EtherCAT-enabled depth camera for industrial applications

Abstract

The increasing importance of 3D vision in the realm of industrial automation, driven by the challenges towards Industry 4.0, demands a fieldbus-capable depth camera. This master’s thesis evaluates the integration of depth information from a 3D camera via the EtherCAT fieldbus into a programmable logic controller (PLC). Additionally, the developed fieldbus-capable depth camera system is integrated into a collaborative industrial robot system, subject to the DIN ISO/TS 15066 standard, to define conditions and create comparability with the performance of existing systems in the collaboration space. The proposed EtherCAT-capable camera module consists of three main components: a depth camera, a single-board computer, and an EtherCAT Slave Controller (ESC). Thereby, a depth image segmentation method enables the transmission of high-resolution depth images via EtherCAT. In the human-robot collaboration application, a five-axis robotic arm operates within the field of view of the depth camera, monitoring the minimum distance between humans and robots. Safety stops are executed to avoid collisions. The detection time is then utilized as a benchmark for comparing the system’s performance with state-of-the-art technologies. The implemented camera system allows for data transmission rates exceeding 25Mbit/s. Through the utilization of various tested data reduction methods, detection times of less than 25ms are realized. The camera system employed in a human-robot collaboration application, coupled with data reduction techniques, results in a reduced minimal safety distance, surpassing existing state-of-the-art applications in the collaboration space by 75mm.

Die wachsende Bedeutung der 3D-Vision im Bereich der industriellen Automatisierung, getrieben durch die Herausforderungen von Industrie 4.0, erfordert eine Feldbus-fähige Tiefenkamera. Diese Masterarbeit bewertet die Integration von Tiefeninformationen aus einer 3D-Kamera über den EtherCAT-Feldbus in einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Darüber hinaus wird das entwickelte Feldbus-fähige Tiefenkamerasystem in eine kollaborative Industrieroboteranwendung integriert, das dem Standard DIN ISO/TS 15066 unterliegt, um Bedingungen zu definieren und Vergleichbarkeit mit der Leistungsfähigkeit bestehender Systeme im Kollaborationsraum zu schaffen. Das vorgeschlagene EtherCAT-fähige Kamerasystem besteht aus drei Hauptkomponenten: einer Tiefenkamera, einem Einplatinencomputer und einem EtherCAT Slave Controller (ESC). Dabei ermöglicht eine Tiefenbildsegmentierungsmethode die Übertragung hochauflösender Tiefenbilder mittels EtherCAT. In der Mensch-Roboter-Kollaborationsanwendung aktuiert ein Fünf-Achs-Industrieroboter innerhalb des Sichtfelds der Tiefenkamera und überwacht den minimalen Abstand zwischen Menschen und Roboter. Die Erkennungsszeit wird anschließend als Maßstab verwendet, um die Leistung des Systems mit modernsten Technologien zu vergleichen. Das implementierte Kamerasystem ermöglicht Datenübertragungsraten von über 25Mbit/s. Durch die Anwendung verschiedener Datenreduktionsmethoden werden Erkennungszeiten von weniger als 25ms realisiert. Das in einer Mensch-Roboter-Kollaborations Anwendung implementierte Kamerasystem, in Verbindung mit Datenkomprimierungsmethoden, führt zu einer reduzierten minimalen Sicherheitsdistanz, die bestehende Anwendungen im Kollaborationsraum um 75mm übertrifft.