Robotica e Visione

 

Dalla ispezione dimensionale e qualitativa alla programmazione ottica dei percorsi, dalla guida robot 2D alle più moderne tecniche tridimensionali: panoramica delle applicazioni di visione artificiale proposte da SIR Soluzioni Industriali Robotizzate.

VISIONE E ROBOTICA: IL CONNUBIO VINCENTE
La visione artificiale ha conosciuto negli ultimi anni una massiccia diffusione in ambito industriale: le tecniche dell’Image Processing sono state integrate con successo all’interno delle isole robotizzate, in operazioni di controllo e guida degli antropomorfi in situazioni spaziali complesse. Tra i tanti System Integrator che hanno perseguito questo cammino, SIR Soluzioni Industriali Robotizzate si è distinta sia per il notevole know-how, acquisito in 26 anni di automazione ad alto livello, sia per la complessità delle soluzioni proposte, che la pongono tra i principali attori del settore a livello internazionale. Identificabile come un vero e proprio Problem Solver, l’azienda emiliana progetta e realizza soluzioni di robotica in diversi contesti applicativi, dall’assemblaggio alle lavorazioni di processo, dalla logistica all’handling, in tutti i comparti manifatturieri della moderna produzione industriale. Almeno il 70% degli impianti progettati e realizzati ogni anno da SIR prevede l’impiego di sistemi di Image Processing per le più disparate esigenze: la diversità delle singole problematiche ha spinto l’azienda a sviluppare una configurazione hardware originale e una famiglia di applicativi software le cui funzionalità sono state oggetto di brevetti italiani ed europei.

 

LA CONFIGURAZIONE HARDWARE E SOFTWARE
La familiarità nell’utilizzo dei robot ha consentito a SIR di sfruttarne appieno le caratteristiche di precisione e flessibilità anche nel contesto della visione: perché infatti non utilizzare lo stesso antropomorfo come strumento atto al posizionamento delle unità di ripresa immagine? La soluzione prevede l’utilizzo di un gruppo integrato illuminatore/telecamera, costituito da una matrice di LED bianchi, rossi o IR, a seconda dell’applicazione e delle caratteristiche tipiche dell’elemento da localizzare: materiale, forma e scenario di alimentazione. Il gruppo integrato può essere innestato a bordo mediante moduli di aggancio/sgancio rapido, divenendo uno dei tanti End-Effector del robot. In tal modo, l’antropomorfo può utilizzare l’unità di ripresa immagine (costituita da telecamere B/N o a colori) solamente quando ne necessita, svincolandosi dalle limitazioni poste da una configurazione alloggiata permanentemente a bordo. Quest’ultima tipologia di soluzione soffre infatti di problemi di ingombro del sistema oppure di danneggiamento delle camere a causa di polveri e liquidi tipici degli ambienti industriali. La soluzione SIR è invece esente da tali svantaggi di fondo e propone una matrice di LED inclinabile che permette di convogliare la luce in modo corretto all’interno del Field Of View (FOV). Ma i vantaggi non terminano qui: la configurazione proposta consente di svincolarsi da calibrazioni rigide e complicate, nonché di esaminare l’elemento da diverse angolazioni o distanze, consentendo il raggiungimento di una notevole flessibilità. La precisione di posizionamento dei moderni antropomorfi, dell’ordine di 0,1 mm, garantisce un’assoluta ripetibilità delle condizioni di controllo.
Da un punto di vista del software, SIR si è dedicata all’implementazione di un pacchetto proprietario, con caratteristiche Multi-Purpose, denominato VistaVision®. Costruito con architettura modulare, integra il meglio delle più blasonate librerie software del settore con alcuni tool brevettati dall’azienda, atti a risolvere particolari problematiche. Ormai giunto alla Release 4.1, il sistema è in continua evoluzione, grazie alla costante implementazione di nuove funzionalità. La grande velocità di calcolo si unisce all’interfaccia grafica User-Friendly e alla adattabilità a qualsiasi tipologia di scenario applicativo.

 

Immagine3
Immagine4
Immagine6
Immagine7

 

LA GUIDA ROBOT IN CONDIZIONI 2D
La configurazione sopra descritta trova la sua applicazione regina nella guida robot, ovverosia nella localizzazione di oggetti e nella determinazione delle loro coordinate (X,Y e angolo di giacitura sul piano), al fine di consentirne il prelievo a mezzo di un robot o altro dispositivo. Gli elementi sono generalmente alimentati tramite tavole rotanti a piani lisci universali, oppure su pallet o in cassoni in buono stato di ordine con o senza interfalde di separazione tra gli strati (condizioni 2D e 2½D). Il robot effettua N scansioni dello strato divise in righe e colonne (matrice di vista) correlando i singoli FOV in un’unica immagine calibrata ad elevata risoluzione. Tramite l’utilizzo di evoluti Pattern Matching geometrici multi-modello, il sistema è in grado di localizzare tutti gli elementi posti sullo strato in differenti giaciture (fronte, retro, etc.) oppure di effettuare il sorting di oggetti differenti nel caso di alimentazione eterogenea: la precisione di presa durante il prelievo è quantificabile in qualche decimo di millimetro o di grado, più che sufficiente per eseguire un picking affidabile. Il sistema si evidenzia per le strategie di determinazione della corretta sequenza di prelievo e per alcuni tool aggiuntivi di notevole interesse: primi fra tutti, l’algoritmo di verifica della zona di discesa delle griffe, preposto ad evitare collisioni del robot tra l’oggetto da prelevare e quelli adiacenti, e il controllo continuo ed istantaneo del livello di luminosità dell’area da ispezionare, con retroazione sull’esposizione della telecamera, al fine di correggere globalmente o localmente le zone sotto e sovra-esposte.

 

ISPEZIONE QUALITATIVA E DIMENSIONALE
Grazie all’utilizzo combinato del software VistaVision® e di particolari attrezzature in termini di ottica e di illuminazione (Backlight, Dome, LED speciali, etc.), SIR ha progettato e realizzato complesse macchine dedicate al controllo di particolari meccanici. Le tipologie di ispezione sono riassumibili nella verifica di corretto assemblaggio, nella ricerca di particolari significativi, nel controllo di occlusione dei fori, nella verifica dell’integrità dei filetti, nella misurazione di distanze fondamentali o di diametri di fori e smussi, infine nelle analisi di tipo superficiale. Queste ultime includono la verifica della presenza di cricche, porosità, ammaccature, testimoni di grezzo, bave, materiali in eccesso quali residui di sabbiatura oppure bruciature causate da utensili a fine vita. I controlli di tipo più prettamente dimensionale hanno portato a risultati notevoli a livello di precisione, con tolleranze che possono variare da 0,1 mm fino all’ordine dei centesimi, a seconda del FOV impostato, dell’ottica e dell’hardware utilizzati. Analoghi risultati sono stati ottenuti nell’analisi di difetti dalle dimensioni ridotte, anche su aree concave e convesse o nelle zone di entrata dei condotti, ispezionate con ottiche di tipo Pinhole. Grazie all’utilizzo delle più moderne tecniche di segmentazione, unite ad una nuova tecnologia di adattamento dinamico alla varianza degli elementi, è possibile attestarsi su un grado di affidabilità superiore al 99%. Particolare menzione merita l’ispezione dei filetti, con controllo delle singole creste, implementata grazie all’utilizzo di sonde endoscopiche dotate di illuminazione coassiale, in grado di ritornare una buona immagine anche su diametri dell’ordine dei 6 mm. Da un punto di vista logistico/costruttivo, le celle di ispezione SIR possono appartenere a due differenti tipologie, a seconda del tempo ciclo richiesto e della problematica da risolvere. La prima tipologia si basa sul concetto di giostra rotante con un numero di postazioni di controllo che può andare da un minimo di 4 a un massimo di 8, una delle quali è adibita a baia di carico/scarico asservita dal robot. Le altre stazioni sono dedicate ad uno o più tipologie di verifica, prevedendo di conseguenza le più disparate configurazioni hardware: per ogni posizione sono presenti più telecamere assemblate in diverse posizioni e spesso dotate di assi controllati. Tra le implementazioni più recenti, vanno senz’altro ricordate il controllo dimensionale e qualitativo di componenti di trasmissione in ambito automotive (65 verifiche in 12 secondi) e il test di componenti di motori per elettrodomestici (58 verifiche in soli 7,5 secondi).
La configurazione alternativa prevede invece l’utilizzo di robot antropomorfi di piccole dimensioni per la movimentazione delle telecamere, riprendendo il concetto degli End-Effector intercambiabili. A fronte di un tempo ciclo leggermente più elevato, questa soluzione garantisce una flessibilità maggiore rispetto alle macchine rigide, con limitazione dei costi dell’hardware: il robot può essere programmato diversamente da elemento a elemento, modificando posizioni di vista e tipologia delle ispezioni. Questa soluzione è stata applicata con successo nel controllo delle turbine per motori diesel e benzina, dove l’antropomorfo è impegnato nell’esecuzione di una trentina di test, che variano dall’analisi dei filetti alle verifiche di porosità: la tridimensionalità dell’elemento renderebbe in questo caso molto problematico l’utilizzo di telecamere fisse. Il robot può inoltre effettuare acquisizioni in movimento interpolato, con sincronizzazione dei trigger di acquisizione e degli strobe di illuminazione, tecnica adottata per il controllo della lappatura nei condotti passanti: in questo caso il robot si muove in modo sincrono con una Backlight che ruota in contro fase all’estremità opposta. Sono allo studio alcune applicazioni nell’ambito dell’ “infinitamente piccolo”, con elaborazioni di immagini direttamente provenienti da microscopi elettronici.

 

LA VISIONE COME STRUMENTO DI AUTOPROGRAMMAZIONE DELLE MACCHINE
Tra i tanti moduli che compongono il sistema VistaVision®, la funzione EasyPath rappresenta sicuramente uno delle caratteristiche più distintive. Si tratta di una vera e propria programmazione ottica dei percorsi, un utile strumento che assicura un risparmio temporale dell’ 80% rispetto al metodo tradizionale, basato sull’acquisizione manuale di centinaia di punti, con conseguente fermo dell’impianto. EasyPath, a differenza della simulazione su CAD robot dedicato che necessita della matematica 3D dell’elemento, utilizza un semplice unità di ripresa immagine e permette di tararsi sul pezzo reale, adattandosi ad eventuali variazioni nelle fusioni e nella quantità delle bave. Anche in questo caso, una matrice di vista righe/colonne genera un’unica immagine calibrata ad elevatissima risoluzione, con eliminazione delle zone di deformazione ottica. Un tool preposto all’estrazione dei profili determina i contorni da lavorare: impostando successivamente i dati dell’utensile (diametro e forma) nonché la velocità e l’approssimazione di movimento, l’applicativo calcola il percorso di lavorazione, eliminando i punti non utili o che generano incoerenze nella traiettoria (aree caratterizzate da rientranze nette). Una volta terminata la programmazione, EasyPath può essere utilizzato anche in modalità RunTime: il tool è infatti in grado di riconoscere, sul pezzo attualmente in fase di processing, le sezioni di percorso che si discostano dal contorno nominale, causate da bave o varianze particolarmente significative. Il passo successivo prevede quindi la retroazione del comportamento del robot, ottenuta modificando localmente il percorso, variando la velocità di avanzamento dell’utensile o compiendo più passate al fine di asportare l’eccedenza di materiale. La qualità e la precisione della lavorazione, che generalmente deve attestarsi nell’intorno di 0,2 mm, è garantita da opportuni metodi di allineamento del percorso.

 

LA VISIONE TRIDIMENSIONALE
Malgrado gli ambiziosi traguardi raggiunti con EasyPath, SIR continua a investire notevoli risorse in ambito R&D al fine di dotare i suoi sistemi di funzionalità inedite: la novità più interessante riguarda il lancio, previsto in questi mesi, di CubicVision, un applicativo studiato per la guida robot in condizioni 3D in differenti contesti applicativi. Grazie all’impiego congiunto di tecnologie di localizzazione complementari, quali la ricostruzione telecamere/laser, la stereoscopia e l’utilizzo di Pattern Matching tridimensionali con unità di ripresa immagine monoculari, verrà offerto all’utente un sistema multi-purpose in grado di generalizzare le problematiche di visione tridimensionale, estraniandosi dallo scenario di alimentazione e dalla tipologia e forma degli elementi, limitazioni che hanno spesso inficiato la diffusione della visione 3D in ambito industriale. A questo va aggiunta l’implementazione delle opportune strategie di prelievo, studiate per i più disparati contesti operativi. L’obiettivo è quello di sviluppare un software, sinora inesistente sul mercato, che sia affidabile e applicabile nella stragrande maggioranza dei casi e che possa rilevare posizione spaziale (X, Y, Z e angoli di Eulero) di elementi in stato di disordine non strutturato.
Grazie al concetto di visione come End-Effector del robot, SIR ha implementato la configurazione stereoscopica movimentando una sola telecamera “virtuale” nelle posizioni di acquisizione. Questa metodologia Hand-Eye, a differenza delle unità di ripresa fisse, permette di svincolare l’operatore da complesse calibrazioni regolando il volume di lavoro in relazione alle dimensioni del componente da individuare e memorizzando semplicemente nuove posizioni di localizzazione. La visione stereoscopica necessita dell’individuazione di almeno 3 dettagli dell’oggetto, utili per la successiva triangolazione: tale funzionalità viene garantito da un algoritmo di posizionamento ricorsivo in 2+N posizioni e da opportuni strumenti di correzione delle aberrazioni ottiche. Negli scenari in cui la stereoscopia potrebbe rilevarsi limitativa, il sistema può switchare sull’utilizzo di una telecamera solidale con un emettitore laser: utilizzando questa coppia di dispositivi, calibrati per uno specifico range di azione, è possibile ottenere immagini ricostruite in cui l’intensità di ogni pixel rappresenta la quota in altezza del componente visualizzato. Su tale immagine sarà possibile filtrare gli elementi con determinate caratteristiche di altezza, oppure si potrà optare per algoritmi di Pattern Matching dedicati in grado di ricavare la posizione spaziale utilizzando le informazioni relative alle deformazione dell’oggetto rispetto al modello di riferimento. Tali algoritmi costituiscono il cuore della terza tecnologia in esame, la visione 3D monoculare: in questo caso posizione spaziale e orientamento possono essere determinati con un’unica vista, osservando le caratteristiche planari sull’oggetto oppure misurando deformazione prospettica e distanza relativa di aree giacenti sullo stesso piano. Un ulteriore approccio algoritmico consente l’importazione della matematica 3D dell’elemento da localizzare, al fine di elaborare automaticamente una serie finita di modelli bidimensionali ottenuti per rototraslazione, da confrontare poi con l’immagine RunTime per ricercarne l’omografia. La sapiente combinazione di algoritmi software e configurazioni hardware garantirà la risoluzione dei problemi specifici di ogni singola applicazione: i robot SIR potranno quindi avvalersi di un sistema generico, in grado di adattarsi ai diversi contesti e superando il limite posto dall’alimentazione ordinata degli elementi. Si tratta di un’innovazione basilare per il settore, che va a soddisfare una crescente richiesta del mercato e che apre nuovi scenari nel campo dell’automazione intelligente.

 

Davide Passoni
R&D Department
SIR spa