一种自动行走并避开障碍物的节能小车的制作方法

本发明属于运输领域，具体涉及一种节能环保、依靠势能实现给定路径自动行走来搬运货物的小车。

背景技术：

目前，市场上的搬运小车多为人力或者依靠内燃机推动，不方便也不环保。而在搬运货物的需求上，越来越需要既能节约资源，又能高效方便地搬运货物的小车。如何实现一种节能环保而又高效的搬运小车就成了一个值得研究的课题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种自动行走并避开障碍物的节能小车，该节能小车能自动按照给定路径行走并避开障碍物，且除了势能不需任何其他能源，具有经济、环保、便利等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种自动行走并避开障碍物的节能小车，包括车前轮、车后轮和底板，所述的底板设于车前轮上方，还包括第一轴、第五轴、轴承和转向机构；

所述的车后轮包括驱动轮和从动轮，所述的驱动轮安装在第一轴的一端，所述的第一轴的另一端通过轴承安装在底板上；

所述的从动轮安装在第五轴上，所述的第五轴的另一端通过轴承安装在底板上，所述的第一轴的轴线和第五轴的轴线重合；

所述的转向机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、第一不完全齿轮、第二不完全齿轮、第二轴和换向连杆机构；

所述的第二轴与第一轴垂直，所述的第一轴与第二轴间通过安装在第一轴上的第一锥齿轮和安装在第二轴上的第二锥齿轮相啮合以实现转动；

所述的第一不完全齿轮安装在第二轴上，所述的第一不完全齿轮与第二不完全齿轮相啮合来实现间歇传动，第二不完全齿轮又通过换向连杆机构与车前轮相连接，以满足在指定时间域内车前轮的换向；

所述的第二锥齿轮、第一不完全齿轮和底板通过第二轴安装在一起，所述的第二锥齿轮位于底板的上方，所述的第一不完全齿轮位于底板的下方；

本发明还有如下区别技术特征：

所述的第二不完全齿轮通过第三轴安装在底板下方，所述的第一不完全齿轮与第二不完全齿轮之间相啮合来实现间歇传动。

所述的前车轮上安装有支撑板，所述的支撑板通过第四轴安装在底板下方，用于支撑底板。

所述的支撑板呈u型。

所述的换向连杆机构包括第一连杆和第二连杆，所述的第一连杆和第二连杆之间铰接在一起；所述的第一连杆连接在第二不完全齿轮上，所述的第二连杆连接在支撑板上。

所述的支撑板与第二连杆呈一体设计。

所述的底板靠近车前轮的两个角凹向底板中心。

所述的底板与第二锥齿轮间之间设有推力轴承。

所述的支撑板与底板之间设有推力轴承。

所述的车后轮的直径远大于车前轮的直径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的装置通过调整换向连杆机构及不完全齿轮的相对位置，即可实现不同的行走路线。

(2)本发明通过能自动换向的节能小车，既可以节省劳动力，不必再通过工人耗费大量的气力来搬运货物或耗费大量的能源；减轻了工人的劳动负担，实现在短程内自动行走，自动避开障碍物，实用方便且环保。

(3)本发明的装置运动依靠自身势能，环保节能；并在能自动避障，避免损坏货物。

附图说明

图1为本发明换向连杆机构的换向原理图。

图2为本发明的传动原理图。

图3为本发明的小车的轨迹路线图。

图4为本发明小车前轮转动角度时域信号图。

图5为本发明的小车动力学模型图。

图6为本发明的整体结构俯视图。

图7为本发明的整体结构前视图。

图8为本发明的整体结构仰视图。

图9为本发明的整体结构左视图。

图10为本发明的整体结构立体图。

附图中各标号的含义：1-车前轮，2-车后轮，3-底板，4-第一轴，6-轴承，7-推力轴承，8-第五轴；

(5-1)-第一锥齿轮，(5-2)-第二锥齿轮，(5-3)-第一不完全齿轮，(5-4)-第二不完全齿轮，(5-5)-第二轴，(5-6)-第三轴，(5-7)-换向连杆机构，(5-8)-支撑板，(5-9)-第四轴；

(5-7-1)-第一连杆，(5-7-2)-第二连杆。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明的转向机构采用一对锥齿轮、不完全齿轮和换向连杆机构，重物用细线通过滑轮与第一轴相连接，第一轴与车后轮(主动轮)相连接，且该轴与第二轴间通过第一、第二锥齿轮相配合以实现传动并节约空间；

第一锥齿轮围绕第一锥齿轮圆周运动，进而带动第一轴做绕线运动，将重物的直线运动转化为车前轮(导向轮)的圆周运动，原理简单，可实施性强；

第二直轴上连接有第一不完全齿轮，第二不完全齿轮与之相啮合来实现间歇传动以满足在指定时间域内前轮的换向；第二不完全齿又通过换向连杆机构与车前轮相连接，这样节省传动链所占空间。

本发明的行走机构采用单轮驱动，即利用车前轮作为导向轮，靠近第一锥齿轮的车后轮为驱动轮，另一个车后轮为从动轮，从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束来确定，效率高。

本发明的小车车后轮直径远远大于车前轮直径，采用大轮子是为了保证车子的平稳性，以防止重物从高处方落下时小车不会侧翻；

本发明在底板与第二锥齿轮之间、支撑板与底板之间设置有推力轴承，既起到支撑作用，又使结构转动灵活。

本发明的底板作为小车的载体，与其他结构相连接，是节能小车极其重要的结构部件，因此底板的结构设计必须合理、巧妙，本发明底板靠近车前轮的两个角凹向底板中心，这样，可减轻小车的承重；

本发明的底板的宽度决定了两后轮的轴距，由于小车一直在做曲线运动，因此两轮行走时存在速差，轴距的大小影响两轮差速的大小以及运行的平稳性。轴距太小会降低小车运行的平稳性，轴距太大又会加大转向难度。

据车后轮路径计算一个运动周期内的时间，根据轮子设计大小，在保证不完全齿轮恰好为一个周期的前提下，设定第一、第二锥齿轮的传动比。第一不完全齿轮要满足在一个周期内四次转向对时间的控制，所以根据车前轮的轨迹及转向时间大致确定第一不完全齿轮轮齿的位置；根据车前轮偏转时间内车身转角及实际要求车身转角精确确定大齿轮轮齿位置，根据啮合条件设计齿数。第二不完全齿轮设计锁止弧，并且满足摇杆(即第二连杆)的三个点位，以此确定锁止弧位置，根据啮合条件设计齿数，根据实际干涉进一步确定第一不完全齿轮边缘形状。

避障功能的说明

本发明的节能小车的最大特点是能够按给定路径换向行走，以下对发明的节能小车的避障行走轨迹进行分析：

假设在出发点与目的点之间布置有数个障碍物，设计出如图3所示的s形线路后，通过调整各个部件的位置参数后，则搬运小车能实现s形线路的自动行走。

小车在各路段轨迹分析：①⑤处小车做圆周运动

③⑥处小车做直线运动

②④处小车做未知圆弧运动

只要建立起不完全齿轮连杆相对位置与不同行走路线类型的参数关系，即可适应不同场合的需要。在具体的实施过程，货物在搬运线路上难免会遇到一些不方便挪动的障碍物，根据障碍物的位置确定所需的行走路线的类型，并调整相应的参数，则达到自动避开障碍物的功能。

其具体的实现过程如下：

由图1可知，第二不完全齿轮5-4和换向连杆机构5-7本质上为四连杆机构，即车前轮1转动角度的大小和转动的时刻均可由各连杆间的相对位置唯一确定，由此可知，只要调整第一不完全齿轮5-3和第二不完全齿轮5-4的齿对、换向连杆机构5-7的位置，经过计算后即可得到不同行走路线来实现不同的工作情况，即障碍物在行走线路上的分布，极为方便实用。

如图1的四杆机构，各杆长与摆杆摆动的角度可建立参数化方程，摆杆的摆动角度即换向的角度。

假设的障碍物分布在图3中的①、⑤所在曲线段的曲率中心，小车在未到达①弧段前，第一不完全齿轮5-3和第二不完全齿轮5-4的齿对处于不啮合状态，小车仅第一锥齿轮5-1和第二锥齿轮5-1(图2)工作，第二不完全齿轮5-4和换向连杆机构5-7(图1)不参与工作，即为“掉电”状态，小车保持近似的匀速直线运动；

在刚进入①弧段后，按照设计的参数关系，第一不完全齿轮5-3和第二不完全齿轮5-4的齿对也恰好进入啮合状态，第一不完全齿轮5-3(主动齿)带动第二不完全齿轮5-4(被动齿)转动，第二不完全齿轮5-4带动换向连杆机构5-7工作，即为“上电”状态。图1中的换向连杆机构5-7相应的摆动一定角度，则与之相连接的车前轮1转过相应的角度。在整个第一不完全齿轮5-3和第二不完全齿轮5-4的齿对啮合状态时间段内，前轮方向不断改变，小车近似作绕障碍物的圆周运动；

在小车驶出弧段①后，第一不完全齿轮5-3和第二不完全齿轮5-4的不完全齿对相应的脱离了啮合，小车仅第一锥齿轮5-1和第二锥齿轮5-1工作，又进入“掉电”状态。随后小车在经过一小段“上电”状态(图3中的弧段②)后继续保持近似匀速直线运动。

上述为小车换向的一个最小周期，避开了一个障碍物。小车的整个行驶并避开障碍物的过程即由该最小周期组成，第二不完全齿轮5-4和换向连杆机构5-7在某些时间段(即换向避障时)保持“上电”，在其他时间段(即直线行驶时)又处于“断电”，如此周而复始，如图4，即完成了运动过程。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1

一种自动行走并避开障碍物的节能小车，包括车前轮1、车后轮2和底板3，所述的底板3设于车前轮1上方；还包括第一轴4、第五轴(8)和轴承6；

车后轮2包括驱动轮2-1和从动轮2-2，驱动轮2-1安装在第一轴4的一端，第一轴4的另一端通过轴承6安装在底板3上；

从动轮2-2安装在第五轴8上，第五轴8的另一端通过轴承6安装在底板3上，第一轴4的轴线和第五轴8的轴线重合；

还包括转向机构，转向机构包括第一锥齿轮5-1、第二锥齿轮5-2、第一不完全齿轮5-3、第二不完全齿轮5-4、第二轴5-5、第三轴5-6、换向连杆机构5-7、支撑板5-8和第四轴5-9，所述的第一锥齿轮5-1配合安装在第二锥齿轮5-2，所述的第一锥齿轮5-1绕第二锥齿轮5-2做圆周运动；

第二锥齿轮5-2、底板3和第一不完全齿轮5-3通过第二轴5-5安装在一起，第二锥齿轮5-2位于底板3的上方，底板3与第二锥齿轮间5-2之间设有推力轴承7，；第一不完全齿轮5-3位于底板3的下方，第一不完全齿轮5-3与第二轴5-5之间通过双头螺柱连接，简洁方便且摩擦力小；

第二不完全齿轮5-4通过第三轴5-6安装在底板3下方，第二不完全齿轮5-4与第三轴5-6之间也通过销连接，第一不完全齿轮5-3与第二不完全齿轮5-4之间相啮合来实现间歇传动，以满足在指定时间区域内车前轮1的换向；

支撑板5-8安装在前车轮1上，支撑板1通过第四轴5-9安装在底板3下方，用于支撑底板3；

换向连杆机构5-7包括第一连杆5-7-1和第二连杆5-7-2，第一连杆5-7-1和第二连杆5-7-2之间铰接在一起；第一连杆5-7-1连接在第二不完全齿轮5-4上，第二连杆5-7-2连接在支撑板5-8上；

支撑板5-8呈u型，支撑板5-8与第二连杆5-7-2呈一体设计，支撑板5-8与底板3之间设有推力轴承7。

本发明的工作过程：

本发明通过所需行走的路程来预设重物的高度与质量，需搬运的路程越远，则需设越大的质量与高度。并可以通过改变第一锥齿轮5-1、第二锥齿轮5-2、第一不完全齿轮5-3、第二不完全齿轮5-4的位置及换向连杆机构5-7的参数来设定其自动行走的轨迹；将货物置于车身上，当拉下开关释放重物后即可实现小车自动搬运货物并能有效避开障碍。