Ensamblaje robótico de mazos de cables automotrices

Una nueva investigación sugiere que se pueden utilizar robots de seis ejes para instalar mazos de cables de automóviles.

Por Xin Yang

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

Los brazos robóticos multieje realizan una amplia variedad de procesos en plantas de ensamblaje de automóviles, incluidos pintura, soldadura y fijación.

Sin embargo, incluso con los avances en la tecnología de automatización, algunos procesos aún no pueden completarse sin ensambladores humanos capacitados. La tarea de instalar mazos de cables en las carrocerías de los automóviles es una de esas tareas que tradicionalmente ha resultado difícil para los robots.

Ha habido algunas investigaciones previas relacionadas con los problemas de manipulación de objetos lineales deformables, como alambres o tubos, con robots. Muchos de estos estudios se concentraron en cómo abordar la transición topológica de objetos lineales deformables. Intentaron programar robots para hacer nudos o crear bucles con cuerda. Estos estudios aplicaron la teoría matemática de nudos para describir las transiciones topológicas de la cuerda.

En estos enfoques, primero se proyecta un objeto lineal deformable en tres dimensiones en un plano bidimensional. La proyección en el plano, que se muestra como curvas cruzadas, se puede describir y tratar bien utilizando la teoría de nudos.

En 2006, un equipo de investigación dirigido por Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., de la Universidad de Osaka en Japón desarrolló un método para anudar y desanudar objetos lineales deformables con robots. Definieron cuatro operaciones fundamentales (entre ellas, tres son equivalentes a movimientos de Reidemeister) necesarias para completar una transición entre dos estados cualesquiera de cruce de cables. Los investigadores demostraron que cualquier operación de anudado o desanudamiento que pueda descomponerse en transiciones topológicas secuenciales se puede lograr empleando una combinación secuencial de estas cuatro operaciones fundamentales. Su enfoque se verificó cuando lograron programar un robot SCARA para anudar una cuerda colocada sobre un escritorio.

De manera similar, investigadores dirigidos por Takayuki Matsuno, Ph.D., de la Universidad de la Prefectura de Toyama en Imizu, Japón, desarrollaron un método para anudar una cuerda en tres dimensiones utilizando dos brazos robóticos. Un robot sujetaba el extremo de la cuerda, mientras el otro la anudaba. Para medir la posición tridimensional de la cuerda, se empleó visión estereoscópica. El estado del nudo se describe utilizando invariantes de nudo en lugar de movimientos de Reidemeister.

En ambos estudios, los robots estaban equipados con una clásica pinza paralela de dos dedos con solo un grado de libertad.

En 2008, un equipo de investigación dirigido por Yuji Yamakawa de la Universidad de Tokio demostró una técnica para anudar cuerdas utilizando un robot equipado con una mano de múltiples dedos de alta velocidad. Con una pinza más diestra, que incluya sensores de fuerza y ​​torsión montados en los dedos, operaciones como la “permutación de cuerdas” se vuelven posibles, incluso con un solo brazo. La permutación de cuerdas se refiere a la operación de intercambiar los lugares de dos cuerdas girándolas mientras se pellizcan las cuerdas entre dos dedos.

Otros proyectos de investigación se han centrado en la resolución de problemas relacionados con la manipulación robótica de objetos lineales deformables en la línea de montaje.

Por ejemplo, Tsugito Maruyama, Ph.D., y un equipo de investigadores de Fujitsu Laboratories Ltd. en Kawasaki, Japón, desarrollaron un sistema de manipulación de cables para una línea de montaje que fabrica piezas eléctricas. Se utilizó un brazo robótico para insertar cables de señal en los cierres. Dos tecnologías fueron fundamentales para permitir que su sistema funcionara: un proyector de luz láser multiplanar y un sistema de visión estéreo.

Jürgen Acker y los investigadores de la Universidad Tecnológica de Kaiserslautern en Alemania desarrollaron un método para utilizar la visión artificial 2D para determinar dónde y cómo un objeto lineal deformable (en este caso, un cable de automóvil) entra en contacto con los objetos del entorno.

Basándonos en toda esta investigación, intentamos desarrollar un sistema robótico práctico para instalar mazos de cables en una línea de montaje de automóviles. Aunque nuestro sistema fue desarrollado en el laboratorio, todas las condiciones empleadas en nuestros experimentos están referenciadas desde una planta de automóviles real. Nuestro objetivo era demostrar la viabilidad técnica de dicho sistema y determinar áreas donde es necesario un mayor desarrollo.

Conjunto de mazo de cables

Un mazo de cables para automóviles consta de varios cables envueltos con cinta aislante. Tiene una estructura en forma de árbol con cada rama conectada a un instrumento específico. En la línea de montaje, un trabajador fija manualmente el arnés al marco del panel de instrumentos.

Un conjunto de abrazaderas de plástico están unidas al mazo de cables. Estas abrazaderas se corresponden con los orificios en el marco del panel de instrumentos. La fijación del arnés se consigue introduciendo las abrazaderas en los orificios. Por tanto, un sistema robótico para la instalación del mazo de cables debe resolver dos problemas básicos: cómo medir el estado de un mazo de cables y cómo manipularlo.

Un mazo de cables tiene propiedades físicas complejas. Durante el montaje, presenta tanto deformación elástica como plástica. Esto dificulta la obtención de un modelo dinámico preciso.

Sistema prototipo

Nuestro prototipo de sistema de ensamblaje de arnés consta de tres robots compactos de seis ejes colocados frente a un marco de panel de instrumentos. El tercer robot ayuda a posicionar y agarrar el arnés.

Cada robot está equipado con una pinza paralela de dos dedos con un grado de libertad. Los dedos de agarre tienen dos muescas: una para sujetar las abrazaderas del arnés y la otra para sujetar segmentos del propio arnés.

Cada efector final también está equipado con dos cámaras CCD y un sensor de alcance láser. Las dos cámaras tienen diferentes distancias focales para proporcionar una gran profundidad de campo. El sensor de alcance láser se utiliza cuando es necesaria una medición precisa de un segmento de cable. Alrededor de la celda de trabajo, 10 cámaras adicionales de posición fija miran al área de trabajo desde varias direcciones. Incluyendo las cámaras montadas en los efectores finales, nuestro sistema emplea un total de 16 cámaras de visión.

El reconocimiento del arnés se logra mediante visión artificial. Se adjunta una cubierta de plástico especialmente diseñada a cada abrazadera del arnés. Las portadas tienen patrones geométricos que se leen con el software ARToolKit. Este software de código abierto fue diseñado originalmente para aplicaciones de realidad aumentada. Proporciona un conjunto de bibliotecas fáciles de usar para detectar y reconocer los marcadores. La cámara lee los marcadores para determinar la posición relativa del arnés.

Cada cubierta de abrazadera tiene su propio patrón geométrico. El patrón le dice al controlador del robot la posición relativa del arnés en el espacio, así como información sobre ese segmento del arnés (como dónde debe colocarse ese segmento en el marco del panel).

Las cámaras fijas alrededor de la celda de trabajo brindan información posicional aproximada sobre cada abrazadera del arnés. La posición de una abrazadera de arnés específica se estima interpolando la posición de abrazaderas adyacentes. Se guía al efector final para que se acerque a la abrazadera del objetivo con información de posición obtenida de las cámaras fijas, hasta que la cámara de muñeca pueda encontrar el objetivo. A partir de ese momento, el guiado del robot lo proporciona únicamente la cámara de muñeca. La precisión proporcionada por la cámara de muñeca en esa corta distancia garantiza un agarre fiable de las abrazaderas.

Se utiliza un proceso similar para agarrar un segmento deformable del mazo de cables. La posición del segmento objetivo se estima primero interpolando la postura de las abrazaderas adyacentes. Dado que la curva interpolada no es lo suficientemente precisa para guiar al robot, el escáner láser escanea el área estimada. El escáner emite un haz plano con un ancho determinado. A partir del perfil de distancia obtenido del sensor láser se puede determinar la posición exacta del segmento.

Los marcadores simplifican enormemente la medición del mazo de cables. Aunque las cubiertas de abrazadera aumentaron el costo del sistema, mejoran en gran medida la confiabilidad del sistema.

Manejo del arnés

La abrazadera del arnés está diseñada para acoplarse con un orificio en el marco del panel. Así, la pinza agarra una abrazadera por su base e inserta su punta en el agujero.

Además, hay algunas ocasiones en las que es necesario manipular un segmento de alambre directamente. Por ejemplo, en muchos procesos, un robot debe darle forma al arnés antes de que otro robot pueda realizar su trabajo. En tal caso, un robot necesitaba orientar una abrazadera para que otro robot pudiera alcanzarla. La única manera de hacerlo era torcer un segmento de cable cercano.

Inicialmente, intentamos darle forma al cable girando su abrazadera adyacente. Sin embargo, debido a la baja rigidez a la torsión del segmento de alambre, esto resultó imposible. En experimentos posteriores, el robot agarró y dobló el segmento de alambre directamente. Durante este proceso, las cámaras circundantes monitorean la postura de la abrazadera del objetivo. El proceso de doblado continuará hasta que la orientación de la abrazadera objetivo coincida con un valor de referencia.

Experimentos de verificación

Una vez que desarrollamos un prototipo de sistema de ensamblaje, realizamos una serie de experimentos para probarlo. El proceso comienza cuando los robots recogen un mazo de cables de un colgador. Luego insertan ocho abrazaderas de arnés en el marco del panel. El proceso finaliza cuando los robots regresan a la posición de espera inicial.

El brazo derecho inserta las abrazaderas 1, 2 y 3. El brazo central inserta las abrazaderas 4 y 5, y el brazo izquierdo inserta las abrazaderas 6, 7 y 8.

Primero se inserta la abrazadera 3, seguida de las abrazaderas 1 y 2. Luego se insertan las abrazaderas 4 a 8 en orden numérico.

La secuencia de movimiento de los brazos del robot se generó mediante un software de simulación. Un algoritmo de detección de colisiones evitó que los robots chocaran contra objetos del entorno o entre sí.

Además, algunas operaciones en la secuencia de movimiento se generaron haciendo referencia a ensambladores humanos. Para ello, capturamos los movimientos de los trabajadores durante la asamblea. Los datos incluyen tanto el movimiento del trabajador como el comportamiento correspondiente del mazo de cables. No es sorprendente que la estrategia de movimiento adoptada por un trabajador a menudo resultara más efectiva que la de los robots.

Control de torsión de segmentos de alambre

En nuestros experimentos, a veces tuvimos dificultades al insertar las abrazaderas porque era imposible posicionar la pinza para la tarea. Por ejemplo, la abrazadera 5 debe insertarse inmediatamente después de fijar la abrazadera 4 al marco. Sin embargo, el segmento del arnés a la izquierda de la abrazadera 4 invariablemente se caería, dificultando que el robot central coloque la abrazadera 5 para su inserción.

Nuestra solución a este problema fue dar forma previa al segmento de cable objetivo para garantizar un agarre exitoso. En primer lugar, el robot izquierdo levanta la abrazadera 5 sujetando el segmento de alambre cerca de la abrazadera 5. Luego, la orientación de la abrazadera 5 se regula controlando el estado de torsión del segmento de alambre. Esta operación de preconformación garantiza que el posterior agarre de la abrazadera 5 se ejecute siempre en la posición más adecuada.

Cooperación entre armas

En algunas situaciones, el montaje de un mazo de cables requiere una cooperación similar a la humana entre múltiples brazos robóticos. La inserción de la abrazadera 1 es un buen ejemplo. Una vez que se haya insertado la abrazadera 2, la abrazadera 1 caerá. El espacio disponible para insertar la abrazadera 1 es limitado y es difícil colocar la pinza debido al riesgo de colisión con el entorno circundante. Además, la experiencia práctica nos enseñó a evitar comenzar esta operación con ese segmento de alambre caído, ya que podría provocar que segmentos de alambre quedaran atrapados por el marco circundante en operaciones posteriores.

Nuestra solución a este problema se inspiró en el comportamiento de los trabajadores humanos. Un trabajador humano coordina fácilmente el uso de sus dos brazos para completar una tarea. En este caso, un trabajador simplemente insertaría la abrazadera 4 con una mano, mientras simultáneamente ajustaba la posición del segmento de alambre con la otra mano. Programamos los robots para implementar la misma estrategia.

Deformación plástica

En algunas situaciones, era difícil dar forma previa al segmento de alambre empleando dos robots de forma cooperativa. El proceso de inserción de la abrazadera 6 es un buen ejemplo. Para esta operación, esperábamos que el brazo robótico izquierdo lo insertara en el marco, ya que es el único brazo robótico que puede alcanzar el objetivo.

Al final resultó que, el robot inicialmente no pudo alcanzar la abrazadera. Cuando el controlador determina que no es posible agarrar la abrazadera, el robot intentará agarrar el segmento de cable cerca de la abrazadera en lugar de agarrar la abrazadera misma. Luego, el robot gira y dobla el segmento para girar la cara de la abrazadera más hacia la izquierda. Normalmente, doblar un segmento varias veces es suficiente para cambiar su posición. Una vez que el segmento esté en una posición adecuada para agarrar, el robot hará otro intento de agarrar la abrazadera objetivo.

Conclusiones

Al final, nuestro sistema robótico pudo instalar ocho abrazaderas en el marco del panel de instrumentos en un tiempo promedio de 3 minutos. Aunque esa velocidad todavía está lejos del requisito para una aplicación práctica, demuestra la viabilidad técnica del ensamblaje de mazos de cables robóticos.

Se deben resolver varios problemas para que el sistema sea lo suficientemente confiable y rápido para una aplicación práctica en la industria. En primer lugar, es importante que los mazos de cables estén preformados para el montaje robótico. En comparación con las operaciones de anudado y desanudado, el estado de torsión de los segmentos de alambre individuales es crítico para la instalación del mazo de cables, ya que los robots manipulan piezas unidas al mazo de cables. Además, una pinza equipada con un grado de libertad de torsión también ayudaría con la instalación del arnés.

Para mejorar la velocidad del proceso se debe considerar el comportamiento dinámico del alambre. Esto es evidente en los estudios cinematográficos de trabajadores cualificados que insertan mazos de cables. Utilizan ambas manos y movimientos hábiles para controlar el balanceo dinámico del cable y así evitar los obstáculos circundantes. Al implementar un ensamblaje robótico con velocidad similar, serán necesarios enfoques especiales para suprimir el comportamiento dinámico del cable.

Aunque muchos de los enfoques empleados en nuestra investigación son sencillos, demostramos con éxito el ensamblaje automático con nuestro prototipo de sistema robótico. Existe potencial para la automatización con este tipo de tareas.