Robotachtige assemblage van kabelbomen voor auto's

Nieuw onderzoek suggereert dat robots met zes assen kunnen worden gebruikt om kabelbomen voor auto's te installeren.

Door Xin Yang

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

Meerassige robotarmen voeren een breed scala aan processen uit in auto-assemblagefabrieken, waaronder schilderen, lassen en bevestigen.

Maar zelfs met de vooruitgang in de automatiseringstechnologie kunnen sommige processen nog steeds niet worden voltooid zonder bekwame menselijke monteurs. De taak om kabelbomen in autocarrosserieën te installeren is zo'n taak die traditioneel moeilijk was voor robots.

Er is eerder onderzoek gedaan naar de problemen bij het hanteren van vervormbare lineaire objecten, zoals draad of buizen, met robots. Veel van deze onderzoeken concentreerden zich op de vraag hoe om te gaan met de topologische transitie van vervormbare lineaire objecten. Ze probeerden robots te programmeren om knopen te leggen of lussen te maken met touw. Deze studies pasten de wiskundige knooptheorie toe om de topologische overgangen van het touw te beschrijven.

Bij deze benaderingen wordt een vervormbaar lineair object in drie dimensies eerst geprojecteerd in een tweedimensionaal vlak. De projectie in het vlak, die wordt gedemonstreerd als gekruiste curven, kan goed worden beschreven en behandeld met behulp van de knopentheorie.

In 2006 ontwikkelde een onderzoeksteam onder leiding van Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., van de Universiteit van Osaka in Japan een methode voor het knopen en ontknopen van vervormbare lineaire objecten met robots. Ze definieerden vier fundamentele operaties (waarvan er drie gelijkwaardig zijn aan Reidemeister-bewegingen) die nodig zijn voor het voltooien van een overgang tussen twee draadkruisende staten. De onderzoekers toonden aan dat elke knoop- of ontknopingsoperatie die kan worden ontleed in opeenvolgende topologische overgangen kan worden bereikt door een sequentiële combinatie van deze vier fundamentele operaties toe te passen. Hun aanpak werd bevestigd toen ze een SCARA-robot konden programmeren om een ​​touw op een bureau te knopen.

Op dezelfde manier ontwikkelden onderzoekers onder leiding van Takayuki Matsuno, Ph.D., van de Toyama Prefectural University in Imizu, Japan, een methode om een ​​touw in drie dimensies te knopen met behulp van twee robotarmen. De ene robot hield het uiteinde van het touw vast, terwijl de andere het vastknoopte. Om de driedimensionale positie van het touw te meten, werd stereovisie gebruikt. De toestand van de knoop wordt beschreven met behulp van knoopinvarianten in plaats van Reidemeister-bewegingen.

In beide onderzoeken waren de robots uitgerust met een klassieke tweevingerige parallelgrijper met slechts één vrijheidsgraad.

In 2008 demonstreerde een onderzoeksteam onder leiding van Yuji Yamakawa van de Universiteit van Tokio een techniek voor het knopen van touw met behulp van een robot die was uitgerust met een snelle hand met meerdere vingers. Met een handiger grijper – inclusief kracht- en koppelsensoren die in de vingers zijn gemonteerd – worden operaties zoals ‘touwpermutatie’ mogelijk, zelfs met één arm. Touwpermutatie verwijst naar de handeling waarbij de plaatsen van twee touwen worden verwisseld door ze te draaien terwijl de touwen tussen twee vingers worden geknepen.

Andere onderzoeksprojecten waren gericht op het oplossen van problemen die verband houden met het robotisch hanteren van vervormbare lineaire objecten op de assemblagelijn.

Tsugito Maruyama, Ph.D., en een team van onderzoekers bij Fujitsu Laboratories Ltd. in Kawasaki, Japan, ontwikkelden bijvoorbeeld een draadhanteringssysteem voor een assemblagelijn die elektrische onderdelen maakt. Er werd een robotarm gebruikt om signaalkabels in de beugels te steken. Twee technologieën waren van cruciaal belang om hun systeem te laten werken: een multiplanaire laserlichtprojector en een stereovisiesysteem.

Jürgen Acker en onderzoekers van de Kaiserslautern Universiteit voor Technologie in Duitsland ontwikkelden een methode om 2D-machinevisie te gebruiken om te bepalen waar en hoe een vervormbaar lineair object (in dit geval een autokabel) in contact komt met objecten in de omgeving.

Op basis van al dit onderzoek hebben we geprobeerd een praktisch robotsysteem te ontwikkelen voor het installeren van kabelbomen op een assemblagelijn in de auto-industrie. Hoewel ons systeem in het laboratorium is ontwikkeld, zijn alle omstandigheden die in onze experimenten worden gebruikt, afkomstig van een echte autofabriek. Ons doel was om de technische haalbaarheid van een dergelijk systeem aan te tonen en gebieden te bepalen waar verdere ontwikkeling nodig is.

Montage van de kabelboom

Een kabelboom voor auto's bestaat uit meerdere kabels omwikkeld met elektrische tape. Het heeft een boomachtige structuur waarbij elke tak is verbonden met een specifiek instrument. Op de assemblagelijn bevestigt een medewerker het harnas handmatig aan het frame van het instrumentenpaneel.

Een set plastic klemmen is in de kabelboom gebonden. Deze klemmen komen overeen met gaten in het instrumentenpaneelframe. Bevestiging van het harnas wordt bereikt door de klemmen in de gaten te steken. Een robotsysteem voor het installeren van de kabelboom moet daarom twee basisproblemen oplossen: hoe de staat van een kabelboom te meten, en hoe ermee om te gaan.

Een kabelboom heeft complexe fysieke eigenschappen. Tijdens de montage vertoont het zowel elastische vervorming als plastische vervorming. Dit maakt het verkrijgen van een nauwkeurig dynamisch model ervan moeilijk.

Prototypesysteem

Ons prototype van een harnasassemblagesysteem bestaat uit drie compacte robots met zes assen die voor een instrumentenpaneelframe zijn geplaatst. De derde robot helpt bij het positioneren en vastpakken van het harnas.

Elke robot is uitgerust met een parallelle grijper met twee vingers en één vrijheidsgraad. De grijpvingers hebben twee inkepingen: één voor het vasthouden van de harnasklemmen, de andere voor het vasthouden van segmenten van het harnas zelf.

Elke eindeffector is bovendien uitgerust met twee CCD-camera's en een laserbereiksensor. De twee camera's hebben verschillende brandpuntsafstanden, waardoor een grote scherptediepte ontstaat. De laserbereiksensor wordt gebruikt wanneer nauwkeurige metingen aan een draadsegment noodzakelijk zijn. Rondom de werkcel zijn 10 extra camera's met vaste positie vanuit verschillende richtingen naar het werkgebied gericht. Inclusief de camera's die op de eindeffectoren zijn gemonteerd, maakt ons systeem gebruik van in totaal 16 vision-camera's.

Herkenning van het harnas wordt bereikt met machinevisie. Aan elke harnasklem is een speciaal ontworpen plastic hoes bevestigd. De covers hebben geometrische patronen die worden gelezen met ARToolKit-software. Deze open-sourcesoftware is oorspronkelijk ontworpen voor augmented reality-toepassingen. Het biedt een reeks eenvoudig te gebruiken bibliotheken voor het detecteren en herkennen van de markers. De camera leest de markeringen om de relatieve positie van het harnas te bepalen.

Elke klemafdekking heeft zijn eigen geometrische patroon. Het patroon vertelt de robotcontroller de relatieve positie van het harnas in de ruimte, evenals informatie over dat segment van het harnas (zoals waar dat segment op het paneelframe moet worden geplaatst).

De vaste camera's rond de werkcel bieden ruwe positie-informatie over elke harnasklem. De positie van een specifieke harnasklem wordt geschat door de positie van aangrenzende klemmen te interpoleren. De eindeffector wordt begeleid om de doelklem te naderen met positie-informatie verkregen van de vaste camera's - totdat de polscamera het doel kan vinden. Vanaf dat moment wordt de robotbegeleiding uitsluitend verzorgd door de polscamera. De precisie van de polscamera op die korte afstand zorgt voor een betrouwbare grip van de klemmen.

Een soortgelijk proces wordt gebruikt om een ​​vervormbaar segment van de kabelboom vast te pakken. De positie van het doelsegment wordt eerst geschat door de positie van aangrenzende klemmen te interpoleren. Omdat de geïnterpoleerde curve niet nauwkeurig genoeg is om de robot te geleiden, wordt het geschatte gebied vervolgens gescand door de laserscanner. De scanner zendt een vlakke straal uit met een bepaalde breedte. Uit het afstandsprofiel verkregen van de lasersensor kan vervolgens de exacte positie van het segment worden bepaald.

De markeringen vereenvoudigen het meten van de kabelboom aanzienlijk. Hoewel de klemafdekkingen de kosten van het systeem verhoogden, verbeteren ze de betrouwbaarheid van het systeem aanzienlijk.

Hantering van harnassen

De kabelboomklem is ontworpen om te passen in een gat in het paneelframe. De grijper grijpt dus een klem bij zijn basis en steekt zijn teen in het gat.

Bovendien zijn er enkele gevallen waarin het nodig is een draadsegment rechtstreeks te hanteren. Bij veel processen moet bijvoorbeeld één robot het harnas vormgeven voordat een andere robot zijn werk kan doen. In zo’n geval moest de ene robot een klem zo richten dat deze door een andere robot kon worden bereikt. De enige manier om dit te doen was door een nabijgelegen draadsegment te verdraaien.

Aanvankelijk probeerden we de draad vorm te geven door de aangrenzende klem te draaien. Door de lage torsiestijfheid van het draadsegment bleek dit echter onmogelijk. In daaropvolgende experimenten greep de robot het draadsegment rechtstreeks vast en boog het. Tijdens dit proces wordt de positie van de doelklem bewaakt door de omringende camera's. Het buigproces gaat door totdat de oriëntatie van de doelklem samenvalt met een referentiewaarde.

Verificatie-experimenten

Nadat we een prototype van een assemblagesysteem hadden ontwikkeld, voerden we een reeks experimenten uit om het uit te testen. Het proces begint met het oppakken van een kabelboom door de robots van een hanger. Vervolgens steken ze acht kabelboomklemmen in het paneelframe. Het proces eindigt wanneer de robots terugkeren naar de oorspronkelijke stand-bypositie.

De rechterarm steekt de klemmen 1, 2 en 3 in. De centrale arm steekt de klemmen 4 en 5 in, en de linkerarm steekt de klemmen 6, 7 en 8 in.

Klem 3 wordt eerst ingebracht, gevolgd door klemmen 1 en 2. Klemmen 4 tot en met 8 worden vervolgens in numerieke volgorde geplaatst.

Het bewegingsverloop van de robotarmen werd gegenereerd met behulp van simulatiesoftware. Een algoritme voor botsingsdetectie verhinderde dat de robots tegen objecten in de omgeving of tegen elkaar botsten.

Bovendien werden sommige bewerkingen in de bewegingsreeks gegenereerd door te verwijzen naar menselijke assembleurs. Voor dit doel hebben we de bewegingen van arbeiders tijdens de montage vastgelegd. De gegevens omvatten zowel de beweging van de werknemer als het overeenkomstige gedrag van de kabelboom. Het is niet verrassend dat de bewegingsstrategie van een werknemer vaak effectiever bleek te zijn dan die van de robots.

Draaicontrole van draadsegmenten

Bij onze experimenten kwamen we soms problemen tegen bij het plaatsen van de klemmen, omdat het onmogelijk was de grijper voor de taak te positioneren. Klem 5 moet bijvoorbeeld direct worden geplaatst nadat klem 4 aan het frame is bevestigd. Het harnassegment links van klem 4 zou echter steevast hangen, waardoor het moeilijk wordt voor de middelste robot om klem 5 te positioneren voor inbrengen.

Onze oplossing voor dit probleem was het vooraf vormgeven van het doeldraadsegment om een ​​succesvolle grijping te garanderen. Eerst wordt klem 5 omhoog gebracht door de linkerrobot door het draadsegment nabij klem 5 vast te pakken. Vervolgens wordt de oriëntatie van klem 5 geregeld door de torsietoestand van het draadsegment te regelen. Deze voorvormhandeling zorgt ervoor dat het daaropvolgende vastgrijpen van de klem 5 altijd in de meest geschikte positie wordt uitgevoerd.

Samenwerking tussen wapens

In sommige situaties vereist de montage van een kabelboom een ​​mensachtige samenwerking tussen meerdere robotarmen. Het inbrengen van klem 1 is een goed voorbeeld. Nadat klem 2 is geplaatst, zal klem 1 gaan hangen. De beschikbare ruimte om klem 1 in te brengen is beperkt, en het is moeilijk om de grijper te positioneren vanwege het risico van botsing met de omgeving. Bovendien heeft de praktijkervaring ons geleerd om te voorkomen dat deze handeling begint met dat draadsegment dat naar beneden hangt, omdat dit ertoe zou kunnen leiden dat draadsegmenten bij volgende bewerkingen door het omringende frame worden gegrepen.

Onze oplossing voor dit probleem werd geïnspireerd door het gedrag van menselijke werknemers. Een menselijke werker coördineert gemakkelijk het gebruik van zijn twee armen om een ​​taak te voltooien. In dit geval zou een arbeider eenvoudigweg klem 4 met één hand insteken, terwijl hij tegelijkertijd met de andere hand de positie van het draadsegment aanpast. We hebben de robots geprogrammeerd om dezelfde strategie te implementeren.

Plastische vervorming

In sommige situaties was het moeilijk om het draadsegment voor te vormen door samen twee robots in te zetten. Het proces van het inbrengen van klem 6 is een goed voorbeeld. Bij deze operatie hadden we verwacht dat de linker robotarm deze in het frame zou steken, aangezien dit de enige robotarm is die het doel kan bereiken.

Het bleek dat de robot de klem aanvankelijk niet kon bereiken. Wanneer de controller bepaalt dat het vastgrijpen van de klem niet haalbaar is, zal de robot proberen het draadsegment nabij de klem vast te pakken in plaats van de klem zelf vast te pakken. Vervolgens draait en buigt de robot het segment om het klemvlak meer naar links te draaien. Een segment een paar keer buigen is meestal voldoende om de positie ervan te veranderen. Zodra het segment de juiste positie heeft om vast te pakken, zal de robot opnieuw proberen de doelklem vast te pakken.

Conclusies

Uiteindelijk kon ons robotsysteem in een gemiddelde tijd van drie minuten acht klemmen in het frame van het instrumentenpaneel installeren. Hoewel die snelheid nog ver verwijderd is van de vereiste voor praktische toepassing, toont het wel de technische haalbaarheid van de assemblage van robotkabelbomen aan.

Er moeten verschillende problemen worden opgelost om het systeem betrouwbaar en snel genoeg te maken voor praktische industriële toepassing. Ten eerste is het belangrijk dat kabelbomen voorgevormd zijn voor robotmontage. Vergeleken met het knopen en ontknopen is de torsietoestand van individuele draadsegmenten van cruciaal belang voor de installatie van de kabelboom, aangezien de robots onderdelen hanteren die in de kabelboom zijn vastgebonden. Bovendien zou een grijper uitgerust met een mate van draaivrijheid ook helpen bij de installatie van het harnas.

Om de snelheid van het proces te verbeteren, moet rekening worden gehouden met het dynamische gedrag van de draad. Dit blijkt duidelijk uit de filmstudies van geschoolde werknemers die kabelbomen inbrengen. Ze gebruiken beide handen en bekwame bewegingen om het dynamische zwaaien van de draad te controleren en daardoor omringende obstakels te vermijden. Bij het implementeren van robotassemblage met vergelijkbare snelheid zullen speciale benaderingen nodig zijn om het dynamische gedrag van de draad te onderdrukken.

Hoewel veel van de in ons onderzoek toegepaste benaderingen eenvoudig zijn, hebben we met succes automatische assemblage gedemonstreerd met ons prototype van een robotsysteem. Er is potentieel voor automatisering bij dit soort taken.