Auge + Gehirn

Bildverarbeitung - Robotersysteme brauchen nicht nur flexible Greifarme und Werkzeuge - sie benötigen wie wir Menschen auch eine Wahrnehmung.

25. Juli 2006

Roboter sind heute auf vielen Gebieten unentbehrliche und unermüdliche Helfer: Von der Medizintechnik über die industrielle Fertigung bis hin zu militärischen Einsätzen übernehmen sie hochpräzise, monotone oder gefährliche Aufgaben. Moderne Roboter sollen Objekte erkennen, unterscheiden und verfolgen sowie entsprechende Entscheidungen ableiten können. Bis vor wenigen Jahren waren Roboter kaum in der Lage, unregelmäßig platzierte Gegenstände von einem Fließband zu nehmen oder ein bestimmtes Objekt zwischen mehreren ähnlichen Teilen herauszugreifen. Kein Wunder - denn sie waren sprichwörtlich blind. Erst der Fortschritt in der industriellen Bildverarbeitung hat den Robotern neue Möglichkeiten und Einsatzbereiche eröffnet. Sie haben »sehen« gelernt. Roboter können heute problemlos Bauteile lokalisieren, die sich nicht exakt an einer vorgegebenen Position befinden, Hindernisse erkennen und umgehen oder Teile auf das Fehlen oder Vorhandensein bestimmter Merkmale hin untersuchen. Sie sind in der Lage, auf variable Situationen und veränderliche Randbedingungen zu reagieren und sich anzupassen. Zur Steuerung werden verschiedene Sensoren wie beispielsweise Infrarot- und Ultraschallsensoren oder taktile Komponenten eingesetzt. Doch damit die Maschinen selbstständig Entscheidungen über Arbeitsschritte und Bewegungsabläufe treffen oder interaktiv kooperieren können, brauchen sie zur Wahrnehmung noch weitere »menschliche« Fähigkeiten.

Im Roboter-Vision-System Eyes@Work von AES Motomation liefert eine USB-Kamera von IDS Imaging Development Systems einer Software die notwendigen Bildinformationen. Das Zusammenspiel von Wahrnehmung und Verarbeitung ist vergleichbar dem von Auge und Gehirn beim Menschen. Die Software ist dabei eine Eigenentwicklung von AES Motomation. Sie kommuniziert über Feldbus direkt mit der Robotiksteuerung und über Ethernet mit der Maschine.

Flexibel von A nach B

Eyes@Work liefert schnell verfügbare Informationen über Position, Winkel oder sich ändernde Randbedingungen von Bauteilen. Anhand dieser Daten kann der Ro-boterarm Fertigungsteile lageabhängig greifen, zuführen und montieren. Der Einsatzbereich reicht von der klassischen Fließbandarbeit über die Oberflächen- und Vollständigkeitskontrolle in der Qualitätssicherung bis hin zur Fehlersuche und Fehlererkennung in der Prozesskontrolle.

Konkret greifbar wird das System in einer speziellen Handlinglösung für einen Maschinenbauer, der damit Werkstücke flexibel von A nach B transportieren möchte. Die Industriekamera erfasst in diesem System Lage und Typ des Werkstücks und meldet diese Informationen an die Software. Diese wiederum wählt aus dem Werkzeugmagazin den für das Werkstück erforderlichen Greifer selbstständig aus und fährt den Roboter in Position.

So groß wie ein Golfball

Bei der Kamera handelt es sich um eine USB 2.0-Kamera der uEye-Familie von IDS. Da die Kamera direkt im Greifer des Roboters oder am so genannten »Galgen« über dem Greifer eingebaut wird, war die Größe der Kamera ein entscheidender Faktor im Pflichtenheft von AES Motomation. Das verwendete Modell 1440M ist kaum größer als ein Golfball, wiegt lediglich 62 Gramm und war daher erste Wahl. Trotz der kleinen Abmessungen von 34 x 32 x 27,4 Millimetern erfüllt die Kamera alle Anforderungen: Sie hat eine Auflösung von 1.280 x 1.024 Pixel und arbeitet mit einem hochwertigen CMOS-Sensor. Die hohe Auflösung der eingesetzten Kamera beeinflusst direkt die Präzision des Greifarms, denn bei relativ kleinen oder komplexen Teilen auf einer großen Fläche liefert nur eine hohe Pixelauflösung exakte Ergebnisse.

Zugunsten der Auflösung verzichtet die Kamera auf eine schnelle Bildwiederholungsrate. Die erreichten 17 Bilder pro Sekunde reichen für den Greifarm völlig aus. Sollten für andere Applikationen schnellere Bildwiederholungsraten benötigt werden, so bietet IDS auch Versionen mit bis zu 86 Bildern pro Sekunde im Vollbildmodus beziehungsweise über 500 Bildern pro Sekunde im Area-of-Interest-Modus oder Partial-Scan-Modus. Zusätzliche Features wie Binning, Subsampling oder Bildspiegelung in x- und y-Richtung ergänzen den Funktionsumfang. Das verwendete Modell verfügt über einen IR-Filter, der demontiert werden kann, damit die Kamera auch im IR-nahen Bereich und mit der entsprechenden Ausleuchtung arbeiten kann.

Ohne zusätzliche Hardware

AES Motomation wählte die IDS-Kamera auch wegen des USB 2.0-Anschlusses und des entsprechend bequemen Handlings. Als einer der ersten Hersteller überhaupt entwickelte und fertigte IDS Kameras mit Universal Serial Bus. Die Modelle kommen ohne zusätzliche Hardware aus und können sofort an jeden modernen Industrie-PC, Laptop oder Embedded-Rechner angeschlossen werden. Auch die Stromversorgung erfolgt über den Universal Serial Bus. Die maximale USB-Kabellänge von fünf Metern reicht bei Roboteranwendungen zumeist aus, über einen USB-Hub lässt sich die Entfernung zwischen Rechner und Kamera zudem problemlos erweitern.

Dank eines flexiblen Werkzeug-Kits für Softwareentwickler und der universellen Treiber lässt sich die uEye-Kamera problemlos in die vorliegende Anwendung integrieren. Das Software-Development-Kit (SDK) enthält auch den zugehörigen, in C/C++ geschriebenen, Source-Code. Mithilfe dieser Programmiervorlage müssen die Entwickler das Vision-System nur geringfügig anpassen. Das SDK ist über alle uEye-Kameramodelle identisch, ein künftiger Modellwechsel erfordert also keine Neuprogrammierung. Es sind nur geringfügige Anpassungen in der Applikation zur Unterstützung neuer Leistungsmerkmale notwendig.

Über das SDK hinaus sind Standardtreiber und Interfaces für viele bekannte Bildverarbeitungsbibliotheken verfügbar. Treiber für Twain, Active-X und Direct Show (WDM) setzen auf Betriebssystemstandards, Interfaces für ActivVision Tools, Halcon, Common Vision Blox oder Neuro-Check sind bei den Herstellern und bei IDS verfügbar. Auch eine Labview-Integration ist über den WDM-Treiber oder direkte Einbindung möglich.

Thomas Schmidgall , IDS

FAKTEN

- ›Eyes@Work‹ liefert schnell Informationen über Position, Winkel oder sich ändernde Randbedingungen von Bauteilen.

- Bei der Kamera handelt es sich um eine USB 2.0-Kamera der uEye-Familie von IDS. Die Kamera wird direkt im Greifer des Roboters installiert oder hängt an einem Galgen darüber.

- Die Modelle kommen ohne zusätzliche Hardware aus und können sofort an jeden IPC angeschlossen werden.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006