Автокөлік сымдарын роботты құрастыру

Жаңа зерттеулер алты осьті роботтарды автомобиль сымдарын орнату үшін пайдалануға болатынын болжайды.

Синь Ян жазған

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

Көп осьті робот қолдары автомобиль құрастыру зауыттарында бояу, дәнекерлеу және бекітуді қоса алғанда, әртүрлі процестерді орындайды.

Дегенмен, автоматтандыру технологиясының жетістіктерімен де, кейбір процестерді білікті адам құрастырушыларсыз аяқтау мүмкін емес. Автокөлік корпустарына сым сымдарын орнату міндеті - роботтар үшін дәстүрлі түрде қиын болған осындай жұмыстардың бірі.

Сым немесе түтік сияқты деформацияланатын сызықтық объектілерді роботтармен өңдеу мәселелеріне қатысты алдыңғы зерттеулер болды. Бұл зерттеулердің көпшілігі деформацияланатын сызықтық объектілердің топологиялық ауысуымен қалай күресуге болатынын шоғырландырды. Олар роботтарды түйін байлау немесе арқанмен ілмектер жасау үшін бағдарламалауға тырысты. Бұл зерттеулер арқанның топологиялық ауысуларын сипаттау үшін математикалық түйін теориясын қолданды.

Бұл тәсілдерде үш өлшемдегі деформацияланатын сызықтық объект алдымен екі өлшемді жазықтыққа проекцияланады. Айқастырылған қисық сызықтар ретінде көрсетілген жазықтықтағы проекцияны түйін теориясы арқылы жақсы сипаттауға және өңдеуге болады.

2006 жылы Жапонияның Осака университетінің Ph.D докторы Хидефуми Вакамацу жетекшілік ететін зерттеу тобы роботтардың көмегімен деформацияланатын сызықтық объектілерді түйіндеу және ажырату әдісін әзірледі. Олар кез келген екі сымды кесіп өту күйі арасындағы ауысуды аяқтау үшін қажетті төрт негізгі операцияны анықтады (олардың ішінде үшеуі Reidemeister қозғалысына тең). Зерттеушілер дәйекті топологиялық ауысуларға ыдырауы мүмкін кез келген түйінді немесе түйінді шешу операциясына осы төрт іргелі операцияның дәйекті комбинациясын қолдану арқылы қол жеткізуге болатынын көрсетті. Олардың тәсілі SCARA роботын үстелге қойылған арқанды түйіндеуге бағдарламалай алған кезде тексерілді.

Дәл осылай Жапонияның Имизу қаласындағы Тояма префектуралық университетінің Ph.D докторы Такаюки Мацуно бастаған зерттеушілер екі робот қолының көмегімен арқанды үш өлшемде түйіндеудің әдісін әзірледі. Бір робот арқанның ұшын ұстаса, екіншісі оны түйіндеді. Арқанның үш өлшемді орнын өлшеу үшін стерео көру қолданылды. Түйіннің күйі Reidemeister жылжытуларының орнына түйін инварианттары арқылы сипатталады.

Екі зерттеуде де роботтар классикалық, екі саусақты параллель ұстағышпен, тек бір еркіндік дәрежесімен жабдықталған.

2008 жылы Токио университетінің Юдзи Ямакава жетекшілік ететін зерттеу тобы жоғары жылдамдықты көп саусақты қолмен жабдықталған роботты пайдаланып, арқан тоқудың әдістемесін көрсетті. Саусақтарға орнатылған күш пен момент датчиктерін қоса алғанда, епті ұстағышпен «арқан ауыстыру» сияқты операцияларды тіпті бір қолмен де жасауға болады. Арқанды ауыстыру деп арқанды екі саусақтың арасына қысу кезінде екі арқанның орнын бұрау арқылы ауыстыру операциясын айтады.

Басқа ғылыми жобалар конвейердегі деформацияланатын сызықтық объектілерді роботпен өңдеуге қатысты мәселелерді шешуге бағытталған.

Мысалы, Кавасакидегі (Жапония) Fujitsu Laboratories Ltd. компаниясының PhD докторы Цугито Маруяма мен зерттеушілер тобы электр бөлшектерін жасайтын құрастыру желісі үшін сымды өңдеу жүйесін әзірледі. Сигнал кабельдерін ілмектерге салу үшін робот қолы пайдаланылды. Жүйенің жұмыс істеуі үшін екі технология маңызды болды: көп жазықтықты лазерлік жарық проекторы және стерео көру жүйесі.

Юрген Акер және Германиядағы Кайзерслаутерн технологиялық университетінің зерттеушілері деформацияланатын сызықтық объектінің (бұл жағдайда автомобиль кабелі) қоршаған ортадағы объектілермен қай жерде және қалай байланысатынын анықтау үшін 2D машиналық көруді пайдалану әдісін әзірледі.

Осы зерттеулердің барлығына сүйене отырып, біз автомобиль құрастыру желісінде сымдарды орнатудың практикалық роботтық жүйесін жасауға тырыстық. Біздің жүйеміз зертханада жасалғанымен, тәжірибелерімізде қолданылған барлық шарттар нақты автомобиль зауытынан алынған. Біздің мақсатымыз осындай жүйенің техникалық мүмкіндігін көрсету және одан әрі дамыту қажет аймақтарды анықтау болды.

Сымдарды құрастыру

Автокөлік сымдары электрлік таспамен оралған бірнеше кабельдерден тұрады. Оның әрбір бұтағы белгілі бір аспапқа жалғанған ағаш тәрізді құрылымы бар. Құрастыру желісінде жұмысшы аспап тақтасының жақтауына арқанды қолмен бекітеді.

Пластикалық қысқыштар жинағы сым сымына байланған. Бұл қапсырмалар аспап тақтасының жақтауындағы тесіктерге сәйкес келеді. Жіптерді бекіту қысқыштарды тесіктерге салу арқылы жүзеге асырылады. Сондықтан жіптерді орнатуға арналған роботтық жүйе екі негізгі мәселені шешуі керек: сым сымының күйін өлшеу және оны қалай өңдеу керек.

Сым сымының күрделі физикалық қасиеттері бар. Құрастыру кезінде ол серпімді деформацияны да, пластикалық деформацияны да көрсетеді. Бұл оның нақты динамикалық моделін алуды қиындатады.

Прототип жүйесі

Біздің прототипті жіптерді құрастыру жүйеміз аспаптар панелінің жақтауының алдында орналасқан үш ықшам алты осьті роботтан тұрады. Үшінші робот әбзелді орналастыруға және ұстауға көмектеседі.

Әрбір робот бір еркіндік дәрежесі бар екі саусақты параллель ұстағышпен жабдықталған. Ұстағыш саусақтарында екі ойық бар: біреуі белдік қысқыштарын ұстауға арналған, екіншісі белдіктің сегменттерін ұстауға арналған.

Әрбір соңғы эффектор екі CCD камерасымен және лазер диапазонының сенсорымен жабдықталған. Үлкен өріс тереңдігін қамтамасыз ету үшін екі камераның әртүрлі фокустық ұзындығы бар. Лазерлік диапазон сенсоры сым сегментін дәл өлшеу қажет болғанда қолданылады. Жұмыс ұяшығын қоршап тұрған 10 қосымша бекітілген позициялық камералар жұмыс аймағына әр түрлі бағытта қарайды. Соңғы эффекторларға орнатылған камераларды қоса алғанда, біздің жүйеде барлығы 16 көру камерасы жұмыс істейді.

Жабдықты тану машинаны көру арқылы жүзеге асырылады. Әрбір белдік қысқышына арнайы жасалған пластикалық қақпақ бекітіледі. Мұқабаларда ARToolKit бағдарламалық құралымен оқылатын геометриялық үлгілер бар. Бұл ашық бастапқы бағдарламалық құрал бастапқыда толықтырылған шындық қолданбаларына арналған. Ол маркерлерді анықтау және тану үшін пайдалануға оңай кітапханалар жинағын ұсынады. Камера белдіктің салыстырмалы орнын анықтау үшін маркерлерді оқиды.

Әрбір қысқыш қақпақтың өзінің геометриялық үлгісі бар. Үлгі робот контроллеріне жіптің кеңістіктегі салыстырмалы орнын, сондай-ақ белдіктің сол сегментіне қатысты ақпаратты (мысалы, панель жақтауында сол сегменттің орналасуы керек) хабарлайды.

Жұмыс ұяшығының айналасындағы бекітілген камералар әрбір жіп қысқышы туралы шамамен позициялық ақпаратты береді. Арнайы жіп қысқышының жағдайы көршілес қысқыштардың орнын интерполяциялау арқылы бағаланады. Білек камерасы нысананы таба алмайынша, соңғы эффектор бекітілген камералардан алынған позициялық ақпаратпен мақсатты қысқышқа жақындауға бағытталады. Осы сәттен бастап роботты басқару тек білек камерасымен қамтамасыз етіледі. Бұл қысқа қашықтықта білезік камерасы қамтамасыз ететін дәлдік қапсырмаларды сенімді ұстауды қамтамасыз етеді.

Ұқсас процесс сым сымдарының деформацияланатын сегментін ұстау үшін қолданылады. Мақсатты сегменттің позициясы алдымен іргелес қысқыштардың позасын интерполяциялау арқылы бағаланады. Интерполяцияланған қисық роботты бағыттау үшін жеткілікті дәл болмағандықтан, болжалды аумақ содан кейін лазерлік сканер арқылы сканерленеді. Сканер белгілі бір ені бар жазық сәулені шығарады. Содан кейін сегменттің нақты орнын лазерлік сенсордан алынған қашықтық профилінен анықтауға болады.

Маркерлер сымды өлшеуді айтарлықтай жеңілдетеді. Қысқыштар жүйенің құнын арттырғанымен, олар жүйенің сенімділігін айтарлықтай арттырады.

Әбзелдерді өңдеу

Бекіткіш қысқыш панель жақтауындағы тесікпен біріктіруге арналған. Осылайша, ұстағыш қысқышты табанынан ұстап, саусағын тесікке енгізеді.

Сонымен қатар, сым сегментін тікелей өңдеу қажет болатын жағдайлар бар. Мысалы, көптеген процестерде басқа робот өз жұмысын орындамас бұрын, бір робот әбзелді пішімдеуі керек. Мұндай жағдайда бір роботқа басқа робот жетуі үшін қысқышты бағыттау керек болды. Мұны істеудің жалғыз жолы жақын орналасқан сым сегментін бұрау болды.

Бастапқыда біз сымды оның жанындағы қысқышын бұрау арқылы пішіндеуге тырыстық. Дегенмен, сым сегментінің бұралу қаттылығы төмен болғандықтан, бұл мүмкін емес болып шықты. Кейінгі тәжірибелерде робот сым сегментін тікелей ұстап, майыстырды. Бұл процесс барысында мақсатты қысқыштың позасы айналадағы камералармен бақыланады. Иілу процесі мақсатты қысқыштың бағыты анықтамалық мәнмен сәйкес келгенше жалғасады.

Тексеру эксперименттері

Біз прототипті құрастыру жүйесін жасағаннан кейін оны сынау үшін бірқатар эксперименттер жүргіздік. Процесс роботтардың ілгіштен сымды алуынан басталады. Содан кейін олар панель жақтауына сегіз байлам қысқышын енгізеді. Процесс роботтардың бастапқы күту күйіне оралуымен аяқталады.

Оң қол 1, 2 және 3 қысқыштарды кірістіреді. Орталық қол 4 және 5 қысқыштарды, ал сол қол 6, 7 және 8 қысқыштарды кірістіреді.

Алдымен 3 қысқыш, одан кейін 1 және 2 қысқыштар енгізіледі. Содан кейін 4-8 қысқыштары сандық ретпен енгізіледі.

Робот қолдарының қозғалыс реттілігі симуляциялық бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы жасалды. Соқтығысты анықтау алгоритмі роботтардың қоршаған ортадағы объектілерге немесе бір-біріне соғылуына жол бермеді.

Сонымен қатар, қозғалыс тізбегіндегі кейбір операциялар адам ассемблерлеріне сілтеме жасау арқылы жасалды. Осы мақсатта құрастыру кезінде жұмысшылардың қимылдарын түсірдік. Деректер жұмысшының қозғалысын да, сым сымдарының сәйкес әрекетін де қамтиды. Таңқаларлық емес, жұмысшы қабылдаған қозғалыс стратегиясы көбінесе роботтарға қарағанда тиімдірек болды.

Сым сегменттерінің бұралуын басқару

Тәжірибелерімізде біз кейде қысқыштарды орнатуда қиындықтарға тап болдық, өйткені тапсырма үшін ұстағышты орналастыру мүмкін болмады. Мысалы, қысқыш 5 рамаға 4 бекітілгеннен кейін бірден салынуы керек. Дегенмен, 4-қысқыштың сол жақ белдік сегменті үнемі төмен түсіп, орталық роботқа 5-қысқышты кірістіру үшін орналастыруды қиындатады.

Бұл мәселені шешуіміз сәтті ұстауды қамтамасыз ету үшін мақсатты сым сегментін алдын ала пішімдеу болды. Біріншіден, 5-қысқышты сол робот қысқыштың жанындағы сым сегментін ұстау арқылы жоғары көтереді. Содан кейін 5-қысқыштың бағыты сым сегментінің бұралу күйін басқару арқылы реттеледі. Бұл алдын ала пішімдеу операциясы 5 қысқышты кейінгі ұстау әрқашан ең қолайлы күйде орындалуын қамтамасыз етеді.

Қару-жарақ арасындағы ынтымақтастық

Кейбір жағдайларда сымды құрастыру бірнеше робот қолдары арасындағы адамға ұқсас ынтымақтастықты қажет етеді. 1 қысқышты енгізу жақсы мысал болып табылады. 2-қысқыш салынғаннан кейін 1-қысқыш салбырап қалады. 1 қысқышты кірістіру үшін бос орын шектеулі және қоршаған ортамен соқтығысу қаупіне байланысты қысқышты орналастыру қиын. Сонымен қатар, тәжірибелік тәжірибе бізге бұл операцияны сымның сол сегментінің салбырап қалуымен бастаудан аулақ болуды үйретті, өйткені бұл кейінгі операцияларда сым сегменттерін қоршап тұрған жақтауға ұстап қалуы мүмкін.

Бұл мәселені шешуге адам жұмысшылардың мінез-құлқы шабыттанды. Адам жұмысшы бір тапсырманы орындау үшін екі қолын пайдалануды оңай үйлестіреді. Бұл жағдайда жұмысшы бір қолымен қысқышты 4 жай ғана кірістіреді, ал екінші қолымен сым сегментінің орнын бір уақытта реттейді. Біз роботтарды сол стратегияны жүзеге асыру үшін бағдарламаладық.

Пластикалық деформация

Кейбір жағдайларда екі роботты бірлесіп пайдалану арқылы сым сегментін алдын ала пішіндеу қиын болды. 6 қысқышты кірістіру процесі жақсы мысал болып табылады. Бұл операция үшін біз роботтың сол жақ қолы оны кадрға енгізеді деп күттік, өйткені бұл мақсатқа жете алатын жалғыз робот қолы.

Белгілі болғандай, робот бастапқыда қысқышқа жете алмаған. Контроллер қысқышты ұстау мүмкін емес екенін анықтаған кезде, робот қапсырманың өзін ұстаудың орнына сым сегментін қысқыштың жанынан ұстауға тырысады. Содан кейін робот қысқыш бетін солға көбірек бұру үшін сегментті бұрады және бүгеді. Сегментті бірнеше рет бүгу әдетте оның орнын өзгерту үшін жеткілікті. Сегмент ұстауға лайықты орын болғаннан кейін, робот мақсатты қысқышты ұстауға тағы бір әрекет жасайды.

Қорытындылар

Сайып келгенде, біздің роботтық жүйе орта есеппен 3 минуттық уақытпен аспаптар тақтасының жақтауына сегіз қысқышты орната алды. Бұл жылдамдық практикалық қолдану талабынан әлі алыс болса да, ол роботты сымды құрастырудың техникалық мүмкіндігін көрсетеді.

Жүйені өнеркәсіпте практикалық қолдану үшін жеткілікті сенімді және жылдам ету үшін бірнеше мәселелерді шешу қажет. Біріншіден, сым сымдарының робот құрастыру үшін алдын ала пішімделуі маңызды. Түйіндеу және ажырату операцияларымен салыстырғанда, жеке сым сегменттерінің бұралу күйі сымды орнату үшін өте маңызды, өйткені роботтар жіпке байланған бөліктерді өңдейді. Сонымен қатар, бұралу еркіндігімен жабдықталған қысқыш та белдіктерді орнатуға көмектеседі.

Процестің жылдамдығын жақсарту үшін сымның динамикалық әрекетін ескеру қажет. Бұл сым сымдарын кіргізетін білікті жұмысшылардың кинофильмдерінен анық көрінеді. Олар сымның динамикалық тербелісін басқару үшін екі қолды және білікті қозғалысты пайдаланады және осылайша айналадағы кедергілерден аулақ болады. Ұқсас жылдамдықпен роботты құрастыруды жүзеге асырған кезде сымның динамикалық әрекетін басу үшін арнайы тәсілдер қажет болады.

Біздің зерттеуімізде қолданылған әдістердің көпшілігі қарапайым болғанымен, біз роботты жүйенің прототипімен автоматты құрастыруды сәтті көрсеттік. Мұндай тапсырмаларды автоматтандыру мүмкіндігі бар.