Pick and place: Präzise auf den Punkt mit IDS-Kameras

3D-Bildverarbeitungslösung mit 2D-Kameras, KI und Robotik optimiert die Fertigungslandschaft.

Wer die Wettbewerbsfähigkeit der heimischen Produktion sichern will, muss darüber hinaus Personalengpässe überwinden. Automatisierung durch Robotik ist hierbei längst zur treibenden Kraft geworden, Künstliche Intelligenz (KI) nimmt mehr und mehr eine Schlüsselrolle ein. Diese Technologie entwickelt sich ebenso rasant, wie der Automatisierungsdruck steigt. Um Produktionsprozesse im eigenen Unternehmen mit KI abzubilden, sind eine möglichst einfache KI-Integration sowie die Verkürzung der Trainingsphasen bereits jetzt entscheidende Faktoren.

Genau hier setzt das Britische Start-up Cambrian Robotics Limited mit einer vollständig KI-basierten Lösung für diverse Robotik-Anwendungen in der Fertigung an. Es übernimmt schnelles Bin Picking oder Pick-and-place, die exakte Zuführung von Teilen für Maschinen sowie unterschiedliche Arbeitsschritte im Materialhandling – zugunsten von mehr Effizienz bei Montageaufgaben oder in der Lagerlogistik.

Das leicht integrierbare System besteht aus einem Modul für Roboterarme, einer Recheneinheit mit vorinstallierter, intelligenter Software sowie einem Kameramodul, das mit je zwei uEye+ XCP-Kameras von IDS ausgestattet ist.

Ein Roboterarm lokalisiert und greift Teile mithilfe zweier IDS-Kameras und intelligenter Cambrian-Software.

Pickpunkte in nur zwei bis fünf Minuten definieren

„Die Aufgabe der Kameras besteht darin, ein Bild des Bereichs mit den zu handhabenden Objekten aufzunehmen. Anhand der Aufnahmen kann die Software die Szene analysieren und erkennen, wo sich die Objekte genau befinden“, erklärt Miika Satori, Gründer und Geschäftsführer von Cambrian Robotics. Die Weiterverarbeitung der Bilder erfolgt mit Hilfe des Herzstücks von Cambrian Vision – einer eigens entwickelten, selbst lernenden Software zur Vorhersage der Teileposition sowie deren Pick-Punkte. Diese sorgt für den Bildabgleich auf KI-Basis, sodass keine klassische 3D-Punktewolke benötigt wird. Anhand von simulierten Daten lernt die KI selbständig und lokalisiert die Entnahmepunkte und Teile äußerst präzise. Die KI-Modelle zur Teileerkennung und Kommunikation mit dem Roboter werden von einer leistungsstarken GPU (Graphics Processing Unit) gesteuert. Und die Software lernt schnell dazu: „Mit dem Cambrian-Softwarepaket können Pickpunkte für neue Teile innerhalb von nur zwei bis fünf Minuten definiert und die Anwendung konfiguriert werden“, betont Start-up-Gründer Satori.

Das zugehörige Kameramodul ist bestückt mit je zwei platzsparenden XCP-Industriekameras. „Die beiden IDS-Kameras liefern nach dem Stereovision-Prinzip Bilder der Objektszene aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln. Die Herausforderung besteht darin, die Position des zu greifenden Teils so genau wie möglich aus diesen Bildern zu bestimmen. Dies ist wiederum die Aufgabe der KI“, so Miika Satori. Die Kombination von Bildaufnahme, KI-Modellen und spezieller Bildverarbeitung ermöglicht es, Aufnahmepunkte und Positionen besonders präzise zu bestimmen. „Standard-CAD-Anwendungen für 3D-Bin-Picking verwenden dafür häufig strukturiertes Licht oder Sensoren, die etwas auf die Umgebung projizieren, eine Punktwolke erzeugen und dann versuchen, das Teil darin zu finden. Cambrian verwendet dafür statt einer 3D-Kamera lediglich zwei handelsübliche IDS-Industriekameras.

Mit einer Genauigkeit von unter einem Millimeter ist Cambrian-Vision zudem wesentlich exakter als konkurrierende Systeme. „Das System erkennt zuverlässig eine große Bandbreite von Teilen, einschließlich glänzender, reflektierender oder transparenter Komponenten, bei denen herkömmliche Bildverarbeitungssysteme oft an Grenzen stoßen. Dabei bleibt es robust gegenüber äußeren Lichtverhältnissen“, beschreibt Miika Satori die besonderen Anforderungen an die Kameras, die elementarer Bestandteil der Lösung sind. „Außerdem ist das System superschnell, da die Inferenzgeschwindigkeit weniger als 170 Millisekunden beträgt, während sie bei vergleichbaren Lösungen oft mehr als 1.000 Millisekunden dauert.“ Die schnelle Berechnungszeit ermöglicht Zykluszeiten von zwei bis drei Sekunden in einer Bin-Picking-Einstellung. „Dies stellt eine effiziente, präzise und genaue Ausführung in einem einzigen Durchgang sicher“, unterstreicht Miika Satori. Das One-Shot-System ist damit derzeit eines der schnellsten AI-Bilderkennungssysteme auf dem Markt.

Zwei IDS-Kameras an Roboterarm liefern Bilder zur schnellen und exakten Weiterverarbeitung mittels intelligenter Software.

In nahezu jeder Lichtsituation hochwertige Bilder

Ermöglicht wird dies nicht zuletzt durch die SuperSpeed USB 5 Gbps-Kameras, die in jeder Umgebung zuverlässig hochauflösende Daten für detaillierte Bildauswertungen liefern, explizit in Anwendungen mit geringem Umgebungslicht oder wechselnden Lichtverhältnissen. Dank BSI-Pixeltechnologie („Back Side Illumination“) bietet der integrierte Sensor (1/2.5" 5,04 MPixel Rolling Shutter CMOS-Sensor onsemi AR0521) eine stabile Low-Light-Performance sowie eine hohe Empfindlichkeit im NIR (nahes Infrarot)-Bereich, sodass die uEye XCPs in nahezu jeder Lichtsituation hochwertige Bilder liefern – bei gleichzeitig geringem Pixelrauschen. Mit ihrem baukleinen, leichten Vollgehäuse (29 x 29 x 17 Millimeter, 61 Gramm) und verschraubbarem USB Micro-B Connector ist die USB3 XCP für den Einsatz in Kombination mit Robotern und Cobots im Bereich der Automatisierung besonders geeignet.

Dank USB3 und Vision Standard-Kompatibilität (U3V/GenICam) lassen sich die XCP-Kameras leicht in jedes Bildverarbeitungssystem integrieren und können grundsätzlich mit jeder geeigneten Software verwendet werden. Die einfache Integration über das Standard-Interface ist für Miika Satori besonders vorteilhaft: „Je nach Kundenanforderung verwenden wir in unserem System andere IDS-Kameras. Die standardisierte Schnittstelle ermöglicht einen schnellen Einsatz unterschiedlichster uEye-Modelle.“ Durch ihre Kompatibilität mit gängigen Objektiven eignet sich eine Vielzahl an Kameras aus dem IDS-Portfolio als Augen für kundenspezifische Cambrian Vision-Lösungen und tragen so entscheidend zur Maximierung der Produktionsleistung bei.

Die Spitzengeschwindigkeit, die besonders hohe Lichtunempfindlichkeit und die große Bauteilbandbreite, die das System dank der leistungsstarken IDS-Kameras und intelligenter Software erreicht, machen es für Automatisierungsaufgaben im Produktionsumfeld besonders interessant.

Ein weiterer Schlüssel zur Effizienz liegt in der unkomplizierten Integration von Cambrian Vision. Das intelligente 3D-Vision-System ist ohne reales Robotertraining sofort einsatzbereit – eine bemerkenswerte Beschleunigung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Unternehmen können also rasch von den Vorzügen der Automatisierung profitieren: Sie schonen Ressourcen und sparen Kosten, indem sie effizienter, wettbewerbsfähiger und nachhaltiger arbeiten, während sie gleichzeitig die Qualität ihrer Produkte und die Sicherheit ihrer Mitarbeiter verbessern.

Ausblick

„Der Einsatz von KI in der Robotik steht erst am Anfang und steckt noch in den Kinderschuhen“, konstatiert Miika Satori. Durch den wachsenden Bedarf wird die Entwicklung im Bereich Bildverarbeitung mit KI weiter vorangetrieben, Kameras mit höheren Datenraten sowie schnelleren und größeren Sensoren werden auf den Markt kommen, ebenso wie weiter preisoptimierte Modelle mit verlässlichen Basisfunktionen. „Industriekameras werden immer kleiner und erschwinglicher. Dies wird noch mehr Anwendungen ermöglichen. Unsere Vision ist es, Robotern Fähigkeiten auf dem gleichen Niveau wie Menschen zu verschaffen.“ Durch den Einsatz von KI-gestützten Robotern für alltägliche und sich wiederholende Aufgaben lassen sich menschliche Ressourcen auf kreativere, produktivere und wertvollere Aufgaben umlenken.