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如何選擇并整合多維安全系統來保護工人免受協作機器人傷害

海闊天空的專欄 ? 來源:Jeff Shepard ? 作者:Jeff Shepard ? 2025-01-25 16:49 ? 次閱讀

作者:Jeff Shepard

投稿人:DigiKey 北美編輯

2024-11-13

在工廠和物流設施中部署協作機器人、自主移動機器人 (AMR) 和自動導引車 (AGV) 時,安全至關重要。這是一個復雜、多維的系統,

需要根據國際標準化組織 (ISO) 13849、國際電工委員會 (IEC) 62061 和 IEC 61800-5-2 標準對機器移動進行監測和控制,而這些標準為控制系統 (SRP/CS) 安全相關部件的設計和整合原則提供了安全要求和指導。

要確保協作機器人、AMR、AGV 和類似設備的安全運行,通常需要建立一個分層的安全圍護結構,涉及從最初的物體檢測和接近警告,到識別物體何時進入危險區域并停止機器等多個領域。

模塊化安全控制器系統可增加另一層分析和保護功能。在處理保護區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測主傳感器的保護區域。

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

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合以提供額外層面的安全防護,以及使用事件相機對保護區域意外中斷進行故障分析。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系統(E/E/PE 或 E/E/PES)功能安全”標準的基礎標準,適用于所有行業。此外,還有針對特定行業和應用的分支和變體標準。

IEC 62061 “機械安全:電氣、電子和可編程電子控制系統的功能安全”是 IEC 61508 的機械專用變體標準。IEC 61800-5-2“可調速電力驅動系統 – 第 5-2 部分:安全要求 – 功能”也與 IEC 61508 有關,是設計和開發可調速驅動系統的標準。

ISO 13849 是獨立開發的,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:可能造成傷害的嚴重程度、危險發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):

  • 傷害嚴重程度
    • S1:輕微(通常是可逆轉的損傷)
    • S2:嚴重(通常為不可逆轉或死亡)
  • 發生危險的頻率和/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

ISO 13849 中 PLr 級別和 IEC 62061 中對應 SIL 等級的推導圖片圖 1:ISO 13849 中 PLr 級別和 IEC 62061 中對應 SIL 等級的推導。這兩個標準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?

在個人防護應用中使用 2D LiDAR 安全傳感器需要通過 ISO 13849 的 PLb 認證。[TiM 2D LiDAR 傳感器](系列包括符合這一要求的型號。2D LiDAR 傳感器利用光學飛行時間 (ToF) 技術掃描周圍環境。ToF 是通過使用旋轉鏡發送激光脈沖并檢測反射光來實現的。反射光到達傳感器的時間越長,說明物體距離越遠。

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

SICK TiM 2D LiDAR 傳感器圖片圖 2:TiM 2D LiDAR 傳感器使用旋轉鏡和激光脈沖來生成周圍環境圖像,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控的指定區域(場)內的物體。根據型號的不同,掃描范圍可達 25 米,工作范圍可達 270°。

激光器返回的脈沖數據采用高分辨率距離測量 (HDDM) 或 HDDM+ 技術進行處理。HDDM 可在短距離內實現極高的測量精度,適用于像對接操作之類應用中的精細定位。HDDM+ 對邊緣反射的處理能力特別強,因此最適合動態環境中的定位和防碰撞應用。

在這兩種情況下,獲得專利的 HDDM/HDDM+ 多脈沖技術使得 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定義的區域中。16 個區域組,每個組有 3 個預先配置的區域,支持在運行過程中快速調整(圖 3)。可以指定單個區域的幾何形狀,也可以為靜態輪廓監測定義參考輪廓區域。還可以定義數字篩選條件、遮蔽區域和響應時間,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。

SICK TiM 2D LiDAR 傳感器中的區域組圖片圖 3:TiM 2D LiDAR 傳感器中的區域組由三個預先配置的區域組成。(圖片來源:SICK)

可提供區域評估數據或區域評估和測量數據的型號。區域評估傳感器只能確定物體是否存在,而區域評估和測量數據則可用于提供掃描表面的準確圖像。

除距離數據外,TiM 2D LiDAR 傳感器還可提供角度數據和接收信號強度指示 (RSSI) 輸出。這一擴展數據集尤其有助于 AMR 在不斷變化的環境中避撞和導航。

安全 LiDAR ,增加第一道保護層

TiM 2D LiDAR 系列擁有與安全相關的變型 TiM361S(區域評估)和 TiM781S(區域評估和測量數據輸出),符合 PLb 的要求,可用于固定和移動應用。在工業協作機器人的出入監控以及 AMR 和 AGV 等移動平臺上,它們可用于個人保護。

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

簡化整合

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

TiM 2D LiDAR 傳感器設計緊湊、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出警報,而模塊化安全控制器則可為保護系統增加另一層安全。例如,Flexi Soft 安全控制器就是一個模塊化系統,可連接各種傳感器和開關元件,包括激光掃描儀。根據 IEC 61508 標準,它被評為 SIL3 級;根據 ISO 13849 標準,它被評為 PLe 級,PFHd 為 1.07 x 10- ^9^ 。

一個基本系統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,從而分擔了中央機器控制器的安全分析工作。CPU0 的輸出端與更高級別的機器控制裝置(如可編程邏輯控制器 (PLC))相連,并在通過控制器實現安全功能。
  2. 將激光掃描儀連接到系統需要 XTIO I/O 擴展模塊,如 [1044125] 型號。每兩臺激光掃描儀需要一個 XTIO I/O 擴展模塊,因為每臺激光掃描儀使用三個開關輸入。控制器最多可操作 12 個 I/O 模塊。

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

發生了什么?

安全系統的一個重要環節是分析和了解任何故障根本原因的能力,也就是能夠回答“發生了什么導致安全激光掃描儀觸發?”這個問題。SICK 的 EventCam 事件相機專門用于檢測和分析工業環境中的偶發故障。

EventCam 自帶光學、照明、電子和存儲裝置,可整合到移動或固定系統中。鑄鋁外殼的防護等級為 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。內部邊寫邊擦存儲器最多可存儲事件發生前 240 秒和事件發生后 100 秒的內容。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 在調試新機器或流程時也很有用。它可以監控無監督試運行,如多小時或多天的連續試驗,并快速識別錯誤源。多個 EventCams 可以監控一個流程,同時從多個角度提供可視信息,以便對錯誤進行更深入、更全面的分析(圖 5)。

可同步多個 EventCam 圖片圖 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,適用于保護空間相對較小的固定式協作機器人。[1093139 型號的工作范圍為 0.8 至 6 米,可適應較大的協作機器人、AMR 和 AGV 的較大保護空間。

結語

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

審核編輯 黃宇

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