Robotsamling af ledningsnet til biler

Ny forskning tyder på, at seks-aksede robotter kan bruges til at installere ledningsnet til biler.

Af Xin Yang

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

Fleraksede robotarme udfører en bred vifte af processer i bilmonteringsfabrikker, herunder maling, svejsning og fastgørelse.

Men selv med fremskridt inden for automationsteknologi kan nogle processer stadig ikke fuldføres uden dygtige menneskelige montører. Opgaven med at installere ledningsnet i bilkarosserier er en sådan opgave, som traditionelt har været svær for robotter.

Der har været noget tidligere forskning relateret til problemerne med at håndtere deformerbare lineære genstande, såsom ledninger eller rør, med robotter. Mange af disse undersøgelser koncentrerede sig om, hvordan man håndterer topologisk overgang af deformerbare lineære objekter. De forsøgte at programmere robotter til at binde knuder eller skabe løkker med reb. Disse undersøgelser anvendte matematisk knudeteori til at beskrive de topologiske overgange af rebet.

I disse tilgange projiceres et deformerbart lineært objekt i tre dimensioner først ind i et todimensionalt plan. Projektionen i planet, som er demonstreret som krydsede kurver, kan beskrives godt og behandles ved hjælp af knudeteori.

I 2006 udviklede et forskerhold ledet af Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., fra Osaka University i Japan en metode til at knytte og afknytte deformerbare lineære objekter med robotter. De definerede fire grundlæggende operationer (blandt dem svarer tre til Reidemeister-bevægelser), der er nødvendige for at fuldføre en overgang mellem to vilkårlige wire-crossing-tilstande. Forskerne viste, at enhver knude- eller afknytteoperation, der kan nedbrydes til sekventielle topologiske overgange, kan opnås ved at anvende en sekventiel kombination af disse fire grundlæggende operationer. Deres tilgang blev bekræftet, da de var i stand til at programmere en SCARA-robot til at binde et reb placeret på et skrivebord.

Tilsvarende udviklede forskere ledet af Takayuki Matsuno, Ph.D., fra Toyama Prefectural University i Imizu, Japan, en metode til at knytte et reb i tre dimensioner ved hjælp af to robotarme. Den ene robot holdt enden af ​​rebet, mens den anden knyttede det sammen. For at måle den tredimensionelle position af rebet blev der anvendt stereovision. Knudens tilstand beskrives ved hjælp af knudeinvarianter i stedet for Reidemeister-bevægelser.

I begge undersøgelser var robotterne udstyret med en klassisk, to-fingret parallelgriber med kun én frihedsgrad.

I 2008 demonstrerede et forskerhold ledet af Yuji Yamakawa fra University of Tokyo en teknik til at knytte reb ved hjælp af en robot udstyret med en højhastigheds hånd med flere fingre. Med en mere fingernem griber - inklusive kraft- og momentsensorer monteret i fingrene - bliver operationer som "reb-permutation" mulige, selv med en arm. Reb-permutation refererer til operationen med at udskifte pladserne på to reb ved at vride dem, mens du klemmer rebene mellem to fingre.

Andre forskningsprojekter har fokuseret på at løse problemer relateret til robothåndtering af deformerbare lineære objekter på samlebåndet.

For eksempel udviklede Tsugito Maruyama, Ph.D., og et team af forskere ved Fujitsu Laboratories Ltd. i Kawasaki, Japan, et ledningshåndteringssystem til et samlebånd, der fremstiller elektriske dele. En robotarm blev brugt til at indsætte signalkabler i spænder. To teknologier var afgørende for at få deres system til at fungere: en multiplan laserlysprojektor og et stereovisionssystem.

Jürgen Acker og forskere ved Kaiserslautern University of Technology i Tyskland udviklede en metode til at bruge 2D maskinsyn til at bestemme, hvor og hvordan et deformerbart lineært objekt (i dette tilfælde et bilkabel) kommer i kontakt med objekter i miljøet.

Baseret på al denne forskning forsøgte vi at udvikle et praktisk robotsystem til installation af ledningsnet på et samlebånd til biler. Selvom vores system blev udviklet i laboratoriet, er alle de betingelser, der anvendes i vores eksperimenter, refereret fra en rigtig bilfabrik. Vores mål var at demonstrere den tekniske gennemførlighed af et sådant system og bestemme områder, hvor yderligere udvikling er nødvendig.

Ledningssæt

Et ledningsnet til biler består af flere kabler omviklet med elektrisk tape. Den har en trælignende struktur med hver gren forbundet til et specifikt instrument. På samlebåndet fastgør en arbejder manuelt selen til instrumentpanelets ramme.

Et sæt plastklemmer er bundet ind i ledningsnettet. Disse klemmer svarer til huller i instrumentpanelets ramme. Fastgørelse af selen opnås ved at indsætte klemmerne i hullerne. Et robotsystem til montering af selen skal derfor løse to grundlæggende problemer: hvordan man måler tilstanden af ​​et ledningsnet, og hvordan man håndterer det.

Et ledningsnet har komplekse fysiske egenskaber. Under montering udviser den både elastisk deformation og plastisk deformation. Dette gør det vanskeligt at få en præcis dynamisk model af det.

Prototype system

Vores prototype-selesamlingssystem består af tre kompakte seks-aksede robotter placeret foran en instrumentpanelramme. Den tredje robot hjælper med at placere og gribe selen.

Hver robot er udstyret med en to-fingret parallelgriber med én frihedsgrad. Gribefingrene har to fordybninger: en til at holde seleklemmerne, den anden til at holde segmenter af selve selen.

Hver sluteffektor er også udstyret med to CCD-kameraer og en laserafstandssensor. De to kameraer har forskellige brændvidder for at give en stor dybdeskarphed. Laserafstandssensoren bruges, når præcis måling til et trådsegment er nødvendig. Omkring arbejdscellen vender 10 ekstra kameraer med fast position mod arbejdsområdet fra forskellige retninger. Inklusive kameraerne monteret på sluteffektorerne, anvender vores system i alt 16 vision-kameraer.

Genkendelse af selen opnås med maskinsyn. Et specialdesignet plastikbetræk er fastgjort til hver seleklemme. Omslagene har geometriske mønstre, der aflæses med ARToolKit software. Denne open source-software blev oprindeligt designet til augmented reality-applikationer. Det giver et sæt brugervenlige biblioteker til at detektere og genkende markørerne. Kameraet læser markørerne for at bestemme selens relative position.

Hvert klemmedæksel har sit eget geometriske mønster. Mønsteret fortæller robotcontrolleren den relative position af selen i rummet, samt information om det segment af selen (såsom hvor det segment skal placeres på panelrammen).

De faste kameraer omkring arbejdscellen giver grov positionsinformation om hver seleklemme. Positionen af ​​en specifik seleklemme estimeres ved at interpolere positionen af ​​tilstødende klemmer. Sluteffektoren guides til at nærme sig målklemmen med positionsinformation opnået fra de faste kameraer - indtil håndledskameraet kan finde målet. Fra det øjeblik leveres robotvejledning udelukkende af håndledskameraet. Præcisionen fra håndledskameraet på den korte afstand sikrer pålideligt greb om klemmerne.

En lignende proces bruges til at gribe et deformerbart segment af ledningsnettet. Positionen af ​​målsegmentet estimeres først ved at interpolere stillingen af ​​tilstødende klemmer. Da den interpolerede kurve ikke er præcis nok til at styre robotten, scannes det estimerede område derefter af laserscanneren. Scanneren udsender en plan stråle med en bestemt bredde. Den nøjagtige position af segmentet kan derefter bestemmes ud fra afstandsprofilen opnået fra lasersensoren.

Markørerne forenkler i høj grad målingen af ​​ledningsnettet. Selvom klemmedækslerne øgede omkostningerne ved systemet, forbedrer de systemets pålidelighed betydeligt.

Håndtering af sele

Seleklemmen er designet til at passe med et hul i panelrammen. Således griber griberen fat i en klemme ved sin base og sætter sin tå ind i hullet.

Derudover er der nogle tilfælde, hvor det er nødvendigt at håndtere et trådsegment direkte. For eksempel skal en robot i mange processer forme selen, før en anden robot kan udføre sit job. I et sådant tilfælde skulle en robot orientere en klemme, så den kunne nås af en anden robot. Den eneste måde at gøre dette på var at sno et nærliggende trådsegment.

Til at begynde med forsøgte vi at forme ledningen ved at dreje dens tilstødende klemme. På grund af den lave vridningsstivhed af trådsegmentet viste dette sig imidlertid at være umuligt. I efterfølgende eksperimenter greb og bøjede robotten trådsegmentet direkte. Under denne proces overvåges positionen af ​​målklemmen af ​​de omgivende kameraer. Bøjningsprocessen vil fortsætte, indtil orienteringen af ​​målklemmen falder sammen med en referenceværdi.

Verifikationseksperimenter

Da vi først udviklede et prototypesamlingssystem, kørte vi en række eksperimenter for at teste det. Processen starter med, at robotterne henter et ledningsnet fra en bøjle. De indsætter derefter otte seleklemmer i panelrammen. Processen ender med, at robotterne vender tilbage til den oprindelige standbyposition.

Højre arm indsætter klemmer 1, 2 og 3. Den centrale arm indsætter klemmer 4 og 5, og venstre arm indsætter klemmer 6, 7 og 8.

Klemme 3 indsættes først, efterfulgt af klemmer 1 og 2. Klemmer 4 til 8 indsættes derefter i numerisk rækkefølge.

Bevægelsessekvensen af ​​robotarmene blev genereret ved hjælp af simuleringssoftware. En kollisionsdetektionsalgoritme forhindrede robotterne i at banke ind i genstande i miljøet eller hinanden.

Derudover blev nogle operationer i bevægelsessekvensen genereret ved at henvise til menneskelige samlere. Til dette formål fangede vi arbejdernes bevægelser under samlingen. Dataene inkluderer både arbejderens bevægelse og den tilsvarende opførsel af ledningsnettet. Ikke overraskende viste en arbejders bevægelsesstrategi sig ofte at være mere effektiv end robotternes.

Snoningskontrol af trådsegmenter

I vores eksperimenter løb vi nogle gange ind i vanskeligheder med at indsætte klemmerne, fordi det var umuligt at placere griberen til opgaven. For eksempel skal klemme 5 indsættes umiddelbart efter, at klemme 4 er blevet fastgjort til rammen. Selesegmentet til venstre for klemme 4 ville dog uvægerligt falde, hvilket gør det vanskeligt for centerrobotten at placere klemme 5 til indsættelse.

Vores løsning på dette problem var at forforme måltrådssegmentet for at sikre et vellykket greb. Først løftes klemmen 5 op af den venstre robot ved at gribe trådsegmentet nær klemmen 5. Derefter reguleres klemmen 5's orientering ved at styre vridningstilstanden af ​​trådsegmentet. Denne forformningsoperation sikrer, at det efterfølgende greb af klemmen 5 altid udføres i den mest passende position.

Samarbejde mellem våben

I nogle situationer kræver samling af et ledningsnet et menneskelignende samarbejde mellem flere robotarme. Indsættelse af klemme 1 er et godt eksempel. Når klemme 2 er blevet indsat, vil klemme 1 falde. Den tilgængelige plads til at indsætte klemme 1 er begrænset, og det er vanskeligt at placere griberen på grund af risikoen for at kollidere med det omgivende miljø. Desuden har praktisk erfaring lært os at undgå at starte denne operation med det segment af tråden hængende, da det kan føre til at trådsegmenter bliver fanget af den omgivende ramme ved efterfølgende operationer.

Vores løsning på dette problem var inspireret af menneskelige arbejderes adfærd. En menneskelig arbejder koordinerer nemt brugen af ​​sine to arme for at fuldføre en opgave. I dette tilfælde vil en arbejder blot indsætte klemmen 4 med den ene hånd, mens den samtidig justerer positionen af ​​trådsegmentet med den anden hånd. Vi programmerede robotterne til at implementere den samme strategi.

Plastisk deformation

I nogle situationer var det vanskeligt at forforme trådsegmentet ved at bruge to robotter i fællesskab. Processen med at indsætte klemme 6 er et godt eksempel. Til denne operation forventede vi, at den venstre robotarm ville indsætte den i rammen, da det er den eneste robotarm, der kan nå målet.

Det viste sig, at robotten i første omgang ikke kunne nå klemmen. Når controlleren fastslår, at det ikke er muligt at gribe klemmen, vil robotten forsøge at gribe om trådsegmentet nær klemmen i stedet for at gribe om selve klemmen. Robotten drejer og bøjer derefter segmentet for at dreje klemmefladen mere til venstre. At bøje et segment et par gange er normalt nok til at ændre dets position. Når segmentet er en passende position til at gribe, vil robotten gøre endnu et forsøg på at gribe målklemmen.

Konklusioner

I sidste ende var vores robotsystem i stand til at installere otte klemmer i instrumentpanelrammen med en gennemsnitlig tid på 3 minutter. Selvom denne hastighed stadig er langt fra kravet til praktisk anvendelse, demonstrerer den den tekniske gennemførlighed af robottrådssamling.

Flere problemer skal løses for at gøre systemet pålideligt og hurtigt nok til praktisk industrianvendelse. For det første er det vigtigt, at ledningsnet er forformet til robotmontering. Sammenlignet med knude- og afknytteoperationer er vridningstilstanden af ​​de enkelte ledningssegmenter afgørende for installation af ledningsnet, da robotterne håndterer dele, der er bundet ind i selen. Derudover vil en griber udstyret med vridningsfrihedsgrad også hjælpe med installation af sele.

For at forbedre hastigheden af ​​processen bør den dynamiske opførsel af ledningen overvejes. Dette er tydeligt i filmstudier af faglærte arbejdere, der indsætter ledningsnet. De bruger både hænder og dygtige bevægelser til at styre den dynamiske svingning af wiren og derved undgå omgivende forhindringer. Ved implementering af robotsamling med lignende hastighed vil specielle tilgange være nødvendige for at undertrykke ledningens dynamiske opførsel.

Selvom mange af tilgangene i vores forskning er ligetil, har vi med succes demonstreret automatisk samling med vores prototype robotsystem. Der er potentiale for automatisering med den slags opgaver.