CN203908780U - 一种汽车制动机器人执行机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种汽车制动机器人执行机构，主要由伺服电动缸、上支撑架、下支撑架、支撑架底板、压力传感器、支撑梁、球铰和机器人脚组成，伺服电动缸尾端通过轴承安装在支撑梁上，所述伺服电动缸前端与压力传感器的尾端通过螺纹连接；压力传感器的前端与球铰连接，球铰和机器人脚耳件铰接；支撑梁固定在上支撑架上，上支撑架和下支撑架固定连接，下支撑架和支撑架底板固定连接，支撑架底板固定在汽车驾驶室底板上；本实用新型最大限度地节省了车内的空间，可以满足驾驶员坐在车内驾驶车辆，可以在多种不同型号大小的汽车上进行实验；本实用新型固定方式牢固可靠，使用的零部件和材料较少，组装和安装方便，降低了成本。

Description

一种汽车制动机器人执行机构

技术领域

本实用新型属于新能源汽车实验技术领域，具体涉及一种汽车制动机器人执行机构。 

背景技术

对于传统的制动***，在轮胎与路面间附着力足够的情况下，汽车所受的制动力与踏板力成线性的关系，制动***的这项性能称为制动踏板感觉。因此，驾驶员能够直接感觉到汽车制动强度，这对于汽车的行车安全和驾驶舒适性有很大的影响，良好的制动踏板感觉可以让驾驶员更加轻松且更加准确的去控制汽车的制动力。 

传统汽车的制动***操纵机构结构区别不大，通过主观评价可以获得较为足够的改进依据。但是在新能源汽车上，由于再生制动***的引入和真空源的弱化(甚至是消失)，制动操纵机构的结构变得更加复杂而且多样化，因此踏板感觉与传统汽车相比大不一样。为了使再生制动***可靠运行，目前，绝大多数再生制动***的操纵机构中都引入了专门的踏板感觉模拟器来模拟踏板感觉。 

为了更加准确的去设计踏板感觉模拟器的参数，需要建立制动踏板感觉特性的数学模型并进行一系列的客观评价试验来获得模型的参数。而由驾驶员进行操作的客观评价试验一致性很差，这导致试验效率降低且会让结果变得不可靠。因此，有必要开发一种可以按照预先设定的条件来精确踩踏制动踏板的机器人，以便获得良好的精度和重复性，为再生制动***的操纵机构开发服务。 

随着汽车工业的发展，人类对汽车的性能要求越来越高，需要借助于大量的试验来改进设计，而汽车试验中的许多项目，更适合由机器人来操作。驾驶机器人是在汽车试验中代替人类驾驶员进行驾驶操作的工业机器人，例如，采用驾驶机器人进行汽车排放耐久性试验不仅可以降低试验人员的劳动强度，减少试验费用，提高试验效率，而且能消除人为因素的影响，保证试验数据的准确度和有效性。但由于其技术难度高，在国内还没有相应的产品，目前只能依赖进口。国内于20世纪90年代中期开始汽车驾驶机器人的研究工作，起步相对较晚，但已经取得很大进展。目前主要有东南大学与南京汽车研究所联合研制成功的、具有自主知识产权的用于汽车性能试验的DNC一1型气动式驾驶机器人和用于汽车排放耐久性试验的DNC一2型气电混合式驾驶机器人，填补了国内空白，在此基础上，目前正在开发全电动式DNC-3型驾驶机器人。而国内其它高校，如清华大学、吉林大学、北京理工大学、浙江大 学、国防科技大学、南京理工大学等在相关领域的研究主要侧重于智能车辆的研究，把车辆作为一个整体进行考虑，其车辆实质上是一个移动机器人，并且对车辆做了较大的改造。 

本实用新型是一种汽车制动机器人执行机构，只用于控制汽车行进中的制动过程。目前在国内暂无类似的实用新型，在国外有ABD公司生产的一种汽车制动机器人执行机构的设计参阅图1。主要组成元件有：1—机器人脚；2—压力传感器；3—推杆；4—动力元件；5—摇臂；6—支撑架。 

目前的汽车驾驶机器人执行机构普遍体型较大，原因是利用汽车行驶时发动机产生的废气，采用气动或气电混合的方式作为动力源。造成的缺陷有：驾驶室被机器人占用空间大，驾驶员无法坐进驾驶室操控汽车，导致实验的机动性变差，一旦机器人发生故障汽车就很可能失去操控；采用气动的方式作为动力源相比于纯电动作为动力源，其控制精度一般较低，较高的控制精度对于实验结果的可靠性和准确性有很大的帮助。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的制动机器人执行机构占据驾驶室空间大、制动机器人在车内的固定方式不牢靠等问题，提供了一种用于建立制动踏板感觉特性数学模型的汽车制动机器人执行机构。 

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下： 

一种汽车制动机器人执行机构，主要由伺服电动缸7、上支撑架8、下支撑架9、支撑架底板10、压力传感器11、支撑梁12、球铰13和机器人脚17组成， 

所述伺服电动缸7尾端通过轴承安装在支撑梁12上，所述伺服电动缸7前端与压力传感器11的尾端通过螺纹连接；压力传感器11的前端与球铰13连接，球铰13和机器人脚耳件14铰接； 

支撑梁12固定在上支撑架8上，上支撑架8和下支撑架9固定连接，下支撑架9和支撑架底板10固定连接，支撑架底板10固定在汽车驾驶室底板上。 

所述伺服电动缸7的尾端设有伺服电动缸耳件25，伺服电动缸耳件25上设有圆孔，圆孔内套有轴承26，支撑梁12穿过轴承26，伺服电动缸7能够绕着支撑梁12转动。 

所述伺服电动缸7通过内部滚珠螺杆22的旋转推动滚珠螺杆螺帽23向前运动，滚珠螺杆螺帽23与伺服电动缸推杆18相连，伺服电动缸推杆18为一根外端部有一段外螺纹的刚性杆件，伺服电动缸推杆18被直线推出，完成工作需要的直线运动。 

所述机器人脚17由机器人脚耳件14和机器人脚踏板15组成，机器人脚耳件14上设有通孔，所述球铰13设有通孔，铰制孔螺栓穿过二通孔，机器人脚耳件14垂直焊接在机器人脚踏板15上。 

上支撑架8设有通孔，支撑梁12穿过上支撑架8的通孔，上支撑架8上设有两根螺栓，用于夹紧支撑梁12。 

支撑梁12设有凹槽，上支撑架8设有凸缘，支撑梁12的凹槽与上支撑架8的凸缘相对应。 

上支撑架8和下支撑架9中间均开有槽，上支撑架8的槽与下支撑架9的槽位置部分重叠，槽孔中穿过螺栓，通过螺栓的压紧力使上支撑架8和下支撑架9固定连接。 

伺服电动缸7的推力通过机器人脚17传递到制动踏板16上，起到模拟驾驶员脚的作用，机器人脚踏板15上开有四个槽，有四颗螺栓分别穿过槽孔，制动踏板16和机器人脚踏板15被夹紧在螺栓和螺母中间。 

本实用新型为适应多种车型，机器人的支撑部分做成上下两个支撑架，可以通过调节支撑架的总高度来控制机器人脚踩制动踏板的角度。采用在汽车地板上打孔，使用螺栓将机器人固定在汽车地板上的固定方式。使用球铰连接机器人脚和压力传感器，保证机器人脚可以紧贴在踏板上并随踏板进行旋转。 

与现有技术相比本实用新型的有益效果是： 

本实用新型的优点在于最大限度地节省了车内的空间，可以满足驾驶员坐在车内驾驶车辆。机构高度、角度可调，从而可以在多种不同型号大小的汽车上进行实验。另外，机构采用固定在汽车地板上的固定方式，该种固定方式牢固可靠，可以保证在汽车行驶时颠簸震动的情况下实验准确可靠地进行。相比于将机器人绑在座椅上的固定方式，本实用新型的固定方式更为牢固可靠。同时，本实用新型使用的零部件和材料较少，组装和安装方便，并可以降低成本，因此价格更为便宜。 

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明： 

图1ABD公司的汽车制动机器人执行机构示意图； 

图2本实用新型所述的汽车制动机器人执行机构的轴测投影图； 

图3本实用新型所述的汽车制动机器人执行机构的伺服电动缸的剖视图； 

图4本实用新型所述的汽车制动机器人执行机构的伺服电动缸的尾端连接方式局部示意图； 

图5本实用新型所述的汽车制动机器人执行机构的工作流程图； 

图中： 

1、机器人脚；2、压力传感器；3、推杆；4、动力元件；5、摇臂；6、支撑架；7、伺服电动缸；8、上支撑架；9、下支撑架；10、支撑架底板；11、压力传感器；12、支撑梁；13、 球铰；14、机器人脚耳件；15、机器人脚踏板；16、制动踏板；17、机器人脚；18、伺服电动缸推杆；19、轴承盖；20、钢筒型材；21、活塞杆；22、滚珠螺杆；23、滚珠螺杆螺帽；24、驱动器外毂；25、伺服电动缸耳件；26、轴承。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述： 

图2为该执行机构的轴测投影图,该机构主要由伺服电动缸7、上支撑架8、下支撑架9、支撑架底板10、压力传感器11、支撑梁12、球铰13、机器人脚耳件14、机器人脚踏板15组成。 

图3为伺服电动缸7的剖视图，伺服电动缸7工作时通过内部滚珠螺杆22的旋转推动滚珠螺杆螺帽23向前运动，活塞杆21是一段无螺线的光杆，与滚珠螺杆22为一体，滚珠螺杆螺帽23与伺服电动缸推杆18相连，伺服电动缸推杆18为一根外端部有一段外螺纹的刚性杆件，这样伺服电动缸推杆18被直线推出，完成工作需要的直线运动。 

伺服电动缸7的尾端连接方式参阅图4，伺服电动缸尾端突出的耳件25上钻有圆孔，圆孔内套有轴承26，轴承26中穿过支撑梁12，伺服电动缸7可以绕着支撑梁12进行转动。 

支撑梁12穿过上支撑架8的通孔，被上支撑架的两根螺栓夹紧。同时支撑梁12的凹槽与上支撑架8的凸缘相对应，防止支撑梁12在通孔内转动，造成伺服电动缸7在运动过程中定位不准确。 

上支撑架8和下支撑架9中间开有位置部分重叠的槽，左右两个槽中各穿过2颗螺栓，采用螺栓的压紧力使上支撑架8和下支撑架9固定在一起，不会产生垂直方向的位移。同时通过调节上下支撑架槽重叠部分的大小可以调节整个支撑架的高度，进而调节伺服电动缸推杆18和制动踏板16所成的角度，这样即可保证该制动机器人执行机构在不同车型上均适用。下支撑架9和支撑架底板10垂直地焊接在一起，支撑架底板10开有4个通孔，中间穿过螺栓，连接在汽车驾驶室底板上。 

压力传感器11尾端和前端均采用螺纹连接，尾端连接伺服电动缸推杆18，前端连接球铰13。球铰13的通孔中穿过一枚铰制孔螺栓，该螺栓同时也穿过机器人脚耳件14上的通孔，使机器人脚耳件14和球铰13铰接在一起。 

机器人脚耳件14垂直焊接在机器人脚踏板15上，组合起来形成机器人脚17，机器人脚17连接执行机构和制动踏板16，起到模拟驾驶员脚的作用，机器人脚踏板15上开有4个槽，有4颗螺栓分别穿过槽孔，制动踏板16和机器人脚踏板15被夹在螺栓和螺母中间，螺栓被拧紧后制动踏板16和机器人脚踏板15即紧密贴合在一起，从而保证伺服电动缸7的推力可以传递到制动踏板。 

在执行机构工作过程中，伺服电动缸7接收信号，伺服电动缸推杆18直线推出，伺服电动缸7的尾端绕支撑梁12自由旋转，前端通过伺服电动缸推杆18推动压力传感器11和球铰13给机器人脚17一个踏板方向的力，从而使制动踏板16绕踏板轴旋转，达到制动的目的。(一)、制动机器人执行机构工作方式 

该执行机构工作时应保证以下四点要求： 

1.踏板行程的精确控制，需要至少精确到0.1mm； 

2.将制动踏板踩到底的时间不得超过0.2s； 

3.电动缸推进的行程不能超过踏板的全行程； 

4.电动缸提供的推力不能低于最大踏板力。 

基于以上四点，设计出汽车制动机器人执行机构的工作流程图，参阅图5。 

(二)、动力源选择 

1.伺服电动缸介绍 

伺服电动缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点——精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制转变成——精确速度控制，精确位置控制，精确推力控制；实现高精度直线运动系列的全新革命性产品。 

伺服电动缸具有的优点如下： 

(1).控制精度高 

伺服电动缸采用闭环伺服控制，控制精度达到0.01mm；可以精密控制推力，增加压力传感器后，控制精度可达1％；很容易与PLC等控制***连接，实现高精密运动控制。 

(2).工作周期长 

它具有噪音低，节能，干净，高刚性，抗冲击力，寿命超长，操作维护简单的特点。可以长期工作，并且实现高强度，高速度，高精度定位。所以广泛地应用在造纸行业，化工行业，汽车行业，电子行业，机械自动化行业，焊接行业等。 

(3).成本维护低 

伺服电动缸使用润滑脂润滑，在复杂的环境下工作只需要定期地注脂润滑，并无易损件需要维护更换，将比液压***和气压***减少了大量的售后服务成本。 

(4).液压缸和气缸的最佳替代品 

伺服电动缸可以完全替代液压缸和气缸，并且更环保，更节能，更干净，很容易与PLC等控制***连接，实现高精密运动控制。 

(5).配置灵活性 

可以提供非常灵活的安装配置。 

(6).具有全系列的安装组件 

伺服电动缸可以使用前法兰，后法兰，侧面法兰，尾部铰接，耳轴安装，导向模块安装等安装方式；可以与伺服电机直线安装，或者平行安装；可以增加各式附件：限位开关，行星减速机，预紧螺母等；驱动可以选择交流制动电机，直流电机，步进电机，伺服电机等。 

2.选用的伺服电动缸 

(1).伺服电动缸的选用标准 

伺服电动缸的选用需要满足三点要求：①满足空间的尺寸要求；②最大推力不低于最大的踏板力；③行程大于踏板的全行程。 

根据ECE(***欧洲经济委员会汽车法规)中对于普通乘用车制动性能的要求，踏板力不允许超过500N。根据一般乘用车的设计经验，制动踏板的全行程不会超过120mm。 

(2).选用伺服电动缸的产品介绍及技术参数 

以上面所述对伺服电动缸的参数要求为标准，经过市场调研及筛选，选用美国Exlar公司型号为GSX20-06-04的伺服电动缸。表1为伺服电动缸的主要技术参数。 

表1 

该伺服电动缸相比于其他产品的优点如下： 

①使用行星滚柱丝杠技术，工作更可靠，使用寿命超出同类产品20％以上。 

②伺服电动缸与伺服电机集合在一起，不需另配伺服电机。 

③使用闭环伺服***，位置反馈的形式多样，包含：旋转变压器，相对编码器，绝对编码器，外置光栅尺，外置位移传感器。它的控制精度至0.01mm。同类产品基本没有位置反馈，控制精度很难达到0.01mm。 

④可增加内置压力传感器和外置压力传感器。 

(三)、控制器选择 

与选用的伺服电动缸相配，选用美国kollmogen公司型号为S70362的伺服驱动器。该伺 服驱动器的特点为： 

(1).控制方式简便易行。可以通过I/O接口与计算机相连，并使用该公司提供的Work-Bench软件在计算机上编程控制，该软件使用模块式编程方式。 

(2).可以直接通过数据线缆与伺服电动缸相连，无需另行购买接头。 

(四)、车载逆变器 

伺服电动缸与伺服驱动器使用的均为220V交流电，而该执行机构要求在汽车行驶的过程中工作，只能使用汽车发电机提供的12V直流电，故在电源的供给线路中需要增加一个车载逆变器。 

1.车载逆变器介绍 

车载逆变器(电源转换器Power Inverter)是一种能够将DC12V直流电转换为AC220V交流电的电源转换器。 

车载逆变器的整个电路大体上可分为两大部分，每部分各采用一只TL494或KA7500芯片组成控制电路，其中第一部分电路的作用是将汽车电瓶等提供的12V直流电，通过高频PWM(脉宽调制)开关电源技术转换成30kHz－50kHz、220V左右的交流电；第二部分电路的作用则是利用桥式整流、滤波、脉宽调制及开关功率输出等技术，将30kHz～50kHz、220V左右的交流电转换成50Hz、220V的交流电。 

2.选用的车载逆变器 

(1).车载逆变器选择标准 

使用车载逆变器时，用电器的功率不可以超过车载逆变器的最大功率，否则会将车载逆变器烧坏。根据表2中的信息，可以计算出伺服电动缸和伺服驱动器的最大总功率:计算结果P_总为1282W。 

(2).选用车载逆变器的产品介绍及技术参数 

选用weidier车载逆变器，产品的特点如下： 

①逆变器的转换效率高，可达达90％以上。 

②内部保护电路防止了电脉冲或电压波动的影响，能承受压缩机、电视显示器等冲击功率较大的用电器安全启动，电源开关可彻底切断内部电路，断后可保护电瓶不受损坏。 

③自我保护设计，当电压低于10V时，就会自动关闭，保证了蓄电池有足够的电能启动车辆。 

④过热或过载时会自动关闭；恢复正常后又会自动启动。 

⑤输入输出方式多样：12V输入、24V输入、点烟器输入、电瓶直接输入；220V交流输出、110V交流输出等。表2为该车载逆变器的技术参数： 

表2 

(五)、压力传感器及数字压力显示器 

1.压力传感器 

从原理上分，目前的压力传感器主要分为应变式传感器、电容式传感器和压电式传感器等。从形状上分，有饼形压力传感器、柱形压力传感器、S形压力传感器等。在该机构中，压力传感器要求连接在伺服电动缸和机器人脚之间，而电动伺服缸的推杆接头为M10的外螺纹，另一端要使用一个球铰铰接在机器人脚上。综合以上对传感器连接的要求，选用S形应变式压力传感器最为合理。表3为S形压力传感器的主要技术参数 

表3 

2.数字压力显示器 

在该制动机器人执行机构工作过程中，有必要根据变化的制动踏板行程显示变化的踏板力，从而得到制动踏板行程-踏板力的曲线。数字压力显示器可以对来自压力传感器的电信号进行处理，把压力值显示在数字显示屏上，满足测量踏板力的要求。 

数字压力显示器的选择标准： 

(1).该压力传感器自带信号放大器，故不需要另配压力变送器，信号经过放大后满量程输出为1.5mV-2.0V，根据该输出信号范围选择合适量程的数字压力显示器。 

(2).该压力传感器为三线制传感器，第一根线连接电源正极，第二根线也就是信号线经过仪器连接到电源负极，第三根线直接连接到电源的负极。相比于两线制的接线方式，三线制有线路电阻补偿，可以消除引线电阻的影响，测量精度高于二线制。相比于四线制，在满足该机构测量精度要求的同时三线制成本较低。根据该传感器的接线方式选择合适的数字压力显示器。 

选择的数字压力显示器型号为SP42-M2A，该数字压力显示器适用信号为2mV/V的传感器,上下限报警输出。它输入输出采用接线端子,可靠方便,端子15与16接传感器电源线，端子1与3接传感器信号线，OUT2为上限报警输出，OUT1为下限报警输出。 

Claims (8)

1.一种汽车制动机器人执行机构，其特征在于：

主要由伺服电动缸（7）、上支撑架（8）、下支撑架（9）、支撑架底板（10）、压力传感器（11）、支撑梁（12）、球铰（13）和机器人脚（17）组成；

所述伺服电动缸（7）尾端通过轴承安装在支撑梁（12）上，所述伺服电动缸（7）前端与压力传感器（11）的尾端通过螺纹连接；压力传感器（11）的前端与球铰（13）连接，球铰（13）和机器人脚耳件（14）铰接；

支撑梁（12）固定在上支撑架（8）上，上支撑架（8）和下支撑架（9）固定连接，下支撑架（9）和支撑架底板（10）固定连接，支撑架底板（10）固定在汽车驾驶室底板上。

2.根据权利要求1所述的一种汽车制动机器人执行机构，其特征在于：

所述伺服电动缸（7）的尾端设有伺服电动缸耳件（25），伺服电动缸耳件（25）上设有圆孔，圆孔内套有轴承（26），支撑梁（12）穿过轴承（26），伺服电动缸（7）能够绕着支撑梁（12）转动。

3.根据权利要求1所述的一种汽车制动机器人执行机构，其特征在于：

所述伺服电动缸（7）通过内部滚珠螺杆（22）的旋转推动滚珠螺杆螺帽（23）向前运动，滚珠螺杆螺帽（23）与伺服电动缸推杆（18）相连，伺服电动缸推杆（18）为一根外端部有一段外螺纹的刚性杆件，伺服电动缸推杆（18）被直线推出，完成工作需要的直线运动。

4.根据权利要求1所述的一种汽车制动机器人执行机构，其特征在于：

所述机器人脚（17）由机器人脚耳件（14）和机器人脚踏板（15）组成，机器人脚耳件（14）上设有通孔，所述球铰（13）设有通孔，铰制孔螺栓穿过二通孔，机器人脚耳件（14）垂直固定在机器人脚踏板（15）上。

5.根据权利要求1所述的一种汽车制动机器人执行机构，其特征在于：

上支撑架（8）设有通孔，支撑梁（12）穿过上支撑架（8）的通孔，上支撑架（8）上设有两根螺栓，用于夹紧支撑梁（12）。

6.根据权利要求1所述的一种汽车制动机器人执行机构，其特征在于：

支撑梁（12）设有凹槽，上支撑架（8）设有凸缘，支撑梁（12）的凹槽与上支撑架（8）的凸缘相对应。

7.根据权利要求1所述的一种汽车制动机器人执行机构，其特征在于：

上支撑架（8）和下支撑架（9）中间均开有槽，上支撑架（8）的槽与下支撑架（9）的槽位置部分重叠，槽孔中穿过螺栓，通过螺栓的压紧力使上支撑架（8）和下支撑架（9）固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种汽车制动机器人执行机构，其特征在于：

伺服电动缸（7）的推力通过机器人脚（17）传递到制动踏板（16）上，机器人脚踏板（15）上开有四个槽，有四颗螺栓分别穿过槽孔，制动踏板（16）和机器人脚踏板（15）被夹紧在螺栓和螺母中间。