視覚誘導ロボットシステム

視覚誘導ロボット（VGR）システムは、基本的に、ロボットコントローラに二次フィードバック信号を提供し、可変の目標位置へより正確に移動するためのセンサーとして使用される1台以上のカメラが取り付けられたロボットです。VGRは、材料処理、自動組み立て、農業用途、[1]ライフサイエンスなど、ロボットセルの設計とセットアップにこれまで関連していた固定ツールのコストと複雑さを大幅に削減しながら、ロボットの適応性を高め、より簡単に実装できるようにすることで、生産プロセスを急速に変革しています。^{[2 ]}

工業製造業で使用される VGR の古典的だが時代遅れの例では、ビジョン システム (カメラとソフトウェア) がリサイクル コンベヤーにランダムに供給される製品の位置を決定します。ビジョン システムは、カメラの視野の下にランダムに分散しているコンポーネントの正確な位置座標をロボットに提供し、ロボットアームが取り付けられたエンド エフェクタ (グリッパ) をコンベヤー ベルトから選択する選択されたコンポーネントに配置できるようにします。コンベヤーは、部品の位置を決定できるようにカメラの下で停止する場合があります。または、サイクル タイムが十分であれば、通常はエンコーダーをコンベヤーに取り付け、このフィードバック信号を使用してビジョンとモーション制御ループを更新および同期することにより、ビジョン ソフトウェアを介して移動中のコンポーネントを追跡する制御スキームを使用して、コンベヤーを停止せずにコンポーネントを選択することもできます。

このような機能は現在、視覚誘導ロボット（VGR）の分野では一般的です。これは急速に成長し、急速に進化している技術であり、製造間接費が高く熟練労働コストが高い国では、手作業による介入を減らし、安全性を高め、品質を高め、生産性を上げるなど、さまざまな利点があり、経済的に有利であることが証明されています。^[3]

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視覚誘導ロボットシステムの拡大は、マシンビジョン市場におけるより広範な成長の一環であり、2028年までに177億2000万ドルに成長すると予想されています。この成長は、自動化と精度に対する需要の増加と、業界全体にわたるスマートテクノロジーの幅広い採用に起因しています。

ビジョン システムは、カメラとマイクロプロセッサまたはコンピュータ、および関連ソフトウェアで構成されます。これは非常に広い定義であり、さまざまなタスクを解決することを目的としたさまざまなタイプのシステムをカバーするために使用できます。ビジョン システムは、事実上あらゆる業界であらゆる目的で実装できます。寸法、角度、色、表面構造をチェックする品質管理に使用したり、 VGR システムで使用されるオブジェクトの認識に使用したりできます。

カメラには、統合ビジョン プロセッサを備えた標準的なコンパクト カメラ システムから、より複雑なレーザー センサーや高解像度の高速カメラまで、さまざまなものがあります。複数のカメラを組み合わせてオブジェクトの 3D 画像を作成することもできます。

統合ビジョン システムでは、カメラをシステムの設定要件に合わせることが常に困難ですが、ほとんどの場合、これはインテグレーターまたは機械メーカー側の知識不足が原因です。多くのビジョン システムは、ユーザーがシステム パラメータの設定方法を正確に理解している限り、事実上あらゆる生産活動にうまく適用できます。ただし、この設定にはインテグレーターの膨大な知識が必要であり、可能性の多さによってソリューションが複雑になることがあります。産業環境における照明は、多くのビジョン システムのもう 1 つの大きな欠点です。

3D ビジョン テクノロジーの利点は、照明条件に依存しないことです。正確なイメージングのために特定の照明に依存する 2D システムとは異なり、3D ビジョン システムはさまざまな照明シナリオで確実に機能します。これは、3D イメージングでは通常、2D システムよりもコントラストや影の影響を受けにくい空間情報をキャプチャするためです。

近年、これらの 3D システムのプログラミングと統合を簡素化し、産業界にとってより利用しやすいものにするソフトウェアを提供するスタートアップ企業が登場し始めています。3D ビジョン テクノロジーを活用することで、ロボットは動的な照明や制御されていない照明のある環境でも移動してタスクを実行できるようになり、現実世界での用途が大幅に拡大します。

通常、ビジョン ガイダンス システムは、固定カメラ マウントとロボット アームに取り付けられたカメラの 2 つのカテゴリに分類されます。固定カメラは通常、ガントリーまたは他の構造物に取り付けられ、ロボット セル領域全体を観察できます。このアプローチの利点は、固定位置がわかるため、セル内のすべてのアクティビティの安定した参照ポイントを提供できることです。欠点は、インフラストラクチャ コストが追加されることと、ロボット アームの位置によって視界が遮られる場合があることです。また、作業領域全体を画像でカバーする必要があるため、通常は大きな画像ファイル (5 Mpixel 以上) が必要になります。

これらは 2D カメラでも 3D カメラでもかまいませんが、ほとんどの設置 (2019 年) では、Keyence、Basler、Sick、Datalogic、COGNEX などの企業が提供するマシン ビジョン 2D カメラが使用されています。Leopard Imaging、Pickit3D、Zivid、Photoneo などの新興企業は、固定式 3D カメラを提供しています。COGNEX は最近、EnShape を買収し、3D 機能をラインナップに追加しました。3D 固定マウント カメラは、処理にかなりのコンピューティング リソースを必要とする大きな画像ファイルとポイント クラウドを作成します。

ロボット アームに搭載されたカメラには、いくつかの利点と欠点があります。一部の 3D カメラは、ロボットに搭載するには大きすぎるため実用的ではありませんが、Pickit 3D の Xbox カメラや Robotiq のリスト カメラなどの 2D カメラは、コンパクトで軽量であるため、ロボットの作業積載量に大きな影響を与えません。アームに搭載されたカメラは視野が狭く、作業セル全体の一部のみを一度に調査するため、VGA などの低解像度でも正常に動作します。これにより、画像処理時間が短縮されます。

しかし、アームに取り付けられたカメラは、2D であれ 3D であれ、常に動いていてロボット アームの位置を把握できないため、XYZ 方向の方向感覚が失われることがよくあります。一般的な回避策は、各ロボット サイクルを中断して、カメラが別の画像を撮影し、方向感覚を取り戻すまで待つことです。これは、2D であれ 3D であれ、アームに取り付けられたカメラのパフォーマンスに関する公開されているほぼすべてのビデオで確認でき、サイクル時間が通常よりも 2 倍も長くなる可能性があります。

Pickit 3D の Xbox カメラは、一部のアプリケーションでは腕に取り付けられています。ビンピッキングなどのより複雑な 3D タスクを実行できますが、前述の停止して写真を撮るという再方向付けが必要です。3D 認識ではその問題は解決されません。

Visual Robotics は、このサイクル中断を「Vision-in-Motion」機能で解消できると主張しています。同社のシステムは、2D イメージャーと内部写真測量法、およびソフトウェアを組み合わせて、画像ファイルが小さいため 3D タスクを高速で実行します。同社は、カメラが停止して方向転換することなく 3D 空間での位置を把握し、サイクル時間を大幅に短縮する技術に関する特許を申請中であると主張しています。他の 3D アプローチよりもはるかに高速ですが、真のステレオ カメラが実行できるより複雑な 3D タスクを処理できる可能性は低いです。一方、多くの 3D アプリケーションでは、この技術で簡単にサポートできる比較的単純なオブジェクト識別が必要です。現在まで、アームに取り付けたカメラを使用して動いているオブジェクト (コンベア上のアイテムなど) を視覚的に選択する機能は前例がないようです。

一方、inbolt は、3D カメラ、高度なアルゴリズム、現在利用可能な最速のポイント クラウド処理 AI を統合した、プラットフォームに依存しない 3D ビジョン ベースのロボット ガイダンス システムを発表しています。同社のシステムは、高頻度データ処理を効率的に処理するように設計されており、リアルタイムの追跡が可能です。つまり、ロボットは視野内のオブジェクトの位置と方向の変化に適応できます。この適応性は、精度と柔軟性が不可欠な環境では非常に重要であり、非構造化および計画されていない環境に適しています。ロボットが機械的な制約なしに動作できるようにすることで、高価な治具や固定具も不要になります。

これらの新しいソリューションは、現代の製造プロセスの進化するニーズに応える独自のソリューションを提供することで、製造業のパラダイムを変えています。

従来の自動化とは、バッチ サイズが大きく柔軟性が限られた連続生産を意味します。完全な自動化ラインは通常、単一の製品、または同じ生産ラインで実行できる類似製品の小さなファミリを中心に構築されます。コンポーネントが変更されたり、まったく新しい製品が導入されたりすると、通常、自動化プロセスに大きな変更が生じます。ほとんどの場合、時間のかかるセットアップ手順を伴う新しいコンポーネント固定具が必要になります。コンポーネントが従来のホッパーと振動フィーダーによってプロセスに供給される場合は、新しいボウル フィーダーツールまたは追加のボウル フィーダー トップが必要です。同じプロセス ラインで異なる製品を製造する必要がある場合、パレット、固定具、ボウル フィーダーのコストが投資の大部分を占めることがよくあります。考慮すべきその他の領域としては、スペースの制約、変更部品の保管、スペア コンポーネント、および製品間の切り替え時間があります。

VGR システムは、機械的なセットアップをほとんど必要とせずに並行して実行できます。最も極端なケースでは、グリッパーの変更のみが必要で、ピックアップ位置を設定するためにコンポーネントを配置する必要がありません。ビジョン システムと制御ソフトウェアにより、VGR システムはさまざまな種類のコンポーネントを処理できます。さまざまな形状の部品を任意の方向でシステムに供給し、機械の機械的な変更なしでピックアップして配置できるため、切り替え時間が短縮されます。VGR システムのその他の機能と利点は次のとおりです。^[6]

• 製品とバッチ実行の切り替えはソフトウェアで制御され、機械的な調整なしで非常に高速です。
• 生産が変更されても残存価値は高い。
• 短いリードタイムと短い投資回収期間
• 高い機械効率、信頼性、柔軟性
• バリ取り、クリーンブロー、洗浄、測定などの二次操作の大部分を統合することが可能です。
• 手作業の削減

• マシンビジョン
• 同時位置特定とマッピング