本實(shí)用新型涉及無碳小車，特別涉及一種前輪轉(zhuǎn)向裝置。

背景技術(shù)：

設(shè)計(jì)并制作無碳小車已逐漸成為地區(qū)性乃至國家級(jí)的機(jī)械設(shè)計(jì)比賽。如圖1所示，無碳小車是以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車；小車為三輪結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且該轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能或者可快速更換結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)設(shè)有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地；驅(qū)動(dòng)小車行走及轉(zhuǎn)向的能量只能由給定的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來，不可使用其他的能量來源。給定重力勢(shì)能為鉛垂下降來獲得，落差400mm，鉛錘落下后須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落。

現(xiàn)有的無碳小車大部分采用凸輪、齒輪、曲柄搖桿作為小車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)存在以下一些缺點(diǎn)：一是零部件加工精度要求高，加工困難。二是體積質(zhì)量大，占用空間，安裝不便，使得整車尺寸變大。三是存在多處摩擦副，傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，行駛阻力大，導(dǎo)致能量損失較多，控制精度下降，使得小車轉(zhuǎn)向不靈敏。且傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向需要消耗重物下落的勢(shì)能，過重的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使得整車笨重，行進(jìn)過程中的摩擦阻力大大增加，用來驅(qū)動(dòng)小車行駛的能量利用率很低，直接限制了小車的最遠(yuǎn)行駛距離，難以在比賽中取得很好的成績(jī)。且在不允許使用人工交互遙控、放有不同間距和位置障礙并進(jìn)行掉頭的競(jìng)賽場(chǎng)地，傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向并不能適應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調(diào)節(jié)的前輪轉(zhuǎn)向裝置，其可解決目前無碳小車依靠重物下落的勢(shì)能通過機(jī)械傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)小車轉(zhuǎn)向而造成的能量損失、傳遞精度不高、轉(zhuǎn)向固定、行進(jìn)過程中不能自動(dòng)識(shí)別并執(zhí)行轉(zhuǎn)向避開障礙的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案為：

一種前輪轉(zhuǎn)向裝置，包括電控系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括舵機(jī)、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向叉、轉(zhuǎn)向前輪以及設(shè)于車架底板上的轉(zhuǎn)向支座，所述舵機(jī)支撐于所述轉(zhuǎn)向支座頂端，所述轉(zhuǎn)向軸豎直穿出轉(zhuǎn)向支座，轉(zhuǎn)向軸上端與舵機(jī)的輸出端連接，下端與轉(zhuǎn)向叉連接，所述轉(zhuǎn)向前輪通過固定芯軸裝設(shè)于轉(zhuǎn)向叉內(nèi)；所述電控系統(tǒng)包括三個(gè)設(shè)于車架底板前端左右兩側(cè)用于檢測(cè)障礙信號(hào)的紅外對(duì)管傳感器、兩個(gè)設(shè)于車架底板右側(cè)前后兩端用于檢測(cè)方向偏差信號(hào)的超聲波傳感器以及設(shè)于車架底板前端中部用于處理障礙和方向偏差信號(hào)并控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、掉頭或微調(diào)校正的單片機(jī)，所述紅外對(duì)管傳感器、超聲波傳感器及舵機(jī)均通過數(shù)據(jù)線與單片機(jī)連接。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)向支座包括轉(zhuǎn)向上支座和轉(zhuǎn)向下支座，所述轉(zhuǎn)向下支座的外周設(shè)有螺孔與車架底板連接，轉(zhuǎn)向上支座上設(shè)有連接孔與舵機(jī)連接；轉(zhuǎn)向上支座和轉(zhuǎn)向下支座的中部均設(shè)有通孔穿設(shè)轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向軸下端與轉(zhuǎn)向下支座之間設(shè)有定位軸承并通過上下軸肩定位。

優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)向軸的上端通過花鍵傳動(dòng)副與舵機(jī)的輸出端連接，轉(zhuǎn)向軸下端通過螺紋副與轉(zhuǎn)向叉連接。

優(yōu)選的，所述固定芯軸一端設(shè)有固定頭，另一端與轉(zhuǎn)向叉之間通過夾緊套固定連接。

優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)向前輪通過雙軸承與固定芯軸之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

本實(shí)用新型還提供一種無碳小車，包括車架底板、驅(qū)動(dòng)裝置以及轉(zhuǎn)向裝置，所述轉(zhuǎn)向裝置為上述的無碳小車轉(zhuǎn)向裝置，其中的單片機(jī)設(shè)于車架底板靠前端的中部，車架底板的左側(cè)靠單片機(jī)的位置前后并排設(shè)有兩個(gè)紅外對(duì)管傳感器，右側(cè)對(duì)應(yīng)位置設(shè)有一個(gè)紅外對(duì)管傳感器和一個(gè)超聲波傳感器，車架底板的右側(cè)后端設(shè)有一個(gè)超聲波傳感器；其中的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)于車架底板前端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.本實(shí)用新型的前輪轉(zhuǎn)向裝置，通過設(shè)置紅外對(duì)管傳感器、超聲波傳感器、單片機(jī)以及舵機(jī)，從舵機(jī)輸出到轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)向，其響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)精度高；能夠?qū)崿F(xiàn)小車在特定時(shí)刻的任意角度轉(zhuǎn)向與方向校正，并快速準(zhǔn)確地將轉(zhuǎn)向信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榍拜喌霓D(zhuǎn)向動(dòng)作；

2. 本實(shí)用新型的前輪轉(zhuǎn)向裝置，舵機(jī)和轉(zhuǎn)向軸通過轉(zhuǎn)向支座固定在車架底板上，可保證轉(zhuǎn)向裝置的穩(wěn)定可靠性能；

3. 本實(shí)用新型的前輪轉(zhuǎn)向裝置，轉(zhuǎn)向前輪采用固定芯軸連接，由于沒有移動(dòng)副，可大大降低摩擦能耗，提高能量傳遞效率；

4. 本實(shí)用新型的前輪轉(zhuǎn)向裝置，各部件的加工要求精度不高，傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)短，零件數(shù)量少，能批量生產(chǎn)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是無碳小車的簡(jiǎn)易原理示意圖。

圖2是本實(shí)用新型前輪轉(zhuǎn)向裝置中的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分解示意圖。

圖3是本實(shí)用新型前輪轉(zhuǎn)向裝置中的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝設(shè)于車架底板上的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實(shí)用新型中電控系統(tǒng)的控制原理圖。

圖5是本實(shí)用新型無碳小車的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖例說明：

1、舵機(jī)；2、轉(zhuǎn)向上支座；3、轉(zhuǎn)向下支座；4、轉(zhuǎn)向軸；5、雙軸承；6、固定芯軸；7、轉(zhuǎn)向前輪；8、夾緊套；9、轉(zhuǎn)向叉；10、定位軸承；11、單片機(jī)；12、第一紅外對(duì)管傳感器；13、第二紅外對(duì)管傳感器；14、后超聲波傳感器；15、第三紅外對(duì)管傳感器；16、前超聲波傳感器；17、定滑輪；18、重物；19、齒輪副；20、繩輪軸；21、后輪軸；22、后輪。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本實(shí)用新型，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作更全面、細(xì)致地描述，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不限于以下具體的實(shí)施例。

如圖2-圖4所示，本實(shí)用新型的一種前輪轉(zhuǎn)向裝置實(shí)施例，包括電控系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電控系統(tǒng)包括設(shè)于車架底板前端中部的單片機(jī)11（型號(hào)為80C51）、三個(gè)設(shè)于車架底板前端左右兩側(cè)的紅外對(duì)管傳感器以及兩個(gè)設(shè)于車架底板右側(cè)前后兩端的超聲波傳感器，三個(gè)紅外對(duì)管傳感器和兩個(gè)超聲波傳感器均通過數(shù)據(jù)線與單片機(jī)11連接；三個(gè)紅外對(duì)管傳感器包括前后并排位于左側(cè)的第一紅外對(duì)管傳感器12、第二紅外對(duì)管傳感器13以及位于右側(cè)的第三紅外對(duì)管傳感器15；兩個(gè)超聲波傳感器與第三紅外對(duì)管傳感器15同側(cè)設(shè)置，包括位于前端的前超聲波傳感器16和位于后端的后超聲波傳感器14。其中，第一紅外對(duì)管傳感器12的信號(hào)線與單片機(jī)11的P0.1口相連并帶有上拉電阻R3，第二紅外對(duì)管傳感器13的信號(hào)線與單片機(jī)11的P3.2（或外部中斷1）口相連，第三紅外對(duì)管傳感器15的信號(hào)線與單片機(jī)11的P0.0口相連并帶有上拉電阻R2；前超聲波傳感器16的兩根信號(hào)線Trig、Echo分別與單片機(jī)11的P1.2、P1.3口相連，后超聲波傳感器14的兩根信號(hào)線Trig、Echo分別與單片機(jī)11的P1.0、P1.1口相連。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括舵機(jī)1、轉(zhuǎn)向軸4、轉(zhuǎn)向叉9、轉(zhuǎn)向前輪7以及設(shè)于車架底板上的轉(zhuǎn)向支座，舵機(jī)1支撐于轉(zhuǎn)向支座頂端并通過數(shù)據(jù)線與單片機(jī)11的P0.2口相連并帶有上拉電阻R4，轉(zhuǎn)向軸4豎直穿出轉(zhuǎn)向支座，轉(zhuǎn)向軸4上端與舵機(jī)1的輸出端連接，下端與轉(zhuǎn)向叉9連接，轉(zhuǎn)向前輪7通過固定芯軸6裝設(shè)于轉(zhuǎn)向叉9內(nèi)；小車遇障時(shí)，紅外對(duì)管傳感器給單片機(jī)11輸入障礙信號(hào)；小車直行時(shí)，超聲波傳感器給單片機(jī)11輸入方向偏差信號(hào)；單片機(jī)11通過信號(hào)處理控制舵機(jī)1實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、掉頭或微調(diào)校正。本實(shí)用新型通過設(shè)置紅外對(duì)管傳感器、超聲波傳感器、單片機(jī)以及舵機(jī)，轉(zhuǎn)向信號(hào)從舵機(jī)輸出到轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)向，響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)精度高，能快速準(zhǔn)確地將轉(zhuǎn)向信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向前輪的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)小車在特定時(shí)刻任意角度轉(zhuǎn)向與方向校正。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)向支座包括轉(zhuǎn)向上支座2和轉(zhuǎn)向下支座3，轉(zhuǎn)向下支座3的外周設(shè)有螺孔用于與車架底板連接，轉(zhuǎn)向上支座2頂部設(shè)有連接孔用于與舵機(jī)1連接；轉(zhuǎn)向上支座2和轉(zhuǎn)向下支座3的中部均設(shè)有通孔用于穿設(shè)轉(zhuǎn)向軸4，轉(zhuǎn)向軸4下端與轉(zhuǎn)向下支座3之間設(shè)有定位軸承10并通過上下軸肩定位。轉(zhuǎn)向軸4的上端通過花鍵傳動(dòng)副與舵機(jī)1的輸出端連接，轉(zhuǎn)向軸4下端通過螺紋副與U形轉(zhuǎn)向叉9的頂部連接。舵機(jī)和轉(zhuǎn)向軸通過轉(zhuǎn)向支座固定在車架底板上，可保證小車行進(jìn)過程中轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向前輪行進(jìn)方向的準(zhǔn)確性。

本實(shí)施例中，固定芯軸6一端設(shè)有固定頭，另一端穿過U形轉(zhuǎn)向叉9的兩側(cè)邊并通過夾緊套8固定連接。轉(zhuǎn)向前輪7通過雙軸承5裝設(shè)于固定芯軸6上。轉(zhuǎn)向前輪采用固定芯軸連接，由于沒有移動(dòng)副，可大大降低摩擦能耗，提高能量傳遞效率。

本實(shí)施例中，單片機(jī)通過信號(hào)處理控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、掉頭或微調(diào)校正的過程具體為：

當(dāng)?shù)谝患t外對(duì)管傳感器12、第三紅外對(duì)管傳感器15靠近障礙墻，并判斷到距離小于均目標(biāo)距離時(shí)，同時(shí)給單片機(jī)11輸入信號(hào)0，單片機(jī)11判斷條件為真，給舵機(jī)1發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)；或者當(dāng)?shù)诙t外對(duì)管傳感器13靠近賽道末端時(shí)，中間障礙墻消失，距離瞬間增大，給單片機(jī)11輸入信號(hào)1，單片機(jī)11判斷條件為真，給舵機(jī)1發(fā)出轉(zhuǎn)彎掉頭信號(hào)；

或者直線行駛時(shí)，后超聲波傳感器14和前超聲波傳感器16將檢測(cè)到的障礙墻距離輸入給單片機(jī)11：

單片機(jī)11判斷出前超聲波傳感器16檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)超聲波傳感器水平位置的差值距離之和小于后超聲波傳感器14檢測(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)1發(fā)出左轉(zhuǎn)信號(hào)；

單片機(jī)11判斷出前超聲波傳感器16檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)超聲波傳感器水平位置的差值距離之和大于后超聲波傳感器14檢測(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)1發(fā)出右轉(zhuǎn)信號(hào)。

舵機(jī)1接收單片機(jī)11輸入的轉(zhuǎn)向信號(hào)并執(zhí)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作，舵機(jī)1的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸4、轉(zhuǎn)向叉9作相同幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向叉9通過固定芯軸6、雙軸承5將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至轉(zhuǎn)向前輪7，使其左右擺動(dòng)，從而完成直線行駛時(shí)的方向校正、遇障時(shí)的避障和賽道末端的掉頭行駛動(dòng)作。

如圖5所示，本實(shí)用新型的一種無碳小車實(shí)施例，包括車架底板、驅(qū)動(dòng)裝置以及轉(zhuǎn)向裝置，驅(qū)動(dòng)裝置包括繩輪軸20和后輪軸21，繩輪軸20和后輪軸21之間通過齒輪副19連接，后輪軸21上裝設(shè)有后輪22，重物18的線繩通過定滑輪17連接于繩輪軸20上。轉(zhuǎn)向裝置為上述本實(shí)用新型的無碳小車轉(zhuǎn)向裝置，其中的單片機(jī)11設(shè)于車架底板靠前端的中部，車架底板的左側(cè)靠單片機(jī)11的位置設(shè)有兩個(gè)紅外對(duì)管傳感器，右側(cè)對(duì)應(yīng)位置設(shè)有一個(gè)紅外對(duì)管傳感器和一個(gè)超聲波傳感器，車架底板的右側(cè)后端設(shè)有一個(gè)超聲波傳感器；轉(zhuǎn)向支座固定于車架底板前端，轉(zhuǎn)向軸的下端穿出轉(zhuǎn)向支座和車架底板與轉(zhuǎn)向叉連接，上端通過花鍵與舵機(jī)的輸出端連接。

本實(shí)用新型無碳小車的工作原理：

旋轉(zhuǎn)后輪22將重物18上抬至400±2mm的高度，小車動(dòng)力準(zhǔn)備完成，將無碳小車放到起跑線前，使得小車轉(zhuǎn)向前輪7與起跑線齊平，調(diào)整小車位置，使初始行進(jìn)方向與兩邊障礙墻盡可能保持平行，釋放小車，重物18開始下落，繩輪軸20隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副19驅(qū)動(dòng)后輪軸21轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)后輪22旋轉(zhuǎn)使得小車前行。

當(dāng)?shù)谝患t外對(duì)管傳感器12、第三紅外對(duì)管傳感器15靠近障礙墻，并判斷到距離小于均目標(biāo)距離時(shí)，同時(shí)給單片機(jī)11輸入信號(hào)0，單片機(jī)11判斷條件為真，給舵機(jī)1發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)；或者當(dāng)?shù)诙t外對(duì)管傳感器13靠近賽道末端時(shí)，中間障礙墻消失，距離瞬間增大，給單片機(jī)11輸入信號(hào)1，單片機(jī)11判斷條件為真，給舵機(jī)1發(fā)出轉(zhuǎn)彎掉頭信號(hào)。

或者直線行駛時(shí)，后超聲波傳感器14和前超聲波傳感器16將檢測(cè)到的障礙墻距離輸入給單片機(jī)11：

單片機(jī)11判斷出前超聲波傳感器16檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)超聲波傳感器水平位置的差值距離之和小于后超聲波傳感器14檢測(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)1發(fā)出左轉(zhuǎn)信號(hào)；

單片機(jī)11判斷出前超聲波傳感器16檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)超聲波傳感器水平位置的差值距離之和大于后超聲波傳感器14檢測(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)1發(fā)出右轉(zhuǎn)信號(hào)。

舵機(jī)1接收單片機(jī)11輸入的轉(zhuǎn)向信號(hào)并執(zhí)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作，舵機(jī)1的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸4、轉(zhuǎn)向叉9作相同幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向叉9通過固定芯軸6、雙軸承5將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至轉(zhuǎn)向前輪7，使其左右擺動(dòng)，從而完成直線行駛時(shí)的方向校正、遇障時(shí)的避障和賽道末端的掉頭行駛動(dòng)作。