Zrobotyzowany montaż wiązek przewodów samochodowych

Nowe badania sugerują, że do instalowania wiązek przewodów w samochodach można używać robotów sześcioosiowych.

Przez Xin Yang

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

Wieloosiowe ramiona robotyczne wykonują różnorodne procesy w zakładach montażu samochodów, w tym malowanie, spawanie i mocowanie.

Jednak nawet przy postępie technologii automatyzacji niektórych procesów nadal nie da się ukończyć bez wykwalifikowanych monterów. Zadanie polegające na instalowaniu wiązek przewodów w nadwoziach samochodów jest jednym z zadań, które tradycyjnie były trudne dla robotów.

Wcześniejsze badania dotyczyły problemów związanych z obsługą odkształcalnych obiektów liniowych, takich jak drut lub rurka, za pomocą robotów. Wiele z tych badań skupiało się na radzeniu sobie z przejściem topologicznym odkształcalnych obiektów liniowych. Próbowali zaprogramować roboty do wiązania węzłów lub tworzenia pętli z liny. W badaniach tych wykorzystano matematyczną teorię węzłów do opisu przejść topologicznych liny.

W tych podejściach odkształcalny obiekt liniowy w trzech wymiarach jest najpierw rzutowany na płaszczyznę dwuwymiarową. Rzut na płaszczyznę, który jest pokazany jako skrzyżowane krzywe, można dobrze opisać i potraktować za pomocą teorii węzłów.

W 2006 roku zespół badawczy kierowany przez dr Hidefumi Wakamatsu z Uniwersytetu w Osace w Japonii opracował metodę wiązania i rozwiązywania odkształcalnych obiektów liniowych za pomocą robotów. Zdefiniowali cztery podstawowe operacje (wśród nich trzy są równoważne ruchom Reidemeistera) niezbędne do zakończenia przejścia między dowolnymi dwoma stanami przecięcia drutu. Badacze wykazali, że każdą operację wiązania lub rozwiązywania węzłów, którą można rozłożyć na sekwencyjne przejścia topologiczne, można przeprowadzić, stosując sekwencyjną kombinację tych czterech podstawowych operacji. Ich podejście zostało zweryfikowane, gdy udało im się zaprogramować robota SCARA do zawiązania liny umieszczonej na biurku.

Podobnie badacze pod kierownictwem doktora Takayuki Matsuno z Uniwersytetu Prefektury Toyama w Imizu w Japonii opracowali metodę wiązania liny w trzech wymiarach przy użyciu dwóch ramion robota. Jeden robot trzymał koniec liny, a drugi zawiązywał go. Do pomiaru trójwymiarowego położenia liny wykorzystano wizję stereoskopową. Stan węzła opisuje się za pomocą niezmienników węzłów zamiast ruchów Reidemeistera.

W obu badaniach roboty wyposażono w klasyczny, dwupalczasty chwytak równoległy, posiadający tylko jeden stopień swobody.

W 2008 roku zespół badawczy kierowany przez Yuji Yamakawę z Uniwersytetu Tokijskiego zademonstrował technikę wiązania liny za pomocą robota wyposażonego w szybką, wielopalczastą rękę. Dzięki bardziej zręcznemu chwytakowi — obejmującemu czujniki siły i momentu obrotowego zamontowane w palcach — operacje takie jak „permutacja liny” stają się możliwe nawet przy użyciu jednego ramienia. Permutacja liny oznacza operację zamiany miejsc dwóch lin poprzez ich skręcenie, jednocześnie ściskając liny dwoma palcami.

Inne projekty badawcze skupiały się na rozwiązywaniu problemów związanych ze zrobotyzowaną obsługą odkształcalnych obiektów liniowych na linii montażowej.

Na przykład dr Tsugito Maruyama i zespół badaczy z Fujitsu Laboratories Ltd. w Kawasaki w Japonii opracowali system prowadzenia drutu dla linii montażowej wytwarzającej części elektryczne. Do wprowadzenia kabli sygnałowych w zatrzaski wykorzystano ramię robota. Dwie technologie miały kluczowe znaczenie dla umożliwienia działania ich systemu: wielopłaszczyznowy projektor światła laserowego i system widzenia stereo.

Jürgen Acker i badacze z Politechniki Kaiserslautern w Niemczech opracowali metodę wykorzystania widzenia maszynowego 2D do określenia, gdzie i w jaki sposób odkształcalny obiekt liniowy (w tym przypadku kabel samochodowy) styka się z obiektami w otoczeniu.

Na podstawie wszystkich tych badań podjęliśmy próbę opracowania praktycznego, zrobotyzowanego systemu do montażu wiązek przewodów na linii montażowej samochodów. Mimo że nasz system został opracowany w laboratorium, wszystkie warunki stosowane w naszych eksperymentach odpowiadają prawdziwym fabrykom samochodów. Naszym celem było wykazanie technicznej wykonalności takiego systemu i określenie obszarów, w których konieczny jest dalszy rozwój.

Zespół wiązki przewodów

Wiązka przewodów samochodowych składa się z wielu kabli owiniętych taśmą elektryczną. Ma strukturę drzewiastą, a każda gałąź jest połączona z konkretnym instrumentem. Na linii montażowej pracownik ręcznie mocuje wiązkę przewodów do ramy tablicy rozdzielczej.

Do wiązki przewodów przymocowany jest zestaw plastikowych zacisków. Zaciski te odpowiadają otworom w ramie tablicy rozdzielczej. Mocowanie szelek uzyskuje się poprzez włożenie zacisków w otwory. Zrobotyzowany system do montażu wiązki przewodów musi zatem rozwiązywać dwa podstawowe problemy: jak zmierzyć stan wiązki przewodów i jak sobie z tym poradzić.

Wiązka przewodów ma złożone właściwości fizyczne. Podczas montażu ulega zarówno odkształceniom sprężystym, jak i plastycznym. Utrudnia to uzyskanie dokładnego modelu dynamicznego tego zjawiska.

System prototypowy

Nasz prototypowy system montażu wiązek przewodów składa się z trzech kompaktowych robotów sześcioosiowych umieszczonych przed ramą tablicy rozdzielczej. Trzeci robot pomaga w ułożeniu i chwytaniu uprzęży.

Każdy robot wyposażony jest w dwupalczasty chwytak równoległy o jednym stopniu swobody. Palce chwytaka posiadają dwa wgłębienia: jedno do przytrzymywania zacisków szelek, drugie do przytrzymywania odcinków samych szelek.

Każdy efektor końcowy jest również wyposażony w dwie kamery CCD i laserowy czujnik zasięgu. Obydwa aparaty mają różną ogniskową, co zapewnia dużą głębię ostrości. Laserowy czujnik odległości stosuje się, gdy konieczny jest precyzyjny pomiar odcinka drutu. Wokół stanowiska pracy znajduje się 10 dodatkowych kamer stacjonarnych skierowanych na obszar roboczy z różnych kierunków. Łącznie z kamerami zamontowanymi na efektorach końcowych, nasz system wykorzystuje łącznie 16 kamer wizyjnych.

Rozpoznanie uprzęży odbywa się za pomocą widzenia maszynowego. Do każdego zacisku uprzęży przymocowana jest specjalnie zaprojektowana plastikowa osłona. Na okładkach znajdują się wzory geometryczne, które można odczytać za pomocą oprogramowania ARToolKit. To oprogramowanie typu open source zostało pierwotnie zaprojektowane do zastosowań w rzeczywistości rozszerzonej. Zapewnia zestaw łatwych w użyciu bibliotek do wykrywania i rozpoznawania markerów. Kamera odczytuje znaczniki, aby określić względne położenie uprzęży.

Każda osłona zacisku ma swój własny wzór geometryczny. Wzór informuje sterownik robota o względnym położeniu wiązki przewodów w przestrzeni, a także o informacjach dotyczących tego segmentu wiązki przewodów (np. o tym, gdzie ten segment powinien zostać umieszczony na ramie panelu).

Nieruchome kamery rozmieszczone wokół stanowiska roboczego dostarczają przybliżonych informacji o położeniu każdego zacisku uprzęży. Położenie konkretnego zacisku uprzęży szacuje się poprzez interpolację położenia sąsiednich zacisków. Efektor końcowy jest prowadzony tak, aby zbliżyć się do zacisku celu na podstawie informacji o położeniu uzyskanych z kamer stacjonarnych — do czasu, aż kamera nadgarstkowa będzie w stanie znaleźć cel. Od tego momentu prowadzenie robota zapewnia wyłącznie kamera na nadgarstku. Precyzja, jaką zapewnia nadgarstkowa kamera na tak niewielkiej odległości, zapewnia pewne trzymanie obejm.

Podobny proces stosuje się do uchwycenia odkształcalnego odcinka wiązki przewodów. Położenie segmentu docelowego jest najpierw szacowane poprzez interpolację położenia sąsiednich zacisków. Ponieważ interpolowana krzywa nie jest wystarczająco precyzyjna, aby prowadzić robota, szacowany obszar jest następnie skanowany przez skaner laserowy. Skaner emituje płaską wiązkę o określonej szerokości. Dokładne położenie segmentu można następnie określić na podstawie profilu odległości uzyskanego z czujnika laserowego.

Oznaczniki znacznie ułatwiają pomiar wiązki przewodów. Chociaż osłony zacisków zwiększają koszt systemu, znacznie poprawiają niezawodność systemu.

Obsługa uprzęży

Zacisk uprzęży został zaprojektowany tak, aby pasował do otworu w ramie panelu. W ten sposób chwytak chwyta zacisk za podstawę i wkłada palec do otworu.

Ponadto w niektórych przypadkach konieczne jest bezpośrednie manipulowanie segmentem drutu. Na przykład w wielu procesach jeden robot musi ukształtować uprząż, zanim inny robot będzie mógł wykonać swoje zadanie. W takim przypadku jeden robot musiał ustawić zacisk tak, aby mógł do niego dosięgnąć inny robot. Jedynym sposobem, aby to zrobić, było skręcenie pobliskiego odcinka drutu.

Początkowo próbowaliśmy nadać kształt drutowi poprzez skręcenie sąsiadującej z nim obejmy. Jednak ze względu na małą sztywność skrętną odcinka drutu okazało się to niemożliwe. W kolejnych eksperymentach robot chwycił i bezpośrednio zgiął odcinek drutu. Podczas tego procesu położenie zacisku celu jest monitorowane przez otaczające kamery. Proces gięcia będzie kontynuowany, aż orientacja zacisku docelowego zbiegnie się z wartością odniesienia.

Eksperymenty weryfikacyjne

Po opracowaniu prototypowego systemu montażu przeprowadziliśmy serię eksperymentów, aby go przetestować. Proces rozpoczyna się od podniesienia przez roboty wiązki przewodów z wieszaka. Następnie wkładają osiem zacisków uprzęży do ramy panelu. Proces kończy się powrotem robotów do początkowej pozycji gotowości.

Prawe ramię wkłada zaciski 1, 2 i 3. Ramię środkowe wkłada zaciski 4 i 5, a lewe ramię zaciski 6, 7 i 8.

Najpierw wkłada się zacisk 3, a następnie zaciski 1 i 2. Następnie wkłada się zaciski od 4 do 8 w kolejności numerycznej.

Sekwencja ruchu ramion robota została wygenerowana przy użyciu oprogramowania symulacyjnego. Algorytm wykrywania kolizji zapobiega uderzaniu robotów w obiekty w otoczeniu lub siebie nawzajem.

Ponadto niektóre operacje w sekwencji ruchu zostały wygenerowane poprzez odniesienie do ludzkich asemblerów. W tym celu uchwyciliśmy ruchy pracowników podczas montażu. Dane obejmują zarówno ruch pracownika, jak i odpowiadające mu zachowanie wiązki przewodów. Nic dziwnego, że strategia ruchu stosowana przez pracownika często okazywała się skuteczniejsza niż strategia robotów.

Kontrola skręcania segmentów drutu

W naszych eksperymentach czasami napotykaliśmy trudności z zakładaniem zacisków, ponieważ niemożliwe było ustawienie chwytaka w odpowiednim położeniu do zadania. Np. obejmę 5 należy założyć natychmiast po zamocowaniu obejmy 4 do ramy. Jednakże segment uprzęży na lewo od zacisku 4 niezmiennie opadałby, co utrudniałoby robotowi centralnemu ustawienie zacisku 5 w celu jego włożenia.

Naszym rozwiązaniem tego problemu było wstępne ukształtowanie docelowego segmentu drutu, aby zapewnić skuteczne chwytanie. Najpierw lewy robot podnosi zacisk 5 do góry, chwytając odcinek drutu w pobliżu zacisku 5. Następnie orientacja zacisku 5 jest regulowana poprzez kontrolowanie stanu skrętnego odcinka drutu. Ta operacja wstępnego kształtowania zapewnia, że ​​późniejsze chwytanie zacisku 5 będzie zawsze wykonywane w najbardziej odpowiednim położeniu.

Współpraca między ramionami

W niektórych sytuacjach montaż wiązki przewodów wymaga ludzkiej współpracy pomiędzy wieloma ramionami robota. Dobrym przykładem jest założenie zacisku 1. Po włożeniu zacisku 2 zacisk 1 opadnie. Przestrzeń dostępna do włożenia zacisku 1 jest ograniczona, a ustawienie chwytaka jest utrudnione ze względu na ryzyko kolizji z otoczeniem. Co więcej, praktyka nauczyła nas, aby nie rozpoczynać tej operacji z opadającym odcinkiem drutu, gdyż może to doprowadzić do wciągnięcia odcinków drutu przez otaczającą ramę w kolejnych operacjach.

Nasze rozwiązanie tego problemu zostało zainspirowane zachowaniem ludzkich pracowników. Pracownik z łatwością koordynuje użycie swoich dwóch rąk w celu wykonania zadania. W tym przypadku pracownik po prostu jedną ręką włożyłby zacisk 4, jednocześnie drugą ręką regulując położenie odcinka drutu. Zaprogramowaliśmy roboty tak, aby realizowały tę samą strategię.

Odkształcenie plastyczne

W niektórych sytuacjach wstępne ukształtowanie odcinka drutu przy współpracy dwóch robotów było trudne. Dobrym przykładem jest proces wkładania zacisku 6. W przypadku tej operacji spodziewaliśmy się, że lewe ramię robota włoży je do ramy, ponieważ jest to jedyne ramię robota, które może dosięgnąć celu.

Jak się okazało, robot początkowo nie mógł dosięgnąć zacisku. Gdy sterownik ustali, że uchwycenie zacisku nie jest możliwe, robot spróbuje chwycić odcinek drutu w pobliżu zacisku, zamiast chwytać sam zacisk. Następnie robot skręca i wygina segment, aby obrócić czoło zacisku bardziej w lewo. Zwykle wystarczy kilkakrotne zgięcie segmentu, aby zmienić jego położenie. Gdy segment znajdzie się w odpowiedniej pozycji do uchwycenia, robot podejmie kolejną próbę uchwycenia zacisku celu.

Wnioski

Ostatecznie nasz system robotyczny był w stanie zamontować osiem zacisków w ramie tablicy rozdzielczej w średnim czasie 3 minut. Chociaż prędkość ta jest nadal daleka od wymagań praktycznych, pokazuje ona techniczną wykonalność montażu wiązek przewodów robota.

Aby system był niezawodny i wystarczająco szybki do praktycznego zastosowania w przemyśle, należy rozwiązać kilka problemów. Po pierwsze, ważne jest, aby wiązki przewodów były wstępnie ukształtowane do montażu zrobotyzowanego. W porównaniu z operacjami wiązania i rozwiązywania węzłów, stan skręcenia poszczególnych segmentów drutu ma krytyczne znaczenie dla instalacji wiązek przewodów, ponieważ roboty obsługują części związane w wiązce przewodów. Dodatkowo, przy zakładaniu uprzęży pomocny będzie również chwytak wyposażony w stopień swobody skrętu.

Aby poprawić szybkość procesu, należy wziąć pod uwagę dynamiczne zachowanie drutu. Widać to wyraźnie w studiach filmowych przedstawiających wykwalifikowanych pracowników zakładających wiązki przewodów. Używają obu rąk i umiejętnego ruchu, aby kontrolować dynamiczne kołysanie liny i w ten sposób unikać otaczających przeszkód. Przy wdrażaniu montażu zrobotyzowanego z podobną prędkością konieczne będzie specjalne podejście, aby stłumić dynamiczne zachowanie drutu.

Chociaż wiele podejść zastosowanych w naszych badaniach jest prostych, z powodzeniem zademonstrowaliśmy automatyczny montaż za pomocą naszego prototypowego systemu robotycznego. Przy tego rodzaju zadaniach istnieje potencjał automatyzacji.