3D-Erfassung transparenter Objekte in weniger als zwei Sekunden

Was bisher noch 15 Sekunden dauerte, gelingt nun in weniger als zwei: Dank neuer Single-Shot-Technologie kann das goROBOT3D-System, entwickelt von Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, dreidimensionale Objekte künftig noch effizienter erfassen – selbst dann, wenn diese transparent oder schwarz sind.

Was für das menschliche Auge klar erkennbar ist, stellt für Robotiksysteme eine echte Herausforderung dar: transparentes Glas oder Kunststoff, spiegelnde Metalle oder tiefschwarze Oberflächen. Sogenannte »unkooperative« Oberflächen sind für konventionelle Sensorsysteme schwierig zu erfassen. Diese Herausforderung adressieren Forschende des Fraunhofer IOF mit dem goROBOT3D-System, das durch intelligente Wärmebildgebung auch solche Oberflächen erkennt.

Seit mehreren Jahren arbeiten die Forschenden am Fraunhofer IOF bereits an thermischer 3D-Sensortechnologie. Diese haben sie nun entscheidend weiterentwickelt und damit eine effiziente Optimierung für die automatisierte Objekterkennung erzielt. Die Mess- und Auswertungszeit transparenter oder tiefschwarzer Objekte durch goROBOT3D konnte von bisher 15 auf knapp 1,5 s reduziert werden. Dazu wurde am Institut ein neues Projektionsverfahren für die thermische 3D-Sensorik entwickelt.

Single-Shot statt Serienaufnahme

Das entwickelte Verfahren überträgt eine Single-Shot-Technologie auf die thermische 3D-Messtechnik. "Bei unserer Methode wird die Oberfläche der Messszenerie strukturiert erwärmt. Ein auf der Oberfläche der Objekte entstehendes thermisch statistisches Punktmuster wird emittiert und mithilfe von zwei Wärmebildkameras aufgenommen. Mittels räumlicher Kreuzkorrelation kann aus dem aufgenommenen Bildpaar ein 3D-Ergebnis gewonnen werden", erklärt Dr. Martin Landmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IOF in der Abteilung für Bildgebung und Sensorik.

Statt wie bisher Streifenprojektionen zur Generierung des Musters einzusetzen, erzeugen nun zwei diffraktive optische Elemente (DOE) ein unregelmäßiges Punktmuster. Solche DOEs nutzen das Prinzip der Lichtbeugung, um den einfallenden Laserstrahl zu vervielfachen und in ein Muster aufzuteilen. Durch die geschickte Kombination der DOEs konnten die Forschenden das erforderliche Punktmuster erstmals effizient und innerhalb kürzester Zeit auf das transparente Objekt projizieren.

Vom Punktmuster zum Greifbefehl in Millisekunden

Bislang musste für die Verarbeitung der transparenten Materialien eine Vielzahl an Bildpaaren erfasst und ausgewertet werden – ein zeitaufwendiger Prozess. "Anstatt mehrere hundert Wärmebildpaare aufzunehmen, wie es bei der bisherigen Methode der Fall war, kann die 3D-Information durch unsere neu entwickelte Methode mit nur einem einzigen Bildpaar innerhalb weniger Millisekunden rekonstruiert werden. Wir erreichen damit eine Verkürzung der gesamten Mess- und Auswertezeit um eine Größenordnung", sagt Dr. Landmann.

Die aufgenommenen 3D-Daten werden mittels Künstlicher Intelligenz analysiert. Dabei werden geeignete Greifpunkte und -richtungen abgeleitet und an einen Roboterarm mit Sauggreifer übermittelt. "Dazu setzen wir ein Bin-Picking-Verfahren ein", erläutert der Fraunhofer-Forscher. "Man könnte sagen ein ›Griff in die Kiste‹ – also das gezielte Greifen von Objekten aus chaotischen Umgebungen."

Produktionsprozesse ohne Taktunterbrechung

Die drastisch verkürzte Aufnahme- und Auswertungszeit schafft neue Möglichkeiten für automatisierte Industrieprozesse, beispielsweise in Fertigungsanlagen oder der Produktgestaltung. Roboter können transparente oder dunkle Objekte nicht nur sicher identifizieren und greifen, sondern nahezu ohne Taktunterbrechung weiterarbeiten. "Während ein Objekt gehandhabt wird, kann die nächste Messung bereits erfolgen. Das schafft fließende Produktionsprozesse", betont Martin Landmann.