Undersökning av kablagemontage med kollaborativ robot

(1)

EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK,

ROBOTIK OCH MEKATRONIK, högskoleingenjör 15 hp SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2017

Undersökning av

kablagemontage med kollaborativ robot

Montering av kablage med Yumi

Jacob Rydgård Alexander Wedin

SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT INSTITUTIONEN FÖR TILLÄMPAD MASKINTEKNIK

(2)

(3)

Undersökning av kablagemontage med kollaborativ robot

av

Jacob Rydgård Alexander Wedin

Examensarbete TMT-546, 2017:36 KTH Industriell teknik och management

Tillämpad maskinteknik Mariekällgatan 3, 151 81 Södertälje

(4)

(5)

Examensarbete TMT-546, 2017:36

Undersökning av kablagemontage med kollaborativ robot

Godkänt

2017-06-19

Examinator KTH

Lars Johansson

Handledare KTH

Lars Johansson

Uppdragsgivare

Robotdalen

Företagskontakt/handledare

Ingemar Reyier

Sammanfattning

Automatisering av kablagemontage i liten skala är idag kostsamt och kräver goda kunskaper om robotik. Företaget Kablageproduktion vill därför utreda om robotsystemet Yumi är lämpligt för kablagemontering. Yumi är en kollaborativ robot, även kallad cobot, som kan arbeta säkert tillsammans med människor.

Denna rapport ingår i ett projekt för att undersöka om ABB:s robotsystem Yumi är lämpat för användning i Kablageproduktions tillverkning. Projektets mål är att utreda om Yumi kan identifiera kablar och kontakter med hjälp av ett vision-system, och sedan kunna greppa och montera dessa till ett kablage. Arbetet omfattade bland annat

upprättande av en simulering, utförande av praktiska tester med Yumi och utveckling av gripfingrar.

Projektet resulterade i en prototyp av gripfingrar, en rekommendation om

kabelutformning och en simuleringsmiljö. Dessutom gjordes ett antal lyckade försök att utifrån en bild, i vision-systemet, lyfta en kabel och sedan lägga ned den igen.

Gripfingrarna som utformades är anpassade för att kunna gripa många olika typer av kontakter och kablar. De tester som utfördes visar att fingrarna borde göras kortare för att öka greppförmågan och minska risken för utmattningsbrott.

Slutsatsen av detta arbete är att det finns mer att undersöka innan en rekommendation om implementering av Yumi hos Kablageproduktion kan göras. Fler praktiska tester måste genomföras, en databas behöver upprättas för olika kontakter och en

vidareutveckling av gripfingrarna rekommenderas.

Nyckelord

Kablagemontage, Yumi, Vision-system, Automation, Robot

(6)

(7)

Bachelor of Science Thesis TMT-546, 2017:36

Investigating cabling assembly with collaborative robot

Approved

2017-06-19

Examiner KTH

Lars Johansson

Supervisor KTH

Lars Johansson

Commissioner

Robotdalen

Contact person at company

Ingemar Reyier

Abstract

Automation of cabling assembly on a small scale today is costly and requires good knowledge of robotics. The company Kablageproduktion therefore wants to investigate whether the robotic system Yumi is suitable for cab mounting. Yumi is a collaborative robot, also known as cobot, which can work safely with people.

This report is part of a project to investigate whether ABB's robotic system Yumi is suitable for use in the production of cable production. The project's goal is to investigate whether Yumi can identify cables and connectors using a vision system, and then grab and mount them to a cable assembly. The work included the preparation of a

simulation, execution of practical tests with Yumi and the development of gripping fingers.

The project resulted in a prototype of gripping fingers, a recommendation for cable design and a simulation environment. In addition, some successful attempts were made to lift a cable aided by an image in the vision system, and then laying it down. The grip fingers designed are adapted to handle many different types of connectors and cables.

Based on tests, it is recommended to make the fingers shorter in order to increase grip strength and reduce the risk of fatigue fracture.

The conclusion of this work is that there is more to be investigated before a

recommendation on the implementation of Yumi at Kablageproduktion can be made.

More practical tests have to be carried out, a database need to be established for different contacts and a further development of the gripper fingers is recommended.

Key-words

Cabling assembly, Yumi, Vision system, Automation, Robot

(8)

(9)

A

Förord

Denna rapport är ett examensarbete i maskinteknik inriktat mot robotik och mekatronik vid Kungliga Tekniska Högskolan i Södertälje.

Arbetets syfte är att undersöka möjligheten att med hjälp av en kollaborativ robot, ABB Yumi, automatisera kablagetillverkning hos företaget Kablageproduktion.

Av läsaren krävs kunskap inom programmering samt en grundläggande kunskap inom produktionsteknik, robotik och konstruktion. Bifogat finns en ordlista.

Projektgruppen vill rikta ett tack till handledare Ingemar Reyier och Lars Johansson som stöttat gruppen med råd.

Projektgruppen vill även tacka Håkan Olandersson och Kablageproduktion för att vi fått ta del av deras tankegångar om problem och lösningar.

KTH Södertälje 2017-05-30

(10)

B

(11)

C

Ordlista

Cobot – Ett uttryck för en robot som samarbetar med en människa.

Leverantörsoberoende.

Filament – Utskriftmaterial som används i en 3D-skrivare.

FlexPendant – Handkontroll till ABBs robotar. Med den går att programmera och testköra specifika delar av programmet.

Industri 4.0 – Det är en uppkopplad produktion som bär med sig information om produktionsflödet, och som har en högre grad av automation och korta

omställningstider.(ALPMAN, 2014)

Kontakt – Den enhet som kabeln monteras i.

Robotcell – Ett komplett system som inkluderar robot, styrenhet, fixturer för komponenter och säkerhetsanordningar.

Sockel – Den del av kopplingsplattan som kontakten monteras på.

Yumi – En kollaborativ robot med två armar som tillverkas av ABB-Robotics.

Produktnamn IRB 14000.

(12)

D

(13)

E

Innehåll

1 INLEDNING ... 1

1.1 PROBLEMSTÄLLNING ... 1

1.2 MÅL ... 1

1.3 AVGRÄNSNING ... 2

1.4 LÖSNINGSMETODER ... 2

2 UTRUSTNING ... 3

2.1 ROBOTCELL ... 3

Robotsystem ... 4

Gripfingrar ... 4

Skruvdragare ... 4

Buntbandstång ... 4

2.2 PROGRAM ... 5

2.3 VISION-SYSTEM ... 5

2.4 KOPPLINGSPLATTA ... 6

Kontakter ... 7

Kablar ... 7

3 PROCESSER ... 9

3.1 KOMPONENTERNA ... 9

PHOENIX-skruv ... 9

PHOENIX-snabb ... 9

MOLEX Mini-Fit Jr ... 10

MOLEX Micro-Fit ... 10

CVILUX enkelrad ... 10

CVILUX dubbelrad ... 11

Friände ... 11

3.2 BILDTOLKNING ... 12

3.3 ORIENTERING ... 12

4 GENOMFÖRANDE ... 15

4.1 3D MODELLERING ... 15

4.2 PROGRAMMERING ... 17

4.3 NY PROGRAMVARA ... 18

4.4 KOLLABORATIVITET ... 18

4.5 AUTONOMI ... 18

5 RESULTAT OCH ANALYS ... 21

5.1 MÅL ... 21

5.2 3D-MODELL ... 21

5.3 SIMULERING OCH SIMULERINGSMILJÖ ... 22

5.5 ANVÄNDARVÄNLIGHET ... 23

5.6 ANALYS ... 24

6 SLUTSATS ... 25

REFERENSER ... 27

APPENDIX ... 1

UNDERSÖKNING AV SIFFERKODSAVLÄSNING PÅ KABLAR ... 1

(14)

F

(15)

1

1 Inledning

1.1 Problemställning

De robotarmar som används inom industrin är ofta farliga för en människa att vistas nära. De är svåra och tidskrävande att programmera om och av den anledningen gör de ofta bara en sak, men många gånger. I och med industri 4.0 ska kollaborativa robotar, kallade cobots, åtgärda detta genom att göra robotarna lätta att styra och programmera om, och säkerställa att det är tryggt att befinna sig nära roboten.

(Hannover, 2017a; Hannover, 2017b)

Arbetets syfte är att undersöka möjligheten att med ABB Yumi automatisera kablagetillverkning hos företaget Kablageproduktion. Montering av kablage med hjälp av en robot är ett nytt område. Idag är monteringen av kablage manuell på Kablageproduktion. Detta beror på att många av momenten kräver finmotorik, likt en människas, och montering har därför visat sig vara svårt för en robot. Men med hjälp av ny teknik i robotsystemet Yumi kan det bli möjligt, och detta projekt ska undersöka om så är fallet. Dessutom ska projektet undersöka vilka moment vid monteringen som lämpar sig för samarbete mellan robot och människa.

1.2 Mål

Projektgruppen ska undersöka om Yumi kan:

• Plocka upp kablar.

• Plocka upp kontakter.

• Placera kabel i kontakt.

• Avläsa siffror, kontakt-och kabelorientering med dess vision-system.

Projektgruppen ska även:

• Göra gripfingrar till Yumi som ska kunna gripa kablar och kontakter.

• Utvärdera om monteringen kan utföras av endast Yumi eller om den kan ske genom samverkan mellan människa och robot.

• Komma med lösningsförslag hur de vanligaste kopplingarna ska utföras av roboten.

• Skapa en simuleringsmiljö i Robotstudio med tillhörande kod.

• Leverera en rapport före 2017-06-09.

(16)

2

1.3 Avgränsning

För att projektet ska kunna utnyttja tiden effektivt kommer vissa avgränsningar att göras. Då uppdragsgivaren har uttryckt att man vill använda Yumis kapacitet i högsta möjliga grad kommer gruppen inte utvärdera olika typer av matningsmetoder som skulle kunna få ner cykeltider.

För att få grepp om olika kabel-och kontaktmodeller skulle det ideala vara att ha ett gripfingerpar för varje koppling. Det bedöms att tidsåtgången för det skulle bli för stor. Gruppen kommer därför fokusera på att göra ett par gripfingrar som ska fungera generellt till de flesta kontakter och kablar. Detta kommer leda till kortare omställningstider då gripfingrarna inte behöver bytas.

Då detta projekt inte är ett simuleringsprojekt kommer gruppen inte utarbeta en fullständig simulering till alla kopplingar med de specialfall som det skulle innebära.

Istället kommer en koppling göras åt gången, först en i simulering och sedan i verkligheten.

Projektet kommer inte utreda hur man generellt kopplar kablage utan specifikt kablage från Kablageproduktion med robotsystemet Yumi.

1.4 Lösningsmetoder

En tidsplan upprättas med viktiga datum och händelser för att följa upp tidsåtgången, och säkerställa att uppsatta mål nås i varje fas.

Regelbunden kontakt med handledare och ämnesexpert om råd och förslag för att kontrollera att gruppen spenderar tid på bästa sätt.

Projektet kommer att lösa ett kopplingsproblem i taget. Det innebär att arbetet kommer att inrikta sig på den mest signifikanta kombinationen och sedan arbeta sig igenom kopplingarna så långt tiden räcker.

Tester och laborationer genomförs för att bekräfta och ta reda på vilka uppgifter i detta projekt som Yumi klarar av.

Gripfingrar kommer att utformas i CAD-miljö och skrivas ut i nylon med hjälp av en 3D-skrivare. Det finns dimensioner att förhålla sig till vid konstruktionen för att gripfingrarna ska passa Yumis infästning.

(17)

3

2 Utrustning

2.1 Robotcell

En robot har generellt ingen kännedom om sin omgivning eller vad den utför för arbete. Av den orsaken utformar man en robotcell, ett rum för roboten där den hittar och kan arbeta. I robotcellen finns bara det som roboten arbetar med. Allt har sin bestämda plats och får inte flyttas för att roboten ska kunna hitta det som den ska arbeta med. I vanliga fall ska en människa inte vistas i en robotcell. En robot kan inte förutsäga hur en människa rör sig och det finns då risk för krock mellan människa och robot, vilket kan orsaka skador på människan. Därför är det vanligt att

robotceller är inhägnade, se Figur 1: Konventionell robotcell. Figur 1.

Figur 1: Konventionell robotcell.

I Yumis robotcell är det inte farligt att vistas för en människa. Detta beror på att Yumi har krocksensorer som reagerar väldigt snabb vid kollision.

I den robotcell som har utformats för projektet kommer det att finnas en

kopplingsplatta med socklar där kablar och kontakter ska monteras. Robotcellen kommer inte att avgränsas med staket som man brukar göra med vanliga robotceller.

Detta för att man vill att en människa ska kunna samarbeta med roboten.

(18)

4

Robotsystem

Yumi är den första tvåarmade kollaborativa roboten som serietillverkas hos ABB.

Den har 7 axlar per arm för att efterlikna en människas armar och är därför tänkt att utföra samma uppgifter som en människa. Den är utvecklad och framtagen med tanke på att kunna ersätta eller bistå en människa vid småkomponentsmontering.

Tack vare det nya säkerhetssystemet kan människor arbeta säkert tillsammans med Yumi. Om Yumi känner av en oväntad stöt kan den pausa sin rörelse på

millisekunder. Händerna på Yumi har stor flexibilitet och är möjliga att förse med inbyggd kamera och vakuumverktyg.(ABB-Engineering, 2017)

Gripfingrar

Gripfingrarna är de komponenter som roboten använder för att gripa om föremål. De sitter monterade i par längst fram på vardera av robotens två armar och styrs med två servomotorer. Servomotorerna för fingrarna samman. Roboten kommer att ha ett antal verktyg till sitt förfogande som skruvdragare och buntbandstång som gripfingrarna ska kunna greppa.

Då en robotcell konstrueras är det vanligt att man väljer att ta fram ett eller flera nya gripfingerpar. Anledningen är att de arbetsuppgifter som roboten ska göra ofta är specifika, så att de standardverktyg som följer med roboten vid köptillfället inte går att använda.

Med anledning av detta ingår framtagning av gripfingrar i projektet. Fingrarna konstrueras för att kunna plocka upp tunna kablar och gripa plastkontakter.

Fingrarna ska även klara av att gripa externa verktyg.

Eftersom kablarna på kontakterna sitter tätt, är det nödvändigt att fastställa hur smalt gripfingret kan göras för att uppfylla hållfasthetskraven, och samtidigt klara av att utföra monteringen.

Infästningen behöver ha dimensionerna 10x10 mm i tvärsnittsarea för att vara kompatibel med Yumi. Det ska finnas två styrpinnar på 12mm och 4 stycken M2x12 med försänkt skalle. I övrigt bör gripfingrarna ha en förstärkning i sina 90 gradiga vinklar.

Skruvdragare

Skruvdragaren kommer endast att användas på komponenten PHOENIX-skruv.

PHOENIX-skruv är en av de vanligaste kontakterna som är representerad på kopplingsplattan. Beskrivning av den processen finns i avsnitt 3.1.

Buntbandstång

Det andra externa verktyget som kommer att användas är en buntbandstång. Detta verktyg kommer att användas vid varje tillverkat kablage. När kablar har dragits mellan kontakterna ska de buntas ihop med buntband för att undvika trassel vid lyft av färdigt kablage.

(19)

5

2.2 Program

För programmering av Yumi kommer programmet Robotstudio att användas.

Robotstudio ges ut av ABB som specifik programmeringsmiljö för ABB:s robotar.

Programmet har två huvudmiljöer, en grafisk och en programmeringskonsol.

I den grafiska miljön kan man tydligt se en 3D-rendering av roboten. I programmet kan man bygga upp en robotcell som ser ut som den verkliga. Man kan ladda in CAD- modeller för simulering med de gripfingrar som roboten ska använda. Många

kommandon och funktioner kan verkställas genom att klicka på den punkt dit man vill att robotarmen rör sin arm.

Programmeringskonsolen fungerar som en vanlig programmeringsmiljö likt dem som finns i C och C++. I konsolen arbetar programmeraren på en mer detaljerad nivå än vad som går att göra i den grafiska miljön. Detta kan bland annat innefatta

specialfall då programmet startar eller ska sluta.

2.3 Vision-system

En målsättning med projektet är att identifiera kablar och kontakter som kommer att placeras framför roboten. Identifieringen av kabeln sker genom avläsning av en sifferkod som står skriven på kabeln. Kontakter urskiljs genom sin geometri. Detta kommer att göras med hjälp av ett vision-system.

Det är möjligt att utrusta Yumi med ett internt vision-system installerat på varje hand. Kameran sitter på robotens handled, se Figur 2.

Figur 2: Yumis handled med inbyggt vision-system.

(20)

6

2.4 Kopplingsplatta

Kablageproduktion har tagit fram en kopplingsplatta att använda som hjälpmedel vid montering. Kopplingsplattan har utvecklats för att kunna undersöka hur kapabel Yumi är inom kablagemontering. Plattan består av åtta olika socklar, och varje sockel är anpassad för att en eller flera specifika kontakter ska passa. Varje sockel är unik och bara en typ av kontakt går att fästa på den. Hur kontakterna fästs i sockeln varierar. En del kontakter sätts in vinkelrätt mot plattans plan, men de flesta sätts in horisontellt, se Figur 4Fel! Hittar inte referenskälla. och Figur 5. Kablar ska

monteras på kontakten efter specifikation. Om det önskas ska sedan kabeln dras längst en bana som anordnas runt någon eller några av de fem spikar som finns på plattan. Se Figur 3.

Figur 3: Kopplingsplattan.

Figur 4: Horisontellt monterad kontakt.

(21)

7 Figur 5: Vertikalt monterad kontakt.

Kontakter

De nio kontakterna varierar i storlek och utformning. I somliga kan roboten direkt trycka in kabeln, medan det i andra kontakter krävs en del hjälp, till exempel med att skruva eller att tycka på en spärr. Beskrivning av processerna för montering finns i avsnitt 3.1.

Kablar

För att kunna montera kablar i en kontakt måste de orienteras. De kablar som placeras framför robotsystemet kommer i huvudsak ha två diametrar. Den tjockare har en diameter på 2,5 mm och den tunnare har en diameter på 1,5mm. Kablarnas hankontakter och färg varierar beroende av modell. Hankontakterna kan vara cirkulära, rektangulära och kvadratiska. Se Figur 6 för exempel på hankontakter.

Många modeller har hullingar som är snedställda så att kabeln inte ska kunna glida ur sin kontakt när den är monterad. Alla dessa aspekter bör man ta hänsyn till när kabeln ska monteras i kontakten. Därför är ändens orientering relevant för att monteringen av kabeln ska fungera. Alla kablar kommer vara försedda med en sifferkod och en hankontakt som ska identifieras av vision-systemet. Koden anger vilket hål på kontakten som kabeln ska sättas in i.

(22)

8 Figur 6: Varianter på hankontakter.

Hur sifferkoden presenteras varierar för de olika kabelmodellerna. Vissa har sifferkoden tryckt direkt på kabeln, medan andra varianter har en vit krympslang med sifferkoden på. Sifferkoden står inte på samma sätt på alla kablar utan sitter på olika avstånd från hankontakten.

(23)

9

3 Processer

3.1 Komponenterna

Nedan följer en beskrivning av olika monteringssekvenser och de olika moment som ingår i dessa.

PHOENIX-skruv

• Finn kontakt Arm 1

• Grip kontakt med Arm 1

• Orientera kontakt med hjälp av överlämning till Arm 2

• Placera Phoenix-skruv på sockel Arm 2

• Kontrollera att skruvarna är i rätt position Arm 2

• Finn kabel Arm 1

• Grip kabel med Arm 1

• Orientera kabel med hjälp av överlämning till Arm 2

• För in kabel i Phoenix-skruv på sockel Arm 2

• Skruva fast kabel när den är på plats

• Upprepa för 5 kablar

• Lyft färdigmonterad Phoenix-skruv från sockel PHOENIX-snabb

• Placera Phoenix-snabb på sockel Arm 2

• Grip kabel Arm 1

• Montera kabel Arm 2

• Upprepa 10 gånger

Figur 7: PHOENIX-skruv.

Figur 8: PHOENIX-snabb.

(24)

10

• Lyft färdigmonterad Phoenix-snabb från sockel MOLEX Mini-Fit Jr

• Placera MOLEX Mini-Fit Jr på sockel Arm 2

• Montera kabel i MOLEX Mini-Fit Jr så att den fastnar med hulling Arm 2

• Lyft färdigmonterad MOLEX Mini-Fit Jr genom att trycka ner spärr och dra samtidigt

MOLEX Micro-Fit

• Placera MOLEX Micro-Fit på sockel Arm 2

• Montera kabel i MOLEX Micro-Fit så att den fastnar med hulling Arm 2

• Lyft färdigmonterad MOLEX Micro-Fit genom att trycka ner spärr och dra samtidigt

CVILUX enkelrad

Figur 9: MOLEX Mini-Fit Jr.

Figur 10: MOLEX Micro-Fit.

(25)

11

• Placera CVILUX enkelrad i sockel Arm 2

• Finn Kabel Arm 1

• För in kabel i CVILUX enkelrad Arm 2

• Lyft färdigmonterad CVILUX enkelrad CVILUX dubbelrad

• Placera CVILUX dubbelrad i sockel Arm 2

• Finn Kabel Arm 1

• Montera kabel i CVILUX dubbelrad Arm 2

• Lyft färdigmonterad CVILUX dubbelrad Friände

• Tryck ner spärr Arm 1

• För in kabel i öppning Arm 2

• Släpp spärr Arm 1

• Test sker

• Öppna spärr Arm 1

Figur 11: CVILUX enkelrad.

Figur 12: CVILUX dubbelrad.

Figur 13: Friände.

(26)

12

• För ut kabel Arm 2

• Släpp spärr Arm 1

3.2 Bildtolkning

Yumis tolkning av den bild som roboten får via sitt vision-system är en av de mest avgörande processerna i arbetet. Roboten ska uppfatta på vilket sätt det är

lämpligast att plocka upp komponenten eller kabeln med ledning av den bild som presenteras. Kablarna kommer att placeras framför roboten på ett liknande sätt varje gång. De kommer att ligga längs med kopplingsplattan, och alltid med samma ände riktad uppåt.

Kontakterna kommer att presenteras för roboten i en låda där kontakterna kan ligga slumpvis ordnade. Där kan kontakterna ligga hur som helst. Detta medför att vision- systemet kommer behöva känna igen alla sidor av kontakten, och med den

informationen avgöra från vilket håll det är bäst att greppa kontakten för att kunna göra en bra överlämning till den andra armen.

3.3 Orientering

Innan kabeln ska monteras i en kontakt behöver den orienteras för att kunna föras in i kontakten. Anledningen är att hankontakten på de flesta kontakter bara kan föras in i honkontakten på ett sätt.

Inför detta problem har det diskuterats ett antal lösningar. Den ena lösningen involverade att det skulle finnas en mekanism för att rulla kabeln mellan

gripfingrarna tills orienteringen på hankontakten blev rätt. Gripfingrarna skulle då gripa kabeln och sedan skulle den ena av fingrarna vara rörligt vilket skulle få kabeln att rulla i rätt position.

Ett annat alternativ var att kablarna skulle presenteras på samma sätt varje gång.

Kablarna hade då legat på samma ställe, med änden som ska greppas riktad åt samma håll varje gång. Yumi skulle då veta exakt var den skulle söka med vision och var den skulle gripa kabeln. Detta hade troligen gjort att roboten arbetat snabbare i detta steg. Nackdelen blir att det då skulle krävas ytterligare steg i processen för att orientera kablarna. Detta skulle kunna visa sig vara kostsamt, och då skulle inte robotsystemets fulla potential ha använts.

Den lösning som ansågs lämpligast och som utnyttjar Yumis kapacitet istället för andra externa lösningar är att gripfingrarna på ena handen griper kabeln och håller upp den. Den andra handen inspekterar då kabelns hankontakt med sitt vision- system och vet då var den ska ställas för att komma i rätt orientering i förhållande till hur kabeln ska föras in i hålet. Figur 14 visar hur Yumi kontrollerar hankontakten i simuleringen. Sedan görs en överlämning från högerhanden till vänsterhanden med önskad höjd och orientering.

(27)

13 Figur 14: Yumi kontrollerar hankontakten i simulering.

(28)

14

(29)

15

4 Genomförande

Hanteringen av kabeln är det som ur automationsperspektiv visats sig vara svårt, då kabeln är tunn och att det kan förekomma trassel med andra kablar. Av den orsaken kommer projektet inrikta sig på en kabel i början och sedan öka antalet efter hand.

4.1 3D modellering

En av utmaningarna för projektet var att fastställa hur kabeln skulle gripas från liggande position. Därför påbörjades framtagning av en prototyp av gripfingrar. Det var angeläget att identifiera och åtgärda eventuella problem vid provkörning av robotsystemet med prototypfingrarna.

För att på bästa sätt kunna greppa kabeln fanns en idé att kabeln skulle gripas genom att två v-formade utskärningar fördes ihop av de servomotorer som finns i robotens hand. Figur 15 illustrerar v-formen. V-formerna skulle dimensioneras efter

kablarnas diameter. Vidare skulle gripfingrarna ha en urgröpning så att v-formerna skulle kunna slutas helt då servomotorerna var helt hopförda.

Figur 15: De röda ringarna visar klack och v-form på gripfinger.

Gripfingrarna har försetts med en klack som visas i Figur 15. Dess funktion är att vid grepptillfället ska kontakten ligga mot klacken, detta är för att veta att den är rak och på rätt höjd. När kontakten är gripen till hälften kommer roboten trycka ner

kontakten mot marken för att överdelen av kontakten ska få kontakt med alla fyra klackar, se Figur 16. Klacken garanterar även att gripfingrarna inte kommer vara i vägen när kontakten ska monteras på sockeln, klacken är anpassad efter kontaktens dimensioner.

(30)

16 Figur 16: Gripfingrar greppar PHOENIX-snabb.

För att klara den spänning som eventuellt kan uppstå i fingrets bakända gjordes denna tjockare för att sedan smalna av längst fram. Att dimensionerna längst fram var små ansågs viktigt då det på många kopplingar finns lite utrymme mellan kablarna i kontakten.

Genom att det finns en urgröpning på gripfingrarna kan vi fixera kabeln på samma position vid flera upprepade lyft. Det är önskvärt att roboten vet exakt var den greppar, för att sedan kunna föra in kabeln i kontakten. Greppytan i övrigt är platt för att kontakter med rektangulära former ska kunna greppas.

Det framkom även att det var viktigt hur lagren på 3D-utskriften lades för att få maximal hållfasthet. Vid utskrift på en 3D-skrivare väljs utskriftsorientering. Där belastningen är hög bör filamentet printas tvärgående mot kraftens riktning.

Gripfingrarna printades med greppytan uppåt för att uppnå maximal hållfasthet och samtidigt få en fin yta på greppytan. Figur 17 visar från vilken riktning belastningen kommer.

Figur 17: Gripfinger med kraftpil.

(31)

17

4.2 Programmering

Utvecklingsverktyget där programmeringen av roboten utförs heter Robotstudio.

Där kan robotens arbete simuleras grafiskt, se Figur 18. Programmeringen görs i programspråket Rapid. Det går även att programmera Yumi genom ”Lead through”- programmering. Operatören justerar då armarna till önskade punkter. Roboten kan då spara uppgifter om punkter och orientering för att sedan upprepa rörelserna vid körning. ”Lead through”-programmering är bra vid enklare uppgifter men när programmet ska vara mer exakt är Robotstudio och Rapid bättre anpassat.

Uppdragsgivaren Kablageproduktion arbetar med små serier och bygger ofta nya kopplingsplattor. Eftersom Yumi ofta kommer att behöva programmeras om är tanken att det ska utvecklas funktioner för varje koppling. Dessa funktioner ska sedan kunna anropas vid ”Lead through”-programmering. Till exempel ska roboten kunna föras till en position framför en specifik kontakt, och sedan anropa funktionen för montering av en sådan, och då ska Yumi veta specifikationerna för en sådan kontakt. Stora delar av koden skall gå att återanvända. På så sätt kan

omställningstiden för nya kopplingsplattor minskas och det underlättar för operatörerna. För att detta ska kunna genomföras behövs en databas med

specifikationer för alla olika kontakter som används. I en sådan databas bör följande specifikationer ingå: antal hål, avstånd mellan hål, antal rader med hål och

kabelnummer på den kabel som ska monteras i motsvarande hål.

Figur 18: Robotstudio med Yumi och kopplingsplatta

(32)

18

4.3 Ny programvara

Ett nytt program som inte finns på marknaden än men som projektet har haft förmånen att testa kommer göra det möjligt för operatören att med FlexPendanten programmera en funktion utan stora förkunskaper. Programmet kommer att innehålla självkalibrering av verktyg och kamera. När roboten befinner sig i rätt position kan funktioner i programvaran anropas, så som ”plocka detalj” och ”lämna detalj”. Operatören blir guidad genom hela processen i FlexPendanten, och får instruktioner från den om vad som ska göras och hur det ska utföras. Till exempel om en detalj ska plockas får operatören placera Yumis arm ovanför objektet med kameran riktad nedåt mot föremålet. Sedan tas en bild av objektet och utifrån den bilden identifieras geometrin i programmet Robotstudio. När Robotstudio känner igen en geometri tar Yumi flera bilder av objektet från olika vinkar. Detta gör det möjligt för Yumi att veta på vilken höjd objektet ska gripas. Efter detta kan

operatören testköra programsekvensen och om den blir lyckad implementeras den i programmet.

4.4 Kollaborativitet

Hur effektivt en cobot kan arbeta i tillverkande miljöer beror på hur väl robotcellen utformas för sin specifika uppgift. Enligt Grahn och Langbeck finns det fyra viktiga saker att beakta:

(1) Rolltilldelning, t.ex. cobotens arbetsuppgift, människans ansvar och de mellanliggande faktorerna.

(2) Acceptansen av cobotar bland operatörer.

(3) Installationstiden för en cobotcell.

(4) Potentiell takttidsreducering.

Det som detta projekt delvis ägnar sig åt är just uppdelningen av arbetsuppgifter mellan cobot och människa: vad ska coboten utföra, och vad ska människan utföra?(Grahn and Langbeck)

4.5 Autonomi

För att få detta system ska fungera autonomt fanns ett tidigt förslag att ett externt matningssystem skulle inrättas. Det beslutades att Yumis kapacitet skulle användas i största mån och att extern matning och extern vision inte skulle beröras i projektet.

Detta för att utnyttja Yumi så mycket som möjligt.

En utgångspunkt för projektet har varit en strävan att få roboten att bli helt

autonom, frånsett att den kommer att förses med materiel från en människa. Detta skulle innebära att roboten själv ska klara av att identifiera kabelmodell och

orientering av hankontakten, montering av kontakt i sockel, montering av kabel i kontakt och slutligen lyft av färdig kontakt. I vissa fall ska kabeln dessutom dras i en snitslad bana.

I projektets början användes simuleringstiden till att försöka få roboten att ta upp en kabel, och sedan med vision-systemet kontrollera modell och orientering. Efter det

(33)

19

bytte roboten arm att hålla kabeln med för att sedan föra in kabeln i kontakten.

Simuleringen gjordes för att utreda om det var genomförbart att bygga

robotsystemet i verkligheten. Det hjälpte till att ge en översikt av vad armarnas arbetsuppgifter är i processerna.

Detta kom att bli det första steget, för att se om Kablageproduktions arbete gick att automatisera. Långt in i projektet var det svårt att verifiera om det som gjorts i simuleringen gick att omsätta till verklighet. De kritiska momenten är att plocka upp kabeln från bordet och identifiera orientering av hankontakten och därefter att stoppa in kabeln i kontaktens hål. Figur 19 visar när Yumi har greppat en kabel.

Figur 19: Gripfingrar med en kabel i v-formade greppet.

4.6 Vision-system

För att kunna identifiera kontakter och kablar, och försäkra sig om att kopplingar utförs korrekt behövs ett vision-system. En stor del av projektets tid ägnades åt att kunna identifiera kontakter och kablar. Att upptäcka kablar utifrån en bild är genomförbart och fungerar bra. Det som var svårare var däremot att kunna läsa av numren på kablarna. Kabelnumret står inte på samma sätt på alla kablar utan sitter på olika avstånd från hankontakten. Detta medför att det behövs unika

mönsteravläsningar för varje specifikt fall.

För att ta reda på hur det går att läsa av de olika kabelnumren genomfördes en undersökning. Vid undersökningen användes tre olika kabelmodeller med olika numrering och färger. Det ska tas fem bilder var för varje kabel och dessa ska kunna avläsas av en människa. Resultatet ska utvisa med hur stor säkerhet avläsningen kan ske på varje kabelmodell. De kablar som undersöktes hade alla svart text,

bakgrunden varierade mellan blå, orange och vit. Dessa kablar visas i Figur 20.

(34)

20 Figur 20: Tre olika kablar som användes i undersökningen.

(35)

21

5 Resultat och analys

5.1 Mål

Detta arbete hade som utgångspunkt att söka generella lösningar för montering av kontakter och kablage med hjälp av en kollaborativ robot. Arbetet var i början tänkt att inrikta sig på en kabelkoppling och sedan arbeta vidare så långt som möjligt med de övriga nio kabelkopplingarna. Så har det inte blivit i verkligheten. Projektet avstannade vid den första kopplingen på grund av begränsad tillgång till en Yumi- enhet. I detta läge ansågs det vara uppdragsgivaren och projektet till större nytta att utvärdera en kontakt och dess koppling ordentligt, för att företaget självt skulle kunna tillämpa resultaten på övriga kopplingar.

5.2 3D-modell

Gripfingrarna var prioriterade under arbetet. Först togs det fram en prototyp av gripfingrarna anpassade för infästningen på servon, se Figur 21. En test 3D-utskrift av prototypen genomfördes för att undersöka vilka skillnader konstruktören kan uppleva mellan 3D-miljön och verkligheten.

Figur 21: Tidig prototyp av ett gripfinger.

Då konstruktionen ansågs färdig gjordes en 3D-utskrift med en skrivare med hög precision och nylon som filament för att säkerställa att hållfastheten blev bra. Figur 22 visar prototypen utskriven i nylon.

(36)

22 Figur 22: Utskrift i nylon och med stödfilament på gripfingret till höger.

Vid första testet av gripfingrarna uppdagades att det var svårt att förutse var kabeln skulle hamna när gripfingrarna fördes samman. Det var inte alla gånger som de hamnade i den V-formade utskärningen som planerat. Detta test genomfördes inte med hjälp av vision-system, vilket hade kunnat ge en annan utgång av testet. För att ta hänsyn till detta breddades den V-formade utskärningen för att öka tillåtna felmarginaler. Om kabeln hamnar fel när den skall greppas kan det leda till följdfel i andra operationer, som exempelvis när kabeln skall monteras i kontakten. Figur 23 visar prototypen av ett gripfinger.

Figur 23: Prototyp av ett gripfinger.

5.3 Simulering och simuleringsmiljö

En miljö för simulering har upprättats i Robotstudio genom att importera CAD-filer av kopplingsplatta och gripfingrar. Detta har varit hjälpsamt för att illustrera hur en robotcell skulle kunna utformas. Då ett större projekt ska göras förenklar det

utformandet av miljön i ett program för att se hur arbetsordningen bör vara.

Avsikten var att få en uppfattning om monteringsmetodiken fungerade som tänkt och få förslag på konfigurering av robotens armar.

Jämfört med tidigare simuleringar som gruppen har gjort var denna mer krävande.

De flesta av ABB:s robotar har en arm och det skulle ha varit färre aspekter att ta

(37)

23

hänsyn till än om roboten har två armar. En robot med två armar kräver mer planering för att få armarna synkroniserade och i rätt konfiguration.

5.4 Vision-system

Gruppen har med hjälp av vision-systemet kunna finna kabeln, greppa den och släppa ned den på ett nytt ställe och hitta den igen. Denna operation har gjorts möjlig av det program som gruppen fick tillgång till från ABB som fortfarande är under utveckling. Eftersom samma metodik används för att plocka upp kontakter och montera dem på sin sockel och sedan placera kabeln, håller gruppen för sannolikt att även det kommer att fungera. Detta har dock inte testats i verkligheten och här rekommenderar vi fortsatta tester.

Ett mål med projektet var att göra systemet kapabelt att avläsa siffror på kablarna.

Detta har visat sig genomförbart på vissa typer av kablar. Att siffrorna är skrivna på en välvd yta gör det svårt för vision-systemet att få en bra bild. Detta faktum gör det viktigare att de andra förutsättningarna är bra när bilden tas, så som

kamerainställning, ljus och bakgrunden för siffrorna.

Det genomfördes ett bildtagningstest på kablar med svarta siffror med varierande bakgrund. Testet visade otvivelaktigt att det var mest förmånligt med en vit

bakgrund för siffrorna. Detta skulle kunna uppnås genom att siffrorna skrivs på en krympslang som är fäst på kabeln, som det är på vissa kabelmodeller idag. Se Figur 24.

Figur 24: Kabel med siffror på en vit krympslang.

5.5 Användarvänlighet

Som tidigare nämnts i texten faller Yumi som robotsystem under kategorin

”kollaborativ robot”(cobot). Detta behöver inte betyda att roboten är

användarvänlig. Men i Yumis fall finns det några funktioner som skulle kunna göra den mer lämplig för en person som är oerfaren inom robotik, till exempel ”Lead through”-programmering. Yumi är säker att jobba nära, då den har ett

säkerhetssystem som gör att den stannar snabbt om den stöter in i något. ”Lead through”-programmeringen är ett lämpligt verktyg för att få roboten att med enkla medel börja röra sig och utföra enkla uppgifter. Det bör ändå understrykas att det, trots vissa hjälpmedel på Yumi, är rekommendabelt att skaffa sig goda förkunskaper om man planerar att göra ändringar i dess program.

För att öka användarvänligheten för Yumi utvecklar ABB ett program för att underlätta programmeringen av roboten. Det ska som tidigare nämnts lätt gå att

(38)

24

exempelvis plocka upp en detalj och sedan lämna den. Denna programmering kommer att göras ifrån FlexPendanten. Se Figur 25.

Figur 25: FlexPendant.

5.6 Analys

Våra erfarenheter från arbetet talar för att nyckeln till att lyckas med det som

Kablageproduktion vill åstadkomma med Yumi, är förståelse för vision-systemet och tolkning av bilden. Om man kan lyckas med det, och samtidigt får roboten att hitta kablar och sedan greppa dessa, är många problem lösta.

Med ABB:s programvara kommer identifiering av detaljer, samt beslut om hur dessa ska greppas, att förenklas. Projektet arbetade länge med att förstå mätdata från bilder som skulle användas för att räkna ut var en kabel skulle greppas.

Programvaran är tänkt att utföra denna uppgift, och det kommer underlätta programmeringen i Robotstudio.

(39)

25

6 Slutsats

I detta skede kan vi inte rekommendera Kablageproduktion att köpa in Yumi. Det finns aspekter kvar av dess tillämpning som inte har berörts i detta projekt eller som skulle behöva utvärderas.

Detta projekt har utvärderat en koppling där alla kablar har samma tjocklek. Det bör dock vidare undersökas om Yumi även kan hantera de tunna kablarna och små kontakterna. Till detta bör eventuellt ett nytt par gripfingrar utformas som är mer specialiserade på en specifik typ av koppling.

De gripfingrar som vi har utformat under projektet är avsedda för generell

användning, och det finns fortfarande utrymme för att utveckla dessa. Två ytterligare modifikationer skulle kunna göras på de gripfingrar som tagits fram. För det första att göra fingrarna kortare, vilket borde leda till att de böjs mindre när de greppar en kabel eller ett annat föremål. För det andra att på varje finger lägga in en halvcirkel med en radie på cirka två mm. Detta skulle kunna möjliggöra för Yumi att leda kabeln genom en snitslad bana. Se Figur 26.

Figur 26: Förslag på fortsatt arbete på gripfingrarna.

Vi rekommenderar att fortsatt arbete spenderas på Yumis kapacitet att föra in en kabel i en kontakt. Kvar att utreda är om Yumi klarar av att trycka ner en kabel i kontakten PHOENIX-snabb. Det finns två kritiska moment: det ena är om

gripfingrarna klämmer tillräckligt hårt så att kabeln inte glider i greppet vid monteringstillfället, och det andra är risken att säkerhetssystemet löser ut om motståndet från kontakten är för stort vid monteringstillfället.

Utifrån den undersökning som genomförts med tre olika kabelmodeller drar

projektet slutsatsen att märkningen bör standardiseras så att kabelnumret skrivs på en vit bakgrund på ett standardiserat avstånd från hankontakten med en

standardiserad font. Detta för att avläsningen av kabelnumret ska underlättas och ske med hög säkerhet. Projektgruppen rekommenderar en undersökning om streckkod skulle kunna ersätta sifferkoden. Denna streckkod hade då kunnat vara tryckt runt hela kabeln och avläsas från alla håll. Förslaget om streckkod undveks i

(40)

26

projektet i samråd med Kablageproduktion för att de ville utgå ifrån dagens förutsättningar.

Vår rekommendation är att en databas upprättas, som det beskrivs i 4.2. Detta för att minska omställningstider och uppnå en högre kvalitet.

Vi vill framhålla att det finns stor potential i Yumi’s förmåga att på sikt kunna avlasta och ersätta arbetsstationer hos Kablageproduktion men att fortsatt utredning krävs.

(41)

27

Referenser

ABB-Engineering, S. (2017) Yumi Datasheet. Available at:

https://library.e.abb.com/public/8cc4d9b8031b4973b8099edd115c075a/ROBO0317_Yumi_print.pdf (Accessed: 2017-04-19).

ALPMAN, M. (2014) 'Här är Tysklands Industri 4.0'. Available at:

http://www.nyteknik.se/automation/har-ar-tysklands-industri-4-0-6397956.

Grahn, S. and Langbeck, B. BENEFITS OF COLLABORATIVE ROBOTS IN ASSEMBLY –AN

EVALUATION SCHEME. Available at: http://www.ipr.mdh.se/pdf_publications/3806.pdf (Accessed:

2017-05-04).

Hannover, M. (2017a) Get ready for the connected industry. Available at:

http://www.hannovermesse.de/en/news/key-topics/industrie-4.0/ (Accessed: 2/5-2017).

Hannover, M. (2017b) Man and machine:Ateam at the top of their game. Available at:

http://www.hannovermesse.de/en/news/key-topics/cobots/ (Accessed: 2/5-2017).

(42)

28

(43)

1

Appendix

Undersökning av sifferkodsavläsning på kablar

Undersökningen gjordes med syftet att ta reda på vilket sätt sifferkoden ska presenteras på en kabel i detta specifika fall.

Detta är en unik undersökning och textrutan har anpassats till siffrornas avstånd till hankontakten.

Ljusinställningar och kontraster är desamma på alla bilder. Grader i tabellen är vridningen av kabeln i XY-led.

Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5

Grader 0 45 90 135 180

Orangekabel med svart

text 72.8 65 - 61.2 63.1

Avläst kod --- -38 --- 838 ---

Blå kabel med svart

text ^Ejavläsbar

Ej avläsbar

Avläst kod --- --- --- --- ---

Orange kabel med vit krympslang och svart

text 78.8 72.5 64.4 61.6 68.5

Avläst kod OK OK OK OK OK