KNAPP – 3D-kamerajärjestelmä mobiilirobotteihin
Kamerat pyörillä
3D-kamerajärjestelmä autonomisiin mobiilirobotteihin
Maailmassa, joka pyrkii sopeutumaan teknologian ja kestävän kehityksen nopeisiin muutoksiin ja edistysaskeliin, on intralogistiikan prosessien uudelleensuunnittelun tarve tulossa yhä kiireellisemmäksi. KNAPP Industry Solutions, itävaltalaisen intralogistiikan edelläkävijän KNAPP AG:n tytäryhtiö, asettaa uusia standardeja edistyksellisillä autonomisilla mobiiliroboteillaan ja ifm:n tehokkaalla 3D-kamerateknologialla.
Itävaltalainen KNAPP sijaitsee Hart bei Grazissa ja on erikoistunut räätälöityjen logistiikkaratkaisujen kehittämiseen.
”Autamme asiakkaitamme automatisoimaan prosesseja kautta koko arvoketjun ja edistämään digitalisaatiota. Olemme jakautuneet eri liiketoimintayksikköihin, joita ovat esimerkiksi elintarvike, muoti, vähittäis- ja tukkumyynti ja teollisuus. Industry Solutions palvelee tuotantoteollisuuden asiakkaita ja kehittää autonomisia mobiilirobotteja, niin kutsuttuja Open Shuttle -robotteja”, kertoo Philipp Gotzmann, Shuttle-ohjauksen ohjelmistokehityksen tiimipäällikkö.
Shuttle-robotit kuljettavat tavaroita itsenäisesti erilaisten tuotantopaikkojen tai varastoalueiden välillä. Ne kattavat monenlaisia kuljetussovelluksia raskaista kuormalavoista pieniin materiaaleihin ja pahvilaatikkoihin.
Toisin kuin esimerkiksi kiinteää reittiä seuraavat automaattitrukit (AGV), Open Shuttlet kuuluvat autonomisten mobiilirobottien (AMR) kategoriaan. Niille on ominaista, että ne voivat kulkea lähtöpaikan ja määränpään välisen matkan joustavasti ja ilman kiinteää reittiä.
Etu: Autonomiset mobiilirobotit voivat mukautua nopeasti muuttuviin sijoitteluihin ja prosesseihin. Näin ollen uusien tehtävien tai ympäristön muutosten edellyttämä asetusaika voidaan minimoida. Tämä mukautuvuus helpottaa skaalausta ylös- tai alaspäin tarpeen mukaan tarjoten kustannustehokkaan ratkaisun pitkällä aikavälillä.
Ympäristön luotettava ja jatkuva 3D-tunnistus on keskeinen osa autonomista navigointia törmäysten välttämiseksi ihmisten tai esineiden kanssa.
O3R-kamerajärjestelmän käyttö
Keskeinen tekijä tämän erinomaisen joustavuustason saavuttamisessa on automaatioasiantuntija ifm:n kehittämä 3D-kamerateknologia. Tehokkaan O3R-kamerajärjestelmän, ansiosta Open Shuttle -robotit voivat tunnistaa fyysiset kohteet kolmiulotteisesti ja liikkua tuotantolaitoksessa saumattomasti ja turvallisesti.
Sen ansiosta voimme myös havaita esimerkiksi kulkureitille ulottuvat esineet, kuten haarukan piikit. Lisäksi 3D-valvonta tarjoaa meille luotettavan tavan valvoa mm. porttien läpi kulkevaa liikennettä.
Käytämme O3R-järjestelmää myös ”Open Shuttle Fork” -robotissa kuorma-alustojen tunnistamiseen, eli kuormalavojen tai muiden vastaavien kuorma-alustojen tunnistukseen. Sen ansiosta voimme poimia mahdollisesti hieman eri asennoissa olevat kuorma-alustat esimerkiksi sen jälkeen, kun manuaalinen haarukkatrukki on laskenut ne maahan.
3D-antureita käytetään kuorma-alustan mittaamiseen ja sen tarkan asennon määrittämiseen, jotta voidaan varmistaa, että lähestyminen ja poiminta tapahtuvat turvallisesti ja tarkasti”, Philipp Gotzmann sanoo.


Kuva 1: ”Open Shuttle Fork” -robotin 3D-kamera sijaitsee haarukan yläpuolella ja mittaa kuormalavan tarkasti kuormalavan kosketuksettoman lähestymisen ja poimimisen mahdollistamiseksi.
Kuva 2: O3R-kamera tunnistaa tarkasti kuormalavan sijainnin ja asennon ja mahdollistaa kuormalavan tarkan lähestymisen ja sujuvan poimimisen.
ifm:lle suosiollinen päätös
Sopivaa 3D-ratkaisua valittaessa ifm:n kehittäjäystävällinen ja räätälöitävissä oleva teknologia oli ratkaiseva tekijä päätöksenteossa.
”Päätimme valita ifm:n ratkaisun, kun vielä testasimme sitä kentällä. Tärkeimmät syyt tähän olivat lupaava konsepti, johon kuului hajautettuja, suhteellisen pieniä kamerapäitä ja esikäsittelyyn soveltuva keskustietokoneyksikkö, joka mahdollistaa myös talon sisäisen ohjelmistokehityksen.
Meille KNAPPilla on erittäin tärkeää, että pystymme itse kartoittamaan järjestelmään liittyvät prosessit, kuten esteiden ja kuorma-alustojen 3D-tunnistuksen, ja että voimme myös vaikuttaa niihin.”

Kuva 1: Autonomisesti navigoiva ”Open Shuttle” intralogistiikan kuljetustehtäviin. Kuva 2: O3R-kamera on yhdistetty 2D/3D-kamera ympäröivän alueen tunnistamiseen.
Emme etsineet avaimet käteen -järjestelmää, vaan ratkaisua, josta voisimme työstää yhdessä kumppanin kanssa hyvän tuotteen ja konseptin ja kehittää omia algoritmeja ja prosesseja. Näin tilanne pysyy hallinnassamme ja voimme tehdä säätöjä.
Yksi O3R-järjestelmän eduista on se, että se on erittäin kehittäjäystävällinen ja tarjoaa kehittäjille erinomaisen dokumentaation. ifm tarjoaa myös kirjastoja räätälöityä ohjelmistokehitystä varten ja tapoja ROS-ajurien ja vastaavien integrointiin. Pidämme siitä todella paljon. Erityismaininnan ansaitsee myös läheinen yhteistyö ifm-kollegojemme kanssa”, tiivistää Philipp Gotzmann KNAPPista.

”Open Shuttle Fork” on autonominen mobiilirobotti (AMR), joka kuljettaa tavallisia kuormalavoja, telineitä ja erikoiskuorma-alustoja.
Huipputehokas kamerajärjestelmä
ifm:n O3R-alusta on kattava ratkaisu kuva- ja anturi-informaation keskitettyyn ja synkronoituun käsittelyyn. Se on suunniteltu erityisesti autonomisissa mobiiliroboteissa tai muissa automaattitrukkijärjestelmissä tapahtuvaa käyttöä varten.
Järjestelmän ytimenä on tehokas laskentayksikkö nimeltä Video Processing Unit (VPU). Se perustuu yocto-Linux- ja Docker-arkkitehtuuriin ja tukee avoimia kehitysympäristöjä, kuten Python, C++, CUDA ja ROS.
VPU esikäsittelee samanaikaisesti jopa kuudelta kamerapäältä saatavan informaation ja voi niputtaa ja korreloida sen muun tärkeän anturi-informaation, kuten 2D-lidar-anturilta saatavan informaation kanssa ”anturifuusio”-prosessissa luotettavan ja kestävän ympäristöhavainnoinnin mahdollistamiseksi. Tältä pohjalta voidaan suorittaa tehokkaita reittisuunnittelu- ja navigointitehtäviä.


Kuva 1: VPU (videonkäsittely-yksikkö) on O3R-järjestelmän keskeinen komponentti. Se tarjoaa mahdollisuuden yhdistää jopa 6 kameraa.
Kuva 2: Yksi O3R-kamera, jonka kuvakulma on 60 astetta, valvoo pääajoväylää samalla, kun toinen kamera, jonka kuvakulma on 105 astetta, ottaa ajoalueesta kokonaisen korkeusnäkymäkuvan.
Kuudella kameralla on mahdollista saavuttaa saumaton 360 asteen näkyvyysalue. 3D-kamerat sisältyvät myös alustaratkaisuun. Niiden avautumiskulma on joko 60 x 45 astetta tai 105 x 78 astetta, ja niissä käytetään kehittynyttä valon kulkuaikaan perustuvaa PMD-teknologiaa.
Patentoitu ”koodattu modulointiteknologia” (Coded Modulation Technology) varmistaa esteiden ja vieraiden esineiden luotettavan tunnistuksen, vaikka ympäristön valoaltistus olisi runsasta ja esiintyisi useita muita häiriösignaaleja. 3D-pistepilvikuvan lisäksi kamerat tarjoavat ympäristöstä myös perinteisen 2D-kuvan.
Kameroiden ja antureiden vuorovaikutus mahdollistaa tärkeiden toimintojen kuten törmäysten välttämisen, paikannuksen, navigoinnin ja asemoinnin luotettavan käyttöönoton.
Olemme asentaneet kamerapään, jonka näkökenttä on 60 astetta. Tavoitteena on kattaa pääasiallinen ajoalue ja saavuttaa paras mahdollinen valaistus valvottavalla alueella tof-teknologian (valon kulkuajan mittaus) avulla.
Käytössämme on myös 105 asteen näkökentällä varustettu kamerapää. Sen avulla voimme kattaa ajoneuvon koko korkeuden ja suurimman ajokorkeuden kuormattuna. Näin voimme varmistaa turvallisen ja varman kulun porttien ja vastaavien läpi.
Open Shuttle Fork -mallissamme on lisäkamera kuormalavojen tunnistusta varten. Sen avulla varmistetaan, että haarukat on asemoitu tarkasti kuormalavan taskuihin. Tämä yksittäisten kamerapäiden ja keskuslaskentayksikön yhdistelmä on suuri etu kustannustehokkaan valvonnan kannalta.”

O3R-järjestelmä koostuu videonkäsittely-yksiköstä ja enintään kuudesta kamerapäästä.
Yhteenveto
KNAPPin Open Shuttle -robottien ja ifm:n O3R-kamerateknologian innovatiivinen synteesi on enemmän kuin pelkkä tekninen ratkaisu – se on tärkeä askel intralogistiikan tulevaisuuteen. Tämä kaksikko yhdistää joustavuuden, tarkkuuden ja mukautuvuuden ja asettaa uudet standardit intralogistiikan arvoketjulle.
Mahdollisuus räätälöityyn suunnitteluun ja edistyneiden antureiden integrointiin avaa uusia ovia tehokkuudelle ja kestävälle kehitykselle tuotannossa. Tämä esimerkki korostaa teknologisten edistysaskelten ohella myös KNAPPin ja ifm:n kaltaisten yritysten välisen yhteistyön ja avoimen tiedonvaihdon tärkeyttä, jotta modernin teollisuuden haasteisiin voidaan vastata ja tulevaisuutta voidaan aktiivisesti muokata.