机器视觉实现疫苗生产自动化
机器人技术 | 3D 视觉一家全球性公司急需快速提升疫苗的产量。Goldfuß engineering GmbH 与 SIMON IBV GmbH 联手开发出一套基于机器人技术的解决方案，用于自动装载和卸载盛有疫苗瓶的小推车。机器视觉软件 HALCON 确保机器人单元实现无缝自动化作业。
为了在极短时间内快速生产大量应对全球传播病毒的疫苗，必须迅速建立起大规模的生产能力。而要实现这一目标，高度自动化成为关键。在自动化生产流程的某一步中，机器人会将注满疫苗的小瓶从传送带上取出并放入抽屉中，之后再将其取出。特殊设计的小推车在灌装、质量检测和包装之间起到缓冲和转运的作用。
Goldfuß engineering GmbH 应一家全球活性药物成分生产商的委托，开发了一套用于自动装载和卸载小推车的全新机器人单元。SIMON IBV GmbH 负责开发光学 3D 系统，使机器人能够自主抓取疫苗瓶且不会造成损坏。此前市场上尚无类似的自动化解决方案。在以往的类似应用中，疫苗瓶在灌装后需人工放入托盘或箱子中，再由人工堆放到托盘或看板推车上，之后还需手动将其拆垛。
机器人自动装载与卸载盛有疫苗的小推车
小推车配有九个抽屉，每个抽屉可容纳 24 行、每行 46 支疫苗瓶。也就是说，一辆小推车最多可容纳将近 10,000 支疫苗瓶。通过缓冲如此大量的疫苗瓶，可灵活调节包装系统的产能利用率。由于小推车具有移动性，它们可以直接停放在冷藏室中，从而确保冷链不中断。员工手动将小推车定位到系统中，因此其精确位置每次都会有所不同。
在实施过程中最大的挑战在于：尽管小推车的位置存在偏差，机器人仍需保持高度精准的操作。此外，在装载和卸载过程中，小推车的重量不断变化，抽屉的位置也随之变化。为了在抓取疫苗瓶时保持必要的定位精度，必须每次都重新计算每一行的确切位置。
为了解决这一挑战并实现疫苗生产的全自动化，系统必须配备高性能的 3D 视觉系统。另一个优势是：借助自动化流程，可以轻松地从小推车中抽取样品进行质检，并在通过质量确认后将其重新投入包装流程。
3D 视觉技术实现机器人单元内的自动化处理
除了机器人外，机器人单元的硬件组件还包括采用图案投影立体视觉法的高分辨率 3D 相机，以及配备高速处理器的工业计算机技术，用于基于 PC 的图像处理分析。为实现高性能图像处理，系统集成了 MVTec 的机器视觉软件 HALCON。用户界面方面则采用了 SIMON IBV 的 SIMAVIS®，以实现直观的可视化操作和简便的机器人单元控制。
在实际流程中，员工首先将小推车推入两个可选位置中的其中一个。机器人单元内的 3D 相机会精确定位小推车，并检测各个抽屉是处于开启还是关闭状态。可编程逻辑控制器（PLC）保存有关当前处理任务的信息，包括是要对小推车进行装载还是卸载、需要开启哪个抽屉、每个抽屉中已有多少支疫苗瓶以及它们的具体位置。
接着，3D 相机会拍摄目标抽屉的图像。HALCON 据此生成一个坐标系统，并将其传输给机器人，使其能够打开抽屉。随后，3D 相机会再次拍摄抽屉内部的图像，以判断其中存放了多少支疫苗瓶及其准确位置。同时还会检查是否有疫苗瓶直立放置或倾倒，这些情况会影响机器人抓取的可行性。抓取装置一次可拾取 46 支疫苗瓶。
当抽屉被完全清空后，3D 相机会再次定位抽屉把手的位置，以便机器人可以将其关闭。这个过程会依序在剩下的八个抽屉上重复，直到整个小推车被完全卸载。
对 3D 视觉技术的要求非常高
“这个机器人单元的开发是在巨大的时间压力下完成的。疫苗的需求必须尽快满足。”Goldfuß engineering 的 Stephan Trunk 解释道。在 800 x 600 毫米的工作区域、600 毫米的深度范围内，要精确识别疫苗瓶的位置，并达到 0.1 毫米的精度，并不是件容易的事。为了加快疫苗供应，装载和卸载过程必须非常迅速；与此同时，还必须小心处理瓶中珍贵的疫苗液体。
“视觉系统也面临两个特别的挑战，”SIMON IBV 的技术销售负责人、授权签字人 Daniel Simon 补充道。“首先，需要应对多种材质。疫苗瓶的玻璃和小推车的金属表面都是透明或高反光的，这对图像检测非常困难。其次，系统必须确保机器人能在三维空间中自主运行，而这只有在机器视觉软件具备强大 3D 视觉能力的前提下才能实现。”
机器视觉软件 HALCON 确保系统实现最高性能与稳定性
为了实现所需的性能与稳定性，项目负责人选择了 MVTec 的机器视觉软件 HALCON。“基于我们多年来使用 HALCON 的经验，我们非常清楚这款软件拥有功能强大的算法库，提供了众多高效的方法可供选择。”Daniel Simon 补充道。
在这个机器人单元中，集成了多种机器视觉技术——其中之一是手眼标定（hand-eye calibration）。该技术的核心是将机器人的坐标系统与相机的坐标系统进行同步，使机器人能够精准地根据图像执行操作，从而精确获取疫苗瓶相对于机器人的位置与姿态。
同时，系统还应用了 HALCON 的 3D 视觉技术 —— “立体视觉（ Stereo Vision）”。该技术专为 3D 重建而设计，特别适用于结构复杂的大型或中型物体。它不仅能够实现三维物体的质量检测与位置识别，还能在物体表面上计算出精准的三维坐标。
疫苗生产用机器人单元在短短六个月内开发完成
该系统于 2021 年 7 月投入运行，并成功满足了诸如速度与精度等方面的严格要求。“我们在短短六个月内开发出全新的机器人单元，并实现了稳定的工艺运行，这是一项了不起的成就。我们为能为加速疫苗生产、对抗危险病毒做出贡献而感到自豪。”Goldfuß engineering 的 Stephan Trunk 总结道。
Daniel Simon 补充说：“这个项目充分展现了机器视觉的潜力与可能性。凭借本次的成功实施，我们对未来自动化更多复杂任务充满信心与动力。”
SIMON IBV 是 MVTec 认证的系统集成商.
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