Robotiese samestelling van motordraadharnasse

Nuwe navorsing dui daarop dat ses-assige robotte gebruik kan word om motorbedradings te installeer.

Deur Xin Yang

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

Multi-as robotarms voer 'n wye verskeidenheid prosesse in motormontage-aanlegte uit, insluitend verf, sweis en bevestiging.

Selfs met vooruitgang in outomatiseringstegnologie kan sommige prosesse egter steeds nie voltooi word sonder bekwame menslike samestellers nie. Die taak om draadharnasse in motorbakkies te installeer, is een so 'n taak wat tradisioneel moeilik vir robotte was.

Daar was 'n paar vorige navorsing wat verband hou met die probleme van die hantering van vervormbare lineêre voorwerpe, soos draad of buise, met robotte. Baie van hierdie studies het gekonsentreer hoe om topologiese oorgang van vervormbare lineêre voorwerpe te hanteer. Hulle het probeer om robotte te programmeer om knope te maak of lusse met tou te skep. Hierdie studies het wiskundige knoopteorie toegepas om die topologiese oorgange van die tou te beskryf.

In hierdie benaderings word 'n vervormbare lineêre voorwerp in drie dimensies eers in 'n tweedimensionele vlak geprojekteer. Die projeksie in die vlak, wat as gekruisde kurwes gedemonstreer word, kan goed beskryf en behandel word deur gebruik te maak van knoopteorie.

In 2006 het 'n navorsingspan onder leiding van Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., van die Osaka Universiteit in Japan 'n metode ontwikkel om vervormbare lineêre voorwerpe met robotte te knoop en los te knoop. Hulle het vier fundamentele bewerkings gedefinieer (waaronder drie is gelykstaande aan Reidemeister-skuiwe) wat nodig is vir die voltooiing van 'n oorgang tussen enige twee draadkruistoestande. Die navorsers het getoon dat enige knoop- of ontknopbewerking wat in sekwensiële topologiese oorgange ontbind kan word, bereik kan word deur 'n sekwensiële kombinasie van hierdie vier fundamentele bewerkings te gebruik. Hulle benadering is geverifieer toe hulle 'n SCARA-robot kon programmeer om 'n tou wat op 'n lessenaar geplaas is, te knoop.

Net so het navorsers onder leiding van Takayuki Matsuno, Ph.D., van Toyama Prefectural University in Imizu, Japan, 'n metode ontwikkel om 'n tou in drie-dimensies te knoop met behulp van twee robotarms. Een robot het die punt van die tou vasgehou, terwyl die ander dit geknoop het. Om die driedimensionele posisie van die tou te meet, is stereovisie gebruik. Die toestand van die knoop word beskryf deur knoopinvariante in plaas van Reidemeister-bewegings te gebruik.

In albei studies is die robotte toegerus met 'n klassieke, tweevinger parallelle gryper met slegs een graad van vryheid.

In 2008 het 'n navorsingspan onder leiding van Yuji Yamakawa van die Universiteit van Tokio 'n tegniek gedemonstreer om tou te knoop met behulp van 'n robot wat toegerus is met 'n hoëspoed multi-vingerhand. Met 'n meer behendige gryper - insluitend krag- en wringkragsensors wat in die vingers gemonteer is - word bewerkings soos "tou-permutasie" moontlik, selfs met een arm. Tou-permutasie verwys na die operasie om die plekke van twee toue uit te ruil deur hulle te draai terwyl die toue tussen twee vingers vasgeknyp word.

Ander navorsingsprojekte het gefokus op die oplossing van probleme wat verband hou met robotiese hantering van vervormbare lineêre voorwerpe op die monteerlyn.

Byvoorbeeld, Tsugito Maruyama, Ph.D., en 'n span navorsers by Fujitsu Laboratories Bpk. in Kawasaki, Japan, het 'n draadhanteringstelsel ontwikkel vir 'n monteerlyn wat elektriese onderdele maak. ’n Robotarm is gebruik om seinkabels in sluitings te plaas. Twee tegnologieë was van kritieke belang om hul stelsel in staat te stel om te werk: 'n multi-planêre laserligprojektor en 'n stereovisiestelsel.

Jürgen Acker en navorsers aan die Kaiserslautern Universiteit van Tegnologie in Duitsland het 'n metode ontwikkel om 2D-masjienvisie te gebruik om te bepaal waar en hoe 'n vervormbare lineêre voorwerp (in hierdie geval 'n motorkabel) met voorwerpe in die omgewing in aanraking kom.

Op grond van al hierdie navorsing het ons gepoog om 'n praktiese robotstelsel te ontwikkel vir die installering van draadbome op 'n motormonteerlyn. Alhoewel ons stelsel in die laboratorium ontwikkel is, word al die toestande wat in ons eksperimente gebruik word, vanaf 'n regte motoraanleg verwys. Ons doel was om die tegniese uitvoerbaarheid van so 'n stelsel te demonstreer en gebiede te bepaal waar verdere ontwikkeling nodig is.

Draadharnas-samestelling

'n Motordraadboom bestaan ​​uit veelvuldige kabels wat met elektriese band toegedraai is. Dit het 'n boomagtige struktuur met elke tak wat aan 'n spesifieke instrument gekoppel is. Op die monteerlyn maak ’n werker die harnas met die hand aan die instrumentpaneelraam vas.

’n Stel plastiekklemme word in die draadharnas vasgebind. Hierdie klampe stem ooreen met gate in die instrumentpaneelraam. Aanhegting van die harnas word verkry deur die klampe in die gate te plaas. ’n Robotstelsel vir die installering van die harnas moet dus twee basiese probleme oplos: hoe om die toestand van ’n draadharnas te meet, en hoe om dit te hanteer.

'n Draadharnas het komplekse fisiese eienskappe. Tydens samestelling vertoon dit beide elastiese vervorming en plastiese vervorming. Dit maak dit moeilik om 'n presiese dinamiese model daarvan te verkry.

Prototipe stelsel

Ons prototipe harnas-samestellingstelsel bestaan ​​uit drie, kompakte ses-assige robotte wat voor 'n instrumentpaneelraam geposisioneer is. Die derde robot help met die posisionering en gryp van die harnas.

Elke robot is toegerus met 'n tweevinger parallelle gryper met een graad van vryheid. Die grypvingers het twee inkepings: een om die harnasklemme vas te hou, die ander om segmente van die harnas self vas te hou.

Elke eindeffektor is ook toegerus met twee CCD-kameras en 'n laserreekssensor. Die twee kameras het verskillende brandpunte om 'n groot diepte van veld te bied. Die laserreekssensor word gebruik wanneer presiese meting aan 'n draadsegment nodig is. Om die werksel kyk 10 bykomende vaste-posisie-kameras uit verskillende rigtings na die werkarea. Insluitend die kameras wat op die eindeffektors gemonteer is, gebruik ons ​​stelsel 'n totaal van 16 visiekameras.

Herkenning van die harnas word bewerkstellig met masjienvisie. ’n Spesiaal ontwerpte plastiekbedekking is aan elke harnasklem geheg. Die omslae het geometriese patrone wat met ARToolKit-sagteware gelees word. Hierdie oopbronsagteware is oorspronklik ontwerp vir toepassings vir volgemaakte werklikheid. Dit bied 'n stel maklik-om-te gebruik biblioteke vir die opsporing en herkenning van die merkers. Die kamera lees die merkers om die relatiewe posisie van die harnas te bepaal.

Elke klembedekking het sy eie geometriese patroon. Die patroon vertel die robotbeheerder die relatiewe posisie van die harnas in die ruimte, sowel as inligting rakende daardie segment van die harnas (soos waar daardie segment op die paneelraam geposisioneer moet word).

Die vaste kameras rondom die werksel verskaf rowwe posisionele inligting oor elke harnasklem. Die posisie van 'n spesifieke harnasklem word geskat deur die posisie van aangrensende klampe te interpoleer. Die eindeffektor word gelei om na die teikenklem te nader met posisionele inligting verkry vanaf die vaste kameras - totdat die polskamera die teiken kan vind. Vanaf daardie oomblik word robotleiding slegs deur die polskamera verskaf. Die akkuraatheid wat die polskamera in daardie kort afstand verskaf, verseker betroubare gryp van die klampe.

'n Soortgelyke proses word gebruik om 'n vervormbare segment van die draadboom vas te gryp. Die posisie van die teikensegment word eers geskat deur die houding van aangrensende klampe te interpoleer. Aangesien die geïnterpoleerde kurwe nie presies genoeg is om die robot te lei nie, word die beraamde area dan deur die laserskandeerder geskandeer. Die skandeerder straal 'n vlakke straal met 'n bepaalde breedte uit. Die presiese posisie van die segment kan dan bepaal word uit die afstandprofiel wat van die lasersensor verkry word.

Die merkers vereenvoudig die meting van die draadharnas aansienlik. Alhoewel die klembedekkings die koste van die stelsel verhoog het, verbeter dit die betroubaarheid van die stelsel aansienlik.

Harnas Hantering

Die harnasklem is ontwerp om met 'n gat in die paneelraam te pas. So, die gryper gryp 'n klem aan sy basis en steek sy toon in die gat.

Daarbenewens is daar 'n paar geleenthede waarin dit nodig is om 'n draadsegment direk te hanteer. Byvoorbeeld, in baie prosesse moet een robot die harnas vorm voordat 'n ander robot sy werk kan verrig. In so 'n geval moes een robot 'n klem oriënteer sodat dit deur 'n ander robot bereik kan word. Die enigste manier om dit te doen was om 'n nabygeleë draadsegment te draai.

Aanvanklik het ons probeer om die draad te vorm deur die aangrensende klem te draai. As gevolg van die lae wringstyfheid van die draadsegment, was dit egter onmoontlik. In daaropvolgende eksperimente het die robot die draadsegment direk vasgegryp en gebuig. Tydens hierdie proses word die posisie van die teikenklem deur die omliggende kameras gemonitor. Die buigproses sal voortgaan totdat die oriëntasie van die teikenklem saamval met 'n verwysingswaarde.

Verifikasie-eksperimente

Sodra ons 'n prototipe-samestellingstelsel ontwikkel het, het ons 'n reeks eksperimente uitgevoer om dit uit te toets. Die proses begin met die robotte wat 'n draadharnas van 'n hanger optel. Hulle steek dan agt harnasklemme in die paneelraam in. Die proses eindig met die robotte wat terugkeer na die aanvanklike bystandposisie.

Die regterarm plaas klemme 1, 2 en 3 in. Die sentrale arm plaas klemme 4 en 5 in, en die linkerarm sit klemme 6, 7 en 8 in.

Klem 3 word eerste ingesit, gevolg deur klemme 1 en 2. Klemme 4 tot 8 word dan in numeriese volgorde ingesit.

Die bewegingsvolgorde van die robotarms is gegenereer met behulp van simulasiesagteware. ’n Botsingsdetectiealgoritme het verhoed dat die robotte teen voorwerpe in die omgewing of mekaar klop.

Daarbenewens is sommige bewerkings in die bewegingsreeks gegenereer deur menslike samestellers te verwys. Vir hierdie doel het ons die bewegings van werkers tydens samestelling vasgevang. Die data sluit beide die beweging van die werker en die ooreenstemmende gedrag van die draadharnas in. Dit is nie verbasend nie dat die bewegingstrategie wat deur 'n werker geneem is, dikwels meer effektief geblyk het as dié van die robotte.

Draaibeheer van draadsegmente

In ons eksperimente het ons soms probleme ondervind om die klampe in te sit omdat dit onmoontlik was om die gryper vir die taak te posisioneer. Klem 5 moet byvoorbeeld onmiddellik ingesit word nadat klem 4 aan die raam vasgemaak is. Die harnassegment links van klem 4 sal egter altyd sak, wat dit moeilik maak vir die middelrobot om klem 5 te posisioneer vir inbring.

Ons oplossing vir hierdie probleem was om die teikendraadsegment vooraf te vorm om 'n suksesvolle gryp te verseker. Eerstens word klem 5 deur die linker robot opgelig deur die draadsegment naby klem 5 vas te gryp. Dan word die oriëntasie van klem 5 gereguleer deur die torsietoestand van die draadsegment te beheer. Hierdie voorvormbewerking verseker dat die daaropvolgende greep van klem 5 altyd in die mees geskikte posisie uitgevoer word.

Samewerking Tussen Arms

In sommige situasies vereis die samestelling van 'n draadharnas mensagtige samewerking tussen veelvuldige robotarms. Invoeging van klem 1 is 'n goeie voorbeeld. Sodra klem 2 ingesit is, sal klem 1 hang. Die beskikbare spasie om klem 1 in te sit is beperk, en dit is moeilik om die gryper te posisioneer weens die risiko om met die omliggende omgewing te bots. Verder het praktiese ondervinding ons geleer om te vermy om hierdie bewerking te begin met daardie segment van die draad wat hang, aangesien dit daartoe kan lei dat draadsegmente deur die omliggende raam vasgevang word in daaropvolgende bewerkings.

Ons oplossing vir hierdie probleem is geïnspireer deur die gedrag van menslike werkers. 'n Menslike werker koördineer maklik die gebruik van sy twee arms om 'n taak te voltooi. In hierdie geval sal 'n werker eenvoudig klem 4 met een hand insit, terwyl die posisie van die draadsegment met die ander hand gelyktydig aangepas word. Ons het die robotte geprogrammeer om dieselfde strategie te implementeer.

Plastiese vervorming

In sommige situasies was dit moeilik om die draadsegment vooraf te vorm deur twee robotte saam te gebruik. Die proses om klem 6 in te sit is 'n goeie voorbeeld. Vir hierdie operasie het ons verwag dat die linker robotarm dit in die raam sou plaas, aangesien dit die enigste robotarm is wat die teiken kan bereik.

Soos dit geblyk het, kon die robot aanvanklik nie die klem bereik nie. Wanneer die beheerder bepaal dat dit nie haalbaar is om die klem vas te gryp nie, sal die robot probeer om die draadsegment naby die klem vas te gryp in plaas daarvan om die klem self vas te gryp. Die robot draai en buig dan die segment om die klemvlak meer na links te draai. Om 'n segment 'n paar keer te buig is gewoonlik genoeg om sy posisie te verander. Sodra die segment 'n geskikte posisie is om vas te gryp, sal die robot nog 'n poging aanwend om die teikenklem vas te gryp.

Gevolgtrekkings

Uiteindelik kon ons robotstelsel agt klampe in die instrumentpaneelraam installeer met 'n gemiddelde tyd van 3 minute. Alhoewel daardie spoed nog ver van die vereiste vir praktiese toepassing is, demonstreer dit die tegniese uitvoerbaarheid van robotdraadharnassamestelling.

Verskeie probleme moet opgelos word om die stelsel betroubaar en vinnig genoeg vir praktiese bedryfstoepassing te maak. Eerstens is dit belangrik dat draadbome vooraf gevorm word vir robotsamestelling. In vergelyking met knoop- en ontknopbewerkings is die torsietoestand van individuele draadsegmente van kritieke belang vir die installering van draadharnas, aangesien die robotte onderdele wat in die harnas vasgebind is, hanteer. Daarbenewens sal 'n gryper toegerus met 'n draaiende vryheid ook help met die installering van die harnas.

Om die spoed van die proses te verbeter, moet die dinamiese gedrag van die draad in ag geneem word. Dit is duidelik in die filmstudies van geskoolde werkers wat draad harnasse insit. Hulle gebruik beide hande en vaardige beweging om die dinamiese swaai van die draad te beheer en sodoende omliggende hindernisse te vermy. By die implementering van robotsamestelling met soortgelyke spoed, sal spesiale benaderings nodig wees om die dinamiese gedrag van die draad te onderdruk.

Alhoewel baie van die benaderings wat in ons navorsing gebruik word eenvoudig is, het ons outomatiese samestelling met ons prototipe robotstelsel suksesvol gedemonstreer. Daar is potensiaal vir outomatisering met hierdie soort take.