Với số lượng ngày càng tăng của con người và rô-bốt di động tự động (AMR), còn được gọi là rô-bốt di động công nghiệp (IMR), làm việc trong cùng một khu vực, nhiều rủi ro an toàn vốn có phải được giải quyết. Hoạt động an toàn và hiệu quả của AMR là quá quan trọng để chỉ dựa vào một cảm biến duy nhất công nghệ.
Phản ứng tổng hợp đa cảm biến hay đơn giản là "kết hợp cảm biến", kết hợp các công nghệ như tìm phạm vi bằng laser (LIDAR), camera, cảm biến siêu âm, cảm biến chướng ngại vật bằng laser và nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) để hỗ trợ một loạt chức năng AMR, bao gồm điều hướng, đường đi lập kế hoạch, tránh va chạm, quản lý hàng tồn kho và hỗ trợ hậu cần. Sự hợp nhất của Senor cũng bao gồm việc cảnh báo những người ở gần về sự hiện diện của AMR.
Để giải quyết nhu cầu vận hành AMR an toàn và hiệu quả, Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) và Hiệp hội Tự động hóa Tiến bộ (A3), trước đây là Hiệp hội Công nghiệp Robot (RIA), đang phát triển dòng ANSI/A3 R15.08 của các tiêu chuẩn. R15.08-1 và R15.08-2 đã được phát hành, tập trung vào các yêu cầu an toàn cơ bản và tích hợp AMR vào cơ sở. R15.08-3 hiện đang được phát triển và sẽ mở rộng các yêu cầu an toàn cho AMR, bao gồm các khuyến nghị chi tiết hơn về việc sử dụng phản ứng tổng hợp cảm biến.
Dự đoán về R15.08-3, bài viết này xem xét một số biện pháp thực hành tốt nhất hiện nay liên quan đến an toàn và kết hợp cảm biến trong AMR, bắt đầu bằng thông tin tổng quan ngắn gọn về các yêu cầu an toàn chức năng hiện được sử dụng với AMR, bao gồm các tiêu chuẩn an toàn công nghiệp chung như IEC 61508, ISO 13849 và IEC 62061, cũng như các yêu cầu an toàn để cảm nhận sự hiện diện của con người như IEC 61496 và IEC 62998. Sau đó, nó trình bày một thiết kế AMR điển hình trình bày chi tiết về nhiều công nghệ cảm biến, trình bày các thiết bị đại diện và xem xét cách chúng hỗ trợ các chức năng như điều hướng, lập kế hoạch đường đi, nội địa hóa, tránh va chạm và hỗ trợ quản lý hàng tồn kho/hậu cần.
Tốt, tốt hơn, tốt nhất
Các nhà thiết kế AMR cần xem xét một loạt tiêu chuẩn an toàn, bắt đầu bằng các tiêu chuẩn an toàn chức năng cho mục đích chung như IEC 61508, ISO 13849 và IEC 62061. Ngoài ra còn có các tiêu chuẩn an toàn cụ thể hơn liên quan đến cảm nhận sự hiện diện của con người, chẳng hạn như IEC 61496, IEC 62998 và loạt tiêu chuẩn ANSI/A3 R15.08.
IEC 61496 đưa ra hướng dẫn cho một số loại cảm biến. Nó đề cập đến IEC 62061, trong đó quy định các yêu cầu và đưa ra khuyến nghị cho việc thiết kế, tích hợp và xác nhận thiết bị bảo vệ nhạy điện (ESPE) cho máy, bao gồm các mức toàn vẹn về an toàn (SIL) và ISO 13849 bao gồm an toàn của máy và các vấn đề liên quan đến an toàn. các bộ phận của hệ thống điều khiển bao gồm mức hiệu suất an toàn (PL) (Bảng 1).
|
|||||||||||||||||||
Bảng 1: Yêu cầu an toàn đối với ESPE theo loại được quy định trong IEC 61496. (Nguồn bảng: Thiết bị Analog)
IEC 62998 mới hơn và thường có thể là lựa chọn tốt hơn vì nó bao gồm hướng dẫn triển khai phản ứng tổng hợp cảm biến, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong hệ thống an toàn và sử dụng cảm biến gắn trên các bệ chuyển động nằm ngoài phạm vi phủ sóng của IEC 61496.
R15.08 Phần 3, khi được phát hành, có thể khiến dòng R15.08 trở thành dòng tốt nhất vì nó sẽ bổ sung các yêu cầu về an toàn cho người dùng hệ thống AMR và ứng dụng AMR. Các chủ đề có thể xảy ra có thể bao gồm phản ứng tổng hợp cảm biến cũng như kiểm tra và xác nhận độ ổn định AMR sâu rộng hơn.
Chức năng tổng hợp cảm biến
Lập bản đồ cơ sở là một khía cạnh thiết yếu của việc vận hành AMR. Nhưng đó không phải là hoạt động chỉ diễn ra một lần. Đây cũng là một phần của quá trình đang diễn ra được gọi là bản địa hóa và ánh xạ đồng thời (SLAM), đôi khi được gọi là bản địa hóa và ánh xạ đồng bộ. Đó là quá trình cập nhật liên tục bản đồ của một khu vực khi có bất kỳ thay đổi nào đồng thời theo dõi vị trí của robot.
Cần có phản ứng tổng hợp cảm biến để hỗ trợ SLAM và cho phép AMR vận hành an toàn. Không phải tất cả các cảm biến đều hoạt động tốt như nhau trong mọi trường hợp vận hành và các công nghệ cảm biến khác nhau tạo ra nhiều loại dữ liệu khác nhau. AI có thể được sử dụng trong các hệ thống tổng hợp cảm biến để kết hợp thông tin về môi trường vận hành cục bộ (có sương mù hay có khói, ẩm ướt, độ sáng của ánh sáng xung quanh, v.v.) và mang lại kết quả có ý nghĩa hơn bằng cách kết hợp đầu ra của các công nghệ cảm biến khác nhau.
Các phần tử cảm biến có thể được phân loại theo chức năng cũng như công nghệ. Ví dụ về chức năng tổng hợp cảm biến trong AMR bao gồm (Hình 1):
- Các cảm biến khoảng cách như bộ mã hóa trên bánh xe và các đơn vị đo quán tính sử dụng con quay hồi chuyển và gia tốc kế giúp đo chuyển động và xác định phạm vi giữa các vị trí tham chiếu.
- Các cảm biến hình ảnh như camera ba chiều (3D) và LiDAR 3D được sử dụng để xác định và theo dõi các vật thể ở gần.
- Các liên kết truyền thông, bộ xử lý điện toán và cảm biến hậu cần như máy quét mã vạch và thiết bị nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) liên kết AMR với các hệ thống quản lý toàn cơ sở và tích hợp thông tin từ các cảm biến bên ngoài vào hệ thống tổng hợp cảm biến của AMR để cải thiện hiệu suất.
- Các cảm biến tiệm cận như máy quét laze và LiDAR hai chiều (2D) phát hiện và theo dõi các vật thể gần AMR, bao gồm cả chuyển động của con người.
LiDAR 2D, LiDAR 3D và siêu âm
LiDAR 2D, 3D và siêu âm là những công nghệ cảm biến phổ biến hỗ trợ SLAM và sự an toàn trong AMR. Sự khác biệt giữa các công nghệ này cho phép một cảm biến bù đắp những điểm yếu của các cảm biến khác để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy.
2D LiDAR sử dụng một mặt phẳng chiếu sáng laser duy nhất để xác định các vật thể dựa trên tọa độ X và Y. LiDAR 3D sử dụng nhiều chùm tia laser để tạo ra hình ảnh 3D có độ chi tiết cao về môi trường xung quanh được gọi là đám mây điểm. Cả hai loại LiDAR đều tương đối miễn nhiễm với các điều kiện ánh sáng xung quanh nhưng yêu cầu các vật thể được phát hiện phải có ngưỡng phản xạ tối thiểu của bước sóng phát ra từ tia laser. Nhìn chung, LiDAR 3D có thể phát hiện các vật thể có độ phản xạ thấp với độ tin cậy cao hơn LiDAR 2D.
Cảm biến LiDAR HPS-3D160 3D của Seeed Technology tích hợp bộ phát laser phát xạ bề mặt khoang dọc hồng ngoại (VCSEL) công suất cao 850 nm và CMOS có độ nhạy quang cao. Bộ xử lý hiệu suất cao được nhúng bao gồm các thuật toán lọc và bù và có thể hỗ trợ nhiều hoạt động LiDAR đồng thời. Thiết bị có phạm vi hoạt động lên tới 12 mét với độ chính xác đến từng centimet.
Khi cần giải pháp LiDAR 2D, các nhà thiết kế có thể chuyển sang TIM781S-2174104 từ SICK. Nó có góc khẩu độ 270 độ với độ phân giải góc 0.33 độ và tần số quét 15 Hz. Nó có phạm vi làm việc liên quan đến an toàn là 5 mét (Hình 2).
Cảm biến siêu âm có thể phát hiện chính xác các vật thể truyền sóng như thủy tinh và vật liệu hấp thụ ánh sáng mà LiDAR không phải lúc nào cũng nhìn thấy được. Cảm biến siêu âm cũng ít bị ảnh hưởng bởi bụi, khói, độ ẩm cao và các điều kiện khác có thể làm gián đoạn LiDAR. Tuy nhiên, cảm biến siêu âm rất nhạy cảm với nhiễu từ tiếng ồn môi trường và phạm vi phát hiện của chúng có thể bị hạn chế hơn LiDAR.
Các cảm biến siêu âm như TSPC-30S1-232 của Senix có thể bổ sung cho LiDAR và các cảm biến khác để đảm bảo an toàn và AMR SLAM. Nó có phạm vi tối ưu là 3 mét, so với 5 mét đối với LiDAR 2D và 12 mét đối với LiDAR 3D được nêu chi tiết ở trên. Cảm biến siêu âm bù nhiệt độ này được xếp hạng IP68 trong vỏ bọc bằng thép không gỉ kín môi trường (Hình 3).
Phản ứng tổng hợp cảm biến thường đề cập đến việc sử dụng một số cảm biến riêng biệt. Nhưng trong một số trường hợp, nhiều cảm biến được đóng gói thành một bộ phận duy nhất.
Ba cảm biến trong một
Nhận thức trực quan bằng cách sử dụng một cặp camera để tạo ra hình ảnh lập thể cộng với việc xử lý hình ảnh dựa trên AI và ML có thể cho phép AMR nhìn thấy hậu cảnh cũng như xác định các vật thể ở gần. Các cảm biến hiện có bao gồm camera độ sâu âm thanh nổi, camera màu riêng biệt và IMU trong một thiết bị.
Máy ảnh độ sâu âm thanh nổi như Máy ảnh độ sâu Intel RealSense D455 RealSense sử dụng hai camera cách nhau một đường cơ sở đã biết để cảm nhận độ sâu và tính toán khoảng cách đến vật thể. Chìa khóa của sự chính xác là sử dụng khung thép chắc chắn để đảm bảo khoảng cách tách biệt chính xác giữa các camera, ngay cả trong môi trường công nghiệp đòi hỏi khắt khe. Độ chính xác của thuật toán nhận biết độ sâu phụ thuộc vào việc biết chính xác khoảng cách giữa hai camera.
Ví dụ: camera độ sâu model 82635DSD455MP đã được tối ưu hóa cho AMR và các nền tảng tương tự, đồng thời đã mở rộng khoảng cách giữa các camera lên 95 mm (Hình 4). Điều đó cho phép thuật toán tính toán độ sâu giảm sai số ước tính xuống dưới 2% ở 4 mét.
Camera đo độ sâu D455 cũng bao gồm một camera màu (RGB) riêng biệt. Màn trập toàn cầu cho tốc độ lên tới 90 khung hình/giây trên máy ảnh RGB, phù hợp với trường nhìn của bộ tạo ảnh độ sâu (FOV), cải thiện sự tương ứng giữa hình ảnh màu sắc và độ sâu, nâng cao khả năng hiểu được môi trường xung quanh. Camera độ sâu D455 tích hợp IMU với sáu bậc tự do cho phép thuật toán tính toán độ sâu bao gồm tốc độ chuyển động của AMR và đưa ra ước tính nhận biết độ sâu động.
Ánh sáng và âm thanh đường đi
Đèn nhấp nháy và cảnh báo bằng âm thanh cho những người ở gần AMR rất quan trọng đối với sự an toàn của AMR. Đèn thường ở dạng tháp đèn hoặc dải đèn ở hai bên của AMR. Chúng giúp robot truyền đạt (các) hành động dự kiến của nó tới con người. Chúng cũng có thể cho biết các trạng thái như sạc pin, hoạt động bốc hoặc dỡ pin, ý định rẽ sang hướng mới (như đèn xi nhan trên ô tô), tình trạng khẩn cấp, v.v.
Không có tiêu chuẩn nào về màu sắc ánh sáng, tốc độ nhấp nháy hoặc cảnh báo bằng âm thanh. Chúng có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất AMR và thường được phát triển để phản ánh các hoạt động cụ thể tại cơ sở nơi AMR hoạt động. Dải đèn có sẵn có và không có cơ chế cảnh báo bằng âm thanh tích hợp. Ví dụ: mẫu TLF100PDLBGYRAQP của Banner Engineering bao gồm một bộ phận âm thanh kín với 14 âm có thể lựa chọn và điều khiển âm lượng (Hình 5).
Hỗ trợ hậu cần
AMR hoạt động như một phần của các hoạt động lớn hơn và thường được yêu cầu tích hợp với phần mềm hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP), hệ thống thực thi sản xuất (MES) hoặc phần mềm hệ thống quản lý kho hàng (WMS). Mô-đun liên lạc trên AMR kết hợp với các cảm biến như mã vạch và đầu đọc RFID cho phép AMR được kết hợp chặt chẽ với hệ thống doanh nghiệp.
Khi cần đầu đọc mã vạch, các nhà thiết kế có thể chuyển sang sử dụng V430-F000W12M-SRP của Omron, thiết bị này có thể giải mã mã vạch 1D và 2D trên nhãn hoặc mã vạch Direct Part Mark (DPM). Nó bao gồm khả năng lấy nét tự động ở khoảng cách thay đổi, ống kính trường nhìn rộng, cảm biến 1.2 megapixel, đèn tích hợp và xử lý tốc độ cao.
DLP-RFID2 của DLP Design là mô-đun nhỏ gọn, chi phí thấp để đọc và ghi vào thẻ phát đáp RFID tần số cao (HF). Nó cũng có thể đọc số nhận dạng duy nhất (UDI) của tối đa 15 thẻ cùng một lúc và có thể được cấu hình để sử dụng ăng-ten bên trong hoặc bên ngoài. Nó có dải nhiệt độ hoạt động từ 0°C đến +70°C, khiến nó phù hợp để sử dụng trong các cơ sở hậu cần và sản xuất Công nghiệp 4.0.
Kết luận
Phản ứng tổng hợp cảm biến là một công cụ quan trọng để hỗ trợ SLAM và sự an toàn trong AMR. Dự đoán về R15.08-3, có thể bao gồm các tham chiếu đến phản ứng tổng hợp cảm biến cũng như kiểm tra và xác nhận độ ổn định AMR rộng hơn, bài viết này đã xem xét một số tiêu chuẩn hiện tại và các phương pháp thực hành tốt nhất để triển khai phản ứng tổng hợp cảm biến trong AMR. Đây là bài viết thứ hai trong loạt bài gồm hai phần. Phần một đã xem xét việc tích hợp AMR an toàn và hiệu quả vào các hoạt động của ngành 4.0 để mang lại lợi ích tối đa.