Asamblare integrată - Viziune și control al forței
Introducere
Sistemele de viziune artificială au fost utilizate pe scară largă pentru a permite unui robot să localizeze piesa sau subansamblul pe care lucrează. În majoritatea aplicațiilor, sistemele de viziune artificială oferă date în timp real și feedback în direct pentru a ghida roboții pe măsură ce trec prin secvențe programate de operații. Însă, un sistem de viziune singur nu poate realiza o asamblare de mare acuratețe deoarece acuratețea sistemului de viziune este inadecvată și unealta poate fi blocată în timpul asamblării. Controlul forței/cuplului bazat pe forța/cuplul măsurat de contact poate fi adăugat pentru a corecta poziția/orientarea obiectului ca răspuns la forța care acționează din mediu (Newman et al. 2001). Într-un astfel de sistem, o metodă de control al admitanței (Glosser și Newman 1994) este utilizată pentru a ghida unealta robot către o destinație dorită. O astfel de combinație de viziune și control al forței va permite roboților industriali să efectueze asamblare de mare acuratețe într-un mediu semi-structurat.
Unii cercetători (Morrow et al. 1995) au aplicat tehnici de visual servoing bazate pe imagini pentru a ghida robotul la poziția dorită. Însă, roboții cu scule vor bloca camera video pe durata asamblării în unele cazuri. Acest lucru împiedică tehnicile de visual servoing să obțină niște imagini în timp real, necesitând abordări bazate pe poziție să fie implementate în aceste cazuri. Metodele bazate pe poziție (Jo¨rg et al. 2000) au fost studiate și pentru asamblare. Poziția exactă a elementelor de pe piesele de asamblare trebuie identificată cu acuratețe. Este bine cunoscut faptul că deoarece calibrarea exactă a sistemului de viziune este foarte dificilă, perturbările vor face ca sistemele calibrate cu acuratețe să aibă erori de poziționare. Acest lucru face ca aceste metode să fie dificil de utilizat în mediile de producție pentru o asamblare de mare precizie. York şi colab. (1999) au prezentat o metodă neuro-fuzzy folosind controlul vizual și al forței. Pentru identificarea orientării sunt utilizate două sisteme de camere. Sistemul este prea complicat și greu de utilizat în industrie.
În această secțiune, o strategie de asamblare bazată pe combinarea ghidării vizuale cu controlul forței este prezentată și demonstrată folosind un proces de asamblare de înaltă acuratețe. Sistemul de viziune nu trebuie calibrat cu atenție deoarece este folosit doar pentru poziționare brută. Sistemul de viziune este utilizat pentru a localiza mai întâi dispozitivul. Poziția dispozitivului de fixare este trimisă la controlerul robotului pentru a ghida robotul aproape de poziția dorită. Din cauza erorilor de calibrare ale sistemului de viziune și erorilor de poziționare robotică, este dificil ca erorile generale de poziționare să fie mai mici decât toleranța mică necesară pentru asamblarea cu acuratețe ridicată. Prin urmare, este dezvoltată o metodă de căutare locală bazată pe controlul forței/cuplului pentru a trata erorile. În plus, algoritmul de control al forței/cuplului este, de asemenea, utilizat pentru a introduce acumulatorul în corpul supapei pentru a face față erorilor de poziție și orientare în timpul asamblării. Metodologia dezvoltată pentru asamblarea de înaltă precizie într-un mediu semi-structurat bazat pe fuziunea senzorilor de viziune, forță și poziție a fost implementată cu succes pentru asamblarea corpului supapei. Calibrarea simplă a sistemului de viziune face ca sistemul să fie ușor de utilizat în producție.
Metodologia de asamblare automată
Pentru asamblarea de mare acuratețe cu erori de fixare, sistemul de viziune și controlul forței/cuplului trebuie să fie integrate pentru a efectua sarcina de asamblare. Pentru aplicații de asamblare de înaltă acuratețe, cu erori de fixare, este dezvoltată o arhitectură de viziune și control al forței/cuplului cu acuratețe pe mai multe niveluri. Figura 19 prezintă arhitectura de control.
Fig. 19 Arhitectura de control pentru aplicații de asamblare de mare acuratețe cu erori de fixare
Sistemul de viziune captează imaginea dispozitivului de fixare și calculează erorile de poziție X și Y și erorile de orientare pe axa Z. Erorile sunt trimise la controlerul robotului pentru a permite robotului să se apropie de poziția și orientarea dorite. Deoarece erorile sistemului de viziune și eroarea de poziționare a robotului sunt mai mari decât degajarea piesei de asamblare, este dificil pentru robot să atingă poziția dorită pentru a efectua o asamblare de mare precizie. Un algoritm de căutare (detalii în secțiunea „Asamblare cu control al forței”) bazat pe controlul forței/cuplului este atunci aplicat pentru a controla robotul pentru a introduce acumulatorul în corpul supapei.
Metodologie de control grosier bazată pe viziune
Metodologia de control grosier se bazează pe sistemul de viziune ABB TrueViewTM. Figura 20 prezintă interfața TrueViewTM.
Sistemul de viziune TrueViewTM captează imaginile unui dispozitiv de pe cameră printr-un frame grabber. Apoi calculează poziția și orientarea dispozitivului prin identificarea caracteristicilor predefinite în imaginea reală. Figura 21 prezintă caracteristicile predefinite pe o imagine de referință. Aceste caracteristici sunt definite de utilizator. O caracteristică este suficientă pentru a defini poziția și orientarea piesei; însă, acuratețea identificării poate fi mărită prin definirea mai multor caracteristici. Un sistem de coordonate în cadrul imaginii este, de asemenea, definit așa cum se arată în Fig. 21.
Fig. 20 Interfața sistemului de viziune TrueViewTM
Fig. 21 Caracteristicile definite și sistemul de coordonate
Pentru a controla mișcarea robotului, coordonatele din cadrul imaginii trebuie să fie transferate în cadrul robotului. Acest lucru se realizează prin caracteristica de calibrare automată a ABB TrueViewTM. Acest instrument folosește un tipar, fie în format punct, fie în format pătrat, pentru a calibra sistemul. Figura 22 prezintă tiparul de calibrare prin puncte.
Imaginea tiparului de calibrare este captată și analizată automat. Figura 23 prezintă interfața de calibrare a sistemului ABB TrueViewTM. În cadrul imaginii, se alege un tipar de 7 x 7 puncte. În cadrul lumii robotului, pozițiile celor trei puncte ale originii Po, axa X PX și axa Y PY (așa cum se arată în Figurile 22 și 23) sunt măsurate prin instruirea robotului.
Fig. 22 Modele de calibrarea prin puncte utilizate pentru calibrarea relației dintre cadrul de imagine și cadrul lumii robotului
Fig. 23 Interfața de calibrare a sistemului ABB TrueViewTM
Coordonatele originii, PX și PY ale sistemului de coordonate definit, sunt introduse în interfață. Calibrarea este apoi efectuată automat, iar matricea de calibrare este identificată.
În timpul asamblării, imaginea dispozitivului este captată. Aceasta este apoi analizată și caracteristicile predefinite sunt identificate în imagine. Din poziția și orientarea caracteristicilor predefinite, se calculează poziția XY și orientarea în jurul axei Z a corpului supapei. Folosind matricea de calibrare, poziția și orientarea corpului supapei în cadrul lumii robotului sunt calculate și utilizate pentru a controla robotul pentru a se apropia de configurația de asamblare dorită.
Strategie de control fin bazată pe controlul forței/cuplului
Din cauza rezoluției camerei, a distorsiunii și a erorilor de calibrare, un robot ghidat de sistemul de viziune va avea mici erori de poziționare. Pentru o asamblare de mare exactitate, aceste mici erori vor duce la neefectuarea asamblării, deoarece roboții industriali tradiționali sunt foarte rigizi. Prin urmare, pentru asamblare este dezvoltată o strategie de control fin bazată pe controlul forței/cuplului, așa cum este descris în secțiunea „Procesul de asamblare de înaltă precizie”.
Robotul care ține acumulatorul începe să caute poziția corectă a găurii din centrul modelului spiralat, în timp ce forța de-a lungul axei Z este menținută la o valoare constantă. Când acumulatorul de-a lungul axei Z se modifică cu un prag stabilit, acesta este introdus în orificiul de pe corpul supapei și căutarea este încheiată. Dacă robotul ajunge la graniță fără a găsi poziția dorită, va căuta înapoi spre centrul modelului spirală. Acest proces de căutare se repetă de mai multe ori până când acumulatorul este introdus în orificiu. Eroarea de poziție inițială a uneltei nu ar trebui să fie prea mare. Dacă eroarea de poziție este prea mare, procesul de căutare nu va găsi poziția dorită, iar căutarea se va termina automat după câteva încercări. Numărul de încercări și ture în modelul spirală poate fi definit de utilizatori.
Pentru procesul de inserție, distanța aproximativă de inserare este cunoscută. Prin urmare, pe baza distanței de inserție, forța de referință de-a lungul axei Z poate fi calculată și utilizată pentru a controla mișcarea robotului. Unul dintre avantajele acestei strategii de control este că nu există o forță inițială mare de contact de impact și ciclul este minimal. Orientarea sculei este ajustată pe baza cuplului măsurat, astfel încât acumulatorul să poată fi introdus fără defecțiuni.
Odată ce unealta se apropie de punctul de fixare, este setată o forță constantă pentru a se asigura că acumulatorul este introdus corect. După ce acumulatorul ajunge la fund, forța de contact de-a lungul axei Z va crește. Când forța de contact atinge valoarea setată, inserarea este completă și scula este recuperată. Asamblarea este atunci finalizată.
Implementarea asamblării de înaltă acuratețe cu erori de fixare
Asamblarea de mare acuratețe este implementată folosind un robot ABB IRB140. Un senzor de forță/cuplu ATI Delta este montat pe efectorul final al robotului. O unealtă de aspirație este utilizată pentru a ridica pistonul și este instalată sub senzorul de forță/cuplu. O cameră Pulnix TM-200 este montată pe un cadru care este staționar pe cadrul de bază al robotului. Sistemul experimental este prezentat în Fig. 24.
Fig. 24 Sistem de asamblare de mare acuratețe. Unealta de aspirație va ridica pistonul și-l va introduce în orificiul de pe corpul pistonului
Corpul supapei este așezat pe o masă. Distanța de la cameră la suprafața mesei este de aproximativ 550 mm. Câmpul vizual este de aproximativ 180 x 135 mm. Rezoluția camerei este de 640 x 480. Prin urmare, acuratețea sistemului de cameră este de aproximativ 0,33 mm. Această acuratețe este inadecvată pentru asamblarea de mare precizie. Sistemul ABB TrueViewTM este instalat pe un PC cu un frame grabber Meteor II. Controlerele robotului IRC5 și PC-ul comunică prin Ethernet. Erorile de poziție ale dispozitivului de fixare sunt calculate de sistemul ABB TrueViewTM și trimise la controlerul robotului. Pentru procesul de căutare folosind modelul în spirală, raza de căutare este setată la 1,2 mm, iar numărul de spire este de 4. Forța de căutare este setată la 20 N. Pentru procesul de inserare, constanta forței arcului este setată să fie 50 N/mm. Forța de așezare este setată la 50 N.
Pentru a îmbunătăți acuratețea sistemului de asamblare, sunt utilizate erorile de poziție și erorile de orientare în raport cu o configurație de robot de referință pentru a calcula poziția și orientarea robotului. O configurație de referință este instruită prin introducerea manuală a pistonului în corpul supapei în timp ce controlul forței este activ. Poziția și orientarea sunt înregistrate ca poziție și orientare de referință în cadrul de bază al robotului. După aceea, robotul se mută în poziția „Acasă” fără a bloca imaginea dispozitivului. Sistemul TrueViewTM va capta imaginea, va analiza imaginea și va scoate coordonatele piesei în cadrul robotului folosind matricea de calibrare. Aceste coordonate XY obținute din sistemul de imagine pot fi diferite de poziția și orientarea de referință instruite în cadrul de bază. Se calculează cele două diferențe de poziție și orientare de referință. Când corpul supapei se deplasează în locuri diferite, diferențele sunt utilizate pentru a calcula poziția și orientarea robotului în cadrul de bază al robotului. Această metodă poate reduce eroarea de calibrare.
Sunt efectuate două seturi de experimente pentru a verifica noua strategie cu viziune și control al forței. În primul set de experimente, corpul supapei este fixat pe masă folosind o clemă. Figura 25 arată asamblarea atunci când dispozitivul de fixare este așezat în locuri diferite, iar asamblările au succes. O serie de experimente au fost efectuate fără eșec. În al doilea set de experimente, corpul supapei este liber să se miște pe masă pentru a simula asamblarea fără dispozitiv de fixare. Figura 26 arată asamblarea în diferite locuri fără fixare, iar asamblările au succes. O serie de experimente au fost efectuate fără eșec. Prin urmare, strategia dezvoltată poate fi utilizată pentru asamblarea de mare acuratețe în producție.
Fig. 25 Asamblare de mare acuratețe cu dispozitiv de fixare
Fig. 26 Asamblare de mare acuratețe fără dispozitiv de fixare
Fără o strategie combinată de viziune și control al forței, asamblarea de înaltă precizie este greu de implementat. Figura 27 prezintă asamblarea fără ghidaj vizual. Erorile de poziție sunt prea mari, iar robotul nu poate introduce acumulatorul în corpul supapei. Figura 28 prezintă asamblarea fără control al forței/cuplului. Acumulatorul este blocat în partea superioară a corpului supapei și nu poate fi introdus în corpul supapei.
Fig. 27 Asamblarea de înaltă acuratețe a eșuat fără ghidare vizuală
Fig. 28 Asamblarea cu precizie ridicată a eșuat fără controlul forței/cuplului
Rezumat
În această secțiune, este discutată o tehnică de asamblare robotică integrată a viziunii și controlului forței. Un sistem de asamblare de înaltă precizie este implementat cu succes pe baza unei strategii combinate de viziune și control forță/cuplu într-un mediu semi-structurat. Sistemul de viziune ghidează unealta robotului în apropierea poziției dorite. Se aplică apoi o strategie de control al forței/cuplului pentru a căuta poziția dorită și pentru a efectua asamblarea. Sistemul poate fi aplicat și altor procese similare de asamblare, cum ar fi asamblarea ambreiajului manual, asamblarea convertorului de cuplu etc.