KONICA MINOLTA

Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Robotický výběr objektů z kontejneru – Bin Picking

Úloha vybírání součástek z kontejneru je v současné robotice stále často diskutovaná v aktuální průmyslové robotice. Přestože první přístupy byly vyvinuty již v polovině 80. let minulého století a postupně byly zdokonalovány s rozvojem počítačového zpracování obrazu, stále nebylo dosaženo univerzálního řešení.

 
Netriviálnost problému plyne ze složitosti dílů, které je třeba vybírat z kontejneru (obr. 1). Obecné požadavky na výběr bývají takovéto:
  • výrobky mohou být lesklé i zašpiněné,
  • výrobky mají různé tvary (např. pravý a levý kus),
  • takt výběru je v rozsahu od 10 s,
  • kontejner by měl být vyprázdněn beze zbytku.

Vliv tvaru dílu na úspěch řešení úlohy Bin Picking

Nové 3D senzory a kamerové systémy ve spojení s výkonnějšími počítači umožňují dokonalou lokalizaci dílu v kontejneru. Typická přesnost určení pozice dílu v kontejneru o rozměrech 1 200 × 800 × 600 mm je ±2 mm, určení natočení je s přesností ±1°.
 
Matematické postupy vyhledání shody modelu dílu s nasnímanými daty jsou přesnější pro tvarově složité díly, u kterých se však hůře realizuje jejich fyzické vyjmutí z kontejneru. Tvarově nesouměrné a složité díly mohou mít tendenci se do sebe zaklesnout a v případě orientovaného odběru roste riziko kolize chapadla s jiným dílem nebo s kontejnerem samotným. Ač je tedy problém vybírání součástek z kontejneru řešen již více než dvacet pět let, nelze z popsaných důvodů v nejbližší době očekávat 100% univerzální řešení přímého výběru předmětů z kontejneru.
 

Řešení výběru „po částech“

Ve firmě Blumenbecker se proto konstruktéři vydali cestou nepřímého výběru. Tato metoda se použije, vyžaduje-li to složitost dílu či přesnost jeho založení z kontejneru do stroje. Popsaný koncept je schematicky zakreslen na obr. 2. 3D snímek se získává ze soustavy liniového laseru a 3D kamery Sick Ranger. Ta k vytvoření prostorového snímku potřebuje nad kontejnerem přejet, což jí umožňuje lineární vedení. Ve snímku kontejneru je vyhledán díl a neorientovaně je vyjmut na překládací plochu. Zde je pořízen další snímek a díl je již přesně orientovaně odebrán a umístěn do stroje (přípravku). Lokalizace dílu v překládací pozici je s typickou přesností ±1 mm a ±0,1°. Vhodně konstruovaný mechanismus může přesnost úchopu ještě zlepšit. V překládací pozici již odběr není ovlivněn možnou kolizí s jiným dílem a lze vyřešit uchopení dílu z líce nebo z rubu podle toho, co vyžaduje jeho založení. Tento přístup je časově náročnější, vyhovuje pro takt od 15 s, ale blíží se 100% úspěšností výběru předmětů z kontejneru.
 

Protikolizní opatření při navedení robotu

Díl musí být vyhledán v 3D datech. K tomu lze využít specializované softwarové nástroje, jako je MvTech Halcon. Tyto programy často využívají algoritmy pro hledání vzorů v bodovém prostoru (point cloud), ale již neřeší fyzickou dosažitelnost dílu navrženým uchopovacím mechanismem. Zjednodušený přístup hledání v bodovém prostoru, a to především pro jeho rychlost, byl použit i v řešení Bin Picking od firmy Blumenbecker.
 
Stejně důležitý a časově náročný problém představuje výpočet cesty robotického ramene s uchopovacím zařízením do vybraného místa odběru. Proto bylo nutné vytvořit vlastní model s inverzní kinematikou šestiosého robotického ramene. Aby byla zachována univerzálnost řešení, nebyl použit software žádného výrobce robotů. Model robotu byl doplněn o tvar uchopovacího zařízení. Problém je netriviální, protože robot může bodu v prostoru, který je určen svými kartézskými souřadnicemi, dosáhnout ve více konfiguracích os, přičemž některé konfigurace mohou být kolizní s kontejnerem. Ideálním řešením by bylo předat robotu celou nájezdní a výjezdní trajektorii ramene robotu, ale pro časovou optimalizaci je předáván pouze omezený počet bodů, přičemž cesta mezi body je předem zkontrolována simulací pomocí modelu robotu s inverzní kinematikou.
 
Celé řešení Bin Picking se tedy v podstatě skládá ze čtyř dílčích úkolů:
  • konstrukce uchopovacího mechanismu pro přesnou manipulaci s dílem tak, aby byl v pozici odběru co nejméně kolizní,
  • lokalizace dílu ve 3D snímku kontejneru a v překládací pozici,
  • automatický návrh bezkolizní cesty robotu pro odběr dílu v určeném uchopení,
  • komunikace mezi řídicím systémem robotu a PC pro zpracování 3D snímku.

Ukázkové pracoviště Bin Picking

Popsaná koncepce byla prezentována na exponátu plně funkční robotické buňky, která již byla představena na veletrzích Automatica 2012 v Mnichově a MSV 2013 v Brně (obr. 3). Robot předvedl přesné odebrání výrobku z kontejneru (obr. 4) průchodem černou maskou s tvarem odebíraného objektu. Vybraný díl je po operaci „vložení do šablony“ (symbolizuje přesné založení např. do stroje NC) robotem přemístěn na odkládací plochu, která se po zaplnění nakloní a všechny díly opět neorientovaně sklouznou do kontejneru. Exponát vznikl ve spolupráci s VUT Brno za finanční podpory MPO v programu TIP a je možné jej zhlédnout v prostorách firmy Blumenbecker v Praze.
 
Zdokonalený exponát, doplněný tentokrát i o maketu stroje CNC se zakládacím místem, bude firma prezentovat i na letošním veletrhu Automatica 2014 v Mnichově.
 
Ing. Petr Čihák,
 

Blumenbecker Prag

Firma Blumenbecker Prag, s. r. o., je součástí mezinárodně působícího holdingu Blumenbecker Group se sídlem ve městě Beckum (SRN). Blumenbecker Prag se soustřeďuje především na průmyslovou automatizaci, řízení pohonů všech výkonů, vizualizaci technologických procesů a dodávky robotických pracovišť „na klíč“. V oblasti robotických úloh se krom dnes již běžných úloh (svařování, manipulace apod.) zaměřuje na řešení spolupráce robotu s kamerovým systémem (strojové vidění). Toto spojení otevírá mnoho nových možností využití v nejrůznějších oblastech v průmyslu i mimo něj.
 
 
Obr. 1. Příklady dílů, které je třeba vybírat z kontejneru
Obr. 2. Schéma řešení úlohy Bin Picking od firmy Blumenbecker
Obr. 3. Ukázkové pracoviště Bin Picking na veletrhu Automatica v Mnichově