مونتاژ رباتیک دسته سیم خودرو

تحقیقات جدید نشان می دهد که می توان از ربات های شش محوره برای نصب سیم کشی خودرو استفاده کرد.

نوشته شین یانگ

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

بازوهای ربات چند محوره طیف گسترده ای از فرآیندها را در کارخانه های مونتاژ خودرو انجام می دهند، از جمله رنگ آمیزی، جوشکاری و بست.

با این حال، حتی با پیشرفت در فناوری اتوماسیون، برخی از فرآیندها هنوز بدون مونتاژکنندگان انسانی ماهر قابل تکمیل نیستند. کار نصب دسته سیم در بدنه خودرو یکی از این وظایف است که به طور سنتی برای روبات ها دشوار بوده است.

تحقیقات قبلی در رابطه با مشکلات جابجایی اجسام خطی تغییر شکل پذیر مانند سیم یا لوله با روبات ها انجام شده است. بسیاری از این مطالعات نحوه برخورد با انتقال توپولوژیکی اجسام خطی قابل تغییر شکل را متمرکز کردند. آنها سعی کردند ربات ها را برای گره زدن یا ایجاد حلقه با طناب برنامه ریزی کنند. این مطالعات نظریه گره ریاضی را برای توصیف انتقال توپولوژیکی طناب به کار برد.

در این رویکردها، یک جسم خطی قابل تغییر شکل در سه بعدی ابتدا به یک صفحه دو بعدی پرتاب می شود. طرح ریزی در صفحه، که به صورت منحنی های متقاطع نشان داده می شود، می تواند به خوبی با استفاده از نظریه گره توصیف و درمان شود.

در سال 2006، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دکتر Hidefumi Wakamatsu از دانشگاه اوزاکا در ژاپن روشی را برای گره زدن و گره‌گشایی اجسام خطی تغییر شکل‌پذیر با روبات‌ها ایجاد کردند. آنها چهار عملیات اساسی را تعریف کردند (در میان آنها، سه مورد معادل حرکات Reidemeister هستند) که برای تکمیل یک انتقال بین هر دو حالت عبور سیم ضروری است. محققان نشان دادند که هر عملیات گره‌زنی یا گره‌گشایی که می‌تواند به انتقال‌های توپولوژیکی متوالی تجزیه شود، می‌تواند با استفاده از ترکیبی متوالی از این چهار عملیات اساسی به دست آید. رویکرد آنها زمانی تأیید شد که آنها توانستند یک ربات SCARA را برای گره زدن یک طناب روی میز برنامه ریزی کنند.

به طور مشابه، محققان به رهبری تاکایوکی ماتسونو، دکترای دانشگاه تویاما در ایمیزو، ژاپن، روشی را برای گره زدن یک طناب در سه بعدی با استفاده از دو بازوی روباتی ابداع کردند. یک ربات انتهای طناب را نگه داشت، در حالی که دیگری آن را گره زد. برای اندازه گیری موقعیت سه بعدی طناب، از دید استریو استفاده شد. وضعیت گره با استفاده از متغیرهای گره به جای حرکات Reidemeister توصیف می شود.

در هر دو مطالعه، ربات ها به یک گیره موازی کلاسیک و دو انگشتی با تنها یک درجه آزادی مجهز بودند.

در سال 2008، یک تیم تحقیقاتی به رهبری یوجی یاماکاوا از دانشگاه توکیو، تکنیکی را برای گره زدن طناب با استفاده از یک ربات مجهز به دست چند انگشتی پرسرعت نشان دادند. با یک گیره ماهرتر - از جمله حسگرهای نیرو و گشتاور که در انگشتان دست نصب شده اند - عملیاتی مانند "جایگزینی طناب" حتی با یک بازو امکان پذیر می شود. جایگشت طناب به عمل تعویض محل دو طناب با چرخاندن آنها در حین فشردن طناب ها بین دو انگشت اشاره دارد.

سایر پروژه های تحقیقاتی بر حل مشکلات مربوط به جابجایی رباتیک اجسام خطی تغییر شکل پذیر در خط مونتاژ متمرکز شده اند.

به عنوان مثال، Tsugito Maruyama، دکترا، و تیمی از محققان در Fujitsu Laboratories Ltd. در کاوازاکی، ژاپن، یک سیستم انتقال سیم برای خط مونتاژ ساخت قطعات الکتریکی ایجاد کردند. یک بازوی ربات برای قرار دادن کابل های سیگنال در گیره ها استفاده شد. دو فناوری برای فعال کردن سیستم آنها حیاتی بود: یک پروژکتور نور لیزری چند سطحی و یک سیستم دید استریو.

یورگن آکر و محققان دانشگاه فناوری Kaiserslautern در آلمان روشی را برای استفاده از بینایی ماشین دوبعدی برای تعیین مکان و نحوه تماس یک جسم خطی تغییر شکل پذیر (در این مورد، کابل خودرو) با اشیاء موجود در محیط توسعه دادند.

بر اساس تمام این تحقیقات، ما سعی کردیم یک سیستم روباتیک عملی برای نصب دسته سیم در خط مونتاژ خودرو ایجاد کنیم. اگرچه سیستم ما در آزمایشگاه توسعه یافته است، اما تمام شرایط به کار رفته در آزمایشات ما از یک کارخانه خودروسازی واقعی ارجاع داده شده است. هدف ما نشان دادن امکان سنجی فنی چنین سیستمی و تعیین مناطقی بود که توسعه بیشتر در آنها ضروری است.

مجموعه دسته سیم

دسته سیم خودرو از کابل های متعددی تشکیل شده است که توسط نوار الکتریکی پیچیده شده اند. ساختاری درخت مانند دارد که هر شاخه به ساز خاصی متصل است. در خط مونتاژ، یک کارگر به صورت دستی مهار را به قاب پانل ابزار وصل می کند.

مجموعه ای از گیره های پلاستیکی به دسته سیم متصل می شوند. این گیره ها با سوراخ هایی در قاب پانل ابزار مطابقت دارند. اتصال مهار با قرار دادن گیره ها در سوراخ ها انجام می شود. بنابراین یک سیستم روباتیک برای نصب مهار باید دو مشکل اساسی را حل کند: نحوه اندازه گیری وضعیت یک مهار سیم و نحوه کار با آن.

دسته سیم دارای خواص فیزیکی پیچیده ای است. در طول مونتاژ، هم تغییر شکل الاستیک و هم تغییر شکل پلاستیک را نشان می دهد. این امر به دست آوردن یک مدل دینامیکی دقیق از آن را دشوار می کند.

سیستم نمونه اولیه

نمونه اولیه سیستم مونتاژ مهار ما شامل سه ربات جمع و جور شش محوره است که در مقابل قاب پانل ابزار قرار گرفته اند. ربات سوم به موقعیت یابی و گرفتن مهار کمک می کند.

هر ربات مجهز به گیره موازی دو انگشتی با یک درجه آزادی است. انگشتان دستگیره دارای دو فرورفتگی هستند: یکی برای نگه داشتن گیره هارنس، دیگری برای نگه داشتن بخش هایی از خود مهار.

هر یک از افکت‌های پایانی به دو دوربین CCD و یک سنسور برد لیزری نیز مجهز است. این دو دوربین فواصل کانونی متفاوتی دارند تا عمق میدان زیادی را فراهم کنند. سنسور برد لیزر زمانی استفاده می شود که اندازه گیری دقیق یک قطعه سیم لازم باشد. در اطراف سلول کار، 10 دوربین با موقعیت ثابت اضافی از جهات مختلف رو به منطقه کار هستند. با احتساب دوربین‌های نصب‌شده بر روی افکت‌های پایانی، سیستم ما در مجموع از 16 دوربین بینایی استفاده می‌کند.

تشخیص مهار با بینایی ماشین انجام می شود. یک پوشش پلاستیکی با طراحی ویژه به هر گیره مهار وصل شده است. جلدها دارای نقوش هندسی هستند که با نرم افزار ARToolKit خوانده می شوند. این نرم افزار منبع باز در اصل برای برنامه های کاربردی واقعیت افزوده طراحی شده بود. مجموعه ای از کتابخانه های با کاربرد آسان برای شناسایی و تشخیص نشانگرها را فراهم می کند. دوربین برای تعیین موقعیت نسبی مهار، نشانگرها را می خواند.

هر پوشش گیره دارای الگوی هندسی خاص خود است. این الگو به کنترل کننده ربات موقعیت نسبی مهار در فضا و همچنین اطلاعات مربوط به آن بخش از مهار (مانند جایی که آن بخش باید روی قاب پانل قرار گیرد) می گوید.

دوربین های ثابت در اطراف سلول کار اطلاعات موقعیتی تقریبی را در مورد هر گیره مهار ارائه می دهند. موقعیت یک گیره مهاری خاص با درون یابی موقعیت گیره های مجاور تخمین زده می شود. عملگر انتهایی با اطلاعات موقعیتی که از دوربین های ثابت به دست می آید، به نزدیک شدن به گیره هدف هدایت می شود - تا زمانی که دوربین مچ دستی بتواند هدف را پیدا کند. از آن لحظه، هدایت ربات تنها توسط دوربین مچ دست ارائه می شود. دقت ارائه شده توسط دوربین مچ دست در آن فاصله کوتاه، گرفتن مطمئن گیره ها را تضمین می کند.

فرآیند مشابهی برای گرفتن بخش قابل تغییر شکل مهار سیم استفاده می شود. موقعیت قطعه هدف ابتدا با درونیابی موقعیت گیره های مجاور تخمین زده می شود. از آنجایی که منحنی درون یابی به اندازه کافی برای هدایت ربات دقیق نیست، منطقه تخمین زده شده توسط اسکنر لیزری اسکن می شود. اسکنر یک پرتو مسطح با عرض خاص ساطع می کند. سپس موقعیت دقیق قطعه را می توان از نمایه فاصله به دست آمده از حسگر لیزری تعیین کرد.

نشانگرها اندازه گیری مهار سیم را بسیار ساده می کنند. اگرچه روکش های گیره هزینه سیستم را افزایش می دهند، اما قابلیت اطمینان سیستم را تا حد زیادی بهبود می بخشند.

هارنس هندلینگ

گیره مهار طوری طراحی شده است که با یک سوراخ در قاب پانل جفت شود. بنابراین، گیره یک گیره را از پایه خود گرفته و انگشت پا را وارد سوراخ می کند.

علاوه بر این، مواردی وجود دارد که در آن لازم است یک بخش سیم را مستقیماً کنترل کنید. به عنوان مثال، در بسیاری از فرآیندها، یک ربات باید قبل از اینکه ربات دیگری بتواند کار خود را انجام دهد، مهار را شکل دهد. در چنین حالتی، یک ربات باید یک گیره را طوری جهت دهد که بتواند توسط یک ربات دیگر به آن برسد. تنها راه برای انجام این کار پیچاندن یک قطعه سیم نزدیک بود.

در ابتدا سعی کردیم سیم را با پیچاندن گیره مجاور آن شکل دهیم. با این حال، به دلیل سفتی پیچشی کم بخش سیم، این غیرممکن بود. در آزمایش‌های بعدی، ربات بخش سیم را مستقیماً گرفت و خم کرد. در طول این فرآیند، وضعیت گیره هدف توسط دوربین های اطراف نظارت می شود. فرآیند خمش تا زمانی ادامه می یابد که جهت گیره هدف با مقدار مرجع مطابقت داشته باشد.

آزمایش‌های تأیید

هنگامی که یک سیستم مونتاژ نمونه را توسعه دادیم، یک سری آزمایش برای آزمایش آن انجام دادیم. این فرآیند با برداشتن یک دسته سیم از چوب لباسی توسط روبات ها آغاز می شود. سپس هشت گیره مهاری را در قاب پانل قرار می دهند. این فرآیند با بازگشت ربات ها به حالت آماده به کار اولیه به پایان می رسد.

بازوی راست گیره های 1، 2 و 3 را وارد می کند. بازوی مرکزی گیره های 4 و 5 را وارد می کند و بازوی چپ گیره های 6، 7 و 8 را وارد می کند.

ابتدا گیره 3 و سپس گیره های 1 و 2 وارد می شود. سپس گیره های 4 تا 8 به ترتیب عددی وارد می شوند.

توالی حرکت بازوهای ربات با استفاده از نرم افزار شبیه سازی تولید شد. یک الگوریتم تشخیص برخورد از برخورد ربات ها به اجسام در محیط یا یکدیگر جلوگیری می کرد.

علاوه بر این، برخی از عملیات در توالی حرکت با ارجاع به مونتاژکنندگان انسانی ایجاد شد. برای این منظور از حرکات کارگران در هنگام تجمع عکسبرداری کردیم. داده ها شامل حرکت کارگر و رفتار مربوط به مهار سیم است. جای تعجب نیست که استراتژی حرکتی که توسط یک کارگر اتخاذ می شود اغلب موثرتر از ربات ها بوده است.

کنترل پیچشی قطعات سیم

در آزمایش‌هایمان، گاهی اوقات برای قرار دادن گیره‌ها با مشکل مواجه می‌شدیم، زیرا قرار دادن گیره برای کار غیرممکن بود. به عنوان مثال، گیره 5 باید بلافاصله پس از اینکه گیره 4 روی قاب ثابت شد، وارد شود. با این حال، بخش مهار سمت چپ گیره 4 به طور پیوسته آویزان می شود و قرار دادن گیره 5 را برای ربات مرکزی دشوار می کند.

راه حل ما برای این مشکل این بود که قسمت سیم هدف را از قبل شکل دهیم تا از گرفتن موفقیت آمیز اطمینان حاصل کنیم. ابتدا گیره 5 توسط ربات سمت چپ با گرفتن قطعه سیم نزدیک گیره 5 بالا می رود. سپس جهت گیره 5 با کنترل وضعیت پیچشی قطعه سیم تنظیم می شود. این عملیات پیش شکل دادن تضمین می کند که گرفتن بعدی گیره 5 همیشه در مناسب ترین موقعیت اجرا می شود.

همکاری بین تسلیحات

در برخی شرایط، مونتاژ یک مهار سیم نیاز به همکاری انسان مانند بین بازوهای ربات متعدد دارد. قرار دادن گیره 1 مثال خوبی است. هنگامی که گیره 2 وارد شد، گیره 1 می افتد. فضای موجود برای قرار دادن گیره 1 محدود است و به دلیل خطر برخورد با محیط اطراف، قرار دادن گیره دشوار است. علاوه بر این، تجربه عملی به ما آموخت که از شروع این عملیات با آن بخش از سیم آویزان خودداری کنیم، زیرا می‌تواند منجر به گرفتار شدن قطعات سیم توسط قاب اطراف در عملیات‌های بعدی شود.

راه حل ما برای این مشکل از رفتار کارگران انسانی الهام گرفته شده است. یک کارگر به راحتی استفاده از دو بازوی خود را برای انجام یک کار هماهنگ می کند. در این حالت، یک کارگر به سادگی گیره 4 را با یک دست وارد می کند، در حالی که به طور همزمان موقعیت قطعه سیم را با دست دیگر تنظیم می کند. ما ربات ها را برای اجرای همان استراتژی برنامه ریزی کردیم.

تغییر شکل پلاستیک

در برخی شرایط، شکل دادن به بخش سیم با همکاری مشترک دو ربات دشوار بود. فرآیند قرار دادن گیره 6 مثال خوبی است. برای این عملیات، انتظار داشتیم که بازوی ربات سمت چپ آن را داخل قاب قرار دهد، زیرا این تنها بازوی رباتی است که می تواند به هدف برسد.

همانطور که مشخص شد، ربات در ابتدا نمی توانست به گیره برسد. هنگامی که کنترلر تشخیص می دهد که گرفتن گیره قابل دستیابی نیست، ربات سعی می کند به جای گرفتن خود گیره، قسمت سیم نزدیک گیره را بگیرد. سپس ربات قطعه را می پیچد و خم می کند تا صورت گیره را بیشتر به سمت چپ بچرخاند. معمولاً چند بار خم کردن یک قطعه برای تغییر موقعیت آن کافی است. هنگامی که قطعه موقعیت مناسبی برای گرفتن شد، ربات تلاش دیگری برای گرفتن گیره هدف انجام می دهد.

نتیجه گیری

در نهایت، سیستم روباتیک ما توانست هشت گیره را با میانگین زمان 3 دقیقه در قاب پانل ابزار نصب کند. اگرچه این سرعت هنوز با نیاز برای کاربرد عملی فاصله دارد، اما امکان سنجی فنی مونتاژ مهار سیم رباتیک را نشان می دهد.

چندین مشکل باید حل شود تا سیستم به اندازه کافی قابل اعتماد و سریع برای کاربرد عملی در صنعت باشد. اول، مهم است که دسته سیم برای مونتاژ روباتیک از قبل شکل گرفته باشد. در مقایسه با عملیات گره‌زنی و گره‌گشایی، وضعیت پیچشی تک تک قطعات سیم برای نصب دسته سیم بسیار مهم است، زیرا روبات‌ها قطعات متصل به مهار را مدیریت می‌کنند. علاوه بر این، یک گیره مجهز به درجه آزادی چرخشی نیز به نصب مهار کمک می کند.

برای بهبود سرعت فرآیند، رفتار دینامیکی سیم باید در نظر گرفته شود. این امر در مطالعات فیلم کارگران ماهر که دسته سیم را وارد می کنند مشهود است. آنها از هر دو دست و حرکت ماهرانه برای کنترل چرخش دینامیک سیم استفاده می کنند و در نتیجه از موانع اطراف اجتناب می کنند. هنگام اجرای مونتاژ رباتیک با سرعت مشابه، رویکردهای خاصی برای سرکوب رفتار دینامیکی سیم ضروری خواهد بود.

اگرچه بسیاری از رویکردهای به کار رفته در تحقیق ما ساده هستند، ما مونتاژ خودکار را با نمونه اولیه سیستم روباتیک خود با موفقیت نشان دادیم. پتانسیل اتوماسیون با این نوع وظایف وجود دارد.