張 曉，郭 瑞，劉振國，曹云翔，曾志翔

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

眾所周知，新能源動(dòng)力鋰電池活性很強(qiáng)，尤其測(cè)試過程中存在很大的潛在危險(xiǎn)，一旦造成短路或過充等現(xiàn)象，便會(huì)引起爆炸與火災(zāi)事故，造成人身傷害與財(cái)產(chǎn)損失。新能源動(dòng)力電池Pack自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的研究迫在眉睫，完全符合國家環(huán)保理念和創(chuàng)新理念，其不僅可以減少作業(yè)工人的勞動(dòng)量，提高生產(chǎn)效率，而且可以避免作業(yè)人員近距離操作，從而大大加強(qiáng)電池Pack測(cè)試環(huán)節(jié)的安全性，同時(shí)提高工業(yè)生產(chǎn)效益，減少因依賴于作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和主觀判斷所造成的不必要損失。

1 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建了一套新能源動(dòng)力電池Pack自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)由自動(dòng)測(cè)試架、AGV智能小車、視覺系統(tǒng)，柔性手爪和測(cè)試房等組成，測(cè)試房測(cè)試過程全封閉，全程監(jiān)控電池Pack狀態(tài)與房間內(nèi)部環(huán)境，自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。

本系統(tǒng)基于LABVIEW開發(fā)平臺(tái)開發(fā)集成，將PLC與測(cè)試設(shè)備之間建立高速穩(wěn)定的通信體制，形成統(tǒng)一控制協(xié)同工作模式，同時(shí)將BMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析計(jì)算后反饋至測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試監(jiān)控與策略調(diào)整，測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄保存并上傳MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試策略與測(cè)試機(jī)構(gòu)的高度集成，整個(gè)系統(tǒng)主要采用的是上下兩級(jí)的分層式控制結(jié)構(gòu)，上層以PC機(jī)為依托，提供人機(jī)界面的監(jiān)測(cè)和用戶控制接口，下層以PLC控制器為核心，搭建系統(tǒng)的硬件測(cè)試平臺(tái)。相對(duì)于傳統(tǒng)單一控制結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了用戶操作與現(xiàn)場(chǎng)控制的分離，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)測(cè)試的安全性，系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖2所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)效果圖

動(dòng)力電池Pack自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)將待測(cè)試電池Pack，通過AGV從裝配線轉(zhuǎn)運(yùn)至密閉測(cè)試房，AGV與高低壓測(cè)試架上分別安裝35pin和14pin的高低壓對(duì)接插頭，其中高壓接頭可承受500A電流。AGV精確定位后，高低壓柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行充放電測(cè)試，該過程AGV智能小車不僅用于物流周轉(zhuǎn)，同時(shí)直接作為測(cè)試平臺(tái)工位使用，最后通過AGV智能小車將電池Pack轉(zhuǎn)運(yùn)至下料區(qū)，系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)控制架構(gòu)框圖

圖3 系統(tǒng)流程圖

安全檢測(cè)房的設(shè)計(jì)針對(duì)于電池包的測(cè)試在安全環(huán)境下進(jìn)行，由于測(cè)試機(jī)的充放電測(cè)試都屬于高壓測(cè)試，可以有效避免在測(cè)試過程中人為的干預(yù)及接觸。并且在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)減少造成的損失。安全門的設(shè)計(jì)為可編程控制，在自動(dòng)化柔性對(duì)接時(shí)，安全門可根據(jù)小車的位置及安全生產(chǎn)的需要，編程控制安全門的動(dòng)作，在自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)方案中動(dòng)作步驟如下：分別設(shè)置三點(diǎn)A，B，C（A代表AGV行駛原點(diǎn)，B代表安全門內(nèi)精確定位點(diǎn)，C代表測(cè)試完成的放置點(diǎn)）。小車在從A點(diǎn)到B點(diǎn)時(shí)，安全門打開可由小車進(jìn)入安全檢測(cè)房，到達(dá)B點(diǎn)后安全門關(guān)閉，電池包進(jìn)行充放電測(cè)試和相關(guān)參數(shù)的采集，待測(cè)試完成后，小車行駛至C點(diǎn)，安全門關(guān)閉。

2 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自適應(yīng)柔性手爪

高低壓測(cè)試插頭可靠對(duì)接是電池Pack充放電安全測(cè)試的前提，尤其是大電流測(cè)試對(duì)測(cè)試插頭表面接觸要求是穩(wěn)定安全測(cè)試的首要保證。

圖4 安全門圖解

1）手爪設(shè)計(jì)柔性氣擺正機(jī)構(gòu)，在高低壓手爪對(duì)接過程中具有一定角度的適應(yīng)余量，在充氣狀態(tài)下自動(dòng)擺正對(duì)接位置，加強(qiáng)機(jī)構(gòu)自適應(yīng)性。

2）手爪高低壓插頭設(shè)計(jì)活動(dòng)慣量，通過定位銷孔找正，引導(dǎo)插頭對(duì)接。

針對(duì)AGV小車定位偏差及視覺分析計(jì)算誤差，上述機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效提高容錯(cuò)性。

圖5 高低壓柔性對(duì)接手爪

2.2 AGV精確定位

AGV是（Automated Guided Vehicle）的縮寫，意即“自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車”，是指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，它能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車，AGV屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人（WMR——Wheeled Mobile Robot）的范疇，AGV主要三項(xiàng)技術(shù)：鉸鏈結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)分置技術(shù)和能量反饋。AGV通過物流上位調(diào)度系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)及車載控制系統(tǒng)三者之間的相互協(xié)作完成的物料的傳送；AGV在制造業(yè)的生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用，可以高效、準(zhǔn)確、靈活地完成物料的搬運(yùn)任務(wù)，并且可由多臺(tái)AGV組成柔性的物流搬運(yùn)系統(tǒng)，搬運(yùn)路線可以隨著生產(chǎn)工藝流程的調(diào)整而及時(shí)調(diào)整，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)柔性和競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2.1 AGV定位策略

目前國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用中AGV的導(dǎo)航方式主要有磁條導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、磁釘導(dǎo)航以及混合導(dǎo)航等，對(duì)于定位精度要求不高的應(yīng)用多采用相對(duì)成熟的磁條導(dǎo)航，標(biāo)簽定位的方法，鑒于此方法在定位過程中誤差較大，本系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行深度改進(jìn)，采用磁條導(dǎo)航，標(biāo)簽粗定位，光纖三角精定位的方式，同時(shí)采用麥克拉姆輪技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)AGV直線橫移，AGV精確定位。

圖6 AGV定位示意圖

編寫相應(yīng)的AGV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試程序，分別規(guī)定小車向前的方向?yàn)閄方向，橫移的方向?yàn)閅方向，小車執(zhí)行調(diào)度程序以磁條為導(dǎo)航向X方向行走，到達(dá)指定位置后，AGV小車前端和后端分別安裝的三束光纖（α，β，γ）以地標(biāo)反光板為參照物。根據(jù)AGV定位算法，分別求出小車的坐標(biāo)位置，如果α光纖最先得到光信號(hào)反饋則向左偏，γ光纖得到信號(hào)向右偏，直到β得到光反饋信號(hào)，Y方向一樣，最終AGV小車精準(zhǔn)定位。

2.2.2 激光定位算法

定位系統(tǒng)啟動(dòng)后,激光向外發(fā)射，當(dāng)掃描到合作路標(biāo)時(shí)，反射光經(jīng)光電接收器件處理作為檢測(cè)信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序讀取旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的碼盤數(shù)據(jù)（目標(biāo)的測(cè)量角度值）。然后通過串行通訊傳遞到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)已知參考路標(biāo)的位置和檢測(cè)信息，就可以計(jì)算出機(jī)器人當(dāng)前在參考坐標(biāo)系下的位置和方向。

圖7 AGV定位原理圖

如圖5所示，機(jī)器人檢測(cè)識(shí)別到m（m＞3）個(gè)反光鏡pi（XI,YI），并且方位角為。采用下面的算法確定機(jī)器人在W（世界坐標(biāo)系）中的坐標(biāo)位置(Xr,t,Yr,t,θr,t)。

令：

其中，(Xr,t-1，Yr,t-1)——機(jī)器人在前一定位周期的位置。則arctanU1及arctanU2在(X0r,t，Y0r,t)處的泰勒展開式為：

令Xr,t-X0r,t=δXr,t，Yr,t-Y0r,t=δYr,t，則式(2)可整理為：

同理：

忽略高階無窮小項(xiàng)O(Xr,t-X0r,t)(Yr,t-Y0r,t)由式(3)、式(4)和式(1)可得：

其中：

于是可以列出矩陣方程為：

式中，A，B為可以測(cè)量常數(shù)陣。因此，可用最小二乘法求解：

從而：

令：

由于A，B均與(X0r,t，Y0r,t)有關(guān)，故可將式(9)式代入式(7)再求解，從而產(chǎn)生迭代。當(dāng)(δ Xr,t， δ Yr,t)＜ 時(shí)，就可停止迭代，所得式(8)，即為機(jī)器人的位置(X0r,t，Y0r,t)。機(jī)器人的姿態(tài) ，則可由圖5中反光鏡與機(jī)器人角度約束關(guān)系確定為：

移動(dòng)機(jī)器人多路標(biāo)激光定位算法,通過迭代，提高了系統(tǒng)的定位精度和抗干擾能力。算法運(yùn)行時(shí)間滿足實(shí)時(shí)性要求，在全方位移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行的定位實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該算法的有效性。

2.3 視覺定位

通過視覺系統(tǒng)AGV實(shí)際定位位置信息分析數(shù)據(jù)，將柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置進(jìn)行定位糾偏，進(jìn)一步提高插頭對(duì)接位置精度。視覺系統(tǒng)從拍攝的圖片中提取出來的信息為像素點(diǎn)信息，在保證相機(jī)視野和柔性手爪法蘭都在水平面的前提下，視覺系統(tǒng)的二維坐標(biāo)系需要轉(zhuǎn)換成柔性手爪的二維坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換的過程即為坐標(biāo)系標(biāo)定。視覺系統(tǒng)的像素點(diǎn)坐標(biāo)為當(dāng)前物距下的坐標(biāo)，而手爪坐標(biāo)為柔性手爪法蘭中心點(diǎn)的坐標(biāo)。

標(biāo)定時(shí)，柔性手爪先移到拍照點(diǎn)位置，在相機(jī)視野內(nèi)放置標(biāo)定靶紙，尋找靶紙上四個(gè)標(biāo)靶圓心的像素點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)為(xi,yi)(i=1,2,3,4,…,m)，然后移動(dòng)手爪中心軸上的頂針分別到四個(gè)標(biāo)靶圓心，如圖4所示，記錄下四個(gè)點(diǎn)的手爪X、Y軸坐標(biāo)點(diǎn)，設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)為(Xi,Yi)(i=1,2,3,4,…,m)，設(shè)視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系的基為手爪X、Y軸坐標(biāo)系的基為，它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系矩陣為A。

設(shè)：

則有：

又：

從以上推理可知，將任意兩組視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系和手爪坐標(biāo)系的坐標(biāo)值代入式(*) 即可求出Aj，然后采集n組Aj得到A，理論上n越大，得到的A越精確。

至此，視覺系統(tǒng)中任意像素點(diǎn)坐標(biāo)已經(jīng)轉(zhuǎn)換為手爪X、Y軸坐標(biāo)。

坐標(biāo)系標(biāo)定完成后，相機(jī)視野內(nèi)尋找的工裝或工件上的特征點(diǎn)均可以在機(jī)器人坐標(biāo)系下給出坐標(biāo)值，根據(jù)視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系下特征點(diǎn)的坐標(biāo)值，進(jìn)行抓取點(diǎn)x、y軸坐標(biāo)值和角度補(bǔ)償計(jì)算，然后再轉(zhuǎn)換為柔性手爪坐標(biāo)系下坐標(biāo)值，模型如圖8所示。

圖8 抓取點(diǎn)坐標(biāo)值及角度補(bǔ)償計(jì)算示意圖

因相機(jī)的安裝位置不在柔性手爪法蘭中心，所以相機(jī)視野內(nèi)尋找的特征點(diǎn)并不是柔性手爪真正的目的點(diǎn)，需要根據(jù)特征點(diǎn)計(jì)算抓取點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)相機(jī)視野內(nèi)尋找的兩個(gè)特征點(diǎn)P1、P2，目的點(diǎn)為P3，兩個(gè)特征點(diǎn)P1、P2連線方向與視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系x軸方向夾角為θ，特征點(diǎn)P2與目的點(diǎn)的固定角度為γ，P2點(diǎn)與P2點(diǎn)的距離為l，視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系下抓取點(diǎn)坐標(biāo)為（xp3，yp3）。則有：

通過轉(zhuǎn)換矩陣A確定抓取點(diǎn)P3在柔性手爪坐標(biāo)系下坐標(biāo)值(xP3,yP3)。

對(duì)于機(jī)器人手爪角度補(bǔ)償，因相機(jī)固定在手爪上且視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系x軸方向與手爪移動(dòng)方向平行，所以兩特征點(diǎn)連線與x軸方向的夾角即為手爪移動(dòng)角度的偏移量補(bǔ)償，設(shè)拍照點(diǎn)機(jī)器人R軸（柔性手爪法蘭旋轉(zhuǎn)軸）角度坐標(biāo)值為φ，柔性手爪目的點(diǎn)角度值為λ。則有：

通過視覺系統(tǒng)對(duì)位置的精確定位，引導(dǎo)三軸柔性手爪智能柔性對(duì)接，較好的解決了定位達(dá)不到精度要求的問題，提高了設(shè)備的智能化水平和容錯(cuò)性能力。經(jīng)過視覺算法的反復(fù)驗(yàn)證，視覺系統(tǒng)與柔性手爪之間的坐標(biāo)系標(biāo)定和目的點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算可靠有效，系統(tǒng)對(duì)接精度和穩(wěn)定性可以保證。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)

通過高低壓插頭循環(huán)對(duì)接程序，實(shí)現(xiàn)柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行點(diǎn)坐標(biāo)值的重復(fù)獲取，從而得到柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度。

實(shí)驗(yàn)過程：選取一臺(tái)具有代表性的AGV智能小車，柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)從工作原點(diǎn)位置移至高壓插頭對(duì)接位置，繼而回到工作原點(diǎn)位置，循環(huán)重復(fù)運(yùn)行30次，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）編寫相應(yīng)的柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試程序；

2）將定位方式、坐標(biāo)標(biāo)定以及速度參數(shù)等均保持與工作狀態(tài)相同；

3）確定一個(gè)遠(yuǎn)離柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行點(diǎn)的工作原點(diǎn)；

4）自動(dòng)運(yùn)行程序，通過人機(jī)交互面板進(jìn)行高壓插頭對(duì)接點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄，如圖1所示。

所記錄的數(shù)據(jù)為移載機(jī)構(gòu)放置點(diǎn)X、Y、Z軸坐標(biāo)值以及R軸角度值，根據(jù)坐標(biāo)均值得到誤差值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

本組實(shí)驗(yàn)中，柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)放置點(diǎn)X軸坐標(biāo)值均值為114.618mm，Y軸坐標(biāo)值均值為-321.829mm，由于Z軸在運(yùn)動(dòng)過程中不變，故不計(jì)算Z軸平均值，R軸角度值均值為89.512°，坐標(biāo)值誤差均小于±0.5mm，角度值誤差小于±0.05°。

表1 柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)重復(fù)定位精度數(shù)據(jù)表

綜合以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果，柔性手爪四軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的重復(fù)定位精度為±0.5mm。

3.2 AGV智能小車重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程：以兩把數(shù)顯卡尺為測(cè)量工具，AGV從A點(diǎn)至B點(diǎn)（B為裝配點(diǎn)），將兩把數(shù)顯卡尺分別固定在AGV行駛方向測(cè)試點(diǎn)的X方向和Y方向，循環(huán)重復(fù)運(yùn)行20次，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

所記錄的數(shù)據(jù)為固定在裝配點(diǎn)B兩個(gè)數(shù)顯卡尺的數(shù)值，根據(jù)坐標(biāo)均值得到誤差值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 AGV重復(fù)定位精度數(shù)據(jù)表

續(xù)（表2）

本組實(shí)驗(yàn)中，裝配點(diǎn)X軸坐標(biāo)值均值為23.339mm，Y軸坐標(biāo)值均值為31.263mm，X和Y坐標(biāo)值誤差均小于±1mm。

綜合以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果，AGV智能小車的重復(fù)定位精度≤±1mm。

4 結(jié)論

通過AGV小車的精確定位與視覺系統(tǒng)的定位糾偏，結(jié)合柔性手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較好的解決了高低壓插頭自動(dòng)對(duì)接達(dá)不到精度要求的問題，提高了設(shè)備的容錯(cuò)性能力，增強(qiáng)了自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的智能化水平。經(jīng)過生產(chǎn)的反復(fù)驗(yàn)證，自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)在柔性對(duì)接方面可靠有效，測(cè)試的精度和穩(wěn)定性可以保證。