精密ビンピッキング：ハンドアイ協調を活用した高度なロボット自動化

ビンピッキング、つまりビンからランダムな姿勢の物体をロボットでピックすることは、最も一般的なロボットタスクの一つであると同時に、最大の技術的課題をもたらすタスクの一つでもあります。ロボットは、ビン内の各パーツを位置特定し、環境や他のパーツと衝突せずにそこへ移動し、ピックし、別の場所に整列した姿勢で安全に配置するために、卓越したビジョンとロボットインテリジェンスを備える必要があります。

ロボットセルへの3Dビジョンシステムの取り付けには2つの方法があり、それぞれに利点があり、特定のアプリケーションにより適しています：

A. 外部キャリブレーション（Extrinsic calibration）

B. ハンドアイキャリブレーション（Hand-eye calibration）

外部キャリブレーション

外部キャリブレーションは、スキャナがロボットセル内の固定された定位置に取り付けられるセットアップで使用され、通常はビンの上方です。システムがキャリブレーションされた後、スキャナをロボットに対して動かしてはなりませんが、ロボットセルに対して静止している必要はありません。

PhotoneoはPhoXi 3D Scannerの5モデル（XS〜XL）を提供しており、それぞれ16センチメートルから4メートルまでの異なるスキャンボリュームを提供します。経験則として、ビンピッキングアプリケーションに必要なスペース（ロボット移動スペース、ビンとパーツのサイズなど）が大きいほど、より大型のPhoXi 3D Scannerモデルが必要になります。

外部キャリブレーションは、ロボットアームのエンドポイントまたはグリッパーに取り付けた適切なボールを使用して行います。ボールはスキャンに適した素材、つまり滑らかで反射しすぎないもので作る必要があります。

外部キャリブレーション：3Dスキャナが固定位置に設置されています。

ハンドアイピッキング

ハンドアイキャリブレーションでは、3Dビジョンシステムをロボットアームに直接取り付けることができます。キャリブレーション成功のためには、スキャナを最も最後の関節の後ろ（例：グリッパー上）に取り付ける必要があります。キャリブレーション後にスキャナの位置を変更すると、キャリブレーション行列が無効になり、キャリブレーション手順全体をやり直す必要があります。

ハンドアイキャリブレーションは、マーカーパターン（Photoneo PhoXi 3Dスキャナで認識される特殊なパターンが印刷された平らな紙または他の素材）を使用して行います。

ハンドアイキャリブレーション：3Dスキャナがロボットアームに搭載されています。

ハンドアイピッキングの利点

ハンドアイピッキングは従来のセットアップに比べて多くの利点を提供します。大きなビンがあり、固定視点で上方にスキャナを設置している場合、小型スキャナでビンをスキャンすることはできません。小型スキャナをロボットアームに直接取り付ければ、スキャナをビンの内容物に近づけ、ビンのどの部分をスキャンするかを選択できます。

ハンドアイビンピッキングのもう一つの利点は、2つのビンがある場合です。固定位置にしっかり取り付けられた1台のスキャナでは両方のビンをスキャンできません。これには最低2台のスキャナが必要です。一方、ロボットアームに搭載されたスキャナは、一方のビンからもう一方へ移動し、適切な距離と角度から内容物をスキャンできます。したがって、外部キャリブレーションよりも広いエリアをカバーできます。

ハンドアイビンピッキングは、ロボットセルが設置される部屋を暗くする必要性を排除する場合もあります。窓からの環境光が導入された3Dビジョンシステムに深刻な課題をもたらし、部屋全体を暗くする特別な努力が必要になることがよくあります。ロボットに取り付けられたスキャナは、ビンを片側からまずスキャンし、次にもう片側からスキャンすることで、環境への特別な調整の必要性を最小限に抑えます。

また、3Dビジョンシステム自体がビンに影を落とし、高品質なシーン取得を阻害することもあります。この問題は通常、スキャナとビンの最適な位置関係を見つける妥協案を講じたり、ビン内のパーツを手動で再配置して最終的にビジョンシステムがすべてを撮影できるようにしたりして解決します。ハンドアイビンピッキングなら、スキャナが「あらゆる角度から、あらゆる位置から」シーンを「見る」ことができるため、この問題を解消できます。

同様に、ハンドアイアプローチは、ビンの壁に近い位置に配置されたパーツをピックする最適なソリューションです。壁、さらにはパーツ自体が影を落とし、パーツの認識を阻害する可能性があるため、ビジョンシステムをロボットアームに搭載することで、適切な角度からパーツにアプローチしてピックできます。

ハンドアイビンピッキングは外部キャリブレーションに比べて多くの利点を提供しますが、ロボットアームに取り付けられたスキャナがロボットの動きを制限する可能性があることも事実です。この制限を念頭に置き、より小型のスキャナを選択することをお勧めします。Photoneo PhoXi 3D Scannerファミリーの場合、適切なモデルはXS、S、M、Lで、16cmから2mのスキャンレンジをカバーします。

もう一つ重要な事実は、スキャン取得中にロボットを静止させる必要があり、これがサイクルタイムを延長する可能性があることです。したがって、ハンドアイアプローチは時間クリティカルなアプリケーションには適しません。

アプリケーションを自動化したいが、どのタイプのビンピッキングソリューションがプロジェクトに最適かわからない場合は、お気軽にお問い合わせください。喜んでお手伝いします。