作者：Jeff Shepard

　　為了應對工業(yè) 4.0 操作中自主移動機器人 (AMR)(也稱為工業(yè)移動機器人)的使用激增，自動化推進協(xié)會 (A3) 與美國國家標準協(xié)會 (ANSI) 最近發(fā)布了第二個增量AMR 安全標準：ANSI/A3 R15.08-2，其中詳細介紹了在站點中集成、配置和定制 AMR 或 AMR 群的要求。一項基本要求是按照 ANSI/ISO 12100 或 ANSI B11.0 進行風險評估。新標準是對之前發(fā)布的 R15.08-1 的補充，該標準專注于 AMR 的安全設(shè)計和集成。

　　R15.08 系列標準建立在早期的 ANSI/工業(yè)卡車標準開發(fā)基金會 (ITSDF) B56.5 自動引導工業(yè)車輛 (AGV) 安全標準的基礎(chǔ)上。新標準根據(jù)包含的特定功能和特性識別三類 AMR。

　　本文簡要比較了 AMR 和 AGV、ANSI/ITSDF B56.5 和國際標準組織 (ISO) 3691-4 與 ANSI/A3 R15.08。然后，它回顧了 ANSI/國際標準組織 (ISO) 12100 和 ANSI B11.0 中概述的風險評估策略、它們與 AMR 的關(guān)系以及它們?nèi)绾渭傻?R15.08-2 中。接下來，它回顧了 R15.08-2 中定義的三類 AMR，最后介紹了 AMR 集成的實際考慮因素，包括如何實施測繪和調(diào)試、如何管理 AMR 車隊以及如何為 AMR 提供新的機遇使用歐姆龍自動化和西門子的示例，使用仿真和數(shù)字孿生進行虛擬調(diào)試。

　　AGV 只能沿著預定且標記的路徑行駛。它們沒有獨立的導航能力。如果遇到障礙物，它們就會停下來，等待障礙物被移除，然后再沿著固定路徑前進。 AMR 包括獨立的導航系統(tǒng)，可以改變路徑并繞過障礙物(圖 1)。由于這些差異，AGV 更適合相對穩(wěn)定和不變的環(huán)境，而 AMR 支持更靈活和可擴展的部署，例如工業(yè) 4.0 運營所需的部署。

　　圖 1：AMR(左)繞過障礙物導航，而 AGV(右)在到達障礙物時停止。 (圖片來源：歐姆龍)

　　標準演變

　　一些 AMR 標準是從之前為 AGV 和固定機器人制定的標準演變而來的。例如，EN 1525:1997 是為 AGV 制定的，隨后未經(jīng)修改就應用于 AMR。較新的 ISO 3691-4 標準涵蓋 AGV，并有專門針對 AMR 的部分。

　　ANSI/ITSDF B56.5是引導工業(yè)車輛、無人引導工業(yè)車輛以及有人工業(yè)車輛自動化功能的安全標準;它不涵蓋 AMR。較新的 ANSI/RIA R15.08 是在工業(yè)環(huán)境中使用 AMR 的安全標準。它基于安全使用固定機械臂的 R15.06 標準并對其進行了擴展。

　　另一個重要標準是 EN ISO 13849，它定義了各種類型設(shè)備的安全性能級別 (PL)。從PLa到PLe共有五個級別，要求越來越嚴格。 AGV 和 AMR 制造商必須達到 PLd 安全性，確保在發(fā)生單一故障時持續(xù)安全運行，即通過使用冗余系統(tǒng)。

　　ANSI/A3 R15.08-2 要求對集成和部署 AMR 進行風險評估。 ISO 12100 和 ANSI B11.0-2010 定義的風險評估非常相似，但并不完全相同。 ISO 12100 針對原始設(shè)備制造商，而 ANSI B11.0 更關(guān)注機械和最終用戶安全。這兩個標準的風險評估基礎(chǔ)相似。

　　風險評估

　　風險評估是一種高度結(jié)構(gòu)化的分析，旨在達到可接受的風險水平。它認識到?jīng)]有任何系統(tǒng)或環(huán)境是完美的;固有風險可以管理，但無法消除。它首先確定機器運行的限制，并識別機器在接近或超出這些限制運行時可能出現(xiàn)的危險。

　　接下來是風險評估，它著眼于每種危害可能造成的危害嚴重程度及其發(fā)生的可能性。發(fā)生可能性較低的非常嚴重的危險可能會獲得與發(fā)生可能性較小但結(jié)果不太嚴重的危險類似的排名。所有已識別的風險都會經(jīng)過評估和排名，以確定風險降低工作的優(yōu)先順序。風險評估可以是一個迭代過程，識別最嚴重的風險并降低其發(fā)生的概率和/或其結(jié)果的嚴重性，直到達到可接受的殘余風險水平(圖2)。

　　圖 2：風險評估的關(guān)鍵組成部分包括風險分析、評估和降低。 (圖片來源：SICK)

　　AMR 課程

　　R15.08 識別三種類型的 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，添加了非機械手的被動或主動附件(圖 3)。典型的附件包括輸送機、輥道、固定或可移動的周轉(zhuǎn)箱、起重裝置、視覺系統(tǒng)、稱重站等。B 型 AMR 可用于更復雜的物流任務。視覺系統(tǒng)可用于產(chǎn)品檢查和識別、零件稱重(或估計數(shù)量)等。

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

　　C 型：A 型 AMR，添加了機械手。操縱器可以是具有三個或更多個運動軸的機械臂。 C 型 AMR 可設(shè)計為與人類一起工作的協(xié)作機器人 (cobot)。他們還可以是機器服務員，執(zhí)行拾取和放置操作，完成復雜的檢查任務，在農(nóng)業(yè)環(huán)境中進行收割和除草等。一些設(shè)計可以從一個地方移動到另一個地方，并在每個站點執(zhí)行不同的任務。

　　調(diào)試、測繪和跟隨燈光

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

　　AMR 交付時已安裝所有必需的軟件;第一個任務是安裝電池并為其充電。

　　映射至關(guān)重要，可以手動或自動實現(xiàn)。對于手動測繪，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 AMR 可以每分鐘自動掃描 1,000 平方英尺，以創(chuàng)建捕獲鄰近區(qū)域所有特征的地圖，并將生成的地圖無線發(fā)送到中央計算機。在這兩種情況下，都可以使用虛擬路線和禁線來定制地圖，以確保安全操作，并且可以在 AMR 車隊之間共享。

　　設(shè)定目標包括確定上車和下車地點。

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

　　圖 4：AMR 交付時已安裝完整的軟件，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 還使用攝像頭來檢測和繪制頭頂燈的位置。它創(chuàng)建“光照圖”并將其與標準“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 80% 的功能發(fā)生變化，例如，在貨運碼頭上，托盤或滾動車不斷改變位置。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航的可靠性。使用光照圖還使 AMR 能夠更輕松地在大型設(shè)施中的廣闊開放區(qū)域中導航。

　　管理機器人車隊

　　對機器人車隊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營效率所需的數(shù)據(jù)和分析。 AMR 車隊管理系統(tǒng)的一些常見功能包括：

　　優(yōu)化的任務分配基于車隊中每個機器人的能力、它們當前的位置以及對其下一次任務的預期。

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

　　充電管理跟蹤車隊中每個機器人的電池充電水平，從而實現(xiàn)主動充電并最大限度地延長正常運行時間。

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

　　企業(yè)集成將車隊管理軟件連接到 ERP、MES 和 WMS 系統(tǒng)，以便可以實時自動向車隊分配和安排作業(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證單個 AMR 和 AMR 車隊的性能。虛擬調(diào)試使用機器人仿真軟件將 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)境中進行虛擬調(diào)試。 (圖片來源：西門子)

　　AMR虛擬調(diào)試還可用于集成和協(xié)調(diào)來自多個制造商的機器人的操作。在虛擬調(diào)試過程中，工程師可以快速高效地創(chuàng)建多個場景來驗證整個系統(tǒng)的正常運行，而不僅僅是孤立的AMR。

　　虛擬安全測試和調(diào)試也可以通過數(shù)字孿生和仿真來實現(xiàn)。虛擬 AMR 可以承受異常情況，以測試各種突發(fā)事件并確保安全協(xié)議的正常運行。

　　實現(xiàn)虛擬調(diào)試的能力可以加快AMR車隊的部署速度。部署后調(diào)試物理AMR隊列既具有挑戰(zhàn)性又耗時。它會導致停工并對設(shè)施的生產(chǎn)力產(chǎn)生負面影響。虛擬調(diào)試不會造成停工，用戶可以放心 AMR 將在現(xiàn)實世界中按預期運行。

　　結(jié)論

　　AMR 部署在各種工業(yè) 4.0 安裝中變得越來越普遍。 AMR 的標準格局正在不斷發(fā)展，以滿足安全高效地將 AMR 或 AMR 車隊集成、配置和定制到站點的要求。根據(jù) ANSI 和 ISO 標準，風險評估績效是新標準中的一項關(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 ，重點介紹最近發(fā)布的 R15.08-2 標準對 AMR 安全、風險評估和調(diào)試的影響。第二篇文章是為 R15.08-3 的發(fā)布而寫的，該版本目前正在開發(fā)中，將討論 AMR 中的傳感器融合主題。