Pemasangan Robotik Abah-abah Dawai Automotif

Penyelidikan baru mencadangkan bahawa robot enam paksi boleh digunakan untuk memasang abah-abah pendawaian automotif.

Oleh Xin Yang

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

Lengan robot berbilang paksi melakukan pelbagai proses dalam kilang pemasangan automotif, termasuk mengecat, mengimpal dan mengikat.

Walau bagaimanapun, walaupun dengan kemajuan dalam teknologi automasi, beberapa proses masih tidak dapat diselesaikan tanpa pemasang manusia yang mahir. Tugas memasang abah-abah wayar ke dalam badan kereta adalah satu tugas yang secara tradisinya sukar untuk robot.

Terdapat beberapa kajian terdahulu yang berkaitan dengan masalah pengendalian objek linear boleh ubah bentuk, seperti wayar atau tiub, dengan robot. Kebanyakan kajian ini menumpukan cara menangani peralihan topologi objek linear boleh ubah bentuk. Mereka cuba memprogramkan robot untuk mengikat simpulan atau membuat gelung dengan tali. Kajian-kajian ini menggunakan teori simpulan matematik untuk menerangkan peralihan topologi tali.

Dalam pendekatan ini, objek linear boleh ubah bentuk dalam tiga dimensi mula-mula diunjurkan ke dalam satah dua dimensi. Unjuran dalam satah, yang ditunjukkan sebagai lengkung bersilang, boleh diterangkan dan dirawat dengan baik menggunakan teori simpulan.

Pada tahun 2006, pasukan penyelidik yang diketuai oleh Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., Universiti Osaka di Jepun telah membangunkan kaedah untuk menyimpul dan menyahsimpul objek linear boleh ubah bentuk dengan robot. Mereka mentakrifkan empat operasi asas (antaranya, tiga adalah bersamaan dengan gerakan Reidemeister) yang diperlukan untuk melengkapkan peralihan antara mana-mana dua keadaan lintasan wayar. Para penyelidik menunjukkan bahawa apa-apa operasi simpulan atau unknotting yang boleh diuraikan menjadi peralihan topologi berjujukan boleh dicapai dengan menggunakan gabungan berurutan empat operasi asas ini. Pendekatan mereka telah disahkan apabila mereka dapat memprogramkan robot SCARA untuk mengikat tali yang diletakkan di atas meja.

Begitu juga, penyelidik yang diketuai oleh Takayuki Matsuno, Ph.D., Universiti Prefektur Toyama di Imizu, Jepun, membangunkan kaedah untuk mengikat tali dalam tiga dimensi menggunakan dua lengan robot. Satu robot memegang hujung tali, manakala yang lain mengikatnya. Untuk mengukur kedudukan tiga dimensi tali, penglihatan stereo digunakan. Keadaan simpulan diterangkan menggunakan invarian simpulan dan bukannya gerakan Reidemeister.

Dalam kedua-dua kajian, robot itu dilengkapi dengan pencengkam selari dua jari klasik dengan hanya satu darjah kebebasan.

Pada tahun 2008, pasukan penyelidik yang diketuai oleh Yuji Yamakawa dari Universiti Tokyo telah menunjukkan teknik untuk mengikat tali menggunakan robot yang dilengkapi dengan tangan berbilang jari berkelajuan tinggi. Dengan penggenggam yang lebih tangkas—termasuk penderia daya dan tork yang dipasang pada jari—operasi seperti "permutasi tali" menjadi mungkin, walaupun dengan satu lengan. Permutasi tali merujuk kepada operasi menukar tempat dua tali dengan memulasnya sambil mencubit tali di antara dua jari.

Projek penyelidikan lain telah memberi tumpuan kepada menyelesaikan masalah yang berkaitan dengan pengendalian robot objek linear boleh ubah bentuk pada baris pemasangan.

Contohnya, Tsugito Maruyama, Ph.D., dan pasukan penyelidik di Fujitsu Laboratories Ltd. di Kawasaki, Jepun, membangunkan sistem pengendalian wayar untuk talian pemasangan yang membuat bahagian elektrik. Lengan robot digunakan untuk memasukkan kabel isyarat ke dalam pengapit. Dua teknologi adalah penting untuk membolehkan sistem mereka berfungsi: projektor cahaya laser berbilang satah dan sistem penglihatan stereo.

Jürgen Acker dan penyelidik di Universiti Teknologi Kaiserslautern di Jerman membangunkan kaedah untuk menggunakan penglihatan mesin 2D untuk menentukan di mana dan cara objek linear boleh ubah bentuk (dalam kes ini, kabel automotif) menghubungi objek dalam persekitaran.

Berdasarkan semua penyelidikan ini, kami cuba membangunkan sistem robotik praktikal untuk memasang abah-abah wayar pada barisan pemasangan automotif. Walaupun sistem kami dibangunkan di makmal, semua syarat yang digunakan dalam eksperimen kami dirujuk daripada loji kereta sebenar. Matlamat kami adalah untuk menunjukkan kebolehlaksanaan teknikal sistem sedemikian dan menentukan kawasan di mana pembangunan selanjutnya diperlukan.

Perhimpunan Abah Wayar

Abah-abah wayar automotif terdiri daripada berbilang kabel yang dibalut dengan pita elektrik. Ia mempunyai struktur seperti pokok dengan setiap cawangan disambungkan kepada instrumen tertentu. Pada barisan pemasangan, seorang pekerja memasang abah-abah secara manual pada bingkai panel instrumen.

Satu set pengapit plastik diikat ke dalam abah-abah wayar. Pengapit ini sepadan dengan lubang dalam bingkai panel instrumen. Lampiran abah-abah dicapai dengan memasukkan pengapit ke dalam lubang. Oleh itu, sistem robotik untuk memasang abah-abah mesti menyelesaikan dua masalah asas: cara mengukur keadaan abah-abah wayar, dan cara mengendalikannya.

Abah-abah dawai mempunyai sifat fizikal yang kompleks. Semasa pemasangan, ia mempamerkan ubah bentuk elastik dan ubah bentuk plastik. Ini menyukarkan mendapatkan model dinamik yang tepat.

Sistem Prototaip

Sistem pemasangan abah prototaip kami terdiri daripada tiga robot enam paksi padat yang diletakkan di hadapan bingkai panel instrumen. Robot ketiga membantu dengan meletakkan dan menggenggam abah-abah.

Setiap robot dilengkapi dengan pencengkam selari dua jari dengan satu darjah kebebasan. Jari penggenggam mempunyai dua lekukan: satu untuk memegang pengapit abah-abah, satu lagi untuk memegang segmen abah-abah itu sendiri.

Setiap kesan akhir juga dilengkapi dengan dua kamera CCD dan sensor julat laser. Kedua-dua kamera mempunyai jarak fokus yang berbeza untuk memberikan kedalaman medan yang besar. Penderia julat laser digunakan apabila pengukuran tepat pada segmen wayar diperlukan. Di sekeliling sel kerja, 10 kamera kedudukan tetap tambahan menghadap kawasan kerja dari pelbagai arah. Termasuk kamera yang dipasang pada kesan akhir, sistem kami menggunakan sejumlah 16 kamera penglihatan.

Pengiktirafan abah-abah dicapai dengan penglihatan mesin. Penutup plastik yang direka khas dipasang pada setiap pengapit abah-abah. Sampulnya mempunyai corak geometri yang dibaca dengan perisian ARToolKit. Perisian sumber terbuka ini pada asalnya direka untuk aplikasi realiti tambahan. Ia menyediakan satu set perpustakaan yang mudah digunakan untuk mengesan dan mengenali penanda. Kamera membaca penanda untuk menentukan kedudukan relatif abah-abah.

Setiap penutup pengapit mempunyai corak geometrinya sendiri. Corak memberitahu pengawal robot kedudukan relatif abah-abah di angkasa, serta maklumat mengenai segmen abah-abah tersebut (seperti tempat segmen tersebut harus diletakkan pada bingkai panel).

Kamera tetap di sekeliling sel kerja memberikan maklumat kedudukan kasar tentang setiap pengapit abah-abah. Kedudukan pengapit abah-abah tertentu dianggarkan dengan menginterpolasi kedudukan pengapit bersebelahan. Efektor akhir dibimbing untuk mendekati pengapit sasaran dengan maklumat kedudukan yang diperoleh daripada kamera tetap—sehingga kamera pergelangan tangan dapat mencari sasaran. Mulai saat itu, bimbingan robot disediakan semata-mata oleh kamera pergelangan tangan. Ketepatan yang disediakan oleh kamera pergelangan tangan dalam jarak pendek itu memastikan pegangan pengapit yang boleh dipercayai.

Proses yang sama digunakan untuk menangkap segmen boleh ubah bentuk abah-abah wayar. Kedudukan segmen sasaran mula-mula dianggarkan dengan menginterpolasi pose pengapit bersebelahan. Memandangkan lengkung interpolasi tidak cukup tepat untuk membimbing robot, kawasan anggaran kemudiannya diimbas oleh pengimbas laser. Pengimbas mengeluarkan pancaran planar dengan lebar tertentu. Kedudukan tepat segmen kemudiannya boleh ditentukan dari profil jarak yang diperoleh daripada sensor laser.

Penanda sangat memudahkan pengukuran abah-abah wayar. Walaupun penutup pengapit meningkatkan kos sistem, ia meningkatkan kebolehpercayaan sistem dengan ketara.

Pengendalian Harness

Pengapit abah-abah direka bentuk untuk mengawan dengan lubang pada bingkai panel. Oleh itu, penggenggam menggenggam pengapit pada tapaknya dan memasukkan jari kakinya ke dalam lubang.

Di samping itu, terdapat beberapa keadaan di mana ia perlu untuk mengendalikan segmen wayar secara langsung. Sebagai contoh, dalam banyak proses, satu robot mesti membentuk abah-abah sebelum robot lain boleh melaksanakan tugasnya. Dalam kes sedemikian, satu robot perlu mengorientasikan pengapit supaya ia boleh dicapai oleh robot lain. Satu-satunya cara untuk melakukan ini ialah memutar segmen wayar berdekatan.

Pada mulanya, kami cuba membentuk wayar dengan memutar pengapit bersebelahan. Walau bagaimanapun, disebabkan kekukuhan kilasan yang rendah bagi segmen wayar, ini terbukti mustahil. Dalam eksperimen seterusnya, robot itu mencengkam dan membengkokkan segmen wayar secara langsung. Semasa proses ini, pose pengapit sasaran dipantau oleh kamera sekeliling. Proses lenturan akan diteruskan sehingga orientasi pengapit sasaran bertepatan dengan nilai rujukan.

Eksperimen Pengesahan

Setelah kami membangunkan sistem pemasangan prototaip, kami menjalankan satu siri eksperimen untuk mengujinya. Proses bermula dengan robot mengambil abah-abah wayar dari penyangkut. Mereka kemudian memasukkan lapan pengapit abah-abah ke dalam bingkai panel. Proses ini berakhir dengan robot kembali ke kedudukan siap sedia awal.

Lengan kanan memasukkan pengapit 1, 2 dan 3. Lengan tengah memasukkan pengapit 4 dan 5, dan lengan kiri memasukkan pengapit 6, 7 dan 8.

Pengapit 3 dalam dimasukkan dahulu, diikuti dengan pengapit 1 dan 2. Pengapit 4 hingga 8 kemudian dimasukkan dalam susunan berangka.

Urutan gerakan lengan robot dijana menggunakan perisian simulasi. Algoritma pengesanan perlanggaran menghalang robot daripada mengetuk objek dalam persekitaran atau satu sama lain.

Di samping itu, beberapa operasi dalam urutan gerakan dijana dengan merujuk pemasang manusia. Untuk tujuan ini, kami menangkap gerakan pekerja semasa perhimpunan. Data termasuk kedua-dua gerakan pekerja dan kelakuan yang sepadan dengan abah-abah wayar. Tidak hairanlah, strategi gerakan yang diambil oleh pekerja sering terbukti lebih berkesan daripada robot.

Kawalan Memusing Segmen Wayar

Dalam eksperimen kami, kadangkala kami menghadapi kesukaran untuk memasukkan pengapit kerana adalah mustahil untuk meletakkan penggenggam untuk tugas itu. Sebagai contoh, pengapit 5 hendaklah dimasukkan serta-merta selepas pengapit 4 telah dipasang pada bingkai. Walau bagaimanapun, bahagian abah-abah yang ditinggalkan pada pengapit 4 akan sentiasa terkulai, menyukarkan robot tengah untuk meletakkan pengapit 5 untuk dimasukkan.

Penyelesaian kami untuk masalah ini adalah untuk membentuk awal segmen wayar sasaran untuk memastikan cengkaman berjaya. Mula-mula, pengapit 5 dinaikkan oleh robot kiri dengan menggenggam segmen wayar berhampiran pengapit 5. Kemudian, orientasi pengapit 5 dikawal dengan mengawal keadaan kilasan segmen wayar. Operasi pra-bentuk ini memastikan bahawa cengkaman pengapit 5 yang seterusnya sentiasa dilaksanakan dalam kedudukan yang paling sesuai.

Kerjasama Antara Senjata

Dalam sesetengah situasi, pemasangan abah-abah wayar memerlukan kerjasama seperti manusia antara berbilang lengan robot. Sisipan pengapit 1 adalah contoh yang baik. Apabila pengapit 2 telah dimasukkan, pengapit 1 akan terkulai. Ruang yang tersedia untuk memasukkan pengapit 1 adalah terhad, dan sukar untuk meletakkan penggenggam kerana risiko berlanggar dengan persekitaran sekeliling. Selain itu, pengalaman praktikal mengajar kami untuk mengelak daripada memulakan operasi ini dengan segmen wayar yang terkulai, kerana ia boleh menyebabkan segmen wayar ditangkap oleh bingkai sekeliling dalam operasi seterusnya.

Penyelesaian kami untuk masalah ini diilhamkan oleh tingkah laku pekerja manusia. Seorang pekerja manusia dengan mudah menyelaraskan penggunaan dua lengannya untuk menyelesaikan tugas. Dalam kes ini, pekerja hanya akan memasukkan pengapit 4 dengan satu tangan, sambil melaraskan kedudukan segmen wayar dengan tangan yang lain secara serentak. Kami memprogramkan robot untuk melaksanakan strategi yang sama.

Ubah Bentuk Plastik

Dalam sesetengah situasi, sukar untuk pra-membentuk segmen wayar dengan menggunakan dua robot secara bekerjasama. Proses memasukkan pengapit 6 adalah contoh yang baik. Untuk operasi ini, kami menjangkakan bahawa lengan robot kiri akan memasukkannya ke dalam bingkai, kerana ia adalah satu-satunya lengan robot yang boleh mencapai sasaran.

Ternyata, robot itu pada mulanya tidak dapat mencapai pengapit. Apabila pengawal menentukan bahawa mencengkam pengapit tidak boleh dicapai, robot akan cuba mencengkam segmen wayar berhampiran pengapit dan bukannya mencengkam pengapit itu sendiri. Robot kemudian memutar dan membengkokkan segmen untuk memusingkan muka pengapit lebih ke kiri. Membengkokkan segmen beberapa kali biasanya cukup untuk menukar kedudukannya. Sebaik sahaja segmen adalah kedudukan yang sesuai untuk mencengkam, robot akan membuat satu lagi percubaan untuk mencengkam pengapit sasaran.

Kesimpulan

Akhirnya, sistem robotik kami dapat memasang lapan pengapit ke dalam bingkai panel instrumen dengan masa purata 3 minit. Walaupun kelajuan itu masih jauh daripada keperluan untuk aplikasi praktikal, ia menunjukkan kebolehlaksanaan teknikal pemasangan abah-abah wayar robotik.

Beberapa masalah mesti diselesaikan untuk menjadikan sistem boleh dipercayai dan cukup pantas untuk aplikasi industri praktikal. Pertama, abah-abah wayar adalah penting untuk pra-bentuk untuk pemasangan robot. Berbanding dengan operasi simpulan dan simpulan, keadaan kilasan segmen wayar individu adalah penting untuk pemasangan abah-abah wayar, kerana robot mengendalikan bahagian yang diikat ke dalam abah-abah. Di samping itu, pencengkam yang dilengkapi dengan tahap kebebasan berpusing juga akan membantu dengan pemasangan abah-abah.

Untuk meningkatkan kelajuan proses, tingkah laku dinamik wayar harus dipertimbangkan. Ini terbukti dalam kajian filem mengenai pekerja mahir yang memasukkan abah-abah dawai. Mereka menggunakan kedua-dua tangan dan gerakan mahir untuk mengawal hayunan dinamik wayar dan dengan itu mengelakkan halangan sekeliling. Apabila melaksanakan pemasangan robot dengan kelajuan yang sama, pendekatan khas akan diperlukan untuk menyekat tingkah laku dinamik wayar.

Walaupun banyak pendekatan yang digunakan dalam penyelidikan kami adalah mudah, kami berjaya menunjukkan pemasangan automatik dengan sistem robotik prototaip kami. Terdapat potensi untuk automasi dengan jenis tugasan ini.