Роботизирано сглобяване на автомобилни кабелни снопове

Ново изследване предполага, че роботи с шест оси могат да се използват за инсталиране на автомобилни кабелни снопове.

От Xin Yang

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

Многоосните роботизирани ръце извършват голямо разнообразие от процеси в заводите за сглобяване на автомобили, включително боядисване, заваряване и закрепване.

Въпреки това, дори с напредъка в технологиите за автоматизация, някои процеси все още не могат да бъдат завършени без квалифицирани асемблиращи хора. Задачата за инсталиране на кабелни снопове в автомобилни каросерии е една такава задача, която традиционно е трудна за роботите.

Има някои предишни изследвания, свързани с проблемите при работа с деформируеми линейни обекти, като тел или тръби, с роботи. Много от тези изследвания се концентрират върху това как да се справят с топологичния преход на деформируеми линейни обекти. Те се опитаха да програмират роботи да връзват възли или да създават примки с въже. Тези изследвания прилагат математическата теория на възлите, за да опишат топологичните преходи на въжето.

При тези подходи деформируем линеен обект в три измерения първо се проектира в двуизмерна равнина. Проекцията в равнината, която се демонстрира като кръстосани криви, може да бъде добре описана и третирана с помощта на теорията на възлите.

През 2006 г. изследователски екип, ръководен от Хидефуми Вакамацу, Ph.D., от университета в Осака в Япония, разработи метод за завързване и разплитане на възли на деформируеми линейни обекти с роботи. Те дефинираха четири основни операции (сред тях три са еквивалентни на движенията на Reidemeister), необходими за завършване на преход между всеки две състояния на пресичане на жици. Изследователите показаха, че всяка операция за завързване или разплитане, която може да бъде разложена на последователни топологични преходи, може да бъде постигната чрез използване на последователна комбинация от тези четири основни операции. Техният подход беше проверен, когато успяха да програмират робот SCARA да завързва въже, поставено на бюро.

По същия начин, изследователи, ръководени от Такаюки Мацуно, Ph.D., от Тояма префектурен университет в Имизу, Япония, разработиха метод за възли на въже в три измерения с помощта на две ръце на робота. Единият робот държеше края на въжето, а другият го завързваше. За измерване на триизмерната позиция на въжето беше използвано стерео зрение. Състоянието на възела се описва с помощта на инварианти на възел вместо движения на Reidemeister.

И в двете проучвания роботите са оборудвани с класически паралелен захват с два пръста само с една степен на свобода.

През 2008 г. изследователски екип, ръководен от Юджи Ямакава от Токийския университет, демонстрира техника за възли на въже с помощта на робот, оборудван с високоскоростна ръка с много пръсти. С по-сръчен захват - включително сензори за сила и въртящ момент, монтирани в пръстите - операции като "пермутация на въже" стават възможни дори с една ръка. Пермутацията на въжета се отнася до операцията по размяна на местата на две въжета чрез усукването им, докато въжетата се притискат между два пръста.

Други изследователски проекти са фокусирани върху решаването на проблеми, свързани с роботизирана обработка на деформируеми линейни обекти на поточната линия.

Например, Tsugito Maruyama, Ph.D., и екип от изследователи във Fujitsu Laboratories Ltd. в Кавазаки, Япония, разработиха система за боравене с кабели за монтажна линия, произвеждаща електрически части. Рамо на робот беше използвано за поставяне на сигнални кабели в скоби. Две технологии бяха от решаващо значение за работата на тяхната система: мултипланарен лазерен светлинен проектор и система за стереовизия.

Юрген Акер и изследователи от Технологичния университет Кайзерслаутерн в Германия разработиха метод за използване на 2D машинно зрение, за да определят къде и как деформируем линеен обект (в този случай автомобилен кабел) контактува с обекти в околната среда.

Въз основа на всички тези изследвания, ние се опитахме да разработим практична роботизирана система за инсталиране на кабелни снопове на поточна линия за автомобили. Въпреки че нашата система е разработена в лабораторията, всички условия, използвани в нашите експерименти, се отнасят за истински автомобилен завод. Нашата цел беше да демонстрираме техническата осъществимост на такава система и да определим областите, където е необходимо по-нататъшно развитие.

Монтаж на жични снопове

Автомобилен кабелен сноп се състои от множество кабели, увити с електрическа лента. Има дървовидна структура, като всеки клон е свързан към определен инструмент. На поточната линия работник ръчно прикрепя колана към рамката на арматурното табло.

Комплект пластмасови скоби са свързани към кабелния сноп. Тези скоби съответстват на дупките в рамката на арматурното табло. Закрепването на колана се постига чрез поставяне на скобите в отворите. Следователно една роботизирана система за инсталиране на кабелния сноп трябва да реши два основни проблема: как да се измери състоянието на кабелния сноп и как да се борави с него.

Кабелният сноп има сложни физически свойства. По време на монтажа той проявява както еластична деформация, така и пластична деформация. Това затруднява получаването на прецизен динамичен модел.

Прототипна система

Нашата прототипна система за сглобяване на колани се състои от три компактни робота с шест оси, разположени пред рамката на арматурното табло. Третият робот помага при позиционирането и хващането на колана.

Всеки робот е оборудван с двупръстов паралелен захват с една степен на свобода. Пръстите на захвата имат две вдлъбнатини: едната за задържане на скобите на колана, другата за задържане на сегменти от самия колан.

Всеки краен ефектор също е оборудван с две CCD камери и лазерен сензор за обхват. Двете камери имат различни фокусни разстояния, за да осигурят голяма дълбочина на полето. Лазерният сензор за обхват се използва, когато е необходимо прецизно измерване до сегмент от проводник. Около работната клетка 10 допълнителни камери с фиксирана позиция гледат към работната зона от различни посоки. Включвайки камерите, монтирани на крайните изпълнители, нашата система използва общо 16 камери за наблюдение.

Разпознаването на сбруята се извършва с машинно зрение. Специално проектиран пластмасов капак е прикрепен към всяка скоба за колан. Кориците имат геометрични шарки, които се разчитат със софтуера ARToolKit. Този софтуер с отворен код първоначално е проектиран за приложения с добавена реалност. Той предоставя набор от лесни за използване библиотеки за откриване и разпознаване на маркерите. Камерата чете маркерите, за да определи относителната позиция на колана.

Всеки капак на скобата има собствен геометричен модел. Моделът казва на контролера на робота относителната позиция на сбруята в пространството, както и информация относно този сегмент на сбруята (като например къде този сегмент трябва да бъде позициониран върху рамката на панела).

Фиксираните камери около работната клетка предоставят груба информация за позицията на всяка скоба за колан. Позицията на конкретна скоба на колана се оценява чрез интерполиране на позицията на съседни скоби. Крайният ефектор се насочва да се приближи до целевата скоба с позиционна информация, получена от фиксираните камери - докато камерата на китката може да намери целта. От този момент насочването на робота се осигурява единствено от камерата на китката. Прецизността, осигурена от камерата на китката на това кратко разстояние, осигурява надеждно захващане на скобите.

Подобен процес се използва за захващане на деформируем сегмент от кабелния сноп. Позицията на целевия сегмент първо се оценява чрез интерполиране на позата на съседни скоби. Тъй като интерполираната крива не е достатъчно прецизна, за да насочва робота, изчислената площ след това се сканира от лазерния скенер. Скенерът излъчва планарен лъч с определена ширина. След това точната позиция на сегмента може да се определи от профила на разстоянието, получен от лазерния сензор.

Маркерите значително опростяват измерването на кабелния сноп. Въпреки че капаците на скобите увеличават цената на системата, те значително подобряват надеждността на системата.

Боравене с колани

Скобата на колана е проектирана да се свързва с отвор в рамката на панела. По този начин захватът хваща скоба за основата и вкарва пръста си в отвора.

В допълнение, има някои случаи, в които е необходимо да боравите директно с сегмент от тел. Например, в много процеси един робот трябва да оформи колана, преди друг робот да може да изпълни работата си. В такъв случай един робот трябваше да ориентира скоба, така че да може да бъде достигната от друг робот. Единственият начин да направите това беше да усучете близък сегмент от тел.

Първоначално се опитахме да оформим жицата чрез усукване на съседната скоба. Въпреки това, поради ниската твърдост на усукване на теления сегмент, това се оказа невъзможно. В следващите експерименти роботът захвана и огъна директно теления сегмент. По време на този процес позата на целевата скоба се наблюдава от околните камери. Процесът на огъване ще продължи, докато ориентацията на целевата скоба съвпадне с референтната стойност.

Експерименти за проверка

След като разработихме прототип на система за сглобяване, проведохме серия от експерименти, за да я тестваме. Процесът започва с роботите, които взимат кабелен сноп от закачалка. След това вмъкват осем скоби за колани в рамката на панела. Процесът завършва с връщане на роботите в първоначалната позиция на готовност.

Дясното рамо вкарва скоби 1, 2 и 3. Централното рамо вкарва скоби 4 и 5, а лявото рамо вкарва скоби 6, 7 и 8.

Скоба 3 се вкарва първа, последвана от скоби 1 и 2. След това скоби 4 до 8 се вмъкват в реда на номерата.

Последователността на движение на ръцете на робота беше генерирана с помощта на софтуер за симулация. Алгоритъм за откриване на сблъсък не позволява на роботите да се блъскат в обекти в околната среда или един в друг.

В допълнение, някои операции в последователността на движение бяха генерирани чрез препратка към човешки асемблери. За целта заснехме движенията на работниците по време на монтажа. Данните включват както движението на работника, така и съответното поведение на кабелния сноп. Не е изненадващо, че стратегията за движение, предприета от работник, често се оказва по-ефективна от тази на роботите.

Контрол на усукване на телени сегменти

В нашите експерименти понякога се натъквахме на трудности при поставянето на скобите, защото беше невъзможно да позиционираме захващащото устройство за задачата. Например, скоба 5 трябва да се постави веднага след като скоба 4 е била фиксирана към рамката. Въпреки това сегментът на колана вляво от скоба 4 неизменно би увиснал, което затруднява централния робот да позиционира скоба 5 за поставяне.

Нашето решение на този проблем беше да оформим предварително целевия сегмент от тел, за да осигурим успешно захващане. Първо, скоба 5 се повдига нагоре от левия робот чрез захващане на теления сегмент близо до скоба 5. След това ориентацията на скоба 5 се регулира чрез контролиране на усукващото състояние на теления сегмент. Тази операция по предварително оформяне гарантира, че последващото захващане на скоба 5 винаги се извършва в най-подходящата позиция.

Сътрудничество между оръжията

В някои ситуации сглобяването на кабелен сноп изисква подобно на човек сътрудничество между множество ръце на робота. Поставянето на скоба 1 е добър пример. След като скоба 2 бъде поставена, скоба 1 ще падне. Наличното пространство за поставяне на скоба 1 е ограничено и е трудно да се позиционира захващащото устройство поради риска от сблъсък със заобикалящата среда. Освен това практическият опит ни научи да избягваме започването на тази операция с увиснал сегмент от телта, тъй като това може да доведе до захващане на сегменти от телта от околната рамка при следващите операции.

Нашето решение на този проблем беше вдъхновено от поведението на човешки работници. Човешкият работник лесно координира използването на двете си ръце, за да изпълни задача. В този случай работникът просто би вкарал скоба 4 с едната си ръка, като същевременно регулира позицията на теления сегмент с другата ръка. Програмирахме роботите да прилагат същата стратегия.

Пластична деформация

В някои ситуации беше трудно да се оформи предварително теленият сегмент чрез съвместно използване на два робота. Процесът на поставяне на скоба 6 е добър пример. За тази операция очаквахме, че лявата ръка на робота ще го вкара в рамката, тъй като тя е единствената ръка на робот, която може да достигне целта.

Както се оказа, роботът първоначално не можа да достигне скобата. Когато контролерът определи, че хващането на скобата не е постижимо, роботът ще се опита да хване сегмента на телта близо до скобата, вместо да хване самата скоба. След това роботът завърта и огъва сегмента, за да завърти лицето на скобата повече наляво. Огъването на сегмент няколко пъти обикновено е достатъчно, за да промени позицията му. След като сегментът е в подходяща позиция за захващане, роботът ще направи нов опит да хване целевата скоба.

Изводи

В крайна сметка нашата роботизирана система успя да инсталира осем скоби в рамката на арматурното табло със средно време от 3 минути. Въпреки че тази скорост все още е далеч от изискването за практическо приложение, тя демонстрира техническата осъществимост на монтажа на роботизирани кабелни снопове.

Няколко проблема трябва да бъдат решени, за да стане системата надеждна и достатъчно бърза за практическо приложение в индустрията. Първо, важно е кабелните снопове да бъдат предварително оформени за роботизирано сглобяване. В сравнение с операциите по завързване и разплитане на възли, състоянието на усукване на отделните телени сегменти е критично за инсталирането на кабелния сноп, тъй като роботите боравят с части, свързани в снопа. В допълнение, грайфер, оборудван със степен на свобода на усукване, също би помогнал при инсталирането на колана.

За да се подобри скоростта на процеса, трябва да се вземе предвид динамичното поведение на проводника. Това е очевидно във филмовите проучвания на квалифицирани работници, които поставят кабелни снопове. Те използват двете си ръце и умело движение, за да контролират динамичното люлеене на телта и по този начин избягват околните препятствия. При прилагане на роботизирано сглобяване с подобна скорост ще са необходими специални подходи за потискане на динамичното поведение на жицата.

Въпреки че много от подходите, използвани в нашето изследване, са ясни, ние успешно демонстрирахме автоматично сглобяване с нашата прототипна роботизирана система. Има потенциал за автоматизация с този вид задачи.