基于空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)的汽車換檔機(jī)械手及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)的汽車換檔機(jī)械手，包括固定裝置、夾持裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、換檔裝置和控制系統(tǒng)，還提供一種采用上述換檔機(jī)械手的汽車換檔控制方法，包括接收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和踏板位置信號(hào)并判斷踏板位置，驅(qū)動(dòng)離合踏板調(diào)整離合器，驅(qū)動(dòng)油門踏板改變油門開度，并進(jìn)行換檔路徑規(guī)劃，控制換檔機(jī)械手拉動(dòng)換檔桿運(yùn)動(dòng)至需要檔位位置，然后驅(qū)動(dòng)離合踏板閉合離合，完成換檔。本發(fā)明采用空間并聯(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；整個(gè)換檔機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝快捷，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，不會(huì)占用駕駛員正常駕駛空間，不影響駕駛員正常駕駛工作。
【專利說明】基于空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)的汽車換檔機(jī)械手及其控制方法

【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】，具體涉及一種汽車變速箱自 動(dòng)換檔機(jī)械手及其控制方法，是代替人類駕駛員對(duì)汽車變速箱自動(dòng)換檔的機(jī)械裝置，其實(shí) 現(xiàn)主要是基于空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 汽車換檔機(jī)械手是在汽車自動(dòng)駕駛或試驗(yàn)用車時(shí)，可以在不對(duì)汽車變速箱做改造 的前提下，對(duì)汽車換檔桿進(jìn)行自動(dòng)換檔操作。換檔機(jī)械手的控制系統(tǒng)根據(jù)換檔需要發(fā)出指 令，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)換檔裝置做出對(duì)變速箱換檔桿的換檔動(dòng)作。
[0003] 汽車換檔有多種形式，自動(dòng)換檔機(jī)械手需要完成不同種類的換檔桿控制，需要對(duì) 各種汽車變速箱具有非常好的適應(yīng)性。換檔桿的端頭工作在球形曲面上，換檔機(jī)械手需要 具有多個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)自由度才能驅(qū)動(dòng)換檔桿在球形曲面上運(yùn)動(dòng)，完成不同的換檔操作?，F(xiàn) 有的幾種換檔機(jī)械手都難以精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)換檔桿在球形曲面上的運(yùn)動(dòng)，體積巨大笨重，難以完 成對(duì)所有的變速箱進(jìn)行高效率的換檔操作。同時(shí)在汽車駕駛實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要將汽車駕駛至實(shí) 驗(yàn)場(chǎng)地或者試驗(yàn)機(jī)上，現(xiàn)有的換檔機(jī)械手都會(huì)占用駕駛員座椅位置，致使駕駛員不能正常 駕駛被實(shí)驗(yàn)汽車，需要借助吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備來輔助實(shí)驗(yàn)，增加了實(shí)驗(yàn)難度和實(shí)驗(yàn)成本。
[0004] 國(guó)內(nèi)申請(qǐng)?zhí)枮?00420027440.8的專利公開了一種汽車手動(dòng)變速箱自動(dòng)換檔裝 置，該換檔裝置由七個(gè)連桿組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其利用氣缸和電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，通過切換搖桿 位置來解耦選檔與掛檔動(dòng)作，由于空氣具有很大的壓縮性，位置精度控制差。整套系統(tǒng)需要 提供清潔穩(wěn)定的空氣動(dòng)力源，系統(tǒng)龐大、繁重，需要固定在駕駛員座椅上，無法適應(yīng)所有的 汽車手動(dòng)變速箱換檔操作。
[0005] 國(guó)內(nèi)申請(qǐng)?zhí)枮?01110264909. 4的專利公開了一種汽車自動(dòng)駕駛機(jī)器人，汽車駕 駛機(jī)器人主要由換檔機(jī)械手部分與其他踏板執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。換檔機(jī)械手部分僅具有兩個(gè)自 由度，前傾和翻轉(zhuǎn)，無法完成在換檔桿堅(jiān)直方向上運(yùn)動(dòng)，會(huì)損壞換檔桿，且整個(gè)換檔機(jī)械手 固定在駕駛員座椅上，占用駕駛員座椅空間，無法人工駕駛。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種基于空間并聯(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。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種基于空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)的汽車換檔機(jī)械手，包括固定裝置、夾持裝置、驅(qū)動(dòng) 裝置、換檔裝置和控制系統(tǒng)，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括減速機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減速機(jī)的輸入端與所述 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] 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)。
[0010] 進(jìn)一步地，所述固定裝置包括堅(jiān)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裝置的環(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。 [0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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°。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 本發(fā)明還提供一種采用上述權(quán)利要求所述換檔機(jī)械手的汽車換檔控制方法，包括 如下步驟：
[0017] a、上位機(jī)發(fā)出換檔指令至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、油門踏 板位置信號(hào)、離合踏板位置信號(hào)以及機(jī)械手位置信號(hào)，若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速滿足設(shè)定換檔轉(zhuǎn)速，則 執(zhí)行步驟b，若不滿足則重新檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；
[0018] b、控制系統(tǒng)通過離合踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)離合踏板松開離合，同時(shí)控制系統(tǒng)檢測(cè)離 合踏板位置是否滿足換檔位置要求，若滿足則執(zhí)行步驟c，若不滿足則重新檢測(cè)離合踏板位 置；
[0019] c、控制系統(tǒng)通過油門踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)油門踏板改變油門開度，同時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速是否滿足設(shè)定起步轉(zhuǎn)速，若滿足則執(zhí)行步驟d，若不滿足則繼續(xù)驅(qū)動(dòng)油門踏板改變油門 開度；
[0020] d、控制系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)械手位置并進(jìn)行換檔路徑規(guī)劃，控制換檔機(jī)械手拉動(dòng)換檔桿運(yùn) 動(dòng)至需要檔位位置，判斷換檔機(jī)械手是否到達(dá)指定位置，若是則執(zhí)行e步驟，否則將繼續(xù)進(jìn) 行換檔路徑規(guī)劃；
[0021] e、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；
[0022] f、控制系統(tǒng)通過離合驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)離合踏板閉合離合，完成換檔。
[0023] 所述換檔機(jī)械手的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，驅(qū)動(dòng)擺臂一端固定連接在傳動(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，換檔桿套筒下端固定套設(shè)在換檔桿上；以換檔桿末端位置建立空間坐標(biāo)系，S n、 S2i、Sp &分別為兩組連桿機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)橫桿與換檔桿套筒之間的球鉸鏈以及驅(qū)動(dòng)擺臂與驅(qū) 動(dòng)橫桿之間的球鉸鏈，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) 的輸出端之間堅(jiān)直方向轉(zhuǎn)角為9 1和％，步驟d中的換檔路徑規(guī)劃包括：
[0024] dl、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』， 代入公式

【權(quán)利要求】
1. 一種基于空間并聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)的汽車換檔機(jī)械手，包括固定裝置（100)、夾持裝置 (200)、驅(qū)動(dòng)裝置（300)、換檔裝置（400)和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置（300)包 括減速機(jī)（310)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)（320)，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 (400)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（430)，該連桿機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)擺臂 (410)和驅(qū)動(dòng)橫桿（420);所述驅(qū)動(dòng)擺臂（410) -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（430)下端固定套設(shè)在換檔桿上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車換檔機(jī)械手，其特征在于，所述固定裝置（100)包括堅(jiān)直 設(shè)置在車內(nèi)可伸縮的固定桿（110)，該固定桿下端設(shè)置有安裝支架（120)，固定桿上端設(shè)置 有吸頂盤（130)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車換檔機(jī)械手，其特征在于，所述夾持裝置（200)包括用于 夾持所述固定裝置（100)的環(huán)形夾持器（210)和用于固定所述驅(qū)動(dòng)裝置的連接板（220)，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所述的汽車換檔機(jī)械手，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（331)和蝸輪（332)，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（333)與驅(qū)動(dòng)擺臂（410)垂直固定連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車換檔機(jī)械手，其特征在于，兩個(gè)所述驅(qū)動(dòng)橫桿（420)之間 的夾角Θ為30°?90°。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車換檔機(jī)械手，其特征在于，所述換檔桿套筒（430)頂端設(shè) 置有蘑菇狀的手頭（431)。
7. -種采用權(quán)利要求1所述換檔機(jī)械手的汽車換檔控制方法，其特征在于，包括如下 步驟： a、 上位機(jī)發(fā)出換檔指令至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、油門踏板位 置信號(hào)、離合踏板位置信號(hào)以及機(jī)械手位置信號(hào)，若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速滿足設(shè)定換檔轉(zhuǎn)速，則執(zhí)行 步驟b，若不滿足則重新檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； b、 控制系統(tǒng)通過離合踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)離合踏板松開離合，同時(shí)控制系統(tǒng)檢測(cè)離合踏 板位置是否滿足換檔位置要求，若滿足則執(zhí)行步驟c，若不滿足則重新檢測(cè)離合踏板位置； c、 控制系統(tǒng)通過油門踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)油門踏板改變油門開度，同時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 是否滿足設(shè)定起步轉(zhuǎn)速，若滿足則執(zhí)行步驟d，若不滿足則繼續(xù)驅(qū)動(dòng)油門踏板改變油門開 度； d、 控制系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)械手位置并進(jìn)行換檔路徑規(guī)劃，控制換檔機(jī)械手拉動(dòng)換檔桿運(yùn)動(dòng)至 需要檔位位置，判斷換檔機(jī)械手是否到達(dá)指定位置，若是則執(zhí)行e步驟，否則將繼續(xù)進(jìn)行換 檔路徑規(guī)劃； e、 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； f、 控制系統(tǒng)通過離合驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)離合踏板閉合離合，完成換檔； 所述換檔機(jī)械手的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，驅(qū)動(dòng)擺臂一端固定連接在傳動(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，換檔桿套筒下端固定套設(shè)在換檔桿上；以換檔桿末端位置建立空間坐標(biāo)系，S n、s2i、 Sp &分別為兩組連桿機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)橫桿與換檔桿套筒之間的球鉸鏈以及驅(qū)動(dòng)擺臂與驅(qū)動(dòng) 橫桿之間的球鉸鏈，0P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 輸出端之間堅(jiān)直方向轉(zhuǎn)角為9 1和％，步驟d中的換檔路徑規(guī)劃包括： dl、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』， / Λ ( A f \ x〇 ?γ λ X Rj xs2j s2J _ 代入公式心=h -及內(nèi)產(chǎn)>70和少?=Λ戶2尸叫中得到S2i和 卜J U-V2嚴(yán)岣J 及戶2嚴(yán)氣 S2j的空間坐標(biāo)，并代入公式(氣-XJ-+(V、-vJ2+(^ -.和 2 h _XJ2+(VS) -V、K'一2s: 可求得Sli、sij的空間坐標(biāo)，即可得到換 檔桿的空間姿態(tài)； d2、結(jié)合換檔桿的目標(biāo)位置，查表得出換檔路徑； d3、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)兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)完成 換檔路徑規(guī)劃。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的汽車換檔控制方法，其特征在于，所述設(shè)定換檔轉(zhuǎn)速為 1500-3000r/min。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的汽車換檔控制方法，其特征在于，所述設(shè)定起步轉(zhuǎn)速為 1500-2000r/min。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的汽車換檔控制方法，其特征在于，所述安全離合轉(zhuǎn)速為 1500-2000r/min。
【文檔編號(hào)】G01M17/00GK104227709SQ201410445820
【公開日】2014年12月24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, 劉路, 丁冀, 方俊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院