一种通用的计算机产品测试系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种通用的计算机产品测试系统及方法。本系统包括机械臂、机械臂控制器、力传感器、末端工具、夹具、基准台面和主控计算机，其中夹具整体由若干具有C字形侧面轮廓特征的夹具单元组成，这套夹具有悬空夹持、多种组合变化、调整柔性高、刚性好的特点，通过配合机械臂、力传感器和末端工具完成各种测试，克服了传统测试设备在功能性和可拓展性上的不足。本方法包括四个操作步骤：一、计算方法分解、二、测试动作规划、三、中间参数测量、四、测试动作运行与结果处理；通过分解计算过程、建立参数测量方法库等手段使该测试方法能够通用地应用于计算机产品使用可靠性方面不同种类的测试任务，且测试结果准确可信。
【专利说明】一种通用的计算机产品测试系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机产品测试领域，特别涉及一种通用的计算机产品测试系统及方法。
【背景技术】
[0002]笔记本电脑、平板电脑以及手机的转轴、显示触摸屏、键盘等，是用户与电脑产品直接产生物理交互的重要部件，其使用可靠性直接影响产品性能品质以及用户的使用体验，因此一直是上述产品研发及生产阶段中使用可靠性测试的核心。例如，笔记本电脑转轴既为笔记本显示屏的旋转提供支撑，也为显示屏在某个旋转角度的固定提供摩擦力矩，同时还保护连接笔记本电脑显示屏和键盘部分的数据线；而触摸屏既是图形显示装置，也是用户重要的甚至唯一的信息输入装置，这些单元组件均需要专用的测试设备来进行使用可靠性测试。
[0003]对于笔记本电脑转轴的可靠性测试，目前普遍采用能够实现屏幕自动连带翻转的专用测试设备。例如，台湾顺滢企业股份有限公司的伺服系统全自动转轴扭力耐久试验机[I]，提供了一种包含翻转电脑屏幕功能和转轴力矩同步测试功能的自动测试设备。该设备的使用特性主要包括:首先将笔记本电脑旋转在具有等距螺纹孔的载荷台上，通过在待测电脑周围的螺纹孔安装压紧块以锁紧固定笔记本电脑；随后装有伺服马达的翻转机构按照用户预先设置进行自动旋转，并带动实现笔记本电脑显示屏与键盘开合角从O度到180度范围内的受控运动；在持续往复翻转过程中，载荷台上的压力传感器不断读取正压力参数，并将其转换至电脑转轴所受的转矩，从而实现笔记本电脑转轴的力矩特性测量。
[0004]对于电脑产品的触摸屏测试，专利201010103922.7提供了一种电容触摸屏线性测试设备，可用于电脑或手机的电容触摸屏性能测试。该设备的使用特征主要包括:首先将待测电容屏锁紧固定在台面上，再由控制系统驱动空间XYZ三自由度串联结构的电控运动装置运动，并带动运动装置末端固定安装的电容笔与触摸屏按照用户预设轨迹进行接触，从而实现触摸测试；在测试过程中，触摸按压方向上的压力传感器持续测量触摸压力并将其反馈给控制系统。
[0005]总而言之，现有针对计算机产品测试的设备及方法具有如下特征:
待测物的专用夹紧装置。用来实现待测计算机产品在测试过程中的固定。
[0006]专用的运动机构及其电控装置。用来实现测试所需的运动。
[0007]专用的测试方法。描述测试的过程与规范，并将传感器读数转换计算为待测量。
[0008]尽管上述产品及专利在产品结构可靠性测试中已获得了广泛的应用，然而随着消费电子产品的快速更新换代，传统测试技术和手段的不足已经充分显现，具体表现在:
(I)测试设备的功能性不足。市场上具有多种应用形态的电脑产品不断涌现，且市场需求日益广泛。这种具有新应用形态的计算机产品主要表现在与传统产品在结构形态上有很大不同，以笔记本电脑类产品为例，新的电脑产品突破了原有笔记本电脑的屏幕与主机体180度以内开合的固定模式的限制，借助一种新的笔记本电脑和平板电脑混合的概念设计不同的产品，例如联想公司的Ideapad Yoga[2],可以实现屏幕绕主机体O到360度的翻转；华硕公司的EeePad Transformer TFlOl [3],屏幕可以脱离键盘分离为独立的平板电脑；索尼公司的VAIO Duo 11 [4]，通过滑动抬起屏幕和合上屏幕实现平板电脑和笔记本电脑的模式转换。进一步以以联想公司的Ideapad Yoga为例，它用一种双轴式转轴可使屏幕开合角范围达到360度，且在旋转过程中屏幕的旋转轴线并不固定，这意味着原有的转轴测试设备无法完成该类转轴结构件的测试。专利201210295129.0提出了一种针对360度翻转笔记本电脑的转轴测试设备，它使用一个悬臂结构的超薄载台承载并固定夹持笔记本电脑键盘的一个侧边，随后驱动位于另一个侧边的翻转机构带动翻转笔记本电脑屏幕以实现测试。该设备新增了一组移动机构用于调整翻转机构的旋转轴心，但悬臂结构超薄载台的结构刚性没有得到保证，测试过程会出现颤动并而影响测试精度。
[0009](2)测试设备的可拓展性不足。面对市场越来越多样化的电脑、手机产品，针对它们的机械结构可靠性测试，同种测试功能的测试设备往往无法满足新的测试要求，具体表现在两方面，一是夹持的可拓展性，传统测试设备对于测试对象的形状尺寸规格有范围限定，虽然这个限定范围已经覆盖了大部分常规产品，但对于非常规的产品则存在测试局限性，而且在尺寸接近极限时很难保证测试的有效性和夹持的稳定性，所以需要一种针对被测产品尺寸有更高柔性以及夹持可靠性的夹具；二是测试动作的可拓展性，传统测试设备的测试动作较为单一，如直线往复运动、绕固定轴的旋转运动等，这种有限范围、有限形式的运动方式限制了测试动作的拓展。
[0010]上述不足已经制约了电脑、手机等新产品的快速研制与测试。目前亟需一种新型的、更通用灵活的笔记本电脑、平板电脑、手机等电子产品的测试设备。
[0011]参考文献:
[1]http://www.se-tester.tw/product/proO1-13-5300S.html#M5300S
[2]http://visitor, lenov0.com.cn/yoga/
[3]http://www.asus.com/TabIets_MobiIe/Eee_Pad_Transformer_TF101/
[4]http://www.sonystyle.com.cn/products/vaio/ull2.htm。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，以笔记本电脑、平板电脑、手机等计算机产品为测试对象，提供一种适用于该类测试对象的通用的计算机产品测试系统及方法，创新地提出了一种C字形的夹具设计来克服传统设备装夹能力及可拓展性的不足，进而提供了应用于所述测试系统的测试方法，克服已有测试设备的功能性不足和拓展性不足，适用于新型灵活通用的笔记本电脑、平板电脑和手机等产品的使用可靠性测试。
[0013]为简化描述，
【发明内容】
后文中将以笔记本电脑来代表笔记本电脑、平板电脑、手机等计算机产品。
[0014]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种通用的计算机产品测试系统，由机械臂、机械臂控制器、力传感器、末端工具、夹具、基准台面和主控计算机组成，其特征在于:机械臂具有空间多自由度运动能力，用来执行测试动作；机械臂控制器用来控制机械臂运动；力传感器用来感知测试过程中的实时受力状态，其安装在机械臂末端法兰上，与把传感设备安装在被测部件上相比有更灵活通用的优点；末端工具安装在力传感器上，用来在机械臂的运动带动下实现对笔记本电脑的各种测试；夹具用来安装固定被测的笔记本电脑，在本发明中夹具经过创新设计，其结构特点在后文中叙述；基准台面上阵列有等距通孔或螺纹孔，用来定位固定夹具；主控计算机作为人机交互的终端，在用户的控制下协调各个系统部件的运作。在通信连接关系上，从上到下依次是，主控计算机与机械臂控制器连接，机械臂控制器同时与机械臂、力传感器、末端工具中的电控装置相连接。
[0015]进一步，如上所述的测试系统，其中，机械臂指具有空间多自由度运动能力的机器人系统，主要包括机械结构、驱动执行装置(例如电机)，以及机械电气接口等。更进一步，上述的运动自由度数可根据实际测试需求、系统成本需要求进行确定，一般情况下为6自由度。更进一步，上述机构臂的一种典型实例是商用的6自由度工业机器人。
[0016]进一步，如上所述的测试系统，其中，机械臂控制器包括具有实时控制机械臂运动所需要的硬件及软件，例如与商用工业机器人相配套的机器人控制器硬件设备及其运动控制软件。
[0017]进一步，如上所述的测试系统，其中，力传感器包括对空间力参数(
4，Fy，4)和力矩参数(I；，Ty，:ζ)的同步测量，包括受力数据的感知、读取与传输，
具体包括传感器装置的机电硬件及软件。更进一步，上述力传感器的一种典型实例是商用的空间6维力传感器系统。
[0018]进一步，如上所述的测试系统，其中，末端工具根据不同类别的测试，可以设计为不同的形态，例如针对屏幕翻转测试的双手指结构末端工具，以及针对多指触摸测试的单手指结构末端工具。更进一步，上述的末端工具以机械结构和功能材料为主组成，并可以包含驱动和电控装置，以增强末端工具的局部运动和测试灵活性。
[0019]进一步，如上所述的测试系统，其中，夹具针对笔记本电脑的装夹固定功能，采用模块化、柔性化设计。夹具由若干夹具单元组成，每个夹具单元都可对笔记本电脑的侧边结构进行夹持，单元之间以任意的相对位置水平安装在基准台面上，以适应不同尺寸的笔记本电脑的装夹。更进一步，夹具的结构特征总结如下:
(I)夹具单元的侧面轮廓为C字形。C字形夹具单元由可拆装的上部模块、中部模块和下部模块组成，上部模块上端分布有多个夹紧模块，中部模块支撑并连接上部模块和下部模块，下部模块将夹具单元定位固定在基准台面上。C字形空间设计的夹具单元将笔记本电脑悬空夹持在上部模块所在的平行空间位置，以使笔记本电脑下方悬空，为测试所需的空间动作创造足够的操作空间。夹具单元的三个模块可以分拆并组装，它们通过等距螺纹孔来连接。上述的等距螺纹孔连接方式，使得同一个中部模块可以连接不同的上部模块和下部模块，从而实现夹具的模块化功能。
[0020](2)在(I)中所述的上部模块包含多个位置分布的夹紧模块，这些模块以分散的力作用点的方式对笔记本电脑的侧边结构进行夹紧，并可以根据需求在上部模块的任意边沿位置安装固定。上述夹紧动作的实施依赖于用于托住笔记本电脑的向上支撑力和用于压紧笔记本电脑的向下压紧力。向上支撑力由整体式托板提供，整体式托板由上部模块悬伸而出因此具有良好的夹持刚性；向下压紧力则可由具有不同结构形式的夹紧机构提供:一种形式为应用若干小金属块层叠将一块悬伸的弹性金属片垫高，再用螺栓将金属片向下锁紧以产生压紧力；另一种形式为应用肘夹等用于快速装夹的机械标准件。[0021](3)在(I)中所述的下部模块有至少2个平行的腰形孔。夹具单元的固定依赖于下部模块在基准台面的定位固定，下部模块的平行腰形孔可以在一定范围内调节夹具单元在基准台面上的水平位置。腰形孔的直径与基准台面上的通孔直径或螺纹孔公称直径相同，长度决定了夹具模块在腰形方向上调节的柔性程度，具体可设置为基准台面上阵列孔的孔间距，两个平行腰形孔间的距离为基准台面上阵列孔的孔间距的整数倍。下部模块上所开腰形孔的长度方向在所在平面中自由设定。
[0022](4)在(I)中所述的C字形夹具单元可以通过多种方式组合成一套夹具。一组上部模块、中部模块和下部模块可以组装成一个特定功能的C字形夹具单元，单个夹具单元可以对笔记本电脑的部分侧边结构进行夹持，将若干个夹具单元配合使用则可以实现笔记本电脑的整体装夹刚度要求。每一可进一步细分为不同的类型，单元与单元之间有不同的相对安装位置，这都使夹具呈现多样的形态。
[0023]因此，具有上述结构特征的夹具，具有悬空夹持、多种组合变化、调整柔性高、刚性好的特点，其通过对测试对象的侧边结构进行夹持的方式，在保证夹紧稳定性的基础上创造出足够的测试动作执行空间。
[0024]本发明还提出了一种通用的计算机产品测试方法，采用上述测试系统进行测试，它是一种普适于笔记本电脑在使用可靠性方面不同种类测试任务的测试方法。所有测试任务都在所述的测试系统上完成，且都需要对笔记本电脑某局部部件的力或力矩进行测量。因此尽管测试方法包含的局部具体内容和算法在针对每一个测试任务时会有所不同，但按照各类型测试任务的共同属性与方法，可将测试方法分为四个步骤:一、计算方法分解、二、测试动作规划、三、中间参数测量、四、测试动作运行与结果处理。为清晰描述该测试方法，在此以一种具有双转轴结构的笔记本电脑的转轴力矩测试(后文中简称“双转轴力矩测试”)为例，对本方法进行进一步详细说明。该测试任务的特征在于被测笔记本电脑的屏幕开合角可实现O度到360度的连续变化，且在180度位置时旋转运动的轴线将在上转轴和下转轴中进行切换。
[0025]( I)步骤一:计算方法分解
针对笔记本电脑某一机械结构，获取其在测试过程中受到的力或力矩数据(以下简称为“观测力数据”)通常是测试任务的基础。这就需要建立由传感器直接测得的数据(以下简称为“原始力数据”)到观测力数据的转换计算方法，本发明分两步分解计算(后文中称为“分解计算一”与“分解计算二”)实现用于这种转换计算的方法:分解计算一是从原始力数据计算出机械臂末端工具与笔记本电脑接触时的接触力或力矩(以下简称为“接触力数据”)，该分解计算对任何测试任务都是相同的；分解计算二是接触力数据计算出观测力数据，该分解计算在测试任务改变时使用不同的转换算法。
[0026]在分解计算一中，从原始力数据计算接触力数据，需要补偿末端工具的惯性力和变姿态重力。这是考虑到在力传感器测量力数据的运动区间内，末端工具通常会产生空间姿态变化或者加减速的运动，需要通过补偿计算来得到准确的接触力数据。这里对两步补偿计算进一步说明如下。
[0027]其一是末端工具空间姿态变化的影响，当机械臂带动末端工具作空间姿态变化的运动时，由于末端工具重力的方向始终垂直向下，而多轴力传感器的测力坐标系随着机械臂的带动发生姿态变化，这使得不变的工具重力反映在多轴力传感器上各个轴的数据是变化的，这种影响需要对工具重力的绝对数值和传感器的空间实时姿态的测量来进行补偿计算，该部分待测参数用P丨表示；其二是末端工具运动时加减速的影响，当机械臂带动传感器和末端工具作加减速运动时，末端工具的惯性力会直接反映到力传感器上，若加减速发生在平移运动时，需要测量工具质量和平移运动的直接加速度，若加减速发生在旋转运动时，需要测量工具绕旋转轴线的转动惯量和旋转的角加速度，以此对末端工具运动时的惯
性力影响进行补偿计算，该部分待测参数用表示。在所述的分解计算一中，用表示原
始力数据，J1I表示接触力数据，利用两步补偿计算方法力及其参数可以完成从原始力数据到接触力数据的计算，如公式(I)所示。
【权利要求】
1.一种通用的计算机产品测试系统，包括机械臂(I)、机械臂控制器(2)、力传感器(3)、末端工具(4)、夹具(5)、基准台面(6)和主控计算机(7)，其特征在于:所述机械臂(I)具有空间多自由度运动能力，用来执行测试动作；所述机械臂控制器(2)连接控制机械臂(I)运动；所述力传感器(3)安装在机械臂(I)末端法兰上，力传感器(3)具有对空间力参数和力矩参数的同步测量；所述末端工具(4)安装在力传感器(3)上，末端工具(4)根据不同类别测试具有不同形态，包含有驱动和电控装置；夹具(5)用来安装固定被测的计算机产品；基准台面(6)上阵列有等距通孔或螺纹孔，用来定位固定夹具(5);主控计算机(7)连接控制机械臂控制器(2)、力传感器(3)和末端工具(4)，作为人机交互的终端，在用户的控制下协调各个系统部件的运作。
2.权利要求1所述的通用的计算机产品测试系统，其特征在于:所述夹具(5)为一种模块化、柔性化的对计算机产品进行装夹固定的夹具，由若干夹具单元组成，每个夹具单元都可对笔记本电脑的侧边结构进行夹持，单元之间能以任意的相对位置水平安装在基准台面(6)上，以适应不同尺寸的计算机产品的装夹。
3.权利要求2所述的通用的计算机产品测试系统，其特征在于:所述夹具单元的侧面轮廓为C字形，由可拆装的上部模块(51)、中部模块(52)和下部模块(53)组成；中部模块(52)支撑并连接上部模块(51)和下部模块(53)，下部模块(53)使夹具单元定位固定在基准台面(6)上；上部模块(51)分布有多个夹紧模块(54)，这些模块(54)以分散的力作用点的方式对计算机产品的侧边进行压紧；中部模块(52)与上部模块(51)和下部模块(53)之间的连接通过等距螺 纹孔实现；下部模块(53)上面有至少2个平行的腰形孔(55)，腰形孔(55)的直径与基准台面(6)上的通孔直径或螺纹孔公称直径相同，长度最长为基准台面(6)上阵列的孔间距，两个腰形孔(55)间的距离为基准台面(6)上阵列孔的孔间距的整数倍，下部模块(53 )上的腰形孔(55 )的长度方向在安装平面上任意。
4.一种通用的计算机产品测试方法，采用根据权利要求1所述的通用的计算机产品测试系统进行测试，其特征在于:普适于计算机产品在使用可靠性方面不同种类测试任务的测试，测试方法分为四个步骤:一、计算方法分解、二、测试动作规划、三、中间参数测量、四、测试动作运行与结果处理。
5.根据权利要求4所述的通用的计算机产品测试方法，其特征在于:所述步骤一计算方法分解是:从原始力数据到观测力数据的计算分解为两步进行，分解计算一完成原始力数据到接触力数据的计算，分解计算二完成接触力数据到观测力数据的计算；分解计算一的计算方法通过二步补偿实现，分别是末端工具(4)惯性力补偿和末端工具(4)变姿态重力补偿，末端工具(4)惯性力补偿计算的是末端工具(4)在测试运动时加减速对传感器读数的影响，末端工具(4)变姿态重力补偿计算的是末端工具(4)在测试运动时空间姿态变化对传感器读数的影响；分解计算二的计算方法通过补偿若干中间环节实现；两步分解计算根据实际测试会产生未知参数用于各部分的补偿计算。
6.根据权利要求4所述的通用的计算机产品测试方法，其特征在于:所述的步骤二测试动作规划是:根据观测力数据是如何借助新增的中间环节进行计算，来设计机械臂(I)及末端工具(4)的测试动作。
7.根据权利要求4所述的通用的计算机产品测试方法，其特征在于:所述步骤三中间参数测量是:针对步骤一中各部分补偿计算产生的未知参数进行测量；分解计算一中产生的末端工具惯性力参数，本发明提出一个惯性力参数测量方法库，库中包含对惯性力参数的各种测量方法，其中一种控制运动加速度方法通过控制末端工具测试运动的加速度为零或某个固定数据，来避免在实际动作中实时精确测量需求；分解计算一中产生的末端工具变姿态重力参数，本发明提出一个变姿态策略参数测量方法库，库中包含对变姿态重力参数的各种测量方法，其中一种传感器变姿态测量方法利用测试系统上自带的传感器在不同姿态的对末端工具的重力影响的测量，计算出末端工具的重力；分解计算一中的末端工具惯性力影响和变姿态重力影响，还可通过空载测试记录偏移数据来补偿计算；分解计算二中产生的中间环节参数，本发明提出一个中间环节参数测量方法库，库中包含对各个中间环节参数的测量方法，包括直接测量法、模型拟合计算法、间接实验测量法等。
8.权利要求4所述的通用的计算机测试方法，其特征在于:所述的步骤四测试动作运行与结果处理是:在主控计算机上选择待测项目，输入步骤三中计算得到的参数，和定制该次测试动作的运动参数，向机械臂控制器发出运动测试程序的指令，机械臂开始进行测试运动，主控计算机从机械臂控制器同步读取测试状态数据，包括传感器的力数据、当前机械臂的运动速度和位置，再根据不同测试原理，实时计算并以图形或数据的方式显示测试结果数据，并将测试数据以文件形式存储在主控计算机中。
【文档编号】G06F11/36GK104008052SQ201410224644
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】贾文川, 柳杨, 蒲华燕, 孙翊, 李明 申请人:上海大学