التجميع الآلي لأحزمة أسلاك السيارات

يشير بحث جديد إلى أنه يمكن استخدام الروبوتات ذات المحاور الستة لتركيب أسلاك السيارات.

بواسطة شين يانغ

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

تؤدي أذرع الروبوت متعددة المحاور مجموعة واسعة من العمليات في مصانع تجميع السيارات، بما في ذلك الطلاء واللحام والتثبيت.

ومع ذلك، حتى مع التقدم في تكنولوجيا الأتمتة، لا تزال بعض العمليات لا يمكن إكمالها دون وجود عمال تجميع بشريين ماهرين. تعد مهمة تركيب أحزمة الأسلاك في هياكل السيارات إحدى هذه المهام التي كانت صعبة تقليديًا على الروبوتات.

كانت هناك بعض الأبحاث السابقة المتعلقة بمشاكل التعامل مع الأجسام الخطية القابلة للتشوه، مثل الأسلاك أو الأنابيب، باستخدام الروبوتات. ركزت العديد من هذه الدراسات على كيفية التعامل مع التحول الطوبولوجي للأجسام الخطية القابلة للتشوه. لقد حاولوا برمجة الروبوتات لربط العقد أو إنشاء حلقات بالحبل. طبقت هذه الدراسات نظرية العقدة الرياضية لوصف التحولات الطوبولوجية للحبل.

في هذه الأساليب، يتم أولاً إسقاط جسم خطي قابل للتشوه في ثلاثة أبعاد في مستوى ثنائي الأبعاد. يمكن وصف الإسقاط في المستوى، والذي يظهر على شكل منحنيات متقاطعة، بشكل جيد ومعالجته باستخدام نظرية العقدة.

في عام 2006، قام فريق بحث بقيادة هيدفومي واكاماتسو، دكتوراه، من جامعة أوساكا في اليابان بتطوير طريقة لعقد وفك ربط الأجسام الخطية القابلة للتشوه باستخدام الروبوتات. لقد حددوا أربع عمليات أساسية (من بينها ثلاث عمليات تعادل حركات Reidemeister) اللازمة لإكمال الانتقال بين أي حالتين من حالات عبور الأسلاك. أظهر الباحثون أن أي عملية عقد أو فك يمكن تحليلها إلى تحولات طوبولوجية متتابعة يمكن تحقيقها من خلال استخدام مزيج متسلسل من هذه العمليات الأساسية الأربع. تم التحقق من نهجهم عندما تمكنوا من برمجة روبوت SCARA لعقد حبل موضوع على مكتب.

وبالمثل، قام باحثون بقيادة تاكايوكي ماتسونو، دكتوراه، من جامعة محافظة توياما في إيميزو باليابان، بتطوير طريقة لعقد حبل ثلاثي الأبعاد باستخدام ذراعين آليين. أمسك أحد الروبوتات بنهاية الحبل، بينما عقده الآخر. ولقياس موضع الحبل ثلاثي الأبعاد، تم استخدام الرؤية المجسمة. يتم وصف حالة العقدة باستخدام ثوابت العقدة بدلاً من حركات Reidemeister.

في كلتا الدراستين، تم تجهيز الروبوتات بقابض متوازي كلاسيكي بإصبعين مع درجة واحدة فقط من الحرية.

في عام 2008، أظهر فريق بحث بقيادة يوجي ياماكاوا من جامعة طوكيو تقنية لعقد الحبل باستخدام روبوت مزود بيد عالية السرعة ومتعددة الأصابع. وباستخدام قابض أكثر براعة - بما في ذلك أجهزة استشعار القوة وعزم الدوران المثبتة في الأصابع - تصبح العمليات مثل "تبديل الحبل" ممكنة، حتى بذراع واحدة. تشير عملية تبديل الحبل إلى عملية تبادل أماكن حبلين عن طريق لفهما أثناء الضغط على الحبال بين إصبعين.

ركزت مشاريع بحثية أخرى على حل المشكلات المتعلقة بالتعامل الآلي مع الأجسام الخطية القابلة للتشوه على خط التجميع.

على سبيل المثال، قام الدكتور تسوجيتو ماروياما، وفريق من الباحثين في شركة فوجيتسو لابوراتوريز المحدودة في كاواساكي باليابان، بتطوير نظام معالجة الأسلاك لخط تجميع يصنع الأجزاء الكهربائية. تم استخدام ذراع الروبوت لإدخال كابلات الإشارة في المشابك. كانت هناك تقنيتان حاسمتان لتمكين نظامهما من العمل: جهاز عرض ضوئي ليزر متعدد المستويات ونظام رؤية ستيريو.

قام يورغن أكر والباحثون في جامعة كايزرسلاوترن للتكنولوجيا في ألمانيا بتطوير طريقة لاستخدام الرؤية الآلية ثنائية الأبعاد لتحديد مكان وكيفية اتصال جسم خطي قابل للتشوه (في هذه الحالة، كابل سيارة) بالأشياء الموجودة في البيئة.

بناءً على كل هذه الأبحاث، حاولنا تطوير نظام آلي عملي لتركيب أحزمة الأسلاك على خط تجميع السيارات. على الرغم من أن نظامنا تم تطويره في المختبر، إلا أن جميع الشروط المستخدمة في تجاربنا تم الرجوع إليها من مصنع سيارات حقيقي. كان هدفنا هو إظهار الجدوى الفنية لمثل هذا النظام وتحديد المجالات التي تحتاج إلى مزيد من التطوير.

الجمعية تسخير الأسلاك

يتكون حزام أسلاك السيارات من عدة كابلات ملفوفة بشريط كهربائي. لها هيكل يشبه الشجرة حيث يرتبط كل فرع بأداة معينة. على خط التجميع، يقوم العامل يدويًا بربط الحزام بإطار لوحة العدادات.

يتم ربط مجموعة من المشابك البلاستيكية بحزام الأسلاك. تتوافق هذه المشابك مع الثقوب الموجودة في إطار لوحة العدادات. يتم ربط الحزام عن طريق إدخال المشابك في الفتحات. لذلك يجب على النظام الآلي لتثبيت الحزام أن يحل مشكلتين أساسيتين: كيفية قياس حالة الحزام السلكي، وكيفية التعامل معه.

الحزام السلكي له خصائص فيزيائية معقدة. أثناء التجميع، فإنه يظهر كلا من التشوه المرن والتشوه البلاستيكي. وهذا يجعل الحصول على نموذج ديناميكي دقيق لها أمرًا صعبًا.

نظام النموذج الأولي

يتكون نظام تجميع الحزام النموذجي الخاص بنا من ثلاثة روبوتات مدمجة ذات ستة محاور موضوعة أمام إطار لوحة العدادات. ويساعد الروبوت الثالث في تحديد موضع الحزام والإمساك به.

تم تجهيز كل روبوت بقابض متوازي بإصبعين بدرجة واحدة من الحرية. تحتوي أصابع القابض على مسافة بادئة: واحدة لتثبيت مشابك الحزام، والأخرى لحمل أجزاء من الحزام نفسه.

وقد تم تجهيز كل مؤثرات نهائية أيضًا بكاميرتين CCD ومستشعر نطاق الليزر. تتميز الكاميرتان بأطوال بؤرية مختلفة لتوفير عمق مجال كبير. يتم استخدام مستشعر نطاق الليزر عندما يكون القياس الدقيق لقطعة سلك ضروريًا. تحيط بخلية العمل 10 كاميرات إضافية ذات موضع ثابت تواجه منطقة العمل من اتجاهات مختلفة. بما في ذلك الكاميرات المثبتة على المؤثرات النهائية، يستخدم نظامنا إجمالي 16 كاميرا رؤية.

يتم التعرف على الحزام من خلال رؤية الآلة. يتم إرفاق غطاء بلاستيكي مصمم خصيصًا بكل مشبك تسخير. تحتوي الأغلفة على أنماط هندسية يمكن قراءتها باستخدام برنامج ARToolKit. تم تصميم هذا البرنامج مفتوح المصدر في الأصل لتطبيقات الواقع المعزز. يوفر مجموعة من المكتبات سهلة الاستخدام لاكتشاف العلامات والتعرف عليها. تقرأ الكاميرا العلامات لتحديد الموضع النسبي للحزام.

كل غطاء مشبك له نمط هندسي خاص به. يخبر النمط وحدة التحكم الروبوتية بالموقع النسبي للحزام في الفضاء، بالإضافة إلى المعلومات المتعلقة بهذا الجزء من الحزام (مثل المكان الذي يجب وضع هذا الجزء فيه على إطار اللوحة).

توفر الكاميرات الثابتة الموجودة حول خلية العمل معلومات موضعية تقريبية حول كل مشبك أحزمة. يتم تقدير موضع مشبك الحزام المحدد عن طريق استيفاء موضع المشابك المجاورة. يتم توجيه المؤثر النهائي للاقتراب من المشبك المستهدف باستخدام المعلومات الموضعية التي تم الحصول عليها من الكاميرات الثابتة - حتى تتمكن كاميرا المعصم من العثور على الهدف. ومنذ تلك اللحظة، يتم توفير توجيه الروبوت فقط من خلال كاميرا المعصم. تضمن الدقة التي توفرها كاميرا المعصم في تلك المسافة القصيرة الإمساك بالمشابك بشكل موثوق.

يتم استخدام عملية مماثلة لفهم الجزء القابل للتشوه من مجموعة الأسلاك. يتم تقدير موضع الجزء المستهدف أولاً عن طريق استيفاء وضع المشابك المجاورة. نظرًا لأن المنحنى المحرف ليس دقيقًا بدرجة كافية لتوجيه الروبوت، يتم بعد ذلك مسح المنطقة المقدرة بواسطة الماسح الضوئي بالليزر. يصدر الماسح الضوئي شعاعًا مستوًا بعرض معين. يمكن بعد ذلك تحديد الموضع الدقيق للقطعة من ملف تعريف المسافة الذي تم الحصول عليه من مستشعر الليزر.

تعمل العلامات على تبسيط قياس مجموعة الأسلاك إلى حد كبير. على الرغم من أن أغطية المشبك زادت من تكلفة النظام، إلا أنها تحسن بشكل كبير من موثوقية النظام.

التعامل مع تسخير

تم تصميم مشبك الحزام ليتوافق مع فتحة في إطار اللوحة. وهكذا، يمسك القابض المشبك من قاعدته ويدخل إصبع قدمه في الحفرة.

بالإضافة إلى ذلك، هناك بعض المناسبات التي يكون فيها من الضروري التعامل مع قطعة سلكية مباشرة. على سبيل المثال، في العديد من العمليات، يجب على أحد الروبوتات تشكيل الحزام قبل أن يتمكن روبوت آخر من أداء وظيفته. في مثل هذه الحالة، يحتاج أحد الروبوتات إلى توجيه المشبك بحيث يمكن لروبوت آخر الوصول إليه. كانت الطريقة الوحيدة للقيام بذلك هي لف قطعة سلكية قريبة.

في البداية، حاولنا تشكيل السلك عن طريق لف المشبك المجاور له. ومع ذلك، نظرًا للصلابة الالتوائية المنخفضة لقطعة السلك، ثبت أن هذا مستحيل. وفي التجارب اللاحقة، أمسك الروبوت بقطعة السلك وثنيها مباشرة. خلال هذه العملية، تتم مراقبة وضعية المشبك المستهدف بواسطة الكاميرات المحيطة. ستستمر عملية الانحناء حتى يتزامن اتجاه المشبك المستهدف مع القيمة المرجعية.

تجارب التحقق

بمجرد أن طورنا نموذجًا أوليًا لنظام التجميع، أجرينا سلسلة من التجارب لاختباره. تبدأ العملية عندما تلتقط الروبوتات أحزمة سلكية من إحدى الشماعات. ثم يقومون بإدخال ثمانية مشابك تسخير في إطار اللوحة. تنتهي العملية بعودة الروبوتات إلى وضع الاستعداد الأولي.

يقوم الذراع الأيمن بإدخال المشابك 1 و2 و3. يقوم الذراع المركزي بإدخال المشابك 4 و5، ويقوم الذراع الأيسر بإدخال المشابك 6 و7 و8.

تم إدخال المشبك 3 أولاً، متبوعًا بالمشبك 1 و2. ثم يتم إدخال المشبك من 4 إلى 8 بالترتيب العددي.

تم إنشاء تسلسل حركة أذرع الروبوت باستخدام برامج المحاكاة. منعت خوارزمية الكشف عن الاصطدام الروبوتات من الاصطدام بالأشياء الموجودة في البيئة أو ببعضها البعض.

بالإضافة إلى ذلك، تم إنشاء بعض العمليات في تسلسل الحركة من خلال الرجوع إلى المجمعات البشرية. ولهذا الغرض، قمنا بتصوير حركات العمال أثناء التجمع. تتضمن البيانات كلاً من حركة العامل والسلوك المقابل لحزام الأسلاك. وليس من المستغرب أن استراتيجية الحركة التي يتبعها العامل أثبتت في كثير من الأحيان أنها أكثر فعالية من استراتيجية الروبوتات.

التحكم في التواء قطاعات الأسلاك

في تجاربنا، واجهنا أحيانًا صعوبات في إدخال المشابك لأنه كان من المستحيل وضع القابض في مكانه المناسب للمهمة. على سبيل المثال، يجب إدخال المشبك 5 مباشرة بعد تثبيت المشبك 4 بالإطار. ومع ذلك، فإن جزء الحزام الموجود على يسار المشبك 4 سوف يتدلى دائمًا، مما يجعل من الصعب على الروبوت المركزي وضع المشبك 5 للإدخال.

كان حلنا لهذه المشكلة هو التشكيل المسبق لقطعة السلك المستهدفة لضمان الإمساك الناجح. أولاً، يتم رفع المشبك 5 بواسطة الروبوت الأيسر عن طريق إمساك قطعة السلك بالقرب من المشبك 5. بعد ذلك، يتم تنظيم اتجاه المشبك 5 من خلال التحكم في الحالة الالتوائية لقطعة السلك. تضمن عملية التشكيل المسبق هذه أن الإمساك اللاحق للمشبك 5 يتم دائمًا تنفيذه في الموضع الأكثر ملاءمة.

التعاون بين الأسلحة

في بعض الحالات، يتطلب تجميع مجموعة الأسلاك تعاونًا شبيهًا بالإنسان بين أذرع الروبوت المتعددة. يُعد إدخال المشبك 1 مثالًا جيدًا. بمجرد إدخال المشبك 2، سوف يتدلى المشبك 1. المساحة المتاحة لإدخال المشبك 1 محدودة، ومن الصعب وضع المقبض بسبب خطر الاصطدام بالبيئة المحيطة. علاوة على ذلك، علمتنا التجربة العملية تجنب بدء هذه العملية مع تدلي تلك القطعة من السلك، حيث قد يؤدي ذلك إلى التصاق قطع السلك بالإطار المحيط في العمليات اللاحقة.

كان حلنا لهذه المشكلة مستوحى من سلوك العمال البشريين. ينسق العامل البشري بسهولة استخدام ذراعيه لإكمال المهمة. في هذه الحالة، يقوم العامل ببساطة بإدخال المشبك 4 بيد واحدة، بينما يقوم في نفس الوقت بضبط موضع قطعة السلك باليد الأخرى. وقمنا ببرمجة الروبوتات لتنفيذ نفس الإستراتيجية.

تشوه البلاستيك

في بعض المواقف، كان من الصعب تشكيل مقطع السلك مسبقًا من خلال التعاون مع روبوتين. تعتبر عملية إدخال المشبك 6 مثالاً جيدًا. في هذه العملية، توقعنا أن يقوم ذراع الروبوت الأيسر بإدخاله في الإطار، لأنه ذراع الروبوت الوحيد الذي يمكنه الوصول إلى الهدف.

وكما اتضح فيما بعد، لم يتمكن الروبوت في البداية من الوصول إلى المشبك. عندما تحدد وحدة التحكم أن الإمساك بالمشبك غير ممكن، سيحاول الروبوت الإمساك بجزء السلك بالقرب من المشبك بدلاً من الإمساك بالمشبك نفسه. يقوم الروبوت بعد ذلك بلف الجزء وثنيه لتحويل وجه المشبك إلى اليسار أكثر. عادةً ما يكون ثني الجزء عدة مرات كافيًا لتغيير موضعه. بمجرد أن يصبح الجزء في الموضع المناسب للإمساك به، سيقوم الروبوت بمحاولة أخرى للإمساك بالمشبك المستهدف.

الاستنتاجات

وفي نهاية المطاف، تمكن نظامنا الآلي من تثبيت ثمانية مشابك في إطار لوحة العدادات بمتوسط ​​وقت قدره 3 دقائق. وعلى الرغم من أن هذه السرعة لا تزال بعيدة عن متطلبات التطبيق العملي، إلا أنها تثبت الجدوى الفنية لتجميع أحزمة الأسلاك الآلية.

يجب حل العديد من المشكلات لجعل النظام موثوقًا وسريعًا بما يكفي للتطبيق العملي في الصناعة. أولاً، من المهم أن يتم تشكيل أحزمة الأسلاك مسبقًا للتجميع الآلي. بالمقارنة مع عمليات الربط والفك، تعد الحالة الالتوائية لقطاعات الأسلاك الفردية أمرًا بالغ الأهمية لتركيب أحزمة الأسلاك، نظرًا لأن الروبوتات تتعامل مع الأجزاء المرتبطة بالأحزمة. بالإضافة إلى ذلك، فإن المقبض المجهز بدرجة ملتوية من الحرية سيساعد أيضًا في تركيب الحزام.

لتحسين سرعة العملية، ينبغي النظر في السلوك الديناميكي للسلك. ويتجلى هذا في الدراسات السينمائية للعمال المهرة الذين يقومون بإدخال أحزمة الأسلاك. يستخدمون كلتا اليدين والحركة الماهرة للتحكم في التأرجح الديناميكي للسلك وبالتالي تجنب العوائق المحيطة. عند تنفيذ التجميع الآلي بسرعة مماثلة، ستكون هناك حاجة إلى أساليب خاصة لقمع السلوك الديناميكي للسلك.

على الرغم من أن العديد من الأساليب المستخدمة في بحثنا واضحة ومباشرة، فقد أثبتنا بنجاح التجميع التلقائي باستخدام النموذج الأولي لنظامنا الآلي. هناك إمكانية للأتمتة مع هذه الأنواع من المهام.