עם הגדלת המקרים של אנשים ורובוטים ניידים אוטונומיים (AMRs), המכונים גם רובוטים ניידים תעשייתיים (IMRs), הפועלים באותו אזור, יש לטפל בסיכונים בטיחותיים מרובים. הפעולה הבטוחה והיעילה של AMRs חשובה מכדי להסתמך על חיישן יחיד טֶכנוֹלוֹגִיָה.
היתוך רב-חיישנים, או פשוט "היתוך חיישנים", משלב טכנולוגיות כמו מציאת טווחי לייזר (LIDAR), מצלמות, חיישנים קוליים, חיישני מכשולים בלייזר וזיהוי תדר רדיו (RFID) כדי לתמוך במגוון פונקציות AMR, כולל ניווט, נתיב תכנון, הימנעות מהתנגשויות, ניהול מלאי ותמיכה לוגיסטית. היתוך סניור כולל גם התרעה לאנשים קרובים לנוכחות ה-AMR.
כדי לתת מענה לצורך בהפעלה בטוחה ויעילה של מכשירי AMR, מכון התקנים הלאומי האמריקאי (ANSI) והאגודה לקידום אוטומציה (A3), לשעבר איגוד התעשייה הרובוטית (RIA), מפתחים את סדרת ANSI/A3 R15.08 של תקנים. R15.08-1 ו-R15.08-2 שוחררו, תוך התמקדות בדרישות בטיחות בסיסיות ושילוב AMR באתר. R15.08-3 נמצא כעת בפיתוח והוא ירחיב את דרישות הבטיחות עבור AMRs, כולל המלצות מפורטות יותר לשימוש בהיתוך חיישנים.
לקראת R15.08-3, מאמר זה סוקר כמה מהשיטות המומלצות של ימינו הקשורות לבטיחות והיתוך חיישנים ב-AMR, החל בסקירה קצרה של דרישות בטיחות פונקציונליות המשמשות כיום עם AMRs, כולל תקני בטיחות תעשייתיים גנריים כמו IEC 61508, ISO 13849 ו-IEC 62061, ודרישות הבטיחות לחישת נוכחות אנושית כמו IEC 61496 ו-IEC 62998. לאחר מכן הוא מציג עיצוב AMR טיפוסי המפרט את טכנולוגיות החיישנים הרבות, מציג מכשירים מייצגים, ובוחן כיצד הם תומכים בפונקציות כמו ניווט, תכנון נתיבים, לוקליזציה, הימנעות מהתנגשות ותמיכה בניהול מלאי/לוגיסטיקה.
טוב יותר טוב הכי טוב
למעצבי AMR יש מגוון תקני בטיחות שיש לקחת בחשבון, החל מתקני בטיחות פונקציונליים למטרות כלליות כמו IEC 61508, ISO 13849 ו-IEC 62061. ישנם גם תקני בטיחות ספציפיים יותר הקשורים לחישת נוכחות אנושית, כגון IEC 61496, IEC 62998 , וסדרת התקנים ANSI/A3 R15.08.
IEC 61496 מציע הנחיות למספר סוגי חיישנים. הוא מתייחס ל-IEC 62061, המפרט דרישות ומציע המלצות לתכנון, אינטגרציה ואימות של ציוד מיגון רגיש חשמלי (ESPE) עבור מכונות, כולל רמות שלמות בטיחות (SILs), ו-ISO 13849 המכסה בטיחות מכונות ובטיחות הקשורים לבטיחות. חלקים של מערכות בקרה כולל רמות ביצועי בטיחות (PLs) (טבלה 1).
|
|||||||||||||||||||
טבלה 1: דרישות בטיחות עבור ESPE לפי סוג המצוין ב-IEC 61496. (מקור טבלה: התקנים אנלוגיים)
IEC 62998 הוא חדש יותר ולעתים קרובות יכול להיות בחירה טובה יותר מכיוון שהוא כולל הדרכה לגבי יישום היתוך חיישנים, שימוש בבינה מלאכותית (AI) במערכות בטיחות ושימוש בחיישנים המורכבים על פלטפורמות נעות מחוץ לכיסוי IEC 61496.
R15.08 חלק 3, כאשר ישוחרר, עשוי להפוך את סדרת R15.08 לטובה ביותר שכן הוא יוסיף דרישות בטיחות למשתמשי מערכות AMR ויישומי AMR. נושאים סבירים עשויים לכלול היתוך חיישנים ובדיקת יציבות AMR נרחבת יותר ואימות.
פונקציות היתוך חיישן
מיפוי המתקן הוא היבט חיוני בהזמנת AMR. אבל זו לא פעילות חד-פעמית. זה גם חלק מתהליך מתמשך הנקרא לוקליזציה ומיפוי סימולטני (SLAM), הנקרא לפעמים לוקליזציה ומיפוי מסונכרנים. זהו תהליך של עדכון מתמיד של מפת האזור לכל שינוי תוך מעקב אחר מיקומו של הרובוט.
יש צורך בהיתוך חיישנים כדי לתמוך ב-SLAM ולאפשר הפעלה בטוחה של AMRs. לא כל החיישנים עובדים באותה מידה בכל נסיבות ההפעלה, וטכנולוגיות חיישנים שונות מייצרות סוגי נתונים שונים. ניתן להשתמש בבינה מלאכותית במערכות היתוך חיישנים כדי לשלב מידע על סביבת ההפעלה המקומית (האם היא מעורפלת או מעושנת, לחה, כמה בהיר האור הסביבתי וכו') ולאפשר תוצאה משמעותית יותר על ידי שילוב התפוקות של טכנולוגיות חיישנים שונות.
ניתן לסווג רכיבי חיישן לפי פונקציה כמו גם לפי טכנולוגיה. דוגמאות לפונקציות היתוך חיישנים ב-AMR כוללות (איור 1):
- חיישני מרחק כמו מקודדים על גלגלים ויחידות מדידת אינרציה באמצעות גירוסקופים ומדדי תאוצה עוזרים למדוד את התנועה ולקבוע את הטווח בין עמדות ייחוס.
- חיישני תמונה כמו מצלמות תלת מימד (3D) ו-3D LiDAR משמשים לזיהוי ומעקב אחר אובייקטים קרובים.
- קישורי תקשורת, מעבדי מחשוב וחיישנים לוגיסטיים כמו סורקי ברקוד והתקני זיהוי תדר רדיו (RFID) מקשרים את ה-AMR למערכות ניהול כלל-מתקן ומשלבים מידע מחיישנים חיצוניים לתוך מערכת היתוך החיישנים של ה-AMR לשיפור הביצועים.
- חיישני קרבה כמו סורקי לייזר ו-LiDAR דו מימדי (2D) מזהים ועוקבים אחר אובייקטים ליד ה-AMR, כולל תנועת אנשים.
2D LiDAR, 3D LiDAR ואולטרסאונד
2D ו-3D LiDAR ואולטרסאונד הם טכנולוגיות חיישנים נפוצות התומכות ב-SLAM ובטיחות ב-AMRs. ההבדלים בין הטכנולוגיות הללו מאפשרים לחיישן אחד לפצות על החולשות של האחרות כדי לשפר את הביצועים והאמינות.
2D LiDAR משתמש במישור יחיד של תאורת לייזר כדי לזהות עצמים על סמך קואורדינטות X ו-Y. 3D LiDAR משתמש בקרני לייזר מרובות כדי ליצור ייצוג 3D מפורט ביותר של הסביבה הנקרא ענן נקודתי. שני סוגי ה-LiDAR חסינים יחסית לתנאי אור הסביבה, אך דורשים שלאובייקטים לזיהוי יהיה סף מינימלי של רפלקטיביות של אורך הגל הנפלט מהלייזר. באופן כללי, 3D LiDAR יכול לזהות אובייקטים בעלי השתקפות נמוכה עם יותר מהימנות מאשר 2D LiDAR.
חיישן ה-HPS-3D160 3D LiDAR מבית Seeed Technology משלב פולטי לייזר פולטי לייזר (VCSEL) בעל הספק גבוה של 850 ננומטר אינפרא אדום עם חלל אנכי (VCSEL) ו-CMOS בעל רגישות גבוהה לאור. המעבד המשובץ בעל ביצועים גבוהים כולל אלגוריתמי סינון ותגמול ויכול לתמוך במספר פעולות LiDAR בו זמנית. ליחידה טווח של עד 12 מטר עם דיוק סנטימטר.
כאשר יש צורך בפתרון LiDAR 2D, מעצבים יכולים לפנות ל-TIM781S-2174104 מבית SICK. הוא כולל זווית צמצם של 270 מעלות ברזולוציה זוויתית של 0.33 מעלות ותדר סריקה של 15 הרץ. יש לו טווח עבודה הקשור לבטיחות של 5 מטרים (איור 2).
חיישנים אולטרסאונדים יכולים לזהות במדויק חפצים מעבירים כמו זכוכית וחומרים בולעי אור ש-LiDAR לא תמיד יכול לראות. חיישנים אולטראסוניים גם פחות רגישים להפרעות מאבק גבוה, עשן, לחות ותנאים אחרים שעלולים לשבש את LiDAR. עם זאת, חיישנים קוליים רגישים להפרעות מרעש סביבתי, וטווחי הזיהוי שלהם יכולים להיות מוגבלים יותר מ-LiDAR.
חיישנים קוליים כמו TSPC-30S1-232 מבית Senix יכולים להשלים את LiDAR וחיישנים אחרים עבור AMR SLAM ובטיחות. יש לו טווח אופטימלי של 3 מטרים, בהשוואה ל-5 מטרים עבור ה-LiDAR 2D ו-12 מטר עבור ה-3D LiDAR המפורטים למעלה. חיישן קולי זה עם פיצוי על טמפרטורה הוא בעל דירוג IP68 במארז מפלדת אל חלד אטום לסביבה (איור 3).
היתוך חיישנים מתייחס בדרך כלל לשימוש במספר חיישנים נפרדים. אבל במקרים מסוימים, חיישנים מרובים ארוזים יחד כיחידה אחת.
שלושה חיישנים באחד
תפיסה חזותית באמצעות זוג מצלמות להפקת תמונות סטריאוסקופיות בתוספת עיבוד תמונה המבוסס על AI ו-ML יכולה לאפשר ל-AMR לראות את הרקע וכן לזהות אובייקטים קרובים. זמינים חיישנים הכוללים מצלמות עומק סטריאו, מצלמה צבעונית נפרדת ו-IMU ביחידה אחת.
מצלמות עומק סטריאו כמו מצלמות העומק של Intel RealSense D455 RealSense השתמש בשתי מצלמות המופרדות על ידי קו בסיס ידוע כדי לחוש עומק ולחשב את המרחק לאובייקט. מפתח אחד לדיוק הוא שימוש במסגרת פלדה יציבה המבטיחה מרחק הפרדה מדויק בין המצלמות, אפילו בסביבות תעשייתיות תובעניות. הדיוק של אלגוריתם תפיסת העומק תלוי בידיעת המרווח המדויק בין שתי המצלמות.
לדוגמה, מצלמת העומק 82635DSD455MP עברה אופטימיזציה עבור AMRs ופלטפורמות דומות והרחיבה את המרחק בין המצלמות ל-95 מ"מ (איור 4). זה מאפשר לאלגוריתם חישוב העומק להפחית את שגיאת האומדן לפחות מ-2% ב-4 מטרים.
מצלמות עומק D455 כוללות גם מצלמת צבע נפרדת (RGB). תריס עולמי של עד 90 פריימים לשנייה במצלמת RGB, המותאם לשדה הראייה של מצלמת העומק (FOV), משפר את ההתאמה בין תמונות הצבע לעומק, ומשפר את היכולת להבין את הסביבה. מצלמות עומק D455 משלבות IMU עם שש דרגות חופש המאפשרות לאלגוריתם חישוב העומק לכלול את קצב התנועה של ה-AMR ולייצר הערכות מודעות לעומק דינמיות.
מאיר ומשמיע את הדרך
אורות מהבהבים והתראות קוליות לאנשים ליד AMR חשובים לבטיחות AMR. האורות הם בדרך כלל בצורת מגדל אור או פס אור בצידי האמ"ר. הם עוזרים לרובוט להעביר לאנשים את הפעולה המיועדת שלו. הם יכולים גם לציין מצב כמו טעינת סוללה, פעילויות טעינה או פריקה, כוונה לפנות לכיוון חדש (כמו האיתותים במכונית), תנאי חירום וכו'.
אין תקנים עבור צבעי אור, מהירויות מהבהבות או אזעקות קוליות. הם יכולים להשתנות בין יצרני AMR ולעיתים מפותחים כדי לשקף את הפעילויות הספציפיות במתקן שבו פועל AMR. רצועות אור זמינות עם וללא מנגנוני התראה קוליים מובנים. לדוגמה, הדגם TLF100PDLBGYRAQP מבית Banner Engineering כולל אלמנט קולי אטום עם 14 צלילים לבחירה ובקרת עוצמת הקול (איור 5).
תמיכה לוגיסטית
AMRs פועלים כחלק מפעולות גדולות יותר ולעיתים נדרשים להשתלב בתוכנת תכנון משאבים ארגוניים (ERP), מערכת ביצוע ייצור (MES) או תוכנת ניהול מחסנים (WMS). מודול התקשורת ב-AMR יחד עם חיישנים כמו ברקוד וקוראי RFID מאפשרים חיבור הדוק של AMR למערכות ארגוניות.
כאשר יש צורך בקורא ברקוד, מעצבים יכולים לפנות ל-V430-F000W12M-SRP מבית Omron, שיכול לפענח ברקודים דו-ממדיים על תוויות או ברקודים של סימן חלקי ישיר (DPM). הוא כולל מיקוד אוטומטי במרחק משתנה, עדשת שדה ראייה רחבה, חיישן 1 מגה-פיקסל, אור מובנה ועיבוד מהיר.
ה-DLP-RFID2 מבית DLP Design הוא מודול קומפקטי בעלות נמוכה לקריאה וכתיבה לתגיות משדר RFID בתדר גבוה (HF). זה יכול גם לקרוא את המזהים הייחודיים (UDI) של עד 15 תגים בבת אחת וניתן להגדיר אותו לשימוש באנטנה פנימית או חיצונית. יש לו טווח טמפרטורות הפעלה של 0°C עד +70°C, מה שהופך אותו למתאים לשימוש במתקני ייצור ולוגיסטיקה של Industry 4.0.
סיכום
היתוך חיישנים הוא כלי חשוב לתמיכה ב-SLAM ובטיחות ב-AMRs. לקראת R15.08-3, שעשוי לכלול הפניות לאיחוי חיישנים ובדיקות ותיקוף מקיפות יותר של יציבות AMR, מאמר זה סקר כמה תקנים ושיטות עבודה מומלצות עדכניות ליישום היתוך חיישנים ב-AMR. זהו המאמר השני בסדרה בת שני חלקים. חלק ראשון סקר את האינטגרציה הבטוחה והיעילה של AMR בפעולות תעשיית 4.0 לתועלת מירבית.