Interfacce di visione per la robotica
Integrazione della visione artificiale nelle applicazioni robotiche
Le moderne interfacce consentono la comunicazione tra i sistemi di visione e i controlli dei robot. La visione 3D è particolarmente importante nella robotica industriale. Interfacce come REST API, ROS, OPC UA, gRPC e interfacce generiche con plugin specifici del fornitore nel software di controllo dei robot assicurano un trasferimento stabile dei dati tra i sistemi di visione 3D e i robot, consentendo un controllo preciso.
Ultimo aggiornamento: 15/10/2025
Applicazioni e vantaggi della visione 3D nella robotica
I sistemi di visione artificiale svolgono compiti fondamentali nella robotica che vanno ben oltre la semplice acquisizione di immagini. Consentono il riconoscimento preciso degli oggetti, determinano la posizione e l'orientamento e forniscono un controllo di qualità affidabile. Utilizzando le tecnologie di visione 3D, è possibile implementare in modo efficiente applicazioni pick-and-place, attività di ispezione e soluzioni di automazione flessibili.
L'elaborazione di immagini 3D offre ai robot vantaggi decisivi rispetto alle classiche soluzioni 2D. Grazie alle informazioni di profondità acquisite, i robot possono riconoscere non solo la posizione degli oggetti, ma anche la loro posizione spaziale e il loro orientamento. Ciò consente una presa precisa, anche in scenari complessi o sovrapposti. La visione 3D supporta una navigazione affidabile nello spazio, un evitamento sicuro degli ostacoli e un adattamento flessibile agli ambienti in evoluzione. Di conseguenza, i sistemi di visione 3D aumentano significativamente l'affidabilità dei processi, l'efficienza e la versatilità delle moderne applicazioni robotiche.
Interfacce per l'integrazione dei sistemi di visione
La scelta dell'interfaccia giusta è fondamentale per integrare con successo la visione artificiale nelle applicazioni robotiche. Oltre alle interfacce standardizzate, sono disponibili una serie di plug-in e bridge specifici per il produttore. I sistemi di visione industriale e i controllori dei robot possono collaborare in modo efficiente anche attraverso canali di comunicazione diretti.
Questo capitolo fornisce una panoramica su
le interfacce più importanti,
tecnologie e protocolli che si sono dimostrati validi nella pratica
e a cosa prestare particolare attenzione quando li si seleziona e li si implementa.
Interfacce standard
API REST
L'API REST (Representational State Transfer Application Programming Interface) è un'interfaccia ampiamente utilizzata per integrare i sistemi di visione artificiale nelle applicazioni robotiche. Consente uno scambio di dati standardizzato e indipendente dalla piattaforma tra il componente di elaborazione delle immagini e il controllore del robot. I dati delle immagini, le informazioni sulla posizione o i messaggi di stato, ad esempio, possono essere recuperati e i comandi possono essere inviati al sistema di visione tramite richieste HTTP.
Uno dei principali vantaggi dell'API REST è la sua flessibilità: può essere facilmente integrata nelle infrastrutture IT esistenti ed è compatibile con numerosi linguaggi di programmazione. Questo significa che sia i PC che i controllori logici programmabili (PLC) possono essere utilizzati come partner di comunicazione. L'integrazione avviene solitamente tramite librerie e strumenti esistenti, riducendo così lo sforzo di sviluppo.
Le API REST sono particolarmente adatte alle applicazioni che richiedono una comunicazione affidabile e strutturata tra il sistema di visione e il robot. Le aree di applicazione tipiche includono la trasmissione di coordinate di pick-and-place, il recupero di dati di qualità o il controllo dei processi di acquisizione delle immagini. L'uso di standard aperti garantisce la sicurezza per il futuro e facilita la connessione a diverse piattaforme robotiche.
ROS e ROS 2
ROS (Robot Operating System) e ROS 2 sono piattaforme middleware aperte sviluppate appositamente per lo sviluppo e l'integrazione di applicazioni robotiche. Offrono interfacce di comunicazione standardizzate che consentono una connessione perfetta tra i sistemi di visione artificiale e i controllori dei robot. Con ROS e ROS 2, i dati dei sensori, le informazioni sulle immagini e i comandi di controllo possono essere scambiati in modo efficiente e le complesse attività di automazione possono essere implementate in modo flessibile.
Grazie all'ampio supporto della comunità robotica e alla disponibilità di numerosi pacchetti open source, è possibile integrare rapidamente i componenti di visione e realizzare soluzioni individuali. ROS e ROS 2 offrono un elevato grado di flessibilità e scalabilità, in particolare negli ambienti di ricerca e sviluppo e nella prototipazione.
OPC UA
OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) è uno standard di comunicazione indipendente dal produttore per l'automazione industriale. Consente lo scambio sicuro e affidabile di dati tra sistemi di visione artificiale, robot e altri componenti di automazione. OPC UA supporta strutture di dati complesse, chiamate di metodo e offre un'elevata interoperabilità, consentendo alle soluzioni di visione industriale di essere integrate in modo flessibile negli ambienti di produzione esistenti.
Le aree di applicazione tipiche includono la trasmissione di dati di processo, informazioni di stato e comandi di controllo in tempo reale, in particolare nelle applicazioni Industria 4.0 collegate in rete. La telecamera 3D Basler Stereo visard offre un'interfaccia OPC UA per le soluzioni di visione 3D. Il server OPC UA può essere attivato tramite un aggiornamento della licenza.
gRPC
gRPC è un framework RPC (Remote Procedure Call) aperto e multipiattaforma, gestito dalla Cloud Native Computing Foundation. gRPC si distingue da altre interfacce standardizzate, come REST API o OPC UA, per l'utilizzo dell'efficiente protocollo HTTP/2 e della trasmissione binaria dei dati con buffer di protocollo. Di conseguenza, gRPC consente una comunicazione particolarmente veloce e a basso consumo di risorse, ideale per applicazioni con requisiti di prestazioni elevati e grandi quantità di dati.
I vantaggi sono lo streaming bidirezionale e la generazione automatica di codice per diversi linguaggi di programmazione.
GenICam
GenICam è uno standard per il controllo e la configurazione uniforme delle telecamere industriali, non per la comunicazione diretta tra il sistema di visione e il controllore del robot. È utilizzato in tutto il settore dell'elaborazione delle immagini e facilita l'integrazione di diversi modelli di telecamere nei sistemi di visione.
In quanto standard industriale chiave nell'elaborazione delle immagini, GenICam consente l'accesso diretto ai dati di immagine e di profondità. Sia GenICam che gRPC sono interfacce destinate principalmente al trasferimento di questi dati di immagine. Sono quindi particolarmente adatte per lo streaming tra la telecamera e il sistema di valutazione.
Al contrario, le interfacce come REST API, OPC UA o ROS sono utilizzate principalmente per comunicare i risultati dell'analisi e i dati di controllo con il controllore del robot. Di solito elaborano solo i risultati di posa dei moduli software stessi.
Confronto tra le più importanti interfacce standardizzate
La tabella fornisce una panoramica delle proprietà e delle aree di applicazione più importanti delle rispettive interfacce standard per l'integrazione della visione artificiale nelle applicazioni robotiche in ambienti industriali.
Interfaccia | Protocollo / Tecnologia | Casi d'uso tipici | Vantaggi | Svantaggi | Prevalenza nell'industria |
API REST | HTTP, JSON/XML | Integrazione generale di sistemi, applicazioni web, robotica | Indipendente dalla piattaforma, ampiamente utilizzato, facile da implementare | Nessuna funzionalità in tempo reale, basato su testo, latenza più elevata | Alto |
|---|---|---|---|---|---|
ROS | TCP/IP, protocolli personalizzati | Ricerca, prototipazione, soluzioni robotiche flessibili | Ampia comunità, molti pacchetti open-source, flessibilità | Capacità limitata in tempo reale, meno adatta alla produzione | medio |
ROS 2 | DDS, UDP, TCP/IP | Industria 4.0, robotica moderna, applicazioni in tempo reale | Capacità in tempo reale migliorata, scalabile, pronta per l'industria | Configurazione più complessa, ancora in fase di sviluppo | In aumento |
OPC UA | TCP/IP, binario, XML | Automazione industriale, comunicazione di processo | Indipendente dai fornitori, sicuro, supporta dati complessi | Maggiore sforzo di integrazione, specifiche complesse | Alto |
gRPC | HTTP/2, buffer di protocollo | Prestazioni elevate, sistemi distribuiti, microservizi, robotica | Streaming bidirezionale ad alte prestazioni, generazione automatica del codice | Meno comune nell'industria, debugging più complesso | Dal basso a salire |
GenICam | Standard GenICam, XML, vari protocolli (ad esempio, GigE Vision, USB3 Vision) | Imaging industriale, controllo delle telecamere, integrazione nei sistemi di visione | Controllo della telecamera indipendente dal marchio, elevata flessibilità, facilita l'integrazione di diverse telecamere | Nessuno scambio diretto di dati con il controllo del robot, l'attenzione si concentra sulla configurazione e sul controllo della telecamera. | Molto elevato nella visione artificiale |
Plugin e bridge specifici per il produttore
URCap
URCap è un framework di plugin sviluppato specificamente da Universal Robots per estendere le funzionalità dei suoi controller robotici. Consente l'integrazione di funzioni e periferiche aggiuntive, ma è progettato esclusivamente per le piattaforme robotiche di Universal Robots e non segue alcuno standard aperto e indipendente dal produttore.
URCap consente l'installazione plug-and-play e il facile utilizzo dei sistemi di visione con i robot Universal. L'interfaccia stabilisce una connessione diretta tra il sistema di visione e il controllore del robot. La configurazione si effettua comodamente tramite un'estensione di comando PolyScope o un'interfaccia web. Il prerequisito per l'utilizzo di URCap è PolyScope versione 3.12.0 o superiore per i robot della serie CB o versione 5.6.0 o superiore per i robot della serie E.
EKIBridge per KUKA
L'EKIBridge è un'interfaccia basata su KUKA.Ethernet KRL Framework e consente la comunicazione tra i controllori di robot KUKA e i sistemi esterni, come ad esempio le soluzioni di visione artificiale. Con l'EKIBridge è possibile scambiare dati e comandi in modo affidabile via Ethernet.
Ad esempio, le chiamate di servizio, le interrogazioni sullo stato o la trasmissione di dati sulla posizione possono essere implementate direttamente dal programma del robot. EKIBridge supporta l'integrazione flessibile e orientata alle applicazioni dei sistemi di elaborazione delle immagini nelle applicazioni robotiche KUKA.
GRI
Generic Robot Interface (GRI) è un'interfaccia versatile e a prova di futuro, compatibile con tutti i robot che supportano la comunicazione TCP.
Rispetto alle complesse richieste HTTP dell'API REST, GRI si basa su una comunicazione socket TCP semplice. Le richieste sono configurate come semplici ID di lavoro tramite la GUI web e le risposte contengono posizioni di prelievo in un formato fisso e statico. Lo sforzo di implementazione rimane minimo, poiché sono necessari solo brevi frammenti di codice sul controller del robot. Sono disponibili modelli pronti all'uso per molte marche di robot.
GRI funziona direttamente sul visore Basler Stereo, quindi non è necessario alcun hardware aggiuntivo o applicazione lato utente.
Confronto tra le principali interfacce specifiche dei produttori
La tabella fornisce una panoramica delle proprietà e delle aree di applicazione più importanti delle rispettive interfacce robotiche per l'integrazione della visione artificiale nelle applicazioni robotiche in ambienti industriali.
Interfaccia | Protocollo / Tecnologia | Casi d'uso tipici | Vantaggi | Svantaggi | Prevalenza nell'industria |
URCap | Proprietario, PolyScope, TCP/IP | Robot universali, integrazione plug-and-play delle periferiche | Facile installazione, connessione diretta, configurazione intuitiva, buona documentazione | Solo per i robot Universal, a seconda della versione di PolyScope | Alto con i robot universali |
|---|---|---|---|---|---|
EKIBridge | KUKA.Ethernet KRL, TCP/IP | Robot KUKA, integrazione di sistemi esterni (ad es. visione) | Trasferimento dati flessibile, integrazione profonda, versatilità | Solo per KUKA, licenza richiesta, competenze di programmazione necessarie | In alto con KUKA |
GRI | Socket TCP, proprietario | Robot con supporto TCP, ad es. ABB, Fanuc, Techman, Yaskawa | Compatibile con molti marchi, minimo sforzo di scripting, nessun hardware aggiuntivo, implementazione rapida | Formato di risposta statico, meno flessibile delle API, personalizzazione limitata | In aumento |
Altri produttori di robot e le loro interfacce
Produttore | Interfaccia/Plugin | Integrazione della visione | Comunicazione con il PC | Capacità in tempo reale | Proprietario |
ABB | Interfaccia PC / Presa RAPID | ✅ | ✅ | ❌ | ✅ |
|---|---|---|---|---|---|
Fanuc | Karel / Messaggistica Socket | ✅ | ✅ | ❌ | ✅ |
Yaskawa | MotoPlus / MotoCOM | ✅ | ✅ | ❌ | ✅ |
Stäubli | Interfaccia TCP/IP VAL3 | ✅ | ✅ | ❌ | ✅ |
Tecnico Omron | Plug-in TMflow | ✅ | ✅ | ❌ | ✅ |
Denso | B-CAP / ORiN | ✅ | ✅ | ❌ | ✅ |
KUKA | RSI | ✅ | ✅ | ✅ | ✅ |
Beckhoff | Integrazione della visione TwinCAT | ✅ | ✅ | ✅ | ✅ |
Comunicazione diretta tra il sistema di visione e il controllore del robot
Con questo tipo di integrazione, i dati come le posizioni di prelievo, le caratteristiche di qualità o le informazioni di stato possono essere trasmessi senza deviazioni al controller del robot ed elaborati direttamente nel programma del robot.
Estendendo il set di comandi o adattando i parametri, è possibile implementare in modo efficiente attività quali il trasferimento dinamico dei punti di presa, il controllo delle sequenze di test o l'adattamento flessibile alle mutevoli condizioni di produzione. L'integrazione diretta garantisce tempi di reazione brevi e un'elevata affidabilità del processo. Inoltre, apre nuove possibilità di automazione intelligente nella robotica.
Il set di comandi del controllore del robot deve essere ampliato per includere comandi specifici che consentano un'interazione perfetta con il sistema di visione. Questi includono, tra gli altri:
Richiesta e ricezione di posizioni di prelievo: Il robot può richiedere al sistema di visione coordinate o punti di presa specifici e utilizzarli per attività di pick-and-place.
Trasmissione dei risultati delle ispezioni o della qualità: Il sistema di visione invia i risultati dell'ispezione o le informazioni sullo stato direttamente al controllore del robot per attivare azioni successive, come l'espulsione dei pezzi difettosi.
Avvio e interruzione delle sequenze di elaborazione delle immagini: Il robot può avviare o arrestare i processi di acquisizione o valutazione delle immagini in modo mirato, a seconda della fase di produzione in corso.
Funzioni di sincronizzazione e trigger:
Comandi per sincronizzare il movimento del robot e l'acquisizione delle immagini, ad esempio per l'ispezione in linea o la presa in movimento.
Le regolazioni dei parametri hanno un effetto, ad esempio:
Parametri di runtime:
Regolazione dei valori di soglia, delle tolleranze o delle impostazioni dei filtri nel sistema di visione per reagire a diverse varianti di prodotto o condizioni ambientali.Strategie di presa e parametri degli utensili:
Regolazione dinamica della forza di presa, della velocità o del tipo di utensile in base ai dati dell'oggetto forniti dal sistema di visione.Correzioni di posizione e di percorso:
Trasferimento dei valori di correzione dall'elaborazione delle immagini per l'esecuzione precisa dei movimenti dei robot.
Suggerimenti per un'integrazione di successo
Il successo dell'integrazione della visione artificiale nelle applicazioni robotiche richiede una pianificazione accurata e l'attenzione ai dettagli tecnici. I seguenti suggerimenti ti aiuteranno a superare le sfide tipiche e a implementare una soluzione efficiente e affidabile:
Selezionare l'interfaccia che meglio si adatta alla piattaforma del robot e ai requisiti dell'applicazione (ad es. API REST, OPC UA, plugin specifici del produttore).
Verificare la compatibilità della telecamera, del software di visione e del controllore del robot fin dalle prime fasi del progetto.
Utilizzate i codici e i modelli di esempio esistenti per un'integrazione rapida e senza errori.
Assicurarsi che i parametri di rete e di comunicazione siano configurati correttamente per garantire una trasmissione stabile dei dati.
Prevedere un tempo sufficiente per il collaudo e la convalida della soluzione complessiva, soprattutto per le applicazioni complesse o critiche per la sicurezza.
Documentare chiaramente le interfacce e i processi per facilitare la manutenzione e le estensioni.
La visione artificiale e la visione 3D possono essere integrate con successo nel controllore del robot se le interfacce come REST API o ROS sono utilizzate in modo mirato e se tutti i componenti sono coordinati in modo ottimale tra loro. Nella scelta dell'interfaccia robot giusta, l'attenzione deve essere rivolta alla compatibilità, alla capacità in tempo reale e alla scalabilità, al fine di implementare soluzioni di automazione precise e flessibili.
Esempi di vita reale e casi d'uso
Esempi pratici mostrano come i sistemi di visione artificiale vengono utilizzati nella robotica. Applicazioni tipiche, come il picking dei cassonetti, il pick-and-place o il controllo qualità, illustrano i vantaggi della combinazione di visione artificiale e tecnologia robotica. I seguenti casi d'uso illustrano come le telecamere e le soluzioni software Basler consentano soluzioni di automazione efficienti, flessibili e affidabili.
Sintesi
Il successo dell'integrazione della visione artificiale nelle applicazioni robotiche apre nuove possibilità per soluzioni di automazione precise, flessibili ed efficienti. Diverse interfacce, come REST API, OPC UA, ROS, gRPC o plugin specifici del produttore, consentono una comunicazione senza soluzione di continuità tra i sistemi di visione industriale e i controllori dei robot.
La visione 3D offre vantaggi decisivi, come il riconoscimento affidabile degli oggetti e l'adattamento dinamico ad ambienti complessi. Esempi reali, come il pick-and-place, il picking di cassonetti e il controllo qualità, mostrano l'efficienza con cui le moderne soluzioni di visione possono essere utilizzate nella robotica.
La scelta dell'interfaccia giusta e l'attenta pianificazione dell'integrazione sono fondamentali per il successo del progetto. Ciò consente di combinare in modo ottimale l'elaborazione delle immagini e la robotica per soddisfare i requisiti dei moderni ambienti di produzione.