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(dòng)機(jī)器人 (AMR) 和自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 時(shí)，安全至關(guān)重要。這是一個(gè)復(fù)雜、多維的系統(tǒng)，

需要根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 13849、國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 62061 和 IEC 61800-5-2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)器移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(jì)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(gè)分層的安全圍護(hù)結(jié)構(gòu)，涉及從最初的物體檢測(cè)和接近警告，到識(shí)別物體何時(shí)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域并停止機(jī)器等多個(gè)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(shí)，高效、快速的故障分析是一個(gè)重要的考慮因素。這就需要第二個(gè)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)主傳感器的保護(hù)區(qū)域。

本文首先簡(jiǎn)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(cè)和測(cè)距 (LiDAR) 安全激光掃描儀的基礎(chǔ)知識(shí)。然后，深入探討了如何實(shí)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(duì) 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(duì)保護(hù)區(qū)域意外中斷進(jìn)行故障分析。其間會(huì)介紹來(lái)自 [SICK] 的實(shí)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(duì)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(dòng)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(jì)和開發(fā)可調(diào)速驅(qū)動(dòng)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(jí) (SIL) 來(lái)定義安全要求，而 ISO 13849 則定義了所需的性能等級(jí) (PL r )。

ISO 13849 和 IEC 61508 基于每小時(shí)危險(xiǎn)故障概率 ( PFHd ) 概念。ISO 13849 功能安全分析考慮三個(gè)因素：可能造成傷害的嚴(yán)重程度、危險(xiǎn)發(fā)生的頻率或暴露程度以及限制危險(xiǎn)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(xiǎn)的頻率和/或暴露程度
  • F1：幾乎不到很少和/或暴露時(shí)間短
  • F2：頻繁到持續(xù)和/或曝露時(shí)間長(zhǎng)
• 避免危險(xiǎn)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(jí)別和 IEC 62061 中對(duì)應(yīng) SIL 等級(jí)的推導(dǎo)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都基于每小時(shí)危險(xiǎn)故障 (PFH d ) 的概念。（圖片來(lái)源：SICK）

LiDAR 工作方式？

在個(gè)人防護(hù)應(yīng)用中使用 2D LiDAR 安全傳感器需要通過(guò) 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(hào)。2D LiDAR 傳感器利用光學(xué)飛行時(shí)間 (ToF) 技術(shù)掃描周圍環(huán)境。ToF 是通過(guò)使用旋轉(zhuǎn)鏡發(fā)送激光脈沖并檢測(cè)反射光來(lái)實(shí)現(xiàn)的。反射光到達(dá)傳感器的時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明物體距離越遠(yuǎn)。

時(shí)間測(cè)量與返回信號(hào)的強(qiáng)度相結(jié)合，能夠讓傳感器以毫米級(jí)精度計(jì)算多個(gè)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(shí)時(shí)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(lái)生成周圍環(huán)境圖像，每秒最多可更新 15 次。（圖片來(lái)源：SICK）

TiM 2D LiDAR 傳感器可探測(cè)到所要監(jiān)控的指定區(qū)域（場(chǎng)）內(nèi)的物體。根據(jù)型號(hào)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(cè)量 (HDDM) 或 HDDM+ 技術(shù)進(jìn)行處理。HDDM 可在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高的測(cè)量精度，適用于像對(duì)接操作之類應(yīng)用中的精細(xì)定位。HDDM+ 對(duì)邊緣反射的處理能力特別強(qiáng)，因此最適合動(dòng)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(wú)間隙地探測(cè)整個(gè)掃描范圍，確保穩(wěn)定的測(cè)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(cè)對(duì)象是否在預(yù)定義的區(qū)域中。16 個(gè)區(qū)域組，每個(gè)組有 3 個(gè)預(yù)先配置的區(qū)域，支持在運(yùn)行過(guò)程中快速調(diào)整（圖 3）?？梢灾付▎蝹€(gè)區(qū)域的幾何形狀，也可以為靜態(tài)輪廓監(jiān)測(cè)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(shí)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(gè)預(yù)先配置的區(qū)域組成。（圖片來(lái)源：SICK）

可提供區(qū)域評(píng)估數(shù)據(jù)或區(qū)域評(píng)估和測(cè)量數(shù)據(jù)的型號(hào)。區(qū)域評(píng)估傳感器只能確定物體是否存在，而區(qū)域評(píng)估和測(cè)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(hào)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(píng)估）和 TiM781S（區(qū)域評(píng)估和測(cè)量數(shù)據(jù)輸出），符合 PLb 的要求，可用于固定和移動(dòng)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(dòng)平臺(tái)上，它們可用于個(gè)人保護(hù)。

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

簡(jiǎn)化整合

TiM 2D LiDAR 傳感器旨在簡(jiǎn)化整合。外殼防護(hù)等級(jí)高至 IP67，灰塵和濕氣都無(wú)法進(jìn)入。它們對(duì)高達(dá) 80,000 lx 的明亮環(huán)境有很強(qiáng)的免疫力。其堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)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(shí)，還可為保護(hù)板增加阻尼固定裝置來(lái)增強(qiáng)其堅(jiān)固性。

TiM 2D LiDAR 傳感器設(shè)計(jì)緊湊、重量輕、功耗低，非常適合移動(dòng)平臺(tái)。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(zhǎng) 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(cè)危險(xiǎn)并發(fā)出警報(bào)，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(gè)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(píng)為 SIL3 級(jí)；根據(jù) ISO 13849 標(biāo)準(zhǔn)，它被評(píng)為 PLe 級(jí)，PFHd 為 1.07 x 10- ^9^ 。

一個(gè)基本系統(tǒng)至少由兩個(gè)模塊組成（圖 4）：

1. CPU0（如 [1043783] 型號(hào)）是中央邏輯單元，用于分析和評(píng)估來(lái)自 LiDAR 等傳感器的信號(hào)，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(jí)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(guò)控制器實(shí)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(hào)。每?jī)膳_(tái)激光掃描儀需要一個(gè) XTIO I/O 擴(kuò)展模塊，因?yàn)槊颗_(tái)激光掃描儀使用三個(gè)開關(guān)輸入?？刂破髯疃嗫刹僮?12 個(gè) I/O 模塊。

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

發(fā)生了什么？

安全系統(tǒng)的一個(gè)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(gè)問(wèn)題。SICK 的 EventCam 事件相機(jī)專門用于檢測(cè)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(chǔ)裝置，可整合到移動(dòng)或固定系統(tǒng)中。鑄鋁外殼的防護(hù)等級(jí)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(dòng)化系統(tǒng)或直接連接到傳感器。

一旦報(bào)告了錯(cuò)誤，EventCam 就會(huì)開始存儲(chǔ)單幀或視頻序列。內(nèi)部邊寫邊擦存儲(chǔ)器最多可存儲(chǔ)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(shí)也很有用。它可以監(jiān)控?zé)o監(jiān)督試運(yùn)行，如多小時(shí)或多天的連續(xù)試驗(yàn)，并快速識(shí)別錯(cuò)誤源。多個(gè) EventCams 可以監(jiān)控一個(gè)流程，同時(shí)從多個(gè)角度提供可視信息，以便對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行更深入、更全面的分析（圖 5）。

圖 5：可以同步多個(gè) EventCams，從多個(gè)角度同時(shí)記錄單個(gè)事件。（圖片來(lái)源：SICK）

EventCam 有兩種變型。[1102028] 型號(hào)的工作范圍為 0.4 米至 0.6 米，適用于保護(hù)空間相對(duì)較小的固定式協(xié)作機(jī)器人。[1093139 型號(hào)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(yǔ)

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(gè)或多個(gè) 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