2024-03-21
Uusi tutkimus viittaa siihen, että kuusiakselisia robotteja voidaan käyttää autojen johtosarjojen asentamiseen.
Kirjailija: Xin Yang
Lähde: https://www.assemblymag.com/articles/92264-robotic-assembly-of-automotive-wire-harnesses
Moniakseliset robottivarret suorittavat monia erilaisia prosesseja autojen kokoonpanotehtaissa, mukaan lukien maalaus, hitsaus ja kiinnitys.
Joitakin prosesseja ei kuitenkaan voida saattaa päätökseen ilman ammattitaitoisia kokoajia automaatiotekniikan edistymisestä huolimatta. Johdinsarjojen asentaminen auton koriin on yksi sellainen tehtävä, joka on perinteisesti ollut vaikeaa roboteille.
Aiempia tutkimuksia on tehty ongelmiin, jotka liittyvät deformoituvien lineaaristen esineiden, kuten lankojen tai putkien, käsittelyyn roboteilla. Monet näistä tutkimuksista keskittyivät muotoutuvien lineaaristen objektien topologisen siirtymän käsittelemiseen. He yrittivät ohjelmoida robotteja solmimaan solmuja tai luomaan silmukoita köydellä. Näissä tutkimuksissa sovellettiin matemaattista solmuteoriaa kuvaamaan köyden topologisia siirtymiä.
Näissä lähestymistavoissa muotoaan muuttava lineaarinen esine kolmessa ulottuvuudessa projisoidaan ensin kaksiulotteiseen tasoon. Tasossa oleva projektio, joka esitetään ristikkäisinä käyrinä, voidaan kuvata hyvin ja käsitellä solmuteorian avulla.
Vuonna 2006 Japanin Osakan yliopiston Ph.D.:n Hidefumi Wakamatsun johtama tutkimusryhmä kehitti menetelmän muotoaan muuttuvien lineaaristen esineiden solmimiseksi ja solmimiseksi robottien avulla. He määrittelivät neljä perusoperaatiota (joista kolme vastaa Reidemeisterin liikkeitä), jotka ovat välttämättömiä siirtymän suorittamiseen kahden johdinristeystilan välillä. Tutkijat osoittivat, että mikä tahansa solmu- tai solmimisoperaatio, joka voidaan jakaa peräkkäisiksi topologisiin siirtymisiin, voidaan saavuttaa käyttämällä näiden neljän perusoperaation peräkkäistä yhdistelmää. Heidän lähestymistapansa varmistui, kun he pystyivät ohjelmoimaan SCARA-robotin solmimaan pöydälle asetetun köyden.
Samoin Japanin Imizussa sijaitsevan Toyaman prefektuurin yliopiston Ph.D. Takayuki Matsunon johtamat tutkijat kehittivät menetelmän köyden solmimiseksi kolmiulotteisesti käyttämällä kahta robottikäsivartta. Toinen robotti piti köyden päästä, kun taas toinen solmi sen. Köyden kolmiulotteisen sijainnin mittaamiseen käytettiin stereonäkemystä. Solmun tilaa kuvataan käyttämällä solmumuutoksia Reidemeisterin liikkeiden sijaan.
Molemmissa tutkimuksissa robotit varustettiin klassisella, kaksisormella rinnakkaistarttujalla, jolla oli vain yksi vapausaste.
Vuonna 2008 Tokion yliopiston Yuji Yamakawan johtama tutkimusryhmä esitteli tekniikan köyden solmimiseen käyttämällä robottia, joka oli varustettu nopealla monisormeisella kädellä. Kätevämmällä tarttujalla – mukaan lukien sormiin asennetut voima- ja vääntömomenttianturit – toiminnot, kuten "köyden permutaatio", ovat mahdollisia jopa yhdellä kädellä. Köysipermutaatiolla tarkoitetaan kahden köyden paikan vaihtamista kiertämällä niitä ja puristamalla köysiä kahden sormen välissä.
Muut tutkimusprojektit ovat keskittyneet kokoonpanolinjalla deformoituvien lineaaristen kappaleiden robottikäsittelyyn liittyvien ongelmien ratkaisemiseen.
Esimerkiksi Tsugito Maruyama, Ph.D., ja tutkijaryhmä Fujitsu Laboratories Ltd.:ssä Kawasakissa Japanissa kehittivät langankäsittelyjärjestelmän sähköosia valmistavalle kokoonpanolinjalle. Robottivartta käytettiin signaalikaapeleiden työntämiseen kiinnikkeisiin. Kaksi tekniikkaa olivat kriittisiä järjestelmän toiminnan mahdollistamiseksi: monitasoinen laservaloprojektori ja stereokuvajärjestelmä.
Jürgen Acker ja Saksan Kaiserslauternin teknillisen yliopiston tutkijat kehittivät menetelmän 2D-konenäön avulla määrittämään, missä ja miten muotoaan muuttava lineaarinen esine (tässä tapauksessa autokaapeli) koskettaa ympäristössä olevia esineitä.
Kaiken tämän tutkimuksen pohjalta yritimme kehittää käytännöllistä robottijärjestelmää johtosarjojen asentamiseen autojen kokoonpanolinjalle. Vaikka järjestelmämme on kehitetty laboratoriossa, kaikki kokeissamme käytetyt olosuhteet ovat peräisin todellisesta autotehtaasta. Tavoitteenamme oli osoittaa tällaisen järjestelmän tekninen toteutettavuus ja määrittää alueet, joilla jatkokehitys on tarpeen.
Autojen johdinsarja koostuu useista kaapeleista, jotka on kääritty sähköteipillä. Siinä on puumainen rakenne, jossa jokainen haara on kytketty tiettyyn instrumenttiin. Kokoonpanolinjalla työntekijä kiinnittää valjaat manuaalisesti kojelaudan runkoon.
Joukko muovisia puristimia on sidottu johtosarjaan. Nämä kiinnikkeet vastaavat kojelaudan rungossa olevia reikiä. Valjaiden kiinnitys saadaan aikaan työntämällä puristimet reikiin. Johtosarjan asentamiseen tarkoitetun robottijärjestelmän on siis ratkaistava kaksi perusongelmaa: kuinka mitata johdinsarjan tila ja miten sitä käsitellään.
Johdinsarjalla on monimutkaiset fysikaaliset ominaisuudet. Asennuksen aikana se osoittaa sekä elastista muodonmuutosta että plastista muodonmuutosta. Tämä tekee siitä tarkan dynaamisen mallin saamisen vaikeaksi.
Prototyyppivaljaiden kokoonpanojärjestelmämme koostuu kolmesta kompaktista kuusiakselisesta robotista, jotka on sijoitettu kojelaudan rungon eteen. Kolmas robotti auttaa valjaiden sijoittamisessa ja tarttumisessa.
Jokainen robotti on varustettu kahdella sormella yhdensuuntaisella tarttujalla, jolla on yksi vapausaste. Tarraimen sormissa on kaksi syvennystä: yksi valjaiden kiinnittimien pitämiseksi kiinni, toinen itse valjaiden segmenttien pitämiseksi kiinni.
Jokainen päätelaite on myös varustettu kahdella CCD-kameralla ja laseretäisyysanturilla. Molemmilla kameroilla on erilaiset polttovälit, jotka tarjoavat suuren syväterävyyden. Laseretäisyysanturia käytetään, kun tarvitaan tarkka mittaus lankaosaan. Työsolua ympäröi 10 kiinteää lisäkameraa, jotka osoittavat työaluetta eri suunnista. Päätetoimijoihin asennetut kamerat mukaan lukien järjestelmämme työllistää yhteensä 16 visiokameraa.
Valjaiden tunnistus toteutetaan konenäön avulla. Jokaiseen valjaiden puristimeen on kiinnitetty erityisesti suunniteltu muovinen kansi. Kansissa on geometrisia kuvioita, jotka luetaan ARToolKit-ohjelmistolla. Tämä avoimen lähdekoodin ohjelmisto on alun perin suunniteltu lisätyn todellisuuden sovelluksiin. Se tarjoaa joukon helppokäyttöisiä kirjastoja merkkien havaitsemiseen ja tunnistamiseen. Kamera lukee merkit määrittääkseen valjaiden suhteellisen sijainnin.
Jokaisella puristinkannella on oma geometrinen kuvionsa. Kuvio kertoo robottiohjaimelle valjaiden suhteellisen sijainnin avaruudessa sekä tiedot valjaiden kyseisestä osasta (kuten mihin segmentti tulisi sijoittaa paneelin runkoon).
Kiinteät kamerat työsolun ympärillä tarjoavat karkeaa sijaintitietoa kustakin johtosarjan puristimesta. Tietyn johtosarjan puristimen asento arvioidaan interpoloimalla viereisten puristimien sijainti. Päätelaite ohjataan lähestymään kohdepuristinta kiinteistä kameroista saatujen sijaintitietojen avulla – kunnes rannekamera löytää kohteen. Siitä hetkestä lähtien robotin ohjaus toimii yksinomaan rannekameran avulla. Rannekameran tarjoama tarkkuus tällä lyhyellä etäisyydellä varmistaa luotettavan ottamisen kiinnikkeisiin.
Samanlaista prosessia käytetään tarttumaan johtosarjan muotoaan muuttavaan segmenttiin. Kohdesegmentin sijainti arvioidaan ensin interpoloimalla viereisten kiinnittimien asento. Koska interpoloitu käyrä ei ole tarpeeksi tarkka ohjaamaan robottia, laserskanneri skannaa arvioidun alueen. Skanneri lähettää tietyn leveyden tasomaisen säteen. Segmentin tarkka sijainti voidaan sitten määrittää laseranturilta saadusta etäisyysprofiilista.
Merkit yksinkertaistavat huomattavasti johdinsarjan mittausta. Vaikka puristussuojukset nostivat järjestelmän kustannuksia, ne parantavat huomattavasti järjestelmän luotettavuutta.
Valjaiden puristin on suunniteltu yhteensopivaksi paneelin rungossa olevan reiän kanssa. Siten tarrain tarttuu puristimeen pohjastaan ja työntää varpaansa reikään.
Lisäksi on tilanteita, joissa on välttämätöntä käsitellä lankasegmenttiä suoraan. Esimerkiksi monissa prosesseissa yhden robotin on muotoiltava valjaat ennen kuin toinen robotti voi suorittaa tehtävänsä. Tällaisessa tapauksessa yhden robotin täytyi suunnata puristin niin, että toinen robotti pääsi siihen käsiksi. Ainoa tapa tehdä tämä oli kiertää lähellä olevaa lankaosaa.
Aluksi yritimme muotoilla lankaa kiertämällä sen viereistä puristinta. Tämä osoittautui kuitenkin mahdottomaksi lankasegmentin alhaisen vääntöjäykkyyden vuoksi. Myöhemmissä kokeissa robotti tarttui ja taivutti lankasegmentin suoraan. Tämän prosessin aikana ympäröivät kamerat tarkkailevat kohdepuristimen asentoa. Taivutusprosessi jatkuu, kunnes kohdepuristimen suunta osuu yhteen vertailuarvon kanssa.
Kun kehitimme prototyypin kokoonpanojärjestelmän, teimme sarjan kokeita testataksemme sitä. Prosessi alkaa siitä, että robotit poimivat johtosarjan ripustimesta. Sitten he asettavat kahdeksan valjaiden puristinta paneelin runkoon. Prosessi päättyy robottien palaamiseen alkuperäiseen valmiustilaan.
Oikeaan varteen kiinnittimet 1, 2 ja 3. Keskivarteen kiinnikkeet 4 ja 5 ja vasempaan varteen kiinnikkeet 6, 7 ja 8.
Kiinnitin 3 työnnetään sisään ensin ja sen jälkeen puristimet 1 ja 2. Puristimet 4 - 8 asetetaan sitten numerojärjestyksessä.
Robottikäsivarsien liikesekvenssi luotiin simulaatioohjelmistolla. Törmäyksentunnistusalgoritmi esti robotteja törmätämästä ympäristössä oleviin esineisiin tai toisiinsa.
Lisäksi jotkin liikesarjan toiminnot luotiin viittaamalla ihmisasentajiin. Tätä tarkoitusta varten taltioimme työntekijöiden liikkeet kokoonpanon aikana. Tiedot sisältävät sekä työntekijän liikkeen että vastaavan johdinsarjan käyttäytymisen. Ei ole yllättävää, että työntekijän käyttämä liikestrategia osoittautui usein tehokkaammaksi kuin robottien.
Kokeissamme törmäsimme joskus vaikeuksiin kiinnittimien asettamisessa, koska tarttujaa oli mahdotonta sijoittaa tehtävää varten. Esimerkiksi puristin 5 tulee asentaa heti sen jälkeen, kun puristin 4 on kiinnitetty runkoon. Kuitenkin kiinnittimestä 4 vasemmalla oleva valjassegmentti putoaisi aina, mikä vaikeuttaisi keskirobotin paikantamista kiinnittimen 5 työntämistä varten.
Ratkaisumme tähän ongelmaan oli esimuotoilla kohdelangan segmentti onnistuneen tarttumisen varmistamiseksi. Ensin vasen robotti nostaa puristimen 5 ylös tarttumalla lankasegmenttiin lähellä pidikettä 5. Sitten puristimen 5 suuntausta säädetään ohjaamalla lankasegmentin vääntötilaa. Tämä esimuotoilutoiminto varmistaa, että myöhempi puristin 5 tartunta suoritetaan aina sopivimmassa asennossa.
Joissakin tilanteissa johtosarjan kokoaminen vaatii ihmismäistä yhteistyötä useiden robottikäsivarsien välillä. Puristimen 1 asettaminen on hyvä esimerkki. Kun puristin 2 on asetettu paikalleen, puristin 1 putoaa. Puristimen 1 asettamiseen käytettävissä oleva tila on rajallinen ja tarttuja on vaikea sijoittaa ympäröivään ympäristöön törmäysvaaran vuoksi. Lisäksi käytännön kokemus on opettanut meidät välttämään tämän toimenpiteen aloittamista langan roikkuessa, koska se voi johtaa siihen, että ympäröivä runko tarttuu myöhemmissä toiminnoissa lankasegmentteihin.
Ratkaisumme tähän ongelmaan sai inspiraationsa ihmistyöntekijöiden käytöksestä. Ihmistyöntekijä koordinoi helposti kahden käsivartensa käyttöä tehtävän suorittamiseksi. Tässä tapauksessa työntekijä yksinkertaisesti työntäisi puristimen 4 yhdellä kädellä ja samalla säätäisi lankasegmentin asentoa toisella kädellä. Ohjelmoimme robotit toteuttamaan samaa strategiaa.
Joissakin tilanteissa lankasegmentin esimuotoilu oli vaikeaa käyttämällä kahta robottia yhteistyössä. Puristimen 6 asettamisprosessi on hyvä esimerkki. Tätä toimenpidettä varten odotimme, että vasen robottivarsi työntäisi sen kehykseen, koska se on ainoa robottikäsi, joka voi saavuttaa kohteen.
Kuten kävi ilmi, robotti ei alun perin päässyt kiinni pidikkeeseen. Kun ohjain päättää, että puristimeen tarttuminen ei ole mahdollista, robotti yrittää tarttua kiinnikkeen lähellä olevaan lankasegmenttiin sen sijaan, että tarttuisi itse puristin. Sitten robotti kiertää ja taivuttaa segmenttiä kääntääkseen puristinpinnan enemmän vasemmalle. Segmentin taivutus muutaman kerran riittää yleensä muuttamaan sen sijaintia. Kun segmentti on sopiva asento tarttumista varten, robotti yrittää toisen kerran tarttua kohdepuristimeen.
Lopulta robottijärjestelmämme pystyi asentamaan kahdeksan puristinta kojelaudan runkoon keskimäärin 3 minuutissa. Vaikka tämä nopeus on vielä kaukana käytännön sovelluksen vaatimuksesta, se osoittaa robotin johdinsarjan teknisen toteutettavuuden.
Useita ongelmia on ratkaistava, jotta järjestelmästä tulee luotettava ja riittävän nopea käytännön teollisuuden käyttöön. Ensinnäkin on tärkeää, että johdinsarjat on muotoiltu valmiiksi robottikokoonpanoa varten. Verrattuna solmu- ja irrotustoimintoihin yksittäisten johdinosien vääntötila on kriittinen johtosarjan asennuksessa, koska robotit käsittelevät johtosarjaan sidottuja osia. Lisäksi kiertyvällä vapausasteella varustettu tarttuja auttaisi myös valjaiden asennuksessa.
Prosessin nopeuden parantamiseksi tulee ottaa huomioon langan dynaaminen käyttäytyminen. Tämä käy ilmi elokuvatutkimuksista, joissa ammattitaitoiset työntekijät asentavat johdinsarjoja. He käyttävät molempia käsiä ja taitavia liikkeitä ohjatakseen vaijerin dynaamista heilahtelua ja siten välttääkseen ympäröivät esteet. Kun robottikokoonpanoa toteutetaan samalla nopeudella, tarvitaan erityisiä lähestymistapoja vaijerin dynaamisen käyttäytymisen vaimentamiseksi.
Vaikka monet tutkimuksessamme käyttämistämme lähestymistavoista ovat yksinkertaisia, osoitimme onnistuneesti automaattisen kokoonpanon prototyyppirobottijärjestelmällämme. Tällaisissa tehtävissä on potentiaalia automatisoitumiseen.