3D-Stereovision-Kamera

3D macht den Roboter autonom

3D-Stereovision-Kameras. Bisher waren Roboter Befehlsempfänger, die vorgegebenen Bahnen folgen. Mittels 3D-Daten können sich Roboter inzwischen der Situation adaptiv anpassen und auf ihre Umgebung reagieren; sie werden zu autonom arbeitenden Mitarbeitern. Kameras von IDS ermöglichen eine schnelle 3D-Datenerhebung auch aus größerer Entfernung.

Mit variabler Baseline und einem 100-Watt-Texturprojektor lassen sich mit Stereovision-Kameras der Ensenso X-Serie Arbeitsabstände bis etwa fünf Meter realisieren und Objekte mit Volumen von mehreren Kubikmetern erfassen. (Bild: IDS)

Durch Automatisierung kann effizient mit hohen Stückzahlen gefertigt werden, hohe Spezialisierung verbessert die Effizienz noch weiter. Die Flexibilität und schnelle Umrüstung dieser spezialisierten aber kostspieligen Anlagen bleibt allerdings auf der Strecke. Schnell eine kleine Serie alternativer Teile fertigen, rechnet sich nicht. Jeder Prozessschritt müsste angepasst werden. Kleinserien werden oft mühselig in Handarbeit produziert und gefertigt.

Die Entwicklung von 3D-Kameras und 3D-fähiger Software eröffnete der Branche die Erschließung neuer Machine-Vision-Technologien. Durch 3D-Vision können neue Aufgaben gelöst werden, die mit 2D nicht realisierbar sind.

Roboter arbeiten situationsbezogen
Ein Roboter entnimmt sicher und zuverlässig unsortiert und überlagernd liegende Rohr-T-Stücke direkt aus einer kleinen Transportkiste, ein anderer Roboter depalettiert große Alugussteile direkt auf ein Förderband. Feinfühlig findet sein robuster Greifer sicheren Griff – schon beim ersten Versuch ohne Kollision mit dem Werkstück. Das funktioniert, obwohl die Teile auf den gebrauchten oder schmutzigen Paletten oft verdreht oder durch restliche Gussrückstände schief stehen. Für diesen „Griff in die Kiste“ (Bin Picking) und das lagerichtige Übergeben von Teilen musste die Robotik deutlich zulegen.

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Der Ablauf der Prozessschritte ist mit Mikado ARC für den Anwender einfach modifizierbar. (Bild: IDS)

Der Freiburger Systemintegrator Isys Vision entwickelte dafür die Lösung „Mikado Adaptive Robot Control“ (kurz: ARC). Eine konfigurierbare Robotersteuerung, mit eigener Bahnplanung und Kollisionsprüfung. Mit einer eigenen inversen Kinematik werden die Gelenkwinkel der Roboterarme für Greifpositionen oder Verfahrwege berechnet. Ausgangspunkt für die komplexen Berechnungen sind 3D-Informationen wie die Werkstückform, die Position, die Lage oder eine virtuelle Abbildung der Umgebungssituation. Viele Roboter können über Mikado ARC gesteuert werden und machen langwieriges Programmieren überflüssig. Teilewechsel sind schnell realisiert, sodass auch die Produktion von Kleinserien mit diesem robotergestütztem Material Handling ermöglicht wird.

Ausschlaggebend für eine optimale Steuerung des Roboters sind die Ausgangsdaten. Je nach Projekt und Anwendung entscheidet sich der Integrator für eine 3D-Kamera-Technologie. Dabei spielen neben der generellen Eignung eines Verfahrens sowohl Kosten als auch Genauigkeit, Geschwindigkeit und Datenerhebung eine Rolle. Klassische Verfahren wie Time- of-flight (TOF), Stereo Vision oder Lasertriangulation lassen sich nur als Vorauswahl gegeneinander abwägen. Denn viele der heute eingesetzten 3D-Kameras sind Hybridsysteme und setzen mehrere Verfahrensmerkmale ein, um ein breiteres Einsatzspektrum abzudecken und die Ergebnisse zu verbessern.

Mobiles Auge am Kopf des Roboters
Isys Vision verwendet für Bin Picking und Material Handling 3D-Stereovision-Kameras von Ensenso. Diese bestehen aus zwei Flächenkameras, die nach dem Prinzip der Stereovision arbeiten, in Verbindung mit einem leistungsstarken Patternprojektor, um selbst von Werkstücken mit schwierigen Oberflächen robuste 3D-Daten zu erhalten. Dabei eignen sich die kompakten Kameras der N-Serie vor allem im Nahbereich und werden meist direkt am Kopf des Roboters als mobiles Auge eingesetzt.

Das neue 3D-System der X-Serie kann mit einer flexiblen Baseline sehr variabel mit verschiedenen Kameras von IDS aus größeren Abständen große Volumen erfassen und eignet sich für unsortiertes Material Handling aus großen Gitterboxen. Durch die 100-Watt-Leistung erzeugt das LED-Licht des Projektors auch bei großen Arbeitsabständen von fünf Meter noch feine Texturen auf der Werkstückoberfläche.

Dadurch ist das System unabhängig vom Umgebungslicht und erlaubt kurze Belichtungszeiten. Schon mit ein bis zwei Bildpaaren sind 3D-Auflösungen von wenigen Millimeter möglich. Mit kurzen Belichtungszeiten, wenigen Bildaufnahmen und schnellen Stereobild-Matching-Algorithmen sind 3D-Daten schon nach etwa 500 Millisekunden bereit zur weiteren Verarbeitung. Damit sind hohe Taktzeiten im Material Handling möglich.

Kleinserien automatisieren
Durch den Einsatz von zwei Flächenkameras können neben der 3D-Datenerhebung dmit dem Rohbildmaterial der Kameras auch Referenzmerkmale einer Szene erfasst und zur stetigen Nachjustierung des maschinellen Sehens verwendet werden. Die Prozessergebnisse bleiben konstant und robust. Wiederkehrende Kontrolle oder aufwendiges Rekalibrieren des Stereovision Systems ist nicht mehr notwendig.

Mit Fähigkeiten wie Bin Picking und lagerichtiger Teilezuführung kann die Robotik in Zusammenarbeit mit Mikardo ARC und Ensenso 3D-Kameras die Lücke zur adaptiven Automation schließen. Selbst Kleinserien können damit einfach und kosteneffizient automatisiert werden. as

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