Robotska montaža automobilskih žica

Novo istraživanje sugerira da se roboti sa šest osi mogu koristiti za instaliranje automobilskih kabelskih snopova.

Autor Xin Yang

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

Višeosne robotske ruke izvode široku paletu procesa u pogonima za montažu automobila, uključujući bojanje, zavarivanje i pričvršćivanje.

Međutim, čak i uz napredak u tehnologiji automatizacije, neki se procesi još uvijek ne mogu dovršiti bez vještih ljudi sastavljača. Zadatak ugradnje kabelskog snopa u karoserije automobila je jedan takav zadatak koji je tradicionalno bio težak za robote.

Provedena su neka prijašnja istraživanja vezana uz probleme rukovanja deformabilnim linearnim objektima, poput žice ili cijevi, s robotima. Mnoga od ovih istraživanja koncentrirala su se na to kako se nositi s topološkim prijelazom deformabilnih linearnih objekata. Pokušali su programirati robote da vežu čvorove ili stvaraju petlje s užetom. Ove studije primijenile su matematičku teoriju čvorova za opisivanje topoloških prijelaza užeta.

U ovim pristupima, deformabilni linearni objekt u tri dimenzije prvo se projicira u dvodimenzionalnu ravninu. Projekcija u ravnini, koja je prikazana kao ukrižene krivulje, može se dobro opisati i tretirati pomoću teorije čvorova.

Godine 2006. istraživački tim predvođen dr. sc. Hidefumijem Wakamatsuom sa Sveučilišta Osaka u Japanu razvio je metodu za vezivanje i uklanjanje čvorova deformabilnih linearnih objekata pomoću robota. Definirali su četiri temeljne operacije (među njima, tri su ekvivalentne Reidemeisterovim potezima) potrebne za dovršavanje prijelaza između bilo koja dva stanja križanja žice. Istraživači su pokazali da se svaka operacija vezivanja ili odvajanja čvorova koja se može rastaviti na sekvencijalne topološke prijelaze može postići korištenjem sekvencijalne kombinacije ove četiri temeljne operacije. Njihov pristup potvrđen je kada su uspjeli programirati robota SCARA da veže uže postavljeno na stol.

Slično tome, istraživači predvođeni dr. sc. Takayuki Matsuno sa Sveučilišta Toyama Prefectural u Imizuu, Japan, razvili su metodu za trodimenzionalno vezivanje užeta pomoću dvije robotske ruke. Jedan je robot držao kraj užeta, dok ga je drugi vezivao. Za mjerenje trodimenzionalnog položaja užeta korišten je stereo vid. Stanje čvora je opisano pomoću invarijanti čvora umjesto Reidemeisterovih poteza.

U oba istraživanja roboti su bili opremljeni klasičnom dvoprstom paralelnom hvataljkom sa samo jednim stupnjem slobode.

Godine 2008. istraživački tim predvođen Yujijem Yamakawom sa Sveučilišta u Tokiju demonstrirao je tehniku ​​vezivanja užeta pomoću robota opremljenog brzom rukom s više prstiju. S spretnijim hvataljkom—uključujući senzore sile i zakretnog momenta montirane u prstima—radnje poput "permutacije užeta" postaju moguće, čak i s jednom rukom. Permutacija užeta odnosi se na operaciju zamjene mjesta dva užeta njihovim uvijanjem dok se užeta stišću između dva prsta.

Ostali istraživački projekti usmjereni su na rješavanje problema povezanih s robotskim rukovanjem deformabilnim linearnim objektima na pokretnoj traci.

Na primjer, Tsugito Maruyama, Ph.D., i tim istraživača u Fujitsu Laboratories Ltd. u Kawasakiju, Japan, razvili su sustav za rukovanje žicom za pokretnu traku koja proizvodi električne dijelove. Ruka robota korištena je za umetanje signalnih kabela u kopče. Dvije su tehnologije bile ključne za omogućavanje rada njihova sustava: višeplanarni laserski svjetlosni projektor i stereovizijski sustav.

Jürgen Acker i istraživači s Tehnološkog sveučilišta Kaiserslautern u Njemačkoj razvili su metodu za korištenje 2D strojnog vida za određivanje gdje i kako deformabilni linearni objekt (u ovom slučaju, automobilski kabel) dolazi u kontakt s objektima u okruženju.

Na temelju svih ovih istraživanja pokušali smo razviti praktičan robotski sustav za ugradnju kabelskih snopova na pokretnu traku automobila. Iako je naš sustav razvijen u laboratoriju, svi uvjeti korišteni u našim eksperimentima su referentni iz stvarne tvornice automobila. Cilj nam je bio pokazati tehničku izvedivost takvog sustava i odrediti područja gdje je nužan daljnji razvoj.

Sklop kabelskog svežnja

Automobilski kabelski svežanj sastoji se od više kabela omotanih električnom trakom. Ima strukturu poput stabla sa svakom granom povezanom s određenim instrumentom. Na tekućoj traci, radnik ručno pričvršćuje pojas za okvir ploče s instrumentima.

Skup plastičnih stezaljki uvezan je u kabelski svežanj. Ove stezaljke odgovaraju rupama u okviru ploče s instrumentima. Pričvršćivanje pojasa postiže se umetanjem stezaljki u rupe. Robotski sustav za ugradnju kabelskog svežnja stoga mora riješiti dva osnovna problema: kako izmjeriti stanje kabelskog svežnja i kako njime rukovati.

Žičani snop ima složena fizička svojstva. Tijekom sastavljanja, pokazuje i elastičnu deformaciju i plastičnu deformaciju. To otežava dobivanje njegovog preciznog dinamičkog modela.

Prototip sustava

Naš prototip sustava za montažu pojasa sastoji se od tri kompaktna robota sa šest osi smještenih ispred okvira ploče s instrumentima. Treći robot pomaže u postavljanju i hvatanju pojasa.

Svaki robot opremljen je dvoprstom paralelnom hvataljkom s jednim stupnjem slobode. Prsti hvataljke imaju dva udubljenja: jedno za držanje stezaljki pojasa, drugo za držanje segmenata samog pojasa.

Svaki krajnji efektor također je opremljen s dvije CCD kamere i laserskim senzorom dometa. Dvije kamere imaju različite žarišne duljine kako bi pružile veliku dubinsku oštrinu. Laserski senzor dometa koristi se kada je potrebno precizno mjerenje do segmenta žice. Okružujući radnu ćeliju, 10 dodatnih kamera s fiksnim položajem okrenuto je prema radnom području iz različitih smjerova. Uključujući kamere montirane na krajnje efektore, naš sustav zapošljava ukupno 16 kamera za vid.

Prepoznavanje pojasa postiže se strojnim vidom. Na svaku stezaljku pojasa pričvršćen je posebno dizajniran plastični poklopac. Naslovnice imaju geometrijske uzorke koji se čitaju softverom ARToolKit. Ovaj softver otvorenog koda izvorno je dizajniran za aplikacije proširene stvarnosti. Omogućuje skup knjižnica koje su jednostavne za korištenje za otkrivanje i prepoznavanje markera. Kamera očitava markere kako bi odredila relativni položaj pojasa.

Svaki poklopac stezaljke ima vlastiti geometrijski uzorak. Uzorak govori kontroloru robota relativni položaj pojasa u prostoru, kao i informacije u vezi s tim segmentom pojasa (kao što je mjesto na kojem taj segment treba biti postavljen na okviru ploče).

Fiksne kamere oko radne ćelije daju grube informacije o položaju svake stezaljke pojasa. Položaj određene stezaljke pojasa procjenjuje se interpolacijom položaja susjednih stezaljki. Krajnji efektor je vođen da se približi ciljnoj stezaljci pomoću informacija o položaju dobivenih od fiksnih kamera—sve dok kamera na zapešću ne pronađe metu. Od tog trenutka, navođenje robota omogućuje isključivo kamera na zapešću. Preciznost koju pruža ručna kamera na toj maloj udaljenosti osigurava pouzdano hvatanje stezaljki.

Sličan postupak koristi se za hvatanje deformabilnog segmenta kabelskog svežnja. Položaj ciljnog segmenta prvo se procjenjuje interpolacijom položaja susjednih stezaljki. Budući da interpolirana krivulja nije dovoljno precizna za vođenje robota, procijenjeno područje zatim skenira laserski skener. Skener emitira planarni snop određene širine. Točan položaj segmenta tada se može odrediti iz profila udaljenosti dobivenog od laserskog senzora.

Oznake uvelike pojednostavljuju mjerenje kabelskog svežnja. Iako su poklopci stezaljki povećali cijenu sustava, oni uvelike poboljšavaju pouzdanost sustava.

Rukovanje pojasom

Stezaljka za pojas dizajnirana je za spajanje s rupom u okviru ploče. Tako hvataljka hvata stezaljku za njezino podnožje i umeće nožni prst u rupu.

Osim toga, postoje neke prilike u kojima je potrebno izravno rukovati segmentom žice. Na primjer, u mnogim procesima, jedan robot mora oblikovati pojas prije nego što drugi robot može obaviti svoj posao. U takvom slučaju, jedan je robot trebao usmjeriti stezaljku tako da je može dosegnuti drugi robot. Jedini način da se to učini bio je uvijanje obližnjeg segmenta žice.

U početku smo pokušali oblikovati žicu uvijanjem njezine susjedne stezaljke. Međutim, zbog niske torzijske krutosti segmenta žice, to se pokazalo nemogućim. U pokusima koji su uslijedili, robot je uhvatio i izravno savio segment žice. Tijekom ovog procesa položaj ciljne stezaljke nadziru okolne kamere. Proces savijanja će se nastaviti sve dok se orijentacija ciljane stezaljke ne poklopi s referentnom vrijednošću.

Pokusi provjere

Nakon što smo razvili prototip sustava za sklapanje, proveli smo niz eksperimenata kako bismo ga testirali. Proces počinje tako što roboti podižu kabelski svežanj s vješalice. Zatim u okvir ploče umeću osam stezaljki. Proces završava vraćanjem robota u početni položaj pripravnosti.

Desni krak umeće stezaljke 1, 2 i 3. Središnji krak umeće stezaljke 4 i 5, a lijevi krak umeće stezaljke 6, 7 i 8.

Prvo se umetne stezaljka 3, a zatim stezaljke 1 i 2. Zatim se umetnu stezaljke 4 do 8 redoslijedom brojeva.

Slijed kretanja robotskih ruku generiran je pomoću softvera za simulaciju. Algoritam za otkrivanje sudara spriječio je robote da udare u objekte u okruženju ili jedni druge.

Osim toga, neke operacije u nizu pokreta generirane su referenciranjem ljudskih asemblera. U tu svrhu snimili smo pokrete radnika tijekom montaže. Podaci uključuju i kretanje radnika i odgovarajuće ponašanje kabelskog svežnja. Nije iznenađujuće da se strategija kretanja radnika često pokazala učinkovitijom od strategije robota.

Kontrola uvijanja segmenata žice

U našim smo eksperimentima ponekad nailazili na poteškoće s umetanjem stezaljki jer je bilo nemoguće postaviti hvataljku za zadatak. Na primjer, stezaljka 5 treba biti umetnuta odmah nakon što je stezaljka 4 pričvršćena na okvir. Međutim, segment pojasa lijevo od stezaljke 4 uvijek bi se spuštao, što bi središnjem robotu otežalo postavljanje stezaljke 5 za umetanje.

Naše rješenje za ovaj problem bilo je unaprijed oblikovati ciljni segment žice kako bi se osiguralo uspješno hvatanje. Prvo, lijevi robot podiže stezaljku 5 hvatanjem segmenta žice u blizini stezaljke 5. Zatim se orijentacija stezaljke 5 regulira kontrolom torzijskog stanja segmenta žice. Ova operacija prethodnog oblikovanja osigurava da se naknadno hvatanje stezaljke 5 uvijek izvodi u najprikladnijem položaju.

Suradnja između oružja

U nekim situacijama sastavljanje kabelskog svežnja zahtijeva suradnju poput ljudske između više robotskih ruku. Umetanje stezaljke 1 je dobar primjer. Nakon što je stezaljka 2 umetnuta, stezaljka 1 će se spustiti. Prostor dostupan za umetanje stezaljke 1 je ograničen, a hvataljku je teško postaviti zbog opasnosti od sudara s okolinom. Štoviše, praktično iskustvo naučilo nas je da izbjegavamo započinjanje ove operacije s opuštenim segmentom žice, jer bi to moglo dovesti do toga da segmenti žice budu zahvaćeni okolnim okvirom u sljedećim operacijama.

Naše rješenje za ovaj problem inspirirano je ponašanjem ljudskih radnika. Ljudski radnik lako koordinira korištenje svoje dvije ruke kako bi izvršio zadatak. U tom slučaju, radnik bi jednom rukom jednostavno umetnuo stezaljku 4, dok bi drugom rukom istovremeno podešavao položaj segmenta žice. Programirali smo robote da provode istu strategiju.

Plastična deformacija

U nekim je situacijama bilo teško unaprijed oblikovati žičani segment zajedničkim korištenjem dva robota. Postupak umetanja stezaljke 6 je dobar primjer. Za ovu operaciju očekivali smo da će je lijeva robotska ruka umetnuti u okvir, budući da je to jedina robotska ruka koja može dosegnuti cilj.

Kako se pokazalo, robot u početku nije mogao dosegnuti stezaljku. Kada kontroler utvrdi da nije moguće uhvatiti stezaljku, robot će pokušati uhvatiti segment žice u blizini stezaljke umjesto da uhvati samu stezaljku. Robot zatim okreće i savija segment kako bi lice stezaljke okrenuo više ulijevo. Savijanje segmenta nekoliko puta obično je dovoljno da se promijeni njegov položaj. Kada segment bude u prikladnom položaju za hvatanje, robot će ponovno pokušati uhvatiti ciljnu stezaljku.

Zaključci

U konačnici, naš je robotski sustav uspio instalirati osam stezaljki u okvir ploče s instrumentima uz prosječno vrijeme od 3 minute. Iako je ta brzina još uvijek daleko od zahtjeva za praktičnu primjenu, ona pokazuje tehničku izvedivost robotskog sklopa žica.

Potrebno je riješiti nekoliko problema kako bi sustav bio pouzdan i dovoljno brz za praktičnu primjenu u industriji. Prvo, važno je da žičane svežnjeve budu unaprijed oblikovane za robotsku montažu. U usporedbi s operacijama vezivanja i odvezivanja čvorova, torzijsko stanje pojedinačnih segmenata žice je kritično za ugradnju kabelskog svežnja, budući da roboti rukuju dijelovima vezanim u kabelski snop. Osim toga, hvataljka opremljena stupnjem slobode uvijanja također bi pomogla pri postavljanju pojasa.

Kako bi se poboljšala brzina procesa, treba uzeti u obzir dinamičko ponašanje žice. To je vidljivo u filmskim studijama kvalificiranih radnika koji umeću žičane snopove. Koriste se objema rukama i vještim pokretima kako bi kontrolirali dinamičko njihanje žice i tako izbjegli okolne prepreke. Prilikom implementacije robotske montaže sa sličnom brzinom bit će potrebni posebni pristupi za suzbijanje dinamičkog ponašanja žice.

Iako su mnogi pristupi korišteni u našem istraživanju jednostavni, uspješno smo demonstrirali automatsko sklapanje s našim prototipom robotskog sustava. Postoji potencijal za automatizaciju s ovakvim zadacima.