การประกอบชุดสายไฟรถยนต์ด้วยหุ่นยนต์

การวิจัยใหม่แสดงให้เห็นว่าสามารถใช้หุ่นยนต์หกแกนในการติดตั้งชุดสายไฟรถยนต์ได้

โดย ซิน หยาง

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

แขนหุ่นยนต์แบบหลายแกนดำเนินการกระบวนการที่หลากหลายในโรงงานประกอบรถยนต์ รวมถึงการพ่นสี การเชื่อม และการยึด

อย่างไรก็ตาม แม้จะมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีระบบอัตโนมัติ แต่กระบวนการบางอย่างก็ยังไม่สามารถดำเนินการให้เสร็จสิ้นได้หากไม่มีผู้ประกอบที่มีทักษะ งานในการติดตั้งชุดสายไฟเข้ากับตัวรถถือเป็นงานหนึ่งที่หุ่นยนต์ซึ่งแต่ก่อนเคยทำได้ยาก

มีงานวิจัยก่อนหน้านี้บางส่วนที่เกี่ยวข้องกับปัญหาในการจัดการกับวัตถุเชิงเส้นที่เปลี่ยนรูปได้ เช่น ลวดหรือท่อ ด้วยหุ่นยนต์ การศึกษาจำนวนมากเหล่านี้มุ่งความสนใจไปที่วิธีจัดการกับการเปลี่ยนแปลงเชิงทอพอโลยีของวัตถุเชิงเส้นที่เปลี่ยนรูปได้ พวกเขาพยายามตั้งโปรแกรมให้หุ่นยนต์ผูกปมหรือสร้างห่วงด้วยเชือก การศึกษาเหล่านี้ใช้ทฤษฎีปมทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงทอพอโลยีของเชือก

ในแนวทางเหล่านี้ วัตถุเชิงเส้นที่เปลี่ยนรูปได้ในสามมิติจะถูกฉายลงในระนาบสองมิติก่อน การฉายภาพในระนาบซึ่งแสดงเป็นเส้นโค้งตัดขวางสามารถอธิบายได้ดีและปฏิบัติโดยใช้ทฤษฎีปม

ในปี 2006 ทีมวิจัยที่นำโดย Hidefumi Wakamatsu, Ph.D. จากมหาวิทยาลัยโอซาก้าในญี่ปุ่นได้พัฒนาวิธีการผูกปมและการปลดปมวัตถุเชิงเส้นที่เปลี่ยนรูปได้ด้วยหุ่นยนต์ พวกเขากำหนดการดำเนินการพื้นฐานสี่ประการ (ในจำนวนนี้มีสามการดำเนินการเทียบเท่ากับการเคลื่อนที่ของ Reidemeister) ที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะการข้ามลวดสองสถานะ นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าการดำเนินการผูกปมหรือการไม่ผูกปมใดๆ ที่สามารถแยกย่อยเป็นการเปลี่ยนทอพอโลยีตามลำดับสามารถทำได้โดยการใช้การผสมผสานตามลำดับของการดำเนินการพื้นฐานทั้งสี่นี้ วิธีการของพวกเขาได้รับการตรวจสอบเมื่อพวกเขาสามารถโปรแกรมหุ่นยนต์ SCARA เพื่อผูกเชือกที่วางอยู่บนโต๊ะได้

ในทำนองเดียวกัน นักวิจัยที่นำโดย ดร. ทาคายูกิ มัตสึโนะ จากมหาวิทยาลัยเขตการปกครองโทยามะ ในเมืองอิมิซุ ประเทศญี่ปุ่น ได้พัฒนาวิธีการผูกเชือกสามมิติโดยใช้แขนหุ่นยนต์ 2 อัน หุ่นยนต์ตัวหนึ่งจับปลายเชือก ในขณะที่อีกตัวหนึ่งผูกไว้ ในการวัดตำแหน่งสามมิติของเชือก ต้องใช้การมองเห็นแบบสเตอริโอ สถานะของปมอธิบายโดยใช้ค่าคงที่ของปมแทนการเคลื่อนที่ของ Reidemeister

ในการศึกษาทั้งสอง หุ่นยนต์ได้รับการติดตั้งกริปเปอร์แบบขนานสองนิ้วแบบคลาสสิกซึ่งมีอิสระเพียงระดับเดียวเท่านั้น

ในปี 2008 ทีมวิจัยที่นำโดย Yuji Yamakawa จากมหาวิทยาลัยโตเกียวได้สาธิตเทคนิคการผูกเชือกโดยใช้หุ่นยนต์ที่มีมือหลายนิ้วความเร็วสูง ด้วยมือจับที่คล่องแคล่วยิ่งขึ้น รวมถึงเซ็นเซอร์แรงและแรงบิดที่ติดตั้งไว้ที่นิ้ว การดำเนินการต่างๆ เช่น "การเรียงสับเปลี่ยนเชือก" จึงเป็นไปได้แม้จะใช้แขนข้างเดียวก็ตาม การเรียงสับเปลี่ยนเชือกหมายถึง การดำเนินการเปลี่ยนตำแหน่งของเชือกสองเส้นโดยการบิดเชือกพร้อมกับบีบเชือกระหว่างสองนิ้ว

โครงการวิจัยอื่นๆ ได้มุ่งเน้นไปที่การแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการจัดการวัตถุเชิงเส้นที่เปลี่ยนรูปได้บนสายการประกอบด้วยหุ่นยนต์

ตัวอย่างเช่น ดร. Tsugito Maruyama และทีมนักวิจัยจาก Fujitsu Laboratories Ltd. ในเมืองคาวาซากิ ประเทศญี่ปุ่น ได้พัฒนาระบบการจัดการสายไฟสำหรับสายการประกอบที่ผลิตชิ้นส่วนไฟฟ้า แขนหุ่นยนต์ถูกใช้เพื่อเสียบสายสัญญาณเข้ากับตัวล็อค เทคโนโลยีสองอย่างมีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำให้ระบบทำงานได้: เครื่องฉายแสงเลเซอร์แบบหลายระนาบและระบบการมองเห็นแบบสเตอริโอ

Jürgen Acker และนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Kaiserslautern ในเยอรมนีได้พัฒนาวิธีการใช้วิชันซิสเต็ม 2 มิติเพื่อระบุตำแหน่งและวิธีที่วัตถุเชิงเส้นที่เปลี่ยนรูปได้ (ในกรณีนี้คือสายเคเบิลในรถยนต์) สัมผัสกับวัตถุในสภาพแวดล้อม

จากการวิจัยทั้งหมดนี้ เราพยายามพัฒนาระบบหุ่นยนต์ที่ใช้งานได้จริงสำหรับการติดตั้งชุดสายไฟบนสายการประกอบรถยนต์ แม้ว่าระบบของเราได้รับการพัฒนาในห้องปฏิบัติการ แต่เงื่อนไขทั้งหมดที่ใช้ในการทดลองของเรานั้นอ้างอิงจากโรงงานผลิตรถยนต์จริง เป้าหมายของเราคือการแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ทางเทคนิคของระบบดังกล่าวและกำหนดพื้นที่ที่จำเป็นต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติม

ชุดสายไฟ

ชุดสายไฟรถยนต์ประกอบด้วยสายเคเบิลหลายเส้นพันด้วยเทปพันสายไฟ มีโครงสร้างคล้ายต้นไม้โดยแต่ละกิ่งเชื่อมต่อกับเครื่องดนตรีเฉพาะ ในสายการประกอบ พนักงานจะติดสายรัดเข้ากับกรอบแผงหน้าปัดด้วยตนเอง

ชุดแคลมป์พลาสติกผูกเข้ากับชุดสายไฟ ที่หนีบเหล่านี้ตรงกับรูในกรอบแผงหน้าปัด การติดสายรัดทำได้โดยการสอดแคลมป์เข้าไปในรู ระบบหุ่นยนต์สำหรับการติดตั้งชุดมัดสายไฟจึงต้องแก้ปัญหาพื้นฐานสองประการ: วิธีวัดสถานะของชุดมัดสายไฟ และวิธีการจัดการ

ชุดสายไฟมีคุณสมบัติทางกายภาพที่ซับซ้อน ในระหว่างการประกอบ จะแสดงให้เห็นทั้งการเสียรูปแบบยืดหยุ่นและการเสียรูปแบบพลาสติก ทำให้การได้รับแบบจำลองไดนามิกที่แม่นยำเป็นเรื่องยาก

ระบบต้นแบบ

ระบบประกอบสายรัดต้นแบบของเราประกอบด้วยหุ่นยนต์หกแกนขนาดกะทัดรัดสามตัว ซึ่งวางตำแหน่งอยู่ด้านหน้ากรอบแผงหน้าปัด หุ่นยนต์ตัวที่สามช่วยจัดตำแหน่งและจับสายรัด

หุ่นยนต์แต่ละตัวมีอุปกรณ์จับยึดแบบขนานสองนิ้วซึ่งมีอิสระระดับหนึ่ง นิ้วของกริปเปอร์มีการเยื้องสองช่อง: ช่องหนึ่งสำหรับยึดแคลมป์สายรัด และอีกช่องสำหรับยึดส่วนของสายรัด

เอฟเฟ็กเตอร์แต่ละตัวยังติดตั้งกล้อง CCD สองตัวและเซ็นเซอร์ระยะเลเซอร์อีกด้วย กล้องสองตัวมีความยาวโฟกัสต่างกันเพื่อให้มีระยะชัดลึกที่กว้าง เซ็นเซอร์วัดระยะเลเซอร์จะใช้เมื่อจำเป็นต้องวัดส่วนสายไฟอย่างแม่นยำ รอบๆ พื้นที่ทำงาน มีกล้องตำแหน่งคงที่เพิ่มเติม 10 ตัว หันหน้าไปทางพื้นที่ทำงานจากทิศทางต่างๆ เมื่อรวมกล้องที่ติดตั้งไว้ที่เอ็ฟเฟ็กเตอร์แล้ว ระบบของเราก็ใช้กล้องวิชั่นทั้งหมด 16 ตัว

การรับรู้สายรัดทำได้สำเร็จด้วยวิชันซิสเต็ม มีฝาปิดพลาสติกที่ออกแบบมาเป็นพิเศษติดอยู่กับแคลมป์รัดสายรัดแต่ละอัน หน้าปกมีรูปแบบเรขาคณิตที่อ่านได้ด้วยซอฟต์แวร์ ARToolKit ซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สนี้เดิมออกแบบมาสำหรับแอปพลิเคชันเติมความเป็นจริง มีชุดไลบรารีที่ใช้งานง่ายสำหรับการตรวจจับและจดจำเครื่องหมาย กล้องจะอ่านเครื่องหมายเพื่อกำหนดตำแหน่งสัมพัทธ์ของสายรัด

ฝาครอบแคลมป์แต่ละอันมีลวดลายเรขาคณิตของตัวเอง รูปแบบนี้จะบอกตัวควบคุมหุ่นยนต์ถึงตำแหน่งสัมพัทธ์ของสายรัดในพื้นที่ รวมถึงข้อมูลเกี่ยวกับส่วนของสายรัดนั้น (เช่น ตำแหน่งที่ควรวางตำแหน่งส่วนนั้นบนกรอบแผง)

กล้องคงที่รอบๆ เซลล์ทำงานจะให้ข้อมูลตำแหน่งคร่าวๆ เกี่ยวกับแคลมป์ยึดสายรัดแต่ละอัน ตำแหน่งของแคลมป์สายรัดเฉพาะนั้นประเมินโดยการประมาณตำแหน่งของแคลมป์ที่อยู่ติดกัน อุปกรณ์ส่วนปลายได้รับการนำทางให้เข้าใกล้แคลมป์เป้าหมายด้วยข้อมูลตำแหน่งที่ได้รับจากกล้องคงที่ จนกว่ากล้องที่ข้อมือจะสามารถค้นหาเป้าหมายได้ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ระบบนำทางของหุ่นยนต์จะมีให้โดยกล้องที่ข้อมือเท่านั้น ความเที่ยงตรงที่ได้จากกล้องข้อมือในระยะสั้นๆ ช่วยให้จับแคลมป์ได้อย่างน่าเชื่อถือ

กระบวนการที่คล้ายกันนี้ใช้ในการจับส่วนที่เปลี่ยนรูปได้ของชุดสายไฟ ขั้นแรกจะประมาณตำแหน่งของส่วนของเป้าหมายโดยการประมาณตำแหน่งของแคลมป์ที่อยู่ติดกัน เนื่องจากเส้นโค้งที่สอดแทรกไม่แม่นยำเพียงพอที่จะนำทางหุ่นยนต์ พื้นที่โดยประมาณจึงถูกสแกนด้วยเครื่องสแกนเลเซอร์ เครื่องสแกนจะส่งลำแสงระนาบที่มีความกว้างเฉพาะ ตำแหน่งที่แน่นอนของเซ็กเมนต์สามารถกำหนดได้จากโปรไฟล์ระยะทางที่ได้รับจากเซ็นเซอร์เลเซอร์

เครื่องหมายช่วยให้การวัดชุดสายไฟง่ายขึ้นอย่างมาก แม้ว่าฝาครอบแคลมป์จะเพิ่มต้นทุนของระบบ แต่ก็ปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบได้อย่างมาก

การจัดการสายรัด

แคลมป์ยึดสายรัดได้รับการออกแบบให้จับคู่กับรูในโครงแผง ดังนั้น กริปเปอร์จึงจับแคลมป์ที่ฐานแล้วสอดปลายเข้าไปในรู

นอกจากนี้ ยังมีบางครั้งที่จำเป็นต้องจัดการส่วนสายไฟโดยตรง ตัวอย่างเช่น ในหลายกระบวนการ หุ่นยนต์ตัวหนึ่งต้องสร้างสายรัดก่อนที่หุ่นยนต์ตัวอื่นจะสามารถทำงานได้ ในกรณีเช่นนี้ หุ่นยนต์ตัวหนึ่งจำเป็นต้องปรับแนวแคลมป์เพื่อให้หุ่นยนต์ตัวอื่นเข้าถึงได้ วิธีเดียวที่จะทำได้คือบิดส่วนลวดที่อยู่ใกล้เคียง

ในตอนแรก เราพยายามสร้างลวดโดยการบิดแคลมป์ที่อยู่ติดกัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากส่วนลวดมีความแข็งบิดต่ำ จึงเป็นไปไม่ได้ ในการทดลองครั้งต่อๆ มา หุ่นยนต์จะจับและงอส่วนของเส้นลวดโดยตรง ในระหว่างกระบวนการนี้ กล้องที่อยู่รอบๆ จะตรวจสอบตำแหน่งของแคลมป์เป้าหมาย กระบวนการดัดงอจะดำเนินต่อไปจนกว่าการวางแนวของแคลมป์เป้าหมายจะตรงกับค่าอ้างอิง

การทดลองยืนยัน

เมื่อเราพัฒนาระบบการประกอบต้นแบบแล้ว เราก็ทำการทดลองหลายชุดเพื่อทดสอบ กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการที่หุ่นยนต์หยิบชุดสายไฟจากที่แขวน จากนั้นจึงสอดสายรัดแปดตัวเข้าไปในกรอบแผง กระบวนการจบลงด้วยการที่หุ่นยนต์กลับสู่ตำแหน่งสแตนด์บายเริ่มต้น

แขนขวาสอดแคลมป์ 1, 2 และ 3 แขนกลางสอดแคลมป์ 4 และ 5 และแขนซ้ายสอดแคลมป์ 6, 7 และ 8

ใส่แคลมป์ 3 เข้าไปก่อน ตามด้วยแคลมป์ 1 และ 2 จากนั้นแคลมป์ 4 ถึง 8 จะถูกแทรกตามลำดับตัวเลข

ลำดับการเคลื่อนไหวของแขนหุ่นยนต์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์จำลอง อัลกอริธึมการตรวจจับการชนกันป้องกันไม่ให้หุ่นยนต์กระแทกวัตถุในสภาพแวดล้อมหรือซึ่งกันและกัน

นอกจากนี้ การดำเนินการบางอย่างในลำดับการเคลื่อนไหวยังถูกสร้างขึ้นโดยการอ้างอิงถึงผู้ประกอบที่เป็นมนุษย์ เพื่อจุดประสงค์นี้ เราได้บันทึกการเคลื่อนไหวของคนงานระหว่างการชุมนุม ข้อมูลนี้มีทั้งการเคลื่อนไหวของผู้ปฏิบัติงานและพฤติกรรมที่สอดคล้องกันของชุดสายไฟ ไม่น่าแปลกใจเลยที่กลยุทธ์การเคลื่อนไหวที่คนงานทำมักจะได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพมากกว่าของหุ่นยนต์

การควบคุมการบิดของส่วนลวด

ในการทดลองของเรา บางครั้งเราประสบปัญหาในการใส่แคลมป์เนื่องจากไม่สามารถวางตำแหน่งกริปเปอร์สำหรับงานได้ ตัวอย่างเช่น ควรใส่แคลมป์ 5 ทันทีหลังจากยึดแคลมป์ 4 เข้ากับเฟรมแล้ว อย่างไรก็ตาม ส่วนสายรัดด้านซ้ายของแคลมป์ 4 จะหย่อนยานอย่างสม่ำเสมอ ทำให้หุ่นยนต์ตรงกลางวางตำแหน่งแคลมป์ 5 สำหรับการสอดเข้าไปได้ยาก

วิธีแก้ไขปัญหาของเราคือการกำหนดรูปร่างส่วนลวดเป้าหมายไว้ล่วงหน้าเพื่อให้แน่ใจว่าจะจับได้สำเร็จ ขั้นแรก แคลมป์ 5 จะถูกยกขึ้นโดยหุ่นยนต์ด้านซ้ายโดยจับส่วนของเส้นลวดไว้ใกล้กับแคลมป์ 5 จากนั้น การวางแนวของแคลมป์ 5 จะถูกควบคุมโดยการควบคุมสถานะแรงบิดของส่วนของเส้นลวด การดำเนินการปรับรูปร่างล่วงหน้านี้ช่วยให้แน่ใจว่าการจับยึดแคลมป์ 5 ในภายหลังจะดำเนินการในตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดเสมอ

ความร่วมมือระหว่างอาวุธ

ในบางสถานการณ์ การประกอบชุดสายไฟจำเป็นต้องได้รับความร่วมมือเหมือนมนุษย์ระหว่างแขนหุ่นยนต์หลายตัว การใส่แคลมป์ 1 เป็นตัวอย่างที่ดี เมื่อใส่แคลมป์ 2 แล้ว แคลมป์ 1 จะตกลงไป พื้นที่ว่างในการใส่แคลมป์ 1 นั้นมีจำกัด และเป็นการยากที่จะวางตำแหน่งกริปเปอร์ เนื่องจากมีความเสี่ยงที่จะชนกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ ยิ่งไปกว่านั้น ประสบการณ์เชิงปฏิบัติยังสอนให้เราหลีกเลี่ยงการเริ่มการดำเนินการนี้โดยส่วนของลวดที่หย่อนยาน เนื่องจากอาจทำให้ส่วนของสายไฟติดอยู่กับกรอบโดยรอบในการดำเนินการครั้งต่อไป

แนวทางแก้ไขปัญหาของเราได้รับแรงบันดาลใจจากพฤติกรรมของคนงานที่เป็นมนุษย์ คนงานที่เป็นมนุษย์ประสานการใช้แขนทั้งสองข้างเพื่อทำงานให้สำเร็จได้อย่างง่ายดาย ในกรณีนี้ พนักงานเพียงแค่สอดแคลมป์ 4 ด้วยมือข้างเดียว ในขณะที่อีกมือหนึ่งก็ปรับตำแหน่งของส่วนสายไฟด้วยมืออีกข้างไปพร้อมๆ กัน เราตั้งโปรแกรมหุ่นยนต์ให้ใช้กลยุทธ์เดียวกัน

การเปลี่ยนรูปพลาสติก

ในบางสถานการณ์ เป็นการยากที่จะกำหนดรูปร่างส่วนของเส้นลวดล่วงหน้าโดยการใช้หุ่นยนต์สองตัวร่วมกัน ขั้นตอนการใส่แคลมป์ 6 เป็นตัวอย่างที่ดี สำหรับการดำเนินการนี้ เราคาดหวังว่าแขนหุ่นยนต์ด้านซ้ายจะสอดเข้าไปในเฟรม เนื่องจากเป็นแขนหุ่นยนต์เพียงแขนเดียวที่สามารถเข้าถึงเป้าหมายได้

เมื่อปรากฎว่าหุ่นยนต์ไม่สามารถเข้าถึงแคลมป์ได้ในตอนแรก เมื่อตัวควบคุมพิจารณาว่าไม่สามารถจับแคลมป์ได้ หุ่นยนต์จะพยายามจับส่วนของสายไฟใกล้กับแคลมป์แทนที่จะจับแคลมป์เอง จากนั้นหุ่นยนต์จะบิดและงอส่วนเพื่อหมุนหน้าแคลมป์ไปทางซ้ายมากขึ้น การงอส่วนต่างๆ สองสามครั้งมักจะเพียงพอที่จะเปลี่ยนตำแหน่งได้ เมื่อส่วนนั้นเป็นตำแหน่งที่เหมาะสมสำหรับการจับ หุ่นยนต์จะพยายามจับแคลมป์เป้าหมายอีกครั้ง

ข้อสรุป

ในที่สุด ระบบหุ่นยนต์ของเราก็สามารถติดตั้งแคลมป์แปดตัวเข้ากับกรอบแผงหน้าปัดได้โดยใช้เวลาเฉลี่ย 3 นาที แม้ว่าความเร็วดังกล่าวยังห่างไกลจากข้อกำหนดสำหรับการใช้งานจริง แต่ก็แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ทางเทคนิคของการประกอบชุดสายไฟแบบหุ่นยนต์

ต้องแก้ไขปัญหาหลายประการเพื่อให้ระบบมีความน่าเชื่อถือและรวดเร็วเพียงพอสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมจริง อันดับแรก สิ่งสำคัญคือชุดสายไฟจะต้องได้รับการขึ้นรูปล่วงหน้าสำหรับการประกอบหุ่นยนต์ เมื่อเปรียบเทียบกับการผูกปมและการปลดปม สถานะบิดของส่วนของสายไฟแต่ละส่วนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการติดตั้งชุดสายไฟ เนื่องจากหุ่นยนต์กำลังจัดการชิ้นส่วนที่ผูกไว้กับชุดสายไฟ นอกจากนี้ มือจับที่มีระดับอิสระในการบิดจะช่วยในการติดตั้งสายรัดด้วย

เพื่อปรับปรุงความเร็วของกระบวนการ ควรพิจารณาพฤติกรรมไดนามิกของเส้นลวด สิ่งนี้เห็นได้ชัดในการศึกษาภาพยนตร์เกี่ยวกับคนงานที่มีทักษะในการใส่ชุดสายไฟ พวกเขาใช้มือทั้งสองข้างและการเคลื่อนไหวที่มีทักษะเพื่อควบคุมการแกว่งของเส้นลวดแบบไดนามิก และหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางโดยรอบ เมื่อใช้การประกอบหุ่นยนต์ด้วยความเร็วใกล้เคียงกัน จำเป็นต้องใช้วิธีการพิเศษเพื่อระงับพฤติกรรมไดนามิกของสายไฟ

แม้ว่าแนวทางต่างๆ ที่ใช้ในการวิจัยของเราจะตรงไปตรงมา แต่เราประสบความสำเร็จในการสาธิตการประกอบอัตโนมัติด้วยระบบหุ่นยนต์ต้นแบบของเรา มีศักยภาพในการทำงานอัตโนมัติกับงานประเภทนี้