Роботизоване складання автомобільних джгутів

Нові дослідження показують, що шестиосьових роботів можна використовувати для встановлення автомобільних джгутів проводів.

Автор Xin Yang

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

Багатоосьові руки робота виконують широкий спектр процесів на автомобільних складальних підприємствах, включаючи фарбування, зварювання та кріплення.

Однак, навіть завдяки прогресу в технологіях автоматизації, деякі процеси все ще не можуть бути завершені без кваліфікованих монтажників. Завдання встановлення джгутів дротів у кузови автомобілів є одним із таких завдань, яке традиційно було складним для роботів.

Були деякі попередні дослідження, пов’язані з проблемами поводження з деформівними лінійними об’єктами, такими як дріт або труби, за допомогою роботів. Багато з цих досліджень зосереджено на тому, як мати справу з топологічним переходом лінійних об'єктів, що деформуються. Вони намагалися запрограмувати роботів зав'язувати вузли або створювати петлі з мотузки. Ці дослідження застосували математичну теорію вузлів для опису топологічних переходів мотузки.

У цих підходах деформований лінійний об’єкт у трьох вимірах спочатку проектується на двовимірну площину. Проекція на площину, яка демонструється як перехрещені криві, може бути добре описана та оброблена за допомогою теорії вузлів.

У 2006 році дослідницька група під керівництвом Хідефумі Вакамацу, доктора філософії, з Університету Осаки в Японії розробила метод зав’язування та розв’язування деформованих лінійних об’єктів за допомогою роботів. Вони визначили чотири фундаментальні операції (серед них три еквівалентні рухам Рейдемейстера), необхідні для завершення переходу між будь-якими двома станами перетину проводів. Дослідники показали, що будь-яка операція зв’язування або розв’язування вузлів, яка може бути розкладена на послідовні топологічні переходи, може бути досягнута шляхом використання послідовної комбінації цих чотирьох основних операцій. Їхній підхід підтвердили, коли вони змогли запрограмувати робота SCARA зв’язувати мотузку на столі.

Подібним чином дослідники на чолі з Такаюкі Мацуно, доктором філософії, з Університету префектури Тояма в Імідзу, Японія, розробили метод тривимірного зв’язування мотузки за допомогою двох рук робота. Один робот тримав кінець мотузки, а інший зв’язував її. Для вимірювання тривимірного положення мотузки використовувався стереозор. Стан вузла описується за допомогою інваріантів вузла замість рухів Рейдемейстера.

В обох дослідженнях роботи були оснащені класичним двопальцевим паралельним захватом лише з одним ступенем свободи.

У 2008 році дослідницька група під керівництвом Юдзі Ямакава з Токійського університету продемонструвала техніку зв’язування мотузки за допомогою робота, оснащеного високошвидкісною рукою з кількома пальцями. З більш спритним захватом, включаючи датчики сили та крутного моменту, встановлені в пальцях, такі операції, як «перестановка мотузки», стають можливими навіть однією рукою. Перестановка мотузки – це операція обміну місцями двох мотузок шляхом їх скручування, одночасно затискаючи мотузки двома пальцями.

Інші дослідницькі проекти були зосереджені на розв’язанні проблем, пов’язаних із роботизованою обробкою лінійних об’єктів, що деформуються, на конвеєрі.

Наприклад, доктор філософії Цугіто Маруяма та команда дослідників з Fujitsu Laboratories Ltd. у Кавасакі, Японія, розробили систему транспортування дроту для складальної лінії, що виготовляє електричні частини. Рука робота була використана для вставлення сигнальних кабелів у застібки. Дві технології були вирішальними для забезпечення роботи їхньої системи: мультипланарний проектор лазерного світла та система стереобачення.

Юрген Акер і дослідники з Технологічного університету Кайзерслаутерна в Німеччині розробили метод використання двовимірного машинного зору для визначення того, де і як деформований лінійний об’єкт (у цьому випадку автомобільний кабель) контактує з об’єктами в навколишньому середовищі.

На основі всіх цих досліджень ми спробували розробити практичну роботизовану систему для встановлення джгутів на конвеєрі автомобілів. Незважаючи на те, що наша система була розроблена в лабораторії, усі умови, які використовуються в наших експериментах, узяті з реального автомобільного заводу. Нашою метою було продемонструвати технічну здійсненність такої системи та визначити сфери, де необхідний подальший розвиток.

Монтаж джгута проводів

Автомобільний джгут проводів складається з кількох кабелів, обмотаних ізоляційною стрічкою. Він має деревоподібну структуру, кожна гілка якої підключена до певного інструменту. На конвеєрі робітник вручну прикріплює джгут до рами приладової панелі.

Набір пластикових затискачів прикріплено до джгута проводів. Ці затискачі відповідають отворам у рамі приладової панелі. Кріплення джгута здійснюється шляхом вставлення затискачів в отвори. Таким чином, роботизована система для встановлення джгута повинна вирішити дві основні проблеми: як виміряти стан джгута та як з ним поводитись.

Джгут проводів має складні фізичні властивості. Під час складання він виявляє як пружну, так і пластичну деформацію. Це ускладнює отримання точної динамічної моделі.

Прототип системи

Наш прототип системи складання джгутів складається з трьох компактних шестиосьових роботів, розташованих перед рамою приладової панелі. Третій робот допомагає позиціонувати та захоплювати збрую.

Кожен робот оснащений двопалим паралельним захватом з одним ступенем свободи. Пальці захвату мають два поглиблення: одне для утримання затискачів джгута, інше для утримання сегментів самого джгута.

Кожен кінцевий ефектор також оснащений двома ПЗЗ-камерами та лазерним датчиком дальності. Дві камери мають різні фокусні відстані, що забезпечує велику глибину різкості. Лазерний датчик дальності використовується, коли необхідно точне вимірювання до відрізка дроту. Навколо робочої камери 10 додаткових камер із фіксованим положенням дивляться на робочу зону з різних боків. Включаючи камери, встановлені на кінцевих ефекторах, наша система використовує загалом 16 відеокамер.

Розпізнавання джгута здійснюється за допомогою машинного зору. Спеціально розроблена пластикова кришка прикріплена до кожного затискача джгута. Обкладинки мають геометричні візерунки, які зчитуються програмою ARToolKit. Це програмне забезпечення з відкритим кодом спочатку було розроблено для додатків доповненої реальності. Він надає набір простих у використанні бібліотек для виявлення та розпізнавання маркерів. Камера зчитує маркери, щоб визначити взаємне положення джгута.

Кожна кришка затиску має свій власний геометричний малюнок. Шаблон повідомляє контролеру робота відносне положення джгута в просторі, а також інформацію про цей сегмент джгута (наприклад, де цей сегмент повинен бути розташований на рамі панелі).

Стаціонарні камери навколо робочої камери надають приблизну інформацію про місцезнаходження кожного затискача. Положення конкретного затискача джгута оцінюється шляхом інтерполяції положення сусідніх затискачів. Кінцевий ефектор направляється для наближення до цільового затискача за допомогою позиційної інформації, отриманої від фіксованих камер, доки камера на зап’ясті не зможе знайти ціль. З цього моменту керування роботом здійснюється виключно камерою на зап’ясті. Точність, яку забезпечує наручна камера на такій короткій відстані, забезпечує надійне захоплення затискачів.

Аналогічний процес використовується для захоплення деформованого сегмента джгута проводів. Положення цільового сегмента спочатку оцінюється шляхом інтерполяції положення сусідніх затискачів. Оскільки інтерпольована крива недостатньо точна, щоб керувати роботом, оцінена площа потім сканується лазерним сканером. Сканер випромінює плоский промінь певної ширини. Тоді точне положення сегмента можна визначити з профілю відстані, отриманого від лазерного датчика.

Маркери значно спрощують вимірювання джгута проводів. Хоча кришки затискачів збільшують вартість системи, вони значно підвищують надійність системи.

Поводження з упряжями

Затискач джгута призначений для сполучення з отвором у рамі панелі. Таким чином, захват захоплює затискач за основу і вставляє його носок в отвір.

Крім того, є деякі випадки, коли необхідно обробляти сегмент дроту безпосередньо. Наприклад, у багатьох процесах один робот повинен сформувати джгут, перш ніж інший робот зможе виконувати свою роботу. У такому випадку одному роботу потрібно було орієнтувати затискач так, щоб до нього міг дістатися інший робот. Єдиний спосіб зробити це — скрутити сусідній сегмент дроту.

Спочатку ми спробували сформувати дріт, скручуючи його сусідній затискач. Однак через низьку жорсткість дротяного сегмента на кручення це виявилося неможливим. У подальших експериментах робот схопив і зігнув сегмент дроту безпосередньо. Під час цього процесу положення цільового затискача контролюється навколишніми камерами. Процес згинання триватиме до тих пір, поки орієнтація цільового затискача не збігається з контрольним значенням.

Перевірочні досліди

Коли ми розробили прототип системи складання, ми провели серію експериментів, щоб перевірити її. Процес починається з того, що роботи збирають джгут проводів із вішалки. Потім вони вставляють вісім затискачів джгутів у каркас панелі. Процес завершується поверненням роботів у початкове положення очікування.

Правий важіль вставляє затискачі 1, 2 і 3. Центральний важіль вставляє затискачі 4 і 5, а лівий важіль вставляє затискачі 6, 7 і 8.

Спочатку вставляється затискач 3, а потім затискачі 1 і 2. Потім затискачі з 4 по 8 вставляються в порядку номерів.

Послідовність руху рук робота була згенерована за допомогою програмного забезпечення для моделювання. Алгоритм виявлення зіткнень не дозволяв роботам зіткнутися з предметами в навколишньому середовищі або один з одним.

Крім того, деякі операції в послідовності руху були згенеровані шляхом посилання на асемблери-людини. Для цього ми фіксували рухи робітників під час складання. Дані включають як рух працівника, так і відповідну поведінку джгута проводів. Не дивно, що стратегія руху, яку застосовує робітник, часто виявляється ефективнішою, ніж у роботів.

Контроль скручування сегментів дроту

У наших експериментах ми іноді стикалися з труднощами під час вставлення затискачів, оскільки було неможливо розташувати захват для виконання завдання. Наприклад, затискач 5 слід вставити відразу після закріплення затискача 4 на рамі. Однак сегмент джгута зліва від затискача 4 незмінно опускався, що ускладнювало центральному роботу розташувати затискач 5 для вставлення.

Наше рішення цієї проблеми полягало в тому, щоб попередньо сформувати цільовий сегмент дроту для забезпечення успішного захоплення. Спочатку затискач 5 піднімається вгору лівим роботом, захоплюючи сегмент дроту біля затискача 5. Потім орієнтація затискача 5 регулюється шляхом контролю торсійного стану сегмента дроту. Ця операція попереднього формування гарантує, що наступне захоплення затискача 5 завжди виконується в найбільш відповідному положенні.

Співпраця між зброєю

У деяких ситуаціях для складання джгута проводів потрібна взаємодія кількох рук робота, як у людини. Гарним прикладом є вставка затискача 1. Після вставлення затискача 2 затискач 1 опуститься. Простір, доступний для вставлення затискача 1, обмежений, і важко розмістити захват через ризик зіткнення з навколишнім середовищем. Крім того, практичний досвід навчив нас уникати початку цієї операції, коли цей сегмент дроту звисає, оскільки це може призвести до того, що сегменти дроту будуть захоплені навколишньою рамою під час наступних операцій.

Наше рішення цієї проблеми було надихнуто поведінкою людей-працівників. Людина-працівник легко координує використання своїх двох рук для виконання завдання. У цьому випадку працівник просто вставляє затискач 4 однією рукою, одночасно регулюючи іншою рукою положення відрізка дроту. Ми запрограмували роботів на реалізацію тієї ж стратегії.

Пластична деформація

У деяких ситуаціях було складно попередньо сформувати сегмент дроту шляхом спільного використання двох роботів. Хорошим прикладом є процес вставлення затискача 6. Під час цієї операції ми очікували, що ліва рука робота вставить її в раму, оскільки це єдина рука робота, яка може досягти цілі.

Як виявилося, робот спочатку не міг дістатися до затиску. Коли контролер вирішує, що неможливо захопити затискач, робот спробує схопити сегмент дроту біля затискача замість того, щоб захопити сам затискач. Потім робот крутить і згинає сегмент, щоб повернути затискач ліворуч. Зазвичай досить зігнути сегмент кілька разів, щоб змінити його положення. Коли сегмент займе відповідне положення для захоплення, робот зробить ще одну спробу захопити цільовий затискач.

Висновки

Зрештою наша роботизована система змогла встановити вісім затискачів у раму панелі приладів із середнім часом 3 хвилини. Хоча ця швидкість все ще далека від вимоги для практичного застосування, вона демонструє технічну можливість збірки роботизованих джгутів.

Необхідно вирішити декілька проблем, щоб зробити систему надійною та достатньо швидкою для практичного промислового застосування. По-перше, важливо, щоб джгути дротів були попередньо сформовані для роботизованого складання. Порівняно з операціями зв’язування та розв’язування вузлів, крутильний стан окремих сегментів дроту має вирішальне значення для встановлення джгута, оскільки роботи обробляють частини, зв’язані в джгут. Крім того, захват, оснащений ступенем свободи скручування, також допоможе в установці джгута.

Щоб підвищити швидкість процесу, слід враховувати динамічну поведінку дроту. Це видно з фільмів, де кваліфіковані робітники вставляють джгути дротів. Вони використовують обидві руки та вправні рухи, щоб контролювати динамічне коливання дроту та таким чином уникати навколишніх перешкод. При реалізації роботизованого складання з такою ж швидкістю будуть потрібні спеціальні підходи для придушення динамічної поведінки дроту.

Хоча багато підходів, використаних у нашому дослідженні, є простими, ми успішно продемонстрували автоматичне складання за допомогою нашого прототипу роботизованої системи. У таких завдань є потенціал для автоматизації.