專利名稱：腿機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及權(quán)利要求1的前序部分所描述的類型的腿機構(gòu)。
在本申請人從前的芬蘭專利No.87171中特別描述了載承負載的腿機構(gòu)的目的。這種腿機構(gòu)的目的一方面是支撐其所載運的裝置的本體所產(chǎn)生的負荷，另一方面是實現(xiàn)前進運動。這種具有一上臂和一下臂的腿機構(gòu)通常與所謂“行走機器”連用。這種機器的運動模式是從哺乳動物的腿獲得的，引起前進的行走運動取決于通過髖關節(jié)連接于本體(機架)的大腿(上臂)和通過膝關節(jié)連接于大腿的脛(下臂)的運動路徑，這些運動路徑是由于相對各關節(jié)發(fā)生的樞軸運動而產(chǎn)生的。
機器模仿自然界的運動路徑時，對使上述部件運動的致動器和與其相關的控制操作設置有高級命令。為了在每一時刻就運動路徑和負載情況而言使腿機構(gòu)都具有正確的運動，控制和操作系統(tǒng)必須是高度復雜和功能可靠的，以便能夠沒有任何障礙地完成前進運動和負載支撐。
本發(fā)明的目的是消除上述缺點，并提供一種與機器本身相關的解決方案，其能夠增加腿功能的可靠性并改進效率。為了獲得此目的，按照本發(fā)明的腿機構(gòu)以權(quán)利要求1所公開的特征部分為主要特征。基本概念是，在一個關節(jié)上發(fā)生的角度變化可以通過一特定的被動動力傳遞裝置傳給另一致動器的運動或者補償所述角度變化的關節(jié)，以實現(xiàn)理想的運動路徑。無需使用與上述致動器或關節(jié)相關的主動致動器來實現(xiàn)相應的理想運動，而是自動發(fā)生由于角度變化所產(chǎn)生的運動。
按照權(quán)利要求3所公開的一種有利的替代形式，被動動力傳動裝置傳遞膝關節(jié)的運動引起髖關節(jié)的運動。例如，當膝關節(jié)角度的絕對值增加，即下臂(脛)離開一預定的中間位置運動時，相應的髖關節(jié)朝向支撐面的角度會減小。下臂的下端的支撐點在這種情況下根據(jù)尺寸設計實施一種直線或接近于直線的運動。
一種替換形式是，使下臂的下端可以以這樣一種方式在長度上變化，在作用在臂與支撐點之間的一致動器的運行過程中，當膝關節(jié)角度的絕對值增加時臂的下端處的支撐點移動得離臂的其余部分更遠。
關于本發(fā)明所涉及的優(yōu)選實施例，參考從屬權(quán)利要求和下面的描述。
參照附圖，在下述內(nèi)容中說明本發(fā)明，其中

圖1為按照本發(fā)明的腿機構(gòu)和所屬致動器的側(cè)視圖；圖2為與圖1所示的實施例相比略有改進的一實施例的示意性簡圖；圖3示出了髖關節(jié)結(jié)構(gòu)的另一實施例；圖4示出了運動補償?shù)牧硪粚嵤├?；圖5示出了將腿機構(gòu)連接于本體的替代形式；和圖6示出了一種使用了按照本發(fā)明的腿機構(gòu)的機器。
圖1以側(cè)視圖方式示出了按照本發(fā)明的腿機構(gòu)的一第一實施例。該腿機構(gòu)連接于由其所載運的一本體1上。這種連接是通過一髖關節(jié)H實現(xiàn)的，機構(gòu)的一上臂2樞軸地連接于髖關節(jié)，該臂可在垂直平面內(nèi)樞軸運動。一下臂3通過一膝關節(jié)K樞軸地連接于上臂2的另一端，該臂可在垂直平面內(nèi)樞軸運動。在下臂3的下端有一支撐點A，它接受通過與行走面M接觸所引起的負荷，并有一行走部件9樞軸連接于該支撐點A。通過一長度可變的主動致動器4來影響在上臂2的縱軸與垂直平面之間所形成的朝向行走面M的一角度α的變化，該主動致動器的第一端安裝在本體1上，而其另一端安裝在上臂2上。與此相對應，在膝關節(jié)K處設有另一個長度可變的主動致動器5，其第一端安裝在上臂2上，而其第二端安裝在下臂3上這另一致動器的長度變化引起朝向行走面M的形成于一預定的起始線與下臂的縱軸線之間的角度β的一種變化，該預定的起始線例如為平行于與機器本體1垂直的一條線的一垂直線。在圖1所示的位置中，這一角度β的值為0，因為下臂3的縱軸線與稱之為零線的線重合上述由主動致動器所產(chǎn)生的功能在以前就是公知的，通過使用由聯(lián)接于一壓力介質(zhì)源的壓力介質(zhì)，例如液壓缸操作的并通過一閥控制的致動器4、5，可以以一種本身公知的方式實現(xiàn)上述功能。
一個被動的力傳遞裝置7設置在膝關節(jié)K處，該裝置不僅從位于同一關節(jié)K處用于改變關節(jié)角度β的主動致動器5的運動而且也從作用在行走部件上的外部負荷來接受其驅(qū)動力。提供該裝置是為了將運動傳遞到位于髖關節(jié)H處的一接收致動器6。這就會引起髖關節(jié)H的角度α的變化，這一變化補償了膝關節(jié)K的角度β的變化。
圖1示出腿離開行走面M的情況。如果，例如角β增加，這就是說，下臂3(脛)從角β的值為0的中間位置向前擺動，則角α減小，也就是上臂2下降，如圖中箭頭所示。在上述力的正確傳遞的情況下，這樣就可以使下臂3的下端處的支撐點A大致沿著圖1中以一虛線示出的水平路徑移動。在這種情況下，髖關節(jié)H的主動致動器4不必運動就可實現(xiàn)相應的運動，但可以獨立于接收致動器6來使用它調(diào)節(jié)整個腿機構(gòu)的高度。以這種方式，就可以通過主動致動器4在邁下一步之前使腿機構(gòu)能離開行走面M而抬高。如果前面有阻擋物，需將腿機構(gòu)抬得較高些，則使用髖關節(jié)H處的所述主動致動器4，使上臂2和下臂3同時提升。通過膝關節(jié)K的致動器5獨立于上臂2的各瞬時高度位置，即獨立于角度α實現(xiàn)下臂3和上臂2的聯(lián)動。
在腿接觸行走面M的情況下如下運行。在這一步驟的支撐階段開始時，可以通過髖關節(jié)H處的主動致動器4將腿機構(gòu)接觸地面定位，因此上臂2降下，最好同時下臂3也從垂線作向前的樞軸運動，離開上臂2至角β的程度。在這種情況下，由腿機構(gòu)所載運的本體1的負荷的一部分被導向該腿機構(gòu)，而機器的其它腿機構(gòu)同時接受本體負荷的其它分額。通過致動器5轉(zhuǎn)動膝關節(jié)K，使取決于步長的角β減少，可以減少到相應于下臂3的中間位置為0的值，并轉(zhuǎn)至負值，然后角β的絕對值又重新增加。按照同樣的順序，角α增加，當角β為0時角α達到其最大值，然后又減小。在一種理想的情況下，利用補償作用使由腿機構(gòu)載運的本體1的高度位置保持不變，換句話說，本腿機構(gòu)的功能相當于一輪子。
移動上臂2的致動器、主動致動器4和接受來自主動力傳遞裝置7的運動動力的致動器6均為長度可變型的，它們以這樣一種方式一個接著一個連接，本體1上的主動致動器4的固定點以這樣一種方式構(gòu)成，使接收致動器6的緊挨著液壓缸并指向上臂2的端部，而致動器6的第二端連接于本體1本身。當接收致動器6的長度變化時主動致動器4的長度并不自動變化。因此，致動器轉(zhuǎn)動上臂2所形成的整個機構(gòu)的長度變化僅僅歸因于接收致動器6的長度變化。當利用主動致動器4使上臂2移動時發(fā)生一種相應的情況，即只有一個致動器引起總長度的變化，因為所述致動器可以彼此獨立地操作，并且它們只是以機械方式一個接著一個地連接。在同時使用兩主動致動器4和5的過程中，組合的致動器長度的變化是由于致動器4和6的聯(lián)合運動所引起的。
在實踐中，從膝關節(jié)K至髖關節(jié)H，產(chǎn)生運動的力是通過壓力介質(zhì)，例如液壓油利用一種所謂被動回路10傳遞的構(gòu)成力傳遞被動裝置7的致動器的第一端安裝于上臂2上，而其第二端安裝于下臂3上，當膝關節(jié)K的角β從圖1中所示的臂的縱軸相對于機器本體1位于垂直位置的下臂的中間位置增加時，壓力介質(zhì)從圍繞活塞桿的致動器腔室傳送到接收回路10中的管線10a的圍繞活塞桿的腔室中。因此，致動器6縮回，同時裝置7伸長。這一位置的相對側(cè)通過壓力介質(zhì)的返回管線10b互相連接以形成一封閉回路。活塞和腔室的尺寸設計成使互相連接側(cè)的體積變化彼此相應，還應使在角α的某一值上使角β的變化引起角α變化正確的角度。致動器4和5的這種組合就是所謂串列式缸。
除了有利的運動路徑以外，本發(fā)明還提供了一種制動功能。例如當機器由腿機構(gòu)支撐于行走面M上時，下臂3從圖1所示的中間位置的轉(zhuǎn)移立刻引起上臂2相對于本體1的下降。當下臂3處于樞軸向前或向后的位置時，以及當角β的絕對值傾向于增加時發(fā)生同樣的現(xiàn)象。從受力的角度上看，在膝關節(jié)K上力的作用方式使得膝部的主動致動器5的尺寸可以設計得比通常的腿機構(gòu)的該致動器小。
圖1還示出了一種有利的機構(gòu)，通過這種機構(gòu)，上臂2和下臂3連接于本體并互相連接。上臂2由一平行四連桿機構(gòu)構(gòu)成，該平行四連桿機構(gòu)包括一主臂2a，它主要接受負荷，并構(gòu)成平行四連桿的一長邊，它還用作主動致動器4的連接點該機構(gòu)還包括一輔臂2b，它構(gòu)成平行四連桿機構(gòu)的第二長邊。主臂和輔臂樞軸地連接于本體1，平行四連桿的另一端由一連桿8封閉，連桿8與主輔臂的端部彼此樞軸地連接，并以這種方式包含平行四連桿的短邊。同時，連桿8與主臂2a的鉸接點的軸線與主臂2a和下臂3之間的膝關節(jié)K的樞軸軸線重合。
連桿8成形為一板狀件，其平面基本上位于機構(gòu)的樞軸平面內(nèi)。膝關節(jié)K的主動致動器5的一端連接于該板，其另一端連接于下臂3。
傳遞運動動力的被動裝置7的一端隨之樞軸地連接于連桿8，而其另一端樞軸地連接于下臂3。而且，裝置7與連桿8之間的連接點的樞軸軸線可以與連桿8與輔臂2b之間的樞軸軸線重合，如圖1所示。
長度可變的被動裝置7進一步可以這樣定位，當膝關節(jié)K與下臂3的下端的支撐點A之間的連線位于圖1所示的中間位置，被動裝置7上的連接點與該線重合時，被動裝置7最短，即處于死點。在按照圖1所示的解決方案中，以這樣一種方式實現(xiàn)這種定位，裝置7與下臂3的樞軸連接點設置在此線上，而與上臂2的樞軸連接點位于平行四邊形的短邊上的連桿8的轉(zhuǎn)動中心的下點處。當角β的值為0時，該短邊與該線或下臂處于其中間位置時的縱軸線重合。在被動裝置7的最短位置，接收致動器6則處于其最長位置。不言自明，下臂3的縱軸線相對于平行四連桿的短邊可以以另一種方式在其中間位置定向，被動裝置7與上臂2的連接點可以提供在除平行四連桿的鉸接點之外的其它地方。在這種情況下，也可以這樣設置，使裝置7的縱軸線與下臂3的縱軸線在下臂3的某一中間位置上重合。
圖2示意性地表示出一種與圖1中的實施例多少有些不同的機構(gòu)的解決方案。接收致動器6和主致動器4的連接差別在于，在圖1的實施例中，該對致動器在本體1一側(cè)連接于輔臂2b與本體之間的鉸接點，而在圖2的實施例中，其連接于本體上的一單獨鉸接點。然而這種設置并不影響機構(gòu)的基本功能。在下臂3中還采用了一種平行四連桿機構(gòu)，其包括在膝關節(jié)K與支撐點A之間延伸、主要接受負荷的主臂3a和一與其平行的輔臂3b，其上端樞軸地連接于連桿8，而其下端樞軸地連接于行走部件9，支撐點A也與其樞軸地連接。通過這種解決方案，行走部件9相對于本體1保持在同一方向上，行走部件9可以是挨著行走面M放置的一盤形或其它形狀片。被動的力傳遞裝置7靠著上臂2的一端上的一自身點與連桿8樞軸地連接，且其另一端則樞軸地連接于臂3a。在其他方面，該機構(gòu)的運行與上面所述的相同。
圖3示出了髖關節(jié)H的另一種結(jié)構(gòu)。上臂2和下臂3均由如圖2所示的平行四連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)成。上臂2在形成平行四連桿結(jié)構(gòu)的短邊的兩鉸接點上樞軸連接于本體1。主動致動器4與接收致動器6以這種方式機械連接在一起，使接收致動器6樞軸地連接于本體1，其另一端樞軸地連接于一桿臂11，桿臂11也樞軸地連接于本體1，在這種情況下，連接于平行四連桿的其中一鉸接點。桿臂的相對端攜帶主動致動器4面向本體的一端。這一方案不同于圖1和2所示的串列式缸的方案，但在其他方面，使用它可以得到類似的效果主致動器4和接收致動器6以這樣一種方式一起對上臂2的樞軸點產(chǎn)生影響，使它們可以單獨動作，且它們的長度變化結(jié)合起來確定上臂2的位置的變化和角α的變化，而且，在按照圖3的結(jié)構(gòu)中，膝的被動致動器的下端連接點不在臂3的縱軸線上。然而這對機構(gòu)的基本功能并沒有影響。
圖4示出了一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，不是通過膝關節(jié)K處的被動的力傳動裝置7作用在髖關節(jié)H上，而是通過另一種方式可以獲得補償功能。在這種情況下，在髖關節(jié)H處需要的只是主動致動器4，圖中示出了其端部連接于上臂2。在下臂3的下端固定一長度可調(diào)致動器12，從而使該下端設置成長度可調(diào)的，并因此獲得補償功能。隨著角β的增加，被動的力傳遞裝置7的長度變化將被傳遞，以構(gòu)成接收致動器12的長度變化，其以這樣一種方式補償下臂3的位置變化，使致動器12變長，從而支撐點A的下端和行走部件9向下移動。當角β減小時，長度變化反向發(fā)生。在這種結(jié)構(gòu)中也可限定某一中間位置或零線，在該位置角β為0，接收致動器12最短，在此位置上，下臂3的位置在兩方向中任一方向的任何偏離將會引起該臂的下端處的支撐點A向更低的位置移動。
在圖4的實施例中，也是通過一種壓力介質(zhì)，例如液壓油，采用被動回路10在膝關節(jié)K和下臂2的下端之間傳遞力。其原理與上面參考圖1-3所作的描述相同。
下臂3的下端結(jié)構(gòu)是這樣實現(xiàn)的，將所述接收致動器12固定安裝在平行四連桿結(jié)構(gòu)的臂3的短邊上，致動器的下端，在本例中為液壓缸的活塞桿端在點A樞軸地連接于一盤形行走部件9。點A可以認為是在臂下端的支撐點，通過該點在行走面M與本體1之間傳遞力。
就腿機構(gòu)的運動限制而言，上面的敘述并不限定本發(fā)明。本發(fā)明優(yōu)選具有這樣一種結(jié)構(gòu)，下臂3具有一很好限定的中間位置，其對于上述補償運動也是極限位置，在該位置，通過補償?shù)玫降捏y關節(jié)H的角α最大，或下臂3的下端的可變長度最短，角β為0。臂3的縱軸與一預定的零線重合的中間位置可以通過一種靜態(tài)有利的方式選擇，例如，它可以是一條相對于機器本體1在某一方向上延伸的線。利用上臂2的平行四連桿結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)這樣的選擇，因為相對于上臂2以某一角度延伸的上臂3相對于本體1也總是處于一精確預定的角度。
圖5示出了腿機構(gòu)在髖關節(jié)H處是如何通過將其樞軸地連接于一輔助本體1b而與本體1連接的，輔助本體1b可相對于本體1a的其余部分可樞軸旋轉(zhuǎn)。因此，整個腿機構(gòu)可以在由實際本體與輔助本體1b之間的關節(jié)所確定的運動邊界之內(nèi)轉(zhuǎn)動。
出于舉例的目的，圖6示出了可以使用按照本發(fā)明的腿機構(gòu)的一種機器。它涉及一種能夠在特定場所內(nèi)行走并打算在森林中工作的機器。該機器具有六條腿與本體鉸接，每一側(cè)有三條腿。在這一方案中，腿機構(gòu)的樞軸旋轉(zhuǎn)平面在前進方向上延伸，并且所述樞軸旋轉(zhuǎn)平面也可旋轉(zhuǎn)到另一平面內(nèi)，因為髖關節(jié)H安裝在一相對于本體的其余部分可樞軸轉(zhuǎn)動的零件上，例如裝在圖5中所示的輔助機體1b上。然而，本發(fā)明可以用于其它類型的機器，它可以具有不同數(shù)量的腿，并以不同的方式連接于本體。
至于腿機構(gòu)本身，本發(fā)明并不僅僅局限于上述實施例。在由權(quán)利要求書所表示的發(fā)明概念的范圍內(nèi)可以對本發(fā)明作出修改。例如，并非必須以圖1-3所示的方式將致動器4-6一個接一個地機械連接。但無論如何，如果它們具有它們自己的鉸接點，在主動致動器4內(nèi)必須提供自由運動的可能性，例如在一液壓缸的情況下為活塞相對側(cè)的腔室之間的自由循環(huán)，因為在接收致動器6的運行過程中它也要運動。
腿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)也可以以這樣一種方式實現(xiàn)，致動器位于臂2和3之內(nèi)。例如圖1的表示可以理解為致動器在臂外的一側(cè)視圖，也可以理解為沿臂的中垂面截取的一剖視圖，在這種情況下，樞軸轉(zhuǎn)動的臂由平行的子臂對構(gòu)成，在臂的內(nèi)部，致動器鉸接在子臂之間。
對本發(fā)明作適當?shù)淖兓缶涂膳c在申請人的早期專利No.87171中作過描述的、包含主動致動器力偶的腿機構(gòu)連用。
權(quán)利要求
1.一種腿機構(gòu)，其包括一個通過一髖關節(jié)(H)樞軸地連接于一本體(1)或類似物的上臂(2)和一個通過一膝關節(jié)(K)樞軸地連接于上臂的另一端的下臂(3)，所述本體(1)借助所述腿機構(gòu)是可移動的，下臂的下端包括一支撐于行走面(M)的行走部件(9)，從而在上臂(2)和本體(1)之間的髖關節(jié)(H)處和上臂(2)與下臂(3)之間的膝關節(jié)(K)處分別帶有一致動器(4、5)，用于影響相應關節(jié)的樞軸運動，其特征在于在其中一關節(jié)(K、H)處除了具有一主動致動器外還設置有一被動的力傳遞裝置(7)來通過一接收致動器(6、12)傳遞在主動致動器的作用下在關節(jié)處發(fā)生的樞軸運動角(α、β)的變化和一外部負荷，以便根據(jù)下臂(3)的下端的位置變化補償該角度的所述變化。
2.如權(quán)利要求1所述的腿機構(gòu)，其特征在于被動的力傳遞裝置(7)設置在膝關節(jié)(K)處，用于傳遞由位于該關節(jié)處的主動致動器(5)所引起的樞軸運動，以便根據(jù)下臂(3)的下端的位置變化補償由所述樞軸運動所引起的角度的變化。
3.如權(quán)利要求2所述的腿機構(gòu)，其特征在于接收致動器(6)位于髖關節(jié)(H)處，并設置成影響上臂(2)的樞軸旋轉(zhuǎn)角(α)的變化。
4.如權(quán)利要求2所述的腿機構(gòu)，其特征在于接收致動器(12)位于下臂(3)的下端，并設置成影響下臂(3)的長度的變化。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的腿機構(gòu)，其特征在于被動的力傳遞裝置(7)和接收致動器(6、12)為長度可調(diào)型的。
6.如權(quán)利要求3和5所述的腿機構(gòu)，其特征在于除了從被動的力傳遞裝置(7)接收運動以外，作用在髖關節(jié)(H)處的主動力致動器(4)也是長度可調(diào)型的，并且所述致動器以這種方式一個接一個地連接，使它們的總的長度變化決定關節(jié)處的相應角度的變化。
7.如權(quán)利要求5或6所述的腿機構(gòu)，其特征在于主動致動器(4、5)、被動的力傳遞裝置(7)和接收致動器(6、12)以通過壓力介質(zhì)操作的缸的形式來實現(xiàn)。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的腿機構(gòu)，其特征在于上臂(2)以平行四連桿機構(gòu)的形式來實現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求8所述的腿機構(gòu)，其特征在于在上臂(2)的與膝關節(jié)(K)相鄰的一端處有一連桿(8)，其形成平行四連桿機構(gòu)的一部分，并用作位于膝關節(jié)(K)處的主動致動器(5)的一端的連接，所述致動器的另一端連接于下臂(3)。
10.如權(quán)利要求9所述的腿機構(gòu)，其特征在于被動的力傳遞裝置(7)的一端連接于所述平行四連桿機構(gòu)的連桿(8)，其另一端連接于下臂(3)。
11.如權(quán)利要求8-10中任一權(quán)利要求所述的腿機構(gòu)，其特征在于下臂(3)也是以平行四連桿機構(gòu)的形式實現(xiàn)的。
12.如權(quán)利要求4和11所述的腿機構(gòu)，其特征在于位于下臂(3)的下端的致動器(12)安裝在平行四連桿機構(gòu)的短邊上。
全文摘要
一腿機構(gòu),其包括一個通過一髖關節(jié)(H)樞軸地連接于本體(1)或類似物的上臂(2)和一個通過一膝關節(jié)(K)樞軸地連接于上臂的另一端的下臂(3),所述本體(1)借助所述腿機構(gòu)是可移動的,下臂的下端包括一支撐于行走面(M)的行走部件(9),在上臂(2)和本體(1)之間的髖關節(jié)(H)處和上臂(2)與下臂(3)之間的膝關節(jié)(K)處分別帶有一致動器(4、5),用于影響相應關節(jié)的樞軸運動,在其中一個關節(jié)(K、H)處除了具有一主動致動器外還設置一被動的力傳遞裝置(7)來通過一接收致動器(6、12)傳遞在主動致動器的作用下在關節(jié)處發(fā)生的樞軸運動角(α、β)的變化和一外部負荷,以便根據(jù)下臂(3)的下端的位置變化補償該角度的變化。
文檔編號B62D57/032GK1177322SQ96192343
公開日1998年3月25日 申請日期1996年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月6日
發(fā)明者M·帕庫奈仁 申請人:普拉斯特克公司