汽车自动驾驶机器人变速杆操纵机械手的设计与控制

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1、褚金钱，黄澈，李国兴,牛志刚，董志国(太原理工大学机械工程学院，山西太原030024）【摘要】汽车自动驾驶机器人变速杆操纵机械手的设计，其机械手可以沿X、Y轴两个方向移动，通过步进电机的驱动，机械手可以执行汽车变速器的各个换档动作，换档快速、平稳，挡位变换准确。控制系统采用工控机和驱动卡相结合，满足了控制的精度与速度，能够有效地实现汽车自动驾驶机器人对变速器的操纵要求。【关键词】：自动驾驶；机器人；机械手【中图分类号】TP241【文献标识码】A【文章编号】1003-773X（2010）02-0041－020引言随着国内外汽车

2、数量的大量增加，其排放尾气对环境造成的污染备受关注。汽车生产制造商在汽车出厂前必须对其进行尾气排放，考虑到检测工作的重复性高，强度大，相继开发了各种应用污染控制检测的驾驶机器人。目前，对变速杆操纵的机械手设计一直是汽车驾驶机器人开发工作的重点和难点。为此，本文提出了一种对变速杆操纵的机械手设计方法，以实现各种换挡动作。1机械手的组成根据实现各种动作的需要和控制要求，该系统主机构采用剖分式机构，这样一方面降低了加工难度，具有良好的加工工艺性，另外也获得较高的导向精度，满足换挡的需要。2机械手的控制系统[1]机械手的控制系统由工

3、业控制计算机，PCL-839+三轴步进电机卡，显示屏，X和Y位移传感器，X和Y向力传感器，两个57YG350DL步进电机，两个SH-30806型三相混合式步进电机细分驱动器，人机界面等组成，见下图2。要由固定机架，X和Y向导轨，变速杆的抱紧与机械手的联接装置和控制系统等四部分构成。1.1变速杆的抱紧与机械手的连接装置变速杆的抱紧与机械手的联接装置主要是有两部分组成。如图1所示，一部分用于变速杆的抱紧，另一部分用于与机械手的前后调节螺杆顶端相配合。该装置与前后位置调节螺杆顶端球形的连接槽是由一个圆柱形和一个长方体组合而成。在其

4、连接配合中要求球形顶端能够自由转动和上下移动，同时螺杆在长方体的槽中能够自由移动和转动，这样机械手前后位置调节螺杆就可以在联结槽中自由转动和上下移动，将变速杆球面运动转化为前后位置调节螺杆球形顶端的平面运动，实现了对变速杆的操作由三维运动转化为二维运动，简化了运动的控制过程。图2机械手控制系统框图机械手的驱动装置[2]根据查阅相关资料，实现换档动作所需的力矩大约为1.2N.m，为此选用了57YG350DL型步进电机。该电机单轴，三相三线，步距角1.2，静态相电流6A，相电阻0.36Ω，保持转矩最大1.5N.m，定位转矩为0.

5、08N.m，输入电压24~70V（DC）,总重为1.1kg.步进电机的驱动采用SH-30806型三相混合式步进电机细分驱动器。2.2传感器X,Y向传感器：对操作变速杆的机械手位置实时监控，确保其运动轨迹的准确性和精确性，以实现快速准确的换挡。X,Y向力传感器，对操作变速杆的机械手受力情况进行实时监控，防止换挡过程中因卡死等造成的压力冲击而损坏变速杆。2.11.2X和Y向导轨在实现换挡过程中，要保证变速杆到达预定的的档位，且具有一定的导向精度，采用矩形导轨机构。矩形导轨的支撑工控机[3]工控机负责人机对话，步进电机的运动控制，

6、传感器的信号采集示教盒信号采集运动控制计算分析2.3图3受力分析图进行相关的逻辑控制。任意一位置P(X,Y,Z),变速2.4PCL-839步进电机控制卡PCL-839+卡是一种高速三轴智能步进电机控制卡。它用于将上位计算机所下达的控制命令转换成步进电机的控制脉冲，并独立进动控制的智能化板卡。它有3个独立的脉冲发生芯片，能够对连在该卡上的3个步进电机进行单独控制或联合控制，同时为每个步进电机控制轴提供数字脉冲信号和方向信号。在控制时，运用VC通过调用相关的函数编写程序实现对机械手的控制，以实现各种换挡动作。3齿轮模数的确定和机

7、械手的受力分析3.1齿轮模数的确定杆对装置的力的大小为F,其余X轴，Y轴，Z轴的夹角分别为α，β，γ，两个步进电机输出的转矩分别为T1,T2,传递效率分别η1,η2，其对应的半径分别为R1,R2,且机械手与联接装置在3个方向的摩擦力分别为f1，f2，f3，由牛顿第二定律分析如下，Max=Fx-F.cosα-f1=T1.η1/R1-F.cosα-f1.May=Fy-F.cosβ-f2=T2.η2/R2-F.cosβ-f2.Maz=F.cosλ-f3-Mg（Fx,Fy为步进电机施加给齿条的力）。考虑到钢球与圆柱形接触的刚性良好，

8、同时杆与矩形槽为线接触，表面具有较高的光洁度，故f1，f2可以忽略不计，则上式可简化为：Max=Fx-F.cosα-f1=T1.η1/R1-F.cosα.May=Fy-F.cosβ-f2=T2.η2/R2-F.cosβ.Maz=F.cosλ-f3-Mg.由上式可知，为实现机械手在X方向,在