أنظمة الروبوت الموجهة بالرؤية

نظام الروبوت الموجه بالرؤية (VGR) هو روبوت مزود بكاميرا واحدة أو أكثر تُستخدم كمستشعرات لتوفير إشارة تغذية راجعة ثانوية لوحدة تحكم الروبوت، مما يتيح حركة أكثر دقة نحو موقع هدف متغير. يُحدث نظام VGR تحولًا سريعًا في عمليات الإنتاج، إذ يمكّن الروبوتات من أن تكون شديدة التكيف وأسهل في التنفيذ، مع تقليل تكلفة وتعقيد الأدوات الثابتة المرتبطة سابقًا بتصميم وإعداد خلايا الروبوت بشكل كبير، سواءً كان ذلك لمناولة المواد، أو التجميع الآلي، أو التطبيقات الزراعية، ^{[ 1 ]} أو علوم الحياة، وغيرها. ^{[ 2 ]}

في أحد الأمثلة الكلاسيكية، وإن كانت قديمة نوعًا ما، لتقنية الرؤية الموجهة (VGR) المستخدمة في التصنيع الصناعي، يحدد نظام الرؤية (الكاميرا والبرمجيات) موضع المنتجات التي تُغذى عشوائيًا على سير ناقل لإعادة التدوير. يوفر نظام الرؤية إحداثيات الموقع الدقيقة للمكونات للروبوت، والتي تنتشر عشوائيًا أسفل مجال رؤية الكاميرا ، مما يُمكّن ذراع (أذرع) الروبوت من وضع أداة النهاية (الملقط) المرفقة على المكون المُختار والتقاطه من السير الناقل . قد يتوقف السير الناقل أسفل الكاميرا للسماح بتحديد موضع القطعة، أو إذا كان زمن الدورة كافيًا، فمن الممكن التقاط المكون دون إيقاف السير الناقل باستخدام نظام تحكم يتتبع حركة المكون من خلال برمجيات الرؤية، وذلك عادةً عن طريق تركيب مُشفّر على السير الناقل، واستخدام إشارة التغذية الراجعة هذه لتحديث ومزامنة حلقات التحكم في الرؤية والحركة.

أصبحت هذه الوظائف شائعة الآن في مجال الروبوتات الموجهة بالرؤية. وهي تقنية سريعة التطور، أثبتت جدواها الاقتصادية في الدول ذات التكاليف الصناعية المرتفعة وتكاليف العمالة الماهرة، وذلك من خلال تقليل التدخل اليدوي، وتحسين السلامة، وزيادة الجودة، ورفع معدلات الإنتاجية، إلى جانب مزايا أخرى. ^{[ 3 ]}

^{[ 4 ] [ 5 ]}

يُعد التوسع في أنظمة الروبوتات الموجهة بالرؤية جزءًا من النمو الأوسع في سوق رؤية الآلة، والذي من المتوقع أن ينمو إلى 17.72 مليار دولار بحلول عام 2028. ويمكن أن يُعزى هذا النمو إلى الطلب المتزايد على الأتمتة والدقة، فضلاً عن التبني الواسع للتقنيات الذكية في مختلف الصناعات.

يتألف نظام الرؤية من كاميرا ومعالج دقيق أو حاسوب، بالإضافة إلى برمجيات مصاحبة. هذا تعريف واسع يشمل أنواعًا عديدة من الأنظمة التي تهدف إلى حلّ مجموعة واسعة من المهام. يمكن تطبيق أنظمة الرؤية في أي قطاع صناعي تقريبًا ولأي غرض. يمكن استخدامها لمراقبة الجودة للتحقق من الأبعاد والزوايا واللون وبنية السطح، أو للتعرف على الأشياء كما هو الحال في أنظمة التعرف البصري على الأشياء.

يمكن أن تكون الكاميرا أي شيء بدءًا من نظام كاميرا صغير قياسي مزود بمعالج رؤية مدمج، وصولًا إلى مستشعرات ليزر أكثر تعقيدًا وكاميرات عالية الدقة والسرعة. كما تتوفر أيضًا تركيبات من عدة كاميرات لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد لجسم ما .

تُواجَه أنظمة الرؤية المتكاملة دائمًا بصعوبات في مواءمة الكاميرا مع متطلبات النظام. في أغلب الأحيان، يعود ذلك إلى نقص المعرفة لدى مُكامل الأنظمة أو مُصنِّع الآلات. يُمكن تطبيق العديد من أنظمة الرؤية بنجاح في أي نشاط إنتاجي تقريبًا، شريطة أن يكون المستخدم على دراية تامة بكيفية ضبط معايير النظام. مع ذلك، يتطلب هذا الضبط معرفة واسعة من مُكامل الأنظمة، وقد يُؤدي كثرة الاحتمالات إلى تعقيد الحل. كما تُعدّ الإضاءة في البيئات الصناعية من أبرز عيوب العديد من أنظمة الرؤية.

تتميز تقنية الرؤية ثلاثية الأبعاد باستقلاليتها عن ظروف الإضاءة. فعلى عكس الأنظمة ثنائية الأبعاد التي تعتمد على إضاءة محددة للحصول على صور دقيقة، يمكن لأنظمة الرؤية ثلاثية الأبعاد العمل بكفاءة عالية في مختلف ظروف الإضاءة. ويعود ذلك إلى أن التصوير ثلاثي الأبعاد يتضمن عادةً التقاط معلومات مكانية أقل حساسية للتباين والظلال مقارنةً بالأنظمة ثنائية الأبعاد.

في السنوات الأخيرة، بدأت تظهر شركات ناشئة تقدم برامج تبسط برمجة ودمج أنظمة ثلاثية الأبعاد، مما يجعلها في متناول الصناعات. وبفضل تقنيات الرؤية ثلاثية الأبعاد، تستطيع الروبوتات التنقل وأداء المهام في بيئات ذات إضاءة ديناميكية أو غير مضبوطة، الأمر الذي يوسع نطاق تطبيقاتها بشكل كبير في بيئات العالم الحقيقي.

تنقسم أنظمة التوجيه البصري عادةً إلى فئتين: كاميرات ثابتة مثبتة على حامل، وكاميرات مثبتة على ذراع الروبوت. تُثبّت الكاميرا الثابتة عادةً على رافعة أو هيكل آخر يُمكّنها من مراقبة منطقة خلية الروبوت بأكملها. يتميز هذا الأسلوب بمعرفة موقعها الثابت، مما يوفر نقطة مرجعية ثابتة لجميع الأنشطة داخل الخلية. إلا أنه يعاني من عيب يتمثل في تكلفة البنية التحتية الإضافية، واحتمالية حجب الرؤية أحيانًا بسبب موقع ذراع الروبوت. كما يتطلب عادةً ملفات صور كبيرة (5 ميجابكسل أو أكثر) لأن الصورة يجب أن تغطي منطقة العمل بأكملها.

قد تكون هذه الكاميرات ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد، مع أن الغالبية العظمى من التركيبات (عام ٢٠١٩) تستخدم كاميرات رؤية آلية ثنائية الأبعاد تُقدمها شركات مثل Keyence وBasler وSick وDatalogic وCOGNEX وغيرها الكثير. وتُقدم شركات ناشئة مثل Leopard Imaging وPickit3D و Zivid وPhotoneo كاميرات ثلاثية الأبعاد للاستخدام الثابت. وقد استحوذت COGNEX مؤخرًا على EnShape لإضافة إمكانيات ثلاثية الأبعاد إلى منتجاتها. تُنتج الكاميرات ثلاثية الأبعاد الثابتة ملفات صور كبيرة وسحب نقاط تتطلب موارد حاسوبية ضخمة للمعالجة.

تتمتع الكاميرا المثبتة على ذراع روبوتية بمزايا وعيوب. فبعض كاميرات ثلاثية الأبعاد كبيرة الحجم لدرجة تجعل تركيبها على الروبوت غير عملي، بينما تتميز كاميرات Pickit 3D الخاصة بجهاز Xbox والكاميرات ثنائية الأبعاد، مثل كاميرا Robotiq المثبتة على المعصم، بصغر حجمها وخفة وزنها، ما يجعلها لا تؤثر بشكل ملحوظ على حمولة الروبوت العاملة. تتميز الكاميرا المثبتة على الذراع بمجال رؤية أضيق، ويمكنها العمل بكفاءة بدقة أقل، حتى بدقة VGA، لأنها لا تغطي سوى جزء صغير من خلية العمل في أي لحظة. وهذا بدوره يُسرّع من عملية معالجة الصور.

مع ذلك، تعاني الكاميرات المثبتة على الأذرع، سواءً كانت ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد، عادةً من عدم دقة تحديد المواقع (XYZ) نظرًا لحركتها المستمرة وعدم قدرتها على تحديد موقع ذراع الروبوت. يتمثل الحل الشائع في إيقاف كل دورة للروبوت لفترة كافية لالتقاط الكاميرا صورة أخرى وإعادة توجيهها. يظهر هذا بوضوح في جميع مقاطع الفيديو المنشورة تقريبًا لأداء الكاميرات المثبتة على الأذرع، سواءً كانت ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد، ويمكن أن يزيد زمن الدورة إلى ضعف ما هو مطلوب في الأحوال العادية.

تم تثبيت كاميرا Pickit 3D الخاصة بجهاز Xbox على ذراع الجهاز لبعض التطبيقات. ورغم قدرتها على أداء مهام ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا، مثل التقاط الأشياء من الصناديق ، إلا أنها لا تزال تتطلب إعادة التوجيه لالتقاط الصورة، كما ذُكر سابقًا. ولا يُسهم إدراكها ثلاثي الأبعاد في حل هذه المشكلة.

تدّعي شركة Visual Robotics أنها تقضي على انقطاع دورة العمل هذه بفضل قدراتها "الرؤية أثناء الحركة". يجمع نظامها بين جهاز تصوير ثنائي الأبعاد وتقنية التصوير المساحي الداخلي وبرمجيات لأداء مهام ثلاثية الأبعاد بسرعة عالية، نظرًا لصغر حجم ملفات الصور. وتدّعي الشركة أنها بصدد الحصول على براءة اختراع تغطي تقنيات تضمن معرفة الكاميرا لموقعها في الفضاء ثلاثي الأبعاد دون توقف لإعادة التوجيه، مما يؤدي إلى تقليل أوقات دورة العمل بشكل ملحوظ. ورغم أنها أسرع بكثير من طرق التصوير ثلاثي الأبعاد الأخرى، إلا أنه من غير المرجح أن تتمكن من التعامل مع المهام ثلاثية الأبعاد الأكثر تعقيدًا التي تستطيع كاميرا ستيريو حقيقية القيام بها. من ناحية أخرى، تتطلب العديد من التطبيقات ثلاثية الأبعاد تحديدًا بسيطًا نسبيًا للأجسام، وهو ما تدعمه هذه التقنية بسهولة. وحتى الآن، تبدو قدرتها على التقاط الأجسام المتحركة بصريًا (مثل العناصر الموجودة على سير ناقل) باستخدام كاميرا مثبتة على ذراع آلية غير مسبوقة.

في المقابل، تقدم شركة Inbolt نظام توجيه روبوتي قائم على الرؤية ثلاثية الأبعاد، مستقل عن المنصة، يدمج كاميرا ثلاثية الأبعاد، وخوارزميات متطورة، وأسرع تقنية ذكاء اصطناعي لمعالجة السحب النقطية متوفرة حاليًا. صُمم نظامها للتعامل بكفاءة مع معالجة البيانات عالية التردد، مما يسمح بالتتبع في الوقت الفعلي. هذا يعني أن الروبوت قادر على التكيف مع تغيرات موضع واتجاه الأجسام ضمن مجال رؤيته. تُعد هذه القدرة على التكيف بالغة الأهمية في البيئات التي تتطلب الدقة والمرونة، مما يجعلها مناسبة تمامًا للبيئات غير المنظمة وغير المخطط لها. كما أنها تُغني عن الحاجة إلى تجهيزات وتركيبات باهظة الثمن، وذلك بتمكين الروبوتات من العمل دون قيود ميكانيكية.

تُغير هذه الحلول الجديدة نموذج الصناعات التحويلية من خلال تقديم حلول فريدة تلبي الاحتياجات المتطورة لعمليات التصنيع الحديثة.

تعني الأتمتة التقليدية الإنتاج التسلسلي بكميات كبيرة ومرونة محدودة. عادةً ما تُبنى خطوط الأتمتة الكاملة حول منتج واحد أو ربما مجموعة صغيرة من المنتجات المتشابهة التي يمكن تشغيلها على نفس خط الإنتاج. إذا تم تغيير أحد المكونات أو إدخال منتج جديد كليًا، فإن ذلك عادةً ما يُحدث تغييرات كبيرة في عملية الأتمتة. في معظم الحالات، يلزم تركيب تجهيزات جديدة للمكونات مع إجراءات إعداد تستغرق وقتًا طويلاً. إذا تم توصيل المكونات إلى العملية بواسطة قواديس تقليدية ومغذيات اهتزازية ، فسيلزم توفير أدوات تغذية جديدة أو أغطية إضافية لمغذيات الأوعية. قد يتطلب الأمر تصنيع منتجات مختلفة على نفس خط الإنتاج، وغالبًا ما تُشكل تكلفة المنصات والتجهيزات ومغذيات الأوعية جزءًا كبيرًا من الاستثمار. تشمل الجوانب الأخرى التي يجب مراعاتها قيود المساحة، وتخزين قطع الغيار، والمكونات الاحتياطية، ووقت تغيير المنتجات.

يمكن تشغيل أنظمة VGR جنبًا إلى جنب مع الحد الأدنى من الإعدادات الميكانيكية. في الحالات القصوى، يكون تغيير الذراع هو الشرط الوحيد، مما يلغي الحاجة إلى تحديد موضع المكونات لضبط موضع الالتقاط. بفضل نظام الرؤية وبرنامج التحكم، يستطيع نظام VGR التعامل مع أنواع مختلفة من المكونات. يمكن تغذية النظام بأجزاء ذات أشكال هندسية متنوعة بأي اتجاه عشوائي، ليتم التقاطها ووضعها دون أي تغييرات ميكانيكية على الآلة، مما يؤدي إلى سرعة تغيير الإعدادات. من بين الميزات والفوائد الأخرى لأنظمة VGR: ^{[ 6 ]}

• يتم التحكم في التبديل بين المنتجات وعمليات التشغيل الدفعية بواسطة البرامج بسرعة، دون أي تعديلات ميكانيكية.
• قيمة متبقية عالية، حتى في حالة تغيير الإنتاج.
• فترات تسليم قصيرة وفترات استرداد قصيرة.
• كفاءة عالية للآلات، وموثوقية، ومرونة.
• إمكانية دمج غالبية العمليات الثانوية مثل إزالة النتوءات، والتنظيف بالنفخ، والغسيل، والقياس، وما إلى ذلك.
• يقلل من العمل اليدوي.

• رؤية الآلة
• تحديد الموقع ورسم الخرائط في آن واحد