Dostupné Bin Picking prostředky

2.3. Dostupné Bin Picking prostředky

Jak již bylo zmíněno výše, o zvládnutí snadného a spolehlivého nasazení Bin Picking systémů v průmyslové praxi se již několik let intenzivně zabývá řada renomovaných firem.

Jelikož začala být Bin Picking úloha reálně zvládnutelná přibližně až na přelomu milénia, na trhu se nachází pouze omezený počet firem nabízejících kompletní řešení, tento počet však v posledních letech vykazuje rostoucí tendenci. V následující kapitole bude uveden výběr významných produktů, využívajících principů popsaných v několika předcházejících stranách.

2.3.1. Pick It – FLEX/TEACH

Tato Belgická firma nabízející následující řešení poskytuje sestavu výrobků v podobě fyzického optického systému, vlastní výpočetní jednotky, softwarového vybavení a soupravy pro kalibraci optické části. Tyto komponenty jsou zde jednotlivě popsány stejně tak, jak je prezentuje výrobce. Možnosti aplikace jsou velice rozšířené – od jednoduchých součástí až po složité díly v podobě výlisků, odlitků apod. Součástí balení jako u všech ostatních výrobků však není průmyslový robot, ten je kupován a instalován zvlášť. Fy na základě specifických požadavků zákazníků spolupracuje se známými výrobci robotů (Universal Robots, Fanuc, KUKA, ABB a Stäubli) tak, aby bylo vyhověno všem kritériím.

Skenování scény probíhá za využití laser scanning principu (2.2.1. ), hlava se stupněm krytí IP 65 promítá na oblast zájmu pomocí laserového zdroje světla specifický vzor, na jehož základě jsou vypočítávány informace o hloubce jednotlivých bodů. Výhodou je absence potřeby speciálního osvětlovacího systému díky využití laseru, zařízení je tak schopno operovat v podmínkách se špatným nebo proměnným osvětlením, tím pádem je méně náchylné na okolní vlivy. Snímkovací frekvence CMOS senzoru je 30 Hz a pracovní plocha může dosahovat velikosti 3,4x2,5 m.

Další důležitou součástí je rozhraní pro komunikaci s člověkem, kterému dominuje na přední části zařízení velká dotyková, čímž se nápadně podobá dnešním tabletům. Ovládací jednotka je rozdělena na dva druhy podle využití – FLEX engine a TEACH engine, každá se svou vlastní hardwarovou výbavou a doporučeným nasazením. V modelu FLEX lze nadefinovat jednoduché geometrické tvary (válce, kvádry, roviny, kružnice, …), které jsou pak vyhledávány v pracovní oblasti. Výhodou je spolehlivé a rychlé vyhodnocení scény i za přítomnosti vysoce reflektivních dílů, které se v průměru pohybuje kolem 0,5 sekundy.

Model TEACH je vhodný pro složitější tvary, které jsou vyhledávány podle předlohy nahrané v systému ve formátu .step a doba analýzy je deklarována výrobcem v rozmezí 1,5 až 3 sekundy [29]. Možností je také hybridní systém zvládající oba typy úloh.

24 Kamerová hlavice může být umístěna buď externě na rámu, nebo přímo na těle robotu, vhodnost je opět závislá na daném využití. Silnou stránkou tohoto systému je především rychlá instalace a naprogramování úlohy, komunikace s řídicí jednotkou robotu nebo s počítačem je realizována přes ethernetové rozhraní, kamerový systém je pak připojen pomocí průmyslového USB 3.0 konektoru.

Obrázek 14 - Pick-it kamerová hlavice (vlevo), případ aplikace (vpravo) [30]

2.3.2. Photoneo PhoXi 3D Scanner L

Slovenská Firma Photoneo nabízí modelovou řadu 3D skenerů s označením PhoXi, obsahující v první řadě CMOS optický snímač a zdroj laserového světla promítající sadu světelných vzorů na sledovaný objekt nebo sledované objekty, digitální kamera při každém promítaném vzoru pořídí snímek, jehož zachycený tvar je z jejího pohledu zkreslený. Firma Photoneo používá vlastní projekční systém založený na koherentním laserovém světlu, jehož paprsky o určité vlnové délce dopadají na rozpoznávané objekty, což díky absenci širokého spektra záření, které se jinak vyznačuje relativně vysokými ztrátami, umožňuje čistě pasivní chlazení.

Díky kombinaci digitální CMOS SONY kamery s rozlišením 2240x1680 pixelů, laserového projektoru a algoritmu, který využívá laser scanning principu, je výstupem měření v ideálním případě 3 000 000 bodů odpovídajících povrchu měřené oblasti.

Analyzování tohoto obrazu s maximálním rozlišením a vytvoření odpovídajícího mraku bodů trvá přibližně 0,2 sekundy, což v případě opakované analýzy znamená 5 měření za sekundu. Na zadní straně skeneru se nachází rozhraní v podobě ethernetového a napájecího konektoru. Díky vlastnímu zdroji světla systém není náchylný na vnější rušivé elementy jako například proměnlivé denní světlo či změnu osvětlení. Tělo je tvořené z uhlíkových vláken, což zaručuje minimální hmotnost, vysokou tuhost a odolnost proti vysokým teplotám.

25 Výpočet 3D scény probíhá v programu PhoXi Control, který je určen pro operační systémy Windows 7,8,10 a distribuci Linuxu Ubuntu. V něm lze upravovat výpočtové algoritmy, nastavovat softwarové spouště, expozici, oblast zájmu a interpretaci dat.

Součástí SW je také porovnávání s předlohovými modely a určování jejich polohy a orientace, což činí systém vhodným pro Bin Picking aplikace.

Obrázek 15 - Kamera Photoneo PhoXi (vlevo), mračno bodů získané analýzou obrazu (vpravo) [31]

2.3.3. SICK – RULER S2114

V první řadě je nutno zmínit, že zde uvedený výrobek je v rámci dlouholeté spolupráce firmy SICK s katedrou KSR skutečně použit při realizaci Bin Picking úlohy, která tento typ vision systému vyžaduje. Oproti ostatním produktům využívajících laser scanningu, které jsou zde uvedeny, je přístup tohoto odlišný tím, jakým způsobem se laserový (v tomto případě) či jiný paprsek promítá na sledovanou oblast. Zde je použit jednoduchý liniový laser o vlnové délce 660 nm, ozařující pruh sledovaného prostoru, čímž je získána pouze 2D informace o šířce a výšce. Doplnění délkového rozměru probíhá díky pohybu laserového paprsku v jeho kolmém směru, což je umožněno natočením odrazného zrcátka přesným pohonem se senzorem, který s relativně vysokou přesností odečítá jeho naklopení (Obrázek 7).

Optický snímač umístěný ve skeneru je charakterizován CMOS architekturou a rozlišením 756x512 pixelů a spektrální citlivostí v pásmu 360 až 690 nm. Zabudovaný liniový laser třídy 2M promítá koherentní paprsek v tomto intervalu, konkrétně s vlnovou délkou 660 nm (viditelné červené světlo) postupně na povrch sledované scény, přičemž jedno měření trvá přibližně 2,5 s. Oblast, kterou je tento skener schopný zachytit, je zvolena podle velikosti evropských a amerických palet, to znamená 1000x1200x750 mm. V tomto rozsahu výrobce garantuje přesnost +- 3 mm.

Přístroj disponuje datovým rozhraním v podobě gigabitového ethernetu, dvou digitálních vstupů a jedním taktéž digitálním výstupem, napájen je za pomoci konektoru na 24 V s maximální spotřebou zařízení 10W. Tělo skeneru je vyhotoveno z hliníku, kryt kamery a laseru z plochého skla s antireflexní povrchovou vrstvou.

26 Výhodou produktu je plná softwarová podpora v podobě programu s názvem SICK PLB, což je řešení přímo navržené na Bin Picking systémy s intuitivním prostředím a užitečnými funkcemi pro dané typy P&P aplikací. Tam lze konfigurovat parametry jako rozměry přepravky, celkovou shodu, vyhodnocování mikrokolizí či míst, za které mají být součásti uchopovány. Více informací o možnostech konfigurace snímání a analyzování scény je uvedeno v praktické části.

Obrázek 16 - SICK RULER (vlevo), příklad použití při Bin Picking aplikaci (vpravo) [32]

2.3.4. FANUC - 3D Area Sensor

3D snímač je složen ze dvou digitálních kamer a projektorové jednotky s definovanou vzájemnou vzdáleností, fungující na stereo vizním principu, popsaným výše. Jednou z originálních konfigurací, které FANUC poskytuje, je připevnění pouze jedné kamery na koncový člen robotu, přičemž zdroj tzv. strukturovaného světla zůstává upevněný na rámu, kdy jsou kamerou postupně vytvořeny dva snímky z různých poloh, které zajistí napolohování kamery průmyslovým robotem. To je sice výhodné z hlediska počáteční investice za snímací systém, toto řešení však prodlužuje dobu potřebnou k vytvoření bodového mračna.

Společné body obrazu pořízené z různých poloh se neidentifikují pouze na základě společných prvků v obrazu, vyhledávají se za pomoci projektoru, jehož promítaná síť bodů dopadá na předměty v pracovním prostoru a následně se odráží do optického senzoru kamery. Tím je získána informace o hloubce, která se zobrazí v podobě mračna bodů, připravená pro další zpracování. Body promítané na povrch zkoumaných těles se nacházejí v oblasti infračerveného světelného spektra s rozlišením 239x139 bodů. Jejich vzdálenost je potom zjevně závislá na tom, jak daleko se promítač nachází od nasvěcovaného povrchu, přičemž platí, že čím blíž je, tím jemnější síť bodů je promítána (tím pádem ale na menší ploše).

27 Kamery dodávané se systémem mohou být různé, doporučené jsou kamery značky KOWA, BASLER nebo SONY s rozlišením poohybujícím se od 320x240 do 1280x1024 pixelů s nastavitelnou expozicí a clonou. Vhodným výběrem konkrétního optického systému lze systém nastavit dle potřeby. Pro kalibraci se používá speciální deska, u které je nutné definovat její polohu vzhledem ke kamerám, tato informace je poté zanesena do softwaru s názvem iRVision určeného pro počítače dodávaného společně s hardwarovým vybavením a na jejím základě je systém zkalibrován. V dodávaném programu iRVision lze manuálně nastavovat celou řadu parametrů jak týkajících se snímaného obrazu, tak proměnných, jako je shoda, překrytí obrazců apod.

Obrázek 17 - Fotografie 3D scanneru (vlevo), příklad použití pro Bin Picking aplikaci (vpravo) [33] (upraveno)

2.3.5. Ensenso X36

Společnost Ensenso nabízí svoje řešení 3D snímače v podobě modulárního stereo vizního systému skládajícího se ze dvou CMOS senzorů, které dohromady pomocí dvou snímaných obrazů vytvářejí disparitní mapu (2.2.3. ). Pro usnadnění vyhledávání odpovídajících bodů se zde využívá výkonného LED projektoru, přičemž může být systém založen na modrém (465 nm), nebo infračerveném (850 nm) světlu. Na sledovanou scénu je LED projektorem promítána síť bodů, která je u tohoto modelu o pár mikrometrů posunována piezoelektrickým aktuátorem připevněným k projektoru, což umožňuje vytvořit přesnější disparitní mapu a tím pádem detailnější mrak bodů pořízením osmi snímků každou kamerou za různého posunutí promítaných světelných značek. Použitá metoda také zvyšuje robustnost měření a snižuje počet operací potřebných při vytváření mraku bodů za použití pouze jedné dvojice sejmutých obrazů (šum, tmavá či lesklá místa, …).

28 Optické senzory nacházející se ve scanneru mají globální závěrku, rozlišení 1280 x 1024 pixelů, světelnost 1,4 a ohniskovou vzdálenost 8-35 mm. Datové a napájecí rozhraní je umístěno na boční části scanneru a skládá se z Gigabitového Ethernetu a konektoru pro externí napájení 24 V. Dalšími možnostmi pro připojení je 24V GPIO⁸, spoušť a výstup na blesk. Celé zařízení je certifikováno stupněm krytí IP65, které poskytují těla z hliníkových slitin s těsněními.

Celý systém je možno rozšířit ze vzdálenosti kamer 200 mm na 400 mm díky dvěma ramenům, zvyšujícím přesnost snímání (viz 2.2.3. ) a měřený objem, větší rozteč kamer ale také samozřejmě zvětšuje minimální vzdálenost od oblasti zájmu a zástavbové rozměry

Obrázek 18 - Přední pohled (vlevo), zadní pohled s rozšiřujícími rameny (vpravo) scanneru Ensenso X36 [34]

8 GPIO – General Power Input/Output, obecný konektor sloužící pro vstup či výstup (rozhoduje uživatel) umístěné na integrovaném obvodu, s primárně nedefinovaným účelem, využití může být různé.

29