Robotická montáž automobilových káblových zväzkov

Nový výskum naznačuje, že šesťosové roboty možno použiť na inštaláciu automobilových káblových zväzkov.

Autor: Xin Yang

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

Viacosové robotické ramená vykonávajú v automobilových montážnych závodoch širokú škálu procesov vrátane lakovania, zvárania a upevňovania.

Avšak aj s pokrokom v automatizačnej technike sa niektoré procesy stále nedajú dokončiť bez skúsených ľudských montážnikov. Úloha inštalácie káblových zväzkov do karosérií automobilov je jednou z úloh, ktoré boli pre roboty tradične náročné.

V minulosti sa uskutočnil nejaký výskum týkajúci sa problémov manipulácie s deformovateľnými lineárnymi objektmi, ako sú drôty alebo rúrky, pomocou robotov. Mnohé z týchto štúdií sa zamerali na to, ako sa vysporiadať s topologickým prechodom deformovateľných lineárnych objektov. Snažili sa naprogramovať roboty na viazanie uzlov alebo vytváranie slučiek pomocou lana. Tieto štúdie aplikovali matematickú teóriu uzla na opis topologických prechodov lana.

Pri týchto prístupoch sa deformovateľný lineárny objekt v troch rozmeroch najskôr premietne do dvojrozmernej roviny. Projekcia v rovine, ktorá je znázornená ako skrížené krivky, môže byť dobre opísaná a spracovaná pomocou teórie uzla.

V roku 2006 výskumný tím vedený Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., z Osaka University v Japonsku vyvinul metódu na zauzlenie a rozuzlenie deformovateľných lineárnych objektov pomocou robotov. Definovali štyri základné operácie (medzi nimi tri sú ekvivalentné Reidemeisterovým pohybom) potrebné na dokončenie prechodu medzi akýmikoľvek dvoma stavmi kríženia drôtu. Výskumníci ukázali, že akékoľvek zauzlenie alebo rozuzlenie, ktoré možno rozložiť na sekvenčné topologické prechody, možno dosiahnuť použitím sekvenčnej kombinácie týchto štyroch základných operácií. Ich prístup bol overený, keď sa im podarilo naprogramovať robota SCARA na zauzlenie lana umiestneného na stole.

Podobne výskumníci vedení Takayuki Matsuno, Ph.D., z Toyama Prefectural University v Imizu, Japonsko, vyvinuli metódu na trojrozmerné zauzlenie lana pomocou dvoch robotických ramien. Jeden robot držal koniec lana, zatiaľ čo druhý ho zauzloval. Na meranie trojrozmernej polohy lana sa použilo stereo videnie. Stav uzla je opísaný pomocou invariantov uzla namiesto Reidemeisterových ťahov.

V oboch štúdiách boli roboty vybavené klasickým, dvojprstovým paralelným uchopovačom len s jedným stupňom voľnosti.

V roku 2008 výskumný tím vedený Yuji Yamakawom z Tokijskej univerzity demonštroval techniku ​​viazania lana pomocou robota vybaveného vysokorýchlostnou viacprstou rukou. S šikovnejším uchopovačom – vrátane snímačov sily a krútiaceho momentu namontovaných v prstoch – sú možné operácie ako „permutácia lana“, dokonca aj s jednou rukou. Permutácia lana sa týka operácie výmeny miest dvoch lán ich krútením, pričom sa laná zvierajú medzi dvoma prstami.

Ďalšie výskumné projekty sa zamerali na riešenie problémov súvisiacich s robotickou manipuláciou s deformovateľnými lineárnymi objektmi na montážnej linke.

Napríklad Tsugito Maruyama, Ph.D., a tím výskumníkov z Fujitsu Laboratories Ltd. v Kawasaki v Japonsku vyvinuli systém na manipuláciu s drôtom pre montážnu linku na výrobu elektrických súčiastok. Na vkladanie signálnych káblov do spôn bolo použité rameno robota. Pre fungovanie ich systému boli rozhodujúce dve technológie: multiplanárny laserový svetelný projektor a stereovízny systém.

Jürgen Acker a výskumníci z Kaiserslauternskej technologickej univerzity v Nemecku vyvinuli metódu na použitie 2D strojového videnia na určenie, kde a ako sa deformovateľný lineárny objekt (v tomto prípade automobilový kábel) dotýka objektov v prostredí.

Na základe všetkých týchto výskumov sme sa pokúsili vyvinúť praktický robotický systém na inštaláciu káblových zväzkov na automobilovej montážnej linke. Aj keď bol náš systém vyvinutý v laboratóriu, všetky podmienky použité v našich experimentoch pochádzajú zo skutočného automobilového závodu. Naším cieľom bolo preukázať technickú realizovateľnosť takéhoto systému a určiť oblasti, kde je potrebný ďalší rozvoj.

Zostava káblového zväzku

Automobilový zväzok vodičov pozostáva z viacerých káblov obalených elektrickou páskou. Má stromovú štruktúru, pričom každá vetva je pripojená k určitému nástroju. Na montážnej linke pracovník ručne pripevní postroj na rám prístrojovej dosky.

Sada plastových svoriek je viazaná do káblového zväzku. Tieto svorky zodpovedajú otvorom v ráme prístrojovej dosky. Upevnenie postroja sa dosiahne vložením svoriek do otvorov. Robotický systém na inštaláciu zväzku preto musí vyriešiť dva základné problémy: ako zmerať stav zväzku káblov a ako s ním zaobchádzať.

Káblový zväzok má zložité fyzikálne vlastnosti. Pri montáži vykazuje elastickú aj plastickú deformáciu. To sťažuje získanie presného dynamického modelu.

Prototypový systém

Náš prototypový systém montáže postrojov pozostáva z troch kompaktných šesťosových robotov umiestnených pred rámom prístrojovej dosky. Tretí robot pomáha s polohovaním a uchopením postroja.

Každý robot je vybavený dvojprstovým paralelným uchopovačom s jedným stupňom voľnosti. Prsty chápadla majú dve priehlbiny: jedno na držanie svoriek postroja, druhé na pridržiavanie segmentov samotného postroja.

Každý koncový efektor je tiež vybavený dvoma CCD kamerami a laserovým snímačom dosahu. Tieto dva fotoaparáty majú rôzne ohniskové vzdialenosti, aby poskytli veľkú hĺbku ostrosti. Laserový snímač vzdialenosti sa používa, keď je potrebné presné meranie segmentu drôtu. Okolo pracovnej bunky je 10 dodatočných kamier s pevnou polohou otočených na pracovnú plochu z rôznych smerov. Vrátane kamier namontovaných na koncových efektoroch náš systém využíva celkovo 16 kamerových kamier.

Rozpoznanie postroja sa vykonáva strojovým videním. Ku každej svorke postroja je pripevnený špeciálne navrhnutý plastový kryt. Kryty majú geometrické vzory, ktoré sa čítajú pomocou softvéru ARToolKit. Tento open-source softvér bol pôvodne navrhnutý pre aplikácie rozšírenej reality. Poskytuje súbor ľahko použiteľných knižníc na detekciu a rozpoznávanie markerov. Kamera číta značky, aby určila relatívnu polohu postroja.

Každý kryt svorky má svoj vlastný geometrický vzor. Vzor informuje ovládač robota o relatívnej polohe postroja v priestore, ako aj informácie týkajúce sa daného segmentu postroja (napríklad kde by mal byť tento segment umiestnený na ráme panela).

Pevné kamery okolo pracovnej bunky poskytujú hrubé informácie o polohe každej svorky postroja. Poloha špecifickej svorky postroja sa odhaduje interpoláciou polohy susedných svoriek. Koncový efektor je vedený tak, aby sa priblížil k cieľovej svorke s polohovými informáciami získanými z pevných kamier – až kým zápästná kamera nenájde cieľ. Od tohto momentu je navádzanie robota zabezpečené výlučne náramkovou kamerou. Presnosť, ktorú poskytuje kamera na zápästie v tejto krátkej vzdialenosti, zaisťuje spoľahlivé uchopenie svoriek.

Podobný proces sa používa na uchopenie deformovateľného segmentu káblového zväzku. Poloha cieľového segmentu sa najskôr odhadne interpoláciou polohy susedných svoriek. Keďže interpolovaná krivka nie je dostatočne presná na to, aby naviedla robota, odhadnutá oblasť je potom skenovaná laserovým skenerom. Skener vysiela rovinný lúč s určitou šírkou. Presná poloha segmentu sa potom môže určiť z profilu vzdialenosti získaného z laserového senzora.

Značky výrazne zjednodušujú meranie káblového zväzku. Hoci kryty svoriek zvýšili náklady na systém, výrazne zlepšili spoľahlivosť systému.

Manipulácia s postrojom

Svorka postroja je navrhnutá tak, aby sa spojila s otvorom v ráme panelu. Takto chápadlo uchopí svorku za základňu a zasunie špičku do otvoru.

Okrem toho existujú prípady, pri ktorých je potrebné priamo manipulovať s drôteným segmentom. Napríklad v mnohých procesoch musí jeden robot tvarovať postroj predtým, ako môže svoju prácu vykonávať iný robot. V takom prípade jeden robot potreboval nasmerovať svorku tak, aby ju mohol dosiahnuť iný robot. Jediný spôsob, ako to urobiť, bolo skrútiť blízky segment drôtu.

Spočiatku sme sa pokúšali tvarovať drôt krútením jeho susednej svorky. To sa však vzhľadom na nízku torznú tuhosť drôteného segmentu ukázalo ako nemožné. V nasledujúcich experimentoch robot priamo uchopil a ohýbal segment drôtu. Počas tohto procesu je poloha cieľovej svorky monitorovaná okolitými kamerami. Proces ohýbania bude pokračovať, kým sa orientácia cieľovej svorky nezhoduje s referenčnou hodnotou.

Overovacie experimenty

Keď sme vyvinuli prototyp montážneho systému, vykonali sme sériu experimentov, aby sme ho otestovali. Proces začína tým, že roboty vyzdvihnú káblový zväzok z vešiaka. Potom vložia osem svoriek postroja do rámu panelu. Proces končí návratom robotov do pôvodnej pohotovostnej polohy.

Pravé rameno vkladá svorky 1, 2 a 3. Centrálne rameno vkladá svorky 4 a 5 a ľavé rameno vkladá svorky 6, 7 a 8.

Najprv sa vloží svorka 3, potom sa vložia svorky 1 a 2. Potom sa vložia svorky 4 až 8 v číselnom poradí.

Pohybová sekvencia ramien robota bola vygenerovaná pomocou simulačného softvéru. Algoritmus detekcie kolízie zabránil robotom narážať do predmetov v prostredí alebo do seba navzájom.

Okrem toho boli niektoré operácie v sekvencii pohybu generované odkazovaním na ľudské assemblery. Za týmto účelom sme zachytili pohyby pracovníkov pri montáži. Údaje zahŕňajú pohyb pracovníka a zodpovedajúce správanie káblového zväzku. Nie je prekvapením, že pohybová stratégia, ktorú používa pracovník, sa často ukázala ako efektívnejšia ako stratégia robotov.

Ovládanie krútenia segmentov drôtu

Pri našich experimentoch sme niekedy narazili na ťažkosti pri vkladaní svoriek, pretože nebolo možné umiestniť chápadlo pre danú úlohu. Napríklad svorka 5 by mala byť vložená ihneď po pripevnení svorky 4 k rámu. Segment postroja vľavo od svorky 4 by však vždy klesol, čo by sťažilo centrálnemu robotu umiestniť svorku 5 na vloženie.

Naším riešením tohto problému bolo vopred vytvarovať cieľový segment drôtu, aby sa zabezpečilo úspešné uchopenie. Najprv ľavý robot zdvihne svorku 5 uchopením segmentu drôtu v blízkosti svorky 5. Potom sa orientácia svorky 5 reguluje riadením torzného stavu segmentu drôtu. Táto operácia predbežného tvarovania zaisťuje, že následné uchopenie svorky 5 je vždy vykonané v najvhodnejšej polohe.

Spolupráca medzi zbraňami

V niektorých situáciách si montáž káblového zväzku vyžaduje ľudskú spoluprácu medzi viacerými ramenami robota. Vloženie svorky 1 je dobrým príkladom. Po vložení svorky 2 svorka 1 klesne. Priestor, ktorý je k dispozícii na vloženie svorky 1, je obmedzený a je ťažké umiestniť uchopovač kvôli riziku kolízie s okolitým prostredím. Praktické skúsenosti nás navyše naučili, aby sme túto operáciu nezačali s poklesnutým segmentom drôtu, pretože by to mohlo viesť k zachyteniu segmentov drôtu okolitým rámom v nasledujúcich operáciách.

Naše riešenie tohto problému bolo inšpirované správaním ľudských pracovníkov. Ľudský pracovník ľahko koordinuje použitie svojich dvoch rúk na dokončenie úlohy. V tomto prípade by pracovník jednoducho vložil svorku 4 jednou rukou, pričom by súčasne nastavoval polohu segmentu drôtu druhou rukou. Roboty sme naprogramovali tak, aby implementovali rovnakú stratégiu.

Plastická deformácia

V niektorých situáciách bolo ťažké predtvarovať segment drôtu kooperatívnym využitím dvoch robotov. Proces vkladania svorky 6 je dobrým príkladom. Pri tejto operácii sme očakávali, že ľavé rameno robota ho vloží do rámu, pretože je to jediné rameno robota, ktoré môže dosiahnuť cieľ.

Ako sa ukázalo, robot spočiatku nemohol dosiahnuť svorku. Keď ovládač zistí, že uchopenie svorky nie je možné, robot sa pokúsi uchopiť segment drôtu v blízkosti svorky namiesto uchopenia samotnej svorky. Robot potom skrúti a ohne segment, aby otočil čelo svorky viac doľava. Na zmenu polohy zvyčajne stačí segment niekoľkokrát ohnúť. Keď je segment vo vhodnej polohe na uchopenie, robot sa znova pokúsi uchopiť cieľovú svorku.

Závery

Nakoniec náš robotický systém dokázal nainštalovať osem svoriek do rámu prístrojovej dosky s priemerným časom 3 minúty. Aj keď je táto rýchlosť stále ďaleko od požiadavky na praktickú aplikáciu, demonštruje technickú realizovateľnosť robotickej montáže káblových zväzkov.

Aby bol systém spoľahlivý a dostatočne rýchly na praktickú priemyselnú aplikáciu, je potrebné vyriešiť niekoľko problémov. Po prvé, je dôležité, aby boli káblové zväzky vopred vytvarované na robotickú montáž. V porovnaní s operáciami zauzlenia a rozuzlenia je torzný stav jednotlivých segmentov drôtu kritický pre inštaláciu káblového zväzku, pretože roboty manipulujú s dielmi viazanými do zväzku. Okrem toho by pri inštalácii postroja pomohlo aj chápadlo vybavené stupňom voľnosti otáčania.

Na zlepšenie rýchlosti procesu by sa malo zvážiť dynamické správanie drôtu. Vidno to na filmových štúdiách kvalifikovaných robotníkov pri vkladaní káblových zväzkov. Používajú obe ruky a zručný pohyb na ovládanie dynamického kývania lana a vyhýbajú sa tak okolitým prekážkam. Pri implementácii robotickej montáže s podobnou rýchlosťou budú potrebné špeciálne prístupy na potlačenie dynamického správania drôtu.

Hoci mnohé z prístupov použitých v našom výskume sú priamočiare, s naším prototypom robotického systému sme úspešne demonštrovali automatickú montáž. Pri takýchto úlohách existuje potenciál pre automatizáciu.