自動車用ワイヤーハーネスのロボット組立

新しい研究では、6 軸ロボットを自動車のワイヤーハーネスの取り付けに使用できることが示唆されています。

シン・ヤン著

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

自動車組立工場では、多軸ロボットアームが塗装、溶接、締結などのさまざまな工程を行っています。

しかし、自動化技術が進歩しても、熟練した人間の組み立て作業者なしでは完了できないプロセスもあります。ワイヤーハーネスを車体に取り付ける作業も、従来ロボットでは困難とされてきた作業の一つです。

ワイヤーやチューブなどの変形可能な線状物体をロボットで扱う際の問題に関連した研究がこれまでにいくつか行われています。これらの研究の多くは、変形可能な線形オブジェクトのトポロジー遷移をどのように扱うかに焦点を当てていました。彼らはロボットにロープで結び目を作ったり輪を作ったりするようにプログラムしようとしました。これらの研究では、数学的な結び目理論を適用して、ロープのトポロジカルな遷移を説明しました。

これらのアプローチでは、3 次元の変形可能な線形オブジェクトが最初に 2 次元平面に投影されます。平面内の投影は、交差した曲線として示され、結び目理論を使用して適切に記述および処理できます。

2006年、日本の大阪大学の若松秀文博士率いる研究チームは、ロボットを使って変形可能な線状物体を結んだり解いたりする方法を開発した。彼らは、ワイヤーを交差する 2 つの状態間の遷移を完了するために必要な 4 つの基本操作 (そのうち 3 つはライデマイスターの動きに相当) を定義しました。研究者らは、一連のトポロジー遷移に分解できるノッティングまたはノット解除操作は、これら 4 つの基本操作を順次組み合わせて使用​​することで実現できることを示しました。彼らのアプローチは、机の上に置かれたロープを結ぶようにスカラロボットをプログラムできたときに検証されました。

同様に、射水市にある富山県立大学の松野貴之博士率いる研究者らは、2本のロボットアームを使ってロープを三次元で結ぶ方法を開発した。 1 台のロボットがロープの端を持ち、もう 1 台がロープを結びました。ロープの三次元位置の計測にはステレオビジョンを採用しました。結び目の状態は、ライデマイスターの動きの代わりに結び目の不変条件を使用して記述されます。

どちらの研究でも、ロボットには、自由度が 1 つだけの古典的な 2 本指の平行グリッパーが装備されていました。

2008年、東京大学の山川裕司氏らの研究チームは、高速多指ハンドを備えたロボットを使ってロープを結ぶ技術を実証した。指に取り付けられた力センサーとトルクセンサーを含む、より器用なグリッパーを使用すると、片腕でも「ロープの並べ替え」などの操作が可能になります。ロープパーテーションとは、2本の指でロープを挟みながらねじることにより、2本のロープの位置を入れ替える操作を指します。

他の研究プロジェクトは、組立ラインでの変形可能な線形物体のロボットによる取り扱いに関連する問題の解決に焦点を当てています。

たとえば、川崎市にある富士通研究所の丸山次人博士と研究者チームは、電気部品を製造する組立ライン用のワイヤ処理システムを開発しました。信号ケーブルを留め金に挿入するためにロボット アームが使用されました。システムの動作を可能にするためには、多平面レーザー光プロジェクターとステレオ ビジョン システムという 2 つのテクノロジーが不可欠でした。

ユルゲン・アッカー氏とドイツのカイザースラウテルン工科大学の研究者らは、2D マシンビジョンを使用して、変形可能な線状物体 (この場合は自動車ケーブル) が環境内の物体とどこでどのように接触するかを判断する方法を開発しました。

これらすべての研究に基づいて、私たちは自動車組立ラインにワイヤーハーネスを取り付けるための実用的なロボットシステムの開発を試みました。私たちのシステムは実験室で開発されましたが、実験で使用されたすべての条件は実際の自動車工場から参照されています。私たちの目標は、このようなシステムの技術的な実現可能性を実証し、さらなる開発が必要な領域を判断することでした。

ワイヤーハーネスアセンブリ

自動車のワイヤー ハーネスは、電気テープで包まれた複数のケーブルで構成されています。これはツリー状の構造を持ち、各枝が特定の楽器に接続されています。組み立てラインでは、作業員が手作業でハーネスをインパネフレームに取り付けます。

一連のプラスチック クランプがワイヤー ハーネスに結合されています。これらのクランプは、インストルメント パネル フレームの穴に対応します。ハーネスの取り付けは、クランプを穴に挿入することによって行われます。したがって、ハーネスを取り付けるロボット システムは、ワイヤー ハーネスの状態をどのように測定するか、およびワイヤー ハーネスをどのように取り扱うかという 2 つの基本的な問題を解決する必要があります。

ワイヤーハーネスは複雑な物理的特性を持っています。組み立て中には、弾性変形と塑性変形の両方が起こります。このため、その正確な動的モデルを取得することが困難になります。

プロトタイプシステム

当社のプロトタイプのハーネス組立システムは、インストルメント パネル フレームの前に配置された 3 台のコンパクトな 6 軸ロボットで構成されています。 3 番目のロボットは、ハーネスの位置決めと把握を支援します。

各ロボットには、1 自由度の 2 本指平行グリッパーが装備されています。グリッパー フィンガーには 2 つのくぼみがあり、1 つはハーネス クランプを保持するため、もう 1 つはハーネス自体のセグメントを保持するためです。

各エンドエフェクターには、2 台の CCD カメラと 1 台のレーザー距離センサーも装備されています。 2 台のカメラは焦点距離が異なるため、被写界深度が深くなります。レーザーレンジセンサーは、ワイヤーセグメントまでの正確な測定が必要な場合に使用されます。ワークセルの周囲には、さらに 10 台の固定位置カメラがさまざまな方向から作業エリアを向いています。エンドエフェクターに取り付けられたカメラを含め、当社のシステムでは合計 16 台のビジョンカメラが使用されています。

ハーネスの認識はマシンビジョンで行われます。特別に設計されたプラスチックカバーが各ハーネスクランプに取り付けられています。表紙には幾何学模様があり、ARToolKit ソフトウェアで読み取られます。このオープンソース ソフトウェアは、もともと拡張現実アプリケーション用に設計されました。マーカーを検出および認識するための使いやすいライブラリのセットを提供します。カメラはマーカーを読み取り、ハーネスの相対位置を決定します。

各クランプ カバーには独自の幾何学模様が施されています。パターンは、空間内のハーネスの相対位置と、ハーネスのそのセグメントに関する情報 (そのセグメントがパネル フレーム上のどこに配置されるべきかなど) をロボット コントローラーに伝えます。

ワークセルの周囲にある固定カメラは、各ハーネス クランプの大まかな位置情報を提供します。特定のハーネス クランプの位置は、隣接するクランプの位置を補間することによって推定されます。エンドエフェクタは、リスト カメラがターゲットを見つけるまで、固定カメラから取得した位置情報を使用してターゲット クランプに近づくように誘導されます。その瞬間から、ロボットの誘導は手首のカメラのみによって提供されます。リストカメラがその短距離で提供する精度により、クランプの信頼性の高い把握が保証されます。

同様のプロセスを使用して、ワイヤー ハーネスの変形可能なセグメントを把握します。ターゲット セグメントの位置は、まず、隣接するクランプの姿勢を補間することによって推定されます。補間された曲線はロボットをガイドできるほど正確ではないため、推定された領域がレーザー スキャナーでスキャンされます。スキャナは特定の幅の平面ビームを放射します。セグメントの正確な位置は、レーザー センサーから取得した距離プロファイルから決定できます。

マーカーによりワイヤーハーネスの測定が大幅に簡素化されます。クランプ カバーによりシステムのコストは増加しましたが、システムの信頼性は大幅に向上しました。

ハーネスの取り扱い

ハーネス クランプはパネル フレームの穴に嵌合するように設計されています。したがって、グリッパーはそのベースでクランプをつかみ、そのつま先を穴に挿入します。

さらに、ワイヤセグメントを直接処理する必要がある場合もあります。たとえば、多くのプロセスでは、あるロボットがその作業を実行する前に、あるロボットがハーネスを成形する必要があります。このような場合、あるロボットは、別のロボットがクランプに到達できるようにクランプの向きを変える必要がありました。これを行う唯一の方法は、近くのワイヤーセグメントをねじることでした。

最初に、隣接するクランプをねじることによってワイヤを成形しようとしました。しかし、ワイヤーセグメントのねじり剛性が低いため、これは不可能であることが判明しました。その後の実験では、ロボットがワイヤーセグメントを直接掴んで曲げました。このプロセス中、ターゲット クランプの姿勢は周囲のカメラによって監視されます。曲げ加工はターゲットクランプの向きが基準値と一致するまで続けられます。

検証実験

プロトタイプの組み立てシステムを開発したら、それをテストするために一連の実験を実行しました。このプロセスは、ロボットがハンガーからワイヤー ハーネスを取り出すことから始まります。次に、8 つのハーネス クランプをパネル フレームに挿入します。ロボットが最初の待機位置に戻ってプロセスは終了します。

右アームはクランプ 1、2、3 を挿入します。中央アームはクランプ 4 と 5 を挿入し、左アームはクランプ 6、7、8 を挿入します。

最初にクランプ 3 を挿入し、次にクランプ 1 と 2 を挿入します。次に、クランプ 4 ～ 8 を番号順に挿入します。

ロボット アームの動作シーケンスは、シミュレーション ソフトウェアを使用して生成されました。衝突検出アルゴリズムにより、ロボットが環境内の物体に衝突したり、ロボット同士が衝突したりすることが防止されました。

さらに、モーション シーケンスの一部の操作は人間のアセンブラーを参照して生成されました。この目的のために、組み立て中の作業者の動きをキャプチャしました。データには、作業者の動きとそれに対応するワイヤー ハーネスの動作の両方が含まれます。当然のことながら、作業員がとった動作戦略は、ロボットの動作戦略よりも効果的であることが判明することがよくありました。

ワイヤセグメントのねじり制御

私たちの実験では、作業に合わせてグリッパーの位置を決めることができなかったため、クランプを挿入するのが困難になることがありました。たとえば、クランプ 5 は、クランプ 4 をフレームに固定した直後に挿入する必要があります。しかし、クランプ 4 の左側のハーネス セグメントは常に垂れ下がり、センター ロボットがクランプ 5 を挿入する位置に配置することが困難になります。

この問題に対する私たちの解決策は、確実に確実に掴めるように対象のワイヤ セグメントを事前に成形することでした。まず、左側のロボットによりクランプ 5 付近のワイヤセグメントを掴んでクランプ 5 を上昇させます。その後、ワイヤセグメントのねじり状態を制御することでクランプ 5 の向きを調整します。この事前整形作業により、その後のクランプ 5 の把持が常に最適な位置で実行されることが保証されます。

アーム間の連携

状況によっては、ワイヤー ハーネスの組み立てでは、複数のロボット アーム間の人間のような協力が必要になります。クランプ 1 の挿入が良い例です。クランプ 2 を挿入すると、クランプ 1 が垂れ下がります。クランプ 1 を挿入できるスペースは限られており、周囲環境と衝突する危険性があるため、グリッパーの位置決めが困難です。さらに、実際の経験から、ワイヤのセグメントが垂れ下がった状態でこの作業を開始することは避けるべきだと学びました。これは、その後の作業でワイヤのセグメントが周囲のフレームに引っかかる可能性があるためです。

この問題に対する私たちの解決策は、人間の労働者の行動からインスピレーションを受けました。人間の作業者は、作業を完了するために 2 本の腕の使い方を簡単に調整できます。この場合、作業者は片手でクランプ 4 を挿入し、同時にもう一方の手でワイヤ セグメントの位置を調整します。私たちは同じ戦略を実行するようにロボットをプログラムしました。

塑性変形

状況によっては、2 台のロボットを協力して使用してワイヤー セグメントを事前に成形することが困難な場合もありました。クランプ 6 の挿入プロセスはその好例です。この操作では、左側のロボット アームがターゲットに到達できる唯一のロボット アームであるため、左側のロボット アームがフレームに挿入されると予想しました。

結局のところ、ロボットは最初はクランプに到達できませんでした。コントローラがクランプの掴みが不可能であると判断した場合、ロボットはクランプ自体を掴む代わりに、クランプの近くのワイヤセグメントを掴もうとします。次に、ロボットはセグメントをひねったり曲げたりして、クランプ面をさらに左に回転させます。通常、セグメントの位置を変更するには、セグメントを数回曲げるだけで十分です。セグメントがグリップに適した位置になると、ロボットはターゲット クランプのグリップを再度試行します。

結論

最終的に、当社のロボット システムは、平均 3 分で 8 個のクランプをインストルメント パネル フレームに取り付けることができました。この速度は実用化の要件にはまだ程遠いものの、ロボットによるワイヤーハーネス組み立ての技術的実現可能性を実証しています。

システムの信頼性と実際の産業用途に十分な速度を実現するには、いくつかの問題を解決する必要があります。まず、ワイヤー ハーネスがロボット組み立て用に事前に成形されていることが重要です。ロボットはハーネスに結合された部品を取り扱うため、結節や結節を解く作業と比較して、個々のワイヤ セグメントのねじり状態はワイヤ ハーネスの取り付けにとって重要です。さらに、ねじり自由度を備えたグリッパーもハーネスの取り付けに役立ちます。

プロセスの速度を向上させるには、ワイヤの動的な動作を考慮する必要があります。これは、ワイヤーハーネスを挿入する熟練作業者のフィルム研究で明らかです。彼らは両手と熟練した動きを使ってワイヤーのダイナミックな揺れを制御し、それによって周囲の障害物を避けます。同様の速度でロボット組立を実装する場合、ワイヤの動的挙動を抑制するために特別なアプローチが必要になります。

私たちの研究で採用されたアプローチの多くは単純ですが、プロトタイプのロボット システムによる自動組み立ての実証に成功しました。このような種類のタスクには自動化の可能性があります。