī)構(gòu)整體向后滑動(dòng)；但由于地面摩擦力的作用阻止了棘爪棘輪機(jī)構(gòu)不會(huì)向后滑動(dòng)，即滑塊4’不會(huì)向后移動(dòng)，即從動(dòng)輪8’不滑動(dòng)，這時(shí)導(dǎo)桿5向前移動(dòng)，平面四桿機(jī)構(gòu)2-3’-4’-5變成了移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。
這樣，隨著曲柄2整周回轉(zhuǎn)，從動(dòng)輪8不移動(dòng)和從動(dòng)輪8’向前較大移動(dòng)得到導(dǎo)桿5向前較大移動(dòng)、從動(dòng)輪8向前較大移動(dòng)和從動(dòng)輪8’不移動(dòng)得到導(dǎo)桿5向前較大移動(dòng)，……，循環(huán)交替進(jìn)行，從而使車(chē)架1向前爬行。所以機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是蠕動(dòng)式前進(jìn)的。
如圖5所示，利用超越離合器具有與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)同樣的向前爬行和向后鎖止的功能，將機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的2×2個(gè)爬行單元中的每個(gè)棘爪棘輪機(jī)構(gòu)用超越離合器替代，同樣能夠使機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)蠕動(dòng)行走。當(dāng)然，除上述含有2×2個(gè)爬行單元的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)外，在其他含有n≥2個(gè)爬行單元的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中，也可以用超越離合器代替棘爪棘輪機(jī)構(gòu)。
多個(gè)爬行單元組合n＝4、6、8、10…，如圖6、7所示，每個(gè)爬行單元可以共用同一曲柄或由不同曲柄驅(qū)動(dòng)。可以調(diào)整各爬行單元中的偏置距e、曲柄2和連桿3的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，得到不同的向前移動(dòng)規(guī)律。由多個(gè)爬行單元組成的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
將機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中2個(gè)(n＝4，取m＝2)爬行單元的平面四桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5中的曲柄2、連桿3、滑塊4取消，將導(dǎo)桿5直接與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)6-7-8的主動(dòng)輪6固連在一起，如圖8所示，這樣的爬行單元自身沒(méi)有驅(qū)動(dòng)而是被動(dòng)地被其它爬行單元驅(qū)動(dòng)，同樣能夠使機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)行走。當(dāng)然，如果采用的是超越離合器，則將導(dǎo)桿5直接與超越離合器的星輪10固連在一起。
可將機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)中的棘爪棘輪機(jī)構(gòu)改為雙向式棘輪機(jī)構(gòu)，這樣，通過(guò)改變棘爪的鎖止方向就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的前進(jìn)和后退功能。
當(dāng)爬行單元的數(shù)量n≥2時(shí)，若由不同曲柄驅(qū)動(dòng)，使兩側(cè)曲柄轉(zhuǎn)速不同，則可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向；當(dāng)共用同一曲柄時(shí)，通過(guò)改變棘爪和主動(dòng)輪之間的夾角使棘爪脫離與從動(dòng)輪的接觸，使兩側(cè)的棘爪7收起時(shí)間長(zhǎng)短不一，即使棘爪7失效的時(shí)間長(zhǎng)短不一，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向。這種由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的兩構(gòu)件之間夾角的改變，有很多方法可以實(shí)現(xiàn)。比如最簡(jiǎn)單的方法是，直接在棘爪上設(shè)一手柄，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄直接使棘爪脫離從動(dòng)輪。
將多組由多個(gè)爬行單元組成的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)橫向?qū)ΨQ布置或縱向串聯(lián)連接，可組成更復(fù)雜的機(jī)械蠕動(dòng)行走系統(tǒng)，在一組串聯(lián)在一起的多個(gè)爬行單元之中，同側(cè)的導(dǎo)桿5為一體式。如圖9所示，將兩組相同的由2×2個(gè)爬行單元組成的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)用聯(lián)軸器縱向串聯(lián)連接，組成復(fù)雜的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)。
可見(jiàn)，由將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)的平面連桿機(jī)構(gòu)和可輸出單向轉(zhuǎn)動(dòng)的棘爪棘輪機(jī)構(gòu)變異組合形成的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械仿生蠕動(dòng)行走。由多個(gè)爬行單元組成的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
為了不發(fā)生相鄰兩個(gè)輪子的干涉，曲柄長(zhǎng)度、連桿長(zhǎng)度、偏置距e和驅(qū)動(dòng)輪外圓的半徑等應(yīng)滿足一定的條件。例如，在有兩個(gè)爬行單元的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)里，如果兩個(gè)曲柄相對(duì)于曲柄回轉(zhuǎn)中心對(duì)稱布置，兩個(gè)曲柄長(zhǎng)度都為l1，兩個(gè)連桿長(zhǎng)度都為l2，驅(qū)動(dòng)輪外圓的半徑都為R，曲柄轉(zhuǎn)角為φ1，當(dāng)φ1＝0~360°時(shí)，要求同時(shí)滿足如下兩個(gè)條件l2-l1＞e 最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)包括車(chē)架(1)，其特征在于，在機(jī)架(1)上設(shè)置有n個(gè)爬行單元，正整數(shù)n≥2，每個(gè)爬行單元包括一個(gè)滑塊偏置距為e的平面四桿機(jī)構(gòu)、一個(gè)內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪(9)，e≥0；該平面四桿機(jī)構(gòu)主要由曲柄(2)、連桿(3)、滑塊(4)和導(dǎo)桿(5)組成，導(dǎo)桿(5)的一端和車(chē)架(1)固連，導(dǎo)桿(5)的另一端和滑塊(4)移動(dòng)連接，曲柄(2)的內(nèi)端和車(chē)架(1)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，該連接點(diǎn)相對(duì)導(dǎo)桿(5)偏置距e，曲柄(2)的外端和連桿(3)的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，連桿(3)的另一端和滑塊(4)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)輪(6)、棘爪(7)和從動(dòng)輪(8)組成，主動(dòng)輪(6)和平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊(4)固連，從動(dòng)輪(8)和驅(qū)動(dòng)輪(9)同心固連，動(dòng)力來(lái)自曲柄(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，棘爪棘輪機(jī)構(gòu)可以用超越離合器替代，即超越離合器的星輪(10)與滑塊(4)固連，超越離合器的外環(huán)(11)與驅(qū)動(dòng)輪9同心固連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，n個(gè)爬行單元之間連接關(guān)系是并聯(lián)或/和串聯(lián)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，當(dāng)爬行單元的數(shù)量n≥2時(shí)，曲柄(2)有一個(gè)或多個(gè)，當(dāng)曲柄(2)的個(gè)數(shù)少于n時(shí)，多個(gè)連桿(3)可與同一曲柄(2)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，棘爪(7)與主動(dòng)輪(6)之間的夾角可調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，在棘爪(7)上設(shè)有一手柄。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，將其中m個(gè)爬行單元的平面四桿機(jī)構(gòu)中的曲柄(2)、連桿(3)、滑塊(4)取消，將導(dǎo)桿(5)直接與棘爪棘輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪(6)或超越離合器的星輪(10)固連在一起，正整數(shù)m≤n-2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，將棘爪棘輪機(jī)構(gòu)改為雙向式棘輪機(jī)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，將多組由多個(gè)爬行單元組成的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)橫向?qū)ΨQ布置或縱向串聯(lián)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，當(dāng)多個(gè)爬行單元串聯(lián)時(shí)，同側(cè)的爬行單元的導(dǎo)桿(5)為一體式，即同側(cè)的爬行單元共用一個(gè)導(dǎo)桿(5)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種機(jī)械蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，屬于仿生爬行機(jī)構(gòu)。技術(shù)方案包括車(chē)架(1)，在機(jī)架(1)上設(shè)置有n個(gè)爬行單元，正整數(shù)n≥2，每個(gè)爬行單元包括一個(gè)滑塊偏置距為e的平面四桿機(jī)構(gòu)、一個(gè)內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪(9)，e≥0；該平面四桿機(jī)構(gòu)主要由曲柄(2)、連桿(3)、滑塊(4)和導(dǎo)桿(5)組成，內(nèi)嚙合齒式棘爪棘輪機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輪(6)、棘爪(7)和從動(dòng)輪(8)，主動(dòng)輪(6)和平面四桿機(jī)構(gòu)的滑塊(4)固連，從動(dòng)輪(8)和驅(qū)動(dòng)輪(9)同心固連。本發(fā)明采用簡(jiǎn)單的平面四桿機(jī)構(gòu)、棘爪棘輪機(jī)構(gòu)組合實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的越障能力、承載能力和爬坡能力，可通過(guò)改變桿件設(shè)計(jì)參數(shù)以滿足不同場(chǎng)合需求。
文檔編號(hào)B62D57/00GK1944158SQ20061011413
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月30日
發(fā)明者魏文軍, 于婭楠, 李海濤, 張紹英, 田國(guó)平, 趙俊朋 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)