车辆内饰开关操作力测量与客观评价方法研究

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　　摘  要：为了促进我国汽车产业向中、高端方向发展，研发制造更高品质、用户体验更优异的汽车产品，做好整车性能的精工极致工程，开展了车辆内饰开关操作力测量与客观评价方法研究，建立了基于机器人运动平台的开关类操作力测量方法。该测量方法通过采用多自由度机械臂为运动载体，以搭载力传感器测量模块的形式，实现了开关类操作力参数的测量，具有精度高、灵活性好、测量范围广、效率高和操作拟人化程度高等优点。为了证明所提测量方法的有效性，开展了与实际操作测量的按键力进行对比实验，实验结果表明基于机器人的开关操作力测量值与操作人员直接操作的操作力误差小于5%。为了实现车辆开关操作力品质把控，通过对基于机器人运动平台测量的操作力/位移曲线进行分析，建立了車辆操作力分析和客观评价方法。以上所建立的测量与测评方法可为整车、零部件企业在人机交互对标研究、性能开发、规范完善、质量管控、主客观评价等研究领域提供重要的理论支撑和科学准确的数据支持，对我国车企在研发车辆人机交互触觉性能提升方面具有重要意义。
　　关键词：车辆开关;操作力;测量方法;客观评价方法
　　中图分类号：TP242         文献标志码：A         文章编号：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
　　当前汽车产业国内外竞争激烈，我国车企急需推出中、高端产品竞争国际市场。然而，长久以来，我国汽车产业具有价格低廉、品质较低的特点，主打中、低端市场，竞争环境激烈，利润相对薄弱。造成以上问题的原因众多，其中，最直接突出问题为我国车企在研发过程中缺乏科学合理的理论依据和实践方法，造成自身研发产品性能无法与具有完善质量把控体系的国际知名车企产品相媲美[1-3]。目前随着汽车各项性能的不断提升，消费者对汽车除了安全、动力、经济等性能提出高要求外，对驾乘舒适性的关注正在逐渐增强，期望车辆发挥交通工具作用的同时，能够给驾乘人员更舒适和更人性化的使用体验[4-6]。消费者对产品的高要求也就反映出在车辆研发过程中对内饰品质提出了更高要求，尤其对于中、高端乘用车的每一部件的感知质量要求更加苛刻。而我国车企产品在内饰品质感方面较国际先进车企存在较大差距，这也是制约我国汽车走向高端市场的重要因素之一。内饰品质感的开发离不开人机触觉交互技术的研究，大量学者从自身领域对人机触觉交互进行了研究，研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学和工程技术等多个领域[7-11]。触觉交互是智能汽车包括视觉交互、语音交互、嗅觉交互等人机交互技术中的重要交互方式，近年来触觉交互性能越来越受到车辆研发领域重视[12-14]，因为该性能直接影响消费者对车辆品质定位，从而影响车企品牌价值观念的形成和车辆的销售业绩。然而，我国车企对触觉交互性能，尤其车辆内饰开关类的测量和评价方法的研究与应用存在严重缺失，相关理论研究十分薄弱。造成以上问题的主要原因在于目前缺少高精度、重复性好的测量工具和科学的测量方法，不能获取准确操作力和操作位移的测量数据，无法进行操作过程中全流程数据分析，未能建立合理的客观评价参数模型，最终导致对于整车企业难以形成行之有效的企业规范与把控方法[15]。 　　为了实现车辆内饰开关操作力测量，开展了以机器人作为运动载体，通过搭载力传感器模块，提出了一套全新完整的开关操作力/位移参数测量方法。该方法利用多自由度机器人灵活性好、精度高、操作拟人化程度高等特点，结合高精度力传感器，实现了内饰开关类操作力精确测量。为了验证所提方法有效性，设置了基于机器人运动平台和操作人员直接按压开关的测量实验，实验结果显示基于机器人运动平台的测量方法在开关操作力参数测量中误差小于5%，具有高精度特点。对基于机器人运动平台测量的开关力/位移数据进行详细分析，建立了车辆开关操作力的客观评价模型和方法。以上测量与评价方法可为整车、零部件企业在人机交互对标研究、性能开发、规范完善、质量管控、主客观评价等研究领域提供重要的理论支撑和科学准确的数据支持，对我国车企在研发车辆人机交互触觉性能提升方面具有重要意义。
　　1 触觉交互性能参数测量原理
　　当前，汽车研发过程中，我国整车企业大多采用主观评价方法对车辆操纵件手感和内饰包裹触摸舒适性进行测试与评价。主观评价具有方法直接、快速、测试范围广等优点，但同时也存在受评价人员人为因素影响大、评价指标量化困难、不能提供精准数据供产品优化等明显缺点，因此，测评汽车内饰开关类操作力参数还需建立客观测量与评价方法。客观测评方法是通过仪器测出表征的物理量，然后通过数据分析、参数制定、分析和对比等方法，对车辆表现进行评价，客观评价原理图如图1所示。
　　相比主观评价方法，客观测评方法具有受人为因素影响小，可测量性和可重复性强、数据指导性强等优点。
　　2 开关类操作力测量方法建立
　　当前，测量人员常采用手持压力传感器或拉力计等力测量工具对于车辆内饰交互件的操作力进行测量，存在测量方法不科学、测量重复性差、测量精度低、测量过程中仅存在力单点数据等缺点，导致所测数据参考性差、可分析参数有限，无法建立科学全面的客观评价模型。
　　2.1 基于机器人运动平台的开关操作力测量方法建立
　　基于以上现状，本文提出了如图2所示的一种基于机器人运动平台的车辆开关类操作力参数测量系统，该系统主要由实验台、高精度力/力矩传感器、多自由度机器人、系统控制柜等硬件以及测量软件组成。
　　基于机器人运动平台的车辆开关操作力测量系统通过测量软件控制多自由度机器人，使机器人末端力/力矩传感器与实验台上的被测零部件接触，实现按压、旋转、拨动、滑移等操作，力/力矩传感器同时读取测量值，实现操作力/位移参数测量。该系统可实现汽车空调出风口拨片和滚轮、按钮、旋钮、翘板、拨杆等各类操作件的操作力/力矩、位移/角度等数据测量，也可对表面软硬程度、滑移摩擦力等参数进行测量。该系统具有精度高、测量范围广、重复性好、移动灵活、仿人运动程度高等优点，该系统的相关参数见表1所示。
　　通过车辆开关操作力测量系统采集的开关操作力/位移数据，对其进行详细分析，提取可能影响品质的关键值，形成客观评价参数，进而探索更加科学、合理与可实施性好的客观评价方法。
　　2.2 开关类操作力测量参数分析
　　根据基于机器人运动平台的开关操作力测量系统获得的触觉交互数据，实际为交互力/力矩与位移/转角之间的关系信息，因此，需從以上数据出发，分析所测数据特点，提取对于开关类品质把控的关键值。本文以按钮开关为例进行测量参数分析，对于单一弹垫式按钮，系统采集的按压与反弹全过程测量值如图3所示。
　　（1）FP为按压过程的波峰力;（2）FT为按压过程中的波谷力;（3）FP-T为按压过程的波峰力和波谷力的差值;（4）SP-T为按压过程的波峰力和波谷力处的位移差值。
　　对于弹垫式按钮，选取的关键值为操作过程中按压时的波峰力FP、波谷力FT、按压过程的波峰力和波谷力的差值FP-T以及波峰力和波谷力处的位移差值SP-T。之所以选取以上参数，是因为在按钮的按压过程中以上波峰力和波谷力处对手感的影响较大，通过这些参数可建立客观评价模型。
　　2.3 开关类操作力客观评价模型建立
　　通过对测量数据关键值的选取，建立了如下客观评价参数模型：
　　（1）力感：表征峰值力变化程度相对波峰力的物理量，大小为波峰力与波谷力落差力与波峰力的比值，常用百分数表示如下：
　　（2）档位感：表征峰值力变化程度相对峰值力对应距离变化的物理量，这一参数可体现操作过程中力变化和操作距离的关系。档位感大小为波峰力与波谷力落差力和波峰力与波谷力处之间的距离的比值，表示如下：
　　3 实验与验证
　　为了验证本文所提测量方法的有效性，设计了开关类操作力测量实验，触觉测量采用人工手指实际操作力与基于机器人运动平台的测量系统所测操作力对比的方式进行验证。
　　为了实现测量车辆驾乘人员实际操作力，搭建了如图4所示的测量实验。测量仪器采用操作人员按压贴片式压力传感器对车辆按钮操作力进行测量。
　　基于机器人运动平台的测量方法首先将机器人安装于主驾驶座椅安装位置，同样对上述操作人员直接按压的内饰按钮进行操作力的测量，测量实物图如图5所示。
　　两种测量方法得到的测量结果如表2所示。基于机器人运动平台测量开关操作力的同时，采集了操作过程中的位移信息，由本文建立的评价模型，得到如表3所示的评价参数值。
　　由表2数据可知，基于机器人运动平台的开关类操作力测量值与操作人员按压同一按钮的操作力测量值最大差值为0.23N，误差最大为4.81%，平均误差小于5%。因此，证明了基于机器人运动平台的开关类操作力测量值的准确性和方法的有效性。由表3数据可知基于本文提出的测量方法获得的数据，可进一步采用建立的评价参数模型得到了客观评价参数值，该参数值可实现开关操作力品质把控。
　　4 结束语
　　为了实现车辆内饰人机触觉交互操作件测量，提出了一套全新完整的操作力测量方法。该方法充分利用多自由度机器人灵活性好、精度高、操作拟人化程度高等特点，结合高精度力传感器，实现了内饰开关类操作力/位移的精确测量。为了验证所提测量方法的有效性，设置了基于机器人运动平台和操作人员直接按压开关的测量实验，实验结果显示基于机器人运动平台的测量方法在多个按钮类开关操作力参数测量中误差均小于5%，具有高精度特点。对基于机器人运动平台测量的开关力＼位移数据进行了进一步分析，建立了车辆开关操作力的客观评价参数模型，实现了在实际实验中获得手感、一致性等品质把控参数的目的。以上开关测量与评价方法可为整车、零部件企业在人机触觉交互对标研究、性能开发、规范完善、质量管控、主客观评价等研究领域提供重要的理论支撑和科学准确的数据支持，对我国车企在研发车辆人机交互触觉性能提升方面具有重要意义。 　　参考文献：
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