ऑटोमोटिव वायर हार्नेस की रोबोटिक असेंबली

नए शोध से पता चलता है कि ऑटोमोटिव वायरिंग हार्नेस स्थापित करने के लिए छह-अक्ष रोबोट का उपयोग किया जा सकता है।

शिन यांग द्वारा

स्रोत: https://www.assemblymag.com/articles/92264-robotic-assembly-of-automotion-wire-harnesses

मल्टी-एक्सिस रोबोट हथियार ऑटोमोटिव असेंबली प्लांट में पेंटिंग, वेल्डिंग और फास्टनिंग सहित कई प्रकार की प्रक्रियाएं करते हैं।

हालाँकि, स्वचालन प्रौद्योगिकी में प्रगति के बावजूद, कुछ प्रक्रियाएँ अभी भी कुशल मानव असेंबलरों के बिना पूरी नहीं की जा सकती हैं। कार की बॉडी में वायर हार्नेस लगाने का काम एक ऐसा काम है जो परंपरागत रूप से रोबोट के लिए कठिन रहा है।

रोबोट के साथ विकृत रैखिक वस्तुओं, जैसे तार या ट्यूबिंग, को संभालने की समस्याओं से संबंधित कुछ पिछले शोध हुए हैं। इनमें से कई अध्ययनों ने विकृत रैखिक वस्तुओं के टोपोलॉजिकल संक्रमण से निपटने के तरीके पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने रस्सी से गांठें बांधने या लूप बनाने के लिए रोबोट को प्रोग्राम करने की कोशिश की। इन अध्ययनों ने रस्सी के टोपोलॉजिकल बदलावों का वर्णन करने के लिए गणितीय गाँठ सिद्धांत को लागू किया।

इन दृष्टिकोणों में, तीन आयामों में एक विकृत रैखिक वस्तु को पहले दो-आयामी विमान में प्रक्षेपित किया जाता है। समतल में प्रक्षेपण, जिसे पार किए गए वक्रों के रूप में प्रदर्शित किया जाता है, को गाँठ सिद्धांत का उपयोग करके अच्छी तरह से वर्णित और इलाज किया जा सकता है।

2006 में, जापान में ओसाका विश्वविद्यालय के पीएचडी, हिदेफुमी वाकामात्सू के नेतृत्व में एक शोध दल ने रोबोट के साथ विकृत रैखिक वस्तुओं को जोड़ने और खोलने के लिए एक विधि विकसित की। उन्होंने किन्हीं दो वायर-क्रॉसिंग राज्यों के बीच संक्रमण को पूरा करने के लिए आवश्यक चार मौलिक संचालन (उनमें से, तीन रिडेमिस्टर चाल के बराबर हैं) को परिभाषित किया। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि कोई भी गांठ लगाने या खोलने का ऑपरेशन जिसे अनुक्रमिक टोपोलॉजिकल बदलावों में विघटित किया जा सकता है, इन चार मूलभूत परिचालनों के अनुक्रमिक संयोजन को नियोजित करके प्राप्त किया जा सकता है। उनका दृष्टिकोण तब सत्यापित हुआ जब वे एक डेस्क पर रखी रस्सी में गांठ लगाने के लिए SCARA रोबोट को प्रोग्राम करने में सक्षम हुए।

इसी तरह, जापान के इमिज़ू में टोयामा प्रीफेक्चुरल यूनिवर्सिटी के पीएच.डी. ताकायुकी मात्सुनो के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने दो रोबोट हथियारों का उपयोग करके तीन-आयामों में रस्सी को बांधने की एक विधि विकसित की। एक रोबोट ने रस्सी का सिरा पकड़ रखा था, जबकि दूसरे ने उसमें गांठ लगा दी। रस्सी की त्रि-आयामी स्थिति को मापने के लिए स्टीरियो विज़न का उपयोग किया गया। गाँठ की स्थिति का वर्णन रिडेमिस्टर चालों के बजाय गाँठ अपरिवर्तनीयों का उपयोग करके किया गया है।

दोनों अध्ययनों में, रोबोट केवल एक डिग्री की स्वतंत्रता के साथ एक क्लासिक, दो-उंगली वाले समानांतर ग्रिपर से लैस थे।

2008 में, टोक्यो विश्वविद्यालय के युजी यामाकावा के नेतृत्व में एक शोध दल ने उच्च गति वाले बहु-उंगलियों वाले हाथ से सुसज्जित रोबोट का उपयोग करके रस्सी में गांठ लगाने की तकनीक का प्रदर्शन किया। अधिक कुशल ग्रिपर के साथ - जिसमें उंगलियों में लगे बल और टॉर्क सेंसर शामिल हैं - "रस्सी क्रमपरिवर्तन" जैसे ऑपरेशन एक हाथ से भी संभव हो जाते हैं। रस्सी क्रमपरिवर्तन से तात्पर्य दो अंगुलियों के बीच रस्सियों को पिंच करते समय उन्हें घुमाकर उनके स्थानों के आदान-प्रदान के संचालन से है।

अन्य अनुसंधान परियोजनाओं ने असेंबली लाइन पर विकृत रैखिक वस्तुओं की रोबोटिक हैंडलिंग से संबंधित समस्याओं को हल करने पर ध्यान केंद्रित किया है।

उदाहरण के लिए, त्सुगिटो मारुयामा, पीएच.डी., और जापान के कावासाकी में फुजित्सु लेबोरेटरीज लिमिटेड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने विद्युत भागों को बनाने वाली असेंबली लाइन के लिए एक तार-हैंडलिंग प्रणाली विकसित की। सिग्नल केबलों को क्लैप्स में डालने के लिए एक रोबोट बांह का उपयोग किया गया था। उनके सिस्टम को काम करने में सक्षम बनाने के लिए दो प्रौद्योगिकियाँ महत्वपूर्ण थीं: एक मल्टी-प्लानर लेजर लाइट प्रोजेक्टर और एक स्टीरियो विज़न सिस्टम।

जर्मनी में कैसरस्लॉटर्न यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के जुर्गन एकर और शोधकर्ताओं ने 2डी मशीन विजन का उपयोग करके यह निर्धारित करने के लिए एक विधि विकसित की है कि एक विकृत रैखिक वस्तु (इस मामले में, एक ऑटोमोटिव केबल) पर्यावरण में वस्तुओं से कहां और कैसे संपर्क करती है।

इस सभी शोध के आधार पर, हमने ऑटोमोटिव असेंबली लाइन पर वायर हार्नेस स्थापित करने के लिए एक व्यावहारिक रोबोटिक प्रणाली विकसित करने का प्रयास किया। यद्यपि हमारी प्रणाली प्रयोगशाला में विकसित की गई थी, हमारे प्रयोगों में नियोजित सभी स्थितियाँ एक वास्तविक ऑटोमोबाइल संयंत्र से संदर्भित हैं। हमारा लक्ष्य ऐसी प्रणाली की तकनीकी व्यवहार्यता प्रदर्शित करना और उन क्षेत्रों का निर्धारण करना था जहां और विकास आवश्यक है।

वायर हार्नेस असेंबली

एक ऑटोमोटिव वायर हार्नेस में विद्युत टेप से लिपटे कई केबल होते हैं। इसमें एक पेड़ जैसी संरचना होती है, जिसकी प्रत्येक शाखा एक विशिष्ट उपकरण से जुड़ी होती है। असेंबली लाइन पर, एक कार्यकर्ता मैन्युअल रूप से हार्नेस को उपकरण पैनल फ्रेम से जोड़ता है।

प्लास्टिक क्लैंप का एक सेट तार हार्नेस में बंधा हुआ है। ये क्लैंप उपकरण पैनल फ्रेम में छेद से मेल खाते हैं। छेदों में क्लैंप डालकर हार्नेस को जोड़ा जाता है। इसलिए हार्नेस स्थापित करने के लिए एक रोबोटिक प्रणाली को दो बुनियादी समस्याओं का समाधान करना होगा: तार हार्नेस की स्थिति को कैसे मापें, और इसे कैसे संभालें।

एक तार हार्नेस में जटिल भौतिक गुण होते हैं। असेंबली के दौरान, यह लोचदार विरूपण और प्लास्टिक विरूपण दोनों प्रदर्शित करता है। इससे इसका सटीक गतिशील मॉडल प्राप्त करना कठिन हो जाता है।

प्रोटोटाइप सिस्टम

हमारे प्रोटोटाइप हार्नेस असेंबली सिस्टम में तीन, कॉम्पैक्ट छह-अक्ष रोबोट होते हैं जो एक उपकरण पैनल फ्रेम के सामने स्थित होते हैं। तीसरा रोबोट हार्नेस की स्थिति निर्धारित करने और उसे पकड़ने में मदद करता है।

प्रत्येक रोबोट एक डिग्री की स्वतंत्रता के साथ दो-उंगली वाले समानांतर ग्रिपर से सुसज्जित है। ग्रिपर उंगलियों में दो इंडेंटेशन होते हैं: एक हार्नेस क्लैंप को पकड़ने के लिए, दूसरा हार्नेस के खंडों को पकड़ने के लिए।

प्रत्येक एंड-इफ़ेक्टर दो सीसीडी कैमरे और एक लेजर रेंज सेंसर से भी सुसज्जित है। क्षेत्र की बड़ी गहराई प्रदान करने के लिए दोनों कैमरों की फोकल लंबाई अलग-अलग है। लेजर रेंज सेंसर का उपयोग तब किया जाता है जब तार खंड का सटीक माप आवश्यक होता है। कार्य कक्ष के चारों ओर, 10 अतिरिक्त निश्चित स्थिति वाले कैमरे विभिन्न दिशाओं से कार्य क्षेत्र का सामना करते हैं। अंतिम-प्रभावकों पर लगे कैमरों को शामिल करते हुए, हमारा सिस्टम कुल 16 विज़न कैमरे नियोजित करता है।

हार्नेस की पहचान मशीन दृष्टि से की जाती है। प्रत्येक हार्नेस क्लैंप से एक विशेष रूप से डिज़ाइन किया गया प्लास्टिक कवर जुड़ा हुआ है। कवर में ज्यामितीय पैटर्न हैं जिन्हें ARToolKit सॉफ़्टवेयर के साथ पढ़ा जाता है। यह ओपन-सोर्स सॉफ़्टवेयर मूल रूप से संवर्धित वास्तविकता अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन किया गया था। यह मार्करों का पता लगाने और पहचानने के लिए उपयोग में आसान पुस्तकालयों का एक सेट प्रदान करता है। हार्नेस की सापेक्ष स्थिति निर्धारित करने के लिए कैमरा मार्करों को पढ़ता है।

प्रत्येक क्लैंप कवर का अपना ज्यामितीय पैटर्न होता है। पैटर्न रोबोट नियंत्रक को अंतरिक्ष में हार्नेस की सापेक्ष स्थिति बताता है, साथ ही हार्नेस के उस खंड के बारे में जानकारी देता है (जैसे कि उस खंड को पैनल फ्रेम पर कहां रखा जाना चाहिए)।

वर्कसेल के चारों ओर लगे कैमरे प्रत्येक हार्नेस क्लैंप के बारे में अनुमानित स्थिति संबंधी जानकारी प्रदान करते हैं। एक विशिष्ट हार्नेस क्लैंप की स्थिति का अनुमान आसन्न क्लैंप की स्थिति को प्रक्षेपित करके लगाया जाता है। अंतिम-प्रभावक को स्थिर कैमरों से प्राप्त स्थिति संबंधी जानकारी के साथ लक्ष्य क्लैंप तक पहुंचने के लिए निर्देशित किया जाता है - जब तक कि कलाई का कैमरा लक्ष्य का पता नहीं लगा लेता। उस क्षण से, रोबोट मार्गदर्शन केवल कलाई कैमरे द्वारा प्रदान किया जाता है। उस कम दूरी में कलाई कैमरे द्वारा प्रदान की गई सटीकता क्लैंप की विश्वसनीय पकड़ सुनिश्चित करती है।

इसी तरह की प्रक्रिया का उपयोग वायर हार्नेस के विकृत खंड को पकड़ने के लिए किया जाता है। लक्ष्य खंड की स्थिति का अनुमान सबसे पहले आसन्न क्लैंप की स्थिति को प्रक्षेपित करके लगाया जाता है। चूंकि इंटरपोलेटेड वक्र रोबोट को निर्देशित करने के लिए पर्याप्त सटीक नहीं है, इसलिए अनुमानित क्षेत्र को लेजर स्कैनर द्वारा स्कैन किया जाता है। स्कैनर एक विशेष चौड़ाई के साथ एक समतल किरण उत्सर्जित करता है। तब खंड की सटीक स्थिति लेजर सेंसर से प्राप्त दूरी प्रोफ़ाइल से निर्धारित की जा सकती है।

मार्कर वायर हार्नेस के माप को बहुत सरल बनाते हैं। हालाँकि क्लैंप कवर ने सिस्टम की लागत में वृद्धि की, लेकिन उन्होंने सिस्टम की विश्वसनीयता में काफी सुधार किया।

हार्नेस हैंडलिंग

हार्नेस क्लैंप को पैनल फ्रेम में एक छेद के साथ जुड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस प्रकार, ग्रिपर एक क्लैंप को उसके आधार से पकड़ता है और अपने पैर के अंगूठे को छेद में डालता है।

इसके अलावा, कुछ अवसर ऐसे भी होते हैं जिनमें किसी तार खंड को सीधे संभालना आवश्यक होता है। उदाहरण के लिए, कई प्रक्रियाओं में, एक रोबोट को दूसरे रोबोट द्वारा अपना काम करने से पहले हार्नेस को आकार देना होगा। ऐसे मामले में, एक रोबोट को एक क्लैंप को उन्मुख करने की आवश्यकता होती है ताकि दूसरे रोबोट तक उस तक पहुंचा जा सके। ऐसा करने का एकमात्र तरीका पास के तार खंड को मोड़ना था।

प्रारंभ में, हमने तार के निकटवर्ती क्लैंप को घुमाकर उसे आकार देने का प्रयास किया। हालाँकि, तार खंड की कम मरोड़ वाली कठोरता के कारण, यह असंभव साबित हुआ। बाद के प्रयोगों में, रोबोट ने तार खंड को सीधे पकड़ लिया और मोड़ दिया। इस प्रक्रिया के दौरान, लक्ष्य क्लैंप की स्थिति की निगरानी आसपास के कैमरों द्वारा की जाती है। झुकने की प्रक्रिया तब तक जारी रहेगी जब तक लक्ष्य क्लैंप का अभिविन्यास संदर्भ मान के साथ मेल नहीं खाता।

सत्यापन प्रयोग

एक बार जब हमने एक प्रोटोटाइप असेंबली सिस्टम विकसित कर लिया, तो हमने इसका परीक्षण करने के लिए प्रयोगों की एक श्रृंखला चलायी। यह प्रक्रिया रोबोट द्वारा हैंगर से तार उठाने के साथ शुरू होती है। फिर वे पैनल फ्रेम में आठ हार्नेस क्लैंप डालते हैं। यह प्रक्रिया रोबोटों के प्रारंभिक स्टैंडबाय स्थिति में लौटने के साथ समाप्त होती है।

दाहिना हाथ क्लैंप 1, 2 और 3 डालता है। केंद्रीय हाथ क्लैंप 4 और 5 डालता है, और बायाँ हाथ क्लैंप 6, 7 और 8 डालता है।

पहले क्लैंप 3 डालें, उसके बाद क्लैंप 1 और 2 डालें। फिर संख्यात्मक क्रम में क्लैंप 4 से 8 डाले जाते हैं।

सिमुलेशन सॉफ्टवेयर का उपयोग करके रोबोट हथियारों का गति क्रम तैयार किया गया था। टकराव का पता लगाने वाले एल्गोरिदम ने रोबोटों को पर्यावरण में मौजूद वस्तुओं या एक-दूसरे से टकराने से रोका।

इसके अलावा, गति अनुक्रम में कुछ संचालन मानव असेंबलरों को संदर्भित करके उत्पन्न किए गए थे। इस उद्देश्य के लिए, हमने असेंबली के दौरान कार्यकर्ताओं की गतिविधियों को कैद किया। डेटा में कार्यकर्ता की गति और वायर हार्नेस का संबंधित व्यवहार दोनों शामिल हैं। आश्चर्य की बात नहीं है, एक कार्यकर्ता द्वारा अपनाई गई गति रणनीति अक्सर रोबोट की तुलना में अधिक प्रभावी साबित होती है।

तार खंडों का घुमाव नियंत्रण

हमारे प्रयोगों में, हमें कभी-कभी क्लैंप डालने में कठिनाइयों का सामना करना पड़ा क्योंकि कार्य के लिए ग्रिपर को स्थापित करना असंभव था। उदाहरण के लिए, क्लैंप 4 को फ़्रेम पर फिक्स करने के तुरंत बाद क्लैंप 5 डाला जाना चाहिए। हालाँकि, क्लैंप 4 का बायां हार्नेस खंड हमेशा नीचे गिर जाएगा, जिससे केंद्र रोबोट के लिए क्लैंप 5 को डालने के लिए स्थिति बनाना मुश्किल हो जाएगा।

इस समस्या का हमारा समाधान सफल पकड़ सुनिश्चित करने के लिए लक्ष्य तार खंड को पूर्व-आकार देना था। सबसे पहले, क्लैंप 5 को क्लैंप 5 के पास तार खंड को पकड़कर बाएं रोबोट द्वारा ऊपर उठाया जाता है। फिर, क्लैंप 5 के अभिविन्यास को तार खंड की मरोड़ स्थिति को नियंत्रित करके नियंत्रित किया जाता है। यह प्री-शेपिंग ऑपरेशन यह सुनिश्चित करता है कि क्लैंप 5 की बाद की ग्रिपिंग हमेशा सबसे उपयुक्त स्थिति में निष्पादित की जाती है।

हथियारों के बीच सहयोग

कुछ स्थितियों में, वायर हार्नेस की असेंबली के लिए कई रोबोट हथियारों के बीच मानव जैसे सहयोग की आवश्यकता होती है। क्लैंप 1 लगाना एक अच्छा उदाहरण है। एक बार क्लैंप 2 डालने के बाद, क्लैंप 1 गिर जाएगा। क्लैंप 1 डालने के लिए उपलब्ध स्थान सीमित है, और आसपास के वातावरण से टकराने के जोखिम के कारण ग्रिपर को स्थापित करना मुश्किल है। इसके अलावा, व्यावहारिक अनुभव ने हमें सिखाया कि इस ऑपरेशन को तार के गिरने वाले खंड के साथ शुरू करने से बचें, क्योंकि इससे बाद के ऑपरेशन में तार के खंड आसपास के फ्रेम द्वारा पकड़े जा सकते हैं।

इस समस्या का हमारा समाधान मानव श्रमिकों के व्यवहार से प्रेरित था। एक मानव कार्यकर्ता किसी कार्य को पूरा करने के लिए अपनी दोनों भुजाओं के उपयोग का आसानी से समन्वय करता है। इस मामले में, एक कर्मचारी बस एक हाथ से क्लैंप 4 डालेगा, साथ ही दूसरे हाथ से तार खंड की स्थिति को समायोजित करेगा। हमने उसी रणनीति को लागू करने के लिए रोबोटों को प्रोग्राम किया।

प्लास्टिक विकृत करना

कुछ स्थितियों में, दो रोबोटों को सहयोगपूर्वक नियोजित करके तार खंड को पूर्व-आकार देना मुश्किल था। क्लैंप 6 डालने की प्रक्रिया एक अच्छा उदाहरण है। इस ऑपरेशन के लिए, हमें उम्मीद थी कि बायां रोबोट हाथ इसे फ्रेम में डाल देगा, क्योंकि यह एकमात्र रोबोट हाथ है जो लक्ष्य तक पहुंच सकता है।

जैसा कि बाद में पता चला, रोबोट शुरू में क्लैंप तक नहीं पहुंच सका। जब नियंत्रक निर्धारित करता है कि क्लैंप को पकड़ना संभव नहीं है, तो रोबोट क्लैंप को पकड़ने के बजाय क्लैंप के पास तार खंड को पकड़ने का प्रयास करेगा। फिर रोबोट क्लैंप के चेहरे को बाईं ओर मोड़ने के लिए खंड को मोड़ता और मोड़ता है। किसी खंड को कुछ बार मोड़ना आमतौर पर उसकी स्थिति बदलने के लिए पर्याप्त होता है। एक बार जब खंड पकड़ के लिए उपयुक्त स्थिति में आ जाता है, तो रोबोट लक्ष्य क्लैंप को पकड़ने का एक और प्रयास करेगा।

निष्कर्ष

अंततः, हमारा रोबोटिक सिस्टम 3 मिनट के औसत समय के साथ उपकरण पैनल फ्रेम में आठ क्लैंप स्थापित करने में सक्षम था। हालाँकि वह गति अभी भी व्यावहारिक अनुप्रयोग की आवश्यकता से दूर है, यह रोबोटिक वायर हार्नेस असेंबली की तकनीकी व्यवहार्यता को प्रदर्शित करती है।

व्यावहारिक उद्योग अनुप्रयोग के लिए सिस्टम को विश्वसनीय और पर्याप्त तेज़ बनाने के लिए कई समस्याओं का समाधान किया जाना चाहिए। सबसे पहले, रोबोटिक असेंबली के लिए वायर हार्नेस का पूर्व-आकार का होना महत्वपूर्ण है। गाँठ लगाने और खोलने के संचालन की तुलना में, तार हार्नेस की स्थापना के लिए अलग-अलग तार खंडों की मरोड़ वाली स्थिति महत्वपूर्ण है, क्योंकि रोबोट हार्नेस में बंधे भागों को संभाल रहे हैं। इसके अलावा, स्वतंत्रता की घुमाव की डिग्री से सुसज्जित एक ग्रिपर भी हार्नेस स्थापना में मदद करेगा।

प्रक्रिया की गति में सुधार के लिए तार के गतिशील व्यवहार पर विचार किया जाना चाहिए। वायर हार्नेस डालने वाले कुशल श्रमिकों के फिल्म अध्ययन में यह स्पष्ट है। वे तार के गतिशील झूलने को नियंत्रित करने के लिए दोनों हाथों और कुशल गति का उपयोग करते हैं और इस तरह आसपास की बाधाओं से बचते हैं। समान गति के साथ रोबोटिक असेंबली को लागू करते समय, तार के गतिशील व्यवहार को दबाने के लिए विशेष दृष्टिकोण आवश्यक होंगे।

हालाँकि हमारे शोध में नियोजित कई दृष्टिकोण सीधे हैं, हमने अपने प्रोटोटाइप रोबोटिक सिस्टम के साथ स्वचालित असेंबली का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया। इस प्रकार के कार्यों में स्वचालन की संभावना है।