Gezielter Griff in die Wolke

Definiertes Picking von definierten Teilen aus Mischkisten ist ein altes Problem. Nunmehr lässt sich auch diese Hürde zielgenau überwinden. Von Isra Vision kommt ein Scan-Sensor, der sekundenschnell den Inhalt einer Kiste erfasst.

Hochkomplexe Aufgabenstellungen in der Fertigung waren schon immer eine Herausforderung. Mit dem neuen Sensor 3D-ShapeScan stellt der Robot Vision Hersteller Isra Vision nun eine flexible und kostengünstige Lösung für den so genannten Griff in die Kiste vor. Unsortierte Teile lassen sich direkt mit dem Roboter aus dem Transportbehälter entnehmen und direkt – ohne aufwändige mechanische Konstruktionen – dem Fertigungsprozess zuführen.

In der Montagetechnik ist es immer wieder erforderlich, aus Transportverpackungen, zum Beispiel Gitterboxen oder Kragenpaletten, kontinuierlich Teile zu entnehmen und diese einer Montage- beziehungsweise Bearbeitungsanlage zuzuführen. Bisher behelfen sich Fertigungsbetriebe mit einer geordneten Anlieferung, die aber mit erheblichem logistischem Mehraufwand verbunden ist. Denn normal ist, dass die Teile zwar sortenrein geliefert werden, aber eben nicht sortiert. Eine weitere Alternative beinhaltet die manuelle Entnahme durch die Werker.

Zumeist wird bisher aber in Mechanik investiert: Rüttelförderer können kleine Werkstücke sortieren. Mechanische Sortierer übernehmen die Zuführung mit aufwändigen Prozeduren. Die mechanischen Lösungen sind aber meist sehr kostenintensiv, inflexibel sowie verschleiß- und verschmutzungsanfällig. Außerdem entsteht viel Lärm zum Beispiel durch das Auskippen der Kisten. Der direkte Griff in die Kiste, auch als Bin Picking oder Random Bin Picking bezeichnet, bietet im Vergleich zur mechanischen Vereinzelung die Vorteile der Platzeinsparung und Kostenreduktion durch den deutlich geringeren Bedarf an mechanischen Komponenten.

Forscher nehmen sich dieser Problematik bereits seit Mitte der 1980er Jahre an. Mehr als Lösungsansätze sind bisher aber noch nicht entwickelt worden. Die roboterbasierte Vereinzelung chaotisch bereitgestellter komplexer Objekte scheiterte bisher immer an der Bildverarbeitung. Es reicht in der Praxis nicht aus, dass der Roboter immer die gleiche Bewegung ausführt, sondern er muss auf andere Objektlagen flexibel reagieren können. Bisherige Lösungen mit 2D-Kamerasystemen bieten dabei nur begrenzte Möglichkeiten. Sie scheitern oft an schwierigen Kontrastverhältnissen und können nicht in die Tiefe sehen. Helle Teile von hellem Hintergrund können sie nicht unterscheiden. Diese Systeme haben sich daher im Markt nicht durchgesetzt.

Als Weltneuheit präsentiert Isra Vision den Sensor 3D-ShapeScan, mit dem der automatisierte Griff in die Kiste gelöst wird. Dieser Sensor ermöglicht mit zwei Standard-Kameras und einer speziellen Laserbeleuchtung die genaue Bestimmung der Lage der einzelnen Teile in der Kiste. Der Sensor wird stationär über der Kiste befestigt und hat standardmäßig Kisten bis etwas mehr als die Größe einer Europalette komplett im Blick. Eine aufwändige Kinematik zum Verfahren des Sensors ist nicht notwendig.

Trotzdem arbeitet das System schnell: Für die Abtastung einer typischen Gitterbox (1.200 mal 1.000 mal 800 Millimeter) über das komplette Volumen beträgt die Scanzeit weniger als zwei Sekunden. ShapeScan liefert dabei eine Genauigkeit von wenigen Millimetern. Wenn andere Kistengrößen zum Einsatz kommen, kann der Abstand zwischen den beiden Kameraeinheiten des Sensors flexibel angepasst werden. Auch lässt sich der Sensor mobil am Roboter befestigen. In diesem Fall sieht der Roboter nicht mehr die gesamte Kiste auf einmal, sondern nur noch Einzelausschnitte. Aus mehreren Ausschnitten kann der Sensor aber ein genaues Gesamtbild zusammenfügen. Darüber hinaus gibt es eine Sensorvariante mit vier Kameras, die für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Geschwindigkeit ausgelegt ist.

Neu: 3D-Shape Sampling
Die besondere Intelligenz der Isra Sensorlösung steckt in der Software: Die 3D-Kameras scannen die Kisten, und es entsteht eine so genannte 3D-Punkte-Wolke, welche die zu erfassenden Objekte in der Transportverpackung repräsentiert. Mit der neu entwickelten Auswertemethode des 3D-Shape-Sampling werden nun zuerst geometrische Primitive in der Punktewolke bestimmt. Die Software setzt dann komplexere Objekte aus diesen Primitiven zusammen. So können ohne Vorkenntnisse unterschiedlich geformte Objektteile sicher identifiziert werden. Eine robuste Erkennung der Teilegeometrie auch unsortierter Objekte wird sichergestellt.

Zur Bestimmung der Lage der Objektteile in der Tiefe dient die Laserlinienprojektion. Sie ermöglicht dem Sensor das Sehen in der dritten Dimension. Da gleichzeitig mehrere parallele Linien ausgewertet werden, arbeitet der Sensor deutlich schneller. Der „Tiefenblick“ ermöglicht dem Roboter die Leerung des kompletten Transportbehälters auch ohne Zwischenlagen. Der Zugriff bleibt nicht mehr nur auf eine bestimmte Ebene begrenzt. Außerdem ist dieses Verfahren unempfindlich gegenüber Verschmutzungen.

Mit dem Sensor 3D-ShapeScan präsentiert Isra Vision eine einfach handhabbare und hochflexible Lösung für den automatisierten Griff in die Kiste nach einfachen bis hochkomplexen Teilen auch in rauer Produktionsumgebung und bei hohen Prozessgeschwindigkeiten. Produktions- und Montagebetriebe sparen mit der Sensorlösung erheblich Kosten, wertvolle Fertigungszeit und erhöhen die Flexibilität der Fertigung signifikant – und dies bei nur geringsten Lärmemissionen, einfacher Installation und nahezu ohne zusätzlichen Platzbedarf. Die Ergebnisse langjähriger Forschung des Hauses lassen sich unmittelbar für den industriellen Fortschritt nutzen. Fertigung und Montage profitieren von der diesen Robot Vision Systemen.