張?zhí)m娣，李常勝，王少雷，張燦果

（河北建筑工程學(xué)院，張家口 075024）

0 引言

機(jī)器人駕駛員已經(jīng)成為汽車制造商們的“試車員”，在設(shè)計和檢測新車的性能時大顯身手。例如，在試驗中有時汽車只是局部作一些細(xì)微的改動，真人試車員往往難以把握，導(dǎo)致人為誤差而影響試驗結(jié)果，而機(jī)器人的操作卻可以達(dá)到理想的求，與其聯(lián)動的檢測系統(tǒng)也可以準(zhǔn)確無誤地給出結(jié)果，非常適合需要長時間進(jìn)行的汽車性能和壽命試驗。

目前，汽車自動駕駛技術(shù)在國外已經(jīng)發(fā)展得相對成熟，但也存在一些問題，例如：1）據(jù)資料介紹，美國研發(fā)的一項自動駕駛技術(shù)的成本在30萬美元左右，而這樣的價位對相對來說是非常昂貴的，并不十分適用于商業(yè)生產(chǎn)；2）已經(jīng)研究成功的產(chǎn)品大部分只具備“三踏”和換擋功能，但不具備自動點(diǎn)火功能，從這一角度講，其功能是不完善的；3）由于已研發(fā)的產(chǎn)品大部分都具有專業(yè)傾向，故適用范圍非常有限，只適用于一種或某一型號的幾種車型。因而研制開發(fā)適合我國汽車企業(yè)生產(chǎn)的汽車自動駕駛儀系統(tǒng)是實現(xiàn)我國汽車優(yōu)良車種、車型的國產(chǎn)化以及中國汽車趕超世界先進(jìn)水平的必要保證。

1 對汽車自動駕駛儀的性能要求

汽車自動駕駛儀并非構(gòu)建在特殊的車體結(jié)構(gòu)上，而完全基于現(xiàn)有的商品車型，且對原車輛內(nèi)部的改動與改裝盡量少。因此駕駛機(jī)器人應(yīng)具有如下基本性能：

1）整個系統(tǒng)易于裝配與拆卸：采用輕質(zhì)元件的積木化設(shè)計，一個人就能快速方便地裝配與拆卸系統(tǒng)，整個過程無需使用任何工具，安裝和調(diào)整時間不能過長。

2）控制軟件易于試驗與安裝：控制軟件的運(yùn)行應(yīng)是自動的，界面是用戶友好的；操作人員僅在監(jiān)控室內(nèi)進(jìn)行操作，不需要對任何控制參數(shù)進(jìn)行手工調(diào)整?？刂栖浖﹂L時間試驗引起車輛性能變化具有補(bǔ)償、容錯能力。

3）適用于多種車輛的不同項目的試驗：駕駛機(jī)器人能適用于各種車輛，不管是手動變速，還是自動變速；不管是小型車輛，還是大型車輛；不管是通用車輛，還是新型車輛如低排放車輛、電動車輛、混合動力車輛等。能適合耐久性排放試驗、燃油經(jīng)濟(jì)性試驗、整車及零部件強(qiáng)化試驗、惡劣環(huán)境試驗、噪聲試驗、車輛的研究與開發(fā)等各種試驗的應(yīng)用。

4）具有自學(xué)習(xí)能力：具有自動學(xué)習(xí)駕駛員環(huán)境幾何尺寸特性的能力，如離合器踏板結(jié)合點(diǎn)、離合器踏板行程、加速踏板行程、制動踏板行程、變速器換檔位置等。能自動確定油門踏板位移與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度、不同檔位下車速之間的關(guān)系及制動踏板行程與減速度之間的關(guān)系。

5）具有高精度與高重復(fù)性：在進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性試驗與排放試驗時，駕駛機(jī)器人應(yīng)具有高度的可重復(fù)性；長時間試驗?zāi)鼙ＷC車速跟蹤精度、行駛里程累計偏差符合規(guī)定。

6）駕駛特性與人類駕駛吳力求-致：駕駛機(jī)器人需要真實模擬人類駕駛員的駕駛操作，在動作上具有人體肌肉的彈性和柔順性，在操作配合上要具有人的協(xié)調(diào)性。

7）安全可靠：適用溫度范圍廣(如-40℃~80 ℃ )，對于惡劣環(huán)境下長時間的試驗，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的安全性、可靠性，如整個系統(tǒng)必須具有電磁兼容性、故障檢測與報警功能、自動停車功能。

2 汽車駕駛儀的結(jié)構(gòu)組成

汽車自動駕駛儀是汽車研發(fā)公司為了測試成品汽車動力特性的全自動化機(jī)器人。研發(fā)的目的在于啟動汽車以后自動調(diào)節(jié)汽車檔位，合理使用離合、油門和制動三個踏板，使汽車能夠合理的按照給定的運(yùn)行速度曲線運(yùn)行，保證一定速度的運(yùn)行進(jìn)度。因而具體要求為：

1）駕駛儀根據(jù)排放分析儀的控制信號進(jìn)行自動點(diǎn)火，點(diǎn)火形式包括旋轉(zhuǎn)鑰匙啟動和按鈕點(diǎn)擊式啟動兩種方式。軟件中可以設(shè)置點(diǎn)火延遲時間、具備發(fā)動機(jī)點(diǎn)火是否成功的判斷及處理措施，并可以測量鑰匙的旋轉(zhuǎn)力；

2）根據(jù)車速自動換檔，適用不同形式的換檔機(jī)構(gòu)；

3）根據(jù)一定的速度變化要求，合理使用三踏（離合踏板、油門踏板、制動踏板）。

因此研發(fā)的汽車自動駕駛儀的結(jié)構(gòu)主要由三踏板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、擋位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和啟動機(jī)構(gòu)三部分組成。

3 執(zhí)行元件的選取及方案的實施

3.1 三踏板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

基于離合、油門、制動三個踏板的位置排列的實際情況，可采用并聯(lián)的三個電動推桿通過線性伸縮來分別推動三個踏板完成動力的續(xù)斷、油門的增減以及減速停車操作。電動推桿前端安裝球形頭與踏板接觸。其大體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三踏板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理示意圖

并聯(lián)的三個電動推桿以螺栓聯(lián)結(jié)平行固定于同一連桿上，連桿由兩個可伸縮支架支撐，推桿的尾端吊耳套在固定于底座支架的固定架上，這樣機(jī)構(gòu)就有兩個自由度：調(diào)節(jié)伸縮支架可改變機(jī)構(gòu)俯仰角度適應(yīng)踏板高度，調(diào)節(jié)推桿與連桿的相對位置改變推桿間距以適應(yīng)踏板間距。推桿動力裝置選用交流伺服電動機(jī)，電機(jī)通過安裝法蘭與推桿平行固聯(lián)，動力則以同步帶傳遞。

3.2 換擋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

實際操作中的換擋動作是由前后和左右兩個關(guān)聯(lián)動作來完成的，因此運(yùn)用兩個相互垂直的線性執(zhí)行裝置來實現(xiàn)所要求的動作，用兩個垂直疊放的直線導(dǎo)軌固定于底座支架上，由電機(jī)驅(qū)動同步帶轉(zhuǎn)動來帶動滑塊直線移動。固定導(dǎo)軌滑塊橫向往復(fù)移動，隨動導(dǎo)軌隨著固定導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動，而隨動導(dǎo)軌上的滑塊可縱向往復(fù)移動，將其與檔柄聯(lián)結(jié)進(jìn)而實現(xiàn)換擋動作。

基于系統(tǒng)傳動精度及抗震要求，此機(jī)構(gòu)滾珠絲杠的動力裝置也擬選用與三踏機(jī)構(gòu)同類型的交流伺服電機(jī)，為合理利用有限空間，可將電機(jī)與導(dǎo)軌垂直安裝，電機(jī)到滾珠絲杠的傳動可通過完全相同的兩個45°錐度角的錐齒輪實現(xiàn)。機(jī)構(gòu)與檔柄聯(lián)結(jié)處應(yīng)設(shè)計成柔性接觸以適應(yīng)檔桿端部動作時的弧線軌跡。

3.3 點(diǎn)火機(jī)械手

點(diǎn)火機(jī)構(gòu)設(shè)計為空間機(jī)械手的形式，機(jī)械手尾端固定于底座支架上，其前端安裝擺動電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實現(xiàn)鑰匙啟動開關(guān)的擺轉(zhuǎn)操作，安裝線性伸縮執(zhí)行機(jī)構(gòu)用以實現(xiàn)對啟動按鈕的線性操作。前端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過若干可相對回轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)最終連于底座支架上，而通過對關(guān)鍵的中間關(guān)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計，可使該機(jī)械手具備一定的使用范圍，從而實現(xiàn)對各種不同車型的可行點(diǎn)火啟動操作。

點(diǎn)火機(jī)械手由七個關(guān)節(jié)六個空間自由度組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。前三個關(guān)節(jié)組成平行四連桿機(jī)構(gòu)，提供一個自由度，其中a3桿主要用于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。其余四個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為末端執(zhí)行器提供所需的空間自由度，其中d、e、f三者的聯(lián)結(jié)可參照三自由度轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

點(diǎn)火機(jī)械手采用關(guān)節(jié)式手動調(diào)節(jié)手動緊固形式，即手動相對回轉(zhuǎn)各個關(guān)節(jié)，調(diào)整到滿足工作要求的位置時，再擰緊聯(lián)結(jié)螺栓，靠聯(lián)結(jié)面之間的摩擦力來實現(xiàn)關(guān)節(jié)的定位。關(guān)節(jié)可設(shè)計成普通柄桿和音叉兩種結(jié)構(gòu)形式以便于聯(lián)結(jié)。末端的擺動電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)擬選用擺動電磁閥實現(xiàn)鑰匙開關(guān)的旋轉(zhuǎn)操作，線性伸縮機(jī)構(gòu)擬選用伸縮電磁閥實現(xiàn)按按鈕點(diǎn)火操作，此二者均受控于控制系統(tǒng)，通過已編好的程序指令實現(xiàn)預(yù)定點(diǎn)火動作。

圖2 點(diǎn)火機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡圖

4 結(jié)論

汽車試驗用駕駛機(jī)器人即汽車自動駕駛儀是

汽車試驗中代替人類駕駛員進(jìn)行操作的工業(yè)機(jī)器人，它主要由油門機(jī)械腿、制動機(jī)械腿、離合器機(jī)械腿、換檔機(jī)械手、點(diǎn)火機(jī)械手等組成。具有工作準(zhǔn)確、耐久性好、速度快、重復(fù)性精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以完成人類難以忍受的長時間、高效率的汽車性能與壽命試驗、汽車工況排放試驗，尤其是一系列的對比性強(qiáng)的性能試驗，能消除駕駛中人為因素的影響，而得到較精確的測試結(jié)果。汽車自動駕駛儀的研發(fā)也是衡量一個國家科研實力和工業(yè)水平的一個重要標(biāo)志，在國防和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 汪儉.機(jī)械設(shè)計與制造[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 杜虹.機(jī)械工程師[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3] 朱根龍.機(jī)械教學(xué)設(shè)計手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[4] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計實用手冊[M].第2版.化學(xué)工業(yè)出版社,2003.