专利名称：七连杆双自由度闭链换档机械手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能够实现汽车手动换档变速箱换档动作的七连杆双自由度闭链换档机械手，属于汽车变速箱自动换档装置的技术领域。
背景技术：
汽车变速杆换档机械手是在汽车自动驾驶中，在不对汽车手动变速箱进行改造的前提下，进行汽车换档操作的机构。在利用汽车自动驾驶设备在道路上或者转鼓试验台上进行汽车试验时，以及在汽车变速箱的同步器性能和疲劳试验中，都需要根据需要自动操纵汽车的变速杆进行换档。能够根据命令控制换档机械手操纵汽车变速杆进行换档动作，实现汽车行驶过程中的升档、降档以及摘空档。
对换档机械手的要求是1)、结构简单，能够快速地安装；2)、结构紧凑，重量轻，体积小，能够在安装在车内比较狭小的空间内；3)、形状扁平，体积小，便于在驾驶室中快速装卸而不需拆除座椅，安装的通用性好，对安装初始位置定位要求低，普通的操作人员经过简单的培训就能够自主进行安装；4)、无需对汽车换档机构进行改造，可直接安装；5)、能够实现选档、挂摘档两个方向运动互不干涉，而且运动线性度高，机械解耦，方便控制；6)、换档速度、换档力量可调整；7)、能够适用于各种变速箱型号不同的换档行程以及不同的档位分布。
目前汽车换档机械手的主要结构有三种1)、“线位移+线位移”该机构在换档过程中会产生机械耦合现象，从而给控制软件算法增加复杂性，而且会使得控制过程难以实现。由于换档操作的时间要求较短，要达到高精度的换档运动比较难。
2)、“角位移+角位移”这种结构体积较大，对于一些驾驶室空间小的车型，难以安装，而且安装的误差将会导致控制误差，并将产生整套装置的附加安装应力而产生机构变形。
3)、“关节式”这种结构常采用电机驱动，体积较大，难以实现无破损安装，只适用于无驾驶室的汽车试验台。
为了满足汽车变速杆的换档控制要求，现有的几种结构都无法满足汽车驾驶机器人对换档机械手的要求。
除此之外，从换档力的特性来看，驱动系统选用与换档力典型特性曲线最相似的气压传动方式，使换档过程快速有力，富有弹性。目前国内尚没有专用的汽车换档机械手，国外技术则不对外公开。
发明内容
技术问题本实用新型的目的是提供一种七连杆双自由度闭链换档机械手，在不需要对汽车换档机构进行改造的前提下，实现选档和挂摘档两个方向运动的机械解耦，适用于不同换档行程、不同档位分布的手动换档变速箱。根据控制命令分别控制选档和挂档气缸可以实现汽车换档的复合动作。
技术方案本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是七连杆双自由度闭链换档机械手，由换档连杆机构和气缸组成，其特征是七连杆机构由摇杆A，连杆A，连杆B，摇杆B，推杆，摆杆A，手杆组成；其中，摇杆A的一端通过转轴C铰接于选档基座上，摇杆A的另一端与连杆A相铰接，连杆A的另一端与连杆B、推杆、手杆相铰接于转轴A上；连杆B与摇杆B相铰接于转轴B上，摇杆B与摆杆B相固定连接，其固定连接处铰接在转轴E上，转轴E固定在挂档基座上；推杆、摆杆A相铰接于转轴F上，摆杆A的一端与选档气缸的有杆端连接，摆杆A的另一端与转轴D相铰接，转轴D固定在选档基座上；摆杆B与挂档气缸的有杆端相铰接；七连杆机构通过挂档基座和选档基座固定在箱体底板上。在摆杆A与转轴D的相铰接处固定有选档齿轮，该选档齿轮与连接着角位移传感器的小齿轮啮合。摆杆B与转轴E的相铰接处固定有挂档齿轮，该挂档齿轮与连接着角位移传感器的小齿轮啮合。
七连杆双自由度闭链换档机械手由换档连杆机构和气缸位置检测和运动控制部分组成。选档气缸和挂档气缸的无杆端固连到底板上，选档气缸的有杆端连接到摆杆A的转轴端，挂档气缸有杆端连接到摆杆B的转轴端，把手通过手柄套和汽车变速杆连接在一起；在挂档和选档运动中，摆杆A和摆杆B做旋转运动，利用角位移传感器测得换档机械手当前位置。选档气缸运动的时候，转轴B保持位置不变，摆杆A绕转轴D旋转运动，通过推杆推动手杆运动，实现汽车变速杆的选档动作，通过选档角位移传感器得到选档的位置。挂档气缸运动的时候，转轴F保持位置不变，摆杆B做旋转运动，挂档齿轮和摇杆B同时做旋转运动，带动连杆A以及和连杆A通过转轴连接的手杆运动，由摇杆A、连杆A、推杆、摆杆A组成的四连杆机构的运动决定了把手的位置，从而实现汽车变速杆的挂档和摘档动作，通过挂档角位移传感器得到挂档的位置。摇杆A、推杆和摇杆B呈平行运动关系。选档和挂档两个方向的复合运动，可以实现各种变速箱的所有档位的换档动作。
气缸采用带锁气缸，在两个方向都解锁的情况下，由试验人员抓着把手进行示教换档，换到某个档位之后，利用两个角度传感器记录档位位置。选档气缸和挂档气缸都采用一端固定的方式，另一端可以作自由的旋转运动。选档气缸可以绕转轴D作平移和旋转运动，保证在选档过程中转轴A保持位置不变；挂档气缸在推动摇杆B旋转运动的同时，可以绕转轴E作平移和旋转运动，保证在挂档、摘档过程中转轴F保持位置不变。
转轴部分采用球绞链，使得摇杆A，连杆A，连杆B，摇杆B，推杆，摆杆A能够绕X轴和Y轴有微小的转动，能够自动补偿换档轨迹的非线性区域。七连杆，摇杆A，连杆A，连杆B，摇杆B，推杆，摆杆A的长度经过最优化设计，保证在换档运动区域内选档和挂摘档运动轨迹的线性度。
通过调节挂档气缸的供气压力和气缸排气口的开度，可实现换档力量和换档速度的调节，从而使本换档机械手能够适用于各种规格变速箱的自动换档场合。
有益效果1.对于不同型号的变速箱以及不同的变速箱档位分布，通过直接示教的方式获取选档和挂摘档的位置，使得换档机械手适用范围广。
2.换档机械手在把手位置通过带弹簧的手柄套和汽车变速杆连接，无需对车辆的换档机构进行改造；同时手杆可以绕Z轴转动，补偿操纵变速杆换档过程中Z轴方向的位移和转角。
3.连杆长度经过最优化设计，保证在换档运动区域内选档和挂摘档运动过程轨迹的线性度，且选档、挂摘档两个方向运动互不干涉，运动线性度高，机械解耦，控制方便。
4.换档速度和换档力量直接可调，适用于各种的换档应用场合，气压传动的工作介质是空气，具有速度快、可压缩和抗冲击的特性，与人肌肉的弹性和柔顺性比较吻合。
图1是本实用新型的整体结构图。
图2是图1中A-A部分的剖面图。
图3是图1中B-B部分的剖面图。
图4是本实用新型的七连杆结构简图。
图5是汽车变速杆运动轨迹简图。
其中有摇杆A(1)，连杆A(2)，连杆B(3)，摇杆B(4)，推杆(5)，摆杆A(6)，手杆(7)，把手(8)，挂档基座(9)，挂档传感器支架(10)，挂档齿轮(11)，选档气缸(12)，挂档气缸(13)，选档传感器支架(14)，选档基座(15)，选档齿轮(16)，转轴(17)，摆杆B(18)，内六角圆柱螺钉(19)，球头(20)，手柄套螺帽(21)，螺旋弹簧(22)，手柄压块(23)，手柄套(24)，转轴A(25)，转轴B(26)，转轴C(27)，转轴D(28)，转轴E(29)，转轴F(30)。
具体实施方式
七连杆双自由度闭链换档机械手由换档连杆机构和气缸位置检测和运动控制部分组成。在图1中，整个七连杆机构通过挂档基座9和选档基座15固定在箱体底板上，选档气缸12和挂档气缸13的无杆端通过转轴固连到箱体侧板上。选档气缸12的有杆端连接到摆杆A6的转轴端，挂档气缸13有杆端连接到摆杆B18的转轴端，选档气缸12和挂档气缸13都采用一端固定的方式，另一端可以作自由的旋转运动。选档气缸12可以绕转轴28作平移和旋转运动，以保证在选档过程中转轴26位置保持不变；挂档气缸13在推动摇杆B4旋转运动的同时，可以绕转轴29作平移和旋转运动，以保证在挂档、摘档过程中转轴30位置保持不变。
在摆杆A6和摆杆B18的一端通过螺钉连接着挂档齿轮11、选档齿轮16，齿轮和连接着角位移传感器的小齿轮啮合。在挂档和选档运动中，摆杆A6和摆杆B18做旋转运动，利用角位移传感器测得换档机械手当前位置。选档气缸12运动的时候，转轴B26保持位置不变，摆杆A6绕转轴F28旋转运动，通过推杆5推动手杆7运动，实现汽车变速杆的选档动作。挂档气缸13运动的时候，转轴F30保持位置不变，摆杆B18做旋转运动，挂档齿轮11和摇杆B4同时做旋转运动，带动连杆A2以及和连杆A2通过转轴连接的手杆7运动，由摇杆A1、连杆A2、推杆5、摆杆A6组成的四连杆机构的运动决定了把手8的位置，从而实现汽车变速杆的挂档和摘档动作。摇杆A1、推杆5和摇杆B4呈平行运动关系。选档和挂档两个方向的复合运动，可以实现各种变速箱的所有档位的换档动作。连杆长度经过最优化设计，保证在换档运动区域内选档和挂摘档运动过程轨迹的线性度。在图2中摆杆A6两根连杆通过一端固连，一端通过转轴F30连接的方式，使得选档、挂摘档两个气缸在运动空间上相互错开，互不干涉。
气缸采用带锁气缸，在两个方向都解锁的情况下，由试验人员抓着把手(8)进行示教换档，换到某个档位之后，利用两个角度传感器记录档位位置。在换档过程中，气压传动的工作介质是空气，具有速度快、可压缩和抗冲击的特性，与人肌肉的弹性和柔顺性比较吻合，使换档过程快速有力，富有弹性。通过调节挂档气缸的供气压力和气缸排气口的开度，可实现换档力量和换档速度的调节，从而使本换档机械手能够适用于各种规格变速箱的自动换档场合。通过试验人员直接示教，七连杆换档机械手学习变速箱的选档和换档位置，机械手的换档动作直接通过选档气缸12和挂档气缸13的伸长和缩回控制实现，机械解耦，控制方便。
转轴部分采用球绞链，使得摇杆A1，连杆A2，连杆B3，摇杆B4，推杆5，摆杆A6能够绕X轴和Y轴有微小的转动，能够自动补偿换档轨迹的非线性区域。
在图1中，手杆7采用两根中间铣槽的杆使用两个六角螺栓连接在一起，能够对不同的汽车变速箱的在挂、摘档行程上进行调整，使得换档机械手箱体在汽车驾驶室内的安装的通用性好，对安装初始位置定位要求低。选档气缸12和挂档气缸13平行固定在箱体内，结构紧凑，重量轻，体积小，能够在安装在车内比较狭小的空间内。
在图3中，手杆7和连杆A2通过球绞链连接方式，使得手杆7能够绕球绞转动，当机械手的手柄套24和汽车变速杆连接好之后，在换档过程中，手杆7能随变速杆的转动而转动，补偿Z轴方向的位移。汽车变速杆换档过程的运动轨迹近似为一个曲面，手柄套24通过球头20和把手8使用内六角圆柱螺钉19连接在一起，球头20在手柄套24内可以作自由转动，保证在图5的变速杆运动轨迹中，手柄套24可以和变速杆一起转动。手柄套螺帽21和手柄套24之间通过螺旋弹簧22，手柄压块23连接一起，保证换档过程中在Z轴方向富有运动弹性，防止换档过程中七连杆机构憋紧。
权利要求1.一种七连杆双自由度闭链换档机械手，由换档连杆机构和气缸组成，其特征是七连杆机构由摇杆A(1)，连杆A(2)，连杆B(3)，摇杆B(4)，推杆(5)，摆杆A(6)，手杆(7)组成；其中，摇杆A(1)的一端通过转轴C(27)铰接于选档基座(15)上，摇杆A(1)的另一端与连杆A(2)相铰接，连杆A(2)的另一端与连杆B(3)、推杆(5)、手杆(7)相铰接于转轴A(25)上；连杆B(3)与摇杆B(4)相铰接于转轴B(26)上，摇杆B(4)与摆杆B(18)相固定连接，其固定连接处铰接在转轴E(29)上，转轴E(29)固定在挂档基座(9)上；推杆(5)、摆杆A(6)相铰接于转轴F(30)上，摆杆A(6)的一端与选档气缸(12)的有杆端连接，摆杆A(6)的另一端与转轴D(28)相铰接。转轴D(28)固定在选档基座(15)上；摆杆B(18)与挂档气缸(13)的有杆端相铰接；七连杆机构通过挂档基座(9)和选档基座(15)固定在箱体底板上。
2.根据权利要求1所述的七连杆双自由度闭链换档机械手，其特征在于在摆杆A(6)与转轴D(28)的相铰接处固定有选档齿轮(16)，该选档齿轮(16)与连接着角位移传感器的小齿轮啮合。
3.根据权利要求1所述的七连杆双自由度闭链换档机械手，其特征在于摆杆B(18)与转轴E(29)的相铰接处固定有挂档齿轮(11)，该挂档齿轮(11)与连接着角位移传感器的小齿轮啮合。
4.根据权利要求1所述的七连杆双自由度闭链换档机械手，其特征在于转轴部分采用球绞链。
5.根据权利要求1所述的七连杆双自由度闭链换档机械手，其特征在于手杆(7)和连杆A(2)通过球绞链连接方式。
6.根据权利要求1所述的七连杆双自由度闭链换档机械手，其特征在于手柄套(24)通过球头(20)和把手(8)使用内六角圆柱螺钉(19)连接在一起。
7.根据权利要求1所述的七连杆双自由度闭链换档机械手，其特征在于手柄套螺帽(21)和手柄套(24)之间通过螺旋弹簧(22)、手柄压块(23)连接一起。
专利摘要七连杆双自由度闭链换档机械手是一种用于实现汽车手动变速箱换档动作的自动换档装置，选档气缸(12)的有杆端连接到摆杆A(6)的转轴端，挂档气缸(13)有杆端连接到摆杆B(18)的转轴端，把手(8)通过手柄套(24)和汽车变速杆连接在一起。利用齿轮啮合的方法在摆杆A(6)和摆杆B(18)的一端使用角位移传感器测量摆杆A(6)和摆杆B(18)的旋转角度。选档气缸(12)带动摆杆A(6)运动，通过推杆(5)推动手杆(7)运动，实现汽车变速杆的选档动作。挂档气缸(13)推动摆杆B(18)做旋转运动，挂档齿轮(11)和摇杆B(4)同时做旋转运动，带动连杆A(2)以及和连杆A(2)通过转轴连接的手杆(7)运动，实现汽车变速杆的挂档动作。
文档编号B25J9/00GK2743097SQ200420027440
公开日2005年11月30日 申请日期2004年5月31日 优先权日2004年5月31日
发明者张为公, 翟羽健, 殷剑萍, 陈晓冰 申请人:东南大学