La fusione sensoriale consente agli AMR di muoversi in modo efficiente all'interno delle fabbriche

Con l'aumento del numero di persone e di robot mobili autonomi (AMR), detti anche robot mobili industriali (IMR), operanti nella stessa area, è necessario affrontare vari rischi intrinseci alla sicurezza. Il funzionamento sicuro ed efficiente degli AMR è troppo importante per affidarsi a un'unica tecnologia di sensori.

La fusione multi-sensore (Sensor Fusion) combina tecnologie come il rilevamento del campo laser (LiDAR), le telecamere, i sensori a ultrasuoni, i sensori di ostacoli laser e l'identificazione in radiofrequenza (RFID) per supportare varie funzioni AMR, tra cui la navigazione, la pianificazione del percorso, la prevenzione delle collisioni, la gestione delle scorte e il supporto logistico. La fusione sensoriale comprende anche l'avviso alle persone vicine della presenza di un AMR.

Per rispondere all'esigenza del funzionamento sicuro ed efficiente degli AMR, l'American National Standards Institute (ANSI) e l'Association for Advancing Automation (A3), precedentemente Robotic Industries Association (RIA), stanno sviluppando la serie di standard ANSI/A3 R15.08. Sono stati rilasciati i documenti R15.08-1 e R15.08-2, incentrati sui requisiti di sicurezza di base e sull'integrazione degli AMR in un luogo. La norma R15.08-3 è attualmente in fase di sviluppo e amplierà i requisiti di sicurezza per gli AMR, includendo raccomandazioni più dettagliate per l'utilizzo della fusione sensoriale.

In previsione della norma R15.08-3, questo articolo passa in rassegna alcune delle best practice attuali relative alla sicurezza e alla fusione sensoriale negli AMR, iniziando con una breve panoramica dei requisiti di sicurezza funzionale attualmente utilizzati con gli AMR, tra cui gli standard generici di sicurezza industriale come IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061, e i requisiti di sicurezza per il rilevamento della presenza umana come IEC 61496 e IEC 62998. Viene quindi presentato un tipico progetto AMR che illustra in dettaglio le numerose tecnologie dei sensori, presenta dispositivi rappresentativi e analizza come questi supportano funzioni quali la navigazione, la pianificazione del percorso, la localizzazione, l'evitamento delle collisioni e la gestione delle scorte e il supporto logistico.

Buono, meglio, migliore

I progettisti di AMR devono prendere in considerazione una serie di standard di sicurezza, a partire dagli standard di sicurezza funzionale generale come IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061. Esistono anche standard di sicurezza più specifici relativi al rilevamento della presenza umana, come le norme IEC 61496, IEC 62998 e la serie di norme ANSI/A3 R15.08.

IEC 61496 offre una guida per diversi tipi di sensori. Fa riferimento a IEC 62061, che specifica i requisiti e formula raccomandazioni per la progettazione, l'integrazione e la convalida dei dispositivi di protezione elettrosensibili (ESPE) per le macchine, compresi i livelli di integrità della sicurezza (SIL), e alla norma ISO 13849 che riguarda la sicurezza delle macchine e delle parti dei sistemi di controllo correlate alla sicurezza, compresi i livelli di prestazione della sicurezza (PL) (Tabella 1).

Tabella 1: Requisiti di sicurezza degli ESPE per tipo specificati nella norma IEC 61496. (Tabella per gentile concessione di Analog Devices)

IEC 62998 è più recente e spesso può essere una scelta migliore, poiché include indicazioni sull'implementazione della fusione sensoriale, sull'uso dell'intelligenza artificiale (IA) nei sistemi di sicurezza e sull'uso di sensori montati su piattaforme mobili non contemplati dalla norma IEC 61496.

R15.08 Parte 3, quando sarà rilasciata, potrebbe rendere la serie R15.08 la migliore, in quanto aggiungerà requisiti di sicurezza per gli utenti dei sistemi AMR e delle applicazioni AMR. Tra gli argomenti probabili vi sono la fusione sensoriale e test di stabilità e convalida AMR più approfonditi.

Funzioni di fusione sensoriale

La mappatura di una struttura è un aspetto essenziale della messa in funzione di un AMR. Ma non si tratta di un'attività statica. Fa parte di un processo continuo chiamato localizzazione e mappatura simultanee (SLAM), talvolta detto anche localizzazione e mappatura sincronizzate. È il processo di aggiornamento continuo della mappa di un'area per rilevare eventuali cambiamenti, tenendo traccia della posizione del robot.

La fusione sensoriale è necessaria per supportare SLAM e consentire il funzionamento sicuro degli AMR. Non tutti i sensori funzionano allo stesso modo in tutte le circostanze operative e le diverse tecnologie di sensori producono diversi tipi di dati. L'IA può essere utilizzata nei sistemi di fusione sensoriale per combinare le informazioni sull'ambiente operativo locale (presenza di nebbia o fumo, umidità, illuminazione luce ambientale, ecc.) e offre risultati più significativi combinando l'output di diverse tecnologie di sensori.

Gli elementi di rilevamento possono essere classificati in base alla funzione e alla tecnologia. Ecco alcune funzioni sensoriali negli AMR (Figura 1):

• I sensori di distanza, come gli encoder sulle ruote e le unità di misurazione inerziali che utilizzano giroscopi e accelerometri, aiutano a misurare il movimento e a determinare la distanza tra le posizioni di riferimento.
• I sensori di immagine, come le telecamere tridimensionali (3D) e i LiDAR 3D, sono utilizzati per identificare e seguire gli oggetti vicini.
• I collegamenti di comunicazione, i processori di calcolo e i sensori logistici, come gli scanner di codici a barre e i dispositivi di identificazione in radiofrequenza (RFID), collegano l'AMR ai sistemi di gestione dell'intera struttura e integrano le informazioni provenienti da sensori esterni nel sistema di fusione sensoriale dell'AMR per migliorare le prestazioni.
• I sensori di prossimità come gli scanner laser e i LiDAR bidimensionali (2D) rilevano e tracciano gli oggetti vicini all'AMR, compresi i movimenti delle persone.

Figura 1: Esempi di tipi di sensori comuni e relativi elementi di sistema utilizzati nei progetti di fusione sensoriale AMR. (Immagine per gentile concessione di Qualcomm)

LiDAR 2D, LiDAR 3D e ultrasuoni

Il LiDAR 2D e 3D e gli ultrasuoni sono tecnologie di sensori comuni che supportano la SLAM e la sicurezza nelle AMR. Le differenze tra queste tecnologie consentono a un sensore di compensare le debolezze degli altri per migliorare le prestazioni e l'affidabilità.

Il LiDAR 2D utilizza un singolo piano di illuminazione laser per identificare gli oggetti in base alle coordinate X e Y. Il LiDAR 3D utilizza più raggi laser per creare una rappresentazione 3D altamente dettagliata dell'ambiente circostante, chiamata nuvola di punti. Entrambi i tipi di LiDAR sono relativamente immuni alle condizioni di luce ambientale, ma richiedono che gli oggetti da rilevare abbiano una soglia minima di riflettanza della lunghezza d'onda emessa dal laser. In generale, il LiDAR 3D può rilevare oggetti a bassa riflettanza con maggiore affidabilità rispetto al LiDAR 2D.

Il sensore LiDAR 3D HPS-3D160 di Seeed Technology integra emettitori laser a cavità verticale a emissione superficiale (VCSEL) da 850 nm ad alta potenza e CMOS ad alta sensibilità fotografica. Il processore embedded ad alte prestazioni include algoritmi di filtraggio e compensazione e può supportare più operazioni LiDAR simultanee. L'unità ha una portata fino a 12 metri con precisione centimetrica.

Quando è necessaria una soluzione LiDAR 2D, i progettisti possono rivolgersi al dispositivo TIM781S-2174104 di SICK. È dotato di un angolo di apertura di 270 gradi con una risoluzione angolare di 0,33 gradi e una frequenza di scansione di 15 Hz. Ha un raggio d'azione di sicurezza di 5 metri (Figura 2).

Figura 2: Questo sensore LiDAR 2D ha un angolo di apertura di 270 gradi. (Immagine per gentile concessione di SICK)

I sensori a ultrasuoni sono in grado di rilevare con precisione oggetti trasmissivi come il vetro e materiali che assorbono la luce che il LiDAR non sempre riesce a vedere. I sensori a ultrasuoni sono anche meno suscettibili alle interferenze dovute a polvere, fumo, umidità e altre condizioni che possono disturbare il LiDAR. Tuttavia, i sensori a ultrasuoni sono sensibili alle interferenze di rumore ambientale e i loro campi di rilevamento possono essere più limitati rispetto al LiDAR.

I sensori a ultrasuoni come il modello TSPC-30S1-232 di Senix possono integrare il LiDAR e altri sensori per la SLAM e la sicurezza degli AMR. Ha una portata ottimale di 3 metri, rispetto ai 5 metri del LiDAR 2D e ai 12 metri del LiDAR 3D di cui sopra. Questo sensore a ultrasuoni termocompensato ha un grado di protezione IP68 in un involucro in acciaio inox a tenuta stagna ambientale (Figura 3).

Figura 3: Sensore a ultrasuoni a tenuta stagna ambientale con una portata ottimale di 3 metri. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La fusione sensoriale si riferisce solitamente all'utilizzo di diversi sensori discreti. In alcuni casi, però, più sensori sono confezionati in un'unica unità.

Tre sensori in uno

La percezione visiva che utilizza una coppia di telecamere per produrre immagini stereoscopiche e l'elaborazione delle immagini basata su IA e ML possono consentire all'AMR di vedere lo sfondo e di identificare gli oggetti vicini. Sono disponibili sensori che includono telecamere di profondità stereo, una telecamera a colori separata e una IMU in un'unica unità.

Le telecamere di profondità stereo, come le telecamere di profondità RealSense D455 di Intel, utilizzano due telecamere separate da una linea di base nota per rilevare la profondità e calcolare la distanza da un oggetto. Una delle chiavi della precisione è l'utilizzo di una robusta struttura in acciaio che garantisce una distanza esatta tra le telecamere, anche in ambienti industriali difficili. L'accuratezza dell'algoritmo di percezione della profondità dipende dalla conoscenza dell'esatta distanza tra le due telecamere.

Ad esempio, la telecamera di profondità modello 82635DSD455MP è stata ottimizzata per AMR e piattaforme simili e ha esteso la distanza tra le telecamere a 95 mm (Figura 4). Ciò consente all'algoritmo di calcolo della profondità di ridurre l'errore di stima a meno del 2% su 4 metri.

Figura 4: Questo modulo comprende telecamere di profondità stereo separate da 95 mm, una telecamera a colori separata e una IMU. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Le telecamere di profondità D455 includono anche una telecamera a colori (RGB) separata. Un otturatore totale fino a 90 fotogrammi al secondo sulla telecamera RGB, abbinato al campo visivo (FOV) dell'imager di profondità, migliora la corrispondenza tra le immagini a colori e quelle di profondità, aumentando la capacità di comprendere l'ambiente circostante. Le telecamere di profondità D455 integrano una IMU con sei gradi di libertà che consente all'algoritmo di calcolo della profondità di includere la velocità di movimento dell'AMR e di produrre stime dinamiche della profondità.

Luce e suono lungo il percorso

Le luci lampeggianti e gli avvisi acustici per le persone che si trovano in prossimità di un AMR sono importanti per la sicurezza dell'AMR. Le luci sono solitamente sotto forma di una torretta o una striscia luminosa ai lati dell'AMR. Queste aiutano il robot a comunicare alle persone le azioni che intende compiere. Possono anche indicare stati come la ricarica della batteria, attività di carico o scarico, l'intenzione di svoltare (come le frecce di un'automobile), condizioni di emergenza e così via.

Non esistono standard per i colori delle luci, le velocità di lampeggiamento o gli allarmi acustici, infatti possono variare tra i produttori di AMR e sono spesso sviluppati per riflettere le attività specifiche della struttura in cui opera l'AMR. Le strisce luminose sono disponibili con o senza meccanismi di allarme acustico. Ad esempio, il modello TLF100PDLBGYRAQP di Banner Engineering comprende un elemento acustico sigillato con 14 toni selezionabili e controllo del volume (Figura 5).

Figura 5: Questo segnalatore a barra luminosa include un elemento acustico sigillato (cerchio nero in alto). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Supporto logistico

Gli AMR fanno parte di operazioni più ampie e spesso devono integrarsi con il software di pianificazione delle risorse aziendali (ERP), il sistema di esecuzione della produzione (MES) o il sistema di gestione del magazzino (WMS). Il modulo di comunicazione dell'AMR, abbinato a sensori come i lettori di codici a barre e RFID, consente agli AMR di essere strettamente integrati nei sistemi aziendali.

Quando è necessario un lettore di codici a barre, i progettisti possono rivolgersi al modello V430-F000W12M-SRP di Omron, in grado di decodificare codici a barre 1D e 2D su etichette o codici a barre DPM (Direct Part Mark). Include messa a fuoco automatica a distanza variabile, obiettivo ad ampio campo visivo, sensore da 1,2 megapixel, luce integrata ed elaborazione ad alta velocità.

DLP-RFID2 di DLP Design è un modulo compatto e a basso costo per la lettura e la scrittura di tag transponder RFID ad alta frequenza (HF). Può anche leggere gli identificativi univoci (UDI) di un massimo di 15 tag contemporaneamente e può essere configurato per utilizzare un'antenna interna o esterna. L'intervallo di temperatura operativa va da 0 a +70 °C, che lo rende adatto all'uso in impianti di produzione e logistica per Impresa 4.0.

Conclusione

La fusione sensoriale è uno strumento importante per supportare la SLAM e la sicurezza degli AMR. In previsione della norma R15.08-3, che potrebbe includere riferimenti alla fusione sensoriale e test di stabilità e convalida AMR più estesi, questo articolo ha preso in esame alcuni standard attuali e le best practice per l'implementazione della fusione sensoriale negli AMR. Questo è il secondo articolo di una serie di due parti. La prima parte ha esaminato l'integrazione sicura ed efficiente degli AMR nelle operazioni per l'Impresa 4.0 per ricavare i massimi benefici.