Visual Servoing

Visual Servoing ist ein Regelverfahren, bei dem eine Kamera an oder neben einem Roboterarm montiert ist und Bilddaten in Echtzeit an das Kontrollsystem zurückfließen. Dies ermöglicht es dem Roboter, seine Bewegungen basierend auf dem zu justieren, was er sieht, statt sich nur auf vorprogrammierte Positionen zu verlassen. Die Kamera fungiert als Sensor, der kontinuierlich die Position oder Merkmale eines Zielobjekts oder der gewünschten Arbeitsraum-Geometrie misst, und diese Information steuert Korrektionen der Motorbefehle, ähnlich wie Ihr Auge Ihre Hand leitet, wenn Sie nach etwas greifen.

Es gibt zwei Hauptansätze. Beim bildgestützten Visual Servoing (IBVS) arbeitet der Regler direkt mit Pixelkoordinaten oder aus dem Kamerabild extrahierten Bildmerkmalen, wie dem Schwerpunkt eines verfolgten Objekts oder den Ecken einer Markierungsmarke. Beim positionsgestützten Visual Servoing (PBVS) rekonstruiert das System zuerst die 3D-Lage des Ziels aus dem Bild und steuert den Roboter dann zu einer gewünschten 3D-Position relativ zu diesem Ziel. IBVS ist im Allgemeinen schneller, aber empfindlicher gegenüber Kamerakalibrierungsfehlern, während PBVS eine genaue Lagenschätzung erfordert, aber die Regelung vom Bildraum entkoppelt.

Typische Anwendungen und Einschränkungen

Visual Servoing ist besonders wertvoll bei Montage-, Entnahme- und Ausrichtungsaufgaben, bei denen Toleranzen oder Schwankungen bei der Teilposition eine offene Regelung unpraktisch machen würden. Ein Roboter kann damit eine Komponente vor dem Einsetzen zentrieren, ein bewegtes Förderband verfolgen oder ein Werkzeug relativ zu einem Oberflächenmerkmal positionieren. Das Verfahren funktioniert am besten, wenn die Zielmerkmale während der Bewegung sichtbar bleiben und die Beleuchtung ausreichend konsistent ist. Verzögerungen bei Bildaufnahme und Verarbeitung, Verdeckung verfolgter Merkmale und Kamerakalibrierungs-Drift sind häufige Fehlerquellen. Die meisten Systeme arbeiten mit Aktualisierungsraten von 30 bis 120 Hz, je nach Bildauflösung und Rechenkomplexität der Merkmalsextraktion.

Der Begriff 'Servoing' stammt aus der Servorege, bei der negative Rückmeldung den Fehler zwischen Sollwert und Istwert reduziert. Visual Servoing ersetzt einfach die optische Messung durch den traditionellen Positionssensor. Es erfordert eine enge Verzahnung zwischen Vision-Software (normalerweise auf einem Industrial-PC oder eingebetteten Beschleuniger laufend), dem Roboterregler und zuverlässiger Zeitsynchronisation zwischen Bildaufnahme und Motorbefehlsausgabe. Hybridansätze, die visuelle Rückmeldung mit Kraft- oder Drehmomentmessung kombinieren, sind in der Präzisionsfertigung verbreitet.