81 Ventil 17 /2011/ 1 Uporaba naprednih industrijskih senzorjev v robotskih aplikacijah Boæidar ZAJC Boæidar Zajc, univ. dipl. inæ., Sick, d. o. o., Ljubljana PODJETJA PREDSTAVLJAJO Namen prispevka je prikazati uporabo nekaterih naprednih industrijskih senzorjev, ki so v zadnjem œasu vse bolj nepogreøljivi v robotskih aplikacijah. Najprej je predstavljen kratek pregled senzorjev pri podjetju Sick, ki se naj- pogosteje uporabljajo v robotskih aplikacijah, razen varnostnih senzorjev in sistemov, ki zaradi obseænosti potre- bujejo posebno obravnavo. Nekatere vrste senzorjev so le na kratko omenjene, veœji poudarek pa velja laserskim skenerjem, preciznim laserskim merilnikom razdalje, predvsem pa vizualnim senzorjem in sistemom, ki se vse bolj uporabljajo v robotskih aplikacijah. Øe posebel pa to velja za tako imenovane 3D kamere. 1 Uvod Kot eden vodilnih svetovnih proi- zvajalcev na podroœju industrijskih senzorjev z veœ kot øestdesetletnimi izkuønjami ima podjetje Sick verjet- no najobseænejøo zbirko proizvodov in tehnologij in je tudi vodilni na podroœju inovacij. Celoten obseg avtomatizacije je pri Sicku razdeljen na tri velika pod- roœja: 1. Avtomatizacijo v industriji: • standardni, napredni industrijski senzorji in dajalniki impulzov, • varnostni senzorji in sistemi. 2. Avtomatizacijo v logistiki: • avtomatska identifikacija optiœnih in RFID kod, • laserski merilni sistemi. 3. Avtomatizacijo procesov. Œeprav uvrøœamo reøitve za robotiko predvsem na podroœje avtomatizacije v industriji, se v robotiki uporabljajo tudi mnogi senzorji, ki jih uvrøœamo predvsem na podroœje avtomatizacije v logistiki. Posebno podroœje pa pred- stavljajo senzorji in sistemi za varova- nje ljudi pri delu z roboti, ki pa zaradi specifiœnosti in obseænosti zahtevajo posebno obravnavo. Œe izvzamemo varnostne sisteme, se v robotiki tako najpogosteje uporabljajo naslednje skupine senzorjev: 1. standardni industrijski sen- zorji: fotoelektriœni senzorji, pribliæevalna stikala, 2. napredni industrijski senzorji: senzorji za registracijo, merilniki razdalje, vizualni senzorji in sis- temi, 3. dajalniki impulzov (enkoderji), 4. senzorji in sistemi za identifikaci- jo: bralniki œrtne kode, 2D kode in RFID, 5. merilni laserski skenerji. V nadaljevanju je uporaba standar- dnih idustrijskih senzorjev in senzor- jev za identifikacijo omenjena bolj na kratko, malo podrobneje so prikazani laserski merilni skenerji. Poudarek je podan predvsem na naprednih indu- strijskih senzorjih, øe posebej pa na preciznih merilnikih razdalje in na vizualnih senzorjih ter sistemih, ki postajajo vse bolj pomemben sestav- ni del aplikacij z roboti. 2 Standardni senzorji za industrijsko avtomatizacijo Med standardne industrijske senzorje uvrøœamo: • induktivne senzorje • kapacitivne senzorje, • magnetne senzorje, • magnetne cilindriœne senzorje, • svetlobna tipala, • refleksne svetlobne zapore in • enosmerne svetlobne zapore. Od teh se v robotskih aplikacijah najveœ uporabljajo induktivni sen- zorji, magnetni cilindriœni senzorji in svetlobna tipala. Primer uporabe standardnih industrijskih senzorjev vidimo na sliki 1. Za uporabo senzor- jev v robotskih aplikacijah so pogosto podane posebne zahteve kot so viøja maksimalna delovna temperatura, dodatna zaøœita povrøine senzor- ja (nerjaveœe jeklo, teflon, dodatno zaøœitno steklo...) in neobœutljivost na moœna zunanja elektromagnetna po- lja v primeru varilnega robota, pred- vsem pa mehanska trdnost, visoka stopnja IP zaøœite, kemiœna odpornost 82 Ventil 17 /2011/ 1 (n.pr. zaradi emulzije), neobœutljivost na zunanjo svetlobo pri svetlobnih ti- palih ... 3 Senzorji za identifikacijo in merilni laserski skenerji Iz te skupine se v robotskih aplikaci- jah najpogosteje uporabljajo: • Bralniki œrtne (1D) kode. • Bralniki 2D kode. • RFID bralno/zapisovalne enote. • merilni laserski skenerji. • Dvodimenzionalno merjenje raz- dalj. • Notranjo navigacijo. Zaznavanje ovir, predvsem pa notra- nja laserska navigacija, se uporabljata v glavnem za smodejno vodena vozi- la AGV (slika 3), medtem ko se dvo- dimenzionalno merjenje razdalj upo- rablja pri aplikacijah s »klasiœnimi« roboti. Merilni laserski skener je naprava, ki s poøiljanjem kratkih laserskih impulzov v prostor pod razliœnimi koti v eni rav- nini in merjenjem œasov odboja posa- meznega impulza, izmeri razdaljo do posameznih toœk v prostoru. Ti podatki se potem lahko uporabijo za znavanje ovir, navigacijo v prostoru, ali pa za doloœanje poloæaja in oblike/kota za- suka predmeta za zanesljivo prijema- nje z robotom. Od dimenzij/volumna je lahko tudi odvisno, kam oziroma kako naj robot predmet odloæi. Na sliki 4 je prikazan primer uporabe laserske- ga skenerja LMS400 v praksi. Moæna sta dva primera uporabe: la- serski skener je lahko montiran na sami robotski roki in robot poskrbi za vzdolæni pomik skenerja nad pred- metom oziroma skupino predmetov na paleti, ali pa je laserski skener montiran fiksno nad transporterjem in med pomikanjem predmeta na transporterju izmeri posamezne pro- file, iz katerih lahko dobimo trodi- menzionalno sliko. V tem primeru se obiœajno uporablja øe dajalnik impul- zov za izravnavo odstopanj v hitrosti transporterja. 4 Napredni industrijski senzorji Med napredne industrijske senzorje priøtevamo: • senzorje za registracijo: kon- trastne, barvne, luminscentne, viliœaste, vrstiœne, • svetlobne mreæe za avtomatizaci- jo, • merilnike razdalje: precizni meril- niki razdalje, merilniki srednjega dometa, merilniki dolgega do- meta, linearni, merilni senzorji, ultrazvoœni senzorji, senzorji za optiœni prenos podatkov, pozici- onirni senzorji, • vizualne sisteme: vizualni senzor- ji, pametne kamere, 3D kamere. Gre za najpomembnejøo skupino sen- zorjev, ki se v robotskih aplikacijah vse veœ uporabljajo, kar øe posebej velja za precizne merilnike razdalje in vizualne senzorje in sisteme. Senzorji za registracijo Med senzorji za registracijo je mogoœe najbolj zanimiva uporaba senzorja LUT, ki ima izvor svetlobe v UV obmoœju, sprejemnik pa zaznava svetlobo v vidnem delu spektra. Tako lahko zanesljivo zaznamo tako na- ravno luminescentne snovi, kot snovi, ki smo jim umetno dodali luminofore in jih s tem naredili vidne za lumine- scentne senzorje ali v zadnjem œasu tudi UV vizualne senzorje. Slika 1. Primer uporabe standardnih senzorjev Slika 2. Branje matriœne DPM kode Primer uporabe bralnika 2D kode vi- dimo na sliki 2. V tem primeru gre za preverjanje matriœne kode zapisane na samo povrøino predmeta z laser- jem (DPM) – robot prinese predmet v bliæino fiksno montiranega bralnika in preveri kodo. Nove generacije bralnikov 2D kode pa omogoœajo, poleg zanesljivega branja razliœnih 2D kod z majhnim kontrastom na zahtevnih podlagah, tudi branje standardnih œrtnih kod in enostavno razpoznavanje teksta (OCR). Uporabo laserskih merilnih skenerjev v robotskih aplikacijah lah- ko razdelimo na tri skupine: • Zaznavanje objektov/ovir. Slika 3. AGV z laserskimi skenerji za navigacijo in zaznavanje ovir Slika 4. Primer uporabe LMS400 PODJETJA PREDSTAVLJAJO 8 Ventil 17 /2011/ 1 Tako lahko na primer preverjamo za- dosten nanos lepila pred leplenjem delov, tesnenje zvarov s pomoœjo luminescentnega olja (slika 5) ali pa omogoœimo vodenje AGV-ja s pomoœjo luminescentne proge, nale- pljene na tleh. Merilniki razdalje Pogosto je potrebno pri delu z roboti preverjati natanœno pozicijo ali pa preveriti dimenzije v nekaj toœkah. V ta namen lahko uporabimo precizne merilnike razdalje oziroma merilnike odstopanja (»displacement« senzor- ji). Ti merilniki merijo v obmoœju od ± 1 mm do ± 200 mm z loœljivostjo vse do 0,02 µm pri senzorju OD Precision (OD5-25T01). Senzorji OD delujejo na principu triangula- cije, kar pomeni, da se z razdaljo spreminja kot vpadne svetlobe in s tem mesto na sprejemnem digital- nem senzorju CMOS. Najpogosteje se uporabljajo senzorji OD Value za enostavnejøe in OD Max ter OD Precision za zahtevnejøe aplikacije. Medtem ko je senzor OD Value sa- mostojen senzor z merilno glavo in elektronskim delom v enem ohiøju (slika 6), imata senzorja OD Max in OD Precision merilne glave loœene od krmilne enote. V vsaki skupini pa je veœ razliœnih merilnikov glede na obmoœje merjenja in pri senzorju OD Precision (slika 7) tudi glede na øirino laserskega æarka. 2D vizualni senzor z vgrajeno osve- tlitvijo, vgrajenimi algoritmi za vre- dnotenje slik ter vmesnikom Ether- net. Inspector lahko pregleda izdelke v katerikoli poziciji ali orientaciji in zanesljivo doloœi v realnem œasu ali izdelek zadovoljuje dane kriterije. Inspektor uporablja inteligentne in hitre algoritme, ki mu omogoœajo, da lahko sledi tudi najveœjim hitro- stim katerekoli proizvodne linije v pakirni industriji. Vse to velja tako za osnovna modela i10 Standard in i10 Dome, kot tudi naslednike, ki ponu- jajo izboljøane karakteristike in doda- tno funkcionalnost (slika 9): • i20 Flex in i20 UV: izmenljivi objektivi, izmenljiva stekla/filtri, nastavek za kupolasto osvetlitev, dodatna vhodno/izhodna enota. • i40 Flex in i40 LUT: loœljivost VGA (640 x 480), viøja hitrost, dodatni algoritmi, shranjevanje slik na FTP, PLC povezava preko EtherNet/IP. • p30: doloœanje pozicije in kota, podatki preko povezave Ethernet, digitalni izhodi za vodenje. Pri modelih i20, i40 in p30 je na voljo tudi dodatni pribor (slika 10), ki bi- stveno poveœa funkcionalnost in pri- lagodljivost osnovne verzije: nastavek za kupolasto osvetlitev, izmenljivo Slika 5. Preverjanje zvara z senzorjem LUT Slika 6. Senzor OD Value Slika 7. Senzor OD Precision Najpomembnejøe znaœilnosti sen- zorja OD Precision so naslednje: • na voljo senzorji s øirokim ali oz- kim æarkom, • visoka loœljivost in linearnost, • priklop do 3 merilnih glav na eno krmilno enoto za obdelavo, • moæna samostojna uporaba meril- nih glav, • merjenje debeline n.pr. stekla z eno glavo, • velik in kvaliteten barvni LCD pri- kazovalnik za enostavno nastavi- tev in prikaz merilnih rezultatov, • robustno kovinsko ohiøje IP67. Primer uporabe senzorja OD Precision za preverjanje kvalitete/dimenzij alu- minijastega odlitka vidimo na sliki 8. Vizualni senzorji in sistemi Najpomambnejøi predstavniki so vi- zualni senzor Inspector, pametni ka- meri IVC 2D in 3D in najzmogljivejøa 3D kamera Ranger. Vizualni senzor Inspector Vizualni senzor Inspector je kompak- ten, uporabniku prijazen in natanœen Slika 8. Preverjanje odlitka s senzor- jem OD Precision s tremi merilnimi glavami Slika 9. Vizualni senzorji Inspector PODJETJA PREDSTAVLJAJO 84 Ventil 17 /2011/ 1 prednje steklo in razliœni barvni filtri ter razliœni objektivi. Nekaj primerov aplikacij s senzorjem Inspector p30 (nekaj primerov slik iz programa za nastavitev Sopas vidimo na sliki 11): • Doloœanje pozicije predmeta za avtomatizirano pobiranje. • Poravnavanje delov pri proizvo- dnji. • Pobiranje prehrambenih izdelkov razliœnih velikosti in oblik. • Usklajevanje zasukov. • Sledenje liniji pri samodejno vo- denih vozilih (AGV). • Konœno doloœanje pozicije pri dvi- galih v visokoregalnih skladiøœih. dodatno potrju- jejo primernost Inspectorja za ro- botske aplikacije. Kot pripomoœek, ki øe dodatno olajøa uporabo vizualnih senzor- jev Inspector, pa je sedaj na voljo tudi senzor In- spector Viewer, ki omogoœa tako zaœetno nastavi- tev, kot tudi spre- mljanje delovanja veœih Inspectorjev preko Ethernet-ne povezave (slika 12) IVC-3D – prva pametna 3D kamera na svetu Ko mora robot zanesljivo prijemati, zah- tevani poloæaj prijemancev pa v mejah podanih toleranc ni mogoœe vzdræevati, je nepogreøljiva uporaba pametne ka- mere IVC-3D. S pomoœjo kamere je mogoœe hitro in natanœno ugotoviti de- janski poloæaj kosov v treh dimenzijah. Kamera IVC-3D je zahvaljujoœ knjiænicam uporabnih reøitev kom- paktna, pametna in enostavna za pa- rametrizacijo. Kamera projicira linij- Slika10. Dodatni pribor za Inspector primer uporabe IVC 3D kamere na robotu pa na sliki 14. Ranger E – najhitrejøa 3D kamera! Tudi pri kamerah Ranger govorimo o 3D kamerah, ker je njihov osnovni namen zajemanje 3D profilov, a zmo- re kamera øe veliko veœ. Tudi pri Ran- gerju temelji zaznavanje profilov na laserski triangulaciji, a je potrebno tu zagotoviti loœen laserski vir. Uporab- nik lahko na tak naœin doloœa vidno polje, viøino obmoœja in loœljivost v viøino glede na specifiœno aplikaci- jo. Osnovne znaœilnosti Rangerja E: • Zajemanje 35.000 profilov/s v 3D naœinu. • 3D in MultiScan pri najviøjih hi- trostih. • 3D meritve neodvisne od kontra- sta. • Loœljivost do 1536 toœk pri zaje- manju 3D profilov. Slika11. Prikaz aplikacij p30 v So- pas-u Slika 12. Inspector Viewer Zmogljiv kot kamera in enostaven za uporabo kot standardni fotoelektriœni senzor – to so dejstva, ki veljajo za ce- lotno druæino vizualnih senzorjev In- spector. Majhne dimenzije, robustno kovinsko ohiøje z IP67 zaøœito pa øe Slika 13. Nastanek 3D slike na osnovi profilov ski laserski æarek na objekt in zazna odstopanje z vgrajeno tehnologijo CMOS. Z dodatnim gibanjem kame- re glede na objekt znotraj merjenega obmoœja se ustvari zelo natanœen 3D- model objekta, ki omogoœa doloœanje koordinat za dostop in usklajevanje gibanja robota. Nastanek 3D slike na osnovi posa- meznih profilov vidimo na sliki 13, Slika14. Primer uporabe IVC-3D kamere Slika 15. Preverjanje kvalitete zvara z Rangerjem PODJETJA PREDSTAVLJAJO 85 Ventil 17 /2011/ 1 • Loœljivost 3072 toœk pri zajema- nju sivinske slike. • Patentirana tehnologija za meritve sipanja laserske svetlobe. • Zmanjøanje vpliva zunanje svetlo- be z IR opcijo. • Gigabit Ethernet povezava. Uporabo Rangerja pri preverjanju kvali- tete zvara in pri doloœanju 3D poloæaja pri pobiranju predmetov vidimo na sli- kah 15 in 16. Najnovejøi œlan Sickove druæine 3D kamer pa je Color Ranger E, ki z za- gotavljanjem RGB barvne slike visoke loœljivosti do 3072 toœk na vrstico, øe razøirja moænosti preverjanja izdel- kov. S soœasno 3D in barvno informa- cijo pri frekvenci delovanja veœ kot 11 kHz, omogoœa veœ preverjanj paralel- no pri polni hitrosti proizvodne linije. 3D kamera Color Ranger zdruæuje funkcionalnost 3D kamere in linij- ske barvne kamere. Sickova Multi- Slika 16. Doloœanje 3D poloæaja predmetov pri pobira- nju Scan tehnologija omogoœa hkrati veœ meritev, kot je na primer 3D oblika, zajema- nje sipanja laser- ske svetlobe na povrøini, zajem monokromatske in barvne slike itd. Ena sama ka- mera Color Ran- ger lahko tako nadomesti veœ kamer, kar zniæuje velikost sistema, kot tudi ceno za strojno opremo, vgradnjo in vzdræevanje. Na koncu pa si poglejmo øe primer uporabe kamere Ranger E pri zah- tevnem varjenju za izdelavo delov za uporabo v farmaciji, kemiœni in prehrambeni industriji. Gre za reøitev podjetja Modre tehnologi- je, ki s pomoœjo kamere Ranger E (slika 17) omogoœa robotu zazna- vanje reæe, doloœanje poti varje- nja in predvsem prilagajanje poti med samim varjenjem. Pot varjenja se tako doloœi le enkrat, vsem na- daljnjim odstopanjem pa se lahko robot sproti prilagaja. Niti moœno visokofrekveœno elektromagnetno polje varilnega procesa, niti ekstre- mno moœna svetloba med samim varjenjem ne vplivata na natanœno vodenje robota. S to reøitvijo se je bistveno poveœala storilnost robota, poveœala se je ka- kovost procesa varjenja in samih Slika 17. Uporaba kamere Ranger pri varjenju (WiseWel- ding) zvarov ter s tem tudi kakovost pro- izvodov. 5 Zakljuœek V prispevku je predstavljen le izbor iz øiroke palete Sickovih senzorjev, ki se uporabljajo tudi v robotskih aplikacijah, s poudarkom na meril- nih laserskih skenerjih in naprednih industrijskih senzorjih. Vse bolj zmogljive in hkrati robu- stne izvedbe merilnih laserskih ske- nerjev, øe posebej pa 3D kamer, omogoœajo robotu hitro in zaneslji- vo doloœanje poloæaja bolj ali manj nakljuœno postavljenih delov in s tem obœutno poveœajo uœinkovitost robota. Literatura [1] Veliki angleøko slovenski slovar, Grad, Økerlj, Vitoroviœ, DZS. [2] Elektrotehniøki trojeziœni slovar, Poæenel, TZS, 1999. [3] Revija Avtomatika, 84, 87/2008 [4] Revija Avtomatika, 89, 91, 92/2009 [5] Revija Avtomatika, 99, 100/2010 [6] Revija Ventil, 16/2010/5 [7] SICKinsight, 2/2008, 1/2009, 2/2009, 1/2010 [8] Machine Vision Introduction, Sick, 3/2010 [9] Sick Vision Products, Sick, 6/2010 PODJETJA PREDSTAVLJAJO