Robotmontering av kablage till fordon

Ny forskning tyder på att sexaxliga robotar kan användas för att installera kablage till bilar.

Av Xin Yang

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

Fleraxliga robotarmar utför en mängd olika processer i bilmonteringsfabriker, inklusive målning, svetsning och fastsättning.

Men även med framsteg inom automationsteknik kan vissa processer fortfarande inte slutföras utan skickliga mänskliga montörer. Uppgiften att installera kablar i bilkarosser är en sådan uppgift som traditionellt har varit svår för robotar.

Det har gjorts en del tidigare forskning relaterad till problemen med att hantera deformerbara linjära föremål, såsom tråd eller rör, med robotar. Många av dessa studier koncentrerade sig på hur man hanterar topologisk övergång av deformerbara linjära objekt. De försökte programmera robotar att knyta knutar eller skapa öglor med rep. Dessa studier tillämpade matematisk knutteori för att beskriva repets topologiska övergångar.

I dessa tillvägagångssätt projiceras först ett deformerbart linjärt föremål i tre dimensioner in i ett tvådimensionellt plan. Projektionen i planet, som visas som korsade kurvor, kan väl beskrivas och behandlas med hjälp av knutteori.

År 2006 utvecklade ett forskarlag under ledning av Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., från Osaka University i Japan en metod för att knyta och knyta deformerbara linjära objekt med robotar. De definierade fyra grundläggande operationer (bland dem är tre ekvivalenta med Reidemeister-rörelser) som är nödvändiga för att fullborda en övergång mellan två trådkorsande tillstånd. Forskarna visade att alla knutnings- eller avknutningsoperationer som kan brytas ned i sekventiella topologiska övergångar kan uppnås genom att använda en sekventiell kombination av dessa fyra grundläggande operationer. Deras tillvägagångssätt verifierades när de kunde programmera en SCARA-robot att knyta ett rep placerat på ett skrivbord.

På liknande sätt utvecklade forskare under ledning av Takayuki Matsuno, Ph.D., från Toyama Prefectural University i Imizu, Japan, en metod för att knyta ett rep i tre dimensioner med hjälp av två robotarmar. En robot höll i änden av repet, medan den andra knöt fast det. För att mäta den tredimensionella positionen för repet användes stereoseende. Tillståndet för knuten beskrivs med knutinvarianter istället för Reidemeister-rörelser.

I båda studierna var robotarna utrustade med en klassisk, tvåfingrad parallellgripare med endast en frihetsgrad.

År 2008 demonstrerade ett forskarlag under ledning av Yuji Yamakawa vid University of Tokyo en teknik för att knyta rep med hjälp av en robot utrustad med en höghastighets multifingrad hand. Med en mer skicklig gripare – inklusive kraft- och vridmomentsensorer monterade i fingrarna – blir operationer som "rep-permutation" möjliga, även med en arm. Reppermutation hänvisar till operationen att byta plats för två rep genom att vrida dem samtidigt som man klämmer ihop repen mellan två fingrar.

Andra forskningsprojekt har fokuserat på att lösa problem relaterade till robothantering av deformerbara linjära föremål på löpande band.

Tsugito Maruyama, Ph.D., och ett team av forskare vid Fujitsu Laboratories Ltd. i Kawasaki, Japan, utvecklade till exempel ett trådhanteringssystem för en löpande linje som tillverkar elektriska delar. En robotarm användes för att föra in signalkablar i spännen. Två tekniker var avgörande för att deras system skulle fungera: en laserprojektor med flera plan och ett stereovisionssystem.

Jürgen Acker och forskare vid Kaiserslauterns tekniska universitet i Tyskland utvecklade en metod för att använda 2D-maskinseende för att bestämma var och hur ett deformerbart linjärt föremål (i detta fall en bilkabel) kommer i kontakt med föremål i miljön.

Baserat på all denna forskning försökte vi utveckla ett praktiskt robotsystem för installation av kablar på en monteringslinje för fordon. Även om vårt system utvecklades i laboratoriet, är alla förhållanden som används i våra experiment refererade från en riktig bilfabrik. Vårt mål var att visa den tekniska genomförbarheten av ett sådant system och fastställa områden där ytterligare utveckling är nödvändig.

Kabelnätsenhet

En kablage för bilar består av flera kablar omlindade med eltejp. Den har en trädliknande struktur med varje gren kopplad till ett specifikt instrument. På löpande bandet fäster en arbetare manuellt selen på instrumentpanelens ram.

En uppsättning plastklämmor är bundna i ledningsnätet. Dessa klämmor motsvarar hål i instrumentpanelens ram. Fastsättning av selen uppnås genom att föra in klämmorna i hålen. Ett robotsystem för att installera selen måste därför lösa två grundläggande problem: hur man mäter tillståndet för en kabelhärva, och hur man hanterar den.

Ett kabelnät har komplexa fysiska egenskaper. Under monteringen uppvisar den både elastisk deformation och plastisk deformation. Detta gör det svårt att få en exakt dynamisk modell av det.

Prototypsystem

Vårt prototypsystem för selemontage består av tre kompakta sexaxliga robotar placerade framför en instrumentpanelram. Den tredje roboten hjälper till med att placera och greppa selen.

Varje robot är utrustad med en tvåfingrad parallellgripare med en frihetsgrad. Gripfingrarna har två fördjupningar: en för att hålla selens klämmor, den andra för att hålla segment av själva selen.

Varje sluteffektor är också utrustad med två CCD-kameror och en laseravståndssensor. De två kamerorna har olika brännvidder för att ge ett stort skärpedjup. Laseravståndssensorn används när exakt mätning till ett trådsegment är nödvändig. Runt arbetscellen finns ytterligare 10 kameror med fast position vända mot arbetsområdet från olika håll. Inklusive kamerorna monterade på sluteffektorerna, använder vårt system totalt 16 visionkameror.

Igenkänning av selen åstadkoms med maskinseende. Ett specialdesignat plastskydd är fäst vid varje seleklämma. Omslagen har geometriska mönster som läses med programvaran ARToolKit. Denna programvara med öppen källkod designades ursprungligen för applikationer med förstärkt verklighet. Den tillhandahåller en uppsättning lättanvända bibliotek för att upptäcka och känna igen markörerna. Kameran läser av markörerna för att bestämma selens relativa position.

Varje klämskydd har sitt eget geometriska mönster. Mönstret talar om för robotstyrenheten den relativa positionen för selen i rymden, samt information om det segmentet av selen (som var det segmentet ska placeras på panelramen).

De fasta kamerorna runt arbetscellen ger grov positionsinformation om varje seleklämma. Positionen för en specifik seleklämma uppskattas genom att interpolera positionen för intilliggande klämmor. Sluteffektorn styrs att närma sig målklämman med positionsinformation som erhålls från de fasta kamerorna - tills handledskameran kan hitta målet. Från det ögonblicket tillhandahålls robotstyrning enbart av handledskameran. Den precision som handledskameran ger på det korta avståndet säkerställer tillförlitligt grepp om klämmorna.

En liknande process används för att greppa ett deformerbart segment av kabelstammen. Positionen för målsegmentet uppskattas först genom att interpolera positionen för intilliggande klämmor. Eftersom den interpolerade kurvan inte är tillräckligt exakt för att styra roboten, skannas den uppskattade ytan av laserskannern. Skannern avger en plan stråle med en viss bredd. Den exakta positionen för segmentet kan sedan bestämmas från avståndsprofilen som erhålls från lasersensorn.

Markörerna förenklar mätningen av ledningsnätet avsevärt. Även om klämskydden ökade kostnaden för systemet, förbättrar de systemets tillförlitlighet avsevärt.

Hantering av sele

Seleklämman är utformad för att passa ihop med ett hål i panelramen. Således griper griparen en klämma vid dess bas och för in sin tå i hålet.

Dessutom finns det några tillfällen då det är nödvändigt att hantera ett trådsegment direkt. Till exempel, i många processer måste en robot forma selen innan en annan robot kan utföra sitt jobb. I ett sådant fall behövde en robot orientera en klämma så att den kunde nås av en annan robot. Det enda sättet att göra detta var att tvinna ett närliggande trådsegment.

Till en början försökte vi forma tråden genom att vrida dess intilliggande klämma. Men på grund av trådsegmentets låga vridstyvhet visade sig detta vara omöjligt. I efterföljande experiment grep och böjde roboten trådsegmentet direkt. Under denna process övervakas positionen för målklämman av de omgivande kamerorna. Böjningsprocessen fortsätter tills målklämmans orientering sammanfaller med ett referensvärde.

Verifieringsexperiment

När vi väl utvecklat ett prototypmonteringssystem körde vi en serie experiment för att testa det. Processen startar med att robotarna plockar upp ett vajernät från en hängare. De sätter sedan in åtta seleklämmor i panelramen. Processen avslutas med att robotarna återgår till det ursprungliga beredskapsläget.

Den högra armen sätter in klämmorna 1, 2 och 3. Den centrala armen sätter in klämmorna 4 och 5, och den vänstra armen sätter in klämmorna 6, 7 och 8.

Klämman 3 sätts in först, följt av klämmorna 1 och 2. Klämmorna 4 till 8 sätts sedan in i numerisk ordning.

Rörelsesekvensen för robotarmarna genererades med hjälp av simuleringsmjukvara. En kollisionsdetekteringsalgoritm förhindrade robotarna från att slå in i föremål i miljön eller varandra.

Dessutom genererades vissa operationer i rörelsesekvensen genom att referera till mänskliga montörer. För detta ändamål fångade vi arbetarnas rörelser under monteringen. Uppgifterna inkluderar både arbetarens rörelse och motsvarande beteende hos kabelstammen. Inte överraskande visade sig den rörelsestrategi som en arbetare tog ofta vara mer effektiv än robotarnas.

Vridningskontroll av trådsegment

I våra experiment stötte vi ibland på svårigheter att sätta in klämmorna eftersom det var omöjligt att placera griparen för uppgiften. Till exempel ska klämma 5 sättas in omedelbart efter att klämma 4 har fästs på ramen. Selesegmentet till vänster om klämman 4 skulle dock alltid sjunka, vilket gör det svårt för centerroboten att positionera klämman 5 för insättning.

Vår lösning på detta problem var att förforma måltrådssegmentet för att säkerställa ett framgångsrikt grepp. Först höjs klämman 5 upp av den vänstra roboten genom att greppa trådsegmentet nära klämman 5. Därefter regleras klämmans 5 orientering genom att kontrollera vridningstillståndet för trådsegmentet. Denna förformningsoperation säkerställer att det efterföljande greppet av klämman 5 alltid utförs i det mest lämpliga läget.

Samarbete mellan armar

I vissa situationer kräver montering av en kabelhärva ett människoliknande samarbete mellan flera robotarmar. Insättning av klämma 1 är ett bra exempel. När klämma 2 har satts in kommer klämma 1 att sjunka. Det tillgängliga utrymmet för att sätta in klämman 1 är begränsat och det är svårt att placera gripdonet på grund av risken att kollidera med den omgivande miljön. Dessutom har praktisk erfarenhet lärt oss att undvika att starta denna operation med det segmentet av tråden sjunkande, eftersom det kan leda till att trådsegmenten fångas upp av den omgivande ramen vid efterföljande operationer.

Vår lösning på detta problem var inspirerad av mänskliga arbetares beteende. En mänsklig arbetare koordinerar lätt användningen av sina två armar för att slutföra en uppgift. I detta fall skulle en arbetare helt enkelt sätta in klämman 4 med ena handen, samtidigt som den justerade trådsegmentets position med den andra handen. Vi programmerade robotarna att implementera samma strategi.

Plastisk deformation

I vissa situationer var det svårt att förforma trådsegmentet genom att samarbeta med två robotar. Processen att sätta in klämman 6 är ett bra exempel. För denna operation förväntade vi oss att den vänstra robotarmen skulle föra in den i ramen, eftersom det är den enda robotarmen som kan nå målet.

Som det visade sig kunde roboten initialt inte nå klämman. När styrenheten fastställer att det inte går att greppa klämman, kommer roboten att försöka greppa trådsegmentet nära klämman istället för att greppa själva klämman. Roboten vrider och böjer sedan segmentet för att vrida klämytan mer åt vänster. Att böja ett segment några gånger är vanligtvis tillräckligt för att ändra dess position. När segmentet är en lämplig position för att greppa, kommer roboten att göra ett nytt försök att greppa målklämman.

Slutsatser

Till slut kunde vårt robotsystem installera åtta klämmor i instrumentpanelens ram med en genomsnittlig tid på 3 minuter. Även om den hastigheten fortfarande är långt ifrån kravet för praktisk tillämpning, visar den den tekniska genomförbarheten av robotkabelstammar.

Flera problem måste lösas för att göra systemet tillförlitligt och tillräckligt snabbt för praktisk industritillämpning. För det första är det viktigt att kablar är förformade för robotmontering. Jämfört med knutnings- och avknutningsoperationer är vridningstillståndet för enskilda trådsegment avgörande för kabelhärdsinstallation, eftersom robotarna hanterar delar som är bundna i selen. Dessutom skulle en gripare utrustad med vridningsfrihetsgrad också hjälpa till vid montering av sele.

För att förbättra processens hastighet bör trådens dynamiska beteende beaktas. Detta är uppenbart i filmstudier av kvalificerade arbetare som sätter in kablar. De använder både händer och skicklig rörelse för att kontrollera den dynamiska svängningen av vajern och därmed undvika omgivande hinder. Vid implementering av robotmontering med liknande hastighet kommer speciella tillvägagångssätt att vara nödvändiga för att undertrycka trådens dynamiska beteende.

Även om många av tillvägagångssätten som används i vår forskning är enkla, demonstrerade vi framgångsrikt automatisk montering med vårt prototyprobotsystem. Det finns potential för automatisering med den här typen av uppgifter.