Con cada vez más casos de personas y robots móviles autónomos (AMR), también llamados robots móviles industriales (IMR), trabajando en la misma área, se deben abordar múltiples riesgos de seguridad inherentes. El funcionamiento seguro y eficiente de los AMR es demasiado importante para depender de un solo sensor la tecnología.
La fusión de sensores múltiples, o simplemente “fusión de sensores”, combina tecnologías como la telémetro láser (LIDAR), cámaras, sensores ultrasónicos, sensores láser de obstáculos e identificación por radiofrecuencia (RFID) para admitir una variedad de funciones AMR, incluida la navegación, la trayectoria planificación, prevención de colisiones, gestión de inventario y soporte logístico. Señor fusión también abarca alertar a las personas cercanas sobre la presencia del AMR.
Para abordar la necesidad de una operación segura y eficiente de los AMR, el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) y la Asociación para el Avance de la Automatización (A3), anteriormente la Asociación de Industrias Robóticas (RIA), están desarrollando la serie ANSI/A3 R15.08. de estándares. Se han publicado las R15.08-1 y R15.08-2, que se centran en los requisitos básicos de seguridad y en la integración de los AMR en un sitio. R15.08-3 está actualmente en desarrollo y ampliará los requisitos de seguridad para los AMR, incluidas recomendaciones más detalladas para el uso de la fusión de sensores.
Anticipándose a la R15.08-3, este artículo revisa algunas de las mejores prácticas actuales relacionadas con la seguridad y la fusión de sensores en los AMR, comenzando con una breve descripción de los requisitos de seguridad funcional que se utilizan actualmente con los AMR, incluidos los estándares genéricos de seguridad industrial como IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061, y los requisitos de seguridad para detectar la presencia humana como IEC 61496 e IEC 62998. Luego presenta un diseño típico de AMR que detalla las numerosas tecnologías de sensores, presenta dispositivos representativos y analiza cómo admiten funciones como navegación, planificación de rutas, localización, prevención de colisiones y gestión de inventario/soporte logístico.
Bueno mejor mejor
Los diseñadores de AMR deben considerar una variedad de estándares de seguridad, comenzando con estándares de seguridad funcional de uso general como IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061. También existen estándares de seguridad más específicos relacionados con la detección de presencia humana, como IEC 61496, IEC 62998. y la serie de normas ANSI/A3 R15.08.
IEC 61496 ofrece orientación para varios tipos de sensores. Se refiere a IEC 62061, que especifica requisitos y hace recomendaciones para el diseño, integración y validación de equipos de protección electrosensible (ESPE) para máquinas, incluidos los niveles de integridad de seguridad (SIL), y a ISO 13849 que cubre la seguridad de la maquinaria y los aspectos relacionados con la seguridad. partes de los sistemas de control, incluidos los niveles de desempeño de seguridad (PL) (Tabla 1).
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Tabla 1: Requisitos de seguridad para ESPE por tipo especificado en IEC 61496. (Fuente de la tabla: Analog Devices)
IEC 62998 es más nuevo y, a menudo, puede ser una mejor opción, ya que incluye orientación sobre la implementación de la fusión de sensores, el uso de inteligencia artificial (IA) en sistemas de seguridad y el uso de sensores montados en plataformas móviles fuera de la cobertura de IEC 61496.
R15.08 Parte 3, cuando se lance, puede hacer que la serie R15.08 sea la mejor, ya que agregará requisitos de seguridad para los usuarios de sistemas AMR y aplicaciones AMR. Los temas probables pueden incluir la fusión de sensores y pruebas y validación más exhaustivas de la estabilidad de AMR.
Funciones de fusión de sensores
Mapear la instalación es un aspecto esencial de la puesta en servicio de AMR. Pero no es una actividad única. También es parte de un proceso continuo llamado localización y mapeo simultáneos (SLAM), a veces llamado localización y mapeo sincronizados. Es el proceso de actualizar continuamente el mapa de un área para detectar cualquier cambio mientras se realiza un seguimiento de la ubicación del robot.
Se necesita la fusión de sensores para respaldar SLAM y permitir el funcionamiento seguro de los AMR. No todos los sensores funcionan igual de bien en todas las circunstancias operativas y las diferentes tecnologías de sensores producen distintos tipos de datos. La IA se puede utilizar en sistemas de fusión de sensores para combinar información sobre el entorno operativo local (si hay niebla o humo, humedad, qué tan brillante es la luz ambiental, etc.) y permitir un resultado más significativo al combinar los resultados de diferentes tecnologías de sensores.
Los elementos sensores se pueden clasificar por función y tecnología. Ejemplos de funciones de fusión de sensores en AMR incluyen (Figura 1):
- Los sensores de distancia, como codificadores sobre ruedas y unidades de medición inercial que utilizan giroscopios y acelerómetros, ayudan a medir el movimiento y determinar el rango entre las posiciones de referencia.
- Se utilizan sensores de imagen como cámaras tridimensionales (3D) y LiDAR 3D para identificar y rastrear objetos cercanos.
- Los enlaces de comunicaciones, los procesadores informáticos y los sensores logísticos, como los lectores de códigos de barras y los dispositivos de identificación por radiofrecuencia (RFID), vinculan el AMR con los sistemas de gestión de toda la instalación e integran información de sensores externos en el sistema de fusión de sensores del AMR para mejorar el rendimiento.
- Los sensores de proximidad, como los escáneres láser y el LiDAR bidimensional (2D), detectan y rastrean objetos cerca del AMR, incluido el movimiento de las personas.
LiDAR 2D, LiDAR 3D y ultrasonidos
LiDAR 2D y 3D y ultrasonidos son tecnologías de sensores comunes que respaldan SLAM y la seguridad en AMR. Las diferencias entre esas tecnologías permiten que un sensor compense las debilidades de los demás para mejorar el rendimiento y la confiabilidad.
LiDAR 2D utiliza un único plano de iluminación láser para identificar objetos en función de las coordenadas X e Y. 3D LiDAR utiliza múltiples rayos láser para crear una representación 3D muy detallada del entorno llamada nube de puntos. Ambos tipos de LiDAR son relativamente inmunes a las condiciones de luz ambiental pero requieren que los objetos a detectar tengan un umbral mínimo de reflectividad de la longitud de onda emitida por el láser. En general, el LiDAR 3D puede detectar objetos de baja reflectividad con más fiabilidad que el LiDAR 2D.
El sensor LiDAR 3D HPS-160D3 de Seeed Technology integra emisores láser infrarrojos de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) de alta potencia de 850 nm y CMOS de alta fotosensible. El procesador integrado de alto rendimiento incluye algoritmos de filtrado y compensación y puede admitir múltiples operaciones LiDAR simultáneas. La unidad tiene un alcance de hasta 12 metros con precisión centimétrica.
Cuando se necesita una solución LiDAR 2D, los diseñadores pueden recurrir al TIM781S-2174104 de SICK. Presenta un ángulo de apertura de 270 grados con una resolución angular de 0.33 grados y una frecuencia de escaneo de 15 Hz. Tiene un alcance de trabajo relacionado con la seguridad de 5 metros (Figura 2).
Los sensores ultrasónicos pueden detectar con precisión objetos transmisores como vidrio y materiales que absorben la luz que LiDAR no siempre puede ver. Los sensores ultrasónicos también son menos susceptibles a las interferencias causadas por niveles elevados de polvo, humo, humedad y otras condiciones que pueden alterar el LiDAR. Sin embargo, los sensores ultrasónicos son sensibles a las interferencias del ruido ambiental y sus rangos de detección pueden ser más limitados que los LiDAR.
Los sensores ultrasónicos como el TSPC-30S1-232 de Senix pueden complementar LiDAR y otros sensores para AMR SLAM y seguridad. Tiene un alcance óptimo de 3 metros, en comparación con los 5 metros del LiDAR 2D y los 12 metros del LiDAR 3D detallados anteriormente. Este sensor ultrasónico con compensación de temperatura tiene clasificación IP68 y se encuentra en una carcasa de acero inoxidable sellada ambientalmente (Figura 3).
La fusión de sensores generalmente se refiere al uso de varios sensores discretos. Pero en algunos casos, varios sensores se empaquetan como una sola unidad.
Tres sensores en uno
La percepción visual utilizando un par de cámaras para producir imágenes estereoscópicas más el procesamiento de imágenes basado en IA y ML puede permitir que el AMR vea el fondo e identifique objetos cercanos. Hay sensores disponibles que incluyen cámaras de profundidad estéreo, una cámara a color separada y una IMU en una sola unidad.
Cámaras de profundidad estéreo como las cámaras de profundidad Intel RealSense D455 RealSense Utilice dos cámaras separadas por una línea de base conocida para detectar la profundidad y calcular la distancia a un objeto. Una clave para la precisión es utilizar una estructura de acero resistente que garantice una distancia de separación exacta entre las cámaras, incluso en entornos industriales exigentes. La precisión del algoritmo de percepción de profundidad depende de conocer el espacio exacto entre las dos cámaras.
Por ejemplo, la cámara de profundidad modelo 82635DSD455MP se ha optimizado para AMR y plataformas similares y ha ampliado la distancia entre las cámaras a 95 mm (Figura 4). Esto permite que el algoritmo de cálculo de profundidad reduzca el error de estimación a menos del 2% a 4 metros.
Las cámaras de profundidad D455 también incluyen una cámara en color (RGB) independiente. Un obturador global de hasta 90 fotogramas por segundo en la cámara RGB, adaptado al campo de visión del generador de imágenes de profundidad (FOV), mejora la correspondencia entre el color y las imágenes de profundidad, mejorando la capacidad de comprender el entorno. Las cámaras de profundidad D455 integran una IMU con seis grados de libertad que permite que el algoritmo de cálculo de profundidad incluya la velocidad de movimiento del AMR y produzca estimaciones dinámicas de conocimiento de la profundidad.
Iluminando y sonando el camino
Las luces intermitentes y las alertas audibles para las personas que se encuentran cerca de un AMR son importantes para la seguridad de los AMR. Las luces suelen tener la forma de una torre de luz o una tira de luz a los lados del AMR. Ayudan al robot a comunicar las acciones previstas a las personas. También pueden indicar estados como carga de la batería, actividades de carga o descarga, intención de girar en una nueva dirección (como las señales de giro de un automóvil), condiciones de emergencia, etc.
No existen estándares para colores de luz, velocidades de parpadeo o alarmas audibles. Pueden variar entre los fabricantes de AMR y, a menudo, se desarrollan para reflejar las actividades específicas en la instalación donde opera el AMR. Las tiras de luz están disponibles con y sin mecanismos de alerta audible incorporados. Por ejemplo, el modelo TLF100PDLBGYRAQP de Banner Engineering incluye un elemento audible sellado con 14 tonos seleccionables y control de volumen (Figura 5).
Soporte logístico
Los AMR operan como parte de operaciones más grandes y, a menudo, deben integrarse con el software de planificación de recursos empresariales (ERP), el sistema de ejecución de fabricación (MES) o el sistema de gestión de almacenes (WMS). El módulo de comunicaciones del AMR, junto con sensores como lectores de códigos de barras y RFID, permiten que los AMR se fusionen estrechamente con los sistemas empresariales.
Cuando se necesita un lector de códigos de barras, los diseñadores pueden recurrir al V430-F000W12M-SRP de Omron, que puede decodificar códigos de barras 1D y 2D en etiquetas o códigos de barras de marca directa de piezas (DPM). Incluye enfoque automático de distancia variable, una lente de amplio campo de visión, un sensor de 1.2 megapíxeles, una luz incorporada y procesamiento de alta velocidad.
El DLP-RFID2 de DLP Design es un módulo compacto y de bajo costo para leer y escribir en etiquetas transpondedoras RFID de alta frecuencia (HF). También puede leer los identificadores únicos (UDI) de hasta 15 etiquetas a la vez y puede configurarse para usar una antena interna o externa. Tiene un rango de temperatura de funcionamiento de 0 °C a +70 °C, lo que lo hace adecuado para su uso en instalaciones de logística y fabricación de la Industria 4.0.
Conclusión
La fusión de sensores es una herramienta importante para respaldar SLAM y la seguridad en los AMR. Anticipándose a la R15.08-3, que puede incluir referencias a la fusión de sensores y pruebas y validación más exhaustivas de la estabilidad de los AMR, este artículo revisó algunos estándares actuales y mejores prácticas para implementar la fusión de sensores en los AMR. Este es el segundo artículo de una serie de dos partes. La primera parte revisó la integración segura y eficiente de los AMR en las operaciones de la industria 4.0 para obtener el máximo beneficio.