1. PendahuluanKontribusi utama dari makalah ini adalah keseluruhan pendekatan yang diusulkan: teknologi multifungsi dan manufaktur fleksibel yang bekerja pada sistem laboratorium dan mengintegrasikan beberapa subsistem, yaitu lini mekatronika perakitan/pembongkaran (A/DML), sel fleksibel A/D (FC ) dengan 6-DOF IRM dan CAS terintegrasi yang terdiri dari autonomous robotic system (ARS), yaitu WMR yang dilengkapi dengan 7-DOF RM dan eye- in-handVSS terletak di ujung efektor. Semua subsistem ini dilengkapi dengan PLC, perangkat komunikasi kabel dan nirkabel, sensor infra merah, induktif, dan optik, serta aktuator listrik dan pneumatik. Teknologi ini memungkinkan perakitan dua produk berbeda dan menyelesaikan pembongkaran atau perbaikan produk yang gagal dalam uji kualitas. Komponen yang dihasilkan dari pembongkaran atau perbaikan dipulihkan oleh CAS dan disimpan untuk digunakan kembali. Elemen utama orisinalitas dan kontribusi terkonsentrasi dalam merancang arsitektur seluruh sistem untuk memungkinkan pembuatan yang fleksibel, multifungsi, komunikasi, sinkronisasi sinyal dari sensor, kontrol terdistribusi, dan pemrosesan gambar untuk pemosisian yang tepat. Semua tindakan dan operasi ini ditemukan dalam teknologi dari dunia industri nyata, Lini produksi yang fleksibel mewakili semua stasiun kerja dan sel, peralatan pengukuran dan akuisisi data, WMR, RM, transportasi, penyimpanan, sistem pemantauan dan kontrol, mampu melakukan tugas untuk perakitan komponen atau operasi pemrosesan, termasuk cara yang dapat dikonfigurasi ulang yang memberikan reversibilitas, pengulangan dan, terakhir, fleksibilitas [ 1 , 2 , 3 ]. Konsep FML dirancang dan dikembangkan untuk memproduksi berbagai produk, dalam batch kecil atau menengah. Lini manufaktur fleksibel (FML), yang mampu melakukan A/D dibantu oleh robot, terdiri dari subsistem berikut [ 4 , 5 , 6 , 7 , 8 ]:
Servoing visual adalah perpaduan dari hasil yang diperoleh dari beberapa bidang penelitian seperti analisis dan pemrosesan citra real-time, robotika, teori dan sistem kontrol, dan desain aplikasi real-time. Salah satu komponen mendasar robot adalah sensor visual, yang memungkinkan penyelidikan lingkungan kerja tanpa kontak dengan elemennya. Perilaku sistem servoing visual terutama dipengaruhi oleh jenis fitur visual yang digunakan untuk menghasilkan hukum kontrol. Arsitektur kontrol yang sesuai dengan sistem servoing dibagi menjadi tiga kategori: Dalam makalah ini, arsitektur hybrid digunakan untuk mengontrol VSS eye-in-hand yang dipasang pada robot manipulator CAS. Sisa kertas ini disusun sebagai berikut. Struktur perangkat keras A/D/RML yang dibantu oleh CAS dijelaskan di Bagian 2 ; fleksibilitas dan multifungsi A/D/R/ML, bersama dengan penjadwalan tugas disajikan di Bagian 3 ; Komunikasi, kontrol, dan sinkronisasi A/D/RML dan CAS berbasis Industri 4.0 disajikan di Bagian 4 ; Bagian 5 menyajikan kontrol real-time dari teknologi manufaktur fleksibel multifungsi, hanya untuk fungsi perbaikan; dan beberapa catatan tentang pengendalian dan pengawasan teknologi dapat dilihat di Bagian 6 , Pembahasan. Di bagian akhir, Kesimpulan, tujuan yang dikejar oleh pendekatan dan penelitian di makalah dinyatakan. 2. A/D/RML Dibantu oleh CAS2.1. Arsitektur Perangkat KerasKonsep desain dasar terdiri dari tiga komponen/subsistem utama yang disinkronkan untuk bekerja bersama dan bertindak sebagai lini manufaktur fleksibel yang melakukan beberapa operasi seperti perakitan dua produk yang berbeda (benda kerja) dengan fungsi pembongkaran, perbaikan, dan pemulihan. Struktur A/D/RML ditunjukkan pada Gambar 1 . Komponen utamanya adalah: Gambar 1. Struktur kontrol A/DML Hera&Horstmann, FC dengan ABB IRM dan CAS dengan PeopleBot WMR dan Cyton 1500 RM.
A/D/RML, seperti dijelaskan di atas, dicirikan oleh struktur modular. Struktur perangkat keras terdiri dari dua subsistem/modul yang dikontrol PLC dengan tugas khusus untuk semua tahapan manufaktur.
Struktur perangkat keras dan perangkat lunak berbasis PLC, seperti yang terlihat pada Gambar 2 , memiliki fitur arsitektur hybrid dari arsitektur terdistribusi dan sentralisasi/desentralisasi. Gambar 2. Struktur perangkat keras PLC Siemens S7-1200 Sel Fleksibel.
Setiap PLC, termasuk Hera&Horstmann ML Siemens S7-300 PLC, menampung beberapa program kontrol yang pemilihannya dilakukan dari jarak jauh, melalui HMI atau melalui master PLC (Siemens S7-1200). Tugas A/D dikendalikan secara ketat melalui PLC master ini, yang bertindak sebagai Sistem Pusat yang menangani visualisasi dan pengoperasian A/D/RML lengkap. Hera&Horstmann ML Siemens S7-300 PLC terhubung ke titik I/O melalui Profibus (garis magenta pada Gambar 1 ). Topologi Profibus digunakan untuk berkomunikasi dan mengontrol penggerak sabuk konveyor pengangkut, pemosisian benda kerja, dan metode sinkronisasi serta untuk jabat tangan dan pertukaran antarmuka sinyal dengan FC melalui adaptor Profibus. HMI tambahan (Siemens TP 177) dihubungkan hanya untuk tujuan visualisasi proses. Komunikasi FC didasarkan pada teknologi Profinet jaringan Ethernet industri (garis hijau Gambar 1 ), untuk berkomunikasi dengan HMI utama (Siemens KTP 700), pengontrol IRM ABB IRB120 dan Penggerak Servomotor Siemens Cerdas yang memiliki fungsi kontrol pemosisian sendiri. Kompatibilitas antara FC dan Hera&Horstmann ML, dengan cara komunikasi dijalankan, seperti yang disebutkan sebelumnya, melalui adaptor Profibus untuk menjembatani (interkoneksi) dua teknologi komunikasi yang berbeda: Profinet (protokol berdasarkan Industrial Ethernet) dan Profibus (protokol berdasarkan komunikasi serial ). Saat tindakan pembongkaran atau perbaikan dilakukan di FC (IRM membongkar atau memperbaiki benda kerja dengan mengganti komponen yang rusak), Cyton RM siaga, bagian dari sistem CAS, akan mengambil benda kerja yang dipulihkan untuk memindahkannya ke lokasi penyimpanan yang ditentukan. Beberapa sinyal sinkronisasi ditransfer antara master PLC dan CAS, melalui protokol Modbus TCP, protokol komunikasi standar yang banyak digunakan dalam otomasi industri. Beberapa sinyal ini (misalnya, sinyal terima) dikirim saat FC menyelesaikan tindakan perbaikan/pembongkaran, dan komponen (workpart) yang diganti dilepaskan dan siap untuk diambil oleh CAS. Sinkronisasi mengakui sinyal akan dikembalikan, saat CAS sibuk selama menangani, mengambil, mengangkut, atau melepaskan suatu bagian. Setelah itu, CAS tersedia kembali. Beberapa algoritme telah dikembangkan menggunakan paket pemrograman Siemens seperti Portal Totally Integrated Automation (TIA), Step7 Manager, serta WinCC Flexible untuk HMI, untuk loop dalam dari strategi yang dikembangkan (level PLC). Di kedua PLC, pemrograman modular digunakan, blok fungsi atau fungsi dibuat sebagai entitas, melakukan fungsi tertentu (Perakitan, Pembongkaran, Pengangkutan, Penyimpanan) atau mengendalikan jenis perangkat tertentu dalam sistem (Robot ABB, motor konveyor, penyimpanan , aktuator listrik dan pneumatik). Selama setiap pemindaian, PLC membaca semua input lokal dan jarak jauh, mengeksekusi setiap blok fungsi dan fungsi dalam urutan yang telah ditentukan sebelumnya (menggunakan IRQ), dan memperbarui semua output di akhir setiap pemindaian. Bagian tambahan dari program PLC adalah komunikasi antara master PLC (FC S7-1200 PLC) dan CAS melalui link Modbus TCP. Untuk itu, Modbus TCP Server dikonfigurasikan dan diprogram dalam Rutin Utama PLC master Siemens pada awal pemindaian sebelum eksekusi program untuk membuat dan memelihara koneksi yang stabil dan sinyal sinkronisasi pertukaran data yang cepat dengan CAS. Seperti dijelaskan sebelumnya, tautan komunikasi Profibus terpisah digunakan untuk menghubungkan data antara PLC (FC dan A/DML). Data ini harus dikirim dan diterima antara PLC master dan PLC Siemens S7-300 melalui adaptor komunikasi Profibus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 . 2.2. Sel Fleksibel dengan ABB IRMFC adalah Stasiun Pelatihan Robot ABB IRB120 terintegrasi laboratorium, ditunjukkan pada Gambar 3 , yang terdiri dari komponen utama berikut: Gambar 3. Stasiun Sel Fleksibel dengan 6-DOF ABB IRB120.
Tautan komunikasi Profinet digunakan untuk menghubungkan dan mengontrol semua perangkat FC yang disebutkan di atas. Untuk struktur perangkat keras FC, profil Profinet berikut berlaku:
ABB Robot Controller memiliki kemampuan perangkat keras untuk berkomunikasi dengan perangkat pihak ketiga melalui protokol Profinet, seperti yang disebutkan sebelumnya. Untuk itu, papan khusus budak Profinet AnybusCC (DSQC 688) dimasukkan ke papan ekspansi di atas unit komputer utama di ABB Robot Controller. Perangkat Profinet Anybus ini, DSQC 688, membutuhkan Robot Controller DSQC1000 (komputer utama). Dengan opsi Perangkat Anybus Profinet, pengontrol IRM ABB dapat bertindak sebagai budak di jaringan Profinet. 2.3. A/DML Hera&Horstmann MLA/DML ( Gambar 4 ) mencakup enam stasiun kerja individu dengan tugas yang berbeda; masing-masing memastikan pemenuhan operasi untuk tahapan yang berbeda: pengangkutan dan pengangkutan, stasiun kerja pneumatik, sabuk konveyor, unit pemilahan, stasiun pengujian, dan gudang [ 6 , 10 , 11 ]. Benda kerja lima bagian memungkinkan operasi alur kerja seperti perakitan, pengujian, penyortiran, penyimpanan, dan pembongkaran. Komponen yang akan dirakit adalah: workpart carrier (Base), Body, Top, Metal cylinder, dan Plastic cylinder. Gambar 4. A/DML Hera&Horstmann ML dengan penyimpanan produk akhir simetris. 2.4. Struktur Perangkat Keras CASCAS, ditunjukkan pada Gambar 5 , terdiri dari elemen-elemen berikut: sebuah 7-DOF Cyton 1500 RM yang dilengkapi dengan VSS jenis eye-in-hand menggunakan kamera definisi tinggi, keduanya terhubung ke komputer melalui USB dan secara sinkron berkomunikasi dengan A/D/RML melalui Wi-Fi. RM ditempatkan pada ARS PeopleBot, yang merupakan WMR dengan dua roda penggerak dan satu roda bebas (2 DW/1 FW). CAS digunakan untuk mengangkut bagian yang dapat dipulihkan yang diambil oleh Cyton 1500 RM ke depot penyimpanan yang sesuai jika bagian yang dirakit telah gagal dalam uji kualitas dan telah dibongkar atau diperbaiki. Gambar 5. CAS terdiri dari ARS, RM, VSS mata-di-tangan , dan komputer. Kontrol CAS dilakukan secara nirkabel menggunakan router yang ditempatkan di dalam WMR, melalui fungsi khusus dari ARIA (Advanced Robotic Interface for Applications) yang berjalan di komputer yang sama dengan Cyton RM yang terhubung. 2.5. Mata-Di-Tangan VSSVSS eye -in-hand adalah sistem di mana sensor video ditempatkan pada link terakhir dari RM, juga dikenal sebagai end-effector [ 13 , 17 , 24 ]. Untuk VSS jenis ini, informasi gambar 2D digunakan untuk mengontrol gerak robot di ruang kerja. Pelacakan objek dan posisi robot dicapai dengan menggunakan perbandingan antara fitur visual saat ini, yang diambil dari gambar yang diambil oleh kamera, dan fitur visual yang diinginkan. Perbedaan yang diperoleh digunakan untuk meminimalkan kesalahan antara posisi potongan saat ini dan lokasi yang diantisipasi. Apalagi bertepuk sebelah tangantipe VSS menunjukkan bahwa pergerakan RM juga menginduksi gerakan kamera yang terpasang. Salah satu komponen yang paling banyak digunakan dalam deteksi dan klasifikasi objek disebut momen citra. Momen gambar ini biasa digunakan di bidang robotika karena efisiensi dan kesederhanaan dalam penerapannya. Momen gambar berisi informasi tentang wilayah yang diminati, koordinat pusat gravitasi potongan, dan posisi gambar. 3. Fleksibilitas dan Multifungsi A/D/R/ML3.1. FleksibilitasA/D/RML adalah lini manufaktur yang fleksibel karena merakit dua produk yang berbeda, disebut sebagai benda kerja 1 (WP1) dan benda kerja 2 (WP2). WP1 adalah benda kerja dengan bagian Atas yang memiliki tepi segitiga ( Gambar 6 dan Gambar 7 a) dan dirakit di FC dengan ABB IRM. WP2 adalah benda kerja dengan bagian Atas yang memiliki ujung bulat ( Gambar 7 b,c) dan dirakit pada Hera&Horstmann ML. Gambar 6. Bagian benda kerja. Gambar 7. Benda kerja rakitan: ( a ) benda kerja dengan silinder logam; ( b ) benda kerja dengan silinder plastik; ( c ) benda kerja dengan bahan silinder yang berbeda. 3.2. MultifungsiPerakitan. Perakitan WP1 dilakukan oleh ABB IRM, mengambil dari gudang CF komponen secara berurutan ( Gambar 7a: Alas, Badan, Atas, dan silinder, Logam atau Plastik. Pertama, Pangkalan diposisikan di sabuk konveyor (di FC2), kemudian sisa produk dirakit di lokasi terpisah dari FC (di FC1), kemudian dipindahkan oleh ABB IRM di Pangkalan (di FC2) . Terakhir, WP1 bergerak di sepanjang Hera&Horstmann ML dan disimpan di sisi kiri stasiun WS6. Antarmuka pengguna grafis (GUI), pada pena HMI, memungkinkan pemilihan untuk perakitan antara silinder plastik dan silinder logam. Oleh karena itu, produk WP1 memiliki kualitas yang baik dan oleh karena itu disimpan di rak di sisi kiri stasiun WS6. Produk WP2 dirakit secara acak dengan dua silinder dan diuji kualitasnya di stasiun WS4. Untuk mengevaluasi kualitas produk WP2, konvensinya adalah bahwa produk WP2 yang dirakit dengan kedua silinder logam dianggap berkualitas baik dan disimpan di sisi kiri stasiun WS6. Produk WP2 yang berisi kedua silinder plastik (Gambar 7 b) dianggap produk bekas dan disimpan di rak di sebelah kanan stasiun WS6. WP2 ini akan dibongkar untuk pemulihan komponen. Produk WP2 yang memiliki bahan silinder yang berbeda ( Gambar 7c ) juga disimpan di rak sebelah kanan dan akan diperbaiki dengan mengganti silinder plastik dengan silinder logam ( Gambar 8 ). Gambar 8. A/D/RML dibantu oleh CAS. Membongkar. WP2 yang dianggap skrap (memiliki dua silinder plastik, Gambar 7b ) diambil alih oleh elevator WS6 dan ditempatkan di stasiun transportasi WS5. Ini diangkut sepanjang Hera&Horstmann ML ke FC (FC2). ABB IRM membongkarnya dalam urutan yang ditetapkan: Silinder 1 (kiri), Silinder Dua (kanan) Atas, dan Badan (di FC1), membiarkannya meluncur di bak yang sesuai. Basis diangkut kembali ke WH1 yang terletak di ML, di mana piston mendorongnya ke gudang penyimpanan. CAS mengambil alih setiap komponen secara berurutan, Silinder 1, Silinder 2, Bak, dan Atas, mengangkutnya ke gudang penyimpanan yang sesuai di Hera&Horstmann ML. Pemosisian presisi CAS dilakukan dengan VSS eye-in-hand ( Gambar 8 ). Perbaikan . WP2, memiliki silinder dari bahan yang berbeda ( Gambar 7 c), diambil alih oleh elevator WP6 dan ditempatkan di WS5. Ini diangkut sepanjang Hera&Horstmann ML ke FC (FC2). ABB IRM membongkar silinder plastik (pada FC1), membiarkannya meluncur di saluran pembuangan dan menggantinya dengan silinder logam yang diambil dari gudang FC yang sesuai. CAS mengambil alih silinder, dalam posisi apa pun, 1 atau 2, mengangkutnya ke gudang penyimpanan yang sesuai di Hera&Horstmann ML. WP2, sekarang memiliki kedua silinder logam, adalah produk berkualitas baik dan diangkut dari FC, sepanjang Hera&Horstmann ML, ke stasiun WS6 dan disimpan di sisi kiri ( Gambar 8 ) . 3.3. AsumsiTeknologi khusus pada jenis A/D/RML ini merupakan dasar dari lini produksi industri fleksibel multifungsi yang memberikan rangkaian produk standar yang tinggi. Selanjutnya, dengan pembongkaran atau perbaikan, produk atau suku cadang dapat dipulihkan dan dibawa ke standar kualitas. Teknologi pada A/D/RML dibantu oleh CAS dan eye-in-hand VSS, yang dikembangkan di bawah ini, bergantung pada aspek-aspek seperti mode operasi, lama operasi, dan jenis produk jadi ( Gambar 8 ) [ 1 , 2 , 4 , 8 ]. Oleh karena itu, untuk FC, A/DML, CAS, dan VSS, beberapa asumsi harus ditetapkan untuk mengendalikan seluruh sistem. 3.4. Penjadwalan TugasDisajikan di bawah ini adalah diagram blok dengan penjadwalan tugas untuk setiap fungsionalitas, perakitan pada Gambar 9 , pembongkaran pada Gambar 10 , dan perbaikan pada Gambar 11 , masing-masing. Gambar 9. Penjadwalan tugas untuk fungsionalitas perakitan. Gambar 10. Penjadwalan tugas untuk fungsi pembongkaran. Gambar 11. Penjadwalan tugas untuk fungsi perbaikan. 4. Komunikasi, Kontrol, dan Sinkronisasi A/D/RML dan CAS Berbasis Industri 4.04.1. Komunikasi dan Kontrol A/D/RMLA/DML (Hera&Horstmann ML) dikendalikan menggunakan Siemens Simatic S7-300 Programmable Logic Controller (PLC), dengan lima modul terdistribusi yang dihubungkan oleh Profibus DP. Profibus DP (Decentralized Periphery) adalah protokol komunikasi berbasis serial RS-485, yang memastikan pertukaran data siklik antara PLC (master) dan perangkat (slave). Ini polling perangkat yang didistribusikan budak: master mengirim output dan menerima input dari semua perangkatnya, dan kemudian mengulangi siklusnya. Setiap node Stasiun Kerja I/O jarak jauh dan perangkat IO lapangan mengambil info, menulis atau membaca I/O, parameter perangkat, bertindak sebagai budak Profibus dan mengirim pesan respons ke PLC master menggunakan siklus bus secara berkala tetapi juga secara siklis pada master inisiatif perangkat (pengontrol PLC). Profibus mematuhi standar IEC 61158 dan IEC 61784 dan berorientasi pada model referensi OSI (Open System Interconnection) per standar internasional ISO 7498. Profibus adalah protokol deterministik karena mekanisme polling siklik (periodik) antara master dan slave. Ini menggunakan kecepatan transmisi dari 9,6 kbps hingga 12 Mbps. Struktur perangkat keras Hera&Horstmann ML ( Gambar 12 ) didasarkan pada arsitektur terdistribusi, mengintegrasikan periferal proses seperti sinyal dan modul fungsi di stasiun I/O Jarak Jauh pada tautan Profibus dan terdiri dari PLC Siemens Simatic S7-300 series, prosesor tipe CP 314C-2 DP dan modul komunikasi Siemens CP 343-2 untuk link Profibus. Ini menggunakan antarmuka Profibus DP, dengan kecepatan yang ditetapkan 12 Mbit/dtk dan menghubungkan keenam stasiun kerja Remote IO (modul komunikasi Siemens ET200S), yang meningkatkan fleksibilitas dan kinerja sistem perakitan/pembongkaran fleksibel dalam arsitektur terdesentralisasi ini. Gambar 12. Struktur perangkat keras PLC garis Mekatronika Hera&Horstmann. Rak PLC utama terdiri dari beberapa kartu IO analog dan digital, kartu khusus untuk penghitungan dan pengukuran frekuensi dengan 60 kHz, modulasi lebar pulsa dengan frekuensi switching 2,5 kHz serta kartu pemosisian dengan keluaran analog atau keluaran digital untuk enkoder konveyor yang digunakan untuk presisi kontrol gerak. Masing-masing dari enam modul Siemens ET200S Remote IO menyediakan sinyal dekat perangkat keras, menangani semua sinyal digital dan analog dari transduser dan ke aktuator, serta pengukuran dan deteksi posisi untuk menangani pengangkutan dan proses benda kerja melalui semua bagian lini. Panel sentuh operator HMI TP 177 Siemens terhubung ke bus Profibus DP hanya untuk tujuan presentasi, memungkinkan operator untuk melihat status jalur mekatronika dan langkah pelaksanaan saat ini dari proses perakitan atau pembongkaran. Adaptor komunikasi ( Gambar 12 ) Siemens CM 1242-5 terpasang ke PLC S7-1200 digunakan untuk menghubungkan generasi terbaru Siemens master PLC dari FC, melalui link Profibus, ke A/DML. Modul ini digunakan untuk menghubungkan dan mengintegrasikan SIMATIC S7-1200 ke dalam solusi otomatisasi sebagai slave Profibus DP. CM 1242-5 bekerja sebagai budak DPV1 sesuai dengan IEC 61158, menangani lalu lintas data sepenuhnya secara mandiri, dan dengan demikian mengurangi tugas komunikasi CPU. Selain itu, modul komunikasi ini beroperasi pada dua level, yaitu lapisan fisik dan lapisan data link, mengubah dan meregenerasi sinyal yang diterima atau dikirimnya dan mendukung komunikasi siklik untuk transfer data proses antara budak Profibus DP dan master DP (Mechatronics Line S7- 300 PLC). Komunikasi siklik ditangani oleh sistem operasi CPU. 4.2. Metode Gambar Berbasis Momen untuk Pemodelan dan Kontrol VSSStruktur VSS eye-in-hand berisi komponen berikut: sistem otonom yang terdiri dari WMR yang dilengkapi dengan 7-DOF Cyton 1500 RM, pengontrol, dan sensor visual. Bagian terpenting dari jenis arsitektur ini, pengontrol berbasis gambar, membutuhkan informasi deduktif tentang lingkungan sistem untuk meminimalkan kesalahan antara konfigurasi sebenarnya dari fitur visual, [Kesalahan , dan konfigurasi yang diinginkan, . Untuk memodelkan sistem servo loop terbuka, komponen bagian tetap harus dianalisis secara individual; komponen tersebut adalah RM dan sensor visual. Tujuan dari VSS eye-in-hand adalah untuk meminimalkan kesalahan antara fitur nyata dan yang diinginkan yang diekstrak oleh sensor video [ 13 , 17 , 25 ]. Struktur kontrol VSS ditunjukkan pada Gambar 13 . Sinyal yang terkait dengan kontrol input CAS adalah , dan merepresentasikan kecepatan referensi kamera dengan struktur berikut: , di mana dan didefinisikan sebagai kecepatan linier dan sudut. Sinyal dinyatakan dalam ruang Cartesian dan membutuhkan transformasi untuk diterapkan pada RM. Gambar 13. Kontrol loop tertutup dari RM Cyton berdasarkan VSS tipe eye-in-hand. Postur ditentukan oleh integrasi kecepatan referensi kamera, , dan ditandai dengan mendefinisikan robot Jacobian sebagai berikut: 4.3. Kontrol MasukanProsedur yang paling umum untuk menghasilkan sinyal kontrol ke robot adalah kontrol proporsional. VSS eye -in-hand dapat diartikan sebagai masalah minimisasi yang menghitung jalur sensor visual menggunakan fungsi biaya minimum yang melekat pada vektor kesalahan. Notasi yang digunakan adalah sebagai berikut: adalah vektor fitur yang diinginkan, adalah vektor fitur saat ini, dan adalah posisi relatif antara kamera dan objek pada waktu tertentu, . Variasi fitur yang dilaporkan pada pergerakan relatif antara ruang kerja dan sensor video dicatat dengan dan variasinya dijelaskan dalam persamaan di bawah ini: Untuk objek statis, variasi waktu dari fitur yang dilaporkan ke gerakan sama dengan nol, , dan ini menyiratkan bahwa Persamaan (4) menjadi: Karena sebagian besar implementasi VSS mengabaikan dinamika robot, menyamakan dinamika dengan satu, maka dan Persamaan (5) menjadi: Dari (6) dan (7) variasi waktu kesalahan dinyatakan sebagai: Karena input kontrol robot ditentukan oleh dan minimalisasi kesalahan secara eksponensial diharapkan, , dari Persamaan (8) sebelumnya menghasilkan hukum kontrol di bawah ini: Karena dalam VSS tatap muka secara real-time , jarak antara titik perhatian dan sistem referensi yang terpasang pada kamera tidak diketahui secara akurat, akan diestimasi, disebut sebagai . Estimasi matriks didasarkan pada invers semu dari matriks interaksi fitur yang diinginkan dengan . Karena matriks tetap konstan selama eksekusi algoritma kontrol, hukum kontrol menghasilkan sebagai berikut: 4.4. Komunikasi dan SinkronisasiPC jarak jauh menghitung input kontrol dan mengirimkannya ke WMR. PC jarak jauh juga mengirimkan data ke jalur perakitan PLC ( Gambar 14 ) [ 10 , 12 , 19 ]. Gambar 14. Kumpulan blok komunikasi komputer antara FC, ARS PeopleBot WMR yang dilengkapi dengan Cyton RM dan VSS eye-in-hand . Untuk mengontrol CAS dan pergerakan antara posisi parkir, perebutan, dan penempatan, fungsi khusus dari paket pemrograman ARIA digunakan dan metode trajectory-tracking sliding-mode control (TTSMC) diimplementasikan. Seperti disebutkan sebelumnya, arsitektur terpusat digunakan, dimana FC PLC (Siemens S7 1200) bertindak sebagai master PLC dan menyinkronkan operasi dengan CAS untuk melakukan proses pemulihan (recovering cylinders). Komunikasi antara master PLC (FC S7-1200 PLC) dan CAS dijalankan melalui Modbus TCP Link. Dalam aplikasi ini, PC jarak jauh adalah master Modbus (pada Jaringan TCP Nirkabel) dan Siemens S7-1200 adalah budaknya (Server Modbus dipertimbangkan dalam pendekatan Siemens) ( Gambar 15 dan Gambar 16 ). Gambar 15. Antarmuka pesan Modbus (Peta Modbus). Gambar 16. Konfigurasi Siemens Modbus Server pada main routine. Bergantung pada tugas yang dilakukan oleh A/D/RML, proses perbaikan (satu silinder dilepas), atau proses pembongkaran (dua silinder dilepas), dua sinyal perintah terpisah digunakan untuk master antarmuka (dari PLC S7 1200 ke CAS):
Dengan cara yang sama CAS, harus mengakui bahwa perintah/tindakan yang diterima dari jalur A/D/RML ditangani; oleh karena itu tiga sinyal sinkronisasi digunakan (dari CAS ke master PLC S7 1200):
Meskipun Modbus TCP adalah protokol deterministik, perintah proses penanganan antara jalur CAS dan A/D/RML dianggap sebagai aplikasi kontrol kritis, oleh karena itu sinyal pertukaran jabat tangan diterapkan pada antarmuka komunikasi ini—sinkronisasi antar subsistem. Pada langkah pertama, saat tugas perintah pekerjaan dikirim ke CAS untuk memproses dan memulihkan komponen kerja, CAS harus mengetahui saat tindakan dilakukan. Kedua, ketika CAS selesai memproses suatu tugas atau dalam Keadaan Siaga, sinyal Ready for Command dikirim kembali ke PLC master. 5. Kontrol Real-Time dari Fungsi PerbaikanStatus dan durasi transisi pada A/D/RML ke manajemen real-time terkait dengan fungsi perbaikan, dari pengambilalihan WP dari kanan WH ke penyimpanan yang diperbaiki di kiri WH, ditunjukkan pada Gambar 17 , dan Video S1 . Gambar 17. Transisi keadaan A/D/RML dari fungsi perbaikan. 5.1. Loop Kontrol CASBagian bergerak dari A/D/RML, disebut sebagai CAS, mengambil potongan-potongan dari FC dalam kasus fungsi perbaikan atau pembongkaran dan mengangkutnya ke gudang penyimpanan yang tepat (Gambar 18, Gambar 19 dan Gambar 20 ) . Kontrol bagian bergerak didasarkan pada tiga loop kontrol. Gambar 18. Kontrol real-time dari 7-DOF Cyton 1500 RM yang terletak di FC dengan urutan sebagai berikut: ( a ) posisi home, ( b ) posisi perantara, ( c , d ) posisi pemindaian, ( e ) pengambilan objek. Gambar 19. Kontrol real-time dari RM Cyton 7-DOF yang terletak di FC dengan urutan sebagai berikut: ( a ) mengangkat objek, ( b ) bergerak ke posisi tengah, ( c ) posisi parkir dengan potongan di gripper. Gambar 20. Deteksi Objek dengan langkah-langkah sebagai berikut: ( a ) citra raw RGB yang diambil dari kamera, ( b ) konversi dari BGR ke HSV ( c ) segmentasi citra setelah batas HSV ditetapkan, dengan operasi morfologi erosi dan dilatasi, ( d ) objek terdeteksi dan centroid sedang dilacak.
Ketiga loop kontrol berkomunikasi melalui satu komputer yang berisi GUI dan kontrol ARS, VSS mata-di-tangan , dan Cyton 1500 RM, dan mengelola sinkronisasi dengan FC. Paket dan pustaka pemrograman khusus telah digunakan dengan Microsoft Visual Studio untuk mengontrol seluruh sistem. Seperti dapat dilihat pada Gambar 14 , komunikasi antara Cyton RM, VSS mata-di-tangan , dan komputer dijalankan dengan koneksi USB, sedangkan komunikasi dengan FC dilakukan secara nirkabel menggunakan protokol TCP/IP [ 31 ]. Koordinasi antara loop kontrol telah direalisasikan dengan menggunakan pustaka sumber terbuka khusus dalam pemrosesan gambar, OpenCV, input kontrol yang didefinisikan dalam Persamaan (9) dan (11), fungsi dari Aria Mobile Robots, dan sinkronisasi dengan Modbus PLC FC, semua digabungkan dalam Microsoft Visual Studio dengan bahasa pemrograman C++. Gambar 18 mengilustrasikan serangkaian gambar yang diambil dari RM Cyton yang terletak di FC yang menunjukkan: (a) posisi rumah, ketika semua sambungan memiliki nilai 0 radian, (b) posisi tengah antara rumah dan posisi pemindaian, (c ) posisi pemindaian, di mana VSS eye-in-hand digunakan untuk lokalisasi objek yang akurat, (d) kesalahan antara fitur aktual yang diekstrak dari VSS dan fitur yang diinginkan telah diminimalkan, dan (e) setelah dapat dipulihkan potongan telah diambil oleh RM. Gambar 19mengilustrasikan gambar yang diambil: (a) setelah potongan diangkat oleh gripper, (b) ketika RM bergerak ke posisi perantara dengan objek yang dapat dipulihkan digenggam, dan (c) lintasan ke posisi parkir dan memulai urutan TTSMC untuk ARS PeopleBot. Alasan memperkenalkan posisi tengah adalah karena ruang antara FC dan RM Cyton sempit, jadi lebih baik dan lebih aman untuk bergerak dulu ke kanan lalu turun, daripada hanya bergerak ke bawah langsung ke posisi pemindaian. 5.2. Deteksi Objek, Pemrosesan Gambar, dan Kontrol CAS untuk Fungsi PerbaikanTahapan utama yang terlibat dalam deteksi dan pelacakan objek ditunjukkan pada Gambar 20 . Tahapan ini terjadi antara langkah (c) dan (d) dari Gambar 18 .
Jika sekelompok piksel di bawah aria minimum, maka itu tidak akan dihitung terhadap objek yang terdeteksi dan jika sekelompok piksel lebih besar dari aria maksimum, pengguna diberi tahu bahwa objek yang terdeteksi kemungkinan terkikis dan akan dianggap sebagai noise. Gambar 21 menunjukkan beberapa frame dengan langkah-langkah utama yang dilakukan oleh RM Cyton di gudang tempat objek akan ditempatkan: (a) merepresentasikan RM dengan objek yang digenggam di gripper, (b) posisi pemindaian dan posisi ujung -effector berdasarkan VSS, (c) menunjukkan bahwa setelah end-effector ditempatkan, ia bergerak di atas gudang, (d) saat objek ditempatkan di gudang, (e) saat RM kembali ke rumah posisi. Langkah-langkah yang diilustrasikan pada Gambar 22 terjadi di antara Gambar 21b,c. Setelah urutan VSS dimulai, (a) pertama-tama harus mengambil gambar RGB mentah dari sensor visual, (b) mengubahnya dari ruang warna BGR ke HSV, sehingga dalam (c) segmentasi warna yang diinginkan dijalankan lebih lancar; terakhir, (d) setelah operasi selesai, centroid akan terdeteksi dan dilacak dengan . Centroid akan digunakan oleh RM Cyton untuk memposisikan di atas gudang untuk menempatkan objek dan kemudian bergerak kembali ke posisi awal. Gambar 21. Kontrol real-time RM Cyton yang terletak di gudang silinder yang menghasilkan tindakan: ( a ) posisi parkir dengan objek di gripper, ( b ) posisi pemindaian, ( c ) bergerak di atas gudang, ( d ) menempatkan potongan di depot, ( e ) kembali ke posisi semula. Gambar 22. Deteksi warna referensi gudang: ( a ) gambar RGB mentah, ( b ) konversi BGR ke HSV, ( c ) Batas HSV dikenakan dan hasilnya ditampilkan sebagai gumpalan putih dengan latar belakang hitam, ( d ) warna referensi terdeteksi, dan centroid dilacak. Gambar 23 mengilustrasikan lintasan yang diinginkan dan nyata dari ARS PeopleBot yang diperoleh dengan TTSMC dalam kontrol loop tertutup untuk berpindah dari FC ke gudang dan kembali ke FC dalam waktu yang diinginkan. Dalam (a) rute lengkap disajikan, dalam (b) sumbu X dipisahkan, dalam (c) sumbu Y dipisahkan, dan dalam (d) lintasan sudut sehingga perbedaan antara lintasan nyata dan yang diinginkan dapat dirasakan lebih mudah. Ada dua penyimpangan yang dapat diamati, satu setelah rotasi dilakukan untuk maju ke gudang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 23 c,d antara 40 dan 56 detik pada sumbu X, dan yang kedua lagi setelah rotasi untuk kembali ke FC, ditunjukkan pada Gambar 23 c,d antara 78 dan 90 detik pada sumbu X. Kesalahan pelacakan ditunjukkan pada Gambar 24 . Gambar 23. Lintasan yang diinginkan dan nyata dari ARS PeopleBot berdasarkan Trajectory Tracking Sliding Mode Control: ( a ) lintasan lengkap, ( b ) sumbu X, ( c ) sumbu Y, dan ( d ) lintasan sudut. Gambar 24. ( a ) kesalahan pelacakan sumbu X dan ( b ) sumbu Y dalam koordinat absolut, ( c ) kesalahan pelacakan sudut dinyatakan dalam radian per detik untuk ARS PeopleBot. Gambar 25a menggambarkan pergerakan RM Cyton dengan menggunakan inverse kinematics control (IKC) dari posisi awal ke posisi perantara dengan alasan keamanan, kemudian ke posisi pemindaian dengan VSS sehingga kesalahan antara fitur visual aktual dan yang diinginkan dapat diminimalkan, dan terakhir, di atas objek, lakukan gerakan pendek untuk mengambil objek. Gambar 25 b – d mewakili lintasan lengkap yang masing-masing dipisahkan dalam x, y, dan z, dalam koordinat absolut. Urutan VSS dimulai pada 28 detik, ini menjadi alasan mengapa kesalahan yang digambarkan pada Gambar 26 muncul dan dibutuhkan sekitar 5 detik agar kesalahan diminimalkan (a) dari 11 × 10 ?2 pada sumbu X, (b) dari ?13 × 10 ?3 pada sumbu Y, dan (c) 10 detik diminimalkan dari4 × 10 ?2 . Gambar 25. Lintasan pengambilan objek yang diinginkan dan nyata dari RM Cyton berdasarkan kontrol kinematika terbalik dan VSS mata-di-tangan untuk penentuan posisi yang akurat di FC: ( a ) lintasan lengkap, dari posisi rumah ke posisi di atas objek, ( b ) sumbu X, ( c ) sumbu Y, ( d ) lintasan sumbu Z. Gambar 26. Kesalahan pelacakan untuk lintasan objek pengambilan RM Cyton pada: ( a ) sumbu X, ( b ), sumbu Y, ( c ) sumbu Z. Gambar 27a menyajikan lintasan Cyton RM berdasarkan IKC dari posisi parkir ke posisi pemindaian dengan VSS eye-in-hand , sehingga end effector berada tepat di atas gudang saat menempatkan objek. Pada Gambar 27 b–d berikut , lintasan dipisahkan pada sumbu X, Y, dan Z sehingga lebih mudah untuk melihat lintasan yang tepat pada masing-masing sumbu. Gambar 27. Lintasan penempatan objek yang diinginkan dan nyata dari RM Cyton berdasarkan kontrol kinematika terbalik dan VSS mata-di-tangan untuk penentuan posisi di gudang: ( a ) menandakan lintasan lengkap, sedangkan ( b – d ) adalah lintasan yang dipisahkan pada sumbu X, Y, dan Z, masing-masing. Karena jalur penempatan objek dilakukan setelah ARS PeopleBot berpindah dari FC ke gudang, faktor eksternal (seperti penyimpangan kecil dari lintasan WMR) dapat memengaruhi waktu yang diperlukan VSS untuk memposisikan end-effector dari RM persis di atas deposit, karena lubang yang harus dibuatnya persis selebar benda itu sendiri. Dibandingkan dengan kesalahan pada Gambar 26 a–c, kesalahan yang disajikan pada Gambar 28 lebih kecil, tetapi butuh waktu lebih lama untuk diminimalkan pada sumbu X dan Y — sekitar 25 detik dan dengan presisi 2 × 10 ?4 , seperti yang dapat dilihat pada Gambar 28 a,b, dibandingkan dengan 5 detik dan presisi masing-masing 11 × 10 ?2 dan ?13 × 10 ?3 pada Gambar 26 a,b. Sangat mudah untuk melihat bahwa dibutuhkan lebih sedikit waktu untuk diposisikan pada sumbu Z—2 s dengan presisi 18 × 10 ?3 , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 28 c, dibandingkan dengan 10 s dan akurasi 4 × 10 ?2 seperti yang dapat dilihat pada Gambar 26 c. Gambar 28. Kesalahan pelacakan untuk RM Cyton menempatkan lintasan objek pada: ( a ) sumbu X, ( b ) sumbu Y, dan ( c ) sumbu Z. 6. DiskusiBerbeda dengan [ 10], di mana kami mendekati masalah perakitan / pembongkaran pada jalur mekatronika Hera & Horstmann yang dilayani oleh sistem otonom yang hanya terdiri dari platform seluler, yang dipasang manipulator robot 5-DOF, makalah ini mengusulkan perluasan baik dalam perangkat keras maupun perangkat lunak yang memungkinkan pengembangan teknologi yang fleksibel dan multifungsi, sepenuhnya kompatibel dengan Industri 4.0, mampu memproduksi produk yang berbeda dan memulihkan komponen atau memperbaiki produk yang tidak sesuai dengan kualitas yang diinginkan. Semua fungsi ini dibuat dengan presisi tinggi karena integrasi manipulator robot industri, sistem otonom kompleks yang dilengkapi dengan sistem servoing visual seluler, dan struktur komunikasi antara sel fleksibel dan jalur mekatronik yang memungkinkan sinkronisasi operasi dan kontrol terdistribusi. Struktur kontrol bersifat hierarkis dengan supervisor yang memantau proses, pelaksanaan, dan sinkronisasi tugas sesuai dengan strategi. Penerapan arsitektur kontrol yang kuat terhadap ketidakpastian yang dipertimbangkan untuk semua sistem adalah sistem otonom kompleks, sel fleksibel, dan jalur mekatronika. Ketidakpastian yang dipertimbangkan adalah kesalahan sensor/aktuator, penyumbatan rute/ruang penyimpanan, dan variasi muatan. Terakhir, penelitian difokuskan pada pengembangan sistem cyber-fisik, yaitu sistem manufaktur multifungsi dan fleksibel yang mengintegrasikan komputasi, jaringan, dan komponen fisik dalam satu lingkungan fungsional. Struktur kontrol bersifat hierarkis dengan supervisor yang memantau proses, pelaksanaan, dan sinkronisasi tugas sesuai dengan strategi. Penerapan arsitektur kontrol yang kuat terhadap ketidakpastian yang dipertimbangkan untuk semua sistem adalah sistem otonom kompleks, sel fleksibel, dan jalur mekatronika. Ketidakpastian yang dipertimbangkan adalah kesalahan sensor/aktuator, penyumbatan rute/ruang penyimpanan, dan variasi muatan. Terakhir, penelitian difokuskan pada pengembangan sistem cyber-fisik, yaitu sistem manufaktur multifungsi dan fleksibel yang mengintegrasikan komputasi, jaringan, dan komponen fisik dalam satu lingkungan fungsional. Struktur kontrol bersifat hierarkis dengan supervisor yang memantau proses, pelaksanaan, dan sinkronisasi tugas sesuai dengan strategi. Penerapan arsitektur kontrol yang kuat terhadap ketidakpastian yang dipertimbangkan untuk semua sistem adalah sistem otonom kompleks, sel fleksibel, dan jalur mekatronika. Ketidakpastian yang dipertimbangkan adalah kesalahan sensor/aktuator, penyumbatan rute/ruang penyimpanan, dan variasi muatan. Terakhir, penelitian difokuskan pada pengembangan sistem cyber-fisik, yaitu sistem manufaktur multifungsi dan fleksibel yang mengintegrasikan komputasi, jaringan, dan komponen fisik dalam satu lingkungan fungsional. Penerapan arsitektur kontrol yang kuat terhadap ketidakpastian yang dipertimbangkan untuk semua sistem adalah sistem otonom kompleks, sel fleksibel, dan jalur mekatronika. Ketidakpastian yang dipertimbangkan adalah kesalahan sensor/aktuator, penyumbatan rute/ruang penyimpanan, dan variasi muatan. Terakhir, penelitian difokuskan pada pengembangan sistem cyber-fisik, yaitu sistem manufaktur multifungsi dan fleksibel yang mengintegrasikan komputasi, jaringan, dan komponen fisik dalam satu lingkungan fungsional. Penerapan arsitektur kontrol yang kuat terhadap ketidakpastian yang dipertimbangkan untuk semua sistem adalah sistem otonom kompleks, sel fleksibel, dan jalur mekatronika. Ketidakpastian yang dipertimbangkan adalah kesalahan sensor/aktuator, penyumbatan rute/ruang penyimpanan, dan variasi muatan. Terakhir, penelitian difokuskan pada pengembangan sistem cyber-fisik, yaitu sistem manufaktur multifungsi dan fleksibel yang mengintegrasikan komputasi, jaringan, dan komponen fisik dalam satu lingkungan fungsional. 7. KesimpulanPenelitian yang disajikan sedang dalam proses, tujuan akhirnya adalah kontrol yang sepenuhnya otomatis, tanpa campur tangan operator manusia, dari teknologi multifungsi manufaktur fleksibel untuk volume produksi tertentu, dengan pemulihan, penggunaan kembali subassemblies, dan perbaikan WP kualitas yang tidak memadai. . Penelitian ini bertujuan ganda, satu pendidikan dan lainnya sedekat mungkin dengan dunia nyata. Tujuan pendidikan bertujuan untuk membiasakan perancang sistem dengan segala sesuatu yang mendefinisikan Industri 4.0 dan sistem cyber-fisik. Tujuan pendidikan dicapai dengan membahas topik-topik berikut: sistem SCADA, komunikasi dan sinkronisasi tugas berdasarkan sinyal dari sensor dan aktuator, pemrograman PLC, pemosisian yang tepat dengan sistem servoing visual, kontrol jalur mekatronika, robot bergerak, dan manipulator robot. Semua ini mendekatkan teknologi dengan konsep dan atribut Industri 4.0. Mengenai korespondensi dengan dunia industri nyata, sebagian besar jalur manufaktur dibantu oleh sistem robot yang memiliki posisi tetap. Melalui studi ini, kami memperluas tingkat otomatisasi dan efisiensi lini produksi ini menggunakan sistem robot bergerak yang dilengkapi dengan manipulator dan sistem servoing visual. Dengan demikian, lini manufaktur menjadi multifungsi, mampu memulihkan dan menggunakan kembali komponen dan subassemblies, jika produk akhir tidak memenuhi persyaratan kualitas. Meskipun teknologi ini diterapkan pada sistem laboratorium, namun masih dapat diterapkan dalam operasi penyortiran, penakaran, penyegelan, dan pengemasan di industri farmasi, makanan, dan barang konsumen. Kami menyebutkan hal-hal berikut sebagai kontribusi eksklusif dari penulis: desain perangkat keras, konfigurasi, pemrograman ABB IRM dan PLC, dan antarmuka grafis FC; konfigurasi perangkat keras dan pemrograman PLC Hera&Horstmann ML; penggabungan dan kompatibilitas antara CF, Hera&Horstmann ML dan CAS; konfigurasi dan kontrol perangkat keras CAS; merumuskan serangkaian asumsi sehingga seluruh sistem sesuai dengan persyaratan teknologi multifungsi manufaktur fleksibel; dan kontrol real-time dari seluruh sistem. merumuskan serangkaian asumsi sehingga seluruh sistem sesuai dengan persyaratan teknologi multifungsi manufaktur fleksibel; dan kontrol real-time dari seluruh sistem. merumuskan serangkaian asumsi sehingga seluruh sistem sesuai dengan persyaratan teknologi multifungsi manufaktur fleksibel; dan kontrol real-time dari seluruh sistem. Bahan PelengkapBerikut ini tersedia online di www.cidsacteh.ugal.ro/video/Video_PPB_Cyton.mp4 , Video S1: Teknologi Manufaktur Fleksibel Multifungsi pada Jalur Mekatronika dengan Manipulator Robot Industri Terpadu Dibantu oleh Sistem Otonom Kompleks, fungsi perbaikan (penggantian silinder). Kontribusi PenulisKonseptualisasi, AF (Adriana Filipescu), DI, AF (Adrian Filipescu), EM dan GS; metodologi, AF (Adriana Filipescu), AF (Adrian Filipescu), EM dan DI; perangkat lunak, DI, GS; validasi, AF (Adrian Filipescu) dan EM; analisis formal, DI dan GS; penulisan—persiapan draf asli, AF (Adriana Filipescu) dan AF (Adrian Filipescu); menulis—review dan editing, AF (Adriana Filipescu) dan AF (Adrian Filipescu); pengawasan, AF (Adrian Filipescu); administrasi proyek, AF (Adrian Filipescu); akuisisi pendanaan, AF (Adrian Filipescu) dan DI Semua penulis telah membaca dan menyetujui versi naskah yang diterbitkan. PendanaanPenelitian ini didanai oleh Unit Eksekutif Pendanaan Pendidikan Tinggi, Penelitian, Pengembangan, dan Inovasi Rumania (UEFISCDI), nomor proyek: PN-III-P1-1.2-PCCDI-2017-0290, judul proyek: Kontrol cerdas dan terdistribusi dari 3 sistem otonom kompleks yang diintegrasikan ke dalam teknologi baru untuk bantuan medis-sosial pribadi dan servis jalur produksi fleksibel yang presisi . Pernyataan Dewan Peninjau KelembagaanTak dapat diterapkan. Pernyataan Informed ConsentTak dapat diterapkan. Terima kasihArtikel ini (APC) akan didukung oleh Sekolah Doktor Ilmu Pengetahuan Dasar dan Teknik, “Dun?rea de Jos” Universitas Galati. Konflik kepentinganPara penulis menyatakan tidak ada konflik kepentingan. Referensi
|