Robotická montáž automobilových kabelových svazků

Nový výzkum naznačuje, že šestiosé roboty lze použít k instalaci automobilových kabelových svazků.

Od Xin Yang

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

Víceosá robotická ramena provádějí širokou škálu procesů v automobilových montážních závodech, včetně lakování, svařování a upevňování.

I přes pokrok v automatizační technologii však některé procesy stále nelze dokončit bez zkušených lidských montážníků. Jedním z takových úkolů, které byly pro roboty tradičně obtížné, je instalace kabelových svazků do karoserií automobilů.

Již dříve proběhly výzkumy související s problémy manipulace s deformovatelnými lineárními předměty, jako jsou dráty nebo trubky, pomocí robotů. Mnohé z těchto studií se soustředily na to, jak se vypořádat s topologickým přechodem deformovatelných lineárních objektů. Snažili se naprogramovat roboty, aby vázali uzly nebo vytvářeli smyčky pomocí lana. Tyto studie aplikovaly matematickou teorii uzlů k popisu topologických přechodů lana.

V těchto přístupech se deformovatelný lineární objekt ve třech rozměrech nejprve promítne do dvourozměrné roviny. Průmět v rovině, který je demonstrován jako zkřížené křivky, lze dobře popsat a zpracovat pomocí teorie uzlů.

V roce 2006 výzkumný tým vedený Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., z Osaka University v Japonsku vyvinul metodu pro zauzlování a rozuzlování deformovatelných lineárních objektů pomocí robotů. Definovali čtyři základní operace (mezi nimi tři jsou ekvivalentní Reidemeisterovým tahům) nezbytné pro dokončení přechodu mezi jakýmikoli dvěma stavy křížení drátu. Výzkumníci ukázali, že jakékoli operace uzlování nebo rušení, které lze rozložit na sekvenční topologické přechody, lze dosáhnout použitím sekvenční kombinace těchto čtyř základních operací. Jejich přístup byl ověřen, když se jim podařilo naprogramovat robota SCARA, aby uvázal lano umístěné na stole.

Podobně výzkumníci vedení Takayuki Matsuno, Ph.D., z Toyama Prefectural University v Imizu, Japonsko, vyvinuli metodu pro trojrozměrné zauzlování lana pomocí dvou robotických ramen. Jeden robot držel konec lana, zatímco druhý jej zavazoval. K měření trojrozměrné polohy lana bylo použito stereo vidění. Stav uzlu je popsán pomocí invariantů uzlů namísto Reidemeisterových tahů.

V obou studiích byly roboty vybaveny klasickým, dvouprstým paralelním chapadlem pouze s jedním stupněm volnosti.

V roce 2008 výzkumný tým vedený Yuji Yamakawou z Tokijské univerzity předvedl techniku ​​uzlování lana pomocí robota vybaveného vysokorychlostní víceprstou rukou. S šikovnějším chapadlem – včetně snímačů síly a momentu namontovaných v prstech – jsou možné operace, jako je „permutace lana“, dokonce i s jednou paží. Permutace lana se týká operace výměny míst dvou lan jejich kroucením a sevřením lan mezi dvěma prsty.

Další výzkumné projekty byly zaměřeny na řešení problémů souvisejících s robotickou manipulací s deformovatelnými lineárními objekty na montážní lince.

Například Tsugito Maruyama, Ph.D., a tým výzkumníků z Fujitsu Laboratories Ltd. v Kawasaki v Japonsku vyvinuli systém pro manipulaci s drátem pro montážní linku na výrobu elektrických dílů. Pro vkládání signálních kabelů do spon bylo použito robotické rameno. Pro fungování jejich systému byly rozhodující dvě technologie: multiplanární laserový světelný projektor a stereovizní systém.

Jürgen Acker a výzkumníci z Kaiserslautern University of Technology v Německu vyvinuli metodu pro použití 2D strojového vidění k určení, kde a jak se deformovatelný lineární objekt (v tomto případě automobilový kabel) dotýká objektů v prostředí.

Na základě všech těchto výzkumů jsme se pokusili vyvinout praktický robotický systém pro instalaci kabelových svazků na automobilové montážní lince. Přestože byl náš systém vyvinut v laboratoři, všechny podmínky použité v našich experimentech jsou odkazovány na skutečný automobilový závod. Naším cílem bylo prokázat technickou proveditelnost takového systému a určit oblasti, kde je nutný další rozvoj.

Sestava kabelového svazku

Automobilový kabelový svazek se skládá z několika kabelů obalených elektrickou páskou. Má stromovou strukturu s každou větví spojenou s určitým nástrojem. Na montážní lince pracovník ručně připevní postroj k rámu přístrojové desky.

Do svazku vodičů je přivázána sada plastových svorek. Tyto svorky odpovídají otvorům v rámu přístrojové desky. Uchycení postroje je dosaženo vložením svorek do otvorů. Robotický systém pro instalaci svazku proto musí řešit dva základní problémy: jak změřit stav svazku vodičů a jak s ním zacházet.

Kabelový svazek má složité fyzikální vlastnosti. Při montáži vykazuje jak pružnou deformaci, tak plastickou deformaci. To ztěžuje získání přesného dynamického modelu.

Prototypový systém

Náš prototypový systém montáže postrojů se skládá ze tří kompaktních šestiosých robotů umístěných před rámem přístrojové desky. Třetí robot pomáhá s polohováním a uchopením postroje.

Každý robot je vybaven dvouprstým paralelním chapadlem s jedním stupněm volnosti. Prsty chapadla mají dvě prohlubně: jedno pro držení svorek postroje, druhé pro držení segmentů samotného postroje.

Každý koncový efektor je také vybaven dvěma CCD kamerami a laserovým snímačem dosahu. Oba fotoaparáty mají různé ohniskové vzdálenosti, aby poskytovaly velkou hloubku ostrosti. Laserový snímač vzdálenosti se používá, když je nutné přesné měření na segment drátu. 10 dalších pevných kamer, které obklopují pracovní buňku, směřuje k pracovní oblasti z různých směrů. Včetně kamer namontovaných na koncových efektorech náš systém využívá celkem 16 kamer pro vidění.

Rozpoznání postroje se provádí pomocí strojového vidění. Ke každé svorce postroje je připevněn speciálně navržený plastový kryt. Kryty mají geometrické vzory, které lze číst pomocí softwaru ARToolKit. Tento open-source software byl původně navržen pro aplikace s rozšířenou realitou. Poskytuje sadu snadno použitelných knihoven pro detekci a rozpoznávání značek. Kamera čte značky, aby určila relativní polohu postroje.

Každý kryt svorky má svůj vlastní geometrický vzor. Vzor sděluje řídicímu systému robota relativní polohu postroje v prostoru a také informace týkající se daného segmentu postroje (např. kde by měl být tento segment umístěn na rámu panelu).

Pevné kamery kolem pracovní buňky poskytují hrubé informace o poloze každé svorky postroje. Poloha konkrétní svorky postroje se odhaduje interpolací polohy sousedních svorek. Koncový efektor je veden tak, aby se přiblížil k cílové svorce pomocí polohových informací získaných z pevných kamer – dokud zápěstní kamera nenajde cíl. Od tohoto okamžiku je navádění robota zajišťováno pouze zápěstní kamerou. Přesnost, kterou poskytuje zápěstní kamera v této krátké vzdálenosti, zajišťuje spolehlivé uchopení svorek.

Podobný proces se používá k uchopení deformovatelného segmentu kabelového svazku. Poloha cílového segmentu se nejprve odhadne interpolací polohy sousedních svorek. Protože interpolovaná křivka není dostatečně přesná, aby navedla robota, odhadnutá oblast je poté skenována laserovým skenerem. Skener vysílá rovinný paprsek s určitou šířkou. Přesnou polohu segmentu pak lze určit z profilu vzdálenosti získaného z laserového senzoru.

Značky výrazně zjednodušují měření kabelového svazku. Přestože kryty svorek zvýšily cenu systému, výrazně zlepšují spolehlivost systému.

Manipulace s postrojem

Svorka postroje je navržena tak, aby lícovala s otvorem v rámu panelu. Tak chapadlo uchopí svorku za základnu a zasune špičku do otvoru.

Kromě toho existují případy, kdy je nutné manipulovat s drátěným segmentem přímo. Například v mnoha procesech musí jeden robot tvarovat postroj, než může jiný robot vykonávat svou práci. V takovém případě jeden robot potřeboval nasměrovat svorku tak, aby ji mohl dosáhnout jiný robot. Jediný způsob, jak to udělat, bylo zkroutit blízký segment drátu.

Zpočátku jsme se pokusili tvarovat drát kroucením jeho sousední svorky. To se však vzhledem k nízké torzní tuhosti drátového segmentu ukázalo jako nemožné. V následujících experimentech robot uchopil a ohnul segment drátu přímo. Během tohoto procesu je poloha cílové svorky monitorována okolními kamerami. Proces ohýbání bude pokračovat, dokud se orientace cílové svorky neshoduje s referenční hodnotou.

Ověřovací experimenty

Jakmile jsme vyvinuli prototyp montážního systému, provedli jsme řadu experimentů, abychom jej otestovali. Proces začíná tím, že roboti zvednou kabelový svazek z věšáku. Poté vloží osm svorek svazku do rámu panelu. Proces končí návratem robotů do výchozí pohotovostní polohy.

Pravé rameno vkládá svorky 1, 2 a 3. Centrální rameno vkládá svorky 4 a 5 a levé rameno vkládá svorky 6, 7 a 8.

Svorka 3 je vložena jako první, následovaná svorkami 1 a 2. Svorky 4 až 8 jsou potom vloženy v číselném pořadí.

Pohybová sekvence ramen robota byla generována pomocí simulačního softwaru. Algoritmus detekce kolizí zabránil robotům narážet do objektů v okolí nebo do sebe navzájem.

Kromě toho byly některé operace v sekvenci pohybu generovány odkazováním na lidské assemblery. Za tímto účelem jsme zachytili pohyby pracovníků při montáži. Data zahrnují jak pohyb pracovníka, tak odpovídající chování kabelového svazku. Není divu, že pohybová strategie, kterou pracovník používá, se často ukázala být účinnější než u robotů.

Řízení kroucení segmentů drátu

Při našich experimentech jsme někdy narazili na potíže s vkládáním svorek, protože nebylo možné umístit chapadlo pro tento úkol. Například svorka 5 by měla být vložena ihned po upevnění svorky 4 k rámu. Segment postroje nalevo od svorky 4 by však neustále klesal, což by ztěžovalo centrálnímu robotu polohování svorky 5 pro vložení.

Naším řešením tohoto problému bylo předtvarovat segment cílového drátu, aby bylo zajištěno úspěšné uchopení. Nejprve levý robot zvedne svorku 5 uchopením drátěného segmentu v blízkosti svorky 5. Poté je orientace svorky 5 regulována řízením torzního stavu drátěného segmentu. Tato operace předběžného tvarování zajišťuje, že následné uchopení svorky 5 je vždy provedeno v nejvhodnější poloze.

Spolupráce mezi pažemi

V některých situacích vyžaduje sestavení kabelového svazku spolupráci mezi více robotickými rameny podobnou lidské. Vložení svorky 1 je dobrým příkladem. Jakmile je svorka 2 vložena, svorka 1 klesne. Prostor dostupný pro vložení svorky 1 je omezený a umístění chapadla je obtížné kvůli riziku kolize s okolním prostředím. Praktické zkušenosti nás navíc naučily nezačínat tuto operaci s poklesem segmentu drátu, protože by to mohlo vést k zachycení segmentů drátu okolním rámem v následujících operacích.

Naše řešení tohoto problému bylo inspirováno chováním lidských pracovníků. Lidský pracovník snadno koordinuje použití svých dvou paží k dokončení úkolu. V tomto případě by pracovník jednoduše vložil svorku 4 jednou rukou, zatímco by současně nastavoval polohu drátového segmentu druhou rukou. Naprogramovali jsme roboty, aby implementovali stejnou strategii.

Plastická deformace

V některých situacích bylo obtížné předtvarovat segment drátu kooperativním nasazením dvou robotů. Proces vkládání svorky 6 je dobrým příkladem. Pro tuto operaci jsme očekávali, že ji levé rameno robota vloží do rámu, protože je to jediné rameno robota, které může dosáhnout cíle.

Jak se ukázalo, robot zpočátku nemohl dosáhnout svorky. Když ovladač určí, že uchopení svorky není dosažitelné, robot se pokusí uchopit drátěný segment v blízkosti svorky namísto uchopení samotné svorky. Robot pak zkroutí a ohne segment, aby otočil čelo svorky více doleva. Pro změnu polohy obvykle stačí segment několikrát ohnout. Jakmile je segment ve vhodné poloze pro uchopení, robot se znovu pokusí uchopit cílovou svorku.

Závěry

Nakonec byl náš robotický systém schopen nainstalovat osm svorek do rámu přístrojové desky s průměrným časem 3 minuty. Přestože tato rychlost stále zdaleka neodpovídá požadavkům pro praktickou aplikaci, demonstruje technickou proveditelnost robotické montáže kabelového svazku.

Aby byl systém spolehlivý a dostatečně rychlý pro praktické průmyslové aplikace, je třeba vyřešit několik problémů. Za prvé, je důležité, aby kabelové svazky byly předem vytvarovány pro robotickou montáž. Ve srovnání s operacemi uzlování a rozvazování je torzní stav jednotlivých segmentů drátu kritický pro instalaci kabelového svazku, protože roboti manipulují s díly vázanými do svazku. Kromě toho by při instalaci postroje pomohlo také chapadlo vybavené stupněm volnosti otáčení.

Pro zlepšení rychlosti procesu je třeba vzít v úvahu dynamické chování drátu. Je to patrné na filmových studiích kvalifikovaných dělníků vkládajících svazky drátů. Používají obě ruce a zručný pohyb k ovládání dynamického houpání lana a tím se vyhýbají okolním překážkám. Při implementaci robotické montáže s podobnou rychlostí budou nutné speciální přístupy k potlačení dynamického chování drátu.

Přestože mnoho přístupů použitých v našem výzkumu je přímočarých, úspěšně jsme předvedli automatickou montáž s naším prototypem robotického systému. S těmito druhy úkolů existuje potenciál pro automatizaci.