Otomotiv Kablo Demetlerinin Robotik Montajı

Yeni araştırmalar, altı eksenli robotların otomotiv kablo demetlerini kurmak için kullanılabileceğini gösteriyor.

kaydeden Xin Yang

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

Çok eksenli robot kolları, otomotiv montaj tesislerinde boyama, kaynaklama ve sabitleme dahil çok çeşitli işlemleri gerçekleştirmektedir.

Ancak otomasyon teknolojisindeki ilerlemelere rağmen bazı süreçler hâlâ vasıflı montajcılar olmadan tamamlanamıyor. Kablo demetlerini araba gövdelerine takma görevi, geleneksel olarak robotlar için zor olan görevlerden biridir.

Tel veya boru gibi deforme olabilen doğrusal nesnelerin robotlarla işlenmesi sorunlarıyla ilgili daha önce bazı araştırmalar yapılmıştır. Bu çalışmaların çoğu, deforme olabilen doğrusal nesnelerin topolojik geçişinin nasıl ele alınacağına odaklanmıştır. Robotları düğüm atacak veya iple ilmek oluşturacak şekilde programlamaya çalıştılar. Bu çalışmalar ipin topolojik geçişlerini tanımlamak için matematiksel düğüm teorisini uyguladı.

Bu yaklaşımlarda, üç boyutlu deforme olabilen doğrusal bir nesne ilk olarak iki boyutlu bir düzleme yansıtılır. Çapraz eğriler olarak gösterilen düzlemdeki izdüşüm, düğüm teorisi kullanılarak iyi tanımlanabilir ve ele alınabilir.

2006 yılında, Japonya'daki Osaka Üniversitesi'nden Hidefumi Wakamatsu liderliğindeki bir araştırma ekibi, robotlarla deforme olabilen doğrusal nesnelerin düğümlenmesi ve düğümlerinin çözülmesi için bir yöntem geliştirdi. Herhangi iki kablo geçiş durumu arasındaki geçişi tamamlamak için gerekli olan dört temel işlemi (bunlardan üçü Reidemeister hareketlerine eşdeğerdir) tanımladılar. Araştırmacılar, sıralı topolojik geçişlere ayrıştırılabilen herhangi bir düğümleme veya düğüm çözme işleminin, bu dört temel işlemin sıralı bir kombinasyonu kullanılarak gerçekleştirilebileceğini gösterdi. Yaklaşımları, bir SCARA robotunu masanın üzerine yerleştirilen bir ipi düğümleyecek şekilde programlayabildikleri zaman doğrulandı.

Benzer şekilde, Japonya'nın Imizu kentindeki Toyama Valiliği Üniversitesi'nden Ph.D. Takayuki Matsuno liderliğindeki araştırmacılar, iki robot kolu kullanarak bir ipi üç boyutlu olarak düğümlemek için bir yöntem geliştirdi. Robotlardan biri ipin ucunu tutarken diğeri düğümledi. Halatın üç boyutlu konumunu ölçmek için stereo görüş kullanıldı. Düğümün durumu Reidemeister hareketleri yerine düğüm değişmezleri kullanılarak tanımlanır.

Her iki çalışmada da robotlar, yalnızca tek serbestlik derecesine sahip, klasik, iki parmaklı paralel tutucuyla donatıldı.

2008 yılında Tokyo Üniversitesi'nden Yuji Yamakawa liderliğindeki bir araştırma ekibi, yüksek hızlı, çok parmaklı bir el ile donatılmış bir robot kullanarak ipe düğüm atma tekniğini gösterdi. Parmaklara monte edilen kuvvet ve tork sensörleri de dahil olmak üzere daha becerikli bir tutucuyla, "halatın permütasyonu" gibi işlemler tek kolla bile mümkün hale gelir. İp permütasyonu, ipleri iki parmak arasında sıkıştırırken, iki ipin bükülerek yerlerinin değiştirilmesi işlemini ifade eder.

Diğer araştırma projeleri, montaj hattındaki deforme olabilen doğrusal nesnelerin robotik olarak taşınmasıyla ilgili sorunların çözümüne odaklanmıştır.

Örneğin, Tsugito Maruyama (Ph.D.) ve Kawasaki, Japonya'daki Fujitsu Laboratories Ltd.'den bir araştırma ekibi, elektrikli parçalar üreten bir montaj hattı için bir kablo taşıma sistemi geliştirdi. Sinyal kablolarını klipslere takmak için bir robot kolu kullanıldı. Sistemlerinin çalışmasını sağlamak için iki teknoloji kritik öneme sahipti: çok düzlemli bir lazer ışık projektörü ve bir stereo görüş sistemi.

Jürgen Acker ve Almanya'daki Kaiserslautern Teknoloji Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, deforme olabilen doğrusal bir nesnenin (bu durumda bir otomotiv kablosu) ortamdaki nesnelerle nerede ve nasıl temas ettiğini belirlemek için 2 boyutlu makine görüşünü kullanan bir yöntem geliştirdi.

Tüm bu araştırmalara dayanarak, bir otomotiv montaj hattında kablo demetlerinin kurulumu için pratik bir robotik sistem geliştirmeye çalıştık. Sistemimiz laboratuvarda geliştirilmiş olmasına rağmen, deneylerimizde kullanılan tüm koşullar gerçek bir otomobil fabrikasından alınmıştır. Amacımız böyle bir sistemin teknik fizibilitesini göstermek ve daha fazla gelişmenin gerekli olduğu alanları belirlemekti.

Kablo Demeti Grubu

Bir otomotiv kablo tesisatı, elektrik bandıyla sarılmış birden fazla kablodan oluşur. Her dalın belirli bir enstrümana bağlı olduğu ağaca benzer bir yapıya sahiptir. Montaj hattında bir işçi, kablo demetini manuel olarak gösterge paneli çerçevesine bağlar.

Kablo demetine bir dizi plastik kelepçe bağlanmıştır. Bu kelepçeler gösterge paneli çerçevesindeki deliklere karşılık gelir. Kayışın takılması kelepçelerin deliklere yerleştirilmesiyle sağlanır. Bu nedenle, kablo demetinin kurulumuna yönelik bir robotik sistemin iki temel sorunu çözmesi gerekir: kablo demetinin durumunun nasıl ölçüleceği ve bununla nasıl başa çıkılacağı.

Bir kablo demeti karmaşık fiziksel özelliklere sahiptir. Montaj sırasında hem elastik deformasyon hem de plastik deformasyon sergiler. Bu, kesin bir dinamik modelinin elde edilmesini zorlaştırır.

Prototip Sistemi

Prototip kablo demeti montaj sistemimiz, gösterge paneli çerçevesinin önüne yerleştirilmiş üç adet kompakt altı eksenli robottan oluşur. Üçüncü robot emniyet kemerinin konumlandırılmasına ve kavranmasına yardımcı olur.

Her robot, bir serbestlik derecesine sahip iki parmaklı paralel tutucuyla donatılmıştır. Kavrayıcı parmakların iki girintisi vardır: biri emniyet kemeri kelepçelerini tutmak için, diğeri ise emniyet kemerinin kendi bölümlerini tutmak için.

Her uç efektör ayrıca iki CCD kamera ve bir lazer mesafe sensörüyle donatılmıştır. İki kamera, geniş bir alan derinliği sağlamak için farklı odak uzaklıklarına sahiptir. Lazer mesafe sensörü, bir tel segmentinin hassas ölçümü gerektiğinde kullanılır. Çalışma hücresini çevreleyen 10 ek sabit konumlu kamera, çalışma alanına çeşitli yönlerden bakmaktadır. Sistemimizde uç efektörlere monte edilen kameralar dahil olmak üzere toplam 16 adet görüş kamerası bulunmaktadır.

Emniyet kemerinin tanınması makine görüşüyle ​​gerçekleştirilir. Her bir kablo demeti kelepçesine özel olarak tasarlanmış bir plastik kapak takılmıştır. Kapaklarda ARToolKit yazılımı ile okunan geometrik desenler bulunmaktadır. Bu açık kaynaklı yazılım, başlangıçta artırılmış gerçeklik uygulamaları için tasarlandı. İşaretleyicileri algılamak ve tanımak için bir dizi kullanımı kolay kitaplık sağlar. Kamera, koşumun göreceli konumunu belirlemek için işaretleri okur.

Her kelepçe kapağının kendi geometrik deseni vardır. Desen, robot kontrolörüne donanımın uzaydaki göreceli konumunun yanı sıra donanımın o bölümüne ilişkin bilgileri (örneğin, bu bölümün panel çerçevesi üzerinde nereye konumlandırılması gerektiği) bildirir.

Çalışma hücresinin etrafındaki sabit kameralar, her bir kablo demeti kelepçesi hakkında kabaca konum bilgisi sağlar. Belirli bir emniyet kemeri kelepçesinin konumu, bitişik kelepçelerin konumunun enterpolasyonuyla tahmin edilir. Bilek kamerası hedefi bulana kadar uç efektör, sabit kameralardan elde edilen konum bilgileri ile hedef kelepçeye yaklaşmaya yönlendirilir. O andan itibaren robot yönlendirmesi yalnızca bilek kamerasıyla sağlanıyor. Bilek kamerasının bu kısa mesafede sağladığı hassasiyet, kelepçelerin güvenilir bir şekilde kavranmasını sağlar.

Kablo demetinin deforme olabilen bir bölümünü kavramak için benzer bir işlem kullanılır. Hedef segmentin konumu ilk önce bitişik kelepçelerin pozunun enterpolasyonuyla tahmin edilir. Enterpolasyonlu eğri robotu yönlendirecek kadar hassas olmadığından, tahmini alan daha sonra lazer tarayıcı tarafından taranır. Tarayıcı belirli bir genişliğe sahip düzlemsel bir ışın yayar. Segmentin tam konumu daha sonra lazer sensöründen elde edilen mesafe profilinden belirlenebilir.

İşaretleyiciler kablo demetinin ölçümünü büyük ölçüde basitleştirir. Kelepçe kapakları sistemin maliyetini arttırmasına rağmen sistemin güvenilirliğini büyük ölçüde artırır.

Kemer Kullanımı

Kablo demeti kelepçesi panel çerçevesindeki bir delikle eşleşecek şekilde tasarlanmıştır. Böylece kıskaç, kelepçeyi tabanından kavrar ve parmağını deliğe sokar.

Ek olarak, bir tel parçasını doğrudan tutmanın gerekli olduğu bazı durumlar da vardır. Örneğin birçok süreçte, bir robotun, diğer bir robotun işini yapabilmesi için önce koşum takımını şekillendirmesi gerekir. Böyle bir durumda, bir robotun bir kelepçeyi başka bir robotun erişebileceği şekilde yönlendirmesi gerekiyordu. Bunu yapmanın tek yolu yakındaki bir tel parçasını bükmekti.

Başlangıçta telin yanındaki kelepçeyi bükerek teli şekillendirmeye çalıştık. Ancak tel bölümünün burulma direncinin düşük olması nedeniyle bunun imkansız olduğu ortaya çıktı. Sonraki deneylerde robot tel parçasını doğrudan kavradı ve büktü. Bu işlem sırasında hedef kelepçenin duruşu çevredeki kameralar tarafından izlenmektedir. Bükme işlemi, hedef kelepçenin yönü bir referans değerle çakışıncaya kadar devam edecektir.

Doğrulama Deneyleri

Bir prototip montaj sistemi geliştirdikten sonra bunu test etmek için bir dizi deney yaptık. Süreç, robotların askıdan kablo demetini almasıyla başlıyor. Daha sonra panel çerçevesine sekiz adet kablo demeti kelepçesi yerleştiriyorlar. İşlem, robotların başlangıçtaki bekleme konumuna dönmesiyle sona erer.

Sağ kol 1, 2 ve 3 numaralı kelepçeleri takar. Orta kol 4 ve 5 numaralı kelepçeleri takar ve sol kol 6, 7 ve 8 numaralı kelepçeleri takar.

Önce 3 numaralı kelepçe, ardından 1 ve 2 numaralı kelepçeler takılır. Daha sonra 4'ten 8'e kadar olan kelepçeler sayısal sıraya göre takılır.

Robot kollarının hareket sırası simülasyon yazılımı kullanılarak oluşturuldu. Çarpışma tespit algoritması, robotların ortamdaki nesnelere veya birbirlerine çarpmasını engelledi.

Ayrıca hareket sekansındaki bazı işlemler, insan montajcılara referans verilerek oluşturuldu. Bu amaçla işçilerin montaj sırasındaki hareketlerini yakaladık. Veriler hem işçinin hareketini hem de kablo demetinin buna karşılık gelen davranışını içerir. Bir işçinin benimsediği hareket stratejisinin genellikle robotlarınkinden daha etkili olduğunun ortaya çıkması şaşırtıcı değildir.

Tel Segmentlerinin Büküm Kontrolü

Deneylerimizde bazen kelepçeleri yerleştirirken zorluklarla karşılaştık çünkü kıskacı göreve göre konumlandırmak imkansızdı. Örneğin, kelepçe 4 çerçeveye sabitlendikten hemen sonra kelepçe 5 yerleştirilmelidir. Bununla birlikte, kelepçenin (4) solundaki kablo demeti bölümü her zaman sarkacaktır ve bu da merkez robotun kelepçeyi (5) yerleştirme için konumlandırmasını zorlaştıracaktır.

Bu soruna çözümümüz, başarılı bir kavrama sağlamak için hedef tel parçasını önceden şekillendirmekti. İlk olarak kelepçe (5), tel bölümünün kelepçenin (5) yakınında tutulmasıyla sol robot tarafından yukarı kaldırılır. Daha sonra kelepçenin (5) yönü, tel bölümünün burulma durumu kontrol edilerek düzenlenir. Bu ön şekillendirme işlemi, kelepçenin (5) daha sonra kavranmasının her zaman en uygun pozisyonda gerçekleştirilmesini sağlar.

Silahlar Arası İşbirliği

Bazı durumlarda, bir kablo demetinin montajı birden fazla robot kolu arasında insan benzeri bir işbirliği gerektirir. Kelepçe 1'in yerleştirilmesi iyi bir örnektir. Kelepçe 2 takıldığında kelepçe 1 sarkacaktır. Kelepçeyi (1) yerleştirmek için mevcut alan sınırlıdır ve çevredeki ortamla çarpışma riski nedeniyle kıskacı konumlandırmak zordur. Ayrıca, pratik deneyim bize, telin o bölümü sarkıkken bu işleme başlamaktan kaçınmamızı öğretti; çünkü bu, daha sonraki işlemlerde tel bölümlerinin çevredeki çerçeve tarafından yakalanmasına yol açabilir.

Bu soruna çözümümüz, insan işçilerin davranışlarından ilham aldı. Bir insan işçi, bir görevi tamamlamak için iki kolunun kullanımını kolaylıkla koordine eder. Bu durumda, bir işçi bir eliyle kelepçeyi (4) yerleştirirken aynı zamanda diğer eliyle tel bölümünün konumunu ayarlar. Robotları aynı stratejiyi uygulayacak şekilde programladık.

Plastik Deformasyon

Bazı durumlarda, iki robotu işbirliği içinde kullanarak tel parçasını önceden şekillendirmek zordu. Kelepçenin (6) yerleştirilmesi işlemi buna iyi bir örnektir. Bu işlem için hedefe ulaşabilen tek robot kol olduğundan sol robot kolunun onu çerçeveye yerleştirmesini bekliyorduk.

Anlaşıldığı üzere robot başlangıçta kelepçeye ulaşamadı. Kontrolör kelepçeyi tutmanın mümkün olmadığını belirlediğinde robot, kelepçeyi kavramak yerine kelepçenin yakınındaki tel bölümünü tutmaya çalışacaktır. Robot daha sonra kelepçe yüzünü daha sola döndürmek için segmenti çevirip büküyor. Bir parçayı birkaç kez bükmek genellikle konumunu değiştirmek için yeterlidir. Segment kavrama için uygun pozisyona geldiğinde robot, hedef kelepçeyi kavramak için başka bir girişimde bulunacaktır.

Sonuçlar

Sonuçta robotik sistemimiz ortalama 3 dakikalık bir sürede gösterge paneli çerçevesine sekiz kelepçe takmayı başardı. Bu hız hala pratik uygulama gerekliliğinden uzak olmasına rağmen, robotik kablo demeti montajının teknik fizibilitesini göstermektedir.

Sistemin güvenilir ve pratik endüstri uygulamaları için yeterince hızlı olmasını sağlamak amacıyla çeşitli sorunların çözülmesi gerekir. İlk olarak, kablo demetlerinin robotik montaj için önceden şekillendirilmesi önemlidir. Düğümleme ve düğüm çözme işlemleriyle karşılaştırıldığında, tek tek kablo bölümlerinin burulma durumu, kablo demeti kurulumu için kritik öneme sahiptir, çünkü robotlar, kablo demetine bağlı parçaları idare etmektedir. Ek olarak, bükülme serbestliği derecesine sahip bir tutucu da emniyet kemeri kurulumuna yardımcı olacaktır.

Prosesin hızını arttırmak için telin dinamik davranışı dikkate alınmalıdır. Bu, kablo demetlerini takan vasıflı işçilerin film çalışmalarında açıkça görülmektedir. Telin dinamik salınımını kontrol etmek ve böylece çevredeki engellerden kaçınmak için hem elleri hem de ustaca hareketleri kullanırlar. Robotik montajı benzer hızda gerçekleştirirken telin dinamik davranışını bastırmak için özel yaklaşımlar gerekli olacaktır.

Araştırmamızda kullanılan yaklaşımların çoğu basit olmasına rağmen, prototip robotik sistemimizle otomatik montajı başarılı bir şekilde gösterdik. Bu tür görevlerde otomasyon potansiyeli vardır.