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Bildverarbeitung

Robotersensorik abgelöst

22. März 2019, 03:00 Uhr   |  Stefan Lochbrunner


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Software statt Hardware

Manipulierende Robotersysteme, zum Beispiel zur Handhabung von Materialien, zur Montage oder in der Logistik, sind heute zum Großteil auf bestimmte Anwendungen abgestimmte, vorprogrammierte Spezialisten. Dies steht im Widerspruch zu immer kleiner werdenden Losgrößen und der hochflexiblen Produktion, also den Ansprüchen von ‚Industrie 4.0‘, sowie der modernen Servicerobotik. Ergo ist davon auszugehen, dass flexibel einsetzbare intelligente Robotersysteme, die Aufgaben autonom erledigen können, in den kommenden Jahren zunehmend in unterschiedlichste Industrie- und Lebensbereiche vordringen. 

Prototyp kamerabasierter Gelenksensorik, Robot Vision
© RoVi RobotVision

Prototyp der kamerabasierten Gelenksensorik auf der Hannover Messe 2018. Die Messung der Gelenkwinkel und die Steuerung des Roboterarmes (Mitte) erfolgen einzig durch Bildverarbeitung der aufgenommenen Kamerabilder (rechts oben).

Sensortechnologien zur Umgebungswahrnehmung und zur physischen Interaktion eines Roboters sind für solche Robotersysteme Schlüsseltechnologien. Sensoren zur Messung der Gelenkwinkel, Kraft-Momenten-Sensoren und taktile Sensoren, die heute allesamt als dezidierte Elektronikmodule realisiert werden, sind dabei entscheidend. Kameras werden darüber hinaus üblicherweise zur Objekterkennung und -lokalisierung sowie zur Prozesskontrolle verwendet.

Die Technologie von RoVi ersetzt komplexe hardwarebasierte Sensorsysteme durch ihre Sensor-Software und ermög-licht Robotern so das ‚Fühlen durch Sehen‘. Technisch umfasst dies die robuste Messung von Gelenkstellungen, Positionen, Greifkräften, Kontaktprofilen und anderen taktilen/haptischen Kontaktinformationen mit Hilfe von Bildverarbeitung und extern – das heißt neben oder über dem Arm beziehungsweise am Greifer – angebrachten Kameras.

Mit einer Analogie zum Menschen lässt sich dieses Sensorkonzept anschaulich erklären: Mit geschlossenen Augen kann ein Mensch seinen Arm nur ungenau po-sitionieren, da seine Wahrnehmung der Position der Gliedmaßen und deren Gelenkstellungen wenig präzise ist. Klassische Industrieroboter arbeiten in der Regel zwar ‚blind‘, nutzen im Gegensatz zum Menschen jedoch eine hochgenaue Sensorik zusammen mit einer steifen Konstruktion, um dennoch eine hochgenaue Positionierung des Endeffektors zu erreichen.

Integriertes Greifsystem, Robot Vision
© RoVi RobotVision

Rendering eines komplett integrierten Greifsystems, das neben einem industriellen Greifmodul und zwei Kameras mit der kamerabasierten taktilen Sensorik ausgestattet ist.

Der Mensch hingegen verwendet zusätzlich die visuelle Wahrnehmung und somit eine multimodale Informationsverarbeitung, um die präzise Manipulation von Objekten zu ermöglichen. Auf ähnliche Weise werden mit der softwarebasierten Sensorik von RoVi Gelenkstellungen eines Roboterarms, Positionen und Greifkräfte unter Verwendung von Kameras erfasst und dadurch eine präzise und autonome Interaktion des Roboters mit Objekten ermöglicht.

Die Software berechnet die Gelenkstellungen eines Roboterarms im dreidimen-sionalen Raum mit Hilfe von Bildanalyse-Algorithmen. Kraft-Momenten- und taktile Sensoren werden durch einfache passive flexible Elemente – zum Beispiel kostengünstigen Schaumstoff – ersetzt. Kontaktkräfte führen zu charakteristischen Verformungen dieser Elemente. Die Software misst diese Verformung ebenfalls mit Hilfe von Bildanalyse-Verfahren und berechnet anhand eines Materialmodells die anliegenden Kräfte und Momente. Die Sensor-Software ist anwendbar auf komplette Robotersysteme, Roboterarme, Greifer oder mobile Roboterplattformen und ermöglicht die intelligente Steuerung dieser Systeme.

Industrielle Roboterarme mit herkömmlichen Hardware-Sensoren weisen sehr hohe absolute Genauigkeiten (<0,1 mm) und Gelenkgeschwindigkeiten auf, da sie speziell dafür konstruiert sind. Hardware-Sensoren können Abtastraten von >1 kHz liefern. Ziel der RoVi-Technologie ist nicht, mit diesen Werten zu konkurrieren, sondern vielmehr auf Basis der relativen Genauigkeit zwischen dem Roboter und dem Zielobjekt relevante neue Anwendungsgebiete zu erschließen. Wie jeder Industriearm (falls er mit einer Kamera ergänzt wird) ist die Technologie durch die kamerabasierte Lageschätzung des Zielobjekts begrenzt. In typischen Set-ups mit einfachen Kameras (weniger als Full-HD-Auflösung) kann eine Posi-tioniergenauigkeit von circa 1 mm, mit UltraHD-Kameras bis zu <0,3 mm erreicht werden. Die Genauigkeit der taktilen und Kraft-Momenten-Sensoren hängt stark von der Kamera-Einstellung hinsichtlich Abstand und Auflösung ab. In typischen Fällen lässt sich eine Genauigkeit von unter 5 % erreichen, die mit der Genauigkeit von Hardware-Sensoren im mittleren Preis-segment vergleichbar ist.
 

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1. Robotersensorik abgelöst
2. Software statt Hardware
3. Erschwingliche Automatisierung
4. Von der Idee zum Start-up

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