مع تزايد حالات الأشخاص والروبوتات المتنقلة المستقلة (AMRs)، والتي تسمى أيضًا الروبوتات المتنقلة الصناعية (IMRs)، التي تعمل في نفس المنطقة، يجب معالجة العديد من مخاطر السلامة الكامنة. يعد التشغيل الآمن والفعال لـ AMRs أمرًا مهمًا للغاية بحيث لا يمكن الاعتماد على جهاز استشعار واحد التكنلوجيا.
يجمع دمج أجهزة الاستشعار، أو ببساطة "دمج أجهزة الاستشعار"، بين تقنيات مثل تحديد نطاق الليزر (LIDAR)، والكاميرات، وأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية، وأجهزة استشعار عوائق الليزر، وتحديد تردد الراديو (RFID) لدعم مجموعة من وظائف AMR، بما في ذلك الملاحة والمسار. التخطيط وتجنب الاصطدام وإدارة المخزون والدعم اللوجستي. يشمل Senor fusion أيضًا تنبيه الأشخاص القريبين إلى وجود AMR.
لتلبية الحاجة إلى التشغيل الآمن والفعال لـ AMRs، يقوم المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (ANSI) وجمعية تطوير الأتمتة (A3)، المعروفة سابقًا باسم جمعية الصناعات الروبوتية (RIA)، بتطوير سلسلة ANSI/A3 R15.08 من المعايير. تم إصدار R15.08-1 وR15.08-2، مع التركيز على متطلبات السلامة الأساسية ودمج AMRs في الموقع. R15.08-3 قيد التطوير حاليًا وسيعمل على توسيع متطلبات السلامة الخاصة بـ AMRs، بما في ذلك توصيات أكثر تفصيلاً لاستخدام دمج أجهزة الاستشعار.
تحسبًا للمعيار R15.08-3، تستعرض هذه المقالة بعضًا من أفضل الممارسات الحالية المتعلقة بالسلامة ودمج أجهزة الاستشعار في AMRs، بدءًا من نظرة عامة مختصرة على متطلبات السلامة الوظيفية المستخدمة حاليًا مع AMRs، بما في ذلك معايير السلامة الصناعية العامة مثل IEC 61508 وISO. 13849 وIEC 62061، ومتطلبات السلامة لاستشعار الوجود البشري مثل IEC 61496 وIEC 62998. ثم يعرض تصميمًا نموذجيًا لـ AMR يوضح بالتفصيل تقنيات الاستشعار العديدة، ويقدم الأجهزة التمثيلية، وينظر في كيفية دعمها لوظائف مثل الملاحة وتخطيط المسار، التوطين وتجنب الاصطدام وإدارة المخزون/الدعم اللوجستي.
جيد أحسن الأفضل
لدى مصممي AMR مجموعة من معايير السلامة التي يجب أخذها في الاعتبار، بدءًا بمعايير السلامة الوظيفية للأغراض العامة مثل IEC 61508 وISO 13849 وIEC 62061. وهناك أيضًا معايير أمان أكثر تحديدًا تتعلق باستشعار الوجود البشري، مثل IEC 61496 وIEC 62998 وسلسلة المعايير ANSI/A3 R15.08.
توفر المواصفة القياسية IEC 61496 إرشادات للعديد من أنواع أجهزة الاستشعار. تشير هذه المواصفة إلى المواصفة IEC 62061، التي تحدد المتطلبات وتقدم توصيات لتصميم وتكامل والتحقق من صحة معدات الحماية الحساسة للكهرباء (ESPE) للآلات، بما في ذلك مستويات سلامة السلامة (SILs)، والمواصفة القياسية ISO 13849 التي تغطي سلامة الآلات وما يتعلق بالسلامة. أجزاء أنظمة التحكم بما في ذلك مستويات أداء السلامة (PLs) (الجدول 1).
|
|||||||||||||||||||
الجدول 1: متطلبات السلامة لـ ESPE حسب النوع المحدد في المواصفة IEC 61496. (مصدر الجدول: الأجهزة التناظرية)
تعد المواصفة IEC 62998 أحدث ويمكن أن تكون في كثير من الأحيان خيارًا أفضل لأنها تتضمن إرشادات حول تنفيذ دمج أجهزة الاستشعار، واستخدام الذكاء الاصطناعي (AI) في أنظمة السلامة، واستخدام أجهزة الاستشعار المثبتة على منصات متحركة خارج نطاق تغطية IEC 61496.
R15.08 الجزء 3، عندما يتم إصداره، قد يجعل سلسلة R15.08 هي الأفضل لأنها ستضيف متطلبات السلامة لمستخدمي أنظمة AMR وتطبيقات AMR. قد تتضمن المواضيع المحتملة دمج أجهزة الاستشعار واختبار ثبات مقاومة مضادات الميكروبات والتحقق من صحتها بشكل أكثر شمولاً.
وظائف الانصهار الاستشعار
يعد رسم خرائط المنشأة جانبًا أساسيًا في تشغيل AMR. لكنه ليس نشاطًا فرديًا. كما أنها جزء من عملية مستمرة تسمى التعريب المتزامن ورسم الخرائط (SLAM)، والتي تسمى أحيانًا التعريب المتزامن ورسم الخرائط. إنها عملية التحديث المستمر لخريطة المنطقة لأية تغييرات مع تتبع موقع الروبوت.
هناك حاجة إلى دمج أجهزة الاستشعار لدعم SLAM وتمكين التشغيل الآمن لـ AMRs. لا تعمل جميع أجهزة الاستشعار بشكل جيد على قدم المساواة في جميع ظروف التشغيل، وتنتج تقنيات الاستشعار المختلفة أنواعًا مختلفة من البيانات. يمكن استخدام الذكاء الاصطناعي في أنظمة دمج أجهزة الاستشعار لدمج المعلومات حول بيئة التشغيل المحلية (هل هي ضبابية أم دخانية، رطبة، مدى سطوع الضوء المحيط، وما إلى ذلك) وتمكين الحصول على نتيجة أكثر فائدة من خلال الجمع بين مخرجات تقنيات الاستشعار المختلفة.
يمكن تصنيف عناصر الاستشعار حسب الوظيفة وكذلك التكنولوجيا. تتضمن أمثلة وظائف دمج المستشعرات في AMRs (الشكل 1):
- تساعد مستشعرات المسافة مثل أجهزة التشفير الموجودة على العجلات ووحدات قياس القصور الذاتي باستخدام الجيروسكوبات ومقاييس التسارع في قياس الحركة وتحديد النطاق بين المواضع المرجعية.
- يتم استخدام مستشعرات الصور مثل الكاميرات ثلاثية الأبعاد (3D) و3D LiDAR لتحديد وتتبع الأشياء القريبة.
- تعمل روابط الاتصالات والمعالجات الحسابية وأجهزة الاستشعار اللوجستية مثل ماسحات الباركود وأجهزة تحديد الترددات الراديوية (RFID) على ربط AMR بأنظمة الإدارة على مستوى المنشأة ودمج المعلومات من أجهزة الاستشعار الخارجية في نظام دمج مستشعرات AMR لتحسين الأداء.
- تقوم أجهزة استشعار القرب مثل الماسحات الضوئية الليزرية وتقنية LiDAR ثنائية الأبعاد (2D) باكتشاف وتتبع الأجسام القريبة من AMR، بما في ذلك حركة الأشخاص.
2D LiDAR، 3D LiDAR، والموجات فوق الصوتية
تعد تقنية LiDAR ثنائية وثلاثية الأبعاد والموجات فوق الصوتية من تقنيات الاستشعار الشائعة التي تدعم SLAM والسلامة في AMRs. تمكن الاختلافات بين هذه التقنيات أحد أجهزة الاستشعار من تعويض نقاط الضعف في الأجهزة الأخرى لتحسين الأداء والموثوقية.
يستخدم 2D LiDAR مستوى واحد من إضاءة الليزر لتحديد الكائنات بناءً على إحداثيات X وY. يستخدم 3D LiDAR أشعة ليزر متعددة لإنشاء تمثيل ثلاثي الأبعاد مفصل للغاية للمناطق المحيطة يسمى السحابة النقطية. يعتبر كلا النوعين من أجهزة LiDAR محصنين نسبيًا ضد ظروف الإضاءة المحيطة، لكنهما يتطلبان أن يكون للأجسام المراد اكتشافها حد أدنى من انعكاس الطول الموجي المنبعث من الليزر. بشكل عام، يمكن لـ 3D LiDAR اكتشاف الأجسام منخفضة الانعكاس بموثوقية أكبر من 3D LiDAR.
يدمج مستشعر HPS-3D160 3D LiDAR من Seeed Technology بواعث ليزر باعثة لسطح التجويف الرأسي بالأشعة تحت الحمراء (VCSEL) عالية الطاقة تبلغ 850 نانومتر وCMOS عالي الحساسية. يتضمن المعالج المدمج عالي الأداء خوارزميات التصفية والتعويض ويمكنه دعم عمليات LiDAR المتعددة المتزامنة. يصل مدى الوحدة إلى 12 مترًا بدقة سنتيمتر.
عند الحاجة إلى حل LiDAR ثنائي الأبعاد، يمكن للمصممين اللجوء إلى TIM2S-781 من SICK. ويتميز بزاوية فتحة تبلغ 2174104 درجة مع دقة زاوية تبلغ 270 درجة وتردد مسح يبلغ 0.33 هرتز. يبلغ نطاق العمل المتعلق بالسلامة 15 أمتار (الشكل 5).
يمكن لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية اكتشاف الأجسام الناقلة بدقة مثل الزجاج والمواد الممتصة للضوء والتي لا يستطيع LiDAR رؤيتها دائمًا. تعد أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية أيضًا أقل عرضة للتداخل الناتج عن الغبار العالي والدخان والرطوبة وغيرها من الظروف التي يمكن أن تعطل LiDAR. ومع ذلك، فإن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية حساسة للتداخل الناتج عن الضوضاء البيئية، ويمكن أن تكون نطاقات اكتشافها محدودة أكثر من LiDAR.
يمكن لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية مثل TSPC-30S1-232 من Senix أن تكمل LiDAR وأجهزة الاستشعار الأخرى لـ AMR SLAM والسلامة. ويبلغ نطاقه الأمثل 3 أمتار، مقارنة بـ 5 أمتار لجهاز LiDAR ثنائي الأبعاد و2 مترًا لجهاز LiDAR ثلاثي الأبعاد المفصل أعلاه. هذا المستشعر بالموجات فوق الصوتية المعوض بدرجة الحرارة حاصل على تصنيف IP12 في حاوية من الفولاذ المقاوم للصدأ محكمة الغلق بيئيًا (الشكل 3).
يشير دمج المستشعر عادةً إلى استخدام عدة أجهزة استشعار منفصلة. ولكن في بعض الحالات، يتم تجميع أجهزة استشعار متعددة كوحدة واحدة.
ثلاثة أجهزة استشعار في واحد
يمكن للإدراك البصري باستخدام زوج من الكاميرات لإنتاج صور مجسمة بالإضافة إلى معالجة الصور بناءً على الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي أن يمكّن AMR من رؤية الخلفية بالإضافة إلى تحديد الأشياء القريبة. تتوفر أجهزة الاستشعار التي تتضمن كاميرات عمق استريو وكاميرا ملونة منفصلة ووحدة IMU في وحدة واحدة.
كاميرات عمق ستيريو مثل Intel RealSense D455 RealSense Depth Cameras استخدم كاميرتين مفصولتين بخط أساسي معروف لاستشعار العمق وحساب المسافة إلى الجسم. أحد مفاتيح الدقة هو استخدام إطار فولاذي قوي يضمن مسافة فصل دقيقة بين الكاميرات، حتى في البيئات الصناعية الصعبة. تعتمد دقة خوارزمية إدراك العمق على معرفة المسافة الدقيقة بين الكاميرتين.
على سبيل المثال، تم تحسين كاميرا العمق طراز 82635DSD455MP لتناسب AMRs والمنصات المماثلة وتم تمديد المسافة بين الكاميرات إلى 95 مم (الشكل 4). يتيح ذلك لخوارزمية حساب العمق تقليل خطأ التقدير إلى أقل من 2% عند 4 أمتار.
تشتمل كاميرات العمق D455 أيضًا على كاميرا ملونة منفصلة (RGB). يعمل الغالق الشامل لما يصل إلى 90 إطارًا في الثانية على كاميرا RGB، المتوافق مع مجال رؤية تصوير العمق (FOV)، على تحسين المراسلات بين الصور الملونة والصور العميقة، مما يعزز القدرة على فهم المناطق المحيطة. تدمج كاميرات العمق D455 وحدة IMU بست درجات من الحرية التي تمكن خوارزمية حساب العمق من تضمين معدل حركة AMR وإنتاج تقديرات ديناميكية للوعي بالعمق.
إضاءة وصوت الطريق
تعتبر الأضواء الوامضة والتنبيهات الصوتية للأشخاص القريبين من مقاومة مضادات الميكروبات مهمة لسلامة مقاومة مضادات الميكروبات. تكون الأضواء عادةً على شكل برج ضوئي أو شريط ضوئي على جوانب AMR. إنها تساعد الروبوت على إيصال الإجراء (الإجراءات) المقصودة إلى الأشخاص. ويمكنها أيضًا الإشارة إلى حالة مثل شحن البطارية، أو أنشطة التحميل أو التفريغ، أو نية الدوران في اتجاه جديد (مثل إشارات الانعطاف في السيارة)، أو حالات الطوارئ، وما إلى ذلك.
لا توجد معايير للألوان الفاتحة أو سرعات الوميض أو الإنذارات الصوتية. ويمكن أن تختلف بين صانعي مقاومة مضادات الميكروبات وغالبًا ما يتم تطويرها لتعكس الأنشطة المحددة في المنشأة التي تعمل فيها مقاومة مضادات الميكروبات. تتوفر شرائط الإضاءة مع أو بدون آليات تنبيه مسموعة مدمجة. على سبيل المثال، يتضمن الطراز TLF100PDLBGYRAQP من شركة Banner Engineering عنصرًا مسموعًا مغلقًا مع 14 نغمة قابلة للتحديد والتحكم في مستوى الصوت (الشكل 5).
الدعم اللوجستي
تعمل AMRs كجزء من عمليات أكبر وغالبًا ما يُطلب منها التكامل مع برنامج تخطيط موارد المؤسسة (ERP) أو نظام تنفيذ التصنيع (MES) أو برنامج نظام إدارة المستودعات (WMS). تعمل وحدة الاتصالات الموجودة في AMR إلى جانب أجهزة الاستشعار مثل قارئات الباركود وRFID على تمكين دمج AMRs بإحكام في أنظمة المؤسسة.
عند الحاجة إلى قارئ باركود، يمكن للمصممين اللجوء إلى V430-F000W12M-SRP من Omron، والذي يمكنه فك تشفير الرموز الشريطية أحادية وثنائية الأبعاد على الملصقات أو الرموز الشريطية لعلامة الجزء المباشر (DPM). يتضمن ضبطًا تلقائيًا لمسافة متغيرة وعدسة مجال رؤية واسعة ومستشعرًا بدقة 1 ميجابكسل وضوءًا مدمجًا ومعالجة عالية السرعة.
إن DLP-RFID2 من DLP Design عبارة عن وحدة مدمجة منخفضة التكلفة للقراءة من علامات مرسل مستجيب RFID عالية التردد (HF) والكتابة إليها. يمكنه أيضًا قراءة المعرفات الفريدة (UDI) لما يصل إلى 15 علامة في وقت واحد ويمكن تهيئتها لاستخدام هوائي داخلي أو خارجي. تتراوح درجة حرارة التشغيل من 0 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في مرافق التصنيع والخدمات اللوجستية Industry 4.0.
وفي الختام
يعد دمج المستشعر أداة مهمة لدعم SLAM والسلامة في AMRs. تحسبًا للمعيار R15.08-3، والذي قد يتضمن إشارات إلى دمج أجهزة الاستشعار واختبارات أكثر شمولاً لثبات مقاومة مضادات الميكروبات والتحقق من صحتها، استعرضت هذه المقالة بعض المعايير الحالية وأفضل الممارسات لتنفيذ دمج أجهزة الاستشعار في مقاومة مضادات الميكروبات. هذه هي المقالة الثانية في سلسلة من جزأين. استعرض الجزء الأول التكامل الآمن والفعال لـ AMRs في عمليات الصناعة 4.0 لتحقيق أقصى فائدة.