Robotická paletizace s určením cílové polohy

Zároveň automatizace proniká do mnoha aspektů každodenního života, od chytrých spotřebičů v domácnosti až po linky velkosériové produkce. Cílem jakéhokoli výzkumu a vývoje v oblasti automatizace je přiblížit chování automatizovaných systémů činnostem člověka, řešit problémy s ulehčováním a zpřesněním manuální práce a se zvyšováním produktivity práce.

Průmyslová automatizace v prostředí VÚTS Liberec si klade za cíl rozvíjet především oblasti mechatronických a robotických aplikací, jež úzce souvisí s obory elektroniky, mechaniky, softwarovým inženýrstvím a mnoha dalšími vědními a technickými disciplínami.

Řešení komplexích úloh a projektů vyžaduje aplikační výzkum mechanismů pohonů výrobních strojů, řídicích systémů výrobních strojů, robotických pracovišť a souvisejících technologií (automatizovaná manipulace a montáž, strojní vidění, kontrola jakosti, odměřování, 3D scanování, laserové technologie atd.).

Typickým příkladem automatizační úlohy může být realizovaná aplikace robotické paletizace s kamerovým určením cílové polohy jako poslední operace při výrobě vzduchových filtrů brzdového systému pro automobilový průmysl. Hlavním úskalím aplikace paletizace při bezoperátorové výrobě filtrů je vyřešení situací vyložení vyrobených vzduchových filtrů do různých úložných a přepravních papírových nebo plastových boxů, jejichž polohu nelze aretovat a předem definovat. Proto je nutné zavést specializovaný kamerový systém zajišťující rozdílný přístup ke zpracování obrazu jednotlivých boxů. Dále je nutné řešit konstrukci víceúčelového chapadla robotického ramene, a především bezpečnost celého pracoviště systémem DCS.

Navržený systém paletizace využívá kloubového robota řady M-710 značky Fanuc. Z důvodu přímé integrace do řídicího systému robota a současného provázání s motion/vision příkazy byl vybrán i kamerový systém značky Fanuc. Díky kontinuální výrobě a velmi rychlému výrobnímu taktu je nezbytná připravenost čtyř přepravních boxů umístěných z důvodu bezpečnosti obsluhy ve dvou oddělených pracovištích, mezi nimiž se robot pohybuje po lineárním vedení představujícím sedmou osu systému. Systém robotické paletizace je řízen a synchronizován nadřazeným PLC automatem výrobní linky. Vzájemná komunikace je řešena vytvořeným vlastním „Programem NumberSelect“ doplněným o kontrolu přenosového rámce dat (hand-shake). Zároveň je zajištěna komunikace s centrálním bezpečnostním systémem Sick výrobní linky a dalšími částmi linky, jako je pásový dopravník, ovládání akčních členů či tlačítek v ochranné kleci pracoviště s robotem. Stěžejní částí robotické paletizace je řešení multifunkčního chapače až pěti vzduchových filtrů najednou a současně nosiče vision kamerového systému.

Konstrukce multifunkčního chapadla je řešena s ohledem na minimální možnou hmotnost při zachování požadavku na současné uchopení a přenesení až pěti vzduchových filtrů v různých pozičních konfiguracích za pomoci pneumatických přísavek. Inspirací pro návrh chapadla byla lidská levá ruka s pěti přísavkami, kde sklápěcí pátá přísavka o 45° reprezentuje podobné možnosti jako lidský palec. Použité hliníkové přísavky prošly přísným výběrem, vzhledem k požadavkům na přesnost uchopení a vyložení, opakovatelnost a dynamiku (zkrácení doby nasátí filtru je řešeno postupný nasáváním vždy pouze pro jednu přísavku plným výkonem vakuové pumpy, zkrácení doby odsátí je docíleno okamžitým zapnutím přetlaku opět postupně od první přísavky až po pátou). Každá přísavka je též doplněna tlumicí pružinou ve směru osy Z a mezním snímačem polohy stlačení pružiny, což přináší možnost detekovat unikátní dno přepravního boxu nebo případnou kolizi chapadla s vyhlášením alarmu, zastavením robota a zpětným chodem. Protože přepravní boxy mají různé rozteče založení filtrů, má chapadlo možnost je změnit až do tří různých poloh pomocí 11pneumatických válců. Tímto řešením lze obsloužit i zakládání filtrů do extrémně úzkých přepravních boxů.

Chapadlo též slouží jako bezpečný nosič kamery a přídavného osvětlení s vlnovou délkou 650 um v červeném viditelném spektru. Výběrem prošly také objektivy, s původním objektivem s ohniskovou vzdáleností 12 mm nebylo možné vzhledem ke kinematice robota ustavení do polohy, aby na výsledné fotografii byl zobrazen celý přepravní box. Postupně tak byly testovány objektivy s menší ohniskovou vzdáleností 6 mm (dostačující zorné pole, velké zkreslení – soudkovitost) a 8 mm, který byl použit s vhodně zvolenou mechanickou clonou a speciálním krycím rámečkem. Byla provedena ortogonální kalibrace, neboť přepravní boxy mohou být umístěny v různých vertikálních hladinách.

Cílem vision procesů je určení offsetu polohy X, Y a rotace R okolo osy Z nově umístěného přepravního boxu oproti předdefinované poloze programem na vykládacím pracovišti. Prostor je sice doplněn o mechanické dorazy, které zajistí vymezení polohy v řádu centimetrů, přesné zaměření zajistí kamerový systém. Robot je umístěn v poloze určené pro focení, má zaostřeno, nastavenu clonu a míru osvětlení. Následný vision proces je samostatně vyhodnocován a skládá se z více operací seřazených za sebe.

První operace pro vykládání vzduchových filtrů do papírových přepravních boxů je tvořena 2D-multi-view vision procesem s kamerou v rozlišení 1024 x 1280 pix a trojnásobným expozičním časem 0,62–2,5 ms. Tím je sice dosaženo vyšší stability procesu proti extrémním změnám v osvětlení, ale zároveň dochází k nedokonalé detekci hran přepravního boxu.

Řešením bylo snímání přepravního boxu doplněného kontrastními značkami s černobílým symbolem. Značky byly vytvořeny technologií 3D tisku z matného materiálu (kvůli vysoké odrazivosti lesklých povrchů) a unikátního tvaru, aby při snímání kamerou nemohlo dojít k záměně s okolními objekty (oka ochranné zábrany) v zorném poli kamery.

Tato značka kruhového tvaru již vykazuje opakovatelnost správné detekce vyšší než95 % po celý den, kdy se mohou měnit světelné podmínky. Program robota je navíc doplněn o trojnásobnou opakovanost pokusů focení před vyhlášením alarmu „nevyfoceno“. Kamerový systém je dále doplněn o dvě 20W světla, což umožní zkrátit čas maximální expozice.

Druhá operace se týká pouze vyložení vzduchových filtrů do plastového přepravního boxu. Rozdílnost boxů je dána různými materiály, menším vnitřním prostorem, a především nutností určit i aktuální hladinu Z společně s posunutím XY rotací R dle osy Z boxu z důvodu variability použitých prokladů jednotlivých vrstev filtrů v boxu. Umístění plastového prokladu mezi jednotlivými patry založených filtrů se totiž může vzhledem k jeho typu lišit až v řádu jednotek centimetrů. K detekci zmiňovaných parametrů je použito snímání přirozených tvarů použitých plastových prokladů v zorném poli kamery, tedy jejich kruhových částí, viz obrázek 5. Vlivem snímání z jednoho místa dochází ke zkreslení.

Zásadním parametrem při snímání a následném vyhodnocování obrazu je kvalita nasvícení prostoru s mnoha odlesky, což omezilo sledovanou a vyhodnocovanou část obrazu jen na středové kruhy plastového prokladu. Určení jednotlivých hladin v ose Z je realizováno na základě naučení dvou extrémních hladin jako referenčních, přičemž ke každé z nich je přiřazena skutečná referenční vzdálenost ve směru osy Z. Kamera tak může mezi těmito dvěma extrémy používat měřítkování a na základě něj určit nové hladiny, mezi polohy ortogonálně.

Navržená aplikace robotické paletizace je chráněna systémem funkcí DCS (Dualchecksafety), které omezují prostor pohybu nebo rychlosti robota dle zadaných vstupních parametrů. Primárně slouží k ochraně obsluhy (interakci mezi strojem a člověkem) a sekundárně mezi jednotlivými strojními částmi (robot a okolí – oplocení, technologie…). Pro pracoviště byly modelovány tři zóny, dvě jsou označeny „restricted“ a třetí zóna je pomocná, přejezdová nazvaná „tunel“. Tato slouží pro zajištění bezpečného prostoru a přesnou detekci polohy robota v případě jeho zastavení při přejezdu mezi pracovišti. Lze tedy nastavit, povolit možnosti otevírání elektronických zámků u dveří ochranných klecí a umožnit přístup obsluhy do pracovní zóny v době, kdy je robot přejetý do druhé pracovní zóny. Riziková situace nastává pouze v případě vykládky na dočasné odkladiště, kde je nutné přímé střetnutí robota a člověka na pracovišti v automatickém provozu. Pro tento účel je ještě souběžně vytvořena „working“ zóna určující polohu robota současně s „restricted“ zónou pro bezpečné zakázání pohybu robota.

Pomocí vhodně navrženého kamerovému systému se podařilo vyřešit situace vyložení vzduchových filtrů do různých typů boxu, u kterých nelze dopředu určit jejich přesnou polohu. Zároveň bylo dosaženo vysokého vykládacího taktu z kontinuální výroby, řádově přes 3 000 filtrů denně.