הרכבה רובוטית של רתמות חוטי רכב

מחקר חדש מצביע על כך שניתן להשתמש ברובוטים בעלי שישה צירים להתקנת רתמות חיווט לרכב.

מאת שין יאנג

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

זרועות רובוט רב ציריות מבצעות מגוון רחב של תהליכים במפעלי הרכבה לרכב, לרבות צביעה, ריתוך והידוק.

עם זאת, גם עם ההתקדמות בטכנולוגיית האוטומציה, עדיין לא ניתן להשלים תהליכים מסוימים ללא מרכיבים אנושיים מיומנים. המשימה של התקנת רתמות תיל לתוך מרכבי מכוניות היא משימה כזו שבאופן מסורתי הייתה קשה לרובוטים.

היה כמה מחקרים קודמים הקשורים לבעיות של טיפול בחפצים ליניאריים הניתנים לעיוות, כגון חוט או צינורות, עם רובוטים. רבים מהמחקרים הללו ריכזו כיצד להתמודד עם מעבר טופולוגי של עצמים ליניאריים הניתנים לעיוות. הם ניסו לתכנת רובוטים לקשור קשרים או ליצור לולאות עם חבל. מחקרים אלה יישמו את תורת הקשרים המתמטיים כדי לתאר את המעברים הטופולוגיים של החבל.

בגישות אלו, אובייקט ליניארי הניתן לשינוי בתלת מימד מוקרן תחילה למישור דו מימדי. את ההקרנה במישור, המודגמת כעקומות מוצלבות, ניתן לתאר היטב ולטפל באמצעות תורת הקשרים.

בשנת 2006, צוות מחקר בראשות Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., מאוניברסיטת אוסקה ביפן פיתח שיטה לקשירה ולביטול קשר של עצמים ליניאריים הניתנים לעיוות בעזרת רובוטים. הם הגדירו ארבע פעולות בסיסיות (ביניהן, שלוש שוות ערך למהלכי ריידמייסטר) הנחוצות להשלמת מעבר בין כל שני מצבי חציית תיל. החוקרים הראו כי ניתן להשיג כל פעולת קשר או ביטול קשר שניתן לפרק למעברים טופולוגיים עוקבים על ידי שימוש בשילוב רציף של ארבע הפעולות הבסיסיות הללו. הגישה שלהם אומתה כשהצליחו לתכנת רובוט SCARA לקשר חבל שהונח על שולחן.

באופן דומה, חוקרים בראשות Takayuki Matsuno, Ph.D., מאוניברסיטת Toyama Prefectural באימיזו, יפן, פיתחו שיטה לקשירת חבל בתלת מימד באמצעות שתי זרועות רובוט. רובוט אחד אחז בקצה החבל, בעוד השני קשר אותו. כדי למדוד את המיקום התלת מימדי של החבל, נעשה שימוש בראיית סטריאו. מצב הקשר מתואר באמצעות אינוריאנטים של קשר במקום מהלכי ריידמייסטר.

בשני המחקרים, הרובוטים צוידו בתפסן מקביל קלאסי בעל שתי אצבעות עם דרגת חופש אחת בלבד.

בשנת 2008, צוות מחקר בראשות Yuji Yamakawa מאוניברסיטת טוקיו הדגים טכניקה לקשירת חבל באמצעות רובוט המצויד ביד מרובת אצבעות במהירות גבוהה. עם תפסן מיומן יותר - כולל חיישני כוח ומומנט מותקנים באצבעות - פעולות כמו "תמורת חבל" מתאפשרות, אפילו עם זרוע אחת. תמורה בחבל מתייחסת לפעולת החלפת המקומות של שני חבלים על ידי סיבובם תוך צביטה של ​​החבלים בין שתי אצבעות.

פרויקטי מחקר אחרים התמקדו בפתרון בעיות הקשורות לטיפול רובוטי באובייקטים ליניאריים הניתנים לעיוות על פס הייצור.

לדוגמה, Tsugito Maruyama, Ph.D., וצוות חוקרים ב- Fujitsu Laboratories Ltd. בקוואסאקי, יפן, פיתחו מערכת לטיפול בחוטים עבור פס ייצור לייצור חלקים חשמליים. זרוע רובוט שימשה להכנסת כבלי אות לתוך סוגרים. שתי טכנולוגיות היו קריטיות כדי לאפשר למערכת שלהם לעבוד: מקרן אור לייזר רב מישוריים ומערכת ראייה סטריאו.

יורגן אקר וחוקרים מאוניברסיטת קייזרסלאוטרן בגרמניה פיתחו שיטה לשימוש בראיית מכונה דו-ממדית כדי לקבוע היכן וכיצד עצם ליניארי שניתן לעיוות (במקרה זה, כבל רכב) מתקשר עם עצמים בסביבה.

בהתבסס על כל המחקר הזה, ניסינו לפתח מערכת רובוטית מעשית להתקנת רתמות תיל על פס ייצור של רכב. למרות שהמערכת שלנו פותחה במעבדה, כל התנאים שהופעלו בניסויים שלנו מובאים ממפעל רכב אמיתי. המטרה שלנו הייתה להדגים את ההיתכנות הטכנית של מערכת כזו ולקבוע אזורים שבהם יש צורך בפיתוח נוסף.

מכלול רתמת תיל

רתמת תיל לרכב מורכבת מכבלים מרובים העטופים בסרט חשמלי. יש לו מבנה דמוי עץ כאשר כל ענף מחובר למכשיר מסוים. בפס הייצור, עובד מחבר ידנית את הרתמה למסגרת לוח המחוונים.

קבוצה של מלחציים פלסטיק קשורים לתוך רתמת התיל. מהדקים אלה מתכתבים עם חורים במסגרת לוח המחוונים. הצמדת הרתמה מושגת על ידי הכנסת המהדקים לתוך החורים. מערכת רובוטית להתקנת הרתמה חייבת אפוא לפתור שתי בעיות בסיסיות: כיצד מודדים את מצבה של רתמת תיל, וכיצד לטפל בה.

לרתמת תיל יש תכונות פיזיקליות מורכבות. במהלך ההרכבה, הוא מציג גם עיוות אלסטי וגם עיוות פלסטי. זה מקשה על קבלת מודל דינמי מדויק שלו.

מערכת אב טיפוס

מערכת הרכבת רתמות אב הטיפוס שלנו מורכבת משלושה רובוטים קומפקטיים בעלי שישה צירים הממוקמים מול מסגרת לוח המחוונים. הרובוט השלישי עוזר במיקום ואחיזה של הרתמה.

כל רובוט מצויד בתפסן מקביל בעל שתי אצבעות בדרגת חופש אחת. לאצבעות האחיזה יש שתי חריצים: האחת לאחיזה של מהדקי הרתמה, השנייה לאחיזה של חלקים מהרתמה עצמה.

כל אפקטור קצה מצויד גם בשתי מצלמות CCD וחיישן טווח לייזר. לשתי המצלמות יש אורכי מוקד שונים כדי לספק עומק שדה גדול. חיישן טווח הלייזר משמש כאשר יש צורך במדידה מדויקת לקטע חוט. מסביב לתא העבודה, 10 מצלמות נוספות במיקום קבוע פונות לאזור העבודה מכיוונים שונים. כולל המצלמות המותקנות על אפקטורי הקצה, המערכת שלנו מעסיקה בסך הכל 16 מצלמות ראייה.

זיהוי הרתמה מתבצע באמצעות ראיית מכונה. כיסוי פלסטיק מעוצב במיוחד מחובר לכל מהדק רתמה. לכריכות תבניות גיאומטריות הנקראות באמצעות תוכנת ARToolKit. תוכנת קוד פתוח זו תוכננה במקור עבור יישומי מציאות רבודה. הוא מספק קבוצה של ספריות קלות לשימוש לזיהוי וזיהוי הסמנים. המצלמה קוראת את הסמנים כדי לקבוע את המיקום היחסי של הרתמה.

לכל כיסוי מהדק יש דוגמה גיאומטרית משלו. הדפוס אומר לבקר הרובוט את המיקום היחסי של הרתמה בחלל, כמו גם מידע לגבי אותו קטע של הרתמה (כגון היכן יש למקם את הקטע הזה על מסגרת הפאנל).

המצלמות הקבועות סביב תא העבודה מספקות מידע מיקום גס על כל מהדק רתמה. המיקום של מהדק רתמה ספציפי מוערך על ידי אינטרפולציה של המיקום של מהדקים סמוכים. הגורם הקצה מונחה להתקרב אל מהדק המטרה עם מידע מיקום המתקבל מהמצלמות הקבועות - עד שמצלמת שורש כף היד תוכל למצוא את המטרה. מאותו רגע, הנחיית רובוט מסופקת אך ורק על ידי מצלמת שורש כף היד. הדיוק שמספקת מצלמת שורש כף היד במרחק קצר זה מבטיח אחיזה אמינה של המהדקים.

תהליך דומה משמש לאחיזה של קטע ניתן לעיוות של רתמת התיל. המיקום של קטע המטרה נאמד תחילה על ידי אינטרפולציה של התנוחה של מהדקים סמוכים. מכיוון שהעקומה המשובצת אינה מדויקת מספיק כדי להנחות את הרובוט, השטח המשוער נסרק על ידי סורק הלייזר. הסורק פולט קרן מישורית ברוחב מסוים. לאחר מכן ניתן לקבוע את המיקום המדויק של הקטע מפרופיל המרחק המתקבל מחיישן הלייזר.

הסמנים מפשטים מאוד את המדידה של רתמת התיל. למרות שכיסויי המהדק הגדילו את עלות המערכת, הם משפרים מאוד את אמינות המערכת.

טיפול ברתום

מהדק הרתמה מיועד להזדווג עם חור במסגרת הפאנל. לפיכך, האוחז תופס מהדק בבסיסו ומחדיר את הבוהן לתוך החור.

בנוסף, ישנם מקרים שבהם יש צורך לטפל ישירות בקטע חוט. לדוגמה, בתהליכים רבים, רובוט אחד חייב לעצב את הרתמה לפני שרובוט אחר יוכל לבצע את תפקידו. במקרה כזה, רובוט אחד היה צריך לכוון מהדק כך שיוכל להגיע אליו על ידי רובוט אחר. הדרך היחידה לעשות זאת הייתה לסובב קטע חוט סמוך.

בתחילה, ניסינו לעצב את החוט על ידי סיבוב מהדק הסמוך שלו. עם זאת, בשל קשיחות הפיתול הנמוכה של מקטע החוט, זה התברר כבלתי אפשרי. בניסויים הבאים, הרובוט אחז וכופף את קטע החוט ישירות. במהלך תהליך זה, תנוחת מהדק המטרה מנוטרת על ידי המצלמות שמסביב. תהליך הכיפוף יימשך עד שהכיוון של מהדק המטרה עולה בקנה אחד עם ערך ייחוס.

ניסויי אימות

לאחר שפיתחנו מערכת הרכבה של אב טיפוס, הרצנו סדרה של ניסויים כדי לבדוק אותה. התהליך מתחיל בכך שהרובוטים מרימים רתמת תיל ממתלה. לאחר מכן הם מכניסים שמונה מהדקי רתמה למסגרת הפאנל. התהליך מסתיים כשהרובוטים חוזרים לעמדת ההמתנה הראשונית.

הזרוע הימנית מכניסה מהדקים 1, 2 ו-3. הזרוע המרכזית מחדירה מהדקים 4 ו-5, והזרוע השמאלית מכניסה מהדקים 6, 7 ו-8.

מהדק 3 הוכנס ראשון, ואחריו מהדקים 1 ו-2. מהדקים 4 עד 8 מוכנסים לאחר מכן בסדר מספרי.

רצף התנועה של זרועות הרובוט נוצר באמצעות תוכנת סימולציה. אלגוריתם זיהוי התנגשות מנע מהרובוטים להתנגש באובייקטים בסביבה או זה בזה.

בנוסף, חלק מהפעולות ברצף התנועה נוצרו על ידי התייחסות למרכיבים אנושיים. לשם כך, קלטנו את תנועות העובדים במהלך ההרכבה. הנתונים כוללים גם את תנועת העובד וגם את ההתנהגות המתאימה של רתמת התיל. באופן לא מפתיע, אסטרטגיית התנועה שנקט עובד הוכיחה את עצמה כיעילה יותר מזו של הרובוטים.

בקרת פיתול של מקטעי חוט

בניסויים שלנו, נתקלנו לפעמים בקשיים בהחדרת המהדקים מכיוון שאי אפשר היה למקם את התפסן למשימה. לדוגמה, מהדק 5 יש להכניס מיד לאחר חיבור מהדק 4 למסגרת. עם זאת, מקטע הרתמה השמאלי של מהדק 4 יפול תמיד, מה שמקשה על הרובוט המרכזי למקם את מהדק 5 להחדרה.

הפתרון שלנו לבעיה זו היה לעצב מראש את מקטע חוטי המטרה כדי להבטיח אחיזה מוצלחת. ראשית, מהדק 5 מורם על ידי הרובוט השמאלי על ידי אחיזה במקטע החוט ליד מהדק 5. לאחר מכן, הכיוון של מהדק 5 מווסת על ידי שליטה במצב הפיתול של מקטע החוט. פעולת עיצוב מראש זו מבטיחה שהאחיזה הבאה של מהדק 5 תמיד תתבצע במיקום המתאים ביותר.

שיתוף פעולה בין זרועות

במצבים מסוימים, הרכבה של רתמת תיל דורשת שיתוף פעולה דמוי אדם בין זרועות רובוט מרובות. הכנסת מהדק 1 היא דוגמה טובה. לאחר הכנסת מהדק 2, מהדק 1 ייפול. המקום הפנוי להכנסת מהדק 1 מוגבל, וקשה למקם את האוחז בשל סכנת התנגשות בסביבה הסובבת. יתרה מכך, הניסיון המעשי לימד אותנו להימנע מהתחלת פעולה זו עם צניחת קטע זה של החוט, מכיוון שהיא עלולה להוביל לכך שקטעי חוט ייתפסו על ידי המסגרת שמסביב בפעולות הבאות.

הפתרון שלנו לבעיה זו נוצר בהשראת התנהגותם של עובדים אנושיים. עובד אנושי מתאם בקלות את השימוש בשתי זרועותיו להשלמת משימה. במקרה זה, עובד פשוט יכניס מהדק 4 ביד אחת, ובו זמנית מכוון את מיקום מקטע החוט ביד השנייה. תכנתנו את הרובוטים ליישם את אותה אסטרטגיה.

דפורמציה פלסטית

במצבים מסוימים, היה קשה לעצב מראש את קטע החוט על ידי שימוש בשיתוף פעולה של שני רובוטים. תהליך החדרת מהדק 6 הוא דוגמה טובה. בפעולה זו ציפינו שזרוע הרובוט השמאלית תכניס אותה למסגרת, מאחר וזו זרוע הרובוט היחידה שיכולה להגיע למטרה.

כפי שהתברר, הרובוט לא הצליח להגיע בהתחלה למתכונת. כאשר הבקר קובע שלא ניתן להשיג אחיזה במהדק, הרובוט ינסה לאחוז בקטע החוט ליד המהדק במקום לאחוז במהדק עצמו. לאחר מכן הרובוט מסובב ומכופף את הקטע כדי לסובב את פני המהדק יותר שמאלה. כיפוף קטע כמה פעמים מספיק בדרך כלל כדי לשנות את מיקומו. ברגע שהקטע הוא מיקום מתאים לאחיזה, הרובוט יעשה ניסיון נוסף לאחוז במהדק המטרה.

מסקנות

בסופו של דבר, המערכת הרובוטית שלנו הצליחה להתקין שמונה מהדקים למסגרת לוח המחוונים בזמן ממוצע של 3 דקות. למרות שהמהירות הזו עדיין רחוקה מהדרישה ליישום מעשי, היא מדגימה את ההיתכנות הטכנית של הרכבת רתמת חוט רובוטית.

יש לפתור מספר בעיות כדי להפוך את המערכת לאמינה ומהירה מספיק ליישום מעשי בתעשייה. ראשית, חשוב שרתמות התיל יהיו מעוצבות מראש להרכבה רובוטית. בהשוואה לפעולות קשירה וביטול קשרים, מצב הפיתול של מקטעי חוט בודדים הוא קריטי להתקנת רתמת תיל, מכיוון שהרובוטים מטפלים בחלקים הקשורים לרתמה. בנוסף, תפסן המצויד בדרגת חופש מתפתל יעזור גם בהתקנת הרתמה.

כדי לשפר את מהירות התהליך, יש לשקול את ההתנהגות הדינמית של החוט. זה ניכר במחקרי סרטים של עובדים מיומנים המכניסים רתמות תיל. הם משתמשים בשתי הידיים ובתנועה מיומנת כדי לשלוט בנדנוד הדינמי של החוט ובכך להימנע ממכשולים מסביב. בעת יישום הרכבה רובוטית במהירות דומה, יהיה צורך בגישות מיוחדות כדי לדכא את ההתנהגות הדינמית של החוט.

למרות שרבות מהגישות המופעלות במחקר שלנו הן פשוטות, הדגמנו בהצלחה הרכבה אוטומטית עם מערכת האב-טיפוס הרובוטית שלנו. יש פוטנציאל לאוטומציה עם משימות מסוג זה.