汽车线束的机器人装配

新的研究表明，六轴机器人可以用于安装汽车线束。

By Xin Yang

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

在汽车装配厂中，多轴机械臂执行各种各样的工序，包括喷漆、焊接和紧固。

然而，即使自动化技术有所进步，有些工序仍然离不开熟练的人类装配工。将线束安装到汽车车身上的任务就是这样一项传统上机器人难以完成的任务。

之前已经有一些关于用机器人处理可变形线性物体（如电线或管材）问题的研究。这些研究中的许多都集中在如何处理可变形线性物体的拓扑转换上。他们试图对机器人进行编程，使其能够用绳子打结或创造环。这些研究应用数学结理论来描述绳子的拓扑转换。

在这些方法中，一个三维的可变形线性物体首先被投影到一个二维平面上。平面上的投影以交叉曲线的形式展示，可以使用结理论进行很好的描述和处理。

2006年，日本大阪大学的Hidefumi Wakamatsu博士领导的研究团队开发了一种用机器人打结和解开可变形线性物体的方法。他们定义了完成任意两个线交叉状态之间转换所需的四个基本操作（其中三个等同于Reidemeister移动）。研究人员表明，任何可以分解为连续拓扑转换的打结或解结操作都可以通过这四个基本操作的连续组合来实现。当他们能够编程一个SCARA机器人来打结放在桌子上的绳子时，他们的方法得到了验证。

同样，日本伊米祖市富山县立大学的Takayuki Matsuno博士领导的研究人员开发了一种使用两个机械臂在三维空间中打结绳子的方法。一个机器人握住绳子的一端，另一个则打结。为了测量绳子的三维位置，采用了立体视觉。结的状态使用结不变量而不是Reidemeister移动来描述。

在这两项研究中，机器人都配备了经典的、只有一个自由度的两指平行夹具。

2008年，东京大学的Yuji Yamakawa领导的研究团队展示了一种使用配备高速多指手的机器人打结绳子的技术。通过更灵巧的夹具（包括安装在手指上的力和扭矩传感器），即使只有一只手臂，也可以进行“绳子排列”等操作。绳子排列是指通过在两个手指之间捏住绳子并扭转它们来交换两根绳子位置的操作。

其他研究项目则集中在解决与装配线上机器人处理可变形线性物体相关的问题上。

例如，日本川崎市富士通实验室的Tsugito Maruyama博士和研究团队开发了一种用于制造电气部件的装配线的电线处理系统。机械臂用于将信号电缆插入扣环中。他们的系统能够工作的关键在于两项技术：多平面激光投影仪和立体视觉系统。

德国凯撒斯劳滕工业大学的Jürgen Acker和研究人员开发了一种使用二维机器视觉来确定可变形线性物体（在这种情况下为汽车电缆）在环境中与物体的接触位置和方式的方法。

基于所有这些研究，我们试图开发一种实用的机器人系统，用于在汽车装配线上安装线束。虽然我们的系统是在实验室中开发的，但我们实验中使用的所有条件都参考了真实的汽车工厂。我们的目标是证明这种系统的技术可行性，并确定需要进一步开发的领域。

线束装配

汽车线束由多条用电工胶带包裹的电缆组成。它具有树状结构，每个分支都连接到特定的仪器上。在装配线上，工人手动将线束固定在仪表板框架上。

一组塑料夹被绑在线束内。这些夹子与仪表板框架上的孔相对应。线束的固定是通过将夹子插入孔中来实现的。因此，用于安装线束的机器人系统必须解决两个基本问题：如何测量线束的状态，以及如何处理它。

线束具有复杂的物理特性。在装配过程中，它既表现出弹性变形，又表现出塑性变形。这使得获得其精确的动态模型变得困难。

原型系统

我们的原型线束组装系统由三个紧凑的六轴机器人组成，它们位于仪表板框架的前面。第三个机器人帮助定位和抓取线束。

每个机器人都配备有一个具有一个自由度的两指平行夹具。夹具手指有两个凹槽：一个用于固定线束夹，另一个用于固定线束本身的部分。

每个末端执行器还配备有两个CCD相机和一个激光测距传感器。这两个相机的焦距不同，以提供大的景深。当需要对线段进行精确测量时，使用激光测距传感器。在工作单元周围，另外有10个固定位置的相机从各个方向面向工作区域。包括安装在末端执行器上的相机在内，我们的系统总共使用了16个视觉相机。

线束的识别是通过机器视觉完成的。每个线束夹都附有一个专门设计的塑料盖。盖子上有几何图案，可通过ARToolKit软件读取。这个开源软件最初是为增强现实应用程序设计的。它提供了一组易于使用的库，用于检测和识别标记。摄像机读取标记以确定线束的相对位置。

每个夹盖都有自己的几何图案。该图案会告诉机器人控制器线束在空间中的相对位置，以及有关该线段的信息（例如该线段在面板框架上的位置）。

工作单元周围的固定相机提供了每个线束夹的粗略位置信息。特定线束夹的位置是通过插值相邻夹的位置来估算的。末端执行器在固定相机获得的位置信息的引导下接近目标夹，直到腕部相机可以找到目标。从那时起，机器人仅通过腕部相机进行引导。在短距离内，腕部相机提供的精度确保可靠地抓取夹具。

使用类似的过程来抓取可变形线束的一部分。目标线段的位置首先通过插值相邻夹的姿态来估算。由于插值曲线不够精确，无法引导机器人，因此通过激光扫描仪扫描估计区域。扫描仪发出具有一定宽度的平面光束。然后，可以根据从激光传感器获得的距离分布确定线段的确切位置。

标记大大简化了线束的测量。尽管夹盖增加了系统的成本，但它们大大提高了系统的可靠性。

线束处理

线束夹设计为与面板框架上的孔相配合。因此，夹具通过其底座夹住夹具，并将其脚趾插入孔中。

此外，还有一些情况需要直接处理线段。例如，在许多过程中，一个机器人必须在另一个机器人执行任务之前对线束进行塑形。在这种情况下，需要一个机器人将夹子定位，以便另一个机器人可以到达。唯一的方法是扭曲附近的线段。

最初，我们试图通过扭转相邻的夹子来塑造金属丝。但是，由于线段具有较低的抗扭刚度，因此这是不可能的。在随后的实验中，机器人直接抓取并弯曲了线段。在此过程中，通过周围的相机监控目标夹具的姿态。弯曲过程将持续进行，直到目标夹具的取向与参考值重合。

验证实验

一旦我们开发出原型组装系统，我们就进行了一系列实验以进行测试。该过程从机器人从衣架上拾起线束开始。然后，他们将八个线束夹插入面板框架。该过程以机器人返回初始待机位置结束。

右臂插入夹子1、2和3。中央臂插入夹子4和5，左臂插入夹子6、7和8。

先插入夹子3，然后是夹子1和2。然后按照数字顺序插入夹子4到8。

使用仿真软件生成机器人手臂的运动序列。防碰撞检测算法可防止机器人撞击环境中的物体或彼此碰撞。

另外，通过参考人工装配工来生成运动序列中的一些操作。为此，我们捕获了组装过程中工人的动作。该数据包括工人的动作和线束的相应行为。不出所料，工人所采取的运动策略往往比机器人的运动策略更为有效。

线段的扭转控制

在我们的实验中，我们在插入夹子时有时会遇到困难，因为不可能为这项任务定位夹具。例如，在将夹具4固定到框架上之后，应立即插入夹具5。但是，位于夹具4左侧的线束段总是会下垂，使得中心机器人难以定位夹具5以进行插入。

我们解决此问题的方法是通过预成型目标线段以确保成功抓握。首先，通过左机器人抓住靠近夹具5的线段来将夹具5抬起。然后，通过控制线段的扭转状态来调节夹具5的方向。这种预成型操作确保随后对夹具5的抓取总是在最合适的位置执行。

手臂间的配合

在某些情况下，线束的装配需要多个机械手臂进行类似于人类的协作。插入夹具1就是一个很好的例子。一旦插入了夹具2，夹具1就会下垂。可用于插入夹具1的空间有限，并且由于有与周围环境碰撞的风险，因此很难定位夹具。此外，实践经验告诉我们，应避免在该线段下垂的情况下开始此操作，因为这可能导致在后续操作中线段被周围的框架钩住。

我们对这个问题的解决方案受到了人类工作者行为的启发。人类工作者可以轻松协调双手的使用来完成任务。在这种情况下，工作人员只需用一只手插入夹具4，同时用另一只手调整线段的位置。我们编程使机器人执行相同的策略。

塑性变形

在某些情况下，很难通过协作使用两个机器人来预成型线段。插入夹具6的过程就是一个很好的例子。对于此操作，我们希望左机械臂将其插入框架中，因为它是唯一可以到达目标的机械臂。

事实证明，机器人起初无法到达夹具。当控制器确定无法抓取夹具时，机器人将尝试抓取夹具附近的线段，而不是抓取夹具本身。然后，机器人会扭曲和弯曲该段，以使夹具面向更左侧。对线段进行几次弯曲通常足以改变其位置。一旦该段处于适合抓握的位置，机器人将再次尝试抓握目标夹具。

结论

最终，我们的机器人系统能够在平均3分钟的时间内将八个夹具安装到仪表板框架中。尽管该速度仍然远不能满足实际应用的要求，但它确实证明了机器人线束装配的技术可行性。

为了使系统足够可靠和快速以适应实际工业应用，必须解决几个问题。首先，必须预先对线束进行成型以进行机器人装配。与打结和解结操作相比，各个线段的扭转状态对于线束安装至关重要，因为机器人正在处理捆绑成线束的零件。另外，配备有扭曲自由度的夹具也将有助于线束的安装。

为了提高加工速度，应考虑金属丝的动态行为。这在电影研究中，熟练的工人插入线束就可以看出。他们用双手和熟练的动作来控制金属丝的动态摆动，从而避开周围的障碍物。当以类似的速度实现机器人装配时，必须采用特殊方法来抑制金属丝的动态行为。

尽管我们的研究中采用的许多方法都很简单，但我们还是使用原型机器人系统成功地展示了自动装配。这些类型的任务具有自动化的潜力。