Assemblaggio robotizzato di cablaggi automobilistici

Una nuova ricerca suggerisce che i robot a sei assi possono essere utilizzati per installare cablaggi automobilistici.

Di Xin Yang

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

I bracci robotici multiasse eseguono un'ampia varietà di processi negli impianti di assemblaggio automobilistico, tra cui verniciatura, saldatura e fissaggio.

Tuttavia, nonostante i progressi nella tecnologia dell’automazione, alcuni processi non possono ancora essere completati senza assemblatori umani qualificati. Il compito di installare i cablaggi nelle carrozzerie delle automobili è uno di questi compiti che tradizionalmente è stato difficile per i robot.

Sono state condotte alcune ricerche precedenti relative ai problemi di gestione di oggetti lineari deformabili, come fili o tubi, con i robot. Molti di questi studi si sono concentrati su come affrontare la transizione topologica di oggetti lineari deformabili. Hanno provato a programmare i robot per fare nodi o creare anelli con la corda. Questi studi hanno applicato la teoria matematica dei nodi per descrivere le transizioni topologiche della corda.

In questi approcci, un oggetto lineare deformabile in tre dimensioni viene prima proiettato su un piano bidimensionale. La proiezione nel piano, che viene dimostrata come curve incrociate, può essere ben descritta e trattata utilizzando la teoria dei nodi.

Nel 2006, un gruppo di ricerca guidato da Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., dell'Università di Osaka in Giappone ha sviluppato un metodo per annodare e sciogliere oggetti lineari deformabili con i robot. Hanno definito quattro operazioni fondamentali (tra queste, tre sono equivalenti alle mosse di Reidemeister) necessarie per completare una transizione tra due stati di incrocio di cavi qualsiasi. I ricercatori hanno dimostrato che qualsiasi operazione di annodamento o scioglimento che possa essere scomposta in transizioni topologiche sequenziali può essere ottenuta impiegando una combinazione sequenziale di queste quattro operazioni fondamentali. Il loro approccio è stato verificato quando sono riusciti a programmare un robot SCARA per annodare una corda posta su una scrivania.

Allo stesso modo, i ricercatori guidati da Takayuki Matsuno, Ph.D., dell’Università della prefettura di Toyama a Imizu, in Giappone, hanno sviluppato un metodo per annodare una corda in tre dimensioni utilizzando due bracci robotici. Un robot teneva l'estremità della corda, mentre l'altro la annodava. Per misurare la posizione tridimensionale della corda è stata utilizzata la visione stereoscopica. Lo stato del nodo viene descritto utilizzando le invarianti del nodo invece delle mosse di Reidemeister.

In entrambi gli studi i robot erano dotati di una classica pinza parallela a due dita con un solo grado di libertà.

Nel 2008, un gruppo di ricerca guidato da Yuji Yamakawa dell'Università di Tokyo ha dimostrato una tecnica per annodare una corda utilizzando un robot dotato di una mano multidita ad alta velocità. Con una pinza più abile, compresi i sensori di forza e coppia montati sulle dita, operazioni come la “permutazione della corda” diventano possibili, anche con un braccio solo. La permutazione delle corde si riferisce all'operazione di scambiare la posizione di due corde ruotandole mentre si pizzicano le corde tra due dita.

Altri progetti di ricerca si sono concentrati sulla risoluzione di problemi legati alla movimentazione robotica di oggetti lineari deformabili sulla catena di montaggio.

Ad esempio, Tsugito Maruyama, Ph.D., e un team di ricercatori della Fujitsu Laboratories Ltd. a Kawasaki, in Giappone, hanno sviluppato un sistema di movimentazione dei cavi per una catena di montaggio che produce parti elettriche. Per inserire i cavi di segnale nei fermagli è stato utilizzato un braccio robotico. Due tecnologie erano fondamentali per consentire il funzionamento del sistema: un proiettore di luce laser multiplanare e un sistema di visione stereo.

Jürgen Acker e i ricercatori dell'Università di Tecnologia di Kaiserslautern in Germania hanno sviluppato un metodo per utilizzare la visione artificiale 2D per determinare dove e come un oggetto lineare deformabile (in questo caso, un cavo automobilistico) entra in contatto con gli oggetti nell'ambiente.

Sulla base di tutta questa ricerca, abbiamo tentato di sviluppare un pratico sistema robotico per l'installazione di cablaggi su una catena di montaggio automobilistica. Sebbene il nostro sistema sia stato sviluppato in laboratorio, tutte le condizioni impiegate nei nostri esperimenti fanno riferimento a un vero impianto automobilistico. Il nostro obiettivo era dimostrare la fattibilità tecnica di un tale sistema e determinare le aree in cui è necessario un ulteriore sviluppo.

Assemblaggio del cablaggio

Un cablaggio automobilistico è costituito da più cavi avvolti da nastro isolante. Ha una struttura ad albero con ogni ramo collegato ad uno strumento specifico. Sulla catena di montaggio, un lavoratore collega manualmente l'imbracatura al telaio del cruscotto.

Una serie di fascette in plastica sono fissate al cablaggio. Questi morsetti corrispondono ai fori nel telaio del cruscotto. Il fissaggio dell'imbracatura si ottiene inserendo i morsetti nei fori. Un sistema robotico per l’installazione del cablaggio deve quindi risolvere due problemi fondamentali: come misurare lo stato di un cablaggio e come gestirlo.

Un cablaggio ha proprietà fisiche complesse. Durante l'assemblaggio presenta sia deformazione elastica che deformazione plastica. Ciò rende difficile ottenerne un modello dinamico preciso.

Sistema prototipo

Il nostro prototipo di sistema di assemblaggio di cablaggi è costituito da tre robot compatti a sei assi posizionati davanti al telaio del quadro strumenti. Il terzo robot aiuta a posizionare e afferrare l'imbracatura.

Ogni robot è dotato di una pinza parallela a due griffe con un grado di libertà. Le dita della pinza hanno due rientranze: una per trattenere i morsetti dell'imbracatura, l'altra per trattenere i segmenti dell'imbracatura stessa.

Ciascun effettore finale è inoltre dotato di due telecamere CCD e un sensore di portata laser. Le due fotocamere hanno lunghezze focali diverse per fornire un'ampia profondità di campo. Il sensore di portata laser viene utilizzato quando è necessaria una misurazione precisa su un segmento di filo. Intorno alla cella di lavoro, altre 10 telecamere a posizione fissa guardano l'area di lavoro da varie direzioni. Includendo le telecamere montate sugli effettori finali, il nostro sistema impiega un totale di 16 telecamere di visione.

Il riconoscimento dell'imbracatura viene effettuato con la visione artificiale. Una copertura in plastica appositamente progettata è fissata a ciascun morsetto del cablaggio. Le copertine presentano motivi geometrici che vengono letti con il software ARToolKit. Questo software open source è stato originariamente progettato per applicazioni di realtà aumentata. Fornisce una serie di librerie di facile utilizzo per rilevare e riconoscere i marcatori. La telecamera legge i marcatori per determinare la posizione relativa dell'imbracatura.

Ogni copertura del morsetto ha il proprio motivo geometrico. Il modello comunica al controller del robot la posizione relativa del cablaggio nello spazio, nonché informazioni relative a quel segmento del cablaggio (come ad esempio dove tale segmento dovrebbe essere posizionato sul telaio del pannello).

Le telecamere fisse attorno all'area di lavoro forniscono informazioni approssimative sulla posizione di ciascun morsetto dell'imbracatura. La posizione di uno specifico morsetto del cablaggio viene stimata interpolando la posizione dei morsetti adiacenti. L'effettore finale viene guidato ad avvicinarsi al morsetto target con le informazioni sulla posizione ottenute dalle telecamere fisse, finché la telecamera da polso non riesce a trovare il bersaglio. Da quel momento la guida del robot viene fornita esclusivamente dalla telecamera del polso. La precisione fornita dalla telecamera da polso in una distanza così breve garantisce una presa affidabile dei morsetti.

Un processo simile viene utilizzato per afferrare un segmento deformabile del cablaggio. La posizione del segmento target viene prima stimata interpolando la posa dei morsetti adiacenti. Poiché la curva interpolata non è sufficientemente precisa per guidare il robot, l'area stimata viene quindi scansionata dallo scanner laser. Lo scanner emette un raggio piano con una larghezza particolare. La posizione esatta del segmento può quindi essere determinata dal profilo di distanza ottenuto dal sensore laser.

I marcatori semplificano notevolmente la misurazione del cablaggio. Sebbene le coperture dei morsetti abbiano aumentato il costo del sistema, ne migliorano notevolmente l'affidabilità.

Movimentazione dell'imbracatura

Il morsetto del cablaggio è progettato per accoppiarsi con un foro nel telaio del pannello. Pertanto, la pinza afferra un morsetto per la sua base e inserisce la punta nel foro.

Inoltre, ci sono alcune occasioni in cui è necessario maneggiare direttamente un segmento di filo. Ad esempio, in molti processi, un robot deve modellare l'imbracatura prima che un altro robot possa svolgere il proprio lavoro. In tal caso, un robot doveva orientare una pinza in modo che potesse essere raggiunta da un altro robot. L'unico modo per farlo era torcere un segmento di filo vicino.

Inizialmente, abbiamo tentato di modellare il filo torcendo il morsetto adiacente. Tuttavia, a causa della bassa rigidità torsionale del segmento di filo, ciò si è rivelato impossibile. Negli esperimenti successivi, il robot ha afferrato e piegato direttamente il segmento di filo. Durante questo processo, la posa del morsetto target viene monitorata dalle telecamere circostanti. Il processo di piegatura continuerà finché l'orientamento del morsetto target non coinciderà con un valore di riferimento.

Esperimenti di verifica

Una volta sviluppato un prototipo di sistema di assemblaggio, abbiamo eseguito una serie di esperimenti per testarlo. Il processo inizia con i robot che prendono un cablaggio da una gruccia. Quindi inseriscono otto morsetti del cablaggio nel telaio del pannello. Il processo termina con il ritorno dei robot alla posizione di standby iniziale.

Il braccio destro inserisce i morsetti 1, 2 e 3. Il braccio centrale inserisce i morsetti 4 e 5 e il braccio sinistro inserisce i morsetti 6, 7 e 8.

Viene inserito per primo il morsetto 3, seguito dai morsetti 1 e 2. I morsetti da 4 a 8 vengono quindi inseriti in ordine numerico.

La sequenza di movimento dei bracci del robot è stata generata utilizzando un software di simulazione. Un algoritmo di rilevamento delle collisioni ha impedito ai robot di sbattere contro oggetti nell'ambiente o tra loro.

Inoltre, alcune operazioni nella sequenza di movimento sono state generate facendo riferimento ad assemblatori umani. A questo scopo abbiamo catturato i movimenti degli operai durante il montaggio. I dati includono sia il movimento del lavoratore che il corrispondente comportamento del cablaggio. Non sorprende che la strategia di movimento adottata da un lavoratore si sia spesso rivelata più efficace di quella dei robot.

Controllo della torsione dei segmenti di filo

Nei nostri esperimenti a volte abbiamo riscontrato difficoltà nell'inserimento dei morsetti perché era impossibile posizionare la pinza per il compito da svolgere. Ad esempio, il morsetto 5 deve essere inserito immediatamente dopo che il morsetto 4 è stato fissato al telaio. Tuttavia, il segmento del cablaggio a sinistra del morsetto 4 si abbasserebbe invariabilmente, rendendo difficile per il robot centrale posizionare il morsetto 5 per l'inserimento.

La nostra soluzione a questo problema è stata quella di preformare il segmento di filo bersaglio per garantire una presa riuscita. Innanzitutto, il morsetto 5 viene sollevato dal robot sinistro afferrando il segmento di filo vicino al morsetto 5. Quindi, l'orientamento del morsetto 5 viene regolato controllando lo stato di torsione del segmento di filo. Questa operazione di presagomatura garantisce che la successiva presa della pinza 5 venga sempre eseguita nella posizione più opportuna.

Cooperazione tra armi

In alcune situazioni, l’assemblaggio di un cablaggio richiede una cooperazione simile a quella umana tra più bracci robotici. L'inserimento del morsetto 1 è un buon esempio. Una volta inserito il morsetto 2, il morsetto 1 si abbasserà. Lo spazio a disposizione per inserire la pinza 1 è limitato ed è difficile posizionare la pinza a causa del rischio di collisione con l'ambiente circostante. Inoltre l'esperienza pratica ci ha insegnato a evitare di iniziare questa operazione con quel segmento di filo cadente, poiché ciò potrebbe portare, nelle operazioni successive, ad impigliare segmenti di filo nel telaio circostante.

La nostra soluzione a questo problema è stata ispirata dal comportamento dei lavoratori umani. Un lavoratore umano coordina facilmente l'uso delle sue due braccia per completare un compito. In questo caso, un lavoratore inserirà semplicemente il morsetto 4 con una mano, regolando contemporaneamente la posizione del segmento di filo con l'altra mano. Abbiamo programmato i robot per implementare la stessa strategia.

Deformazione plastica

In alcune situazioni, era difficile preformare il segmento di filo impiegando in modo cooperativo due robot. Il processo di inserimento del morsetto 6 è un buon esempio. Per questa operazione, ci aspettavamo che il braccio sinistro del robot lo inserisse nel telaio, poiché è l'unico braccio del robot che può raggiungere il bersaglio.

Come si è scoperto, inizialmente il robot non è riuscito a raggiungere la pinza. Quando il controller determina che la presa del morsetto non è possibile, il robot tenterà di afferrare il segmento di filo vicino al morsetto invece di afferrare il morsetto stesso. Il robot quindi ruota e piega il segmento per ruotare la faccia del morsetto più a sinistra. Piegare un segmento alcune volte è solitamente sufficiente per cambiarne la posizione. Una volta che il segmento è in una posizione appropriata per la presa, il robot effettuerà un altro tentativo di afferrare il morsetto target.

Conclusioni

Alla fine, il nostro sistema robotico è riuscito a installare otto morsetti nel telaio del cruscotto in un tempo medio di 3 minuti. Sebbene tale velocità sia ancora lontana dai requisiti per l’applicazione pratica, dimostra la fattibilità tecnica dell’assemblaggio robotico di cablaggi elettrici.

È necessario risolvere diversi problemi per rendere il sistema sufficientemente affidabile e veloce per l'applicazione pratica nell'industria. Innanzitutto, è importante che i cablaggi siano preformati per l’assemblaggio robotizzato. Rispetto alle operazioni di annodamento e scioglimento, lo stato di torsione dei singoli segmenti di filo è fondamentale per l’installazione del cablaggio, poiché i robot manipolano le parti legate al cablaggio. Inoltre, una pinza dotata di grado di libertà di torsione sarebbe utile anche per l'installazione dell'imbracatura.

Per migliorare la velocità del processo, è opportuno considerare il comportamento dinamico del filo. Ciò è evidente negli studi cinematografici di lavoratori qualificati che inseriscono cablaggi elettrici. Usano entrambe le mani e movimenti esperti per controllare l'oscillazione dinamica del filo ed evitare così gli ostacoli circostanti. Quando si implementa l’assemblaggio robotizzato con velocità simile, saranno necessari approcci speciali per sopprimere il comportamento dinamico del filo.

Sebbene molti degli approcci utilizzati nella nostra ricerca siano semplici, abbiamo dimostrato con successo l’assemblaggio automatico con il nostro prototipo di sistema robotico. Esiste un potenziale di automazione con questo tipo di attività.