Zusammenspiel von 3D-Vision System, Bahnplanung und Robotergreifer

In einer leistungsfähigen Bin-Picking Roboterzelle müssen alle eingesetzten Komponenten gut auf einander abgestimmt sein:

• ein passender Roboter,
• ein auf das Bin-Picken optimierter Greifer,
• ein leistungsfähiges 3D-Vision-System und
• eine ausgereifte Software für die Roboterbahnplanung zur kollisionsfreien Teileentnahme.

Die Auswahl der geeigneten Komponenten einer Bin-Picking Roboterzelle hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von

• der Größe der aus einem Behälter zu entnehmenden Objekte,
• dem Gewicht der Bauteile,
• der Form der Objekte,
• dem Material der zu entnehmenden Teile,
• der Anzahl und dem Volumen der Kisten, aus denen die Objekte vom Roboter entnommen werden sollen,
• der erforderlichen Taktzeit und
• dem gewünschten Entleerungsgrad des Behältnisses.

Nur wenn alles optimal aufeinander abgestimmt ist, entsteht eine wirklich leistungsfähige Bin-Picking Roboterzelle.

Die in Bin-Picking Roboterzellen eingesetzten Kamerasysteme können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden:

• Stereokameras und
• Laser-Sensoren

Stereokameras basieren auf dem Prinzip der Triangulation und erzeugen ein 3D-Bild aus zwei oder mehr 2D-Bildern aus unterschiedlichen Perspektiven.
Laser-Sensoren projizieren einen Laserstrahl auf die Oberfläche der Objekte und messen die Reflexion oder die Phasenverschiebung des Lichts, um die Entfernung zu bestimmen.

Die verschiedenen Kamerasysteme und Robotertypen haben jeweils Vor- und Nachteile für das Bin-Picking.

Stereokameras haben den Vorteil, dass sie meist kostengünstiger sind als Laser-Sensoren und eine höhere Auflösung bieten.
Laser-Sensoren haben den Vorteil, dass sie schneller sind als Stereokameras und unabhängig von den Lichtverhältnissen arbeiten können.

Viele können viel – keine ist immer die richtige Lösung – der Systemintegrator kennt die Unterschiede!

Das Angebot an Bin-Picking Kameras und „kompletten“ Bin-Picking Lösungen ist vielfältig und wächst schnell. Fast jeder Anbieter von Bin-Picking Kameras oder Bin-Picking Systemen sichert vielfältigste Einsatzmöglichkeiten seines Systems zu.

Unsere Erfahrung hat gezeigt: Das „beste“ Bin-Picking System gibt es nicht!

Die vermeintlich „beste“ Bin-Picking Lösung ist leider nicht immer auch die „wirtschaftlichste“ Bin-Picking Lösung.
Einfache Bin-Picking Aufgaben mit leicht zu greifenden Objekten und geringen Taktzeiten benötigen meist keine besonders teure Bin-Picking Kameratechnik.
Und selbst eine besonders teuere Bin-Picking Lösung kann nicht immer alle Bauteile in der gewünschten Taktzeit oder mit dem Entleerungsgrad entnehmen.

Als Systemintegrator sehen wir es als unsere Aufgabe an, die für Ihre Anforderungen aktuell beste und gleichzeitig wirtschaftlichste Bin-Picking Lösung auf dem Markt zu finden und sie in Ihre Bin-Picking Roboterzelle zu integrieren!

Die in Bin-Picking Zellen eingesetzten Robotertypen können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden:

• Industrieroboter,
• kollaborative Roboter (Cobots) und
• Zweiarm-Roboter.

Industrieroboter in Bin-Bicking Roboterzellen

Industrieroboter sind leistungsstarke und präzise Roboter, die für hohe Geschwindigkeiten und schwere Lasten ausgelegt sind. Sie benötigen jedoch einen Sicherheitsbereich um sich herum, um Unfälle mit Menschen zu vermeiden. Meist kommen bei Bin-Picking Zellen mit Industrierobotern Trennende Einrichtungen wie Zäune zum Einsatz, was einen entsprechenden Platzbedarf der Bin-Picking Zelle begründet. Es können aber auch andere Sicherheitseinrichtungen zum Einsatz kommen, die bei Annäherungen an den Roboter die Geschwindigkeit des Roboters reduzieren oder ihn sogar stoppen. Diese Art der Absicherung eines Industrieroboters vor Kollisionen spart zwar Platz, kann aber schnell zu einer signifikant reduzierten Leistung einer Bin-Picking-Roboteranlage führen.

Cobots zum Bin-Picken

Cobots sind Roboter, die so konzipiert sind, dass sie mit Menschen zusammenarbeiten können, ohne dass sie einen Sicherheitsbereich benötigen. Sie sind jedoch noch weniger leistungsfähig und präzise als herkömmliche Industrieroboter und haben eine geringere Reichweite und Traglast. Die maximale Traglast von Cobots ist aktuell auf wenige Kilo begrenzt. Daher kommen Cobots momentan nur in Bin-Picking Zellen für relativ leichte Objekte und längere Taktzeiten zum Einsatz.

Bin-Picken mit Zweiarm-Robotern

Zweiarm-Roboter sind Roboter, die zwei Arme haben, die unabhängig voneinander oder synchronisiert bewegt werden können. Sie können komplexe Manipulationsaufgaben ausführen, die einen oder mehrere Greifer erfordern. Sie sind jedoch teurer und komplexer als Industrieroboter oder Cobots. Daher spielen sie im Moment bei Bin-Picking Zellen noch kaum eine Rolle.

Taktzeit und der Entleerungsgrad sind entscheidend für die Leistung einer Bin-Picking Zelle

• Die Taktzeit ist die Zeit, die der Roboter benötigt, um ein Objekt aus dem Behälter zu entnehmen, abzulegen und das nächste Bauteil zu entnehmen.
• Der Entleerungsgrad ist der Anteil der Objekte die aus dem Behälter entnommen werden können, bis das Bin-Picking System keine weiteren Bauteile erkennt die mit dem Roboter aus der Kiste entnommen werden, obwohl noch Bauteile in der Kiste liegen.

Beide Kennzahlen werden von mehreren Faktoren beeinflusst, wie zum Beispiel:

• die Objekteigenschaften: Die Form, Größe, Gewicht, Material und Oberfläche der Objekte bestimmen, wie leicht oder schwer sie zu greifen und zu handhaben sind.
  Je einfacher die Objekte sind, desto schneller ist die Taktzeit und desto höher ist der Entleerungsgrad.
• die Behältereigenschaften: Die Form, Größe, Füllstand und Anordnung der Objekte in dem Behälter bestimmen, wie gut der Roboter Zugang zu ihnen hat.
  Je besser der Zugang ist, desto schneller ist die Taktzeit und desto höher ist der Entleerungsgrad.
• Die Eigenschaften des Roboters und des Greifers: Die Reichweite, Geschwindigkeit, Präzision und Flexibilität des Roboters und des Greifers bestimmen, wie effizient sie die Objekte entnehmen und ablegen oder zuführen können

Bin-Picking stellt hohe Anforderungen an die Sensorik, die Bildverarbeitung, die Planung und die Ausführung der Roboterzelle.

Eine der Grenzen einer Bin-Picking-Roboterzelle ist die Erkennung der Objekte im Behälter.
Die Objekte können unterschiedliche Formen, Größen, Farben und Materialien haben und sich überlappen oder verdecken. Um die Objekte zu identifizieren und ihre Position und Orientierung zu bestimmen, muss der Roboter eine geeignete Sensorik verwenden, zum Beispiel Kameras, Laser oder Ultraschall. Die Sensorik muss in der Lage sein, die Objekte in verschiedenen Lichtverhältnissen und aus verschiedenen Blickwinkeln zu erfassen. Außerdem muss die Sensorik robust gegenüber Störungen wie Staub, Schmutz oder Reflexionen sein.

Eine weitere Herausforderung einer Bin-Picking-Roboterzelle ist die Bildverarbeitung.
Die Bildverarbeitung ist der Prozess, bei dem die Sensordaten analysiert und interpretiert werden, um die relevanten Informationen für das Bin-Picking zu extrahieren. Die Bildverarbeitung muss in der Lage sein, die Objekte von dem Hintergrund zu unterscheiden, ihre Form und Größe zu erkennen, ihre Lage und Ausrichtung zu berechnen und mögliche Kollisionen oder Hindernisse zu erkennen. Die Bildverarbeitung muss auch schnell und zuverlässig sein, um eine hohe Produktivität und Qualität des Bin-Pickings zu gewährleisten.

Eine dritte Herausforderung einer Bin-Picking-Roboterzelle ist die Planung.
Die Planung ist der Prozess, bei dem der Roboter entscheidet, welches Objekt er als nächstes entnehmen soll, wie er es greifen soll und wie er es an das Ziel bringen soll. Die Planung muss mehrere Faktoren berücksichtigen, wie zum Beispiel die Priorität der Objekte, die Greifbarkeit der Objekte, die Reichweite des Roboters, die Kollisionsfreiheit des Roboters und des Objekts und die Optimierung der Bewegungszeit und des Energieverbrauchs. Die Planung muss auch flexibel und einfach anpassbar sein, um auf Veränderungen in der Umgebung oder in den Anforderungen reagieren zu können.

Eine vierte Herausforderung einer Bin-Picking-Roboterzelle ist die Ausführung.
Die Ausführung ist der Prozess, bei dem der Roboter die geplante Bewegung ausführt und das Objekt greift und ablegt. Die Ausführung muss präzise und stabil sein, um das Objekt sicher zu handhaben und Beschädigungen oder Verluste zu vermeiden. Die Ausführung muss auch fehlerfrei sein, um keine falschen oder unvollständigen Aktionen auszuführen. Die Ausführung muss auch überwacht und kontrolliert werden, um mögliche Fehler oder Abweichungen zu erkennen und zu korrigieren.

Ob Taktzeit und Entleerungsgrad der Bin-Picking-Roboterzelle erreicht werden, hängt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab:

• der Anzahl der möglichen Greifpunkte an den Objekten,
• der Anfälligkeit für Kollisionen zwischen dem Greifer und den Objekten oder der Kiste,
• der Genauigkeit der Objekt- und Lagererkennung durch das 3D-Vision-System,
• der Robustheit der Software für die kollisionsfreie Teileentnahme und die Roboterbahnplanung sowie
• der Flexibilität des Gesamtsystems für unterschiedliche Teiletypen.

Um diese Faktoren zu optimieren, müssen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden, wie z.B.

• Das Greiferdesign:
  Der Greifer muss in der Lage sein, die Objekte sicher und stabil zu erfassen, ohne sie zu beschädigen oder zu verlieren. Dabei muss er auch flexibel genug sein, um verschiedene Formen, Größen und Materialien zu handhaben. Außerdem muss er die richtige Greifposition finden und die Bahnplanung so erfolgen, dass Singularitäten vermieden werden.
• Die Position des Roboters:
  Der Roboter muss so in der Bin-Picking-Zelle platziert werden, dass er einen optimalen Zugang zu dem Behälter hat, ohne dabei andere Maschinen oder Hindernisse zu berühren. Dabei muss auch die Reichweite und die Geschwindigkeit des Roboters berücksichtigt werden, um kurze Wege zu fahren und so die Taktzeit zu minimieren.
• Das 3D-Vision-System:
  Das 3D-Vision-System ist das Herzstück einer Bin-Picking-Zelle, da es die Objekte in dem Behälter erkennt, identifiziert und lokalisiert. Dabei muss es mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit arbeiten, auch bei schlechten Lichtverhältnissen oder reflektierenden Oberflächen. Außerdem muss es mit dem Roboter und dem Greifer synchronisiert sein, um die optimale Greifstrategie zu berechnen.
• Die Software:
  Die Software steuert die gesamte Bin-Picking-Zelle und ermöglicht die Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten. Dabei muss sie benutzerfreundlich und anpassbar sein, um verschiedene Anwendungen und Objekte zu unterstützen. Außerdem muss sie eine hohe Prozesssicherheit und Qualität gewährleisten, indem sie Fehler erkennt und behebt.
• Die Integration: Die richtige Integration einer Bin-Picking-Zelle in die bestehende Fertigungs- oder Logistikumgebung ist entscheidend, um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Bin-Picking-Roboteranlage zu gewährleisten. Dabei muss besonders auf die Kompatibilität der Schnittstellen, die Anforderungen an den Platzbedarf und die Sicherheitsvorschriften geachtet werden. Hierbei setzen wir in allen unseren Bin-Picking-Projekten auf die vorherige vollumfängliche Simulation der Roboterzelle. So können wir sicherstellen, dass die zugesicherten Eigenschaften der Bin-Picking-Zelle sicher erreicht werden. Neben der Simulation werden bei besonders kritischen Anwendungen  umfangreiche Versuche in unserem Haus gefahren, um die Performance des Greifers sicherzustellen.