Sistemas robóticos guiados por visión

Un sistema de robot guiado por visión (VGR) es básicamente un robot equipado con una o más cámaras que se utilizan como sensores para proporcionar una señal de retroalimentación secundaria al controlador del robot para que se mueva con mayor precisión a una posición objetivo variable. El VGR está transformando rápidamente los procesos de producción al permitir que los robots sean altamente adaptables y más fáciles de implementar, al tiempo que reduce drásticamente el costo y la complejidad de las herramientas fijas asociadas anteriormente con el diseño y la configuración de celdas robóticas, ya sea para manipulación de materiales, ensamblaje automatizado, aplicaciones agrícolas, ^[1] ciencias biológicas y más. ^[2]

En un ejemplo clásico, aunque anticuado, de VGR utilizado para la fabricación industrial, el sistema de visión (cámara y software) determina la posición de productos alimentados aleatoriamente en una cinta transportadora de reciclaje. El sistema de visión proporciona las coordenadas de ubicación exactas de los componentes al robot, que se distribuyen aleatoriamente debajo del campo de visión de la cámara , lo que permite que el brazo o los brazos del robot posicionen el efector final (pinza) adjunto al componente seleccionado para recogerlo de la cinta transportadora . La cinta transportadora puede detenerse debajo de la cámara para permitir que se determine la posición de la pieza o, si el tiempo del ciclo es suficiente, es posible recoger un componente sin detener la cinta transportadora utilizando un esquema de control que rastrea el componente en movimiento a través del software de visión, generalmente colocando un codificador en la cinta transportadora y utilizando esta señal de retroalimentación para actualizar y sincronizar los bucles de control de visión y movimiento.

Esta funcionalidad es ahora común en el campo de la robótica guiada por visión (VGR). Se trata de una tecnología de rápido crecimiento y rápida evolución que ha demostrado ser económicamente ventajosa en países con altos costos generales de fabricación y mano de obra calificada, al reducir la intervención manual, mejorar la seguridad, aumentar la calidad y elevar los índices de productividad, entre otros beneficios. ^[3]

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La expansión de los sistemas robóticos guiados por visión es parte de un crecimiento más amplio dentro del mercado de visión artificial, que se espera que alcance los 17.720 millones de dólares en 2028. Este crecimiento se puede atribuir a la creciente demanda de automatización y precisión, así como a la amplia adopción de tecnologías inteligentes en todas las industrias.

Un sistema de visión está formado por una cámara y un microprocesador o un ordenador, con el software asociado. Se trata de una definición muy amplia que puede utilizarse para cubrir muchos tipos diferentes de sistemas cuyo objetivo es resolver una gran variedad de tareas diferentes. Los sistemas de visión pueden implementarse en prácticamente cualquier industria y para cualquier propósito. Pueden utilizarse para el control de calidad, para comprobar dimensiones, ángulos, color o estructura de la superficie, o para el reconocimiento de un objeto , como se utiliza en los sistemas VGR.

Una cámara puede ser cualquier cosa, desde un sistema de cámara compacto estándar con procesador de visión integrado hasta sensores láser más complejos y cámaras de alta velocidad y alta resolución. También existen combinaciones de varias cámaras para crear imágenes en 3D de un objeto .

Siempre existen dificultades en los sistemas de visión integrados para adaptar la cámara a las expectativas establecidas del sistema; en la mayoría de los casos, esto se debe a la falta de conocimientos por parte del integrador o del fabricante de la máquina. Muchos sistemas de visión se pueden aplicar con éxito a prácticamente cualquier actividad de producción, siempre que el usuario sepa exactamente cómo configurar los parámetros del sistema. Sin embargo, esta configuración requiere una gran cantidad de conocimientos por parte del integrador y la cantidad de posibilidades puede hacer que la solución sea compleja. La iluminación en entornos industriales puede ser otro de los principales problemas de muchos sistemas de visión.

Una ventaja de la tecnología de visión 3D es su independencia de las condiciones de iluminación. A diferencia de los sistemas 2D que dependen de una iluminación específica para obtener imágenes precisas, los sistemas de visión 3D pueden funcionar de manera confiable en una variedad de escenarios de iluminación. Esto se debe a que las imágenes 3D generalmente implican la captura de información espacial que es menos sensible al contraste y las sombras que los sistemas 2D.

En los últimos años han empezado a aparecer start-ups que ofrecen softwares que simplifican la programación e integración de estos sistemas 3D, con el fin de hacerlos más accesibles para las industrias. Aprovechando las tecnologías de visión 3D, los robots pueden navegar y realizar tareas en entornos con iluminación dinámica o no controlada, lo que amplía significativamente sus aplicaciones en entornos del mundo real.

Por lo general, los sistemas de guía de visión se dividen en dos categorías: cámara fija montada en un pórtico o en un brazo robótico. Una cámara fija normalmente se monta en un pórtico u otra estructura desde donde puede observar toda el área de la celda del robot. Este enfoque tiene la ventaja de conocer su posición fija, lo que proporciona un punto de referencia estable para toda la actividad dentro de la celda. Tiene la desventaja de un costo de infraestructura adicional y, ocasionalmente, la posición del brazo robótico obstruye la visión. También suele requerir archivos de imagen grandes (5 Mpixeles o más) ya que la imagen debe cubrir toda el área de trabajo.

Estas pueden ser cámaras 2D o 3D, aunque la gran mayoría de las instalaciones (2019) utilizan cámaras 2D de visión artificial ofrecidas por empresas como Keyence, Basler, Sick, Datalogic, COGNEX y muchas otras. Los actores emergentes como Leopard Imaging, Pickit3D, Zivid y Photoneo ofrecen cámaras 3D para uso estacionario. COGNEX adquirió recientemente EnShape para agregar capacidades 3D a su línea también. Las cámaras 3D de montaje estacionario crean archivos de imágenes grandes y nubes de puntos que requieren recursos informáticos sustanciales para procesar.

Una cámara montada en un brazo robótico tiene algunas ventajas y desventajas. Algunas cámaras 3D son demasiado grandes para ser prácticas cuando se montan en un robot, pero las cámaras Xbox 3D de Pickit y las cámaras 2D como la cámara de muñeca de Robotiq son compactas y/o lo suficientemente livianas como para no afectar significativamente la carga útil de trabajo disponible del robot. Una cámara montada en un brazo tiene un campo de visión más pequeño y puede funcionar correctamente con una resolución más baja, incluso VGA, porque solo está inspeccionando una fracción de toda la celda de trabajo en cualquier momento. Esto conduce a tiempos de procesamiento de imágenes más rápidos.

Sin embargo, las cámaras montadas en el brazo, ya sean 2D o 3D, suelen sufrir desorientación XYZ porque se mueven continuamente y no tienen forma de saber la posición del brazo robótico. La solución típica es interrumpir cada ciclo del robot el tiempo suficiente para que la cámara tome otra imagen y se reoriente. Esto es visible en prácticamente todos los videos publicados del rendimiento de las cámaras montadas en el brazo, ya sean 2D o 3D, y puede aumentar los tiempos de ciclo hasta el doble de lo que de otro modo se requeriría.

La cámara Xbox de Pickit 3D se ha montado en el brazo para algunas aplicaciones. Si bien es capaz de realizar tareas 3D más complejas, como la selección de contenedores, aún requiere la reorientación para detenerse y tomar una fotografía mencionada anteriormente; su capacidad para detectar el 3D no ayuda con ese problema.

Visual Robotics afirma eliminar esta interrupción del ciclo con sus capacidades de "Visión en movimiento". Su sistema combina un generador de imágenes 2D con fotogrametría interna y software para realizar tareas 3D a alta velocidad, gracias a los archivos de imagen más pequeños. La empresa reclama una patente pendiente que cubre técnicas para garantizar que la cámara conozca su ubicación en el espacio 3D sin detenerse para reorientarse, lo que conduce a tiempos de ciclo sustancialmente más rápidos. Si bien es mucho más rápido que otros enfoques 3D, no es probable que pueda manejar las tareas 3D más complejas que puede realizar una verdadera cámara estéreo . Por otro lado, muchas aplicaciones 3D requieren una identificación de objetos relativamente simple que se puede realizar fácilmente con la técnica. Hasta la fecha, su capacidad para seleccionar visualmente objetos en movimiento (por ejemplo, elementos en una cinta transportadora) utilizando una cámara montada en el brazo parece no tener precedentes.

Por el contrario, inbolt presenta un sistema de guía robótica basado en visión 3D independiente de la plataforma que integra una cámara 3D, algoritmos avanzados y la IA de procesamiento de nubes de puntos más rápida disponible actualmente. Su sistema está diseñado para manejar el procesamiento de datos de alta frecuencia de manera eficiente, lo que permite el seguimiento en tiempo real. Esto significa que el robot puede adaptarse a las variaciones en la posición y orientación de los objetos dentro de su campo de visión. Esta adaptabilidad es fundamental en entornos donde la precisión y la flexibilidad son esenciales, lo que lo hace ideal para entornos no estructurados y no planificados. Al permitir que los robots funcionen sin la necesidad de restricciones mecánicas, también elimina la necesidad de plantillas y accesorios costosos.

Estas nuevas soluciones están cambiando el paradigma de las industrias manufactureras al ofrecer soluciones únicas que atienden las necesidades cambiantes de los procesos de fabricación modernos.

La automatización tradicional implica producción en serie con lotes de gran tamaño y una flexibilidad limitada. Las líneas de automatización completas suelen construirse en torno a un único producto o, posiblemente, a una pequeña familia de productos similares que pueden funcionar en la misma línea de producción. Si se cambia un componente o se introduce un producto completamente nuevo, esto suele provocar grandes cambios en el proceso de automatización; en la mayoría de los casos, se requieren nuevos accesorios para componentes con procedimientos de configuración que consumen mucho tiempo. Si los componentes se entregan al proceso mediante tolvas y alimentadores vibratorios tradicionales , se requieren nuevas herramientas para el alimentador de cuencos o tapas de alimentadores de cuencos adicionales. Puede ser que se deban fabricar diferentes productos en la misma línea de proceso; el costo de los palés, los accesorios y los alimentadores de cuencos a menudo puede ser una gran parte de la inversión. Otras áreas a considerar son las limitaciones de espacio, el almacenamiento de piezas de repuesto, los componentes de repuesto y el tiempo de cambio entre productos.

Los sistemas VGR pueden funcionar en paralelo con muy poca configuración mecánica; en los casos más extremos, el único requisito es un cambio de pinza y se elimina la necesidad de posicionar los componentes para establecer la posición de recogida. Con su sistema de visión y software de control, es posible que el sistema VGR maneje diferentes tipos de componentes. Se pueden introducir piezas con distintas geometrías en cualquier orientación aleatoria en el sistema y se pueden recoger y colocar sin ningún cambio mecánico en la máquina, lo que da como resultado tiempos de cambio rápidos. Otras características y beneficios de los sistemas VGR son: ^[6]

• El cambio entre productos y lotes se controla mediante software y es muy rápido, sin necesidad de ajustes mecánicos.
• Alto valor residual, incluso si se modifica la producción.
• Plazos de entrega cortos y períodos de recuperación cortos
• Alta eficiencia, confiabilidad y flexibilidad de la maquinaria.
• Posibilidad de integrar la mayoría de operaciones secundarias como desbarbado, soplado limpio, lavado, medición, etc.
• Reduce el trabajo manual

• Visión artificial
• Localización y mapeo simultáneo