Autóipari kábelkötegek robotszerelvénye

Az új kutatások azt sugallják, hogy hattengelyes robotok használhatók autókábelek felszerelésére.

Írta: Xin Yang

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

A többtengelyes robotkarok sokféle folyamatot hajtanak végre az autóipari összeszerelő üzemekben, beleértve a festést, hegesztést és rögzítést.

Néhány folyamat azonban még az automatizálási technológia fejlődése ellenére sem hajtható végre képzett emberi összeszerelők nélkül. A kábelköteg autókarosszériába való felszerelése az egyik ilyen feladat, amely hagyományosan nehézkes a robotok számára.

Volt néhány korábbi kutatás a deformálható lineáris tárgyak, például vezetékek vagy csövek robotokkal való kezelésének problémáival kapcsolatban. E tanulmányok közül sok a deformálható lineáris objektumok topológiai átmeneteinek kezelésére összpontosított. Megpróbálták programozni a robotokat, hogy csomókat kössenek vagy hurkokat hozzanak létre kötéllel. Ezek a tanulmányok a matematikai csomóelméletet alkalmazták a kötél topológiai átmeneteinek leírására.

Ezekben a megközelítésekben egy háromdimenziós deformálható lineáris objektumot először egy kétdimenziós síkra vetítenek. A síkbeli vetület, amelyet keresztezett görbékként mutatunk be, jól leírható és kezelhető csomóelmélet segítségével.

2006-ban a japán Oszakai Egyetem kutatója, Hidefumi Wakamatsu, Ph.D. által vezetett kutatócsoport kifejlesztett egy módszert deformálható lineáris objektumok robotokkal történő csomózására és kicsomózására. Négy alapvető műveletet határoztak meg (közülük három egyenértékű a Reidemeister-mozdulatokkal), amelyek szükségesek bármely két vezeték keresztezési állapot közötti átmenet befejezéséhez. A kutatók kimutatták, hogy bármely csomózási vagy csomózási művelet, amely szekvenciális topológiai átmenetekre bontható, megvalósítható e négy alapvető művelet szekvenciális kombinációjának alkalmazásával. Megközelítésük bebizonyosodott, amikor egy SCARA robotot be tudtak programozni egy asztalon elhelyezett kötél csomózására.

Hasonlóképpen, Takayuki Matsuno, Ph.D., a japán imizui Toyama Prefectural University kutatói kifejlesztettek egy módszert egy kötél háromdimenziós csomózására két robotkar segítségével. Az egyik robot tartotta a kötél végét, míg a másik megcsomózta. A kötél háromdimenziós helyzetének mérésére sztereó látást alkalmaztunk. A csomó állapotát a Reidemeister mozdulatok helyett csomóinvariánsok segítségével írják le.

Mindkét vizsgálatban a robotokat egy klasszikus, kétujjas párhuzamos megfogóval szerelték fel, mindössze egy szabadságfokkal.

2008-ban a Yuji Yamakawa, a Tokiói Egyetem kutatócsoportja egy technikát mutatott be kötél csomózására egy nagy sebességű, többujjas kézzel felszerelt robot segítségével. Egy ügyesebb megfogóval – beleértve az ujjakba szerelt erő- és nyomatékérzékelőket – lehetővé válik az olyan műveletek, mint a „kötélpermutáció”, akár egy karral is. A kötélpermutáció azt a műveletet jelenti, amikor két kötél helyét felcserélik úgy, hogy megcsavarják, miközben a kötelet két ujj között megcsípik.

Más kutatási projektek a deformálható lineáris tárgyak összeszerelősoron történő robotizált kezelésével kapcsolatos problémák megoldására összpontosítottak.

Például Tsugito Maruyama, Ph.D. és a Fujitsu Laboratories Ltd. kutatócsoportja (Japán, Kawasaki) kifejlesztett egy huzalkezelő rendszert egy elektromos alkatrészeket gyártó összeszerelő sorhoz. A jelkábelek kapcsokba való beillesztésére robotkart használtak. Két technológia volt kritikus a rendszerük működéséhez: egy többsíkú lézerfény-projektor és egy sztereó látórendszer.

Jürgen Acker és a németországi Kaiserslauterni Műszaki Egyetem kutatói kidolgoztak egy módszert a 2D gépi látás segítségével annak meghatározására, hogy egy deformálható lineáris tárgy (jelen esetben egy autókábel) hol és hogyan érintkezik a környezetben lévő tárgyakkal.

Mindezen kutatások alapján kísérletet tettünk egy gyakorlatias robotrendszer kifejlesztésére a kábelköteg autóipari összeszerelő sorra történő felszerelésére. Bár rendszerünket laboratóriumban fejlesztettük ki, a kísérleteinkben alkalmazott összes körülmény egy valódi autógyárból származik. Célunk az volt, hogy bemutassuk egy ilyen rendszer műszaki megvalósíthatóságát, és meghatározzuk azokat a területeket, ahol további fejlesztésre van szükség.

Kábelköteg-szerelvény

Az autóipari kábelköteg több, elektromos szalaggal körbevont kábelből áll. Faszerű szerkezetű, minden ága egy adott műszerhez kapcsolódik. A szerelősoron egy dolgozó kézzel rögzíti a kábelköteget a műszerfal keretéhez.

A kábelkötegbe műanyag bilincsek vannak bekötve. Ezek a bilincsek a műszerfal keretén lévő lyukaknak felelnek meg. A kábelköteg rögzítése a bilincsek lyukakba való behelyezésével történik. A kábelköteg beszerelésére szolgáló robotrendszernek tehát két alapvető problémát kell megoldania: hogyan kell mérni a kábelköteg állapotát, és hogyan kell kezelni.

A kábelköteg összetett fizikai tulajdonságokkal rendelkezik. Az összeszerelés során rugalmas deformációt és képlékeny deformációt is mutat. Ez megnehezíti a pontos dinamikus modell megszerzését.

Prototípus rendszer

A prototípus kábelköteg-összeszerelő rendszerünk három, kompakt, hattengelyes robotból áll, amelyek a műszerfal kerete előtt vannak elhelyezve. A harmadik robot segít a heveder elhelyezésében és megfogásában.

Minden robot egy kétujjas párhuzamos megfogóval van felszerelve, egy szabadságfokkal. A megfogó ujjain két bemélyedés található: az egyik a heveder bilincseinek, a másik pedig magának a hevedernek a szegmenseinek megtartásához.

Mindegyik végberendezés két CCD kamerával és egy lézeres hatótávolság-érzékelővel is fel van szerelve. A két kamera eltérő gyújtótávolsággal rendelkezik, hogy nagy mélységélességet biztosítson. A lézeres hatótávolság-érzékelőt akkor használják, ha egy vezetékszakasz pontos mérésére van szükség. A munkacella körül 10 további fix pozíciós kamera néz a munkaterületre különböző irányokból. A végberendezésekre szerelt kamerákkal együtt rendszerünk összesen 16 látókamerát alkalmaz.

A heveder felismerése gépi látással történik. Minden hevederbilincshez speciálisan kialakított műanyag burkolat van rögzítve. A borítók geometriai mintázatúak, amelyeket az ARToolKit szoftverrel olvasunk ki. Ezt a nyílt forráskódú szoftvert eredetileg kiterjesztett valóság alkalmazásokhoz tervezték. Könnyen használható könyvtárakat biztosít a markerek észleléséhez és felismeréséhez. A kamera leolvassa a markereket, hogy meghatározza a heveder relatív helyzetét.

Minden bilincs fedelének saját geometriai mintája van. A minta közli a robotvezérlővel a kábelköteg relatív helyzetét a térben, valamint a kábelköteg adott szegmensére vonatkozó információkat (például azt, hogy a szegmensnek hol kell elhelyezkednie a panel keretén).

A munkacella körüli rögzített kamerák hozzávetőleges helyzetinformációkat adnak az egyes hevederbilincsekről. Egy adott kábelköteg-bilincs helyzetét a szomszédos bilincsek helyzetének interpolálásával becsüljük meg. A vég-effektort a rögzített kameráktól kapott helyzetinformációkkal a célbilincs megközelítéséhez irányítják – amíg a csuklókamera meg nem találja a célt. Ettől a pillanattól kezdve a robot irányítását kizárólag a csuklókamera biztosítja. A csuklókamera által biztosított pontosság ezen a kis távolságon biztosítja a bilincsek megbízható megfogását.

Hasonló eljárást alkalmaznak a kábelköteg deformálható szegmensének megragadására. A célszegmens helyzetét először a szomszédos bilincsek helyzetének interpolálásával becsüljük meg. Mivel az interpolált görbe nem elég pontos ahhoz, hogy irányítsa a robotot, a becsült területet ezután a lézerszkenner pásztázza. A szkenner meghatározott szélességű síknyalábot bocsát ki. A szegmens pontos helyzete ezután meghatározható a lézerszenzortól kapott távolságprofilból.

A markerek nagyban leegyszerűsítik a kábelköteg mérését. A szorítófedelek ugyan növelték a rendszer költségét, de nagymértékben javítják a rendszer megbízhatóságát.

Hámkezelés

A kábelköteg-bilincset úgy tervezték, hogy illeszkedjen a panel keretén lévő lyukhoz. Így a megfogó az alapjánál fogva megragad egy bilincset, és behelyezi a lábujját a lyukba.

Ezenkívül vannak olyan esetek, amikor közvetlenül kell kezelni egy vezetékszakaszt. Például sok folyamatban egy robotnak meg kell formálnia a hevedert, mielőtt egy másik robot elvégezhetné a feladatát. Ilyen esetben az egyik robotnak úgy kellett beállítania a szorítót, hogy azt egy másik robot elérhesse. Ennek egyetlen módja egy közeli vezetékszakasz megcsavarása volt.

Kezdetben megpróbáltuk formálni a vezetéket a szomszédos bilincs csavarásával. Ez azonban a huzalszegmens alacsony csavarási merevsége miatt lehetetlennek bizonyult. A következő kísérletekben a robot közvetlenül megragadta és meghajlította a huzalszakaszt. A folyamat során a célbilincs pozícióját a környező kamerák figyelik. A hajlítási folyamat addig folytatódik, amíg a célbilincs tájolása egybe nem esik egy referenciaértékkel.

Ellenőrző kísérletek

Miután kifejlesztettünk egy prototípus-összeszerelő rendszert, kísérletsorozatot futtattunk, hogy kipróbáljuk. A folyamat azzal kezdődik, hogy a robotok felvesznek egy kábelköteget az akasztóról. Ezután nyolc kábelköteg-bilincset helyeznek be a panel keretébe. A folyamat azzal ér véget, hogy a robotok visszatérnek a kezdeti készenléti pozícióba.

A jobb kar beilleszti az 1., 2. és 3. bilincseket. A középső kar a 4. és 5., a bal kar pedig a 6., 7. és 8. bilincseket.

Először a 3. kapcsot helyezzük be, majd az 1. és 2. bilincseket. Ezután a 4-8 bilincseket számsorrendben helyezzük be.

A robotkarok mozgássorát szimulációs szoftver segítségével állítottuk elő. Egy ütközésérzékelő algoritmus akadályozta meg, hogy a robotok beleütközzenek a környezetben lévő tárgyakba vagy egymásba.

Ezen túlmenően, a mozgássorozat egyes műveleteit emberi összeszerelőkre való hivatkozással generálták. Ebből a célból megörökítettük a munkások mozgását összeszerelés közben. Az adatok magukban foglalják a dolgozó mozgását és a kábelköteg megfelelő viselkedését is. Nem meglepő, hogy a munkások mozgásstratégiája gyakran hatékonyabbnak bizonyult, mint a robotoké.

Huzalszegmensek csavarásos vezérlése

Kísérleteink során néha nehézségekbe ütköztünk a bilincsek behelyezése során, mert lehetetlen volt a megfogót a feladathoz elhelyezni. Például az 5-ös bilincset azonnal be kell helyezni, miután a 4-es szorítót a kerethez rögzítette. A 4 bilincstől balra lévő kábelköteg-szegmens azonban mindig leereszkedne, ami megnehezíti a középső robot számára az 5 bilincs behelyezését.

Megoldásunk erre a problémára az volt, hogy előre megformázzuk a célhuzalszakaszt a sikeres megfogás érdekében. Először az 5 bilincset a bal oldali robot emeli fel úgy, hogy megfogja az 5 bilincs közelében lévő huzalszakaszt. Ezután az 5 bilincs tájolását a huzalszegmens torziós állapotának szabályozásával szabályozzuk. Ez az előalakítási művelet biztosítja, hogy az 5 bilincs utólagos megfogása mindig a legmegfelelőbb helyzetben történjen.

Fegyverek közötti együttműködés

Egyes helyzetekben a kábelköteg összeszereléséhez több robotkar emberszerű együttműködése szükséges. Jó példa az 1. bilincs behelyezése. A 2. bilincs behelyezése után az 1. bilincs leesik. Az 1. bilincs behelyezéséhez rendelkezésre álló hely korlátozott, és a megfogó elhelyezése nehézkes a környező környezettel való ütközés veszélye miatt. Ezen túlmenően a gyakorlati tapasztalatok megtanítottak bennünket arra, hogy ne kezdjük el ezt a műveletet a huzal azon szegmensével, amely lelóg, mivel ez ahhoz vezethet, hogy a következő műveletek során a környező keret elkaphatja a huzalszegmenseket.

A problémára adott megoldásunkat az emberi munkások viselkedése ihlette. Az emberi munkás könnyedén összehangolja két karjának használatát egy feladat elvégzéséhez. Ebben az esetben a dolgozó egyszerűen behelyezi a 4-es szorítót az egyik kezével, miközben a másik kezével egyidejűleg beállítja a huzalszegmens helyzetét. A robotokat ugyanazon stratégia megvalósítására programoztuk.

Műanyag deformáció

Egyes helyzetekben nehéz volt előre megformázni a huzalszakaszt két robot együttes alkalmazásával. Jó példa erre a 6. bilincs behelyezésének folyamata. Ennél a műveletnél arra számítottunk, hogy a bal robotkar behelyezi a keretbe, mivel ez az egyetlen robotkar, amely elérheti a célt.

Mint kiderült, a robot kezdetben nem tudta elérni a szorítót. Amikor a vezérlő megállapítja, hogy a bilincs megfogása nem megvalósítható, a robot megpróbálja megragadni a bilincs közelében lévő vezetékszakaszt, ahelyett, hogy magát a bilincset fogja meg. A robot ezután megcsavarja és meghajlítja a szegmenst, hogy a szorítófelületet jobban balra fordítsa. A szegmens néhányszori hajlítása általában elég ahhoz, hogy megváltoztassa a helyzetét. Amint a szegmens megfelelő pozícióba kerül a megfogáshoz, a robot újabb kísérletet tesz a célkapocs megfogására.

Következtetések

Végül a robotrendszerünk nyolc bilincset tudott beszerelni a műszerfal keretébe átlagosan 3 perc alatt. Noha ez a sebesség még messze van a gyakorlati alkalmazás követelményétől, mégis bizonyítja a robotkábel-összeállítás műszaki megvalósíthatóságát.

Számos problémát meg kell oldani, hogy a rendszer megbízható és kellően gyors legyen a gyakorlati ipari alkalmazáshoz. Először is fontos, hogy a kábelkötegeket előre megformálják a robotos összeszereléshez. Összehasonlítva a csomózási és csomózási műveletekkel, az egyes huzalszegmensek torziós állapota kritikus a kábelköteg felszereléséhez, mivel a robotok a kábelkötegbe kötött részeket kezelik. Ezenkívül egy csavaró szabadságfokkal felszerelt megfogó is segíti a heveder felszerelését.

A folyamat sebességének javítása érdekében figyelembe kell venni a huzal dinamikus viselkedését. Ez nyilvánvaló a kábelkötegeket behelyező szakmunkások filmes tanulmányaiból. Mindkét kezükkel és ügyes mozdulatokkal szabályozzák a huzal dinamikus kilengését, és ezáltal elkerülik a környező akadályokat. Hasonló sebességű robotszerelvény megvalósításakor speciális megközelítésekre lesz szükség a huzal dinamikus viselkedésének elnyomására.

Bár a kutatásunkban alkalmazott megközelítések közül sok egyszerű, sikeresen demonstráltuk az automatikus összeszerelést prototípus robotrendszerünkkel. Az ilyen jellegű feladatoknál van lehetőség az automatizálásra.