เนื่องจากมีคนและหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ (AMR) หรือที่เรียกว่าหุ่นยนต์เคลื่อนที่ทางอุตสาหกรรม (IMR) ที่ทำงานในพื้นที่เดียวกันเพิ่มมากขึ้น จึงจำเป็นต้องจัดการกับความเสี่ยงด้านความปลอดภัยหลายประการ การทำงานที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพของ AMR นั้นสำคัญเกินกว่าที่จะต้องใช้เซ็นเซอร์เพียงตัวเดียว เทคโนโลยี.
ฟิวชั่นเซ็นเซอร์หลายตัวหรือเรียกง่ายๆ ว่า "ฟิวชั่นเซ็นเซอร์" ผสมผสานเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การค้นหาระยะด้วยเลเซอร์ (LIDAR), กล้อง, เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก, เซ็นเซอร์สิ่งกีดขวางด้วยเลเซอร์ และการระบุความถี่วิทยุ (RFID) เพื่อรองรับฟังก์ชัน AMR ที่หลากหลาย รวมถึงการนำทาง เส้นทาง การวางแผน การหลีกเลี่ยงการชน การจัดการสินค้าคงคลัง และการสนับสนุนด้านลอจิสติกส์ Senor fusion ยังรวมไปถึงการแจ้งเตือนผู้คนที่อยู่ใกล้เคียงถึงการปรากฏตัวของ AMR
เพื่อตอบสนองความต้องการการดำเนินงาน AMR ที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ สถาบันมาตรฐานแห่งชาติอเมริกัน (ANSI) และสมาคมเพื่อความก้าวหน้าอัตโนมัติ (A3) ซึ่งเดิมชื่อ Robotic Industries Association (RIA) กำลังพัฒนาซีรีส์ ANSI/A3 R15.08 ของมาตรฐาน R15.08-1 และ R15.08-2 ได้รับการเผยแพร่แล้ว โดยมุ่งเน้นที่ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐาน และบูรณาการ AMR เข้ากับไซต์งาน R15.08-3 อยู่ระหว่างการพัฒนา และจะขยายข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับ AMR รวมถึงคำแนะนำโดยละเอียดเพิ่มเติมสำหรับการใช้เซนเซอร์ฟิวชัน
ด้วยความคาดหมายของ R15.08-3 บทความนี้จะทบทวนแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในปัจจุบันบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยและการหลอมรวมเซ็นเซอร์ใน AMR โดยเริ่มต้นด้วยภาพรวมโดยย่อของข้อกำหนดด้านความปลอดภัยด้านการทำงานที่ใช้ในปัจจุบันกับ AMR รวมถึงมาตรฐานความปลอดภัยทางอุตสาหกรรมทั่วไป เช่น IEC 61508, ISO 13849 และ IEC 62061 และข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับการตรวจจับการมีอยู่ของมนุษย์ เช่น IEC 61496 และ IEC 62998 จากนั้นจะนำเสนอการออกแบบ AMR ทั่วไปที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับเทคโนโลยีเซ็นเซอร์จำนวนมาก นำเสนออุปกรณ์ที่เป็นตัวแทน และดูวิธีการรองรับฟังก์ชันต่างๆ เช่น การนำทาง การวางแผนเส้นทาง การแปลเป็นภาษาท้องถิ่น การหลีกเลี่ยงการชน และการจัดการสินค้าคงคลัง/การสนับสนุนด้านลอจิสติกส์
ดี ดีกว่า ดีที่สุด
ผู้ออกแบบ AMR มีมาตรฐานความปลอดภัยหลายประการที่ต้องพิจารณา โดยเริ่มจากมาตรฐานความปลอดภัยในการใช้งานทั่วไป เช่น IEC 61508, ISO 13849 และ IEC 62061 นอกจากนี้ยังมีมาตรฐานความปลอดภัยเฉพาะเจาะจงเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับการตรวจจับการมีอยู่ของมนุษย์ เช่น IEC 61496, IEC 62998 และชุดมาตรฐาน ANSI/A3 R15.08
IEC 61496 ให้คำแนะนำสำหรับเซ็นเซอร์หลายประเภท โดยอ้างถึง IEC 62061 ซึ่งระบุข้อกำหนดและให้คำแนะนำสำหรับการออกแบบ การบูรณาการ และการตรวจสอบความถูกต้องของอุปกรณ์ป้องกันไวต่อแสง (ESPE) สำหรับเครื่องจักร รวมถึงระดับความสมบูรณ์ด้านความปลอดภัย (SIL) และ ISO 13849 ที่ครอบคลุมความปลอดภัยของเครื่องจักรและความปลอดภัยที่เกี่ยวข้อง ส่วนของระบบควบคุมรวมถึงระดับประสิทธิภาพความปลอดภัย (PLs) (ตารางที่ 1)
|
|||||||||||||||||||
ตารางที่ 1: ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับ ESPE ตามประเภทที่ระบุใน IEC 61496 (แหล่งที่มาของตาราง: อุปกรณ์อะนาล็อก)
IEC 62998 ใหม่กว่าและมักเป็นทางเลือกที่ดีกว่า เนื่องจากมีคำแนะนำในการใช้งานเซ็นเซอร์ฟิวชัน การใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) ในระบบความปลอดภัย และการใช้เซ็นเซอร์ที่ติดตั้งบนแท่นเคลื่อนที่ซึ่งอยู่นอกเหนือความครอบคลุมของ IEC 61496
เมื่อเปิดตัว R15.08 ส่วนที่ 3 อาจทำให้ซีรีส์ R15.08 ดีที่สุด เนื่องจากจะเพิ่มข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับผู้ใช้ระบบ AMR และแอปพลิเคชัน AMR หัวข้อที่เป็นไปได้อาจรวมถึงการหลอมรวมเซ็นเซอร์และการทดสอบและการตรวจสอบความเสถียรของ AMR ที่ครอบคลุมมากขึ้น
ฟังก์ชั่นฟิวชั่นเซ็นเซอร์
การทำแผนที่สถานที่เป็นส่วนสำคัญของการทดสอบ AMR แต่มันไม่ใช่กิจกรรมที่ทำเพียงครั้งเดียว นอกจากนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการที่กำลังดำเนินอยู่ที่เรียกว่า simultaneous localization and mapping (SLAM) ซึ่งบางครั้งเรียกว่า synchronized localization and mapping เป็นกระบวนการอัปเดตแผนที่ของพื้นที่อย่างต่อเนื่องสำหรับการเปลี่ยนแปลงใดๆ พร้อมติดตามตำแหน่งของหุ่นยนต์
จำเป็นต้องมีการรวมเซ็นเซอร์เพื่อรองรับ SLAM และช่วยให้ AMR ทำงานอย่างปลอดภัย เซ็นเซอร์บางตัวอาจไม่ทำงานได้ดีเท่ากันในทุกสถานการณ์การทำงาน และเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกันจะสร้างข้อมูลประเภทต่างๆ AI สามารถใช้ในระบบฟิวชั่นเซ็นเซอร์เพื่อรวมข้อมูลเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมการทำงานในท้องถิ่น (มีหมอกหรือควัน ชื้น แสงโดยรอบสว่างแค่ไหน ฯลฯ) และให้ผลลัพธ์ที่มีความหมายมากขึ้นโดยการรวมเอาต์พุตของเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ต่างๆ
องค์ประกอบเซ็นเซอร์สามารถแบ่งตามฟังก์ชันและเทคโนโลยีได้ ตัวอย่างของฟังก์ชันฟิวชันเซ็นเซอร์ใน AMR ได้แก่ (รูปที่ 1):
- เซ็นเซอร์วัดระยะห่าง เช่น ตัวเข้ารหัสบนล้อและหน่วยวัดแรงเฉื่อยโดยใช้ไจโรสโคปและมาตรความเร่ง จะช่วยวัดการเคลื่อนไหวและกำหนดช่วงระหว่างตำแหน่งอ้างอิง
- เซ็นเซอร์ภาพ เช่น กล้องสามมิติ (3D) และ 3D LiDAR ใช้ในการระบุและติดตามวัตถุที่อยู่ใกล้เคียง
- ลิงก์การสื่อสาร โปรเซสเซอร์ประมวลผล และเซ็นเซอร์ลอจิสติกส์ เช่น เครื่องสแกนบาร์โค้ดและอุปกรณ์ระบุความถี่วิทยุ (RFID) เชื่อมโยง AMR กับระบบการจัดการทั่วทั้งสถานที่ และรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์ภายนอกเข้ากับระบบฟิวชั่นเซ็นเซอร์ของ AMR เพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น
- พรอกซิมิตี้เซนเซอร์ เช่น เครื่องสแกนเลเซอร์และ LiDAR สองมิติ (2D) ตรวจจับและติดตามวัตถุใกล้กับ AMR รวมถึงการเคลื่อนไหวของผู้คน
2D LiDAR, 3D LiDAR และอัลตราโซนิก
LiDAR 2D และ 3D และอัลตราโซนิกเป็นเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ทั่วไปที่รองรับ SLAM และความปลอดภัยใน AMR ความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยีเหล่านั้นทำให้เซ็นเซอร์ตัวหนึ่งสามารถชดเชยจุดอ่อนของเซ็นเซอร์ตัวอื่นๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือได้
2D LiDAR ใช้ลำแสงเลเซอร์ระนาบเดียวเพื่อระบุวัตถุตามพิกัด X และ Y 3D LiDAR ใช้ลำแสงเลเซอร์หลายลำเพื่อสร้างการแสดงภาพ 3 มิติที่มีรายละเอียดสูงของสภาพแวดล้อมที่เรียกว่าพอยต์คลาวด์ LiDAR ทั้งสองประเภทค่อนข้างต้านทานต่อสภาพแสงโดยรอบ แต่ต้องการให้วัตถุที่ตรวจจับมีเกณฑ์ขั้นต่ำของการสะท้อนแสงของความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์ โดยทั่วไป 3D LiDAR สามารถตรวจจับวัตถุที่มีการสะท้อนแสงต่ำและมีความน่าเชื่อถือมากกว่า 2D LiDAR
เซ็นเซอร์ LiDAR 3D HPS-160D3 จากเทคโนโลยี Seeed ผสานรวมตัวปล่อยเลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวช่องแนวตั้ง (VCSEL) อินฟราเรดกำลังสูง 850 นาโนเมตรและ CMOS ที่มีความไวแสงสูง โปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงแบบฝังประกอบด้วยอัลกอริธึมการกรองและการชดเชย และสามารถรองรับการทำงานของ LiDAR พร้อมกันได้หลายรายการ หน่วยนี้มีระยะสูงสุดถึง 12 เมตร ด้วยความแม่นยำระดับเซนติเมตร
เมื่อจำเป็นต้องใช้โซลูชัน 2D LiDAR นักออกแบบสามารถหันไปใช้ TIM781S-2174104 จาก SICK มีมุมรูรับแสง 270 องศา ความละเอียดเชิงมุม 0.33 องศา และความถี่การสแกน 15 Hz มีระยะการทำงานที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย 5 เมตร (รูปที่ 2)
เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถตรวจจับวัตถุที่ส่งผ่าน เช่น แก้วและวัสดุดูดซับแสงที่ LiDAR ไม่สามารถมองเห็นได้ตลอดเวลาอย่างแม่นยำ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกยังไวต่อการรบกวนจากฝุ่น ควัน ความชื้นสูง และสภาวะอื่นๆ ที่อาจรบกวน LiDAR น้อยกว่าอีกด้วย อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกมีความไวต่อการรบกวนจากเสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อม และระยะการตรวจจับอาจถูกจำกัดมากกว่า LiDAR
เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก เช่น TSPC-30S1-232 จาก Senix สามารถเสริม LiDAR และเซ็นเซอร์อื่นๆ สำหรับ AMR SLAM และความปลอดภัยได้ มีระยะที่เหมาะสมที่สุด 3 เมตร เทียบกับ 5 เมตรสำหรับ 2D LiDAR และ 12 เมตรสำหรับ 3D LiDAR ตามรายละเอียดข้างต้น เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกชดเชยอุณหภูมินี้ได้รับการจัดอันดับ IP68 ในตู้สแตนเลสที่ปิดสนิทกับสิ่งแวดล้อม (รูปที่ 3)
การรวมเซ็นเซอร์มักหมายถึงการใช้เซ็นเซอร์แยกหลายตัว แต่ในบางกรณี เซ็นเซอร์หลายตัวจะบรรจุรวมกันเป็นหน่วยเดียว
เซ็นเซอร์สามตัวในหนึ่งเดียว
การรับรู้ภาพโดยใช้กล้องคู่เพื่อสร้างภาพสามมิติพร้อมการประมวลผลภาพโดยใช้ AI และ ML ช่วยให้ AMR มองเห็นพื้นหลังและระบุวัตถุใกล้เคียงได้ มีเซนเซอร์ให้เลือกใช้งานซึ่งประกอบด้วยกล้องจับความลึกแบบสเตอริโอ กล้องสีแยก และ IMU ในหน่วยเดียว
กล้องความลึกสเตอริโอ เช่น Intel RealSense D455 RealSense Depth Cameras ใช้กล้องสองตัวคั่นด้วยเส้นฐานที่ทราบเพื่อตรวจจับความลึกและคำนวณระยะห่างจากวัตถุ กุญแจสำคัญประการหนึ่งในความแม่นยำคือการใช้โครงเหล็กที่แข็งแรง ซึ่งรับประกันระยะห่างระหว่างกล้องที่แน่นอน แม้ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่มีความต้องการสูง ความแม่นยำของอัลกอริธึมการรับรู้เชิงลึกขึ้นอยู่กับการทราบระยะห่างที่แน่นอนระหว่างกล้องสองตัว
ตัวอย่างเช่น กล้องความลึกรุ่น 82635DSD455MP ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับ AMR และแพลตฟอร์มที่คล้ายกัน และได้ขยายระยะห่างระหว่างกล้องเป็น 95 มม. (รูปที่ 4) ซึ่งช่วยให้อัลกอริธึมการคำนวณเชิงลึกลดข้อผิดพลาดในการประมาณค่าลงเหลือน้อยกว่า 2% ที่ระยะ 4 เมตร
กล้องเชิงลึก D455 มีกล้องแยกสี (RGB) มาให้ด้วย ชัตเตอร์ทั่วโลกสูงสุด 90 เฟรมต่อวินาทีในกล้อง RGB ซึ่งจับคู่กับระยะชัดลึกของภาพ (FOV) ปรับปรุงความสอดคล้องระหว่างสีและภาพความลึก เพิ่มความสามารถในการเข้าใจสภาพแวดล้อม กล้องวัดความลึก D455 ผสานรวม IMU เข้ากับความอิสระหกระดับ ซึ่งช่วยให้อัลกอริธึมการคำนวณเชิงลึกรวมอัตราการเคลื่อนไหวของ AMR และสร้างการประมาณค่าการรับรู้เชิงลึกแบบไดนามิก
แสงสว่างและเสียงนำทาง
ไฟกระพริบและเสียงเตือนสำหรับผู้ที่อยู่ใกล้ AMR มีความสำคัญต่อความปลอดภัยของ AMR โดยทั่วไปไฟจะอยู่ในรูปของหอไฟหรือแถบไฟที่ด้านข้างของ AMR ช่วยให้หุ่นยนต์สื่อสารการกระทำที่ตั้งใจไว้กับผู้คน นอกจากนี้ยังสามารถระบุสถานะต่างๆ เช่น การชาร์จแบตเตอรี่ กิจกรรมการบรรทุกหรือการขนถ่าย ความตั้งใจที่จะเลี้ยวไปในทิศทางใหม่ (เช่น สัญญาณไฟเลี้ยวบนรถ) สภาวะฉุกเฉิน และอื่นๆ
ไม่มีมาตรฐานสำหรับสีของแสง ความเร็วในการกะพริบ หรือเสียงเตือน สิ่งเหล่านี้อาจแตกต่างกันระหว่างผู้สร้าง AMR และมักได้รับการพัฒนาเพื่อสะท้อนถึงกิจกรรมเฉพาะในสถานประกอบการที่ AMR ดำเนินการ แถบไฟมีให้เลือกทั้งแบบมีและไม่มีกลไกการแจ้งเตือนด้วยเสียงในตัว ตัวอย่างเช่น รุ่น TLF100PDLBGYRAQP จาก Banner Engineering มีองค์ประกอบเสียงแบบปิดผนึกพร้อมโทนเสียงที่เลือกได้ 14 แบบและการควบคุมระดับเสียง (รูปที่ 5)
การสนับสนุนด้านโลจิสติกส์
AMR ทำงานเป็นส่วนหนึ่งของการดำเนินงานขนาดใหญ่ และมักจำเป็นต้องผสานรวมกับการวางแผนทรัพยากรองค์กร (ERP) ระบบดำเนินการผลิต (MES) หรือซอฟต์แวร์ระบบการจัดการคลังสินค้า (WMS) โมดูลการสื่อสารบน AMR ควบคู่กับเซ็นเซอร์ เช่น บาร์โค้ดและเครื่องอ่าน RFID ช่วยให้ AMR สามารถรวมเข้ากับระบบขององค์กรได้อย่างแน่นหนา
เมื่อจำเป็นต้องใช้เครื่องอ่านบาร์โค้ด นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้ V430-F000W12M-SRP จาก Omron ซึ่งสามารถถอดรหัสบาร์โค้ด 1D และ 2D บนฉลากหรือบาร์โค้ด Direct Part Mark (DPM) ประกอบด้วยโฟกัสอัตโนมัติแบบปรับระยะได้, เลนส์มุมมองกว้าง, เซ็นเซอร์ 1.2 ล้านพิกเซล, แสงในตัว และการประมวลผลความเร็วสูง
DLP-RFID2 จาก DLP Design เป็นโมดูลขนาดกะทัดรัดราคาประหยัดสำหรับการอ่านและเขียนไปยังแท็กช่องสัญญาณ RFID ความถี่สูง (HF) นอกจากนี้ยังสามารถอ่านรหัสระบุเฉพาะ (UDI) ได้สูงสุด 15 แท็กในคราวเดียว และสามารถกำหนดค่าให้ใช้เสาอากาศภายในหรือภายนอกได้ มีช่วงอุณหภูมิในการทำงาน 0°C ถึง +70°C ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตและโลจิสติกส์ในยุค Industry 4.0
สรุป
การรวมเซ็นเซอร์เป็นเครื่องมือสำคัญในการสนับสนุน SLAM และความปลอดภัยใน AMR ในความคาดหมายของ R15.08-3 ซึ่งอาจรวมถึงการอ้างอิงถึงการรวมเซ็นเซอร์และการทดสอบและการตรวจสอบความเสถียรของ AMR ที่ครอบคลุมมากขึ้น บทความนี้ได้ทบทวนมาตรฐานปัจจุบันและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดบางประการสำหรับการนำการรวมเซ็นเซอร์ไปใช้ใน AMR นี่เป็นบทความที่สองในชุดสองส่วน ส่วนที่หนึ่งทบทวนการบูรณาการ AMR ที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพเข้ากับการดำเนินงานของอุตสาหกรรม 4.0 เพื่อประโยชน์สูงสุด