車輛內飾開關操作力測量與客觀評價方法研究

劉智光　郝劍虹　溫照園　張好運

摘? 要：為了促進我國汽車產業向中、高端方向發展，研發制造更高品質、用戶體驗更優異的汽車產品，做好整車性能的精工極致工程，開展了車輛內飾開關操作力測量與客觀評價方法研究，建立了基于機器人運動平臺的開關類操作力測量方法。該測量方法通過采用多自由度機械臂為運動載體，以搭載力傳感器測量模塊的形式，實現了開關類操作力參數的測量，具有精度高、靈活性好、測量范圍廣、效率高和操作擬人化程度高等優點。為了證明所提測量方法的有效性，開展了與實際操作測量的按鍵力進行對比實驗，實驗結果表明基于機器人的開關操作力測量值與操作人員直接操作的操作力誤差小于5%。為了實現車輛開關操作力品質把控，通過對基于機器人運動平臺測量的操作力/位移曲線進行分析，建立了車輛操作力分析和客觀評價方法。以上所建立的測量與測評方法可為整車、零部件企業在人機交互對標研究、性能開發、規范完善、質量管控、主客觀評價等研究領域提供重要的理論支撐和科學準確的數據支持，對我國車企在研發車輛人機交互觸覺性能提升方面具有重要意義。

關鍵詞：車輛開關;操作力;測量方法;客觀評價方法

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0131-04

Abstact： In order to improve the quality of the China's automobile industry and to develop and manufacture better products， the measurement and evaluation methods of switch operating force are researched and presented in human vehicle interaction. A robot， as the moving platform， building tactile module is used to test interactive force. This method is characterized by its high precision， flexibility， wide measuring range， efficiency and flexibility and it is an affective method of measurement for the switch operating force parameters， which is verified by comparison experiment that shows the measurement error is less than 5%. An analysis and objective evaluation method is proposed after obtaining the measurement data base on robot moving platform. The methods can provide important theoretical and accurate data support for vehicle and parts enterprises in the research field of benchmarking， performance development， specification improvement， quality control， subjective and objective evaluation， which is of great significance for Chinese automobile enterprises in improving human machine interaction performance of vehicles.

Keywords： vehicle switch; operating force; measurement method; evaluation method

當前汽車產業國內外競爭激烈，我國車企急需推出中、高端產品競爭國際市場。然而，長久以來，我國汽車產業具有價格低廉、品質較低的特點，主打中、低端市場，競爭環境激烈，利潤相對薄弱。造成以上問題的原因眾多，其中，最直接突出問題為我國車企在研發過程中缺乏科學合理的理論依據和實踐方法，造成自身研發產品性能無法與具有完善質量把控體系的國際知名車企產品相媲美[1-3]。目前隨著汽車各項性能的不斷提升，消費者對汽車除了安全、動力、經濟等性能提出高要求外，對駕乘舒適性的關注正在逐漸增強，期望車輛發揮交通工具作用的同時，能夠給駕乘人員更舒適和更人性化的使用體驗[4-6]。消費者對產品的高要求也就反映出在車輛研發過程中對內飾品質提出了更高要求，尤其對于中、高端乘用車的每一部件的感知質量要求更加苛刻。而我國車企產品在內飾品質感方面較國際先進車企存在較大差距，這也是制約我國汽車走向高端市場的重要因素之一。內飾品質感的開發離不開人機觸覺交互技術的研究，大量學者從自身領域對人機觸覺交互進行了研究，研究方法和評價手段涉及心理學、生理學、醫學、人體測量學和工程技術等多個領域[7-11]。觸覺交互是智能汽車包括視覺交互、語音交互、嗅覺交互等人機交互技術中的重要交互方式，近年來觸覺交互性能越來越受到車輛研發領域重視[12-14]，因為該性能直接影響消費者對車輛品質定位，從而影響車企品牌價值觀念的形成和車輛的銷售業績。然而，我國車企對觸覺交互性能，尤其車輛內飾開關類的測量和評價方法的研究與應用存在嚴重缺失，相關理論研究十分薄弱。造成以上問題的主要原因在于目前缺少高精度、重復性好的測量工具和科學的測量方法，不能獲取準確操作力和操作位移的測量數據，無法進行操作過程中全流程數據分析，未能建立合理的客觀評價參數模型，最終導致對于整車企業難以形成行之有效的企業規范與把控方法[15]。

為了實現車輛內飾開關操作力測量，開展了以機器人作為運動載體，通過搭載力傳感器模塊，提出了一套全新完整的開關操作力/位移參數測量方法。該方法利用多自由度機器人靈活性好、精度高、操作擬人化程度高等特點，結合高精度力傳感器，實現了內飾開關類操作力精確測量。為了驗證所提方法有效性，設置了基于機器人運動平臺和操作人員直接按壓開關的測量實驗，實驗結果顯示基于機器人運動平臺的測量方法在開關操作力參數測量中誤差小于5%，具有高精度特點。對基于機器人運動平臺測量的開關力/位移數據進行詳細分析，建立了車輛開關操作力的客觀評價模型和方法。以上測量與評價方法可為整車、零部件企業在人機交互對標研究、性能開發、規范完善、質量管控、主客觀評價等研究領域提供重要的理論支撐和科學準確的數據支持，對我國車企在研發車輛人機交互觸覺性能提升方面具有重要意義。

1 觸覺交互性能參數測量原理

當前，汽車研發過程中，我國整車企業大多采用主觀評價方法對車輛操縱件手感和內飾包裹觸摸舒適性進行測試與評價。主觀評價具有方法直接、快速、測試范圍廣等優點，但同時也存在受評價人員人為因素影響大、評價指標量化困難、不能提供精準數據供產品優化等明顯缺點，因此，測評汽車內飾開關類操作力參數還需建立客觀測量與評價方法。客觀測評方法是通過儀器測出表征的物理量，然后通過數據分析、參數制定、分析和對比等方法，對車輛表現進行評價，客觀評價原理圖如圖1所示。

相比主觀評價方法，客觀測評方法具有受人為因素影響小，可測量性和可重復性強、數據指導性強等優點。

2 開關類操作力測量方法建立

當前，測量人員常采用手持壓力傳感器或拉力計等力測量工具對于車輛內飾交互件的操作力進行測量，存在測量方法不科學、測量重復性差、測量精度低、測量過程中僅存在力單點數據等缺點，導致所測數據參考性差、可分析參數有限，無法建立科學全面的客觀評價模型。

2.1 基于機器人運動平臺的開關操作力測量方法建立

基于以上現狀，本文提出了如圖2所示的一種基于機器人運動平臺的車輛開關類操作力參數測量系統，該系統主要由實驗臺、高精度力/力矩傳感器、多自由度機器人、系統控制柜等硬件以及測量軟件組成。

基于機器人運動平臺的車輛開關操作力測量系統通過測量軟件控制多自由度機器人，使機器人末端力/力矩傳感器與實驗臺上的被測零部件接觸，實現按壓、旋轉、撥動、滑移等操作，力/力矩傳感器同時讀取測量值，實現操作力/位移參數測量。該系統可實現汽車空調出風口撥片和滾輪、按鈕、旋鈕、翹板、撥桿等各類操作件的操作力/力矩、位移/角度等數據測量，也可對表面軟硬程度、滑移摩擦力等參數進行測量。該系統具有精度高、測量范圍廣、重復性好、移動靈活、仿人運動程度高等優點，該系統的相關參數見表1所示。

通過車輛開關操作力測量系統采集的開關操作力/位移數據，對其進行詳細分析，提取可能影響品質的關鍵值，形成客觀評價參數，進而探索更加科學、合理與可實施性好的客觀評價方法。

2.2 開關類操作力測量參數分析

根據基于機器人運動平臺的開關操作力測量系統獲得的觸覺交互數據，實際為交互力/力矩與位移/轉角之間的關系信息，因此，需從以上數據出發，分析所測數據特點，提取對于開關類品質把控的關鍵值。本文以按鈕開關為例進行測量參數分析，對于單一彈墊式按鈕，系統采集的按壓與反彈全過程測量值如圖3所示。

（1）FP為按壓過程的波峰力;（2）FT為按壓過程中的波谷力;（3）FP-T為按壓過程的波峰力和波谷力的差值;（4）SP-T為按壓過程的波峰力和波谷力處的位移差值。

對于彈墊式按鈕，選取的關鍵值為操作過程中按壓時的波峰力FP、波谷力FT、按壓過程的波峰力和波谷力的差值FP-T以及波峰力和波谷力處的位移差值SP-T。之所以選取以上參數，是因為在按鈕的按壓過程中以上波峰力和波谷力處對手感的影響較大，通過這些參數可建立客觀評價模型。

2.3 開關類操作力客觀評價模型建立

通過對測量數據關鍵值的選取，建立了如下客觀評價參數模型：

（1）力感：表征峰值力變化程度相對波峰力的物理量，大小為波峰力與波谷力落差力與波峰力的比值，常用百分數表示如下：

（2）檔位感：表征峰值力變化程度相對峰值力對應距離變化的物理量，這一參數可體現操作過程中力變化和操作距離的關系。檔位感大小為波峰力與波谷力落差力和波峰力與波谷力處之間的距離的比值，表示如下：

3 實驗與驗證

為了驗證本文所提測量方法的有效性，設計了開關類操作力測量實驗，觸覺測量采用人工手指實際操作力與基于機器人運動平臺的測量系統所測操作力對比的方式進行驗證。

為了實現測量車輛駕乘人員實際操作力，搭建了如圖4所示的測量實驗。測量儀器采用操作人員按壓貼片式壓力傳感器對車輛按鈕操作力進行測量。

基于機器人運動平臺的測量方法首先將機器人安裝于主駕駛座椅安裝位置，同樣對上述操作人員直接按壓的內飾按鈕進行操作力的測量，測量實物圖如圖5所示。

兩種測量方法得到的測量結果如表2所示。基于機器人運動平臺測量開關操作力的同時，采集了操作過程中的位移信息，由本文建立的評價模型，得到如表3所示的評價參數值。

由表2數據可知，基于機器人運動平臺的開關類操作力測量值與操作人員按壓同一按鈕的操作力測量值最大差值為0.23N，誤差最大為4.81%，平均誤差小于5%。因此，證明了基于機器人運動平臺的開關類操作力測量值的準確性和方法的有效性。由表3數據可知基于本文提出的測量方法獲得的數據，可進一步采用建立的評價參數模型得到了客觀評價參數值，該參數值可實現開關操作力品質把控。

4 結束語

為了實現車輛內飾人機觸覺交互操作件測量，提出了一套全新完整的操作力測量方法。該方法充分利用多自由度機器人靈活性好、精度高、操作擬人化程度高等特點，結合高精度力傳感器，實現了內飾開關類操作力/位移的精確測量。為了驗證所提測量方法的有效性，設置了基于機器人運動平臺和操作人員直接按壓開關的測量實驗，實驗結果顯示基于機器人運動平臺的測量方法在多個按鈕類開關操作力參數測量中誤差均小于5%，具有高精度特點。對基于機器人運動平臺測量的開關力＼位移數據進行了進一步分析，建立了車輛開關操作力的客觀評價參數模型，實現了在實際實驗中獲得手感、一致性等品質把控參數的目的。以上開關測量與評價方法可為整車、零部件企業在人機觸覺交互對標研究、性能開發、規范完善、質量管控、主客觀評價等研究領域提供重要的理論支撐和科學準確的數據支持，對我國車企在研發車輛人機交互觸覺性能提升方面具有重要意義。

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