适应有坡道且障碍物间距无级调整的无碳小车的制作方法

本发明涉及一种适应具有坡道且障碍物间距可无级调整通道的无碳小车，尤其是可以适应有坡道且障碍物间距可无级调整通道而能自主避障行走的无碳小车。

背景技术：

无碳小车是仅由重力势能驱动机械结构小车，使用时使其沿着S形轨迹围绕呈直线排布的非等间距的障碍物行走，或在有坡道且障碍物间距可无级调整的通道行走。无碳小车使用时常常要求在改变被绕行障碍物间距的情况下，提高小车绕行距离或绕行障碍物的个数，为取得尽可能长的绕行距离及绕行较多障碍物，无碳小车需要具有调节转向轮摆动角度的机构和自主识别障碍物的传感器。目前使用的无碳小车一般采用定性调节或者有级调节的办法，调节转向轮的摆动角度，且没有识别障碍物的传感器，该种无碳小车可较好地适应障碍物间距为已知离散值的通道，但是难以适应障碍物间距可无级调整的通道，更难以适应有坡道且障碍物间距可无级调整的通道。

技术实现要素：

为了解决现有技术无法提供可适应障碍物间距可无级调整的通道，或障碍物间距可无级调整且具有坡道的通道，能够自主避障行走的无碳小车。本发明提供一种具有爬坡行走、避障行走、轨迹识别及刹车制动功能的无碳小车。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

该无碳小车组成机构包括：小车机架、小车驱动机构、小车直行机构、小车转向机构和小车刹车系统。小车机架支承小车的各组成机构。小车驱动机构利用重物的重力势能，通过小车直行机构驱动小车前行，并且利用小车转向机构改变小车前行的方向，在小车转向机构上设置有传感器模块和控制模块，用于识别通道上的障碍物，利用小车刹车系统实现小车减速制动。

小车机架包括：底板、支承杆、固定板、加固板、止推轴承、立式支撑座、卧式支撑座、底板固定螺栓、舵机固定支架。

底板后端对称设置四个连接通孔，用底板固定螺栓及螺母通过左后两连接通孔将左后立式支撑座固定连接到底板左后端，用底板固定螺栓及螺母通过右后两连接通孔将右后立式支撑座固定连接到底板右后端。在左后立式支撑座及立式支撑座中分别设置滚动轴承。通过左后及右后立式支撑座狭长槽两侧面的光孔及螺纹孔及螺栓，将左后及右后立式支撑座狭长槽两边连接在一起，并通过立式支撑座狭长槽两侧的弹性变形分别将左后滚动轴承及右后滚动轴承固定在左后及右后立式支撑座中。在底板后端适当靠前的位置，以底板纵向中心轴线对称设置四个连接通孔，用底板固定螺栓将两个立式支撑座分别固定在底板后端适当靠前的位置。三根相同长度的支承杆，上下两头均设置有内螺纹。固定板为圆三角形，其中心位置设置有长方形槽，在固定板的三个角适当位置设置有三个通孔，在小车底板中心位置设置三个和固定板的通孔位置相对应的三个通孔，三根支承杆的两端分别可以贴合到底板和固定板上的通孔，分别采用底板固定螺栓将固定板、底板与三根支承杆刚性联结。设置一个三角形的加固板，在加固板上设置和固定板的通孔位置相对应的三个通孔，利用该三个通孔，将加固板以过盈配合的方式安装于三根支承杆的下部。在底板的正前方位置以底板纵向中心轴线左右对称设置两个通孔，与卧式支撑座左右两边的通孔相对应，在该两个通孔中间位置设置一个与卧式支撑座中间孔相对应的通孔，用底板固定螺栓将卧式支撑座固定在底板上。在卧式轴承座长对角线中点设置让前叉顶端通过的通孔，在底板上与该通孔位置相对应的下表面及卧式支撑座上表面分别设置止推轴承，以此限制前叉的上下运动。在底板的左后端沿其边线设置两个通孔，用底板固定螺栓和螺母通过两通孔将舵机固定支架固定连接到底板左后端。

小车的驱动机构包括：重物、重物螺钉、牵引线、绕线轮、绕线轮轴承、绕线轮支架、启动器。

重物呈圆柱形，其一端设有一个螺纹孔，以该螺纹孔与重物螺钉相联结。采用强力胶水将两个间隔的绕线轮支架粘接到固定板上表面，在两个绕线轮支架大的侧面均设置一个通孔，采用过盈配合方式，将绕线轮轴承联结到绕线轮支架中的通孔。绕线轮呈带轴的一大一小双滑轮结构，在双滑轮中间设置一个细长圆弧形槽，以便在小车运行开始前容纳卷绕的牵引线，绕线轮的轴部结构分别与绕线轮轴承配合支承绕线轮。启动器整体呈圆台型，其上设置有满足小车运行速度需要的若干阶梯槽，以调节绕线轮和启动器之间的传动比及驱动小车行走的力矩。牵引线为一条细长且具有较高强度的尼龙线，其一端与重物螺钉相连，经过绕线轮，其另一端连接到启动器上设置的紧定螺钉。小车运行前，牵引线卷绕在绕线轮双滑轮结构的细长圆弧形槽中，小车运行时，随着重物下落，其重力势能经过牵引线、绕线轮及启动器转换为驱动小车行走的机械能。

小车直行机构包括：启动器轴、大齿轮、小齿轮、轮轴、法兰盘、启动器。

采用机械设计常用方法联结启动器和启动器轴，在启动器靠右的位置设置大齿轮，采用紧定螺钉联结启动器轴和大齿轮，在轮轴的偏右位置采用紧定螺钉联结方式设置小齿轮，并使其与大齿轮相互啮合。法兰盘结构包括一大一小两个同心圆柱凸台，在法兰盘中心轴线位置设置通孔，在该通孔中设置单向轴承，并使单向轴承的外圈与该通孔过渡配合联结。使单向轴承的内圈和轮轴过盈配合联结，在轮轴两端均设置单向轴承与法兰盘，使得小车两侧的车轮可以差动方式绕其轴线转动。两侧车轮中心轴线位置均设置一个较大通孔，其与法兰盘小圆柱凸台间隙配合联结，在法兰盘小圆柱凸台外周，在其大圆柱凸台外侧面均匀设置三个螺纹孔，该三个螺纹孔与车轮上沿着其中心通孔外周均匀设置的三个通孔相对应，采用机械设计常用的螺纹联结方式联结车轮和法兰盘。轮轴的两端均设置有内螺纹孔，在轮轴两端的内螺纹孔中设置螺钉，以限制车轮沿着轮轴的轴线移动。

小车的转向机构由传感器模块、控制模块和驱动模块组成。传感器模块由超声波测距传感器、红外避障传感器、传感器固定支架、传感器固定螺栓组成；控制模块由单片机工控板组成；驱动模块由电池盒、转向舵机、转向舵机摆臂、长连杆、短连杆、前叉、转向轮、塞打螺栓、止推轴承组成。

在小车两侧分别设置一个传感器固定支架，其为一个L型的支架，其长边和短边侧面上分别设置两个通孔，分别与超声波测距传感器及红外避障传感器和底板孔大小、位置相对应，传感器支架长边与超声波测距传感器及红外避障传感器通过传感器固定螺栓和螺母固定连接，传感器支架短边与底板通过传感器固定螺栓螺母可调连接。单片机工控板通过铜柱与底板固定连接。用强力胶水将电池盒粘接到底板上。在小车两侧传感器固定支架上分别设置一个超声波测距传感器及一个红外避障传感器，超声波传感器设置在与小车前进方向偏角较小的方向以检测障碍物与小车之间的距离，红外避障传感器设置于和小车前进方向垂直的位置以避开两边的通道挡板。转向舵机通过螺栓螺母固定连接在底板上，转向舵机摆臂与转向舵机通过螺钉固定连接，长连杆一端设置较大通孔，与滚动轴承外圈过盈配合联结，该滚动轴承内圈内孔通过螺栓与舵机摆臂连接，长连杆另一端设置较小螺纹孔；短连杆一端设置较大通孔与滚动轴承外圈过盈配合联结，该滚动轴承内圈内孔通过螺栓与长连杆螺纹孔连接，短连杆另一端设置D形通孔。在前叉的大径段设置一个平面，并在该平面上设置螺纹孔，使该螺纹孔与塞打螺栓联结，在前叉的阶梯段设置一个平面，成为D形轴，与短连杆的D形孔过盈配合联结。

小车的刹车系统由刹车舵机支架、刹车舵机、刹车片、刹车轮组成。刹车舵机支架与底板采用螺纹刚性联结，刹车片通过螺钉与刹车舵机固定连接，刹车轮与轮轴通过紧定螺栓连接，刹车片上设置有一圆弧凹槽，其直径与刹车轮直径相同，以保证刹车时刹车片与刹车轮有足够大的接触面积。

本发明有益效果是：通过超声波测距传感器、红外避障传感器、转向舵机、刹车舵机和单片机工控板结合，实现具有爬坡行走、轨迹识别、避障行走及刹车制动的无碳小车，可适应障碍物间距可无级调整的通道，或障碍物间距可无级调整且具有坡道的通道。

附图说明

图1是本发明的整体外形图

图2 是机架机构图

图3是驱动机构图

图4是直行机构图

图5是转向机构图

图6是刹车系统图

图7是车轮结构图

图中1.固定螺栓，2.法兰盘，3.车轮，4.底板，5.前叉，6.转向轮，7.塞打螺栓，8.卧式支撑座，9.止推轴承，10.加固板，11.支承杆，12.支承杆固定螺栓，13.绕线轮，14.绕线轮支架，15.绕线轮轴承，16.固定板，17.法兰轴承，18.刹车舵机支架，19.底板固定螺栓，20.立式支撑座，21.启动器轴，22.牵引线，23.重物螺钉，24.重物，25.启动器，26.轮轴，27.小齿轮，28.大齿轮，29.单片机工控板，30.铜柱，31.红外避障传感器，32长铜柱， 33.传感器固定螺栓，34.超声波测距传感器，35.传感器固定支架，36.电池盒，37.转向舵机，38.舵机摆臂，39连杆轴承，40.长连杆，41. 连杆螺栓，42.短连杆，43.刹车舵机，44.刹车片，45.刹车轮，46.单向轴承。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，底板4通过底板固定螺栓19和立式支撑座20固定连接，法兰轴承17与立式支撑座20采用过盈配合联结，三根支承杆11两端设置有螺纹孔分别与固定板16和底板4通过支承杆固定螺栓12固定连接。三角形加固板10上设置三个通孔，利用该三个通孔与三根支承杆11采用过盈配合联结，用强力胶将绕线轮支架14粘接到固定板16上表面，绕线轮轴承15外圈与绕线轮支架14上的通孔采用过盈配合联结，绕线轮13与绕线轮轴承15内圈过盈配合联结。刹车舵机支架18通过底板固定螺栓19与底板4固定连接，卧式支撑座8通过底板固定螺栓19与底板4刚性连接，共同构成小车机架。

如图3所示，重物24和重物螺钉23通过螺纹连接，牵引线22一端系在重物螺钉23上，跨过绕线轮13上的细长圆弧形槽，另一端通过紧定螺钉系在启动器轴21上，构成小车驱动机构。

如图1和图4所示，法兰盘2结构包括一大一小两个同心圆柱凸台，在法兰盘2中心轴线位置设置通孔，在该通孔中设置单向轴承46，并使单向轴承46的外圈与该通孔过渡配合联结。使单向轴承46的内圈和轮轴26过盈配合联结，在轮轴26两端均设置单向轴承46与法兰盘2，使得小车两侧的车轮3可以差动方式绕其轴线转动。两侧车轮3中心轴线位置均设置一个较大通孔，其与法兰盘2小圆柱凸台间隙配合联结，在法兰盘2小圆柱凸台外周，在其大圆柱凸台外侧面均匀设置三个螺纹孔，该三个螺纹孔与车轮3上沿着其中心通孔外周均匀设置的三个通孔相对应，采用机械设计常用的螺纹联结方式联结车轮3和法兰盘2。通过固定螺栓1刚性连接法兰盘大圆柱凸台与车轮3。采用紧定螺钉将小齿轮27连接到轮轴26，启动器25与启动器轴21过盈配合连接，采用紧定螺钉将大齿轮28连接到启动器轴21上面，小齿轮27和大齿轮啮合28，一起构成小车直行机构。

如图1和图5所示，超声波测距传感器34通过传感器固定螺栓33与传感器固定支架35刚性连接，红外避障传感器31通过长铜柱32与传感器固定支架35刚性连接，传感器固定支架35与底板4通过底板固定螺栓19可调连接。单片机工控板29与铜柱30通过螺纹连接，铜柱30与底板4通过螺纹刚性连接。通过强力胶水将电池盒36粘接到底板4上。转向舵机37通过传感器固定螺栓33固定连接在底板4上，转向舵机摆臂38与转向舵机37通过螺钉固定连接，长连杆40一端设置较大通孔，与滚动轴承外圈过盈配合联结，该滚动轴承内圈内孔通过连杆螺栓41与转向舵机摆臂38连接，长连杆40另一端设置较小螺纹孔；短连杆42一端设置较大通孔与滚动轴承外圈过盈配合联结，该滚动轴承内圈内孔通过连杆螺栓41与长连杆40螺纹孔连接，短连杆42另一端设置D形通孔。在前叉5的大径段设置一个平面，并在该平面上设置螺纹孔，使该螺纹孔与塞打螺栓7联结，在前叉5的阶梯段设置一个平面，成为D形轴，与短连杆42的D形孔过盈配合联结。转向轮6与塞打螺栓7刚性连接，前叉5与法兰轴承17过盈配合连接，法兰轴承17与卧式支撑座8过盈配合连接，止推轴承9固定在前叉5与卧式支撑座8上方，一起构成小车转向机构。

如图6所示，刹车舵机43通过传感器固定螺栓33与刹车舵机支架18刚性连接，刹车轮45与轮轴26过盈配合连接，刹车片44与刹车舵机43刚性连接，刹车片44与刹车轮45同轴配合，一起构成小车刹车系统。

小车的两个车轮3与转向轮6构成小车的三点支承结构，当处于三根支承杆11之间的重物24开始下落，通过重物螺钉23拉动牵引线22经绕线轮13的变换作用改变运动方向，驱动启动器25，启动器25驱动驱动器轴21，驱动器轴21驱动相互啮合的大齿轮28和小齿轮27，从而驱动轮轴26转动。在轮轴26两端均设置单向轴承46与法兰盘2，法兰盘2结构包括一大一小两个同心圆柱凸台，在法兰盘2中心轴线位置设置通孔，使单向轴承46的内圈和轮轴26过盈配合联结，使单向轴承46的外圈与该通孔过渡配合联结。两侧车轮3中心轴线位置均设置一个较大通孔，其与法兰盘2小圆柱凸台间隙配合联结，在法兰盘2小圆柱凸台外周，在其大圆柱凸台外侧面均匀设置三个螺纹孔，该三个螺纹孔与车轮3上沿着其中心通孔外周均匀设置的三个通孔相对应，采用机械设计常用的螺纹联结方式联结车轮3和法兰盘2，使得小车两侧的车轮3可以差动方式驱动小车前进。在小车前进时，把电池盒36上的电源打开，小车出发前，根据坡道距离出发点的位置，调整牵引线22在绕线轮13双滑轮结构大小滑轮上的卷绕长度，使小车爬坡时绕线处于大滑轮位置，小车以较大驱动力矩爬坡，在平直及下坡行走则处于绕线处于小滑轮位置，小车以较小驱动力矩行走。在平直道路行走，超声波测距传感器34获取的距离信息传送至单片机工控板29，经其处理后发送方向调整信号给转向舵机37以调整转向轮6的偏角，使两超声波测距传感器34获得的距离不断向相等值接近，使小车绕过前方的障碍物，以完成避障行走。小车下坡时，超声波测距传感器34检测到下坡信号，将信号传送给单片机工控板29处理，单片机工控板29输出刹车信号给刹车舵机43，刹车舵机43驱动刹车片44与刹车轮45接触，使小车制动减速下坡。单片机工控板29设置过近保护功能，小车距离障碍物距离过近时，触发红外避障传感器31发出信号给单片机工控板29，经其处理后发送方向调整信号给转向舵机37调整转向轮6角度，以防止小车撞上障碍物，同时单片机工控板29设定最大偏角防止转向轮6偏角过大，避免小车翻倒或绕圈行走。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。