汽車自動(dòng)駕駛裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種汽車自動(dòng)駕駛裝置，包括換檔機(jī)械手、換檔機(jī)械手控制模塊、油門踏板機(jī)械腿、制動(dòng)踏板機(jī)械腿、離合踏板機(jī)械腿、機(jī)械腿控制模塊、車速檢測(cè)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊和車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。本發(fā)明能夠適配各種車型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，不占用駕駛員正常駕駛空間，降低了汽車自動(dòng)駕駛和汽車實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，降低了汽車實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸成本；機(jī)械腿和換檔機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用高精度伺服電機(jī)和高精度電機(jī)狀態(tài)傳感器，并實(shí)時(shí)與車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通信，提高了控制精度和穩(wěn)定性；空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)組成換檔機(jī)械手的換檔裝置，具有空間多個(gè)自由度，能夠?qū)ψ兯傧溥M(jìn)行高效率的換檔操作。
【專利說明】汽車自動(dòng)駕駛裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車自動(dòng)駕駛裝置和試驗(yàn)用車【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種協(xié)調(diào)控制汽車離合踏板、制動(dòng)踏板、油門踏板和變速箱換檔裝置的機(jī)械裝置，能夠代替人類駕駛員完成汽車自動(dòng)駕駛工作。

【背景技術(shù)】
[0002]汽車自動(dòng)駕駛裝置是在汽車自動(dòng)駕駛或者試驗(yàn)用車時(shí)，可以在不對(duì)汽車結(jié)構(gòu)做改造的前提下，對(duì)汽車的離合踏板、制動(dòng)踏板、油門踏板、變速箱換檔機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)控制。在無人車研究中，汽車自動(dòng)駕駛裝置必須能夠完成無人車控制系統(tǒng)發(fā)出的指令動(dòng)作，控制汽車進(jìn)行自動(dòng)駕駛；必須能夠適應(yīng)不同的汽車平臺(tái)，完成對(duì)不同汽車的自動(dòng)駕駛操作。同時(shí)，自動(dòng)駕駛裝置可以替代實(shí)驗(yàn)人員駕駛車輛完成高強(qiáng)度、循環(huán)重復(fù)的枯燥的汽車實(shí)驗(yàn)，減少對(duì)駕駛員的傷害。
[0003]自動(dòng)駕駛裝置通常能夠操作油門踏板、離合器踏板、制動(dòng)踏板和換檔桿，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置必須具有快速響應(yīng)、高速精確、重復(fù)誤差小的機(jī)械性能?，F(xiàn)有的汽車自動(dòng)駕駛裝置按驅(qū)動(dòng)方式可以分為四大類，液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)力大、阻尼高、具有比較好的緩沖性能，能夠一定程度的模仿人體肌肉的柔和性，但是油路管道復(fù)雜，高壓液壓容易造成液壓油泄露，污染試驗(yàn)車。由于空氣壓縮性大，難以快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)指令，難以可重復(fù)性精確控制執(zhí)行器的速度和位置。同時(shí)，氣動(dòng)系統(tǒng)需要干凈的空氣源，空氣回路復(fù)雜，在有限的試驗(yàn)車空間里難以實(shí)施。隨著伺服電機(jī)的高速發(fā)展，伺服電機(jī)體積越來越小，驅(qū)動(dòng)力矩越來越大，配合合適傳動(dòng)比的減速機(jī)能夠快速驅(qū)動(dòng)踏板執(zhí)行裝置。電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓或者氣壓驅(qū)動(dòng)可以組成混合驅(qū)動(dòng)，其兼顧了液壓驅(qū)動(dòng)的較大驅(qū)動(dòng)力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的位置精度，但是混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，難以維護(hù)。
[0004]國內(nèi)的201120335732.8號(hào)專利描述了一種汽車試驗(yàn)用駕駛執(zhí)行機(jī)構(gòu)。利用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，鋼絲繩、滑輪、彈簧、機(jī)械腿組合作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用鋼絲繩拉動(dòng)機(jī)械腿來控制油門、離合、制動(dòng)踏板的定位。由于鋼絲繩的拉伸變形量比較大，同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，所以傳動(dòng)精度難以提高。對(duì)機(jī)械腿的速度和位置精度控制難度大，影響自動(dòng)駕駛的穩(wěn)定性和精確性。該駕駛執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積龐大，需要布置在駕駛員座椅上，轉(zhuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)必須用清障拖車運(yùn)輸與吊裝，非常不便，同時(shí)增加的試驗(yàn)成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種可以自動(dòng)駕駛汽車的汽車自動(dòng)駕駛裝置，可以替代駕駛員從事汽車試驗(yàn)的自動(dòng)駕駛裝置，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)油門踏板、制動(dòng)踏板和離合踏板，在不改造試驗(yàn)車輛的前提下可以適配多種汽車平臺(tái)，其中換檔機(jī)械手可以適配各種換檔形式，具有空間多個(gè)自由度，位置控制精準(zhǔn)，重復(fù)誤差小。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種汽車自動(dòng)駕駛裝置，包括換檔機(jī)械手、換檔機(jī)械手控制模塊、油門踏板機(jī)械腿、制動(dòng)踏板機(jī)械腿、離合踏板機(jī)械腿、機(jī)械腿控制模塊、車速檢測(cè)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊和車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其中換檔機(jī)械手控制模塊、機(jī)械腿控制模塊、車速檢測(cè)模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊分別與車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連；
[0008]所述換檔機(jī)械手包括固定裝置、夾持裝置、減速機(jī)、換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)和換檔裝置，該減速機(jī)內(nèi)設(shè)置有兩組獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端與所述換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與換檔裝置固定連接，所述換檔裝置包括空間并聯(lián)的兩套連桿機(jī)構(gòu)和一個(gè)換檔桿套筒，該連桿機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)擺臂和驅(qū)動(dòng)橫桿，所述驅(qū)動(dòng)擺臂一端固定連接在所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端，驅(qū)動(dòng)擺臂另一端通過球鉸鏈與驅(qū)動(dòng)橫桿一端活動(dòng)連接，驅(qū)動(dòng)橫桿另一端通過球鉸鏈與換檔桿套筒活動(dòng)連接，兩組所述驅(qū)動(dòng)擺臂和驅(qū)動(dòng)橫桿之間形成空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)，所述換檔桿套筒下端固定套設(shè)在換檔桿上；
[0009]所述換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)與換檔機(jī)械手控制模塊相連，換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)末端裝有用于采集電機(jī)軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)位置和加速度的傳感器；
[0010]所述油門踏板機(jī)械腿、制動(dòng)踏板機(jī)械腿和離合踏板機(jī)械腿均包括依次連接的機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)減速機(jī)和驅(qū)動(dòng)腿，其中機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)末端裝有用于采集電機(jī)狀態(tài)信息的電機(jī)狀態(tài)傳感器。
[0011]本發(fā)明中換檔機(jī)械手的夾持裝置夾持換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并通過固定裝置安裝在車內(nèi)，換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)與換檔機(jī)械手控制模塊相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)末端裝有高精度的傳感器，傳感器采集電機(jī)軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)位置和加速度，并實(shí)時(shí)上傳至換檔機(jī)械手控制模塊。換檔機(jī)械手控制模塊與車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連，實(shí)時(shí)上傳換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳感器采集的狀態(tài)信息于車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析處理，并實(shí)時(shí)接收車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令。機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)末端裝有電機(jī)狀態(tài)傳感器，用于采集機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)信息，并上傳至機(jī)械腿控制模塊中，機(jī)械腿控制模塊與車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連，實(shí)時(shí)上傳機(jī)械腿的狀態(tài)信息于車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析處理，并實(shí)時(shí)接收車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令。車速檢測(cè)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模塊與車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連，車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過分析車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以確定汽車行駛狀態(tài)，綜合分析處理機(jī)械腿控制模塊上傳的機(jī)械腿的狀態(tài)信息和換檔機(jī)械手控制模塊上傳的換檔機(jī)械手狀態(tài)信息，進(jìn)而控制汽車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。
[0012]本發(fā)明的換檔機(jī)械手，采用兩個(gè)水平放置的伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，構(gòu)成兩套驅(qū)動(dòng)裝置，而形成空間四連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)擺臂和驅(qū)動(dòng)橫桿組成兩套換檔裝置，兩套換檔裝置組成空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)之間相互約束。驅(qū)動(dòng)裝置協(xié)調(diào)控制驅(qū)動(dòng)擺臂來控制換檔桿套筒位置，完成換檔動(dòng)作。選檔動(dòng)作與換檔動(dòng)作實(shí)現(xiàn)解耦，相互之間不干涉，控制方便。采用的伺服電機(jī)具有體積小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，速度快，具有非常高的啟動(dòng)速度與位置控制精度。同時(shí)，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊，整體重量非常小，不會(huì)增加太多汽車負(fù)載，完全實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員正常駕駛工作零影響，且易于安裝和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
[0013]進(jìn)一步地，所述固定裝置包括豎直設(shè)置在車內(nèi)可伸縮的固定桿，該固定桿下端設(shè)置有安裝支架，固定桿上端設(shè)置有吸頂盤。所述夾持裝置包括用于夾持所述固定桿的環(huán)形夾持器和用于固定所述驅(qū)動(dòng)裝置的連接板，環(huán)形夾持器與連接板固定連接形成一整體。
[0014]整個(gè)換檔機(jī)械手通過夾持裝置固定在可伸縮固定桿上，固定桿放置在后排座椅中間位置，固定桿兩端頂在車體上下，固定桿的高度可以根據(jù)車內(nèi)高度調(diào)節(jié)，夾持裝置也可以通過調(diào)節(jié)在固定桿的上的位置來適應(yīng)不同的車體，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)插入夾持裝置內(nèi)，用螺釘固定，這樣可以實(shí)現(xiàn)在車體內(nèi)無破壞安裝換檔機(jī)械手。
[0015]進(jìn)一步地，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括相互嚙合傳動(dòng)的蝸桿和蝸輪，其中蝸桿通過軸承與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸連接，蝸輪的端軸通過連接軸與驅(qū)動(dòng)擺臂垂直固定連接。
[0016]進(jìn)一步地，兩個(gè)所述驅(qū)動(dòng)橫桿之間的夾角Θ為30°?90°。
[0017]驅(qū)動(dòng)橫桿在水平位置時(shí)，兩桿的空間夾角要保證在30度至90度之間，可以通過改變兩個(gè)驅(qū)動(dòng)擺臂之間的距離來調(diào)整驅(qū)動(dòng)橫桿的空間夾角，驅(qū)動(dòng)橫桿的空間夾角會(huì)影響到換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用，夾角越小就需要電機(jī)具有更大的驅(qū)動(dòng)力或者需要減速機(jī)具有更大的減速比。球鉸鏈連接可以作為優(yōu)選方案實(shí)施，可以采用胡可鉸鏈來替代球鉸鏈，但是胡克鉸傳動(dòng)精度低，結(jié)構(gòu)尺寸較大，在操作精度要求較高的車輛或試驗(yàn)中無法使用。
[0018]進(jìn)一步地，所述換檔桿套筒頂端設(shè)置有蘑菇狀的手頭，設(shè)置手頭可用作手動(dòng)換檔，實(shí)現(xiàn)手自一體。
[0019]進(jìn)一步地，所述油門踏板機(jī)械腿、制動(dòng)踏板機(jī)械腿和離合踏板機(jī)械腿均通過U型卡簧固定在機(jī)械腿底座上，該機(jī)械腿底座上設(shè)置有等間距的安裝孔，可以配合多種汽車平臺(tái)的不同位置的踏板機(jī)構(gòu)調(diào)整機(jī)械腿的位置。
[0020]由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明能夠適配各種車型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，不占用駕駛員正常駕駛空間，降低了汽車自動(dòng)駕駛和汽車實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，降低了汽車實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸成本；機(jī)械腿和換檔機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用高精度伺服電機(jī)和高精度電機(jī)狀態(tài)傳感器，并實(shí)時(shí)與車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通信，提高了控制精度和穩(wěn)定性；空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)組成換檔機(jī)械手的換檔裝置，具有空間多個(gè)自由度，能夠?qū)ψ兯傧溥M(jìn)行高效率的換檔操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明汽車自動(dòng)駕駛裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為圖1中換檔機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為圖2中減速機(jī)、換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)和換檔裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，并示出了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0024]圖4為圖1中油門踏板機(jī)械腿、制動(dòng)踏板機(jī)械腿和離合踏板機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)示意圖，并示出了機(jī)械腿底座；
[0025]圖5為圖4中機(jī)械腿裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖6為本發(fā)明中換檔路徑規(guī)劃的原理圖；
[0027]圖7為汽車手動(dòng)檔換檔面板在空間坐標(biāo)系中示意圖。
[0028]圖中:
[0029]100、換檔機(jī)械手，110、固定裝置，111、固定桿，112、安裝支架，113、吸頂盤，120、夾持裝置，121、環(huán)形夾持器，122、連接板，130、減速機(jī)，131、蝸桿，132、蝸輪，133、連接軸，140、換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)，150、換檔裝置，151、驅(qū)動(dòng)擺臂，152、驅(qū)動(dòng)橫桿，153、換檔桿套筒，154、手頭;
[0030]200、換檔機(jī)械手控制模塊；
[0031]310、油門踏板機(jī)械腿，320、制動(dòng)踏板機(jī)械腿，330、離合踏板機(jī)械腿，340、機(jī)械腿控制模塊，350、U型卡簧，360、機(jī)械腿底座，361、安裝孔，301、機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)，302、電機(jī)減速機(jī)，303、驅(qū)動(dòng)腿，304、電機(jī)狀態(tài)傳感器，305、驅(qū)動(dòng)腿擺臂，306、驅(qū)動(dòng)腿壓桿；
[0032]400、車速檢測(cè)模塊，500、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊，600、車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；
[0033]Sli, Slj為驅(qū)動(dòng)橫桿與換檔桿套管連接處的球鉸鏈，S2i, S2j為驅(qū)動(dòng)擺臂與驅(qū)動(dòng)橫桿連接處的球鉸鏈；0P為換檔桿況、1^為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端；Θ 1、Θ ^為驅(qū)動(dòng)擺臂與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端之間豎直方向轉(zhuǎn)角。

【具體實(shí)施方式】
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供一種汽車自動(dòng)駕駛裝置，包括換檔機(jī)械手100、換檔機(jī)械手控制模塊200、油門踏板機(jī)械腿310、制動(dòng)踏板機(jī)械腿320、離合踏板機(jī)械腿330、機(jī)械腿控制模塊340、車速檢測(cè)模塊400、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊500和車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)600，其中換檔機(jī)械手控制模塊、機(jī)械腿控制模塊、車速檢測(cè)模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊分別與車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連。
[0035]如圖2所示，換檔機(jī)械手100包括固定裝置110、夾持裝置120、減速機(jī)130、換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)140和換檔裝置150，該換檔機(jī)械手是基于空間并聯(lián)的四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，具有空間多個(gè)自由度，能夠?qū)ψ兯傧溥M(jìn)行高效率的換檔操作，其在不影響駕駛員正常駕駛的條件下，在不對(duì)車輛車體改造的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)換檔動(dòng)作。
[0036]所述固定裝置110包括豎直設(shè)置在車內(nèi)的固定桿111，該固定桿具有可伸縮功能，根據(jù)不同的車型進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。固定桿下端設(shè)置有安裝支架112，上端設(shè)置有吸頂盤113，其中安裝支架可以設(shè)計(jì)成固定基座，也可以設(shè)計(jì)成固定安裝架。
[0037]所述夾持裝置120包括固定連接在一起的環(huán)形夾持器121和連接板122，環(huán)形夾持器用于夾持所述固定桿111，連接板用于固定所述減速機(jī)130和換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)140組成的驅(qū)動(dòng)裝置，本實(shí)施例中連接板122采用盒狀結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)裝置插入該連接板內(nèi)，并用螺釘固定，這樣可以實(shí)現(xiàn)在車體內(nèi)無破壞安裝換檔機(jī)械手，該連接板也可以直接設(shè)置成一塊安裝板，通過螺栓將驅(qū)動(dòng)裝置固定在一起。夾持裝置可以通過所述環(huán)形夾持器調(diào)節(jié)在固定桿上的位置來適應(yīng)不同的車體。
[0038]如圖3所示，所述換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)140采用水平放置的兩套伺服電機(jī)，所述減速機(jī)130內(nèi)設(shè)置有兩組獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，本實(shí)施例中，優(yōu)選為蝸桿蝸輪減速箱，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括相互嚙合傳動(dòng)的蝸桿131和蝸輪132，其中蝸桿通過軸承與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸連接，蝸輪的端軸通過連接軸133與換檔裝置150固定連接。
[0039]如圖3所示，所述換檔裝置150包括空間并聯(lián)的兩套連桿機(jī)構(gòu)和一個(gè)換檔桿套筒153，該連桿機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)擺臂151和驅(qū)動(dòng)橫桿152，其中驅(qū)動(dòng)擺臂一端垂直固定連接在蝸輪端軸處的連接軸133上，驅(qū)動(dòng)擺臂另一端通過球鉸鏈S21、S2j與驅(qū)動(dòng)橫桿一端活動(dòng)連接，驅(qū)動(dòng)橫桿另一端通過球鉸鏈Sn、Slj與換檔桿套筒活動(dòng)連接，兩組所述驅(qū)動(dòng)擺臂和驅(qū)動(dòng)橫桿之間形成空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)，互相約束換檔桿套筒位置，具有多個(gè)自由度，所述換檔桿套筒下端固定套設(shè)在換檔桿上，并用定位螺釘固定，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)橫桿之間的夾角Θ為30°?90°。所述換檔桿套筒153頂端設(shè)置有蘑菇狀的手頭154，設(shè)置該手頭可用作手動(dòng)換檔，實(shí)現(xiàn)手自一體，而用于活動(dòng)連接的球鉸鏈Sn、Slj可以設(shè)置在換檔桿套筒上，也可以設(shè)置在手頭上。
[0040]基于空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)的汽車換檔機(jī)械手，用于代替車內(nèi)駕駛員，能在自動(dòng)駕駛中進(jìn)行多自由度的自動(dòng)換檔操作，并能夠安裝在駕駛室內(nèi)適應(yīng)不同類型的車型和不同換檔形式的車輛。
[0041]所述減速機(jī)130和換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)140組成的驅(qū)動(dòng)裝置和換檔裝置150共同組成兩個(gè)獨(dú)立的換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩套連桿機(jī)構(gòu)分別動(dòng)作，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)向的不同組合，拉動(dòng)換檔桿實(shí)現(xiàn)換檔。
[0042]如圖4所示，油門踏板機(jī)械腿310、制動(dòng)踏板機(jī)械腿320和離合踏板機(jī)械腿330均通過U型卡簧350固定在機(jī)械腿底座360上，該機(jī)械腿底座上設(shè)置有等間距的安裝孔361，可以根據(jù)不同車型的踏板間距設(shè)定三個(gè)機(jī)械腿的安裝位置，使機(jī)械腿固定在合適位置，配合多種汽車平臺(tái)的不同位置的踏板機(jī)構(gòu)調(diào)整機(jī)械腿的位置。
[0043]如圖5所示，所示油門踏板機(jī)械腿、制動(dòng)踏板機(jī)械腿、離合踏板機(jī)械腿是三套構(gòu)造原理相同的機(jī)械腿裝置，該機(jī)械腿裝置包括依次連接的機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)301、電機(jī)減速機(jī)302和驅(qū)動(dòng)腿303，其中機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)末端裝有用于采集電機(jī)狀態(tài)信息的電機(jī)狀態(tài)傳感器304。所述電機(jī)減速機(jī)采用L型的減速機(jī)，所述驅(qū)動(dòng)腿包括鉸接在一起的驅(qū)動(dòng)腿擺臂305和驅(qū)動(dòng)腿壓桿306，其中驅(qū)動(dòng)腿壓桿端部通過螺母固定有滑動(dòng)軸承，所述電機(jī)狀態(tài)傳感器采用電機(jī)編碼器。L型減速機(jī)的輸入端與機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸連接，通過軸鍵傳遞電機(jī)扭矩，L型減速機(jī)輸出端與驅(qū)動(dòng)腿擺臂連接，驅(qū)動(dòng)腿擺臂上設(shè)有鍵槽和固定螺母，將驅(qū)動(dòng)腿擺臂固定在減速機(jī)輸出軸上。驅(qū)動(dòng)腿壓桿兩端設(shè)置有螺紋，一端可以旋入驅(qū)動(dòng)腿擺臂上固定，驅(qū)動(dòng)腿壓桿穿過滑動(dòng)軸承，驅(qū)動(dòng)腿壓桿的另一端用螺母固定，限制滑動(dòng)軸承的位置。當(dāng)驅(qū)動(dòng)腿動(dòng)作時(shí)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)減速機(jī)和驅(qū)動(dòng)腿擺臂，驅(qū)動(dòng)擺臂壓迫驅(qū)動(dòng)壓桿緊貼油門踏板、制動(dòng)踏板或者離合踏板，并按壓踏板向下運(yùn)動(dòng)或者踏板分離。
[0044]空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)原理描述如下:
[0045]兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別通過蝸桿蝸輪減速箱將扭矩傳遞至驅(qū)動(dòng)擺臂，驅(qū)動(dòng)擺臂通過球鉸鏈與驅(qū)動(dòng)橫桿連接，兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的扭矩大小值相等。換檔包括掛檔和選檔，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)擺臂對(duì)驅(qū)動(dòng)橫桿的力方向也發(fā)生變化，當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)擺臂同時(shí)向前擺動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)擺臂對(duì)驅(qū)動(dòng)橫桿作用力的合力沿著驅(qū)動(dòng)橫桿向前傳遞到換檔桿套筒上，推動(dòng)換檔桿向前運(yùn)動(dòng)，完成向前的掛檔動(dòng)作；當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)擺臂同時(shí)向后擺動(dòng)，對(duì)驅(qū)動(dòng)橫桿作用力的合力向后，通過驅(qū)動(dòng)橫桿拉動(dòng)換檔桿向后運(yùn)動(dòng)，完成向后的掛檔動(dòng)作；當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)擺臂擺動(dòng)方向相反時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)橫桿間的夾角作用，對(duì)驅(qū)動(dòng)橫桿作用力的合力向左或向右，推動(dòng)換檔桿向左或向右運(yùn)動(dòng)，完成選檔動(dòng)作。
[0046]例如I檔換2檔，當(dāng)換檔桿在I檔的掛檔位置時(shí)，上位機(jī)發(fā)出指令，需要加速，完成掛2檔的換檔操作。首先通過控制系統(tǒng)判斷此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及驅(qū)動(dòng)擺臂的位置，并計(jì)算規(guī)劃換檔路徑，驅(qū)動(dòng)油門踏板減小油門開度，驅(qū)動(dòng)離合踏板至合適位置，控制系統(tǒng)檢測(cè)離合踏板位置是否滿足換檔要求，如果達(dá)到換檔要求，則將換檔路徑指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過換檔裝置拉動(dòng)換檔桿向后運(yùn)動(dòng)至2檔位置。將驅(qū)動(dòng)擺臂位置信息實(shí)時(shí)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)判斷是否到達(dá)指定位置，如果到達(dá)指定位置則完成一次掛檔，否則將繼續(xù)規(guī)劃路徑完成掛檔任務(wù)。
[0047]將換檔機(jī)械手模型簡(jiǎn)化如下，如圖6所示，在換檔桿末端位置建立空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ，圖中SpSpSmh為球鉸鏈，OP為換檔桿，Ri^Rj為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端，其中驅(qū)動(dòng)擺臂與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端之間豎直方向轉(zhuǎn)角為91和θ”根據(jù)空間并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)的力封閉原理可知，換檔路徑規(guī)劃具體包括:
[0048]a、換檔桿當(dāng)前姿態(tài)解算:根據(jù)編碼器采集到當(dāng)前驅(qū)動(dòng)擺臂轉(zhuǎn)角01和Θ」，
?χ ) ?χ鳥I?.、:1 ?、
代入公式=卜-RiSiisit^i和&: >?, - R jS2jS!中得到S2i和



[ζΛι ^RjS2jCosejj








2
S2j的空間坐標(biāo)，并代入公式(? )2 +(? )' +(? W= SuS2i和
Λ 2(λ、~χ' ) +(_)、-,Vs, ) +(? -zs、) = S\jS~2j 可求得 Sl1、SI j 的空間坐標(biāo),即可得到換檔桿的空間姿態(tài)；
[0049]b、結(jié)合換檔桿的目標(biāo)位置，查表得出換檔路徑；
[0050]C、車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送換檔路徑指令至換檔電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)兩套換擋機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成換檔路徑規(guī)劃。
[0051]d、車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否滿足安全離合轉(zhuǎn)速，若滿足則執(zhí)行步驟f，若不滿足則延時(shí)后重新檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。所述安全離合轉(zhuǎn)速為1500-2000r/min，所述延時(shí)時(shí)間為0.5秒。
[0052]e、車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將離合閉合運(yùn)動(dòng)指令發(fā)送至離合驅(qū)動(dòng)器，離合驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)離合踏板閉合離合，完成換檔，等待下次上位機(jī)的換檔信息。
[0053]所述步驟b中查表得出換檔路徑，該查表的具體內(nèi)容如下:
[0054]當(dāng)換檔桿處于圖7中所示P點(diǎn)位置時(shí)，稱此時(shí)為零點(diǎn)位置，此時(shí)驅(qū)動(dòng)擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度Θ i = O、％ = O。兩套驅(qū)動(dòng)擺臂同時(shí)向前推動(dòng)換檔桿至最前端位置時(shí)，即達(dá)到圖中所示3檔位置時(shí)Qi = θρθ^ = G1, 大小和汽車平臺(tái)有關(guān)，不同的汽車平臺(tái)的手動(dòng)檔換檔桿向前運(yùn)動(dòng)行程不同，驅(qū)動(dòng)擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度也不同，需要在安裝時(shí)測(cè)試Q1的大小。同理，兩套驅(qū)動(dòng)擺臂同時(shí)向后拉動(dòng)換檔桿至最后端位置時(shí)，即達(dá)到圖6中所示4檔位置時(shí)=
0j = -0lo左邊驅(qū)動(dòng)擺臂向后運(yùn)動(dòng)，右邊驅(qū)動(dòng)擺臂向前運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)換檔桿至最左端，即達(dá)到圖5中所示I檔與2檔中間位置時(shí)Qi= θ 2> Θ j = - θ 2, Θ 2的大小和汽車平臺(tái)有關(guān)，不同的汽車平臺(tái)的手動(dòng)檔換檔桿向前運(yùn)動(dòng)行程不同，驅(qū)動(dòng)擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度也不同，需要在安裝時(shí)測(cè)試92的大小。同理，左邊驅(qū)動(dòng)擺臂向前運(yùn)動(dòng)，右邊驅(qū)動(dòng)擺臂向后運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)換檔桿至最右端，即達(dá)到圖6中所示5檔與R檔中間位置時(shí)Qi = -Q^ej= Θ 2。
[0055]當(dāng)?shù)谝淮伟惭b換檔機(jī)械手到新的汽車平臺(tái)上時(shí)，調(diào)整固定裝置使適應(yīng)汽車內(nèi)底盤到車頂高度，調(diào)整固定裝置在車內(nèi)的前后位置和換檔機(jī)械手夾持裝置在固定裝置上的位置，使當(dāng)換檔桿位于圖5中所示P點(diǎn)位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)擺臂擺動(dòng)角度Θ i = O、Θ ^ = 0，驅(qū)動(dòng)橫桿與汽車底盤平行，然后固定所述固定裝置的高度位置和夾持裝置在固定桿上的位置。手動(dòng)推動(dòng)換檔桿至最前端位置，記錄下驅(qū)動(dòng)擺臂編碼器此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度即為Qi= 0J= θ10再將換檔桿推動(dòng)至P點(diǎn)，恢復(fù)零點(diǎn)位置。手動(dòng)推動(dòng)換檔桿至最左端，記錄下驅(qū)動(dòng)擺臂編碼器此時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度即為Qi= θ2、Oj = -O20通過這種示教學(xué)習(xí)的方式就可以獲得到該種汽車平臺(tái)下的換檔桿的行程位置，并且得到了有效的驅(qū)動(dòng)擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息。
[0056]所以對(duì)應(yīng)每個(gè)檔位，驅(qū)動(dòng)擺臂的轉(zhuǎn)角位置都是固定的，如表所示:
[0057]

【權(quán)利要求】
1.一種汽車自動(dòng)駕駛裝置，其特征在于，包括換檔機(jī)械手(100)、換檔機(jī)械手控制模塊(200)、油門踏板機(jī)械腿(310)、制動(dòng)踏板機(jī)械腿(320)、離合踏板機(jī)械腿(330)、機(jī)械腿控制模塊(340)、車速檢測(cè)模塊(400)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊(500)和車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(600)，其中換檔機(jī)械手控制模塊、機(jī)械腿控制模塊、車速檢測(cè)模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊分別與車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連； 所述換檔機(jī)械手(100)包括固定裝置(110)、夾持裝置(120)、減速機(jī)(130)、換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)(140)和換檔裝置(150)，該減速機(jī)輸入端與所述換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，減速機(jī)的輸出端與換檔裝置固定連接，所述換檔裝置(150)包括空間并聯(lián)的兩套連桿機(jī)構(gòu)和一個(gè)換檔桿套筒(153)，該連桿機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)擺臂(151)和驅(qū)動(dòng)橫桿(152)，所述驅(qū)動(dòng)擺臂(151) —端固定連接在所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端，驅(qū)動(dòng)擺臂另一端通過球鉸鏈與驅(qū)動(dòng)橫桿一端活動(dòng)連接，驅(qū)動(dòng)橫桿另一端通過球鉸鏈與換檔桿套筒活動(dòng)連接，兩組所述驅(qū)動(dòng)擺臂和驅(qū)動(dòng)橫桿之間形成空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)，所述換檔桿套筒(153)下端固定套設(shè)在換檔桿上; 所述換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)(140)與換檔機(jī)械手控制模塊(200)相連，換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)末端裝有用于采集電機(jī)軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)位置和加速度的傳感器； 所述油門踏板機(jī)械腿(310)、制動(dòng)踏板機(jī)械腿(320)和離合踏板機(jī)械腿(330)均包括依次連接的機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)(301)、電機(jī)減速機(jī)(302)和驅(qū)動(dòng)腿(303)，其中機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)末端裝有用于采集電機(jī)狀態(tài)信息的電機(jī)狀態(tài)傳感器(304)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動(dòng)駕駛裝置，其特征在于，所述固定裝置(110)包括豎直設(shè)置在車內(nèi)可伸縮的固定桿(111)，該固定桿下端設(shè)置有安裝支架(112)，固定桿上端設(shè)置有吸頂盤(113)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動(dòng)駕駛裝置，其特征在于，所述夾持裝置(120)包括用于夾持所述固定裝置(110)的環(huán)形夾持器(121)和用于固定所述換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)(140)的連接板(122)，環(huán)形夾持器與連接板固定連接形成一整體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動(dòng)駕駛裝置，其特征在于，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括相互嚙合傳動(dòng)的蝸桿(131)和蝸輪(132)，其中蝸桿通過軸承與換檔機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸連接，蝸輪的端軸通過連接軸(133)與驅(qū)動(dòng)擺臂(151)垂直固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動(dòng)駕駛裝置，其特征在于，兩個(gè)所述驅(qū)動(dòng)橫桿(152)之間的夾角沒為30°?90°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動(dòng)駕駛裝置，其特征在于，所述換檔桿套筒(153)頂端設(shè)置有蘑菇狀的手頭(154)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動(dòng)駕駛裝置，其特征在于，所述油門踏板機(jī)械腿(310)、制動(dòng)踏板機(jī)械腿(320)和離合踏板機(jī)械腿(330)均通過U型卡簧(350)固定在機(jī)械腿底座(360)上，該機(jī)械腿底座上設(shè)置有等間距的安裝孔(361)。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK104181924SQ201410446579
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】丁祎, 張飛, 李碧春, 梁華為, 劉偉, 丁冀, 劉路, 方俊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院