Assemblage robotisé de faisceaux de câbles automobiles

De nouvelles recherches suggèrent que des robots à six axes peuvent être utilisés pour installer des faisceaux de câbles automobiles.

Par Xin Yang

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

Les bras robotisés multi-axes effectuent une grande variété de processus dans les usines d’assemblage automobile, notamment la peinture, le soudage et la fixation.

Cependant, même avec les progrès de la technologie d’automatisation, certains processus ne peuvent toujours pas être réalisés sans des assembleurs humains qualifiés. L’installation de faisceaux de câbles dans les carrosseries de voitures est l’une de ces tâches qui ont traditionnellement été difficiles pour les robots.

Des recherches antérieures ont porté sur les problèmes de manipulation d'objets linéaires déformables, tels que des fils ou des tubes, avec des robots. Beaucoup de ces études se sont concentrées sur la manière de gérer la transition topologique des objets linéaires déformables. Ils ont essayé de programmer des robots pour faire des nœuds ou créer des boucles avec de la corde. Ces études ont appliqué la théorie mathématique des nœuds pour décrire les transitions topologiques de la corde.

Dans ces approches, un objet linéaire déformable en trois dimensions est d'abord projeté dans un plan bidimensionnel. La projection dans le plan, qui se manifeste sous la forme de courbes croisées, peut être bien décrite et traitée à l'aide de la théorie des nœuds.

En 2006, une équipe de recherche dirigée par Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., de l'Université d'Osaka au Japon, a développé une méthode pour nouer et dénouer des objets linéaires déformables avec des robots. Ils ont défini quatre opérations fondamentales (parmi lesquelles trois sont équivalentes aux mouvements de Reidemeister) nécessaires pour accomplir une transition entre deux états croisés. Les chercheurs ont montré que toute opération de nouage ou de dénouage pouvant être décomposée en transitions topologiques séquentielles peut être réalisée en employant une combinaison séquentielle de ces quatre opérations fondamentales. Leur approche s'est vérifiée lorsqu'ils ont pu programmer un robot SCARA pour nouer une corde posée sur un bureau.

De même, des chercheurs dirigés par Takayuki Matsuno, Ph.D., de l'Université préfectorale de Toyama à Imizu, au Japon, ont développé une méthode pour nouer une corde en trois dimensions à l'aide de deux bras robotisés. Un robot tenait le bout de la corde, tandis que l’autre la nouait. Pour mesurer la position tridimensionnelle de la corde, la vision stéréoscopique a été utilisée. L'état du nœud est décrit à l'aide d'invariants de nœud au lieu de mouvements de Reidemeister.

Dans les deux études, les robots étaient équipés d’une pince parallèle classique à deux doigts avec un seul degré de liberté.

En 2008, une équipe de recherche dirigée par Yuji Yamakawa de l'Université de Tokyo a démontré une technique permettant de nouer une corde à l'aide d'un robot équipé d'une main multi-doigts à grande vitesse. Avec une pince plus adroite, comprenant des capteurs de force et de couple montés dans les doigts, des opérations telles que la « permutation de corde » deviennent possibles, même avec un seul bras. La permutation des cordes fait référence à l'opération consistant à échanger la place de deux cordes en les tordant tout en pinçant les cordes entre deux doigts.

D'autres projets de recherche se sont concentrés sur la résolution de problèmes liés à la manipulation robotisée d'objets linéaires déformables sur la chaîne d'assemblage.

Par exemple, Tsugito Maruyama, Ph.D., et une équipe de chercheurs des Laboratoires Fujitsu Ltd. à Kawasaki, au Japon, ont développé un système de manipulation de fils pour une chaîne d'assemblage fabriquant des pièces électriques. Un bras robotique a été utilisé pour insérer les câbles de signaux dans les fermoirs. Deux technologies étaient essentielles au fonctionnement de leur système : un projecteur de lumière laser multiplanaire et un système de vision stéréo.

Jürgen Acker et des chercheurs de l'Université de technologie de Kaiserslautern en Allemagne ont développé une méthode utilisant la vision industrielle 2D pour déterminer où et comment un objet linéaire déformable (dans ce cas, un câble automobile) entre en contact avec des objets dans l'environnement.

Sur la base de toutes ces recherches, nous avons tenté de développer un système robotique pratique pour installer des faisceaux de câbles sur une chaîne de montage automobile. Bien que notre système ait été développé en laboratoire, toutes les conditions utilisées dans nos expériences sont référencées à partir d’une véritable usine automobile. Notre objectif était de démontrer la faisabilité technique d’un tel système et de déterminer les domaines dans lesquels un développement ultérieur est nécessaire.

Assemblage du faisceau de câbles

Un faisceau de câbles automobile se compose de plusieurs câbles enveloppés par du ruban électrique. Il a une structure arborescente, chaque branche étant connectée à un instrument spécifique. Sur la chaîne de montage, un ouvrier attache manuellement le harnais au cadre du tableau de bord.

Un jeu de pinces en plastique est fixé au faisceau de câbles. Ces pinces correspondent aux trous du cadre du tableau de bord. La fixation du harnais s'effectue en insérant les pinces dans les trous. Un système robotisé d'installation du faisceau doit donc résoudre deux problèmes fondamentaux : comment mesurer l'état d'un faisceau de câbles, et comment le manipuler.

Un faisceau de câbles possède des propriétés physiques complexes. Lors de l'assemblage, il présente à la fois une déformation élastique et une déformation plastique. Cela rend difficile l’obtention d’un modèle dynamique précis.

Système prototype

Notre prototype de système d'assemblage de harnais se compose de trois robots compacts à six axes positionnés devant le cadre d'un tableau de bord. Le troisième robot aide à positionner et à saisir le harnais.

Chaque robot est équipé d'une pince parallèle à deux doigts avec un degré de liberté. Les doigts de préhension ont deux échancrures : une pour maintenir les pinces du harnais, l'autre pour maintenir les segments du harnais lui-même.

Chaque effecteur final est également équipé de deux caméras CCD et d'un capteur de portée laser. Les deux caméras ont des focales différentes pour offrir une grande profondeur de champ. Le capteur de distance laser est utilisé lorsqu'une mesure précise sur un segment de fil est nécessaire. Autour de la cellule de travail, 10 caméras fixes supplémentaires font face à la zone de travail dans différentes directions. En incluant les caméras montées sur les effecteurs finaux, notre système utilise un total de 16 caméras de vision.

La reconnaissance du harnais se fait grâce à la vision industrielle. Un couvercle en plastique spécialement conçu est fixé à chaque pince de harnais. Les couvertures comportent des motifs géométriques qui sont lus avec le logiciel ARToolKit. Ce logiciel open source a été initialement conçu pour les applications de réalité augmentée. Il fournit un ensemble de bibliothèques faciles à utiliser pour détecter et reconnaître les marqueurs. La caméra lit les marqueurs pour déterminer la position relative du harnais.

Chaque cache-pince possède son propre motif géométrique. Le modèle indique au contrôleur du robot la position relative du harnais dans l'espace, ainsi que des informations concernant ce segment du harnais (par exemple, l'endroit où ce segment doit être positionné sur le cadre du panneau).

Les caméras fixes autour de la cellule de travail fournissent des informations approximatives sur la position de chaque pince de harnais. La position d'une pince de harnais spécifique est estimée en interpolant la position des pinces adjacentes. L'effecteur final est guidé pour s'approcher de la pince cible grâce aux informations de position obtenues à partir des caméras fixes, jusqu'à ce que la caméra-bracelet puisse trouver la cible. A partir de ce moment, le guidage du robot est assuré uniquement par la caméra du poignet. La précision fournie par la caméra-bracelet sur cette courte distance garantit une préhension fiable des pinces.

Un processus similaire est utilisé pour saisir un segment déformable du faisceau de câbles. La position du segment cible est d'abord estimée en interpolant la pose des pinces adjacentes. La courbe interpolée n’étant pas assez précise pour guider le robot, la zone estimée est alors balayée par le scanner laser. Le scanner émet un faisceau plan d'une largeur particulière. La position exacte du segment peut alors être déterminée à partir du profil de distance obtenu à partir du capteur laser.

Les marqueurs simplifient grandement la mesure du faisceau de câbles. Bien que les couvercles de serrage augmentent le coût du système, ils améliorent considérablement la fiabilité du système.

Manipulation du harnais

Le collier de serrage du harnais est conçu pour s'accoupler à un trou dans le cadre du panneau. Ainsi, le préhenseur saisit une pince par sa base et insère son orteil dans le trou.

De plus, il arrive parfois qu’il soit nécessaire de manipuler directement un segment de fil. Par exemple, dans de nombreux processus, un robot doit façonner le harnais avant qu’un autre robot puisse effectuer son travail. Dans un tel cas, un robot devait orienter une pince de manière à ce qu'elle puisse être atteinte par un autre robot. La seule façon d’y parvenir était de tordre un segment de fil à proximité.

Dans un premier temps, nous avons tenté de façonner le fil en tordant sa pince adjacente. Cependant, en raison de la faible rigidité en torsion du segment de fil, cela s'est avéré impossible. Lors d’expériences ultérieures, le robot a saisi et plié directement le segment de fil. Pendant ce processus, la pose de la pince cible est surveillée par les caméras environnantes. Le processus de pliage se poursuivra jusqu'à ce que l'orientation de la pince cible coïncide avec une valeur de référence.

Expériences de vérification

Une fois que nous avons développé un prototype de système d’assemblage, nous avons mené une série d’expériences pour le tester. Le processus commence lorsque les robots récupèrent un faisceau de câbles sur un cintre. Ils insèrent ensuite huit colliers de serrage dans le cadre du panneau. Le processus se termine avec le retour des robots à la position d'attente initiale.

Le bras droit insère les pinces 1, 2 et 3. Le bras central insère les pinces 4 et 5, et le bras gauche insère les pinces 6, 7 et 8.

La pince 3 est insérée en premier, suivie des pinces 1 et 2. Les pinces 4 à 8 sont ensuite insérées dans l'ordre numérique.

La séquence de mouvements des bras du robot a été générée à l'aide d'un logiciel de simulation. Un algorithme de détection de collision a empêché les robots de heurter des objets dans l'environnement ou entre eux.

De plus, certaines opérations de la séquence de mouvements ont été générées en référençant des assembleurs humains. À cette fin, nous avons capturé les mouvements des ouvriers lors de l’assemblage. Les données incluent à la fois le mouvement du travailleur et le comportement correspondant du faisceau de câbles. Il n’est pas surprenant que la stratégie de mouvement adoptée par un travailleur se révèle souvent plus efficace que celle des robots.

Contrôle de torsion des segments de fil

Lors de nos expériences, nous avons parfois rencontré des difficultés pour insérer les pinces car il était impossible de positionner la pince pour la tâche à accomplir. Par exemple, la pince 5 doit être insérée immédiatement après que la pince 4 a été fixée au cadre. Cependant, le segment de harnais à gauche de la pince 4 s'affaisserait invariablement, ce qui rendrait difficile pour le robot central de positionner la pince 5 pour l'insertion.

Notre solution à ce problème consistait à préformer le segment de fil cible pour garantir une préhension réussie. Tout d'abord, la pince 5 est soulevée par le robot gauche en saisissant le segment de fil près de la pince 5. Ensuite, l'orientation de la pince 5 est régulée en contrôlant l'état de torsion du segment de fil. Cette opération de préformage garantit que la préhension ultérieure de la pince 5 s'effectue toujours dans la position la plus appropriée.

Coopération entre les armes

Dans certaines situations, l'assemblage d'un faisceau de câbles nécessite une coopération de type humain entre plusieurs bras de robot. L'insertion de la pince 1 en est un bon exemple. Une fois la pince 2 insérée, la pince 1 s'affaissera. L'espace disponible pour insérer la pince 1 est limité, et il est difficile de positionner la pince en raison du risque de collision avec le milieu environnant. De plus, l'expérience pratique nous a appris à éviter de démarrer cette opération avec ce segment de fil affaissé, car cela pourrait conduire à ce que des segments de fil soient accrochés par le cadre environnant lors des opérations ultérieures.

Notre solution à ce problème s’est inspirée du comportement des travailleurs humains. Un travailleur humain coordonne facilement l’utilisation de ses deux bras pour accomplir une tâche. Dans ce cas, un travailleur insèrerait simplement la pince 4 d'une main, tout en ajustant simultanément la position du segment de fil de l'autre main. Nous avons programmé les robots pour mettre en œuvre la même stratégie.

Déformation plastique

Dans certaines situations, il était difficile de préformer le segment de fil en utilisant deux robots de manière coopérative. Le processus d'insertion de la pince 6 en est un bon exemple. Pour cette opération, nous nous attendions à ce que le bras gauche du robot l'insère dans le cadre, car c'est le seul bras robotique capable d'atteindre la cible.

Il s’est avéré que le robot n’a pas pu atteindre la pince dans un premier temps. Lorsque le contrôleur détermine qu'il n'est pas possible de saisir la pince, le robot essaie de saisir le segment de fil près de la pince au lieu de saisir la pince elle-même. Le robot tord et plie ensuite le segment pour tourner la face de la pince davantage vers la gauche. Il suffit généralement de plier un segment plusieurs fois pour changer sa position. Une fois que le segment est dans une position appropriée pour la préhension, le robot tentera à nouveau de saisir la pince cible.

Conclusions

En fin de compte, notre système robotique a pu installer huit pinces dans le cadre du tableau de bord en un temps moyen de 3 minutes. Bien que cette vitesse soit encore loin des exigences d’une application pratique, elle démontre la faisabilité technique de l’assemblage robotisé de faisceaux de câbles.

Plusieurs problèmes doivent être résolus pour rendre le système fiable et suffisamment rapide pour une application pratique dans l’industrie. Premièrement, il est important que les faisceaux de câbles soient préformés pour l’assemblage robotique. Comparé aux opérations de nouage et de dénouage, l’état de torsion des segments de fil individuels est critique pour l’installation du faisceau de câbles, puisque les robots manipulent des pièces liées au faisceau. De plus, une pince équipée d’un degré de liberté de torsion faciliterait également l’installation du harnais.

Pour améliorer la rapidité du processus, le comportement dynamique du fil doit être pris en compte. Cela est évident dans les études cinématographiques montrant des ouvriers qualifiés insérant des faisceaux de câbles. Ils utilisent leurs deux mains et des mouvements habiles pour contrôler le balancement dynamique du fil et ainsi éviter les obstacles environnants. Lors de la mise en œuvre d’un assemblage robotisé à une vitesse similaire, des approches spéciales seront nécessaires pour supprimer le comportement dynamique du fil.

Bien que bon nombre des approches utilisées dans nos recherches soient simples, nous avons réussi à démontrer l’assemblage automatique avec notre prototype de système robotique. Il existe un potentiel d’automatisation avec ce type de tâches.