姚慶軍，朱婉玲，徐澤宇，劉勁松

(1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201804；2.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，汽車技術(shù)的不斷進步，當(dāng)前汽車管路和線束(管束)填充密度越來越大，管路和線束的空間形態(tài)變得越來越復(fù)雜，占用空間越來越多[1]，若預(yù)留的布線空間過大會造成內(nèi)部空間浪費；過小會產(chǎn)生干涉，損壞軟管，發(fā)生事故[2]。通過對近年來的整車召回信息分析可以得出，管路安全隱患造成的召回事件占據(jù)很大一部分比例[3]。

目前，常常使用軟件仿真來完成對于汽車發(fā)動機前艙內(nèi)軟管干涉的檢測，例如專業(yè)軟件IPS Cable Simulation，通過輸入管線的三維數(shù)模、材料及相應(yīng)的約束條件，可以進行軟管的裝配及運動仿真并檢查管線的空間布置方案是否合理[4]。在搭建試驗臺來模擬驗證方面，某主機廠采用了一個手動機械式試驗平臺，該方案通過一個自行設(shè)計的試驗平臺和配套的夾具，來夾持動力總成與擋板、軟管等，同時可以通過手動調(diào)整試驗平臺來改變動力總成的位置姿態(tài)以模擬汽車前艙內(nèi)軟管的運動位姿。

但是上述兩種方案都存在著各自的缺點。軟件仿真的方案由于難以完全模擬實際環(huán)境，故其計算精度缺少保證，同時計算時間冗長，缺乏效率，專業(yè)的仿真軟件學(xué)習(xí)成本較高，同時缺乏自主產(chǎn)權(quán)，未來的使用與改進很不方便；手動調(diào)整的機械式夾具與相應(yīng)的試驗臺架具有較高的設(shè)計成本，工作精度需要精確校核，出現(xiàn)問題后改造的難度較大，同時在具體試驗使用中，需要使用者進行繁瑣的手動微調(diào)，較難運動到指定位姿。

為了克服上述兩種方案的缺點，本文設(shè)計了一個汽車發(fā)動機艙軟管運動軌跡檢測仿真系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)搭建了一個模擬試驗臺，由一個機器人夾持發(fā)動機總成并帶動軟管進行空間6自由度的運動，以模擬出汽車前艙內(nèi)的軟管運動狀態(tài)，并由檢測設(shè)備進行空間位置數(shù)據(jù)的采集，交由集成軟件系統(tǒng)進行后續(xù)的模型重建以及干涉檢測。

該檢測系統(tǒng)通過設(shè)置模擬試驗，避免了單純通過軟件進行分析導(dǎo)致的不直觀的缺陷，而且確保了高精度的干涉計算結(jié)果，整個系統(tǒng)模塊化設(shè)計，便于后續(xù)調(diào)整改進。同時，試驗中采用了6自由度機器人，使得檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，便于自動化控制，避免了手動調(diào)節(jié)機械式試驗臺帶來的種種不便。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件總體布置

該軟管干涉檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為試驗臺架模塊以及檢測設(shè)備模塊，試驗臺架模塊設(shè)計用于搭建一個試驗環(huán)境以模擬汽車前艙內(nèi)的發(fā)動機、擋板、軟管的運動狀態(tài)，檢測設(shè)備模塊設(shè)計用于檢測確定位置，采集空間運動數(shù)據(jù)。

試驗臺架模塊具體設(shè)備包括：機器人、發(fā)動機固支架、四周擋板定位臂、軟管定位臂、測試臺基板。檢測設(shè)備模塊主要包括：三坐標測量儀，三維掃描儀，基準測量塊以及柔性指示臂。下面具體介紹各硬件模塊的功能。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 各模塊設(shè)計功能

1.2.1 試驗臺架模塊

試驗臺架模塊中，由于機器人可以操縱法蘭盤在一定范圍內(nèi)進行空間6自由度運動，所以在本檢測系統(tǒng)中，采用機器人提供驅(qū)動力，用以驅(qū)動發(fā)動機總成以模擬汽車前艙內(nèi)發(fā)動機的運動位姿。

發(fā)動機固支架結(jié)構(gòu)如圖2所示，在設(shè)計時參考了發(fā)動機總成裝配夾具設(shè)計[5]，其功能為連接發(fā)動機總成與機器人法蘭盤。如圖2所示，固支架上端由多個特征孔定位柱與緊固螺栓來固定夾緊發(fā)動機總成，固支架下端由多個緊固螺栓與機器人法蘭盤固定。

圖2 發(fā)動機固支架結(jié)構(gòu)圖

試驗臺架模塊還采用一塊測試臺基板用于安裝四周擋板定位臂以及軟管定位臂，緊固安裝各定位臂后，即可將四周擋板與軟管安裝于各定位臂上，此時四周擋板與軟管的非發(fā)動機總成一端被固定，保持靜止。

采用車身上的位置關(guān)系準確安裝四周擋板以及軟管，并且調(diào)整機器人使發(fā)動機總成達到預(yù)設(shè)位姿后，即可由試驗臺架模擬出穩(wěn)定狀態(tài)下汽車前艙內(nèi)發(fā)動機總成、軟管、擋板的位置關(guān)系。之后操縱機器人進行指定位姿的運動，即可模擬出工作狀態(tài)下汽車前艙內(nèi)軟管的運動軌跡，從而有待后續(xù)位姿數(shù)據(jù)的采集與分析。

1.2.2 檢測設(shè)備模塊

檢測設(shè)備模塊中，三坐標測量儀用于指出定位試驗臺各設(shè)備理論應(yīng)當(dāng)安裝的位置，并且用于檢測各設(shè)備是否安裝到位。同時，在試驗過程中，三坐標測量儀可以用于檢測確認發(fā)動機總成是否精確運動到了所需仿真的特征位置。

三維掃描儀用于記錄每一個特定時刻下軟管的運動姿態(tài)，生成空間分布點云模型，以便于后續(xù)將點云模型轉(zhuǎn)化為實物模型，并進而分析軟管是否存在干涉。

柔性指示臂在檢測設(shè)備模塊中起到輔助作用，在三坐標測量儀指向某一空間位置后，由于三坐標測量儀無法長時間固定位姿，所以可用柔性指示臂長時間固定記錄該點位置，從而輔助試驗臺各零部件安裝定位。

圖3 基準測量塊

檢測設(shè)備模塊還選用了一個基準測量塊，該測量塊外形如圖3所示，其可以為本檢測系統(tǒng)所采用的多目標多位姿歸一化算法提供多個高精度坐標的特征點，用于輔助測量并統(tǒng)一多個測量參考系。

2 多目標多位姿歸一化算法設(shè)計

2.1 算法設(shè)計需求及數(shù)學(xué)原理

2.1.1 歸一化算法的設(shè)計需求

本文所設(shè)計的檢測系統(tǒng)包括機器人、發(fā)動機總成、三坐標測量儀等多個對象，以及其引入的機器人基底坐標系、法蘭盤坐標系、工具坐標系、三坐標測量儀內(nèi)置坐標系、車身坐標系、世界坐標系等多個參考系。

由于試驗涉及對象較多，且位姿變化頻繁，因此需要做歸一化處理，同時為了便于機器人編程控制，所以需要設(shè)計一款多目標多位姿歸一化算法。

2.1.2 歸一化算法的數(shù)學(xué)原理

多目標多位姿歸一化算法的核心在于多個參考系之間點坐標的統(tǒng)一，運用的數(shù)學(xué)工具即三維空間內(nèi)的坐標轉(zhuǎn)換矩陣。

同一個點在兩個坐標系內(nèi)的坐標可以經(jīng)由一次旋轉(zhuǎn)變換再加上一次平移變換得到，故而綜合兩種變換方式的矩陣形式，可以使用一個單獨的轉(zhuǎn)換矩陣進行坐標變換，其形式如公式(1)所示，坐標轉(zhuǎn)換的過程如公式(2)所示。該轉(zhuǎn)換矩陣T是4×4的矩陣結(jié)構(gòu)，其中參數(shù)aij(i,j=1,2,3)為旋轉(zhuǎn)變換相關(guān)參數(shù)，而參數(shù)bi(i=1,2,3)為平移變換的相關(guān)參數(shù)。

(1)

(2)

在具體參數(shù)的求解方面，有正向求解和逆向求解兩種方法。正向求解是在明確知曉兩個坐標系之間的空間位置關(guān)系的前提下，將坐標變換分解為6個步驟，分別是根據(jù)原坐標系3個坐標軸方向進行旋轉(zhuǎn)變換與平移變換，之后將每一步驟采用到的變換矩陣依次點乘，最終可以獲得轉(zhuǎn)換矩陣T。

(3)

解此方程組即可獲得轉(zhuǎn)換矩陣TAB中12個特征參數(shù)。

2.2 歸一化算法的具體運用

如圖4所示，歸一化算法的主要運用在試驗檢測的兩個階段：試驗前測試安裝階段以及試驗中的測試記錄階段。

圖4 歸一化算法具體運用

(4)

聯(lián)立求解后，即可完成轉(zhuǎn)換矩陣TFB。

(5)

聯(lián)立求解后，即可完成轉(zhuǎn)換矩陣TBR。

完成TBR求解后，在試驗中將每一特征時刻發(fā)動機總成的在前艙內(nèi)車身坐標系中的運動軌跡通過TBR轉(zhuǎn)換為機器人法蘭盤所需完成的運動軌跡，從而完成對發(fā)動機前艙內(nèi)軟管運動狀態(tài)的模擬仿真。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計需求

為了與檢測系統(tǒng)的硬件部分協(xié)同工作，封裝實現(xiàn)多位姿多目標歸一化算法，需要設(shè)計構(gòu)建一套軟件系統(tǒng)，該軟件部分所需達成的作用如下：1)實現(xiàn)人機交互功能，用戶可通過軟件按順序完成試驗臺所需的各項測試程序；2)管理并整合檢測系統(tǒng)各硬件組成部分，

所以，綜合參考軟件系統(tǒng)的使用需求以及硬件系統(tǒng)的功能，將軟件系統(tǒng)設(shè)計為6個模塊：用戶管理模塊、測試模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、用戶報告模塊以及幫助模塊，上述結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件系統(tǒng)模塊功能

3.2.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊用于登入測試軟件系統(tǒng)，一方面可以根據(jù)用戶類型的區(qū)別，開放不同的功能供用戶使用，另一方面，也可以記錄不同用戶所使用的試驗數(shù)據(jù)與參數(shù)設(shè)置習(xí)慣，方便用戶直接進入測試與試驗操作。

3.2.2 測試模塊

選擇該模塊即進入試驗測試階段，測試模塊包括整個試驗過程中檢測系統(tǒng)的每一步工作，使用者都可以根據(jù)軟件界面指示一步一步完成。

在試驗開始前首先由標定功能標定基準測量塊上4個點，即可根據(jù)多目標多位姿歸一化算法獲取轉(zhuǎn)換矩陣TFB和TBR。標定功能還幫助使用者在測量過程中逐步將檢測系統(tǒng)中各部分硬件以及試驗臺精確搭建安裝起來。

搭建完畢之后進入試驗點位輸入功能，基于實車測試得到的是發(fā)動機總成特征點在車身坐標系中的坐標，通過將實車試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊獲得特征點在工作坐標系(機器人基底坐標系)中的坐標，以實現(xiàn)通過機器人控制發(fā)動機總成運動模擬車輛行駛時的位姿。運動控制功能對一系列發(fā)動機總成姿態(tài)數(shù)據(jù)(相對應(yīng)機器人基底坐標系原點位置及坐標系方向)進行處理，生成機器人控制執(zhí)行文件，直接導(dǎo)入機器人中即可實現(xiàn)指定運動。

三維掃描功能指導(dǎo)使用者用三維掃描儀對每一個軟管系運動狀態(tài)進行掃描紀錄；之后由三維重建功能借助CATIA軟件功能對三維掃描儀掃描得到的軟管點云數(shù)據(jù)進行去噪、曲面造型處理，完成軟管三維模型重建；最終由干涉檢測功能分析該數(shù)模，通過系列軟管運動軌跡在發(fā)動機艙數(shù)模中的位姿還原，對多根軟管之間的干涉情況進行分析[7]，明確發(fā)生干涉的位置及干涉深度。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫管理模塊

實現(xiàn)實車測試數(shù)據(jù)、位姿轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、軟管干涉情況的存儲及管理，便于后續(xù)進行讀取與分析。同時也可以通過歷史試驗數(shù)據(jù)與結(jié)果進行橫向與縱向的對比分析。

3.2.4 用戶報告模塊

根據(jù)軟管軌跡干涉檢測結(jié)果輸出一份干涉情況用戶報告，該報告可以為后續(xù)對該型號的車輛前艙內(nèi)管路進行優(yōu)化設(shè)計提供理論與試驗依據(jù)。

3.2.5 幫助模塊

幫助用戶處理集成測試軟件過程中遇到的問題，同時可用作教程，對整個軟件的使用方法、每個功能模塊的作用進行說明。

將上述模塊集成起來即可得到最終的檢測系統(tǒng)集成軟件，該軟件的界面如圖6所示，用戶可以在菜單欄選擇使用模塊，由用戶管理進入M model(測試模塊)，之后進入數(shù)據(jù)庫管理、用戶報告以及幫助模塊，其中T model和P model兩個模塊留待后續(xù)開發(fā)。

在選擇相應(yīng)的模塊后即可在主界面進行相關(guān)的功能操作，圖6所示為測試模塊的6個功能，用戶可以依次進行選擇、輸入，對實驗臺與硬件系統(tǒng)進行相關(guān)操作，即可按照流程完成整個試驗及檢測、仿真工作。

圖6 檢測系統(tǒng)集成軟件界面

3.3 軟件系統(tǒng)運行檢測結(jié)果

根據(jù)某車型的三維模型數(shù)據(jù)和基于拉線傳感器實車試驗測得的發(fā)動機相對于前艙的257組位姿變換數(shù)據(jù)，采用軟管運動軌跡檢測仿真系統(tǒng)進行模擬檢測。在硬件系統(tǒng)搭建完成后，使用軟件系統(tǒng)完成標定數(shù)據(jù)記錄、生成TCP位姿數(shù)據(jù)、生成機器人運動代碼、記錄掃描結(jié)果、三維重建和干涉結(jié)果錄入等功能，其中系統(tǒng)運動精度和軟管干涉檢測的結(jié)果如下所示。

3.3.1 系統(tǒng)精度檢測結(jié)果

在試驗過程中，利用標定模塊輸入測試背景參數(shù)，并且通過試驗點位輸入模塊將257組拉線傳感器數(shù)據(jù)錄入軟件，進而運算轉(zhuǎn)化為機器人TCP點應(yīng)當(dāng)運行到的257組位姿，最終通過機器人運動控制模塊生成相應(yīng)的控制代碼，控制機器人運動。

采用三坐標測量儀對每組位姿下發(fā)動機上4個特征點坐標進行測量，可以得到特征點位于OB坐標系中的實測坐標值；將三維模型中4個特征點坐標直接采用位姿變換數(shù)據(jù)進行變換即可獲得OB中的特征點理論坐標值。

誤差的計算方式為每一組位姿數(shù)據(jù)下特征點理論坐標和實測坐標值的空間距離，將誤差參考其位姿變換過程中的行程大小，得到結(jié)果如表1所示。不同行程大小的位姿測試平均誤差均在2 mm以內(nèi)，最大誤差均在2.5 mm以內(nèi)，符合軟管檢測的精度要求。充分體現(xiàn)了多目標多位姿歸一化算法的準確性、試驗系統(tǒng)的精確性以及軟件系統(tǒng)的完善性。

表1 以白車身為基準時各行程下誤差統(tǒng)計表

3.3.2 軟管干涉檢測結(jié)果

在機器人運動到257個位姿中每一個特征位姿時，可以通過手持掃描儀將前艙內(nèi)軟管分布進行三維建模，其后可運行軟件系統(tǒng)的“三維重建”和“干涉檢測”兩個模塊，通過調(diào)用外部CATIA軟件，將原始數(shù)模和掃描后重建的軟管分布模型進行對齊與干涉分析，以獲得干涉檢測結(jié)果。

在分析完本次257組位姿之后，獲得的干涉結(jié)果如圖7所示，軟件系統(tǒng)調(diào)用外部CATIA軟件得到了干涉部位的示意和干涉部位的位置坐標和深度等參數(shù)。其后將干涉次數(shù)、干涉深度、干涉位置坐標等數(shù)據(jù)輸入軟件中，即可生成最終的干涉檢測報告。

圖7 軟管干涉結(jié)果示意圖

4 結(jié)論

1)本文設(shè)計的軟管運動軌跡檢測與仿真系統(tǒng)可以精確的模擬工作狀態(tài)下汽車前艙內(nèi)軟管系、發(fā)動機總成以及四周擋板的運動姿態(tài)。

2) 本文所設(shè)計的檢測系統(tǒng)，其中包括的多目標多位姿歸一化算法可以用于將世界坐標系、機器人基底坐標系、三坐標測量儀坐標系、車身坐標系統(tǒng)一到同一個坐標系中進行運算轉(zhuǎn)換，從而可以優(yōu)化檢測系統(tǒng)，精簡檢測步驟。

3)本文所設(shè)計的檢測系統(tǒng)可以利用集成化的軟件界面，指導(dǎo)使用者一步一步的完成整個檢測仿真試驗所需進行的工作。并使用數(shù)據(jù)庫與用戶管理模塊將試驗測得數(shù)據(jù)妥善保存，同時該檢測系統(tǒng)可通過多個后處理功能，將試驗測得數(shù)據(jù)重建獲得軟管運動軌跡包絡(luò)，對模型進行分析得到軟管干涉狀態(tài)，最終生成軟管干涉情況的用戶報告，給后續(xù)的管路優(yōu)化提供有力的試驗依據(jù)與理論依據(jù)。

4)本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)采用某廠某車型數(shù)據(jù)，通過257組位姿的仿真檢測試驗，驗證了整體系統(tǒng)的運動精度和軟管干涉檢測能力，符合實驗預(yù)期要求。