Robotska montaža avtomobilskih žičnih snopov

Nove raziskave kažejo, da je mogoče šestosne robote uporabiti za namestitev avtomobilskih kabelskih snopov.

Avtor Xin Yang

Vir: https://www.assemblymag.com/articles/92264-robotic-assembly-of-automotive-wire-harnesses

Večosne robotske roke izvajajo najrazličnejše postopke v obratih za sestavljanje avtomobilov, vključno z barvanjem, varjenjem in pritrjevanjem.

Kljub napredku v tehnologiji avtomatizacije pa nekaterih procesov še vedno ni mogoče dokončati brez usposobljenih sestavljavcev. Naloga nameščanja žičnih snopov v avtomobilske karoserije je ena takšnih nalog, ki je bila tradicionalno težka za robote.

Nekaj ​​prejšnjih raziskav je bilo povezanih s problemi ravnanja z deformabilnimi linearnimi predmeti, kot so žice ali cevi, z roboti. Mnoge od teh študij so se osredotočale na to, kako ravnati s topološkim prehodom deformabilnih linearnih objektov. Poskušali so programirati robote za vezanje vozlov ali ustvarjanje zank z vrvjo. Te študije so uporabile matematično teorijo vozlov za opis topoloških prehodov vrvi.

Pri teh pristopih se deformabilni linearni objekt v treh dimenzijah najprej projicira v dvodimenzionalno ravnino. Projekcijo v ravnino, ki je prikazana kot prekrižane krivulje, je mogoče dobro opisati in obravnavati s teorijo vozlov.

Leta 2006 je raziskovalna skupina pod vodstvom dr. Hidefumija Wakamatsuja z Univerze v Osaki na Japonskem razvila metodo za vozlanje in razvezovanje deformabilnih linearnih predmetov z roboti. Opredelili so štiri temeljne operacije (med njimi so tri enakovredne Reidemeisterjevim potezam), potrebne za dokončanje prehoda med katerima koli dvema stanjema prečkanja žice. Raziskovalci so pokazali, da je kakršno koli operacijo vozlanja ali razvezovanja, ki jo je mogoče razstaviti na zaporedne topološke prehode, mogoče doseči z uporabo zaporedne kombinacije teh štirih temeljnih operacij. Njihov pristop je bil preverjen, ko jim je uspelo programirati robota SCARA, da zavozla vrv, postavljeno na mizo.

Podobno so raziskovalci pod vodstvom dr. Takayukija Matsuna s prefekturne univerze Toyama v Imizuju na Japonskem razvili metodo za tridimenzionalno vozlanje vrvi z uporabo dveh robotskih rok. En robot je držal konec vrvi, drugi pa jo je zavozlal. Za merjenje tridimenzionalnega položaja vrvi je bil uporabljen stereo vid. Stanje vozla je opisano z uporabo invariant vozla namesto Reidemeisterjevih potez.

V obeh raziskavah sta bila robota opremljena s klasičnim, dvoprstnim vzporednim prijemalom z le eno prostostno stopnjo.

Leta 2008 je raziskovalna skupina, ki jo je vodil Yuji Yamakawa z Univerze v Tokiu, prikazala tehniko za vozlanje vrvi z uporabo robota, opremljenega s hitro roko z več prsti. S spretnejšim prijemom - vključno s senzorji sile in navora, nameščenimi v prstih - postanejo možne operacije, kot je "permutacija vrvi", tudi z eno roko. Permutacija vrvi se nanaša na operacijo zamenjave mest dveh vrvi z njunim zvijanjem, medtem ko vrvi stisneta med dvema prstoma.

Drugi raziskovalni projekti so bili osredotočeni na reševanje problemov, povezanih z robotskim rokovanjem z deformabilnimi linearnimi objekti na tekočem traku.

Na primer, dr. Tsugito Maruyama in skupina raziskovalcev pri Fujitsu Laboratories Ltd. v Kawasakiju na Japonskem so razvili sistem za ravnanje z žico za tekoči trak, ki izdeluje električne dele. Za vstavljanje signalnih kablov v zaponke je bila uporabljena robotska roka. Za delovanje njihovega sistema sta bili ključnega pomena dve tehnologiji: multiplanarni laserski svetlobni projektor in sistem stereo vida.

Jürgen Acker in raziskovalci na Tehnološki univerzi Kaiserslautern v Nemčiji so razvili metodo za uporabo 2D strojnega vida za ugotavljanje, kje in kako se deformabilni linearni predmet (v tem primeru avtomobilski kabel) dotika predmetov v okolju.

Na podlagi vseh teh raziskav smo poskušali razviti praktičen robotski sistem za nameščanje žičnih snopov na avtomobilski tekoči trak. Čeprav je bil naš sistem razvit v laboratoriju, se vsi pogoji, uporabljeni v naših poskusih, nanašajo na pravo avtomobilsko tovarno. Naš cilj je bil prikazati tehnično izvedljivost takšnega sistema in določiti področja, kjer je potreben nadaljnji razvoj.

Sklop žičnih snopov

Avtomobilski kabelski snop je sestavljen iz več kablov, ovitih z električnim trakom. Ima drevesno strukturo, pri čemer je vsaka veja povezana z določenim instrumentom. Na tekočem traku delavec ročno pritrdi jermen na okvir instrumentne plošče.

Komplet plastičnih sponk je pritrjen na kabelski snop. Te objemke ustrezajo luknjam v okvirju instrumentne plošče. Pritrditev jermena se doseže z vstavljanjem sponk v luknje. Robotski sistem za namestitev snopa mora torej rešiti dva osnovna problema: kako izmeriti stanje snopa in kako z njim ravnati.

Žični snop ima kompleksne fizikalne lastnosti. Med montažo kaže tako elastično deformacijo kot plastično deformacijo. Zaradi tega je težko dobiti natančen dinamični model.

Prototipni sistem

Naš prototipni sistem za sestavljanje pasov je sestavljen iz treh kompaktnih šestosnih robotov, nameščenih pred okvirjem instrumentne plošče. Tretji robot pomaga pri postavljanju in prijemanju pasu.

Vsak robot je opremljen z dvoprstnim vzporednim prijemalom z eno prostostno stopnjo. Prsti prijemala imajo dve vdolbini: eno za držanje sponk jermena, drugo za držanje segmentov samega jermena.

Vsak končni efektor je opremljen tudi z dvema kamerama CCD in laserskim senzorjem dometa. Fotoaparati imata različni goriščni razdalji, da zagotovita veliko globinsko ostrino. Laserski senzor razdalje se uporablja, ko je potrebna natančna meritev do segmenta žice. Okoli delovne celice je 10 dodatnih kamer s fiksnim položajem obrnjenih proti delovnemu območju iz različnih smeri. Vključno s kamerami, nameščenimi na končnih efektorjih, naš sistem uporablja skupaj 16 kamer za vid.

Prepoznavanje pasu je doseženo s strojnim vidom. Na vsako sponko jermena je pritrjen posebej oblikovan plastični pokrov. Platnice imajo geometrijske vzorce, ki jih je mogoče prebrati s programsko opremo ARToolKit. Ta odprtokodna programska oprema je bila prvotno zasnovana za aplikacije razširjene resničnosti. Zagotavlja niz knjižnic, ki so enostavne za uporabo, za odkrivanje in prepoznavanje označevalcev. Kamera bere oznake, da določi relativni položaj pasu.

Vsak pokrov objemke ima svoj geometrijski vzorec. Vzorec pove robotskemu krmilniku relativni položaj pasu v prostoru, pa tudi informacije o tem segmentu pasu (na primer, kje naj bo ta segment nameščen na okvirju plošče).

Fiksne kamere okrog delovne celice zagotavljajo grobe informacije o položaju vsake objemke jermena. Položaj določene objemke jermena se oceni z interpolacijo položaja sosednjih objemk. Končni efektor je voden, da se približa ciljni sponi s podatki o položaju, pridobljenimi iz fiksnih kamer – dokler zapestna kamera ne najde cilja. Od tega trenutka vodenje robota zagotavlja izključno zapestna kamera. Natančnost, ki jo zagotavlja zapestna kamera na tej kratki razdalji, zagotavlja zanesljivo prijemanje sponk.

Podoben postopek se uporablja za prijem deformabilnega segmenta kabelskega snopa. Položaj ciljnega segmenta se najprej oceni z interpolacijo položaja sosednjih sponk. Ker interpolirana krivulja ni dovolj natančna za vodenje robota, ocenjeno območje nato skenira laserski skener. Skener oddaja ravninski žarek z določeno širino. Natančen položaj segmenta je nato mogoče določiti iz profila razdalje, pridobljenega iz laserskega senzorja.

Markerji močno poenostavijo merjenje žic. Čeprav so pokrovi sponk povečali stroške sistema, močno izboljšajo zanesljivost sistema.

Ravnanje z pasom

Objemka jermena je zasnovana tako, da se spoji z luknjo v okvirju plošče. Tako prijemalo prime objemko za njeno podnožje in vstavi nožni prst v luknjo.

Poleg tega je v nekaterih primerih potrebno neposredno ravnati z žičnim segmentom. Na primer, v mnogih procesih mora en robot oblikovati jermen, preden lahko drug robot opravi svoje delo. V takem primeru je moral en robot usmeriti objemko tako, da jo je lahko dosegel drug robot. Edini način za to je bil zvijanje bližnjega segmenta žice.

Na začetku smo žico poskušali oblikovati tako, da smo zvili njeno sosednjo spono. Vendar se je zaradi nizke torzijske togosti segmenta žice to izkazalo za nemogoče. V naslednjih poskusih je robot neposredno prijel in upognil segment žice. Med tem postopkom položaj ciljne spone spremljajo okoliške kamere. Postopek upogibanja se bo nadaljeval, dokler orientacija ciljne objemke ne sovpada z referenčno vrednostjo.

Poskusi za preverjanje

Ko smo razvili prototip sistema sestavljanja, smo izvedli vrsto poskusov, da bi ga preizkusili. Postopek se začne tako, da roboti poberejo kabelski snop z obešalnika. Nato v okvir plošče vstavijo osem sponk jermena. Postopek se konča tako, da se roboti vrnejo v začetni položaj pripravljenosti.

Desna roka vstavi objemke 1, 2 in 3. Osrednja roka vstavi objemke 4 in 5, leva roka pa vstavi objemke 6, 7 in 8.

Najprej se vstavi objemka 3, sledita ji objemki 1 in 2. Nato se v številčnem vrstnem redu vstavijo objemke 4 do 8.

Zaporedje gibanja robotskih rok je bilo ustvarjeno s pomočjo simulacijske programske opreme. Algoritem za zaznavanje trka je preprečil, da bi robota udarila v predmete v okolju ali drug drugega.

Poleg tega so bile nekatere operacije v zaporedju gibanja ustvarjene s sklicevanjem na človeške sestavljalce. V ta namen smo posneli gibanje delavcev med montažo. Podatki vključujejo tako gibanje delavca kot tudi ustrezno obnašanje žic. Ni presenetljivo, da se je strategija gibanja, ki jo izvaja delavec, pogosto izkazala za učinkovitejšo od strategije robotov.

Nadzor zvijanja žičnih segmentov

V naših poskusih smo včasih naleteli na težave pri vstavljanju sponk, ker ni bilo mogoče postaviti prijemala za nalogo. Na primer, objemko 5 je treba vstaviti takoj, ko je objemka 4 pritrjena na okvir. Vendar pa bi segment jermena levo od objemke 4 vedno povesil, kar bi osrednjemu robotu otežilo položaj objemke 5 za vstavljanje.

Naša rešitev tega problema je bila vnaprejšnja oblika segmenta ciljne žice, da se zagotovi uspešno prijemanje. Levi robot najprej dvigne objemko 5 tako, da prime žični segment blizu objemke 5. Nato se usmeritev objemke 5 uravnava s krmiljenjem torzijskega stanja žičnega segmenta. Ta postopek predoblikovanja zagotavlja, da se kasnejši prijem objemke 5 vedno izvede v najprimernejšem položaju.

Sodelovanje med orožji

V nekaterih situacijah sestavljanje žičnih snopov zahteva človeško sodelovanje med več robotskimi rokami. Vstavljanje objemke 1 je dober primer. Ko je sponka 2 vstavljena, bo sponka 1 padla. Prostor, ki je na voljo za vstavljanje objemke 1, je omejen, prijemalo pa je težko namestiti zaradi nevarnosti trčenja z okolico. Poleg tega so nas praktične izkušnje naučile, da se izogibamo začetku te operacije s tem segmentom žice, ki je povešen, saj bi to lahko povzročilo, da bi segmente žice pri nadaljnjih operacijah zagrabil okoliški okvir.

Našo rešitev tega problema je navdihnilo vedenje človeških delavcev. Človeški delavec zlahka uskladi uporabo svojih dveh rok za dokončanje naloge. V tem primeru bi delavec z eno roko preprosto vstavil objemko 4, z drugo roko pa bi istočasno nastavil položaj segmenta žice. Robote smo programirali za izvajanje iste strategije.

Plastična deformacija

V nekaterih situacijah je bilo težko predhodno oblikovati segment žice s sodelovanjem dveh robotov. Postopek vstavljanja objemke 6 je dober primer. Za to operacijo smo pričakovali, da jo bo leva robotova roka vstavila v okvir, saj je to edina robotska roka, ki lahko doseže cilj.

Kot se je izkazalo, robot sprva ni mogel doseči objemke. Ko krmilnik ugotovi, da prijemanje objemke ni mogoče doseči, bo robot poskusil prijeti segment žice blizu objemke, namesto da bi prijel samo objemko. Robot nato zasuka in upogne segment, da obrne sprednjo stran sponke bolj v levo. Nekajkratno upogibanje segmenta je običajno dovolj, da spremenite njegov položaj. Ko bo segment v ustreznem položaju za prijem, bo robot še enkrat poskusil prijeti ciljno objemko.

Sklepi

Končno je našemu robotskemu sistemu uspelo namestiti osem sponk v okvir armaturne plošče v povprečnem času 3 minute. Čeprav je ta hitrost še vedno daleč od zahteve za praktično uporabo, dokazuje tehnično izvedljivost robotskega sestavljanja žičnih snopov.

Da bo sistem zanesljiv in dovolj hiter za praktično industrijsko uporabo, je treba rešiti več težav. Prvič, pomembno je, da so žični snopi vnaprej oblikovani za robotsko sestavljanje. V primerjavi z vozlanjem in odvozlanjem je torzijsko stanje posameznih žičnih segmentov kritično za namestitev žičnih snopov, saj roboti ravnajo z deli, ki so povezani v snop. Poleg tega bi prijemalo, opremljeno s stopnjo svobode vrtenja, prav tako pomagalo pri namestitvi jermena.

Za izboljšanje hitrosti postopka je treba upoštevati dinamično obnašanje žice. To je razvidno iz filmskih študij kvalificiranih delavcev, ki vstavljajo žične snope. Z obema rokama in spretnim gibanjem nadzorujejo dinamično nihanje žice in se tako izogibajo okoliškim oviram. Pri izvajanju robotskega sestavljanja s podobno hitrostjo bodo potrebni posebni pristopi za zatiranje dinamičnega obnašanja žice.

Čeprav je veliko pristopov, uporabljenih v naši raziskavi, preprostih, smo uspešno demonstrirali samodejno sestavljanje z našim prototipom robotskega sistema. Pri tovrstnih opravilih obstaja možnost avtomatizacije.