Vélfærasamsetning vírbelta fyrir bíla

Nýjar rannsóknir benda til þess að hægt sé að nota sex-ása vélmenni til að setja upp raflögn fyrir bíla.

eftir Xin Yang

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

Margása vélmennaarmar framkvæma margs konar ferla í samsetningarverksmiðjum fyrir bíla, þar á meðal málningu, suðu og festingu.

Hins vegar, jafnvel með framfarir í sjálfvirknitækni, er enn ekki hægt að ljúka sumum ferlum án hæfra manna samsetningarmanna. Verkefnið að setja vírbelti í yfirbyggingar bíla er eitt slíkt verkefni sem hefur jafnan verið erfitt fyrir vélmenni.

Það hafa verið nokkrar fyrri rannsóknir sem tengjast vandamálum við að meðhöndla aflöganlega línulega hluti, eins og vír eða slöngur, með vélmenni. Margar þessara rannsókna beindust að því hvernig á að takast á við staðfræðilega umskipti á aflöganlegum línulegum hlutum. Þeir reyndu að forrita vélmenni til að binda hnúta eða búa til lykkjur með reipi. Þessar rannsóknir beittu stærðfræðilegri hnútakenningu til að lýsa staðfræðilegum umbreytingum reipisins.

Í þessum aðferðum er aflaganlegum línulegum hlut í þrívídd fyrst varpað inn í tvívítt plan. Hægt er að lýsa vörpuninni í planinu, sem sýnt er sem krosslagðar línur, vel og meðhöndla með því að nota hnútafræði.

Árið 2006 þróaði rannsóknarteymi undir forystu Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., frá Osaka háskólanum í Japan, aðferð til að hnýta og losa aflögunarhæfa línulega hluti með vélmenni. Þeir skilgreindu fjórar grundvallaraðgerðir (þar á meðal eru þrjár jafngildar Reidemeister hreyfingum) sem nauðsynlegar eru til að ljúka umskiptum á milli tveggja vír-þverandi ríkja. Rannsakendur sýndu fram á að hægt er að ná fram hvaða hnúta- eða losunaraðgerð sem hægt er að brjóta niður í staðfræðilegar umbreytingar í röð með því að nota raðbundna samsetningu þessara fjögurra grundvallaraðgerða. Nálgun þeirra var sannreynd þegar þeir gátu forritað SCARA vélmenni til að hnýta reipi sem sett var á skrifborð.

Á sama hátt þróuðu vísindamenn undir forystu Takayuki Matsuno, Ph.D., frá Toyama Prefectural háskólanum í Imizu, Japan, aðferð til að hnýta reipi í þrívídd með því að nota tvo vélmennaarma. Annað vélmenni hélt á enda strengsins en hitt hnýtti það. Til að mæla þrívíddarstöðu reipisins var notuð steríósjón. Ástandi hnútsins er lýst með því að nota hnútafbrigði í stað Reidemeister-hreyfinga.

Í báðum rannsóknunum voru vélmennin búin klassískum, tveggja fingra samhliða gripara með aðeins einni frelsisgráðu.

Árið 2008 sýndi rannsóknarteymi undir forystu Yuji Yamakawa við háskólann í Tókýó tækni til að hnýta reipi með því að nota vélmenni sem er búið háhraða margfingra hönd. Með snjallari grip - þar á meðal kraft- og togskynjara festir í fingrunum - verða aðgerðir eins og „reipibreyting“ mögulegar, jafnvel með einum handlegg. Reipbreyting vísar til aðgerðarinnar að skipta um staði tveggja reipa með því að snúa þeim á meðan reipunum er klemmt á milli tveggja fingra.

Önnur rannsóknarverkefni hafa beinst að því að leysa vandamál sem tengjast vélfærafræði meðhöndlun á aflöganlegum línulegum hlutum á færibandi.

Til dæmis, Tsugito Maruyama, Ph.D., og hópur vísindamanna hjá Fujitsu Laboratories Ltd. í Kawasaki, Japan, þróuðu vírmeðhöndlunarkerfi fyrir færiband sem framleiðir rafhluta. Vélmennaarmur var notaður til að stinga merkjasnúrum í klemmur. Tvær tæknir voru mikilvægar til að gera kerfið þeirra kleift að virka: fjölplana leysiljósskjávarpa og steríósjónkerfi.

Jürgen Acker og vísindamenn við Kaiserslautern Tækniháskólann í Þýskalandi þróuðu aðferð til að nota 2D vélsjón til að ákvarða hvar og hvernig aflögunarhæfur línulegur hlutur (í þessu tilviki bílstrengur) snertir hluti í umhverfinu.

Á grundvelli allra þessara rannsókna reyndum við að þróa hagnýtt vélfærakerfi til að setja upp vírbelti á færibandi bíla. Þrátt fyrir að kerfið okkar hafi verið þróað á rannsóknarstofunni er vísað til allra skilyrða sem notuð eru í tilraunum okkar frá raunverulegri bílaverksmiðju. Markmið okkar var að sýna fram á tæknilega hagkvæmni slíks kerfis og ákvarða svæði þar sem frekari þróun er nauðsynleg.

Vírbeltissamsetning

Vírbelti fyrir bifreiðar samanstendur af mörgum snúrum sem eru vafðir með rafbandi. Það hefur trjálíka uppbyggingu þar sem hver grein er tengd við ákveðið hljóðfæri. Á færibandinu festir starfsmaður beislið handvirkt við grind mælaborðsins.

Sett af plastklemmum er bundið inn í vírbeltið. Þessar klemmur samsvara götum í grind mælaborðsins. Festing á beisli er náð með því að setja klemmurnar í götin. Vélfærakerfi til að setja upp beisli þarf því að leysa tvö grundvallarvandamál: hvernig á að mæla ástand vírstrengs og hvernig á að meðhöndla það.

Vírbelti hefur flókna eðliseiginleika. Við samsetningu sýnir það bæði teygjanlega aflögun og plastaflögun. Þetta gerir það erfitt að fá nákvæmt, kraftmikið líkan af því.

Frumgerð kerfi

Frumgerð beltissamsetningarkerfisins okkar samanstendur af þremur, fyrirferðarlítilli sex-ása vélmenni sem eru staðsett fyrir framan mælaborðsgrind. Þriðja vélmennið hjálpar við að staðsetja og grípa um beislið.

Hvert vélmenni er búið tveggja fingra samhliða gripara með einni frelsisgráðu. Griparfingurnir eru með tveimur inndælingum: annar til að halda beltisklemmum, hinn til að halda hluta af beislinum sjálfum.

Hver end-effector er einnig búinn tveimur CCD myndavélum og leysisviðsskynjara. Myndavélarnar tvær eru með mismunandi brennivídd til að veita mikla dýptarskerpu. Lasersviðsskynjarinn er notaður þegar nákvæm mæling á vírhluta er nauðsynleg. Í kringum vinnuklefann snúa 10 myndavélar með fastri stöðu að vinnusvæðinu úr ýmsum áttum. Að meðtöldum myndavélum sem festar eru á end-effektorana, notar kerfið okkar alls 16 sjónmyndavélar.

Viðurkenning á beisli er náð með vélsjón. Sérhönnuð plasthlíf er fest á hverja beltisklemma. Kápurnar eru með geometrísk mynstrum sem eru lesin með ARToolKit hugbúnaði. Þessi opinn hugbúnaður var upphaflega hannaður fyrir aukinn veruleikaforrit. Það býður upp á safn auðveldra bókasöfna til að greina og þekkja merkin. Myndavélin les merkin til að ákvarða hlutfallslega stöðu beislisins.

Hvert klemmuhlíf hefur sitt eigið rúmfræðilega mynstur. Mynstrið segir vélmennisstýringunni hlutfallslega stöðu beislisins í geimnum, sem og upplýsingar um þann hluta beislsins (eins og hvar sá hluti ætti að vera staðsettur á spjaldgrindinni).

Föstu myndavélarnar í kringum vinnuklefann veita grófar staðsetningarupplýsingar um hverja beltisklemmu. Staðsetning tiltekinnar beltisklemma er metin með því að interpola stöðu aðliggjandi klemma. Endavirkjaranum er leiðbeint að nálgast markklemmuna með staðsetningarupplýsingum sem fengnar eru úr föstum myndavélum - þar til úlnliðsmyndavélin getur fundið skotmarkið. Frá þeirri stundu er vélmennaleiðsögn eingöngu veitt af úlnliðsmyndavélinni. Nákvæmnin sem úlnliðsmyndavélin veitir á þeirri stuttu fjarlægð tryggir áreiðanlega grip um klemmurnar.

Svipað ferli er notað til að grípa aflaganlegan hluta af vírbeltinu. Staðsetning markhlutans er fyrst metin með því að interpolera stellingu aðliggjandi klemma. Þar sem innskotsferillinn er ekki nógu nákvæmur til að leiðbeina vélmenninu er áætlað svæði síðan skannað af leysiskanni. Skanninn gefur frá sér sléttan geisla með ákveðna breidd. Nákvæma staðsetningu hlutans er síðan hægt að ákvarða út frá fjarlægðarsniðinu sem fæst úr leysiskynjaranum.

Merkin einfalda mjög mælingu á vírbeltinu. Þrátt fyrir að klemmuhlífarnar hafi aukið kostnað við kerfið, bæta þær verulega áreiðanleika kerfisins.

Meðhöndlun beislis

Beltisklemman er hönnuð til að passa við gat á pallborðsgrindinni. Þannig grípur gripurinn um klemmu við grunninn og stingur tánni inn í gatið.

Að auki eru nokkur tækifæri þar sem nauðsynlegt er að meðhöndla vírhluta beint. Til dæmis, í mörgum ferlum, verður eitt vélmenni að móta beislið áður en annað vélmenni getur sinnt starfi sínu. Í slíku tilviki þurfti eitt vélmenni að stilla klemmu þannig að annað vélmenni gæti náð henni. Eina leiðin til að gera þetta var að snúa nálægum vírhluta.

Upphaflega reyndum við að móta vírinn með því að snúa aðliggjandi klemmu hans. Hins vegar, vegna lítillar snúningsstífleika vírhlutans, reyndist þetta ómögulegt. Í síðari tilraunum greip vélmennið og beygði vírhlutann beint. Meðan á þessu ferli stendur er staða markklemmunnar fylgst með myndavélunum í kring. Beygjuferlið mun halda áfram þar til stefna markklemmunnar fellur saman við viðmiðunargildi.

Staðfestingartilraunir

Þegar við þróuðum frumgerð samsetningarkerfis, keyrðum við röð tilrauna til að prófa það. Ferlið byrjar á því að vélmennin taka upp vírbelti úr hengi. Þeir setja síðan átta beltisklemma inn í spjaldið. Ferlið endar með því að vélmennin fara aftur í upphaflega biðstöðu.

Hægri handleggurinn setur inn klemmurnar 1, 2 og 3. Miðarmurinn setur inn klemmurnar 4 og 5 og sá vinstri setur klemmurnar 6, 7 og 8 í.

Klemmur 3 settar fyrst inn og síðan klemmur 1 og 2. Klemmur 4 til 8 eru síðan settar inn í númeraröð.

Hreyfingarröð vélmennaarmanna var mynduð með því að nota hermihugbúnað. Árekstursgreiningarreiknirit kom í veg fyrir að vélmennin réðust í hluti í umhverfinu eða hvert annað.

Að auki voru sumar aðgerðir í hreyfiröðinni búnar til með því að vísa til mannlegra samsetningarmanna. Í þessu skyni fanguðum við hreyfingar starfsmanna við samsetningu. Gögnin innihalda bæði hreyfingu starfsmannsins og samsvarandi hegðun vírbúnaðarins. Það kemur ekki á óvart að hreyfistefnan sem starfsmaður tók upp reyndist oft árangursríkari en vélmennin.

Snúningsstýring á vírhlutum

Í tilraunum okkar lentum við stundum í erfiðleikum með að setja klemmurnar inn vegna þess að það var ómögulegt að staðsetja gripinn fyrir verkefnið. Til dæmis ætti að setja klemmu 5 strax eftir að klemma 4 hefur verið fest við grindina. Hins vegar myndi beislishlutinn til vinstri við klemmu 4 undantekningalaust falla, sem gerir það að verkum að miðvélmenni getur staðsetja klemmu 5 til innsetningar.

Lausn okkar á þessu vandamáli var að formóta markvírhlutann til að tryggja farsælan grip. Fyrst er klemma 5 lyft upp af vinstri vélmenni með því að grípa um vírhlutann nálægt klemmu 5. Síðan er stefnu klemmu 5 stjórnað með því að stjórna snúningsstöðu vírhlutans. Þessi formótunaraðgerð tryggir að síðari gripið á klemmunni 5 sé alltaf framkvæmt í viðeigandi stöðu.

Samvinna vopna

Í sumum tilfellum krefst samsetning vírbeltis mannlegrar samvinnu milli margra vélmennaarma. Innsetning klemmu 1 er gott dæmi. Þegar klemma 2 hefur verið sett í, mun klemma 1 falla. Plássið sem er í boði til að setja inn klemmu 1 er takmarkað og erfitt er að staðsetja gripinn vegna hættu á árekstri við umhverfið í kring. Þar að auki kenndi hagnýt reynsla okkur að forðast að hefja þessa aðgerð með því að hluta vírsins halli niður, þar sem það gæti leitt til þess að vírhlutar festist af nærliggjandi grind í síðari aðgerðum.

Lausn okkar á þessu vandamáli var innblásin af hegðun manna. Mannlegur starfsmaður samhæfir auðveldlega notkun tveggja handleggja sinna til að klára verkefni. Í þessu tilviki myndi starfsmaður einfaldlega setja inn klemmu 4 með annarri hendi, en stilla samtímis stöðu vírhluta með hinni hendinni. Við forrituðum vélmennin til að innleiða sömu stefnu.

Plast aflögun

Í sumum tilfellum var erfitt að formóta vírhlutann með því að nota tvö vélmenni í samvinnu. Ferlið við að setja inn klemmu 6 er gott dæmi. Fyrir þessa aðgerð bjuggumst við við að vinstri vélmennaarmurinn myndi setja hann inn í grindina, þar sem hann er eini vélmennaarmurinn sem getur náð markmiðinu.

Eins og það kom í ljós gat vélmennið ekki í upphafi náð klemmunni. Þegar stjórnandinn ákveður að ekki sé hægt að grípa um klemmuna mun vélmennið reyna að grípa vírhlutann nálægt klemmunni í stað þess að grípa um klemmuna sjálfa. Vélmennið snýr síðan og beygir hlutann til að snúa klemmunni meira til vinstri. Að beygja hluta nokkrum sinnum er venjulega nóg til að breyta stöðu hans. Þegar hluti er viðeigandi staðsetning til að grípa, mun vélmennið gera aðra tilraun til að grípa markklemmuna.

Ályktanir

Á endanum gat vélfærakerfið okkar sett átta klemmur í grind mælaborðsins með að meðaltali 3 mínútur. Þrátt fyrir að sá hraði sé enn langt frá kröfunni um hagnýta beitingu, sýnir hann tæknilega hagkvæmni samsetningar vélfæravíra.

Nokkur vandamál verða að leysa til að gera kerfið áreiðanlegt og nógu hratt fyrir hagnýta notkun í iðnaði. Í fyrsta lagi er mikilvægt að vírbelti séu forsniðin fyrir vélfærasamsetningu. Í samanburði við hnýtingar og losunaraðgerðir er snúningsástand einstakra vírhluta mikilvægt fyrir uppsetningu vírbeltis þar sem vélmennin eru að meðhöndla hluta sem eru bundnir inn í beislið. Að auki myndi gripari með snúningsfrelsi einnig hjálpa til við uppsetningu beislis.

Til að bæta hraða ferlisins ætti að huga að kraftmikilli hegðun vírsins. Þetta sést áberandi í kvikmyndarannsóknum á faglærðum starfsmönnum sem setja vírbelti. Þeir nota báðar hendur og færar hreyfingar til að stjórna kraftmikilli sveiflu vírsins og forðast þar með nærliggjandi hindranir. Þegar vélfærasamsetning er útfærð með svipuðum hraða verða sérstakar aðferðir nauðsynlegar til að bæla niður kraftmikla hegðun vírsins.

Þó margar af þeim aðferðum sem notaðar eru í rannsóknum okkar séu einfaldar, sýndum við fram á sjálfvirka samsetningu með frumgerð vélfærakerfisins okkar. Möguleiki er á sjálfvirkni með slíkum verkefnum.