Wenn Roboter ihre Kameras selbst auswählen könnten?
Wo Roboter Augen brauchen
Kameras und Softwarealgorithmen verleihen bereits vielen industriellen Roboter-Anwendungen eine hohe Flexibilität, Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Damit die Kameras ein möglichst großes Sichtfeld haben und nah an das Werkstück herankommen, müssen sie meist an den beweglichen Teilen, wie dem Roboterarm oder der Gabel eines Staplers, angebracht werden. Allerdings entstehen dabei Hardware- und Funktionsanforderungen, die bislang nur wenige Kameras erfüllen.
Die Kamera-Integration in bewegten Teilen eines Roboters stellt komplexe Anforderungen an die Kamera-Hardware und deren Funktion. (Bild: Ximea GmbH)
Nicht nur bei autonomen Fahrzeugen, sondern auch in der Fertigung und Logistik kommen immer mehr Kameras und Bildverarbeitung als Regelungssensorik für Roboter oder vollautomatische Gabelstapler zum Einsatz, z.B. beim Bin Picking, der Montage komplexer Bauteile, der QS und beim Palettieren. Durch die visuelle Erfassung der Szenerie aus Roboter-Werkzeug und Werkstück kann der Roboter seinen Prozess optimal an die jeweilige Situation anpassen. Aufwändige mechanische Vorrichtungen für eine präzise Positionierung des Werkstücks entfallen weitgehend. Zudem sichern die Kameras bei Bedarf gleichzeitig die Qualität des Ergebnisses ab und dokumentieren diese.
Spezielle Anforderungen an Kameras
Um diese Aufgaben erfüllen zu können, müssen die Kameras meist im Bereich der Spitze des Roboterarmes angebracht werden. So erhalten sie ihr maximales Sichtfeld, sind nah dran am Geschehen und können optisch die höchste Genauigkeit bei der Positionierung von Werkzeug und Werkstück erreichen. Die Kamera-Integration in den bewegten Teilen des Roboters stellt jedoch komplexe Anforderungen an die Kamera-Hardware und deren Funktionen.
Bauform: Die Anwendungen von Robotern, deren Größe und die der Werkzeuge sind vielfältig. Für alle Szenarien ist es ausgesprochen hilfreich, wenn die Kameras und die Optiken besonders klein sind. Je nach Bedarf lassen sie sich in unterschiedliche temperaturbeständige, gekühlte, wasserresistente oder staubdichte Gehäuse integrieren. Die Miniaturisierung der Kameras ist limitiert durch die Größe der eingesetzten Sensoren, die benötigte Wärmeableitung vom Sensor zur Rauschminimierung und durch die Komplexität der Kameraelektronik zur Sensorsteuerung, Bildvorverarbeitung und -ausgabe. In jedem Fall sollten die Kameras mit nur einer Platine auskommen. Durch den Wegfall zusätzlicher Steckverbindungen, ist die Kamera robust gegen hohe Beschleunigungen und etwaige Vibrationen am Roboterarm.
Gewicht: Je geringer das (Kamera-)Gewicht, desto größer darf die Nutzlast sein und desto geringer sind die Anforderungen an den Roboter. Zudem erlaubt ein niedrigeres Gesamtgewicht schnellere Bewegungen des Roboterarms. Je leichter die Kamera ist, desto niedriger sind die Beschleunigungskräfte, die auf die mechanischen Verbindungen wirken. Auch dies erhöht die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Systems.
Rückseite einer Platinen-Kamera mit Flachstecker für die USB3.0-Schnittstelle und I/O-Kanäle (Bild: Ximea GmbH)
Aufnahmegeschwindigkeit und Auflösung: Die Geschwindigkeit der Bildaufnahme und -verarbeitung ist bei vielen Montage und Palettier-Vorgängen der limitierende Faktor. Je schneller die Kamera Bilder aufnimmt, desto schneller kann der Roboter arbeiten. Hohe Bildraten bedingen oft eine geringe Kameraauflösung. Für eine möglichst hohe optische Genauigkeit wird jedoch ebenso eine möglichst hohe Auflösung in Pixeln benötigt. Industrielle Bildsensoren erreichen heute bei Bildausgabe über eine USB3.0-Schnittstelle Bildraten von 500Bilder/sec bei 640×480 Pixeln bzw. 31Bilder/sec bei einer Auflösung von 12MP.
Schnittstelle: Jede Kamera benötigt Schnittstellen zur Stromversorgung, Datenübertragung und Konfiguration. Für den zuverlässigen Betrieb und die leichte Anbindung sollten diese Funktionen über eine standardisierte Schnittstelle erfolgen. Die am weitesten verbreitete und mit 5Gb/s und 4,5W leistungsfähigste Schnittstelle ist USB3.0, idealerweise erweitert um den internationalen Standard USB3 Vision. In industriellen Anwendungen ist zudem eine Schnittstelle zur Echtzeit-Steuerung seitens der SPS und zum synchronen Auslösen von LED-Beleuchtungen notwendig. Für ein kompaktes Design der kameraseitigen Schnittstelle sollten alle Leitungen aus der Kamera über ein einziges flaches Kabel zu einer am Roboterarm angebrachten Verarbeitungseinheit geführt werden.
Stromverbrauch: Viele Roboteranwendungen laufen rund um die Uhr und sollten aus Kostengründen möglichst wenig Strom verbrauchen. Zudem bedeutet ein geringerer Stromverbrauch einer Kamera, dass sie im Dauerbetrieb rauschärmere Bilder liefert und wenig (oder gar nicht) gekühlt werden muss. Auch das gesamte Systemdesign aus Stromversorgung, Kabellage und Verarbeitungseinheit ist günstiger, wenn die Kameras im Idealfall mit weniger als einem Watt auskommen.
Spezielle Platinenkameras
Möglichst klein, leicht, schnell, hochauflösend, stromsparend und mit einer kompakten, zuverlässigen Schnittstelle ausgestattet – solche Kameras würden Roboter wählen. Ximea hat sich auf Kameras für Vision Guided Robots spezialisiert. Die USB3.0 Kameras der xiQ- und xiC-Serien basieren auf einem flachen Ein-Platinen-Design (25,4×25,4mm). Spezielle Platinen-Kamera-Versionen der Serien führen die USB3.0-Schnittstelle sowie die I/O-Kanäle von einem flachen Stecker über ein einziges Flachbandkabel aus der Kamera. Der Objektivhalter und das Gehäuse können frei, je nach den Anforderungen der Applikation, gestaltet werden. Die Kameras sind verfügbar mit Global Shutter CMOS-Sensoren und bieten Auflösungen von bis zu 12MP und Bildraten von bis zu 500fps. Das stromsparendste Modell verbraucht nur 0.9W. Damit können Systementwickler Roboter-Anwendungen einfacher und kostengünstiger um Kameras erweitern und so deren Flexibilität, Zuverlässigkeit und Genauigkeit erhöhen.
