一种可伸缩化汽车驾驶机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人技术，特别是一种可伸缩化汽车驾驶机器人。

背景技术：

可伸缩模块化汽车驾驶机器人是指安装在汽车驾驶室内，代替人类驾驶员在危险的条件和恶劣环境下进行车辆驾驶的工业驾驶机器人。利用驾驶机器人进行汽车试验、帮助残疾者驾驶汽车操作或者用于核电站、重化工等存在严重污染的场合时，可以减轻人类的劳动强度，降低危险恶劣环境对人类的伤害，提高试验结果的客观性和准确度、残疾者驾驶汽车的能力以及安全性。另外，智能车辆是将汽车作为一个整体进行考虑，把车辆作为移动机器人进行改装或者重新设计，对汽车的操纵机构甚至动力系统等进行了比较多的改造，或者重新设计。一旦该车辆任何一部分损坏，就无法继续进行作业，那么人类驾驶员就要参与到汽车作业中来。可伸缩模块化汽车驾驶机器人并非构建在特殊车辆上，而是可以安装在各种规格的汽车驾驶室内，一旦汽车损坏，该驾驶机器人就可以换装到另一台车上。

目前已有的驾驶机器人主要用于汽车试验，通用性较差。驾驶机器人在使用时占用驾驶员座位,不使用时需要将其移出驾驶室。且现有的驾驶机器人有太多的机械调节机构，在不同的车辆上使用时需要调节机械手臂的长度和位置以及机械腿的长度，操作较复杂。中国专利201310361723.X“电磁驱动汽车驾驶机器人”目前仅用于汽车试验，通用性较差。在试验时需将驾驶机器人放于驾驶员座椅上，并用绳子办好，并调节驾驶机器人的脚板固定在汽车踏板上，且机械腿之间的间距不可调节，对于不同踏板间距的汽车通用性较差。每次试验结束，需要人工将机械腿脚板和换挡机械手卸下，解除绑在驾驶机器人身上的绳子，最后将驾驶机器人移除驾驶室，操作较为繁琐。中国专利201420450442.1“一种用于汽车试验的高性能自主驾驶机器人”和中国专利2015105569990.5“一种基于力/位置混合控制的拖拉机驾驶机器人”在使用时同样也占用了驾驶员座椅，使用完毕也需将驾驶机器人从驾驶室移除，操作繁琐。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可伸缩化汽车驾驶机器人，该汽车驾驶机器人安装方便、通用性强、结构简单、定位和控制精度高、实时性好，且适合各种汽车。

一种可伸缩化汽车驾驶机器人，包括换挡机械手模块、机械腿模块、驾驶机器人实时控制计算机、运动控制模块、数据采集与信号调理模块、车速测量模块、发动机转速测量模块。其中换挡机械手模块包括机械手、换挡机械手旋转电机和机械手控制器，机械手控制器包括机械手旋转电机运动控制单元和机械手角度位移及电流传感器，换挡机械手的机械手固定在换挡箱上，换挡机械手旋转电机驱动换挡机械手动作，换挡机械手旋转电机与机械手旋转电机运动控制单元输出端、机械手角度位移及电流传感器输入端连接，机械手旋转电机运动控制单元输入端与运动控制模块输出端连接，机械手角度位移及电流传感器输出端与数据采集与信号调理模块输入端连接；机械腿模块包括机械腿、机械腿旋转电机和机械腿控制器，机械腿控制器包括机械腿旋转电机控制单元和机械腿角度位移及电流传感器，机械腿末端设置于踏板上，机械腿旋转电机驱动机械腿动作，机械腿旋转电机与机械腿旋转电机控制单元输出端、机械腿角度位移及电流传感器输入端连接，机械腿的旋转电机控制单元输入端与运动控制模块输出端连接，机械腿角度位移及电流传感器输出端与数据采集与信号调理模块输入端连接；车速测量模块获取车速信息且车速测量模块输出端与数据采集与信号调理模块输入端连接；发动机转速测量模块获取发动机转速且发动机转速测量模块输出端与数据采集与信号调理模块输入端连接；数据采集与信号调理模块用于将采集的信号传递给驾驶机器人实时控制计算机且数据采集与信号调理模块输出端与驾驶机器人实时控制计算机输入端连接；驾驶机器人实时控制计算机对信号进行处理获取各旋转电机旋转轴旋转角度。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明采用可调节安装底座，可以替换原驾驶员座椅安装在汽车驾驶室内，且能适应各种车型。在不需要机器人驾驶时，不用将驾驶机器人移出驾驶室；(2)本发明换挡机械手结构是参考人类手臂关节特征而设计的，无需外加机械调整机构，能够操纵不同汽车的不同位置的换挡手柄，且不使用时可以收进换挡箱；(3)本发明机械腿结构考虑到人类腿的关节特征以及踩踏板的需要而设计的，无需附加调整机构，能够操控不同汽车的踏板，且机械腿可收回到汽车座椅下，对驾驶员驾驶汽车时不造成影响。机械腿的间距可调，可以适应不同汽车上不同间距的踏板；(4)本发明采用旋转电机直接驱动驾驶机器人油门、制动、离合器机械腿和换挡机械手等执行机构动作，无需中间传动环节及调节机构，减小了体积，降低了重量，提高了定位和控制精度，实时性更好。

下面结合说明书附图度本发明做进一步描述。

附图说明

图1本发明总体结构示意图。

图2本发明可调节安装底座结构示意图。

图3本发明换挡机械手结构示意图。

图4本发明机械腿结构示意图。

图5本发明控制结构示意图。

具体实施方式

可伸缩模块化汽车驾驶机器人，包括汽车座椅、可调节安装底座8、机械腿模块、换挡机械手模块、车速测量模块34、发动机转速测量模块35、运动控制模块32、数据采集与信号调理模块33和驾驶机器人实时控制计算机31。其中机械腿模块包括机械腿和机械腿控制器，换挡机械手模块包括换挡机械手10和换挡机械手控制器；机械腿与机械腿控制器相连，换挡机械手10与换挡机械手控制器相连，机械腿控制器和换挡机械手控制器都与运动控制模块32、数据采集与信号调理模块33相连，运动控制模块32和数据采集与信号调理模块33和驾驶机器人实时控制计算机31相连，机械腿控制器包括机械腿旋转电机、机械腿旋转电机控制单元和机械腿旋转电机角度位移及电流传感器，机械腿旋转电机与机械腿相连，机械腿旋转电机控制单元和机械腿旋转电机角度位移及电流传感器与机械腿旋转电机相连；换挡机械手控制器包括机械手旋转电机、机械手旋转电机运动控制单元30、换挡机械手角度位移及电流传感器，换挡机械手旋转电机与换挡机械手旋转电机运动控制单元30以及换挡机械手角度位移及电流传感器29相连，换挡机械手旋转电机一20固定在换挡箱9上。换挡机械手运动控制单元30以及机械腿电机控制单元与运动控制模块32相连，换挡机械手角度位移及电流传感器29、机械腿角度位移及电流传感器、车速测量模块34、发动机转速测量模块35分别于数据采集与信号调理模块33连接。

换挡机械手模块包括换挡机械手旋转电机一20、换挡机械手旋转电机二21、换挡机械手旋转电机三22、一号手臂杆36、二号手臂杆37、换挡机械手掌38；换挡机械手旋转电机一20安装在换挡箱9底座上，换挡机械手旋转电机二21安装在换挡机械手旋转电机一20上，换挡机械手旋转电机二21与一号手臂杆36一端连接，一号手臂杆36另一端与换挡机械手旋转电机三23连接，二号手臂杆37一端与换挡机械手旋转电机三22连接，另一端与换挡机械手掌38连接；角度位移传感器分别安装在3个换挡机械手旋转电机上；换挡机械手掌38与二号手臂杆37采用球铰链方式连接；换挡箱9固定在汽车扶手箱上，换挡箱滑盖11沿着换挡箱9上的轨道滑动。

机械腿模块包括机械腿脚板、机械腿小腿杆、机械腿大腿杆、机械腿旋转电机、机械腿间距调节块48、机械腿间距调节连接块49，机械腿间距调节块48用螺栓安装在控制盒6的滑槽上，机械腿间距调节块48与机械腿间距调节连接块49、机械腿小腿杆与机械腿脚板分别采用铰链固定和螺栓连接。

可调节安装底座8包括底座框架50、垫片51、底座横滑杆53、底座滑块54；底座横滑杆53在底座框架50上滑动，底座滑块54套在底座横滑杆53上滑动；底座滑块54通过螺栓安装在驾驶室地板上，驾驶机器人底座通过垫片用螺栓安装底座框架50上。

汽车座椅包括靠枕1、靠背2、安全带扣3、座垫4、座垫支撑5。座垫支撑5设置在底座横滑杆53上。

本发明中机械腿模块可以包括油门机械腿模块12、制动机械腿模块13、离合机械腿模块7。

油门机械腿模块12控制器包括油门机械腿旋转电机一16、油门机械腿旋转电机二17、油门机械腿电机控制单元24、油门机械腿角度位移及电流传感器23，油门机械腿旋转电机二17连接油门机械腿间距调节连接块49和油门机械腿大腿杆47，油门机械腿旋转电机一16连接油门机械腿小腿杆46和油门机械腿大腿杆47，油门机械腿旋转电机控制单元24和油门机械腿角度位移及电流传感器23与油门机械腿旋转电机连接。

制动机械腿模块13控制器包括制动机械腿旋转电机一18、制动机械腿旋转电机二19、制动机械腿电机控制单元26、制动机械腿角度位移及电流传感器25，制动机械腿旋转电机二19连接制动机械腿间距调节连接块49和制动机械腿大腿杆44，制动机械腿旋转电机一18连接制动机械腿小腿杆43和制动机械腿大腿杆44，制动机械腿旋转电机控制单元26和制动机械腿角度位移及电流传感器25与制动机械腿旋转电机连接。

离合器机械腿模块7控制器包括离合器机械腿旋转电机一14、离合器机械腿旋转电机二15、离合器机械腿电机控制单元28、离合器机械腿角度位移及电流传感器27，离合器机械腿旋转电机二15连接离合器机械腿间距调节连接块49和离合器机械腿大腿杆41，离合器机械腿旋转电机一14连接离合器机械腿小腿杆40和离合器机械腿大腿杆41，离合器机械腿旋转电机控制单元28和离合器机械腿角度位移及电流传感器27与离合器机械腿旋转电机连接。

换挡机械手10控制器包括换挡机械手旋转电机一20、换挡机械手旋转电机二21、换挡机械手旋转电机三22、换挡机械手旋转角度位移及电流传感器29、换挡机械手运动控制单元30，换挡机械手旋转电机与换挡机械手运动控制单元30和换挡机械手角度位移及电流传感器29连接。

换挡机械手运动控制单元30、离合器机械腿电机控制单元28、制动机械腿电机控制单元26、油门机械腿电机控制单24与运动控制模块32连接，换挡机械手角度位移及电流传感器29离合器机械腿角度位移及电流传感器27、制动机械腿角度位移及电流传感器25、油门机械腿角度位移及电流传感器23与数据采集及信号调理模块33连接。

如图1图3所示，换挡机械手10包括换挡机械手旋转电机一20、换挡机械手旋转电机二21、换挡机械手旋转电机三22、一号手臂杆36、二号手臂杆37、换挡机械手掌38；换挡机械手旋转电机一20安装在换挡箱9底座上，换挡机械手旋转电机二21安装在换挡机械手旋转电机一20，一号手臂杆36两端通过转轴连接换挡机械手旋转电机二21和换挡机械手旋转电机三22，二号手臂杆37一端通过转轴连接换挡机械手旋转电机三22、另一端通过球铰链连接换挡机械手掌38，换挡机械手掌38抓住汽车变速箱操作球头杆；在换挡时，通过控制换挡机械手旋转电机一20、换挡机械手旋转电机三22来实现换挡动作，换挡机械手旋转电机二21不受控制自由旋转，利用角度位移传感器测得换挡机械手旋转电机一和换挡机械手旋转电机三的当前旋转角度。在伸出机械手以及抓取变速手柄以及松开变速手柄缩回换挡机械手时需协调控制三个旋转电机。在选档和挂挡运动中，通过换挡机械手旋转电机一20和换挡机械手旋转电机三22实现换挡机械手掌38绕竖直轴的水平转动和绕换挡机械手旋转电机三22转轴的旋转运动，从而换挡机械手掌38就能推着变速手柄实现选档和挂挡两个方向的移动，通过角度位移传感器可以实时检测到选档与挂挡的位置；在不需要汽车座椅驾驶机器人的换挡机械手10参与汽车驾驶换挡操作时，先通过控制换挡机械手旋转电机三22将换挡机械手掌38从变速手柄上移开，并折叠二号手臂杆37到一号手臂杆36，再通过控制换挡机械手旋转电机一20将换挡机械手转到其对称轴线与换挡箱9对称轴线重合，最后控制换挡机械手旋转电机二21将换挡机械手收回换挡箱内并关闭换挡箱滑盖11，伸出过程与收回过程相反。由于不同车型的变速器手柄所在驾驶室内的位置不同，控制换挡机械手旋转电机一、二、三可控制换挡机械手掌抓取变速手柄。

如图1图4所示，油门机械腿模块12包括油门机械腿脚板45、油门机械腿小腿杆46、油门机械腿旋转电机一16、油门机械腿大腿杆47、油门机械腿旋转电机二17、机械腿间距调节连接块49、机械腿间距调节块48；油门机械腿脚板45与油门机械腿小腿杆46采用螺栓连接，油门机械腿小腿杆46与油门机械腿大腿杆47连接到油门机械腿旋转电机一16，油门机械腿旋转电机二17两侧连接油门机械腿大腿杆47与机械腿间距调节连接块49，机械腿间距调节连接块49与机械腿间距调节块48采用铰链固定连接，机械腿间距调节块48用螺栓安装在控制盒6的滑槽上。

制动机械腿模块13包括制动机械腿脚板42、制动机械腿小腿杆43、制动机械腿旋转电机一18、制动机械腿大腿杆44、制动机械腿旋转电机19、机械腿间距调节连接块49、机械腿间距调节块48；制动机械腿脚板42与制动机械腿小腿杆43采用螺栓连接，制动机械腿小腿杆43与制动机械腿大腿杆44连接到制动机械腿旋转电机一8，制动机械腿旋转电机二19两侧连接制动机械腿大腿杆44与机械腿间距调节连接块49，机械腿间距调节连接块49与机械腿间距调节块48采用铰链固定连接，机械腿间距调节块48用螺栓安装在控制盒6的滑槽上。

离合器机械腿模块7包括离合器机械腿脚板39、离合器机械腿小腿杆40、离合器机械腿旋转电机一14、离合器机械腿大腿杆41、离合器机械腿旋转电机二15、机械腿间距调节连接块49、机械腿间距调节块48；离合器机械腿39与离合器机械腿小腿杆40采用螺栓连接，离合器机械腿小腿杆40与离合器机械腿大腿杆41连接到离合器机械腿旋转电机一14，离合器机械腿旋转电机二15两侧连接离合器机械腿大腿杆41与机械腿间距调节连接块49，机械腿间距调节连接块49与机械腿间距调节块48采用铰链固定连接，机械腿间距调节块48用螺栓安装在控制盒6的滑槽上。

不同的汽车踏板之间的距离不相同，通过机械腿间距调节块可以调节机械腿间的距离来适应不同汽车的踏板间距，由机械腿间距调节连接块连接机械腿旋转电机二，旋转电机二、机械腿大腿杆、旋转电机一、机械腿小腿杆按顺序连接，机械腿小腿杆末端通过螺栓连接脚板；考虑到驾驶机器人机械腿脚板能自动地套住汽车踏板，脚板的开口设计成外开口大，向内开口减小。这样就脚板就比较容易地套住踏板，且由于开口向内是减小的，所以往里套就脚板就能紧紧地套住踏板。驱动两个旋转电机，能够使脚板在机械腿所在的平面内满足踏板轨迹跟踪要求。在不需要机械腿参与汽车踏板操作时，控制机械腿旋转电机一将脚板从踏板上脱开，接着协调控制机械腿旋转电机一、二，使得机械腿小腿杆折叠到大腿杆出并收回到驾驶座椅下，完成驾驶机器人机械腿的收回动作。机械腿的伸出动作与收回动作控制过程相反。角度位移传感器能够实时检测旋转电机目前所在的角度坐标。

如图5所示，可伸缩模块化汽车驾驶机器人检测系统以驾驶机器人实时控制计算机31为核心，驾驶机器人实时控制计算机31接收各执行机构的当前位置、旋转电机的角度位移与电流、车速与发动转速等信息，根据所得到的输入数据与预先输入至存储器中的目标工况数据比较，计算机实时输出执行机构的指令信号。控制单元接收运动控制模块32的信号驱动旋转电机，实现对旋转电机的控制。驾驶机器人实时控制计算机31根据预先设定的指令协调控制三条机械腿和换挡机械手，完成机械腿和换挡机械手的伸出和收回以及驾驶任务。

首次安装时，先将原来的驾驶员座椅卸下，安装上可伸缩模块化汽车驾驶机器人。首次使用驾驶机器人之前，需要对驾驶机器人进行试教。先手动将换挡机械手掌套住汽车变速手柄，将机械腿脚板套住汽车踏板，利用驾驶机器人实时控制计算机31以及安装在机械腿和换挡机械手上的角度位移传感器获得汽车油门、制动、离合器踏板以及变速手柄的行程与位置，建立控制基准。完成试教后，驾驶机器人便具有换挡机械手与机械腿自动伸出与收回的功能，以及根据汽车当前车速以及行驶工况来协调控制机械手与机械腿。