作者：Jeff Shepard

　　為了應(yīng)對(duì)工業(yè) 4.0 操作中自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR)(也稱為工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人)的使用激增，自動(dòng)化推進(jìn)協(xié)會(huì) (A3) 與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ANSI) 最近發(fā)布了第二個(gè)增量AMR 安全標(biāo)準(zhǔn)：ANSI/A3 R15.08-2，其中詳細(xì)介紹了在站點(diǎn)中集成、配置和定制 AMR 或 AMR 群的要求。一項(xiàng)基本要求是按照 ANSI/ISO 12100 或 ANSI B11.0 進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。新標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)之前發(fā)布的 R15.08-1 的補(bǔ)充，該標(biāo)準(zhǔn)專注于 AMR 的安全設(shè)計(jì)和集成。

　　R15.08 系列標(biāo)準(zhǔn)建立在早期的 ANSI/工業(yè)卡車標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)基金會(huì) (ITSDF) B56.5 自動(dòng)引導(dǎo)工業(yè)車輛 (AGV) 安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上。新標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)包含的特定功能和特性識(shí)別三類 AMR。

　　本文簡(jiǎn)要比較了 AMR 和 AGV、ANSI/ITSDF B56.5 和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO) 3691-4 與 ANSI/A3 R15.08。然后，它回顧了 ANSI/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO) 12100 和 ANSI B11.0 中概述的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略、它們與 AMR 的關(guān)系以及它們?nèi)绾渭傻?R15.08-2 中。接下來(lái)，它回顧了 R15.08-2 中定義的三類 AMR，最后介紹了 AMR 集成的實(shí)際考慮因素，包括如何實(shí)施測(cè)繪和調(diào)試、如何管理 AMR 車隊(duì)以及如何為 AMR 提供新的機(jī)遇使用歐姆龍自動(dòng)化和西門(mén)子的示例，使用仿真和數(shù)字孿生進(jìn)行虛擬調(diào)試。

　　AGV 只能沿著預(yù)定且標(biāo)記的路徑行駛。它們沒(méi)有獨(dú)立的導(dǎo)航能力。如果遇到障礙物，它們就會(huì)停下來(lái)，等待障礙物被移除，然后再沿著固定路徑前進(jìn)。 AMR 包括獨(dú)立的導(dǎo)航系統(tǒng)，可以改變路徑并繞過(guò)障礙物(圖 1)。由于這些差異，AGV 更適合相對(duì)穩(wěn)定和不變的環(huán)境，而 AMR 支持更靈活和可擴(kuò)展的部署，例如工業(yè) 4.0 運(yùn)營(yíng)所需的部署。

　　圖 1：AMR(左)繞過(guò)障礙物導(dǎo)航，而 AGV(右)在到達(dá)障礙物時(shí)停止。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

　　標(biāo)準(zhǔn)演變

　　一些 AMR 標(biāo)準(zhǔn)是從之前為 AGV 和固定機(jī)器人制定的標(biāo)準(zhǔn)演變而來(lái)的。例如，EN 1525:1997 是為 AGV 制定的，隨后未經(jīng)修改就應(yīng)用于 AMR。較新的 ISO 3691-4 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋 AGV，并有專門(mén)針對(duì) AMR 的部分。

　　ANSI/ITSDF B56.5是引導(dǎo)工業(yè)車輛、無(wú)人引導(dǎo)工業(yè)車輛以及有人工業(yè)車輛自動(dòng)化功能的安全標(biāo)準(zhǔn);它不涵蓋 AMR。較新的 ANSI/RIA R15.08 是在工業(yè)環(huán)境中使用 AMR 的安全標(biāo)準(zhǔn)。它基于安全使用固定機(jī)械臂的 R15.06 標(biāo)準(zhǔn)并對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展。

　　另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是 EN ISO 13849，它定義了各種類型設(shè)備的安全性能級(jí)別 (PL)。從PLa到PLe共有五個(gè)級(jí)別，要求越來(lái)越嚴(yán)格。 AGV 和 AMR 制造商必須達(dá)到 PLd 安全性，確保在發(fā)生單一故障時(shí)持續(xù)安全運(yùn)行，即通過(guò)使用冗余系統(tǒng)。

　　ANSI/A3 R15.08-2 要求對(duì)集成和部署 AMR 進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。 ISO 12100 和 ANSI B11.0-2010 定義的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估非常相似，但并不完全相同。 ISO 12100 針對(duì)原始設(shè)備制造商，而 ANSI B11.0 更關(guān)注機(jī)械和最終用戶安全。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基礎(chǔ)相似。

　　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

　　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一種高度結(jié)構(gòu)化的分析，旨在達(dá)到可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平。它認(rèn)識(shí)到?jīng)]有任何系統(tǒng)或環(huán)境是完美的;固有風(fēng)險(xiǎn)可以管理，但無(wú)法消除。它首先確定機(jī)器運(yùn)行的限制，并識(shí)別機(jī)器在接近或超出這些限制運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)。

　　接下來(lái)是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，它著眼于每種危害可能造成的危害嚴(yán)重程度及其發(fā)生的可能性。發(fā)生可能性較低的非常嚴(yán)重的危險(xiǎn)可能會(huì)獲得與發(fā)生可能性較小但結(jié)果不太嚴(yán)重的危險(xiǎn)類似的排名。所有已識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)經(jīng)過(guò)評(píng)估和排名，以確定風(fēng)險(xiǎn)降低工作的優(yōu)先順序。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以是一個(gè)迭代過(guò)程，識(shí)別最嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)并降低其發(fā)生的概率和/或其結(jié)果的嚴(yán)重性，直到達(dá)到可接受的殘余風(fēng)險(xiǎn)水平(圖2)。

　　圖 2：風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵組成部分包括風(fēng)險(xiǎn)分析、評(píng)估和降低。 (圖片來(lái)源：SICK)

　　AMR 課程

　　R15.08 識(shí)別三種類型的 AMR：

　　Type A: AMR platform only. In contrast with AGVs, type A AMRs can function as independent systems without requiring environmental changes. They can include optional features like a battery management system, the ability to independently locate a charger and recharge its battery, the ability to integrate with centralized fleet management software, etc. Type A AMRs are most often used to move materials around a factory or warehouse.

　　B 型：A 型 AMR，添加了非機(jī)械手的被動(dòng)或主動(dòng)附件(圖 3)。典型的附件包括輸送機(jī)、輥道、固定或可移動(dòng)的周轉(zhuǎn)箱、起重裝置、視覺(jué)系統(tǒng)、稱重站等。B 型 AMR 可用于更復(fù)雜的物流任務(wù)。視覺(jué)系統(tǒng)可用于產(chǎn)品檢查和識(shí)別、零件稱重(或估計(jì)數(shù)量)等。

　　圖 3：帶有滾輪臺(tái)附件的 B 型 AMR。這還顯示了所有三種類型的 AMR 所共有的典型導(dǎo)航和安全系統(tǒng)。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

　　C 型：A 型 AMR，添加了機(jī)械手。操縱器可以是具有三個(gè)或更多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的機(jī)械臂。 C 型 AMR 可設(shè)計(jì)為與人類一起工作的協(xié)作機(jī)器人 (cobot)。他們還可以是機(jī)器服務(wù)員，執(zhí)行拾取和放置操作，完成復(fù)雜的檢查任務(wù)，在農(nóng)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行收割和除草等。一些設(shè)計(jì)可以從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方，并在每個(gè)站點(diǎn)執(zhí)行不同的任務(wù)。

　　調(diào)試、測(cè)繪和跟隨燈光

　　所有三種類型的 AMR 均旨在簡(jiǎn)化部署。與需要大量基礎(chǔ)設(shè)施安裝的 AGV 相比，AMR 部署無(wú)需任何施工，并且編程需求也可以降至最低?；菊{(diào)試過(guò)程分為四個(gè)步驟(圖 4)：

　　AMR 交付時(shí)已安裝所有必需的軟件;第一個(gè)任務(wù)是安裝電池并為其充電。

　　映射至關(guān)重要，可以手動(dòng)或自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于手動(dòng)測(cè)繪，技術(shù)人員控制 AMR 并將其帶到設(shè)施周圍，以便它了解環(huán)境。激光制導(dǎo) AMR 可以每分鐘自動(dòng)掃描 1,000 平方英尺，以創(chuàng)建捕獲鄰近區(qū)域所有特征的地圖，并將生成的地圖無(wú)線發(fā)送到中央計(jì)算機(jī)。在這兩種情況下，都可以使用虛擬路線和禁線來(lái)定制地圖，以確保安全操作，并且可以在 AMR 車隊(duì)之間共享。

　　設(shè)定目標(biāo)包括確定上車和下車地點(diǎn)。

　　任務(wù)分配是最后一步，包括調(diào)度和協(xié)調(diào)車隊(duì)中的各種 AMR，以及與企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 和倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng) (WMS) 的集成。

　　圖 4：AMR 交付時(shí)已安裝完整的軟件，可以快速調(diào)試并集成到生產(chǎn)環(huán)境中。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

　　除了使用激光掃描繪制設(shè)施地圖外，一些歐姆龍 AMR 還使用攝像頭來(lái)檢測(cè)和繪制頭頂燈的位置。它創(chuàng)建“光照?qǐng)D”并將其與標(biāo)準(zhǔn)“樓層圖”疊加。

　　激光定位可以在一定程度上容忍地面環(huán)境的變化。假設(shè)超過(guò) 80% 的功能發(fā)生變化，例如，在貨運(yùn)碼頭上，托盤(pán)或滾動(dòng)車不斷改變位置。在這種情況下，激光定位的用處不大，而添加光圖可以提高導(dǎo)航的可靠性。使用光照?qǐng)D還使 AMR 能夠更輕松地在大型設(shè)施中的廣闊開(kāi)放區(qū)域中導(dǎo)航。

　　管理機(jī)器人車隊(duì)

　　對(duì)機(jī)器人車隊(duì)的有效管理可以倍增使用 AMR 的效益。它可以支持混合類型 AMR 的集中控制和協(xié)調(diào)操作，并提供最大限度提高運(yùn)營(yíng)效率所需的數(shù)據(jù)和分析。 AMR 車隊(duì)管理系統(tǒng)的一些常見(jiàn)功能包括：

　　優(yōu)化的任務(wù)分配基于車隊(duì)中每個(gè)機(jī)器人的能力、它們當(dāng)前的位置以及對(duì)其下一次任務(wù)的預(yù)期。

　　交通管理包括安排接送地點(diǎn)和時(shí)間以實(shí)現(xiàn)最高效率，并通知機(jī)器人目的地變化或新障礙物，使它們能夠重新計(jì)算路徑以實(shí)現(xiàn)最高效率和安全。

　　充電管理跟蹤車隊(duì)中每個(gè)機(jī)器人的電池充電水平，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)充電并最大限度地延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間。

　　協(xié)調(diào)整個(gè)車隊(duì)的軟件更新，以確保每種類型的機(jī)器人都可以使用最新版本。

　　企業(yè)集成將車隊(duì)管理軟件連接到 ERP、MES 和 WMS 系統(tǒng)，以便可以實(shí)時(shí)自動(dòng)向車隊(duì)分配和安排作業(yè)。

　　虛擬調(diào)試

　　數(shù)字孿生和仿真軟件的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試。在這種情況下，數(shù)字孿生是 AMR 的虛擬表示。數(shù)字孿生可用于虛擬驗(yàn)證單個(gè) AMR 和 AMR 車隊(duì)的性能。虛擬調(diào)試使用機(jī)器人仿真軟件將 AMR 的數(shù)字孿生與周圍環(huán)境的數(shù)字孿生相結(jié)合(圖 5)。

　　圖 5：AMR 數(shù)字孿生可以虛擬插入到模擬工廠環(huán)境中進(jìn)行虛擬調(diào)試。 (圖片來(lái)源：西門(mén)子)

　　AMR虛擬調(diào)試還可用于集成和協(xié)調(diào)來(lái)自多個(gè)制造商的機(jī)器人的操作。在虛擬調(diào)試過(guò)程中，工程師可以快速高效地創(chuàng)建多個(gè)場(chǎng)景來(lái)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而不僅僅是孤立的AMR。

　　虛擬安全測(cè)試和調(diào)試也可以通過(guò)數(shù)字孿生和仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)。虛擬 AMR 可以承受異常情況，以測(cè)試各種突發(fā)事件并確保安全協(xié)議的正常運(yùn)行。

　　實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試的能力可以加快AMR車隊(duì)的部署速度。部署后調(diào)試物理AMR隊(duì)列既具有挑戰(zhàn)性又耗時(shí)。它會(huì)導(dǎo)致停工并對(duì)設(shè)施的生產(chǎn)力產(chǎn)生負(fù)面影響。虛擬調(diào)試不會(huì)造成停工，用戶可以放心 AMR 將在現(xiàn)實(shí)世界中按預(yù)期運(yùn)行。

　　結(jié)論

　　AMR 部署在各種工業(yè) 4.0 安裝中變得越來(lái)越普遍。 AMR 的標(biāo)準(zhǔn)格局正在不斷發(fā)展，以滿足安全高效地將 AMR 或 AMR 車隊(duì)集成、配置和定制到站點(diǎn)的要求。根據(jù) ANSI 和 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估績(jī)效是新標(biāo)準(zhǔn)中的一項(xiàng)關(guān)鍵要求。隨著使用數(shù)字孿生和仿真的虛擬調(diào)試的出現(xiàn)，AMR 調(diào)試工具也在不斷發(fā)展。

　　這是兩部分系列中的第一部分 ，重點(diǎn)介紹最近發(fā)布的 R15.08-2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì) AMR 安全、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和調(diào)試的影響。第二篇文章是為 R15.08-3 的發(fā)布而寫(xiě)的，該版本目前正在開(kāi)發(fā)中，將討論 AMR 中的傳感器融合主題。