CÓMO LOS SISTEMAS DE VISIÓN MÁQUINA AYUDAN A LA ROBÓTICA INDUSTRIAL A TRANSFORMAR LA FABRICACIÓN

Debido a un mercado laboral ajustado, los fabricantes actuales tienen una necesidad aparentemente insaciable de aumentar la flexibilidad, mejorar la productividad y emplear humanos sólo para tareas en las que agregan mayor valor. Desde el cuidado de máquinas, el montaje y la recogida de contenedores hasta la recogida y colocación, la manipulación de materiales y el embalaje, el uso de robots industriales y robots colaborativos (cobots) está aumentando en la automatización de fábricas.

Las razones principales para implementar aplicaciones robóticas incluyen el costo, el volumen, la calidad y la precisión, así como la seguridad y los movimientos repetitivos. ¿El costo actual por unidad es demasiado alto? ¿Faltan recursos para aumentar el volumen de producción? ¿Hay problemas de calidad con los entregables? ¿El tamaño de las piezas o los requisitos de precisión exceden lo que los humanos pueden manejar? ¿Los materiales manipulados son peligrosos para los humanos o los movimientos repetitivos causan lesiones? Si es así, una aplicación de robot industrial o cobot podría ser la respuesta.

Muchos fabricantes ya están utilizando sistemas de visión en robótica para automatizar sus procesos de montaje e inspección. Para especificar un sistema de visión para el guiado de robots, la aplicación debe evaluarse y comprenderse minuciosamente y deben definirse los requisitos de rendimiento. La exactitud, la repetibilidad, la precisión, la robustez y el rendimiento son algunas consideraciones que determinan el rendimiento de los sistemas de visión robótica. No sólo es importante elegir el robot adecuado, sino también seleccionar el hardware del sistema de visión correcto para la tarea en cuestión. 

Si bien es posible reducir el tiempo de integración con un paquete VGR de un proveedor de robots para aplicaciones simples de sistemas de visión robótica, la mayoría de las aplicaciones VGR presentan desafíos importantes. Las empresas de visión artificial suelen ser expertas en la formación, el procesamiento y el análisis de imágenes, lo que les otorga una ventaja significativa sobre los proveedores de robots a la hora de ofrecer soluciones robóticas basadas en visión de alto rendimiento. Además, especificar una cámara para un sistema de visión robótica de un proveedor acreditado con experiencia en visión artificial ofrece la flexibilidad de utilizar el robot de su elección y luego elegir entre una gama más amplia de ofertas de cámaras para optimizar las aplicaciones de su sistema de visión robótica.

Emergent Vision Technologies puede integrar y enviar sistemas de rendimiento llave en mano involucrando múltiples cámaras de visión artificial, múltiples servidores, GPU, tarjetas FPGA, SSD, conmutadores y otros componentes, diseñados para requisitos de aplicaciones específicas. Este enfoque es adecuado para la creación rápida de prototipos y la implementación general de algoritmos de rendimiento. Un sistema de este tipo permite realizar pruebas de rendimiento e incluso crear prototipos de algoritmos de GPU personalizados como IA, inferencia, coincidencia de patrones, reconstrucción 3D, dispersión gaussiana y compresión. También es posible trabajar con las imágenes guardadas utilizando software como NERF (campos de radiación neuronal), RealityCapture, Theia Markerless y Agisoft.

Muchas aplicaciones nuevas de VGR se justifican fácilmente en términos de costos hoy en día debido al menor costo de los sistemas de visión. VGR también se puede implementar de forma más rápida y sencilla que nunca gracias a una calibración simplificada, una integración más sencilla y nuevos estándares de conectividad. Los sistemas de visión artificial de última generación son fáciles de integrar con otros sistemas de fábrica y pueden comunicarse con todos los demás dispositivos de la red. Esto los convierte en una buena opción para los fabricantes que buscan crear una fábrica más conectada y automatizada.

Las cámaras de los robots sirven como ojos, tomando fotografías de alta resolución o transmisiones de video del área de la celda de trabajo robótica. Las cámaras de visión robótica pueden variar desde cámaras RGB estándar hasta variantes especializadas como cámaras NIR o de profundidad. Hacer coincidir la cámara adecuada con la aplicación específica del robot guiado por visión es fundamental para una implementación exitosa de VGR. 

Las cámaras de Emergent Vision Technologies admiten una optimización GigE Vision Enfoque Stream Protocol (GVSP) para aplicaciones VGR que requieren una transmisión de imágenes confiable. Para el procesamiento en tiempo real y sistemas VGR multicámara, las cámaras Emergent tienen capacidades de transferencia de imágenes sin copia y pérdida de datos, lo que garantiza una transferencia de imágenes eficiente con una sobrecarga mínima de CPU.

VGR y muchas otras aplicaciones de inspección y control de calidad se benefician de las cámaras 5GigE, 10GigE, 25GigE y 100GigE de Emergent con sensores Sony Pregius S y Gpixel CMOS. Los siguientes sensores de imagen Sony Pregius S CMOS se utilizan en nuestras cámaras 5GigE Eros y 10GigE HR: 

• 5.1 MP IMX547: Cámara HE-5000-SBL 5GigE (45.5 fps), Cámara HR-5000-SBL 10GigE (99fps)
• 8.1 MP IMX546: Cámara HE-8000-SBL 5GigE (36.5 fps), Cámara HR-8000-SBL 10GigE (73fps)
• 12.4 MP IMX545: Cámara HE-12000-SBL 5GigE (34 fps), Cámara HR-12000-SBL 10GigE (68fps)
• 16.13 MP IMX542: Cámara HE-16000-SBL 5GigE (26 fps), Cámara HR-16000-SBL 10GigE (52fps)
• 20.28 MP IMX541: Cámara HE-20000-SBL 5GigE (21.5 fps), Cámara HR-20000-SBL 10GigE (43fps)
• 24.47 MP IMX540: Cámara HE-25000-SBL 5GigE (17.5 fps), Cámara HR-25000-SBL 10GigE (35fps)

La serie 25GigE Bolt también aprovecha el IMX5.1 de 537MP en su HB-5000-SB (269 fps), 8.1MP IMX536 en su HB-8000-SB (201 fps), 12.3MP IMX535 en su HB-12000-SB (192 fps), 20.28MP IMX531 en su HB-20000-SB, y el IMX24.47 de 530MP en su HB-25000-SB (98 fps). 

Además, la resolución de la cámara en los sistemas de visión robótica probablemente varía según los requisitos de la aplicación. Muchas aplicaciones de visión robótica tienen éxito con cámaras de visión robótica que tienen unos pocos megapíxeles de resolución. Por otro lado, para inspección de alta resolución o visión artificial para guiar robots en aplicaciones FoV (campo de visión) de gran tamaño, es posible que algunas cámaras de visión robótica tengan una resolución de 64 megapíxeles o más.

Para aplicaciones VGR que requieren cámaras de alta resolución, como cuando se deben identificar características pequeñas a distancia o en aplicaciones de campo de visión muy grande, Emergent ofrece una amplia gama de modelos de alta resolución en sus diferentes familias de cámaras, que van hasta la Cámara Zenith HZ-100-G 100 GigE (103.7 MP Gpíxeles GMAX32103) y Cámara Bolt HB-127-S 25GigE (127.7MP Sony IMX661) cámaras.

Existen ciertas aplicaciones de VGR donde pueden ser necesarias tecnologías de imágenes especializadas, como la detección de marcas de agua antifalsificación o códigos de seguridad en etiquetas. Se pueden utilizar cámaras infrarrojas de onda corta para tomar imágenes de estas botellas y garantizar niveles de llenado precisos. Cámaras como la HE-300-SI, HE-1300-SI, HE-3200-SIy HE-5300-SI – que forman parte de la serie de cámaras Eros 5GigE, aproveche los sensores avanzados SenSWIR de Sony, que son capaces de capturar imágenes en el rango de 400 a 1700 nm. Estas cámaras se basan en los sensores Sony de 0.33 MP IMX991, 1.31 MP IMX990, 3.14 MP IMX993 y 5.24 MP IMX992.

Se pueden utilizar varias cámaras de visión robótica para guía e inspección robóticas, incluidas cámaras de acceso remoto directo a memoria (RDMA). Con esta tecnología, los datos se pueden mover entre dispositivos en una red sin la participación de la CPU, paquete por paquete. 

Emergent utiliza la omnipresente infraestructura Ethernet para una adquisición y transferencia de datos confiable y sólida, en lugar de interfaces propietarias o punto a punto. Es compatible con la tecnología GPUDirect de NVIDIA, que permite transferir imágenes directamente a la memoria de la GPU, con su implementación optimizada de GigE Vision.

Al utilizar el software Emergent eCapture Pro, las cámaras con tecnología GPUDirect también pueden transferir imágenes directamente a la memoria de la GPU. Al implementar esta tecnología, se logra una utilización cero de la CPU y una generación de imágenes de ancho de banda de memoria cero sin pérdida de datos. Al utilizar capacidades de GPU más potentes, esta tecnología reduce el impacto de grandes transferencias de datos en la CPU y la memoria del sistema, al tiempo que mantiene la compatibilidad con el estándar GigE Vision y la interoperabilidad con periféricos y software compatibles.

Los robots industriales y cobots se han convertido en una parte esencial del proceso de fabricación y ofrecen una amplia gama de beneficios, que incluyen mayor productividad, eficiencia, calidad y seguridad. Los fabricantes utilizan varios tipos de robots. Cada tipo de robot tiene sus propias características únicas y se adapta a diferentes tipos de tareas en el proceso de fabricación.

Robots articulados: Los robots articulados, los más utilizados, se clasifican según el número de puntos de rotación, o ejes, que tienen. El más común es el robot articulado de 6 ejes; la mayoría de los robots y cobots entran en esta categoría. También conocidos como brazos robóticos, los robots articulados son extremadamente versátiles debido a su configuración de junta giratoria y pueden adaptarse fácilmente a cambios o variaciones del proceso mediante programación o integración con sistemas de visión del robot. Los robots articulados pueden cubrir grandes espacios de trabajo gracias a sus múltiples ejes de rotación, que les permiten alcanzar todos los ángulos, trabajar con una variedad de piezas de trabajo y realizar tareas complejas como montaje, soldadura, manipulación de materiales y cuidado de máquinas.

Robots de brazo robótico articulado de cumplimiento selectivo (SCARA): Los robots SCARA destacan en tareas de montaje vertical que requieren movimiento entre planos paralelos, como transferir piezas de una bandeja a un transportador. Entre los robots industriales más rápidos, los SCARA son ideales para automatizar procesos de alta velocidad o reducir significativamente los tiempos de ciclo. En aplicaciones de ensamblaje, los robots SCARA combinan flexibilidad y rigidez y ofrecen una relación precio-rendimiento competitiva debido a su tamaño más pequeño y menos ejes mecánicos. Su tamaño relativamente compacto y su corto alcance los hacen ideales para áreas de trabajo pequeñas o reducidas. Los brazos robóticos de fabricación SCARA son increíblemente precisos, lo que los hace adecuados para aplicaciones de montaje o desmontaje, recogida y colocación, manipulación de materiales y otras operaciones que requieren precisión, velocidad y movimiento suave.

Robots delta: Los robots Delta utilizan tres motores montados en una base para accionar los brazos de control que posicionan la muñeca. Debido a su construcción de enlaces paralelos y la distribución del peso de sus motores, los robots delta son más rápidos que la mayoría de los otros tipos de robots manipuladores. De hecho, son un 30% más rápidos que los robots SCARA y pueden procesar hasta 3 piezas por segundo o 180 piezas por minuto. Las aplicaciones comunes incluyen recoger y colocar, dispensación de adhesivo, embalaje y clasificación, soldadura, operaciones de ensamblaje, impresión 3D y controladores hápticos.

Fig 1: Las tecnologías de visión artificial pueden ayudar a guiar a los robots delta para realizar selecciones a alta velocidad.

Robots cartesianos: Los robots cartesianos suelen moverse linealmente a lo largo de los ejes X, Y y Z. Un eje de rotación en el extremo de la Z puede elevar el número de ejes a cuatro. Son fáciles de personalizar, mantener y controlar mediante un PLC simple para movimiento punto a punto, a diferencia de los robots de brazos articulados, que requieren programación y sistemas de control robótico más complejos. Con una alta capacidad de carga y un alto grado de rigidez y precisión mecánica, los robots cartesianos encuentran aplicación en operaciones de recogida y colocación, soldadura, inspección, aplicaciones CNC, impresión 3D, corte por plasma/láser, fresado de madera y ensamblaje de PCB.

Robots polares: Los robots polares, también conocidos como robots esféricos, tienen articulaciones conectadas mediante un mecanismo de torsión, lo que permite una capacidad de largo alcance en posición horizontal y una buena capacidad de elevación de carga. Son adecuados para aplicaciones en las que será suficiente una pequeña cantidad de movimiento vertical. Conocidos por su alta velocidad y precisión, su manejo de cargas pesadas y su tamaño compacto, los robots polares son adecuados para su uso en espacios de trabajo limitados. Las aplicaciones incluyen carga de máquinas herramienta, movimiento de materiales, apilado, operaciones de tratamiento térmico, forjado, automatización de soldadura, operaciones de ensamblaje y cuidado de procesos de fundición a presión, así como en sistemas de pintura y aplicaciones de cuidado de líneas de pintura.

Robots cilíndricos: Los robots cilíndricos operan dentro de un entorno de trabajo compacto de forma cilíndrica. La mecánica es rentable y sencilla con un eje giratorio para la rotación en la base y dos ejes lineales para la altura y la extensión del brazo. Los robots cilíndricos tienen una mayor capacidad de carga y proporcionan una alta rigidez al manipulador. Generalmente son adecuados para aplicaciones de recogida y colocación en embalaje, cuidado de máquinas, manipulación de materiales, paletización, dispensación y tareas simples de soldadura y soldadura.

Antes de elegir el tipo de robot más adecuado para una aplicación particular, es importante definir los requisitos específicos de la tarea, como la velocidad, precisión y carga útil requeridas, así como los requisitos del espacio de trabajo y el presupuesto.

La automatización tradicional, que incluye sistemas de automatización fijos y robots ciegos y cobots convencionales, es más adecuada para aplicaciones en las que se producen volúmenes muy elevados de una sola pieza o de algunas piezas similares. Sin embargo, si las piezas no se pueden alimentar o fijar dentro de las tolerancias adecuadas para que el robot las agarre con precisión, se necesitará visión artificial para guiar al robot y garantizar una recogida o colocación precisa.

Fig 2: Agregar visión artificial a un robot industrial crea un sistema flexible con más capacidades.

Un robot guiado por visión es una solución de automatización mucho más flexible y versátil. Las aplicaciones de sistemas de visión robótica permiten una fabricación flexible al permitir que los robots se adapten a los cambios de productos y automatizar una amplia gama de aplicaciones de ensamblaje, incluidas aquellas con lotes pequeños de piezas o lotes mixtos de varias piezas. Con los robots guiados por visión, no es necesario sujetar las piezas mediante costosos accesorios de precisión, no se requiere mano de obra adicional para cargar y orientar las piezas, y no se necesitan actuadores ascendentes para clasificar y alimentar las piezas.

Además de automatizar una amplia gama de aplicaciones de ensamblaje, también se puede utilizar un sistema VGR para inspección de componentes o ensamblajes terminados; VGR también es útil en paletizado automatizado, seguimiento de transportadores y selección aleatoria de piezas. Además, un robot industrial con un sistema de visión integrado probablemente también podrá medir piezas y productos, así como leer códigos de barras en ellos.

Mientras los fabricantes luchan por mantenerse al día con las demandas de los clientes de productos personalizados entregados a la velocidad del rayo, deben adoptar sistemas automatizados de producción y control de calidad. Sin embargo, la visión artificial tradicional para robótica en la que los fabricantes han confiado en el pasado puede no ser tan efectiva hoy en día, debido a una mayor variación y frecuencia de cambios en los tipos de productos, procesos y paquetes.

En tales casos, la IA, el aprendizaje automático y el aprendizaje profundo han intervenido para ayudar a los sistemas de visión artificial a localizar piezas con un nivel muy alto de precisión y realizar de manera más eficiente inspecciones automatizadas complejas en una amplia variedad de productos e incluso ensambles finales de gran tamaño. Como resultado, hoy en día los fabricantes están instalando sistemas de inspección automatizados que verifican prácticamente cualquier producto con tasas de rechazo de falsos negativos más bajas que las que se podrían lograr con IA o sistemas de visión basados ​​en reglas únicamente, combinando las capacidades de las soluciones de visión artificial con IA con las fortalezas. de algoritmos tradicionales de visión artificial, incluida la visión 3D.

Además, el aprendizaje profundo reduce las microparadas debidas a casos de esquinas y bordes y permite que los robots realicen tareas de montaje e inspección simultáneamente. La combinación de estas tareas reduce las pérdidas de productividad causadas por variaciones de piezas y la detección tardía de defectos.

Fig 3: Las cámaras de visión artificial de alta velocidad de Emergent Vision Technologies pueden ayudar a los robots a realizar una amplia variedad de tareas.

Para opciones de cámara adicionales, consulte nuestra herramienta de diseño de sistemas interactivos.