作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-11-13

在工廠和物流設(shè)施中部署協(xié)作機(jī)器人、自主移動機(jī)器人 (AMR) 和自動導(dǎo)引車 (AGV) 時，安全至關(guān)重要。這是一個復(fù)雜、多維的系統(tǒng)，

需要根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 13849、國際電工委員會 (IEC) 62061 和 IEC 61800-5-2 標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)器移動進(jìn)行監(jiān)測和控制，而這些標(biāo)準(zhǔn)為控制系統(tǒng) (SRP/CS) 安全相關(guān)部件的設(shè)計和整合原則提供了安全要求和指導(dǎo)。

要確保協(xié)作機(jī)器人、AMR、AGV 和類似設(shè)備的安全運(yùn)行，通常需要建立一個分層的安全圍護(hù)結(jié)構(gòu)，涉及從最初的物體檢測和接近警告，到識別物體何時進(jìn)入危險區(qū)域并停止機(jī)器等多個領(lǐng)域。

模塊化安全控制器系統(tǒng)可增加另一層分析和保護(hù)功能。在處理保護(hù)區(qū)域中斷和掃描儀意外跳斷時，高效、快速的故障分析是一個重要的考慮因素。這就需要第二個傳感器來監(jiān)測主傳感器的保護(hù)區(qū)域。

本文首先簡要介紹了 ISO 13849、IEC 62061 和 IEC 61800-5-2 標(biāo)準(zhǔn)的要求，并回顧了二維 (2D) 光探測和測距 (LiDAR) 安全激光掃描儀的基礎(chǔ)知識。然后，深入探討了如何實現(xiàn)分層安全圍護(hù)，以保護(hù)人們免受協(xié)作機(jī)器人、AMR、AGV 和類似設(shè)備的傷害。

其中包括對 2D LiDAR 的使用和整合的回顧，將這些傳感器與模塊化可編程安全控制器相結(jié)合以提供額外層面的安全防護(hù)，以及使用事件相機(jī)對保護(hù)區(qū)域意外中斷進(jìn)行故障分析。其間會介紹來自 [SICK] 的實例器件。

IEC 61508 是“電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)（E/E/PE 或 E/E/PES）功能安全”標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，適用于所有行業(yè)。此外，還有針對特定行業(yè)和應(yīng)用的分支和變體標(biāo)準(zhǔn)。

IEC 62061 “機(jī)械安全：電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全”是 IEC 61508 的機(jī)械專用變體標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61800-5-2“可調(diào)速電力驅(qū)動系統(tǒng) – 第 5-2 部分：安全要求 – 功能”也與 IEC 61508 有關(guān)，是設(shè)計和開發(fā)可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 13849 是獨(dú)立開發(fā)的，并非源自 IEC 61508。兩者都涉及功能安全。IEC 61800-5-2 使用安全完整性等級 (SIL) 來定義安全要求，而 ISO 13849 則定義了所需的性能等級 (PL r )。

ISO 13849 和 IEC 61508 基于每小時危險故障概率 ( PFHd ) 概念。ISO 13849 功能安全分析考慮三個因素：可能造成傷害的嚴(yán)重程度、危險發(fā)生的頻率或暴露程度以及限制危險和避免傷害的可能性（圖 1）：

• 傷害嚴(yán)重程度
  • S1：輕微（通常是可逆轉(zhuǎn)的損傷）
  • S2：嚴(yán)重（通常為不可逆轉(zhuǎn)或死亡）
• 發(fā)生危險的頻率和/或暴露程度
  • F1：幾乎不到很少和/或暴露時間短
  • F2：頻繁到持續(xù)和/或曝露時間長
• 避免危險或限制傷害的可能性
  • P1：在特定條件下可能
  • P2：幾乎不可能

圖 1：ISO 13849 中 PLr 級別和 IEC 62061 中對應(yīng) SIL 等級的推導(dǎo)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)都基于每小時危險故障 (PFH d ) 的概念。（圖片來源：SICK）

LiDAR 工作方式？

在個人防護(hù)應(yīng)用中使用 2D LiDAR 安全傳感器需要通過 ISO 13849 的 PLb 認(rèn)證。[TiM 2D LiDAR 傳感器](系列包括符合這一要求的型號。2D LiDAR 傳感器利用光學(xué)飛行時間 (ToF) 技術(shù)掃描周圍環(huán)境。ToF 是通過使用旋轉(zhuǎn)鏡發(fā)送激光脈沖并檢測反射光來實現(xiàn)的。反射光到達(dá)傳感器的時間越長，說明物體距離越遠(yuǎn)。

時間測量與返回信號的強(qiáng)度相結(jié)合，能夠讓傳感器以毫米級精度計算多個物體的位置。由此產(chǎn)生的環(huán)境圖像每秒可最多更新 15 次（圖 2）。它可以支持實時導(dǎo)航、定向、控制和安全功能。

圖 2：TiM 2D LiDAR 傳感器使用旋轉(zhuǎn)鏡和激光脈沖來生成周圍環(huán)境圖像，每秒最多可更新 15 次。（圖片來源：SICK）

TiM 2D LiDAR 傳感器可探測到所要監(jiān)控的指定區(qū)域（場）內(nèi)的物體。根據(jù)型號的不同，掃描范圍可達(dá) 25 米，工作范圍可達(dá) 270°。

激光器返回的脈沖數(shù)據(jù)采用高分辨率距離測量 (HDDM) 或 HDDM+ 技術(shù)進(jìn)行處理。HDDM 可在短距離內(nèi)實現(xiàn)極高的測量精度，適用于像對接操作之類應(yīng)用中的精細(xì)定位。HDDM+ 對邊緣反射的處理能力特別強(qiáng)，因此最適合動態(tài)環(huán)境中的定位和防碰撞應(yīng)用。

在這兩種情況下，獲得專利的 HDDM/HDDM+ 多脈沖技術(shù)使得 TiM 2D LiDAR 傳感器能夠無間隙地探測整個掃描范圍，確保穩(wěn)定的測量精度，并且能夠處理不同的表面和折射因子。

TiM1xx、TiM3xx 和 TiM7xx 型器件可檢測對象是否在預(yù)定義的區(qū)域中。16 個區(qū)域組，每個組有 3 個預(yù)先配置的區(qū)域，支持在運(yùn)行過程中快速調(diào)整（圖 3）。可以指定單個區(qū)域的幾何形狀，也可以為靜態(tài)輪廓監(jiān)測定義參考輪廓區(qū)域。還可以定義數(shù)字篩選條件、遮蔽區(qū)域和響應(yīng)時間，即使在大雨、大雪或灰塵的情況下也能最大限度地提高性能。

圖 3：TiM 2D LiDAR 傳感器中的區(qū)域組由三個預(yù)先配置的區(qū)域組成。（圖片來源：SICK）

可提供區(qū)域評估數(shù)據(jù)或區(qū)域評估和測量數(shù)據(jù)的型號。區(qū)域評估傳感器只能確定物體是否存在，而區(qū)域評估和測量數(shù)據(jù)則可用于提供掃描表面的準(zhǔn)確圖像。

除距離數(shù)據(jù)外，TiM 2D LiDAR 傳感器還可提供角度數(shù)據(jù)和接收信號強(qiáng)度指示 (RSSI) 輸出。這一擴(kuò)展數(shù)據(jù)集尤其有助于 AMR 在不斷變化的環(huán)境中避撞和導(dǎo)航。

安全 LiDAR ，增加第一道保護(hù)層

TiM 2D LiDAR 系列擁有與安全相關(guān)的變型 TiM361S（區(qū)域評估）和 TiM781S（區(qū)域評估和測量數(shù)據(jù)輸出），符合 PLb 的要求，可用于固定和移動應(yīng)用。在工業(yè)協(xié)作機(jī)器人的出入監(jiān)控以及 AMR 和 AGV 等移動平臺上，它們可用于個人保護(hù)。

• [TIM361S-2134101] 類型（型號 1090608）適合室內(nèi)使用，探測范圍 0.05 至 10 米，采用 HDDM 技術(shù)。
• [TIM781S-2174104] 類型（型號 1096363）也適合室內(nèi)使用，探測距離為 0.05 至 25 米，采用 HDDM+ 技術(shù)。

簡化整合

TiM 2D LiDAR 傳感器旨在簡化整合。外殼防護(hù)等級高至 IP67，灰塵和濕氣都無法進(jìn)入。它們對高達(dá) 80,000 lx 的明亮環(huán)境有很強(qiáng)的免疫力。其堅固耐用的設(shè)計符合 IEC 60068-2-6 的抗震要求和 IEC 60068-2-27 的抗沖擊要求。必要時，還可為保護(hù)板增加阻尼固定裝置來增強(qiáng)其堅固性。

TiM 2D LiDAR 傳感器設(shè)計緊湊、重量輕、功耗低，非常適合移動平臺。TIM361S-2134101 類型和 TIM781S-2174104 類型的重量都只有 250 克，典型功耗為 4 W，尺寸為長 60 mm x 寬 60 mm x 高 86 mm。

安全控制器再添另一重保障

LiDAR 激光掃描儀可探測危險并發(fā)出警報，而模塊化安全控制器則可為保護(hù)系統(tǒng)增加另一層安全。例如，F(xiàn)lexi Soft 安全控制器就是一個模塊化系統(tǒng)，可連接各種傳感器和開關(guān)元件，包括激光掃描儀。根據(jù) IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)，它被評為 SIL3 級；根據(jù) ISO 13849 標(biāo)準(zhǔn)，它被評為 PLe 級，PFHd 為 1.07 x 10- ^9^ 。

一個基本系統(tǒng)至少由兩個模塊組成（圖 4）：

1. CPU0（如 [1043783] 型號）是中央邏輯單元，用于分析和評估來自 LiDAR 等傳感器的信號，從而分擔(dān)了中央機(jī)器控制器的安全分析工作。CPU0 的輸出端與更高級別的機(jī)器控制裝置（如可編程邏輯控制器 (PLC)）相連，并在通過控制器實現(xiàn)安全功能。
2. 將激光掃描儀連接到系統(tǒng)需要 XTIO I/O 擴(kuò)展模塊，如 [1044125] 型號。每兩臺激光掃描儀需要一個 XTIO I/O 擴(kuò)展模塊，因為每臺激光掃描儀使用三個開關(guān)輸入。控制器最多可操作 12 個 I/O 模塊。

圖 4：Flexi Soft 安全控制器系統(tǒng)由一個 CPU 模塊 (1) 和一個或多個 I/O 模塊 (2) 組成。（圖片來源：SICK）

發(fā)生了什么？

安全系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)是分析和了解任何故障根本原因的能力，也就是能夠回答“發(fā)生了什么導(dǎo)致安全激光掃描儀觸發(fā)？”這個問題。SICK 的 EventCam 事件相機(jī)專門用于檢測和分析工業(yè)環(huán)境中的偶發(fā)故障。

EventCam 自帶光學(xué)、照明、電子和存儲裝置，可整合到移動或固定系統(tǒng)中。鑄鋁外殼的防護(hù)等級為 IP65，可安裝在各種不同的位置。EventCam 可連接到像安全控制器這樣的自動化系統(tǒng)或直接連接到傳感器。

一旦報告了錯誤，EventCam 就會開始存儲單幀或視頻序列。內(nèi)部邊寫邊擦存儲器最多可存儲事件發(fā)生前 240 秒和事件發(fā)生后 100 秒的內(nèi)容。在高清 (HD) 模式下，它最多可記錄前 25 秒和后 15 秒。視頻幀率 (fps) 從 13 到 65 不等，具體取決于所需的分辨率。

EventCam 在調(diào)試新機(jī)器或流程時也很有用。它可以監(jiān)控?zé)o監(jiān)督試運(yùn)行，如多小時或多天的連續(xù)試驗，并快速識別錯誤源。多個 EventCams 可以監(jiān)控一個流程，同時從多個角度提供可視信息，以便對錯誤進(jìn)行更深入、更全面的分析（圖 5）。

圖 5：可以同步多個 EventCams，從多個角度同時記錄單個事件。（圖片來源：SICK）

EventCam 有兩種變型。[1102028] 型號的工作范圍為 0.4 米至 0.6 米，適用于保護(hù)空間相對較小的固定式協(xié)作機(jī)器人。[1093139 型號的工作范圍為 0.8 至 6 米，可適應(yīng)較大的協(xié)作機(jī)器人、AMR 和 AGV 的較大保護(hù)空間。

結(jié)語

2D LiDAR 傳感器（如 SICK 的 TiM 系列）可為協(xié)作機(jī)器人、AMR、AGV 和類似機(jī)器的安全系統(tǒng)提供第一道防線。它們提供了一系列保護(hù)區(qū)域，以監(jiān)控人員的接近。安全控制器可增加另一層保護(hù)，能支持入侵分析并提高系統(tǒng)性能。最后，可以使用一個或多個 EventCams 相機(jī)監(jiān)控主要 2D LiDAR 傳感器，幫助確定任何偶發(fā)跳斷的根本原因。

審核編輯 黃宇