汽車自動(dòng)化人機(jī)柔性臺(tái)架開發(fā)及應(yīng)用流程方法研究

在目前主機(jī)廠整車開發(fā)過程中，在設(shè)計(jì)前期使用人機(jī)臺(tái)架（SeatingBuck）進(jìn)行整車人機(jī)尺寸及布置方案的評(píng)價(jià)已經(jīng)成為了汽車人機(jī)工程開發(fā)過程中的常見手段[1]。人機(jī)臺(tái)架可以進(jìn)行坐姿與乘坐空間、視野可視性、操作便利性、上下車便利性及行李艙裝卸等方面的評(píng)審與設(shè)計(jì)方案檢驗(yàn)。

吉林大學(xué)朱一男介紹了人機(jī)柔性臺(tái)架的具體結(jié)構(gòu)，但其中人機(jī)臺(tái)架采用鋁型材框架，且各調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均為手動(dòng)調(diào)節(jié)，在應(yīng)用上存在局限性2；東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司張冬冬等人利用車門柔性臺(tái)架進(jìn)行車門扶手寬度、高度及傾角等研究；東風(fēng)柳汽支希帆等人也搭建了手動(dòng)的柔性臺(tái)架進(jìn)行人機(jī)工程的研究[3]。

以上的各研究成果中，距離高度自動(dòng)化的柔性臺(tái)架仍有差距。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的柔性臺(tái)架功能，在開發(fā)過程中需考慮多維度因素，并需嚴(yán)格遵循開發(fā)流程，同時(shí)在應(yīng)用及評(píng)審過程中也應(yīng)嚴(yán)格遵循操作流程以保證人機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性。本文系統(tǒng)闡述了整車人機(jī)柔性臺(tái)架的設(shè)計(jì)依據(jù)、結(jié)構(gòu)組成、搭建流程及標(biāo)定方法，并梳理了柔性臺(tái)架在開發(fā)及應(yīng)用方面的整體流程與注意事項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化柔性臺(tái)架的高效精準(zhǔn)應(yīng)用，創(chuàng)新提出了柔性臺(tái)架的位置檢測(cè)方法。

人機(jī)柔性臺(tái)架設(shè)計(jì)開發(fā)

目前整車開發(fā)均基于平臺(tái)化及模塊化的開發(fā)策略[4，因此柔性臺(tái)架在開發(fā)前應(yīng)充分考慮應(yīng)用范圍、調(diào)節(jié)帶寬、機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)形式等因素。

柔性臺(tái)架應(yīng)用范圍：7座及以下的乘用車（SUV/轎車/跨界等等）和輕型貨車。因此，設(shè)計(jì)三排座的人機(jī)柔性臺(tái)架，且第三排座椅可靈活拆卸，靈活模擬5-7座車布局。柔性臺(tái)架關(guān)鍵尺寸如圖1所示。

（1）柔性臺(tái)架帶寬基于公司開發(fā)項(xiàng)目數(shù)據(jù)及競(jìng)品分析，確定柔性臺(tái)架的人機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，以第一排參數(shù)為例，統(tǒng)計(jì)見表1。

定義零位初始車型位置是必須的，結(jié)合公司內(nèi)的情況，選定某一款車型參數(shù)作為各機(jī)構(gòu)的初始位置，從而根據(jù)帶寬確定人機(jī)參數(shù)的正負(fù)方向調(diào)節(jié)量。

（2）機(jī)構(gòu)行程由于臺(tái)架部分人機(jī)參數(shù)與其他人機(jī)參數(shù)關(guān)聯(lián)，需根據(jù)尺寸鏈進(jìn)行拆分，同時(shí)結(jié)合初始基準(zhǔn)設(shè)計(jì)位置確定各機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)行程。以H5-1為例，H5-1由H30-1及HA（前踵點(diǎn)距離地面高度）組成，尺寸鏈如圖2所示。因此，明確H30-1及HA設(shè)計(jì)行程即可滿足H5-1的設(shè)計(jì)帶寬。其他機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)行程參考同樣的方法確定。

H30-1及前踵點(diǎn)距離地面高度調(diào)機(jī)構(gòu)行程見表2。另外考慮機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性情況時(shí)，可以適當(dāng)縮小H30-1機(jī)構(gòu)行程，通過前地板Z向機(jī)構(gòu)進(jìn)行彌補(bǔ)。

（3）柔性柔性臺(tái)架基礎(chǔ)組成及機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)柔性臺(tái)架的主要組成部分及關(guān)聯(lián)人機(jī)參數(shù)見表3。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，機(jī)構(gòu)均采用電動(dòng)調(diào)節(jié)。

（4）柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及DMU（DigitalMock-Up）間隙校核柔性臺(tái)架采用多種調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)?；A(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式包含電動(dòng)絲桿-滑軌組件、電動(dòng)絲桿-減速器聯(lián)軸器組件，分別如圖3及圖4所示。

根據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系設(shè)計(jì)出整體臺(tái)架三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，柔性臺(tái)架三維數(shù)據(jù)如圖5所示。

柔性臺(tái)架設(shè)計(jì)后應(yīng)進(jìn)行DMU數(shù)據(jù)裝配檢查，針對(duì)干涉情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)微調(diào)，數(shù)據(jù)如圖6所示。

（5）柔性臺(tái)架關(guān)鍵硬點(diǎn)設(shè)計(jì)柔性臺(tái)架需提前選定安裝座椅及管柱，通過在座椅上擺放三維H點(diǎn)裝置獲取到座椅H點(diǎn)與座椅安裝點(diǎn)的位置關(guān)系（見圖7），從而獲得座椅安裝點(diǎn)在整車坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，在臺(tái)架設(shè)計(jì)中根據(jù)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值進(jìn)行座椅安裝點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)向管柱在臺(tái)架中的安裝設(shè)計(jì)位置參考同樣的方法確定。

柔性臺(tái)架在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵基準(zhǔn)點(diǎn)，方便裝配后進(jìn)行各個(gè)機(jī)構(gòu)零位的位置標(biāo)定工作。

（6）柔性臺(tái)架CAE強(qiáng)度校核柔性臺(tái)架骨架及關(guān)鍵部件在承載能力等方面需進(jìn)行校核，防止長(zhǎng)時(shí)間使用后臺(tái)架變形問題。

（7）柔性臺(tái)架加工裝配及標(biāo)定柔性臺(tái)架骨架焊接后應(yīng)進(jìn)行CNC機(jī)床加工，各個(gè)機(jī)構(gòu)零件進(jìn)行CNC機(jī)床加工，加工后進(jìn)行整體的裝配工作。整體裝配工作結(jié)束后進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)的三坐標(biāo)打點(diǎn)及掃描工作，根據(jù)打點(diǎn)及掃描結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。

（8）柔性臺(tái)架電控線束走線設(shè)計(jì)柔性臺(tái)架中電動(dòng)機(jī)線束較多，應(yīng)提前進(jìn)行走線設(shè)計(jì)，保證線束不影響臺(tái)階使用且美觀。

（9）柔性臺(tái)架電控邏輯及電控設(shè)計(jì)柔性臺(tái)架需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的底層電控邏輯及電控人機(jī)交互界面。電動(dòng)機(jī)通過CAN通訊形式與控制單片機(jī)相連，人員控制平板通過WLAN與控制單片機(jī)相連接?？刂七壿嬋鐖D8所示。

電控交互界面中柔性臺(tái)架設(shè)計(jì)具有一鍵車型切換功能。柔性臺(tái)架設(shè)計(jì)有12個(gè)子控制層級(jí)，包括底盤骨架、踏板、一排座椅、二排座椅、三排座椅、一排地板、二排地板、三排地板、方向盤/轉(zhuǎn)向管柱、中央扶手、頂棚和行李艙/尾門檻，各個(gè)子層級(jí)可以獨(dú)立電動(dòng)控制，如圖9所示。同時(shí)在座椅自身調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上安裝有傳感器，可通過電控界面識(shí)別出座椅的調(diào)節(jié)位置。

柔性臺(tái)架底盤骨架機(jī)構(gòu)的控制界面如圖10所示。

（10）柔性臺(tái)架維修便利性設(shè)計(jì)柔性臺(tái)架在設(shè)計(jì)制造過程中還應(yīng)考慮到后期的維護(hù)的便利性、維修性等問題。

人機(jī)柔性臺(tái)架應(yīng)用

1.車型切換

通過將目標(biāo)車型三維布置圖與臺(tái)架DMU數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，計(jì)算臺(tái)架整體抬升及前后移動(dòng)距離，根據(jù)目標(biāo)車型的三維布置圖測(cè)量出前踵點(diǎn)離地高度及踩點(diǎn)的X向坐標(biāo)，對(duì)比臺(tái)架相應(yīng)數(shù)值，將臺(tái)架DMU數(shù)據(jù)圖中前排踵點(diǎn)離地高度Z向及踩點(diǎn)X向位置做出相應(yīng)調(diào)整，計(jì)算過程見表4。

根據(jù)計(jì)算后的機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)量，進(jìn)行DMU數(shù)據(jù)調(diào)試，踵點(diǎn)Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及踩點(diǎn)X向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)DMU調(diào)試如圖11所示。

調(diào)節(jié)前踵點(diǎn)（前排地板）機(jī)構(gòu)，保證踵點(diǎn)高度一致后，測(cè)量各目標(biāo)車型硬點(diǎn)與臺(tái)架初始設(shè)計(jì)硬點(diǎn)之間XY/Z向的距離差值，得出臺(tái)架在各個(gè)方向上的行程值。將行程值輸入到電控交互界面中進(jìn)行臺(tái)架一鍵調(diào)節(jié)。臺(tái)架調(diào)試順序邏輯如圖12所示。

2.3D打印件安裝

為了更精準(zhǔn)地驗(yàn)證內(nèi)部空間，柔性臺(tái)架頂棚、門檻、中央肘枕、行李艙改等區(qū)域預(yù)留了螺栓接口，目標(biāo)調(diào)試車型的頂棚及門檻可進(jìn)行3D打印制作，同時(shí)預(yù)留好與柔性臺(tái)架的對(duì)接接口，通過DMU數(shù)據(jù)匹配，將機(jī)構(gòu)調(diào)整到位后，安裝3D打印件。

3.切換車型后位置檢查與尺寸測(cè)量

臺(tái)架在調(diào)試及3D打印件安裝后需進(jìn)行三坐標(biāo)打點(diǎn)檢驗(yàn)，確認(rèn)其與設(shè)計(jì)位置的一致性?？梢酝ㄟ^便攜式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的“調(diào)裝檢測(cè)”功能進(jìn)行檢查，檢查過程如圖13所示。這種方法精準(zhǔn)度高，但受限于便攜式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的尺寸及位置限制，標(biāo)定時(shí)間偏長(zhǎng)。

本文柔性臺(tái)架可以結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Techviz及動(dòng)作捕捉A.R.T.使用，實(shí)現(xiàn)人機(jī)工程虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證5?；谌S空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后，可利用A.R.T.光學(xué)動(dòng)作捕捉可以快速的進(jìn)行頂棚、門檻、中央肘枕、行李艙等位置檢測(cè)。具體方法如下：在A.R.T.Dtrack軟件中創(chuàng)建剛體，通過Techviz中的“tools”功能，可在Techviz虛擬環(huán)境中創(chuàng)建對(duì)應(yīng)同心剛體球。通過虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的剛體球快速校準(zhǔn)切換的車型位置，通過開啟碰撞檢測(cè)判定各調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置，直觀快速。該檢測(cè)方法屬于行業(yè)前沿。具體操作形式如圖14所示。

相較于傳統(tǒng)便攜式關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)檢測(cè)，A.R.T.光學(xué)捕捉系統(tǒng)具有檢測(cè)效率高、空間適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。兩種檢測(cè)方法對(duì)比見表5。

針對(duì)調(diào)試的目標(biāo)車型的3D打印頂棚，可以再通過三維H點(diǎn)裝置進(jìn)行頭部空間H61-1等數(shù)據(jù)的核查，如圖15所示。

人機(jī)柔性臺(tái)架應(yīng)用研究結(jié)果

柔性臺(tái)架可以進(jìn)行坐姿與乘坐空間、視野可視性、操作便利性、上下車方便性、行李艙裝卸等方面的評(píng)審及設(shè)計(jì)方案檢驗(yàn)。柔性臺(tái)架作為一種評(píng)審手段，在實(shí)際評(píng)審過程中應(yīng)結(jié)合主觀評(píng)價(jià)問卷進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)。評(píng)審過程如圖16所示。

以某車型頭部空間評(píng)審為例，主觀評(píng)價(jià)得分見表6。也可通過現(xiàn)場(chǎng)快速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置進(jìn)行變更方案的評(píng)審。

結(jié)語

自動(dòng)化人機(jī)柔性臺(tái)架的開發(fā)及應(yīng)用，為汽車研發(fā)提供了一種創(chuàng)新的驗(yàn)證方式。通過與虛擬數(shù)字模型、3D打印技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)的全方位、高效驗(yàn)證，有效克服了傳統(tǒng)方法的局限性。在實(shí)際應(yīng)用中，取得了降低成本、提升設(shè)計(jì)品質(zhì)和縮短研發(fā)周期等顯著成效。

實(shí)際應(yīng)用表明，該柔性臺(tái)架可使車型驗(yàn)證周期縮短 30% ，人機(jī)參數(shù)標(biāo)定精度達(dá)到 ±0.5mm 。隨著未來技術(shù)的迭代，通過語音交互控制臺(tái)架各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)將成為可能，對(duì)應(yīng)用將更加便利。

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