Moderne Robotersysteme mit integrierter Bildverarbeitung

Bei der Beschreibung von Robotern und roboterbasierten Lösungen sucht man oftmals Analogien zum menschlichen Körper. Der wichtigste der fünf Sinne des Menschens ist seine Fähigkeit zu sehen. Erst dadurch kann er einen Kugelschreiber vom Tisch aufnehmen, eine Kaffeekanne zur Tasse führen oder Zahncreme in kontrollierter und genau dosierter Weise auf eine Zahnbürste aufbringen. Viele der heute eingesetzten Robotersysteme verzichten allerdings auf den wichtigsten der fünf Sinne und arbeiten \’blind\‘. Es liegt auf der Hand, welche Vielfalt an Aufgaben sich dem \’blinden\‘ Roboter verschließt. Der sehende Roboter kann Teile flexibel aufnehmen, beliebige Objekte erkennen oder vermessen und findet sein Ziel flexibel und sicher. Sehende Roboter Bereits Ende der 80er-Jahre wurden die Vorteile der integrierten Bildverarbeitung in großen Anlagen mit 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 hat Adept Technology im Laufe der Jahre immer weiterentwickelt. 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 Förderbandes 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. In der Vergangenheit verwendete man eine einfache Blob-Erkennung, um die Position und Ausrichtung eines Produkts zu bestimmen. Diese hat den Nachteil, dass sie eine gleichmäßige Ausleuchtung des Bildobjekts erfordert und die Erkennung sich berührender Teile schwierig macht. Daher war eine gewisse Vorab-Ausrichtung 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. Dadurch wird der Erkennungsprozess weitgehend unabhängig von Ausleuchtungsschwankungen und die Erkennung sich berührender Objekte ermöglicht. 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 Bildverarbeitungs-Werkzeuge nach dem Erkennen der Produkte kann eine Gut/Schlecht-Entscheidung getroffen werden, und 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. Während der vergangenen Jahre verschob sich die Entwicklung hin zum Einsatz von Robotern mit Kinematiken, die für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen mit geringem Arbeitsaufwand maßgeschneidert wurden. 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 rund 160 bis 180 Teile pro Minute zu erhöhen und wirtschaftlichere Lösungen anzubieten, führten Adepts neueste Entwicklungen zu einem neuen Typ von Roboterkinematik, der einem Delta-Roboter ähnelt. Anstelle von drei parallelen Armen und einer Teleskopwelle werden jedoch vier parallele Arme benutzt (daher die Bezeichnung Adept Quattro), um eine mit Gelenken versehene Plattform im Raum zu bewegen. Der Quattro-Roboter bietet 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. Außerdem vermeidet er 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 von bis zu 15g und hohe Verfahrgeschwindigkeiten des gegriffenen Produktes ermöglichen gegenüber bereits existierenden Lösungen aus dem Bereich Nahrungsmittel, Verpackungstechnik, pharmazeutische Industrie oder Elektronik eine bis zu 20% höhere Produktivität. Die beschriebenen Technologien lassen sich für verschiedene Anwendungsbereiche nutzen, wie die folgenden Beispiele zeigen. Verpackungsindustrie Für viele der heutigen Aufgaben in der Verpackungsindustrie sind Roboter die ideale Lösung. Die Roboter arbeiten schnell, flexibel, zuverlässig und effizient auf kleinem Raum. Durch den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen können sie innerhalb kurzer Zeit auf neue Produkte oder sich ändernde Verpackungsgrößen angepasst werden. Bekannt ist der Einsatz von Robotern zum Verpacken von Pralinen oder Keksen. Der typische Durchsatz pro Roboter beträgt zirka 45 Teile pro Minute. Die Pralinen werden von einem Zuführband abgegriffen, an dem sie durcheinander liegend ankommen. Das Bildverarbeitungssystem ermittelt die Position und Ausrichtung; der Roboter greift die Praline vom Förderband ab und legt sie in die Blisterpackung auf dem Hauptförderband in der Mitte. Hier kommt es auf Flexibilität an, denn der Pralinenhersteller kann auf ein und derselben Produktionslinie eine Vielfalt an verschiedenen Mischungen fahren, mit nur wenigen Änderungen an Software und Greifer. Das gleiche Konzept wurde u.a. auch in der folgenden Anwendung eingesetzt: Shampoo-Flaschen mit unterschiedlicher Form und Größe sollten einer Flaschenabfüllanlage zugeführt werden. Da eine eigene Zuführvorrichtung für jeden Flaschentyp nicht wirtschaftlich wäre, beschloss man, kamerageführte Roboter einzusetzen, um ein flexibles Zuführsystem zu bauen. Die leeren Flaschen werden einem Förderband zugeführt, das Bildverarbeitungssystem erkennt die Position und Ausrichtung. Außerdem prüft das Bildverarbeitungssystem, ob die richtigen Flaschen zugeführt werden. Und nur die richtigen Flaschen werden vom Band abgegriffen. Die Flaschen werden anschließend um 90° gekippt und senkrecht in einen Becherkettenförderer gestellt. Die tadellos ausgerichteten Flaschen werden dann zur weiteren Verarbeitung zur Abfüllstation transportiert. Auch hier ist Flexibilität ein Schlüsselwort. Einige Software-Änderungen sowie eine geringfügige Greifer-Modifikation ermöglichen eine schnelle Anpassung des Systems an neue Flaschentypen. Photovoltaikindustrie In kaum einer Branche gibt es zurzeit Änderungen und Innovationen in kürzeren Abständen als in der Photovoltaikindustrie. Die Abmessungen der Zellen und Module ändern sich ständig. Um wertvolles Silizium einzusparen, stellt man immer dünnere Wafer her. Die notwendigen Bearbeitungsschritte ändern sich laufend. Auf der sicheren Seite ist heute nur, wer seine Produktionsanlage bewusst auf Flexibilität und damit auf Zukunftssicherheit ausgelegt hat. Das wiederum erzwingt quasi den Einsatz von Robotersystemen. Bereits heute besitzt die Photovoltaikindustrie ein Potenzial, das den Einsatz von Automatisierungstechnik nicht nur rechtfertigt, sondern geradezu fordert. Der Einsatz von Industrierobotern bringt hier kürzere Bearbeitungszeiten, geringere Lohnkosten und weniger Bruch. Damit erhöht sich auch die Kosteneffektivität. In der vergangenen Zeit hat sich gezeigt, dass hier seitens der meisten Hersteller mit großem Erfolg investiert wurde. Durch den Einsatz von vier parallelen Armen ist die Leistungsfähigkeit des Quattro um zirka 20% höher als bei einem Delta-Roboter und bietet daher eine bessere Wirtschaftlichkeit in der Herstellung von Solarzellen und -wafern, bei denen mehrere Roboter im Einsatz sind. Das Bildverarbeitungssystem AdeptSight wird jedoch nicht nur zur flexiblen Zuführung von Solarzellen, sondern auch zur Überwachung der Qualität der Solarzellen eingesetzt. Montageindustrie Bildverarbeitung als Sensor zur Roboterführung ist nicht nur im Verpackungs- und Solarbereich interessant, sondern stellt ebenfalls eine ideale Kombination für viele Montageaufgaben dar. So wurden mit Adept-Systemen bereits 1990 die ersten flexiblen Zuführungen für Metall- und Kunststoffteile realisiert. Das Prinzip besteht aus einem Kreislaufsystem von servogesteuerten Förderbändern. Auf eines der Förderbänder mit chaotisch liegenden Teilen blickt die Kamera und ermittelt die Koordinaten der richtig liegenden Teile. Der Roboter greift die richtig liegenden Teile ab, und der Rest wird über den Kreislauf weitergefördert. Aufgrund der vorhandenen Plattform mit integrierter Bildverarbeitung war die Entwicklung eines Zuführsystems eine fast logische Konsequenz. Die inzwischen fast 15-jährige Erfahrung mit dem AnyFeeder brachten interessante Erkenntnisse. So ist eine produktunabhängige Hardware zur Zuführung von Schüttgut eigentlich der Traum eines jeden Fertigungsplaners. Die Begeisterung und Faszination, die diese Technologie auf Messen hervorruft, ist selbst heute ungebrochen. Bei flexiblen Zuführsystemen mit Bildverarbeitung findet eine Verlagerung von der Mechanik klassischer Schwingförderer zur Software statt. Es müssen die drei Komponenten Roboter, Zuführeinrichtung und Bildverarbeitung gesteuert, visualisiert und eventuelle Typen verwaltet werden. Die Tatsache, dass die Produktbindung beim Greifer und der Software liegt, bringt folgende Vorteile: Es ergeben sich kurze Reaktionszeiten für Änderungen und das Einführen von neuen Varianten. Das Austesten der Bildverarbeitungssoftware für neue Varianten kann abseits der Fertigungslinie im Labor erfolgen. Damit können die Anwender meist schnelle und leichte Serienanläufe für neue Typen realisieren. Rüstzeiten bei Produktwechsel entfallen bei Software-Varianten ohnehin. Ein weiterer Vorteil der Produktanpassung durch Software liegt in der leichten Duplizierfähigkeit im Gegensatz zum Schwingförderer, bei dem oft die Wiederholbestellung die gleichen Probleme noch einmal aufweist. Einige Kunden setzen die flexiblen Zuführsysteme jedoch nicht nur bei variantenreichen Teilen ein, sondern auch bei Teilen, die sich leicht verhaken oder in den Zuführschienen der Schwingförderer verklemmen. Der Griff aus dem Chaos bedeutet somit: kein Vereinzeln über Engstellen und damit weniger Störungen. Die Selbstentstörfähigkeit des Systems und damit die Verfügbarkeit von über 99% ist ein häufiges Argument von Anwendern. Denn oft werden bei Anlagen mit hohen Automatisierungsgraden direkte Arbeitsplätze durch anspruchsvolle indirekte Arbeitsplätze ersetzt. Hier gilt die Regel: Kann ein schwieriger Prozess nicht durch eine gute Maschinenkonstruktion prozesssicher gestaltet werden, so ist eine Selbstentstörfähigkeit erforderlich um einen hohen MTBF-Wert (mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen – Mean Time Between Failures) zu erreichen. Heute rüstet Adept rund 35% aller gelieferten Robotersysteme mit integrierter Bildverarbeitung aus. Rund 20% aller Robotersysteme werden in die Photovoltaikindustrie geliefert. Ganz gleich, ob High-Speed-Parallel­kinematik, Linearachskombination, Scara-Roboter oder Knickarmroboter – integrierte Bildverarbeitung erhöht die Flexibilität und Leistungsfähigkeit.