Hvordan sensorintegration gør det muligt for AMR'er at manøvrere effektivt rundt på fabriksgulve

Når mennesker og autonome mobile robotter (AMR'er), også kaldet industrielle mobile robotter (IMR'er), i stigende grad arbejder i samme område, skal der tages højde for flere iboende sikkerhedsrisici. Den sikre og effektive drift af AMR'er er for vigtig til at være afhængig af en enkelt sensorteknologi.

Multisensorintegration, eller blot "sensorintegration", kombinerer teknologier som afstandsmåling ved brug af laser (LIDAR), kameraer, ultralydssensorer, forhindringssensorer ved brug af lasere og radiofrekvensidentifikation (radio frequency identification/RFID) for at understøtte en række AMR-funktioner, herunder navigation, ruteplanlægning, undgåelse af kollisioner, lagerstyring og logistiksupport. Sensorintegration omfatter også at advare folk i nærheden om tilstedeværelsen af AMR.

For at imødekomme behovet for sikker og effektiv drift af AMR'er er det amerikanske institut for nationale standarder, American National Standards Institute (ANSI), og Foreningen til fremme af automatisering, Association for Advancing Automation (A3), tidligere Robotic Industries Association (RIA), ved at udvikle ANSI/A3 R15.08-serien af standarder. R15.08-1 og R15.08-2 er blevet udgivet med fokus på grundlæggende sikkerhedskrav og integration af AMR'er i et anlæg. R15.08-3 er i øjeblikket under udvikling og vil udvide sikkerhedskravene til AMR'er, herunder mere detaljerede anbefalinger til brug af sensorintegration.

Forud for udgivelse af R15.08-3 gennemgår denne artikel nogle af nutidens bedste praksisser, relateret til sikkerhed og sensorintegration i AMR'er. Den begynder med en kort oversigt over funktionelle sikkerhedskrav, der for nuværende bruges med AMR'er, herunder generiske industrielle sikkerhedsstandarder som IEC 61508, ISO 13849 og IEC 62061, og sikkerhedskravene til registrering af menneskelig tilstedeværelse som IEC 61496 og IEC 62998. Derefter præsenteres et typisk AMR-design, der beskriver de mange sensorteknologier, præsenterer repræsentative enheder og ser på, hvordan de understøtter funktioner som navigation, ruteplanlægning, lokalisering, undgåelse af kollisioner og lagerstyring/logistiksupport.

God, bedre, bedst

AMR-designere skal tage hensyn til en række sikkerhedsstandarder begyndende med generelle funktionelle sikkerhedsstandarder som IEC 61508, ISO 13849 og IEC 62061. Der findes også mere specifikke sikkerhedsstandarder, der er relateret til registrering af menneskelig tilstedeværelse, såsom IEC 61496, IEC 62998 og ANSI/A3 R15.08-serien af standarder.

IEC 61496 giver vejledning til flere sensortyper. Den henviser til IEC 62061, som specificerer krav og giver anbefalinger til design, integration og validering af elektrosensitivt beskyttelsesudstyr (ESPE) til maskiner, herunder sikkerhedsintegritetsniveauer (Safety Integrity Level/SIL'er), og ISO 13849, som dækker sikkerhed for maskiner og sikkerhedsrelaterede dele af styresystemer, herunder sikkerhedspræstationsniveauer (performance levels/PL'er) (tabel 1).

Tabel 1: sikkerhedskrav til ESPE efter type specificeret i IEC 61496. (Tabelkilde: Analog Devices)

IEC 62998 er nyere og kan ofte være et bedre valg, da den indeholder vejledning i implementering af sensorintegration, brug af kunstig intelligens (AI) i sikkerhedssystemer og brugen af sensorer monteret på bevægelige platforme, der ikke dækkes af IEC 61496.

R15.08 3. del, når den udkommer, kan gøre R15.08-serien til den bedste, da den vil tilføje sikkerhedskrav til brugere af AMR-systemer og AMR-anvendelser. Emnerne kan omfatte sensorintegration og mere omfattende AMR-stabilitetstest og -validering.

Sensorintegrationsfunktioner

Kortlægning af anlægget er et vigtigt aspekt af AMR-idriftsættelse. Men det er ikke blot en engangsaktivitet. Det er også en del af en løbende proces, der kaldes simultan lokalisering og kortlægning (simultaneous localization and mapping/SLAM), nogle gange kaldet synkroniseret lokalisering og kortlægning (synchronized localization and mapping). Det er processen med løbende opdatering af kortet over et område for eventuelle ændringer, mens man holder styr på robottens placering.

Sensorintegration er nødvendig for at understøtte SLAM og muliggøre AMR'ens sikre drift. Ikke alle sensorer fungerer lige godt under alle driftsforhold, og forskellige sensorteknologier producerer forskellige datatyper. AI kan bruges i sensorintegrationssystemer til at kombinere oplysninger om det lokale driftsmiljø (er der sløret eller røget, fugtigt, hvor stærkt er det omgivende lys osv.) og muliggøre et mere meningsfuldt resultat ved at kombinere udgang fra forskellige sensorteknologier.

Sensorelementer kan kategoriseres efter funktion såvel som teknologi. Eksempler på sensorintegrationsfunktioner i AMR'er omfatter (figur 1):

• Afstandssensorer som kodere på hjul og inertimålingsenheder med gyroskoper og accelerometre hjælper med at måle bevægelsen og bestemme afstanden mellem referencepositionerne.
• Billedsensorer som tredimensionelle (3D) kameraer og 3D-LiDAR bruges til at identificere og spore objekter i nærheden.
• Kommunikationsforbindelser, computerprocessorer og logistiksensorer som stregkodescannere og radiofrekvensidentifikations (RFID)-enheder forbinder AMR'en med styringssystemer i hele anlægget og integrerer information fra eksterne sensorer i AMR'ens sensorintegrationssystem for at forbedre ydeevnen.
• Afstandssensorer som laserscannere og todimensionelle (2D) LiDAR registrerer og sporer objekter i nærheden af AMR, herunder menneskers bevægelser.

Figur 1: Eksempler på almindelige sensortyper og relaterede systemelementer, der bruges i AMR-sensorintegrationsdesigns. (Billedkilde: Qualcomm)

2D-LiDAR, 3D-LiDAR og ultralyd

2D- og 3D-LiDAR og -ultralyd er almindelige sensorteknologier, der understøtter SLAM og sikkerhed i AMR'er. Forskellene mellem disse teknologier gør det muligt for den ene sensor at kompensere for de andres svagheder ved for at forbedre ydeevnen og pålideligheden.

2D-LiDAR bruger et enkelt plan med laserbelysning til at identificere objekter baseret på X- og Y-koordinater. 3D-LiDAR bruger flere laserstråler til at skabe en meget detaljeret 3D-repræsentation af omgivelserne, kaldet en punktsky. Begge LiDAR-typer er relativt immune over for omgivende lysforhold, men kræver, at de objekter, der skal detekteres, har en minimumstærskel for refleksion af den bølgelængde, laseren udsender. Generelt kan 3D-LiDAR registrere objekter med lav refleksionsevne med større pålidelighed end 2D-LiDAR.

HPS-3D160 3D-LiDAR-sensoren fra Seeed Technology integrerer højeffektive 850 nm infrarøde overfladeemitterende laser med lodret hulrum (vertical-cavity surface-emitting laser/VCSEL) og højfotofølsom CMOS. Den indlejrede, højtydende processor inkluderer filtrerings- og kompensationsalgoritmer og kan understøtte flere samtidige LiDAR-operationer. Enheden har en rækkevidde på op til 12 meter med centimeters nøjagtighed.

Når der er brug for en 2D-LiDAR-løsning, kan designere henvende sig til TIM781S-2174104 fra SICK. Den har en blændevinkel på 270 grader med en vinkelopløsning på 0,33 grader og en scanningsfrekvens på 15 Hz. Den har et sikkerhedsrelateret arbejdsområde på 5 meter (figur 2).

Figur 2: Denne 2D-LiDAR-sensor har en blændevinkel på 270 grader. (Billedkilde: SICK)

Ultralydssensorer kan nøjagtigt registrere gennemtrængelige objekter som glas og lysabsorberende materialer, som LiDAR ikke altid kan se. Ultralydssensorer er også mindre modtagelige over for interferens fra støv, røg, fugtighed og andre forhold, der kan forstyrre LiDAR. Ultralydssensorer er dog følsomme over for interferens fra miljøstøj, og deres detekteringsrækkevidde kan være mere begrænset end LiDAR.

Ultralydssensorer som TSPC-30S1-232 fra Senix kan supplere LiDAR og andre sensorer til AMR SLAM og sikkerhed. Den har en optimal rækkevidde på 3 meter sammenlignet med 5 meter for 2D-LiDAR og 12 meter for 3D-LiDAR, som beskrevet ovenfor. Denne temperaturkompenserede ultralydssensor er IP68-klassificeret i et rustfrit stål kabinet, der er miljømæssigt forseglet (figur 3).

Figur 3: miljømæssigt forseglet ultralydssensor med en optimal rækkevidde på 3 meter. (Billedkilde: DigiKey)

Sensorintegration refererer normalt til brug af flere diskrete sensorer. Men i nogle tilfælde leveres flere sensorer i fælles emballage som en enkelt enhed.

Tre sensorer i én

Visuel opfattelse ved hjælp af et kamerapar, der danner stereoskopiske billeder plus AI- og ML-baseret billedbehandling, kan gøre det muligt for AMR’en at se baggrunden og identificere objekter i nærheden. Sensorer findes, der inkluderer stereodybdekameraer, et separat farvekamera og en IMU i én enhed.

Stereodybdekameraer, som Intel RealSense D455 RealSense Depth Cameras, bruger to kameraer, adskilt af en kendt basislinje til at registrere dybden og beregne afstanden til et objekt. En nøgle til præcision er at bruge en robust stålramme, der sikrer en præcis afstand mellem kameraerne, selv i krævende industrimiljøer. Dybdeopfattelsesalgoritmens nøjagtighed afhænger af, at man kender den nøjagtige afstand mellem de to kameraer.

For eksempel er dybdekameramodellen 82635DSD455MP optimeret til AMR'er og lignende platforme og har udvidet afstanden mellem kameraerne til 95 mm (figur 4). Det gør det muligt for dybdeberegningsalgoritmen at reducere estimeringsfejlen til mindre end 2 % ved 4 meters afstand.

Figur 4: Dette modul indeholder stereodybdekameraer, der er adskilt med 95 mm, et separat farvekamera og en IMU. (Billedkilde: DigiKey)

D455-dybdekameraerne har også et separat farvekamera (RGB). En global lukker på op til 90 billeder i sekundet på RGB-kameraet, der er tilpasset dybdebilledets synsfelt (FOV), forbedrer korrespondancen mellem farve- og dybdebillederne, hvilket øger evnen til at forstå omgivelserne. D455-dybdekameraer integrerer en IMU med seks frihedsgrader, der gør det muligt for dybdeberegningsalgoritmen at inkludere AMR'ens bevægelseshastighed og producere dynamiske estimater for dybdeopfattelse.

Belysning og akustik på vejen

Blinkende lys og akustiske advarsler til personer i nærheden af en AMR er vigtige for AMR's sikkerhed. Lysene er normalt i form af et lystårn eller en lysstribe på siderne af AMR'en. De hjælper robotten med at kommunikere sine handlingshensigter til mennesker. De kan også indikere status som batteriopladning, læsning eller aflæsning, hensigt om at dreje i en ny retning (som blinklysene på en bil), nødsituationer og så videre.

Der er ingen standarder for lysfarver, blinkhastigheder eller lydalarmer. De kan variere fra AMR-producent til AMR-producent og er ofte udviklet til at afspejle de specifikke aktiviteter i den facilitet, hvor AMR'en opererer. Lysstrimler fås med og uden indbyggede akustiske advarselsmekanismer. For eksempel indeholder modellen TLF100PDLBGYRAQP fra Banner Engineering et forseglet lydelement med 14 valgbare toner og lydstyrkekontrol (figur 5).

Figur 5: Denne lysbjælkesignaltavle inkluderer et forseglet lydelement (øverste sorte cirkel). (Billedkilde: DigiKey)

Logistisksstøtte

AMR'er fungerer som en del af større operationer og skal ofte integreres med ressourceplanlægning for virksomheder (enterprise resource planning/ERP), produktionsudførelsessystem (manufacturing execution system/MES) eller lagerstyringssystem (warehouse management system/WMS) software. AMR'ens kommunikationsmodul, kombineret med sensorer såsom stregkode- og RFID-læsere, gør det muligt for tætintegration af AMR'er i virksomhedssystemer.

Når der er brug for en stregkodelæser, kan designerne bruge V430-F000W12M-SRP fra Omron, som kan afkode 1D- og 2D-stregkoder på mærkater eller direkte delmærke (Direct Part Mark/DPM). Den inkluderer autofokus med variabel afstand, en linse med bredt synsfelt, en 1,2-megapixelsensor, et indbygget lys og højhastighedsbehandling.

DLP-RFID2 fra DLP Design er et billigt, kompakt modul til at læse fra og skrive til højfrekvente (HF) RFID-transpondertags. Den kan også læse de unikke identifikatorer (UDI) på op til 15 tags på én gang og kan konfigureres til at bruge en intern eller ekstern antenne. Den har et driftstemperaturområde på 0 °C til +70 °C, hvilket gør den velegnet til brug i Industri 4.0-produktions- og logistikfaciliteter.

Konklusion

Sensorintegration er et vigtigt værktøj til at understøtte SLAM og sikkerhed i AMR'er. I forventning om R15.08-3, som kan indeholde referencer til sensorintegration og mere omfattende AMR-stabilitetstest og -validering, gennemgik denne artikel nogle aktuelle standarder og bedste praksis for implementering af sensorintegration i AMR'er. Dette er den anden artikel i en serie med to afsnit. Den første del gennemgik den sikre og effektive integration af AMR'er i industri 4.0-operationer for at opnå maksimalt udbytte.