汽车排放耐久性驾驶机器人执行器的研制

摘要：文章为汽车排放和耐久试验开发了驾驶机器人，确定了驾驶机器人的功能要求及技术指标，进行了换档机械手设计、油门执行器设计、制动执行器设计、离合器设计，并进行了样件制造和组装，经使用表明驾驶机器人达到设计目标要求。

关键词：汽车排放；驾驶机器人；耐久性驾驶

中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0107-03

1 概述

近年来，中国汽车工业迅猛发展，截至2012年底，我国汽车保有量为1.14亿辆。国家为了控制日益严重的汽车尾气污染，于2005年颁布实施更为严格的汽车排放标准。《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB18352.3-2005）中规定汽车排放的耐久性循环试验方法。循环试验有以下特点：试验时间长，汽车需行驶80000km；车速控制准确，车速的控制公差为±2km/h；车速变化频繁；因此汽车试验人员很难按照循环要求进行驾驶，国内外基本上采用驾驶机器人代替试验人员进行汽车试验。

目前主要有德国STAHLE、英国Mira、Froude Hofmann、日本Horiba、Autopilot、Nissanmotor等公司开发出此类驾驶机器人。国内仅东南大学进行了研制，使用效果不是很理想。驾驶机器人基本上采用进口设备，价格昂贵，同时对驾驶机器人的需要不断增加。因此自动驾驶机器人的研制不仅具有学术意义，也具有经济价值。

驾驶机器人的开发具有以下特点：多学科交叉，融合了机械、电子、控制、汽车、计算机等学科知识；控制上适应性广，车速的控制要适合不同汽车动力特性的变化；结构紧凑，以适应驾驶室空间狭小和无损快速安装。驾驶机构人的研制有很大难度。本文主要阐述换档机械手、油门执行机器、离合执行器的设计。

2 换档机械手设计

换档机械手的功能是驱动换档杆在“王”字形槽（图1）中运动，实现选、换档操作。由于各类变速器的选、换档行程不一致，比较好的方法是通过“示教”来适用。示教就是试验人员手动操纵换档机械手进行一次换档循环，电脑自动记录选换档位置。其具体设计要求如下：（1）选档，换档档轨迹允许的偏差小于1～2mm。（2）不同的车型档位不同，需要实际测量得到。（3）换档机械手选档、换档运动范围最大200mm。（4）换档机械手选档、换档运动最大速度1000mm/sec。（5）换档机械手选档、换档运动最大力200N。（6）质量较轻，体积较小。（7）实现无损安装。

图1 变速杆示意图

对于换档驱动机构，可用气动驱动机构，其结构简单，成本较低。但也存在振动、噪声、冲击大、定位不准，多点定位难的缺点；因此常用电动伺服驱动机构，具有定位准确，行程调整方便，振动、噪声小，重复性好等优点。电动伺服驱动机构采用二轴直线运动机构（图2）。其运动结构简单，定位精度较高，但体积大，质量较重。由于近年来加工技术的不断进步，二轴直线运动机构能很好地满足质量和体积要求。该机构由两套直线运动机构叠加而成，采用伺服电机带动直线运动机构实现换档杆的“王”字平面运动，通过杆锁机构与换档平面运动机构上安装换档套筒连接，杆锁机构在X、Y、Z三方向的位置可调，换档套筒“握住”换档杆来实现“王”字换档，换档杆的手把在套筒中将发生滑移。

图2 二轴直线运动机构结构图

3 油门执行器设计

油门踏板的结构原理可简化成绕支点旋转的摆杆结构（图3）。油门执行器的功能就是驱动油门踏板实现摆动，且能精确地控制摆动位置。

图3 油门踏板结构简图

具体设计要求如下：（1）执行器的长度可以调节，适应不同车型踏板位置高度变化。（2）执行器的位置左右可以调节，适应不同车型踏板位置的左右变化。（3）油门踏板位置精确定位，控制发动机输出相应的转速和扭矩。（4）机构小巧灵活，实现在狭小的驾驶室无损安装。（5）最大输出力为50N。（6）最大行程为100mm。（7）当遇停电时，能够紧急保护，即油门快速收回，避免飞车。

由于油门执行器需要任意点的精确定位，常采用电动机构。电动机构又有电动缸和杆机构。电动缸定位精度高，使用方便，但不好实现腿长调节，因此安装不方便；并且不容易实现停电时油门的机械保护，一般采用UPS电源实现停电保护。本文采用杆机构（图4）避免上述缺点，杆机构结构不仅小巧，且能很好实现油门机械保护及腿长调节。其工作原理如下：图4中的1为夹持机构，可以实现快速无损的夹持踏板；2为执行器小腿，其长度可以调节以实现腿长的改变；2与1之间通过万向节连接，实现之间的二自由度相对转动。3为万向节，相当于人腿的膝关节；4～9相当于人的大腿，实现下踏和抬起动作。整过机构就是带弹簧回位的直线运动机构，通过拉索机构将伺服电机的旋转运动变成直线运动压缩弹簧和弹簧回位，实现下踏和抬起动作，实现油门踏板的控制。

图4 油门执行器结构原理示意图

4 制动执行器设计

制动踏板同油门踏板相似，可简化成绕支点旋转的摆动机构。制动操作目标：应能以车速为控制目标，在给定的时间内完成从一车速到另一车速的减速操作。具体功能要求与油门执行器相似，略有不同：制动执行器的最大输出力为400N。

其设计思路与油门执行器相似。不同之处在于由于其输出力较大，定位精度要求不高，将图4所示部分的6、7、8、9去掉，采用气缸作为执行元件，再增加比例阀控制气缸气压，从而控制制动力的大小，从而达到结构简单，成本较低，可靠性也较高。

5 离合执行器设计

离合踏板同油门踏板结构原理（图6）相似，可简化成摆杆机构。离合器连接发动机和变速箱，传递扭矩。踏板位置的高低决定了所传递扭矩的大小。离合执行器的设计原则是：实现其快速分离和平稳接合。具体设计要求如下：（1）离合器踏板速度变化达到图5要求：首先，下踏离合迅速，实现动力传递快速彻底分离。回离合时分为3个阶段，θcmax到θc2阶段为空行程，要求较快抬起；θc2到θc1阶段为离合接合区，要求缓慢抬起，以保证动力传递平稳；θc1到θc0阶段为离合完全接合区，要求较快抬起。（2）离合执行器的最大输出力为200N。（3）离合执行端最大行程为200mm。

离合执行器的设计与油门执行器设计类似，其功能要求和技术指标有所不同，所以设计上有一定的差别。离合执行器其结构原理如图6所示：

图6 离合执行器结构原理示意图

现对图中的各个部件及其工作原理进行阐述，其工作原理与油门执行器类似。这里只讲述它们工作原理不同之处。油门执行器是用拉绳拉力压缩弹簧实现下压油门踏板，弹簧伸张实现回收油门踏板；相反，离合执行器用拉绳拉力压缩弹簧实现松离合踏板，弹簧伸张实现下压离合踏板。采用这样的工作原理其目的是能实现停电保护，当停电时，弹簧伸张，下压离合，使离合分开。

6 试验验证

为验证设计是否合理，按照上述设计，加工制作出汽车驾驶机器人，安装在试验车上，与底盘测功机上进行一起了试验。经过反复试验，油门、离合、制动执行器及换档机械手工作正常，性能良好，达到设计要求。

7 结语

本文根据汽车排放耐久性试验要求，提出了驾驶机器人的功能及技术指标。根据驾驶机器人的功能及技术指标，在吸收消化国内外技术的基础上，进行了油门执行器、离合执行器、制动执行器及换档机械手的设计，并取得了较好的实际效果。

参考文献

[1] 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）（GB 18352.3-2005）[S].

[2] Wolfgnag Thiel，Stefan Grof， Gunter Honenberg， et al. Investigations on Robot Drivers for Vehicle Exhaust Emission Measurement in Comparison to the Driving Strategies of Human Drivers[J]. SAE paper，No.982642.

[3] ADS-7000 Automatic Driving System.http：//www.emd.horiba.com/engmeas/ads7000/index.htm，2006-1-8.

[4] Automotive & Aerospace Test Report.http：//tmword.com， 2004.

[5] 张丙军，翟羽健，张为公，赵剑英，朱学华.基于自动驾驶机器人汽车排放耐久性试验台的研制[J].制造业自动化，2004.

[6] 陈晓冰，张为公，张丙军，沈飞.汽车耐久性试验用驾驶机器人的研制[J].测控技术，2003，（10）.

[7] Specification SAP2000LC.

[8] 张为公，翟羽健，倪江生.汽车驾驶机器人换档机械手的优化设计[J].中国机械工程，1995，（1）.

作者简介：陈刚（1974—），男，中国汽车工程研究院重庆凯瑞汽车试验设备开发有限公司工程师，工学硕士，研究方向：汽车及零部件专用实验设备开发。