머신 비전 시스템이 산업 로봇공학의 제조 혁신을 돕는 방법

긴박한 노동 시장으로 인해 오늘날의 제조업체는 유연성을 높이고, 생산성을 향상시키며, 가장 많은 가치를 창출하는 작업에만 인력을 고용해야 하는 끝없는 요구를 갖고 있습니다. 머신 텐딩, 조립, 빈 피킹부터 픽 앤 플레이스, 자재 취급, 포장에 이르기까지 공장 자동화 분야에서 산업용 로봇과 협동 로봇(코봇)의 사용이 증가하고 있습니다.

로봇 애플리케이션을 배포하는 주요 이유에는 비용, 용량, 품질, 정밀도는 물론 안전과 반복적인 동작이 포함됩니다. 현재 단위당 비용이 너무 높은가요? 생산량을 늘릴 수 있는 자원이 부족합니까? 결과물에 품질 문제가 있습니까? 부품 크기 또는 정밀도 요구 사항이 인간이 처리할 수 있는 수준을 초과합니까? 취급되는 물질이 인체에 위험합니까, 아니면 반복적인 동작으로 인해 부상을 입습니까? 그렇다면 산업용 로봇이나 협동로봇 애플리케이션이 답이 될 수 있습니다.

많은 제조업체는 이미 로봇 공학의 비전 시스템을 사용하여 조립 및 검사 프로세스를 자동화하고 있습니다. 로봇 안내를 위한 비전 시스템을 지정하려면 애플리케이션을 철저히 평가하고 이해해야 하며 성능 요구 사항을 정의해야 합니다. 정확성, 반복성, 정밀도, 견고성 및 처리량은 로봇 비전 시스템의 성능을 결정하는 몇 가지 고려 사항입니다. 올바른 로봇을 선택하는 것뿐만 아니라 현재 작업에 적합한 비전 시스템 하드웨어를 선택하는 것도 중요합니다. 

간단한 로봇 비전 시스템 애플리케이션을 위해 로봇 공급업체의 VGR 패키지를 사용하여 통합 시간을 줄이는 것이 가능하지만 대부분의 VGR 애플리케이션에는 상당한 과제가 있습니다. 머신 비전 회사는 일반적으로 이미지 형성, 이미지 처리 및 이미지 분석에 능숙하므로 고성능 비전 기반 로봇 솔루션을 제공하는 데 있어 로봇 공급업체에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 또한, 머신 비전 경험이 있는 평판 좋은 공급업체의 로봇 비전 시스템용 카메라를 지정하면 선택한 로봇을 사용할 수 있는 유연성을 제공하고 더 넓은 범위의 카메라 제품 중에서 선택하여 로봇 비전 시스템 애플리케이션을 최적화할 수 있습니다.

Emergent Vision Technologies는 통합 및 출시가 가능합니다. 턴키 성능 시스템 다수를 포함하는 머신 비전 카메라, 특정 애플리케이션 요구 사항에 맞게 설계된 여러 서버, GPU, FPGA 카드, SSD, 스위치 및 기타 구성 요소. 이 접근 방식은 신속한 프로토타이핑 및 성능 알고리즘의 일반적인 배포에 적합합니다. 이러한 시스템을 사용하면 성능 테스트는 물론 AI, 추론, 패턴 일치, 3D 재구성, 가우스 스플래팅, 압축과 같은 맞춤형 GPU 알고리즘의 프로토타입 제작도 가능합니다. NERF(신경 복사 필드), RealityCapture, Theia Markerless 및 Agisoft와 같은 소프트웨어를 사용하여 저장된 이미지로 작업하는 것도 가능합니다.

오늘날 많은 새로운 VGR 애플리케이션은 비전 시스템의 저렴한 비용으로 인해 쉽게 비용 정당화됩니다. VGR은 단순화된 교정, 보다 쉬운 통합 및 새로운 연결 표준 덕분에 그 어느 때보다 빠르고 쉽게 배포할 수 있습니다. 최첨단 머신 비전 시스템은 다른 공장 시스템과 쉽게 통합할 수 있으며 네트워크의 다른 모든 장치와 통신할 수 있습니다. 따라서 더욱 연결되고 자동화된 공장을 만들고자 하는 제조업체에게 좋은 선택이 됩니다.

로봇의 카메라는 눈 역할을 하며 로봇 작업 셀 영역의 고해상도 사진이나 비디오 피드를 찍습니다. 로봇 비전 카메라는 표준 RGB 카메라부터 NIR 또는 깊이 카메라와 같은 특수 변형까지 다양합니다. 성공적인 VGR 구현을 위해서는 특정 비전 가이드 로봇 애플리케이션에 적합한 카메라를 일치시키는 것이 중요합니다. 

Emergent Vision Technologies의 카메라는 최적화된 GigE 비전 안정적인 이미지 전송이 필요한 VGR 애플리케이션을 위한 스트림 프로토콜(GVSP) 접근 방식입니다. 실시간 처리 및 다중 카메라 VGR 시스템의 경우 Emergent 카메라는 제로 복사 이미지 전송 및 제로 데이터 손실 이미징 기능을 갖추고 있어 최소한의 CPU 오버헤드로 효율적인 이미지 전송을 보장합니다.

VGR 및 기타 여러 품질 관리 및 검사 애플리케이션은 Sony Pregius S 및 Gpixel CMOS 센서가 탑재된 Emergent의 5GigE, 10GigE, 25GigE 및 100GigE 카메라의 이점을 활용합니다. 다음 Sony Pregius S CMOS 이미지 센서는 5GigE Eros 및 10GigE HR 카메라에 사용됩니다. 

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

25GigE Bolt 시리즈는 또한 5.1MP IMX537을 활용합니다. HB-5000-SB (269fps), 8.1MP IMX536 HB-8000-SB (201fps), 12.3MP IMX535 HB-12000-SB (192fps), 20.28MP IMX531 HB-20000-SB, 그리고 24.47MP IMX530 HB-25000-SB (98fps). 

또한 로봇 비전 시스템의 카메라 해상도는 애플리케이션 요구 사항에 따라 달라질 수 있습니다. 많은 로봇 비전 애플리케이션은 몇 메가픽셀의 해상도를 가진 로봇 비전 카메라를 사용하여 성공적으로 작동합니다. 반면에 고해상도 검사 또는 대형 FoV(시야각) 애플리케이션에서 로봇을 안내하는 머신 비전의 경우 일부 로봇 비전 카메라의 해상도는 64메가픽셀 이상일 수 있습니다.

먼 거리에서 작은 특징을 식별해야 하는 경우나 매우 넓은 시야 응용 프로그램과 같이 고해상도 카메라가 필요한 VGR 응용 프로그램의 경우 Emergent는 다양한 카메라 제품군에 걸쳐 광범위한 고해상도 모델을 제공합니다. Zenith HZ-100-G 100GigE 카메라 (103.7MP Gpixel GMAX32103) 및 볼트 HB-127-S 25GigE 카메라 (127.7MP Sony IMX661) 카메라.

위조 방지 워터마크 또는 라벨의 보안 코드 감지와 같은 특수 이미징 기술이 필요할 수 있는 특정 VGR 애플리케이션이 존재합니다. 단파 적외선 카메라를 사용하면 이러한 병을 통해 이미지를 촬영하여 정확한 충전 수준을 확인할 수 있습니다. 다음과 같은 카메라 HE-300-SI, HE-1300-SI, HE-3200-SI및 HE-5300-SI - Eros 5GigE 카메라 시리즈의 일부인 – 400~1700nm 범위의 이미지를 캡처할 수 있는 고급 Sony SenSWIR 센서를 활용합니다. 이 카메라는 Sony의 0.33MP IMX991, 1.31MP IMX990, 3.14MP IMX993 및 5.24MP IMX992 센서를 기반으로 합니다.

RDMA(원격 직접 메모리 액세스) 카메라를 포함하여 다양한 로봇 비전 카메라를 로봇 안내 및 검사에 사용할 수 있습니다. 이 기술을 사용하면 CPU 개입 없이 패킷 단위로 네트워크의 장치 간에 데이터를 이동할 수 있습니다. 

Emergent는 안정적이고 강력한 데이터 수집 및 전송을 위해 독점 또는 지점 간 인터페이스 대신 유비쿼터스 이더넷 인프라를 활용합니다. 최적화된 GigE Vision 구현을 통해 이미지를 GPU 메모리로 직접 전송할 수 있는 NVIDIA의 GPUDirect 기술을 지원합니다.

GPUDirect 기술이 탑재된 카메라는 Emergent eCapture Pro 소프트웨어를 사용하여 이미지를 GPU 메모리로 직접 전송할 수도 있습니다. 이 기술을 배포하면 데이터 손실 없이 CPU 사용률 0과 메모리 대역폭 이미징이 0이 됩니다. 보다 강력한 GPU 기능을 사용함으로써 이 기술은 시스템의 CPU 및 메모리에 대한 대용량 데이터 전송의 영향을 줄이는 동시에 GigE Vision 표준과의 호환성 및 호환 주변 장치 및 소프트웨어와의 상호 운용성을 유지합니다.

산업용 로봇과 코봇은 제조 공정의 필수적인 부분이 되었으며 생산성, 효율성, 품질 및 안전성 향상을 비롯한 다양한 이점을 제공합니다. 제조업체는 여러 유형의 로봇을 사용합니다. 각 유형의 로봇은 고유한 기능을 갖고 있으며 제조 공정의 다양한 작업 유형에 적합합니다.

다 관절 로봇: 가장 널리 사용되는 다관절 로봇은 회전점, 즉 축의 개수에 따라 분류됩니다. 가장 일반적인 것은 6축 다관절 로봇입니다. 대부분의 로봇과 협동로봇이 이 범주에 속합니다. 로봇 팔이라고도 알려진 다관절 로봇은 회전식 관절 구성으로 인해 매우 다재다능하며 프로그래밍이나 로봇 비전 시스템과의 통합을 통해 프로세스 변경이나 변형에 쉽게 적응할 수 있습니다. 다관절 로봇은 여러 회전 축 덕분에 넓은 작업 공간을 처리할 수 있어 모든 각도에 도달하고 다양한 공작물을 다루며 조립, 용접, 자재 취급, 머신 텐딩과 같은 복잡한 작업을 처리할 수 있습니다.

선택적 컴플라이언스 다관절 로봇 팔(SCARA) 로봇: SCARA 로봇은 트레이에서 컨베이어로 부품을 옮기는 것과 같이 평행한 평면 사이의 이동이 필요한 수직 조립 작업에 탁월합니다. 가장 빠른 산업용 로봇 중 SCARA는 고속 프로세스를 자동화하거나 사이클 시간을 크게 줄이는 데 이상적입니다. 조립 응용 분야에서 SCARA 로봇은 유연성과 강성을 결합하고 더 작은 크기와 더 적은 기계 축으로 인해 경쟁력 있는 가격 대비 성능 비율을 제공합니다. 상대적으로 작은 크기와 짧은 도달 거리로 인해 작거나 제한된 작업 영역에 이상적입니다. SCARA 제조 로봇 팔은 믿을 수 없을 만큼 정밀하므로 조립 또는 분해 응용 분야, 픽 앤 플레이스, 자재 취급 및 정밀성, 속도 및 부드러운 동작이 필요한 기타 작업에 적합합니다.

델타 로봇: 델타 로봇은 베이스에 장착된 30개의 모터를 사용하여 손목 위치를 지정하는 컨트롤 암을 작동합니다. 병렬 링크 구조와 모터의 중량 분포로 인해 델타 로봇은 대부분의 다른 유형의 로봇 조작기보다 빠릅니다. 실제로 SCARA 로봇보다 3% 빠르며 초당 최대 180개 부품, 분당 3개 부품을 처리할 수 있습니다. 일반적인 응용 분야에는 픽 앤 플레이스, 접착제 분배, 포장 및 분류, 납땜, 조립 작업, XNUMXD 프린팅 및 햅틱 컨트롤러가 포함됩니다.

그림 1 : 머신 비전 기술은 델타 로봇이 고속 선택을 하도록 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다.

데카르트 로봇: 데카르트 로봇은 일반적으로 X, Y 및 Z 축을 따라 선형으로 이동합니다. Z 끝의 회전축은 최대 3개의 축을 가져올 수 있습니다. 더 복잡한 로봇 제어 시스템과 프로그래밍이 필요한 관절식 팔 로봇과 달리 지점 간 이동을 위한 간단한 PLC를 사용하여 쉽게 사용자 정의, 유지 관리 및 제어할 수 있습니다. 높은 하중 운반 능력과 높은 수준의 기계적 강성 및 정확성을 갖춘 직교 로봇은 픽 앤 플레이스 작업, 용접, 검사, CNC 애플리케이션, XNUMXD 프린팅, 플라즈마/레이저 절단, 목재 라우팅 및 PCB 조립에 적용됩니다.

극지 로봇: 구형 로봇이라고도 알려진 폴라 로봇은 비틀림 메커니즘으로 연결된 관절을 가지고 있어 수평 위치에서 긴 도달 능력과 우수한 하중 리프팅 능력을 허용합니다. 이는 약간의 수직 이동으로도 충분할 수 있는 응용 분야에 적합합니다. 빠른 속도와 정밀도, 무거운 하중 처리, 작은 크기로 알려진 Polar 로봇은 제한된 작업 공간에서 사용하기에 적합합니다. 적용 분야에는 공작 기계 로딩, 자재 이동, 스태킹, 열처리 작업, 단조, 용접 자동화, 조립 작업, 다이캐스트 공정 관리뿐 아니라 페인팅 시스템 및 페인트 라인 관리 응용 분야도 포함됩니다.

원통형 로봇: 원통형 로봇은 소형 원통형 작업 범위 내에서 작동합니다. 메커니즘은 베이스 회전을 위한 하나의 회전 축과 높이 및 팔 확장을 위한 두 개의 선형 축을 사용하여 비용 효율적이고 간단합니다. 원통형 로봇은 더 높은 하중 운반 능력을 가지며 매니퓰레이터에 높은 강성을 제공합니다. 일반적으로 포장, 머신 텐딩, 자재 취급, 팔레타이제이션, 디스펜싱, 간단한 용접 및 납땜 작업 등의 픽 앤 플레이스 애플리케이션에 적합합니다.

특정 응용 분야에 가장 적합한 로봇 유형을 선택하기 전에 필요한 속도, 정확도, 페이로드는 물론 작업 공간 요구 사항 및 예산과 같은 작업의 특정 요구 사항을 정의하는 것이 중요합니다.

고정 자동화 시스템과 기존 블라인드 로봇 및 코봇을 포함하는 기존 자동화는 매우 많은 양의 단일 부품 또는 몇 개의 유사한 부품이 생산되는 응용 분야에 가장 적합합니다. 그러나 로봇이 정확하게 잡을 수 있도록 적절한 공차 내에서 부품을 공급하거나 고정할 수 없는 경우 정확한 픽업 또는 배치를 보장하기 위해 로봇 안내에 머신 비전이 필요합니다.

그림 2 : 산업용 로봇에 머신 비전을 추가하면 더 많은 기능을 갖춘 유연한 시스템이 만들어집니다.

비전 가이드 로봇은 훨씬 더 유연하고 다양한 자동화 솔루션입니다. 로봇 비전 시스템 애플리케이션은 로봇이 제품 변경에 적응할 수 있도록 하고, 소규모 부품 배치 또는 여러 부품의 혼합 배치를 포함한 광범위한 조립 애플리케이션을 자동화함으로써 유연한 제조를 가능하게 합니다. 비전 가이드 로봇을 사용하면 값비싼 정밀 고정 장치로 부품을 고정할 필요가 없고, 부품을 로드하고 방향을 지정하는 데 추가 노동력이 필요하지 않으며, 부품을 분류하고 공급하는 데 업스트림 액추에이터가 필요하지 않습니다.

VGR 시스템은 광범위한 조립 응용 분야를 자동화하는 것 외에도 부품 또는 완성된 조립품 검사에도 사용할 수 있습니다. VGR은 자동화된 팔레타이징, 컨베이어 추적 및 임의 부품 선택에도 유용합니다. 또한 통합 비전 시스템 안내 기능을 갖춘 산업용 로봇은 부품과 제품을 측정하고 바코드를 읽을 수도 있을 것입니다.

제조업체는 빠른 속도로 제공되는 맞춤형 제품에 대한 고객 요구를 충족하기 위해 노력하고 있으므로 자동화된 생산 및 품질 보증 시스템을 채택해야 합니다. 그러나 제조업체가 과거에 의존해 왔던 전통적인 로봇공학용 머신 비전은 제품, 프로세스 및 패키지 유형의 변화 빈도와 변화 증가로 인해 오늘날에는 그다지 효과적이지 않을 수 있습니다.

이러한 경우 AI, 머신 러닝, 딥 러닝이 개입하여 머신 비전 시스템이 매우 높은 수준의 정확도로 부품을 찾고 다양한 제품과 대형 최종 조립품에 대한 복잡한 자동 검사를 보다 효율적으로 수행할 수 있도록 지원했습니다. 결과적으로 오늘날 제조업체는 AI 머신 비전 솔루션의 기능과 강점을 결합하여 AI 또는 규칙 기반 비전 시스템만으로 달성할 수 있는 것보다 낮은 위음성 거부율로 거의 모든 제품을 검사하는 자동화된 검사 시스템을 설치하고 있습니다. 3D 비전을 포함한 전통적인 머신 비전 알고리즘.

또한 딥러닝은 모서리 케이스로 인한 미세한 정지를 줄이고 로봇이 조립과 검사 작업을 동시에 수행할 수 있도록 해줍니다. 이러한 작업을 결합하면 부품 변형 및 결함 발견 지연으로 인한 생산성 손실이 줄어듭니다.

Fig 3: Emergent Vision Technologies의 고속 머신 비전 카메라는 로봇이 다양한 작업을 수행하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

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