Роботизированная сборка автомобильных жгутов проводов

Новое исследование предполагает, что шестиосные роботы могут использоваться для установки автомобильных жгутов проводов.

Синь Ян

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

Многоосные роботы-манипуляторы выполняют широкий спектр процессов на автомобильных сборочных предприятиях, включая покраску, сварку и крепление.

Однако даже несмотря на достижения в области технологий автоматизации, некоторые процессы по-прежнему невозможно выполнить без квалифицированных специалистов-сборщиков. Задача установки жгутов проводов в кузова автомобилей — одна из таких задач, которая традиционно была сложной для роботов.

Ранее проводились некоторые исследования, связанные с проблемами обработки деформируемых линейных объектов, таких как проволока или трубы, с помощью роботов. Многие из этих исследований были сосредоточены на том, как бороться с топологическим переходом деформируемых линейных объектов. Они пытались запрограммировать роботов завязывать узлы или создавать петли из веревки. В этих исследованиях математическая теория узлов применялась для описания топологических переходов веревки.

В этих подходах деформируемый линейный трехмерный объект сначала проецируется на двумерную плоскость. Проекция на плоскость, которая демонстрируется в виде скрещенных кривых, может быть хорошо описана и рассмотрена с помощью теории узлов.

В 2006 году исследовательская группа под руководством Хидефуми Вакамацу, доктора философии из Университета Осаки в Японии, разработала метод завязывания и развязывания деформируемых линейных объектов с помощью роботов. Они определили четыре фундаментальные операции (среди них три эквивалентны движениям Райдемейстера), необходимые для завершения перехода между любыми двумя состояниями пересечения проводов. Исследователи показали, что любая операция завязывания или развязывания, которую можно разложить на последовательные топологические переходы, может быть достигнута путем использования последовательной комбинации этих четырех фундаментальных операций. Их подход был проверен, когда им удалось запрограммировать робота SCARA завязывать веревку, лежащую на столе.

Аналогичным образом, исследователи под руководством Такаюки Мацуно, доктора философии из Университета префектуры Тояма в Имидзу, Япония, разработали метод завязывания веревки в трех измерениях с использованием двух роботизированных манипуляторов. Один робот держал конец веревки, а другой завязывал его. Для измерения трехмерного положения веревки использовалось стереозрение. Состояние узла описывается с использованием инвариантов узла вместо движений Райдемейстера.

В обоих исследованиях роботы были оснащены классическим двухпальцевым параллельным захватом только с одной степенью свободы.

В 2008 году исследовательская группа под руководством Юдзи Ямакавы из Токийского университета продемонстрировала технику завязывания веревки с помощью робота, оснащенного высокоскоростной многопалой рукой. Благодаря более ловкому захвату, включающему датчики силы и крутящего момента, установленные в пальцах, такие операции, как «перестановка веревки», становятся возможными даже одной рукой. Перестановка веревок — это операция обмена местами двух веревок путем их скручивания и зажима веревок между двумя пальцами.

Другие исследовательские проекты были сосредоточены на решении проблем, связанных с роботизированной обработкой деформируемых линейных объектов на сборочной линии.

Например, Цугито Маруяма, доктор философии, и группа исследователей из Fujitsu Laboratories Ltd. в Кавасаки, Япония, разработали систему перемещения проволоки для сборочной линии по производству электрических деталей. Для вставки сигнальных кабелей в зажимы использовался робот-манипулятор. Две технологии имели решающее значение для работы их системы: многоплоскостной лазерный проектор и система стереовидения.

Юрген Акер и исследователи из Технологического университета Кайзерслаутерна в Германии разработали метод использования 2D машинного зрения, чтобы определить, где и как деформируемый линейный объект (в данном случае автомобильный трос) контактирует с объектами в окружающей среде.

Основываясь на всех этих исследованиях, мы попытались разработать практичную роботизированную систему для установки жгутов проводов на сборочной линии автомобилей. Хотя наша система была разработана в лаборатории, все условия, использованные в наших экспериментах, взяты из реального автомобильного завода. Нашей целью было продемонстрировать техническую осуществимость такой системы и определить области, где необходимо дальнейшее развитие.

Сборка жгута проводов

Автомобильный жгут проводов состоит из нескольких кабелей, обернутых изолентой. Он имеет древовидную структуру, каждая ветвь которого связана с конкретным инструментом. На сборочной линии рабочий вручную прикрепляет жгут проводов к раме приборной панели.

К жгуту проводов прикреплен набор пластиковых зажимов. Эти зажимы соответствуют отверстиям в рамке приборной панели. Крепление жгута осуществляется путем вставки хомутов в отверстия. Таким образом, роботизированная система для установки жгута должна решать две основные проблемы: как измерить состояние жгута проводов и как с ним обращаться.

Жгут проводов имеет сложные физические свойства. При сборке он проявляет как упругую, так и пластическую деформацию. Это затрудняет получение точной динамической модели.

Прототип системы

Наша система сборки прототипов подвесных систем состоит из трех компактных шестиосных роботов, расположенных перед рамой приборной панели. Третий робот помогает позиционировать и удерживать ремни безопасности.

Каждый робот оснащен двухпалым параллельным захватом с одной степенью свободы. Пальцы захвата имеют два углубления: одно для удержания зажимов ремня, другое для удерживания сегментов самого ремня.

Каждый рабочий орган также оснащен двумя ПЗС-камерами и лазерным датчиком дальности. Две камеры имеют разное фокусное расстояние, что обеспечивает большую глубину резкости. Лазерный датчик дальности используется, когда необходимо точное измерение отрезка провода. Вокруг рабочей зоны расположены 10 дополнительных фиксированных камер, обращенных к рабочей зоне с разных сторон. В нашей системе, включая камеры, установленные на рабочих органах, используется в общей сложности 16 видеокамер.

Распознавание ремня безопасности осуществляется с помощью машинного зрения. К каждому зажиму ремня прикреплена специально разработанная пластиковая крышка. Обложки имеют геометрические узоры, которые считываются с помощью программы ARToolKit. Это программное обеспечение с открытым исходным кодом изначально было разработано для приложений дополненной реальности. Он предоставляет набор простых в использовании библиотек для обнаружения и распознавания маркеров. Камера считывает маркеры, чтобы определить относительное положение ремня безопасности.

Каждая крышка зажима имеет свой геометрический рисунок. Шаблон сообщает контроллеру робота относительное положение жгута в пространстве, а также информацию об этом сегменте жгута (например, где этот сегмент должен быть расположен на раме панели).

Стационарные камеры вокруг рабочей зоны предоставляют приблизительную информацию о местоположении каждого зажима ремня безопасности. Положение конкретного зажима жгута оценивается путем интерполяции положения соседних зажимов. Конечный эффектор направляется к целевому зажиму с помощью информации о положении, полученной от фиксированных камер, до тех пор, пока наручная камера не сможет обнаружить цель. С этого момента управление роботом осуществляется исключительно с помощью наручной камеры. Точность, обеспечиваемая наручной камерой на таком коротком расстоянии, обеспечивает надежный захват зажимов.

Аналогичный процесс используется для захвата деформируемого сегмента жгута проводов. Положение целевого сегмента сначала оценивается путем интерполяции положения соседних зажимов. Поскольку интерполированная кривая недостаточно точна, чтобы направлять робота, предполагаемая область затем сканируется лазерным сканером. Сканер излучает плоский луч определенной ширины. Затем точное положение сегмента можно определить по профилю расстояния, полученному от лазерного датчика.

Маркеры значительно упрощают измерение жгута проводов. Хотя крышки зажимов увеличивают стоимость системы, они значительно повышают ее надежность.

Обращение с ремнями безопасности

Зажим жгута предназначен для совмещения с отверстием в раме панели. Таким образом, захват захватывает зажим за основание и вставляет его носок в отверстие.

Кроме того, в некоторых случаях необходимо напрямую обрабатывать сегмент провода. Например, во многих процессах один робот должен сформировать жгут, прежде чем другой робот сможет выполнить свою работу. В таком случае одному роботу необходимо было расположить зажим так, чтобы к нему мог добраться другой робот. Единственный способ сделать это — скрутить соседний отрезок провода.

Сначала мы попытались придать проволоке форму, скручивая соседний зажим. Однако из-за низкой крутильной жесткости отрезка проволоки это оказалось невозможным. В последующих экспериментах робот захватывал и сгибал отрезок проволоки напрямую. Во время этого процесса положение целевого зажима контролируется окружающими камерами. Процесс гибки будет продолжаться до тех пор, пока ориентация целевого зажима не совпадет с контрольным значением.

Проверочные эксперименты

После того как мы разработали систему сборки прототипа, мы провели серию экспериментов для ее проверки. Процесс начинается с того, что роботы поднимают жгут проводов с вешалки. Затем они вставляют восемь зажимов жгутов в раму панели. Процесс заканчивается возвращением роботов в исходное положение ожидания.

Правый рычаг вставляет зажимы 1, 2 и 3. Центральный рычаг вставляет зажимы 4 и 5, а левый рычаг вставляет зажимы 6, 7 и 8.

Сначала вставляется зажим 3, затем зажимы 1 и 2. Затем в нумерованном порядке вставляются зажимы с 4 по 8.

Последовательность движений манипуляторов робота была создана с помощью программного обеспечения для моделирования. Алгоритм обнаружения столкновений не позволял роботам сталкиваться с объектами в окружающей среде или друг с другом.

Кроме того, некоторые операции в последовательности движений были созданы с использованием человеческих ассемблеров. Для этого мы фиксировали движения рабочих во время сборки. Данные включают в себя как движение рабочего, так и соответствующее поведение жгута проводов. Неудивительно, что стратегия движения, выбранная рабочим, часто оказывалась более эффективной, чем стратегия роботов.

Контроль скручивания сегментов проволоки

В наших экспериментах мы иногда сталкивались с трудностями при установке зажимов, поскольку невозможно было расположить захват для выполнения задачи. Например, зажим 5 следует вставить сразу после того, как зажим 4 был прикреплен к раме. Однако сегмент ремня безопасности слева от зажима 4 неизменно провисал, что затрудняло центральному роботу установку зажима 5 для вставки.

Нашим решением этой проблемы было предварительное формирование целевого сегмента проволоки, чтобы обеспечить успешный захват. Сначала левый робот поднимает зажим 5 вверх, захватывая отрезок проволоки возле зажима 5. Затем ориентация зажима 5 регулируется путем контроля крутильного состояния отрезка проволоки. Эта операция предварительного формования гарантирует, что последующий захват зажима 5 всегда будет выполняться в наиболее подходящем положении.

Сотрудничество между вооружениями

В некоторых ситуациях сборка жгута проводов требует человеческого взаимодействия между несколькими руками робота. Хорошим примером является установка зажима 1. Как только зажим 2 будет вставлен, зажим 1 опустится. Пространство, доступное для установки зажима 1, ограничено, а расположение захвата затруднено из-за риска столкновения с окружающей средой. Более того, практический опыт научил нас избегать начала этой операции с свисающим отрезком проволоки, так как это могло привести к захвату отрезков проволоки окружающей рамкой при последующих операциях.

Наше решение этой проблемы было вдохновлено поведением рабочих-людей. Человек-работник легко координирует использование своих двух рук для выполнения задачи. В этом случае рабочий просто вставляет зажим 4 одной рукой, одновременно регулируя положение отрезка проволоки другой рукой. Мы запрограммировали роботов на реализацию той же стратегии.

Пластическая деформация

В некоторых ситуациях было сложно предварительно сформировать сегмент проволоки с помощью совместного использования двух роботов. Хорошим примером является процесс установки зажима 6. Для этой операции мы ожидали, что левая рука робота вставит ее в раму, поскольку это единственная рука робота, которая может достичь цели.

Как оказалось, робот изначально не мог дотянуться до зажима. Когда контроллер определяет, что захват зажима невозможен, робот попытается захватить сегмент провода рядом с зажимом, вместо того, чтобы схватить сам зажим. Затем робот поворачивает и сгибает сегмент, поворачивая поверхность зажима еще больше влево. Согнуть сегмент несколько раз обычно достаточно, чтобы изменить его положение. Как только сегмент займет подходящее положение для захвата, робот предпримет еще одну попытку захватить целевой зажим.

Выводы

В конечном итоге наша роботизированная система смогла установить восемь зажимов в раму приборной панели в среднем за 3 минуты. Хотя эта скорость все еще далека от требований для практического применения, она демонстрирует техническую осуществимость роботизированной сборки жгутов проводов.

Чтобы сделать систему надежной и достаточно быстрой для практического применения в промышленности, необходимо решить несколько проблем. Во-первых, важно, чтобы жгуты проводов были предварительно сформированы для роботизированной сборки. По сравнению с операциями завязывания и развязывания узлов, скручивающее состояние отдельных сегментов проводов имеет решающее значение для установки жгута проводов, поскольку роботы манипулируют деталями, связанными в жгут. Кроме того, захват, оснащенный степенью свободы скручивания, также поможет при установке ремня безопасности.

Чтобы повысить скорость процесса, следует учитывать динамическое поведение проволоки. Это видно на пленочных исследованиях квалифицированных рабочих, вставляющих жгуты проводов. Они используют обе руки и умелые движения, чтобы контролировать динамическое раскачивание троса и тем самым избегать окружающих препятствий. При реализации роботизированной сборки с аналогичной скоростью потребуются специальные подходы для подавления динамического поведения проволоки.

Хотя многие подходы, использованные в нашем исследовании, просты, мы успешно продемонстрировали автоматическую сборку с помощью нашего прототипа роботизированной системы. Существует потенциал для автоматизации таких задач.