6軸機器人汽車座椅測試系統(tǒng)

　　KUKA機器人測試系統(tǒng)可以提供6個自由度高度柔性化的負載和位置編程測試，不但能夠檢測座椅在極端氣候條件下的狀態(tài)，還能夠提供真實的模擬大量不同的駕駛者的各種動作。

　　汽車座椅必須接受各種各樣的考驗：比如司機的重量和嚴酷的環(huán)境條件。為了找到解決問題的答案，汽車制造商們不得不對汽車的座椅在可以想得到的溫度下，進行嚴酷的負載測試。在這其中，KUKA機器人KR210-2在瑞典的VOLVO工廠非常好地完成了這項艱巨任務(wù)。

　　VOLVO汽車公司不僅以生產(chǎn)安全、環(huán)保的汽車聞名，同時也非常重視汽車的舒適性和品質(zhì)。所以，VOLVO公司積累了在座椅制造上的大量技術(shù)和知識，例如VOLVO很早就開始對座椅進行測試。對質(zhì)量標準的高要求使得VOLVO公司一直致力于投資一套高技術(shù)含量的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不但能夠檢測座椅在極端氣候條件下的狀態(tài)，還能夠提供真實的模擬大量不同的駕駛者的各種動作。無論白天黑夜，一個穿著特殊設(shè)計的保護罩的KUKA機器人被放置在環(huán)境實驗室內(nèi)，模擬駕駛者的各種動作，由此來測試汽車座椅的耐久性。

機器人座椅測試系統(tǒng)的構(gòu)成和原理
　　機器人座椅測試系統(tǒng)（見圖1）可以提供6個自由度高度柔性化的負載和位置編程測試，替代了過去單一用途的測試專機，可以不斷地模擬人的動作和重量產(chǎn)生高達83Hz的動作頻率。無論是入座、離座，還是顛簸、蠕動或是背部的摩擦，甚至是撞擊，都可以通過機器人示教編程的方式得到模擬。

　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 機器人座椅測試系統(tǒng)

機器人座椅測試系統(tǒng)由以下4個部分構(gòu)成：

1.KUKA標準的機器人系統(tǒng)（見圖2）

　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 KUKA標準的機器人系統(tǒng)

　　包含基于PC技術(shù)的KRC2控制器和基于Windows XP的操作系統(tǒng)、KUKA機器人編程語言環(huán)境和KUKA標準的操作示教器以及負載為150～210kg的機器人本體。

2.實現(xiàn)人體動作的假人模型（見圖3）
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 實現(xiàn)人體動作的假人模型

　　在這里我們稱之為“OccuForm”。

3.力矩傳感器系統(tǒng)
　　力矩傳感器系統(tǒng)安裝在機器人工具中心的法蘭上，可以進行6個自由度的測量，力矩傳感器通過安裝在KUKA機器人控制器KRC2內(nèi)的PCI傳感器數(shù)據(jù)采集卡與機器人進行數(shù)據(jù)交換。

　　力矩傳感器可以檢測到高達4500N的力和1500N·m的力矩。

4.Occubot測量軟件系統(tǒng)
　　用于對測試系統(tǒng)進行設(shè)置、參數(shù)的更改、數(shù)據(jù)的獲取以及傳遞，提供用戶友好的操作界面。

　　機器人座椅測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可以用圖4進行說明，用戶通過用戶界面進行測試程序的選擇，并可以建立新的測試程序。力矩傳感器在機器人執(zhí)行測試程序的過程中，不斷獲得從外界傳來的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)分別傳遞到用戶界面用于實時顯示、外部數(shù)據(jù)庫用于保存測試數(shù)據(jù)和評估，同時傳感器采集過來的錯誤信號也可以通過機器人的顯示屏進行顯示說明。

　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 機器人座椅測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　通過機器人本身靈活多變的坐標系統(tǒng)和用戶簡單易行的坐標自定義操作環(huán)境，測試程序的編寫也變得輕松自如。

　　工具坐標和傳感器坐標都是根據(jù)實際安裝方式來確定，比如工具坐標的基點通常設(shè)置在假人臀部連接處和骨盆中心相交的地方（見圖5）。因為機器人工具中心的所有運動點都是相對于基礎(chǔ)坐標而言的，因此在把機器人測試程序從一個座椅轉(zhuǎn)化到另一個座椅時，只需要簡單的重新定義基礎(chǔ)坐標系統(tǒng)就可以了。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 各坐標系統(tǒng)的位置

機器人測試系統(tǒng)的特點
1.機器人具有更多的維度和柔性
　　過去，VOLVO使用氣動或者液壓的座椅測試儀來做這項測試，但是這種系統(tǒng)只能在座椅上放置兩維的負載——水平方向或垂直方向，蠕動和旋轉(zhuǎn)動作——這在日常駕駛中最經(jīng)常發(fā)生的動作——反而無法進行模擬，而且原來的座椅測試儀無法在極端的氣侯條件下工作，這樣對于座椅在極端氣候條件下的狀態(tài)便無法掌握，這使得VOLVO公司迫切需要來投資一套新的座椅測試設(shè)備。

　　在Kuka Occubot系統(tǒng)中，KUKA機器人可以檢驗集成在汽車座椅內(nèi)的加熱器和座椅部件能否在汽車的整個生命周期內(nèi)承受得住機械壓力。這套系統(tǒng)的概念設(shè)計開始于2003年3月，在2005年的8月最終完成。

2.機器人可日夜不停的工作
　　KUKA機器人KR210-2（見圖6）可以在各種不同的溫度條件下日夜進行工作，只有在需要對桌椅進行檢查的時候才會讓機器人暫停工作。在一個氣候模擬實驗室內(nèi)，6個桌椅圍繞地安裝在KUKA機器人的周圍，機器人按照預(yù)先設(shè)置的時序和程序來作用于桌椅。為達到真實的模擬效果，機器人的手臂上安裝了一套特殊的抓具，用于固定一套用襯墊設(shè)計成的假人，來模仿人體的動作。機器人把這個假人在桌椅上面不斷地坐下又站起，并從各個方向進行摩擦和擠壓。壓力和力矩傳感器使得機器人在重復(fù)不斷地產(chǎn)生人的動作過程中來檢測各種力，機器人可以非常靈活地進行編程并具有極高的重復(fù)定位精度。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 KUKA機器人KR210-2進行測試

　　測量系統(tǒng)可以提供對壓力和力矩6個自由度的測量數(shù)據(jù)，并保證該數(shù)據(jù)的絕對精度，這樣就為用戶提供了座椅和假人接觸過程中實際產(chǎn)生的準確的壓力數(shù)據(jù)。

　　為避免假人在運動過程中引起額外的動態(tài)力矩，必須對假人進行靜態(tài)的力矩補償。機器人的動作也隨著受測桌椅的磨損有規(guī)律的進行調(diào)整。為了保證整個測試系統(tǒng)能夠適應(yīng)一個新的座椅，只需要重新定義一個新的機器人基礎(chǔ)坐標系就可以了。比如在測量假人和桌椅的摩擦力過程中，一旦達到設(shè)定的極限值，假人就會相應(yīng)減少作用在桌椅上的負載，就像真實生活中一樣。

　　機器人和氣候?qū)嶒炇叶加赏獠康囊粋�工業(yè)控制計算機進行控制，最初的難點是，怎樣使得機器人和溫度控制系統(tǒng)能夠相互適應(yīng)。為了保證機器人在劇烈的溫度和濕度變化的環(huán)境下能夠正常運行和工作，機器人的外部穿上了一套特制的由3層布料織成的衣服，就像宇航員的航空服一樣。在這種特殊衣服的保護下，機器人本身的溫度一直保持在穩(wěn)定的20℃左右，這是依靠分別對3層衣服進行充氣保溫的情況下獲得的，保證了機器人本身的空調(diào)系統(tǒng)。

3.在各種測試條件下都是安全的
　　在設(shè)計系統(tǒng)的過程中，KUKA也采取了一系列的安全保護措施，比如在地板上設(shè)計了一個停止按鈕，這樣操作者躺在地上也同樣可以把整個系統(tǒng)停止下來。這樣的設(shè)計也許有些奇怪，但非常實用，當(dāng)整個實驗室在非常寒冷的溫度下工作時，操作人員很容易因為地板上的積霜而滑倒，這種情況下操作人員又不可能再次站起來，這時安裝在地板上的按鈕就顯得非常重要。

　　整個系統(tǒng)只有在實驗室外面才可以被啟動，門一旦打開，系統(tǒng)便立即停止。操作人員站在實驗室內(nèi)是無法啟動整個系統(tǒng)的。另外，系統(tǒng)設(shè)置了報警信號，比如氣體的泄漏或者檢測到桌椅加熱器損壞，報警信號就會立即發(fā)出，以提示操作者采取措施。實驗室的空間足夠容納一輛車，這樣機器人及其相關(guān)設(shè)備可以安裝在里面的同時，也可以安裝其他的測試設(shè)備。為了保證其他可能的應(yīng)用，KUKA公司提供的這套系統(tǒng)還保留有一定的柔性，為VOLVO公司提供了很大的方便。

4.機器人對待所有的座椅都是同樣的條件
　　KUKA機器人測試系統(tǒng)的另一大優(yōu)點是，能夠保證機器人處理所有座椅是一致的，并且可以任意編程。KUKA機器人測試系統(tǒng)能夠測試各種不同的座椅，而且能保證相同的負載力。如果一個新的座椅在半路上被引入整個測試程序，機器人將判斷并紀錄這個“新來者”，從而精確地辨別出這個座椅還有哪些測試程序需要執(zhí)行。

　　原來的座椅測試儀需要4周時間測試一套座椅，即使這樣，測試的結(jié)果也不能完全讓人滿意。而KUKA機器人可以在10周時間內(nèi)同時完成6套座椅的耐久性測試，測試效率大大提高。