15.000 Verpackungen auf sieben Quadratmetern

Das Lager ist eine Scheibe

Die Automatisierung von Pick & Place-Vorgängen ist eine Paradedisziplin für die 3D-Bildverarbeitung. Denn eine schnelle und zuverlässige Teileerkennung ist die Grundlage, um Handhabungsprozesse mit dem Roboter zu lösen.

Vorne großzügige Apotheke – hinten ein Lager auf kleinstem Raum. (Fotos: IDS)

Kameras erkennen dabei die Form, Größe und Lage der Objekte und geben diese Informationen an die Robotersteuerung weiter. So wird auch der Griff auf ungeordnete Teile in einer Kiste, das sogenannte Bin Picking, möglich. Magazino integriert eine Stereo-3D-Kamera von IDS in Kommissionierautomaten, um chaotisch liegende Verpackungen direkt aus der Kiste zu holen und automatisiert einzulagern.

Das Unternehmen aus München entwickelt und baut Roboterlösungen für Lager- und Logistikanwendungen sowie platzsparende Pick-and-Place Systeme. Die Lösungen ermöglichen eine stückgenaue Ein- und Auslagerung bei hoher Artikelvielfalt. Vor einem Jahr revolutionäres Konzept für Apotheken, das je nach Automatenhöhe die Lagerung von bis zu 15.000 Arzneimittelverpackungen auf einer Fläche von sieben Quadratmetern ermöglicht. Im Vergleich zum üblichen Regallager sind das bis zu 80 Prozent mehr Verpackungen pro Quadratmeter. Erreicht wird diese effiziente Raumausnutzung durch die Lagerung auf runden Scheiben, was zudem auch für kurze Auslagerungszeiten sorgt. Die Packungen werden nach der Höhe sortiert auf Scheiben mit unterschiedlichen Abständen gelagert. Der Automat benötigt deutlich weniger Fläche als das klassische Schubladensystem und spart erheblich Zeit bei der Einlagerung der Medikamente und bei der Lagerpflege, ist er doch mit allen gängigen Warenwirtschaftssystemen kompatibel.

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Gleich aus der Kiste

Das System kann Packungen direkt aus der vom Großhändler angelieferten Kiste übernehmen und erkennt dabei Barcodes und Verfallsdaten selbstständig.

Mittels Sauggreifer werden die chaotisch in der Kiste liegenden Verpackungen entnommen. Dessen Steuerung erfolgt auf Basis von 3D-Bildern, die von einer Stereokamera erfasst werden. „Alternativ könnte das auch mit Streifenlichtsensoren gelöst werden, die aber deutlich teurer sind, oder mit Sheet-of-light Sensoren, wobei aber dort der Sensor zunächst über die Kiste bewegt werden müsste, um ein komplettes 3D-Bild zu liefern,“ so Nikolas Engelhard, Entwicklungsleiter Software bei Magazino. „Wir haben uns daher für eine Ensenso N10 Stereo-3D-Kamera von IDS entschieden.“

Das technologische Konzept der Kamera: Ensenso integriert nicht nur zwei Global Shutter CMOS-Sensoren inkl. Software in einem kompakten Gehäuse, sondern auch einen Texturprojektor. Dieser wirft ein zufälliges Punktmuster auf das aufzunehmende Objekt, womit auf dessen Oberfläche nicht oder schwach vorhandene Strukturen ergänzt bzw. 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 und mittels der geometrischen Zusammenhänge der Triangulation werden schließlich für jeden Bildpunkt die 3D-Koordinaten rekonstruiert beziehungsweise berechnet.

Bin-Picking aus der Apothekenkiste: Aus der von der 3D-Kamera gelieferten Punktwolke werden Ebenen extrahiert und optimale Griffpositionen für den Sauggreifer bestimmt. (Fotos: IDS-Imaging)

Selbst wenn relativ homogene Bauteile zum Beispiel in einer Kiste aufgenommen werden, lässt sich so ohne zusätzlichen technischen Aufwand und in wenigen Millisekunden ein praktisch lückenloses, vollflächiges und detailreiches 3D-Bild generieren. Erhältlich ist die Kamera sowohl mit USB 2.0 als auch mit einem Gigabit Ethernet Anschluss, wobei Magazino das USB-Modell N10 einsetzt. Trotz der beiden Sensoren und des eingebauten Projektors misst diese Variante der Ensenso nur ca. 150 mal 45 mal 45 Millimeter und wiegt kaum 400 Gramm. Mit einem Aluminiumgehäuse und einem GPIO Konnektor für 12 bis24 Volt Hardware-Trigger, In- und Output ist sie für industrielle Einsätze gut gerüstet.

Dicht über die Kiste

Im Kommissionierautomat wird die Stereokamera an eine zentrale Position vergleichsweise dicht über der zu entleerenden Großhandelskiste gefahren, von wo aus sie den Kisteninhalt erfasst. Die Möglichkeit, das Blickfeld der Ensenso an die Anwendung (Abstand zur Kiste, Kistengröße) anzupassen – bei einem möglichst geringem Mindestabstand – war ein wesentliches Entscheidungskriterium für Magazino. „Der Automat soll insgesamt ja so kompakt wie möglich sein. Die komplette Einlagerung ist unter einem Tisch mit einer Arbeitshöhe von 1,1 Meter installiert. Die Großhandelskiste hat eine Höhe von etwa 20 Zentimeter, aus der wir auch Packungen mit einer Höhe von bis zu 15 Zentimeter greifen wollen. Dadurch kann kein klassisches Achssystem eingesetzt werden“, so Engelhard. „Die Ensenso wird mit verschiedenen Brennweiten angeboten, so dass wir ein für unsere Anwendung ideales Modell auswählen konnten.“

Aus der von der 3D-Kamera gelieferten Punktwolke werden anschließend Ebenen extrahiert und gute Griffpositionen für den Sauggreifer bestimmt. Dieser holt sich dann die einzelne Verpackung (typische Größe 100 mal 50 mal 20 Millimeter) und legt sie auf einer Messfläche ab, wo die genauen Abmessungen bestimmt werden; die Höhe der Verpackung zum Beispiel ist in der Kiste nicht messbar. Die exakten Maße werden benötigt, um den idealen Lagerplatz für eine Schachtel zu bestimmen. Darüber hinaus wird ein Referenzbild mit einer 2D-Kamera aufgenommen, mit dem die Packung später im Scheibenlager lokalisiert werden kann, zum Beispiel um den Greifer nachzuführen oder um eine vollautomatische Inventur durchführen zu können. Dann wird die Packung erneut gegriffen und vor eine Beleuchtungseinheit gehalten, mit der der Barcode und das eingeprägte Verfallsdatum erkannt werden. Um dieses geprägte Relief hervorzuheben, werden durch mehrere, einzeln angesteuerte LED Schlagschatten aus verschieden Richtungen erzeugt, die dann kombiniert werden. Schlussendlich wird die Verpackung auf einer Pufferscheibe platziert und dort von einem weiteren Sauggreifer zum definierten Lagerplatz gebracht.

Software entscheidet über den Aufwand

Für OEMs wie Magazino ebenso wichtig wie die Hardware ist die Software der Kamera, denn sie ist mit entscheidend für deren Integrationsaufwand. Im Lieferumfang der Ensenso sind eine Schnittstelle zur Bildverarbeitungsbibliothek Halcon und ein umfangreiches Software Development Kit, welches für das GigE- und USB-Modell identisch ist, enthalten. Dieses SDK nutzt auch Magazino, um die Bilddaten mit anderen Programmen innerhalb dieser Applikation auszutauschen. Nikolas Engelhard: „Wir haben mit dem Ensenso-SDK (NxLib Api) eine eigene Schnittstelle in das Robot Operating System (ros.org) geschrieben, die anderen Programmen die Punktwolken zur Verfügung stellt.“ bw

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