Innovatie in 3D bin-picking in Factory of the Future Experience Center

3D bin-picking is een techniek waarbij een robot ongesorteerde onderdelen uit een bak weet te herkennen en kan oppakken. Een techniek die robotica, software, camera en beeldverwerking combineert. Binnen de maakindustrie een efficiënte toevoeging. Zo hoeven eentonige taken niet door mensen worden uitgevoerd. Er zijn wel wat moeilijkheden bij bin-picking. Zo kan een robotarm er soms niet goed bij, heeft hij problemen om platte objecten te grijpen en kan het systeem glimmende, of met wat olie besmeurde metalen moeilijk onderscheiden. 

Binnen het Factory of the Future Experience Center (voorheen Fieldlab Flexible Manufacturing) op Brainport Industries Campus (BIC) werken studenten van Fontys aan oplossingen voor die problemen. Dat doen ze samen met Affix Engineering uit Best en Yaskawa, dat op de BIC is gevestigd.

Digital Twin

Studenten bouwden een systeem waarbij een geavanceerd camerasysteem de voorwerpen in de bak scant en er een 3D-beeld van maakt. Die camera werkt met een dubbele laser, waardoor het ook glimmende objecten ziet. De door software aangestuurde robotarm pakt de objecten en zet ze op een andere plek. Om bijvoorbeeld geassembleerd te worden. 

De software voorkomt ook praktische problemen, zegt Danny de Greef van Affix Engineering. “Zo zorgt de software ervoor dat ook voorheen niet te bereiken posities worden bediend. De robot is volledig meegenomen in de software.” De opstelling is nu zover dat een volgende groep studenten kan gaan testen of ook objecten van andere bedrijven er baat bij hebben. Ook kan de software een digital twin maken van de opstelling, bak, onderdelen, robotarm en grijper. Zo kan de opstelling eerst uitgebreid getest, gesimuleerd en geoptimaliseerd worden voordat de benodigde investering in de hardware hoeft te worden gedaan. 

Dit project was nooit tot stand gekomen zonder de samenwerking op het terrein van de BIC, aldus De Greef. Affix programmeerde in de periode 2010 tot 2019 vooral robots voor de automotive sector. De Greef: “Naast het programmeren bouwen wij de schakel tussen de benodigde technologie, de hardware en de software die de bewegingen mogelijk maken.” Het team van Affix helpt bedrijven bij de aanschaf van de hardware en de installatie ervan binnen een bedrijf. 

Dubbele lasercamera

De Greef ging onder meer naar Silicon Valley om bij het productieproces van Elon Musks Tesla’s te helpen. “De automotive industrie is mooi, maar we wilden ook andere sectoren verder helpen met nieuwe technieken.” Daarom deed De Greef marktonderzoek naar de behoeften van bedrijven in de Brainportregio. Daaruit bleek dat machinebouwers wel iets met robots zouden willen doen, maar de kennis daarvoor ontbeerden. “Iemand ervoor opleiden is vaak te kostbaar en de mensen zijn niet te vinden”, zegt De Greef.

Als managing director van Affix wil De Greef de high-endtechnieken aanbieden aan het midden- en kleinbedrijf (MKB). Onder high-endtechnieken worden onder andere de samenwerking tussen een robot of cobot, een camera en 3D techniek – wat 3D bin-picking eigenlijk is – verstaan. Omdat De Greef snel een werkend systeem wilde hebben, koos hij voor een bestaande cameraconfiguratie die zich al in de praktijk bewezen heeft.  

Dat systeem vond hij, na een wereldwijde zoektocht, in Italië. De software van IT+Robotics uit Padua geeft de oplossing voor de meeste problemen. Onder meer omdat het werkt met een dubbele lasercamera is dit systeem minder gevoelig voor reflectie. “Dat is een probleem dat bij veel metalen producten optreedt.”

Via John Blankendaal, managing director van Brainport Industries, kwam De Greef in contact met het Experience Center. Daar loopt een project binnen het innovatieprogramma Fabriek van de Toekomst. Op BIC bevinden zich nog meer fieldlabs. Naast robottechnieken zijn er fieldlabs voor: informatie-uitwisseling in de keten, multi-materiaal 3D-printen, industrieel metaalprinten, software, educatie, logistiek en digitalisering. 

Generiek vraagstuk

Een engineer van Yaskawa, dat onder meer robots ontwikkelt, trainde de studenten in het gebruik van de robotarm. Het bedrijf bevindt zich nagenoeg naast het Experience Center. Eddie Mennen, managing director van Yaskawa, houdt de verschillende innovatieprojecten binnen het programma Fabriek van de Toekomst nauwlettend in de gaten. Yaskawa is vooral geïnteresseerd in robottechnieken en logistiek. Het bedrijf is ook deelnemer in het Fieldlab Advanced Manufacturing Logistics.

Zo’n fieldlab is volgens Mennen belangrijk omdat je dan samen aan innovaties kan werken, die je als bedrijf alleen niet zo snel zou gaan oppakken. “Door samen te werken vul je je elkaar aan. Qua kennis, maar ook qua kosten. Als iedereen wat doet, heb je ook minder kosten. Ook heb je sneller resultaat dan wanneer je het alleen zou doen. De kennis die je opdoet kun je ook weer verspreiden in de markt. Want als er oplossingen zijn, die niet worden gecommuniceerd, hebben we er nog niets aan.”

3D bin-picking is een generiek vraagstuk binnen de maakindustrie, gaat Mennen verder. “Het is vrijwel nergens echt goed opgelost. Deze specifieke oplossing biedt veel nieuwe mogelijkheden. We zijn erg benieuwd hoe die in de praktijk gaan uitpakken.”

Fontys Hogeschool, ook gevestigd op de BIC, kocht eerder de robotarm van Yaskawa. Mennen benaderde daarvoor Mark Stappers en Randy Kerstjens, docent-onderzoekers bij Fontys. Er zijn al heel wat systemen die allerlei verschillende objecten kunnen scannen, herkennen en oppikken. Maar bij glimmende en met olie besmeurde voorwerpen gaat dat niet goed. En daar moesten de studenten een oplossing voor zien te vinden.

Hybride leeromgeving

Stappers: “Voor ons van Fontys is het Experience Center een kennisbron. We halen er informatie op. Maar we zijn ook happy als we input kunnen geven.”

De studenten kregen een projectopdracht. Ze werden begeleid door een medewerker van Affix Engineering, een van Yaskawa en een docent van Fontys. “Het is een hybride leeromgeving, een mooie wisselwerking tussen onderwijs en bedrijfsleven. Met zo’n project doen de studenten de nieuwste vaardigheden en kennis op”, vertelt Stappers.

Ze leren ook omgaan met onzekerheden, zegt Stappers. “In de technische wereld krijg je ook met problemen te maken. Die kunnen steeds verschillend zijn. De ene keer vormt de software een probleem, de andere keer gaat het niet helemaal goed met de elektronica of mechanica. Soms is het een combinatie. Een project binnen het fieldlab bootst de echte wereld na. Door de ervaringen die studenten bij het project opdoen, leren ze open te staan voor die onzekerheden en naar een oplossing te zoeken.”

De eerste verkenning van de opstelling is gereed en de studenten hebben begin deze maand hun opdracht afgerond. Er staat nu een 3D-systeem voor bin-picking dat glimmende voorwerpen kan grijpen. Mennen: “De basis ligt er. Er is nog wel behoefte aan vervolgonderzoek. Dat willen we ook weer met Fontys gaan doen. Zo moeten er nog andere grijpers worden gebouwd en moet er nog naar de snelheid van het proces gekeken worden.”

Praktijkcasus

Maar de opstelling is wel al klaar voor bedrijven om producten te testen. De Greef: “We zijn klaar om uitgedaagd te worden om alle soorten objecten te kunnen grijpen en wegzetten.” Ook benadrukt De Greef het voordeel van een digitale twin van de opstelling. “In deze virtuele omgeving kun je de robotarm nabouwen en het objecten laten oppakken uit een bak. Zo kan een bedrijf zelf ervaren of de opstelling geschikt is voor zijn product, zonder eerst in de hardware te investeren.” 

Edwin van der Weele is projectleider en coördinator van het Factory of the Future Experience Center. “Het doel is om bedrijven die geïnteresseerd zijn in deze techniek, te inspireren. Met onze partners kunnen we ook helpen bij hun concrete problemen. Of, als ze nog geen idee hebben van het nut, ze de voordelen laten tonen van 3D bin-picking. Als bedrijven al een product hebben dat ze willen testen, kunnen wij er een studentenproject van maken.” Van der Weele roept productie- of assemblagebedrijven op om hun praktijk casus bij hem aan te melden.

Om te ervaren en kennis te maken met de verschillende technologieën van de fabriek van de toekomst, is sinds januari dit jaar het Experience Center geopend. Zoals de opstelling voor 3D bin-picking. Ook is een serious game in ontwikkeling. Daarmee kunnen bedrijven in een virtuele bedrijfsomgeving een fabriek van de toekomst bouwen. Deze game is na verwachting medio dit jaar gereed. Ook zijn er maandelijkse Technology Updates waar de laatste ontwikkelingen binnen bijvoorbeeld flexible manufacturing, artificiële intelligentie en logistiek de revue passeren.