2014 rechnete der VDMA mit einem Wachstum von mehr als zehn Prozent und einem Umsatz über 1,8 Mrd. Euro. 2017 sollen zwei Millionen Roboter im Einsatz sein. (Bild: IDS)
Die 3D-Bildverarbeitung gilt als die Zukunft der Robot Vision. Denn viele Anwendungen in der Robotertechnik und in der automatisierten Serienproduktion lassen sich nur mit dreidimensionalen Informationen zufriedenstellend lösen. Das gilt auch für den berühmten „Griff in die Kiste“. Mit der Stereo-3D-Kamera Ensenso bietet IDS eine Lösung für die 3D-Bilderfassung und für einen sicheren Griff des Roboters.
Nach wie vor zählt der „Griff in die Kiste“ zu den am schwierigsten zu lösenden Aufgaben in der robotergestützten Fertigung. Um unsortierte Teile aus einer Gitterbox heraus zu greifen, müssen Form, Größe, Position und Orientierung der Objekte zuverlässig erkannt werden. Erst mit diesen Informationen lässt sich dann eine kollisionsfreie Roboterbahn generieren. Doch bereits bei der Erfassung der 3D-Daten beginnt das Problem, denn neben einer hinreichenden Genauigkeit und Vollständigkeit sind auch hohe Taktraten und Prozessstabilität gefordert. Die wenigen bisher angebotenen Lösungen sind entweder zu langsam, erreichen nicht die nötige Prozessstabilität, um auch in der Serienfertigung eingesetzt werden zu können, oder sind zu aufwendig.
2014 rechnete der VDMA mit einem Wachstum von mehr als zehn Prozent und einem Umsatz über 1,8 Mrd. Euro. 2017 sollen zwei Millionen Roboter im Einsatz sein. Bild: IDS
Mit der Stereo-3D-Kamera Ensenso N10 von IDS lassen sich jetzt die Ansprüche an Taktrate, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Robot-Vision-Applikationen lösen. Die industrietaugliche Kamera mit USB-Anschluss integriert nicht nur zwei Global Shutter CMOS-Sensoren mit WVGA-Auflösung und eine leistungsfähige Software in einem sehr kompakten Gehäuse, sondern auch einen Infrarot-Patternprojektor. Dieser wirft ein zufälliges Punktmuster auf das aufzunehmende Objekt, womit auf dessen Oberfläche nicht oder schwach vorhandene Strukturen ergänzt beziehungsweise hervorgehoben werden. Denn für das Stereo-Matching werden prägnante Stellen im Bild benötigt.
Das Objekt wird dann von den beiden Bildsensoren entsprechend des Stereo-Vision-Prinzips erfasst. Mittels der geometrischen Zusammenhänge der Triangulation werden schließlich für jeden Bildpunkt die 3D-Koordinaten rekonstruiert und berechnet. Selbst wenn relativ monotone Bauteile in der Kiste aufgenommen werden, lässt sich so ohne zusätzlichen technischen Aufwand ein praktisch lückenloses, vollflächiges und detailreiches 3D-Bild generieren – und alles in wenigen Millisekunden.
Bin-Picking-Roboterzellen
Diese Schnelligkeit nutzt die bsAutomatisierung und setzt die Ensenso in ihren Bin-Picking-Roboterzellen ein. Das Unternehmen ist auf die Entwicklung und den Bau von Anlagen für das schnelle und präzise Be- und Entladen von Produktionsmaschinen und das Teile-Handling spezialisiert. Mit den Bin-Picking-Zellen lassen sich in Kisten chaotisch liegende Teile automatisiert vereinzeln und nachfolgenden Fertigungsprozessen zuführen. Sie erreichen Taktzeiten von unter zehn Sekunden, was mit herkömmlichen Lösungsansätzen, wie etwa dem Lichtschnittverfahren, nicht zu realisieren wäre. Je nach Anwendung und Kundenanforderung werden die Zellen mit klassischem Mehrachs-Industrieroboter oder einem Linearportalroboter angeboten. Sie sind modular aufgebaut, können an verschiedene Behältergrößen angepasst werden und sind für eine oder bis zu vier Kisten ausgelegt.
Technik im Detail
Stereo-3D-Kamera Ensenso N10
Bild: IDS
- 752 x 480 Px 1/3“ Wide VGA-Sensor, Global-Shutter
- Objektive 1/3“, Brennweite 8,0 mm, Blendenzahl 1.8
- USB 2.0-Anschluss, verschraubbar
- 12-24V GPIO, Stecker M8 „PLUSCON“ SAC
- Abmessungen (B x H x T): 150 x 45 x 45 mm
- optionale Kalibrierplatte
- ab Werk vorkalibriert.
Höhere Taktrate des Systems
Dabei wird jede Kiste von zwei stationär montierten Ensenso-Kameras beäugt. Im Gegensatz zu einer direkt am Roboterarm installierten Kamera hat dieser Aufbau zwei wichtige Vorteile. Zum Einen kann eine höhere Taktrate des Systems realisiert werden. Während aus der einen Kiste gegriffen wird, kann in der anderen Kiste die Objekterkennung schon wieder gestartet werden. Selbst wenn in der Anlage nur aus einer Kiste gegriffen werden soll, kann der Suchprozess beginnen, während der Roboter das zuletzt gegriffene Teil an anderer Stelle ablegt.
Zum Zweiten lassen sich die Bilder verschiedener Ensenso-Kameras sehr einfach zueinander kalibrieren, denn die Kamerasoftware ist für den Mehrkamerabetrieb ausgelegt. Durch den gleichzeitigen Einsatz von zwei oder mehr Kameras lässt sich eine Szene synchron von verschiedenen Seiten aufnehmen, wodurch Abschattungen reduziert und das Bildfeld erweitert werden. Im Mehrkamerabetrieb liefert die N10-Software ebenfalls eine einzige 3D-Punktewolke, in der die Daten aller eingesetzten Kameras enthalten sind. Auch deren resultierende Genauigkeit kann durch die Anzahl der montierten Kameras nahezu beliebig skaliert werden. Außerdem ermöglicht die Ensenso Software nicht nur die Kombination mehrerer Stereo-Kameras, sondern auch ihren Einsatz zusammen mit herkömmlichen Industriekameras, beispielsweise um zusätzliche Farbinformationen oder Barcodes zu erfassen.
Des Weiteren übernimmt die Ensenso Software die Steuerung der beiden CMOS-Sensoren und des Pattern-Projektors sowie die Erfassung und Vorverarbeitung der 3D-Daten. So wird ein Optimum aus Framerate und Bildqualität erreicht, und der Auswerte-PC deutlich entlastet. Die Kamera ist für Arbeitsabstände von 260 bis 1400 Millimeter und für variable Bildfelder konzipiert. Mit den angebotenen Brennweiten von 3,6 bis 16 Millimeter lässt sich ein breites Entfernungs- und Größenspektrum abdecken. Die Kamera erfasst sowohl stehende als auch bewegte Objekte mit einer Framerate von bis zu 30 Bildern/s. Dabei misst sie nur 150 x 45 x 45 Millimeter und wiegt 400 Gramm. Mit dem robusten Aluminiumgehäuse und einem GPIO Connector für 12-24 V Hardware-Trigger, In- und Output ist sie für industrielle Einsätze gut gerüstet. Der 3-polige M8-Sensor/Actuator-Steckverbinder und der USB-Anschluss sind entsprechend verschraubbar ausgeführt.
Der komplizierte „Griff in die Kiste“ ist mit der Stereo-3D-Kamera Ensenso N10 von IDS kein Problem. Die Kamera wirft ein zufälliges Punktmuster auf das aufzunehmende Objekt, sodass Strukturen auf dem Objekt hervorgehoben werden. Anschließend wird es von den beiden Bildsensoren erkannt, die 3D-Koordinaten berechnet und vom Roboter aufgenommen. Dank zwei stationär montierten Ensenso-Kameras kann die Taktzeit erhöht werden. Während aus einer Kiste gegriffen wird, kann in der anderen Kiste die Objekterkennung gestartet werden. Auch bei nur einer Kiste ist das realisierbar. Bild: IDS
Für OEMs und Systemintegratoren ist ein weiterer Vorteil der Kamera entscheidend. Sie ist sofort einsatzfähig und liefert metrische 3D-Daten bereits „out of the box“. Lediglich der Roboter muss zur Kamera kalibriert werden, was einfach mit einer am Greifer montierten Kalibrierplatte erfolgt. Die Software errechnet daraus die Montageposition der Kamera, und die 3D-Daten werden sofort im Koordinatensystem des Roboters repräsentiert.
Für eine kollisionsfreie Roboterbahn
Die erfassten Bilder werden mit Halcon 11 ausgewertet. Eine entsprechende Schnittstelle ist – neben einem API für C, C++ und C# – im Softwareumfang der Ensenso enthalten. Anschließend werden die Zielkoordinaten der gefundenen Teile sowie ein Abbild des restlichen Kisteninhalts als dynamisches Hindernis an ein Softwaremodul weitergeleitet, das daraus zusammen mit den CAD-Daten der Zelle, des Roboters und des Greifers eine kollisionsfreie Roboterbahn generiert. Diese wird in die Robotersteuerung übertragen und ausgeführt. Aufgrund von Ungenauigkeiten, Fehlerkennungen und verrutschenden Teilen kann es dazu kommen, dass der Greifversuch fehlschlägt. Über verschiedene Sensoren im Greifer und über eine Kollisionsüberwachung zwischen Greifer und Flansch erkennt das der Roboter, fährt selbstständig aus der Kiste und versucht es an anderer Stelle erneut. Ein menschlicher Eingriff ist nicht nötig. Der ganze Vorgang wird von einer SPS kontrolliert und gesteuert. Sie ist es auch, die dem Bildverarbeitungssystem sagt, wann in welcher Kiste nach welcher Art von Teilen gesucht werden soll.
Aufgrund der Komplexität und der relativ hohen Kosten der Technik wurde das Potenzial der 3D-Bildverarbeitung bis dato kaum genutzt. Mit ihren Bin-Picking-Zellen zeigt die bsAutomatisierung aber, dass sich mit der Stereo-3D-Kamera Ensenso selbst komplexe Anforderungen wie der „Griff in die Kiste“ wirtschaftlich und prozesssicher realisieren lassen. hei