基于LabVIEW 的按鍵力與行程采集機器人系統

林煌旭，林侯前，張學昌，李賢義，何 平，張 煒

（1.浙大寧波理工學院機電與能源工程學院，浙江寧波 315100；2.寧波普瑞均勝汽車電子有限公司，浙江寧波 315040）

以特斯拉為代表的新能源汽車搭載的高性能中控屏正在快速普及，可為駕駛者提供多維度沉浸式體驗［1］。雖然車載觸控屏集成了多樣化的人機交互功能，但汽車廠商仍會保留必要的實體按鍵，如雙閃燈、車窗升降和方向盤輔助開關等［2］。從視覺體驗方面考慮，設計實體按鍵不僅可以豐富內飾細節，而且能提升汽車的品質［3-4］，因此，實體按鍵不會完全消失。市場需要更加美觀舒適、符合人體工程學設計的實體按鍵，這就對其外觀材質、性能水平、質量評估等方面提出了更高的要求［5］。在產品交付階段，汽車零部件供應商需要給整車廠商提供完整的檢測報告，按鍵手感測試類項目是其中關鍵的指標項。傳統按鍵手感測試設備通常采用拉伸壓縮試驗臺架和電子式萬能試驗機，以力傳感器單自由度移動、被測按鍵對中固定操作模式最為常見，但此方式存在以下弊端［6-7］：①多按鍵產品須依次調整測力點位置并重復裝夾，勞動強度大，長時間操作容易導致操作人員疲勞且測試效率也較低；②每次測量都需要操作人員尋找點位，存在定位誤差，造成同一批次產品不同時間段測量結果有較大差異，不能滿足產品重復測量一致性要求；③傳感器主軸無法偏轉角度，難以適用于平整表面、弧形表面和撥桿組合按鍵產品，靈活度不高，拓展性不強。

針對傳統設備自動化程度低、重復裝夾造成的測量誤差大等現狀，本文設計了用于采集按鍵力與行程的機器人系統，優點在于測試過程高度自動化，操作人員可將更多精力用于評定按鍵手感差異，而設備的自動化工作流程可降低手工操作的失誤率，提高按鍵狀態的一致性；機器人重復定位精度高且選配的工業級精密傳感器可保證系統重復測量數據的穩定性，減少了設備本身的精度誤差對按鍵手感測試造成的影響；6關節機械手擁有更多的空間自由度，可更換不同類型的夾頭，適用于多種類按鍵產品的手感測試任務，且可控制末端操作器垂直于按鍵表面，確保了采集數據的精準度。整套測控系統可應用于實驗室精密測量領域。

1 測控系統設計

測控系統主要由機械手運動控制模塊①、力采集模塊②、行程采集模塊③、NI CompactRIO 控制平臺（cRIO 9039）④和個人計算機⑤組成，總體系統結構如圖1 所示。模塊①是Epson C4 機器人系統，控制器RC50 提供LAN 網口和USB 端口實現與個人計算機通信，在控制器開發軟件界面（EPSON RC ＋5.0，簡稱RC ＋5.0）完成示教點位和軌跡編程等操作；模塊②完成系統測力任務，力傳感器檢測到外力變化會輸出電信號到信號放大器，經放大濾波處理后傳輸給模擬輸入模塊（NI 9203）；模塊③用于測量目標對象位移變化量，直線電機內置位置編碼器反饋的位移增量經伺服驅動器內部A／D 轉換輸出到數字輸入模塊（NI 9401），經轉換后的力與行程信號統一由模塊④并行控制，最后通過機箱網口傳輸給個人計算機⑤處理。整個系統測力與位移測量環節都基于上位機Lab-VIEW軟件來實施。

圖1 測控系統總體系統框圖

2 系統關鍵部件及校準

2.1 力傳感器

電阻應變式力傳感器通過響應外界載荷改變電阻值并轉換成可測量的電信號來實現力采集，具有采集精度高、頻響特性好等優點［8］。由于受力對象測量范圍小于20 N，且力傳感器安裝在機械手末端位置，選用德國ME-Systeme公司設計生產的S 形鋁合金力傳感器（KD24S 20 N）。安裝方式上，力傳感器通過M5螺紋孔與直線電機連接的安裝方式，保證力傳感器受壓力方向與電機位移方向在同一直線上。整體結構設計上，其體積小、質量輕，可將拉、壓雙向力集中于中間位置，S形彈性體結構使得應變測量不受其他環境因素干擾，輸出穩定且靈敏度高，精度等級為0.1%，相對線性誤差系數為0.02%F.S.，測力量程廣，最大可承受4 倍的過載力［9］，能滿足系統使用需求。

2.2 直線電機模塊

直線電機模塊帶動力傳感器直線移動并檢測位移值增量，組件包括無刷同步伺服電機和伺服驅動器。伺服驅動器通過配置軟件（LinMot Talk）可以定義運動控制模式并設置電機的初始位置和上下極限位置；線性電機作為執行元件，接收伺服驅動器控制信號并做出響應；而電機內置位移傳感器會實時檢測電機位置信息并反饋給驅動器。產品選型采用LinMot 系列線性驅動解決方案，包含伺服驅動器（B1100-GP）和線性電機（P01 -48 ×240，最大行程210 mm，重復性測量精度0.05 mm）［10］。與傳統電機組合齒輪等傳動方式相比，該驅動模塊直接將輸入電能轉換成直線位移，具有定位精度高、響應速度快、使用壽命長等優勢，適用于實驗室自動化精密測量工作場景。

2.3 力與行程校準

力傳感器的測試數值與直線電機行程的動態響應關系決定著系統整體采集精度。為保證每次測量結果的準確性，使用前需要在HBM 單點式稱重傳感器（PW2CC3MR，7.2 kg）平臺上校準力與行程模塊，兩者數值的對應關系以采集電信號為中間變量經過換算得到。加載1 N 初始單點力，依次增加，每次增加1 N，最大增加到10 N，得到對應力值與電機位移輸出的關系，力與行程校準曲線如圖2 所示，其橫坐標為電機位置式傳感器檢測到的行程，縱坐標為力傳感器加載的力值，實際測試點基本分布在擬合直線上。測試結果表明，力與行程呈正比例函數關系，比例系數k 接近1，進一步說明測控系統采集信號精準，可用于精密測量場景。

圖2 力與行程校準曲線

3 LabVIEW功能模塊

LabVIEW是基于“軟件即儀器”核心理念的圖形化編程語言，通過計算機接口實現與外圍儀器互聯通信，可構建以軟件儀器為單元、數據流為載體的虛擬測控系統［11］。本文基于LabVIEW 開發環境實現以下功能：機器人控制器RC50 與機箱cRIO通信、力傳感器數值采集與直線電機位置檢測控制、數據實時顯示。

3.1 控制器RC50 與機箱cRIO通信機制

RC50 控制器（RC ＋5.0 開發環境）依據編譯點位實現機械手精準定位，cRIO 機箱（LabVIEW 編程環境）傳送指令給伺服驅動器從而控制機械手末端直線電機移動，兩者通過TCP／IP協議建立聯系，以TCP網絡通信控件傳遞字符串命令完成雙向數據發送與接收，整個過程為：LabVIEW界面觸發開始動作，以滿足“Measure_Start”字符串條件語句執行RC ＋5.0 程序從而控制機械手到達指定位置，同時傳送“Robot_In_Pos”字符串通知上位機，然后LabVIEW加載電機參數并驅動LinMot直線電機完成力與行程檢測；執行完測試任務后，以“Measure_End”字符串返回RC ＋5.0 程序，由此完成一個目標點位測量。

3.2 數據采集機理

為滿足力與行程實時采集要求，采用cRIO 機箱及PC端LabVIEW程序獲取高精度、低延時采樣數據。cRIO內部數據傳輸由門陣列邏輯電路矩陣（Field Programmable Gate Array，FPGA）和實時（Real Time，RT）處理器來實現。LabVIEW FPGA程序獲取傳感器信號并進行濾波處理，而后采集數據控件通過握手方式觸發實時處理器RT模塊同步運行并將測量數據打包上傳至PC 端。PC 端作為上位機與cRIO機箱利用以太網建立連接，基于網絡共享變量技術，綁定LabVIEW開發環境創建的共享變量與RT 模塊部署的共享變量，繼而可讀取到目標測量值。LabVIEW編程環境中采用隊列技術實現目標數據流采集、分析處理，以及實時顯示不同任務，其先入先出（First In First Out，FIFO）數據傳遞機制保證采集數據的完整性，也有利于提高運行效率，數據采集流程如圖3 所示。

圖3 數據采集流程圖

3.3 人機交互界面

LabVIEW開發環境以前面板為人機交互界面實現機械手運動控制、測量數據顯示及特征化和對文件系統的操作，LabVIEW人機交互界面如圖4 所示。測控系統的啟動與急停分別由布爾控件“Start”和“Stop”控制；通過設置參數文件可改變直線電機運動速度以適應不同的測試項目；實際測量過程中，波形圖實時顯示采集到的力與行程數據，在得到完整曲線后對數據進行處理并得到特征值，即實驗曲線的波峰、波谷極值。最后，測得的數據以特定文件格式保存在本地路徑以便實驗數據追溯與管理。

圖4 LabVIEW人機交互界面

4 實驗測試

搭建的測控系統可用于衡量工業產品按鍵的手感質量差異，機器人力與行程測量平臺如圖5 所示，機械手各關節協調轉動實現空間位置定位，手部末端的力傳感器和直線電機模塊完成數據采集，待測零件用夾具固定裝夾在水平臺面上，力傳感器始終保持垂直姿態。

圖5 機器人力與行程測量平臺

4.1 自動化測試能力

設備自動化是本設計的特色之一，闡明自動化調試過程對熟悉設備性能具有重要的參考意義。在系統自動運行實現階段，需要完成以下步驟。

（1）手動示教目標點位。

在機器人坐標原點與圖紙設計基準一致的狀態下，選擇手動模式并依據圖紙相對尺寸移動機械手到達目標點位，示教完成的各點信息存儲在控制器中，便于編程使用。

（2）創建下位機源程序和上位機應用程序。

源程序Main函數包含機械手自動運行的控制算法，編程內容涉及系統初始化、設置目標點位數量及相鄰點位運動軌跡、TCP／IP 通信等；LabVIEW 應用程序等待源程序指令執行測試任務并采集數據用于實時顯示和儲存操作，其通信機制描述見3.1 節。

（3）調試系統達到自動化測試效果。

切換機器人系統至自動（Auto）模式，試運行并排查機械手有無碰撞風險，直至能安全完成自動化測試任務。

為驗證其自動化測試能力，選取汽車內飾件多功能方向盤開關為測試對象，利用所設計的測控系統完成產品面板多個物理按鍵的集成測試。測試對象屬于自回位按鍵開關，由底座、PCB板、導電橡膠、主體外殼和面蓋構成，其中導電橡膠是實體按鍵產生反饋手感最主要的部件。整個測試過程中，操作人員只需用夾具固定好產品并點擊執行按鈕即可。機器人系統接收到用戶指令后進行初始化并鏈接數據庫示教點位信息，啟動機械手自動完成測試任務，同時在上位機實時顯示數值并保存數據。機械手末端操作器完成一個點位測試作業后，數據會自動傳輸到上位機緩沖區暫存，直到完成特定次數任務后生成完整的曲線文件。如圖6 所示，得到測試對象所有按鍵測試的曲線集合算作機器人自動執行一次作業任務。結果表明，各按鍵測出的力與行程關系曲線形狀相似，力值隨行程變化總體呈上升趨勢，各處特征點力的大小基本一致，其中有一段力值隨行程增大而減小［12］，這是由于被測按鍵在下壓過程中內部導電橡膠斜壁驟然彎曲導致部分壓力滯后損失，這也是判斷按鍵操作手感好壞的依據。

為進一步解釋按鍵手感機理，選取Key3 結果分析說明影響按鍵手感的參數指標。如圖7 所示，實線是按鍵下壓進程階段，動力源是機械手對按鍵施加的作用力；虛線是按鍵松開回程階段，由彎曲導電橡膠形變恢復提供能量。反映手感性能差異的是進程曲線。F1是導電橡膠斜壁在即將彎曲變形時刻的臨界力，簡稱操作力；F2是導電橡膠剛好下壓到PCB 板的接觸力；F3是導電橡膠被進一步擠壓的驅動力，使行程達到s3，即之后的按鍵反彈回程。操作力F1與接觸力F2的落差能直觀反映手感好壞，總體而言，差值越大，相應手感越佳。式（1）可以定量衡量手感舒適程度，據經驗數據統計，當手感值H 大于40%，按鍵手感舒適性較好，當s1／s2處于0.4 ～0.6 區間時，按鍵被按下后可以自恢復［13］。

圖7 導電橡膠按壓過程原理圖

以Key3 為例，F1＝3.212 N，F2＝1.857 N，H ＝46.2%，s1／s2＝0.54，表明此按鍵手感較好。為便于操作者直觀判定按鍵手感好壞，進程曲線上特征值點由LabVIEW軟件自動提取并鏈接到前面板顯示。

與傳統測量裝置“力傳感器固定、移動工件對中”的操作模式相比，該系統免去了重復裝夾，可減少二次裝夾引起的定位誤差；通過示教點編程方式實現了機械手自主尋找多個目標點位，達到了自動化測試的目的，曲線特征點可以直觀判定按鍵質量差異，從生產效率方面考慮，能顯著提升產品測試效率與質量。

4.2 重復測量精準度

測控系統重復測量精度由機械手重復定位精度、手部末端傳感器測量精度和不同測試樣件狀態構成，機器人結構設計存在的靜態誤差和由樣件狀態、環境溫度造成的動態誤差都是其影響因素［14］。為減少動態誤差的影響，選擇同一個樣件的某個物理按鍵為測試對象，在短時間內對同一目標點位開展6 次重復檢測實驗，每次壓力保持約60 s，得到的6 條高度重合的力與行程關系曲線如圖8 所示，各條曲線軌跡幾乎重合，變化趨勢也一致。由4.1 節可知，按鍵手感影響參數包括H和s1／s2，前者反映按鍵按下時有無反饋感，后者衡量按鍵能否自恢復。為進一步量化關鍵參數差異，依次提取進程曲線極大值和極小值特征點的橫縱坐標值，引入均值、最大差值和標準差等統計指標分析以力與行程為獨立變量的數據點分布情況。需要說明的是，在分析力指標差異時，力數據是各曲線以同一行程為基準得到的Y坐標值，而行程數據是各曲線在極值點處的極值力所對應的行程量。為降低測試數據的偶然性，剔除6 組數據中的最大值和最小值，以4 組樣本數據分析測控系統重復測量精度指標。

圖8 系統重復測量精度驗證結果

引入式（2）和式（3）說明力指標是否達到所選力傳感器的精度等級和相對線性誤差要求［15-16］。

式中：cA為精度等級（無量綱參數）；ΔF為極值點處最大差值；Fmax為力傳感器量程。

式中：eR為相對線性誤差（無量綱系數），是測量結果標準偏差與力傳感器量程之比；Sx為樣本數據標準差；n為樣本數據個數；xi為第i個樣本數值；x-為樣本數據均值。

極值點力重復測量差異結果如表1 所示，可知實驗數據在極大值和極小值處的最大差值分別為0.024 N、0.021 N，樣本標準差分別為1.01 ×10-2N、8.8 ×10-3N，cA分別為0.12%、0.105%，eR分別為0.025%、0.022%。需重點關注的是極值點處cA、eR的平均值分別為0.112%、0.024%，其數值與2.1 節力傳感器精度等級0.1%、相對線性誤差0.02%F.S.兩項指標處于同一數量級，可認為該系統力重復測量的不確定度滿足標準指標。

表1 極值點力重復測量差異

極值點行程重復測量差異如表2 所示，行程量在極大值和極小值處的最大差值Δxmax分別為0.029 mm、0.007 mm，通過式（4）計算的算術平均誤差值δ-分別為8.75 μm、2.25 μm，極值點處Δxmax、δ-平均值分別為18 μm、5.5 μm，結合2.2 節直線電機重復性測量精度0.05 mm 性能指標，可判定滿足系統使用要求。綜上所述，所設計的測控系統可適用于工業產品力與行程測量場景，且結果具有很好的一致性。

表2 極值點行程重復測量差異

5 結束語

基于LabVIEW平臺設計了一套用于采集按鍵力與行程的機器人系統，對其系統構成原理、關鍵部件選型、軟件功能設計進行了說明，通過實驗驗證了其高效自動化測試能力和精準重復測量性能。實驗結果表明，與傳統試驗機相比，該系統能夠自動執行多按鍵測試任務并完成數據儲存，操作簡單易上手、自動化程度高、測量精度可靠，可為產品結構改進過程提供技術支持，也可為精密測量設備選型提供參考。