車輛內(nèi)飾開關(guān)操作力測(cè)量與客觀評(píng)價(jià)方法研究

劉智光　郝劍虹　溫照?qǐng)@　張好運(yùn)

摘? 要：為了促進(jìn)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)向中、高端方向發(fā)展，研發(fā)制造更高品質(zhì)、用戶體驗(yàn)更優(yōu)異的汽車產(chǎn)品，做好整車性能的精工極致工程，開展了車輛內(nèi)飾開關(guān)操作力測(cè)量與客觀評(píng)價(jià)方法研究，建立了基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的開關(guān)類操作力測(cè)量方法。該測(cè)量方法通過采用多自由度機(jī)械臂為運(yùn)動(dòng)載體，以搭載力傳感器測(cè)量模塊的形式，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)類操作力參數(shù)的測(cè)量，具有精度高、靈活性好、測(cè)量范圍廣、效率高和操作擬人化程度高等優(yōu)點(diǎn)。為了證明所提測(cè)量方法的有效性，開展了與實(shí)際操作測(cè)量的按鍵力進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于機(jī)器人的開關(guān)操作力測(cè)量值與操作人員直接操作的操作力誤差小于5%。為了實(shí)現(xiàn)車輛開關(guān)操作力品質(zhì)把控，通過對(duì)基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)測(cè)量的操作力/位移曲線進(jìn)行分析，建立了車輛操作力分析和客觀評(píng)價(jià)方法。以上所建立的測(cè)量與測(cè)評(píng)方法可為整車、零部件企業(yè)在人機(jī)交互對(duì)標(biāo)研究、性能開發(fā)、規(guī)范完善、質(zhì)量管控、主客觀評(píng)價(jià)等研究領(lǐng)域提供重要的理論支撐和科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，對(duì)我國(guó)車企在研發(fā)車輛人機(jī)交互觸覺性能提升方面具有重要意義。

關(guān)鍵詞：車輛開關(guān);操作力;測(cè)量方法;客觀評(píng)價(jià)方法

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)激烈，我國(guó)車企急需推出中、高端產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際市場(chǎng)。然而，長(zhǎng)久以來，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)具有價(jià)格低廉、品質(zhì)較低的特點(diǎn)，主打中、低端市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境激烈，利潤(rùn)相對(duì)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(guó)車企在研發(fā)過程中缺乏科學(xué)合理的理論依據(jù)和實(shí)踐方法，造成自身研發(fā)產(chǎn)品性能無法與具有完善質(zhì)量把控體系的國(guó)際知名車企產(chǎn)品相媲美[1-3]。目前隨著汽車各項(xiàng)性能的不斷提升，消費(fèi)者對(duì)汽車除了安全、動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)等性能提出高要求外，對(duì)駕乘舒適性的關(guān)注正在逐漸增強(qiáng)，期望車輛發(fā)揮交通工具作用的同時(shí)，能夠給駕乘人員更舒適和更人性化的使用體驗(yàn)[4-6]。消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的高要求也就反映出在車輛研發(fā)過程中對(duì)內(nèi)飾品質(zhì)提出了更高要求，尤其對(duì)于中、高端乘用車的每一部件的感知質(zhì)量要求更加苛刻。而我國(guó)車企產(chǎn)品在內(nèi)飾品質(zhì)感方面較國(guó)際先進(jìn)車企存在較大差距，這也是制約我國(guó)汽車走向高端市場(chǎng)的重要因素之一。內(nèi)飾品質(zhì)感的開發(fā)離不開人機(jī)觸覺交互技術(shù)的研究，大量學(xué)者從自身領(lǐng)域?qū)θ藱C(jī)觸覺交互進(jìn)行了研究，研究方法和評(píng)價(jià)手段涉及心理學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、人體測(cè)量學(xué)和工程技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)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(jī)交互技術(shù)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(fā)領(lǐng)域重視[12-14]，因?yàn)樵撔阅苤苯佑绊懴M(fèi)者對(duì)車輛品質(zhì)定位，從而影響車企品牌價(jià)值觀念的形成和車輛的銷售業(yè)績(jī)。然而，我國(guó)車企對(duì)觸覺交互性能，尤其車輛內(nèi)飾開關(guān)類的測(cè)量和評(píng)價(jià)方法的研究與應(yīng)用存在嚴(yán)重缺失，相關(guān)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(fù)性好的測(cè)量工具和科學(xué)的測(cè)量方法，不能獲取準(zhǔn)確操作力和操作位移的測(cè)量數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行操作過程中全流程數(shù)據(jù)分析，未能建立合理的客觀評(píng)價(jià)參數(shù)模型，最終導(dǎo)致對(duì)于整車企業(yè)難以形成行之有效的企業(yè)規(guī)范與把控方法[15]。

為了實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)飾開關(guān)操作力測(cè)量，開展了以機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)載體，通過搭載力傳感器模塊，提出了一套全新完整的開關(guān)操作力/位移參數(shù)測(cè)量方法。該方法利用多自由度機(jī)器人靈活性好、精度高、操作擬人化程度高等特點(diǎn)，結(jié)合高精度力傳感器，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)飾開關(guān)類操作力精確測(cè)量。為了驗(yàn)證所提方法有效性，設(shè)置了基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和操作人員直接按壓開關(guān)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的測(cè)量方法在開關(guān)操作力參數(shù)測(cè)量中誤差小于5%，具有高精度特點(diǎn)。對(duì)基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)測(cè)量的開關(guān)力/位移數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，建立了車輛開關(guān)操作力的客觀評(píng)價(jià)模型和方法。以上測(cè)量與評(píng)價(jià)方法可為整車、零部件企業(yè)在人機(jī)交互對(duì)標(biāo)研究、性能開發(fā)、規(guī)范完善、質(zhì)量管控、主客觀評(píng)價(jià)等研究領(lǐng)域提供重要的理論支撐和科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，對(duì)我國(guó)車企在研發(fā)車輛人機(jī)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(shù)測(cè)量原理

當(dāng)前，汽車研發(fā)過程中，我國(guó)整車企業(yè)大多采用主觀評(píng)價(jià)方法對(duì)車輛操縱件手感和內(nèi)飾包裹觸摸舒適性進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)具有方法直接、快速、測(cè)試范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在受評(píng)價(jià)人員人為因素影響大、評(píng)價(jià)指標(biāo)量化困難、不能提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)供產(chǎn)品優(yōu)化等明顯缺點(diǎn)，因此，測(cè)評(píng)汽車內(nèi)飾開關(guān)類操作力參數(shù)還需建立客觀測(cè)量與評(píng)價(jià)方法?？陀^測(cè)評(píng)方法是通過儀器測(cè)出表征的物理量，然后通過數(shù)據(jù)分析、參數(shù)制定、分析和對(duì)比等方法，對(duì)車輛表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，客觀評(píng)價(jià)原理圖如圖1所示。

相比主觀評(píng)價(jià)方法，客觀測(cè)評(píng)方法具有受人為因素影響小，可測(cè)量性和可重復(fù)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)指導(dǎo)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 開關(guān)類操作力測(cè)量方法建立

當(dāng)前，測(cè)量人員常采用手持壓力傳感器或拉力計(jì)等力測(cè)量工具對(duì)于車輛內(nèi)飾交互件的操作力進(jìn)行測(cè)量，存在測(cè)量方法不科學(xué)、測(cè)量重復(fù)性差、測(cè)量精度低、測(cè)量過程中僅存在力單點(diǎn)數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，導(dǎo)致所測(cè)數(shù)據(jù)參考性差、可分析參數(shù)有限，無法建立科學(xué)全面的客觀評(píng)價(jià)模型。

2.1 基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的開關(guān)操作力測(cè)量方法建立

基于以上現(xiàn)狀，本文提出了如圖2所示的一種基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的車輛開關(guān)類操作力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)臺(tái)、高精度力/力矩傳感器、多自由度機(jī)器人、系統(tǒng)控制柜等硬件以及測(cè)量軟件組成。

基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的車輛開關(guān)操作力測(cè)量系統(tǒng)通過測(cè)量軟件控制多自由度機(jī)器人，使機(jī)器人末端力/力矩傳感器與實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的被測(cè)零部件接觸，實(shí)現(xiàn)按壓、旋轉(zhuǎn)、撥動(dòng)、滑移等操作，力/力矩傳感器同時(shí)讀取測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)操作力/位移參數(shù)測(cè)量。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)出風(fēng)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(shù)據(jù)測(cè)量，也可對(duì)表面軟硬程度、滑移摩擦力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)具有精度高、測(cè)量范圍廣、重復(fù)性好、移動(dòng)靈活、仿人運(yùn)動(dòng)程度高等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)見表1所示。

通過車輛開關(guān)操作力測(cè)量系統(tǒng)采集的開關(guān)操作力/位移數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析，提取可能影響品質(zhì)的關(guān)鍵值，形成客觀評(píng)價(jià)參數(shù)，進(jìn)而探索更加科學(xué)、合理與可實(shí)施性好的客觀評(píng)價(jià)方法。

2.2 開關(guān)類操作力測(cè)量參數(shù)分析

根據(jù)基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的開關(guān)操作力測(cè)量系統(tǒng)獲得的觸覺交互數(shù)據(jù)，實(shí)際為交互力/力矩與位移/轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系信息，因此，需從以上數(shù)據(jù)出發(fā)，分析所測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提取對(duì)于開關(guān)類品質(zhì)把控的關(guān)鍵值。本文以按鈕開關(guān)為例進(jìn)行測(cè)量參數(shù)分析，對(duì)于單一彈墊式按鈕，系統(tǒng)采集的按壓與反彈全過程測(cè)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(duì)于彈墊式按鈕，選取的關(guān)鍵值為操作過程中按壓時(shí)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(shù)，是因?yàn)樵诎粹o的按壓過程中以上波峰力和波谷力處對(duì)手感的影響較大，通過這些參數(shù)可建立客觀評(píng)價(jià)模型。

2.3 開關(guān)類操作力客觀評(píng)價(jià)模型建立

通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)關(guān)鍵值的選取，建立了如下客觀評(píng)價(jià)參數(shù)模型：

（1）力感：表征峰值力變化程度相對(duì)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?jǐn)?shù)表示如下：

（2）檔位感：表征峰值力變化程度相對(duì)峰值力對(duì)應(yīng)距離變化的物理量，這一參數(shù)可體現(xiàn)操作過程中力變化和操作距離的關(guān)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(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提測(cè)量方法的有效性，設(shè)計(jì)了開關(guān)類操作力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，觸覺測(cè)量采用人工手指實(shí)際操作力與基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)操作力對(duì)比的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量車輛駕乘人員實(shí)際操作力，搭建了如圖4所示的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。測(cè)量?jī)x器采用操作人員按壓貼片式壓力傳感器對(duì)車輛按鈕操作力進(jìn)行測(cè)量。

基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的測(cè)量方法首先將機(jī)器人安裝于主駕駛座椅安裝位置，同樣對(duì)上述操作人員直接按壓的內(nèi)飾按鈕進(jìn)行操作力的測(cè)量，測(cè)量實(shí)物圖如圖5所示。

兩種測(cè)量方法得到的測(cè)量結(jié)果如表2所示?；跈C(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)測(cè)量開關(guān)操作力的同時(shí)，采集了操作過程中的位移信息，由本文建立的評(píng)價(jià)模型，得到如表3所示的評(píng)價(jià)參數(shù)值。

由表2數(shù)據(jù)可知，基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的開關(guān)類操作力測(cè)量值與操作人員按壓同一按鈕的操作力測(cè)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的開關(guān)類操作力測(cè)量值的準(zhǔn)確性和方法的有效性。由表3數(shù)據(jù)可知基于本文提出的測(cè)量方法獲得的數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步采用建立的評(píng)價(jià)參數(shù)模型得到了客觀評(píng)價(jià)參數(shù)值，該參數(shù)值可實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作力品質(zhì)把控。

4 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)飾人機(jī)觸覺交互操作件測(cè)量，提出了一套全新完整的操作力測(cè)量方法。該方法充分利用多自由度機(jī)器人靈活性好、精度高、操作擬人化程度高等特點(diǎn)，結(jié)合高精度力傳感器，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)飾開關(guān)類操作力/位移的精確測(cè)量。為了驗(yàn)證所提測(cè)量方法的有效性，設(shè)置了基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和操作人員直接按壓開關(guān)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的測(cè)量方法在多個(gè)按鈕類開關(guān)操作力參數(shù)測(cè)量中誤差均小于5%，具有高精度特點(diǎn)。對(duì)基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)測(cè)量的開關(guān)力＼位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步分析，建立了車輛開關(guān)操作力的客觀評(píng)價(jià)參數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中獲得手感、一致性等品質(zhì)把控參數(shù)的目的。以上開關(guān)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法可為整車、零部件企業(yè)在人機(jī)觸覺交互對(duì)標(biāo)研究、性能開發(fā)、規(guī)范完善、質(zhì)量管控、主客觀評(píng)價(jià)等研究領(lǐng)域提供重要的理論支撐和科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，對(duì)我國(guó)車企在研發(fā)車輛人機(jī)交互觸覺性能提升方面具有重要意義。

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