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In der Industrie brechen spannende Zeiten an und mit Tollenaar Industries stehen wir im Zentrum dieser Entwicklungen. Die (R)EVOLUTION der Industrie 4.0 ist im vollen Gang, angetrieben durch die steigende Nachfrage auf dem Markt, mit stetig höheren Anforderungen und immer komplexeren Aufgaben. Produkte müssen in zunehmender Variantenvielfalt, kleineren Serien und immer kürzeren Lieferzeiten gefertigt werden. Dabei muss jedoch der Qualitätsstandard gehalten werden. Der Selbstkostenpreis steht unter Druck, da der globale Wettbewerb immer heftiger wird.

Smarte Industrie

Produzenten und Zulieferfirmen setzen dabei zunehmend auf Automatisierung, Robotisierung und Digitalisierung – in den Niederlanden wird das „Smarte Industrie“ genannt. Flexible Automatisierung ist das Zauberwort um immer anspruchsvollere und unvorhersehbare Kundenbedürfnisse zu erfüllen. Dafür werden Roboter benötigt, die mehr als nur vorprogrammierte Aufgaben erfüllen können. Solche intelligenten Roboter sollten in der Lage sein, verschiedene Produkte in wechselnden Umgebungen schnell und ohne lange Umprogrammierzeiten bearbeiten zu können.

Der Heilige Gral

Entscheidend ist, dass diese Roboter nicht nur die gewünschten Bewegungen ausführen und unterschiedliche Produkte greifen können. Sie müssen neben den Produkten auch die Umgebung erfassen, um zu sehen was sie machen sollten. Neben der Bewegungssteuerung und einem Greifer benötigen die Roboter auch die Fähigkeit sehen zu können. So werden Roboter befähigt, unsortierte Produkte aus einer Kiste oder von einer Palette zu entnehmen. Dies wird Bin-Picking genannt und ist der Heilige Gral für die flexible Robotisierung.

Optisch geführte Robotik

Die Automatisierung für Bin-Picking und andere Formen der flexiblen Produktion bei denen 3D-Visualisierung zum Einsatz kommt, bezeichnen wir als optisch geführte Robotik. Aufgrund unserer Vision von der Zukunft der flexiblen Produktionsautomatisierung haben wir bei Tollenaar Industries im Jahr 2016 die neue Tochtergesellschaft Teqram gegründet. Bei Teqram werden Automatisierungsprojekte für Bin-Picking und optisch geführte Roboter durchgeführt und eigene Lösungen für ein komplettes Robotersystem inklusive Steuerung und Softwareplattform entwickelt.

Auf dieser Website möchten wir unsere Visionen von optisch geführten Robotern vorstellen und deren Bedeutung für die niederländische und auch westeuropäische Industrie unter Beweis stellen.

Robotik

Aufschwung der Robotik

Roboter von TeqramDie Robotik ist ein Phänomen, welches mittlerweile fast 100 Jahre alt ist. Sie hat durch Science-Fiction-Filme und Bücher stetig an Popularität gewonnen. In der Automobilindustrie traten die ersten Roboter in den 60er Jahren auf, in einem Jahrzehnt in dem die Menschheit mit den ersten bemannten Raumflügen begann. Mittlerweile werden Forschungsrover auf dem Mars eingesetzt, deren große Funktionalität ohne Robotertechnik undenkbar wäre.

Auch in unserem Alltag haben Roboter Einzug gehalten. Sie sorgen bereits in vielen Haushalten als automatische Staubsauger für Sauberkeit oder mähen selbstständig den Rasen im Garten.

Selbstfahrende Fahrzeuge, intelligente Prothesen und medizinische Pflegeroboter werden bereits erprobt. Wir können gespannt sein, was die Zukunft noch alles bringen wird!

Programmierbare Maschinen

Ein Roboter ist eine programmierbare Maschine, die mit Hilfe von Sensoren und Aktoren verschiedene Aufgaben ausführen kann. Die Ausführung reicht von statischen Manipulatoren (Roboterarm) über mobile Versionen auf Rädern bis hin zum humanoiden Roboter mit Armen, Beinen, Kopf und einem Gehirn für künstliche Intelligenz. Häufig sind Roboter mit einem oder mehreren Greifern ausgestattet, um Objekte bewegen zu können.

Einsatz in der Industrie

In der Industrie werden Roboter für die Automatisierung verschiedener Produktionsaufgaben eingesetzt, die bisher von Menschen ausgeführt werden mussten. Die Entscheidung, welche Aufgaben von Robotern erledigt werden sollen, kann verschiedene Gründe haben.

  • Ergonomie
    Die Aufgaben sind schmutzig und körperlich sehr anstrengend oder sogar gefährlich. Auch monotone und somit langweilige Arbeitsschritte können automatisiert werden.
  • Qualität
    Roboter haben keinen schlechten Tag. Sie arbeiten immer mit höchster Genauigkeit und garantieren einen einheitlichen Qualitätsstandard z.B. bei der Serienfertigung.
  • Wirtschaftlichkeit
    Die Automatisierung von Arbeitsschritten kann auch aus wirtschaftlichen Gründen erfolgen, wenn dafür beispielsweise hohe Lohnkosten anfallen oder Fachkräfte fehlen.

Neben dem klassischen Roboterarm, der zum Beispiel zum automatisieren Schweißen in der Autoindustrie eingesetzt wird gibt es außerdem noch den bekannten Deltaroboter, der Produkte aus den verschiedensten Industriezweigen selbstständig mit Pick & Place Operationen verpacken kann.

Entwurf

Bei der Konstruktion von Industrierobotern spielen „Freiheitsgrade“ eine wichtige Rolle. Jeder Roboter hat eine Anzahl von Freiheitsgraden. Es gibt die Freiheitsgrade durch Verschiebung (Translation) auf den drei Raumachsen sowie die Freiheitsgrade die durch die Drehung (Rotation) dieser Achsen resultieren. Die Freiheitsgrade bestimmen den Bewegungsbereich eines Punktes, an dem der Greifer des Roboterarms montiert ist.

Die Freiheitsgrade werden einzeln oder kombiniert von Aktuatoren, meist Elektromotoren, angetrieben. Die Positioniergenauigkeit, Geschwindigkeit sowie die Leistungen der Stellantriebe werden von der Robotersteuerung bestimmt.

Steuerung

Bin-PickingDie Robotersteuerung arbeitet mit einer Software, die mit Sensorinformationen gespeist wird. Diese Sensoren geben Auskunft über die Freiheitsgrade wie Position und Orientierung eines Roboterarms aber auch beispielsweise die Kraft, mit der ein Greifer zufasst. Basierend auf diesen Informationen kann die Steuerung eine Aktion beenden, woraufhin die Sensoren das Ergebnis dieser Aktion anzeigen. Die Steuerungstechnik des Roboters arbeitet mit einem Feedback. In vielen Fällen sind solche Informationen über die zu manipulierenden Objekte unverzichtbar. Denken Sie beispielsweise an unsortierte Produkte, die mittels Bin-Picking sortiert werden sollen.

Sehen

Maschinelles Sehen

Bildinformationen werden unter Verwendung einer Digitalkamera (Kamera mit Bildsensor, der aus Pixeln aufgebaut ist) aufgenommen und mit einer Bildverarbeitungssoftware analysiert. Dieses Verfahren wird auch Computer Vision genannt. Bei industriellen Anwendungen spricht man vom maschinellen Sehen.

Menschen können nur einen kleinen Teil des gesamten elektromagnetischen Spektrums wahrnehmen. Dieses sichtbare Licht ist auch für Computer völlig ausreichend, um Form und Orientierung von Objekten zu bestimmen. Andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums können natürlich auch wertvolle Informationen liefern. Denkbar wäre die Temperaturmessung mittels Infrarot.

Kamera

Kamera EasyEye von TeqramDie Optik und die Beschaffenheit des Bildsensors bestimmen die Kameraauflösung. Beim Bildsensor sind die Abmessungen und die Dichte der Pixel pro cm² entscheidende Faktoren. Bei der Optik spielen die Brennweite des Objektivs, die Einstellung der Blende sowie der Linsenabstand zum Objekt eine wichtige Rolle. Nur wenn sich dieses Objekt im Fokus des Kamerasystems befindet, kann auch eine hohe Detailtiefe erreicht werden. Mit einer einzelnen Kamera kann jedoch nur ein einziges Bild einer Ansicht ohne Informationen zur Tiefe aufgenommen werden.

3D-Vision

Um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen, werden eine oder mehrere Kameras benötigt, die zusammen ein 3D-Sichtsystem bilden.

3D-VisionSind die Abmessungen eines Objekts nicht bekannt, kann dessen genaue Position auch nicht aus den Bildern abgeleitet werden. Dafür muss zusätzlich die Entfernung zum Objekt ermittelt werden. Dies kann mit der Time-of-Flight-Methode durchgeführt werden, bei der die Zeit gemessen wird, die ein LED- oder Laserlicht nach der Reflektion vom Objekt zurück zum Sensor benötigt. Bei einer Time-of-Flight-Kamera ist diese Messmethode bereits integriert. Neben der Länge und Breite des Objekts wird auch die Tiefe (Entfernung) in einem Bild bestimmt. Dreidimensionales Sehen ist auch mittels Triangulation möglich. Dabei führt ein Laser einen Linienscan am Objekt durch, während dieses sich in Bewegung befindet.

Alternativ können sich auch Kamera und Scanner um das Objekt bewegen. Durch die Bewegung kann die Kamera die Linie aus unterschiedlichen Winkeln wahrnehmen und so die Kontur des Objekts ermitteln. Durch die Kombination mehrerer Linienscans entsteht eine Rekonstruktion des Objekts in Form einer Punktwolke.

Aufnahme

EasyFlexibleFrameworkEin Vision-System enthält zusätzlich zur Kamera einen Framegrabber, auch Bildfangschaltung genannt, mit der Bilder in einem Speicher oder Arbeitsspeicher aufgenommen und gespeichert werden können. Dies geschieht mit einer bestimmten Bildrate, der Anzahl der Bilder pro Sekunde, die normalerweise zwischen 24 und 60 liegt. Im Framegrabber findet häufig bereits eine Komprimierung in den Formaten MPEG2 oder JPEG statt. So werden nicht die Rohdaten mit den Informationen aller Pixel gespeichert sondern nur die komprimierten Bilder, bei denen nicht relevante Informationen bereits entfernt wurden.

Bildanalyse

Für die Analyse der Bilder stehen verschiedene Softwaretools zur Verfügung, die Bildverarbeitungsalgorithmen enthalten. Im ersten Schritt wird das Bild oft gefiltert, um Rauschen zu unterdrücken, den Kontrast zu schärfen oder bestimmte Lichtverhältnisse zu korrigieren. Oberflächeneigenschaften des Objekts, wie Rauheit oder Textur haben einen Einfluss auf die Reflektion des Lichts. Um bestimmte Teile eines Bildes besser zu unterscheiden, kann auch die Farbe gefiltert werden.

Dann ist es die Kunst aus den Bildmerkmalen die Eigenschaften des Objekts zu erkennen. Wichtig ist zum Beispiel die Erkennung der Kanten zur Bestimmung der Form. Es ist aber auch eine Erkennung von Mustern möglich, falls sich diese für logistische Zwecke in Form von Bar- oder QR-Codes auf dem Objekt befinden.

Schließlich kann die Bestimmung der exakten Position und Ausrichtung der Objekte auch mit Hilfe von Referenzbildern erfolgen. Ein Abgleich der Messdaten mit Referenzbildern kann ebenso zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden, wo Teile aufgrund zu großer Abweichungen aussortiert werden.

Für die Echtzeit-Bildverarbeitung sind eine hohe Rechenleistung und Speicherkapazität sowie schnelle und clevere Algorithmen nötig.

Systemintegration

Spezifikationen

Bei einem optisch geführten Robotersystem beginnt die Implementierung mit der Definition und Spezifikation der Problemstellung.

Die Schlüsselelemente der Spezifikation sind:

  • Produkteigenschaften
    wie Masse, Form, Oberflächenstruktur, Textur, Abmessungen, Toleranzen etc.
  • Konfiguration der Produktionslinie
    in die der Roboter hineinpassen muss
  • Umgebung
    verfügbarer Raum, Licht, Staubbelastung etc.
  • Verarbeitungsgeschwindigkeit
  • Fehlertoleranz und maximale Fehlerrate
Optisch geführter Roboter

Darüber hinaus kann dieser Prozess unter anderem auch Vorgaben in Bezug auf Budget, Zeitplan und interne Projektkapazitäten enthalten.

Entwurf

Basierend auf den Spezifikationen wird ein Entwurf des gesamten Systems erstellt. Der Output der Bildverarbeitung (Position und Ausrichtung eines Objekts beim Bin-Picking) wird dabei als Eingabe in die Robotersteuerung für die Lenkung der Achsen und Greifer genutzt.

Wenn es die Zuverlässigkeit, Durchlaufzeiten und Kosten zulassen, werden bereits vorhandene Roboter, Kameras, Sensoren, Steuerungs- und Verarbeitungseinheiten sowie Software integriert. Bei gut funktionierenden Systemen liegt der Schwerpunkt auf der Integration bereits bewährter Technologien. Viele Roboterlieferanten bieten Vision-Systeme an, die in Ihre bereits vorhandenen Roboter integriert werden können.

Installation

In der letzten Projektphase wird die Installation und Programmierung durchgeführt. Dabei wird das System gemäß dem Entwurf aufgebaut und auf die tatsächliche Anwendungs- und Produktionsumgebung angepasst.

Die Hardware sowie die Steuerungssoftware werden konfiguriert und bei Bedarf kalibriert. Die Bildverarbeitungssoftware ist auf die genauen Bedingungen parametriert, unter denen die Aufnahmen gemacht werden sollen. Gegebenenfalls muss das System mit bekannten, genau definierten Testsituationen geschult werden. Wenn die Ergebnisse gemäß den Spezifikationen validiert wurden, kann das System geliefert werden.

Probleme

Sicherheit

Objekte ScannenDie Sicherheit steht bei optisch gesteuerten Robotern genauso im Vordergrund wie auch bei anderen Roboteranwendungen. Traditionell befinden sich Industrieroboter hinter einem Zaun. Beim Öffnen des Zauns oder beim Auftreten anderer Störungen erfolgt automatisch die Abschaltung des Roboters.
Der Trend geht dahin, dass Industrieroboter immer mehr in der Nähe von Menschen arbeiten oder sogar mit Menschen zusammenarbeiten, zum Beispiel beim Umgang mit schweren Objekten. In diesem Fall müssen die Roboter eigensicher sein.

Die Robotersteuerung reagiert auf die Signale von mechanischen und optischen Sensoren, die eine unerwünschte Interaktion mit einer Person erkennen können. Bei optisch geführten Robotern kann das verwendete Bildverarbeitungssystem eine Rolle spielen. Es ist wahrscheinlich, dass eine weitere Kamera benötigt wird, um auch die Umgebung überwachen zu können. Bei der Einrichtung ist Personal mit Erfahrungen im Gebiet der Computervision unabdingbar.

Umgebungsbedingungen

Bei optisch geführten Robotern muss außerdem auf die Umgebung geachtet werden, in der der Roboter arbeiten muss. Große Schwankungen in der Beleuchtung, beispielsweise durch den wechselnden Einfluss von Tageslicht, können sich nachteilig auf die Zuverlässigkeit des Bildverarbeitungssystems auswirken.

Viele industrielle Umgebungen sind nur moderat beleuchtet. Aus diesem Grund sind die zu analysierenden Objekte nicht optimal ausgeleuchtet, was die Bildanalyse deutlich erschwert. Darüberhinaus kommt es in industriellen Umgebungen häufig zu Kontaminationen durch vorangegangene Verarbeitungsschritte. Bei diesen Verunreinigungen kann es sich unteranderem um Späne, Staub oder um einen Ölfilm handeln. Dies macht die Bildverarbeitung nicht leichter. Je besser die Umgebungsbedingungen unter Kontrolle stehen, desto größer ist die Chance auf eine erfolgreiche Anwendung der optischen Systeme.

Robuste Software

Die vorgenannten Probleme sind große Herausforderungen für die Zuverlässigkeit der Bildverarbeitungssoftware.

Es beginnt – neben der Wahl der passenden Hardware – mit der Auswahl des richtigen Softwarepakets, welches auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten ist. Danach muss sorgfältig die Programmierung der Vision-Applikation durchgeführt werden. Dies beinhaltet unteranderem die Bestimmung der korrekten Schwellenwerte (Discrimination Levels) zur Filterung der Bilder. So wird das Rauschen des Bildes eliminiert und die Helligkeit erhöht, ohne dass relevante Informationen verloren gehen. Außerdem müssen die Parameter der Software so eingestellt werden, dass Veränderungen in den Umgebungsbedingungen kompensiert werden können.

Investitionsniveau

IndustrieroboterNeben technischen Herausforderungen können auch andere Hindernisse eine erfolgreiche Einführung optisch gesteuerter Roboter behindern. Auf der psychologischen Ebene gibt es den Widerstand gegen Veränderungen und die Angst vor der Automatisierung des Handwerks und dem damit verbundenen Arbeitsplatzverlust.

Außerdem muss viel Zeit und Geld investiert werden, was bei einer Fortführung des normalen Betriebs mit mehr Handarbeit nicht nötig wäre. Im Falle einer Investitionsentscheidung sollte die Software nicht unterschätzt werden. Zu den anfallenden Lizenzgebühren für Standardpakete addiert sich dazu noch der Aufwand für die Programmierung und Einrichtung des gesamten Systems.

Zum Schluss

Handhabung

Optisch geführte Roboter können in der Industrie für eine große Vielzahl verschiedener Operationen eingesetzt werden. Sie eignen sich in der Metall- und Kunststoffverarbeitung für das Be- und Entladen von Werkstücken, für den Werkzeugwechsel, das Schweißen und Löten, das Biegen von Blechen usw. Wie bereits erwähnt ist Bin-Picking der Heilige Gral. Dabei werden unterschiedliche Objekte, die sich willkürlich in einem Behältnis befinden mit möglichst hoher Geschwindigkeit identifiziert, gegriffen und sortiert. Diese Anwendung stellt sehr hohe Anforderungen an das optisch geführte Robotersystem.

Vorteile

Die Vorteile dieser Technologie sind vielfältig! Sie bringt Ersparnisse, wenn die menschliche Arbeit nicht verfügbar ist, kein Qualifiziertes Personal zur Verfügung steht, sehr gefährlich oder im Vergleich zur Handarbeit sehr teuer ist. Die Flexibilität im Produktionsprozess steigt, da mehrere Produkte mit einem Roboterprogramm bearbeitet werden können. Das System kann verschiedene Produkte erkennen und mit Universalgreifern bewegen. So werden weniger Werkzeuge benötigt. Bei Bedarf können Greifer schnell ausgetauscht werden.

Flexible Automatisierung mit optisch gesteuerten Robotern erleichtert auch die Integration mehrerer Produktionsschritte auf einen Arbeitsplatz. All dies erhöht die Produktivität. Eine bessere Sicht auf die Produkte und deren Produktion bietet auch neue Möglichkeiten für die Qualitätskontrolle. Denken Sie beispielsweise an eine visuelle Eingangs- und Ausgangskontrolle. Dies verbessert natürlich die Qualität.

Zukunft

In naher Zukunft werden sich optisch geführte Roboter noch viel stärker auf die Industrie auswirken. Immer mehr Produktionsschritte werden sich bald automatisieren lassen, bei denen jedoch maschinelles Sehen unentbehrlich sein wird. Auch Innovationen im Bereich der Hardware werden zu leistungsfähigeren Systemen führen und sich so für weitere Anwendungen eignen.

MagnetgreiferDie wesentlichsten Neuerungen werden im Bereich der Software und Big Data liegen. Big Data ist die Technologie zur Verarbeitung großer Datenmengen wie Bilder. Eine Schlüsselrolle für die Zukunft spielen die Entwickler fortschrittlicher Hard- und Software und die Systemintegratoren, die Plugins, Programme und Lösungen intelligent entwickeln möchten.

Kurz gesagt, die Zukunft für optisch geführte Robotik sieht rosig aus. Dies gilt auch für Unternehmen, die mit dieser Technologie arbeiten.