基于机械手的自动安全带系扣装置

缪军凯，李佳音，姜成龙

（武汉理工大学，湖北 武汉 430000）

1 现有的自动安全带案例

1.1 福特天霸

福特在这款车上首次推出自动安全带这一配置，虽然实现了自动系扣安全带，但却饱受诟病，其采用的两点式安全带的安全性、可靠性相对较弱。另外，这款自动安全带受车门、A柱的限制过大，不能进行普及化、标准化制造。

1.2 奔驰E260

目前，不少车企在汽车上采用了类似于半自动的安全带，梅赛德斯奔驰E260上采用的辅助递送安全带配置在一定程度上减少了人工操作，但只是局部实现了自动化，便捷性改进较少。

1.3 其他案例

目前也有车企研发了预紧式安全带、自动松紧式安全带，这些产品虽然在一定程度上发挥了作用，但只是对已就位的安全带进行细微调整，并未实现安全带自动化。

2 机械手研究现状

2.1 液压式机械手

液压机械臂优点在于力量大、质量轻，可实现稳定的运动传输，易于实现过载保护，更重要的是，在汽车驾驶舱中安放油泵的空间十分有限，且需要考虑发生事故时如何规避对驾驶员造成二次伤害的问题。

2.2 气动式机械手

气动式机械臂驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，抓举能力较差。

2.3 电力驱动机械手

电力驱动是机械手使用最多的一种驱动方式，响应快、驱动力大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。但由于电机转速高，通常需使用减速机构。

2.4 机械驱动式机械手

机械驱动式机械手只用于动作固定的场合，一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作，动作可靠、工作速度高、成本低，但不易调整。

3 机械手初步设计

3.1 数据采集阶段

首先确定系扣安全带的过程中需要的最大力，我们选用某本田CR-V车型，对驾驶员座位、副驾驶员座位的安全带系扣过程中所需要的力进行了测量，结果如表1所示。

表1 驾驶员座位、副驾驶员座位安全带系扣过程中所需要的力

从测试数据来看，在安全带系扣过程中所需最大力在50 N左右。

3.2 机械手驱动部件选择

考虑到车内空间有限，机械手杆件部分长度设计要尽量短，以保证足够的运动空间，同时减小对驱动部件的转矩需求。所以机械手关节上的驱动部件初步选定转矩为20 kg·cm的金属齿轮舵机。参数如下：

死区：2 μs 1 520 s/330 Hz；4.8 V 运行速度：0.18 s/60°；6 V 运行速度：0.16 s/60°；4.8 V 失速转矩：17.25 kg·cm；6 V失速转矩：20.32 kg·cm；尺寸（mm）：40.5×38×20.

3.3 机械手模型设计

设计初期，采用CATIA建立机械手各部分杆件的模型，并在装配模块中完成初步装配，以保证机械手收起时体积尽量小。装配完成后，在数字化装配中的DMU模块上完成机械手整个机构的运动学仿真，以保证在机械手运动的过程中不与车内饰、手伸及面发生干涉。初步设计的机械手装配模型如图1所示。

图1 初步设计的机械手装配模型

其中，底部为电动推杆或60 kg·cm舵机驱动的推杆（根据样机和实际情况在两者中选择其一）。电动推杆参数如下：额定功率≤70 W，电压12 VDC/24 VDC，行程200 mm，速度36 mm/s，负载力1 000 N，环境温度-25～+65℃，噪声等级＜45 dB，防护等级IP54。行程200 mm可以保证机械手安装在前排座位中间的储物箱中，负载力1 000 N完全满足使用要求，同时噪声不至于过大，环境温度也满足一般的使用要求，且具有一定的防水性能。

4 机械手控制单元

基于当今安全带及机械手的研究状况，亟待研发一套以机械手为核心的安全带辅助系统。考虑到车内空间的限制及在发生事故时自动系扣装置不对乘员造成二次伤害，我们选用舵机来完成机械手的驱动工作。本套装置采用Arduino UNO这款初级开发板，无线客流量计数器与3个关节处舵机工作。

4.1 Arduino UNO开发板

具有专用于舵机控制的servo.h库文件，可以使用其中的各种函数直接对舵机进行操作：

attach()：设定舵机的接口

write()：用于设定舵机旋转角度的语句

writeMicroseconds()：用于设定舵机角度的语句，直接用微秒作为参数

read()：用于设定舵机旋转角度的语句

attached()：判断舵机参数是否已发送到舵机所在接口舵机的核心控制程序节选如下（驱动端口9的舵机旋转至103度）：

4.2 无线客流量计数器

在日常生活中，许多店铺会在店铺门口距地面1.2～1.4 m处安装无线客流量计数器，这种计数器多基于红外线对射检测技术，我们选用的计数器同时也具备双方向检测功能（进、出同时检测），可将计数器模块精简以后安装在驾驶员座位两侧，判断驾驶员是否在座位上坐定。在计数器判断驾驶员坐定后启动机械手装置，为驾驶员自动系上安全带。