CN116835389A

CN116835389A - 一种汽车安全气囊自动卷折装置及卷折方法

Info

Publication number: CN116835389A
Application number: CN202311045901.8A
Authority: CN
Inventors: 孙欢
Original assignee: Nanjing Yingda Disai Industry Design Co ltd
Current assignee: Nanjing Yingda Disai Industry Design Co ltd
Priority date: 2023-08-18
Filing date: 2023-08-18
Publication date: 2023-10-03

Abstract

本发明公开了一种汽车安全气囊自动卷折装置及卷折方法，通过气缸驱动夹紧拉杆，实现上下卷刀夹紧安全气囊的动作；通过伺服电机驱动行星减速机，实现增大旋转力矩，再通过同步传动轮，驱动旋转轴旋转，实现卷刀可夹持物体旋转，为避免气动系统的气管出现旋转缠绕现象，通过旋转连接机构实现气缸与卷刀脱离，进而保障安全气囊在加持、旋转卷折过程中气缸不随卷刀旋转。此外，为了保障安全气囊夹持到位，本系统利用摄像头观测上下卷刀的距离，并通过反馈控制器实现夹持到位自动检测，防止夹持过松或者过紧，而导致安全气囊在卷折过程中滑动或挤压损毁。本发明具有自动化程度高、体积小、可实现将气囊折叠尺寸小最化的特点，且卷刀换型灵活方便。

Description

一种汽车安全气囊自动卷折装置及卷折方法

技术领域

本发明属于汽车零部件技术领域，具体涉及一种汽车安全气囊自动卷折装置及卷折方法。

背景技术

近年来，随着我国汽车产业的不断发展和汽车保有量的不断增加，随之而来的交通安全、驾乘安全问题也不断地被人们更加重视。安全气囊是现代汽车重要的驾乘人员约束系统设备之一，如何降低安全气囊展开过程中对人员的损伤是汽车被动安全领域的重要研究内容。为了节省空间，汽车安全气囊在安装在车辆之前需要被折叠。当安全气囊被激活时，气体流入安全气囊中，以致安全气囊基于内部压力而自动展开。在这种安全气囊中，充气性能在很大程度上取决于该安全气囊的折叠方式和卷折一致性。传统的生产工艺往往采用手工折叠或机器卷折，而由机器折叠的过程中往往开环控制的方式，对生产效率和产品一致性有很大的不可控因素，使得汽车安全气囊的可靠性存在一定的隐患。

如何设计一种对空间依赖小、能够适用于多种类型安全气囊而且能够精准控制的自动卷折装置，对于提升产品一致性，保障高效生产和汽车驾乘人员安全是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车安全气囊自动卷折方法及装置，能够用于汽车安全气囊产品高效、高质量自动化生产。

本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种汽车安全气囊自动卷折装置，包括卷折机构；

所述卷折机构能够沿水平方向移动；所述卷折机构包括支架，该支架上安装有旋转轴、夹紧拉杆和气囊夹持机构；

所述旋转轴与所述夹紧拉杆滑动连接；所述气囊夹持机构能够绕旋转轴转动；所述气囊夹持机构包括上卷刀和下卷刀；当卷折机构不移动时，下卷刀水平设置，夹紧拉杆水平移动，上卷刀在凸轮机构的驱动下做顺时针运动与下卷刀夹紧安全气囊。

所述气囊夹持机构还包括上卷刀固定座、下卷刀固定座、上旋钮柱塞和下旋钮柱塞；

所述上卷刀通过上旋钮柱塞安装在上卷刀固定座；所述下卷刀通过下旋钮柱塞安装在下卷刀固定座。

所述凸轮机构包括转动爪、推动轴、转动轴和U型架；

所述旋转轴一端安装有所述U型架；所述下卷刀固定座安装在U型架一侧位置处；所述转动爪中间部分通过转动轴安装在U型架内侧，转动爪一端安装在上卷刀固定座上；所述转动爪另一端设有与推动轴相适配的条形通槽；所述推动轴中间部分安装在夹紧拉杆一端上，推动轴两端设于对应的转动爪的条形通槽内；当夹紧拉杆水平移动，推动轴推动转动爪的条形通槽，转动爪绕转动轴顺时针转动，上卷刀与下卷刀夹持安全气囊。

所述卷折机构还包括气缸Ⅰ；所述夹紧拉杆由气缸Ⅰ驱动水平移动。

所述卷折机构还包括伺服电机、行星减速机、同步带和传动轮；

所述支架上安装有伺服电机、行星减速机、同步带和传动轮Ⅰ；

所述伺服电机通过行星减速机带动传动轮Ⅰ转动；

所述传动轮Ⅰ通过同步带与对应的传动轮Ⅱ传动相连；

所述传动轮Ⅱ与旋转轴相连接。

本汽车安全气囊自动卷折装置还包括丝杠机构；所述丝杠机构包括丝杠支座、丝杠和滑块螺母；所述丝杠支座上水平安装有丝杠；所述滑块螺母一端安装在丝杠上，另一端上安装有所述卷折机构。

本汽车安全气囊自动卷折装置还包括包括气缸Ⅱ；所述气缸Ⅱ一端安装在丝杠支座上，气缸Ⅱ的活塞杆安装在所述卷折机构上；

所述丝杠支座两端分别安装有气缸磁性开关，判断气缸Ⅱ在前位还是后位。

一种汽车安全气囊自动卷折装置的卷折方法，该卷折方法包括如下步骤：

S1：人工铺平安全气囊，平整展开至下卷刀之上，下卷刀上的压力传感器感应安全气囊铺平；

S2：气缸1驱动夹紧拉杆水平移动，夹紧拉杆上的推动轴推动转动爪的条形通槽，推动转动爪及上卷刀绕转动轴顺时针旋转运动，从而实现机构上、下卷刀夹紧安全气囊的动作(中间通过旋转连接机构实现气缸不随卷刀旋转，避免了气管的旋转缠绕现象)；

S3：通过摄像头观测上卷刀和下卷刀的开合角度，实现上、下卷刀夹持到位检查和反馈控制，防止夹持过松或者过紧，而导致安全气囊在卷折过程中滑动或挤压损毁；

S4：通过伺服电机驱动行星减速机，实现增大旋转力矩，再通过传动轮Ⅰ、同步带和传动轮Ⅱ，驱动旋转轴旋转，使得气囊夹持机构绕旋转轴转动，与此同时丝杆机构带动卷折机构沿丝杠轴向水平移动，从而实现安全气囊的卷折，通过设置伺服电机的参数来控制旋转的速度，该步骤动作的节拍满足设备整体节拍；

S5：卷折到位后，通过气缸Ⅱ带动卷折机构反向移动，带动上卷刀和下卷刀脱离安全气囊，两个磁性开关分别通过感应气缸Ⅱ的活塞位置判断卷折机构的位置，伸出位/缩回位。

优选地，所述步骤S3中，通过图像预处理、边缘检测和霍夫变换，提取到上卷刀和下卷刀在图像中的边缘信息，当上卷刀和下卷刀内侧边缘像素差位于预设阈值区间，则认为夹持到位。

优选地，所述步骤S3中，当出现夹持过松或者过紧问题，通过PID控制器控制气缸Ⅰ伺服系统，实现精准反馈控制，保障产品一致性。

进一步地，在所述步骤S4中，上卷刀、下卷刀从安全气囊的边缘围绕旋转轴开始卷折。

本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种汽车安全气囊自动卷折方法及装置，与现有技术相比，具有以下优点：

1.通过夹紧拉杆拉动凸轮机构实现上卷刀、下卷刀的闭合或者张开，避免了以往的机构卷刀的张开/夹紧通过安装在旋转轴端面的气爪来实现，卷折时气爪旋转，体积较大，且由于旋转轴与夹紧拉杆的滑动连接，避免气缸随旋转轴转动引起的气管、磁型开关信号线的走线问题，具有更小的体积，使得本发明中的安全气囊自动卷折方法及装置能够适用于更多的场合；

2.通过本发明所设计的气囊夹持机构，能够使得卷刀换型更加灵活方便；

3.通过视觉检测安全气囊卷折到位情况并通过PID控制器进行反馈控制，提升了系统的智能化、自动化程度和产品的一致性。

附图说明

图1为本发明汽车安全气囊自动卷折装置的结构示意图；

图2为本发明中卷折机构的内部结构示意图；

图3为本发明中夹持机构的安装示意图；

图4为本发明中凸轮机构的内部结构示意图；

图5为本发明中凸轮机构的位置结构示意图；

图6为本发明中基于视觉的卷刀夹持到位算法流程图。

图中标记说明：1-气囊夹持机构，11-上卷刀，12-下卷刀，13-上卷刀固定座，14-下卷刀固定座，15-上旋钮柱塞，16-下旋钮柱塞，2-旋转轴，21-旋转接头，3-卷折机构，31-气缸Ⅰ，32-伺服电机，33-行星减速机，34-同步带，35-传动轮Ⅰ，36-夹紧拉杆，37-传动轮Ⅱ，38-支架，4-丝杠机构，41-丝杠，42-丝杠支座，5-凸轮机构，51-转动爪，511-条形通槽，52-推动轴，53-转动轴，54-U型架，6-气缸Ⅱ，7-磁性开关。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施方式方法仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施方式方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-图5所示，一种汽车安全气囊自动卷折装置，包括卷折机构3；

卷折机构3能够沿水平方向移动；卷折机构3包括支架38；支架38上安装有旋转轴2、夹紧拉杆36和气囊夹持机构1；

旋转轴2与夹紧拉杆36滑动连接；气囊夹持机构1能够绕旋转轴2转动；气囊夹持机构1包括上卷刀11和下卷刀12；当卷折机构3不移动时，下卷刀12水平设置，夹紧拉杆36水平移动，上卷刀11在凸轮机构5的驱动下做顺时针运动与下卷刀12夹紧安全气囊，当卷折机构3沿着水平方向移动，上卷刀11、下卷刀12从安全气囊的边缘围绕旋转轴2开始卷折，进而实现安全气囊的卷折。

实施例二:

在实施例一的基础上，为实现上卷刀11和下卷刀12夹紧安全气囊的功能，如图3所示，本实施例所采用的气囊夹持机构1还包括上卷刀固定座13、下卷刀固定座14、上旋钮柱塞15和下旋钮柱塞16；

上卷刀11通过上旋钮柱塞15安装在上卷刀固定座13；下卷刀12通过下旋钮柱塞16安装在下卷刀固定座14。

如图5所示，凸轮机构5包括转动爪51、推动轴52、转动轴53和U型架54；

旋转轴2一端安装有U型架54；下卷刀固定座14安装在U型架54一侧位置处；转动爪51中间部分通过转动轴53安装在U型架54内侧，转动爪51一端安装在上卷刀固定座13上；转动爪51另一端设有与推动轴52相适配的条形通槽511；推动轴52中间部分安装在夹紧拉杆36一端上，推动轴52两端设于对应的转动爪51的条形通槽511内；当夹紧拉杆36水平移动，推动轴52推动转动爪51的条形通槽511，转动爪51绕转动轴53顺时针转动，上卷刀11与下卷刀12夹持安全气囊。

以往的机构卷刀的张开/夹紧通过安装在旋转轴2端面的气爪来实现，卷折时气爪旋转，体积较大。

实施例三：

在实施例二的基础上，为实现卷折过程中气缸Ⅰ31不随上卷刀11和下卷刀12旋转，避免气管的旋转缠绕现象的功能，本实施例采用的卷折机构3还包括气缸Ⅰ31；旋转轴2一端安装有旋转接头21，旋转接头21与夹紧拉杆36滑动连接；夹紧拉杆36由气缸Ⅰ31驱动水平移动，当旋转轴2转动时，由于旋转轴2套设在夹紧拉杆36上，与夹紧拉杆36滑动连接，夹紧拉杆36并不转动，进而避免气管的旋转缠绕现象。

实施例四：

在实施例一的基础上，为实现安全气囊自动卷折的功能，本实施例所采用的卷折机构3还包括伺服电机32、行星减速机33、同步带34、传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37；支架38上安装有伺服电机32、行星减速机33、同步带34和传动轮Ⅰ35；伺服电机32通过行星减速机33带动传动轮Ⅰ35转动；传动轮Ⅰ35通过同步带34与对应的传动轮Ⅱ37传动相连；传动轮Ⅱ37与旋转轴2相连接。

本汽车安全气囊自动卷折装置还包括丝杠机构4。丝杠机构4包括丝杠支座42、丝杠41和滑块螺母(图中未显示)；丝杠支座42上水平安装有丝杠41；滑块螺母一端安装在丝杠41上，另一端上安装有卷折机构3。

本汽车安全气囊自动卷折装置还包括包括气缸Ⅱ6；气缸Ⅱ6一端安装在丝杠支座42上，气缸Ⅱ42的活塞杆一端安装在卷折机构3上；丝杠支座42两端分别安装有磁性开关7，两个磁性开关7分别通过感应气缸Ⅱ6的活塞位置判断卷折机构3的位置，伸出位/缩回位。

本发明的工作过程和原理：

一种用于上述的汽车安全气囊自动卷折装置的卷折方法，包括如下步骤：

S1：人工铺平安全气囊，平整展开至下卷刀12之上，下卷刀12上的压力传感器感应安全气囊铺平；

S2：气缸Ⅰ31驱动夹紧拉杆36水平移动，夹紧拉杆36上的推动轴52推动转动爪51的条形通槽511，推动转动爪51及上卷刀11绕转动轴53顺时针旋转运动，从而实现机构上卷刀11、下卷刀12夹紧安全气囊的动作；

S3：通过摄像头观测上卷刀11和下卷刀12的开合角度，实现上卷刀11、下卷刀12夹持到位检查和反馈控制，防止夹持过松或者过紧，而导致安全气囊在卷折过程中滑动或挤压损毁；

S4：通过伺服电机32驱动行星减速机33，实现增大旋转力矩，再通过传动轮Ⅰ35、同步带34和传动轮Ⅱ37，驱动旋转轴2旋转，使得气囊夹持机构1绕旋转轴2转动，与此同时丝杆机构4带动卷折机构3沿丝杠41轴向水平移动，从而实现安全气囊的卷折，通过设置伺服电机32的参数来控制旋转的速度，该步骤动作的节拍满足设备整体节拍；

S5：卷折到位后，感应气缸Ⅱ6的活塞位置判断卷折机构3的位置，伸出位/缩回位。

进一步地，在步骤S4中，上卷刀11、下卷刀12从安全气囊的边缘围绕旋转轴2开始卷折。

优选地，步骤S3中，通过图像预处理、边缘检测和霍夫变换，提取到上卷刀11和下卷刀12在图像中的边缘信息，当上卷刀11和下卷刀12内侧边缘像素差位于预设阈值区间，则认为夹持到位。

优选地，步骤S3中，当出现夹持过松或者过紧问题，通过PID控制器控制气缸Ⅰ31伺服系统，实现精准反馈控制，保障产品一致性。

如图6所示，首先，通过图像预处理的方式有效减少图像噪声的干扰，增强上、卷刀边缘特征，为后续的的上卷刀11、下卷刀12精确检测的距离信息获取提供良好的基础。其具体实现过程包含灰度化、图像降噪和边缘增强。通过设计对彩色可见光相机图像的R、G、B三个分量通道进行加权平均得到合理的灰度图像，能够有效就降低算法处理时间，其计算公式如下：

Y＝αR+βG+γB

其中：Y为灰度图，α、β、γ分别为R、G、B三个颜色通道分量的权重。

本发明在图像预处理阶段采用高斯滤波进行去噪处理，对高斯函数进行离散化，以离散点上的高斯数值为权值，对灰度矩阵的每个像素点做邻域内的加权平均，采用这种方式能够有效地降低噪声对图像中上卷刀11、下卷刀12目标检测识别的干扰。

为了进一步提上卷刀11、下卷刀12目标在图像中的显著性，本发明采用低通滤波的方式提升图像目标对比度进行实现图像增强，其计算公式如下：

res＝round((orig-mean)×factor)+orig

其中，res是增强后的图像灰度图，orig为原始图像灰度图，mean为图像灰度平均值，factor为对比强度。

为了提前到图像中上卷刀11、下卷刀12的边缘信息，本发明才Canny边缘检测算法。该算法运用高斯滤波平滑图像，采用窗口计算灰度梯度的幅值和方向：

其中，G为梯度幅值，θ为梯度方向G_x和G_y为图像灰度沿着水平方向和垂直方向的一阶偏导数。得到图像梯度后，对梯度图像进行非极大值抑制，最后采用双阈值方法从候选边缘中检测和连接边缘，能够最大限度地识别出图像的真实边缘，具有抗干扰能力强、定位准确的特点。

通过反复测试上卷刀11、下卷刀12在安全气囊卷折过程中基本不发生形变，因此在获取的边缘检测图像基础上，利用霍夫变换变换对露出来的上卷刀11、下卷刀12部分进行直线进行检测。霍夫变换运用两个坐标空间之间的变换将在一个空间内具有相同形状的直线映射到另一个坐标空间的一个点上形成峰值，从而把检测直线的问题转化为统计峰值的问题。基于统计概论的霍检测不仅执行效率较高，而且能检测到直线的两个端点。将图像中的点图像坐标系(x,y)转换到极坐标系(θ,ρ)下：

ρ＝xcosθ+ysinθ

这样每条直线对应于(θ,ρ)空间下的一条正弦曲线，采用投票求极值的方法寻找直线并计算出两段直线间的距离dis，当该距离为阈值区间[dis_min,dis_max]内时认为夹持到位：

dis∈[dis_min,dis_max]

当出现夹持过松或夹持过紧问题，通过PID控制器控制气缸进气量，实现精准反馈控制，保障产品一致性。

首先，对本装置中的气动系统进行建模，由于气体的可压缩性，气动控制系统是一个复杂的非线性系统，采取适当的简化处理，得到3阶数学模型如下：

其中，G(s)为系统传递函数，w_n为系统固有频率，ξ_n系统气动阻尼比，K_n为系统增益。

本发明涉及的PID控制器模型为：

其中，e(t)＝[dis_max(t)-dis_min(t)]/2-dis(t)为控制量，u(t)为控制器输出，K_P为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数。通过搭建气缸伺服控制仿真系统，确定各控制器系数的大致数值，再在真实物理系统上做微调，最终确定PID控制器的参数值。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种汽车安全气囊自动卷折装置，包括卷折机构；

2.根据权利要求1所述的一种汽车安全气囊自动卷折装置，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种汽车安全气囊自动卷折装置，其特征在于：

所述凸轮机构包括转动爪、推动轴、转动轴和U型架；

4.根据权利要求1所述的一种汽车安全气囊自动卷折装置，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的一种汽车安全气囊自动卷折装置，其特征在于：

所述伺服电机通过行星减速机带动传动轮Ⅰ转动；

所述传动轮Ⅰ通过同步带与对应的传动轮Ⅱ传动相连；所述传动轮Ⅱ与旋转轴相连接。

6.根据权利要求5所述的一种汽车安全气囊自动卷折装置，其特征在于：还包括丝杠机构；

所述丝杠机构包括丝杠支座、丝杠和滑块螺母；所述丝杠支座上水平安装有丝杠；所述滑块螺母一端安装在丝杠上，另一端上安装有所述卷折机构。

7.根据权利要求6所述的一种汽车安全气囊自动卷折装置，其特征在于：还包括包括气缸Ⅱ；

所述气缸Ⅱ一端安装在丝杠支座上，气缸Ⅱ的活塞杆安装在所述卷折机构上；

所述丝杠支座两端分别安装有气缸磁性开关。

8.一种用于权利要求1至7任一所述的汽车安全气囊自动卷折装置的卷折方法，其特征在于：该卷折方法包括如下步骤：

S2：气缸1驱动夹紧拉杆水平移动，夹紧拉杆上的推动轴推动转动爪的条形通槽，推动转动爪及上卷刀绕转动轴顺时针旋转运动，从而实现上卷刀、下卷刀夹紧安全气囊的动作；

S3：通过摄像头观测上卷刀和下卷刀的开合角度，实现上卷刀、下卷刀夹持到位检查和反馈控制，防止夹持过松或者过紧，而导致安全气囊在卷折过程中滑动或挤压损毁；

S5：卷折到位后，通过气缸Ⅱ带动卷折机构反向移动，带动上卷刀和下卷刀脱离安全气囊，气缸上安装的2个磁性开关分别感应卷折机构的伸出位/缩回位。

9.根据权利要求8所述的汽车安全气囊自动卷折装置的卷折方法，其特征在于：

所述步骤S3中，通过图像预处理、边缘检测和霍夫变换，提取到上卷刀和下卷刀在图像中的边缘信息，当上卷刀和下卷刀内侧边缘像素差位于预设阈值区间，则认为夹持到位。

10.根据权利要求8所述的汽车安全气囊自动卷折装置的卷折方法，其特征在于：

所述步骤S3中，当出现夹持过松或者过紧问题，通过PID控制器控制气缸Ⅰ伺服系统，实现精准反馈控制，保障产品一致性。