Роботска монтажа аутомобилских каблова

Ново истраживање сугерише да се роботи са шест оса могу користити за уградњу каблова за аутомобиле.

Аутор Ксин Ианг

Извор: хттпс://ввв.ассемблимаг.цом/артицлес/92264-роботиц-ассембли-оф-аутомотиве-вире-харнессес

Вишеосне роботске руке обављају широк спектар процеса у погонима за монтажу аутомобила, укључујући фарбање, заваривање и причвршћивање.

Међутим, чак и са напретком у технологији аутоматизације, неки процеси се и даље не могу завршити без вештих људи. Задатак уградње жичаних свежња у каросерије аутомобила је један такав задатак који је традиционално био тежак за роботе.

Било је неких претходних истраживања везаних за проблеме руковања деформабилним линеарним објектима, као што су жица или цеви, са роботима. Многе од ових студија су се концентрисале на то како се носити са тополошким прелазом деформабилних линеарних објеката. Покушали су да програмирају роботе да везују чворове или праве петље помоћу ужета. Ове студије су примениле теорију математичких чворова да би описали тополошке прелазе ужета.

У овим приступима, деформабилни линеарни објекат у три димензије се прво пројектује у дводимензионалну раван. Пројекција у равни, која је приказана као укрштене криве, може се добро описати и третирати коришћењем теорије чворова.

2006. године, истраживачки тим предвођен Хидефуми Вакаматсуом, доктором наука, са Универзитета у Осаки у Јапану, развио је метод за везивање и развезивање деформабилних линеарних објеката помоћу робота. Они су дефинисали четири фундаменталне операције (међу њима три су еквивалентне Рајдемајстеровим потезима) неопходне за завршетак транзиције између било која два стања укрштања жице. Истраживачи су показали да се свака операција везивања или раскидања чворова која се може разложити на секвенцијалне тополошке прелазе може постићи употребом секвенцијалне комбинације ове четири основне операције. Њихов приступ је верификован када су успели да програмирају СЦАРА робота да повеже конопац постављен на сто.

Слично томе, истраживачи предвођени др Такаиукијем Мацуном, са Универзитета Тоиама Префецтурал у Имизуу, Јапан, развили су методу за везивање конопа у три димензије помоћу две роботске руке. Један робот је држао крај ужета, док га је други повезао. Да би се измерио тродимензионални положај ужета, коришћен је стерео вид. Стање чвора се описује коришћењем инваријанти чвора уместо Рајдемајстерових потеза.

У обе студије, роботи су били опремљени класичним паралелним хватаљком са два прста са само једним степеном слободе.

2008. године, истраживачки тим на челу са Иуји Иамакава са Универзитета у Токију демонстрирао је технику везивања ужета помоћу робота опремљеног руком са више прстију велике брзине. Са спретнијим хватачем — укључујући сензоре силе и обртног момента постављене у прсте — операције као што је „пермутација ужета“ постају могуће, чак и са једном руком. Пермутација ужета се односи на операцију замене места два ужад тако што се увијају док се ужад штипа између два прста.

Други истраживачки пројекти су се фокусирали на решавање проблема везаних за роботско руковање деформабилним линеарним објектима на монтажној траци.

На пример, Тсугито Маруиама, Пх.Д., и тим истраживача у Фујитсу Лабораториес Лтд. у Кавасакију, Јапан, развили су систем за руковање жицама за монтажну линију за прављење електричних делова. Роботска рука је коришћена за уметање сигналних каблова у копче. Две технологије су биле кључне за омогућавање њиховог система да ради: вишепланарни ласерски светлосни пројектор и систем стерео вида.

Јирген Ацкер и истраживачи са Технолошког универзитета Кајзерслаутерн у Немачкој развили су метод за коришћење 2Д машинског вида да би утврдили где и како деформабилни линеарни објекат (у овом случају, аутомобилски кабл) долази у контакт са објектима у окружењу.

На основу свих ових истраживања, покушали смо да развијемо практичан роботски систем за уградњу жичаних свежња на линију за монтажу аутомобила. Иако је наш систем развијен у лабораторији, сви услови коришћени у нашим експериментима су референцирани из праве фабрике аутомобила. Наш циљ је био да покажемо техничку изводљивост оваквог система и одредимо области у којима је неопходан даљи развој.

Монтажа жица

Аутомобилски кабелски свежањ се састоји од више каблова омотаних електричном траком. Има структуру налик стаблу са сваком граном повезаном са одређеним инструментом. На монтажној траци, радник ручно причвршћује упртач на оквир инструмент табле.

Комплет пластичних стезаљки је везан за жичани свежањ. Ове стезаљке одговарају рупама у оквиру инструмент табле. Причвршћивање упртача се постиже уметањем стезаљки у рупе. Роботски систем за уградњу снопа стога мора да реши два основна проблема: како измерити стање жичаног свежња и како се њиме руковати.

Жичани свежањ има сложена физичка својства. Током монтаже, показује и еластичну и пластичну деформацију. Ово отежава добијање прецизног динамичког модела.

Прототип система

Наш прототип система за монтажу упртача састоји се од три компактна шестоосна робота постављена испред оквира инструмент табле. Трећи робот помаже у позиционирању и хватању појаса.

Сваки робот је опремљен паралелним хватаљком са два прста са једним степеном слободе. Прсти за хватање имају два удубљења: једно за држање стезаљки упртача, друго за држање сегмената самог упртача.

Сваки крајњи ефектор је такође опремљен са две ЦЦД камере и ласерским сензором домета. Две камере имају различите жижне даљине како би обезбедиле велику дубину поља. Ласерски сензор домета се користи када је потребно прецизно мерење до сегмента жице. Око радне ћелије, 10 додатних камера са фиксном позицијом гледа на радну област из различитих праваца. Укључујући камере постављене на крајњим ефекторима, наш систем користи укупно 16 камера за вид.

Препознавање упртача се постиже машинским видом. За сваку стезаљку упртача причвршћен је посебно дизајниран пластични поклопац. Корице имају геометријске шаре које се читају помоћу АРТоолКит софтвера. Овај софтвер отвореног кода првобитно је дизајниран за апликације проширене стварности. Пружа скуп библиотека лаких за коришћење за откривање и препознавање маркера. Камера чита маркере да би одредила релативни положај појаса.

Сваки поклопац стезаљке има свој геометријски узорак. Образац говори контролеру робота релативну позицију упртача у простору, као и информације у вези са тим сегментом упртача (као што је где тај сегмент треба да буде позициониран на оквиру панела).

Фиксне камере око радне ћелије пружају грубе информације о положају сваке обујмице. Положај одређене обујмице се процењује интерполацијом положаја суседних стезаљки. Крајњи ефектор је вођен да се приближи хватаљци мете са информацијама о положају добијеним од фиксних камера—све док камера на ручном зглобу не пронађе мету. Од тог тренутка, навођење робота обезбеђује искључиво камера на ручном зглобу. Прецизност коју обезбеђује ручна камера на тој малој удаљености обезбеђује поуздано хватање стезаљки.

Сличан процес се користи за хватање деформабилног сегмента жичаног свежња. Положај циљног сегмента се прво процењује интерполацијом положаја суседних стезаљки. Пошто интерполирана крива није довољно прецизна да води робота, процењена површина се затим скенира ласерским скенером. Скенер емитује раван сноп одређене ширине. Тачан положај сегмента се тада може одредити из профила растојања добијеног од ласерског сензора.

Маркери у великој мери поједностављују мерење каблова. Иако су поклопци стезаљки повећали цену система, они у великој мери побољшавају поузданост система.

Харнесс Хандлинг

Стезаљка упртача је дизајнирана да се спаја са рупом у оквиру панела. Дакле, хватаљка хвата стезаљку за своју основу и убацује ножни прст у рупу.

Поред тога, постоје неке прилике у којима је потребно директно руковати сегментом жице. На пример, у многим процесима, један робот мора да обликује појас пре него што други робот може да обавља свој посао. У таквом случају, један робот је морао да оријентише стезаљку тако да до ње може доћи други робот. Једини начин да се то уради је да се уврне оближњи сегмент жице.

У почетку смо покушали да обликујемо жицу увијањем њене суседне стезаљке. Међутим, због ниске торзионе крутости сегмента жице то се показало немогућим. У наредним експериментима, робот је директно ухватио и савио сегмент жице. Током овог процеса, положај стезаљке мете надгледају околне камере. Процес савијања ће се наставити све док се оријентација циљне обујмице не поклопи са референтном вредношћу.

Верифицатион Екпериментс

Када смо развили прототип монтажног система, спровели смо серију експеримената да бисмо га тестирали. Процес почиње тако што роботи подижу жичани свежањ са вешалице. Затим убацују осам обујмица у оквир панела. Процес се завршава тако што се роботи враћају у почетну позицију приправности.

Десна рука умеће стеге 1, 2 и 3. Централна рука умеће стеге 4 и 5, а лева рука умеће стеге 6, 7 и 8.

Прво се убацује стезаљка 3, а затим стезаљке 1 и 2. Стеге 4 до 8 се затим убацују нумеричким редоследом.

Секвенца покрета роботских руку је генерисана коришћењем софтвера за симулацију. Алгоритам за детекцију судара спречио је роботе да ударе у објекте у окружењу или један у други.

Поред тога, неке операције у секвенци кретања генерисане су упућивањем на људске асемблере. У ту сврху смо снимили покрете радника током монтаже. Подаци обухватају и кретање радника и одговарајуће понашање кабелског свежња. Није изненађујуће да се стратегија кретања коју користи радник често показала ефикаснијом од робота.

Контрола увртања жичаних сегмената

У нашим експериментима понекад смо наилазили на потешкоће са уметањем стезаљки јер је било немогуће поставити хватаљку за задатак. На пример, стезаљка 5 треба да се убаци одмах након што је стезаљка 4 причвршћена на оквир. Међутим, сегмент појаса лево од стезаљке 4 би се увек спустио, што би отежавало централном роботу да постави стезаљку 5 за уметање.

Наше решење за овај проблем је било да унапред обликујемо циљни сегмент жице како бисмо обезбедили успешно хватање. Прво, стезаљку 5 подиже леви робот хватањем сегмента жице у близини стезаљке 5. Затим се оријентација стезаљке 5 регулише контролом торзионог стања сегмента жице. Ова операција претходног обликовања обезбеђује да се накнадно хватање стезаљке 5 увек изврши у најприкладнијој позицији.

Сарадња између оружја

У неким ситуацијама, монтажа жичаног свежња захтева сарадњу налик људима између више роботских руку. Уметање стезаљке 1 је добар пример. Када се стезаљка 2 убаци, стезаљка 1 ће се спустити. Простор доступан за уметање стезаљке 1 је ограничен и тешко је поставити хватаљку због опасности од судара са околином. Штавише, практично искуство нас је научило да избегавамо почетак ове операције са опуштеним сегментом жице, јер би то могло довести до тога да се сегменти жице захвате околним оквиром у наредним операцијама.

Наше решење овог проблема било је инспирисано понашањем људских радника. Људски радник лако координира употребу своје две руке да би извршио задатак. У овом случају, радник би једноставно једном руком уметнуо стезаљку 4, док би другом руком истовремено подешавао положај сегмента жице. Програмирали смо роботе да имплементирају исту стратегију.

Пластична деформација

У неким ситуацијама, било је тешко унапред обликовати сегмент жице кооперативном употребом два робота. Процес уметања стезаљке 6 је добар пример. За ову операцију очекивали смо да ће је лева роботска рука убацити у оквир, јер је то једина роботска рука која може да стигне до циља.

Како се испоставило, робот у почетку није могао доћи до стезаљке. Када контролер утврди да хватање стезаљке није могуће, робот ће покушати да ухвати сегмент жице у близини стезаљке уместо да ухвати саму стезаљку. Робот затим увија и савија сегмент да би окренуо лице стезаљке више улево. Савијање сегмента неколико пута је обично довољно да промени његову позицију. Када сегмент буде у одговарајућој позицији за хватање, робот ће поново покушати да ухвати циљну стезаљку.

Закључци

На крају, наш роботски систем је био у стању да угради осам стезаљки у оквир инструмент табле са просечним временом од 3 минута. Иако је та брзина још увек далеко од захтева за практичну примену, она показује техничку изводљивост монтаже роботског кабелског свежња.

Мора се решити неколико проблема да би систем био поуздан и довољно брз за практичну примену у индустрији. Прво, важно је да каблови буду унапред обликовани за роботско склапање. У поређењу са операцијама везања и одвезивања чворова, торзионо стање појединачних сегмената жице је критично за уградњу жичаног свежња, пошто роботи рукују деловима везаним за свежањ. Поред тога, хватаљка опремљена степеном слободе увртања би такође помогла при постављању упртача.

Да би се побољшала брзина процеса, треба размотрити динамичко понашање жице. Ово је очигледно у филмским студијама квалификованих радника који убацују жичане појасеве. Они користе обе руке и вешто кретање да контролишу динамичко љуљање жице и на тај начин избегавају околне препреке. Када се имплементира роботска монтажа са сличном брзином, биће потребни посебни приступи да би се сузбило динамичко понашање жице.

Иако су многи приступи коришћени у нашем истраживању једноставни, успешно смо демонстрирали аутоматско склапање са нашим прототипом роботског система. Постоји потенцијал за аутоматизацију са оваквим задацима.