Sinergia entre Visão de Máquina e Robótica para Automação de Próxima Geração

A próxima "dupla dinâmica" pode não envolver humanos. "Visão de máquina e robôs formam um casamento perfeito", afirmou Klas Bengtsson, gerente global de produto, sistemas de visão para ABB Robotics (Auburn Hills, MI). Isso não é novo. Visão e robótica andam de mãos dadas há anos. Mas, diferentemente de outros casamentos, este está prosperando à medida que a visão de máquina expande em capacidade e encontra novas aplicações. O casamento "perfeito" do passado envolvia guiar o robô. Mas novas aplicações — como filhos de um bom casamento — agora incluem inspeção de peças, leitura de códigos de barras ou QR para rastreabilidade, e novas formas de empacotar e desempacotar peças.

Tudo se resume à flexibilidade que a visão de máquina proporciona. "A visão ajudou a ABB a aprimorar as capacidades de muitas aplicações robóticas", disse.

A necessidade de guiar robôs flexivelmente foi impulsionada pela diversidade crescente de produtos e a necessidade de encurtar lead times em muitas indústrias. Por que a flexibilidade é tão importante? "Se você hardcoda a automação robótica, no minuto em que mudar um produto ou algo na sua linha de produção você deve mudar o programa", disse Bengtsson. Isso também significa mudar fixação de precisão ou a forma de colocar uma peça para que um programa de guiamento robótico hardcodado possa confiavelmente pegar, polir ou operar na peça. Custos se acumulam.

A visão de máquina ajuda a conter esses custos permitindo que o robô "veja" variações em peças e orientação. Sensores de escaneamento 3D estão abrindo ainda mais novas aplicações. Disse Bengtsson, "A pergunta 15 anos atrás era 'Por que usar visão de máquina.' A pergunta hoje é: 'por que não?'"

Humanos e Robôs Colaboram

A Rethink Robotics (Boston), fundada em 2008, constrói robôs colaborativos, ou cobots. Seu produto principal é o Sawyer. "Um cobot como nosso robô Sawyer é melhor usado realizando tarefas repetitivas, mundanas, em escala humana", disse Mike Fair, gerente de produto. Isso significa trabalhar com produtos ou movimentos que replicam o que um humano faz que também é entorpecidamente repetitivo e mundano.

"Aplicações como esta incluem embalagem, tending de máquina, carregamento e descarregamento de linha, inspeção, e teste de placa de circuito impresso", disse. Manuseio de material para máquinas CNC é outra aplicação, substituindo um humano que carrega uma máquina CNC, cicla, espera a tarefa de usinagem terminar, e depois descarrega a máquina.

A Rethink acredita tanto em visão de máquina que embute uma câmera no pulso de cada Sawyer. "O sistema de visão embutido [torna] nosso cobot mais rápido e fácil de implantar, removendo aborrecimento e tempo de integração custoso de sistemas típicos de visão de máquina. Adicionamos software para tornar fácil implantar [esses] sistemas de visão", disse Fair. Na feira ATX West 2018, ele fez uma demonstração provando que até um jornalista pode programar uma tarefa simples em poucos minutos. Em conjunto com adesivos codificados que parecem códigos QR, seu software ajuda o robô a se posicionar para se adaptar a variabilidade na célula de trabalho. Isso também facilita mover robôs Sawyer de tarefa para tarefa e local para local.

A Universal Robots USA Inc. (UR; Ann Arbor, MI) também é dedicada a robôs colaborativos. Seus três robôs, variando em carga útil de 3 a 10 kg, operam dentro de um "ecossistema" de fornecedores terceiros. Oferece um programa gratuito de desenvolvedor chamado Universal Robots+ para permitir que fornecedores terceiros de effectors finais, sistemas de visão e outros periféricos desenvolvam add-ons que plug-and-play com seus cobots.

O site da empresa mostra seis opções diferentes de visão dentro deste ecossistema adequadas para pick and place, automação de máquina CNC, embalagem e paletização, montagem, parafusamento, e tending de máquina. Escaneadores 2D e 3D estão disponíveis. Vários pacotes de software de controle de movimento e simulação robótica estão disponíveis.

Integração, Facilidade de Uso

Para a visão de máquina ser útil, deve ser acessível, um elemento importante do ecossistema da UR. Por exemplo, um de seus pacotes terceiros é chamado Universal Metrology Automation, oferecido pela 3D Infotech. Entrega integração de sistemas de controle de movimento, escaneadores 3D, e software de inspeção para criar uma solução de metrologia automatizada configurável. Outros programas fornecem programação online ou offline, software de simulação robótica, e capacidades de monitoramento.

"Hoje há integração muito melhor com robôs e sistemas de visão", disse Rob Antonides, presidente da Apex Motion Control (Surrey, BC). Apex é um integrador que aproveitou totalmente a abordagem de ecossistema da UR. "Antigamente tínhamos que hackear sistemas de visão com controladores de robô, mas hoje são mais seamless plug-and-play, sobre Ethernet IP ou qualquer tipo de rede. Vinte anos atrás, levava uma semana para configurar um sistema robótico guiado por visão e as comunicações; hoje são 15-20 minutos."

A visão de máquina provou ser especialmente útil para a Apex. Tarefas automatizadas incluem uma variedade de operações de panificação, incluindo decoração de bolos. "Sistemas de visão permitem lidar com inconsistências e apresentação e posicionamento de produto menos que perfeitos. Mapeamos a superfície de um bolo com sensor 3D para decorá-lo rápida e facilmente", disse Antonides.

A FANUC também enfatiza fácil integração. "Lançamos um controlador novo no final do ano passado, com funções proeminentes para visão robótica integrada", explicou David Dechow, engenheiro de staff - robótica inteligente/visão de máquina para FANUC America Corp. (Rochester Hills, MI). "Na FANUC, todos nossos sistemas de visão agora estão embutidos no controlador." A FANUC foi uma das primeiras empresas de robô a incluir visão para guiar robótica, oferecendo-a 30 anos atrás como opção em seus sistemas de guiamento robótico.

Dechow também observou que empresas de visão de máquina concentraram-se em desenvolver interfaces mais fáceis com robôs. "Os fornecedores de visão estão notavelmente suportando este mercado", afirmou. "O trabalho pesado para fazer a colaboração funcionar está do lado da visão. O robô espera um ponto. O truque é usar visão de máquina para encontrar o ponto certo, mesclando o sistema de coordenadas do sistema de visão de máquina ao sistema de coordenadas do robô." Concordou com outros entrevistados que a visão de máquina fornece flexibilidade incomparável em muitas tarefas de automação. Hoje, a relação custo/benefício começa a favorecer visão sobre fixação de precisão e hardcoding, disse.

IA: Posicionamento e Discriminação

Uma discussão sobre visão, dados e robôs naturalmente leva à questão de quão útil Inteligência Artificial (IA) seria para robôs com visão. Dechow notou um porém — IA não é particularmente aplicável a guiamento robótico. "Aprendizado de IA é excepcionalmente bom em categorização e diferenciação. O que não é bom é em análise discreta", explicou. Um robô precisa mover para um ponto discreto. Quando combinado com sistemas de metrologia, mede quantidades geométricas discretas. "Não há nada para aprender", disse.

Mas não acaba aí. Se não aplicável a guiamento, há tarefas robóticas onde IA oferece valor. "Por exemplo, identificar e classificar um objeto contra seu fundo para determinar o objeto que o robô deve operar, combinado com guiamento robótico, seria uma boa aplicação híbrida", disse. Outra é em otimização de pick and grip. "Encontrar orientação ideal do braço no espaço e caminho de abordagem cai em domínio de aprendizado em vez de [ser] determinístico. Há muitas orientações que são boas e ruins", explicou. "IA é especialmente útil onde peças são aleatórias e não homogêneas no posicionamento e tamanho."

Peter Cavallo da Denso Products and Services Americas Inc. (Long Beach, CA) concordou que o aumento substancial na capacidade de sistemas de visão é real e abriu novas oportunidades para aplicações robóticas. "Em sua forma mais simples, [visão] encontra uma peça ou objeto e opera nele. Em sua forma mais complexa, que estamos vendo agora, pode ver coisas, interpretar, reconhecer, e ver a peça pelo que ela é — mesmo em diferentes configurações ou posições — sem mover a peça ou o robô."

Ele vê escaneamento 3D como desenvolvimento especialmente importante, tornando tarefas anteriormente difíceis como bin picking simples. O sistema mais recente da Denso usa um sistema de visão de luz estruturada para ver em 3D com detector CMOS.

Sua visão de aplicar IA à robótica baseia-se em contexto de sistema mais amplo. "À medida que movemos para a próxima geração de robôs, estamos começando a entrar em coisas como deep learning, onde visão se torna parte de um sistema inteiro", explicou. "Exibimos algo no Tokyo robot show que mostrava deep learning em um sistema com 28 graus de liberdade que incluía dois robôs com mãos que montavam uma salada." Por que usuários industriais deveriam se impressionar? O robô selecionou alface, frutas e vegetais usando apenas o conhecimento fornecido previamente. "Não programamos o robô; em vez disso, dissemos o que queríamos", disse. Pense no número de tarefas não estruturadas que existem no chão de fábrica que seriam ideais para tal automação.

Não Só para os Grandes

Visão de máquina, integração, software, até IA pode fazer pensar que esse nível de automação robótica é só para empresas Fortune 500. Não é o caso. "É altamente aplicável a pequenas e médias empresas porque visão hoje é razoável em custo. O que costumava ser $50.000-$100.000 agora é menos de $5000. Não há razão para ser tímido", disse Cavallo.

Rick Brookshire, gerente de produto para Epson America Inc. (Carson, CA), concordou que automação robótica é ideal para pequenas e médias empresas (PMEs). "Além de clientes maiores que compram 50, 100 ou até 1000 robôs, temos muitos clientes menores que compram um, dois ou três robôs", disse. A Epson especializa-se em robôs menores otimizados para tarefas de alta precisão, crescendo seu negócio de robôs a partir de suas próprias necessidades na construção de relógios de alta precisão. "Todos nossos robôs estão disponíveis com guiamento de visão integrada, um recurso que tem crescido em aceitação. Também está se tornando mais confiável. Pessoas estão mais dispostas a usá-lo", disse.

Como outros entrevistados para esta história, ele acredita que simplicidade é vital — especialmente para atender necessidades de PMEs. O programa Epson Vision Guide usa uma interface GUI point-and-click baseada em objetos, permitindo que desenvolvedores desenvolvam aplicações rapidamente, segundo a empresa. Enquanto a aplicação ideal de robô guiado por visão é algo onde peças não estão bem posicionadas dentro de um nível de tolerância razoável, ou não podem ser apresentadas de forma consistente, a precisão que robôs Epson fornecem abre outro domínio de uso.

Tolerâncias estão ficando mais apertadas. Peças estão ficando menores. Posicionamento de precisão está ficando cada vez mais difícil. "É onde robôs de precisão como os da Epson podem ajudar", disse. "Isso está acontecendo em empresas menores cada vez mais. E esses robôs estão ficando tão fáceis de usar que muitos de nossos clientes fazem a integração por conta própria." Os robôs até colocam parafusos com menos de 0,7 mm de diâmetro. À medida que a força de trabalho envelhece, isso pode se tornar fator crítico.

James Cooper, vice-presidente de vendas para Applied Manufacturing Technologies (AMT; Orion, MI), tem perspectiva única baseada em sua experiência na indústria de manufatura automotiva. AMT é um integrador de sistemas especializado em sistemas robóticos guiados por visão. Múltiplos números de peça com sistemas complexos, como em caixas de transmissão, estão se tornando prevalentes. Uma caixa de transmissão é um objeto grande com muitos furos e superfícies complexas — ideal para visão mas caro para fixação hard de precisão. "Tamanhos de lote também estão ficando menores com trocas mais frequentes. É por isso que sistemas robóticos guiados por visão estão se tornando tão críticos em muitas aplicações." Ele também observou o crescimento de sistemas de visão 3D, especialmente em aplicações de bin e tote picking.

Vai além do guiamento. "Inspeção de qualidade é aplicação ideal, procurando presença e ausência de furos e outras características ou determinando se um componente foi montado corretamente", disse. Outra área rica é inspeção de metrologia. "Construímos um sistema com nosso parceiro Hexagon baseado em robô colaborativo que inspeciona produto de um cliente. Isso costumava ser feito em uma CMM em sala separada com controle de temperatura. Por muitos anos fabricantes quiseram fazer no chão de produção. Agora é possível ter sistema completamente portátil, sem guarda, ideal para aplicações de inspeção de primeiro artigo, direto na máquina de produção", disse.

Concordou que essas aplicações estão crescendo em PMEs. Também notou que essas operações lutam para encontrar mão de obra qualificada, impulsionando necessidade de mais automação.

A ABB também desenvolveu um sistema de inspeção robótica através de colaboração com NUB3D (que subsequentemente adquiriu), inovador líder em soluções digitais de inspeção 3D e controle de qualidade. O sistema turnkey consiste em sensor de escaneamento 3D de luz branca montado no braço de um robô ABB.

A Stäubli Corp. (Duncan, SC) é uma empresa de robô que usa variedade de visão de máquina de fornecedores terceiros para construir aplicações para guiamento de visão robótica. Mas também oferece outro uso de sistemas de visão com robôs industriais que precisam interação humana: uma cerca de segurança virtual ao redor de robôs.

Como explicado por Olivier Cremoux, gerente de desenvolvimento de negócios, robótica América do Norte para Stäubli, colaboração homem/robô pode ser classificada em cinco estágios diferentes. O estágio 1 mais baixo, comum na maioria dos robôs industriais, é sem contato direto, onde qualquer interação entre homem e máquina é perigosa. "O robô e operador são separados por cercas rígidas", disse. O mais alto, estágio 5, é onde contato é desejado e requerido, por exemplo quando robô é guiado manualmente por operador para carregar ou montar ferramenta pesada ou outros movimentos simultâneos com robô. Há estágios intermediários onde algum contato é desejado em diferentes níveis, e onde o robô frequentemente precisa parar e deixar o humano fazer algo. "Este intermediário representa 95% das aplicações colaborativas", disse.

Nesses estágios intermediários, um sistema de visão de escaneamento 3D que escaneia para fora da célula de trabalho pode detectar um humano se aproximando. Dentro de certa distância, sinaliza a célula para desacelerar o robô para prevenir contato e possível lesão. À medida que o humano se aproxima mais, para a célula inteiramente. Isso permite que o humano realize uma ação, como inspeção ou colocação, então se afaste, permitindo que a célula reinicie automaticamente.

A HNJ Solutions Inc. (Carson, CA) é uma empresa de integração fundada para fornecer sistemas de visão para manufatura, incluindo com robôs, segundo o Presidente Greg McEntyre. Embora reconhecendo que sistemas de visão estão de fato se tornando mais fáceis de usar e instalar, diz que permanece uma classe de aplicações onde integradores como HNJ são necessários. "Em aplicações complexas com múltiplas cores, tamanhos, orientações, e incerteza geral, é importante saber como câmeras funcionam e por que funcionam para instalar um bom sistema", disse.

Enfatizou como câmeras 3D estão expandindo aplicações relevantes, como bin picking. "Hoje estamos até importando o modelo CAD de nossos objetos para que o sistema de visão possa entender em 3D o objeto que precisa pegar ou operar", disse. "Câmeras dão liberdade completa."

Que conselho ele ofereceria, como integrador de visão e robótica complexa? "Embora possa não ser tão fácil quanto parece, eu diria: apenas entre de cabeça", disse. "Há tanto hardware útil que guiamento de visão e aplicações de visão estão se tornando cada vez mais úteis." Em outras palavras, apenas faça.