Роботи с интегрирани системи за 3D машинно зрение

РоботикаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9/2021 • 06.01.2022

  • За да реализират оптимално потенциала си в триизмерния свят, роботизираните системи се нуждаят от подобно на човешкото зрение

  • Интегрираните технологии за 3D машинно зрение водят до нов иновационен скок във функционалността на индустриалните роботи

  • Изборът на система за триизмерно машинно зрение е добре да бъде съобразен с размера и скоростта на движение на обектите, както и с отстоянието им от камерата

 

С напредъка на Industry 4.0 технологиите промишлените роботи стават все по-умни, адаптивни, автономни и прецизни. С други думи, те все повече се доближават по своята същност и ефективност до човешкия интелект. Ето защо, за да реализират оптимално потенциала си в триизмерния свят, роботизираните системи се нуждаят и от подобно на човешкото зрение – едно от ключовите сетива, на които разчита нашият мозък. Отговор на тази потребност дава 3D машинното зрение. С негова помощ роботите могат да събират информация за заобикалящите ги обекти в реално време, да разпознават цветове, форми, материали и текстури и да регистрират дори миниатюрни техни характеристики. Триизмерното зрение им позволява да се движат, наблюдават и взаимодействат с комплексни среди с необходимата гъвкавост и безопасност, за да разрешават бързо и безпроблемно реални и специфични производствени задачи.

 

Нови възможности

Интегрираните технологии за 3D машинно зрение водят до нов иновационен скок във функционалността на индустриалните роботи, разширявайки неимоверно потенциалните им приложения. Макар и много по-бързи, производителни и високоефективни от ръчния труд, пионерските роботизирани системи от зората на четвъртата промишлена революция остават сравнително ограничени в своите възможности. Да, те са истински отличници в изпълнението на рискови и повторяеми задачи, но разчитат единствено на заложената в управлението си програма, за да извършват еднотипни действия. И не разполагат с други механизми да отговорят на различни вариации в задачата освен чрез препрограмиране. Това многобройно поколение роботи, впрегнато в динамичните процеси на съвременните фабрики, работи усилено, но “на сляпо”. Триизмерното машинно зрение е фундаментална технология в модерната автоматизация, именно поради факта, че играе ролята на своеобразно “пробуждане” на робота за заобикалящата го среда. Сега той може да извършва голям брой разнообразни дейности в зависимост от ситуацията, да отчита множество променливи в работната обстановка и да реагира своевременно – без да се нуждае от допълнително програмиране. Интегрираното 3D зрение значително повишава гъвкавостта на системата, а тя е ключов индикатор за възвръщаемостта на инвестициите в промишлената роботика.

Що се отнася до новите функции и възможности на “виждащите” роботи, те обещават да рационализират и оптимизират дори класически дейности като pick-and-place операциите. Ако “слепите” модели са ограничени само до захващането на обект от предварително зададена позиция, а тези с двуизмерни камери понякога се затрудняват в разграничаването на обекта от фона, то снабдените с 3D зрение системи могат да възприемат обекта като част от триизмерното пространство в реално време, подобно на човешкото око.

Благодарение на технология, позната като лазерна триангулация (алгоритъм за възприемане на 3D информация на закрито), роботът определя собствената си пространствена ориентация по осите X, Y и Z. С помощта на CAD модел пък системата се научава да разпознава дадения детайл и триизмерните му характеристики. Знаейки къде се намира тялото му и къде – обектът, роботът остава само да изчисли движения с каква траектория е необходимо да направи, за да се доближи до него и да го захване. Макар на пръв поглед това да звучи като простичка задача, решението й бележи повратен момент в съвременното индустриално производство.

Чрез консолидирането на няколко познати и утвърдени технологии – роботиката, автоматизираната визуална инспекция и компютърното проектиране, механизираните работници стават все по-автономни и ефективни. След като разполага с достатъчно силно и издръжливо тяло (и широк набор от крайни манипулатори, чрез които да отмени човека в изпълнението на различни тежки и уморителни задачи) и триизмерно зрение (за да гарантира необходимата прецизност, гъвкавост и безопасност при взаимодействие със средата в реално време), на роботът му е необходима само технология, която да му позволи да “мисли” по подобие на хората. Тук идва ролята на изкуствения интелект и машинното самообучение, които осигуряват липсващото парче от пъзела в конструирането на перфектното автоматизирано решение за извършването на pick-and-place операции, сортиране, асемблиране, инспекция, насочване/водене или комбинация от всичко това в интелигентен възпроизводим процес, подкрепен с възможности за управление на данни и анализ.

 

Предимства на системите за 3D машинно зрение

Конвенционалните двуизмерни камери създават проекция на реалността като плосък образ. Това работи само за прости задачи, при които например се наблюдава сцена от ограничено работно разстояние и под фиксиран ъгъл. Информацията, която можем да извлечем от едно обичайно цветно изображение, зависи до голяма степен от перспективата, отстоянието и условията на околната среда, най-вече осветлението.

Триизмерното машинно зрение осигурява по-голяма прецизност на изображението, особено при чувствителни на осветяване обекти. Тъй като 2D изобразяването зависи от повърхността на предмета, вариациите в осветяването могат да възпрепятстват коректното и точно възпроизвеждане на форми, ръбове и други визуални характеристики. С добавянето на данни по оста Z, системите за 3D зрение могат да генерират висококачествени триизмерни “точкови облаци” независимо от условията на средата, както и да снемат изображения на целевия обект от и във всякаква пространствена позиция. За разлика от плоските 2D проекции, визуалните 3D сензори могат да разпознават различни обекти от голямо разстояние върху всякакви повърхности. 3D зрението позволява още регистриране на обема на триизмерен обект, което е ключово в pick-and-place операциите.

Изборът на система за триизмерно машинно зрение е добре да бъде съобразен с конкретните изисквания и специфики на приложението, с размера и скоростта на движение на обектите (например по поточна линия), както и с отстоянието им от камерата. Когато основната цел е снемане на размерите на дадено изделие или пък инспекция на качеството му, камерата може да бъде със стационарен монтаж. По-дребните изделия с фини детайли обикновено налагат използването на 3D камери с висока разделителна способност. Важно е също да се отчете дали обектите на изобразяване са подредени/палетизирани по даден модел или са позиционирани свободно (несортирани) в кутия или сандък при т. нар. bin picking приложения. Във втория сценарий също е препоръчителна камера с по-висока резолюция, която да компенсира липсата на предвидимост в позиционирането.

От критично значение при избора на решение е и материалът, от който са изработени обектите на заснемане. При наличието на тъмни (поглъщащи светлината) или светлоотразителни повърхности е добре да се подбере система със съответната функционалност, тъй като съществува риск универсализираните платформи за машинно зрение да се затруднят. Когато се инспектират цветни изделия пък, е важно да се заложи на специализирана технология за цветна идентификация.
Ключов параметър при интегрирането на технологии за 3D зрение в индустриалната роботика е и бързината при обработка на постъпилата информация.

Високоскоростните автоматизирани приложения, в които роботът борави например с изделия, движещи се динамично по система от конвейери в рамките на производствената линия, налагат използването на платформи за машинно зрение с голяма процесорна мощ, които позволяват незабавно и надеждно събиране, обработване и интерпретиране на данните.

Пазарът предлага огромен асортимент от софтуерни и хардуерни продукти за триизмерно машинно зрение, включително и т. нар. all-in-one интегрирани смарт камери за 3D инспекция, които не налагат използването на външни системи за обработка на данни. За регистрирането и измерването и на най-фините детайли на даден обект потребителите могат да се възползват от високопроизводителни 3D камери, които не се влияят от визуалните особености на материалите и външни фактори на средата. Разнообразните специализирани решения за машинно зрение са базирани на различни пасивни и активни техники за измерване и инспекция, които осигуряват специфични конкурентни предимства на потребителите. Някои системи използват лазерни далекомери и т. нар. TOF (time of flight) методи за локализиране на отдалечени обекти и са подходящо решение при по-голямо отстояние на робота от целевите обекти. Други са базирани на стереозрение и са препоръчителни за работа с висококонтрастни изображения. При огледални повърхности пък приоритетно се залага на т. нар. техники за проективно текстуриране (projective texturing).

 

Оптимизирани приложения

Имплементацията на промишлени роботи с 2D платформи за машинно зрение в съвременните производства е все по-масова благодарение на значителния технологичен напредък при тези системи. Непрекъснато им усъвършенстване с нови функции и възможности и разнообразието от специализирани софтуерни продукти за интегриране им позволява все по-ефективно и успешно да разрешават сложни практически казуси. Триизмерното зрение допълнително обогатява с информация процеса на взаимодействие между роботите и работната им зона и се очаква в обозримото бъдеще да се превърне в интегрален елемент от промишлените им приложения.

Подобно на координацията “око-ръка”, която помага на човека в прецизното изпълнение на редица задачи, 3D системите за роботизирано зрение придобиват фундаментално значение в сливането между воденето и управлението на робота и външната среда и превръщането им в цялостна и интерактивна екосистема. Независимо дали се интегрира камера в самия робот или се монтира такава в рамките на работния му обхват, благодарение на събраните с нейна помощ данни системата получава достатъчно информация за обекта, с който борави спрямо собствената й позиция в пространството и би могла да го открива повторно в реално време, дори той да бъде преместен.

Промишлената роботика обхваща множество подкатегории като кинематика, динамика и управление. Стереозрението, от своя страна, се базира на възприемане на изображения, разпознаване на обекти, кореспонденция, както и разпознаване и реконструиране на 3D сцени. Макар техниките за тези цели да не са нови, консолидирането им в единна роботизирана платформа за първи път дава на инженерите в сферата на индустриалната автоматизация възможността да съчетаят изключителна бързина и прецизност с детайлна видимост при изпълнението на сложни задачи в сферата на визуалната инспекция, асемблирането, pick-and-place операциите – дори и в колаборативен режим.

Това прави интегрираните системи в сегмента отлично решение за (де)палетизиране, инспектиране и манипулиране с хранителни продукти, както и за bin picking приложения. За тази цел системата изпълнява автоматизиран процес на откриване, регистриране, класифициране, захващане и позициониране на целевия обект на предварително зададена локация. Това е и едно от най-популярните съвременни приложения на индустриалните роботи в умните фабрики. Същевременно се наблюдава експоненциален ръст на глобалната електронна търговия, която стимулира търсенето на автоматизирани решения за складови и логистични цели. Благодарение на триизмерното машинно зрение всички роботизирани задачи в тези сегменти могат да бъдат изпълнявани с непостигани досега качество, точност и бързодействие.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top