Robotermontage von Kfz-Kabelbäumen

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass sechsachsige Roboter zur Installation von Fahrzeugkabelbäumen eingesetzt werden können.

Von Xin Yang

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

Mehrachsige Roboterarme führen in Automobilmontagewerken eine Vielzahl von Prozessen durch, darunter Lackieren, Schweißen und Befestigen.

Doch trotz der Fortschritte in der Automatisierungstechnik können einige Prozesse immer noch nicht ohne qualifizierte menschliche Monteure durchgeführt werden. Der Einbau von Kabelbäumen in Autokarosserien ist eine Aufgabe, die für Roboter traditionell schwierig war.

Es gab bereits einige Forschungsarbeiten zu den Problemen bei der Handhabung verformbarer linearer Objekte wie Drähte oder Rohre mit Robotern. Viele dieser Studien konzentrierten sich auf den Umgang mit topologischen Übergängen verformbarer linearer Objekte. Sie versuchten, Roboter so zu programmieren, dass sie mit Seilen Knoten knüpfen oder Schlaufen bilden. Diese Studien verwendeten die mathematische Knotentheorie, um die topologischen Übergänge des Seils zu beschreiben.

Bei diesen Ansätzen wird ein verformbares lineares Objekt in drei Dimensionen zunächst in eine zweidimensionale Ebene projiziert. Die Projektion in der Ebene, die als gekreuzte Kurven dargestellt wird, lässt sich mit der Knotentheorie gut beschreiben und behandeln.

Im Jahr 2006 entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., von der Universität Osaka in Japan eine Methode zum Verknoten und Entknoten verformbarer linearer Objekte mit Robotern. Sie definierten vier grundlegende Operationen (drei davon entsprechen Reidemeister-Bewegungen), die für den Abschluss eines Übergangs zwischen zwei beliebigen Drahtkreuzungszuständen erforderlich sind. Die Forscher zeigten, dass jede Verknotungs- oder Entknotungsoperation, die in sequentielle topologische Übergänge zerlegt werden kann, durch den Einsatz einer sequentiellen Kombination dieser vier Grundoperationen erreicht werden kann. Ihr Ansatz wurde bestätigt, als es ihnen gelang, einen SCARA-Roboter so zu programmieren, dass er ein auf einem Schreibtisch liegendes Seil verknotet.

In ähnlicher Weise entwickelten Forscher unter der Leitung von Takayuki Matsuno, Ph.D., von der Toyama Prefectural University in Imizu, Japan, eine Methode zum dreidimensionalen Verknoten eines Seils mit zwei Roboterarmen. Ein Roboter hielt das Ende des Seils, während der andere es verknotete. Um die dreidimensionale Position des Seils zu messen, wurde Stereovision eingesetzt. Der Zustand des Knotens wird mithilfe von Knoteninvarianten anstelle von Reidemeister-Bewegungen beschrieben.

In beiden Studien waren die Roboter mit einem klassischen, zweifingerigen Parallelgreifer mit nur einem Freiheitsgrad ausgestattet.

Im Jahr 2008 demonstrierte ein Forschungsteam unter der Leitung von Yuji Yamakawa von der Universität Tokio eine Technik zum Knoten von Seilen mithilfe eines Roboters, der mit einer Hochgeschwindigkeitshand mit mehreren Fingern ausgestattet war. Mit einem geschickteren Greifer – einschließlich in den Fingern montierter Kraft- und Drehmomentsensoren – werden Vorgänge wie „Seilpermutation“ sogar mit einem Arm möglich. Unter Seilpermutation versteht man den Vorgang, bei dem die Plätze zweier Seile vertauscht werden, indem man sie verdreht und dabei die Seile zwischen zwei Fingern einklemmt.

Andere Forschungsprojekte konzentrierten sich auf die Lösung von Problemen im Zusammenhang mit der Roboterhandhabung verformbarer linearer Objekte am Fließband.

Beispielsweise haben Tsugito Maruyama, Ph.D., und ein Forscherteam bei Fujitsu Laboratories Ltd. in Kawasaki, Japan, ein Kabelhandhabungssystem für eine Montagelinie zur Herstellung elektrischer Teile entwickelt. Mit einem Roboterarm wurden Signalkabel in Klammern eingeführt. Zwei Technologien waren entscheidend für den Betrieb ihres Systems: ein multiplanarer Laserlichtprojektor und ein Stereo-Vision-System.

Jürgen Acker und Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern in Deutschland haben eine Methode entwickelt, mit der mithilfe von 2D-Bildverarbeitung bestimmt werden kann, wo und wie ein verformbares lineares Objekt (in diesem Fall ein Autokabel) Objekte in der Umgebung berührt.

Basierend auf all diesen Untersuchungen haben wir versucht, ein praktisches Robotersystem für die Installation von Kabelbäumen an einer Automobilmontagelinie zu entwickeln. Obwohl unser System im Labor entwickelt wurde, basieren alle in unseren Experimenten verwendeten Bedingungen auf einem realen Automobilwerk. Unser Ziel war es, die technische Machbarkeit eines solchen Systems zu demonstrieren und Bereiche zu ermitteln, in denen weitere Entwicklung erforderlich ist.

Kabelbaumbaugruppe

Ein Kfz-Kabelbaum besteht aus mehreren Kabeln, die mit Isolierband umwickelt sind. Es hat eine baumartige Struktur, wobei jeder Zweig mit einem bestimmten Instrument verbunden ist. Am Fließband befestigt ein Arbeiter den Kabelbaum manuell am Rahmen der Instrumententafel.

Ein Satz Kunststoffklemmen ist in den Kabelbaum eingebunden. Diese Klemmen entsprechen den Löchern im Instrumententafelrahmen. Die Befestigung des Gurtes erfolgt durch Einführen der Klammern in die Löcher. Ein Robotersystem zur Installation des Kabelbaums muss daher zwei grundlegende Probleme lösen: wie man den Zustand eines Kabelbaums misst und wie man damit umgeht.

Ein Kabelbaum hat komplexe physikalische Eigenschaften. Bei der Montage weist es sowohl eine elastische als auch eine plastische Verformung auf. Dies macht es schwierig, ein präzises dynamisches Modell davon zu erhalten.

Prototypensystem

Unser Prototyp eines Kabelbaummontagesystems besteht aus drei kompakten sechsachsigen Robotern, die vor einem Instrumententafelrahmen positioniert sind. Der dritte Roboter hilft beim Positionieren und Greifen des Geschirrs.

Jeder Roboter ist mit einem Zweifinger-Parallelgreifer mit einem Freiheitsgrad ausgestattet. Die Greiffinger haben zwei Vertiefungen: eine zum Halten der Kabelbaumklemmen, die andere zum Halten von Segmenten des Kabelbaums selbst.

Jeder Endeffektor ist außerdem mit zwei CCD-Kameras und einem Laserentfernungssensor ausgestattet. Die beiden Kameras verfügen über unterschiedliche Brennweiten, um eine große Schärfentiefe zu ermöglichen. Der Laser-Entfernungssensor wird verwendet, wenn eine präzise Messung eines Drahtsegments erforderlich ist. Rund um die Arbeitszelle blicken 10 zusätzliche fest installierte Kameras aus verschiedenen Richtungen auf den Arbeitsbereich. Einschließlich der an den Endeffektoren montierten Kameras verfügt unser System über insgesamt 16 Vision-Kameras.

Die Erkennung des Kabelbaums erfolgt mittels maschineller Bildverarbeitung. An jeder Kabelbaumklemme ist eine speziell entwickelte Kunststoffabdeckung angebracht. Die Cover weisen geometrische Muster auf, die mit der ARToolKit-Software gelesen werden können. Diese Open-Source-Software wurde ursprünglich für Augmented-Reality-Anwendungen entwickelt. Es bietet eine Reihe benutzerfreundlicher Bibliotheken zum Erkennen und Erkennen der Marker. Die Kamera liest die Markierungen, um die relative Position des Gurtzeugs zu bestimmen.

Jede Klemmabdeckung hat ihr eigenes geometrisches Muster. Das Muster teilt der Robotersteuerung die relative Position des Kabelbaums im Raum sowie Informationen zu diesem Segment des Kabelbaums mit (z. B. wo dieses Segment auf dem Plattenrahmen positioniert werden soll).

Die fest installierten Kameras rund um die Arbeitszelle liefern grobe Positionsinformationen zu jeder Kabelbaumklemme. Die Position einer bestimmten Kabelbaumklemme wird durch Interpolation der Position benachbarter Klemmen geschätzt. Der Endeffektor wird mithilfe der von den festen Kameras erhaltenen Positionsinformationen zur Zielklemme geführt, bis die Handgelenkkamera das Ziel finden kann. Von diesem Moment an erfolgt die Führung des Roboters ausschließlich durch die Handgelenkskamera. Die Präzision der Handgelenkskamera auf diesem kurzen Weg sorgt für ein zuverlässiges Erfassen der Klammern.

Ein ähnlicher Vorgang wird zum Ergreifen eines verformbaren Abschnitts des Kabelbaums verwendet. Die Position des Zielsegments wird zunächst durch Interpolation der Pose benachbarter Klammern geschätzt. Da die interpolierte Kurve nicht präzise genug ist, um den Roboter zu führen, wird die geschätzte Fläche anschließend vom Laserscanner gescannt. Der Scanner sendet einen flächigen Strahl mit einer bestimmten Breite aus. Aus dem Abstandsprofil des Lasersensors lässt sich dann die genaue Position des Segments ermitteln.

Die Markierungen vereinfachen die Messung des Kabelbaums erheblich. Obwohl die Klemmabdeckungen die Kosten des Systems erhöhten, verbessern sie die Zuverlässigkeit des Systems erheblich.

Handhabung des Geschirrs

Die Kabelbaumklemme ist so konzipiert, dass sie in ein Loch im Plattenrahmen passt. Dabei ergreift der Greifer eine Klemme an ihrer Basis und führt ihre Spitze in das Loch ein.

Darüber hinaus gibt es Situationen, in denen es erforderlich ist, einen Drahtabschnitt direkt zu handhaben. Beispielsweise muss in vielen Prozessen ein Roboter den Gurt formen, bevor ein anderer Roboter seine Arbeit ausführen kann. In einem solchen Fall musste ein Roboter eine Klemme so ausrichten, dass sie von einem anderen Roboter erreicht werden konnte. Die einzige Möglichkeit, dies zu tun, bestand darin, ein nahegelegenes Drahtsegment zu verdrillen.

Zunächst haben wir versucht, den Draht durch Drehen der angrenzenden Klemme zu formen. Aufgrund der geringen Torsionssteifigkeit des Drahtsegments erwies sich dies jedoch als unmöglich. In anschließenden Experimenten ergriff und bog der Roboter das Drahtsegment direkt. Während dieses Vorgangs wird die Pose der Zielklemme von den umgebenden Kameras überwacht. Der Biegevorgang wird fortgesetzt, bis die Ausrichtung der Zielklemme mit einem Referenzwert übereinstimmt.

Verifizierungsexperimente

Nachdem wir ein Prototyp-Montagesystem entwickelt hatten, führten wir eine Reihe von Experimenten durch, um es zu testen. Der Prozess beginnt damit, dass die Roboter einen Kabelbaum von einem Kleiderbügel aufnehmen. Anschließend setzen sie acht Kabelbaumklemmen in den Plattenrahmen ein. Der Vorgang endet mit der Rückkehr der Roboter in die ursprüngliche Standby-Position.

Der rechte Arm führt die Klemmen 1, 2 und 3 ein. Der mittlere Arm führt die Klemmen 4 und 5 ein und der linke Arm führt die Klemmen 6, 7 und 8 ein.

Zuerst wird die Klemme 3 eingesetzt, dann die Klemmen 1 und 2. Anschließend werden die Klemmen 4 bis 8 in numerischer Reihenfolge eingesetzt.

Der Bewegungsablauf der Roboterarme wurde mithilfe einer Simulationssoftware generiert. Ein Kollisionserkennungsalgorithmus verhinderte, dass die Roboter gegen Objekte in der Umgebung oder gegeneinander stoßen.

Darüber hinaus wurden einige Vorgänge im Bewegungsablauf durch Referenzierung menschlicher Monteure generiert. Zu diesem Zweck haben wir die Bewegungen der Arbeiter während der Montage erfasst. Die Daten umfassen sowohl die Bewegung des Arbeiters als auch das entsprechende Verhalten des Kabelbaums. Es überrascht nicht, dass sich die Bewegungsstrategie eines Arbeiters oft als effektiver erwies als die der Roboter.

Verdrehungskontrolle von Drahtsegmenten

Bei unseren Experimenten hatten wir manchmal Schwierigkeiten beim Einsetzen der Klammern, weil es unmöglich war, den Greifer für die Aufgabe zu positionieren. Beispielsweise sollte die Klemme 5 unmittelbar nach der Befestigung der Klemme 4 am Rahmen eingesetzt werden. Allerdings würde das Kabelbaumsegment links von Klemme 4 immer durchhängen, was es für den mittleren Roboter schwierig macht, Klemme 5 zum Einführen zu positionieren.

Unsere Lösung für dieses Problem bestand darin, das Zieldrahtsegment vorzuformen, um ein erfolgreiches Greifen zu gewährleisten. Zuerst wird Klemme 5 vom linken Roboter angehoben, indem er das Drahtsegment in der Nähe von Klemme 5 ergreift. Anschließend wird die Ausrichtung von Klemme 5 durch Steuerung des Torsionszustands des Drahtsegments reguliert. Dieser Vorformvorgang stellt sicher, dass das spätere Greifen der Klemme 5 immer in der am besten geeigneten Position erfolgt.

Zusammenarbeit zwischen Waffen

In manchen Situationen erfordert die Montage eines Kabelbaums die menschenähnliche Zusammenarbeit mehrerer Roboterarme. Ein gutes Beispiel ist das Einsetzen der Klemme 1. Sobald Klemme 2 eingesetzt ist, hängt Klemme 1 durch. Der für das Einsetzen von Klemme 1 verfügbare Platz ist begrenzt und die Positionierung des Greifers ist aufgrund der Gefahr einer Kollision mit der Umgebung schwierig. Darüber hinaus haben wir aus praktischer Erfahrung gelernt, diesen Vorgang nicht mit einem durchhängenden Abschnitt des Drahtes zu beginnen, da dies dazu führen könnte, dass sich Drahtabschnitte bei späteren Vorgängen im umgebenden Rahmen verfangen.

Unsere Lösung für dieses Problem wurde vom Verhalten menschlicher Arbeiter inspiriert. Ein menschlicher Arbeiter koordiniert mühelos den Einsatz seiner beiden Arme, um eine Aufgabe zu erledigen. In diesem Fall würde ein Arbeiter einfach mit einer Hand die Klemme 4 einführen und gleichzeitig mit der anderen Hand die Position des Drahtsegments anpassen. Wir haben die Roboter so programmiert, dass sie dieselbe Strategie umsetzen.

Plastische Verformung

In manchen Situationen war es schwierig, das Drahtsegment durch den kooperativen Einsatz zweier Roboter vorzuformen. Ein gutes Beispiel ist der Vorgang des Einsetzens der Klemme 6. Für diesen Vorgang haben wir erwartet, dass der linke Roboterarm ihn in den Rahmen einführt, da er der einzige Roboterarm ist, der das Ziel erreichen kann.

Wie sich herausstellte, konnte der Roboter die Klemme zunächst nicht erreichen. Wenn die Steuerung feststellt, dass das Greifen der Klemme nicht möglich ist, versucht der Roboter, das Drahtsegment in der Nähe der Klemme zu greifen, anstatt die Klemme selbst zu greifen. Anschließend dreht und biegt der Roboter das Segment, um die Klemmfläche weiter nach links zu drehen. Ein paarmaliges Biegen eines Segments reicht normalerweise aus, um seine Position zu ändern. Sobald sich das Segment in einer geeigneten Position zum Greifen befindet, unternimmt der Roboter einen weiteren Versuch, die Zielklemme zu greifen.

Schlussfolgerungen

Letztendlich war unser Robotersystem in der Lage, in einer durchschnittlichen Zeit von 3 Minuten acht Klammern im Instrumententafelrahmen zu installieren. Obwohl diese Geschwindigkeit noch weit von den Anforderungen für die praktische Anwendung entfernt ist, zeigt sie doch die technische Machbarkeit der robotergestützten Kabelbaummontage.

Um das System zuverlässig und schnell genug für den praktischen Einsatz in der Industrie zu machen, müssen mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist es wichtig, dass Kabelbäume für die Robotermontage vorgeformt sind. Im Vergleich zu Knoten- und Entknotungsvorgängen ist der Torsionszustand einzelner Kabelsegmente für die Kabelbauminstallation von entscheidender Bedeutung, da die Roboter Teile handhaben, die in den Kabelbaum eingebunden sind. Darüber hinaus würde ein Greifer mit Drehfreiheitsgrad auch bei der Kabelbauminstallation helfen.

Um die Prozessgeschwindigkeit zu verbessern, sollte das dynamische Verhalten des Drahtes berücksichtigt werden. Deutlich wird dies in den Filmstudien von Facharbeitern beim Einlegen von Kabelbäumen. Sie nutzen beide Hände und geschickte Bewegungen, um das dynamische Schwingen des Drahtes zu steuern und so umliegenden Hindernissen auszuweichen. Bei der Implementierung einer Robotermontage mit ähnlicher Geschwindigkeit sind spezielle Ansätze erforderlich, um das dynamische Verhalten des Drahtes zu unterdrücken.

Obwohl viele der in unserer Forschung verwendeten Ansätze unkompliziert sind, konnten wir die automatische Montage mit unserem Prototyp-Robotersystem erfolgreich demonstrieren. Bei derartigen Aufgaben besteht Potenzial für Automatisierung.