スマート3DビジョンによりロボットのIQ向上を実現

　画像処理技術は、これまで主に2Dイメージセンシングの向上によって発展してきましたが、現在では産業自動化に不可欠な要素であり、その強力な推進力となっています。画像処理技術の進化は、広範な分野でのロボット活用を可能にし、業務効率と生産性を劇的に向上させてきました。 特に3Dビジョン技術の分野においては、ビジョンシステムを搭載したロボットが個々の部品の位置を正確に特定し、最適な作業工程を判断した上で、一連の組み立てシナリオを完結させることができます。これまでの多岐にわたる開発フェーズを通じ、多くの企業が画像処理技術を導入してきました。各社は、自社の生産プロセスにおける直接的な価値だけでなく、その先のエンドユーザーに対しても間接的な付加価値をもたらすものとして、本技術を高く評価しています。

プロジェクト概要

　コロナ禍以降、世界中に不可逆的な大波が押し寄せました。主要なEコマースプラットフォームを席巻し、驚異的なスピードで急成長を遂げたその原動力こそが、オンラインショッピングです。このパンデミック以降のEコマース市場の劇的な成長は、2022年時点で前年比15%増の拡大を続け、市場規模は1兆450億ドルに達したと推定されています（米調査会社eMarketer調査）。現在では、購入して消費者の自宅へ直接配送できるあらゆるサービスや製品が販売の対象となっています。

　この明るい売上予測はEコマース企業にとって好材料である一方、倉庫レベルにおける「より高度で効率的な物流システム」の構築が極めて急務であることを浮き彫りにしています。

　こうした課題を解決する代表的なシステムは、カメラ、コンピュータ、および専用ソフトウェアで構成されています。一般的な「ビジョンシステム搭載ロボット（VGR）システム」の例では、搬送用コンベア上を流れる部品の位置を特定するためにビジョンシステムが配置されます。ビジョンシステムが部品の正確な位置を認識してその座標データをロボットに送信すると、ロボットは先端に取り付けられたグリッパーを対象の部品に合わせて正確に位置決めし、ピッキングを行います。

　一見するとシンプルなシステムですが、実際のシステムインテグレーションにおいては、要求されるスペックに合致する最適なカメラを選定・統合する点で、既存の技術的難易度が存在します。多くの場合、インテグレータやソリューションビルダーの知識不足がその障壁となっています。

　これに対し、従来の自動化は、連続生産、大型かつ単一の製品サイズ、そして限られた柔軟性を前提として定義されています。そのため、従来の生産ラインに新しい要素を導入することは、多大な時間とコストを要し、往々にして巨額の投資が必要となります。

　一方でVGRシステムは、機械的なセットアップをほとんど必要とせず、部品のピッキング位置を都度手動で設定する手間を省くことができます。形状やサイズが異なる多種多様な部品であっても、必要に応じて柔軟にピッキングし、所定の場所に配置することが可能です。このように、ビジョンシステムの実装によって得られる高い汎用性と柔軟性は、業務プロセスの効率化を実現する極めて重要なファクターとなります。

　また、本システムの導入により、以下のような追加のメリットも期待できます。

• 高い設備効率、信頼性、および柔軟性の実現
• 手作業（マニュアルワーク）の削減
• 品質管理への応用
• 高い残存価値

システム要件

　企業の品質管理（検品・検査）は、これまで目視による検査モデルに依存してきました。しかし、類似部品間で個体差が大きいサンプルを扱う場合、従来の「マシンビジョンシステム」では欠陥の誤検出や見落としが高くなるという課題がありました。この検査プロセスにスマート技術（AI技術）を組み込んで拡張することにより、極めて高精度な検出結果を得ることが可能になります。ルールベースのアルゴリズムに限定された従来のコンピュータビジョン技術とは異なり、スマートな3Dロボット外観検査システムは、学習データに基づいて柔軟かつ正確に欠陥を検出することができます。

　今回、物流およびサプライチェーンマネジメントを展開する大手企業において、倉庫物流の自動化に向けた「3Dロボットビジョンシステム」の導入プロジェクトが実施されました。同社は、在庫をサイズ別に分類し、梱包の破損を自動検出する仕組みを計画していました。そのため、バラ積みピッキング（ピースピッキング／ビンピッキング）用途の3Dカメラに対応できる、高度な3Dビジョンシステムを必要としていました。

　同社の物流倉庫内では、複数のコンベアが24時間365日稼働しています。しかし、システムの配置上、コンベアの中央に位置する制御システムは、ロボットアームおよび「10 GbE産業用3Dカメラ」の設置場所から10メートルも離れた場所に配置されていました。この検査システムでは、高解像度かつ大容量の3D画像をわずか数秒で処理・分析しなければなりませんが、従来のビジョン技術には大きな限界がありました。既存の3Dカメラのデータ転送方式（PoCL）はケーブルの長さが最大5メートルに制限されており、大容量データの高速転送と、それに同期したロボットアームのリアルタイム制御を両立させることが不可能だったのです。

　ロボットによる外観検査にスマート技術を活用し、完全なリアルタイム処理を実現するため、同社は、エッジ側での圧倒的な演算処理能力、膨大な画像データを蓄積する大容量ストレージ、そして高速なデータ転送に不可欠な広帯域を兼ね備えた、革新的なソリューションを求めていました。

システムの概要

　アドバンテックが提供する包括的な3Dロボットビジョンソリューションは、フレームグラバーボード「PCIE-1182」、NVIDIA® A100 GPUカード、産業用システムサーバ「SKY-640V2」、およびエンジン動作モードを制御するモーションコントローラで構成されています。梱包コンベアの上部に配置された3Dカメラとセンサーは、300MB/sに相当する高解像度画像およびポイントクラウドデータ（500万画素、16fps、RGBD）を取得。この大容量データはPCIE-1182を介して産業用サーバ「SKY-640V2」へ高速転送され、FP64 Tensorコアで19.5 TFLOPS（テラフロップス）の圧倒的な演算性能を誇るGPUによってリアルタイムに分析されます。このビジュアルコンピューティングのワークフローを駆動するため、画像分析はハイエンドGPUと、マイクロン製の高帯域・低遅延システムメモリによって強力に加速され、真のリアルタイムなシステム連携を実現しました。また、本ソリューションはきわめて高い柔軟性を備えており、アドバンテックのPCIE-1182に搭載されたPoE（Power over Ethernet）技術を組み合わせることで、機器の互換性問題や特殊な配線トラブルを完全に排除しています。PoE技術の採用により、フレームグラバーは一般的なCat6（カテゴリー6）LANケーブルを使用して3Dカメラと直接接続できるため、従来の限界であった5メートルを超える距離でも、確実なダイレクト接続が可能となりました。

　本システムの核となるSKY-640V2は、第3世代インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサ搭載の4Uサイズラックマウントサーバです。2スロット占有のPCIe x16カードを最大4枚、1スロット占有のPCIe x8カードを最大3枚サポートしています。さらに、システムメモリには最大2TBまで拡張可能なマイクロン製の16x DDR4 3200MHz ECC RDIMM/LRDIMMを採用しました。

　この豊富な拡張スロットにより、フレームグラバーボードとモーション制御カードの同時運用など、極めて高い柔軟性が要求される高度なアプリケーションへの対応を可能にしています。

まとめ

　アドバンテックが提供する包括的な3Dロボットビジョンソリューションは、お客様の厳しい要件を完全にクリアしました。フレームグラバーボード、モーション制御カード、GPUカード、そしてサーバシステムは、懸念されていた互換性の問題をすべて解消し、シームレスな統合を実現しています。

　最新の10 GbEの3Dカメラ技術が捉えた高精度な画像は、フレームグラバーボード「PCIE-1182」を介して正確にキャプチャされ、産業用サーバ「SKY-640V2」へとリアルタイムに転送されます。その後、サーバ内でのリアルタイム推論によって、欠陥のあるパッケージの瞬時な識別が行われます。

　複雑なロボットの動作制御、ハイパフォーマンス・コンピューティング、そしてスマートなAI推論は、すべてエッジ環境に設置されたSKY-640V2上で完結します。これを支えるのが、インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサ搭載、マイクロン製の高度なDDR4 RDIMM/LRDIMMモジュール、そして超高速なグラフィックス分析を可能にする複数のPCIe拡張スロットです。SKY-640V2の圧倒的な演算能力は、ロボットアームの動きへダイレクトに反映され、物流オペレーションの効率を劇的に向上させています。

　さらに、今回の自動化システムの導入において、きわめて重要な成果となったのが予測分析を用いた予兆保全の開始です。梱包の幾何学的な配置を識別するこのスマート技術は、同時に、機器の摩耗や劣化の度合いを精密に測定することにも役立っています。これにより、予期せぬライン停止を防ぐ機器メンテナンスの効率化までをも実現しました。

　アドバンテックの3Dロボットビジョンソリューションによる物流検査システムの刷新は、次世代の物流オペレーションにおいて、効率化を成功させた先進的な導入事例となりました。

産業指数（IQ）パートナー企業：マイクロン・テクノロジーについて