Navádění robotů ve 3D prostoru

Navádění robotů ve 3D prostoru

S rozvojem robotiky šla historicky ruku v ruce i potřeba dodat robotům schopnost „vidět“. Prakticky od počátků robotiky tak byly nasazovány kamerové systémy schopné automaticky korigovat trajektorie robota. Byly založeny na standardních průmyslových kamerách, a byly tak schopny navádění jen v ploše, tj. ve 2D prostoru. Tyto systémy jsou technicky jednoduše zvládnutelné a jsou tak stále rutinně nasazovány – typicky se jedná např. o navádění při uchopování dílu na vibrační prosvětlené desce nebo o korekci finální pozice pro založení dílu do matrice montážního automatu.

6osé roboty ale reálně pracují v 3D prostoru a je evidentní, že jednoduché navádění v ploše je užitečné jen v omezeném množství aplikací. Proto existovala vždy snaha navrhnout technické prostředky pro navádění v celém rozsahu pracovního prostoru robota. Pokrok na poli hardwaru i softwaru v posledních letech pak umožnil vznik průmyslově použitelných systémů, které se dají nasadit na všechny typy úloh, které se v průmyslu vyskytují – především pak pro nejžádanější tzv. bin picking neboli vybírání volně sypaných dílů z nějakého boxu.

Vznikly tak 3D kamery, které jsou ve svém zorném poli schopné nasnímat jednotlivé body povrchů scény se zachováním informace o jejich prostorové pozici. Tato mapa bodů (tzv. pointcloud), případně mapa hran, pak slouží jako vstup pro software, který v ní nalezne hledané 3D modely manipulovaných předmětů. Následně pak další programový modul, tzv. plánovač trajektorií, robota bezkolizně navede k uchopení dílu.

Kamery schopné vytvořit 3D obraz scény jsou dostupné od mnoha výrobců a pracují na několika základních principech získávání 3D obrazu. Jsou to především laserové skenery a promítače laserových obrazců na povrch, které jsou pak pod úhlem snímány běžnou kamerou, a 3D informaci tak získávají na principu triangulace. Dále jsou to stereovizní systémy se dvěma a více kamerami. Poslední technologií, která se začíná stále více uplatňovat, jsou tzv. TOF kamery, pracující na principu měření doby letu světelného paprsku odraženého od snímaného předmětu.
Komplexní systémy, které zahrnují prostředky pro všechny 3 aspekty úlohy, tj. kameru pro vytvoření 3D obrazu, software pro najití modelu dílu v tomto obrazu a následné určení bodu úchopu a software pro vygenerování bezkolizní trajektorie pro robota, jsou daleko vzácnější. Důvodem je rozmanitost průmyslových úloh, na které se jen obtížně vytváří univerzální systém. Jinak řečeno, neexistuje univerzální sestava HW/SW, která by byla univerzálně aplikovatelná na všechny průmyslové úlohy.

Proprietární systémy navádění v 3D prostoru dnes už nabízí i řada výrobců robotů. Jsou však svázány s konkrétní značkou robotů a mají často omezené možnosti. Dodavatelé robotů také většinou nejsou schopni poskytnout odpovídající podporu, která je mimo rozsah kapacit jejich technických týmů.

Integrátorským firmám, které nasazují prostředky 3D navádění, pak nezbývá nic jiného, než celý systém navrhnout, poskládat a naprogramovat vlastními silami, přesně „na míru“ dané aplikaci.

Vytvořit pracoviště s robotickou manipulací výrobků ve 3D prostoru tedy znamená vyřešit spoustu dílčích problémů a výzev a prakticky vždy je třeba danou úlohu co nejvíc zjednodušit a některá omezení, daná použitým technickými prostředky, obejít. Každá instalace takového systému je unikátní a její vytvoření vyžaduje poměrně velké inženýringové aktivity, zkušenosti a multidisciplinární know-how integrátorské firmy.

20190415 164149

Základem každého naváděcího systému je 3D kamera. Při její volbě je třeba vzít v potaz požadovanou přesnost, zorné pole, rychlost generování pointcloudu, způsob montáže (statická vs. na robotu), vlastnosti snímaných předmětů (odlesky, nebo naopak nízká odrazivost, tvar), tvar odebíracího boxu atd. Každý z těchto aspektů má vliv na volbu principu a parametrů kamerového systému.

Nasnímaný pointcloud je pak softwarově vyfiltrován a jsou v něm nalezeny pozice 3D modelů hledaných dílů. Kvalita a rychlost těchto filtrovacích a vyhledávacích algoritmů pak z velké míry určuje celkovou funkčnost (přesnost uchopení) a výkonnost pracoviště a tím i dosažitelný čas cyklu.

Zvolení kvalitního a vhodného kamerového systému a odpovídajícího SW pro nalezení modelů dílu v pointcloudu je však jen jedním z několika předpokladů, které je třeba splnit nebo vyřešit. Neméně důležitý je i návrh uchopovače a typu robota, optimalizace odebíracího místa a celkového layoutu pracoviště.

Každá úloha má odlišné požadavky na přesnost úchopu dílu, jeho váhu a tvar, umístění těžiště, úchopové body, takt, rozměry a tvar zásobníku s díly atd. Na uchopovač jsou tak kladeny často protichůdné požadavky – řeší se přesnost úchopu (mechanické navádění), síla úchopu, rozsah uchopovaných rozměrů, malé rozměry (štíhlost) a tuhost. Např. nejjednodušší typ, tvořený vakuovými přísavkami, často nevyhovuje z hlediska přesnosti a úchopové síly. Často nelze spoléhat ani na sériově vyráběné čelisťové uchopovače, ale je nutno navrhnout specifické mechanické řešení.

Odebírací místo je důležité především z pohledu dostupnosti jednotlivých dílů v prostoru a jejich překrytí (a tím i detekovatelnosti). Jiné podmínky budou panovat při odebírání volně sypaných dílů z plochy (např. dopravník) – tzv. 2,5D navádění, z plastového boxu KLT 600×400 mm nebo z velkého drátěného boxu s půdorysem europalety (gitterbox).

Posledním článkem v systému je robot a generování jeho trajektorie. V případě robota je třeba vzít v potaz především protichůdné požadavky na dosah vs. jeho „štíhlost“. To nabývá na důležitosti s velikostí odebíracího místa, resp. především s jeho hloubkou. Při odebírání sypaných dílů z plochy na parametrech robota prakticky nezáleží, naopak při odebírání z 900 mm hlubokého gitterboxu se integrátor může při výběru vhodného robota dostat i do neřešitelné situace, protože robot buď nedosáhne, nebo se do boxu „nevejde“.

Generování bezkolizní trajektorie je pak poslední výzvou, kterou je třeba u dané úlohy vyřešit. Buď se tak děje klasickými programátorskými postupy, což je hodně zdlouhavé, protože je třeba „ručně“ naprogramovat všechny možné varianty přibližování k dílu. Jinou variantou je použití automatického plánovače trajektorií, jako v sobě obsahuje např. softwarový balík ROS. Ten umí pracovat s modelem pracoviště, robota i dílu a umožňuje reagovat i na změny tohoto modelu v reálném čase – např. příjezd materiálu, vstup obsluhy, vysunutí manipulátorů technologie atd. Častá je i kombinace obou přístupů.

Z výše uvedeného vyplývá, že vytvoření funkčního pracoviště, i přes pokroky ve schopnostech hardwaru i softwaru, stále ještě klade na integrátorské firmy velké nároky z hlediska jejich kapacit, inženýrských znalostí i zkušeností s úspěšnými realizacemi. Často se tak stává, že realizace takové úlohy je příliš drahá a zákazníkovi nevyjde návratnost investice.

techplast

Nasazením prostředků automatického navádění robotů v 3D prostoru tak zdaleka není tak běžné, jak by se mohlo z inzerce a článků v časopisech zdát (a jak by bylo z pohledu průmyslu žádoucí) a potenciální zákazník by se ve vlastním zájmu měl podrobně informovat o schopnostech dodavatele a jeho referencích.

Společnost EOLA s.r.o. se kamerovým naváděním robotů ve 2D a později i 3D prostoru zabývá cca již 15 let, má v tomto oboru bohaté aplikační zkušenosti a řadu úspěšných průmyslových instalací u různých zákazníků.

Pro různé úlohy jsme schopni nasadit různé kamerové systémy, založené na odlišných principech (laserové scannery, kamery založené na promítání laserových obrazců na povrch scény, TOF kamery nebo stereovizní systémy složené ze standardních kamer). Z hardware jsou zastoupeny především značky Cognex, Zivid a Basler. Pro vyhodnocení obrazu a nalezení modelu dílů pak především algoritmy obsažené v MVTEC Halcon, případně Cognex. Trajektorie robota jsou pak generovány kombinací ROS systému a klasického programovacího jazyka daného robota. Celá aplikace včetně operátorského rozhraní je pak „obalena“ v C++.

Automatické plánování trajektorií se uplatní nejen u vlastního uchopení manipulovaného výrobku, ale také u na první pohled ne příliš viditelných činností jako je kalibrace společného souřadného systému robota, kamerového systému a pracoviště. Kalibraci je třeba provést nejen při instalaci zařízení, ale vždy i po nějakém nárazu robota nebo po výměně/demontáži kterékoliv komponenty. Tato kalibrace pak zásadním způsobem ovlivňuje funkčnost celého pracoviště. Kdo někdy prováděl kalibraci systému robot/kamera v 3D prostoru, ví, že je to činnost náročná čas i na správnost provedení.

Seřizovači, případně operátoři, automatických robotických pracovišť pak velmi oceňují další vlastnost námi dodávaných pracovišť. Jde o možnost, např. v případě nárazu, návratu robota do home pozice z jakéhokoliv bodu, a to stiskem jednoho tlačítka.

Cílem je dodat zákazníkovi funkční a spolehlivé pracoviště, k jehož provozu není třeba trvalý dohled kvalifikovaného seřizovače nebo programátora, což jsme již dokázali na mnoha instalacích po celé ČR.

www.eola.cz 

 

Eola

Společnost EOLA s.ro. byla založena v roce 1992. EOLA má za sebou celou řadu realizací s různou složitostí řešených úloh a s různými nasazenými prostředky od jednoduché změny řízení linky nebo stroje až přes po zcela vlastní konstrukce jednoúčelových strojů a pracovišť.

www.eola.cz