Informes de aplicación

Cámara estéreo 3D: una ayuda inestimable en operaciones de bin-picking

Celda de robot para bin-picking de bsAutomatisierung
Celda de robot para bin-picking de
bsAutomatisierung
El procesamiento de imágenes 3D es el futuro de la visión robótica. La obtención de información tridimensional es indispensable para solucionar con buenos resultados muchas aplicaciones de la robótica y de la producción en serie automatizada. Es el caso por ejemplo de procesos de montaje complejos, como el pegado o la soldadura, y también de la tarea robótica conocida como "bin-picking", es decir, coger piezas de un contenedor.

El robot debe poder determinar exactamente la posición de las piezas colocadas aleatoriamente para realizar el agarre de forma segura. Con la cámara estéreo 3D Ensenso, IDS ofrece una solución para registrar imágenes 3D que convence tanto por su precisión como por su rentabilidad y su rapidez. La empresa bsAutomatisierung GmbH aprovecha las nuevas posibilidades de esta cámara para agilizar al máximo sus tareas de bin-picking.
La bin-picking sigue siendo una de las tareas más difíciles de resolver en la fabricación industrial robotizada. Para que el robot pueda coger piezas sin clasificar de una jaula metálica o de un contenedor tipo Schäfer es necesario que pueda reconocer previamente la forma, el tamaño, la posición y la orientación del objeto. Solo cuando se dispone de dichos datos es posible generar una trayectoria libre de colisiones del robot manipulador.

Pero el problema empieza ya con la adquisición de datos 3D, dado que además de la integridad y una precisión suficiente son necesarias velocidades de ciclo elevadas y una alta estabilidad de proceso. Los sistemas ofrecidos hasta la fecha o
bien son demasiado lentos, o no consiguen la estabilidad de proceso necesaria para poder ser utilizados en la fabricación en serie o, sencillamente, son demasiado caros.
En cada contenedor se instalan dos cámaras fijas Ensenso N10 estéreo 3D
En cada contenedor se instalan dos cámaras fijas
Ensenso N10 estéreo 3D
La nueva cámara estéreo 3D Ensenso N10 de IDS permite aunar las prestaciones de velocidad de ciclo, disponibilidad y rentabilidad necesarias en las aplicaciones de visión robótica. Esta innovadora cámara con interfaz USB apta para aplicaciones industriales es la primera del mercado que integra dos sensores Global Shutter CMOS con resolución WVGA, un potente software y un proyector de patrones de luz infrarroja en una carcasa muy compacta. El proyector genera un patrón de puntos aleatorio sobre el objeto cuya imagen se desea captar complementando las estructuras no visibles o resaltando las de escasa visibilidad del objeto. Porque para lograr la correspondencia estereoscópica en la imagen se precisan puntos bien definidos. Los dos sensores de imagen captan el objeto utilizando el principio de visión estereográfica y luego se reconstruyen y calculan las coordenadas 3D de cada elemento de imagen por medio de las relaciones geométricas de la triangulación. Incluso cuando los componentes a registrar son relativamente uniformes el sistema genera una imagen 3D de toda la superficie, detallada y muy completa, sin necesidad de aplicar más medios técnicos. Y todo eso, en cuestión de milisegundos.
 
La firma bsAutomatisierung aprovecha esa rapidez utilizando la cámara Ensenso en sus celdas de robots para tareas de bin-picking. La empresa, con sede en la localidad alemana de Rosenfeld, a unos 60 km al sur de Stuttgart, se ha especializado en el desarrollo y la construcción de sistemas para cargar y descargar de forma precisa maquinaria de producción y en sistemas manipuladores de piezas. Los sistemas de bin-picking de este fabricante permiten seleccionar de forma automatizada piezas colocadas de forma aleatoria y alimentar con ellas los procesos de producción subsiguientes. Los tiempos de ciclo llegan a ser inferiores a 10 segundos, algo imposible de lograr con procedimientos convencionales como la sección luminosa. En función de la aplicación y de los requerimientos del cliente las celdas se equipan con robots industriales clásicos de varios ejes o con robots tipo pórtico lineales. Su diseño modular les permite adaptarlos al tamaño del contenedor y dimensionarlos para uno, dos, tres y hasta cuatro contenedores.
 
Cada contenedor se dota de visión por medio de dos cámaras Ensenso fijas. Esta disposición tiene dos ventajas importantes en comparación con las cámaras instaladas directamente en el brazo del robot: en primer lugar el sistema alcanza una velocidad de ciclo mayor. Mientras se agarra la pieza de un contenedor ya se puede iniciar el proceso de reconocimiento del objeto en el contenedor siguiente. Incluso si solo es necesario agarrar piezas de un contenedor el proceso de búsqueda puede iniciarse mientras el robot deposita en otro punto la última pieza que ha cogido.
 
En segundo lugar, permite calibrar y adaptar de forma muy sencilla las imágenes entre diferentes cámaras Ensenso, dado que de entrada el software de la cámara ha sido diseñado para el uso en modo multicámara. La utilización simultánea de dos o más cámaras permite registrar una escena desde varias perspectivas al mismo tiempo, reduciendo las sombras y ampliando el campo visual. En modo multicámara el software de la N10 permite la generación de una única nube de puntos 3D que contiene los datos de todas las cámaras empleadas. También la precisión resultante se puede escalar prácticamente como se desee mediante el número de cámaras montadas. Además de la combinación de varias cámaras estéreo, el software de la cámara Ensenso permite el uso con cámaras industriales convencionales para registrar, por ejemplo, datos sobre colores o códigos de barras.
La cámara industrial Ensenso integra en una carcasa compacta dos sensores CMOS y un proyector de patrones de luz infrarroja.
La cámara industrial Ensenso integra en una
carcasa compacta dos sensores CMOS y un
proyector de patrones de luz infrarroja.
Otra importante ventaja del software de la cámara Ensenso es que permite controlar los dos sensores CMOS y el proyector de patrones, además de registrar y preprocesar los datos 3D. De ese modo se consigue una calidad y una frecuencia de imagen excepcionales y también descargar considerablemente el PC de evaluación. La cámara está diseñada para distancias focales de 260 mm a 1400 mm y permite campos visuales variables. La gran variedad de distancias focales disponibles desde los 3,6 hasta los 16 mm permite cubrir un amplio rango de tamaños y distancias. A diferencia de otros sistemas de grabación 3D, la cámara puede captar objetos fijos y en movimiento con una frecuencia de imagen de hasta 30 fotogramas/seg. A pesar de incorporar dos sensores y el proyector, la cámara mide tan solo 150 x 45 x 45 mm y su peso apenas alcanza los 400 g. Gracias a su robusta carcasa de aluminio y al GPIO para disparador de hardware 12-24 V, entrada y salida, la Ensenso N10 es especialmente idónea para entornos industriales exigentes. A ello contribuyen asimismo el conector sensor/actuador enroscable M8 de 3 polos y la conexión USB también con rosca.

Pero la cámara Ensenso ofrece otra ventaja decisiva para los fabricantes OEM y los integradores de sistemas como bsAutomatisierung. Se entrega lista para usar y empieza a suministrar datos métricos 3D "nada más salir de la caja". Es decir, se puede montar de inmediato. Lo único que hace falta es calibrar el robot con respecto a la cámara, lo que se puede hacer fácilmente mediante la placa de calibración montada en la garra. El software calcula la posición de montaje de la cámara y los datos 3D se representan inmediatamente en el sistema de coordenadas del robot.
 
Las imágenes capturadas se evalúan con Halcon 11. Además de la interfaz de dicho programa, el paquete de software de la Ensenso incorpora una API para C, C++ y C#. A continuación se transmiten las coordenadas destino de las piezas encontradas y una imagen del contenido restante del contenedor como obstáculo dinámico a un módulo de software que, junto con los datos CAD de la celda, del robot y de la garra, genera una trayectoria libre de colisiones del robot. Ésta se transmite al control del robot y se ejecuta. Las imprecisiones, los fallos en el reconocimiento y el resbalamiento de la pieza pueden hacer que el intento de agarre fracase. El robot detecta esta situación por medio de varios sensores montados en la garra y un sistema de vigilancia de colisiones entre la garra y la brida, se separa automáticamente del contenedor y lo vuelve a intentar en otro punto sin que sea necesaria la intervención humana. El control y el mando de todo el proceso se lleva a cabo mediante un PLC. También este es el que le dice al sistema de procesamiento de imágenes el tipo de piezas que deben buscarse, cuándo debe hacerse y en qué contenedor.
 
Dada su complejidad y el coste técnico relativamente elevado, hasta la fecha apenas se ha aprovechado el potencial del procesamiento de imágenes 3D. Sin embargo, con la incorporación de la cámara estéreo 3D Ensenso a sus soluciones robóticas la empresa bsAutomatisierung ha demostrado que se pueden llevar a cabo de forma rentable y con seguridad de proceso tareas sumamente exigentes como el bin-picking. Gracias a su interfaz USB 2.0, la cámara es fácil de integrar y su tecnología la convierte en una herramienta más que interesante también desde el punto de vista económico. Y por lo que respecta a la rapidez, es muy superior a otras soluciones. Además de la Ensenso con interfaz USB, próximamente se presentará un modelo con interfaz GigE y dos sensores CMOS de 1,3 megapíxeles de e2v.