赵华成，刘 武，潘聪华，何理瑞，李增芳

(浙江水利水电学院 工程实验实训中心，浙江 杭州 310018)

重力势能驱动的自行避障小车设计与制作

赵华成，刘 武，潘聪华，何理瑞，李增芳

(浙江水利水电学院 工程实验实训中心，浙江 杭州 310018)

结合浙江省第三届大学生工程训练综合能力竞赛的要求，设计了一种完全依靠重力驱动行驶,并能够自动交错绕过赛道上设置的不同间距障碍物的自行避障小车.根据机械设计基本知识，确定了小车的总体设计方案及结构参数，借助MATLAB对小车行走轨迹进行了计算模拟，并制作了实车模型.比赛实践表明：制作的小车结构简单、运行平稳，可较好地实现变间距的自行越障功能.

自行避障小车；工程训练；重力驱动

浙江省大学生工程训练综合能力竞赛主题——自行避障小车，要求采用纯机械结构设计并制作一种小车，利用能量转换原理，将重力势能转化为带动具有方向控制功能的小车行走的动能.竞赛时采用质量为1 kg的重物(φ50×65 mm，普通碳钢)铅垂下降，获得小车运动的动力，重物下降落差为400±2 mm，重物下落，带动小车一块行走.同时，小车在运动过程中，要求能够自动交错绕过赛道上设置的不同间距摆放的障碍物.

本文结合竞赛要求，从小车的结构设计、材料选择、实物制作、运行调试等方面进行分析，通过MATLAB对小车行走轨迹进行了计算模拟，并制作了实车模型进行运行调试.

1 小车总体设计方案

竞赛要求小车为三轮结构，在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的不同间距障碍物(障碍物为沿中心线摆放的φ20 mm、高200 mm圆棒)，小车自动行走轨迹(见图1).

图1 小车及自动行走轨迹示意图

通过对小车前进路线的分析，可以将其行走轨迹近似地看成余弦函数，小车行走1个周期，绕过2个障碍物，即：

y=Acos(πx)

(1)

由式(1)可知，小车行走轨迹的幅值A越小，小车行走的距离越长，理论上可以绕过的障碍物数量越多，但由于误差，小车也越容易撞到障碍物；同时小车要适应不同间距障碍物的场地，函数的周期是变化的，周期越小，要求幅值A越大，否则越容易撞到障碍物[1].由MATLAB可以算出不同间距时轨迹的振幅及周期长度[2](见图2).综合考虑以上需求，确定振幅A=400 mm，小车运行轨迹方程如下：

y=0.4cos(πx)

(2)

可由第一类曲线积分计算得到单个周期的轨迹长度S[3]：

(3)

图2 不同间距下轨迹的振幅及周期长度

为方便分析，根据小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、避开障碍物等功能，将小车划分为车架、原动机构、传动机构、行走机构、转向机构、微调机构等六个部分进行设计，机构简图(见图3).小车工作原理为：重物在降落的过程中，将重力势能转化为动能并通过线绳带动绕线轮转动.绕线轮的动力分两部分输出：一部分通过齿轮机构驱动后轮实现小车行走；另一部分驱动四杆机构的曲柄转动，使得摇杆带动前轮获得连续往复摆动，实现小车的转向[4].

图3 小车机构简图

2 小车关键机构的设计

2.1 原动机构的设计

原动机构是将重物下落时产生的重力势能转化为机械能，从而驱动小车前进和转向.重物用弹性较小的线绳与绕线轮连接，采用定滑轮支撑，线绳缠绕在绕线轮上.当重块下落时通过线绳拉动滑轮转动，带动绕线轮旋转.此外，小车启动时需要的力矩较大，绕线轮设计成锥形，在启动时转动半径较大，启动转矩大，有利于启动.之后，绕线轮半径变小，转矩变小，小车缓慢运行.

定滑轮由3根均布的碳钢杆支撑，可以防止重物在下降的过程中晃动，使重物直线下降，减少了能量损失，保证了小车重心的稳定性.

2.2 传动机构和行走机构的设计

传动机构的作用是将动力和运动传递到转向机构和行走机构.考虑到传动机构效率高、传动稳定、结构紧凑的要求，绕线轮与行走机构(后轮)之间采用一级齿轮传动[5].

行走机构主要指三轮行走机构.本文小车采用后轮驱动.由于小车行进路线是曲线，两后轮转速不同，采用单轮驱动实现差速，其中右后轮为主动轮，左后轮为从动轮，用轴承空套在后轴上，跟随小车的运动.

根据传动比的选择原则，同时考虑到小车的行驶要求，将传动比定为i=1 ∶4，齿轮齿数分别为Z1=80，Z2=20，即绕线轮转1圈，后轮转4圈[5].

小车行走1个周期的路程应与1个周期的轨迹曲线长度相等，后轮直径d、传动比i及1个周期的轨迹曲线长度S之间的关系为：

S=iπd

(4)

2.3 转向机构的设计

转向机构是小车前进过程中实现周期性运动的关键机构.为实现小车在前进过程中，前轮可以左右周期性的摆动，转向机构采用空间曲柄连杆机构(见图4).转向机构应无急回特性，以实现左右均匀摇摆，即曲柄摇杆机构的行程速比k=1(φ12=180°),保证小车行走的轨迹中心线不偏离轨道中心线.按最小传动角设计行程速比k=1设计[6]：

图4 曲柄摇杆机构示意图

各杆件杆长需要满足以下相对关系[7]：

(5)

(6)

(7)

考虑到加工、装配误差的影响以及竞赛障碍物变间距的要求，小车必须具有一定的调整功能，因此，在设计空间曲柄摇杆机构时，将连杆和摇杆设计成长度可调结构，曲柄采用曲柄盘实现曲柄半径可微调.

3 小车实物制作与调试

3.1 小车的制作与装配

小车在制作时，首先需要考虑制作材料，材料密度大，小车整体很重，导致摩擦力就大，消耗能量；材料密度较小，小车整体很轻，小车在行驶时会打滑、漂移，导致小车的轨迹会发生变化.综合考虑后，小车主要材料：车身、齿轮采用铝板，绕线轮采用铝棒，材料轻便、强度足够；传动轴、重物支架采用碳钢杆；后轮、轴承支座、曲柄盘等由有机玻璃制成.三维装配图(见图5).

图5 小车装配图

小车所有零部件均以车身底板为基础进行装配，为方便拆卸和调整，主要采用螺钉或螺栓连接.为了降低摩擦提高旋转精度，小车驱动轴、后轴、前叉以及滑轮上均装有轴承，轴承与支撑零件均采用紧配合.小车的实物(见图6).

图6 小车实物

3.2 小车的调试

由于加工、装配等误差影响，小车的实际运行轨迹与理论轨迹存在一定的偏差，需要通过不断地调试来修正误差.

小车在实车调试初期中主要遇到以下问题：

(1)小车受环境的影响较大，比如地板的水平度、地板摩擦力大小.

(2)小车重复运行轨迹一致性难以保证，调试时即使小车的各种参数都一定，在同一起始角度出发，小车运行的结果也会有较大差异.

(3)小车运行轨迹中心线偏离赛道中心线，出现轨迹中心线呈曲线以及运行周期与理论周期不符.

经过不断的探索，找到了优化改进的方法[8]：

(1)通过大量重复性实验和调试，积累经验，寻找规律.

(2)通过在地面上贴纸划线的方式，多次重复发车，不断调整小车的发车角度，使小车运行轨迹中心与赛道中心线吻合.

(3)出现运行轨迹于理论轨迹不符，主要是由于转向机构的参数与理论计算不符，需要反复微调曲柄、连杆的长度.

4 结 论

根据竞赛要求，设计并制作了一种以完全依靠重力势能驱动且具有方向控制功能的自行小车，并可依次绕过赛道上设置的不同间距障碍物.小车利用重物下落获得动力，齿轮机构带动后轮实现行走，空间四杆机构实现转向.本文制作的小车具有结构简单、运行平稳、调试容易等优点，在浙江省第三届大学生工程训练综合能力大赛中获得二等奖.

[1] 屈 伸，李斯瑞，靳 松.一种重力势能驱动小车的设计与实现[J].湖南工业大学学报，2015，29(3)：30-34.

[2] 李庆扬，王能超，易大义.数值分析[M].4版.武汉：华中科技大学出版社，2006.

[3] 尚 涛，谢龙汉，杜如虚.MATLAB工程计算与分析[M].北京:清华大学出版社，2011.

[4] 曾思龙，温 煜，倪柏杨.无碳小车转向机构的创新性设计[J].硅谷，2013(10)：36-37.

[5] 邱宣怀，郭可谦，吴宗泽，等.机械设计[M].4版.北京：高等教育出版社，1997.

[6] 郑文纬，吴克坚.机械原理[M].北京：高等教育出版社，1997.

[7] 王 斌，王 衍，李润莲，等.“无碳小车”的创新性设计[J].山西大同大学学报(自然科学版)，2012，28(1)：59-62.

[8] 陈晓东，石雁南，张莉莉.无碳小车的设计、制作与创新实践[J].实验室研究与探索，2013，32(12)：92-95.

DesignandManufactureofAutomaticObstacle-avoidingCarDrivenbyGravitationalPotentialEnergy

ZHAO Hua-cheng, LIU Wu, PAN Cong-hua, HE Li-rui, LI Zeng-fang

(Engineering Experimental Training Center, Zhejiang University of WaterResources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Based on the requirements of the 3th Zhejiang Undergraduate Integration Ability Competition of Engineering Training, an automatic obstacle-avoiding car driven by gravitational potential energy is designed, which is required to be able to bypass automatically obstacles on the track. And the car can adapt different spacing of obstacles. According to the basic knowledge of mechanical design, the overall design scheme and structure parameters of the car are determined. The trajectory of the car is calculated and simulated based on MATLAB and the prototype of car is manufactured. The test result shows that the car has the advantages of simple structure and stable operation, which can meet the requirements of adapting different spacing of obstacles.

automatic obstacle-avoiding car; engineering training; gravitational potential drive

2016-10-05

2015年浙江省水利厅科技计划资助项目(RC1550)

赵华成(1989-)，男，安徽合肥人，硕士，助理实验师，研究方向为机械工程实训.

TV124

A

1008-536X(2016)12-0073-04