Wie Roboter mit Kameras Sehen lernen

Bildverarbeitungssysteme ermöglichen Robotern mithilfe von Kameras das Sehen. Dadurch verleihen sie diesen eine wahre Superkraft, die industrielle Qualitätsstandards auf ein neues Level hebt. Noch vor einigen Jahren waren sogenannte Vision-Systeme kostenintensiv und nur von Fachleuten programmierbar. Das hat sich geändert.

Heute ist das PC-gestützte Auge erschwinglich und einfach zu implementieren. Die Fertigung profitiert schnell davon.

Der VDMA hat in seinem Branchenführer zur Industriellen Bildverarbeitung 10 Gründe für deren Einsatz identifiziert:

1. Ein sehender Roboter bietet Produktionen hohes Einsparpotential.
2. Ein Vision-System erfüllt höchste Qualitätsansprüche – 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche.
3. Ein Bildverarbeitungssystem erhöht die Sicherheit.
4. Der Sehsinn unterstützt eine nachhaltige Fertigung.
5. Die künstliche Seh-Fähigkeit stabilisiert und optimiert Prozesse.
6. Moderne Bildverarbeitung ist flexibel und kann auch mit der Losgröße 1 umgehen.
7. Ein sehender Roboter kann einfach und schnell programmiert werden.
8. Der Sehsinn hilft Menschen bei ihrer Arbeit.
9. Durch Bildverarbeitung sind Unternehmen produktiver und damit wettbewerbsfähiger.
10. Ein sehender Cobot fördert ergonomische Arbeitsplätze.

Während die Vorteile eindeutig belegt sind, stellen sich potentielle Anwender doch immer wieder die Frage, wie ein Bildverarbeitungssystem eigentlich funktioniert.

Ein Vision-System ist in der Regel PC-basiert. Es nimmt Bilder über eine oder mehrere Kameras auf und digitalisiert die Daten. Dann sucht es nach zuvor festgelegten Merkmalen, z.B. ob an bestimmten Stellen des Werkstücks Schrauben eingedreht sind. Anschließend interpretiert das System die Ergebnisse und reagiert mit einer wiederum im Vorfeld programmierten Regelung – beispielsweise mit der Weitergabe des Produkts an den nächsten Arbeitsschritt oder, bei einem Fehler, mit dem Aussortieren des Teils.

Eine wichtige Voraussetzung für die Funktionstüchtigkeit eines solchen Systems ist die richtige Beleuchtung. Diese sorgt dafür, dass das Kamerasystem die wesentlichen Merkmale korrekt erfassen kann.

Bei Bildverarbeitungssystemen wird in Systeme mit Aufnahmen in 2D und solchen in 3D unterschieden.

2D Systeme kommen etwa bei Anwendungen zum Einsatz wie

• Anwesenheitskontrolle
• Analyse einzelner Objekte oder Geometrien
• Ausrichtung von Mustern oder der
• Erkennung von Barcodes

Sie erfassen Objekte auf Grundlage von Konturen. So kann der sehende Cobot die Lage, Größe oder Ausrichtung eines Teils erkennen.

Beim Automobilzulieferer Lear Corporation unterstützen kollaborierende Roboter mit Seh-Sinn einen Schraubprozess bei der Just-in-Time-Montage von Autositzen. Ausgestattet mit einem 2D Bildverarbeitungssystem sichert der Cobot höchste Qualitätsansprüche.

Der Roboter ist für die Platzierung eines Schraubbits am Schraubenkopf und das anschließende Verschrauben zuständig. Um dazu in der Lage zu sein, muss er den anzufertigenden Autositz genau unter die Lupe nehmen können. Dieser kann nämlich aufgrund vorheriger manueller Arbeitsschritte in leicht unterschiedlichen Positionen bei ihm ankommen. Unser Cobot muss die entsprechende Stelle in einem Raster von 50 x 50 mm erkennen können. Anhand einer 2D-Vermessung mit einer Kamera wird er exakt so positioniert, dass er die Schraube richtig setzen kann.

Vor der Integration des Roboters in die laufende Produktion wurden die Schnittstellen mit dem Roboter sowie die Lichtverhältnisse getestet, um die optimalen Kameraeinstellungen zu eruieren.

Da die Verschraubungen digital überwacht werden und der Roboter über das Bildverarbeitungssystem Fehler sofort erkennt, sorgt die Automatisierung dieser Schlüsselstelle für eine erhöhte Prozesssicherheit. Fehlen beispielsweise Schrauben an einem Sitz, selektiert der Roboter dieses Produkt aus und gibt über ein Warnsignal eine Fehlermeldung ab.

Mithilfe eines Bildverarbeitungssystems, das mit 3D-Sensoren ausgestattet ist, ist ein Cobot sogar in der Lage dreidimensional zu sehen. So kann er komplexere Teile erfassen sowie viele Störungen erkennen, die eine 2D Bildverarbeitung aufgrund fehlender Informationen „übersieht“.

Einsatzmöglichkeiten sind zum Beispiel

• Oberflächenprüfung
• Volumenmessungen
• Vollständigkeitskontrolle von 3D-Objekten

Eine Herausforderung für Industrieroboter ist der berühmte Griff in die Kiste. Roboter sind Experten bei sich wiederholenden Tätigkeiten. Bei chaotisch bereitgestellten Objekten in Behältern geraten sie an ihre Grenzen. Lösungsansätze sind etwa Rüttelförderer für kleine Werkstücke oder eine Entnahme durch den Menschen.

Die bisher vielversprechendste Lösung ist allerdings die Implementierung eines 3D Bildverarbeitungssystems. Durch das räumliche Sehen kann der Roboter auch ungeordnete Teile identifizieren.

An der kontinuierlichen Optimierung dieser Lösung wird vehement gearbeitet, etwa mit der Weiterentwicklung der 3D-Sensoren. Es wird Unternehmen dabei helfen, noch flexibler zu arbeiten. Denn Arbeitsschritte, wie das laute Ausschütten der Kiste und die Vereinzelung der Objekte entfällt. Das spart Zeit und Kosten.

Der Wettbewerb im produzierenden Gewerbe wird in den nächsten Jahren weiter zunehmen. Gesellschaftliche Entwicklungen, wie etwa der Fachkräftemangel, machen es zudem notwendig, dass Unternehmen ihre Produktionen weiter optimieren. Die Ausstattung eines Cobots mit einem Super-Sehsinn, der niemals müde wird und nichts übersieht, ist daher eine sinnvolle und in vielen Fällen notwendige Ergänzung. Durch eine zerstörungsfreie Prüfung und 3D-Messungen kann so die Qualität der Produkte gewährleistet werden und fehlerhafte Ware rechtzeitig lokalisiert werden.