スマート3Dビジョンでロボット知能を向上

　2D画像認識の進化により発展してきたビジョン技術は、現在では産業自動化を支える重要な要素であり、主要な推進力となっています。この技術により、ロボットは幅広い分野で活用され、生産性と作業効率が大幅に向上しました。3Dビジョン技術を活用することで、ロボットは部品を認識し、適切な用途を判断し、組立作業を完了することができます。長年の技術開発を経て、ビジョン技術は多くの企業に採用され、お客様満足度の向上と生産効率の改善に貢献しています。

プロジェクト概要

　パンデミック後の時代に突入し、オンラインショッピングは世界中で急速に拡大しました。この成長はeコマース市場に大きな変化をもたらし、2022年には15％の成長率で1兆450億ドル規模に達すると予測されています（eMarketer調査）。現在では、あらゆる種類の製品やサービスが、消費者の自宅へ直接配送可能な形で提供されています。

　eコマースの拡大に伴い、倉庫レベルでの物流システムには、さらなる柔軟性と効率性が求められています。売上成長を支えるためには、先進的な物流ソリューションの導入が不可欠です。

　一般的なプロセスは、カメラとソフトウェアを搭載したコンピュータで構成されます。ビジョン誘導型ロボット（VGR）システムの代表的な例では、コンベヤ上の部品の位置を特定するために、カメラとソフトウェアで構成されたビジョンシステムが導入されます。ビジョンシステムは部品の位置を認識し、その座標情報をロボットに送信します。その後、ロボットはグリッパーを対象部品の位置に合わせて動かし、部品を選択します。

　表面的にはシンプルに見えるビジョンシステムですが、実際の導入においては、カメラの種類とシステム要件との整合性を確保するために高度な知識が求められます。多くの場合、インテグレーターやソリューション開発者の知識不足が原因です。VGRシステムとは対照的に、従来の自動化は大量生産、大型製品の単一生産、柔軟性の制限といった特徴があります。そのため、既存の生産ラインに新しい要素を導入するには、多くの時間とコストがかかり、場合によっては大規模な投資が必要となります。

　VGRシステムは、最小限の機械的な設定で稼働できるため、部品のピックアップ位置を個別に設定する手間を省くことができます。異なる形状・寸法の部品にも対応し、必要に応じてピックアップと配置が可能です。ビジョンシステムの導入における柔軟性と汎用性は、業務プロセスの効率化に大きく貢献する重要な要素です。その他にも、以下のようなメリットも得られます。

• 機器の高い効率性、信頼性、柔軟性を提供。
• 手動作業の負担を軽減。
• 品質管理用途に対応。
• 長期的に高い資産価値を維持。
  

システム要件

　企業の品質管理は、従来、視覚的な検査モデルに頼ってきましたが、従来の機械視覚システムでは、似たような部品間で高い変動があるサンプルに対して欠陥を検出する際に、故障率が高くなるという課題があります。これに対し、スマート技術を組み合わせた検査プロセスの強化により、より高精度な検出結果を提供できます。従来の機械視覚システムは、コンピュータビジョン技術を用いたルールベースのアルゴリズムに依存していましたが、スマート3Dロボット視覚検査システムは、学習データに基づいて欠陥を判別するため、複雑な変動にも柔軟に対応し、より精度の高い欠陥検出が可能となります。

　ある物流・サプライチェーン管理企業では、倉庫業務の効率化と品質向上を目的に、3Dロボットビジョンシステムの導入を検討していました。在庫のサイズ分類や不良品の検出を自動化するため、ピースピッキング・ビンピッキングに対応した3Dカメラを活用できる柔軟なシステムが求められていました。同社の倉庫では、24時間稼働する複数のコンベヤが設置されており、制御システムとロボットアーム、3Dカメラの距離が10メートル以上離れている環境下での安定した運用が課題となっていました。従来のPoCLケーブルによるデータ伝送では距離制限や処理能力に限界があり、リアルタイム検査や高精度な画像処理には対応できませんでした。そこで、スマート技術を活用した本ソリューションでは、エッジ側での高性能な演算処理、大容量ストレージ、高帯域のデータ通信を実現し、リアルタイムでの高精度な外観検査を可能にしています。

システム導入

　弊社の包括的な3Dロボットビジョンは、フレームグラバー「PCIE-1182」、GPUカード「NVIDIA® A100」、システムサーバ「SKY-640V2」、およびモーション制御によって構成されています。3Dカメラとセンサは、パッケージ用コンベヤの上部に設置されており、5メガピクセル・16fps・RGBDの高解像度画像および点群データ（300MB/s相当）がPCIE-1182を介してSKY-640V2に送信され、FP64 Tensorコアで19.5TOPsの性能を持つGPUによりリアルタイムで解析されます。高性能GPUとMicronの高帯域・低遅延メモリにより画像解析が加速され、ビジョン処理ワークフローのリアルタイム性が飛躍的に向上します。PoE技術をPCIE-1182に組込むことで、配線の簡素化と互換性の確保を実現し、柔軟性の高い運用が可能になります。PoE技術を活用することで、フレームグラバーは通常のCat 6ケーブルを使用して、5メートル以上の距離でも3Dカメラと直接接続することが可能です。

　SKY-640V2は、第3世代インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサを内蔵した4Uラックマウントサーバで、PCIe x16の2枚幅カードを4枚、PCIe x8の1枚幅カードを3枚まで対応します。また、マイクロン製のDDR4 3200 MHz ECC RDIMM/LRDIMMを16枚まで搭載可能で、最大2TBのメモリに対応しています。

　多数の拡張スロットにより、フレームグラバーカードとモーション制御カードの同時使用など、柔軟性が求められるアプリケーションにも対応可能です。

まとめ

　本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、モーション制御カード、GPUカード、サーバシステムのすべてが高い互換性を備えており、安心して導入いただけます。10 GbE対応の最新3Dカメラ技術により、PCIE-1182が高精度な画像を取得し、SKY-640V2に送信されたデータはリアルタイムで推論処理され、不良品の判定が可能です。SKY-640V2は、Intel® Xeon®スケーラブル・プロセッサ、Micron製DDR4 RDIMM/LRDIMM、複数のPCIe拡張スロットを搭載しており、複雑なモーション制御や高性能な演算処理、スマート推論をローカル環境で効率的に実行します。この高い処理能力はロボットアームの動作にも反映され、物流業務全体の効率化に貢献しています。さらに、スマート技術の導入により、予測分析を活用したメンテナンス施策が新たに展開されており、設備の劣化を精密に測定することで、保守管理の最適化も実現しています。パッケージの位置を識別する分析技術と同様に、設備の状態を正確に把握することで、安定した運用を支援します。弊社の3Dロボットビジョンは、物流検査システムの刷新を通じて、業務効率化の成功事例として高く評価されています。

産業指数（IQ）パートナー：Micron Technology