Soorten autonome mobiele robots en toepassingen

Autonome mobiele robots (AMR's) worden in vele industrieën gebruikt in een groeiende verscheidenheid van logistieke toepassingen. In tegenstelling tot vaste materiaaltransportsystemen zoals transportbanden, kunnen AMR's onbeperkt rondrijden op een faciliteit volgens een vaste route. Dankzij hun draadloze communicatie en boordnavigatiesystemen kunnen ze opdrachten ontvangen over waar ze nu heen moeten. AMR's kunnen naar de gevraagde locatie navigeren zonder geprogrammeerd te zijn en kunnen zelfs een alternatief pad vinden als er een obstakel wordt gevonden. AMR's kunnen magazijnoperaties, productieprocessen en workflows efficiënter en productiever maken door taken uit te voeren die geen toegevoegde waarde hebben, zoals het vervoeren, ophalen en afleveren van materialen, zodat mensen meer tijd hebben voor complexe taken die waarde toevoegen. Hoewel het een relatief jonge technologie is, hebben AMR's zich al vertakt in vele verschillende varianten, die elk zijn geoptimaliseerd om een specifiek soort taak uit te voeren.

In dit artikel worden traditionele mobiliteitsoplossingen, zoals transportsystemen en automatisch geleide voertuigen (AGV's), vergeleken met AMR's. Er wordt gekeken naar de voordelen van het gebruik van AMR's en hoe de proliferatie van AMR-ontwerpen het nut ervan uitbreidt. Er wordt ingegaan op de software-integratie van AMR-vloten met andere systemen, waaronder precisienavigatiemogelijkheden, de mogelijke gevolgen van AMR's voor de veiligheid van werknemers, en hoe vloten van AMR's kunnen worden beheerd en gesimuleerd. Ten slotte wordt in dit artikel kort besproken hoe routine-onderhoud de levensduur van AMR's kan maximaliseren, potentiële problemen kan opsporen voordat deze leiden tot ongeplande uitvaltijd, en kan helpen bij het proactief plannen van reparaties en het vervangen van onderdelen op basis van geplande shutdowns en andere operationele overwegingen.

AGV's kunnen materiaal op een specifieke plaats afleveren met meer flexibiliteit dan een transportbandsysteem, maar zijn veel minder flexibel dan AMR's. Net als transportbanden, hebben AGV's een vaste route. Maar met AGV's kan de route gemakkelijker en sneller worden aangepast dan met transportsystemen. AMR's kunnen samenwerken met mensen, bieden veel meer flexibiliteit, en vinden de meest efficiënte route om een specifieke taak te volbrengen. Als een AMR een obstakel tegenkomt, kan hij zijn koers dienovereenkomstig wijzigen en zijn bestemming vervolgen. Als een AGV een obstakel tegenkomt, stopt hij en heeft hij hulp nodig voordat hij verder kan rijden op zijn vooraf toegewezen route (figuur 1). AMR's maken gebruik van een combinatie van on-board en gecentraliseerde rekenkracht en gesofisticeerde sensoren om hun omgeving te interpreteren en te navigeren rond vaste obstakels zoals rekken en werkstations en variabele obstakels zoals vorkheftrucks, mensen, AGV's, en andere AMR's.

Afbeelding 1: Wanneer een AMR een obstakel nadert (links), kan hij er zelfstandig omheen navigeren. Wanneer een AGV een obstakel nadert (rechts), stopt hij tot hulp arriveert. (Bron afbeelding: Omron)

De Integration Toolkit (ITK) is de interface van Omron die een gecentraliseerde integratie mogelijk maakt tussen de AMR's en client applicatiesoftware, zoals een MES-systeem (manufacturing execution system) of een WMS-systeem (warehouse management system). Zo kunnen AMR's bijvoorbeeld worden geïntegreerd met de controlesystemen van het magazijn in een magazijn- en distributiecentrumomgeving, waardoor de AMR's meer flexibiliteit krijgen om hun routes tussen locaties binnen een faciliteit te creëren. Het resultaat is een robot die veel beter in staat is om met mensen samen te werken in de dynamische omgeving van de meeste orderverwerkings- en magazijnoperaties.

Een AMR kan ook werken als een AGV

Voor sommige AMR-toepassingen, zoals materiaaltoevoer naar transportbanden, toevoerapparaten en testbanken, moet de robot op een specifieke plaats stoppen met een hoge nauwkeurigheid en herhaalbaarheid. Vlootbeheerders die AMR's van Omron gebruiken, kunnen kiezen uit twee zeer nauwkeurige positioneringssystemen: het CAPS-systeem (Cell Alignment Positioning System) en het HAPS-systeem (High Accuracy Positioning System). CAPS of HAPS kunnen de precisie van de doelaankomst verbeteren van ongeveer ±100 mm tot ±8 mm. De belangrijkste veiligheidsscanninglaser aan de voorzijde van de AMR wordt door de CAPS-technologie gebruikt om een doellocatie te detecteren en de AMR in staat te stellen zich met grote nauwkeurigheid naar die locatie te begeven.

HAPS-technologie kan zich ook consequent en met grotere precisie door een bepaalde ruimte bewegen en/of precies stoppen bij een vooraf bepaald doel, maar met een twist. Met behulp van HAPS kan de AMR magneetband (mag tape) op de vloer volgen om naar een doel te navigeren, vergelijkbaar met een AGV. Een HAPS-sensor onder de AMR wordt gebruikt om soepel over te schakelen van volledig autonome modus naar het door de magneetband bepaalde pad. De AMR gebruikt vervolgens een combinatie van sensoren aan boord en vloermarkeringen om nauwkeurig te navigeren en op specifieke locaties te stoppen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Omron CAPS (links) maakt gebruik van de AMR-laserscanner aan de voorzijde in combinatie met autonome navigatie om met hoge precisie een doellocatie te lokaliseren en te bereiken. HAPS (rechts) gebruikt een combinatie van markers zoals magneetband en sensoren aan boord om naar specifieke gebieden te navigeren en daar te stoppen. (Bron afbeelding: Omron)

Wanneer een Omron AMR in HAPS-modus werkt, kan deze op elk punt een magneetbandpad betreden en verlaten. Daardoor kan de AMR soepel overgaan van natuurlijke kenmerken en autonome navigatie naar AGV-achtige magneetbandgeleiding. Als hij is uitgerust met HAPS-sensoren voor en achter, kan de AMR nauwkeurig achteruit en vooruit bewegen langs het magneetbandpad.

Het AMR-systeem van Omron kan door ontwikkelaars, integrators en eindgebruikers worden aangepast voor diverse payloads en taken (Afbeelding 3). Naast de door ITK ondersteunde integratiemogelijkheden voor voorzieningen, vergroot de combinatie van CAPS en HAPS de mogelijkheden van deze AMR's wanneer nauwkeurige en herhaalbare plaatsbepaling nodig is en opent zij nieuwe toepassingen zoals:

• Levering van karren vol met materiaal
• Inventariscontrole in detailhandelszaken
• Beveiligde koerierrobots om items aan hotelgasten of hoogwaardige componenten aan werkstations te leveren
• Ontsmetting van openbare ruimten
• Aangepaste samenwerkende AMR's
• Bovenkanten van transportbanden
• Levering van zware voorwerpen tot 1.500 kg

Afbeelding 3: AMR's zijn verkrijgbaar in diverse configuraties die zijn geoptimaliseerd voor het uitvoeren van specifieke taken. (Bron afbeelding: Omron)

Veilig robotten

Veilig gebruik is verplicht voor AMR's. Voorbeelden van standaardveiligheidssensoren zijn sonar aan de achterzijde en lasers aan de voorzijde voor obstakeldetectie, een sensor in de voorbumper om de AMR tot stilstand te brengen als hij een voorwerp raakt, en lichtschijven om mensen in de buurt te waarschuwen dat de AMR in werking is (figuur 4). Optionele sensoren kunnen worden toegevoegd voor specifieke vereisten, zoals het identificeren van uitstekende of hangende obstructies. AMR's moeten voldoen aan diverse nationale en internationale veiligheidsvoorschriften, zoals EN 1525 (Veiligheid van industriële trucks, bestuurdersloze trucks en hun systemen), ANSI 56.5:2012 (Veiligheidsnorm voor bestuurdersloze, automatisch geleide industriële voertuigen en geautomatiseerde functies van bemande industriële voertuigen), en JIS D 6802:1997 (Automatisch geleide voertuigsystemen - Algemene regels voor de veiligheid).

Afbeelding 4: De AMR's van Omron voldoen aan de veiligheidsnormen ISO EN1525, JIS D6802 en ANSI B56.5, zijn voorzien van meerdere standaardsensoren voor de veiligheid en kunnen worden uitgerust met optionele sensoren voor meer veiligheid in specifieke toepassingsscenario's. (Bron afbeelding: Omron)

Veiligheidsbeoordelingen op systeemniveau

Voldoen aan diverse nationale en internationale normen is slechts het begin van AMR-veiligheid. AMR's zijn een evoluerende technologie. Ze worden steeds complexer en kunnen zwaardere ladingen vervoeren, waardoor nieuwe veiligheidsuitdagingen ontstaan. Om tegemoet te komen aan de veranderende veiligheidsproblemen met AMR's, biedt Omron een veiligheidsadviesdienst die assistentie biedt bij het ontwerp, risicobeoordeling, testen en valideren van AMR-implementaties. De nieuwe ISO-norm 3691-4 bevat bijvoorbeeld specifieke eisen voor de vrije ruimte tussen mobiele robots en andere structuren. De ondersteuning door Omron Safety Service-consultants omvat:

• Lay-out ontwerp review en zone-identificatie zoals vereist door ISO 3691-4
• Ontwerpberekeningen, vooral in toepassingen met veel verkeer of waar zware lasten worden verplaatst
• Testen en valideren van oplossingen ter plaatse

AMR-wagenparkbeheerder

Het is bijna ongehoord om een enkele AMR te gebruiken. Vloten van 100 AMR's zijn gebruikelijk, en Omron heeft een AMR-beheeroplossing die ingebouwde gegevensvastlegging, analyses en rapportage biedt om organisaties in staat te stellen de prestaties van het totale facilitaire bedrijf en de residente robotvloot te optimaliseren. Het Enterprise Manager 2100-netwerktoestel is een hardware- en softwareoplossing die is ontworpen om een vloot van AMR's te beheren (Afbeelding 5). De wachtrijbeheersoftware wordt gebruikt om te communiceren met de afzonderlijke AMR's; zij wijst taken toe aan elke AMR op basis van taakverzoeken van gebruikers of geautomatiseerde apparatuur.

Afbeelding 5. Het Omron 2100 Enterprise Manager netwerktoestel is ontworpen om vloten van maximaal 100 AMR's te beheren. (Bron afbeelding: Omron)

De Omron Fleet Operations Workspace (FLOW)-oplossing draait op de Enterprise Manager 2100 en biedt een intelligent vlootbeheersysteem dat de locaties van mobiele robots en de verkeersstroom bewaakt. De Enterprise Manager 2100 stelt gebruikers in staat AMR-configuraties te beheren en bij te werken. Het coördineert de interactie en beweging van AMR's, zodat elke robot de locatie en het pad kent van elke AMR in zijn omgeving. Door verschillende robotbeheertaken te automatiseren, vermindert FLOW-software de programmeringseisen voor MES-systemen (Manufacturing Execution Systems) en ERP-systemen (Enterprise Resource Planning). Kenmerken van FLOW zijn onder andere:

• Vlootintegratie-toolkit gebaseerd op industriestandaarden waaronder Restful, SQL, Rabbit MQ, en ARCL
• Prioritering van taken op basis van hun belang
• Identificatie en selectie van de snelste routes op basis van menselijk en robotverkeer
• Identificatie van geblokkeerde paden en toewijzing aan alternatieve routes
• Optimalisering van AMR-taakopdrachten
• Optimalisatie van acculaadschema's om de inzetbaarheid van de vloot te maximaliseren

Simulatie kan vloten van AMR's optimaliseren

Nog voordat de EM2100 netwerkappliance wordt ingezet voor vlootbeheer, stelt Fleet Simulator software gebruikers in staat om verkeer en werkstromen te plannen voor vloten van autonome mobiele robots en helpt mogelijke problemen te identificeren en op te lossen. AMR-lokalisatie, routeplanning, obstakelvermijding, taaksimulatie en vlootbeheer op basis van een kaart van de werkelijke faciliteit kunnen nauwkeurig worden gemodelleerd met behulp van de Fleet Simulator van Omron. Bovendien kunnen de simulaties worden gebruikt om de samenstelling van de AMR-vloot te optimaliseren en de verwerkingscapaciteit te voorspellen. Een EM2100 kan als Fleet Simulator worden geconfigureerd in de fabriek of met een software update in het veld.

Afbeelding 6: Omron-vlootsimulator draait op de 2100 Enterprise Manager-netwerkapparaat en kan een volledige vloot van heterogene AMR's optimaliseren voordat ze worden ingezet. (Bron afbeelding: Omron)

AMR-welzijn

Eenmaal in het veld wordt van AMR's verwacht dat zij vrijwel continu werken, en preventief onderhoud kan een cruciaal element zijn in een succesvolle inzet. Om aan deze behoefte te voldoen, biedt Omron Wellness Visits die regelmatige evaluaties van de conditie van individuele AMR's inhouden, waardoor onderhoud van tevoren kan worden ingepland en kostbare uitvaltijd tot een minimum wordt beperkt. Voordelen van Wellness Bezoeken zijn onder andere:

• Maximalisering van de levensduur van de AMR
• Handhaving van piekbedrijfsefficiëntie van AMR
• Geavanceerde identificatie van potentiële problemen, waardoor ongeplande uitvaltijd tot een minimum wordt beperkt
• Proactief plannen van reparaties en vervangen van onderdelen op basis van geplande shutdowns en andere operationele overwegingen

Samenvatting

AMR's worden gebruikt om magazijnoperaties, productieprocessen en workflows efficiënter en productiever te maken door materialen op te halen en af te leveren, zodat mensen zich kunnen wijden aan complexe taken die waarde toevoegen. Naarmate de verscheidenheid aan taken waarbij gebruik wordt gemaakt van AMR's is toegenomen, zijn nieuwe AMR-formaten ontwikkeld, waardoor het beheer van AMR-vloten gecompliceerder is geworden. Het beheer van vloten van AMR's begint met het simuleren van de interacties van AMR's in een synthetische omgeving voordat de vloot wordt gelanceerd. Zodra de vloot is ingezet, moeten de AMR's veilig, efficiënt en met minimale uitvaltijd werken. Er zijn gecentraliseerde hardware- en softwareapparaten beschikbaar die kunnen worden gebruikt om potentiële AMR-implementaties te simuleren en om de veilige, efficiënte en betrouwbare werking van AMR-vloten te controleren.