Az érzékelőegyesítés segíti az önjáró robotok hatékony mozgását az üzem területén

Az emberek és az önjáró robotok (AMR, autonomous mobile robot), más néven ipari önjáró robotok (IMR, industrial mobile robot) egyazon területen történő munkavégzésének mind gyakoribbá válásával egyre több ezzel együtt járó biztonsági kockázatot kell kezelni. Az önjáró robotok biztonságos és hatékony működése túl fontos ahhoz, hogy egyetlen érzékelőfajtára támaszkodjanak.

A több érzékelő egyesítése vagy egyszerűen érzékelőegyesítés olyan technikákat ötvöz, mint a lézeres távolságmérő (lidar), a kamerák, az ultrahangos érzékelők, a lézeres akadályérzékelők és a rádiófrekvenciás azonosítás (RFID). Ennek célja, hogy jobban segítsék az önjáró robotok sokféle funkcióját, többek közt a navigációt, az útvonaltervezést, az ütközések elkerülését, a készletgazdálkodást és a logisztika támogatását. Az érzékelőegyesítés révén a közelben tartózkodó embereket is könnyebb figyelmeztetni az önjáró robot jelenlétére.

Az önjáró robotok biztonságos és hatékony működésének szükségességére való tekintettel az ANSI (American National Standards Institute, Amerikai Nemzeti Szabványügyi Intézet) és az A3 (Association for Advancing Automation, Automatizálásfejlesztő Társaság), korábban RIA (Robotic Industries Association, Robotokkal Segített Iparágak Szövetsége) jelenleg is dolgozik az ANSI/A3 R15.08 szabványsorozat megalkotásán. Az R15.08-1 és az R15.08-2 szabvány már megjelent, ezek az alapvető biztonsági követelményekre és az önjáró robotoknak az üzemekben történő rendszerbe illesztésére összpontosítanak. Az R15.08-3 jelenleg kidolgozás alatt áll, és bővíti majd az önjáró robotokra vonatkozó biztonsági előírásokat, és a érzékelőegyesítés használatára vonatkozó részletesebb ajánlásokat is tartalmaz.

Ez a cikk az R15.08-3 szabvány előfutáraként ismerteti az önjáró robotok biztonságával és az azokban használt érzékelőegyesítéssel kapcsolatos, korábban már bevált megoldások egynémelyikét, kezdve az önjáró robotokra jelenleg érvényes funkcionális biztonsági követelmények rövid áttekintésével, beleértve az általános ágazati biztonsági szabványokat, többek közt az IEC 61508, az ISO 13849 és az IEC 62061 szabványt, valamint az emberi jelenlét érzékelésére vonatkozó biztonsági előírásokat, amilyen az IEC 61496 és az IEC 62998 szabvány. Ezután bemutatja egy jellegzetes önjáró robot kialakítását, részletesen kitérve a sokféle érzékelőfajtára, ismertet néhány jellegzetes eszközt, és megvizsgálja, hogyan segítik ezek az olyan funkciókat, mint a navigáció, az útvonaltervezés, a helyzetmeghatározás, az ütközéselkerülés, valamint a készletgazdálkodás és a logisztika támogatása.

Jó, jobb, legjobb

Az önjáró robotok tervezőinek számos biztonsági szabványt kell figyelembe venniük, kezdve az általános célú funkcionális biztonsági szabványokkal, mint az IEC 61508, az ISO 13849 és az IEC 62061. Az emberi jelenlét érzékelésével kapcsolatban léteznek részletekbe menőbb biztonsági szabványok is, amilyen például az IEC 61496 és az IEC 62998 szabvány és az ANSI/A3 R15.08 szabványsorozat.

Az IEC 61496 szabvány számos érzékelőfajtára vonatkozóan nyújt útmutatást. Hivatkozik az IEC 62061 szabványra, amely követelményeket határoz meg és ajánlásokat tesz a gépekhez készült, villamosságra érzékeny védőeszközök (ESPE, electrosensitive protective equipment) tervezésére, rendszerbe illesztésére és jóváhagyására vonatkozóan, beleértve a biztonságjósági szinteket (SIL, safety integrity level), valamint az ISO 13849 szabványra, amely a gépek biztonságára és a vezérlőrendszerek biztonsággal kapcsolatos részeire vonatkozik, beleértve a biztonsági teljesítményszinteket (PL, performance level) is (1. táblázat).

1. táblázat: Az IEC 61496 szabványban meghatározott, a villamosságra érzékeny védőeszközökre vonatkozó biztonsági követelmények típusonként (táblázat: Analog Devices)

Az IEC 62998 szabvány újabb, és gyakran jobb választás lehet, mivel útmutatást tartalmaz az érzékelőegyesítés megvalósítására, a mesterséges intelligencia (MI vagy az angol artificial intelligence kifejezésből alkotott betűszóval AI) biztonsági rendszerekben való használatára, valamint az IEC 61496 szabvány hatályán kívül eső, mozgó platformokra szerelt érzékelők használatára vonatkozóan.

Az R15.08 szabvány 3. része, ha megjelenik, az R15.08 sorozatot teheti a legjobbá, ugyanis további biztonsági követelményeket ír elő az önjárórobot-rendszerek és önjáró robotokkal ellátott üzemek felhasználói számára. A lehetséges témák között szerepelhet az érzékelőegyesítés és az önjáró robotok stabilitásának szélesebb körű tesztelése és jóváhagyása.

Az érzékelőegyesítés funkciói

A létesítmény feltérképezése az önjáró robot üzembe helyezésének elengedhetetlen velejárója. De ez nem egy egyszeri tevékenység. Ez is része egy egyidejű helyzetmeghatározás és térképezés vagy más néven szinkronizált helyzetmeghatározás és térképezés (SLAM, simultaneous/synchronized localization and mapping) nevű, soha véget nem érő folyamatnak. Ez a munkafolyamat folyamatos frissíti egy adott terület térképét az aktuális változásokkal, miközben nyomon követi a robot helyzetét.

Az egyidejű helyzetmeghatározás és térképezés támogatásához és az önjáró robotok biztonságos működésének lehetővé tételéhez több érzékelő egyesítésére van szükség. Nem minden érzékelő működik egyformán jól mindenféle működési körülmények között, és a különböző érzékelőfajták különböző adattípusokat állítanak elő. A mesterséges intelligencia az érzékelőegyesítő rendszerekben használható a helyi működési környezetre vonatkozó adatok kombinálására (ködös vagy füstös, párás, mennyire erős a környezeti fény stb.), és a különböző érzékelőtechnikák kimenőjeleit kombinálva jobban hasznosítható eredményeket lehet elérni.

Az érzékelőelemek funkció és technika szerint is kategorizálhatók. Példák önjáró robotok érzékelőegyesítő funkcióira (1. ábra):

• Az olyan távolságérzékelők, mint a kerekeken guruló kódolók és a pörgettyűket (idegen szóval giroszkópokat) és gyorsulásmérőket használó tehetetlenségi (inerciális) mérőeszközök segítenek a mozgás mérésében és a referenciapontok közötti távolságok meghatározásában.
• Az olyan képérzékelők, mint a háromdimenziós (3D) kamerák és a 3D lézeres távolságmérők (lidar) a közeli objektumok azonosítására és követésére szolgálnak.
• A kommunikációs kapcsolatok, a számításvégző processzorok és a logisztikai érzékelők, például a vonalkódolvasók és a rádiófrekvenciás azonosító (RFID) eszközök összekapcsolják az önjáró robotokat a létesítmény egészére kiterjedő irányítási rendszerekkel, és a teljesítmény javítása érdekében beillesztik a külső érzékelőkből származó adatokat az önjáró robotok érzékelőegyesítő rendszerébe.
• A közelségérzékelők, például a lézerletapogatók (más néven lézerszkennerek) és a kétdimenziós (2D) lidarok érzékelik az önjáró robot közelében lévő objektumokat, beleértve az embereket is, és követik azok mozgását.

1. ábra: Példák az önjáró robotok érzékelőegyesítőiben használt gyakori érzékelőtípusokra és kapcsolódó rendszerelemekre (kép: Qualcomm)

2D lidar, 3D lidar és ultrahangos érzékelők

A 2D és 3D lidar és az ultrahangos érzékelők olyan elterjedt érzékelőfajták, amelyek lehetővé teszik az önjáró robotok által végzett egyidejű helyzetmeghatározást és térképezést, és segítik a biztonságot. Az ezen technikák közötti különbségek lehetővé teszik, hogy az egyik érzékelő kiegyenlítse a másik gyengeségeit, és ezáltal javítsa a teljesítményt és a megbízhatóságot.

A 2D lidar egyetlen lézeres megvilágítási síkot használ az objektumok X és Y koordináta alapján történő azonosítására. A 3D lidar több lézersugarat vetít ki, hogy a környezetet rendkívül részletesen ábrázoló 3D képet, úgynevezett pontfelhőt hozzon létre. Mindkét lidartípus viszonylag érzéketlen a környezeti fényviszonyokra, de megkövetelik, hogy az észlelendő objektumok a lézer által kibocsátott hullámhosszon elérjék legalább a minimális visszaverődési küszöbértéket. A 3D lidar általában megbízhatóbban képes a kis fényvisszaverő képességű objektumok észlelésére, mint a 2D lidar.

A Seeed Technology HPS-3D160 3D lidarérzékelője nagy teljesítményű, 850 nm-es hullámhosszú infravörös VCSEL ([e.: vikszel], függőleges üregű, felületről sugárzó lézer) lézerfénysugárzókat és egy nagy fényérzékenységű CMOS képérzékelőt tartalmaz egy házon belül. A beépített nagy teljesítményű feldolgozóegység szűrő- és kompenzálóalgoritmusokkal van ellátva, és képes több egyidejű lidarművelet elvégzésére. Az eszköz centiméteres pontosságú, és a hatótávolsága 12 méterig terjed.

Ha 2D lidaros megoldásra van szükség, a tervezők használhatják a SICK cég TIM781S-2174104 jelű eszközét. Ennek 270° a nyílásszöge, 0,33°a szögfelbontása és 15 Hz a pásztázási frekvenciája. Biztonsági funkciókra használható hatótávolsága 5 méter (2. ábra).

2. ábra: Ennek a 2D lidarérzékelőnek a nyílásszöge 270° (kép: SICK)

Az ultrahangos érzékelők pontosan érzékelik az olyan fényáteresztő objektumokat is, mint az üveg, valamint a fényelnyelő anyagokat is, amelyeket a lidar nem mindig lát. Az ultrahangos érzékelők kevésbé érzékenyek a nagy por, füst, páratartalom és a lidart zavaró egyéb tényezők okozta zavarokra. Az ultrahangos érzékelők érzékenyek viszont a környezeti zajok okozta zavarásra, és érzékelési tartományuk korlátozottabb lehet, mint a lidaroké.

Az ultrahangos érzékelők, mint például a Senix TSPC-30S1-232, kiegészíthetik a lidart és más érzékelőket az önjáró robotok egyidejű helyzetmeghatározó és térképező funkciója és a biztonság megteremtése terén. Optimális hatótávolsága 3 méter, szemben a 2D lidar 5 méterével és a fentebb részletezett 3D lidar 12 méterével. Ez a hőmérséklet-helyesbítéssel ellátott ultrahangos érzékelő IP68-as védettségű, környezetvédelmi szempontból lezárt rozsdamentes acél házban van elhelyezve (3. ábra).

3. ábra: Környezetvédelmi szempontból lezárt ultrahangos érzékelő 3 méteres optimális hatótávolsággal (kép: DigiKey)

A érzékelőegyesítés általában több különálló érzékelő használatát jelenti. Egyes esetekben azonban több érzékelőt helyeznek el egy házban.

Három érzékelő egyben

A két kamera alkotta kamerapárt használó képérzékeléssel előállított térhatású (idegen szóval sztereoszkopikus) képek, valamint a mesterséges intelligencián és a gépi tanuláson alapuló képfeldolgozás lehetővé teszi, hogy az önjáró robotok lássák a hátteret, és azonosítsák a közeli tárgyakat. Kaphatóak olyan érzékelők, amelyekben egy térhatású mélységérzékelő kamera, egy külön színes kamera és valamilyen tehetetlenségi érzékelőegység (IMU, intertial measurement unit) van egy házba építve.

Az Intel RealSense D455 RealSense típushoz hasonló térhatású mélységérzékelő kamerák két, egy ismert alapvonallal elválasztott kamerát használnak a mélység érzékelésére és a tárgy távolságának kiszámítására. A pontosság egyik kulcsa az erős acélváz használata, amely még zord ipari környezetben is mindig fenntartja a kamerák közti pontos távolságot. A mélységérzékelő algoritmus pontossága a két kamera közötti pontos távolság ismeretétől függ.

Például a 82635DSD455MP típusú mélységérzékelő kamera önjáró robotokhoz és más hasonló berendezésekhez lett optimalizálva, és a kamerák közötti távolságot 95 mm-re növelték (4. ábra). Ez lehetővé teszi a mélységszámító algoritmus számára, hogy a becslési hibát 4 méter távolságig 2% alá csökkentse.

4. ábra: Ez a modul 95 mm távolságban lévő térhatású mélységérzékelő kamerákat, egy különálló színes kamerát és egy tehetetlenségi érzékelőegységet tartalmaz (kép: DigiKey)

A D455 mélységérzékelő kamerák egy különálló színes (RGB) kamerát is tartalmaznak. Az RGB-kamera globális zárja másodpercenként akár 90 képkocka felvételét is lehetővé teszi, ami a mélységérzékelő kamera látómezejéhez igazítva növeli a szín- és mélységérzékelő képek közötti egyezést, javítva a környezet helyes érzékelésének képességét. A D455 mélységérzékelő kamerák tartalmaznak egy hat szabadságfokú tehetetlenségi érzékelőegységet is, amely lehetővé teszi, hogy a mélységszámító algoritmus figyelembe vegye az önjáró robot mozgási sebességét, és dinamikus mélységérzékelési becsléseket készítsen.

Az útvonal jelzése fényekkel és hangokkal

Az önjáró robot közelében tartózkodókat figyelmeztető villogó fények és hangjelzések az önjáró robottal kapcsolatos biztonsági szempontok miatt fontosak. A fények általában fényoszlop vagy fénycsík formájában vannak kialakítva az önjáró robot két oldalán. Ezek abban segítenek, hogy a robot jelezni tudja az embereknek, hogy mit fog tenni. Emellett jelezhetik valaminek az állapotát is, például az akkumulátor töltését, a be- vagy kirakodási tevékenységeket, az új irányba való elfordulás szándékát (mint az autó irányjelzője), vészhelyzeteket és egyebeket.

A fények színe, a villogás frekvenciája és a hangjelzések nincsenek szabványosítva. Ezek eltérőek lehetnek, attól függően, hogy melyik cég gyártotta az adott önjáró robotot, és gyakran úgy alakítják ki őket, hogy tükrözzék az önjáró robot működési területéül szolgáló létesítményében végzett konkrét tevékenységeket. A fénycsíkok kaphatóak beépített hangjelző mechanizmusokkal és azok nélkül is. A Banner Engineering TLF100PDLBGYRAQP jelű eszközében például egy 14 választható hanggal és hangerő-szabályozóval ellátott zárt hangjelző elem található (5. ábra).

5. ábra: Ez a fényoszlop egy zárt hangjelző elemet tartalmaz (felső fekete kör) (kép: DigiKey)

A logisztika támogatása

Az önjáró robotok nagyobb műveletek részeként működnek, és gyakran be kell őket illeszteni a vállalati erőforrás-tervező (ERP, enterprise resource planning) szoftverbe, illetve a gyártásvégrehajtó (MES, manufacturing execution system) vagy raktárkezelő rendszer (WMS) szoftverébe. Ha összekapcsoljuk az önjáró robotok kommunikációs modulját olyan érzékelőkkel, mint a vonalkód- és RFID-olvasók, lehetővé válik az önjáró robotok szoros beillesztése a vállalati rendszerekbe.

Ha vonalkódolvasóra van szükség, a tervezők használhatják az Omron V430-F000W12M-SRP jelű eszközt, amely képes dekódolni a címkéken lévő 1D és 2D vonalkódokat, valamint a DPM- (Direct Part Mark, közvetlen alkatrészjelölő) vonalkódokat. Ez az eszköz többek között autofókusszal, nagy látószögű objektívvel, 1,2 megapixeles érzékelővel, beépített világítással és nagy sebességű feldolgozással van ellátva.

A DLP Design cég DLP-RFID2 jelű eszköze egy olcsó, kis méretű modul a nagyfrekvenciás (HF) RFID-jeladócímkék olvasására és írására. Egyszerre akár 15 címke egyedi azonosítóját (UDI) is képes leolvasni, és beállítható, hogy belső vagy külső antennát használjon-e. Üzemi hőmérséklet-tartománya 0 °C és +70 °C közötti, így alkalmas az Ipar 4.0-s gyártó- és logisztikai létesítményekben való használatra.

Összegzés

Az érzékelőegyesítés fontos műszaki megoldás az önjáró robotok általi egyidejű helyzetmeghatározás és térképezés elősegítéséhez, valamint a biztonság megteremtéséhez. Az R15.08-3 szabványt megelőlegezve, amely várhatóan az érzékelőegyesítésre és az önjáró robotok stabilitásának tesztelésére és jóváhagyására vonatkozó szélesebb körű előírásokat tartalmaz majd, ez a cikk áttekint néhány jelenlegi szabványt és bevált megoldást az érzékelőegyesítés önjáró robotokban használható változatainak megvalósítására. Ez egy kétrészes cikksorozat második cikke. Az első rész az önjáró robotoknak az Ipar 4.0-s eljárásokba a lehető legnagyobb előnyök elérése érdekében való biztonságos és hatékony bevonását vizsgálta.