Con l’aumento dei casi di persone e robot mobili autonomi (AMR), chiamati anche robot mobili industriali (IMR), che lavorano nella stessa area, è necessario affrontare molteplici rischi intrinseci alla sicurezza. Il funzionamento sicuro ed efficiente degli AMR è troppo importante per fare affidamento su un unico sensore la tecnologia.
La fusione multisensore, o semplicemente "fusione di sensori", combina tecnologie come telemetria laser (LIDAR), fotocamere, sensori a ultrasuoni, sensori di ostacoli laser e identificazione a radiofrequenza (RFID) per supportare una gamma di funzioni AMR, tra cui navigazione, rilevamento del percorso pianificazione, prevenzione delle collisioni, gestione dell'inventario e supporto logistico. La fusione senor comprende anche l'allarme delle persone vicine della presenza dell'AMR.
Per rispondere alla necessità di un funzionamento sicuro ed efficiente degli AMR, l'American National Standards Institute (ANSI) e l'Association for Advancing Automation (A3), ex Robotic Industries Association (RIA), stanno sviluppando la serie ANSI/A3 R15.08 degli standard. Sono state rilasciate le norme R15.08-1 e R15.08-2, incentrate sui requisiti di sicurezza di base e sull'integrazione degli AMR in un sito. R15.08-3 è attualmente in fase di sviluppo e amplierà i requisiti di sicurezza per gli AMR, comprese raccomandazioni più dettagliate per l'utilizzo della fusione dei sensori.
In previsione della R15.08-3, questo articolo esamina alcune delle migliori pratiche odierne relative alla sicurezza e alla fusione dei sensori negli AMR, iniziando con una breve panoramica dei requisiti di sicurezza funzionale attualmente utilizzati con gli AMR, inclusi standard generici di sicurezza industriale come IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061 e i requisiti di sicurezza per il rilevamento della presenza umana come IEC 61496 e IEC 62998. Presenta quindi un tipico progetto AMR che descrive in dettaglio le numerose tecnologie di sensori, presenta dispositivi rappresentativi e esamina come supportano funzioni come la navigazione, la pianificazione del percorso, localizzazione, prevenzione delle collisioni e gestione dell'inventario/supporto logistico.
Buono meglio migliore
I progettisti AMR devono considerare una serie di standard di sicurezza, a partire da standard di sicurezza funzionale generici come IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061. Esistono anche standard di sicurezza più specifici relativi al rilevamento della presenza umana, come IEC 61496, IEC 62998 e la serie di standard ANSI/A3 R15.08.
La norma IEC 61496 offre indicazioni per diversi tipi di sensori. Si riferisce alla norma IEC 62061, che specifica i requisiti e formula raccomandazioni per la progettazione, l'integrazione e la convalida dei dispositivi di protezione elettrosensibile (ESPE) per macchine, compresi i livelli di integrità della sicurezza (SIL), e alla norma ISO 13849 che copre la sicurezza delle macchine e i relativi dispositivi di sicurezza. parti dei sistemi di controllo, compresi i livelli di prestazione di sicurezza (PL) (Tabella 1).
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Tabella 1: Requisiti di sicurezza per ESPE per tipo specificati nella norma IEC 61496. (Fonte tabella: Analog Devices)
La norma IEC 62998 è più recente e spesso può rappresentare una scelta migliore poiché include indicazioni sull'implementazione della fusione dei sensori, sull'uso dell'intelligenza artificiale (AI) nei sistemi di sicurezza e sull'uso di sensori montati su piattaforme mobili al di fuori della copertura della norma IEC 61496.
R15.08 Parte 3, quando verrà rilasciata, potrebbe rendere la serie R15.08 la migliore poiché aggiungerà requisiti di sicurezza per gli utenti di sistemi e applicazioni AMR. Gli argomenti più probabili potrebbero includere la fusione dei sensori e test e convalide più estesi sulla stabilità della resistenza antimicrobica.
Funzioni di fusione dei sensori
La mappatura della struttura è un aspetto essenziale della messa in servizio dell’AMR. Ma non è un'attività una tantum. Fa anche parte di un processo in corso chiamato localizzazione e mappatura simultanea (SLAM), a volte chiamata localizzazione e mappatura sincronizzata. È il processo di aggiornamento continuo della mappa di un'area per eventuali modifiche mantenendo traccia della posizione del robot.
La fusione dei sensori è necessaria per supportare SLAM e consentire il funzionamento sicuro degli AMR. Non tutti i sensori funzionano altrettanto bene in tutte le circostanze operative e le diverse tecnologie dei sensori producono diversi tipi di dati. L’intelligenza artificiale può essere utilizzata nei sistemi di fusione dei sensori per combinare informazioni sull’ambiente operativo locale (è nebbioso o fumoso, umido, quanto è luminosa la luce ambientale, ecc.) e consentire un risultato più significativo combinando gli output di diverse tecnologie di sensori.
Gli elementi sensore possono essere classificati in base alla funzione e alla tecnologia. Esempi di funzioni di fusione dei sensori negli AMR includono (Figura 1):
- Sensori di distanza come encoder su ruote e unità di misurazione inerziale che utilizzano giroscopi e accelerometri aiutano a misurare il movimento e determinare l'intervallo tra le posizioni di riferimento.
- Sensori di immagine come fotocamere tridimensionali (3D) e LiDAR 3D vengono utilizzati per identificare e tracciare gli oggetti vicini.
- Collegamenti di comunicazione, processori di calcolo e sensori logistici come lettori di codici a barre e dispositivi di identificazione a radiofrequenza (RFID) collegano l'AMR ai sistemi di gestione dell'intera struttura e integrano le informazioni provenienti da sensori esterni nel sistema di fusione dei sensori dell'AMR per migliorare le prestazioni.
- Sensori di prossimità come scanner laser e LiDAR bidimensionale (2D) rilevano e tracciano gli oggetti vicini all'AMR, compresi i movimenti delle persone.
LiDAR 2D, LiDAR 3D e ultrasuoni
LiDAR 2D e 3D e gli ultrasuoni sono tecnologie di sensori comuni che supportano SLAM e la sicurezza negli AMR. Le differenze tra queste tecnologie consentono a un sensore di compensare i punti deboli degli altri per migliorare prestazioni e affidabilità.
Il LiDAR 2D utilizza un singolo piano di illuminazione laser per identificare gli oggetti in base alle coordinate X e Y. 3D LiDAR utilizza più raggi laser per creare una rappresentazione 3D altamente dettagliata dell'ambiente circostante chiamata nuvola di punti. Entrambi i tipi di LiDAR sono relativamente immuni alle condizioni di luce ambientale ma richiedono che gli oggetti da rilevare abbiano una soglia minima di riflettività della lunghezza d'onda emessa dal laser. In generale, il LiDAR 3D può rilevare oggetti a bassa riflettività con maggiore affidabilità rispetto al LiDAR 2D.
Il sensore LiDAR 3D HPS-160D3 di Seeed Technology integra emettitori laser a emissione di superficie (VCSEL) a cavità verticale a infrarossi ad alta potenza da 850 nm e CMOS ad alta fotosensibilità. Il processore integrato ad alte prestazioni include algoritmi di filtraggio e compensazione e può supportare più operazioni LiDAR simultanee. L'unità ha una portata fino a 12 metri con precisione centimetrica.
Quando è necessaria una soluzione LiDAR 2D, i progettisti possono rivolgersi al TIM781S-2174104 di SICK. Presenta un angolo di apertura di 270 gradi con una risoluzione angolare di 0.33 gradi e una frequenza di scansione di 15 Hz. Ha un raggio d'azione di sicurezza di 5 metri (Figura 2).
I sensori a ultrasuoni possono rilevare con precisione oggetti trasmissivi come vetro e materiali che assorbono la luce che LiDAR non sempre riesce a vedere. I sensori a ultrasuoni sono anche meno suscettibili alle interferenze dovute a polvere elevata, fumo, umidità e altre condizioni che possono interrompere LiDAR. Tuttavia, i sensori a ultrasuoni sono sensibili alle interferenze derivanti dal rumore ambientale e i loro range di rilevamento possono essere più limitati rispetto a quelli LiDAR.
I sensori a ultrasuoni come TSPC-30S1-232 di Senix possono integrare LiDAR e altri sensori per AMR SLAM e sicurezza. Ha una portata ottimale di 3 metri, rispetto ai 5 metri del LiDAR 2D e ai 12 metri del LiDAR 3D descritti sopra. Questo sensore a ultrasuoni con compensazione della temperatura è classificato IP68 in un involucro in acciaio inossidabile sigillato dall'ambiente (Figura 3).
La fusione dei sensori di solito si riferisce all'utilizzo di diversi sensori discreti. Ma in alcuni casi, più sensori sono confezionati come una singola unità.
Tre sensori in uno
La percezione visiva utilizzando una coppia di telecamere per produrre immagini stereoscopiche più l'elaborazione delle immagini basata su AI e ML può consentire all'AMR di vedere lo sfondo e identificare gli oggetti vicini. Sono disponibili sensori che includono telecamere di profondità stereo, una telecamera a colori separata e un'IMU in un'unica unità.
Fotocamere di profondità stereo come le fotocamere di profondità RealSense Intel RealSense D455 utilizzare due fotocamere separate da una linea di base nota per rilevare la profondità e calcolare la distanza da un oggetto. Una chiave per la precisione è l'utilizzo di una robusta struttura in acciaio che garantisce un'esatta distanza di separazione tra le telecamere, anche in ambienti industriali difficili. La precisione dell'algoritmo di percezione della profondità dipende dalla conoscenza dell'esatta distanza tra le due fotocamere.
Ad esempio, la fotocamera di profondità modello 82635DSD455MP è stata ottimizzata per AMR e piattaforme simili e ha esteso la distanza tra le fotocamere a 95 mm (Figura 4). Ciò consente all'algoritmo di calcolo della profondità di ridurre l'errore di stima a meno del 2% a 4 metri.
Le fotocamere di profondità D455 includono anche una fotocamera a colori (RGB) separata. Un otturatore globale fino a 90 fotogrammi al secondo sulla fotocamera RGB, abbinato al campo visivo (FOV) dell'imager di profondità, migliora la corrispondenza tra il colore e le immagini di profondità, migliorando la capacità di comprendere l'ambiente circostante. Le telecamere di profondità D455 integrano un'IMU con sei gradi di libertà che consente all'algoritmo di calcolo della profondità di includere la velocità di movimento dell'AMR e produrre stime dinamiche di consapevolezza della profondità.
Illuminare e suonare la strada
Luci lampeggianti e avvisi acustici per le persone vicine a un AMR sono importanti per la sicurezza dell'AMR. Le luci hanno solitamente la forma di una torre faro o di una striscia luminosa sui lati dell'AMR. Aiutano il robot a comunicare alle persone le azioni previste. Possono anche indicare stati come la ricarica della batteria, attività di carico o scarico, intenzione di svoltare in una nuova direzione (come gli indicatori di direzione di un'auto), condizioni di emergenza e così via.
Non esistono standard per i colori della luce, la velocità di lampeggio o gli allarmi acustici. Possono variare tra i produttori di AMR e sono spesso sviluppati per riflettere le attività specifiche della struttura in cui opera l'AMR. Le strisce luminose sono disponibili con e senza meccanismi di allarme acustico integrati. Ad esempio, il modello TLF100PDLBGYRAQP di Banner Engineering include un elemento acustico sigillato con 14 toni selezionabili e controllo del volume (Figura 5).
Supporto logistico
Gli AMR operano come parte di operazioni più ampie e spesso devono essere integrati con il software di pianificazione delle risorse aziendali (ERP), sistema di esecuzione della produzione (MES) o sistema di gestione del magazzino (WMS). Il modulo di comunicazione dell'AMR abbinato a sensori come lettori di codici a barre e RFID consente agli AMR di essere strettamente integrati nei sistemi aziendali.
Quando è necessario un lettore di codici a barre, i progettisti possono rivolgersi al V430-F000W12M-SRP di Omron, in grado di decodificare codici a barre 1D e 2D su etichette o codici a barre Direct Part Mark (DPM). Include autofocus a distanza variabile, un obiettivo con ampio campo visivo, un sensore da 1.2 megapixel, una luce incorporata e un'elaborazione ad alta velocità.
Il DLP-RFID2 di DLP Design è un modulo compatto ed economico per la lettura e la scrittura di tag transponder RFID ad alta frequenza (HF). Può anche leggere gli identificatori univoci (UDI) di un massimo di 15 tag contemporaneamente e può essere configurato per utilizzare un'antenna interna o esterna. Ha un intervallo di temperatura operativa compreso tra 0°C e +70°C, che lo rende adatto all'uso negli impianti produttivi e logistici dell'Industria 4.0.
Conclusione
La fusione dei sensori è uno strumento importante per supportare lo SLAM e la sicurezza negli AMR. In previsione della R15.08-3, che potrebbe includere riferimenti alla fusione dei sensori e test e validazioni più approfonditi sulla stabilità dell'AMR, questo articolo ha esaminato alcuni standard attuali e le migliori pratiche per l'implementazione della fusione dei sensori negli AMR. Questo è il secondo articolo di una serie in due parti. La prima parte ha esaminato l'integrazione sicura ed efficiente degli AMR nelle operazioni dell'industria 4.0 per ottenere il massimo vantaggio.