Self-adapting robot vision system: design and development of a quality control agent for intelligent manufacturing systems

Emerging trends in manufacturing process control are related to the integration of process and quality control in flexible and reconfigurable architectures, as addressed by the EU FP7 research project GRACE where an innovative multi agent system is proposed for production line control at factory level integrating quality control operations. This thesis addresses an on-line quality control system based on a robot vision system, implementing self-adaptation and self-optimization techniques, that becomes a quality control agent in the GRACE architecture. The work presents its design, conceived as a single mechatronic unit operating within the GRACE multi-agent system. The focus of the thesis is on self-adaptation and self-optimization strategies, focused to the improvement of the efficiency of the production line and of the quality of the manufactured items, by customizing the test plan for each single product. Autonomy, flexibility and reconfigurability of the robot vision system are crucial to enable the complex behaviours typical of a quality control agent, which eventually will lead to improvements in the production line efficiency by customizing each quality control test to each appliance and to the local and global environmental conditions, and manufacturing quality by customizing the test plan and the hardware and software parameters of the robot vision system. The robot vision system receives information from the agency and from its own sensors and react to expected and unexpected events by adjusting the position of the vision system, the lighting colour and spatial intensity distribution, the camera exposure time, the image pre-processing and analysis and the measurement device to perform different tasks. The prototype, developed to be integrated on a real test case production line, clearly shows the performance improvement in the inspection confidence level due to the embedded self-optimization strategies.

I trend emergenti, per quanto riguarda il controllo di processo nell'industria manifatturiera, sono relativi all'integrazione del controllo di processo e di qualità in un'architettura altamente flessibile e riconfigurabile, come proposto dal progetto europeo del settimo programma quadro GRACE, dove un innovativo sistema multi agente è stato ideato per il controllo della produzione a livello di fabbrica, integrante il controllo di qualità. La tesi riguarda lo sviluppo di un sistema di visione artificiale robotizzato per il controllo di qualità in linea di produzione, che implementi strategie di auto-adattamento ed auto-ottimizzazione. Il sistema di visione robotizzato, concepito come un'unica unità meccatronica, sarà un agente di controllo qualità nella struttura multi agente di GRACE. L'argomento centrale della tesi è la progettazione e lo sviluppo di strategie di auto-adattamento ed auto-ottimizzazione del suddetto sistema, strategie mirate all'aumento dell'efficienza della linea produttiva ed al miglioramento della qualità dei prodotti. Autonomia, flessibilità e riconfigurabilità del sistema di visione robotizzato sono caratteristiche cruciali per consentire al sistema di diventare un agente di controllo qualità ed assecondarne i complessi comportamenti finalizzati all'aumento dell'efficieza della linea di produzione, personalizzando ogni test di controllo qualità per ciascun prodotto, e della qualità del prodotto stesso, personalizzando la sequenza di test ed i parametri hardware e software del sistema di visione robotizzato. Il sistema di visione robotizzato riceve informazioni dall'agenzia e dai suoi stessi sensori e reagisce ad eventi attesi ed inattesi mediante la regolazione automatica di parametri relativi alla posizione del sistema di visione, al colore e alla distribuzione spaziale di intensità luminosa dell'illuminatore, al tempo di esposizione della telecamera, alle fasi di pre-processamento ed analisi delle immagini ed al tipo di strumento di misura utilizzare. Il prototipo, sviluppato per essere integrato in una linea di produzione esistente, mostra chiaramente i miglioramenti apportati al livello di fiducia delle ispezioni, ottenuto grazie alle diverse strategie di comportamento integrate nel sistema.