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Möbelmontage mit Ensenso N35

Produkte, die verwendet wurden:N30 | N35

Anwendung

Um dem Roboter beim Zusammenbau des IKEA-Stuhls zu helfen, kodierte das Team der „School of Mechanical and Aerospace Enginieering“ Algorithmen mit drei verschiedenen Open-Source-Bibliotheken. Die Roboterhardware ist so konzipiert, dass sie nachempfindet, womit Menschen Objekte montieren: die "Augen" werden durch eine 3D-Kamera ersetzt und die "Arme" durch Industrieroboterarme, die in der Lage sind, sechs Achsen zu bewegen. Jeder Arm ist mit Parallelgreifern zur Aufnahme von Objekten ausgestattet. An den Handgelenken sind Kraftsensoren angebracht, die bestimmen, wie stark die "Finger" greifen und wie stark sie Objekte in Kontakt miteinander bringen.

Der Roboter startet den Montageprozess, indem er 3D-Aufnahmen der auf dem Boden liegenden Teile macht, um eine Karte der geschätzten Positionen der verschiedenen Komponenten zu erstellen. Diese Aufgabe übernimmt eine Ensenso 3D Kamera. Sie arbeitet nach dem Prinzip des räumlichen Sehens (Stereo Vision), das dem menschlichen Sehvermögen nachempfunden ist. Zwei Kameras betrachten dabei eine Szene aus unterschiedlichen Positionen. Obwohl der Bildinhalt beider Kamerabilder identisch scheint, weisen sie Unterschiede in der Lage der betrachteten Objekte auf. In einem Bildvergleich suchen spezielle Algorithmen nach Bildpunkten und visualisieren ihre Verschiebung in einer Karte mit allen gefundenen Unterschieden. Die Ensenso-Software kann die 3D-Koordination für jeden einzelnen Bild-Pixel bzw. Objektpunkt, in diesem Fall der Bauteile des Stuhles, bestimmen.

Herausforderung

Die Herausforderung besteht in der möglichst genauen, schnellen und zuverlässigen Lokalisierung der Bauteile in einer unübersichtlichen Umgebung. Dafür sorgt zum einen ein lichtstarker Projektor der Ensenso Kameras. Er projiziert auch bei schwierigen Lichtverhältnissen, mittels einer Pattern-Maske, eine kontrastreiche Textur auf das abzubildende Objekt und ergänzt somit die auf dessen Oberfläche nicht oder nur schwach vorhandenen Strukturen, wie man sie bei den Bauteilen des IKEA-Stuhles vorfindet. In dieser Anwendung zwar nicht erforderlich, könnte das hier eingesetzte Modell sogar noch einen Schritt weitergehen: aufgrund der integrierten FlexView-Technik verschiebt sich die projizierte Textur auf der Objektoberfläche der Bauteile ebenfalls und visualisiert andere Hilfsstrukturen. Mehrere Bildpaare derselben Szene, die mit unterschiedlichen Texturen aufgenommen werden, erzeugen eine viel höhere Anzahl von Bildpunkten. Somit werden die Bauteile des Stuhles in viel größerer Auflösung in 3D abgebildet um sie für den Roboter besser erkennbar zu machen.

Einen weiteren Vorteil bietet die durch die Ensenso-Software integrierte Funktion für die Roboter-Hand-Auge-Kalibrierung. Mittels Kalibrierplatte sorgt sie dafür, dass die Lage des Kamerakoordinatensystems (der in diesem Fall stationären Kamera) zum Basiskoordinatensystem (Lage des Bauteiles) bestimmt wird. Damit kann die Hand des Roboters exakt auf die Bildinformationen reagieren und kommt präzise zum Ziel.

"Für einen Roboter ist der Zusammenbau eines IKEA Stuhls mit einer solchen Präzision komplexer, als es aussieht“, erklärt Professor Pham Quang Cuong von der NTU. „Die Montage, die für den Menschen natürlich ist, muss in verschiedene Schritte aufgeteilt werden, wie z.B. das Erkennen, wo sich die verschiedenen Stuhlteile befinden, die zum Greifen der Teile erforderliche Kraft und die Sicherstellung, dass sich die Roboterarme bewegen, ohne miteinander zu kollidieren. Wir haben Algorithmen entwickelt, die es dem Roboter ermöglichen, die notwendigen Schritte zur Selbstmontage des Stuhls zu unternehmen.“ Das Ergebnis: der Roboter der NTU montiert Stuhl "Stefan" von IKEA in nur 8 Minuten und 55 Sekunden.

Ausblick

Künstliche Intelligenz soll die Anwendung laut Professor Pham Quang Cuong künftig noch selbständiger und zukunftsträchtiger machen: "Wir wollen mehr künstliche Intelligenz in diesen Ansatz integrieren, um den Roboter autonomer zu machen, damit er die verschiedenen Schritte des Zusammenbaus eines Stuhls durch menschliche Demonstration, durch das Lesen der Bedienungsanleitung oder sogar durch ein Bild des zusammengesetzten Produkts erlernen kann".

Der von den Wissenschaftlern der NTU Singapur entwickelte Roboter wird für die Erforschung geschickter Manipulation eingesetzt, einem Bereich der Robotik, der eine präzise Steuerung von Kräften und Bewegungen spezieller Roboterhände oder –Finger erfordert. Dafür ist ein perfektes Zusammenspiel aller Hard- und Software-Komponenten erforderlich. Die 3D-Bildverarbeitung mit Hilfe der Ensenso Stereo-3D-Kameras ist dabei der Schlüssel zur Lösung. Sie überzeugt nicht nur durch Genauigkeit, sondern auch in puncto Wirtschaftlichkeit und Schnelligkeit. Bei der Möbelmontage – und nicht nur hier - ein echter Fortschritt.

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