Autonoma mobila robotar - typer och tillämpningar

Autonoma mobila robotar används inom många branscher i ett växande antal logistiktillämpningar. Till skillnad från fasta transportsystem för material såsom transportband, kan autonoma mobila robotar köra runt i en anläggning utan att vara begränsade av en fast rutt. Deras trådlösa kommunikation och navigationssystem ombord gör det möjligt för dem att ta emot kommandon om vart de ska ta vägen härnäst. Autonoma mobila robotar kan navigera till den önskade platsen utan att programmeras och kan till och med hitta en alternativ väg om ett hinder uppstår. Autonoma mobila robotar kan göra lageruppgifter, tillverkningsprocesser och arbetsflöden effektivare och mer produktiva genom att utföra uppgifter som inte ger mervärde, t.ex. transport, hämtning och lämning av material, så att människor kan utföra komplicerade uppgifter som ger mervärde. Även om det är en relativt ung teknik har autonoma mobila robotar redan förgrenats till många olika varianter, som var och en är optimerad för att utföra en viss typ av uppgift.

Artikeln tar upp för- och nackdelar med traditionella mobilitetslösningar såsom transportbandssystem och automatiskt styrda fordon jämfört med autonoma mobila robotar. Den tar upp fördelarna med att använda autonoma mobila robotar och hur spridningen av konstruktioner med autonoma mobila robotar ökar deras användbarhet. Den går igenom mjukvaruintegration av vagnparker med autonoma mobila robotar till andra system, inklusive precisionsnavigering, de autonoma mobila robotarnas potentiella inverkan på arbetstagarnas säkerhet och hur man hanterar och simulerar vagnparker med autonoma mobila robotar. Artikeln tar slutligen upp hur rutinunderhåll kan maximera de autonoma mobila robotarnas livslängd, identifiera potentiella problem innan de leder till oplanerade driftstopp och hjälpa till att proaktivt planera reparationer och byte av delar baserat på schemalagda avstängningar och andra operativa överväganden.

Automatiskt styrda fordon kan leverera material till en viss plats med större flexibilitet än ett transportbandssystem, men är betydligt mindre flexibla än autonoma mobila robotar. Liksom transportband har automatiskt styrda fordon en fast rutt. Men med autonoma mobila robotar kan rutten ändras lättare och snabbare än med ett transportbandssystem. Autonoma mobila robotar kan samarbeta med människor, ge mycket större flexibilitet och hitta den effektivaste rutten för att utföra en viss uppgift. Om en autonom mobil robot stöter på ett hinder kan den ändra sin kurs och fortsätta till sin destination. Om ett automatiskt styrt fordon stöter på ett hinder stannar det och behöver hjälp innan det kan fortsätta längs den fördefinierade banan (figur 1). Autonoma mobila robotar använder en kombination av inbyggd och centraliserad datorkraft och sofistikerade sensorer för att tolka sin omgivning och navigera runt både fasta hinder, t.ex. hyllor och arbetsstationer, och rörliga hinder, som t.ex. gaffeltruckar, människor, automatiskt styrda fordon och andra autonom mobila robotar.

Figur 1: När en autonom mobil robot närmar sig ett hinder (vänster), kan den självständigt navigera runt det. När ett automatiskt styrt fordon närmar sig ett hinder (höger) stannar den tills hjälp anländer. (Bildkälla: Omron)

Integration Toolkit (ITK) är Omrons gränssnitt som möjliggör centraliserad integration mellan de autonoma mobila robotarna och klientprogramvaran, som t.ex. ett tillverkningssystem (Manufacturing Execution System) eller ett lagerhanteringssystem (Warehouse Management System). De autonoma mobila robotarna kan exempelvis integreras med lagrets styrsystem i en lager- och distributionscentermiljö, vilket ger de autonoma mobila robotarna ökad flexibilitet att skapa sina rutter mellan olika platser inom en anläggning. Resultatet är en robot som har mycket bättre förutsättningar att arbeta tillsammans med människor i de dynamiska miljöer som råder i de flesta order- och lagerverksamheter.

En autonom mobil robot kan även fungera som ett automatiskt styrt fordon.

Vissa tillämpningar med autonoma mobila robotar, som t.ex. materialleveranser till transportband, matare och testbänkar, kräver att roboten stannar till på en viss plats med hög noggrannhet och repeterbarhet. Ansvariga för vagnparker som använder Omrons autonoma mobila robotar kan välja mellan två positioneringssystem med hög noggrannhet: Positioneringssystem med celljustering (CAPS) och positioneringssystem med hög noggrannhet (HAPS). CAPS eller HAPS kan förbättra precisionen vid framkomsten till målet från cirka ±100 mm till ±8 mm. Den huvudsakliga lasern för säkerhetsskanning på den autonoma mobila robotens framsida används av CAPS-tekniken för att upptäcka en målplats och gör det möjligt för den autonoma mobila roboten att förflytta sig till platsen med hög precision.

HAPS-tekniken kan även konsekvent förflytta sig genom ett definierat utrymme med ökad precision och/eller stanna exakt vid ett fördefinierat mål, men med en specialitet. Med hjälp av HAPS kan den autonoma mobila roboten följa ett magnetband på golvet för att navigera till ett mål, i likhet med ett automatiskt styrt fordon. En HAPS-sensor under den autonoma mobila roboten används för att smidigt övergå från helt autonomt läge till den väg som definieras av magnetbandet. Den autonoma mobila roboten använder sedan en kombination av sensorer ombord och golvmarkeringar för att navigera exakt och stanna på vissa platser (figur 2).

Figur 2: Omron CAPS (till vänster) använder den autonoma mobila robotens främre laserskanner i kombination med autonom navigering för att lokalisera och förflytta sig till en målplats med hög precision. HAPS (till höger) använder en kombination av markeringar som magnetband och sensorer ombord för att navigera till och stanna till vid vissa områden. (Bildkälla: Omron)

När en autonom mobil robot från Omron arbetar i HAPS-läge kan den när som helst gå in i och ut ur en bana med magnetband. Det medför att den autonoma mobila roboten smidigt kan övergå från naturliga funktioner och autonom navigering till guidning med magnetband motsvarande ett automatiskt styrt fordon. Om den är utrustad med främre och bakre HAPS-sensorer kan den autonoma mobila roboten förflytta sig noggrant bakåt och framåt längs magnetbandets bana.

Systemet med autonoma mobila robotar från Omron kan anpassas av utvecklare, integratörer och slutanvändare för olika nyttolaster och uppgifter (figur 3). Förutom de möjligheter till integrering av anläggningar som stöds av ITK ökar kombinationen av CAPS och HAPS kapaciteten hos de autonoma mobila robotarna, när det krävs noggrann och repeterbar positionering vilket öppnar upp för nya tillämpningar, som exempelvis:

• Leverans av vagnar fulla med material
• Kontroll av inventarier i detaljhandelsbutiker
• Säkra kurirrobotar för att leverera varor till hotellgäster eller värdefulla komponenter till arbetsstationer.
• Desinfektion av offentliga utrymmen
• Anpassade samarbetsbaserade autonoma mobila robotar
• Påfyllning av transportband
• Leverans av tunga föremål upp till 1 500 kg

Figur 3: Autonoma mobila robotar finns i olika konfigurationer som är optimerade för att utföra vissa uppgifter. (Bildkälla: Omron)

Säker robotanvändning

Säker drift är obligatoriskt för autonoma mobila robotar. Exempel på standardiserade säkerhetssensorer är bakre sonar och främre laser för att upptäcka hinder, en främre stötfångarsensor för att stoppa den autonoma mobila roboten om den kommer i kontakt med ett föremål och ljusskivor för att varna människor i närheten om att den autonoma mobila roboten är i drift (figur 4). Valfria sensorer kan läggas till för vissa krav, t.ex. för att identifiera utskjutande eller hängande hinder. Den autonoma mobila roboten måste uppfylla olika nationella och internationella säkerhetsföreskrifter, såsom EN 1525 (Säkerhet för industritruckar - Förarlösa truckar och deras system), ANSI 56.5:2012 (Säkerhetsstandard för förarlösa, automatiska guidade industrifordon och automatiserade funktioner för bemannade industriella fordon) och JIS D 6802:1997 (Automatiserade guidade fordonssystem - Allmänna säkerhetsregler).

Figur 4: Autonoma mobila robotar från Omron uppfyller säkerhetsstandarderna ISO EN1525, JIS D6802 och ANSI B56.5, har flera standardsensorer som är avsedda för säkerhet och kan utrustas med valfria sensorer för ökad säkerhet i vissa tillämpningsscenarier. (Bildkälla: Omron)

Säkerhetsbedömningar på systemnivå

Att uppfylla olika nationella och internationella standarder är bara början på säkerheten för autonoma mobila robotar. Autonoma mobila robotar är en teknik under utveckling. De blir alltmer komplicerade och hanterar tyngre nyttolaster, vilket skapar nya säkerhetsutmaningar. För att ta itu med de nya säkerhetsproblemen med autonoma mobila robotar erbjuder Omron en säkerhetskonsulttjänst som tillhandahåller hjälp med konstruktion, riskbedömning, testning och validering av installationer med autonoma mobila robotar. Den nya standarden ISO 3691-4 innehåller till exempel särskilda krav på avstånd mellan mobila robotar och andra konstruktioner. Den support som tillhandahålls av Omrons säkerhetskonsulter omfattar:

• Granskning av layoutdesign och identifiering av zoner i enlighet med ISO 3691-4.
• Konstruktionsberäkningar, särskilt i tillämpningar med hög trafik eller där tunga laster flyttas.
• Testning och validering av lösningar på plats

Hantering av vagnparker med autonoma mobila robotar

Det är nästan ovanligt att använda en enda autonom mobil robot. Det är vanligt med en vagnpark på 100 autonoma mobila robotar, och Omron har en hanteringslösning för autonoma mobila robotar med inbyggd datainsamling, analys och rapportering som gör det möjligt för organisationer att optimera den övergripande anläggningsdriften och befintliga vagnparken med robotar. Nätverksprogrammet Enterprise Manager 2100 är en hård- och mjukvarulösning som är utformad för att hantera en vagnpark med autonoma mobila robotar (bild 5). Programvaran för köhantering används för att kommunicera med de enskilda autonoma mobila robotarna och tilldelar varje autonom mobil robot uppgifter utifrån arbetsförfrågningar från användare eller automatiserad utrustning.

Figur 5. Nätverksprogrammet Omron 2100 Enterprise Manager är utformat för att hantera vagnparker med upp till 100 autonoma mobila robotar. (Bildkälla: Omron)

FLOW-lösningen (arbetsyta för vagnparksdrift) från Omron körs på Enterprise Manager 2100 och erbjuder ett intelligent system för hantering av vagnparken som övervakar de mobila robotarnas positioner och trafikflöden. Med Enterprise Manager 2100 kan användare hantera och uppdatera konfigurationer för autonoma mobila robotar. Det samordnar de autonoma mobila robotarnas interaktion och rörelse, så att respektive robot känner till plats och väg för en autonom mobil robot i dess närhet. Genom att automatisera olika robothanteringsuppgifter minskar FLOW-programmet programmeringskraven i tillverkningssystemet (Manufacturing Execution Systems) och företagets resursplaneringssystem (Enterprise Resource Planning). FLOW innehåller bland annat följande funktioner:

• Verktygslåda för integrering av vagnparken baserat på industristandarder såsom Restful, SQL, Rabbit MQ och ARCL.
• Prioritering av arbetsuppgifter baserat på deras betydelse
• Identifiering och val av de snabbaste vägarna baserat på trafik från människor och robotar.
• Identifiering av blockerade vägar och anvisning av alternativa vägar.
• Optimering av de autonoma mobila robotarnas arbetsuppgifter
• Optimering av batteriladdningsscheman för att maximera vagnparkens drifttid

Simulering kan optimera vagnparker med autonoma mobila robotar

Redan innan nätverksprogrammet EM2100 används för vagnparksadministration gör programmet Fleet Simulator det möjligt för användarna att planera trafik- och arbetsflöden för autonoma mobila robotar och hjälper till att identifiera och lösa eventuella problem. Lokalisering av autonoma mobila robotar, vägplanering, undvikande av hinder, simulering av uppgifter och vagnparksadministration baserat på en karta över den faktiska anläggningen kan modelleras noggrant med Omrons Fleet Simulator. Dessutom kan simuleringarna användas för att optimera sammansättningen av vagnparken med autonoma mobila robotar och förutsäga genomströmningen. En EM2100 kan konfigureras som en Fleet Simulator på fabriken eller med en mjukvaruuppdatering på fältet.

Figur 6: Omron Fleet Simulator körs i nätverksprogrammet 2100 Enterprise Manager och kan optimera en hel vagnpark med heterogena autonoma mobila robotar innan de installeras. (Bildkälla: Omron)

Driftstatus för autonoma mobila robotar

När de väl är på plats förväntas de autonoma mobila robotarna fungera nästan kontinuerligt, och förebyggande underhåll kan vara en avgörande faktor för en lyckad installation. För att tillgodose detta behov erbjuder Omron Wellness Visits som omfattar regelbundna utvärderingar av enskilda autonoma mobila robotar på anläggningen, vilket gör det möjligt att planera underhåll i förväg och minimera kostsamma driftstopp. Fördelarna med Wellness Visits är bland annat:

• Maximering av livslängden på de autonoma mobila robotarna
• Upprätthållande av högsta driftseffektivitet för de autonoma mobila robotarna.
• Avancerad identifiering av potentiella problem, vilket minimerar oplanerade driftstopp.
• Proaktiv planering av reparationer och byte av delar utifrån planerade avstängningar och andra operativa överväganden.

Sammanfattning

Autonoma mobila robotar används för att göra lageruppgifter, tillverkningsprocesser och arbetsflöden effektivare och mer produktiva genom att utföra hämtning och lämning av material, så att människor frigörs för att utföra komplicerade uppgifter som ger mervärde. I takt med att de olika arbetsuppgifter där autonoma mobila robotar används har utökats, har nya format för autonoma mobila robotar utvecklats, vilket komplicerar hanteringen av vagnparker med autonoma mobila robotar. Hanteringen av vagnparker med autonoma mobila robotar börjar med att simulera de autonoma mobila robotarnas interaktion i en syntetisk miljö innan vagnparken startas. När vagnparken väl har driftsatts måste de autonoma mobila robotarna fungera på ett säkert och effektivt sätt och med minimal stilleståndstid. Det finns centraliserad hård- och mjukvara som kan användas för att simulera potentiella installationer med autonoma mobila robotar, och för att övervaka säker, effektiv och tillförlitlig drift av vagnparker med autonoma mobila robotar.