Com o aumento do número de pessoas e robôs móveis autônomos (AMRs), também chamados de robôs móveis industriais (IMRs), trabalhando na mesma área, vários riscos de segurança inerentes devem ser abordados. A operação segura e eficiente dos AMRs é importante demais para depender de um único sensor tecnologia.
A fusão multissensor, ou simplesmente “fusão de sensores”, combina tecnologias como telêmetro a laser (LIDAR), câmeras, sensores ultrassônicos, sensores de obstáculos a laser e identificação por radiofrequência (RFID) para suportar uma variedade de funções AMR, incluindo navegação, caminho planejamento, prevenção de colisões, gerenciamento de estoque e suporte logístico. A fusão do Senor também envolve alertar as pessoas próximas sobre a presença do AMR.
Para atender à necessidade de operação segura e eficiente de AMRs, o American National Standards Institute (ANSI) e a Association for Advancing Automation (A3), antiga Robotic Industries Association (RIA), estão desenvolvendo a série ANSI/A3 R15.08 de padrões. R15.08-1 e R15.08-2 foram lançadas, concentrando-se nos requisitos básicos de segurança e na integração de AMRs em um local. A R15.08-3 está atualmente em desenvolvimento e expandirá os requisitos de segurança para RAMs, incluindo recomendações mais detalhadas para o uso da fusão de sensores.
Antecipando a R15.08-3, este artigo analisa algumas das melhores práticas atuais relacionadas à segurança e à fusão de sensores em AMRs, começando com uma breve visão geral dos requisitos de segurança funcional usados atualmente com AMRs, incluindo padrões genéricos de segurança industrial como IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061, e os requisitos de segurança para detectar a presença humana, como IEC 61496 e IEC 62998. Em seguida, apresenta um projeto típico de AMR detalhando as inúmeras tecnologias de sensores, apresenta dispositivos representativos e analisa como eles suportam funções como navegação, planejamento de caminho, localização, prevenção de colisões e gerenciamento de estoque/suporte logístico.
Bom melhor melhor
Os projetistas de AMR têm uma série de padrões de segurança a serem considerados, começando com padrões de segurança funcional de uso geral, como IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061. Existem também padrões de segurança mais específicos relacionados à detecção da presença humana, como IEC 61496, IEC 62998. , e a série de padrões ANSI/A3 R15.08.
A IEC 61496 oferece orientação para vários tipos de sensores. Refere-se à IEC 62061, que especifica requisitos e faz recomendações para o projeto, integração e validação de equipamentos de proteção eletrossensíveis (ESPE) para máquinas, incluindo níveis de integridade de segurança (SILs), e à ISO 13849 que cobre a segurança de máquinas e questões relacionadas à segurança. partes dos sistemas de controle, incluindo níveis de desempenho de segurança (PLs) (Tabela 1).
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Tabela 1: Requisitos de segurança para ESPE por tipo especificado na IEC 61496. (Fonte da tabela: Dispositivos Analógicos)
A IEC 62998 é mais recente e muitas vezes pode ser uma escolha melhor, pois inclui orientações sobre a implementação de fusão de sensores, uso de inteligência artificial (IA) em sistemas de segurança e uso de sensores montados em plataformas móveis fora da cobertura da IEC 61496.
A R15.08 Parte 3, quando for lançada, poderá tornar a série R15.08 a melhor, pois adicionará requisitos de segurança para usuários de sistemas AMR e aplicações AMR. Os tópicos prováveis podem incluir fusão de sensores e testes e validação mais extensos de estabilidade de AMR.
Funções de fusão de sensores
Mapear a instalação é um aspecto essencial do comissionamento da AMR. Mas não é uma atividade única. Também faz parte de um processo contínuo chamado localização e mapeamento simultâneos (SLAM), às vezes chamado de localização e mapeamento sincronizados. É o processo de atualização contínua do mapa de uma área para quaisquer alterações, ao mesmo tempo em que mantém o controle da localização do robô.
A fusão de sensores é necessária para apoiar SLAM e permitir a operação segura de AMRs. Nem todos os sensores funcionam igualmente bem em todas as circunstâncias operacionais e diferentes tecnologias de sensores produzem vários tipos de dados. A IA pode ser usada em sistemas de fusão de sensores para combinar informações sobre o ambiente operacional local (se é nebuloso ou esfumaçado, úmido, quão brilhante é a luz ambiente, etc.) e permitir um resultado mais significativo combinando os resultados de diferentes tecnologias de sensores.
Os elementos sensores podem ser categorizados por função e também por tecnologia. Exemplos de funções de fusão de sensores em AMRs incluem (Figura 1):
- Sensores de distância, como codificadores sobre rodas e unidades de medição inercial usando giroscópios e acelerômetros, ajudam a medir o movimento e a determinar o intervalo entre as posições de referência.
- Sensores de imagem como câmeras tridimensionais (3D) e 3D LiDAR são usados para identificar e rastrear objetos próximos.
- Links de comunicação, processadores de computação e sensores logísticos, como leitores de código de barras e dispositivos de identificação por radiofrequência (RFID), conectam o AMR a sistemas de gerenciamento em toda a instalação e integram informações de sensores externos ao sistema de fusão de sensores do AMR para melhorar o desempenho.
- Sensores de proximidade, como scanners a laser e LiDAR bidimensional (2D), detectam e rastreiam objetos próximos ao AMR, incluindo o movimento de pessoas.
LiDAR 2D, LiDAR 3D e ultrassom
LiDAR 2D e 3D e ultrassom são tecnologias de sensores comuns que suportam SLAM e segurança em AMRs. As diferenças entre essas tecnologias permitem que um sensor compense as fraquezas dos outros para melhorar o desempenho e a confiabilidade.
O 2D LiDAR usa um único plano de iluminação a laser para identificar objetos com base nas coordenadas X e Y. O 3D LiDAR usa vários feixes de laser para criar uma representação 3D altamente detalhada do ambiente, chamada nuvem de pontos. Ambos os tipos de LiDAR são relativamente imunes às condições de luz ambiente, mas exigem que os objetos a serem detectados tenham um limite mínimo de refletividade do comprimento de onda emitido pelo laser. Em geral, o 3D LiDAR pode detectar objetos de baixa refletividade com mais confiabilidade do que o 2D LiDAR.
O sensor LiDAR 3D HPS-160D3 da Seeed Technology integra emissores de laser infravermelho de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL) infravermelho de alta potência de 850 nm e CMOS de alta fotossensibilidade. O processador incorporado de alto desempenho inclui algoritmos de filtragem e compensação e pode suportar múltiplas operações LiDAR simultâneas. A unidade tem alcance de até 12 metros com precisão centimétrica.
Quando uma solução 2D LiDAR é necessária, os projetistas podem recorrer ao TIM781S-2174104 da SICK. Possui um ângulo de abertura de 270 graus com resolução angular de 0.33 graus e frequência de varredura de 15 Hz. Possui alcance de trabalho relacionado à segurança de 5 metros (Figura 2).
Sensores ultrassônicos podem detectar com precisão objetos transmissivos, como vidro e materiais que absorvem luz, que o LiDAR nem sempre consegue ver. Os sensores ultrassônicos também são menos suscetíveis à interferência de poeira, fumaça, umidade e outras condições que podem interromper o LiDAR. No entanto, os sensores ultrassônicos são sensíveis à interferência do ruído ambiental e seus intervalos de detecção podem ser mais limitados que os do LiDAR.
Sensores ultrassônicos como o TSPC-30S1-232 da Senix podem complementar o LiDAR e outros sensores para AMR SLAM e segurança. Possui um alcance ideal de 3 metros, em comparação com 5 metros para o 2D LiDAR e 12 metros para o 3D LiDAR detalhados acima. Este sensor ultrassônico com compensação de temperatura tem classificação IP68 em um invólucro de aço inoxidável selado ambientalmente (Figura 3).
A fusão de sensores geralmente se refere ao uso de vários sensores discretos. Mas, em alguns casos, vários sensores são empacotados como uma única unidade.
Três sensores em um
A percepção visual usando um par de câmeras para produzir imagens estereoscópicas, além do processamento de imagens baseado em IA e ML, pode permitir que o AMR veja o fundo, bem como identifique objetos próximos. Estão disponíveis sensores que incluem câmeras de profundidade estéreo, uma câmera colorida separada e uma IMU em uma unidade.
Câmeras de profundidade estéreo, como as câmeras de profundidade Intel RealSense D455 RealSense use duas câmeras separadas por uma linha de base conhecida para detectar a profundidade e calcular a distância até um objeto. Uma chave para a precisão é utilizar uma estrutura de aço resistente que garante uma distância de separação exata entre as câmeras, mesmo em ambientes industriais exigentes. A precisão do algoritmo de percepção de profundidade depende do conhecimento do espaçamento exato entre as duas câmeras.
Por exemplo, a câmera de profundidade modelo 82635DSD455MP foi otimizada para AMRs e plataformas similares e estendeu a distância entre as câmeras para 95 mm (Figura 4). Isso permite que o algoritmo de cálculo de profundidade reduza o erro de estimativa para menos de 2% a 4 metros.
As câmeras de profundidade D455 também incluem uma câmera colorida separada (RGB). Um obturador global de até 90 quadros por segundo na câmera RGB, compatível com o campo de visão (FOV) do imager de profundidade, melhora a correspondência entre as imagens coloridas e de profundidade, aprimorando a capacidade de compreender o ambiente. As câmeras de profundidade D455 integram uma IMU com seis graus de liberdade que permite que o algoritmo de cálculo de profundidade inclua a taxa de movimento do AMR e produza estimativas dinâmicas de percepção de profundidade.
Iluminando e soando o caminho
Luzes intermitentes e alertas sonoros para pessoas próximas a um AMR são importantes para a segurança do AMR. As luzes geralmente têm a forma de uma torre de luz ou faixa de luz nas laterais do AMR. Eles ajudam o robô a comunicar suas ações pretendidas às pessoas. Eles também podem indicar status como carregamento da bateria, atividades de carga ou descarga, intenção de virar em uma nova direção (como os piscas de um carro), condições de emergência e assim por diante.
Não existem padrões para cores de luz, velocidades de intermitência ou alarmes sonoros. Podem variar entre os fabricantes de RAM e são frequentemente desenvolvidos para refletir as atividades específicas na instalação onde a RAM opera. As faixas de luz estão disponíveis com e sem mecanismos de alerta sonoro integrados. Por exemplo, o modelo TLF100PDLBGYRAQP da Banner Engineering inclui um elemento sonoro selado com 14 tons selecionáveis e controle de volume (Figura 5).
Apoio logístico
Os AMRs operam como parte de operações maiores e muitas vezes são obrigados a se integrar com software de planejamento de recursos empresariais (ERP), sistema de execução de manufatura (MES) ou sistema de gerenciamento de armazém (WMS). O módulo de comunicações no AMR, juntamente com sensores como leitores de código de barras e RFID, permite que os AMRs sejam firmemente integrados aos sistemas corporativos.
Quando um leitor de código de barras é necessário, os projetistas podem recorrer ao V430-F000W12M-SRP da Omron, que pode decodificar códigos de barras 1D e 2D em etiquetas ou códigos de barras Direct Part Mark (DPM). Inclui foco automático de distância variável, lente de amplo campo de visão, sensor de 1.2 megapixels, luz embutida e processamento de alta velocidade.
O DLP-RFID2 da DLP Design é um módulo compacto e de baixo custo para leitura e gravação em tags transponder RFID de alta frequência (HF). Ele também pode ler identificadores exclusivos (UDI) de até 15 tags de uma só vez e pode ser configurado para usar uma antena interna ou externa. Possui uma faixa de temperatura operacional de 0°C a +70°C, tornando-o adequado para uso em instalações de fabricação e logística da Indústria 4.0.
Conclusão
A fusão de sensores é uma ferramenta importante para apoiar SLAM e segurança em AMRs. Antecipando a R15.08-3, que pode incluir referências à fusão de sensores e testes e validação mais extensos de estabilidade de AMR, este artigo revisou alguns padrões atuais e melhores práticas para implementar a fusão de sensores em AMRs. Este é o segundo artigo de uma série de duas partes. A primeira parte revisou a integração segura e eficiente de AMRs nas operações da indústria 4.0 para obter o máximo benefício.