Lắp ráp robot của dây nịt ô tô

Nghiên cứu mới cho thấy robot sáu trục có thể được sử dụng để lắp đặt hệ thống dây điện ô tô.

Bởi Xin Yang

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

Cánh tay robot đa trục thực hiện nhiều quy trình khác nhau trong các nhà máy lắp ráp ô tô, bao gồm sơn, hàn và buộc chặt.

Tuy nhiên, ngay cả với những tiến bộ trong công nghệ tự động hóa, một số quy trình vẫn không thể hoàn thành nếu không có con người lắp ráp lành nghề. Nhiệm vụ lắp đặt bộ dây điện vào thân ô tô là một trong những nhiệm vụ thường gặp khó khăn đối với robot.

Trước đây đã có một số nghiên cứu liên quan đến bài toán xử lý các vật thể tuyến tính biến dạng như dây hoặc ống bằng robot. Nhiều nghiên cứu trong số này tập trung vào cách xử lý sự chuyển đổi tôpô của các đối tượng tuyến tính có thể biến dạng. Họ cố gắng lập trình cho robot để thắt nút hoặc tạo vòng bằng dây thừng. Những nghiên cứu này áp dụng lý thuyết nút toán học để mô tả sự chuyển đổi tôpô của sợi dây.

Trong các phương pháp này, một vật thể tuyến tính có thể biến dạng theo ba chiều trước tiên được chiếu lên mặt phẳng hai chiều. Hình chiếu trong mặt phẳng, được biểu diễn dưới dạng các đường cong chéo, có thể được mô tả và xử lý tốt bằng lý thuyết nút.

Năm 2006, một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Hidefumi Wakamatsu, Đại học Osaka, Nhật Bản dẫn đầu đã phát triển một phương pháp thắt nút và tháo nút thắt các vật thể tuyến tính có thể biến dạng bằng robot. Họ đã xác định bốn thao tác cơ bản (trong số đó, ba thao tác tương đương với các bước di chuyển của Reidemeister) cần thiết để hoàn thành quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái đi qua dây bất kỳ. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng bất kỳ thao tác thắt nút hoặc tháo nút nào có thể được phân tách thành các chuyển đổi tôpô tuần tự đều có thể đạt được bằng cách sử dụng sự kết hợp tuần tự của bốn thao tác cơ bản này. Cách tiếp cận của họ đã được xác minh khi họ có thể lập trình cho robot SCARA thắt nút sợi dây đặt trên bàn.

Tương tự, các nhà nghiên cứu do tiến sĩ Takayuki Matsuno thuộc Đại học tỉnh Toyama ở Imizu, Nhật Bản dẫn đầu, đã phát triển phương pháp thắt nút dây theo không gian ba chiều bằng cách sử dụng hai cánh tay robot. Một robot giữ đầu sợi dây, trong khi robot kia thắt nút. Để đo vị trí ba chiều của sợi dây, người ta đã sử dụng tầm nhìn lập thể. Trạng thái của nút thắt được mô tả bằng cách sử dụng các bất biến nút thay vì di chuyển Reidemeister.

Trong cả hai nghiên cứu, robot đều được trang bị một dụng cụ kẹp song song bằng hai ngón tay cổ điển với chỉ một bậc tự do.

Năm 2008, một nhóm nghiên cứu do Yuji Yamakawa thuộc Đại học Tokyo dẫn đầu đã trình diễn kỹ thuật thắt nút dây bằng cách sử dụng robot được trang bị bàn tay nhiều ngón tốc độ cao. Với một dụng cụ kẹp khéo léo hơn—bao gồm các cảm biến lực và mô-men xoắn được gắn ở các ngón tay—các thao tác như “hoán vị dây” trở nên khả thi, ngay cả với một cánh tay. Hoán vị dây đề cập đến hoạt động hoán đổi vị trí của hai sợi dây bằng cách xoắn chúng đồng thời kẹp dây giữa hai ngón tay.

Các dự án nghiên cứu khác tập trung giải quyết các vấn đề liên quan đến việc xử lý bằng robot các vật thể tuyến tính có thể biến dạng trên dây chuyền lắp ráp.

Ví dụ, Tiến sĩ Tsugito Maruyama và một nhóm các nhà nghiên cứu tại Fujitsu Lab Laboratory Ltd. ở Kawasaki, Nhật Bản, đã phát triển một hệ thống xử lý dây cho dây chuyền lắp ráp chế tạo các bộ phận điện. Một cánh tay robot được sử dụng để luồn cáp tín hiệu vào móc cài. Hai công nghệ rất quan trọng để cho phép hệ thống của họ hoạt động: máy chiếu ánh sáng laser đa mặt phẳng và hệ thống thị giác âm thanh nổi.

Jürgen Acker và các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Kaiserslautern ở Đức đã phát triển một phương pháp sử dụng thị giác máy 2D để xác định vị trí và cách thức một vật thể tuyến tính có thể biến dạng (trong trường hợp này là cáp ô tô) tiếp xúc với các vật thể trong môi trường.

Dựa trên tất cả những nghiên cứu này, chúng tôi đã cố gắng phát triển một hệ thống robot thực tế để lắp đặt bộ dây điện trên dây chuyền lắp ráp ô tô. Mặc dù hệ thống của chúng tôi được phát triển trong phòng thí nghiệm nhưng tất cả các điều kiện sử dụng trong thí nghiệm của chúng tôi đều được tham chiếu từ một nhà máy ô tô thực tế. Mục tiêu của chúng tôi là chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật của một hệ thống như vậy và xác định các lĩnh vực cần phát triển thêm.

Hội khai thác dây

Bộ dây điện ô tô bao gồm nhiều dây cáp được quấn bằng băng keo điện. Nó có cấu trúc giống như cây với mỗi nhánh được kết nối với một nhạc cụ cụ thể. Trên dây chuyền lắp ráp, một công nhân sẽ tự tay gắn dây nịt vào khung bảng điều khiển.

Một bộ kẹp nhựa được buộc vào bộ dây. Các kẹp này tương ứng với các lỗ trên khung bảng điều khiển. Việc gắn dây nịt được thực hiện bằng cách nhét các kẹp vào các lỗ. Do đó, một hệ thống robot để lắp đặt dây điện phải giải quyết được hai vấn đề cơ bản: cách đo trạng thái của dây điện và cách xử lý nó.

Dây nịt có các tính chất vật lý phức tạp. Trong quá trình lắp ráp, nó biểu hiện cả biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Điều này làm cho việc có được một mô hình động chính xác của nó trở nên khó khăn.

Hệ thống nguyên mẫu

Hệ thống lắp ráp dây nịt nguyên mẫu của chúng tôi bao gồm ba rô-bốt sáu trục nhỏ gọn được đặt phía trước khung bảng điều khiển. Robot thứ ba giúp định vị và nắm dây đai.

Mỗi robot được trang bị một tay kẹp song song bằng hai ngón tay với một bậc tự do. Các ngón tay của dụng cụ kẹp có hai vết lõm: một để giữ các kẹp dây đai, một để giữ các đoạn của dây đai.

Mỗi bộ phận tác động cuối cũng được trang bị hai camera CCD và cảm biến phạm vi laser. Hai camera có tiêu cự khác nhau để cung cấp độ sâu trường ảnh lớn. Cảm biến phạm vi laser được sử dụng khi cần đo chính xác một đoạn dây. Xung quanh khu vực làm việc, có thêm 10 camera cố định hướng về khu vực làm việc từ nhiều hướng khác nhau. Bao gồm cả các camera được gắn trên bộ phận tác động cuối, hệ thống của chúng tôi sử dụng tổng cộng 16 camera quan sát.

Việc nhận dạng dây đai được thực hiện bằng thị giác máy. Một vỏ nhựa được thiết kế đặc biệt được gắn vào mỗi kẹp dây đai. Các bìa có các họa tiết hình học được đọc bằng phần mềm ARToolKit. Phần mềm nguồn mở này ban đầu được thiết kế cho các ứng dụng thực tế tăng cường. Nó cung cấp một tập hợp các thư viện dễ sử dụng để phát hiện và nhận dạng các điểm đánh dấu. Camera đọc các điểm đánh dấu để xác định vị trí tương đối của dây nịt.

Mỗi nắp kẹp có hoa văn hình học riêng. Mẫu này cho bộ điều khiển robot biết vị trí tương đối của dây đai trong không gian, cũng như thông tin liên quan đến đoạn dây đai đó (chẳng hạn như vị trí của đoạn dây đó trên khung bảng điều khiển).

Các camera cố định xung quanh ô làm việc cung cấp thông tin vị trí sơ bộ về từng kẹp dây đai. Vị trí của một kẹp dây cụ thể được ước tính bằng cách nội suy vị trí của các kẹp liền kề. Bộ phận tác động cuối được hướng dẫn tiếp cận kẹp mục tiêu bằng thông tin vị trí thu được từ các camera cố định—cho đến khi camera đeo tay có thể tìm thấy mục tiêu. Kể từ thời điểm đó, hướng dẫn của robot chỉ được cung cấp bởi camera ở cổ tay. Độ chính xác được cung cấp bởi máy ảnh đeo tay trong khoảng cách ngắn đó đảm bảo khả năng nắm giữ các kẹp một cách đáng tin cậy.

Một quy trình tương tự được sử dụng để kẹp một đoạn có thể biến dạng của bộ dây. Vị trí của đoạn mục tiêu trước tiên được ước tính bằng cách nội suy tư thế của các kẹp liền kề. Do đường cong nội suy không đủ chính xác để dẫn hướng cho robot nên khu vực ước tính sau đó sẽ được quét bằng máy quét laser. Máy quét phát ra một chùm tia phẳng có chiều rộng cụ thể. Vị trí chính xác của đoạn sau đó có thể được xác định từ cấu hình khoảng cách thu được từ cảm biến laser.

Các điểm đánh dấu giúp đơn giản hóa đáng kể việc đo dây điện. Mặc dù vỏ kẹp làm tăng chi phí của hệ thống nhưng chúng cải thiện đáng kể độ tin cậy của hệ thống.

Xử lý khai thác

Kẹp dây nịt được thiết kế để khớp với một lỗ trên khung bảng điều khiển. Do đó, dụng cụ kẹp giữ một cái kẹp bằng đế của nó và nhét đầu kẹp vào lỗ.

Ngoài ra, có một số trường hợp cần phải xử lý trực tiếp một đoạn dây. Ví dụ, trong nhiều quy trình, một robot phải tạo hình dây đai trước khi một robot khác có thể thực hiện công việc của nó. Trong trường hợp như vậy, một robot cần định hướng một chiếc kẹp để một robot khác có thể tiếp cận nó. Cách duy nhất để làm điều này là xoắn một đoạn dây gần đó.

Ban đầu, chúng tôi cố gắng định hình dây bằng cách xoắn kẹp liền kề của nó. Tuy nhiên, do độ cứng xoắn của đoạn dây thấp nên điều này là không thể. Trong các thí nghiệm tiếp theo, robot trực tiếp kẹp và uốn đoạn dây. Trong quá trình này, tư thế của kẹp mục tiêu sẽ được các camera xung quanh theo dõi. Quá trình uốn sẽ tiếp tục cho đến khi hướng của kẹp mục tiêu trùng với giá trị tham chiếu.

Thí nghiệm xác minh

Sau khi phát triển một hệ thống lắp ráp nguyên mẫu, chúng tôi đã tiến hành một loạt thử nghiệm để kiểm tra nó. Quá trình bắt đầu bằng việc robot nhặt dây điện từ móc treo. Sau đó, họ chèn tám kẹp dây nịt vào khung bảng điều khiển. Quá trình kết thúc khi robot quay trở lại vị trí chờ ban đầu.

Tay phải chèn kẹp 1, 2 và 3. Tay trung tâm chèn kẹp 4 và 5, tay trái chèn kẹp 6, 7 và 8.

Kẹp 3 được lắp vào trước, tiếp theo là kẹp 1 và 2. Sau đó, kẹp 4 đến 8 được lắp vào theo thứ tự số.

Chuỗi chuyển động của cánh tay robot được tạo ra bằng phần mềm mô phỏng. Thuật toán phát hiện va chạm đã ngăn các robot va vào các vật thể trong môi trường hoặc vào nhau.

Ngoài ra, một số thao tác trong chuỗi chuyển động được tạo ra bằng cách tham khảo các trình lắp ráp của con người. Vì mục đích này, chúng tôi đã ghi lại chuyển động của công nhân trong quá trình lắp ráp. Dữ liệu bao gồm cả chuyển động của người công nhân và hành vi tương ứng của bộ dây. Không có gì ngạc nhiên khi chiến lược chuyển động do công nhân thực hiện thường tỏ ra hiệu quả hơn chiến lược của robot.

Kiểm soát xoắn các đoạn dây

Trong các thử nghiệm của chúng tôi, đôi khi chúng tôi gặp khó khăn khi lắp kẹp vì không thể định vị dụng cụ kẹp để thực hiện nhiệm vụ. Ví dụ, kẹp 5 phải được lắp vào ngay sau khi kẹp 4 được cố định vào khung. Tuy nhiên, đoạn dây nịt bên trái của kẹp 4 sẽ luôn rũ xuống, khiến robot ở giữa khó định vị kẹp 5 để lắp vào.

Giải pháp của chúng tôi cho vấn đề này là định hình trước đoạn dây mục tiêu để đảm bảo việc nắm bắt thành công. Đầu tiên, kẹp 5 được robot bên trái nâng lên bằng cách kẹp đoạn dây gần kẹp 5. Sau đó, hướng của kẹp 5 được điều chỉnh bằng cách kiểm soát trạng thái xoắn của đoạn dây. Thao tác định hình trước này đảm bảo rằng thao tác kẹp kẹp 5 tiếp theo luôn được thực hiện ở vị trí thích hợp nhất.

Hợp tác giữa các vũ khí

Trong một số trường hợp, việc lắp ráp bộ dây điện đòi hỏi sự hợp tác giống như con người giữa nhiều cánh tay robot. Việc chèn kẹp 1 là một ví dụ điển hình. Khi kẹp 2 đã được lắp vào, kẹp 1 sẽ thả xuống. Không gian để lắp kẹp 1 có hạn và khó định vị kẹp gắp do có nguy cơ va chạm với môi trường xung quanh. Hơn nữa, kinh nghiệm thực tế đã dạy chúng tôi tránh bắt đầu thao tác này với đoạn dây đó bị rủ xuống, vì nó có thể dẫn đến các đoạn dây bị khung xung quanh vướng vào trong các thao tác tiếp theo.

Giải pháp của chúng tôi cho vấn đề này được lấy cảm hứng từ hành vi của con người. Con người dễ dàng phối hợp việc sử dụng hai cánh tay của mình để hoàn thành nhiệm vụ. Trong trường hợp này, công nhân chỉ cần chèn kẹp 4 bằng một tay, đồng thời điều chỉnh vị trí của đoạn dây bằng tay kia. Chúng tôi đã lập trình cho các robot để thực hiện chiến lược tương tự.

Biến dạng nhựa

Trong một số trường hợp, rất khó để định hình trước đoạn dây bằng cách sử dụng hai robot cùng nhau. Quá trình chèn kẹp 6 là một ví dụ điển hình. Đối với hoạt động này, chúng tôi dự kiến ​​rằng cánh tay robot bên trái sẽ chèn nó vào khung vì đây là cánh tay robot duy nhất có thể tiếp cận mục tiêu.

Hóa ra, ban đầu robot không thể chạm tới cái kẹp. Khi bộ điều khiển xác định rằng việc kẹp kẹp là không thể thực hiện được, robot sẽ cố gắng kẹp đoạn dây gần kẹp thay vì kẹp chính kẹp. Sau đó, robot sẽ xoắn và uốn đoạn đó để xoay mặt kẹp sang trái nhiều hơn. Uốn một đoạn thường là đủ để thay đổi vị trí của nó. Khi đoạn này đã ở vị trí thích hợp để kẹp, robot sẽ thực hiện một nỗ lực khác để kẹp kẹp mục tiêu.

Kết luận

Cuối cùng, hệ thống robot của chúng tôi đã có thể lắp tám chiếc kẹp vào khung bảng điều khiển với thời gian trung bình là 3 phút. Mặc dù tốc độ đó vẫn còn xa so với yêu cầu ứng dụng thực tế nhưng nó chứng tỏ tính khả thi về mặt kỹ thuật của việc lắp ráp dây nịt bằng robot.

Một số vấn đề phải được giải quyết để làm cho hệ thống trở nên đáng tin cậy và đủ nhanh để ứng dụng vào thực tế công nghiệp. Đầu tiên, điều quan trọng là dây điện phải được định hình sẵn để lắp ráp robot. So với các thao tác thắt nút và tháo nút, trạng thái xoắn của từng đoạn dây riêng lẻ rất quan trọng đối với việc lắp đặt bộ dây vì robot đang xử lý các bộ phận được buộc vào bộ dây. Ngoài ra, một dụng cụ kẹp được trang bị mức độ xoắn tự do cũng sẽ giúp lắp đặt dây đai.

Để cải thiện tốc độ của quá trình, cần xem xét trạng thái động của dây. Điều này được thể hiện rõ qua các bộ phim nghiên cứu về những người công nhân lành nghề đang lắp dây điện. Họ sử dụng cả hai tay và chuyển động điêu luyện để điều khiển chuyển động lắc lư của dây và nhờ đó tránh được các chướng ngại vật xung quanh. Khi thực hiện lắp ráp robot với tốc độ tương tự, sẽ cần có các phương pháp đặc biệt để ngăn chặn hoạt động động của dây.

Mặc dù nhiều phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu của chúng tôi rất đơn giản nhưng chúng tôi đã trình diễn thành công việc lắp ráp tự động bằng hệ thống robot nguyên mẫu của mình. Có tiềm năng tự động hóa với các loại nhiệm vụ này.