Pruebas Ensamblado/Desensamblado con estructuras de aluminio

Transcripción

1 Pruebas Ensamblado/Desensamblado con estructuras de aluminio Publicación Interna Nº3 S. Puente C. Diaz Grupo de Automática, Robótica y Visión Artificial

2 PubInt3 Pruebas de ensamblado/desensamblado Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal 1

3 AUROVA S. Puente, C. Díaz 1. Introducción El proceso para ensamblar y desensamblar distintos productos de forma automática requiere del uso de distintas técnicas. En este informe se enfoca en la información especifica sobre el proceso de atornillado/desatornillado, y la manipulación de piezas para el ensamblado y desensamblado de una estructura de aluminio. Estos racores de aluminio se utilizan en la construcción de estructuras de vallado y barandillas. La aplicación mas conocida es el montaje de las barandillas de sujeción de los autobuses. La estructura base que se utiliza para realizar las distintas pruebas se muestra en la Figura 1. Figura 1: Estructura de aluminio. La ejecución de esta tarea se puede dividir en dos fases, primero posteriormente a pruebas de inserción previamente realizadas dentro de este grupo de investigación, se procede al atornillado de el tubo superior, a la pieza con forma de T sujeta a la mesa (Fig.1), para lograr el ensamblado de la estructura. En la segunda fase el tubo debe ser desatornillado y manipulado hasta su correspondiente deposito para lograr desensamblar dicha estructura. Para la ejecución de estas acciones se utiliza un algoritmo de desatornillado no destructivo, y también se emplea una técnica para la obtención de los puntos de agarre óptimos de las piezas para lograr una correcta manipulación. 2

4 PubInt3 Pruebas de ensamblado/desensamblado En el apartado 2 se describe el esquema del proceso para lograr el ensamblado de las piezas. Y posteriormente en la sección 3 se describe el desarrollo para obtener el desensamblado de la estructura. En estos apartados 2 y 3 se describen los resultados experimentales, los cálculos y las acciones realizadas para el correcto desensamblado y ensamblado de las piezas. Finalmente se presentan las conclusiones obtenidas. 2. Ensamblado Piezas 2.1 Punto de agarre para la inserción Para coger el tubo superior se utiliza como herramienta una pinza neumática de dedos paralelos, mostrada en la Figura 2. Figura 2: Extremo operativo, pinza de dedos paralelos. Debido a conclusiones de pruebas realizadas anteriormente por este grupo de investigación se llega a la conclusión de que esta herramienta debe ser cambiada por alguna que presente una mejor sujeción y que otorgue un mayor cono de fricción entre el tubo que es una superficie convexa y el extremo operativo que se utilice. Es importante destacar que independientemente del extremo utilizado, el cálculo de la referencia del punto de agarre que se detalla a continuación resulta invariante [1]. 3

5 AUROVA S. Puente, C. Díaz Para encontrar el punto de agarre óptimo de la barra cuando se inserta en la pieza se aplica el algoritmo previamente desarrollado. Se parte del modelo CAD en tres dimensiones de la barra y se obtiene el hiperplano de corte por el eje de inercia correspondiente para la ejecución de dicha tareas (Fig. 3). Figura 3: Tupo 3D, plano de corte. Se obtiene el esqueleto [2], [3] del plano elegido como se observa en la Figura 4, siguiendo el algoritmo expuesto en [4] se determina el punto de agarre p 1, que en este caso coincide con el centroide de la barra. Es decir la distancia entre dichos puntos es igual a cero. Esto le otorga al agente que manipula el objeto una mayor estabilidad. c= p 1 Figura 4: Punto de agarre obtenido. 4

6 PubInt3 Pruebas de ensamblado/desensamblado 2.2 Atornillado. Luego de que el tubo de la parte superior se ha insertado correctamente en la pieza se procede a realizar el atornillado. Para el cual se emplea el algoritmo desarrollado en [5] incluyendo algunas modificaciones explicadas posteriormente. El manipulador robótico que interviene (PA-10 de Mitsubishi ) hace uso del sensor de fuerza JR3 colocado en el extremo operativo, que le permite sensar momentos y pares en los tres ejes cartesianos. Para la ejecución de la acción de atornillar y desatornillar se emplea como herramienta un desatornillador eléctrico, como se muestra en la Figura 5. Figura 5: Extremo operativo, desatornillador. La secuencia real del la manipulación de la barra y el atornillado se muestra en la Figura 6. 5

7 AUROVA S. Puente, C. Díaz Figura 6: Secuencia ensamblado piezas. 6

8 PubInt3 Pruebas de ensamblado/desensamblado 3. Desensamblado Piezas El proceso inverso al anterior consiste en desacoplar el tubo superior de la estructura fija a la mesa de trabajo, para lo cual primero se debe realizar una acción de desatornillado para poder separar dichas piezas. 3.1 Desatornillado. Para el desatornillado se utiliza el algoritmo desarrollado en [5], al cual se le agrega un filtro de Kalman para mejorar la señal proveniente del sensor de fuerza. Como se expreso anteriormente la fuerza mas importante a tener en cuenta en el proceso de desatornillado es la normal aplicada al tornillo. Se utiliza la misma herramienta mostrada en la Figura 2 que se empleo para atornillar. La acción de desatornillado se realiza aplicando la ley de control de fuerzas siguiente (1): S e (z) = -k(f e (Z)-F s (Z)) (1) Donde: S e (z) es la velocidad del extremo del robot de acuerdo al eje Z. F e (Z) es la fuerza deseada en el extremo del robot, que incluye la fuerza que está haciendo el tornillo al ser desatornillado. F s (Z) es la fuerza leída en el sensor de fuerzas a lo largo del eje Z. k es la ganancia del sistema. Filtrando la señal de fuerza F s (z) leída por el sensor a lo largo del eje z del extremo, perpendicular al objeto, mediante un filtro de Kalman, se observa que el resultado que se obtiene suaviza la señal del sensor, como se muestra en la Figura 7, como se observa en esta figura, al filtrar la señal los resultados mejoran considerablemente, ya que se eliminan las pequeñas perturbaciones del sistema. Se observa también, que los criterios para determinar cuándo acaba la acción de desatornillado pueden variar. Se puede tener en cuenta las oscilaciones del tornillo, el pico de fuerza (las variaciones de la pendiente) y, por último, para otorgarle mayor robustez al sistema, se establece un tiempo máximo de espera que determina el sistema para desatornillar según la longitud del tornillo. 7

9 AUROVA S. Puente, C. Díaz Figura 7: Grafica Fuerza/Tiempo La secuencia real para lograr el desatornillado del objeto se muestra en la Figura 8.a y b. 1 2 Figura 8.a: Secuencia real desatornillado. 8

10 PubInt3 Pruebas de ensamblado/desensamblado Figura 8.b: Secuencia real desatornillado Se observa en la secuencia real que primero el robot manipulador se aproxima a la posición de la cabeza del tornillo (Fig. 8.a.1), luego mediante el control de fuerza la herramienta se 9

11 AUROVA S. Puente, C. Díaz acopla a la misma (Fig. 8.a.2) y procede a ejecutar el desatornillado propiamente dicho (Fig. 8.2.b.1-3). 3.2 Punto de agarre extracción Para calcular el punto de agarre óptimo para la extracción del tubo superior, se debe tener en cuenta que este se encuentra acoplado a la pieza con forma de T sujeta a la mesa de trabajo, posición en la cual se encuentra trabajando cooperativamente otro manipulador para lograr quitar el elemento de enlace de estas dos piezas. Como se muestra en el modelo en tres dimensiones representado en la Figura 9. Figura 9: Piezas ensambladas, modelo 3D. Por lo tanto se considera que trabajan conjuntamente en la superficie del tubo dos manipuladores robóticos, uno de los cuales tiene su punto de agarre en la parte inferior y otro en la parte superior, para evitar posibles colisiones, como se indica en la Figura 10. Donde se puede observar que el punto de agarre mas seguro para coger el tubo para su posterior extracción es el mostrado como p 1. 10

12 PubInt3 Pruebas de ensamblado/desensamblado p 1 Figura 10: Piezas En la Figura 10 se observa que variando los rangos entre la mínima distancia entre el centroide y la máxima distancia entre los puntos de agarre de los robots se obtiene p 1 que llega a una relación de compromiso donde se debe ponderar por un lado, la seguridad del sistema maximizando la distancia entre los puntos para evitar colisiones entre los robots, y mientras más cerca del centroide se encuentre el punto de agarre p, 1 más equitativo será el balance de las cargas del tubo una vez que se encuentra desacoplado de la otra pieza. 4. Conclusiones Se ha desarrollado y aplicado un método el atornillado y desatornillado, empleado para ensamblar y desensamblar estructurad formadas con racores de aluminio. También se determinan los puntos de agarre para una correcta manipulación de dichas piezas. El desempeño del sistema para las pruebas realizadas se muestra satisfactorio en líneas generales sin embargo cabe señalar los siguientes ítems. La posición del tornillo debe ser lo mas exacta posible, dado que si no resulta difícil realizar las operaciones de atornillado y desatornillado. 11

13 AUROVA S. Puente, C. Díaz El largo y la imantación de la punta del desatornillador influyen considerablemente para el desatornillado y atornillado. La velocidad de salida del tornillo para el desatornillado resulta variable según la longitud de cada tornillo y debe ajustarse para cada tipo. Por último, los puntos de agarre que se obtienen como referencia para la localización del extremo operativo con respecto al objeto, se calcula para el centro de los dedos de la pinza utilizada. Y para el caso de la mano Barret para sujetar el tubo, se utiliza el punto de agarre obtenido como referencia para la localización de la mano, y se utiliza un agarre de tipo envolvente. 12

14 PubInt3 Pruebas de ensamblado/desensamblado REFERENCIAS [1] J. Pomares, G.Garcia. Publicación Interna 1: Pruebas de inserción con estructuras de aluminio. [2] Soille P. Morphological Image Análisis. Springer [3] Dougherty E. R., Lotufo R. A. Hands on Morphological Image Processing. SPIE PRESS. The International Society for Optical Engineering [4] S. Puente, C.Díaz. Publicación Interna 2: Pruebas de desensamblado tapa nevera. [5] Puente S., Torres F. Automatic screws removal in a disassembly process. 1st CLAWAR/EURON Workshop on Robots in Entertainment, Leisure and Hobby. Vienna [6] Bicchi A., Kumar V. Robotics Grasping and Contact: A Review. Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Pp [7] Diaz C., Puente S., Torres F. (2006) Task Planner for a Cooperative Disassembly Robotic System. Proceeding of the 12th IFAC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing. Vol. 1, pp