Montagem Robótica de Chicotes de Fios Automotivos

Novas pesquisas sugerem que robôs de seis eixos podem ser usados ​​para instalar chicotes elétricos automotivos.

Por Xin Yang

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

Os braços robóticos multieixos realizam uma ampla variedade de processos em montadoras automotivas, incluindo pintura, soldagem e fixação.

No entanto, mesmo com os avanços na tecnologia de automação, alguns processos ainda não podem ser concluídos sem montadores humanos qualificados. A tarefa de instalar chicotes de fios em carrocerias de automóveis é uma tarefa que tradicionalmente tem sido difícil para os robôs.

Houve algumas pesquisas anteriores relacionadas aos problemas de manuseio de objetos lineares deformáveis, como fios ou tubos, com robôs. Muitos desses estudos concentraram-se em como lidar com a transição topológica de objetos lineares deformáveis. Eles tentaram programar robôs para dar nós ou criar laços com corda. Esses estudos aplicaram a teoria matemática dos nós para descrever as transições topológicas da corda.

Nessas abordagens, um objeto linear deformável em três dimensões é primeiro projetado em um plano bidimensional. A projeção no plano, demonstrada como curvas cruzadas, pode ser bem descrita e tratada pela teoria dos nós.

Em 2006, uma equipe de pesquisa liderada por Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., da Universidade de Osaka, no Japão, desenvolveu um método para amarrar e desatar objetos lineares deformáveis ​​com robôs. Eles definiram quatro operações fundamentais (entre elas, três são equivalentes aos movimentos de Reidemeister) necessárias para completar uma transição entre quaisquer dois estados de cruzamento de fios. Os pesquisadores mostraram que qualquer operação de atar ou desamarrar que possa ser decomposta em transições topológicas sequenciais pode ser alcançada empregando uma combinação sequencial dessas quatro operações fundamentais. A abordagem deles foi verificada quando eles conseguiram programar um robô SCARA para dar nó em uma corda colocada sobre uma mesa.

Da mesma forma, pesquisadores liderados por Takayuki Matsuno, Ph.D., da Universidade da Prefeitura de Toyama, em Imizu, Japão, desenvolveram um método para amarrar uma corda em três dimensões usando dois braços robóticos. Um robô segurava a ponta da corda, enquanto o outro dava um nó. Para medir a posição tridimensional da corda, foi empregada a visão estéreo. O estado do nó é descrito usando invariantes de nó em vez de movimentos de Reidemeister.

Em ambos os estudos, os robôs foram equipados com uma pinça paralela clássica de dois dedos com apenas um grau de liberdade.

Em 2008, uma equipe de pesquisa liderada por Yuji Yamakawa, da Universidade de Tóquio, demonstrou uma técnica para amarrar cordas usando um robô equipado com uma mão multidedos de alta velocidade. Com uma pinça mais hábil – incluindo sensores de força e torque montados nos dedos – operações como “permutação de corda” tornam-se possíveis, mesmo com um braço. A permutação de cordas refere-se à operação de trocar os lugares de duas cordas, torcendo-as enquanto as prende entre dois dedos.

Outros projetos de pesquisa têm se concentrado na resolução de problemas relacionados ao manuseio robótico de objetos lineares deformáveis ​​na linha de montagem.

Por exemplo, Tsugito Maruyama, Ph.D., e uma equipe de pesquisadores da Fujitsu Laboratories Ltd. em Kawasaki, Japão, desenvolveram um sistema de manuseio de fios para uma linha de montagem que fabrica peças elétricas. Um braço robótico foi usado para inserir cabos de sinal em fechos. Duas tecnologias foram fundamentais para permitir o funcionamento do sistema: um projetor de luz laser multiplanar e um sistema de visão estéreo.

Jürgen Acker e pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Kaiserslautern, na Alemanha, desenvolveram um método para usar visão mecânica 2D para determinar onde e como um objeto linear deformável (neste caso, um cabo automotivo) entra em contato com objetos no ambiente.

Com base em toda essa pesquisa, tentamos desenvolver um sistema robótico prático para instalação de chicotes elétricos em uma linha de montagem automotiva. Embora nosso sistema tenha sido desenvolvido em laboratório, todas as condições empregadas em nossos experimentos são referenciadas em uma fábrica de automóveis real. Nosso objetivo era demonstrar a viabilidade técnica de tal sistema e determinar áreas onde um maior desenvolvimento é necessário.

Conjunto de chicote de fios

Um chicote de fios automotivo consiste em vários cabos enrolados em fita isolante. Possui uma estrutura em forma de árvore com cada galho conectado a um instrumento específico. Na linha de montagem, um trabalhador prende manualmente o arnês à estrutura do painel de instrumentos.

Um conjunto de braçadeiras de plástico está preso ao chicote de fios. Estas braçadeiras correspondem aos furos na estrutura do painel de instrumentos. A fixação do arnês é feita inserindo os grampos nos orifícios. Um sistema robótico para instalar o chicote deve, portanto, resolver dois problemas básicos: como medir o estado de um chicote e como manuseá-lo.

Um chicote de fios possui propriedades físicas complexas. Durante a montagem, apresenta deformação elástica e deformação plástica. Isso dificulta a obtenção de um modelo dinâmico preciso.

Sistema Protótipo

Nosso protótipo de sistema de montagem de chicotes consiste em três robôs compactos de seis eixos posicionados na frente de uma estrutura do painel de instrumentos. O terceiro robô ajuda a posicionar e agarrar o arnês.

Cada robô está equipado com uma pinça paralela de dois dedos com um grau de liberdade. Os dedos da pinça possuem dois entalhes: um para segurar as braçadeiras do arnês e outro para segurar segmentos do próprio arnês.

Cada efetor final também é equipado com duas câmeras CCD e um sensor de alcance a laser. As duas câmeras possuem distâncias focais diferentes para fornecer uma grande profundidade de campo. O sensor de alcance a laser é usado quando é necessária uma medição precisa de um segmento de fio. Ao redor da célula de trabalho, 10 câmeras adicionais de posição fixa ficam voltadas para a área de trabalho em várias direções. Incluindo as câmeras montadas nos efetores finais, nosso sistema emprega um total de 16 câmeras de visão.

O reconhecimento do arnês é realizado com visão mecânica. Uma cobertura plástica especialmente projetada é fixada em cada braçadeira do arnês. As capas possuem padrões geométricos que são lidos com o software ARToolKit. Este software de código aberto foi originalmente projetado para aplicativos de realidade aumentada. Ele fornece um conjunto de bibliotecas fáceis de usar para detectar e reconhecer os marcadores. A câmera lê os marcadores para determinar a posição relativa do arnês.

Cada tampa de fixação possui seu próprio padrão geométrico. O padrão informa ao controlador do robô a posição relativa do chicote no espaço, bem como informações sobre esse segmento do chicote (como onde esse segmento deve ser posicionado na estrutura do painel).

As câmeras fixas ao redor da célula de trabalho fornecem informações posicionais aproximadas sobre cada braçadeira do chicote. A posição de uma braçadeira específica do chicote é estimada interpolando a posição das braçadeiras adjacentes. O efetor final é guiado para se aproximar do grampo alvo com informações de posição obtidas das câmeras fixas – até que a câmera de pulso possa encontrar o alvo. A partir desse momento, a orientação do robô é fornecida exclusivamente pela câmera de pulso. A precisão fornecida pela câmera de pulso nessa curta distância garante uma fixação confiável dos grampos.

Um processo semelhante é usado para agarrar um segmento deformável do chicote de fios. A posição do segmento alvo é primeiro estimada interpolando a posição dos grampos adjacentes. Como a curva interpolada não é precisa o suficiente para guiar o robô, a área estimada é então escaneada pelo scanner a laser. O scanner emite um feixe plano com uma largura específica. A posição exata do segmento pode então ser determinada a partir do perfil de distância obtido do sensor laser.

Os marcadores simplificam bastante a medição do chicote de fios. Embora as tampas dos grampos aumentem o custo do sistema, elas melhoram bastante a confiabilidade do sistema.

Manuseio de arnês

A braçadeira do chicote foi projetada para se encaixar em um orifício na estrutura do painel. Assim, a pinça agarra uma pinça pela base e insere a ponta no orifício.

Além disso, há algumas ocasiões em que é necessário manusear diretamente um segmento de fio. Por exemplo, em muitos processos, um robô deve moldar o arnês antes que outro robô possa realizar o seu trabalho. Nesse caso, um robô precisava orientar um grampo para que outro robô pudesse alcançá-lo. A única maneira de fazer isso era torcer um segmento de fio próximo.

Inicialmente, tentamos moldar o fio torcendo sua braçadeira adjacente. No entanto, devido à baixa rigidez torcional do segmento de fio, isto revelou-se impossível. Em experimentos subsequentes, o robô agarrou e dobrou o segmento de fio diretamente. Durante este processo, a pose do grampo alvo é monitorada pelas câmeras vizinhas. O processo de dobra continuará até que a orientação do grampo alvo coincida com um valor de referência.

Experimentos de verificação

Depois de desenvolvermos um sistema de montagem de protótipo, realizamos uma série de experimentos para testá-lo. O processo começa com os robôs pegando um chicote de fios de um cabide. Eles então inserem oito braçadeiras de arnês na estrutura do painel. O processo termina com os robôs retornando à posição inicial de espera.

O braço direito insere os grampos 1, 2 e 3. O braço central insere os grampos 4 e 5 e o braço esquerdo insere os grampos 6, 7 e 8.

O grampo 3 é inserido primeiro, seguido pelos grampos 1 e 2. Os grampos 4 a 8 são então inseridos em ordem numérica.

A sequência de movimento dos braços do robô foi gerada usando software de simulação. Um algoritmo de detecção de colisão evitou que os robôs batessem em objetos no ambiente ou uns nos outros.

Além disso, algumas operações na sequência de movimento foram geradas referenciando montadores humanos. Para tanto, capturamos os movimentos dos trabalhadores durante a assembleia. Os dados incluem o movimento do trabalhador e o comportamento correspondente do chicote de fios. Não é de surpreender que a estratégia de movimento adotada por um trabalhador muitas vezes tenha se mostrado mais eficaz do que a dos robôs.

Controle de torção de segmentos de fio

Nas nossas experiências, por vezes encontrámos dificuldades na inserção dos grampos porque era impossível posicionar a pinça para a tarefa. Por exemplo, o grampo 5 deve ser inserido imediatamente após o grampo 4 ter sido fixado à estrutura. No entanto, o segmento de arnês à esquerda do grampo 4 invariavelmente cairia, tornando difícil para o robô central posicionar o grampo 5 para inserção.

Nossa solução para esse problema foi pré-moldar o segmento de fio alvo para garantir uma preensão bem-sucedida. Primeiro, o grampo 5 é levantado pelo robô esquerdo, segurando o segmento de fio próximo ao grampo 5. Em seguida, a orientação do grampo 5 é regulada controlando o estado de torção do segmento de fio. Esta operação de pré-moldagem garante que a fixação posterior da pinça 5 seja sempre executada na posição mais adequada.

Cooperação entre armas

Em algumas situações, a montagem de um chicote de fios requer uma cooperação semelhante à humana entre vários braços do robô. A inserção da pinça 1 é um bom exemplo. Depois que o grampo 2 for inserido, o grampo 1 cairá. O espaço disponível para inserir a pinça 1 é limitado e é difícil posicionar a pinça devido ao risco de colisão com o ambiente circundante. Além disso, a experiência prática ensinou-nos a evitar iniciar esta operação com esse segmento do fio caído, uma vez que isso poderia fazer com que os segmentos do fio fossem apanhados pela estrutura circundante em operações subsequentes.

Nossa solução para este problema foi inspirada no comportamento dos trabalhadores humanos. Um trabalhador humano coordena facilmente o uso de seus dois braços para completar uma tarefa. Neste caso, um trabalhador simplesmente inseriria o grampo 4 com uma mão, enquanto ajustava simultaneamente a posição do segmento de fio com a outra mão. Programamos os robôs para implementar a mesma estratégia.

Deformação Plástica

Em algumas situações, foi difícil pré-moldar o segmento de fio empregando cooperativamente dois robôs. O processo de inserção da pinça 6 é um bom exemplo. Para esta operação, esperávamos que o braço esquerdo do robô o inserisse na estrutura, pois é o único braço do robô que pode atingir o alvo.

Acontece que inicialmente o robô não conseguiu alcançar o grampo. Quando o controlador determina que não é possível segurar o grampo, o robô tentará agarrar o segmento de fio próximo ao grampo em vez de segurar o próprio grampo. O robô então gira e dobra o segmento para virar a face do grampo mais para a esquerda. Dobrar um segmento algumas vezes geralmente é suficiente para mudar sua posição. Assim que o segmento estiver em uma posição apropriada para agarrar, o robô fará outra tentativa de agarrar o grampo alvo.

Conclusões

No final das contas, nosso sistema robótico foi capaz de instalar oito grampos na estrutura do painel de instrumentos em um tempo médio de 3 minutos. Embora essa velocidade ainda esteja longe do requisito para aplicação prática, ela demonstra a viabilidade técnica da montagem robótica de chicotes de fios.

Vários problemas devem ser resolvidos para tornar o sistema confiável e rápido o suficiente para aplicação prática na indústria. Primeiro, é importante que os chicotes sejam pré-moldados para montagem robótica. Em comparação com as operações de atar e desamarrar, o estado de torção dos segmentos de fio individuais é crítico para a instalação do chicote de fios, uma vez que os robôs manuseiam peças presas ao chicote. Além disso, uma pinça equipada com grau de liberdade de torção também ajudaria na instalação do arnês.

Para melhorar a velocidade do processo, o comportamento dinâmico do fio deve ser considerado. Isto é evidente nos estudos de filmes de trabalhadores qualificados inserindo chicotes de fios. Eles usam ambas as mãos e movimentos habilidosos para controlar o balanço dinâmico do fio e, assim, evitar os obstáculos circundantes. Ao implementar a montagem robótica com velocidade semelhante, serão necessárias abordagens especiais para suprimir o comportamento dinâmico do fio.

Embora muitas das abordagens empregadas em nossa pesquisa sejam simples, demonstramos com sucesso a montagem automática com nosso protótipo de sistema robótico. Há potencial para automação com esses tipos de tarefas.