Perakitan Robot Harness Kawat Otomotif

Penelitian baru menunjukkan bahwa robot enam sumbu dapat digunakan untuk memasang rangkaian kabel otomotif.

Oleh Xin Yang

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

Lengan robot multi-sumbu melakukan berbagai macam proses di pabrik perakitan otomotif, termasuk pengecatan, pengelasan, dan pengikatan.

Namun, bahkan dengan kemajuan teknologi otomasi, beberapa proses masih tidak dapat diselesaikan tanpa perakit manusia yang terampil. Tugas memasang kawat harness ke badan mobil adalah salah satu tugas yang biasanya sulit dilakukan robot.

Telah ada beberapa penelitian sebelumnya terkait masalah penanganan benda linier yang dapat dideformasi, seperti kawat atau tabung, dengan robot. Banyak dari penelitian ini memusatkan perhatian pada bagaimana menangani transisi topologi objek linier yang dapat dideformasi. Mereka mencoba memprogram robot untuk mengikat simpul atau membuat simpul dengan tali. Studi-studi ini menerapkan teori simpul matematika untuk menggambarkan transisi topologi tali.

Dalam pendekatan ini, benda linier yang dapat dideformasi dalam tiga dimensi pertama-tama diproyeksikan ke dalam bidang dua dimensi. Proyeksi pada bidang, yang ditunjukkan sebagai kurva bersilangan, dapat dijelaskan dan ditangani dengan baik menggunakan teori simpul.

Pada tahun 2006, tim peneliti yang dipimpin oleh Hidefumi Wakamatsu, Ph.D., dari Universitas Osaka di Jepang mengembangkan metode untuk mengikat dan melepaskan simpul benda linier yang dapat diubah bentuknya dengan robot. Mereka mendefinisikan empat operasi mendasar (di antaranya, tiga di antaranya setara dengan gerakan Reidemeister) yang diperlukan untuk menyelesaikan transisi antara dua keadaan perlintasan kabel. Para peneliti menunjukkan bahwa setiap operasi knotting atau unnotting yang dapat didekomposisi menjadi transisi topologi berurutan dapat dicapai dengan menggunakan kombinasi berurutan dari empat operasi mendasar ini. Pendekatan mereka terbukti ketika mereka mampu memprogram robot SCARA untuk mengikat tali yang diletakkan di atas meja.

Demikian pula, peneliti yang dipimpin oleh Takayuki Matsuno, Ph.D., dari Universitas Prefektur Toyama di Imizu, Jepang, mengembangkan metode membuat simpul tali dalam tiga dimensi menggunakan dua lengan robot. Satu robot memegang ujung tali, sementara robot lainnya mengikatnya. Untuk mengukur posisi tiga dimensi tali, digunakan penglihatan stereo. Keadaan simpul dijelaskan menggunakan invarian simpul, bukan gerakan Reidemeister.

Dalam kedua penelitian tersebut, robot dilengkapi dengan gripper paralel dua jari klasik dengan hanya satu derajat kebebasan.

Pada tahun 2008, tim peneliti yang dipimpin oleh Yuji Yamakawa dari Universitas Tokyo mendemonstrasikan teknik membuat simpul tali menggunakan robot yang dilengkapi tangan multi-jari berkecepatan tinggi. Dengan gripper yang lebih cekatan—termasuk sensor gaya dan torsi yang dipasang di jari—pengoperasian seperti “permutasi tali” menjadi mungkin dilakukan, bahkan dengan satu tangan. Permutasi tali mengacu pada operasi pertukaran tempat dua tali dengan cara memelintirnya sambil menjepit tali di antara dua jari.

Proyek penelitian lain berfokus pada pemecahan masalah yang berkaitan dengan penanganan robotik terhadap objek linier yang dapat dideformasi di jalur perakitan.

Misalnya, Tsugito Maruyama, Ph.D., dan tim peneliti di Fujitsu Laboratories Ltd. di Kawasaki, Jepang, mengembangkan sistem penanganan kawat untuk jalur perakitan yang membuat komponen listrik. Lengan robot digunakan untuk memasukkan kabel sinyal ke dalam penjepit. Dua teknologi sangat penting untuk memungkinkan sistem mereka bekerja: proyektor sinar laser multiplanar dan sistem penglihatan stereo.

Jürgen Acker dan peneliti di Universitas Teknologi Kaiserslautern di Jerman mengembangkan metode menggunakan visi mesin 2D untuk menentukan di mana dan bagaimana objek linier yang dapat dideformasi (dalam hal ini, kabel otomotif) bersentuhan dengan objek di lingkungan.

Berdasarkan semua penelitian ini, kami mencoba mengembangkan sistem robotik praktis untuk memasang wire harness di jalur perakitan otomotif. Meskipun sistem kami dikembangkan di laboratorium, semua kondisi yang digunakan dalam eksperimen kami direferensikan dari pabrik mobil sebenarnya. Tujuan kami adalah untuk menunjukkan kelayakan teknis dari sistem tersebut dan menentukan area mana yang memerlukan pengembangan lebih lanjut.

Rakitan Kawat Harness

Harness kawat otomotif terdiri dari beberapa kabel yang dibungkus dengan pita listrik. Ia memiliki struktur seperti pohon dengan setiap cabang terhubung ke instrumen tertentu. Di jalur perakitan, seorang pekerja secara manual memasang tali pengaman ke rangka panel instrumen.

Satu set klem plastik diikat ke dalam kawat harness. Klem ini sesuai dengan lubang pada rangka panel instrumen. Pemasangan harness dilakukan dengan memasukkan klem ke dalam lubang. Oleh karena itu, sistem robotik untuk memasang harness harus memecahkan dua masalah dasar: bagaimana mengukur keadaan wire harness, dan bagaimana menanganinya.

Tali pengaman kawat memiliki sifat fisik yang kompleks. Selama perakitan, ia menunjukkan deformasi elastis dan deformasi plastis. Hal ini membuat sulit untuk mendapatkan model dinamis yang tepat.

Sistem Prototipe

Sistem perakitan harness prototipe kami terdiri dari tiga robot kompak enam sumbu yang diposisikan di depan bingkai panel instrumen. Robot ketiga membantu memposisikan dan menggenggam tali pengaman.

Setiap robot dilengkapi dengan gripper paralel dua jari dengan satu derajat kebebasan. Jari-jari penggenggam memiliki dua lekukan: satu untuk memegang klem harness, yang lain untuk memegang bagian dari harness itu sendiri.

Setiap end-effector juga dilengkapi dengan dua kamera CCD dan sensor jangkauan laser. Kedua kamera memiliki panjang fokus yang berbeda untuk memberikan depth of field yang besar. Sensor jangkauan laser digunakan ketika diperlukan pengukuran yang tepat pada segmen kawat. Di sekeliling ruang kerja, 10 kamera tambahan dengan posisi tetap menghadap area kerja dari berbagai arah. Termasuk kamera yang dipasang pada end-effectors, sistem kami menggunakan total 16 kamera vision.

Pengenalan harness dicapai dengan visi mesin. Penutup plastik yang dirancang khusus dipasang pada setiap penjepit harness. Sampulnya memiliki pola geometris yang dibaca dengan perangkat lunak ARToolKit. Perangkat lunak sumber terbuka ini awalnya dirancang untuk aplikasi augmented reality. Ini menyediakan serangkaian perpustakaan yang mudah digunakan untuk mendeteksi dan mengenali penanda. Kamera membaca penanda untuk menentukan posisi relatif tali pengaman.

Setiap penutup penjepit memiliki pola geometris tersendiri. Pola tersebut memberi tahu pengontrol robot tentang posisi relatif tali pengaman di ruang angkasa, serta informasi mengenai segmen tali pengaman tersebut (seperti di mana segmen tersebut harus diposisikan pada bingkai panel).

Kamera tetap di sekitar sel kerja memberikan informasi posisi kasar tentang setiap penjepit harness. Posisi klem harness tertentu diperkirakan dengan menginterpolasi posisi klem yang berdekatan. Efektor akhir dipandu untuk mendekati penjepit target dengan informasi posisi yang diperoleh dari kamera tetap—hingga kamera pergelangan tangan dapat menemukan target. Sejak saat itu, panduan robot hanya disediakan oleh kamera pergelangan tangan. Ketepatan yang diberikan oleh kamera pergelangan tangan dalam jarak pendek memastikan genggaman klem yang andal.

Proses serupa digunakan untuk memegang bagian kawat harness yang dapat dideformasi. Posisi segmen sasaran pertama-tama diperkirakan dengan menginterpolasi pose klem yang berdekatan. Karena kurva yang diinterpolasi tidak cukup tepat untuk memandu robot, perkiraan area tersebut kemudian dipindai oleh pemindai laser. Pemindai memancarkan sinar planar dengan lebar tertentu. Posisi pasti segmen tersebut kemudian dapat ditentukan dari profil jarak yang diperoleh dari sensor laser.

Penanda sangat menyederhanakan pengukuran rangkaian kawat. Meskipun penutup penjepit meningkatkan biaya sistem, namun penutup penjepit sangat meningkatkan keandalan sistem.

Penanganan Harnes

Penjepit harness dirancang untuk dipasangkan dengan lubang pada bingkai panel. Dengan demikian, gripper memegang penjepit pada alasnya dan memasukkan ujungnya ke dalam lubang.

Selain itu, ada kalanya perlu menangani segmen kawat secara langsung. Misalnya, dalam banyak proses, satu robot harus membentuk tali pengaman sebelum robot lain dapat melakukan tugasnya. Dalam kasus seperti ini, salah satu robot perlu mengarahkan penjepit agar dapat dijangkau oleh robot lain. Satu-satunya cara untuk melakukan ini adalah dengan memutar segmen kawat di dekatnya.

Awalnya, kami mencoba membentuk kawat dengan memutar penjepit yang berdekatan. Namun, karena kekakuan torsi yang rendah pada segmen kawat, hal ini terbukti tidak mungkin. Pada percobaan selanjutnya, robot langsung mencengkeram dan membengkokkan ruas kawat. Selama proses ini, pose penjepit target dipantau oleh kamera di sekitarnya. Proses pembengkokan akan berlanjut hingga orientasi penjepit target bertepatan dengan nilai acuan.

Eksperimen Verifikasi

Setelah kami mengembangkan sistem perakitan prototipe, kami menjalankan serangkaian eksperimen untuk mengujinya. Prosesnya dimulai dengan robot mengambil tali kawat dari gantungan. Mereka kemudian memasukkan delapan klem harness ke dalam bingkai panel. Proses diakhiri dengan robot kembali ke posisi standby awal.

Lengan kanan memasukkan klem 1, 2 dan 3. Lengan tengah memasukkan klem 4 dan 5, dan lengan kiri memasukkan klem 6, 7 dan 8.

Klem 3 dimasukkan terlebih dahulu, diikuti klem 1 dan 2. Klem 4 sampai 8 kemudian dimasukkan sesuai urutan nomor.

Urutan gerak lengan robot dihasilkan menggunakan perangkat lunak simulasi. Algoritme deteksi tabrakan mencegah robot menabrak objek di lingkungan atau satu sama lain.

Selain itu, beberapa operasi dalam urutan gerak dihasilkan dengan merujuk pada perakit manusia. Untuk tujuan ini, kami menangkap pergerakan para pekerja selama berkumpul. Data tersebut mencakup gerakan pekerja dan perilaku terkait kawat harness. Tidak mengherankan jika strategi gerak yang dilakukan oleh seorang pekerja seringkali terbukti lebih efektif dibandingkan dengan robot.

Kontrol Memutar Segmen Kawat

Dalam percobaan kami, terkadang kami mengalami kesulitan dalam memasukkan klem karena tidak mungkin memposisikan gripper untuk tugas tersebut. Misalnya, klem 5 harus dimasukkan segera setelah klem 4 dipasang pada rangka. Namun, segmen harness di sebelah kiri penjepit 4 akan selalu terkulai, sehingga menyulitkan robot tengah untuk memposisikan penjepit 5 untuk dimasukkan.

Solusi kami terhadap masalah ini adalah dengan membentuk terlebih dahulu segmen kawat target untuk memastikan keberhasilan dalam genggaman. Pertama, klem 5 diangkat oleh robot sebelah kiri dengan cara mencengkeram ruas kawat di dekat klem 5. Kemudian orientasi klem 5 diatur dengan mengontrol keadaan puntir ruas kawat tersebut. Operasi pra-pembentukan ini memastikan bahwa cengkeraman klem 5 berikutnya selalu dilakukan pada posisi yang paling tepat.

Kerja Sama Antar Senjata

Dalam beberapa situasi, perakitan wire harness memerlukan kerja sama seperti manusia antara beberapa lengan robot. Penyisipan klem 1 adalah contoh yang bagus. Setelah klem 2 dimasukkan, klem 1 akan terkulai. Ruang yang tersedia untuk memasukkan klem 1 terbatas, dan sulit untuk memposisikan gripper karena risiko bertabrakan dengan lingkungan sekitar. Selain itu, pengalaman praktis mengajarkan kami untuk menghindari memulai operasi ini dengan segmen kawat yang terkulai, karena hal ini dapat menyebabkan segmen kawat tersangkut oleh rangka di sekitarnya pada pengoperasian selanjutnya.

Solusi kami terhadap masalah ini terinspirasi oleh perilaku pekerja manusia. Seorang pekerja manusia dengan mudah mengoordinasikan penggunaan kedua tangannya untuk menyelesaikan suatu tugas. Dalam hal ini, pekerja cukup memasukkan klem 4 dengan satu tangan, sekaligus mengatur posisi ruas kawat dengan tangan lainnya. Kami memprogram robot untuk menerapkan strategi yang sama.

Deformasi Plastik

Dalam beberapa situasi, sulit untuk membentuk segmen kawat terlebih dahulu dengan menggunakan dua robot secara kooperatif. Proses memasukkan klem 6 adalah contoh yang bagus. Untuk operasi ini, kami berharap lengan kiri robot akan memasukkannya ke dalam rangka, karena hanya lengan robot tersebut yang dapat mencapai target.

Ternyata, robot tersebut awalnya tidak bisa mencapai penjepit. Ketika pengontrol menentukan bahwa penjepitan tidak dapat dilakukan, robot akan mencoba memegang segmen kawat di dekat penjepit alih-alih mencengkeram penjepit itu sendiri. Robot kemudian memutar dan membengkokkan segmen tersebut untuk memutar permukaan penjepit lebih ke kiri. Membengkokkan suatu segmen beberapa kali biasanya cukup untuk mengubah posisinya. Setelah segmen tersebut berada pada posisi yang tepat untuk dicengkeram, robot akan melakukan upaya lain untuk mencengkeram penjepit target.

Kesimpulan

Pada akhirnya, sistem robot kami mampu memasang delapan klem ke dalam rangka panel instrumen dengan waktu rata-rata 3 menit. Meskipun kecepatan tersebut masih jauh dari persyaratan untuk penerapan praktis, hal ini menunjukkan kelayakan teknis perakitan wire harness robot.

Beberapa masalah harus diselesaikan untuk membuat sistem dapat diandalkan dan cukup cepat untuk aplikasi praktis di industri. Pertama, penting untuk memanfaatkan kawat untuk dibentuk terlebih dahulu untuk perakitan robot. Dibandingkan dengan operasi pembuatan simpul dan pelepasan simpul, kondisi puntir masing-masing segmen kawat sangat penting untuk pemasangan rangkaian kabel, karena robot menangani bagian yang terikat pada rangkaian kabel. Selain itu, gripper yang dilengkapi dengan derajat kebebasan memutar juga akan membantu pemasangan harness.

Untuk meningkatkan kecepatan proses, perilaku dinamis kawat harus dipertimbangkan. Hal ini terlihat jelas dalam studi film mengenai pekerja terampil yang memasang kawat pengaman. Mereka menggunakan kedua tangan dan gerakan terampil untuk mengontrol ayunan dinamis kawat dan dengan demikian menghindari rintangan di sekitarnya. Saat menerapkan perakitan robot dengan kecepatan serupa, diperlukan pendekatan khusus untuk menekan perilaku dinamis kabel.

Meskipun banyak pendekatan yang digunakan dalam penelitian kami bersifat langsung, kami berhasil mendemonstrasikan perakitan otomatis dengan prototipe sistem robot kami. Terdapat potensi otomatisasi pada tugas-tugas semacam ini.