Robotic Assembly ng Automotive Wire Harnesses

Iminumungkahi ng bagong pananaliksik na ang mga anim na axis na robot ay maaaring gamitin upang mag-install ng mga automotive wiring harnesses.

Ni Xin Yang

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

Ang mga multi-axis na robot arm ay nagsasagawa ng malawak na iba't ibang mga proseso sa automotive assembly plants, kabilang ang pagpipinta, welding at fastening.

Gayunpaman, kahit na may mga pag-unlad sa teknolohiya ng automation, ang ilang mga proseso ay hindi pa rin makukumpleto nang walang mga bihasang tao na nagtitipon. Ang gawain ng pag-install ng mga wire harness sa mga katawan ng kotse ay isa sa mga gawaing tradisyonal na mahirap para sa mga robot.

Nagkaroon ng ilang nakaraang pananaliksik na nauugnay sa mga problema sa paghawak ng mga deformable na linear na bagay, tulad ng wire o tubing, na may mga robot. Marami sa mga pag-aaral na ito ang nakatuon kung paano haharapin ang topological transition ng mga deformable linear na bagay. Sinubukan nilang i-program ang mga robot upang magtali ng mga buhol o lumikha ng mga loop na may lubid. Inilapat ng mga pag-aaral na ito ang teorya ng mathematical knot upang ilarawan ang mga topological transition ng lubid.

Sa mga pamamaraang ito, ang isang deformable na linear na bagay sa tatlong dimensyon ay unang na-project sa isang two-dimensional na eroplano. Ang projection sa eroplano, na ipinapakita bilang crossed curves, ay maaaring mailarawan at magamot gamit ang knot theory.

Noong 2006, isang pangkat ng pananaliksik na pinamumunuan ni Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., ng Osaka University sa Japan ang bumuo ng isang paraan para sa pagbunot at pag-unknotting ng mga deformable na linear na bagay gamit ang mga robot. Tinukoy nila ang apat na pangunahing operasyon (kabilang sa mga ito, ang tatlo ay katumbas ng Reidemeister moves) na kinakailangan para sa pagkumpleto ng paglipat sa pagitan ng alinmang dalawang wire-crossing states. Ang mga mananaliksik ay nagpakita na ang anumang knotting o unknotting operation na maaaring mabulok sa sequential topological transition ay maaaring makamit sa pamamagitan ng paggamit ng isang sequential na kumbinasyon ng apat na pangunahing operasyon. Na-verify ang kanilang diskarte nang makapag-program sila ng isang robot na SCARA para buhol ang isang lubid na inilagay sa isang desk.

Katulad nito, ang mga mananaliksik na pinamumunuan ni Takayuki Matsuno, Ph.D., ng Toyama Prefectural University sa Imizu, Japan, ay bumuo ng isang paraan para sa pagbunot ng lubid sa tatlong-dimensyon gamit ang dalawang robot na braso. Hinawakan ng isang robot ang dulo ng lubid, habang ang isa naman ay nakabuhol. Upang sukatin ang three-dimensional na posisyon ng lubid, ginamit ang stereo vision. Inilalarawan ang estado ng knot gamit ang knot invariants sa halip na Reidemeister moves.

Sa parehong pag-aaral, ang mga robot ay nilagyan ng isang klasikong, dalawang daliri parallel gripper na may isang antas lamang ng kalayaan.

Noong 2008, isang pangkat ng pananaliksik na pinamumunuan ni Yuji Yamakawa ng Unibersidad ng Tokyo ang nagpakita ng isang pamamaraan para sa knotting rope gamit ang isang robot na nilagyan ng high-speed multi-fingered hand. Sa pamamagitan ng isang mas mahusay na gripper—kabilang ang mga force at torque sensor na naka-mount sa mga daliri—ang mga operasyon tulad ng "rope permutation" ay naging posible, kahit na sa isang braso. Ang rope permutation ay tumutukoy sa operasyon ng pagpapalitan ng mga lugar ng dalawang lubid sa pamamagitan ng pag-twist ng mga ito habang iniipit ang mga lubid sa pagitan ng dalawang daliri.

Ang iba pang mga proyekto sa pananaliksik ay nakatuon sa paglutas ng mga problema na may kaugnayan sa robotic na paghawak ng mga deformable na linear na bagay sa linya ng pagpupulong.

Halimbawa, si Tsugito Maruyama, Ph.D., at isang pangkat ng mga mananaliksik sa Fujitsu Laboratories Ltd. sa Kawasaki, Japan, ay bumuo ng wire-handling system para sa isang assembly line na gumagawa ng mga de-koryenteng bahagi. Isang robot na braso ang ginamit upang magpasok ng mga signal cable sa mga clasps. Dalawang teknolohiya ang kritikal para sa pagpapagana ng kanilang system na gumana: isang multi-planar laser light projector at isang stereo vision system.

Si Jürgen Acker at mga mananaliksik sa Kaiserslautern University of Technology sa Germany ay bumuo ng isang paraan para sa paggamit ng 2D machine vision upang matukoy kung saan at kung paano ang isang deformable linear object (sa kasong ito, isang automotive cable) ay nakikipag-ugnayan sa mga bagay sa kapaligiran.

Batay sa lahat ng pananaliksik na ito, sinubukan naming bumuo ng isang praktikal na robotic system para sa pag-install ng mga wire harness sa isang automotive assembly line. Bagama't ang aming system ay binuo sa laboratoryo, ang lahat ng mga kundisyong ginamit sa aming mga eksperimento ay isinangguni mula sa isang tunay na planta ng sasakyan. Ang aming layunin ay upang ipakita ang teknikal na pagiging posible ng naturang sistema at matukoy ang mga lugar kung saan kinakailangan ang karagdagang pag-unlad.

Wire Harness Assembly

Ang isang automotive wire harness ay binubuo ng maraming cable na nakabalot ng electrical tape. Ito ay may istraktura na parang puno na ang bawat sangay ay konektado sa isang partikular na instrumento. Sa linya ng pagpupulong, manu-manong ikinakabit ng isang manggagawa ang harness sa frame ng panel ng instrumento.

Ang isang hanay ng mga plastic clamp ay nakatali sa wire harness. Ang mga clamp na ito ay tumutugma sa mga butas sa frame ng panel ng instrumento. Ang attachment ng harness ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpasok ng mga clamp sa mga butas. Ang isang robotic system para sa pag-install ng harness ay dapat na malutas ang dalawang pangunahing problema: kung paano sukatin ang estado ng isang wire harness, at kung paano ito pangasiwaan.

Ang wire harness ay may kumplikadong pisikal na katangian. Sa panahon ng pagpupulong, ito ay nagpapakita ng parehong nababanat na pagpapapangit at plastik na pagpapapangit. Ginagawa nitong mahirap ang pagkuha ng isang tumpak na dynamic na modelo nito.

Sistema ng Prototype

Ang aming prototype harness assembly system ay binubuo ng tatlo, compact na anim na axis na robot na nakaposisyon sa harap ng isang instrument panel frame. Ang ikatlong robot ay tumutulong sa pagpoposisyon at paghawak sa harness.

Ang bawat robot ay nilagyan ng two-fingered parallel gripper na may isang antas ng kalayaan. Ang mga daliri ng gripper ay may dalawang indentasyon: ang isa para sa paghawak ng mga harness clamp, ang isa para sa paghawak ng mga segment ng harness mismo.

Ang bawat end-effector ay nilagyan din ng dalawang CCD camera at isang laser range sensor. Ang dalawang camera ay may magkaibang focal length upang magbigay ng malaking depth of field. Ginagamit ang laser range sensor kapag kailangan ang tumpak na pagsukat sa isang wire segment. Sa paligid ng workcell, 10 karagdagang fixed-position camera ang nakaharap sa lugar ng trabaho mula sa iba't ibang direksyon. Kasama ang mga camera na naka-mount sa mga end-effector, ang aming system ay gumagamit ng kabuuang 16 na vision camera.

Ang pagkilala sa harness ay nagagawa gamit ang machine vision. Ang isang espesyal na idinisenyong plastic na takip ay nakakabit sa bawat harness clamp. Ang mga pabalat ay may mga geometric na pattern na binabasa gamit ang ARToolKit software. Ang open-source na software na ito ay orihinal na idinisenyo para sa mga augmented reality na application. Nagbibigay ito ng isang hanay ng mga madaling-gamitin na mga aklatan para sa pag-detect at pagkilala sa mga marker. Binabasa ng camera ang mga marker upang matukoy ang relatibong posisyon ng harness.

Ang bawat clamp cover ay may sariling geometric na pattern. Sinasabi ng pattern sa robot controller ang relatibong posisyon ng harness sa espasyo, pati na rin ang impormasyon tungkol sa segment na iyon ng harness (gaya ng kung saan dapat iposisyon ang segment na iyon sa panel frame).

Ang mga nakapirming camera sa paligid ng workcell ay nagbibigay ng rough positional na impormasyon tungkol sa bawat harness clamp. Ang posisyon ng isang partikular na harness clamp ay tinatantya sa pamamagitan ng interpolation sa posisyon ng mga katabing clamp. Ang end-effector ay ginagabayan na lumapit sa target na clamp na may positional na impormasyon na nakuha mula sa mga nakapirming camera—hanggang sa mahanap ng wrist camera ang target. Mula sa sandaling iyon, ang gabay ng robot ay ibinibigay lamang ng wrist camera. Ang katumpakan na ibinigay ng wrist camera sa maikling distansyang iyon ay nagsisiguro ng maaasahang pagkakahawak sa mga clamp.

Ang isang katulad na proseso ay ginagamit upang maunawaan ang isang deformable na bahagi ng wire harness. Ang posisyon ng target na segment ay unang tinatantya sa pamamagitan ng interpolating ang pose ng mga katabing clamp. Dahil ang interpolated curve ay hindi sapat na tumpak upang gabayan ang robot, ang tinantyang lugar ay ini-scan ng laser scanner. Ang scanner ay naglalabas ng planar beam na may partikular na lapad. Ang eksaktong posisyon ng segment ay maaaring matukoy mula sa profile ng distansya na nakuha mula sa laser sensor.

Ang mga marker ay lubos na pinasimple ang pagsukat ng wire harness. Bagama't pinataas ng mga clamp cover ang halaga ng system, lubos nilang pinapabuti ang pagiging maaasahan ng system.

Paghawak ng Harness

Ang harness clamp ay idinisenyo upang mag-mate na may butas sa panel frame. Kaya, ang gripper ay nakakahawak ng clamp sa base nito at ipinapasok ang daliri nito sa butas.

Bilang karagdagan, may ilang mga pagkakataon kung saan kinakailangan na direktang hawakan ang isang wire segment. Halimbawa, sa maraming proseso, dapat hubugin ng isang robot ang harness bago magawa ng isa pang robot ang trabaho nito. Sa ganoong kaso, kailangan ng isang robot na i-orient ang isang clamp upang ito ay maabot ng isa pang robot. Ang tanging paraan upang gawin ito ay ang pag-twist ng kalapit na bahagi ng wire.

Sa una, sinubukan naming hubugin ang wire sa pamamagitan ng pag-twist sa katabing clamp nito. Gayunpaman, dahil sa mababang torsional stiffness ng wire segment, napatunayang imposible ito. Sa kasunod na mga eksperimento, hinawakan at binaluktot ng robot ang bahagi ng wire nang direkta. Sa prosesong ito, ang pose ng target na clamp ay sinusubaybayan ng mga nakapaligid na camera. Ang proseso ng baluktot ay magpapatuloy hanggang sa ang oryentasyon ng target na clamp ay tumutugma sa isang reference na halaga.

Mga Eksperimento sa Pagpapatunay

Sa sandaling nakabuo kami ng prototype assembly system, nagpatakbo kami ng serye ng mga eksperimento upang subukan ito. Nagsisimula ang proseso sa pagkuha ng mga robot ng wire harness mula sa isang hanger. Pagkatapos ay ilalagay nila ang walong harness clamp sa panel frame. Nagtatapos ang proseso sa pagbabalik ng mga robot sa paunang standby na posisyon.

Ang kanang braso ay naglalagay ng mga clamp 1, 2 at 3. Ang gitnang braso ay naglalagay ng mga clamp 4 at 5, at ang kaliwang braso ay naglalagay ng mga clamp 6, 7 at 8.

Unang ipinasok ang clamp 3, na sinusundan ng clamp 1 at 2. Ang mga clamp 4 hanggang 8 ay ipinasok sa numerical order.

Ang pagkakasunud-sunod ng paggalaw ng mga braso ng robot ay nabuo gamit ang software ng simulation. Pinigilan ng isang algorithm ng pagtuklas ng banggaan ang mga robot na kumatok sa mga bagay sa kapaligiran o sa isa't isa.

Bilang karagdagan, ang ilang mga operasyon sa pagkakasunud-sunod ng paggalaw ay nabuo sa pamamagitan ng pagtukoy sa mga nagtitipon ng tao. Para sa layuning ito, nakuha namin ang mga galaw ng mga manggagawa sa panahon ng pagpupulong. Kasama sa data ang parehong galaw ng manggagawa at ang kaukulang gawi ng wire harness. Hindi kataka-taka, ang diskarte sa paggalaw na kinuha ng isang manggagawa ay madalas na napatunayang mas epektibo kaysa sa mga robot.

Pag-twisting na Kontrol ng mga Wire Segment

Sa aming mga eksperimento, minsan ay nahihirapan kaming ipasok ang mga clamp dahil imposibleng iposisyon ang gripper para sa gawain. Halimbawa, ang clamp 5 ay dapat na maipasok kaagad pagkatapos na maayos ang clamp 4 sa frame. Gayunpaman, ang segment ng harness na natitira sa clamp 4 ay palaging bumabagsak, na nagpapahirap sa center robot na iposisyon ang clamp 5 para sa pagpasok.

Ang aming solusyon sa problemang ito ay ang paunang hugis ng target na wire segment upang matiyak ang matagumpay na paghawak. Una, ang clamp 5 ay itinataas ng kaliwang robot sa pamamagitan ng paghawak sa wire segment malapit sa clamp 5. Pagkatapos, ang oryentasyon ng clamp 5 ay kinokontrol sa pamamagitan ng pagkontrol sa torsional state ng wire segment. Tinitiyak ng pre-shaping operation na ito na ang kasunod na gripping ng clamp 5 ay palaging isinasagawa sa pinakaangkop na posisyon.

Pakikipagtulungan sa pagitan ng Arms

Sa ilang sitwasyon, ang pagpupulong ng wire harness ay nangangailangan ng tulad ng tao na pagtutulungan sa pagitan ng maraming robot arm. Ang pagpasok ng clamp 1 ay isang magandang halimbawa. Kapag naipasok na ang clamp 2, bababa ang clamp 1. Limitado ang espasyong magagamit para ipasok ang clamp 1, at mahirap iposisyon ang gripper dahil sa panganib na bumangga sa nakapaligid na kapaligiran. Higit pa rito, itinuro sa amin ng praktikal na karanasan na iwasang simulan ang operasyong ito sa segment na iyon ng wire na nakalaylay, dahil maaari itong humantong sa mga wire segment na mahuli ng nakapalibot na frame sa mga susunod na operasyon.

Ang aming solusyon sa problemang ito ay inspirasyon ng pag-uugali ng mga manggagawang tao. Ang isang taong manggagawa ay madaling nag-coordinate ng paggamit ng kanyang dalawang braso upang makumpleto ang isang gawain. Sa kasong ito, ipapasok lamang ng isang manggagawa ang clamp 4 gamit ang isang kamay, habang sabay na inaayos ang posisyon ng wire segment sa kabilang banda. Na-program namin ang mga robot para ipatupad ang parehong diskarte.

Plastic Deformation

Sa ilang sitwasyon, mahirap na paunang hubugin ang wire segment sa pamamagitan ng magkatuwang na paggamit ng dalawang robot. Ang proseso ng pagpasok ng clamp 6 ay isang magandang halimbawa. Para sa operasyong ito, inaasahan namin na ang kaliwang braso ng robot ay ipasok ito sa frame, dahil ito ang tanging braso ng robot na maaaring maabot ang target.

Tulad ng nangyari, hindi muna maabot ng robot ang clamp. Kapag natukoy ng controller na ang paghawak sa clamp ay hindi makakamit, susubukan ng robot na hawakan ang wire segment malapit sa clamp sa halip na hawakan ang clamp mismo. Pagkatapos ay i-twist at baluktot ng robot ang segment upang mas ipihit pakaliwa ang mukha ng clamp. Ang pagyuko ng isang segment ng ilang beses ay karaniwang sapat na upang baguhin ang posisyon nito. Kapag ang segment ay isang naaangkop na posisyon para sa gripping, ang robot ay gagawa ng isa pang pagtatangka na hawakan ang target na clamp.

Mga konklusyon

Sa huli, ang aming robotic system ay nakapag-install ng walong clamp sa frame ng panel ng instrumento na may average na oras na 3 minuto. Bagama't malayo pa ang bilis na iyon sa kinakailangan para sa praktikal na aplikasyon, ipinapakita nito ang teknikal na pagiging posible ng robotic wire harness assembly.

Maraming mga problema ang dapat lutasin upang gawing maaasahan at mabilis ang sistema para sa praktikal na aplikasyon sa industriya. Una, mahalaga para sa mga wire harness na maging pre-shaped para sa robotic assembly. Kung ikukumpara sa knotting at unknotting operations, ang torsional state ng mga indibidwal na wire segment ay kritikal para sa pag-install ng wire harness, dahil pinangangasiwaan ng mga robot ang mga bahaging nakagapos sa harness. Bilang karagdagan, ang isang gripper na nilagyan ng twisting degree ng kalayaan ay makakatulong din sa pag-install ng harness.

Upang mapabuti ang bilis ng proseso, dapat isaalang-alang ang dynamic na pag-uugali ng wire. Kitang-kita ito sa mga pag-aaral ng pelikula ng mga skilled workers na naglalagay ng wire harnesses. Ginagamit nila ang parehong mga kamay at mahusay na paggalaw upang kontrolin ang pabago-bagong pag-indayog ng wire at sa gayon ay maiwasan ang mga nakapaligid na balakid. Kapag nagpapatupad ng robotic assembly na may katulad na bilis, ang mga espesyal na diskarte ay kinakailangan upang sugpuin ang dynamic na pag-uugali ng wire.

Bagama't diretso ang marami sa mga diskarte na ginamit sa aming pananaliksik, matagumpay naming naipakita ang awtomatikong pagpupulong gamit ang aming prototype na robotic system. May potensyal para sa automation sa mga ganitong uri ng mga gawain.