マシンビジョンとロボティクスの融合が切り拓く次世代自動化

次の「ダイナミック・デュオ（最強コンビ）」は、人間を全く含まないかもしれない。「マシンビジョンとロボットは完璧な結婚相手だ」と、ABBロボティクス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、クラース・ベングトソン氏は述べる。これは新しい話ではない。ビジョンとロボティクスは長年手を携えてきた。しかし他の結婚とは異なり、この関係はマシンビジョンの能力拡大と新たな応用分野の開拓により、今まさに繁栄している。「過去の『完璧な』結婚はロボットのガイド（誘導）だった。しかし新しい応用——良い結婚から生まれた子供たちのようだ——には、部品検査、トレーサビリティのためのバーコード/QRコード読み取り、部品の梱包・開梱の新たな方法などが含まれる。」

すべては、マシンビジョンが提供する「柔軟性」に帰着する。「ビジョンは、多くのロボットアプリケーションの能力をABBで強化するのに役立っています」と同氏。

ロボットを柔軟にガイドするニーズは、多くの業界で製品多様化が進み、リードタイム短縮が求められていることによって駆動されている。なぜ柔軟性がそれほど重要なのか？ 「ロボット自動化をハードコーディング（固定プログラム）すれば、製品や生産ラインの何かを変更するたびにプログラムを変更しなければなりません」とベングトソン氏。これは、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部品をピック、研磨、その他の操作できるよう、精密な治具や部品の置き方も変更することを意味する。コストがかさむ。

マシンビジョンは、ロボットが部品のバリエーションと姿勢を「見て」判断できるようにすることで、それらのコストを抑制する。3Dスキャンセンサは、さらに多くの新しい応用を開いている。ベングトソン氏はこう語る。「15年前の質問は『なぜマシンビジョンを使うのか』でした。今日の質問は『なぜ使わないのか』です。」

人間とロボットの協働

2008年設立のリシンク・ロボティクス（ボストン）は、協働ロボット（コボット）を構築する。旗艦製品は「Sawyer」だ。「我々のSawyerのようなコボットは、人間スケールの反復的で単調な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マイク・フェア氏。これは、人間が行う、単調で退屈な、製品や動きを複製する作業を意味する。

「このようなアプリケーションには、梱包、マシンテンディング、ラインへの積み下ろし、検査、プリント基板テストなどが含まれます」と同氏。CNCマシンへのマテリアルハンドリングも応用の一つで、CNCマシンにワークをロードし、サイクルさせ、加工完了を待ってアンロードする人間を置き換える。

リシンクはマシンビジョンを非常に重視しており、各Sawyerの手首にカメラを内蔵している。「内蔵ビジョンシステムにより、我々のコボットは導入がより速く、容易になり、典型的なマシンビジョンシステムの面倒でコストのかかる統合時間を排除します。それらビジョンシステムを容易に導入するためのソフトウェアを追加しています」とフェア氏。ATX West 2018見本市では、記者でさえ数分で簡単なタスクをプログラミングできることを実証した。QRコードのようなコード化されたステッカーと連携し、ソフトウェアがロボットの位置決めを支援し、ワークセル内の変動に適応できるようにする。これにより、Sawyerロボットをタスク間、場所間で移動させることも容易になる。

ユニバーサル・ロボッツUSA（UR、ミシガン州アナーバー）も協働ロボットに特化している。ペイロード3〜10kgの3機種が、「エコシステム」と呼ばれるサードパーティプロバイダーのネットワーク内で動作する。「Universal Robots+」という無料の開発者プログラムを提供し、エンドエフェクタ、ビジョンシステム、その他周辺機器のサードパーティプロバイダーが、URのコボットとプラグアンドプレイで動作するアドオンを開発できるようにしている。

同社のウェブサイトには、ピックアンドプレース、CNCマシン自動化、梱包・パレタイズ、組立、ねじ締め、マシンテンディングに適した6種類のビジョンオプションが掲載されている。2Dと3Dスキャナの両方が利用可能。複数のロボットモーション制御・シミュレーションソフトウェアパッケージも用意されている。

統合と使いやすさ

マシンビジョンが有用であるためには、アクセスしやすくなければならない。これはURのエコシステムの重要な要素だ。例えば、サードパーティパッケージの一つに「Universal Metrology Automation」があり、3D Infotechが提供している。これはモーション制御システム、3Dスキャナ、検査ソフトウェアを統合し、設定可能な自動化された計測ソリューションを創出する。他のプログラムでは、オンライン/オフラインプログラミング、ロボットシミュレーションソフトウェア、監視機能を提供する。

「今日、ロボットとビジョンシステムの統合は格段に良くなっています」と、アペックス・モーション・コントロール（カナダ・サレー）社長、ロブ・アントニデス氏。アペックスは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だ。「かつてはビジョンシステムとロボットコントローラをハックして繋ぎ合わせる必要があったが、今日ではEthernet/IPやあらゆる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になっています。20年前、ビジョン誘導ロボットシステムと通信のセットアップに1週間かかっていたが、今日は15〜20分です。」

マシンビジョンはアペックスにとって特に有用だ。自動化したタスクには、ケーキデコレーションを含む様々なベーカリー作業がある。「ビジョンシステムにより、不完全で位置決めが不確実な製品を扱えるようになります。3Dセンサでケーキの表面をマッピングし、素早く簡単にデコレーションできます」とアントニデス氏。

ファナックも容易な統合を強調する。「昨年末、統合ロボットビジョンのための顕著な機能を備えた全く新しいコントローラをリリースしました」と、ファナックアメリカのスタッフエンジニア（インテリジェントロボティクス/マシンビジョン）、デビッド・デチョウ氏。「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に内蔵されるようになりました。」ファナックは、ロボット誘導システムのオプションとしてビジョンを提供した、最初期のロボット企業の一つだ（30年前）。

デチョウ氏は、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開発に注力してきたことも指摘する。「ビジョンサプライヤーは明らかにこの市場を支援しています」と同氏。「協働を機能させるための『重労働』はビジョン側にあります。ロボットは『点』を期待しています。コツは、マシンビジョンを用い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。」同氏も、マシンビジョンが多くの自動化タスクで比類なき柔軟性を提供することに同意する。今日、コスト/ベネフィット比は精密治具とハードコーディングよりもビジョン有利になりつつある、と同氏。

AI：姿勢推定と識別

ビジョン、データ、ロボットの議論は自然と、視覚を持つロボットに人工知能（AI）がどれほど有用かという問いへ導かれる。デチョウ氏は落とし穴を指摘する——AIはロボット誘導には特に適用しにくい。「AI学習は分類と差別化には非常に優れています。しかし『離散解析』は得意ではありません」と同氏。ロボットは離散的な点へ移動する必要がある。測定システムと組み合わせると、離散的な幾何学的量を測定する。「学習すべきことは何もありません」と同氏。

しかし話はそこで終わらない。誘導に適用しにくいとしても、AIが価値を発揮するロボットタスクはある。「例えば、背景に対する物体の識別と分類を行い、ロボットが作業すべき対象物体を特定する——これをロボット誘導と組み合わせる——ことは良いハイブリッド応用になります」と同氏。もう一つはピックアンドグリップの最適化だ。「空間内でのアームの理想的な姿勢とアプローチ経路の探索は、決定論的ではなく『学習の領域』に属します。良い姿勢も悪い姿勢も多数存在します。部品がランダムで、配置とサイズが均質でない場合、AIは特に有用です。」

デンソー・プロダクツ・アンド・サービス・アメリカズ（カリフォルニア州ロングビーチ）のピーター・カバロ氏も、ビジョンシステム能力の実質的な向上は現実であり、ロボットアプリケーションの新たな機会を開いていると同意する。「最も単純な形では、部品や物体を『見つけ』、それに作用します。現在見られる最も複雑な形では、物を見て、解釈し、認識し、それが何であるかを理解できます——異なる配置や位置であっても、部品やロボットを動かさずに。」

同氏は3Dスキャンを特に重要な発展と見なし、ビンピッキングのような以前は困難だったタスクを容易にすると語る。デンソーの最新システムは、CMOS検出器を用いた構造光ビジョンシステムで3D視覚を実現している。

ロボティクスへのAI適用について、同氏の見解はより広いシステム文脈に基づく。「次世代ロボットへ移行するにつれ、ディープラーニングのような領域に入りつつあり、ビジョンがシステム全体の一部になります」と同氏。「東京ロボットショーで、28自由度のシステム（二本のロボットアームとハンドを含む）でサラダを作るディープラーニングシステムを展示しました。」なぜ産業ユーザーが感銘を受けるべきか？ ロボットは、事前に与えられた知識のみを用いて、レタス、果物、野菜を選別した。「ロボットをプログラムしたのではなく、『何を望むか』を伝えただけです」と同氏。工場現場に存在する、このような自動化に理想的な非構造化タスクの数を考えてみてほしい。

大企業だけのものではない

マシンビジョン、統合、ソフトウェア、さらにはAIと聞くと、このレベルのロボット自動化はフォーチュン500企業だけのものと思われがちだ。そうではない。「中小企業にも高度に適用可能です。なぜなら今日のビジョンはコスト的にリーズナブルだからです。かつて5万〜10万ドルだったものが、今では5000ドル以下です。躊躇する理由はありません」とカバロ氏。

エプソンアメリカ（カリフォルニア州カーソン）のプロダクトマネージャー、リック・ブルックシャー氏も、ロボット自動化が中小企業（SME）に最適だと同意する。「50台、100台、さらには1000台購入する大口顧客に加え、1〜3台購入する中小顧客も多数います」と同氏。エプソンは、高精度時計製造の自社ニーズからロボット事業を成長させ、高精度タスクに最適化された小型ロボットを専門とする。「すべてのロボットに統合ビジョンガイダンスが利用可能で、この機能の受け入れは拡大しています。信頼性も向上しており、人々はより積極的に活用するようになっています。」

インタビューを受けた他の専門家と同様、同氏もシンプルさが不可欠だと信じている——特にSMEのニーズを満たす上で。エプソンの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インターフェースを使用し、開発者がアプリケーションを迅速に開発できるようにしている。ビジョン誘導ロボットの理想的な応用は、部品が合理的な公差内で良好に位置決めされていない、または一貫した方法で提示できないケースだが、エプソンロボットが提供する精度は別の用途領域を開く。

公差は厳しくなり、部品は小さくなり、精密配置はますます困難になっている。「そこがエプソンのような精密ロボットが役立つところです」と同氏。「これは中小企業でます多く起きています。そしてこれらのロボットは非常に使いやすくなり、多くの顧客が自社で統合を行っています。」直径0.7mm未満のネジを配置することさえ可能だ。労働力の高齢化が進む中、これは重要な要因になるかもしれない。

アプライド・マニュファクチャリング・テクノロジーズ（AMT、ミシガン州オリオン）のセールス担当バイスプレジデント、ジェームズ・クーパー氏は、自動車製造業での経験に基づく独自の視点を持つ。AMTはビジョン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だ。トランスミッションケースのような複雑なシステムを持つ複数品種が一般的になりつつある。トランスミッションケースは多くの穴と複雑な面を持つ大型物体——ビジョンに最適だが、精密ハード治具では高コストだ。「ロットサイズも小さくなり、頻繁な段取り替えが必要になっています。だからこそ、ロボットビジョンガイダンスシステムが多くのアプリケーションで極めて重要になっています。」同氏は3Dビジョンシステムの成長も観察しており、特にビン・トートピッキング応用で顕著だ。

ガイダンスにとどまらない。「品質検査は理想的な応用で、穴やその他の特徴の有無を確認したり、部品が適切に組み立てられているか判定したりします」と同氏。もう一つの豊富な領域は計測検査だ。「パートナーのヘキサゴンと、コボットベースのシステムを構築し、顧客製品を検査しました。これはかつて、温度管理された別室の三次元測定機（CMM）で行われていました。長年、メーカーは生産現場でやりたいと願ってきました。今では完全なポータブルシステムで、ガード不要、ファーストアーティクル検査に最適で、生産機械のすぐ横で実行可能です。」

同氏もこれらの応用が中小企業で成長していることに同意する。また、これらの企業が熟練労働者の確保に苦労しており、更なる自動化の必要性を駆り立てていることも指摘した。

ABBも、NUB3D（後に買収）との協業によりロボット検査システムを開発した。NUB3Dはデジタル3D検査・品質管理ソリューションの先駆的イノベーターだ。ターンキーシステムは、ABBロボットのアームに搭載された3D白色光スキャンセンサで構成される。

シュタウビ（サウスカロライナ州ダンカン）は、サードパーティベンダーの多様なマシンビジョンを用いてロボットビジョンガイダンスアプリケーションを構築するロボット企業だ。しかし、人間とインタラクションする産業用ロボットに対するビジョンシステムの別の用途も提供している：ロボット周りの「バーチャル安全柵」だ。

シュタウビ北米ロボティクス事業開発マネージャー、オリビエ・クレムー氏によれば、人/ロボット協働は5つの段階に分類できる。最も低いステージ1は、ほとんどの産業用ロボットで一般的な「直接接触なし」で、人と機械のあらゆるインタラクションが危険な状態。「ロボットとオペレータは硬いフェンスで隔てられています」と同氏。最も高いステージ5は、接触が望まれかつ必要な状態——例えば、オペレータがロボットをハンドガイドし、重い工具を運搬させたり、ロボットと同時動作を行ったりする場合。その間には、異なるレベルで何らかの接触が望まれる段階や、ロボットが停止して人間に何かをさせる段階がある。「この『中間段階』が協働アプリケーションの95%を占めます」と同氏。

これらの中間段階では、ワークセルから外側へスキャンする3Dスキャンビジョンシステムが人間の接近を検知する。一定距離内では、ロボットを減速させ接触と怪我を防止する信号をワークセルに送る。人間がさらに接近すれば、セルを完全に停止させる。これにより人間が検査や配置などのアクションを実行し、離れるとセルが自動的に再起動する。

HNJソリューションズ（カリフォルニア州カーソン）は、ロボットを含む製造向けビジョンシステムを提供するために設立されたインテグレーション会社だと、社長のグレッグ・マッケンタイア氏。ビジョンシステムが確かに使いやすく、インストールしやすくなっていることを認めつつ、インテグレーターのようなHNJが必要なアプリケーションクラスが依然として存在することを指摘する。「複数の色、サイズ、向き、一般的な不確実性を伴う複雑なアプリケーションでは、カメラがどう働き、なぜ機能するかを知って良いシステムをインストールすることが重要です」と同氏。

3Dカメラが関連応用を拡大していることを強調する——例えばビンピッキング。「今日では、対象物のCADモデルをインポートし、ビジョンシステムがピックアップや操作すべき物体を3Dで理解できるようにしています」と同氏。「カメラは完全な自由を与えます。」

複雑なビジョンとロボティクスのインテグレーターとして、どんなアドバイスをするか？ 「見たほど簡単ではないかもしれませんが、私は『飛び込め』と言います」と同氏。「これほど有用なハードウェアがあるのだから、ビジョンガイダンスとビジョンアプリケーションはますます有用になっています。」つまり、やってみろ、ということだ。