Säker och effektiv integrering av autonoma mobila robotar för maximal nytta i Industry 4.0-verksamheter

Som svar på den ökande användningen av autonoma mobila robotar (AMR), även kallade mobila industrirobotar, i Industry 4.0-verksamheter, släppte A3 (Association for Advancing Automation) tillsammans med ANSI (American National Standards Institute) nyligen standarden ANSI/A3 R15.08-2, den andra uppgraderingen av sin säkerhetsstandard för autonoma mobila robotar. Den beskriver anläggningskraven för integrering, konfigurering och anpassning av en autonom mobil robot eller en vagnpark med autonoma mobila robotar. Ett grundläggande krav är att en riskbedömning enligt standarden ANSI/ISO 12100 eller ANSI B11.0 genomförs. Den nya standarden kompletterar den tidigare publicerade standaren R15.08-1 som fokuserade på säker konstruktion och integrering av autonoma mobila robotar.

Standardserien R15.08 bygger på den tidigare säkerhetsstandarden ANSI/ITSDF (Industrial Truck Standards Development Foundation) B56.5 för automatiskt styrda fordon (AGV). Den nyare standarden definierar tre typer av autonoma mobila robotar baserat på införandet av specifika funktioner och egenskaper.

Artikeln redogör för en kort jämförelse mellan autonoma mobila robotar och automatiskt styrda fordon samt ANSI/ITSDF B56.5 och ISO (International Standards Organization) 3691-4 jämfört med ANSI/A3 R15.08. Sedan granskas de riskbedömningsstrategier som beskrivs i ANSI/ISO 12100 och ANSI B11.0, hur de relaterar till autonoma mobila robotar och hur de integreras i R15.08-2. Därefter granskas de tre olika typerna av autonoma mobila robotar som definieras i standarden R15.08-2 innan den avslutas med en presentation av praktiska överväganden för integration av autonoma mobila robotar, inklusive hur man implementerar kartläggning och driftsättning, hur man hanterar vagnparker med autonoma mobila robotar och hur man navigerar bland nya möjligheter för virtuell driftsättning med hjälp av simulering och digitala tvillingar, med exempel från Omron Automation och Siemens.

Automatiskt styrda fordon kan endast förflytta sig längs en förutbestämd och markerad bana. De har ingen självständig navigeringsförmåga. De stannar om de stöter på ett hinder och väntar på att det ska avlägsnas innan de fortsätter längs den fastställda rutten. Autonoma mobila robotar har ett självständigt navigeringssystem och kan ändra körväg och ta sig runt hinder (figur 1). På grund av dessa skillnader är automatiskt styrda fordon bättre lämpade för relativt stabila och oföränderliga miljöer, medan autonoma mobila robotar stödjer mer flexibla och skalbara driftsättningar, som de som behövs i Industry 4.0-verksamheter.

Figur 1: En autonom mobil robot (vänster) navigerar runt hinder medan ett automatiskt styrt fordon (höger) stannar när det kommer fram till ett hinder. (Bildkälla: Omron)

Utveckling av standarder

Vissa standarder för autonoma mobila robotar har utvecklats från tidigare standarder för automatiskt styrda fordon och stationära robotar. Till exempel utvecklades EN 1525:1997 för automatiskt styrda fordon och tillämpades därefter på autonoma mobila robotar utan ändringar. Den nyare standarden ISO 3691-4 omfattar automatiskt styrda fordon och har avsnitt avsedda för autonoma mobila robotar.

ANSI/ITSDF B56.5 är en säkerhetsstandard för styrda industrifordon, obemannade styrda industrifordon och de automatiserade funktionerna hos bemannade industrifordon. Den omfattar inte autonoma mobila robotar. Den nyare ANSI/RIA R15.08 är en säkerhetsstandard för användning av autonoma mobila robotar i industriella miljöer. Den är baserad på och utökad från standarden R15.06 för säker användning av stationära robotarmar.

En annan viktig standard är EN ISO 13849 som definierar de olika utrustningarnas säkerhetsprestandanivåer (PL). Det finns fem nivåer, från PLa till PLe, med allt strängare krav. Tillverkare av automatiskt styrda fordon och autonoma mobila robotar måste uppnå säkerheten för PLd som säkerställer kontinuerlig säker drift i händelse av ett enskilt fel, dvs. genom att använda redundanta system.

ANSI/A3 R15.08-2 kräver en riskbedömning vid integrering och utplacering av autonoma mobila robotar. De riskbedömningar som definieras i ISO 12100 och ANSI B11.0-2010 är mycket lika, men inte identiska. ISO 12100 riktar sig till tillverkare av originalutrustning, medan ANSI B11.0 fokuserar mer på säkerheten för maskinen och slutanvändaren. Grunderna för riskbedömningen är likartade för båda standarderna.

Riskbedömning

En riskbedömning är en mycket strukturerad analys för att komma fram till en acceptabel risknivå. Den medger att inget system eller ingen miljö är perfekt; naturliga risker kan hanteras men inte elimineras. Riskbedömningen börjar med att fastställa begränsningarna för maskinens arbete och identifierar faror som kan uppstå om maskinen används i närheten av eller utanför dessa begränsningar.

Därefter följer en riskuppskattning där man tittar på skadans sannolika allvarlighetsgrad för respektive risk och sannolikheten för att den inträffar. En mycket allvarlig risk med låg sannolikhet att inträffa kan få en liknande rangordning som en risk med ett mindre allvarligt resultat men som är mer sannolik att inträffa. Alla identifierade risker utvärderas och rangordnas för att prioritera åtgärder som reducerar riskerna. Riskbedömningen kan vara en upprepad process där man identifierar de allvarligaste riskerna och minskar sannolikheten för att de inträffar och/eller allvarlighetsgraden i deras utfall tills en acceptabel nivå av kvarstående risk har uppnåtts (figur 2).

Figur 2: De viktigaste delarna vid en riskbedömning är analys, utvärdering och riskreduktion. (Bildkälla: SICK)

Olika typer av autonoma mobila robotar

I standarden R15.08 finns tre olika typer av autonoma mobila robotar:

Typ A: Enbart plattform för autonom mobil robot. I motsats till automatiskt styrda fordon kan autonoma mobila robotar typ A fungera som självständiga system utan att det krävs förändringar i omgivningen. De kan ha tillvalsfunktioner som t.ex. ett batterihanteringssystem, möjlighet att självständigt lokalisera en laddare och ladda batteriet, möjlighet att integrera med centraliserad programvara för hantering av vagnpark etc. Autonoma mobila robotar typ A används oftast för att flytta material i en fabrik eller ett lager.

Typ B: En autonom mobil robot av typ A med ett tillagt passivt eller aktivt tillbehör som inte är en manipulator (figur 3). Typiska tillbehör är transportband, rullbord, fasta eller flyttbara behållare, lyftanordningar, bildsystem, vågstationer etc. Autonoma mobila robotar typ B kan användas för mer komplexa logistikuppgifter. Bildsystem kan användas för att inspektera och identifiera produkter, väga (eller uppskatta antalet) delar, och så vidare.

Figur 3: Autonom mobil robot av typ B med rullbord. Här visas även typiska navigerings- och säkerhetssystem som är gemensamma för alla tre typerna av autonoma mobila robotar. (Bildkälla: Omron)

Typ C: En autonom mobil robot av typ A med tillagd manipulator. Manipulatorn kan vara en robotarm med tre eller flera rörelseaxlar. Autonoma mobila robotar av typ C kan utformas för att fungera som samverkande robotar (cobots) för att arbeta tillsammans med människor. De kan också vara maskinskötare, utföra plockning och placering, utföra komplexa inspektionsuppgifter, skörda och rensa ogräs i jordbruksmiljöer osv. Vissa konstruktioner kan flyttas från plats till plats och utföra olika uppgifter vid respektive station.

Driftsättning, kartläggning och att följa belysningen

Alla de tre typerna av autonoma mobila robotar är utformade för att förenkla en driftsättning. Jämfört med automatiskt styrda fordon, som kräver en omfattande infrastruktur, krävs ingen konstruktion för installation av autonoma mobila robotar och programmeringsbehovet kan vara minimalt. Grundläggande driftsättning är en process i fyra steg (figur 4):

• Autonoma mobila robotar levereras med all nödvändig programvara installerad. Den första uppgiften är att installera och ladda batteriet.
• Kartläggning är avgörande och kan genomföras manuellt eller automatiskt. Vid manuell kartläggning styr en tekniker den autonoma mobila roboten och tar med den runt i anläggningen så att den kan lära sig miljön. Autonoma mobila robotar som styrs med laser kan automatiskt skanna upp till 1 000 kvadratmeter per minut för att skapa kartor som visar alla detaljer i närområdet och trådlöst skicka kartan till en central dator. I båda fallen kan kartorna anpassas till virtuella rutter och förbjudna linjer för säker drift och de kan delas mellan olika vagnparker med autonoma mobila robotar.
• Att sätta upp mål inkluderar identifiering av upphämtnings- och avlämningsplatser.
• Tilldelning av uppgifter är det sista steget och omfattar schemaläggning och samordning av vagnparkens olika autonoma mobila robotar samt integrering med affärssystem (ERP), tillverkningssystem (MES) och lagerhanteringssystem (WMS).

Figur 4: Autonom mobil robot som levereras med installerad programvara och snabbt kan tas i drift och integreras i en produktionsmiljö. (Bildkälla: Omron)

Förutom att kartlägga en anläggning med hjälp av laserskanning använder vissa autonoma mobila robotar från Omron en kamera för att upptäcka och markera placeringen av taklampor. Den skapar och överlagrar en "ljuskarta" med den vanliga "golvkartan".

Lokalisering med laser kan till en viss punkt tolerera föränderliga miljöer på golvet. Anta att över 80 % av funktionerna ändras, t.ex. på en lastkaj där pallar eller rullande vagnar ständigt byter plats. I det fallet är lokalisering med laser mindre användbart och genom att lägga till ljuskartan ökar navigeringens tillförlitlighet. Med hjälp av ljuskartan kan autonoma mobila robotar lättare navigera över öppna ytor i stora anläggningar.

Administrera vagnparker med robotar

Effektiv administrering av vagnparker med robotar kan mångdubbla fördelarna med att använda autonoma mobila robotar. Den kan stödja centraliserad styrning och samordnad drift för olika typer av autonoma mobila robotar och tillhandahålla data och analyser som behövs för att maximera effektiviteten. Några vanliga funktioner för vagnparkssystem för autonoma mobila robotar är:

Optimerad tilldelning av uppgifter baserad på kapaciteten hos respektive robot i vagnparken, deras nuvarande position och förväntningar på var deras nästa uppgift kommer att finnas.

Trafikledning omfattar schemaläggning av platser och tider för upphämtning och avlämning för maximal effektivitet och underrättelse till robotar om ändrade destinationer eller nya hinder så att de kan räkna om sin väg för maximal effektivitet och säkerhet.

Styrning av laddning, spårar batteriets laddningsnivå för respektive robot i vagnparken, vilket möjliggör förebyggande laddning och maximal drifttid.

Samordnade programuppdateringar i hela vagnparken för att säkerställa att den senaste versionen finns tillgänglig för respektive robottyp.

Företagsintegration kopplar ihop programvaran för hantering av vagnparken med affärssystem, produktionssystem och lagerhanteringssystem så att jobb kan tilldelas och schemaläggas automatiskt i realtid.

Virtuell driftsättning

En kombination av digitala tvillingar och simuleringsprogram möjliggör virtuell driftsättning. I detta fall är en digital tvilling en virtuell representation av en autonom mobil robot. Digitala tvillingar kan användas för att validera prestandan hos enskilda autonoma mobila robotar och vagnparker av autonoma mobila robotar virtuellt. Vid virtuell driftsättning används simuleringsprogram för robotteknik för att kombinera de digitala tvillingarna av autonoma mobila robotar med en digital tvilling av den omgivande miljön (figur 5).

Figur 5: De digitala tvillingarna av autonoma mobila robotar kan infogas virtuellt i en simulerad fabriksmiljö för virtuell driftsättning. (Bildkälla: Siemens)

Virtuell driftsättning av autonoma mobila robotar kan även användas för att integrera och samordna driften av robotar från flera olika tillverkare. I den virtuella driftsättningsprocessen kan tekniker snabbt och effektivt skapa flera scenarier för att verifiera att hela systemet fungerar korrekt, inte bara enstaka autonoma mobila robotar.

Virtuella säkerhetstester och felsökning kan även genomföras med digitala tvillingar och simulering. Virtuella autonoma mobila robotar kan utsättas för avvikande situationer för att testa olika eventualiteter och säkerställa att säkerhetsprotokollen fungerar korrekt.

Möjligheten att implementera virtuell felsökning kan påskynda driftsättningen av vagnparker med autonoma mobila robotar. Att felsöka vagnparker med riktiga autonoma mobila robotar efter driftsättning är utmanande och tidskrävande. Det innebär att arbetet måste stoppas och påverkar anläggningens produktivitet negativt. Virtuell felsökning innebär att arbetet inte behöver stoppas och användarna kan vara säkra på att de autonoma mobila robotarna kommer att fungera som förväntat i den verkliga världen.

Sammanfattning

Installationer med autonoma mobila robotar blir allt vanligare i många Industry 4.0-verksamheter. Standarderna för autonoma mobila robotar utvecklas för att uppfylla kraven för säker och effektiv integrering, konfigurering och anpassning av en autonom mobil robot eller en vagnpark med autonoma mobila robotar i en anläggning. Riskbedömning är ett grundläggande krav i de nya standarderna i enlighet med standarderna ANSI och ISO. Verktyg för driftsättning av autonoma mobila robotar utvecklas även med framväxten av virtuell driftsättning med hjälp av digitala tvillingar och simulering.

Det här var den första delen av en serie i två delar och fokuserade på innebörden av den nyligen publicerade standarden R15.08-2 avseende säkerhet, riskbedömning och driftsättning av autonoma mobila robotar. Den andra artikeln är skriven i väntan på R15.08-3, som för närvarande är under utveckling, och kommer att behandla ämnet kombinationer av sensorer i autonoma mobila robotar.