Sehende Roboter

Mit (fast) allen Sinnen

Moderne Robotersysteme mit integrierter Bildverarbeitung
Ein AdeptSight Bildverarbeitungsprogramm steuert mehrere Adept Quattro s650 Roboter beim Handling von Solarzellen.
Aktuell rüstet Adept etwa 35 Prozent aller gelieferten Robotersysteme mit integrierter Bildverarbeitung aus. Rund 20 Prozent aller Robotersysteme gelangen in die Photovoltaikindustrie. Ob High-Speed-Parallelkinematik, Linearachskombination, Scara- oder Knickarmroboter: Alle gewinnen mit Bildverarbeitung ein hohes Maß an Flexibilität, Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit.

Seit der Einführung von Robotern zur Automatisierung arbeits- und kostenintensiver, sich wiederholender Aufgaben in der Automobilindustrie in den 60er und 70er Jahren haben sich Roboter – besonders während der vergangenen zwei Jahrzehnte – zu immer intelligenteren, schnelleren und kostengünstigeren Werkzeugen weiterentwickelt. Bei der Beschreibung von Robotern und roboterbasierten Lösungen sucht man oftmals Analogien zum menschlichen Körper – der wichtigste der fünf Sinne des Menschen ist seine Fähigkeit zu sehen: Erst dadurch ist es ihm möglich, einen Kugelschreiber vom Tisch aufzunehmen, eine Kaffeekanne zur Tasse zu führen oder Zahncreme kontrolliert und dosiert auf eine Zahnbürste aufzubringen. Viele der heute eingesetzten Robotersysteme verzichten indes auf diesen wichtigen Sinn und arbeiten „blind“. Doch es liegt auf der Hand, welche Vielfalt an Aufgaben sich dem blinden Roboter verschließt. Denn der sehende Roboter kann Teile flexibel aufnehmen, beliebige Objekte erkennen und vermessen und ist bei der Findung seines Ziels flexibel und zielsicher.

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Bereits Ende der 80er Jahre wurden die Vorteile der integrierten Bildverarbeitung in großen Anlagen mit Adept-Robotern zum Verpacken und Sortieren im Lebensmittelbereich genutzt. Schon damals wurden Gebäck, Pralinen und Würste aus chaotischer Lage vom laufenden Förderband abgenommen. Die dazu notwendigen Funktionen Objekt- und Lageerkennung sowie Synchronisation des Roboters mit dem sich weiter bewegenden Objekt, sind Stärken von Adept Technology, die im Laufe der Jahre stets weiterentwickelt wurden. Voraussetzung dafür ist die Integration von Bildverarbeitung und Robotersteuerung als eine logische Funktionseinheit. Jede Funktion kann auf alle notwendigen Daten anderer Funktionen zu jedem Zeitpunkt und im Bereich von wenigen Millisekunden zugreifen. Das Kamerablickfeld der Bildverarbeitung wird zum Koordinatensystem des Roboters systemintern kalibriert. Aufwändige und unflexible Kommunikationsprotokolle wie bei den meisten externen Systemen entfallen hier komplett. Bis heute ist Adept der einzige Hersteller von Robotersystemen mit integrierter Bildverarbeitung. Anhand der Position der Produkte auf dem Förderband, die durch das Bildverarbeitungssystem und die Position des Förderbands im Raum bestimmt wird, weiß der Roboter zu jedem Zeitpunkt, wo sich die Produkte im Raum befinden und kann sie somit am Förderband positionsgenau abgreifen. 9.500 der bislang 25.000 installierten Adept-Systeme sind mit Adept-Bildverarbeitung ausgestattet.

Einer der Hauptaspekte, um den Robotern „das Sehen“ zu ermöglichen, ist eine genaue Objekterkennung. Bislang verwendete man eine einfache Blob-Erkennung, um die Position und Ausrichtung eines Produkts zu bestimmen. Das hat den Nachteil, dass sie eine sehr gleichmäßige Ausleuchtung des Bildobjekts erfordert und die Erkennung sich berührender Teile schwierig macht. Daher war eine gewisse Vorabausrichtung und Vereinzelung der Produkte erforderlich.

Moderne Bildverarbeitungssysteme verwenden meist das Konzept der geometrischen Objekterkennung, das auf einem Graustufen- oder Farbbild basiert und bestimmte Objektmerkmale für Erkennungszwecke benutzt. Das macht den Erkennungsprozess weitgehend unabhängig von Ausleuchtungsschwankungen und ermöglicht die Erkennung sich berührender Objekte. Ein interessanter Nebeneffekt beim Benutzen der Bildverarbeitung zum Führen des Roboters ist die Möglichkeit, die ankommenden Produkte visuell zu überprüfen und eine Qualitätskontrolle direkt am Förderband durchzuführen. Bei Verwendung spezifischer Bildverarbeitungswerkzeuge nach dem Erkennen der Produkte kann eine Gut/Schlecht-Entscheidung getroffen werden – der Roboter greift nur die Produkte ab, die bestimmte Kriterien erfüllen.

Roboter-Kinematik

Im Laufe ihrer Geschichte wurden Mehrzweck-Scara-Roboter häufig in Verpackungsanwendungen eingesetzt. Zwischenzeitlich hat sich die Entwicklung hin zum Einsatz von Robotern mit Kinematiken verschoben, die speziell für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen mit geringem Arbeitsaufwand maßgeschneidert wurden. Überall, wo Mehrzweck-Scara-Roboter beim Greifen und Ablegen einzelner Produkte auf eine Durchsatzleistung von etwa 60 bis 80 Teile pro Minute begrenzt sind, eignen sich parallele Roboter-Architekturen besser für Anwendungen mit geringem Teilegewicht. Um den Durchsatz beim Hochgeschwindigkeits-Verpacken auf 160 bis 180 Teile pro Minute zu erhöhen und wirtschaftlichere Lösungen anzubieten, führten Adepts Entwicklungen zu einem neuen Typ von Roboterkinematik, der einem Delta-Roboter ähnelt – aber statt drei parallelen Armen und einer Teleskopwelle vier parallele Arme benutzt (daher die Bezeichnung Adept Quattro), um eine mit Gelenken versehene Plattform im Raum zu bewegen. Der Quattro Roboter hat vier Freiheitsgrade, um ein Teil in XYZ-Richtung zu bewegen und es um seine Theta-Achse zu drehen. Mit seinen vier Armen erreicht der Adept Quattro ein besseres Kräfteverhältnis und Beschleunigungsverhalten und vermeidet die sonst übliche und limitierende, mittige Teleskopdrehachse üblicher Deltaroboter. Der zusätzliche Arm bewirkt nicht nur ein höheres mögliches Moment sondern auch ein verbessertes geometrisches Design und eine gegenüber ähnlichen Produkten verbesserte Stabilität des Gesamtsystems. Eine Beschleunigung bis 15 g und extreme Verfahrgeschwindigkeiten des gegriffenen Produktes ermöglichen gegenüber bereits existierenden Lösungen aus dem Bereich Nahrungsmittel, Verpackungstechnik, pharmazeutische Industrie oder Elektronik eine bis zu 20 Prozent höhere Produktivität. PR/pb

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