Нога шагающего аппарата
LEG OF WALKING APPARATUS

Изобретение относится к движителям транспортных средств, робототехнике, взаимодействующим с поверхностью дороги, и может применяться на аппаратах, предназначенных для передвижения по пересеченной местности.
Известно «Шаговое устройство» (см. Пат. №2184672, опубл. 10.07.2002, Бюл. №19), включающее рычаги, соединенные с корпусом и между собой посредством коленчатого шарнирного соединения. Каждое из указанных шарнирных соединений имеет привод в виде силового цилиндра, осуществляющий их вращательное движение, соответственно расположенный между корпусом и верхним рычагом для несущего шарнирного соединения и между верхним и нижним рычагами для коленчатого шарнирного соединения.
Кинематическое построение и применяемые приводы реализуют перемещение рычагов только в одной плоскости и направлении перемещения корпуса, что ограничивает функциональные возможности устройства. Кроме этого, устройство имеет сложную конструкцию и систему управления.
Известна нога шагающего аппарата (см. А.С. №462761, опубл. 05.03.1975, Бюл. №9), позволяющая осуществлять перемещение транспортного средства в любом направлении без его поворота, что расширяет его функциональные возможности в условиях манипулирования в стесненных условиях. Устройство включает кольцевую опору с размещенным внутри нее опорным башмаком, соединенным с приводом шагания, установленным внутри кольцевой опоры, имеющим привод его поворота. Однако данное устройство предназначено для перемещения только по ровной поверхности, что ограничивает область его применения.
Известна нога шагающего аппарата (см. А.с. №716898, «Опора шагающего транспортного средства», опубл. 25.02.1980, Бюл. №7), предназначенная для движения по труднодоступным местам на земле, так и для космических аппаратов. Устройство содержит бедро с нижним и верхним горизонтальными шарнирами, к нижнему из которых присоединена голень с опорной стопой, а к верхнему - корпус двухстепенного шарнира, и индивидуальные следящие приводы поворота корпуса двухстепенного шарнира, бедра и голени.
Данное устройство отличается значительным количеством управляемых степеней подвижности и алгоритмов управления, что усложняет управление предложенной системы в целом.
Наиболее близким по технической сущности из известных является нога шагающего аппарата (см. Пат. №2594316, МПК B62D 57/02, В25J 11/00, опубл. 10.08.2016, Бюл. №22), содержащая крепежный узел и последовательно сочлененные с ним и между собой посредством шарниров бедро, голень и стопу, имеющие приводы для совершения циклических пространственных движений, а бедро с шарнирами с обеих сторон и приводами выполнено в виде шестистержневого шарнирного механизма со стержнями управляемо изменяемой длины по типу опрокинутой платформы Стюарта, к которой прикреплена верхняя часть голени.
Устройство позволяет шагать в любом направлении при функционировании всех приводов без поворота в горизонтальной плоскости без остановки аппарата.
Однако применение в данном устройстве для поворота бедра шести силовых цилиндров приводит к значительному усложнению управления и конструкции, а также к снижению массогабаритных характеристик устройства.
Таким образом, все известные устройства, а также прототип, предназначенные для передвижения по пересеченной местности отличаются сложным конструктивным исполнением и управлением.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции и управления.
Поставленная задача достигается тем, что в ноге шагающего аппарата, включающей корпус и последовательно сочлененные с ним и между собой посредством шарниров бедро, голень и стопу, имеющие приводы для совершения пространственных движений, привод бедра выполнен в виде камерного рычажного привода.
Камерные рычажные приводы относятся к пневматическим и гидравлическим приводам, применяемым для относительного поворота рычагов в пространстве.
Поворотный механизм, например, выполнен в виде герметичной камеры, образованной корпусом с закрепленными на нем мембранами, соединенными с рычагами, выполненной с возможностью соединения с пневматическими линиями питания и охвата места соединения рычагов. Корпус поворотного механизма может быть выполнен в виде сильфона (см. Пат. №2657672, опубл. 14.06.2018, Бюл. №17).
В предлагаемой ноге шагающего аппарата может быть дополнительно установлен привод поворота голени относительно бедра, выполненный в виде камерного рычажного механизма.
В предлагаемой ноге шагающего аппарата может быть также дополнительно установлен привод поворота стопы относительно голени, выполненный в виде камерного рычажного механизма.
Это увеличивает силовое воздействие на корпус приводов при его подъеме, повышает живучесть функционирования, расширяет функциональные возможности устройства путем использования дополнительных алгоритмов управления, повышает устойчивость сохранения требуемого положения ноги шагающего аппарата.
Пример предлагаемого устройства и этапы его работы представлены на чертежах 1,2.
Устройство (фиг. 1, а) состоит из корпуса 1, на котором установлен силовой цилиндр 2 привода выдвижения ноги. На штоке силового цилиндра закреплен крепежный элемент 3 ноги с шарнирно закрепленным бедром 4. Узел шарнирного соединения бедра и крепежного элемента охватывает камерный рычажный привод с рабочей камерой 5. Другой конец бедра шарнирно соединен с голенью 6. Соединение охватывает камерный рычажный привод поворота голени относительно бедра с рабочей камерой 7. Другой конец голени шарнирно соединен со стопой 8, место соединения которых охватывает рычажный камерный привод с рабочей камерой 9. Стопа опирается на поверхность 10.
В исходном положении (фиг. 1, а) в камерах 5, 7, 9 создано избыточное давление рабочей среды, что обеспечивает среднее положение бедра, голени и стопы. Нога выпрямлена. В поршневой полости силового цилиндра 2 создано избыточное начальное давление рабочей среды, обеспечивающее приподнятое положение корпуса 1 относительно поверхности 10. Нога занимает на поверхности 10 исходную координату 0.
При необходимости перемещения корпуса механической ногой, задают требуемое направление перемещения, организуя перекос корпуса 1 относительно поверхности 10 в данном направлении. Для этого (фиг. 1, б) уменьшают давление рабочей среды в поршневой полости силового цилиндра 2. С учетом наличия других опор аппарата это приводит к уменьшению силового воздействия ноги на поверхность 10 и возникновению опрокидывающего момента в направлении требуемого перемещения аппарата.
Далее (фиг. 1, в) уменьшают величину избыточного давления рабочей среды в камере 5 привода бедра, уменьшая его силовое воздействие удержания в среднем положении. Корпус 1 наклоняется в сторону требуемого перемещения. При этом бедро 4 поворачивается относительно крепежного элемента 3 против часовой стрелки, создавая условие требуемого направления дальнейшего поворота бедра.
Созданием давления разрежения (фиг. 1, г) в камере 5 поворачивают бедро относительно крепежного элемента против часовой стрелки, одновременно снижая избыточное давление рабочей среды в камерах 7, 9 до атмосферного. Нога сгибается, поднимая стопу на высоту h.
Затем (фиг. 1, д), выдвигая ногу силовым цилиндром 2, опускают стопу на поверхность 10.
Создавая избыточное давление рабочей среды (фиг. 1, е) в камерах 5, 7, 9 выпрямляют бедро относительно голени, перемещая корпус на шаг ноги в требуемом направлении.
В случае отсутствия необходимости изменения направления перемещения аппарата повторяют этапы работы ноги. Для изменения направления перемещения устройство занимает исходное положение (фиг. 1, а) и этапы работы начинают с организации требуемого направления перемещения аппарата.
Установка дополнительных рычажных камерных приводов поворота голени относительно бедра и стопы относительно голени расширяет функциональные возможности устройства.
Пример выполнения функции перемещения ногой аппарата без функционирования камерного рычажного привода бедра показан на фиг. 2.
На фиг. 2, а показана ситуация, когда бедро повернуто относительно крепежного элемента против часовой стрелки, голень повернута относительно бедра и относительно стопы по часовой стрелке.
Для выполнения функции перемещения корпуса (фиг. 2, б) создают избыточное давление рабочей среды в камере привода поворота голени относительно бедра и привода ее поворота относительно стопы. В результате голень выпрямляется, перемещая корпус аппарата на шаг в направлении, противоположном его наклону.
Таким образом, предлагаемое устройство упрощает конструкцию и управление. Кроме этого установка дополнительных рычажных камерных приводов поворота голени и стопы увеличивает силовое воздействие приводов на корпус при его подъеме, повышает живучесть функционирования, расширяет функциональные возможности устройства путем использования дополнительных алгоритмов управления, повышает устойчивость сохранения требуемого положения ноги шагающего аппарата.