人と自律移動ロボット (AMR) (産業用移動ロボット (IMR) とも呼ばれる) が同じエリアで作業する例が増えるにつれ、複数の固有の安全リスクに対処する必要があります。 AMR の安全かつ効率的な運用は、単一のセンサーに依存するにはあまりにも重要です テクノロジー.
マルチセンサー フュージョン、または単に「センサー フュージョン」は、レーザー距離測定 (LIDAR)、カメラ、超音波センサー、レーザー障害物センサー、無線周波数識別 (RFID) などのテクノロジーを組み合わせて、ナビゲーション、経路を含むさまざまな AMR 機能をサポートします。計画、衝突回避、在庫管理、物流サポート。セニョール融合には、近くの人々に AMR の存在を警告することも含まれます。
AMR の安全かつ効率的な運用のニーズに応えるために、米国規格協会 (ANSI) と自動化推進協会 (A3) (旧ロボット産業協会 (RIA)) は、ANSI/A3 R15.08 シリーズを開発しています。規格の。基本的な安全要件に焦点を当て、AMR をサイトに統合する R15.08-1 および R15.08-2 がリリースされました。 R15.08-3 は現在開発中であり、センサー フュージョンの使用に関するより詳細な推奨事項を含む、AMR の安全要件が拡張されます。
この記事では、R15.08-3 を見据えて、AMR の安全性とセンサー フュージョンに関連する今日のベスト プラクティスのいくつかをレビューします。まず、IEC 61508、ISO などの一般的な産業安全規格を含む、AMR で現在使用されている機能安全要件の概要を説明します。 13849 および IEC 62061、および IEC 61496 や IEC 62998 などの人の存在を感知するための安全要件。次に、多数のセンサー技術を詳細に説明する典型的な AMR 設計を示し、代表的なデバイスを示し、それらがナビゲーション、経路計画、ローカリゼーション、衝突回避、在庫管理/物流サポート。
良い、良い、最高
AMR の設計者は、IEC 61508、ISO 13849、IEC 62061 などの汎用機能安全規格をはじめとして、考慮すべき幅広い安全規格を持っています。また、IEC 61496、IEC 62998 など、人の存在の感知に関連するより具体的な安全規格もあります。 、および ANSI/A3 R15.08 シリーズの規格。
IEC 61496 は、いくつかのセンサー タイプに関するガイダンスを提供します。これは、安全完全性レベル (SIL) を含む機械用電気感応保護装置 (ESPE) の設計、統合、検証に関する要件を指定し、推奨する IEC 62061 と、機械の安全性および安全関連を対象とする ISO 13849 を指します。安全性能レベル (PL) を含む制御システムの一部 (表 1)。
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表 1: IEC 61496 で指定されたタイプ別の ESPE の安全要件。(表の出典: Analog Devices)
IEC 62998 はより新しいものであり、センサー フュージョンの実装、安全システムでの人工知能 (AI) の使用、および IEC 61496 の適用範囲外の移動プラットフォームに取り付けられたセンサーの使用に関するガイダンスが含まれているため、多くの場合、より良い選択肢となります。
R15.08 パート 3 がリリースされると、AMR システムおよび AMR アプリケーションのユーザーに対する安全要件が追加されるため、R15.08 シリーズが最高のものになる可能性があります。可能性のあるトピックには、センサー フュージョンや、より広範な AMR 安定性テストと検証が含まれる可能性があります。
センサーフュージョン機能
施設のマッピングは AMR の試運転に不可欠な要素です。しかし、それは一度やれば終わりという活動ではありません。これは、同時ローカリゼーションとマッピング (SLAM) と呼ばれる進行中のプロセスの一部でもあり、同期ローカリゼーションとマッピングと呼ばれることもあります。これは、ロボットの位置を追跡しながら、変更があった場合にエリアの地図を継続的に更新するプロセスです。
センサー フュージョンは、SLAM をサポートし、AMR の安全な動作を可能にするために必要です。すべてのセンサーがすべての動作環境で同様に機能するわけではなく、センサー技術が異なればさまざまなデータタイプが生成されます。 AI をセンサー フュージョン システムで使用すると、ローカルの動作環境に関する情報 (霧がかかっているか煙が多いか、湿度が高いか、周囲の光がどのくらい明るいかなど) を組み合わせ、さまざまなセンサー テクノロジーの出力を組み合わせることで、より有意義な結果を実現できます。
センサー素子は、機能およびテクノロジーによって分類できます。 AMR のセンサー フュージョン機能の例は次のとおりです (図 1)。
- ホイール上のエンコーダやジャイロスコープや加速度計を使用した慣性測定ユニットなどの距離センサーは、動きを測定し、基準位置間の範囲を決定するのに役立ちます。
- 3 次元 (3D) カメラや XNUMXD LiDAR などの画像センサーは、近くの物体を識別して追跡するために使用されます。
- 通信リンク、コンピューティング プロセッサ、およびバーコード スキャナや無線周波数識別 (RFID) デバイスなどの物流センサーは、AMR を施設全体の管理システムにリンクし、外部センサーからの情報を AMR のセンサー フュージョン システムに統合してパフォーマンスを向上させます。
- レーザー スキャナーや 2 次元 (XNUMXD) LiDAR などの近接センサーは、人の動きを含む AMR 近くの物体を検出して追跡します。
2D LiDAR、3D LiDAR、および超音波
2D および 3D LiDAR と超音波は、AMR の SLAM と安全性をサポートする一般的なセンサー テクノロジーです。これらのテクノロジーの違いにより、XNUMX つのセンサーが他のセンサーの弱点を補い、パフォーマンスと信頼性を向上させることができます。
2D LiDAR は、単一平面のレーザー照明を使用して、X 座標と Y 座標に基づいてオブジェクトを識別します。 3D LiDAR は、複数のレーザー ビームを使用して、点群と呼ばれる周囲の非常に詳細な 3D 表現を作成します。どちらのタイプの LiDAR も周囲光条件の影響を比較的受けませんが、検出対象の物体がレーザーから放射される波長の反射率の最小閾値を備えている必要があります。一般に、3D LiDAR は 2D LiDAR よりも高い信頼性で低反射率の物体を検出できます。
Seeed Technology の HPS-3D160 3D LiDAR センサーは、高出力 850 nm 赤外線垂直共振器面発光レーザー (VCSEL) エミッターと高感光性 CMOS を統合しています。内蔵の高性能プロセッサにはフィルタリングおよび補償アルゴリズムが含まれており、複数の同時 LiDAR 操作をサポートできます。ユニットの到達距離はセンチメートル単位の精度で最大 12 メートルです。
2D LiDAR ソリューションが必要な場合、設計者は SICK の TIM781S-2174104 を利用できます。開口角は 270 度、角度分解能は 0.33 度、走査周波数は 15 Hz です。安全関連の動作範囲は 5 メートルです (図 2)。
超音波センサーは、LiDAR では常に認識できないガラスや光吸収素材などの透過性の物体を正確に検出できます。また、超音波センサーは、LiDAR に影響を与える可能性のある高い粉塵、煙、湿気、その他の条件による干渉の影響を受けにくくなります。ただし、超音波センサーは環境ノイズによる干渉に敏感であり、その検出範囲は LiDAR よりも制限される可能性があります。
Senix の TSPC-30S1-232 のような超音波センサーは、AMR SLAM と安全性のために LiDAR やその他のセンサーを補完できます。最適範囲は 3 メートルですが、上で詳しく説明した 5D LiDAR の場合は 2 メートル、12D LiDAR の場合は 3 メートルです。この温度補償型超音波センサーは、環境的に密閉されたステンレス鋼の筐体に収められ、IP68 等級に準拠しています (図 3)。
センサー フュージョンとは、通常、複数の個別のセンサーを使用することを指します。ただし、場合によっては、複数のセンサーが 1 つのユニットとして一緒にパッケージ化されることがあります。
3つのセンサーを1つに
2 台のカメラを使用して立体画像を生成し、さらに AI と ML に基づいた画像処理を行うことで、AMR が背景を確認できるだけでなく、近くの物体を識別できるようになります。ステレオ深度カメラ、別個のカラー カメラ、および IMU を 1 つのユニットに組み込んだセンサーが利用可能です。
Intel RealSense D455 RealSense Depth Camera などのステレオ深度カメラ 既知のベースラインで区切られた 2 台のカメラを使用して奥行きを感知し、オブジェクトまでの距離を計算します。精度の鍵の 1 つは、厳しい産業環境であってもカメラ間の正確な分離距離を確保する頑丈なスチール製フレームワークを使用することです。奥行き認識アルゴリズムの精度は、2 台のカメラ間の正確な間隔を知ることに依存します。
たとえば、モデル 82635DSD455MP 深度カメラは AMR および同様のプラットフォーム向けに最適化されており、カメラ間の距離が 95 mm に延長されています (図 4)。これにより、深度計算アルゴリズムは 2 メートルで推定誤差を 4% 未満に減らすことができます。
D455 深度カメラには、別個のカラー (RGB) カメラも含まれています。深度イメージャーの視野 (FOV) に合わせた RGB カメラの最大 90 フレーム/秒のグローバル シャッターにより、カラー画像と深度画像の対応が向上し、周囲の状況を理解する能力が向上します。 D455 深度カメラには XNUMX 自由度の IMU が統合されており、深度計算アルゴリズムに AMR の動きの速度を含めて動的深度認識推定値を生成できるようになります。
道を照らす光と音
AMR の近くにいる人に対するライトの点滅と警報音は、AMR の安全にとって重要です。ライトは通常、AMR の側面にあるライト タワーまたはライト ストリップの形をしています。これらは、ロボットが意図した動作を人々に伝えるのに役立ちます。また、バッテリーの充電、荷物の積み下ろし作業、新しい方向への方向転換の意図 (車の方向指示器など)、緊急事態などのステータスを示すこともできます。
ライトの色、点滅速度、アラーム音についての基準はありません。これらは AMR メーカーによって異なる場合があり、多くの場合、AMR が稼働する施設での特定の活動を反映するために開発されます。ライト ストリップには、可聴警告メカニズムが組み込まれているものと、組み込まれていないものがあります。たとえば、Banner Engineering のモデル TLF100PDLBGYRAQP には、14 の選択可能なトーンとボリューム コントロールを備えた密閉型可聴要素が含まれています (図 5)。
ロジスティクスサポート
AMR は大規模な業務の一部として動作し、多くの場合、エンタープライズ リソース プランニング (ERP)、製造実行システム (MES)、または倉庫管理システム (WMS) ソフトウェアとの統合が必要になります。 AMR 上の通信モジュールとバーコードや RFID リーダーなどのセンサーを組み合わせることで、AMR を企業システムに緊密に融合できます。
バーコード リーダーが必要な場合、設計者はオムロンの V430-F000W12M-SRP を利用できます。V1-F2W1.2M-SRP は、ラベル上の XNUMXD および XNUMXD バーコードまたはダイレクト パーツ マーク (DPM) バーコードをデコードできます。可変距離オートフォーカス、広視野レンズ、XNUMX メガピクセルセンサー、内蔵ライト、高速処理が含まれています。
DLP Design の DLP-RFID2 は、高周波 (HF) RFID トランスポンダ タグの読み取りおよび書き込みを行うための、低コストでコンパクトなモジュールです。また、最大 15 個のタグの一意の識別子 (UDI) を一度に読み取ることができ、内部アンテナまたは外部アンテナを使用するように構成できます。動作温度範囲は 0°C ～ +70°C で、インダストリー 4.0 の製造および物流施設での使用に適しています。
まとめ
センサー フュージョンは、SLAM と AMR の安全性をサポートするための重要なツールです。センサー フュージョンおよびより広範な AMR 安定性テストと検証への言及が含まれる可能性がある R15.08-3 に備えて、この記事では、AMR でセンサー フュージョンを実装するための現在の標準とベスト プラクティスをいくつかレビューしました。これは 4.0 部構成シリーズの XNUMX 番目の記事です。第 XNUMX 部では、最大限の利益を得るために AMR をインダストリー XNUMX の運用に安全かつ効率的に統合する方法を検討しました。