专利名称：滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够在汽车试验中，代替人类驾驶员的电动式驾驶装置。属于汽车试验自动驾驶装置技术领域。
背景技术：
近年来，汽车保有量快速增长，导致汽车排放尾气中的有害物质所造成的污染问题逐渐凸显。为此，国家颁布并实施了严格的汽车排放标准以限制尾气中有害物质的含量。 耐久性循环试验时间长，在试验过程中车速跟踪的准确性和重复性精度依赖于试验人员的驾驶技巧和反应速度，而且循环车速不断地改变，试验要求车辆速度误差必须控制在2km/h 内，因而会降低排放试验数据的可靠性。测功机设备发出的噪声，车辆排放的尾气对空气环境的污染，长时间枯燥的驾驶均会对驾驶员造成一定的伤害。因此，需要用汽车耐久性试验驾驶机器人来替代人类驾驶员进行试验，使用汽车耐久性试验驾驶机器人可以保证试验数据的客观性和准确性，减轻了驾驶人员的疲劳，降低了恶劣环境对试验人员的伤害。此外， 将汽车耐久性驾驶机器人应用于排放耐久性试验，还可以缩短试验时间，大幅度减少试验费用，提高试验效率。国外的汽车试验发展起步较早，国外公司的机器人技术资料保密，不对外公开。研制这类机器人的公司主要有，日本小野株式会社(0N0S0KKI)、AUTOPILOT、HORIBA等公司等公司，美国的 LBECO 公司，英国的 MIRA、Froude Consine, Anthony Best Dynamics 等公司。国内的200410065844. 0号专利是描述驾驶机器人的。其利用步进电机控制油门， 实现油门位置的精确定位。制动器、离合器以及换挡机械手使用汽缸作为动力源，通过相应的气阀调节来实现快速的动作。由于气体的压缩性大，对速度和位置进行精确控制比较困难，并且阻尼效果不理想。现场机器人控制计算机根据驾驶动作要求，控制电机和汽缸完成驾驶动作和时序之间的配合。该机器人的油门机械腿只靠电力驱动，在试验进行的过程中车辆正以某一时速行驶，如果由于某些因素造成电力突然中断，那么该驾驶机器人的油门机械腿将停留在当前位置，无法自动回收抬起油门踏板，对于车辆及试验人员存在一定的安全隐患。汽车耐久性试验驾驶机器人的执行机构基本相似，包括油门机械腿，制动机械腿， 离合器机械腿，换挡机械手。汽车耐久性试验驾驶机器人按照其驱动方式分为三类，包括液压驱动，气压驱动和电机驱动三种基本类型。液压驱动的缺点是对于含有液压油元件的密封要求高，如果泄露将造成环境污染，管路结构复杂，维护要求高；气压驱动的气体压缩性大，对速度和位置的精确控制困难，阻尼效果差。电机驱动又可以分为普通交直流电机和伺服电机，普通交直流电机控制性能差，惯性大，不易精确定位；伺服电机的体积小，控制性能好，控制灵活性强，可以实现对速度和位置的精确控制。对于汽车试验驾驶机器人的机械传动形式，可采用齿轮齿条式，这种形式的优点是定位精确，缺点是结构复杂，齿条行程大，整机尺寸大；角度控制二力杆式，优点是结构简单，免维护，但是控制复杂；滑轮钢丝式结构紧凑，缩小整机体积，易于安装和维护，控制精确。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可以代替人类驾驶员，进行汽车试验，尤其是耐久性试验的电动驾驶机器人装置。其能够适应不同类型，不同换挡形式的车辆，在不对车辆进行改造的基础上，安装在驾驶室内。并且可以协调控制油门机械腿，制动机械腿，离合机械腿以及换挡机械手，遵循试验工况要求，实现汽车的启动，换挡，加速，稳速，减速，怠速等工况，顺利完成试验。一种滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，包括固定底板、设置在其上的转动底板，结构相同的离合器机械腿，制动器机械腿和油门机械腿以及换档机械手，每个机械腿设置在转动底板上，由结构相同的相应的驱动单元驱动，均可沿着踏板踩踏方向做往复直线运动， 所述的机械腿包括伸缩杆外管、内管，球形万向关节和使机械腿固定在踏板上的夹板，所述的驱动单元包括伺服电机和减速机、驱动杆、压缩弹簧、钢丝绳、大滑轮和小滑轮，大滑轮与输出轴的轴套固定连接，大滑轮下端面与小滑轮的水平面相切，钢丝绳一端缠绕在大滑轮上，小滑轮固定在转动底板上，通过小滑轮使钢丝绳运动方向与大滑轮旋转方向垂直，钢丝绳的另一端与驱动杆后端固接；压缩弹簧的前端固定，后端与驱动杆后端连接；驱动杆穿过减速机输出轴的轴承座，前端与球形万向关节的非转动部分固定连接；机械腿的伸缩杆内管与球形万向关节非转动端连接，球形万向关节的转动部分与踏板夹固定连接。作为优选实施方式，所述的伺服电机和减速机固定在转动底板上，位于驱动杆和压缩弹簧的一侧；驱动杆由四根细杆构成，小滑轮边缘与驱动杆的中心在一条水平线上； 每个机械腿的驱动单元还包括用于检测驱动杆的位移的直线位移传感器，其输出用于控制伺服电机；所述的转动底板，用于调节机械腿驱动单元与对应踏板的位置；所述的换挡机械手包括换挡杆套筒，换挡杆套筒与L形调节臂连接，L形连接臂与大臂连接，大臂由换挡电机驱动；换挡电机固定在由选档电机驱动的滑台上；选档电机与减速机连接，第一选档滑轮通过涨套连接到减速机的输出轴，钢丝的一端绕在第一选档滑轮上，通过第二滑轮的转向后，另一端与滑台固定连接；所述的换挡机械手还包括用于获得滑台位置的直线位移传感器，其输出用于控制选档电机。所述的换挡机械手还包括用于获得换挡杆套筒位置的角位移传感器，其输出用于控制换挡电机本发明采用伺服电机驱动，起动转矩大，运行范围广，低振动；具有较高的响应速度、精度和频率；具有优良的控制特性。本发明设计的机械腿，伺服电机和减速机固定在底板上，位于驱动杆和压缩弹簧的一侧，这样的设计，使得结构更为紧凑。传动机构采用滑轮钢丝机构，结构紧凑，在传动功率相同的条件下，空间占用最小，重量最轻，寿命长，造价低，安装快捷方便。压缩弹簧，驱动单元具有人一样的肌肉弹性；另一方面，在电力突然中断时，可以依靠压缩弹簧自身的弹力，迅速收回执行踏板，保证试验的安全性。
图1是本发明整机的侧视图。图2是本发明整机的俯视图。
图3是本发明整机的主视图。图4是离合器机械腿驱动单元的侧视图。图5是制动器机械腿驱动单元的俯视图。图6是油门机械腿驱动单元的俯视图。图7是离合器机械腿的俯视图。图8是换挡机械手的正视图。图9是换挡机械手的侧视图。图10是换挡机械手俯视图。图11是制动器机械腿的俯视图。图12是油门机械腿的俯视图。其中包括整机固定底板1，转动底板2，支腿滑动槽3，滑动支腿4，离合器机械腿驱动单元伸出端5，球形万向关节非转动部分6，轴承座7，直线位移传感器8，销轴9，小滑轮10，减速机固定支架11，压缩弹簧12，驱动杆13，驱动杆座14，伺服电机15，减速机16，大滑轮17，轴套18，轴承19，制动器机械腿驱动单元伸出端20，球形万向关节非转动部分21， 轴承座22，轴套23，大滑轮24，销轴25，小滑轮沈，减速机固定支架27，减速机观，伺服电机四，驱动杆座30，驱动杆31，压缩弹簧32，直线位移传感器33，轴承34，油门机械腿驱动单元伸出端35，球形万向关节非转动部分36，轴承座37，轴套38，大滑轮39，减速机固定支架40，减速机41，伺服电机42，驱动杆座43压缩弹簧44，驱动杆45，直线位移传感器46，小滑轮47，销轴48，轴承49，机械腿外管50，锁紧环51，踏板夹52，球形万向关节53，机械腿内管M，轴承座55，轴承56，滑轮157，销轴58，滑轮1159，涨套60，减速机固定支架61，弹簧 62，选档电机减速机63，滑轨64，滑台65，换挡电机减速机66，角位移传感器67，大臂68，L 形调节臂69 (70)，换挡杆套筒71，轴承72，轴承座73，小臂74 (75)，直线位移传感器76，制动机械腿外管77，锁紧环78，制动踏板夹79，球形万向关节80，制动机械腿内管81，油门机械腿外管82，锁紧环83，油门踏板夹84，球形万向关节85，油门机械腿内管86。
具体实施方案为了能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下请参阅图1 图3，本发明一种滑轮式驾驶机器人，包括机器人底座1，安放在驾驶员座椅上，离合器机械腿驱动单元伸出端5插入离合器机械腿外管50中，离合器踏板夹52 与离合器踏板连接，制动器机械腿驱动单元伸出端20插入制动器机械腿外管76中，制动器踏板夹78与制动器踏板连接，油门机械腿驱动单元伸出端伸出端35插入油门机械腿外管 81中，油门机械腿踏板夹83与油门踏板连接，换挡机械手通过换挡杆套筒71与汽车换挡变速杆连接。调节滑动支腿4在支腿滑动槽3中滑动，使转动底板平面与车辆踏板近似垂直， 在驾驶机器人工作过程中减小电机驱动力损失，实现了对车辆的无损安装。参阅图4，离合器机械腿驱动单元采用伺服电机作为动力源，减速机16与伺服电机15采用紧抱式连接，伺服电机及其减速机由支架11固接在转动底板2上，减速机输出轴通过轴套18与轴承19伸入式连接。大滑轮17与减速机输出轴套18固接，小滑轮10安装在轴销9上。大滑轮下端面与小滑轮的水平面相切。钢丝绳一端缠绕在大滑轮上，通过小滑轮使钢丝绳运动方向与大滑轮旋转方向垂直，另一端与驱动杆13后端固接。压缩弹簧12 套在驱动杆13外面，前端与减速机固定支架连接，后端与驱动杆后端连接。驱动杆由四根细杆构成，小滑轮边缘与其中心在一条水平线上，保证钢丝绳拉力在传递过程中不会产生其他方向的分力，造成力的损失。驱动杆穿过减速机固定支架11及减速机轴承座7向前伸出。球形万向关节的非转动部分6与驱动杆伸出端(前端)固接，离合器机械腿驱动单元伸出端5与离合器机械腿伸入式连接。参阅图7，离合器机械腿由伸缩杆外管50，内管M，球形万向关节53，离合器夹52板构成。内管与球形万向关节非转动端连接，转动部分与离合器踏板夹螺纹连接。离合器驱动器的伺服电机转动拉动钢丝拉绳，拉绳通过滑轮转换方向， 压缩弹簧，拉动驱动杆向前运动，驱动杆伸出端与离合器机械腿插入式连接，驱动离合器机械腿控制离合器踏板。通过离合机械腿驱动器中驱动杆带动直线位移传感器8，得到离合器机械腿的位置。离合器驱动单元通过调节伺服电机的转速以及启停时间，控制驱动杆的运动速度从而实现离合器机械腿回收速度的调节，达到了汽车启动和换挡过程中对离合器动作快慢的要求，降低换挡过程冲击，保证了汽车启动和换挡的平顺性。参阅图5，制动器机械腿驱动单元由伺服电机四作为动力源，减速机观与伺服电机四采用紧抱式连接，伺服电机及其减速机由支架固27接在转动底板2上，减速机输出轴通过轴套23与轴承34连接。大滑轮M与减速机输出轴套23固接，小滑轮沈安装在轴销 25上。大滑轮下端面与小滑轮的水平面相切。钢丝绳一端缠绕在大滑轮上，通过小滑轮使钢丝绳运动方向与大滑轮旋转方向垂直，另一端与驱动杆后端固接。压缩弹簧32套在驱动杆 31外面，前端与减速机固定支架连接，后端与驱动杆后端连接。驱动杆穿过减速机固定支架及减速机轴承座向前伸出。球形万向关节的非转动部分21与驱动杆伸出端固接，转动部分 20与制动器机械腿伸入式连接。参阅图11，制动器机械腿由伸缩杆外管77，内管81，球形万向关节80，制动器夹板79构成。内管与球形万向关节非转动端连接，转动部分与制动器踏板夹螺纹连接。制动器驱动单元的伺服电机转动拉动钢丝拉绳，拉绳通过滑轮转换方向， 压缩弹簧，拉动驱动杆向前运动，驱动杆伸出端与制动器机械腿插入式连接，驱动制动器机械腿控制制动器踏板。通过制动器机械腿驱动单元中驱动杆带动直线位移传感器33，得到制动器机械腿的位置。制动器机械腿驱动单元通过控制伺服电机的转速，遵循耐久试验工况要求，调节制动器踏板夹踩踏制动踏板的时间，改变汽车制动过程中的减速度，保证汽车速度对工况要求车速跟踪的准确性。参阅图6，油门机械腿控制装置由伺服电机42作为动力源，减速机41与伺服电机采用紧抱式连接，伺服电机及其减速机由支架40固接在转动底板2上，减速机输出轴通过轴套38与轴承37连接。大滑轮39与减速机输出轴套38固接，小滑轮47安装在轴销48 上。大滑轮下端面与小滑轮的水平面相切。钢丝绳一端缠绕在大滑轮上，通过小滑轮使钢丝绳运动方向与大滑轮旋转方向垂直，另一端与驱动杆后端固接。压缩弹簧44套在驱动杆 45外面，前端与减速机固定支架40连接，后端与驱动杆座43连接。驱动杆穿过减速机固定支架及减速机轴承座向前伸出。球形万向关节的非转动部分36与驱动杆伸出端固接，转动部分35与油门机械腿伸入式连接。参阅图12，油门机械腿由伸缩杆外管82，内管86，球形万向关节85，油门夹板84构成。内管与球形万向关节非转动端连接，转动部分与油门踏板夹螺纹连接。油门驱动器的伺服电机转动拉动钢丝拉绳，拉绳通过滑轮转换方向，压缩弹簧，拉动驱动杆向前运动，驱动杆伸出端与油门机械腿插入式连接，驱动油门机械腿控制油门踏板。通过油门机械腿驱动单元中驱动杆带动直线位移传感器46，得到油门机械腿的位置，精确的控制油门踏板，实现车辆加速，稳速行驶的目标要求。挂档动作可分解为选档和换挡两个垂直方向的动作，需要实现两个方向的自由度运动。参阅图8 图10，换挡机械手由选档伺服电机63和换挡伺服电机66，滑台65，大臂 68，L形调节臂69 (70)，换挡杆套筒71组成。选档伺服电机通过电机减速机支架61固接在底板上，减速机与伺服电机紧抱式连接。滑轮157通过涨套60安装在减速机输出轴上，滑轮 1159通过销轴58安装在底板上，滑轮II的水平面与滑轮I的上端面相切。钢丝一端绕在滑轮I上，通过滑轮II转换方向，使钢丝的另一端与滑台65固接。选档电机转动，拉动钢丝拉绳，拉绳通过滑轮转换方向，压缩弹簧62，驱动滑台左右运动，通过直线位移传感器76 确定档位，实现选档动作。换挡伺服电机固接在滑台上面，减速机与伺服电机紧抱式连接， 减速机输出轴与大臂68套接，大臂与小臂74(75)铰接，小臂通过L形调节臂69 (70)与换挡杆套筒71连接。换挡伺服电机转动推动小臂向前或向后运动，通过角位移传感器67，获得套筒的运动位置，完成换挡动作。选档和换挡两个运动过程线性度高，且不互相干涉，实现了挂档动作的解耦，控制方便。通过L形调节臂，可以调节套筒的位置，从而适应不同驾驶空间的车型。在操作过程中，调节转动底板，得到机械腿驱动单元与对应踏板的位置，配合调节球形万向关节的方向，改变对应机械腿的长度，实现驾驶机器人的安装。驾驶机器人在车辆上安装好之后，进行识教过程，以离合器踏板为例说明，下压离合器踏板到底，计算机发出指令给离合器机械腿控制伺服电机，伺服电机转动，带动缠绕在减速机输出轴上的钢丝绳转动，通过小滑轮换向拉动驱动杆，压缩弹簧，使驱动杆向前运动，当驱动杆伸出端与离合器机械腿外管截面接触时，计算机发出停止信号，离合器机械腿驱动单元回收，得到了离合器踏板的行程。制动器踏板行程及油门踏板行程的获得以此类推。
权利要求
1.一种滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，包括固定底板、设置在其上的转动底板，结构相同的离合器机械腿，制动器机械腿和油门机械腿以及换档机械手，每个机械腿设置在转动底板上，由结构相同的相应的驱动单元驱动，均可沿着踏板踩踏方向做往复直线运动， 其特征在于，所述的机械腿包括伸缩杆外管、内管，球形万向关节和使机械腿固定在踏板上的夹板，所述的驱动单元包括伺服电机和减速机、驱动杆、压缩弹簧、钢丝绳、大滑轮和小滑轮，大滑轮与输出轴的轴套固定连接，大滑轮下端面与小滑轮的水平面相切，钢丝绳一端缠绕在大滑轮上，小滑轮固定在转动底板上，通过小滑轮使钢丝绳运动方向与大滑轮旋转方向垂直，钢丝绳的另一端与驱动杆后端固接；压缩弹簧的前端固定，后端与驱动杆后端连接；驱动杆穿过减速机输出轴的轴承座，前端与球形万向关节的非转动部分固定连接；机械腿的伸缩杆内管与球形万向关节非转动端连接，球形万向关节的转动部分与踏板夹固定连接。
2.根据权利要求1所述的滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，其特征在于，所述的伺服电机和减速机固定在转动底板上，位于驱动杆和压缩弹簧的一侧。
3.根据权利要求1所述的滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，其特征在于，驱动杆由四根细杆构成，小滑轮边缘与驱动杆的中心在一条水平线上。
4.根据权利要求1所述的滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，其特征在于，每个机械腿的驱动单元还包括用于检测驱动杆的位移的直线位移传感器，其输出用于控制伺服电机。
5.根据权利要求1所述的滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，其特征在于，所述的转动底板，用于调节机械腿驱动单元与对应踏板的位置。
6.根据权利要求1所述的滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，其特征在于，所述的换挡机械手包括换挡杆套筒，换挡杆套筒与L形调节臂连接，L形连接臂与大臂连接，大臂由换挡电机驱动；换挡电机固定在由选档电机驱动的滑台上；选档电机与减速机连接，第一选档滑轮通过涨套连接到减速机的输出轴，钢丝的一端绕在第一选档滑轮上，通过第二滑轮的转向后，另一端与滑台固定连接。
7.根据权利要求6所述的滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，其特征在于，所述的换挡机械手还包括用于获得滑台位置的直线位移传感器，其输出用于控制选档电机。
8.根据权利要求6所述的滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，其特征在于，所述的换挡机械手还包括用于获得换挡杆套筒位置的角位移传感器，其输出用于控制换挡电机。
全文摘要
本发明属于汽车试验自动驾驶装置技术领域，涉及一种滑轮钢丝式汽车试验驾驶机器人，包括固定底板、设置在其上的转动底板，结构相同的离合器机械腿，制动器机械腿和油门机械腿以及换档机械手，每个机械腿设置在转动底板上，由结构相同的相应的驱动单元驱动，均可沿着踏板踩踏方向做往复直线运动，所述的机械腿包括伸缩杆外管、内管，球形万向关节和使机械腿固定在踏板上的夹板，所述的驱动单元包括伺服电机和减速机、驱动杆、压缩弹簧、钢丝绳、大滑轮和小滑轮。本发明具有空间占用小，重量轻，寿命长，安装快捷方便的优点。
文档编号G01M17/007GK102445351SQ201110264908
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者万仁君, 乔胜华, 冯于久, 李伟, 胡远志, 陈弘 申请人:中国汽车技术研究中心, 陈弘