כיצד היתוך מידע חיישנים מאפשר לרובוטים AMR לתמרן ביעילות סביב רצפות ייצור

עם יותר ויותר מקרים של בני אדם ורובוטים ניידים אוטונומיים (AMRs), הנקראים גם רובוטים ניידים תעשייתיים (IMRs), שעובדים באותו אזור, יש לטפל בסיכוני בטיחות אינהרנטיים מרובים. הפעולה הבטוחה והיעילה של רובוטים AMR היא חשובה מכדי להסתמך על טכנולוגיית חיישן יחיד.

היתוך מידע חיישנים-מרובים, או פשוט "היתוך מידע חיישנים", משלב טכנולוגיות כמו מציאת טווח לייזר (LIDAR)‏, מצלמות, חיישנים אולטרסוניים, חיישני לייזר לאיתור מכשולים וזיהוי תדר רדיו (RFID) כדי לתמוך‏ במגוון פונקציות AMR, כולל ניווט, תכנון מסלול, מניעת התנגשות, ניהול מלאי ותמיכה לוגיסטית. היתוך מידע חיישנים כולל גם התרעת בני אדם סמוכים לנוכחות של‏ ה-AMR.

כדי לענות על הצורך בהפעלה בטוחה ויעילה של רובוטים AMR, מכון התקנים הלאומי האמריקאי (ANSI) והאיגוד לקידום אוטומציה (A3‏), לשעבר איגוד התעשיות הרובוטיות (RIA), מפתחים את סדרת התקנים ANSI/A3 R15.08. תקני R15.08-1 ו-R15.08-2 שוחררו, והם מתמקדים בדרישות בטיחות בסיסיות ומבצעים אינטגרציה של רובוטים AMR באתר. תקן R15.08-3‏ נמצא כעת בפיתוח וירחיב את דרישות הבטיחות עבור רובוטים AMR, כולל המלצות מפורטות יותר עבור שימוש בהיתוך מידע חיישנים.

בציפייה ל-R15.08-3, מאמר זה סוקר כמה מהפרקטיקות הטובות ביותר של היום הקשורות לבטיחות והיתוך מידע חיישנים ברובוטים AMR, החל מסקירה קצרה של דרישות הבטיחות הפונקציונליות המשמשות כיום עם רובוטים AMR, כולל תקני בטיחות תעשייתיים גנריים כמו IEC 61508,‏ ISO 13849 ו-IEC 62061, ודרישות הבטיחות לחישת נוכחות בני אדם כמו IEC 61496 ו-IEC 62998. אחר כך, המאמר מציג תכנון‏ AMR אופייני המפרט את טכנולוגיות החיישנים הרבות, מציג התקנים מיצגים, ומסתכל על כיצד הם תומכים בפונקציות כמו ניווט, תכנון מסלול, איתור, מניעת התנגשות, וניהול מלאי/תמיכה לוגיסטית.

טוב, טוב יותר, טוב ביותר

למתכנני AMR יש מגוון תקני בטיחות להתחשב בהם, החל מתקני בטיחות פונקציונליים למטרה-כללית כמו IEC 61508,‏ ISO 13849 ו-IEC 62061. ישנם גם תקני בטיחות יותר ספציפיים המתייחסים לחישת נוכחות בני אדם, כמו IEC 61496,‏ IEC 62998 וסדרת התקנים ANSI/A3 R15.08.

ה-IEC 61496 מציע הדרכה למספר סוגי חיישנים. הוא מתייחס ל-IEC 62061, שמציין דרישות וממליץ על תכנון, אינטגרציה ותיקוף של‏ ציוד מגן אלקטרו-רגיש (ESPE) עבור מכונות, כולל רמות שלמות בטיחות (SILs), ו-ISO 13849 המכסה בטיחות של‏ מכונות וחלקים קשורים לבטיחות של מערכות בקרה, כולל רמות ביצועי (PLs) בטיחות (טבלה 1‏).

טבלה 1‏: דרישות בטיחות עבור ESPE לפי סוג המצוין ב-IEC 61496. (מקור טבלה: Analog Devices)

IEC 62998 הוא חדש יותר ולרוב יכול להיות בחירה טובה יותר מאחר וכולל הדרכה על יישום היתוך מידע חיישנים, תוך שימוש בבינה מלאכותית (AI) במערכות בטיחות, ושימוש בחיישנים המותקנים על פלטפורמות נעות מחוץ לכיסוי של IEC 61496.

ה-R15.08 חלק 3, כשישוחרר, עשוי להפוך את סדרת ה-R15.08 לטובה ביותר מאחר ויוסיף דרישות בטיחות עבור משתמשי מערכות‏ AMR ויישומי AMR. נושאים אפשריים עשויים לכלול היתוך מידע חיישנים ובדיקות ותיקוף נרחבים יותר של יציבות AMR.

פונקציות היתוך מידע חיישנים

מיפוי המתקן הוא היבט חיוני של הצטיידות ב-AMR. אבל זה לא פעילות חד פעמית. הוא גם חלק מתהליך‏ מתמשך הנקרא מיפוי רובוטי ואיתור סימולטני (SLAM), לעיתים נקרא מיפוי רובוטי ואיתור מסונכרן. זהו התהליך של‏ עדכון שוטף של המפה על כל שינוי באזור תוך מעקב אחר מיקום הרובוט.

היתוך מידע חיישנים ‏דרוש כדי לתמוך ב-SLAM ולאפשר את הפעולה הבטוחה של רובוטים AMR. לא כל החיישנים עובדים היטב באותה המידה בכל נסיבות ההפעלה, וטכנולוגיות חיישן שונות מייצרות סוגי נתונים שונים. ניתן להשתמש ב-AI במערכות היתוך מידע חיישנים כדי לשלב מידע אודות סביבת הפעולה המקומית (האם מעורפל או מכוסה עשן, לח, עד כמה בהיר אור הסביבה וכו') ולאפשר תוצאה משמעותית יותר על ידי שילוב היציאות של‏ טכנולוגיות חיישן שונות.

אלמנטים של חיישנים ניתנים לקטלוג בהתאם לפונקציה כמו גם טכנולוגיה. דוגמאות של פונקציות היתוך מידע חיישנים ברובוטים AMR כוללות (איור 1):

• חיישני מרחק כמו אנקודרים על גלגלים ויחידות מדידה אינרציאלית המשתמשות בג'ירוסקופים ומדי-תאוצה עוזרים למדוד את התנועה ולקבוע את הטווח בין מיקומי ייחוס.
• חיישני תמונה כמו מצלמות תלת-ממדיות (3D‏) ו-3D LiDAR משמשים לזיהוי ומעקב אחר אובייקטים סמוכים.
• קישורי תקשורת, מעבדי מחשוב וחיישני לוגיסטיקה כמו סורקי ברקוד והתקני זיהוי תדר רדיו (RFID) מקשרים את ה-AMR למערכות ניהול ברחבי המתקן ומשלבים מידע מחיישנים חיצוניים במערכת היתוך מידע החיישנים של ה-AMR‏ עבור ביצועים משופרים.
• חיישני קירבה כמו סורקי לייזר ו-LIDAR דו-ממדי (2D) מזהים ועוקבים אחר אובייקטים קרובים ל-AMR, כולל תנועת בני אדם.

איור 1: דוגמה של סוגי חיישן נפוצים ואלמנטים קשורים של מערכת המשמשים בתכני היתוך מידע חיישנים AMR. (מקור תמונה: Qualcomm)

2D LiDAR,‏ 3D LiDAR ואולטרסוניקה

2D LiDAR,‏ 3D LiDAR ואולטרסוניקה הם טכנולוגיות חיישן נפוצות התומכות ב-SLAM ובטיחות ברובוטים AMR. ההבדלים בין טכנולוגיות אלו מאפשרים לחיישן אחד לפצות על החולשות של האחרים כדי לשפר ביצועים ואמינות.

2D LiDAR משתמש במשטח אחד של הארת לייזר כדי לזהות אובייקטים בהתבסס על קואורדינטות X ו-Y. ה-3D LiDAR משתמש בקרני לייזר מרובים כדי ליצור ייצוג 3D מפורט מאוד של הסביבה הנקרא ענן נקודה. שני סוגי‏ ה-LIDAR חסינים יחסית לתנאי אור סביבה אך דורשים שהאובייקטים שיש לזהות יהיו בעלי סף רפלקטיביות מינימלי של אורך הגל הנפלט על ידי הלייזר. באופן כללי, 3D LiDAR יכול לזהות אובייקטים בעלי רפלקטיביות נמוכה עם אמינות גבוהה יותר מ-2D LiDAR.

חיישן ה-HPS-3D160 3D LiDAR מבית Seeed Technology משלב פולטי infrared vertical-cavity surface-emitting laser‏ (VCSEL‏) ו-CMOS רגישות-אור-גבוהה‏. מעבד הביצועים-העיליים המשובץ כולל אלגוריתמים של סינון וקיזוז ויכול לתמוך בפעולות LiDAR בו-זמניות מרובות. ליחידה יש טווח של עד 12‏ מטר עם דיוק של סנטימטר.

כשדרוש פתרון של‏ 2D LiDAR, מתכננים יכולים לפנות אל ה-TIM781S-2174104 מבית SICK. הוא מתאפיין ‏בזווית צמצם של‏ ‎270 מעלות עם רזולוציה זוויתית של 0.33 מעלות ותדר סקירה של ‏‎15 Hz. יש לו טווח עבודה מיוחס-בטיחות של 5 מטר (איור 2‏).

איור 2‏: לחיישן 2D LiDAR זה יש זווית צמצם של‏ ‎270‏ מעלות. (מקור תמונה: SICK)

חיישנים אולטרסוניים יכולים לזהות במדויק עצמים שקופים כמו זכוכית וחומרים סופגי אור ש-LIDAR לא תמיד יכול לראות. חיישנים אולטרסוניים הם גם פחות רגישים להפרעות מרמות גבוהות של אבק, עשן ולחות, ותנאים אחרים היכולים לשבש LiDAR. עם זאת, חיישנים אולטרסוניים רגישים להפרעות מרעש סביבתי, וטווחי הזיהוי שלהם יכולים להיות מוגבלים יותר משל LiDAR.

חיישנים אולטרסוניים כמו ה-TSPC-30S1-232 מבית Senix יכולים להשלים LiDAR וחיישנים אחרים עבור AMR SLAM ובטיחות. הוא בעל טווח אופטימלי של 3 מטר, לעומת 5 מטר של ה-2D LiDAR ו-12 מטר של ה-3D LiDAR המפורט לעיל. חיישן אולטרסוני מקוזז-טמפרטורה זה מדורג‏ IP68‏ ומגיע בבית קיבול אטום לסביבה‏, עשוי מפלדת אל-חלד ‏ (איור 3‏).

איור 3‏: חיישן אולטרסוני אטום לסביבה עם טווח‏ אופטימלי של‏ 3 מטר. (מקור תמונה: DigiKey‏)

היתוך מידע חיישנים מתייחס בדרך כלל לשימוש במספר חיישנים בדידים. אך במקרים מסוימים, חיישנים מרובים ארוזים כיחידה אחת.

שלושה חיישנים כיחידה אחת

תפיסה חזותית באמצעות זוג מצלמות להפקת תמונות סטריאוסקופיות ועוד עיבוד תמונה מבוסס על AI ו-ML יכולים לאפשר ל-AMR לראות את הרקע כמו גם לזהות אובייקטים קרובים. קיימים חיישנים הכוללים מצלמות עומק סטריאו, מצלמת צבע נפרדת ו-IMU ביחידה אחת.

מצלמות עומק סטריאופוניות כמו ה-Intel RealSense D455 RealSense Depth Cameras משתמשות בשתי מצלמות מופרדות על ידי קו התחלתי ידוע כדי לחוש עומק ולחשב את המרחק אל אובייקט. מפתח אחד לדיוק הוא שימוש במסגרת פלדה חזקה המבטיחה מרחק‏ הפרדה מדויק בין המצלמות, אפילו בסביבות תעשייתיות תובעניות. הדיוק של‏ אלגוריתם תפיסת העומק תלוי בידיעת המרווח המדויק בין שתי המצלמות.

לדוגמה, דגם מצלמת העומק 82635DSD455MP עבר מיטוב עבור רובוטים AMR ופלטפורמות דומות והרחיב את המרחק בין המצלמות ל-95 מ"מ (איור 4‏). זה מאפשר לאלגוריתם חישוב העומק להקטין את שגיאת ההערכה לפחות מ-2% ממרחק של 4 מטר.

איור 4‏: מודול זה כולל מצלמות עומק סטריאו מופרדות ב-95 מ"מ, מצלמת צבע‏ נפרדת ויחידת IMU. (מקור תמונה: DigiKey‏)

מצלמות עומק D455 כוללות גם מצלמת צבע‏ (RGB) נפרדת‏. צמצם גלובלי של עד 90 פריימים לשנייה במצלמת ה-RGB‏, מותאם לשדה הראייה (FOV) של מצלמת העומק, משפר את ההתאמה בין תמונות הצבע והעומק ומשפר את היכולת להבין את הסביבה. מצלמות עומק D455 משלבות יחידת IMU עם שש דרגות חופש המאפשרת לאלגוריתם חישוב העומק לכלול את קצב‏ התנועה של‏ ה-AMR ולהפיק הערכות דינמיות של מודעות עומק.

להאיר ולהשמיע את הדרך

אורות מהבהבים והתרעות קוליות לבני אדם בקרבת AMR חשובים לבטיחות AMR. האורות הם בדרך כלל בצורה של ‏מגדל אור או פס אור על צידי ה-AMR. הם עוזרים לרובוט לתקשר את פעולותיו המכוונות לבני אדם. הם יכולים גם לציין סטטוס כמו טעינת סוללה, פעילויות העמסה או פריקה, כוונה לפנות בכיוון‏ חדש (כמו אות הפנייה ברכב), תנאי חירום וכו'.

אין תקנים לצבעי אור, מהירויות הבהוב או התרעות נשמעות. הם יכולים להשתנות בין יצרני AMR ומפותחים לעתים קרובות כך שישקפו את הפעילויות הספציפיות במתקן שבו פועל ה-AMR. פסי אור זמינים עם וללא מנגנוני התרעה נשמעים מובנים. לדוגמה, דגם ה-TLF100PDLBGYRAQP מבית Banner Engineering כולל‏ אלמנט נשמע אטום עם 14‏ צלילים ניתנים-לבחירה ובקרת עוצמה (איור 5‏).

איור 5‏: כרוז פס אורות זה כולל‏ אלמנט נשמע אטום (עיגול עליון שחור). (מקור תמונה: DigiKey‏)

תמיכה לוגיסטית

רובוטים AMR פועלים כחלק מפעילות‏ גדולה יותר ולעיתים קרובות נדרשים להשתלב עם תוכנת המערכת לתכנון משאבי ארגון (ERP‏), מערכת המידע לניהול רצפת ייצור (MES‏), או מערכת ניהול המחסנים (WMS). מודול התקשורת ב-AMR בשילוב עם חיישנים כמו קוראי ברקוד ו-RFID מאפשרים לרובוטים AMR להתמזג היטב במערכות ארגוניות.

כשנדרש קורא‏ ברקוד, מתכננים יכולים לפנות אל ה-V430-F000W12M-SRP מבית Omron, שיכול לפענח ברקודים 1D ו-2D על תוויות או ברקודים Direct Part Mark‏ (DPM‏). הוא כולל מיקוד אוטומטי למרחק משתנה, עדשת שדה ראייה רחב,‏ חיישן 1.2 מגה-פיקסל, תאורה‏ מובנית ועיבוד מהירות-גבוהה.

ה-DLP-RFID2 מבית DLP Design הוא מודול קומפקטי בעלות נמוכה עבור קריאה מ- וכתיבה אל תגי טרנספונדר RFID‏ (HF)‏ תדר-גבוה. הוא יכול גם לקרוא את המזהים הייחודיים (UDI‏) של עד ‏15‏ תגים בבת אחת וניתן להגדרת-תצורה להשתמש באנטנה פנימית או חיצונית. הוא בעל תחום טמפרטורות עבודה של ‎0°C עד ‎70°C+, דבר העושה אותו מתאים לשימוש במתקני לוגיסטיקה וייצור Industry 4.0.

סיכום

היתוך מידע חיישנים הוא‏ כלי חשוב עבור תמיכה ב-SLAM ובבטיחות רובוטים AMR. בציפייה ל-R15.08-3, שיכול לכלול התייחסויות להיתוך מידע חיישנים ובדיקת יציבות ותיקוף AMR נרחב יותר, מאמר זה סקר כמה תקנים ופרקטיקות מומלצות עדכניים עבור יישום היתוך מידע חיישנים ברובוטים AMR. זהו המאמר השני בסדרה של שני מאמרים. חלק ראשון סקר את השילוב הבטוח והיעיל של רובוטים AMR בתפעול Industry 4.0 עבור תועלת מקסימלית.