多轴机器人臂在汽车装配厂进行各种过程，包括涂装，焊接和紧固。
然而，即使在自动化技术的进步，一些过程仍然不能完成没有熟练的人工装配。在汽车上安装线束是机器人一直以来的难题之一。
之前已经有一些研究涉及到机器人处理可变形线性物体的问题，如电线或管道。这些研究大多集中在如何处理可变形线性物体的拓扑过渡问题上。他们试图编程让机器人打结或用绳子做圈。这些研究应用数学结理论来描述绳子的拓扑跃迁。
在这些方法中，一个三维的可变形线性物体首先被投影到一个二维平面上。平面上的投影被证明为交叉曲线，可以用纽结理论很好地描述和处理。
2006年，日本大阪大学Wakamatsu博士领导的一个研究小组开发了一种用机器人打结和解结可变形线性物体的方法。他们定义了完成任何两个导线交叉状态之间的转换所必需的四种基本操作(其中三个相当于Reidemeister移动)。研究人员表明，任何可以分解为顺序拓扑转换的打结或解结操作都可以通过使用这四种基本操作的顺序组合来实现。他们的方法得到了验证，当他们能够编写SCARA机器人的程序，让它把放在桌子上的绳子打结时。
类似地，日本井津富山县立大学的松野隆之博士领导的研究人员开发了一种用两个机器人手臂在三维空间里打结绳子的方法。一个机器人抓住绳子的一端，另一个机器人把绳子打结。采用立体视觉方法测量绳索的三维位置。用结不变量代替Reidemeister步法来描述结的状态。
在这两项研究中，机器人都配备了只有一个自由度的经典的两指平行夹持器。
2008年，由东京大学的Yuji Yamakawa领导的一个研究小组演示了一种用装有高速多指手的机器人打结绳子的技术。有了更灵巧的抓手(包括安装在手指上的力和扭矩传感器)，即使只有一只手臂，“绳子排列”这样的操作也成为可能。绳子排列是指将两根绳子拧在一起，用两根手指夹住绳子，交换位置的操作。
其他研究项目侧重于解决与装配线上可变形线性物体的机器人处理相关的问题。
例如，日本川崎富士通实验室有限公司的Tsugito Maruyama博士和一组研究人员开发了一种电线处理系统，用于制造电子部件的装配线。一个机器人手臂被用来将信号电缆插入卡环。两项关键技术使他们的系统工作:一个多平面激光投影仪和立体视觉系统。
Jürgen Acker和研究人员Kaiserslautern技术大学在德国开发了一种方法，利用2D机器视觉来确定一个可变形的线性物体(在这里是一个汽车电缆)接触环境中的物体的位置和方式。
基于所有这项研究，我们试图开发一个实用的机器人系统，用于在汽车装配线上安装线束。虽然我们的系统是在实验室开发的，但我们实验中使用的所有条件都是由真正的汽车植物引用的。我们的目标是展示这种系统的技术可行性，并确定需要进一步发展的领域。
线束组装
汽车线束由多根电缆缠绕在电气胶带上组成。它有一个树状结构，每个分支都连接到一个特定的仪器。在装配线上，一名工人手动将线束连接到仪表板框架上。
一组塑料夹子绑在线束上。这些夹具对应于仪表板框架上的孔。通过将夹具插入孔中来实现安全带的连接。因此，安装线束的机器人系统必须解决两个基本问题:如何测量线束的状态，以及如何处理它。
线束具有复杂的物理性质。在组装过程中，它表现出弹性变形和塑性变形。这使得获得精确的动态模型。
原型系统
我们的原型线束装配系统由三个紧凑的六轴机器人组成，它们位于仪表板框架的前面。第三个机器人帮助定位和抓住挽具。
每个机器人都配备了一个具有一个自由度的两指平行抓手。抓手的手指有两个凹痕:一个为保持线束夹，另一个为保持线束本身的片段。
每个末端执行器也配备了两个CCD摄像机和一个激光测距传感器。两个相机具有不同的焦距，以提供大景深。当需要精确测量线段时使用激光范围传感器。围绕工作单元，10个附加固定位置相机面向各种方向的工作区域。包括安装在最终效果的摄像机，我们的系统共使用16个视觉摄像头。
通过机器视觉识别线束。专门设计的塑料盖附接到每个线束夹具。封面具有使用Artoolkit软件读取的几何模式。此开源软件最初是为增强现实应用而设计的。它提供了一组易于使用的库，用于检测和识别标记。相机读取标记以确定线束的相对位置。
每个夹套都有自己的几何图案。该模式告诉机器人控制器线束在空间中的相对位置，以及线束的那段信息(例如那段线束应该在面板框架上的什么位置)。
工作单元周围的固定摄像机提供有关每个线束夹的粗略位置信息。通过内插夹具的位置来估计特定线束钳位的位置。引导末端执行器接近目标夹具，其具有从固定摄像机获得的位置信息 - 直到腕监机可以找到目标。从那一刻起，机器人指导仅由手腕相机提供。手腕相机在该短距离中提供的精度确保可靠的夹具抓握。
类似的过程用于抓住线束的可变形部分。首先通过插值相邻夹具的位姿来估计目标段的位置。由于插值曲线不够精确，无法引导机器人，然后用激光扫描仪对估计的区域进行扫描。该扫描仪发射一种具有特定宽度的平面光束。然后，可以从激光传感器获得的距离轮廓确定片段的确切位置。
这些标记大大简化了线束的测量。夹套虽然增加了系统的成本，但大大提高了系统的可靠性。
利用处理
该线束夹具设计与面板框架上的一个孔相匹配。因此，夹具通过其底座抓住夹具，并将其趾插入孔中。
此外，存在一些场合，需要直接处理线段。例如，在许多过程中，一个机器人必须在另一个机器人执行作业之前塑造线束。在这种情况下，需要一个机器人来定向夹子，使得可以通过另一个机器人到达。这样做的唯一方法是扭曲附近的电线段。
最初，我们试图通过扭转其相邻的夹子来塑造导线。然而，由于线段的扭转僵硬度低，这被证明是不可能的。在随后的实验中，机器人直接抓住并弯曲线段。在此过程中，通过周围的相机监测目标夹具的姿势。弯曲过程将继续，直到目标钳位的方向与参考值一致。
验证实验
一旦我们开发了一个原型装配系统，我们就会运行一系列实验来测试它。该过程从机器人开始从衣架上拾取线束。然后，它们将八个线束夹插入面板框架中。该过程以机器人返回到初始待机位置结束。
右臂插入夹具1,2和3.中央臂插入夹具4和5，左臂插入夹具6,7和8。
钳子3插入首先，然后钳子1和2。然后按数字顺序插入钳4到8。
利用仿真软件生成了机器人手臂的运动序列。碰撞检测算法防止机器人碰撞环境中的物体或彼此。
此外，通过参考人组装器来产生运动序列中的一些操作。为此目的，我们在大会期间抓住了工人的动议。数据包括工人的运动和线束的相应行为。毫不奇怪，工人采取的运动策略经常被证明比机器人更有效。
线段扭转控制
在我们的实验中，我们有时会遇到插入夹具的困难，因为它不可能为任务定位夹具。例如，夹具5应该在夹具4固定到框架上后立即插入。然而，4号夹具左侧的线束总是下垂，使得中心机器人难以定位5号夹具进行插入。
我们对此问题的解决方案是预先塑造目标线段以确保成功掌握。首先，通过握住夹具5附近的线段夹紧夹具5升高。然后，通过控制线段的扭转状态来调节夹具5的取向。该预成形操作确保随后的钳位5抓握始终以最合适的位置执行。
武器之间的合作
在某些情况下，装配线束需要多个机器人手臂之间进行类似人类的合作。插入钳1就是一个很好的例子。一旦插入钳2，钳1将下垂。插入夹具1的可用空间有限，由于与周围环境发生碰撞的风险，很难定位夹具。另外，实践经验告诉我们，在开始这个操作的时候，要避免在这段线下垂的情况下开始操作，因为这可能会导致后续操作中线段被周围的边框卡住。
我们对此问题的解决方案受到人工人工的行为的启发。人工工人轻松协调使用他的双臂完成任务。在这种情况下，工人将用一只手插入夹具4，同时同时用另一方面调节线段的位置。我们编写了机器人来实现相同的策略。
塑性变形
在某些情况下，难以通过合作使用两个机器人来预先塑造线段。插入夹具6的过程是一个很好的例子。对于此操作，我们预计左机器人手臂将插入框架，因为它是可以到达目标的唯一机器人臂。
结果是，机器人最初无法到达夹具。当控制器确定不能夹持夹具时，机器人会尝试夹持夹具附近的导线段，而不是夹持夹具本身。机器人然后扭转和弯曲部分，使钳面更向左。把一段弯曲几次通常就足以改变它的位置。一旦达到适当的抓取位置，机器人将再次尝试抓取目标夹具。
结论
最终，我们的机器人系统能够在平均3分钟的时间内将8个夹具安装到仪表板框架中。虽然这个速度距离实际应用的要求还很遥远，但它确实证明了机器人线束装配的技术可行性。
必须解决几个问题，以使系统可靠，足够快，适用于实际行业应用。首先，对于机器人组件预先形状的线束非常重要。与打结和未解作用相比，各个线段的扭转状态对于线束安装至关重要，因为机器人正在处理绑定到线束中的部件。此外，配备有扭转自由度的夹具也会有助于安装安装。
为了提高过程的速度，应考虑电线的动态行为。这在插入线束的技术工人的电影研究中是显而易见的。他们使用双手和熟练的运动来控制线的动态摆动，从而避免周围的障碍物。在以相似速度实现机器人组件时，将需要采用特殊方法来抑制电线的动态行为。
虽然我们的研究中使用的许多方法都是简单的，但我们通过我们的原型机器人系统成功地展示了自动装配。具有这些任务的自动化潜力。
作者注：Kyong-Mo Koo，Ph.D.，助理教授;Kohei Kikuchi，Ph.D.，助理教授;atsushi konno，博士，副教授;和Masaru Uchiyama，Ph.D.，教授;是开发工作台的研究团队的一部分。该工作由NEDO项目资助的先进机器人元素技术的战略发展。我们的原型系统是在合作协议下参考Suzuki Motor Corp.的装配线设计。
在线组装
有关自动化线束装配的更多信息，请访问www.jaquemin.com阅读以下文章:
