Sygnał sprzężenia zwrotnego generowany przez system wizyjny koryguje ruchy robota i podwyższa jakość jego pracy. Roboty ze sterowaniem wizyjnym mają wyższą dokładność pozycjonowania dzięki sterowaniu w zamkniętej pętli regulacji.
Roboty ustawione w równych rzędach i czekające na zintegrowanie wyglądają na dokładnie takie same, jednak identyczne nie są. Każdy metalowy element, każde złącze serwo różni się w subtelny sposób od drugiego. Kiedy urządzenia te rozpoczną pracę, w zależności od temperatury na danym stanowisku ich wymiary fizyczne i parametry robocze zmienią się na skutek rozszerzenia lub skurczenia cieplnego. Podobnie dzieje się z ich sprawnością elektryczną.
Te mechaniczne i elektryczne odchylenia (lub inaczej błędy) nakładają się na siebie i określają finalną dokładność robota. Dokładność w robotyce jest definiowana jako zdolność do ustawienia się w zaprogramowanym punkcie w przestrzeni. Wielu użytkowników często popełnia błąd, próbując zastosować robot o powtarzalności 0,1 mm do pozycjonowania części z dokładnością 0,1 mm ? nie zwracają oni uwagi na problem rzeczywistej dokładności robota, czyli jego zdolności do powrócenia na komendę do danego punktu w przestrzeni.
Robotyka sterowana wizyjnie (Vision Guided Robotics, VGR) oznacza zastosowanie kamer przemysłowych podłączonych do komputerów z oprogramowaniem przetwarzającym obraz, które każdorazowo oblicza odpowiednie korekty do sterowania robotem, kompensujące efekty odchyleń, przez użycie obiektywnej metody ustalania pozycji i orientacji robota w przestrzeni 3D w odniesieniu do jego pozycji/orientacji zadanej. Trzeba jednak pamiętać, że systemy rejestracji i przetwarzania obrazów wprowadzają własny błąd sumaryczny zależny od wielu czynników, które mogą być związane z samym systemem wizyjnym, np. zmiany oświetlenia i charakterystyki czujnika, albo ze środowiskiem zewnętrznym, takie jak zmiany w wykończeniu powierzchni oraz prezentacji części, generowane przez systemy pozycjonowania materiałów.
Niestety, większość użytkowników końcowych nie rozumie ani podstawowych zasad wyznaczających dokładność i powtarzalność pracy robotów, ani tego, w jaki sposób należy uwzględniać błędy sumaryczne systemów robotyki oraz systemów wizyjnych, aby uzyskać poprawnie działającą aplikację z VGR. Stworzenie kompletnej specyfikacji dla danej implementacji, opartej na rzeczywistym sumarycznym błędzie robota oraz dobranym systemie wizyjnym maszyn, wymaga doświadczenia zarówno w programowaniu robotów, jak i w dziedzinie systemów wizji przemysłowej.
Unikatowość aplikacji systemów wizyjnych
Każde zastosowanie techniki VGR jest inne, ponieważ każdy robot, środowisko, produkowana część oraz technologia są inne. W rezultacie istnieje wiele sposobów podejścia do tego problemu, ale ostatecznym celem jest zaprojektowanie takiego systemu, który przy najniższych kosztach będzie, na podstawie znanych parametrów, wykonywał powierzone zadania z określoną częstotliwością.
Wszystko zaczyna się jednak od pełnego i dokładnego zrozumienia potrzeb danej implementacji. Jaka jest produkowana część? Jaki jest zakres zmienności rozmiarów, tekstury oraz orientacji względem robota w rzeczywistej produkcji, a nie tylko w oparciu o pliki CAD? Jakie są warunki środowiskowe stanowiska pracy robota, od temperatury do zmian oświetlenia? Co robot będzie robił na poddawanych operacji częściach i jaki to będzie miało wpływ na dobór robota, wliczając w to jego parametry prędkości i siły oraz wpływ masy i momentu bezwładności części na pozycjonowanie robota?
Po zebraniu niezbędnych informacji możliwe jest podjęcie decyzji w zakresie wyboru producenta i określonej serii robotów. Na podstawie odchyleń parametrów części oraz wymagań dotyczących ich pozycjonowania doświadczony projektant może pomóc dobrać do danego zastosowania konkretny model robota. Każdy robot stanowi jedyny w swoim rodzaju obiekt kinematyczny, składający się z unikatowych segmentów mechanicznych i elektrycznych lub hydraulicznych elementów wykonawczych. Większość producentów robotów oferuje usługę określenia dokładności absolutnej konkretnego robota, co może być przydatne w zastosowaniach, gdzie sumaryczny błąd robota oraz systemu wizyjnego jest bardzo zbliżony do wymagań związanych z powtarzalnością oraz dokładnością pozycjonowania części.
Po określeniu wymagań danej implementacji oraz dobraniu odpowiedniego robota projektant musi ustalić sposób jego zaprogramowania do danej pracy. Robot będzie potrzebował pomocy w odnajdywaniu kolejnych części, co odbywa się albo za pomocą uchwytów ustawiających część przed robotem w ustalonym miejscu przestrzeni i z daną orientacją, albo przez zastosowanie systemu wizyjnego generującego korekty do standardowej ścieżki pracy robota, kompensujące odchylenia pozycji i orientacji części.
Obecnie coraz więcej producentów
stosuje korekty wizyjne zamiast uchwytów, ponieważ te drugie stanowią dodatkowy koszt dla każdej implementacji, a często nie umożliwiają stosowania na tej samej linii innych części bez dodatkowych kosztów; nie można też wtedy wykorzystać stanowiska robota w innych miejscach w zakładzie. Systemy wizyjne maszyn mogą być przeprogramowane, a ponadto, przy założeniu, że system oraz jego komponenty spełniają konkretne potrzeby nowego zastosowania (co nie jest regułą), mogą być stosowane w całym zakładzie do różnych potrzeb, jak każde inne narzędzie.
Integrowanie wizji w systemie VGR
Po jednoznacznym zdefiniowaniu danego zastosowania następnym krokiem jest ustalenie zakresu danych z systemu wizyjnego, potrzebnych robotowi do pracy zgodnej ze specyfikacją. Czy części będą leżeć relatywnie płasko na płaskim przenośniku, czy system wizyjny dwuwymiarowy (2D) będzie wystarczający? Czy takie zastosowanie będzie wymagać danych dotyczących orientacji oraz wysokości względnej, w dodatku do danych X i Y ? a więc w aplikacji niezbędny będzie system wizyjny klasy 2,5D? A może jednak wymagane będzie otrzymywanie pełnych danych trójwymiarowych 3D, do celów inspekcji otworów, w dodatku do określania korekt dla występów lub wybierania punktów na danej części?
O ile rozwiązania 2D oraz 2,5D są relatywnie proste i zwykle mogą być realizowane przy użyciu jednej kamery (przy założeniu, że minimalna rozdzielczość przestrzenna obrazu pikselowego może zostać osiągnięta w całym wymaganym polu widzenia), o tyle w przypadku 3D projektanci mają kilka opcji do wyboru: 3D z jednej kamery, jedno- lub wielokamerowe 3D z triangulacją światła pozycjonującego oraz wizję stereoskopową wielokamerową. Każde z tych podejść ma swoje wady i zalety. Na przykład jednokamerowe systemy 3D mogą być bardzo precyzyjne w relatywnie wąskich polach widzenia, ale do ustalenia zbioru punktów 3D mogą wymagać kilku obrazów. Wizja stereoskopowa jest bardzo precyzyjna w szerokich polach widzenia, może ponadto być ulepszona dzięki zastosowaniu źródeł światła pozycjonującego, takich jak projektory z siatką światła, diody LED lub lasery, lecz potrzebny jest do tego dodatkowy sprzęt. Wszystkie te systemy wymagają częstego przeprowadzania procedur kalibracji, zapobiegających zjawisku generowania niedokładnych danych 3D na skutek uderzeń, rozszerzalności termicznej albo innych czynników.
Jednym z najsłabiej rozumianych
problemów związanych z poprawną implementacją systemów wizyjnych maszyn jest oświetlenie. Samo oświetlenie oraz jego zmiany, które są jeszcze ważniejsze, mają wielki wpływ na systemy wizyjne, niezależnie od wymiarowych aspektów danego systemu wizji. Oświetlenie jest często analizowane jako ostatni komponent systemów wizyjnych, a w rzeczywistości powinno być analizowane na początku procesu projektowania, ponieważ interakcja światła z częścią widzianą przez kamerę jest podstawą poprawnego działania systemu wizyjnego, szczególnie w wymagających aplikacjach przemysłowych.
Na przykład, jeżeli stanowisko robota znajduje się w pomieszczeniu z oknami, to podczerwień może nie być najlepszym wyborem, ponieważ światło słoneczne jest najsilniejsze w czerwonym końcu widma widzialnego oraz podczerwieni. Ustalenie najlepszego koloru światła (białe, niebieskie, bursztynowe, czerwone itp.) wymaga zrozumienia fizyki światła oraz zasad optyki. Czy stanowisko VGR będzie musiało np. rozróżniać bardzo podobne kolory na obrabianej części, co wymaga kolorowej kamery i oświetlenia? A może kolory różnią się na tyle, że monochromatyczna kamera z filtrem pasmowym oraz komplementarne do niej kolorowe oświetlenie byłyby tańszym rozwiązaniem, redukującym ilość przetwarzanych danych?
Poruszyć można bardzo wiele aspektów dobierania kolorowego oświetlenia, ale regułą jest, że nie należy stosować źródła światła zbliżonego do światła naturalnego w danym pomieszczeniu ani stosować światła o kolorze odwrotnym do koloru obrabianej części, ponieważ wówczas będzie ona pochłaniać to światło (chyba że bierze się pod uwagę oświetlenie od tyłu lub oświetlenie typu ciemne pole).
To nie takie proste
Pomyślna implementacja VGR wymaga starannej analizy możliwości implementacji danej technologii w konkretnej aplikacji oraz jej wymagań odnośnie parametrów robota i systemu wizyjnego, a także docelowych parametrów całej implementacji VGR w odniesieniu do jej zastosowania oraz współpracujących urządzeń produkcyjnych. Większość implementacji jest skomplikowana. Ponadto projektant systemu VGR powinien mieć doświadczenie zarówno w dziedzinie programowania robotów, jak i projektowania systemów wizyjnych. Niestety niewiele jest firm łączących takie doświadczenie. Jeżeli nie można znaleźć integratora, który mógłby poprowadzić opracowanie całego systemu, to należy koniecznie zwrócić się do integratora robotyki (albo wizji) z zapytaniem o jego partnerów.
Implementacje VGR niekoniecznie muszą być najbardziej skomplikowanymi zadaniami w dziedzinie automatyki, w ramach których przydatne okazują się techniki wizyjne. Wielu dostawców robotów oferuje opcjonalne systemy wizyjne maszyn, które są dobrze zintegrowane z systemami sterowania ich robotów. Sam system wizji nie stanowi natomiast jeszcze implementacji wizji. Zoptymalizowanie kwestii związanej z oświetleniem, kamerami oraz optyką samo z siebie może wymagać sporej wiedzy i doświadczenia w dziedzinie fizyki. Nie należy obawiać się pytania dostawców o ich dotychczasowe doświadczenia i referencje od poprzednich klientów. Ponadto takie zrzeszenia, jak AIA (Automated Imaging Association ? zrzeszenie zawodowe przemysłu wizji komputerowej Ameryki Północnej) oraz CSIA (Control Systems Integrator Association ? zrzeszenie integratorów systemów sterowania) dysponują zestawieniami firm, które przeszły kursy i posiadają certyfikację dla specjalistów ds. wizji komputerowej oraz integratorów systemów. Ich pracownicy posiadają wiedzę i odpowiednie certyfikaty w dziedzinie projektowania systemów w szerokim zakresie zastosowań oraz środowisk projektowych. Wybór właściwego dostawcy umożliwia wdrożenie implementacji VGR, przywracającej firmie przewagę konkurencyjną.
Autor: Nick Tebeau jest menedżerem ds. implementacji systemów wizji oraz rozwiązań przemysłowych w firmie Leoni.
Fot.: Leoni
