Cómo la fusión de sensores permite a los AMR moverse con eficacia por las plantas de las fábricas

Cada vez hay más personas y robots móviles autónomos (AMR), también llamados robots móviles industriales (IMR), trabajando en la misma zona, por lo que es necesario abordar múltiples riesgos de seguridad inherentes. El funcionamiento seguro y eficaz de los AMR es demasiado importante para depender de una única tecnología de sensores.

La fusión multisensor, o simplemente "fusión de sensores", combina tecnologías como la telemetría láser (LIDAR), las cámaras, los sensores ultrasónicos, los sensores láser de obstáculos y la identificación por radiofrecuencia (RFID) para apoyar una serie de funciones AMR, como la navegación, la planificación de rutas, la evitación de colisiones, la gestión de inventarios y el apoyo logístico. La fusión del señor también incluye alertar a las personas cercanas de la presencia del AMR.

Para responder a la necesidad de un funcionamiento seguro y eficaz de las AMR, el Instituto Nacional Estadounidense de Normalización (ANSI) y la Asociación para el Avance de la Automatización (A3), anteriormente Asociación de Industrias Robóticas (RIA), están desarrollando la serie de normas ANSI/A3 R15.08. Se han publicado las versiones R15.08-1 y R15.08-2, centradas en los requisitos básicos de seguridad y en la integración de los AMR en un emplazamiento. La norma R15.08-3 se encuentra actualmente en fase de desarrollo y ampliará los requisitos de seguridad para los AMR, incluyendo recomendaciones más detalladas para el uso de la fusión de sensores.

Anticipándose a la R15.08-3, este artículo repasa algunas de las mejores prácticas actuales relacionadas con la seguridad y la fusión de sensores en los AMR, comenzando con un breve resumen de los requisitos de seguridad funcional que se utilizan actualmente con los AMR, incluidas las normas genéricas de seguridad industrial como IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061, y los requisitos de seguridad para detectar la presencia humana como IEC 61496 e IEC 62998. A continuación, se presenta un diseño típico de AMR en el que se detallan las numerosas tecnologías de sensores, se presentan dispositivos representativos y se estudia cómo apoyan funciones como la navegación, la planificación de trayectorias, la localización, la evitación de colisiones y la gestión de inventarios/apoyo logístico.

Bueno, mejor, el mejor

Los diseñadores de AMR deben tener en cuenta una serie de normas de seguridad, empezando por las normas de seguridad funcional de uso general, como IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061. También existen normas de seguridad más específicas relacionadas con la detección de la presencia humana, como las normas IEC 61496, IEC 62998 y la serie de normas ANSI/A3 R15.08.

La norma IEC 61496 ofrece orientación para varios tipos de sensores. Hace referencia a la norma IEC 62061, que especifica los requisitos y formula recomendaciones para el diseño, la integración y la validación de equipos de protección electrosensibles (EPES) para máquinas, incluidos los niveles de integridad de la seguridad (SIL), y a la norma ISO 13849, que abarca la seguridad de las máquinas y las partes de los sistemas de control relacionadas con la seguridad, incluidos los niveles de rendimiento de la seguridad (PL) (cuadro 1).

Tabla 1: Requisitos de seguridad para ESPE por tipo especificado en IEC 61496. (Fuente de la tabla: Analog Devices)

La norma IEC 62998 es más reciente y a menudo puede ser una mejor opción, ya que incluye orientaciones sobre la aplicación de la fusión de sensores, el uso de la inteligencia artificial (IA) en los sistemas de seguridad y la utilización de sensores montados en plataformas móviles fuera del ámbito de la norma IEC 61496.

La R15.08 Parte 3, cuando se publique, puede hacer que la serie R15.08 sea la mejor, ya que añadirá requisitos de seguridad para los usuarios de sistemas AMR y aplicaciones AMR. Entre los temas más probables figuran la fusión de sensores y la realización de pruebas de estabilidad y validación de AMR más exhaustivas.

Funciones de fusión de sensores

La cartografía de la instalación es un aspecto esencial de la puesta en marcha de la AMR. Pero no es una actividad única. También forma parte de un proceso continuo denominado localización y mapeo simultáneos (SLAM), a veces llamado localización y mapeo sincronizados. Se trata del proceso de actualización continua del mapa de una zona para detectar cualquier cambio, sin perder de vista la ubicación del robot.

La fusión de sensores es necesaria para apoyar el SLAM y permitir el funcionamiento seguro de los AMR. No todos los sensores funcionan igual de bien en todas las circunstancias, y las distintas tecnologías de sensor producen diversos tipos de datos. La IA puede utilizarse en sistemas de fusión de sensores para combinar información sobre el entorno operativo local (si hay niebla o humo, humedad, luminosidad ambiental, etc.) y obtener resultados más significativos combinando los resultados de diferentes tecnologías de sensores.

Los sensores pueden clasificarse tanto por su función como por su tecnología. Algunos ejemplos de funciones de fusión de sensores en AMR son (Figura 1):

• Los sensores de distancia, como los codificadores en las ruedas y las unidades de medición inercial que utilizan giroscopios y acelerómetros, ayudan a medir el movimiento y a determinar el rango entre las posiciones de referencia.
• Se utilizan sensores de Imagen como cámaras tridimensionales (3D) y LiDAR 3D para identificar y rastrear objetos cercanos.
• Enlaces de comunicaciones, procesadores informáticos y sensores logísticos, como lectores de códigos de barras y dispositivos de identificación por radiofrecuencia (RFID), conectan el AMR con los sistemas de gestión de toda la instalación e integran la información de sensores externos en el sistema de fusión de sensores del AMR para mejorar su rendimiento.
• Los sensores de proximidad, como los escáneres láser y los LiDAR bidimensionales (2D), detectan y rastrean los objetos cercanos al AMR, incluido el movimiento de las personas.

Figura 1: Ejemplos de tipos de sensores comunes y elementos de sistema relacionados utilizados en los diseños de fusión de sensores AMR. (Fuente de la imagen: Qualcomm)

LiDAR 2D, LiDAR 3D y ultrasonidos

El LiDAR 2D y 3D y los ultrasonidos son tecnologías de sensores habituales que favorecen el SLAM y la seguridad en los AMR. Las diferencias entre esas tecnologías permiten a un sensor compensar los puntos débiles de los otros para mejorar el rendimiento y la fiabilidad.

El LiDAR 2D utiliza un único plano de iluminación láser para identificar objetos basándose en las coordenadas X e Y. El LiDAR 3D utiliza múltiples haces láser para crear una representación tridimensional muy detallada del entorno denominada nube de puntos. Ambos tipos de LiDAR son relativamente inmunes a las condiciones lumínicas del entorno, pero requieren que los objetos a detectar tengan un umbral mínimo de reflectividad de la longitud de onda emitida por el láser. En general, el LiDAR 3D puede detectar objetos de baja reflectividad con mayor fiabilidad que el LiDAR 2D.

El sensor LiDAR 3D HPS-3D160 de Seeed Technology integra emisores láser infrarrojos de cavidad vertical (VCSEL) de 850 nm de alta potencia y CMOS de alta sensibilidad fotográfica. El procesador integrado de alto rendimiento incluye algoritmos de filtrado y compensación y admite varias operaciones LiDAR simultáneas. La unidad tiene un alcance de hasta 12 metros con precisión centimétrica.

Cuando se necesita una solución LiDAR 2D, los diseñadores pueden recurrir al TIM781S-2174104 de SICK. Incluye un ángulo de apertura de 270 grados, resolución angular de 0.33 grados y frecuencia de barrido de 15 Hz. Tiene un radio de acción de seguridad de 5 medidores (figura 2).

Figura 2: Este sensor LiDAR 2D tiene un ángulo de apertura de 270 grados. (Fuente de la imagen: SICK)

Los sensores ultrasónicos pueden detectar con precisión objetos transmisivos como el cristal y materiales que absorben la luz que el LiDAR no siempre puede ver. Los sensores ultrasónicos también son menos susceptibles a las interferencias provocadas por el polvo, el humo, la humedad y otras condiciones que pueden perturbar el LiDAR. Sin embargo, los sensores ultrasónicos son sensibles a las interferencias del ruido ambiental y sus rangos de detección pueden ser más limitados que los del LiDAR.

Los sensores ultrasónicos como el TSPC-30S1-232 de Senix pueden complementar al LiDAR y a otros sensores para AMR SLAM y seguridad. Tiene un alcance óptimo de 3 metros, frente a los 5 metros del LiDAR 2D y los 12 metros del LiDAR 3D detallados anteriormente. Este sensor ultrasónico con compensación de temperatura tiene un grado de protección IP68 y está alojado en un gabinete de acero inoxidable sellado (figura 3).

Figura 3: Sensor ultrasónico sellado al medio ambiente con un alcance óptimo de 3 medidores. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La fusión de sensores suele referirse al uso de varios sensores discretos. Pero en algunos casos, varios sensores se empaquetan como una sola unidad.

Tres sensores en uno

La percepción visual mediante un par de cámaras que producen imágenes estereoscópicas y el procesamiento de imágenes basado en IA y ML permiten al AMR ver el fondo e identificar objetos cercanos. Existen sensores que incluyen cámaras de profundidad estereoscópicas, una cámara en color independiente y una IMU en una sola unidad.

Las cámaras de profundidad estereoscópicas como las cámaras de profundidad D455 RealSense Intel de utilizan dos cámaras separadas por una línea de base conocida para detectar la profundidad y calcular la distancia a un objeto. Una de las claves de la precisión es el uso de un resistente armazón de acero que garantiza una distancia de separación exacta entre las cámaras, incluso en entornos industriales exigentes. La precisión del algoritmo de percepción de la profundidad depende del conocimiento de la distancia exacta entre las dos cámaras.

Por ejemplo, la cámara de profundidad modelo 82635DSD455MP se ha optimizado para AMR y plataformas similares y ha ampliado la distancia entre las cámaras a 95 mm (Figura 4). Esto permite al algoritmo de cálculo de la profundidad reducir el error de estimación a menos del 2% a 4 medidores.

Figura 4: Este módulo incluye cámaras de profundidad estereoscópicas separadas 95 mm, una cámara en color independiente y una IMU. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Las cámaras de profundidad D455 también incluyen una cámara de color (RGB) independiente. Un obturador global de hasta 90 fotogramas por segundo en la cámara RGB, adaptado al campo de visión (FOV) del generador de imágenes de profundidad, mejora la correspondencia entre las imágenes en color y las de profundidad, aumentando la capacidad de comprensión del entorno. Las cámaras de profundidad D455 integran una IMU con seis grados de libertad que permite al algoritmo de cálculo de la profundidad incluir la velocidad de movimiento del AMR y producir estimaciones dinámicas de la conciencia de profundidad.

Iluminar y sonorizar el camino

Las luces intermitentes y las alertas acústicas para las personas que se encuentren cerca de un AMR son importantes para la seguridad de los AMR. Las luces suelen tener forma de torre luminosa o de franja luminosa en los laterales del AMR. Ayudan al robot a comunicar sus acciones a los demás. También pueden indicar estados como la carga de la batería, actividades de carga o descarga, intención de girar en una nueva dirección (como los intermitentes de un coche), condiciones de emergencia, etc.

No existen normas para los colores de las luces, las velocidades de parpadeo o las alarmas sonoras. Pueden variar de un fabricante de AMR a otro y a menudo se desarrollan para reflejar las actividades específicas de la instalación en la que opera la AMR. Las bandas luminosas están disponibles con y sin mecanismos de alerta acústica incorporados. Por ejemplo, el modelo TLF100PDLBGYRAQP de Banner Engineering incluye un elemento audible sellado con 14 tonos seleccionables y control de volumen (Figura 5).

Figura 5: Este anunciador de barra luminosa incluye un elemento acústico sellado (círculo negro superior). (Fuente de la imagen: DigiKey)

Apoyo logístico

Los AMR forman parte de operaciones de mayor envergadura y a menudo deben integrarse con software de planificación de recursos empresariales (ERP), sistemas de ejecución de fabricación (MES) o sistemas de gestión de almacenes (WMS). El módulo de comunicaciones del AMR, junto con sensores como lectores de códigos de barras y RFID, permite integrarlo perfectamente en los sistemas de la empresa.

Cuando se necesita un lector de códigos de barras, los diseñadores pueden recurrir al V430-F000W12M-SRP de Omron, que puede descodificar códigos de barras 1D y 2D en etiquetas o códigos de barras Direct Part Mark (DPM). Incluye autoenfoque a distancia variable, un objetivo de amplio campo de visión, un sensor de 1.2 megapíxeles, una luz integrada y procesamiento de alta velocidad.

El DLP-RFID2 de DLP Design es un módulo compacto de bajo coste para leer y escribir en etiquetas transpondedoras RFID de alta frecuencia (HF). También puede leer los identificadores únicos (UDI) de hasta 15 etiquetas a la vez y puede configurarse para utilizar una antena interna o externa. Tiene un rango de temperatura de funcionamiento de 0 °C a +70 °C, lo que la hace adecuada para su uso en instalaciones de fabricación y logística de la Industria 4.0.

Conclusión:

La fusión de sensores es una herramienta importante para apoyar el SLAM y la seguridad en los AMR. En previsión de la norma R15.08-3, que puede incluir referencias a la fusión de sensores y pruebas de estabilidad y validación de AMR más exhaustivas, este artículo revisa algunas normas y mejores prácticas actuales para implementar la fusión de sensores en AMR. Este es el segundo artículo de una Serie de dos partes. En la primera parte se revisó la integración segura y eficiente de los AMR en las operaciones de la industria 4.0 para obtener el máximo beneficio.