Nebojte se bin pickingu

Snahou výrobců je automatizovat mimo jiné rutinní nebo pro člověka namáhavé činnosti a současně tím přispět ke zvýšení produktivity. Ale ne všechny činnosti, které jsou snadným úkolem pro člověka, lze snadno zautomatizovat. To je i případ bin pickingu, moderní technologie, jejíž zavedení umožnil teprve současný pokrok v oblasti strojového vidění a výpočetní techniky. Při bin pickingu je třeba v zásadě řešit dvě protichůdné úlohy, které na logiku úlohy i na použité nástroje kladou odlišné požadavky: díl, který je náhodně uložený například v bedně nebo kontejneru, je třeba „nepřesně“ vybrat a následně někam přesně založit, ať už do stroje, nebo na nějaký dopravník či paletu. Tato úloha se člení na tři základní fáze, kterými jsou:

• detekce dílu;
• vyjmutí dílu;
• založení dílu.

Řešení pro bin picking sice využívá standardizované technologie, ale s ohledem na rozličnost podmínek zadání a nejrůznější tvary dílů je nutné ke každé automatizační úloze přistupovat individuálně. Zásadní obtíže ovlivňující řešitelnost úkolu se přitom mohou vyskytnout v každé z těchto tří fází (detekce, vyjmutí i založení dílu).

Detekce dílů se provádí prostřednictvím technologie strojového vidění. Ta v praxi zahrnuje průmyslový robot a optický senzor umožňující identifikaci a trojrozměrnou lokalizaci dílů. Ten může být umístěn buď přímo na zápěstí robota, nebo na pevné konstrukci, která je součástí robotizovaného pracoviště. Nezbytnou součástí řešení je vyhodnocovací software.

Příkladem takového řešení je vysokorychlostní 3D optický senzor, který je plně integrován do řídicí jednotky robota a pracuje na principu strukturované světelné projekce na součásti nasypané v kontejneru, které jsou snímány dvojicí kamer. Na základě toho systém vytváří 3D mapy obsahu kontejneru. Vyhodnocovací software umožňuje na základě této 3D mapy detekovat jednotlivé díly a propočítat pozice robota pro vyzvednutí dílu. Řídicí systém robota následně vypočítá potřebné pohyby os pro dosažení této polohy. Jelikož díl nemusí vždy ležet v ideální pozici, musí být software schopen upravit vypočtenou polohu robota tak, aby i v takovém případě mohlo dojít k jeho uchopení, ale přitom nedošlo ke kolizi, ať už se stěnou kontejneru, s jiným dílem, či s jakoukoliv jinou překážkou. Po odebrání identifikovaných dílů, které bylo možné vyjmout, se provede nové skenování. Nebývá nutné provádět toto skenování po odebrání každého kusu. Všeobecnou využitelnost technologie bin pickingu však komplikuje skutečnost, že v praxi se mohou vyskytnout určité typy dílů, pro jejichž detekci technologie strojového vidění není vhodná.

Častým požadavkem u bin pickingu je provedení druhotné detekce, zejména v případech, kdy se jedná o tvarově složitější díly. Při ní se díl vybraný z kontejneru ještě v chapadle robota znovu sejme pevnou kamerou a obraz se vyhodnotí nebo se předtím součást odloží na odkládací plochu. Touto manipulací se omezí počet pozic, v nichž se vyjmutý díl může nacházet, a znovu se naskenuje. Tím lze zpřesnit identifikaci jeho polohy, následně díl exaktněji uchopit a poté jej někam orientovaně založit. Prostřednictvím druhotné detekce lze zároveň provést kontrolu, zda se při vybírání z kontejneru do sebe nezakleslo více dílů a zda byl vyjmut opravdu pouze jeden.

Při vyjímání dílu z kontejneru hraje velkou roli nástroj. V praxi se může jednat o chapadlo, přísavky nebo magnet. Ideální nástroj pro manipulaci s díly by měl být dostatečně univerzální, aby mohl spolehlivě uchopit náhodně orientovaný díl, někam jej položit a případně srovnat. Zároveň by tento nástroj měl být dostatečně dlouhý, aby dosáhl i do nejzazších koutů kontejneru, a přitom štíhlý, aby nedocházelo ke kolizím se stěnami kontejneru či sousedními díly. Tyto vlastnosti jsou ovšem v rozporu s požadavky na nástroj pro zakládání dílů do stroje, kde je potřeba díl umístit do přesné pozice. Takovýto nástroj by měl být navíc kompaktní, jelikož ve stroji nebývá k dispozici mnoho volného prostoru pro manipulaci.

Pokud je výrobní takt dostatečně dlouhý, může být řešením obou protichůdných požadavků použití výměnného systému chapadel, kdy robot nejprve vyjímá díly z kontejneru a odkládá je do bufferu, odkud je po výměně nástroje zakládá do stroje. Pokud délka výrobního taktu takovéto řešení nedovoluje, nezbývá než použít dvou robotů. První pak vyjímá díly z kontejneru a odkládá je například do srovnávací stanice, odkud je vybírá druhý a zakládá je do stroje. Volba konkrétního řešení závisí na posouzení dané úlohy. Velmi zde záleží na tvaru dílu – čím je komplexnější, tím bývá úloha složitější.

Snahou je najít řešení, které by umožnilo vyjmutí všech, tedy 100 % dílů z kontejneru, ale ne vždy toho lze dosáhnout. Díly mohou být v kontejneru nasypány jakkoliv a může se stát, že některý z nich zůstane v takové poloze, z které jej nelze vyjmout – buď z důvodu hrozící kolize ramene robotu se stěnou kontejneru, nebo jej v této poloze prostě nelze daným nástrojem uchopit.

Společnost FANUC jako dodavatel technologie pro bin picking nabízí široký sortiment průmyslových robotů doplněných systémem 3D strojového vidění. Pro potřeby bin pickingu je určen optický senzor 3D Area Sensor umožňující trojrozměrnou lokalizaci dílů uložených na europaletách s rozměry 1 340 x 1 000 x 1 000 mm. Pro menší boxy s rozměry do 400 x 400 x 300 mm je určen senzor 3DV/400, jeho větší varianta 3DV/600 oskenuje prostor 600 x 600 x 300 mm. Nezbytnou součástí dodávky technologie pro bin picking je software iR Vision pro kamerovou detekci a software Bin Picking, jenž obsahuje podpůrné funkce pro vybírání dílů z kontejneru. Veškerý software je instalován přímo v řídicím systému robota pro bin picking.

3D Area Sensor sestává z projektoru, který krátce promítne strukturované světlo (světelné pruhy) na kontejner s díly, a ze dvou kamer, které scénu snímají ze dvou různých míst pod známými úhly. Následným zpracováním obrazových dat získaných z obou kamer je spočítán mrak 3D bodů, který lze dále analyzovat, a to buď jako takový, nebo v kombinaci s 2D fotografií. V prvním případě se jedná o tzv. pravou 3D metodu. V rámci analýzy je například možné proložit získanými body různé roviny a v nich identifikovat daný díl nebo rozpoznat seskupené díly podle předem naučeného vzoru (importovaného modelu). Tím je zjištěna poloha dílu a následně lze definovat pozici robota pro jeho odebrání. Druhou možnost představuje tzv. hybridní metoda, kdy se podle 2D kontury získané z fotografie vyhledává ve 3D mapě příslušný díl. Tato metoda bývá přesnější, ale přesto nemusí vést vždy k úspěchu, neboť díl může být v kontejneru uložen v jakékoliv pozici, která nemusí odpovídat dostupné fotografii. Pro takové případy je nutné software „naučit“ několik různých pohledů na příslušný díl.

Jestliže je díl nalezen, musí software spočítat, zda je dosažitelný bez kolize. Pokud tomu tak není, je možné přepočítat pozici pro odebrání dílu oproti ideální pozici. Jestliže ani to nepomůže, přejde se k dalšímu dílu. Další věc, kterou je třeba řešit, je skutečnost, že při vybírání jednoho dílu se mohou pohnout i díly s ním sousedící. Nabízí se tedy možnost po každém odebrání dílu kontejner znovu skenovat, ale to může zabrat i několik sekund a nemusí na to být v rámci taktu čas. Obvykle se to tedy řeší tak, že se sousední díly ignorují a odebírají se vzdálenější nalezené díly. Teprve potom se provede další skenování. To vše z pohledu naprogramování úlohy vypadá na první pohled složitě, ale podstatnou výhodou zde je, že tyto záležitosti nemusí řešit uživatel ve svém aplikačním programu, neboť všechny potřebné podpůrné funkce jsou součástí standardní softwarové výbavy robotu pro bin picking.

V konfiguračním programu si tak uživatel nadefinuje:

• vision úlohu – tedy co má robot hledat;
• parametry pro tzv. interference avoidance (vyhnutí se kolizi) – určí, kde se nachází kontejner a pevné překážky;
• podmínky pro odebrání dílu – stanoví ideální pozice pro odebrání dílu, dovolené tolerance pozice pro uchopení dílu oproti ideální poloze a definuje, co má robot dělat s díly ve frontě.

Toto naparametrizování úlohy udělá z velmi složité úlohy jednoduchou, neboť samotný aplikační program dostane od softwaru pro bin picking jako výsledek jen dvě spočítané pozice – přístupovou a odebírací (dvě pozice proto, že obvykle není možné jet robotem přímo do odebírací pozice, ale nejprve do přístupové, jelikož poslední část cesty do odebírací pozice musí robot s ohledem na správné uchopení absolvovat zpravidla kolmo k dílu).

Pokud to shrneme, software pro bin picking spočítá cestu robotu do pozice, ze které je schopen díl odebrat tak, aniž by došlo ke kolizi. Samotný aplikační program potom v podstatě spočívá v úloze „jeď pro nalezený díl“. Uživatel (ať už koncový zákazník nebo systémový integrátor) je tak po absolvování školení u společnosti FANUC nebo po přečtení manuálu schopen aplikaci sám naprogramovat. To je důležité při změně sortimentu – pokud je nový typ výrobku detekovatelný a odebíratelný, většinou si zákazník vše doprogramuje sám, maximálně situaci konzultuje nebo si nechá předem udělat test detekce dílu. Zkušenější uživatelé, kteří jsou již vybaveni technologií a potřebnými znalostmi, si však tyto testy mohou udělat sami.

Bin picking je nová automatizační metoda, která poprvé v historii umožňuje prostřednictvím průmyslových robotů a technologie strojového vidění odebírat díly náhodně uložené či nasypané v kontejnerech a orientovaně je zakládat do stroje či jiného zařízení. Při návrhu konkrétní úlohy je třeba technicky vyřešit fáze detekce, vyjmutí a založení dílu. Společnost FANUC je dodavatelem standardizované technologie pro bin picking zahrnující průmyslové roboty, specializované optické senzory a podpůrný software, který výrazně zjednodušuje naprogramování této jinak složité úlohy. S ohledem na specifické požadavky každého zadání je třeba ke každému řešení přistupovat individuálně. Je třeba také vzít v úvahu, že ne vždy je možné zaručit odebrání 100 % dílů robotem a že ne všechny typy dílů musejí být detekovatelné nebo odebíratelné.

daniel.havlicek@fanuc.eu

www.fanuc.eu/cz/cs/roboty/