基于LabVIEW 的按鍵力與行程采集機器人系統(tǒng)

林煌旭，林侯前，張學(xué)昌，李賢義，何 平，張 煒

（1.浙大寧波理工學(xué)院機電與能源工程學(xué)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(guān)等［2］。從視覺體驗方面考慮，設(shè)計實體按鍵不僅可以豐富內(nèi)飾細節(jié)，而且能提升汽車的品質(zhì)［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(xué)設(shè)計的實體按鍵，這就對其外觀材質(zhì)、性能水平、質(zhì)量評估等方面提出了更高的要求［5］。在產(chǎn)品交付階段，汽車零部件供應(yīng)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(guān)鍵的指標項。傳統(tǒng)按鍵手感測試設(shè)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(chǎn)品須依次調(diào)整測力點位置并重復(fù)裝夾，勞動強度大，長時間操作容易導(dǎo)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(chǎn)品不同時間段測量結(jié)果有較大差異，不能滿足產(chǎn)品重復(fù)測量一致性要求；③傳感器主軸無法偏轉(zhuǎn)角度，難以適用于平整表面、弧形表面和撥桿組合按鍵產(chǎn)品，靈活度不高，拓展性不強。

針對傳統(tǒng)設(shè)備自動化程度低、重復(fù)裝夾造成的測量誤差大等現(xiàn)狀，本文設(shè)計了用于采集按鍵力與行程的機器人系統(tǒng)，優(yōu)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(shè)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(tài)的一致性；機器人重復(fù)定位精度高且選配的工業(yè)級精密傳感器可保證系統(tǒng)重復(fù)測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，減少了設(shè)備本身的精度誤差對按鍵手感測試造成的影響；6關(guān)節(jié)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(chǎn)品的手感測試任務(wù)，且可控制末端操作器垂直于按鍵表面，確保了采集數(shù)據(jù)的精準度。整套測控系統(tǒng)可應(yīng)用于實驗室精密測量領(lǐng)域。

1 測控系統(tǒng)設(shè)計

測控系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。模塊①是Epson C4 機器人系統(tǒng)，控制器RC50 提供LAN 網(wǎng)口和USB 端口實現(xiàn)與個人計算機通信，在控制器開發(fā)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(tǒng)測力任務(wù)，力傳感器檢測到外力變化會輸出電信號到信號放大器，經(jīng)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(nèi)置位置編碼器反饋的位移增量經(jīng)伺服驅(qū)動器內(nèi)部A／D 轉(zhuǎn)換輸出到數(shù)字輸入模塊（NI 9401），經(jīng)轉(zhuǎn)換后的力與行程信號統(tǒng)一由模塊④并行控制，最后通過機箱網(wǎng)口傳輸給個人計算機⑤處理。整個系統(tǒng)測力與位移測量環(huán)節(jié)都基于上位機Lab-VIEW軟件來實施。

圖1 測控系統(tǒng)總體系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵部件及校準

2.1 力傳感器

電阻應(yīng)變式力傳感器通過響應(yīng)外界載荷改變電阻值并轉(zhuǎn)換成可測量的電信號來實現(xiàn)力采集，具有采集精度高、頻響特性好等優(yōu)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(shè)計生產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計上，其體積小、質(zhì)量輕，可將拉、壓雙向力集中于中間位置，S形彈性體結(jié)構(gòu)使得應(yīng)變測量不受其他環(huán)境因素干擾，輸出穩(wěn)定且靈敏度高，精度等級為0.1%，相對線性誤差系數(shù)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(tǒng)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(qū)動器。伺服驅(qū)動器通過配置軟件（LinMot Talk）可以定義運動控制模式并設(shè)置電機的初始位置和上下極限位置；線性電機作為執(zhí)行元件，接收伺服驅(qū)動器控制信號并做出響應(yīng)；而電機內(nèi)置位移傳感器會實時檢測電機位置信息并反饋給驅(qū)動器。產(chǎn)品選型采用LinMot 系列線性驅(qū)動解決方案，包含伺服驅(qū)動器（B1100-GP）和線性電機（P01 -48 ×240，最大行程210 mm，重復(fù)性測量精度0.05 mm）［10］。與傳統(tǒng)電機組合齒輪等傳動方式相比，該驅(qū)動模塊直接將輸入電能轉(zhuǎn)換成直線位移，具有定位精度高、響應(yīng)速度快、使用壽命長等優(yōu)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(shù)值與直線電機行程的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系決定著系統(tǒng)整體采集精度。為保證每次測量結(jié)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(shù)值的對應(yīng)關(guān)系以采集電信號為中間變量經(jīng)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(yīng)力值與電機位移輸出的關(guān)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(jié)果表明，力與行程呈正比例函數(shù)關(guān)系，比例系數(shù)k 接近1，進一步說明測控系統(tǒng)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(xiàn)與外圍儀器互聯(lián)通信，可構(gòu)建以軟件儀器為單元、數(shù)據(jù)流為載體的虛擬測控系統(tǒng)［11］。本文基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)以下功能：機器人控制器RC50 與機箱cRIO通信、力傳感器數(shù)值采集與直線電機位置檢測控制、數(shù)據(jù)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(fā)環(huán)境）依據(jù)編譯點位實現(xiàn)機械手精準定位，cRIO 機箱（LabVIEW 編程環(huán)境）傳送指令給伺服驅(qū)動器從而控制機械手末端直線電機移動，兩者通過TCP／IP協(xié)議建立聯(lián)系，以TCP網(wǎng)絡(luò)通信控件傳遞字符串命令完成雙向數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，整個過程為：LabVIEW界面觸發(fā)開始動作，以滿足“Measure_Start”字符串條件語句執(zhí)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(shù)并驅(qū)動LinMot直線電機完成力與行程檢測；執(zhí)行完測試任務(wù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。cRIO內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸由門陣列邏輯電路矩陣（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和實時（Real Time，RT）處理器來實現(xiàn)。LabVIEW FPGA程序獲取傳感器信號并進行濾波處理，而后采集數(shù)據(jù)控件通過握手方式觸發(fā)實時處理器RT模塊同步運行并將測量數(shù)據(jù)打包上傳至PC 端。PC 端作為上位機與cRIO機箱利用以太網(wǎng)建立連接，基于網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)，綁定LabVIEW開發(fā)環(huán)境創(chuàng)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(huán)境中采用隊列技術(shù)實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)流采集、分析處理，以及實時顯示不同任務(wù)，其先入先出（First In First Out，F(xiàn)IFO）數(shù)據(jù)傳遞機制保證采集數(shù)據(jù)的完整性，也有利于提高運行效率，數(shù)據(jù)采集流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.3 人機交互界面

LabVIEW開發(fā)環(huán)境以前面板為人機交互界面實現(xiàn)機械手運動控制、測量數(shù)據(jù)顯示及特征化和對文件系統(tǒng)的操作，LabVIEW人機交互界面如圖4 所示。測控系統(tǒng)的啟動與急停分別由布爾控件“Start”和“Stop”控制；通過設(shè)置參數(shù)文件可改變直線電機運動速度以適應(yīng)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(shù)據(jù)，在得到完整曲線后對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)以特定文件格式保存在本地路徑以便實驗數(shù)據(jù)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(tǒng)可用于衡量工業(yè)產(chǎn)品按鍵的手感質(zhì)量差異，機器人力與行程測量平臺如圖5 所示，機械手各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tài)。

圖5 機器人力與行程測量平臺

4.1 自動化測試能力

設(shè)備自動化是本設(shè)計的特色之一，闡明自動化調(diào)試過程對熟悉設(shè)備性能具有重要的參考意義。在系統(tǒng)自動運行實現(xiàn)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(shè)計基準一致的狀態(tài)下，選擇手動模式并依據(jù)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(chuàng)建下位機源程序和上位機應(yīng)用程序。

源程序Main函數(shù)包含機械手自動運行的控制算法，編程內(nèi)容涉及系統(tǒng)初始化、設(shè)置目標點位數(shù)量及相鄰點位運動軌跡、TCP／IP 通信等；LabVIEW 應(yīng)用程序等待源程序指令執(zhí)行測試任務(wù)并采集數(shù)據(jù)用于實時顯示和儲存操作，其通信機制描述見3.1 節(jié)。

（3）調(diào)試系統(tǒng)達到自動化測試效果。

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

為驗證其自動化測試能力，選取汽車內(nèi)飾件多功能方向盤開關(guān)為測試對象，利用所設(shè)計的測控系統(tǒng)完成產(chǎn)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(guān)，由底座、PCB板、導(dǎo)電橡膠、主體外殼和面蓋構(gòu)成，其中導(dǎo)電橡膠是實體按鍵產(chǎn)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(chǎn)品并點擊執(zhí)行按鈕即可。機器人系統(tǒng)接收到用戶指令后進行初始化并鏈接數(shù)據(jù)庫示教點位信息，啟動機械手自動完成測試任務(wù)，同時在上位機實時顯示數(shù)值并保存數(shù)據(jù)。機械手末端操作器完成一個點位測試作業(yè)后，數(shù)據(jù)會自動傳輸?shù)缴衔粰C緩沖區(qū)暫存，直到完成特定次數(shù)任務(wù)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(zhí)行一次作業(yè)任務(wù)。結(jié)果表明，各按鍵測出的力與行程關(guān)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(nèi)部導(dǎo)電橡膠斜壁驟然彎曲導(dǎo)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(jù)。

為進一步解釋按鍵手感機理，選取Key3 結(jié)果分析說明影響按鍵手感的參數(shù)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(dǎo)電橡膠形變恢復(fù)提供能量。反映手感性能差異的是進程曲線。F1是導(dǎo)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(dǎo)電橡膠剛好下壓到PCB 板的接觸力；F3是導(dǎo)電橡膠被進一步擠壓的驅(qū)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(yīng)手感越佳。式（1）可以定量衡量手感舒適程度，據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)手感值H 大于40%，按鍵手感舒適性較好，當(dāng)s1／s2處于0.4 ～0.6 區(qū)間時，按鍵被按下后可以自恢復(fù)［13］。

圖7 導(dǎo)電橡膠按壓過程原理圖

以Key3 為例，F(xiàn)1＝3.212 N，F(xiàn)2＝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(tǒng)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(tǒng)免去了重復(fù)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(xiàn)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(zhì)量差異，從生產(chǎn)效率方面考慮，能顯著提升產(chǎn)品測試效率與質(zhì)量。

4.2 重復(fù)測量精準度

測控系統(tǒng)重復(fù)測量精度由機械手重復(fù)定位精度、手部末端傳感器測量精度和不同測試樣件狀態(tài)構(gòu)成，機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的靜態(tài)誤差和由樣件狀態(tài)、環(huán)境溫度造成的動態(tài)誤差都是其影響因素［14］。為減少動態(tài)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(nèi)對同一目標點位開展6 次重復(fù)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(guān)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(jié)可知，按鍵手感影響參數(shù)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(fù)。為進一步量化關(guān)鍵參數(shù)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(tǒng)計指標分析以力與行程為獨立變量的數(shù)據(jù)點分布情況。需要說明的是，在分析力指標差異時，力數(shù)據(jù)是各曲線以同一行程為基準得到的Y坐標值，而行程數(shù)據(jù)是各曲線在極值點處的極值力所對應(yīng)的行程量。為降低測試數(shù)據(jù)的偶然性，剔除6 組數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，以4 組樣本數(shù)據(jù)分析測控系統(tǒng)重復(fù)測量精度指標。

圖8 系統(tǒng)重復(fù)測量精度驗證結(jié)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(shù)）；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(shù)），是測量結(jié)果標準偏差與力傳感器量程之比；Sx為樣本數(shù)據(jù)標準差；n為樣本數(shù)據(jù)個數(shù)；xi為第i個樣本數(shù)值；x-為樣本數(shù)據(jù)均值。

極值點力重復(fù)測量差異結(jié)果如表1 所示，可知實驗數(shù)據(jù)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(guān)注的是極值點處cA、eR的平均值分別為0.112%、0.024%，其數(shù)值與2.1 節(jié)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(shù)量級，可認為該系統(tǒng)力重復(fù)測量的不確定度滿足標準指標。

表1 極值點力重復(fù)測量差異

極值點行程重復(fù)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(shù)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(jié)合2.2 節(jié)直線電機重復(fù)性測量精度0.05 mm 性能指標，可判定滿足系統(tǒng)使用要求。綜上所述，所設(shè)計的測控系統(tǒng)可適用于工業(yè)產(chǎn)品力與行程測量場景，且結(jié)果具有很好的一致性。

表2 極值點行程重復(fù)測量差異

5 結(jié)束語

基于LabVIEW平臺設(shè)計了一套用于采集按鍵力與行程的機器人系統(tǒng)，對其系統(tǒng)構(gòu)成原理、關(guān)鍵部件選型、軟件功能設(shè)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(fù)測量性能。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)試驗機相比，該系統(tǒng)能夠自動執(zhí)行多按鍵測試任務(wù)并完成數(shù)據(jù)儲存，操作簡單易上手、自動化程度高、測量精度可靠，可為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進過程提供技術(shù)支持，也可為精密測量設(shè)備選型提供參考。