Az önjáró robotok biztonságos és hatékony beillesztése az Ipar 4.0-s tevékenységekbe a lehető legnagyobb előnyök elérése érdekében

Az önjáró robotoknak (AMR, autonomous mobile robot), más néven ipari önjáró robotoknak (IMR, industrial mobile robot) az Ipar 4.0-s tevékenységekben való egyre szélesebb körű használatára válaszul az A3 (Association for Advancing Automation, Automatizálásfejlesztő Társaság) az ANSI-vel ([e.: enszi], American National Standards Institute, Amerikai Nemzeti Szabványügyi Intézet) közösen nemrégiben kiadta az önjáró robotokra vonatkozó biztonsági szabvány második részét. Ez az ANSI/A3 R15.08-2, amely az önjáró robotoknak vagy az önjárórobot-flottának a munkakörnyezetbe történő beillesztésére, beállítására és testreszabására vonatkozó követelményeket részletezi. Alapkövetelmény az ANSI/ISO 12100 vagy az ANSI B11.0 szerinti kockázatfelmérés elvégzése. Az új szabvány kiegészíti a korábban kiadott R15.08-1 szabványt, amely az önjáró robotok biztonságos kialakítására és a munkakörnyezetbe való beillesztésére összpontosított.

Az R15.08 szabványsorozat az automata irányított ipari járművekre (AGV, automated guided vehicle) vonatkozó korábbi ANSI/ITSDF B56.5 biztonsági szabványra épül (ITSDF: Industrial Truck Standards Development Foundation, Ipari Tehergépkocsikra Vonatkozó Szabványokat Fejlesztő Alapítvány). Az újabb szabvány az önjáró robotok három osztályát határozza meg adott funkciók és jellemzők alapján.

Ez a cikk röviden összehasonlítja az önjáró robotokat és az automata irányított járműveket, valamint az ANSI/ITSDF B56.5 szabványt és a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO, International Standards Organization) által kiadott ISO 3691-4 szabványt az ANSI/A3 R15.08 szabvánnyal. Ezt követően áttekinti az ANSI/ISO 12100 és az ANSI B11.0 szabványban felvázolt kockázatfelmérési stratégiákat, azoknak az önjáró robotokkal való kapcsolatát, valamint az R15.08-2 szabványba való beépítésüket. Ezután megvizsgálja az R15.08-2 szabványban meghatározott három önjárórobot-osztályt, végül pedig bemutatja az önjáró robotok munkakörnyezetbe való beillesztésének gyakorlati szempontjait, beleértve a térképezés és az üzembe helyezés megvalósítási módjait, az önjárórobot-flották kezelését, valamint a szimuláció és digitális ikrek segítségével végzett virtuális üzembe helyezés jelentette új lehetőségek használatát, az Omron Automation és a Siemens termékeit használva példaként.

Az automata irányított járművek csak előre meghatározott és kijelölt útvonalon tudnak közlekedni. Nincsenek felruházva önálló navigációs képességekkel. Ha akadályhoz érnek, megállnak, és megvárják, amíg az akadály elhárul, majd továbbhaladnak a rögzített útvonalon. Az önjáró robotok független navigációs rendszereket tartalmaznak, és képesek megváltoztatni az útvonalukat, valamint megkerülni az akadályokat (1. ábra). Ezek miatt a különbségek miatt az automata irányított járművek inkább csak viszonylag stabil és változatlan környezetekben használhatóak, míg az önjáró robotok képesek rugalmasabban működni, ahogy arra az Ipar 4.0-s tevékenységekben szükség van.

1. ábra: Az önjáró robotok (balra) megkerülik az akadályokat, míg az automata irányított járművek (jobbra) megállnak, ha akadályhoz érnek (ábra: Omron)

A szabványok fejlődése

Az önjáró robotokra vonatkozó szabványok némelyike a korábban az automata irányított járművekre és a helyhez kötött robotokra kidolgozott szabványokból fejlődött ki. Az EN 1525:1997 szabványt például automata irányított járművekre dolgozták ki, majd később módosítás nélkül alkalmazták az önjáró robotokra is. Az újabb ISO 3691-4 szabvány vonatkozik az automata irányított járművekre is, de tartalmaz az önjáró robotokra vonatkozó részeket is.

Az ANSI/ITSDF B56.5 az irányított ipari járművekre, a személyzet nélküli irányított ipari járművekre és a személyzet által kezelt ipari járművek automatizált funkcióira vonatkozó biztonsági szabvány, az önjáró robotokra nem vonatkozik. Az újabb ANSI/RIA R15.08 az önjáró robotok ipari környezetben történő használatára vonatkozó biztonsági szabvány. A szabvány a helyhez kötött robotkarok biztonságos használatára vonatkozó R15.06 szabványon alapul, azt bővíti ki.

Egy másik fontos szabvány az EN ISO 13849, amely a különböző típusú berendezések biztonsági teljesítményszintjeit (PL) határozza meg. Öt szint van a PLa-tól a PLe-ig, egyre szigorúbb követelményekkel. Az automata irányított járművek és az önjáró robotok gyártóinak a PLd biztonsági teljesítményszintet kell elérniük. Ez azt jelenti, hogy egy hiba bekövetkezése esetén a járműnek vagy robotnak képesnek kell lennie a folyamatos biztonságos működésre, például redundáns rendszerek használata révén.

Az ANSI/A3 R15.08-2 szabvány az önjáró robotok munkakörnyezetbe illesztéséhez és használatához megköveteli a kockázatfelmérést. Az ISO 12100 és az ANSI B11.0-2010 által előírt kockázatfelmérés nagyon hasonló, de nem teljesen azonos. Az ISO 12100 az eredeti berendezésgyártókat célozza meg, míg az ANSI B11.0 inkább a gépek és a végfelhasználók biztonságára összpontosít. A kockázatfelmérés alapelvei mindkét szabvány esetében hasonlóak.

Kockázatfelmérés

A kockázatfelmérés egy jól felépített elemzés, amelynek célja az elfogadható kockázati szint megállapítása. Elismeri, hogy egyetlen rendszer vagy környezet sem tökéletes, és a bennük rejlő kockázatokat kezelni lehet, de kiküszöbölni nem. Azzal kezdődik, hogy meghatározza a gép működésének korlátait, és azonosítja azokat a veszélyeket, amelyek akkor állhatnak elő, ha a gép ezen határok közelében vagy azokat túllépve működik.

Ezután következik a kockázatbecslés, amely az egyes veszélyekből eredő károk várható súlyosságát és bekövetkezésének valószínűségét vizsgálja. Egy nagyon súlyos, de kis valószínűséggel bekövetkező veszély kaphat hasonló besorolást, mint egy kevésbé súlyos kimenetelű, de nagyobb valószínűséggel bekövetkező. A kockázatcsökkentési erőfeszítések rangsorolása érdekében az összes azonosított kockázatot értékelik és rangsorolják. A kockázatfelmérés többször ismétlődő folyamat is lehet, melynek során azonosítják a legsúlyosabb kockázatokat, és csökkentik azok bekövetkezési valószínűségét vagy kimenetelének súlyosságát, és ez addig folytatódik, amíg el nem érik a fennmaradó kockázat elfogadható szintjét (2. ábra).

2. ábra: A kockázatfelmérés főbb összetevői a kockázatelemzés, a kockázatértékelés és kockázatcsökkentés (ábra: SICK)

Az önjáró robotok osztályai

Az R15.08 szabvány az önjáró robotok három típusát határozza meg:

A típus: Önjáró robot önmagában. Az automata irányított járművekkel ellentétben az A típusú önjáró robotok képesek önálló rendszerként működni, és nem igénylik a környezet megváltoztatását. Tartalmazhatnak olyan nem kötelező funkciókat, mint az akkumulátorfigyelő rendszer, az önálló töltőkeresés és akkumulátortöltés képessége vagy a központi flottakezelő szoftverbe való beépülés képessége stb. Az A típusú önjáró robotokat leggyakrabban gyárakban vagy raktárakban történő anyagmozgatásra használják.

B típus: Az A típusú önjáró robot valamilyen passzív vagy aktív tartozékkal kiegészítve, amely nem manipulátor (3. ábra). Jellegzetes tartozékok például a szállítószalagok, a görgős asztalok, állandó vagy leszerelhető tartályok, emelőberendezések, gépi látásos rendszerek, mázsálóberendezések stb. A B típusú önjáró robotok összetettebb logisztikai feladatokra is használhatóak. A gépi látásos rendszerek használhatóak a termékek szemrevételezéses ellenőrzésére és azonosítására, alkatrészek tömegének megmérésére (vagy számának megbecslésére) stb.

ábra: Görgős asztallal felszerelt B típusú önjáró robot. Az ábrán a mindhárom önjárórobot-típusra jellemző navigációs és biztonsági rendszerek is láthatóak (ábra: Omron)

C típus: Az A típusú önjáró robot valamilyen manipulátorral felszerelve. A manipulátor lehet például három- vagy többtengelyű robotkar. A C típusú önjáró robotok úgy tervezhetők, hogy az emberrel együttműködő robotként (melyeket gyakran emlegetnek röviden az angol collaborative robot kifejezésből alkotott mozaikszóval cobot vagy magyaros írásmóddal kobot néven) működjenek. Lehetnek más gépeket felügyelő robotok, végezhetnek felszedési és elhelyezési műveleteket, összetett ellenőrzési feladatokat, mezőgazdasági környezetben betakarítási és gyomirtási munkákat stb. Egyes változataik mozoghatnak egyik helyről a másikra, és végrehajthatnak minden állomáson más-más feladatot.

Üzembe helyezés, térképezés és fények követése

Mindhárom önjárórobot-típust úgy tervezték, hogy egyszerűsítsék az üzembe helyezést. A meglehetősen komoly infrastruktúrát igénylő automata irányított járművekhez képest az önjáró robotok üzembe helyezéséhez nem kell semmit kiépíteni, és a programozási igényük is minimális lehet. Az alapszintű üzembe helyezés négylépcsős folyamat (4. ábra):

• Az önjáró robotokat úgy szállítják, hogy telepítve van rájuk az összes szükséges szoftver, az első feladat az akkumulátor beszerelése és feltöltése.
• A térképezés kritikus fontosságú, és végrehajtható kézzel vagy automatikusan. A kézi térképezés során egy technikus irányítja az önjáró robotot, és körbeviszi a létesítményben, hogy betanítsa neki a környezetet. A lézervezérlésű önjáró robotok percenként akár 1000 négyzetmétert is képesek automatikusan letapogatni, hogy a közelkörzetük összes jellemzőjét rögzítő térképeket készítsenek, és az így kapott térképeket vezeték nélkül elküldjék egy központi számítógépre. A térképek mindkét esetben testreszabhatóak, létrehozhatóak rajtuk tényleges és tiltott útvonalak a biztonságos üzemeltetés érdekében, és meg lehet őket osztani az önjárórobot-flottába tartozó robotok között.
• A célok kitűzése magában foglalja a felszedési és lerakási helyek meghatározását is.
• Az utolsó lépés a feladatkiosztás, amely magában foglalja a flottában lévő különböző önjáró robotok feladatütemezését és koordinálását, valamint a vállalati erőforrás-tervezésbe (ERP, Enterprise Resource Planning), a gyártásvégrehajtó rendszerbe (MES, Manufacturing Execution System) és a raktárkezelő rendszerbe (WMS, Warehouse Management System) való beillesztését.

4. ábra: Az önjáró robotokat a teljes telepített szoftverrel együtt szállítják, ezért gyorsan üzembe helyezhetőek, és beilleszthetőek a termelési környezetbe (kép: Omron)

A létesítmény lézerletapogatással történő feltérképezése mellett egyes Omron önjáró robotok kamerát használnak a felső világítást adó világítótestek helyének érzékelésére és megrajzolására. Ezzel létrehoznak egy „világítási térképet”, és azt a normál talajtérképre vetítik le.

A lézeres helyzetmeghatározás egy bizonyos mértékig elviseli, ha a talaj elrendezése megváltozik. Tegyük fel, hogy a jellemzők több mint 80%-a módosul, például egy szállítódokkban, ahol a raklapok vagy a kocsik helye folyamatosan változik. Ebben az esetben a lézeres helyzetmeghatározás kevésbé hasznos, és a világítási térkép hozzáadása növeli a navigáció megbízhatóságát. A világítási térkép használata azt is lehetővé teszi, hogy az önjáró robotok könnyebben navigálhassanak a nagy méretű létesítmények nagy kiterjedésű szabad területein.

Robotflották kezelése

A robotflották hatékony kezelése megsokszorozhatja az önjáró robotok használatából származó előnyöket. Ez lehetőséget adhat a különböző típusú önjáró robotok központi irányítására és összehangolt üzemeltetésére, valamint elérhetővé teheti a működési hatékonyság lehető legnagyobbra növeléséhez szükséges adatokat és elemzéseket. Az önjárórobotflotta-kezelő rendszerek néhány közös jellemzője:

Az optimalizált feladatkiosztás a flottát alkotó egyes robotok képességein, pillanatnyi helyzetükön és a következő feladatuk várható helyének előrejelzésén alapul.

A forgalomirányítás magában foglalja a felszedési és lerakási helyek és időpontok ütemezését a lehető legnagyobb hatékonyság érdekében, valamint a robotok értesítését az úti cél megváltozásáról és az új akadályokról, lehetővé téve számukra az útvonal újraszámítását a minél nagyobb hatékonyság és biztonság érdekében.

A töltéskezelés nyomon követi a flotta minden egyes robotjának akkumulátortöltöttségi szintjét, lehetővé téve az idejében történő töltést és a lehető leghosszabb üzemidőt.

A szoftverfrissítések koordinálása lehetőséget teremt arra, hogy az egész flottában minden robottípus a legújabb szoftververziót használja.

A vállalat rendszerébe való beillesztés összekapcsolja a flottakezelő szoftvert a vállalati erőforrás-tervező, a gyártásvégrehajtó és a raktárkezelő rendszerrel, így a feladatok automatikusan, valós időben oszthatóak ki és ütemezhetőek a teljes flotta részére.

Virtuális üzembe helyezés

A digitális ikrek és a szimulációs szoftverek kombinációja lehetővé teszi a virtuális üzembe helyezést. Ebben az esetben a digitális iker a fizikai önjáró robot virtuális változata (ikerpárja). A digitális ikrek felhasználhatóak úgy az egyes önjáró robotok, mint az önjárórobot-flották teljesítményének virtuális értékelésére. A virtuális üzembe helyezés robotikai szimulációs szoftver segítségével kombinálja az önjáró robotok digitális ikreit a munkakörnyezet digitális ikreivel (5. ábra).

5. ábra: A virtuális üzembe helyezéshez az önjáró robot digitális ikre virtuálisan beilleszthető egy szimulált gyári környezetbe (kép: Siemens)

Az önjáró robotok virtuális üzembe helyezése használható több gyártó robotjainak a munkakörnyezetbe illesztésére és munkájának koordinálására is. A virtuális üzembe helyezési folyamat során a mérnökök gyorsan és hatékonyan létrehozhatnak több lehetséges megoldást is, hogy a teljes rendszer megfelelő működését ellenőrizhessék, ne csak az egyes önjáró robotokét.

A biztonság virtuális ellenőrzése és a virtuális hibakeresés szintén megvalósítható digitális ikrekkel és szimulációval. A virtuális önjáró robotokat rendellenes helyzeteknek lehet kitenni a különböző vészhelyzetek vizsgálata és a biztonsági protokollok megfelelő működésének biztosítása érdekében.

A virtuális hibakeresés megvalósítására való képesség felgyorsíthatja az önjárórobot-flották létrehozását. A fizikai önjáró robotok üzembe helyezése utáni hibakeresés komoly feladatot jelent, és időigényes. Ez leállásokkal jár, és negatív hatással van a létesítmény termelékenységére. A virtuális hibakeresés nem okoz fennakadást a munkában, és a felhasználók biztosak lehetnek abban, hogy az önjáró robotok a való világban is a várt módon fognak működni.

Összegzés

Az önjáró robotok használata mindinkább terjed az Ipar 4.0-s létesítmények széles körében. Az önjáró robotokra vonatkozó szabványokat folyamatosan fejlesztik, hogy meghatározzák az önjáró robotoknak vagy az önjárórobot-flottának a munkakörnyezetbe való biztonságos és hatékony beillesztésére, beállítására és testreszabására vonatkozó követelményeket. Az új szabványok egyik legfontosabb követelménye – az ANSI és az ISO szabványokkal összhangban – a kockázatfelmérés végrehajtása. Az önjáró robotok üzembe helyezését segítő eszközök is folyamatosan fejlődnek, és napjainkra megjelent a digitális ikreket és szimulációt használó virtuális üzembe helyezés.

Ez a cikk egy kétrészes cikksorozat első része, és a nemrégiben megjelent, az önjáró robotok biztonságára, kockázatfelmérésére és üzembe helyezésére vonatkozó R15.08-2 szabvány jelentőségére összpontosít. A második cikk a jelenleg kidolgozás alatt álló és az önjáró robotok érzékelőegyesítésének témájával foglalkozó R15.08-3 szabvány előzetesének tekinthető.