CN102637058B

CN102637058B - 自动驾驶机器人

Info

Publication number: CN102637058B
Application number: CN201110247651.7A
Authority: CN
Inventors: 石柱; 张文俊; 胡可凡; 龚云海; 高雪官
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Fanyun Intelligent Technology (Shanghai) Co.,Ltd.
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2031-08-25
Also published as: CN102637058A

Abstract

本发明提出一种能够代替人类完成驾驶任务的自动驾驶机器人，包括躯体部分、视觉信号采集部分、方向盘控制部分、换挡部分以及驱动腿部分，其特征在于：所述躯体部分包括底座、支撑在底座上且能够相对底座前后移动的水平滑动平台、用于将水平滑动平台相对底座锁定的水平锁定机构、设置在水平滑动平台上的竖直滑轨、滑动设置在竖直滑轨上的竖直滑块、用于将竖直滑块相对竖直滑轨锁定的竖直锁定机构，所述方向盘控制部分与所述竖直滑块连接。该发明具有良好的适应性，能够适应具有不同高度和大小的方向盘的车辆；并且，本发明噪音低，控制精度高。另外，该自动驾驶机器人在使用过程中不需要对车辆进行任何的改装，因此能够保证车辆结构的完整性。

Description

自动驾驶机器人

技术领域

本发明涉及的是一种车辆驾驶领域的装置，具体是一种能够代替人类完成驾驶任务的自动驾驶机器人。

背景技术

车辆的出现极大地方便了人们的生产和生活，但长时间的驾驶往往会让驾驶员疲惫，消耗了人们大量的时间和精力。因此，随着智能化和自动化技术的不断发展，人们越来越渴望驾驶任务能为机器人所代替。此外，在车辆各工况实验，例如经济性、动力性、耐久性等实验中都需要长时间的重复操作过程，有时还需要提供极限驾驶的数据资料。如果完全由人工完成这些实验会使得人体产生诸多不适甚至造成伤害和危险。驾驶机器人的出现可以很好得解决这一问题。它不仅能替代人工完成各种实验任务，而且稳定性高、重复性好，已经成现代车辆试验中必不可少的智能化装置。

经过检索现有文献发现，中国专利申请号为CN200410065844.0，名称为“汽车试验用气电混合式驾驶机器人”的专利公开了由三种驱动腿、换挡机械手、方向盘固定装置、驾驶机器人控制计算机、换挡机械手控制箱、驱动腿控制箱、数据采集与处理模块和运动控制驱动部分等组成的驾驶装置。所述的驾驶机器人在接收到控制计算机设定的信号后，能够完成相应的动作，因此能在一定程度上代替驾驶员完成车辆性能试验。但该专利还存在一些缺陷。首先，在该发明中用特定的固定装置把方向盘固定住，因此***无法控制车辆方向盘的转动，这使得该机器人的适用范围具有一定的局限性。此外，该***中用到了气动装置，故需要配备气源。一方面，气源的出现增加了***的重量和体积，另一方面，气动装置也会增加了***的复杂程度和制作费用。同时，由于漏气等原因，气动装置的定位精度往往不尽如人意，进而影响该驾驶机器人对车辆的控制精度，而且气动装置在工作过程中往往会发出噪声。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种全新的、结构更为优化的自动驾驶机器人，解决现有自动驾驶机器人适用范围局限性大的不足以及气动装置所引入的各种缺陷。

本发明所采用的技术方案是：一种自动驾驶机器人，包括躯体部分、视觉信号采集部分、方向盘控制部分、换挡部分以及驱动腿部分；所述躯体部分包括底座、支撑在底座上且能够相对底座前后移动的水平滑动平台、用于将水平滑动平台相对底座锁定的水平锁定机构、设置在水平滑动平台上的竖直滑轨、滑动设置在竖直滑轨上的竖直滑块、用于将竖直滑块相对竖直滑轨锁定的竖直锁定机构，所述方向盘控制部分与所述竖直滑块连接。

优选的，所述底座上转动设置有位置调整手柄，所述位置调整手柄一端固定有齿轮；所述水平滑动平台上设置有齿条，上述齿条与齿轮构成齿轮齿条机构。所述躯体部分连接有一组双平行四边形机构，所述双平行四边形机构与换挡部分连接；所述双平行四边形机构具有两个水平面的转动自由度，并且双平行四边形机构的中间连接转轴处设置有偏心轮锁定机构，所述偏心轮锁定机构的偏心轮外圆周能够锁定所述双平行四边形机构的转动副。

所述视觉采集部分包括头部、第一蜗轮蜗杆副、第二蜗轮蜗杆副、齿轮箱、第一电机、第二电机以及固定装置；所述固定装置为对称布置的两个，分别固定连接至躯体部分，其中一个固定装置上设置有第一电机，所述第一电机与第一蜗轮蜗杆副的蜗杆连接，且第一蜗轮蜗杆副的蜗轮与齿轮箱固定连接，所述齿轮箱还与另一个固定装置转动连接；所述第二电机固定于齿轮箱中，并与第二蜗轮蜗杆副的蜗杆连接，第二蜗轮蜗杆副的蜗轮与头部固定连接。

所述的方向盘控制部分包括锁定机构、动力机构、卡盘机构和机械手机构；所述动力机构包括第三电机、与第三电机连接的减速器和编码器；卡盘机构与减速器连接；所述机械手机构为三个，且能够沿所述卡盘机构的径向运动。所述锁定机构包括固定件、螺旋手柄、滑块以及导轨副；所述固定件与躯体部分连接，所述导轨副与动力机构固定连接；所述滑块滑动插设在导轨副内，所述螺旋手柄具有螺纹，并与所述滑块螺纹连接，所述固定件转动套设在螺旋手柄上；所述滑块具有与固定件抵靠的工作位置，此时固定件相对导轨副锁定。所述机械手机构包括螺旋旋钮、带螺纹的导杆、基座、两个机械爪、两根机械手连杆；所述带螺纹的导杆插设在基座的光孔内，且与螺旋旋钮螺纹连接；所述机械爪转动连接在基座上，机械手连杆一端连接机械爪、另一端连接带螺纹的导杆。

所述的换挡部分包括连接板、套筒、前主动杆、后主动杆、四根连杆；所述连接板连接所述换挡部分以及躯体部分；所述前主动杆、后主动杆均由电机带动蜗轮蜗杆副进行驱动；所述前主动杆以及后主动杆与四根连杆一起组成一个具有平面二自由度的连杆机构；所述连杆机构上连接有套筒。所述套筒具有朝下的开口，所述开口内滑动设置有滑动圆柱，滑动圆柱与车辆的换挡手柄连接，所述滑动圆柱与套筒的顶部之间通过弹簧连接。

所述的驱动腿部分包括壳体、壳盖、电机座、减速器座、驱动腿步进电机、驱动腿减速器、圆锥齿轮副、后轴、直齿圆柱齿轮副、前轴、定位套筒、摇杆、驱动腿连杆、驱动腿腿踏板；所述壳体与躯体部分固定；所述电机座与减速器座固定在壳体上，所述驱动腿步进电机与驱动腿减速器连接；所述驱动腿减速器通过圆锥齿轮副与后轴连接；所述后轴通过直齿圆柱齿轮副与前轴连接；前轴通过花键与摇杆连接；所述驱动腿踏板与连杆的一端铰接，所述连杆的另一端与摇杆转动连接。

本发明所达到的有益效果是：本专利能够实现车辆驾驶过程中所需要的基本操作，如踩油门、刹车、踩离合器、换挡、转方向盘等。同时，该发明还具有良好的适应性，它能够适应具有不同高度和大小的方向盘的车辆；并且，本发明不涉及气动装置，不仅降低噪音，而且提高控制精度。此外，该自动驾驶机器人在使用过程中不需要对车辆进行任何的改装，因此能够保证车辆结构的完整性。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为一种自动驾驶机器人的整体结构图；

图2为图1中躯体部分的结构示意图；

图3为视觉采集部分的结构示意图；

图4为方向盘控制部分的结构示意图；

图5为方向盘控制部分的锁定机构的结构示意图；

图6为方向盘控制部分的机械手机构的结构示意图；

图7为换挡部分的结构示意图；

图8为换挡部分的俯视图；

图9为驱动腿部分的结构示意图；

其中：1、躯体部分，2、视觉信号采集部分，3、方向盘控制部分，4、换挡部分，5、驱动腿部分，6、底座，7、水平滑动平台，8、位置调整手柄，9、齿轮齿条机构，10、螺旋水平锁定机构，11、竖直滑轨，110、竖直滑块，111、方向盘操纵机构悬臂，112、框架，12、滑轨锁定机构，13、双平行四边形机构，14、偏心轮锁定机构，15、头部，16、第一蜗轮蜗杆副，17、第二蜗轮蜗杆副，18、齿轮箱，19、第一电机，20、第二电机，21、固定装置，22、锁定机构，23、动力机构，24、卡盘机构，25、机械手机构，26、螺旋手柄，27、滑块，28、导轨副，29、固定件，30、第三电机，31、减速器，32、编码器，33、螺旋旋钮，34、带螺纹的导杆，35、基座，36、机械爪，37、机械手连杆，38、连接板，39、第四电机，40、套筒，41、第三蜗轮蜗杆副，42、前主动杆，43、后主动杆，44、滑动圆柱，45、壳体，46、壳盖，47、电机座，48、减速器座，49、驱动腿步进电机，50、驱动腿减速器，51、圆锥齿轮副，52、后轴，53、直齿圆柱齿轮副，54、前轴，55、定位套筒，56、摇杆，57、驱动腿前杆，58、驱动腿踏板。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提出的一种自动驾驶机器人实施例进行详细描述。

参见图1所示的一种自动驾驶机器人的整体结构图，该自动驾驶机器人主要由以下五个部分组成：躯体部分1、视觉信号采集部分2、方向盘控制部分3、换挡部分4以及驱动腿部分5。

结合图2所示，所述躯体部分1由底座6、水平滑动平台7、位置调整手柄8、齿轮齿条机构9、螺旋水平锁定机构10、竖直滑轨11、竖直滑块110、滑轨锁定机构12、双平行四边形机构13、偏心轮锁定机构14等组成。底座6为一矩形箱体，通过螺栓与特定的支撑架相连，对于不同的车辆，支撑架应分别设计，以使机器人能牢固定位于驾驶座上方。水平滑动平台7插套在底座6内，由安装在底座6上的滑轮组支撑；底座6上转动设置有位置调整手柄8，位置调整手柄8一端固定有齿轮，水平滑动平台7上布有齿条，上述齿条与齿轮构成齿轮齿条机构9，使得用户通过旋动位置调整手柄8，驱动齿轮齿条机构9，即能够实现水平滑动平台7相对底座6的前后移动；并且底座6内设有螺旋水平锁定机构10，用户旋动螺旋水平锁定机构10的锁定手柄，将螺旋水平锁定机构10与水平滑动平台7紧密抵靠，能够使水平滑动平台7相对底座6锁定。上述前后方向，以及后文中提及的上下、左右方向，均是当该自动驾驶机器人固定于驾驶座之后，驾驶座的前后、上下、左右方向。

竖直滑轨11安装在水平滑动平台7上，可随着水平滑动平台7一起前后移动。竖直滑轨11上滑动设置有竖直滑块110，所述竖直滑块110与方向盘操纵机构悬臂111相连，使得方向盘控制部分3能够上下调整位置。同样，竖直滑轨11附设滑轨锁定机构12用于阻止竖直滑块110与竖直滑轨11间的相对滑动。与竖直滑轨11固定的框架112上还连接有一组双平行四边形机构13，此双平行四边形机构13连接换挡部分4。所述双平行四边形机构13具有两个水平面的转动自由度，因此可在水平面上任意调整换挡部分4的位置。并且双平行四边形机构13的中间连接转轴处设置有偏心轮锁定机构14，所述偏心轮锁定机构14的偏心轮外圆周锁定双平行四边形机构13的转动副，从而锁定整个双平行四边形机构13，以使换挡部分4定位。

机器人安装时，用户首先需定位方向盘控制部分3。通过旋转位置调整手柄8，带动齿轮齿条机构9，用户对水平滑动平台7的前后位置进行调整；而竖直滑轨11直接安装在水平滑动平台7上，故与竖直滑块110相连接的方向盘控制部分3随着水平滑动平台7前后移动。此时，竖直滑块110仍可在竖直滑轨11内滑动，使得方向盘控制部分3也可自由调整上下位置。待方向盘控制部分3的抓手稳固抓牢方向盘后，用户旋动螺旋水平锁定机构10的手柄和滑轨锁定机构12的手柄，完成方向盘控制部分3的定位。随后，用户应定位换挡部分4。躯体部分1与换挡部分4通过一组双平行四边形机构13连接，该双平行四边形机构13有足够的刚度使换挡部分4保持水平，用户准确调整换挡部分4位置后，可通过转动偏心轮锁定机构14上的手柄压紧双平行四边形机构13的转动副，使双平行四边形机构13的连接杆无法相对转动，完成换挡部分的定位。

结合图3所示，所述视觉采集部分主要由头部15、第一蜗轮蜗杆副16、第二蜗轮蜗杆副17、齿轮箱18、第一电机19、第二电机20、固定装置21等组成。所述固定装置21为对称布置的两个，分别固定连接至躯体部分1的框架112上，其中一个固定装置21上设置有第一电机19，第一电机19通过联轴器与第一蜗轮蜗杆副16的蜗杆连接，且第一蜗轮蜗杆副16的蜗轮与齿轮箱18固定连接，齿轮箱18还与另一个固定装置21转动连接。第二电机20固定于齿轮箱18中，并通过联轴器与第二蜗轮蜗杆副17的蜗杆连接，第二蜗轮蜗杆副17的蜗轮与头部15固定连接。当控制***发出指令控制第一电机19转动时，该第一电机19带动齿轮箱18绕第一蜗轮蜗杆副16中蜗轮的轴转动，故头部15可以前后摆动。当控制***发出指令控制第二电机20转动时，该电机将转动通过第二蜗轮蜗杆副17传递到头部15，进而头部15实现左右转动。通过以上方式，机器人的视觉信号采集部分2可以获得更大范围的视觉信号。

结合图4所示，所述的方向盘控制部分3主要由锁定机构22、动力机构23、卡盘机构24和机械手机构25组成。动力机构23由第三电机30、减速器31和编码器32组成，该动力机构23为方向盘转动的动力来源。卡盘机构24的结构与车床上的三爪卡盘结构类似，当旋动旋钮时，卡盘机构24内的盘丝转动，带动三个机械手机构25作同步径向运动。卡盘机构24通过减速器31与第三电机30的输出轴连接，当输出轴带动盘丝转动时，三个机械手机构25同时作径向运动，以使驾驶机器人适应直径大小不同的方向盘。

结合图5所示，所述锁定机构22由固定件29、螺旋手柄26、滑块27和导轨副28组成。固定件29与躯体部分1的竖直滑块110进行连接，当竖直滑块110上下移动时，方向盘控制部分3整体也上下移动，使得该驾驶机器人能够适应具有不同高度方向盘的车辆。所述导轨副28与动力机构23固定连接，所述滑块27滑动插设在导轨副28内，螺旋手柄26的杆上部有螺纹，与滑块27实现螺旋传动，螺旋手柄26的杆下部可以是光杆，所述固定件29转动套设在光杆上，由此实现固定件29相对导轨副28的转动。当把自动

驾驶机器人安装到车辆上时，由于铰接的存在，方向盘控制机构3可以绕着螺旋手柄26的光杆转动，适应倾斜角不同的方向盘。当转动螺旋手柄26时，滑块27在导轨副28中滑动，与固定件29抵靠，并使得固定件29相对导轨副28锁定。

结合图6所示，每一个机械手机构25包括螺旋旋钮33、带螺纹的导杆34、基座35、两个机械爪36、两根机械手连杆37。带螺纹的导杆34插设在基座35的光孔内，且与螺旋旋钮33螺纹连接，机械爪36转动连接在基座35上，机械手连杆37一端连接机械爪36、另一端连接带螺纹的导杆34。当旋动螺旋旋钮33时，带螺纹的导杆34在基座35的光孔内伸缩，带动机械手连杆37动作，紧接着带动两个机械爪36的开合。通过这个过程，就能使机械手机构25夹住不同粗细的方向盘，保证了机器人对方向盘的控制精度。通过一个螺旋旋钮33来控制带螺纹的导杆34的伸缩，进而通过机械手连杆37带动机械爪36的开合，实现夹住不同粗细的方向盘的目的。在机械爪36的内侧粘附了一层橡胶材料，以增大摩擦力，保证传递精度。

结合图7和图8所示，所述的换挡部分4包括连接板38、第四电机39、套筒40、第三蜗轮蜗杆副41、前主动杆42、后主动杆43等。连接板38将整个换挡部分4与躯体部分1的双平行四边形机构13连接在一起，并可以相对躯体部分1上下移动，以满足不同轿车不同的换挡手柄高度要求。所述第四电机39带动第三蜗轮蜗杆副41运动，进而带动前主动杆42转动，后主动杆43由另一个电机和蜗轮蜗杆副(图中未显示)进行驱动。所述前主动杆42以及后主动杆43与其它四根连杆一起组成一个具有平面二自由度的连杆机构，两根主动杆接收驱动部分传递过来的运动和转矩，并带动该连杆机构按照规定的轨迹运动。所述连杆机构上连接有套筒40，所述套筒40具有朝下的开口，且开口内滑动设置有滑动圆柱44，滑动圆柱44与车辆的换挡手柄连接，所述滑动圆柱44与套筒40的顶部之间通过弹簧连接，弹簧可以抵消换挡手柄运动过程中手柄头上下的微小位移。整个换挡部分4由电子设备根据车辆行驶的情况来控制。

结合图9所示，所述的驱动腿部分5包括壳体45、壳盖46、电机座47、减速器座48、驱动腿步进电机49、驱动腿减速器50、圆锥齿轮副51、后轴52、直齿圆柱齿轮副53、前轴54、定位套筒55、摇杆56、驱动腿连杆57、驱动腿腿踏板58等。壳体45通过螺栓与躯体部分1固定，壳盖46可以减少灰尘影响，并提高美观性。电机座47与减速器座48固定在壳体45上，使驱动腿步进电机49与驱动腿减速器50连接在一起，整个机构通过操纵步进电机的转速与圈数来控制踏板的运动速度和位移。两者的结合实现了减速增矩，可以提供足够的控制精度与驱动力。驱动腿减速器50通过圆锥齿轮副51将动力传递给后轴52，并改变传动方向。圆锥齿轮副51中的一个圆锥齿轮通过花键与后轴52连接。直齿圆柱齿轮副53将后轴52的动力传递给前轴54。前轴54通过花键和定位套筒55与摇杆56连接。花键连接，使摇杆56能够沿前轴54移动，与不同长度的定位套筒55配合以适应不同的踏板位置。当需要控制油门时，驱动腿踏板58通过弹性绳与油门踏板连接，并通过铰接的方式连接至连杆57的一端，可以获得较好的柔韧性和对不同形式踏板的适应性。连杆57的另一端与摇杆56转动连接。制动器驱动腿与离合器驱动腿同样固定在躯体上，通过改变摇杆56在花键上的位置来配合制动器踏板与离合器踏板位置。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种自动驾驶机器人，包括躯体部分、视觉信号采集部分、方向盘控制部分、换挡部分以及驱动腿部分，其特征在于：所述躯体部分包括底座、支撑在底座上且能够相对底座前后移动的水平滑动平台、用于将水平滑动平台相对底座锁定的水平锁定机构、设置在水平滑动平台上的竖直滑轨、滑动设置在竖直滑轨上的竖直滑块、用于将竖直滑块相对竖直滑轨锁定的竖直锁定机构，所述方向盘控制部分与所述竖直滑块连接；所述的方向盘控制部分包括锁定机构、动力机构、卡盘机构和机械手机构；所述动力机构包括第三电机、与第三电机连接的减速器和编码器；卡盘机构与减速器连接；所述机械手机构为三个，且能够沿所述卡盘机构的径向运动。

2.如权利要求1所述的自动驾驶机器人，其特征在于：所述底座上转动设置有位置调整手柄，所述位置调整手柄一端固定有齿轮；所述水平滑动平台上设置有齿条，上述齿条与齿轮构成齿轮齿条机构。

3.如权利要求1所述的自动驾驶机器人，其特征在于：所述躯体部分连接有一组双平行四边形机构，所述双平行四边形机构与换挡部分连接；所述双平行四边形机构具有两个水平面的转动自由度，并且双平行四边形机构的中间连接转轴处设置有偏心轮锁定机构，所述偏心轮锁定机构的偏心轮外圆周能够锁定所述双平行四边形机构的转动副。

4.如权利要求1所述的自动驾驶机器人，其特征在于：所述视觉采集部分包括头部、第一蜗轮蜗杆副、第二蜗轮蜗杆副、齿轮箱、第一电机、第二电机以及固定装置；所述固定装置为对称布置的两个，分别固定连接至躯体部分，其中一个固定装置上设置有第一电机，所述第一电机与第一蜗轮蜗杆副的蜗杆连接，且第一蜗轮蜗杆副的蜗轮与齿轮箱固定连接，所述齿轮箱还与另一个固定装置转动连接；所述第二电机固定于齿轮箱中，并与第二蜗轮蜗杆副的蜗杆连接，第二蜗轮蜗杆副的蜗轮与头部固定连接。

5.如权利要求1所述的自动驾驶机器人，其特征在于：所述锁定机构包括固定件、螺旋手柄、滑块以及导轨副；所述固定件与躯体部分连接，所述导轨副与动力机构固定连接；所述滑块滑动插设在导轨副内，所述螺旋手柄具有螺纹，并与所述滑块螺纹连接，所述固定件转动套设在螺旋手柄上；所述滑块具有与固定件抵靠的工作位置，此时固定件相对导轨副锁定。

6.如权利要求1所述的自动驾驶机器人，其特征在于：所述机械手机构包括螺旋旋钮、带螺纹的导杆、基座、两个机械爪、两根机械手连杆；所述带螺纹的导杆插设在基座的光孔内，且与螺旋旋钮螺纹连接；所述机械爪转动连接在基座上，机械手连杆一端连接机械爪、另一端连接带螺纹的导杆。

7.如权利要求1所述的自动驾驶机器人，其特征在于：所述的换挡部分包括连接板、第四电机、套筒、第三蜗轮蜗杆副、前主动杆、后主动杆、四根连杆；所述连接板连接所述换挡部分以及躯体部分；所述前主动杆由所述第四电机带动所述第三蜗轮蜗杆副进行驱动；所述后主动杆由另一电机和另一蜗轮蜗杆副进行驱动；所述前主动杆以及后主动杆与四根连杆一起组成一个具有平面二自由度的连杆机构；所述连杆机构上连接有套筒。

8.如权利要求7所述的自动驾驶机器人，其特征在于：所述套筒具有朝下的开口，所述开口内滑动设置有滑动圆柱，滑动圆柱与车辆的换挡手柄连接，所述滑动圆柱与套筒的顶部之间通过弹簧连接。

9.如权利要求1所述的自动驾驶机器人，其特征在于：所述的驱动腿部分包括壳体、壳盖、电机座、减速器座、驱动腿步进电机、驱动腿减速器、圆锥齿轮副、后轴、直齿圆柱齿轮副、前轴、定位套筒、摇杆、驱动腿连杆、驱动腿踏板；所述壳体与躯体部分固定；所述电机座与减速器座固定在壳体上，所述驱动腿步进电机与驱动腿减速器连接；所述驱动腿减速器通过圆锥齿轮副与后轴连接；所述后轴通过直齿圆柱齿轮副与前轴连接；前轴通过花键与摇杆连接；所述驱动腿连杆的一端与驱动腿踏板铰接，所述驱动腿连杆的另一端与摇杆转动连接。