ビジョンとロボティクス:共に幸せに

次の「ダイナミックなデュオ」は、人間がまったく関与しない可能性があります。 ABB ロボティクス (ミシガン州オーバーンヒルズ) のビジョン システム担当グローバル プロダクト マネージャーであるクラス ベングソン (Klas Bengtsson) は、次のように述べています。これは新しいことではありません。ビジョンとロボティクスは、何年にもわたって密接に関係してきました。しかし、他の組み合わせとは異なり、マシン ビジョンの機能が拡大し、新しい用途が見出されているため、この組み合わせは繁栄しています。過去の「完璧な」結婚には、ロボットの誘導が含まれていました。しかし、良い結婚生活を送っている子供たちのような新しいアプリケーションには、部品の検査、トレーサビリティのためのバーまたは QR コードの読み取り、部品の梱包と開梱の新しい方法の発見が含まれています。

すべてはマシン ビジョンが提供する柔軟性に帰着します. 「ビジョンは、ABB が多くのロボット アプリケーションの機能を強化するのに役立ちました」と彼は言いました。

ロボットを柔軟に誘導する必要性は、製品の多様性の増加と、多くの業界でのリード タイムの短縮の必要性によって促進されています。柔軟性はなぜそれほど重要なのですか？ 「ロボットによる自動化をハードコーディングすると、生産ラインで製品や何かを変更した瞬間に、プログラムを変更する必要があります」と Bengtsson 氏は言います。これはまた、ハードコーディングされたロボット ガイダンス プログラムが確実にパーツをピッキング、研磨、またはその他の方法で操作できるように、精密固定具またはパーツの配置方法を変更することを意味します。コストがかかります。

マシン ビジョンは、ロボットが部品や方向の変化を「見る」ことを可能にすることで、これらのコストを抑えるのに役立ちます。 3D スキャニング センサーは、さらに多くの新しい用途を開拓しています。 Bengtsson 氏は次のように述べています。

人間とロボットのコラボレーション

Rethink Robotics (ボストン) は 2008 年に設立され、協働ロボット (コボット) を製造しています。その主力製品は Sawyer です。 「当社の Sawyer ロボットのようなコボットは、人間規模の反復的でありふれたタスクを実行するのに最適です」と、プロダクト マネージャーの Mike Fair は述べています。これは、人間が行うことを再現する製品や動きを使用することを意味し、それはまた麻痺するほど反復的でありふれたものでもあります.

「このようなアプリケーションには、パッケージング、マシン テンディング、ラインのロードとアンロード、検査、プリント回路基板のテストが含まれます」と彼は言いました。 CNC マシンのマテリアル ハンドリングは別のアプリケーションであり、CNC マシンをロードしてサイクルし、機械加工タスクが終了するのを待ってマシンをアンロードする人間に取って代わります。

Rethink はマシン ビジョンを信じすぎて、各 Sawyer の手首にカメラ。 「組み込み型ビジョン システムにより、当社のコボットはより迅速かつ簡単に展開できるようになり、一般的なマシン ビジョン システムの面倒で費用のかかる統合時間が不要になりました。 [これらの] ビジョン システムの展開を容易にするソフトウェアを追加します」と Fair 氏は述べています。 ATX West 2018 トレード ショーでは、ジャーナリストでも簡単なタスクを数分でプログラミングできることを証明するデモンストレーションを行いました。 QR コードのように見えるコード化されたステッカーと組み合わせて、同社のソフトウェアは、ロボットが作業セルの変動に適応するように配置するのに役立ちます。これにより、Sawyer ロボットをタスクからタスクへ、および場所から場所へ移動することも容易になります。

Universal Robots USA Inc. (UR; ミシガン州アナーバー) も協働ロボットの専門企業です。ペイロードが 3 ～ 10 kg の 3 台のロボットは、サードパーティ プロバイダーの「エコシステム」内で動作します。 Universal Robots+ と呼ばれる無料の開発者プログラムを提供し、エンド エフェクター、ビジョン システム、およびその他の周辺機器のサードパーティ プロバイダーが、コボットとプラグアンドプレイするアドオンを開発できるようにします。

同社のウェブサイトでは、ビジョンの 6 つの異なるオプションが示されています。このエコシステムは、ピック アンド プレース、CNC マシンの自動化、パッケージングとパレタイジング、組み立て、スクリュー駆動、マシン テンディングに適しています。 2D スキャナーと 3D スキャナーの両方が利用可能です。いくつかのロボット モーション コントロールおよびシミュレーション ソフトウェア パッケージが利用可能です。

統合、使いやすさ

マシン ビジョンが有用であるためには、UR のエコシステムの重要な要素であるアクセス可能である必要があります。たとえば、サードパーティ パッケージの 1 つは Universal Metrology Automation と呼ばれ、3D Infotech が提供しています。モーション コントロール システム、3D スキャナー、および検査ソフトウェアを統合して、構成可能な自動計測ソリューションを作成します。その他のプログラムは、オンラインまたはオフラインのプログラミング、ロボット シミュレーション ソフトウェア、監視機能を提供します。

「今日では、ロボットやビジョン システムとの統合が大幅に改善されています」と、Apex Motion Control (Surrey, BC) の社長、Rob Antonides 氏は述べています。 Apex は、UR のエコシステム アプローチを最大限に活用したインテグレーターです。 「以前は、ビジョン システムとロボット コントローラをハックする必要がありましたが、現在では、イーサネット IP またはあらゆる種類のネットワークを介して、よりシームレスなプラグ アンド プレイを実現しています。 20 年前は、視覚誘導ロボット システムと通信をセットアップするのに 1 週​​間かかっていました。今日は 15 ～ 20 分です。」

マシン ビジョンは、Apex にとって特に有用であることが証明されています。自動化されたタスクには、ケーキのデコレーションを含むさまざまなベーキング操作が含まれます。 「ビジョン システムを使用すると、製品の不一致や不完全なプレゼンテーションやポジショニングに対処できます。ケーキの表面を 3D センサーでマッピングして、すばやく簡単にデコレーションできるようにしています」と Antonides 氏は言います。

ファナックは、容易な統合も重視しています。 FANUC America Corp. (ミシガン州ロチェスターヒルズ) のインテリジェント ロボティクス/マシン ビジョンのスタッフ エンジニアである David Dechow 氏は、次のように述べています。 「ファナックでは、すべてのビジョン システムがコントローラーに組み込まれています。」ファナックは、30 年前にロボット誘導システムのオプションとして、誘導ロボット工学のビジョンを組み込んだ最初のロボット企業の 1 つです。

Dechow は、マシン ビジョン企業がロボットとのより簡単なインターフェースの開発に集中していることにも注目しました。 「ビジョン サプライヤは、この市場を著しくサポートしています」と彼は述べています。 「コラボレーションを機能させるための大変な作業は、ビジョンの側面にあります。ロボットはポイントを期待しています。その秘訣は、マシン ビジョンを使用して正しい点を見つけ、マシン ビジョン システムの座標系をロボットの座標系にマージすることです。」彼は、マシン ビジョンが多くの自動化タスクで比類のない柔軟性を提供するという、この記事のためにインタビューした他の人に同意しました。今日、費用対効果の比率は、精密な治具やハードコーディングよりも視覚に有利になり始めていると彼は言いました.

AI:ポージングと差別

ビジョン、データ、およびロボットについての議論は、自然に人工知能 (AI) が晴眼ロボットにとってどれほど役立つかという疑問につながります。 Dechow 氏は、AI は特にロボットによる誘導には適用できないという落とし穴を指摘しました。 「AI学習は、分類と差別化に非常に優れています。苦手なのは離散分析です」と彼は説明した。ロボットは離散点に移動する必要があります。計測システムと組み合わせると、離散的な幾何学量を測定します。 「学ぶことは何もありません」と彼は言いました。

しかし、それだけではありません。ガイダンスに当てはまらない場合でも、AI が価値を提供するロボット タスクがあります。 「たとえば、ロボットが操作するオブジェクトを決定するために、その背景に対してオブジェクトを識別および分類し、ロボットのガイダンスと組み合わせることは、優れたハイブリッド アプリケーションになるでしょう」と彼は言いました。もう 1 つは、ピックとグリップの最適化です。 「宇宙でのアームの理想的な向きとアプローチ パスを見つけることは、決定論的ではなく、学習領域に分類されます。良い方向にも悪い方向にも多くの方向性があります」と彼は説明しました。 「AI は、パーツがランダムで、配置やサイズが均一でない場合に特に役立ちます。」

Denso Products and Services Americas Inc. (カリフォルニア州ロングビーチ) の Peter Cavallo 氏は、ビジョン システムの機能の大幅な向上は現実のものであり、ロボット アプリケーションに新たな機会が開かれたことに同意しました。 「最も単純な形では、[ビジョン] はパーツまたはオブジェクトを見つけて操作します。私たちが現在目にしている最も複雑な形では、パーツやロボットを動かさずに、さまざまな構成や位置であっても、物事を見て、解釈し、認識し、パーツが何であるかを見ることができます。」

彼は、3D スキャニングを特に重要な開発と見なしています。ビンピッキングなど、以前は困難だったタスクを簡単にします。 Denso の最新システムは、CMOS 検出器を使用して 3D で見る構造化ライト ビジョン システムを使用しています。

ロボット工学への AI の適用に関する彼の見解は、より広いシステム コンテキストに基づいています。 「私たちが次世代のロボットに移行するにつれて、視覚がシステム全体の一部になるディープラーニングのようなものに取り掛かり始めています」と彼は説明しました。 「東京のロボット ショーで、サラダをまとめる手を持つ 2 台のロボットを含む、自由度 28 のシステムでのディープ ラーニングを示すものを展示しました。」産業用ユーザーが感銘を受けるのはなぜですか?ロボットは、事前に提供された知識のみを使用して、レタス、果物、野菜を選択しました。 「私たちはロボットをプログラムしませんでした。代わりに、私たちが望んでいることを伝えました」と彼は言いました。このような自動化に理想的な、製造現場に存在する構造化されていないタスクの数を考えてみてください。

大物だけじゃない

マシン ビジョン、統合、ソフトウェア、AI でさえ、このレベルのロボットによる自動化はフォーチュン 500 企業だけのものだと思わせるかもしれません。そうではありません。 「今日のビジョンは手頃な価格であるため、中小企業に非常に適しています。以前は 50,000 ～ 100,000 ドルだったものが、現在では 5,000 ドルを下回っています。恥ずかしがる必要はありません」とカバロは言いました。

Epson America Inc. (カリフォルニア州カーソン) のプロダクト マネージャーである Rick Brookshire 氏は、ロボティック オートメーションが中小企業 (SME) にとって理想的であることに同意しました。 「50 台、100 台、または 1000 台のロボットを購入する大規模な顧客に加えて、1 台、2 台、または 3 台のロボットを購入する小規模な顧客が多数います」と彼は言いました。エプソンは、高精度のタスクに最適化された小型ロボットを専門としており、高精度の時計を構築するという独自のニーズからロボット ビジネスを成長させています。 「当社のすべてのロボットは、統合されたビジョン ガイダンスを利用できます。これは、受け入れが拡大している機能です。また、信頼性も高まっています。人々はより喜んでそれを使用しています」と彼は言いました。

この記事のためにインタビューした他の人たちと同様に、彼は単純さを信じています特に中小企業のニーズを満たす上で不可欠です。同社によると、Epson Vision Guide プログラムは、オブジェクトベースのポイントアンドクリック GUI インターフェイスを使用しており、開発者はアプリケーションを迅速に開発できます。視覚誘導型ロボットの理想的なアプリケーションは、部品が妥当な許容レベル内にうまく配置されていない場合、または一貫した方法で提示できない場合ですが、エプソンのロボットが提供する精度により、別の使用領域が開かれます。

許容範囲はますます厳しくなっています。部品が小さくなっています。精密な配置はますます難しくなっています。 「そこに、エプソンのような精密ロボットが役立ちます」と彼は言いました。 「これは中小企業でますます起こっています。また、これらのロボットは非常に使いやすくなっており、多くのお客様が自分で統合を行っています。」ロボットは、直径 0.7 mm 未満のネジも配置します。従業員が高齢化するにつれて、これは重要な要素になる可能性があります。

Applied Manufacturing Technologies (AMT; ミシガン州オリオン) の販売担当副社長 James Cooper は、自動車製造業界での経験に基づく独自の視点を持っています。 AMTは、視覚誘導ロボットシステムを専門とするシステムインテグレーターです。トランスミッションのケースなど、システムが複雑な複数の部品番号が普及しつつあります。トランスミッション ケースは、多数の穴と複雑な表面を持つ大きな物体です。ビジョンには理想的ですが、精密なハード フィクスチャには高価です。 「ロットサイズも、より頻繁な切り替えにより小さくなっています。そのため、ロボット誘導ビジョン システムが多くのアプリケーションで非常に重要になっています。」彼はまた、特にビンやトート ピッキング アプリケーションにおける 3D ビジョン システムの成長も観察しました。

それはガイダンスを超えています。 「品質検査は、穴やその他の特徴の有無を調べたり、コンポーネントが適切に組み立てられているかどうかを判断したりする理想的なアプリケーションです」と彼は言いました。もう 1 つの豊富な分野は、計測検査です。 「パートナーである Hexagon と協力して、顧客の製品を検査する協働ロボットをベースにしたシステムを構築しました。これは、別の温度管理された部屋で CMM で行われていました。長年にわたり、メーカーは製造現場でそれを行いたいと考えていました。今では、ガードなしで完全にポータブルなシステムを生産機械で直接使用できるようになり、初回品検査アプリケーションに最適です」と彼は言いました。

彼は、これらのアプリケーションが中小企業で成長していることに同意しました。彼はまた、これらの業務は熟練した労働者を見つけるのに苦労しており、さらなる自動化の必要性を高めていると述べました.

ABB は、デジタル、3D 検査および品質管理ソリューションの主要なイノベーターである NUB3D (後に買収) との協力を通じて、ロボット検査システムも開発しました。ターンキー システムは、ABB ロボットのアームに取り付けられた 3D 白色光スキャン センサーで構成されています。

Stäubli Corp. (Duncan, SC) is a robot company that uses a variety of machine vision from third-party vendors to build applications for robot vision guidance. But it also offers another use of vision systems with industrial robots that need human interaction:a virtual safety fence around robots.

As explained by Olivier Cremoux, business development manager, North America robotics for Stäubli, man/robot collaboration can be binned into five different stages. The lowest stage 1, common in most industrial robots, is no direct contact, where any interaction between man and machine is dangerous. “The robot and operator are separated by hard fences,” he said. The highest, stage 5, is where contact is desired and required, for example when a robot is hand guided by an operator to carry out or assemble a heavy tool or other simultaneous motions with a robot. There are stages in-between where some contact is desired at different levels, and where the robot often needs to stop and let the human do something. “This in-between represents 95% of collaborative applications,” he said.

In these intermediate stages, a 3D scanning vision system that scans outwards from the workcell can detect a human approaching. Within a certain distance, it signals the workcell to slow the robot down to prevent contact and possible injury. As the human approaches even closer, it stops the cell entirely. This allows the human to perform an action, such as inspection or placement, then move away, allowing the cell to automatically restart.

HNJ Solutions Inc. (Carson, CA) is an integration company founded to provide vision systems for manufacturing, including with robots, according to President Greg McEntyre. While acknowledging that vision systems are indeed becoming easier to use and install, he says there remains a class of applications where integrators like HNJ are needed. “In complex applications with multiple colors, sizes, orientations, and general uncertainty, it is important to know how cameras work and why they work to install a good system,” he said.

He emphasized how 3D cameras are expanding relevant applications, such as bin picking. “Today we are even importing the CAD model of our objects so that the vision system can understand in 3D the object it needs to pick or operate on,” he said. “Cameras give complete freedom.”

What advice might he offer, as an integrator of complex vision and robotics? “While it may not be easy as it looks, I would say just jump in,” he said. “There is so much useful hardware that vision guidance and vision applications are becoming ever more useful.” In other words, just do it.