เซ็นเซอร์ฟิวชันช่วยให้ AMR เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ โรงงานได้อย่างมีประสิทธิภาพได้อย่างไร

เนื่องจากมีคนและหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ (AMR) หรือที่เรียกว่าหุ่นยนต์เคลื่อนที่ทางอุตสาหกรรม (IMR) ที่ทำงานในพื้นที่เดียวกันเพิ่มมากขึ้น จึงจำเป็นต้องจัดการกับความเสี่ยงด้านความปลอดภัยหลายประการ การทำงานที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพของ AMR มีความสำคัญเกินกว่าจะใช้เทคโนโลยีเซ็นเซอร์เพียงตัวเดียว

มัลติเซ็นเซอร์ฟิวชั่นหรือเรียกง่ายๆ ว่า "เซ็นเซอร์ฟิวชั่น" ผสมผสานเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การค้นหาระยะด้วยเลเซอร์ (LIDAR), กล้อง, เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก, เซ็นเซอร์ตรวจวัดสิ่งกีดขวางด้วยเลเซอร์ และการระบุเอกลักษณ์ด้วยคลื่นวิทยุ (RFID) เพื่อรองรับฟังก์ชัน AMR ที่หลากหลาย รวมถึงการนำทาง การวางแผนเส้นทาง การหลีกเลี่ยงการชน การจัดการสินค้าคงคลัง และการสนับสนุนด้านลอจิสติกส์ เซ็นเซอร์ฟิวชันยังรวมไปถึงการแจ้งเตือนผู้คนที่อยู่ใกล้เคียงถึง AMR

เพื่อตอบสนองความต้องการการปฏิบัติงานของ AMR ที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ American National Standards Institute (ANSI) และ Association for Advancing Automation (A3) ซึ่งเดิมชื่อ Robotic Industries Association (RIA) กำลังพัฒนาชุดมาตรฐาน ANSI/A3 R15.08 โดยมาตรฐาน R15.08-1 และ R15.08-2 เผยแพร่ออกมาแล้ว โดยมุ่งเน้นที่ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐาน และบูรณาการ AMR เข้ากับไซต์งาน ซึ่ง R15.08-3 อยู่ระหว่างการพัฒนา และจะขยายข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับ AMR รวมถึงคำแนะนำโดยละเอียดเพิ่มเติมสำหรับการใช้เซ็นเซอร์ฟิวชัน

ในระหว่างการรอคอยมาตรฐาน R15.08-3 บทความนี้จะทบทวนแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในปัจจุบันบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยและการรวมเซ็นเซอร์ใน AMR โดยเริ่มต้นจากภาพรวมโดยสังเขปของข้อกำหนดด้านความปลอดภัยด้านการทำงานที่ใช้ในปัจจุบันกับ AMR รวมถึงมาตรฐานความปลอดภัยทางอุตสาหกรรมทั่วไป เช่น IEC 61508, ISO 13849 และ IEC 62061 และข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับการตรวจจับการมีอยู่ของมนุษย์ เช่น IEC 61496 และ IEC 62998 จากนั้นจะนำเสนอการออกแบบ AMR ทั่วไปที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับเทคโนโลยีเซ็นเซอร์จำนวนมาก นำเสนออุปกรณ์ตัวแทน และดูวิธีการสนับสนุนฟังก์ชันต่างๆ เช่น การนำทาง การวางแผนเส้นทาง การปรับให้เข้ากับพื้นที่ทำงาน การหลีกเลี่ยงการชน และการจัดการสินค้าคงคลัง/การสนับสนุนด้านลอจิสติกส์

ดี ดีกว่า ดีที่สุด

ผู้ออกแบบ AMR มีมาตรฐานความปลอดภัยหลายประการที่ต้องพิจารณา โดยเริ่มจากมาตรฐานความปลอดภัยในการใช้งานทั่วไป เช่น IEC 61508, ISO 13849 และ IEC 62061 นอกจากนี้ยังมีมาตรฐานความปลอดภัยเฉพาะเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับการตรวจจับมนุษย์ เช่น มาตรฐาน IEC 61496, IEC 62998 และชุดมาตรฐาน ANSI/A3 R15.08

IEC 61496 ให้คำแนะนำสำหรับเซ็นเซอร์หลายประเภท โดยอ้างถึง IEC 62061 ซึ่งระบุข้อกำหนดและให้คำแนะนำสำหรับการออกแบบ การบูรณาการ และการตรวจสอบความถูกต้องของเซ็นเซอร์ม่านแสงนิรภัย (ESPE) สำหรับเครื่องจักร รวมถึงระดับความสมบูรณ์ด้านความปลอดภัย (SIL) และ ISO 13849 ที่ครอบคลุมความปลอดภัยของเครื่องจักรและความปลอดภัยที่เกี่ยวข้อง ส่วนของระบบควบคุมรวมถึงระดับประสิทธิภาพความปลอดภัย (PLs) (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับ ESPE ตามประเภทที่ระบุใน IEC 61496 (แหล่งที่มาตาราง: Analog Devices)

IEC 62998 ใหม่กว่าและมักเป็นทางเลือกที่ดีกว่า เนื่องจากมีคำแนะนำในการใช้งานเซ็นเซอร์ฟิวชัน การใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) ในระบบความปลอดภัย และการใช้เซ็นเซอร์ที่ติดตั้งบนแท่นเคลื่อนที่ซึ่งอยู่นอกเหนือ IEC 61496

เมื่อเปิดตัว R15.08 Part 3 อาจทำให้ชุดมาตรฐาน R15.08 เป็นมาตรฐานที่ดีที่สุด เนื่องจากจะเพิ่มข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับผู้ใช้ระบบ AMR และการใช้งาน AMR หัวข้อที่เป็นไปได้อาจรวมถึงการหลอมรวมเซ็นเซอร์และการทดสอบและการตรวจสอบความเสถียรของ AMR ที่ครอบคลุมมากขึ้น

ฟังก์ชันฟิวชันเซ็นเซอร์

การแมปปิ้งส่วนต่าง ๆ เป็นส่วนสำคัญของการทดสอบ AMR แต่ไม่ใช่กิจกรรมที่ทำเพียงครั้งเดียว นอกจากนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการที่กำลังดำเนินอยู่ที่เรียกว่า Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) ซึ่งบางครั้งเรียกว่า Synchronized Localization And Mapping เป็นกระบวนการอัปเดตแผนที่ของพื้นที่อย่างต่อเนื่องสำหรับการเปลี่ยนแปลงใดๆ พร้อมติดตามตำแหน่งของหุ่นยนต์

จำเป็นต้องมีการรวมเซ็นเซอร์เพื่อรองรับ SLAM และช่วยให้ AMR ทำงานอย่างปลอดภัย เซ็นเซอร์บางตัวอาจไม่ทำงานได้ดีเท่ากันในทุกสถานการณ์การทำงาน และเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกันจะสร้างข้อมูลประเภทต่างๆ โดย AI สามารถใช้ในระบบเซ็นเซอร์ฟิวชันเพื่อรวมข้อมูลเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมการทำงานในพื้นที่ (มีหมอกหรือควัน ชื้น แสงโดยรอบสว่างแค่ไหน ฯลฯ) และให้ผลลัพธ์ที่มีความหมายมากขึ้นโดยการรวมเอาต์พุตของเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ต่างๆ

องค์ประกอบเซ็นเซอร์สามารถแบ่งตามฟังก์ชันและเทคโนโลยีได้ ตัวอย่างของฟังก์ชันเซ็นเซอร์ฟิวชันใน AMR ได้แก่ (รูปที่ 1):

• เซ็นเซอร์วัดระยะห่าง เช่น ตัวเข้ารหัสบนล้อและหน่วยวัดแรงเฉื่อยโดยใช้ไจโรสโคปและมาตรความเร่ง จะช่วยวัดการเคลื่อนไหวและกำหนดช่วงระหว่างตำแหน่งอ้างอิง
• เซ็นเซอร์ภาพ เช่น กล้องสามมิติ (3D) และ 3D LiDAR ใช้ในการระบุและติดตามวัตถุใกล้เคียง
• ลิงก์การสื่อสาร โปรเซสเซอร์ประมวลผล และเซ็นเซอร์ลอจิสติกส์ เช่น เครื่องสแกนบาร์โค้ดและอุปกรณ์ระบุความถี่วิทยุ (RFID) เชื่อมโยง AMR กับระบบการจัดการทั่วทั้งสถานที่ และรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์ภายนอกเข้ากับระบบฟิวชั่นเซ็นเซอร์ของ AMR เพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น
• พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ เช่น เครื่องสแกนเลเซอร์และ LiDAR สองมิติ (2D) ตรวจจับและติดตามวัตถุใกล้กับ AMR รวมถึงการเคลื่อนไหวของผู้คน

รูปที่ 1: ตัวอย่างประเภทเซ็นเซอร์ทั่วไปและองค์ประกอบระบบที่เกี่ยวข้องซึ่งใช้ในการออกแบบเซ็นเซอร์ฟิวชั่น AMR (แหล่งที่มาภาพ: Qualcomm)

2D LiDAR, 3D LiDAR และอัลตราโซนิก

LiDAR 2 มิติและ 3 มิติและอัลตราโซนิกเป็นเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ทั่วไปที่รองรับ SLAM และความปลอดภัยใน AMR โดยความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยีเหล่านั้นทำให้เซ็นเซอร์ตัวหนึ่งสามารถชดเชยจุดอ่อนของเซ็นเซอร์ตัวอื่น ๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ

2D LiDAR ใช้ลำแสงเลเซอร์ระนาบเดียวเพื่อระบุวัตถุตามพิกัด X และ Y โดย 3D LiDAR ใช้ลำแสงเลเซอร์หลายลำเพื่อสร้างการแสดงภาพ 3 มิติที่มีรายละเอียดสูงของสภาพแวดล้อมที่เรียกว่าพอยต์คลาวด์ LiDAR ทั้งสองประเภทค่อนข้างต้านทานต่อสภาพแสงโดยรอบ แต่ต้องการให้วัตถุที่ตรวจจับมีเกณฑ์ขั้นต่ำของการสะท้อนแสงของความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์ โดยทั่วไป 3D LiDAR สามารถตรวจจับวัตถุที่มีการสะท้อนแสงต่ำและมีความน่าเชื่อถือมากกว่า 2D LiDAR

HPS-3D160 เซ็นเซอร์ 3D LiDAR จาก Seeed Technology 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)

รูปที่ 2: เซ็นเซอร์ 2D LiDAR นี้มีมุมรูรับแสง 270 องศา (แหล่งที่มาภาพ: SICK)

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถตรวจจับวัตถุที่ส่งผ่าน เช่น แก้วและวัสดุดูดซับแสงที่ LiDAR ไม่สามารถมองเห็นได้ตลอดเวลาอย่างแม่นยำ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกยังไวต่อการรบกวนจากฝุ่น ควัน ความชื้นสูง และสภาวะอื่นๆ ที่อาจรบกวน LiDAR น้อยกว่าอีกด้วย อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกมีความไวต่อการรบกวนจากเสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อม และระยะการตรวจจับอาจถูกจำกัดมากกว่า LiDAR

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเช่น 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 เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกชดเชยอุณหภูมินี้มีระดับ IP68 ในกล่องสแตนเลสที่ปิดสนิท (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกที่ปิดสนิทด้วยระยะที่เหมาะสมที่สุด 3 เมตร (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

การรวมเซ็นเซอร์มักหมายถึงการใช้เซ็นเซอร์แยกหลายตัว แต่ในบางกรณี เซ็นเซอร์หลายตัวจะบรรจุรวมกันเป็นหน่วยเดียว

เซ็นเซอร์สามตัวในหนึ่งเดียว

การรับรู้ภาพโดยใช้กล้องคู่เพื่อสร้างภาพสามมิติพร้อมการประมวลผลภาพโดยใช้ AI และ ML ช่วยให้ AMR มองเห็นพื้นหลังและระบุวัตถุใกล้เคียงได้ มีเซนเซอร์ให้เลือกใช้งานซึ่งประกอบด้วยกล้องจับความลึกแบบสเตอริโอ กล้องแยกสี และ IMU ในหน่วยเดียว

กล้องความลึกแบบสเตอริโอเช่น Intel RealSense D455 RealSense Depth Cameras ใช้กล้องสองตัวคั่นด้วยเส้นฐานที่ทราบเพื่อตรวจจับความลึกและคำนวณระยะห่างจากวัตถุ กุญแจสำคัญประการหนึ่งในความแม่นยำคือการใช้โครงเหล็กที่แข็งแรง ซึ่งรับประกันระยะห่างระหว่างกล้องที่แน่นอน แม้ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่มีความต้องการสูง ความแม่นยำของอัลกอริธึมการรับรู้เชิงลึกขึ้นอยู่กับการทราบระยะห่างที่แน่นอนระหว่างกล้องสองตัว

ยกตัวอย่างโมเดล 82635DSD455MP กล้องเชิงลึกได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับ AMR และแพลตฟอร์มที่คล้ายกัน และได้ขยายระยะห่างระหว่างกล้องเป็น 95 มม. (รูปที่ 4) ซึ่งช่วยให้อัลกอริธึมการคำนวณความลึกลดข้อผิดพลาดในการประมาณค่าลงเหลือน้อยกว่า 2% ที่ระยะ 4 เมตร

รูปที่ 4: โมดูลนี้ประกอบด้วยกล้องความลึกสเตอริโอที่คั่นด้วยกล้องแยกสีขนาด 95 มม. และ IMU (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

กล้องเชิงลึก D455 มีกล้องแยกสี (RGB) มาให้ด้วย โดยมีความเร็วชัตเตอร์สูงสุด 90 เฟรมต่อวินาทีในกล้อง RGB ซึ่งจับคู่กับระยะชัดลึกของภาพ (FOV) ปรับปรุงความสอดคล้องระหว่างสีและภาพความลึก เพิ่มความสามารถในการเข้าใจสภาพแวดล้อม โดยกล้องวัดความลึก D455 ผสานรวม IMU เข้ากับระดับแห่งความเป็นอิสระหกระดับ ซึ่งช่วยให้อัลกอริธึมการคำนวณเชิงลึกรวมอัตราการเคลื่อนไหวของ AMR และสร้างการประมาณค่าการรับรู้เชิงลึกแบบไดนามิก

แสงสว่างและเสียง

ไฟกระพริบและเสียงเตือนสำหรับผู้ที่อยู่ใกล้ AMR มีความสำคัญต่อความปลอดภัยของ AMR โดยทั่วไปไฟจะอยู่ในรูปของหอไฟหรือแถบไฟที่ด้านข้างของ AMR ช่วยให้หุ่นยนต์สื่อสารการกระทำส่งผลต่อผู้คน นอกจากนี้ยังสามารถระบุสถานะต่างๆ เช่น การชาร์จแบตเตอรี่ กิจกรรมการบรรทุกหรือการขนถ่าย ความตั้งใจที่จะเลี้ยวไปในทิศทางใหม่ (เช่น สัญญาณไฟเลี้ยวบนรถ) สภาวะฉุกเฉิน และอื่นๆ

ไม่มีมาตรฐานสำหรับสีของแสง ความเร็วการกะพริบ หรือการเตือนด้วยเสียง ซึ่งอาจแตกต่างกันระหว่างผู้สร้าง AMR และมักได้รับการพัฒนาเพื่อสะท้อนถึงกิจกรรมเฉพาะในที่ที่ AMR ปฏิบัติงานอยู่ โดยแถบไฟมีให้เลือกทั้งแบบมีและไม่มีกลไกการแจ้งเตือนด้วยเสียงในตัว ยกตัวอย่างโมเดล TLF100PDLBGYRAQP จาก Banner Engineering มีอุปกรณ์เสียงแบบปิดผนึกพร้อมโทนเสียงที่เลือกได้ 14 แบบและปุ่มควบคุมระดับเสียง (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: ตัวแจ้งเตือนแถบไฟนี้มีอุปกรณ์เสียงแบบปิดผนึก (วงกลมสีดำด้านบน) (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

การสนับสนุนด้านลอจิสติกส์

AMR ทำงานเป็นส่วนหนึ่งของการปฏิบัติงานขนาดใหญ่ และมักจำเป็นต้องผสานรวมกับการวางแผนทรัพยากรองค์กร (ERP) ระบบดำเนินการผลิต (MES) หรือซอฟต์แวร์ระบบการจัดการคลังสินค้า (WMS) โดยโมดูลการสื่อสารบน AMR ควบคู่กับเซ็นเซอร์ เช่น บาร์โค้ดและเครื่องอ่าน RFID ช่วยให้ AMR สามารถรวมเข้ากับระบบขององค์กรได้อย่างดี

เมื่อจำเป็นต้องใช้เครื่องอ่านบาร์โค้ด นักออกแบบสามารถเลือกใช้ V430-F000W12M-SRP จาก Omron ซึ่งสามารถถอดรหัสบาร์โค้ด 1D และ 2D บนฉลากหรือบาร์โค้ด Direct Part Mark (DPM) ซึ่งประกอบด้วยโฟกัสอัตโนมัติแบบปรับระยะได้, เลนส์มุมมองกว้าง, เซ็นเซอร์ 1.2 ล้านพิกเซล, แสงในตัว และการประมวลผลความเร็วสูง

DLP-RFID2 จาก DLP Design เป็นโมดูลขนาดกะทัดรัดราคาประหยัดสำหรับการอ่านและเขียนไปยังแท็กช่องสัญญาณ RFID ความถี่สูง (HF) นอกจากนี้ยังสามารถอ่านรหัสระบุเอกลักษณ์ (UDI) ได้สูงสุด 15 แท็กในคราวเดียว และสามารถกำหนดค่าให้ใช้เสาอากาศภายในหรือภายนอกได้ และมีช่วงอุณหภูมิในการทำงาน 0°C ถึง +70°C ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตและโลจิสติกส์ในยุคอุตสาหกรรม 4.0

สรุป

เซ็นเซอร์ฟิวชันเป็นเครื่องมือสำคัญในการสนับสนุน SLAM และความปลอดภัยใน AMR โดย R15.08-3 อาจมีการอ้างอิงถึงเซ็นเซอร์ฟิวชัน และการทดสอบและการตรวจสอบความเสถียรของ AMR ที่ครอบคลุมมากขึ้น บทความนี้ได้ทบทวนมาตรฐานปัจจุบันและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดบางประการสำหรับการใช้งานเซ็นเซอร์ฟิวชันใน AMR นี่เป็นบทความที่สองในชุดบทความสองตอน ส่วนที่หนึ่ง ทบทวนการรวม AMR ที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพเข้ากับการดำเนินการของอุตสาหกรรม 4.0 เพื่อประโยชน์สูงสุด