6軸機(jī)器人汽車座椅測(cè)試系統(tǒng)

　　KUKA機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)可以提供6個(gè)自由度高度柔性化的負(fù)載和位置編程測(cè)試，不但能夠檢測(cè)座椅在極端氣候條件下的狀態(tài)，還能夠提供真實(shí)的模擬大量不同的駕駛者的各種動(dòng)作。

　　汽車座椅必須接受各種各樣的考驗(yàn)：比如司機(jī)的重量和嚴(yán)酷的環(huán)境條件。為了找到解決問(wèn)題的答案，汽車制造商們不得不對(duì)汽車的座椅在可以想得到的溫度下，進(jìn)行嚴(yán)酷的負(fù)載測(cè)試。在這其中，KUKA機(jī)器人KR210-2在瑞典的VOLVO工廠非常好地完成了這項(xiàng)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(shí)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(shí)，例如VOLVO很早就開始對(duì)座椅進(jìn)行測(cè)試。對(duì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(cè)座椅在極端氣候條件下的狀態(tài)，還能夠提供真實(shí)的模擬大量不同的駕駛者的各種動(dòng)作。無(wú)論白天黑夜，一個(gè)穿著特殊設(shè)計(jì)的保護(hù)罩的KUKA機(jī)器人被放置在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，模擬駕駛者的各種動(dòng)作，由此來(lái)測(cè)試汽車座椅的耐久性。

機(jī)器人座椅測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成和原理
　　機(jī)器人座椅測(cè)試系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）可以提供6個(gè)自由度高度柔性化的負(fù)載和位置編程測(cè)試，替代了過(guò)去單一用途的測(cè)試專機(jī)，可以不斷地模擬人的動(dòng)作和重量產(chǎn)生高達(dá)83Hz的動(dòng)作頻率。無(wú)論是入座、離座，還是顛簸、蠕動(dòng)或是背部的摩擦，甚至是撞擊，都可以通過(guò)機(jī)器人示教編程的方式得到模擬。

　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 機(jī)器人座椅測(cè)試系統(tǒng)

機(jī)器人座椅測(cè)試系統(tǒng)由以下4個(gè)部分構(gòu)成：

1.KUKA標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）

　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 KUKA標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)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(jī)器人編程語(yǔ)言環(huán)境和KUKA標(biāo)準(zhǔn)的操作示教器以及負(fù)載為150～210kg的機(jī)器人本體。

2.實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)作的假人模型（見(jiàn)圖3）
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)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(jī)器人工具中心的法蘭上，可以進(jìn)行6個(gè)自由度的測(cè)量，力矩傳感器通過(guò)安裝在KUKA機(jī)器人控制器KRC2內(nèi)的PCI傳感器數(shù)據(jù)采集卡與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　力矩傳感器可以檢測(cè)到高達(dá)4500N的力和1500N·m的力矩。

4.Occubot測(cè)量軟件系統(tǒng)
　　用于對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)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(jī)器人座椅測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可以用圖4進(jìn)行說(shuō)明，用戶通過(guò)用戶界面進(jìn)行測(cè)試程序的選擇，并可以建立新的測(cè)試程序。力矩傳感器在機(jī)器人執(zhí)行測(cè)試程序的過(guò)程中，不斷獲得從外界傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)分別傳遞到用戶界面用于實(shí)時(shí)顯示、外部數(shù)據(jù)庫(kù)用于保存測(cè)試數(shù)據(jù)和評(píng)估，同時(shí)傳感器采集過(guò)來(lái)的錯(cuò)誤信號(hào)也可以通過(guò)機(jī)器人的顯示屏進(jìn)行顯示說(shuō)明。

　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 機(jī)器人座椅測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　通過(guò)機(jī)器人本身靈活多變的坐標(biāo)系統(tǒng)和用戶簡(jiǎn)單易行的坐標(biāo)自定義操作環(huán)境，測(cè)試程序的編寫也變得輕松自如。

　　工具坐標(biāo)和傳感器坐標(biāo)都是根據(jù)實(shí)際安裝方式來(lái)確定，比如工具坐標(biāo)的基點(diǎn)通常設(shè)置在假人臀部連接處和骨盆中心相交的地方（見(jiàn)圖5）。因?yàn)闄C(jī)器人工具中心的所有運(yùn)動(dòng)點(diǎn)都是相對(duì)于基礎(chǔ)坐標(biāo)而言的，因此在把機(jī)器人測(cè)試程序從一個(gè)座椅轉(zhuǎn)化到另一個(gè)座椅時(shí)，只需要簡(jiǎn)單的重新定義基礎(chǔ)坐標(biāo)系統(tǒng)就可以了。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 各坐標(biāo)系統(tǒng)的位置

機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)
1.機(jī)器人具有更多的維度和柔性
　　過(guò)去，VOLVO使用氣動(dòng)或者液壓的座椅測(cè)試儀來(lái)做這項(xiàng)測(cè)試，但是這種系統(tǒng)只能在座椅上放置兩維的負(fù)載——水平方向或垂直方向，蠕動(dòng)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作——這在日常駕駛中最經(jīng)常發(fā)生的動(dòng)作——反而無(wú)法進(jìn)行模擬，而且原來(lái)的座椅測(cè)試儀無(wú)法在極端的氣侯條件下工作，這樣對(duì)于座椅在極端氣候條件下的狀態(tài)便無(wú)法掌握，這使得VOLVO公司迫切需要來(lái)投資一套新的座椅測(cè)試設(shè)備。

　　在Kuka Occubot系統(tǒng)中，KUKA機(jī)器人可以檢驗(yàn)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(gè)生命周期內(nèi)承受得住機(jī)械壓力。這套系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)開始于2003年3月，在2005年的8月最終完成。

2.機(jī)器人可日夜不停的工作
　　KUKA機(jī)器人KR210-2（見(jiàn)圖6）可以在各種不同的溫度條件下日夜進(jìn)行工作，只有在需要對(duì)桌椅進(jìn)行檢查的時(shí)候才會(huì)讓機(jī)器人暫停工作。在一個(gè)氣候模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，6個(gè)桌椅圍繞地安裝在KUKA機(jī)器人的周圍，機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)置的時(shí)序和程序來(lái)作用于桌椅。為達(dá)到真實(shí)的模擬效果，機(jī)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(jì)成的假人，來(lái)模仿人體的動(dòng)作。機(jī)器人把這個(gè)假人在桌椅上面不斷地坐下又站起，并從各個(gè)方向進(jìn)行摩擦和擠壓。壓力和力矩傳感器使得機(jī)器人在重復(fù)不斷地產(chǎn)生人的動(dòng)作過(guò)程中來(lái)檢測(cè)各種力，機(jī)器人可以非常靈活地進(jìn)行編程并具有極高的重復(fù)定位精度。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 KUKA機(jī)器人KR210-2進(jìn)行測(cè)試

　　測(cè)量系統(tǒng)可以提供對(duì)壓力和力矩6個(gè)自由度的測(cè)量數(shù)據(jù)，并保證該數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度，這樣就為用戶提供了座椅和假人接觸過(guò)程中實(shí)際產(chǎn)生的準(zhǔn)確的壓力數(shù)據(jù)。

　　為避免假人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引起額外的動(dòng)態(tài)力矩，必須對(duì)假人進(jìn)行靜態(tài)的力矩補(bǔ)償。機(jī)器人的動(dòng)作也隨著受測(cè)桌椅的磨損有規(guī)律的進(jìn)行調(diào)整。為了保證整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)能夠適應(yīng)一個(gè)新的座椅，只需要重新定義一個(gè)新的機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系就可以了。比如在測(cè)量假人和桌椅的摩擦力過(guò)程中，一旦達(dá)到設(shè)定的極限值，假人就會(huì)相應(yīng)減少作用在桌椅上的負(fù)載，就像真實(shí)生活中一樣。

　　機(jī)器人和氣候?qū)嶒?yàn)室都由外部的一個(gè)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，最初的難點(diǎn)是，怎樣使得機(jī)器人和溫度控制系統(tǒng)能夠相互適應(yīng)。為了保證機(jī)器人在劇烈的溫度和濕度變化的環(huán)境下能夠正常運(yùn)行和工作，機(jī)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(hù)下，機(jī)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(duì)3層衣服進(jìn)行充氣保溫的情況下獲得的，保證了機(jī)器人本身的空調(diào)系統(tǒng)。

3.在各種測(cè)試條件下都是安全的
　　在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程中，KUKA也采取了一系列的安全保護(hù)措施，比如在地板上設(shè)計(jì)了一個(gè)停止按鈕，這樣操作者躺在地上也同樣可以把整個(gè)系統(tǒng)停止下來(lái)。這樣的設(shè)計(jì)也許有些奇怪，但非常實(shí)用，當(dāng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室在非常寒冷的溫度下工作時(shí)，操作人員很容易因?yàn)榈匕迳系姆e霜而滑倒，這種情況下操作人員又不可能再次站起來(lái)，這時(shí)安裝在地板上的按鈕就顯得非常重要。

　　整個(gè)系統(tǒng)只有在實(shí)驗(yàn)室外面才可以被啟動(dòng)，門一旦打開，系統(tǒng)便立即停止。操作人員站在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是無(wú)法啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的。另外，系統(tǒng)設(shè)置了報(bào)警信號(hào)，比如氣體的泄漏或者檢測(cè)到桌椅加熱器損壞，報(bào)警信號(hào)就會(huì)立即發(fā)出，以提示操作者采取措施。實(shí)驗(yàn)室的空間足夠容納一輛車，這樣機(jī)器人及其相關(guān)設(shè)備可以安裝在里面的同時(shí)，也可以安裝其他的測(cè)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(jī)器人對(duì)待所有的座椅都是同樣的條件
　　KUKA機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)的另一大優(yōu)點(diǎn)是，能夠保證機(jī)器人處理所有座椅是一致的，并且可以任意編程。KUKA機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)能夠測(cè)試各種不同的座椅，而且能保證相同的負(fù)載力。如果一個(gè)新的座椅在半路上被引入整個(gè)測(cè)試程序，機(jī)器人將判斷并紀(jì)錄這個(gè)“新來(lái)者”，從而精確地辨別出這個(gè)座椅還有哪些測(cè)試程序需要執(zhí)行。

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