Aktuální vydání

celé číslo

06

2018

Systémy strojového vidění

Výrobní a montážní linky

celé číslo

Pracoviště pro testování úloh bin picking na Technické univerzitě v Liberci

V současné době je propojení robotů s pokročilou senzorikou zřejmým aplikačním prostředkem k reali­zaci záměrů konceptu Industry 4.0. Úloha identifikace volně ložených objektů v prostoru, jejich následného uchopení a manipulace pomocí robotu představuje jednu z klasických úloh moderní automatizace. Úloha spojovaná s vybíráním beden s volně loženými nebo jen částečně uspořádanými výrobky je pak nazývána bin picking

Řešení je již několik let četně nabízeno mnoha výrobci, na odborných veletrzích se lze setkat s mnoha ukázkami, a je tak navozen dojem, že problém je již vyřešen. Využití úloh bin picking ovšem není v průmyslové praxi zatím příliš rozšířeno. Ukazuje se totiž, že je třeba překonat a vyřešit několik dalších problémů. Vedle technických je to i vysoká cena a s tím spojená dlouhá návratnost.

Na Technické univerzitě v Liberci (TUL) vzniklo pracoviště pro testování úloh bin picking. Kromě dodavatelského řešení jsou zde zkoumány i alternativní možnosti. Oba přístupy mají své specifické výhody a nevýhody. 

Bin picking

Problematika vybírání beden je studována již více než 25 let. Jde o úlohu, která pro své fungování vyžaduje několik správně zvolených a nastavených (naprogramovaných) zařízení, která spolu musí bez problémů komunikovat. Jde o:

  • robot,
  • kamerový systém (popř. další senzory) s řídicí jednotkou (většinou na bázi PC),
  • efektor (chapadlo),
  • periferní zařízení,
  • systém osvětlení,
  • bezpečnostní prvky,
  • komunikační rozhraní.

Je zřejmé, že problematika bin picking nemůže být redukována jen na propojení kamerového systému s robotem. Velmi důležitý je také efektor, který musí být vybaven kompenzátorem odchylek vypočtených a skutečných souřadnic manipulovaného objektu. Pro úlohy bin picking se obvykle používají dvoučelisťová mechanická chapadla z nabídky renomovaných firem. Často se však jako vhodnější ukazuje použití chapadel navržených specificky pro daný uchopovaný objekt. Běžným koncepčním uspořádáním efektoru je jeho vyosení z osy příruby robotu. Toto uspořádání zejména zajišťuje bezkolizní provoz efektoru a orientačního ústrojí robotu uvnitř, popř. v blízkosti bedny. Za běžných okolností je žádoucí, aby vzdálenost mezi těžištěm uchopeného objektu a přírubou robotu byla minimální. U efektorů pro bin picking je požadavek bezkolizního dosahu efektoru mnohdy řešen záměrným prodloužením úchopných prvků. Větší dynamické zatížení je eliminováno snížením provozní rychlosti během manipulační úlohy.

Pro úlohy bin picking se většinou používají angulární roboty. V případě úloh vyžadujících spolupráci s člověkem jsou v současné době voleny kooperující roboty, které jsou relativně bezpečné a nevyžadují uzavření robotu do zabezpečených prostor. Tento typ robotu je zvláště vhodný při požadavku na ruční zakládání dílů. Robot pro bin picking musí mít vedle potřebného manipulačního prostoru a nosnosti (včetně hmotnosti efektoru) také vhodné komunikační rozhraní a řídicí systém umožňující komunikaci s dalšími zařízeními.

Kamerové systémy jsou v současné době značně frekventovanou problematikou a výrobci do vývoje v této oblasti hodně investují. Tato problematika je na TUL středem zájmu několika výzkumných týmů. 

Specializované pracoviště

Z analýzy současného stavu v průmyslové praxi je patrné, že vývoj úloh bin picking dospěl do stadia, kdy začíná jejich širší (nikoliv zatím masové) rozšíření v praxi. V ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci vzniklo pracoviště zaměřené na testování právě těchto úloh.

Pracoviště v současné době využívá angulární robot Kuka KR16, který však může být podle potřeby nahrazen jiným, průmyslovým robotem, popř. kooperativním robotem. Pro zvolený průmyslový robot je k dispozici sada efektorů pro uchopování, systém průmyslových kamer (Sick Ruler, Basler, Sick PicoCam a je plánován nákup dalších 3D kamer), systém pro fixaci kamer a dalších senzorů, periferie pro odkládání, komunikační rozhraní komponent praco­viště, elektroinstalace atd. Reálné pracoviš­tě je na obr. 1.

Obr. 1. Pohled na reálné experimentální pracoviště

Na uvedeném pracovišti jsou testována dodavatelská řešení, jako je např. Sick Ruler s 3D systémem Sick PLB-500. Jde o řešení, která jsou flexibilní, snadno programovatelná nebo parametrizovatelná a nevyžadují hluboké znalosti o způsobu získávání informací o uchopovaném objektu. Takováto řešení nabízí několik firem a jsou nákladnější na pořízení.

Testované řešení s kamerou Sick Ruler se ukázalo jako velmi pružné a připravené k průmyslovému použití. Jsou spolehlivě řešeny jeho kolizní stavy a systém dokáže bez problémů najít objekt pro uchopení. Implementací 3D kamery Sick Ruler a softwaru PLB Studio se podařilo na demonstrátoru dosáhnout takřka 100% spolehlivosti odebrání objektů ze sloupců, a to i v případech uměle navozené extrémní změny orientace objektu. Příprava zařízení pro detekování jedné třídy objektů je otázkou několika hodin. Komplikovanější je zajištění komunikace s robotem a s externími systémy. To je i časově náročnější a je zapotřebí zapojit odborný tým na několik dní. Jako rozhodující se tak objevuje problém vzájemné komunikace jednotlivých systémů celého zařízení.

Na pracovišti jsou také testována alternativní řešení pro získání informací o objektu manipulace, která jsou připravena pro danou třídu uchopovaných objektů. Alternativními řešeními jsou myšleny systémy, které nejsou dodávány jako celek a je nutné je konstruovat a následně programovat. Tato řešení jsou hardwarově levnější, ale méně flexibilní a vyžadují vývoj potřebného softwaru. Tento směr je však pro praxi rovněž zajímavý, protože systém většinou řeší pouze jednu třídu problémů, nebo je dokonce navržen pro odebírání jediného typu výrobku po celou dobu životnosti zařízení. Finanční úspory při opakovaném použití jednou vyvinutého řešení pro danou třídu úloh jsou pak velmi zajímavé.

Obr. 2. Softwarové prostředí PLB Studio 4.0: získaný 3D obraz (mračno bodů v prostoru) a vyhodnocená odebírací pozice uvnitř omezené přepravky


Na pracovišti jsou testovány především přístupy na principu multisenzorového snímání (senzorové fúze). Toto řešení je založeno na propojení senzorů různých typů. Předpokladem je použití běžných, relativně levných senzorů. Samostatně tyto senzory poskytují pro úlohu bin picking nedostatečné množství dat, ale vhodně společně opatřená data umožňují získat potřebné informace pro identifikaci a následné uchopení objektu. Tento přístup vede k levnějším řešením, ale často při omezení k použití v jedné třídě úloh. Navržené řešení je tak vhodné jen pro jeden zadaný díl nebo jemu příbuzné objekty.

Pracoviště se dále zaměřuje na již zmíněné propojení jednotlivých částí systému pro bin picking. Zajištění vzájemné komunikace se při současných možnostech jednotlivých komponent systému jeví jako komplikované: propojení je možné, ale časově náročné.

Obr. 3. Ukázka vyvíjených efektorů, řez multipřísavkovým (A) a magnetickým (B) chapadlem, model mechanického chapadla (C)


Kompletně je na pracovišti rozvíjena problematika chapadel (efektorů), a to specia­lizovaných jak na daný objekt, tak s jistou mírou univerzálnosti pro danou třídu objektů. Častým uspořádáním je chapadlo s kombinací úchopných principů (mechanicky – magneticky, mechanicky – podtlakově, podtlakově – magneticky), což slouží k optimalizaci úchopného cyklu a snadnějšímu řešení nestandardních situací při odnímání součástí ze shluků a z míst u stěn a v rozích bedny. Na pracovišti byly v poslední době vyvíjeny tři robustní typy efektorů. V prvním případě šlo o multipřísavkovou hlavici, druhá alternativa byla tvořena magnetickou hlavicí a třetí alternativou byla mechanická hlavice (obr. 3). 

Současné úlohy pro bin picking

Na základě provedených experimentů na uvedeném pracovišti a výsledků analýzy současného stavu je možné identifikovat několik problémů, které je nutné v dohledné době řešit a při zpracovávání návrhu systému s nimi počítat.

Identifikace objektů

Identifikace objektů je zvládnuta pro mnoho typových představitelů, ale systémy mají své limity. Především jde o velikost objektu, kdy je pro standardní palety (bedny) větších rozměrů obtížné spolehlivě identifikovat menší objekty, např. pro používanou paletu 1 200 × 800 × 500 mm se snižuje spolehlivost identifikace objektů pod 80 mm. Jde o problém rozlišení – u menší bedny je možné identifikovat objekty také menších rozměrů.

 Pracovní podmínky

Velmi důležité je u všech řešení zajistit vhodné pracovní podmínky, především světelné. Vliv externího světla, jako je např. denní světlo, může být významný a často může znehodnotit správnou detekci objektu a tím snížit spolehlivost celého systému pro bin picking.

Tvar a povrch objektu

Dalším problémem je tvar a zejména povrch objektu. Mnohem lépe jsou detekovatelné složité díly s nelesklým povrchem než díly lesklé a jednoduché. Proto i dodavatelsky pořízená řešení vyžadují stanovení okrajových podmínek pro reálné průmyslové využití a nelze je automaticky považovat za univerzální řešení pro jakékoliv odebírané díly. Problémem jsou především chybějící zkušenosti z reálných projektů. Dodavatelská řešení jsou mylně prezentována jako univerzální a flexibilní a zároveň jsou označována jako jednoduchá pro bezprostřední a rychlé uvedení do provozu.

Komunikace

Nejdůležitějším problémem využití řešení podle konceptu průmyslu 4.0 je zvládnutí komunikace mezi systémem pro detekci objektů a robotem a dále s ostatními systémy předcházejícími nebo navazujícími na zařízení bin picking. Současný stav neumožňuje zapojení plug and produce (připoj a vyráběj), což se ukazuje jako podmínka pro masové využití zařízení pro bin picking. Je to velmi komplikovaný problém, který vyžaduje nejen technické řešení, ale také široký konsenzus mezi výrobci senzorů, robotů, řídicích jednotek, PLC, pohonů a obecně dodavatelů komponent průmyslového internetu věcí.

Náklady

Hlavní překážkou širokého využití v praxi je cena řešení. Vysoká investice spolu s dalšími souvisejícími náklady má podle běžných výpočtů příliš dlouhou návratnost (a to nejen v podmínkách střední a východní Evropy). V současné době při nedostatku zaměstnanců by však tento výpočet návratnosti neměl být brán jako jediný: je třeba také zohlednit očekávaný růst mezd, možnost využít pracovní síly na jiné pozici přinášející vyšší přidanou hodnotu atd.

O úspěšnosti dodaného systému tak rozhoduje mnoho proměnných, které se často projeví až při instalaci zařízení s nutností je specializovaným týmem flexibilně řešit. 

Závěr

Úlohy bin picking mají vysoký poten­ciál úspory pracovních sil. V současné době mnoho renomovaných dodavatelů nabízí hotová řešení. Ta však narážejí na několik problémů, které je třeba řešit. Proto na Technické univerzitě v Liberci vzniklo specializované pracoviště pro testování úloh bin picking. Na tomto pracovišti jsou testována dodavatelská řešení, alternativní řešení a též je získáváno potřebné realizační know-how. 

Ing. Vlastimil Hotař, Ph.D.,

doc. Ing. František Novotný, CSc.,

Oddělení mechatronických systémů,

Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CxI),

Technická univerzita v Liberci

(vlastimil.hotar@tul.cz)