Mise robotů v neformálním prostředí pokračuje. Poděkujte měření a komunikaci

Technologický pokrok umožnil vznik důmyslnějších robotů s relativně nízkými náklady. Z vyhledávaných možností cenově dostupné automatizace tak mohou těžit firmy všech velikostí.

Roboty, které dokážou usnadnit práci, oslovují rovněž spotřebitele. Jedná se např. o autonomní vysavače nebo sekačky na trávu. S rostoucím počtem aplikací a také jejich rozmanitostí dnes již roboty nepracují výhradně ve střežených zónách tak jako dříve, ale pohybují se i společně mezi lidmi. Uplatní se při nesení nákladu, jako spolupracovníci nebo pomocníci v domácnosti a někdy se ujímají rovněž úkolů, které jsou nebezpečné či fyzicky náročné.

Aby však mohly své úkoly provádět efektivně a neohrozit přitom člověka, musí vědět o své poloze. K tomu slouží nejrůznější snímače.

Pohyb v náročném prostředí

Mobilní roboty, jako jsou autonomní vysavače nebo osobní asistenti, si v domácím prostředí potřebují uvědomovat svou pozici, takže naleznou správný směr i navzdory nepořádku, vyhnou se překážkám a vše přitom vykonají efektivně. Prostor, ve kterém žijeme, bývá velmi individuální a často i originální. Jedná se o místnosti nepravidelných tvarů či velikostí, různé úrovně, schody, šikmé plochy, odlišné materiály na podlaze a tak bychom mohli pokračovat ještě hodně dlouho. Od autonomního vysavače se např. očekává, že všechna daná místa náležitě uklidí. Musí přitom rozpoznat konkrétní podlahovou krytinu a automaticky tomu přizpůsobit i způsob jejího čištění, zatímco se dále vyhne nebezpečím, třeba schodům, stejně jako kolizím s lidmi či zvířaty. Robot se také musí přesně strefit do dokovací stanice, aby byl při nabíjení zajištěn patřičný elektrický kontakt. Pro bezchybnou funkci, stejně jako za účelem bezpečnosti je klíčové sledovat přiblížení.

V prostředí továren hrají roboty ústřední roli při výrobě, manipulaci s materiálem a řízení kvality. K tomu, aby dokázaly bezpečně pracovat bok po boku s člověkem nebo i další technikou, potřebují přesně znát svou pozici. Některé roboty jsou navržené k intenzivní spolupráci s lidmi, a pokud nezabráníme nebezpečnému kontaktu nebo jej alespoň nezmírníme, mohou způsobit nepříjemnosti nebo i zranění. Zmíněná preventivní opatření skloňují systémy vidění a detekci přiblížení nebo i dotyku, příp. kombinaci všech tří. Jakmile tyto skupiny senzorů zaznamenají přítomnost člověka, může robot zareagovat tím, že zpomalí svůj pohyb nebo se úplně zastaví a zabrání přitom kolizi či neštěstí. Někdy se rovněž definují bezpečnostní zóny, kde v případě přítomnosti člověka probíhá činnost se sníženou rychlostí a lze tak zaručit neškodný kontakt.

V případě AGV (autonomous guided vehicle) používaných k přepravě materiálu, montážím nebo balení zboží ve výrobním podniku bude zapotřebí navigace, se kterou zajistíme, že robot dokončí svou misi. V rozsáhlých prostorách uvnitř budov to zajistíme díky satelitnímu určování polohy (GNSS) nebo s přispěním dalších metod, jako jsou UWB (ultra-wideband) či Bluetooth^® vf majáky (beacony). Podobně vídáme i na ulicích měst autonomní doručovatelské roboty, které k navigaci do cíle využijí GNSS (obr. 1).

Obr. 1  Od doručovacích robotů se očekává, že si budou ve městech počínat bezpečně, předcházet nebezpečí a také kolizím a při plnění svých úkolů těžit i z navigace nebo komunikačních dovedností (zdroj: Dmitri/stock.adobe.com)

avigace je sice důležitá, nicméně pro zajištění bezpečnosti je důležité umět se vyhnout i kolizím. Mobilní doručovací roboty musí umět rozpoznat chodce, stejně jako rychle se pohybující objekty, např. auta, když pak budou přejíždět přes cestu. V továrnách či velkoskladech se mobilní roboty setkávají s pohyblivými nebo i nehybnými předměty, které opět představují nebezpečí srážky. Napevno instalované stojany nebo i regály jsou ve skladech zcela běžné, přičemž se mohou robotu do cesty dočasně postavit i jiné věci – paleta, zásobník apod. V továrně pak obvykle najdeme strojní vybavení, pracovní stanice či montážní linky. Uvnitř budov se také nachází různé podpěry či sloupky, zejména pak u velkých zařízení. Roboty musí takové objekty či konstrukce umět zaznamenat a dokázat okolo nich spolehlivě i manévrovat.

Detekce přiblížení a mapování scény

K detekci překážek se na pozici senzoru běžně používá technologie lidaru (light detection and ranging). Snímače zde použijí pulsní laser a odražené signály analyzují s cílem spočítat vzdálenost k předmětům v blízkém okolí. Vychází se přitom z rychlosti světla a doby potřebné k cestě tam i zpět. Data z lidaru pomohou robotům s mapováním okolí, plánováním cesty, detekcí dopravních signálů a také předvídáním dynamických změn okolního prostředí. Pokud jsou mobilní roboty těmito snímači vybavené, budou si stále na vysoké úrovni uvědomovat svou pozici a v pořádku cestovat spletitým prostředím, vyhýbat se zábranám a reagovat i na lidi nebo další objekty okolo sebe. Bez toho se neobejde celá řada aplikací – od autonomních vozidel až po roboty ve skladě či průmyslovou automatizaci. Moduly lidaru, jako je např. senzor MicroLiDAR^® pro skenování SF45/B (LightWare), zjednoduší integraci jak u autonomních pozemních vozidel, tak i dronů (obr. 2).

Obr. 2  Malé a lehké moduly lidaru navržené speciálně pro mobilní aplikace, jako je i SF45/B (LightWare), pomohou předejít srážce, detekovat překážky a sledovat okolní terén (zdroj: Mouser Electronics)

Alternativou k lidarům se stávají čidla ToF (time-of-flight). Senzory zde použijí modulované zdroje infračerveného záření a na základě analýzy vracejícího se signálu spočítají vzdálenost. Vícezónové snímače ToF slibují dosah až několik stovek centimetrů a s přispěním technologií „point-cloud“ dokážou ve třech rozměrech precizně mapovat zorné pole.

K zaznamenání předmětů v blízkém okolí nebo na přímou viditelnost slouží i jiné snímače, ultrazvukové nebo infračervené vysílače – přijímače. Čidla umístěná na přední straně nebo i po boku AGV sledující fyzický kontakt dokážou navíc spustit reakci na vzniklou situaci, takže se dopravní prostředek zastaví nebo vydá jiným směrem.

Ale nejen to. Kamery nebo systémy počítačového vidění umí překážky rozeznat a dále je sledovat vizuálně. Hodit se budou zejména při rozpoznávání drobných či nepravidelně tvarovaných předmětů, které nelze jednoduše odhalit jinými čidly. V případě AGV lze rovněž používat kodéry či senzory, které na otáčejících se kolech počítají ujetou vzdálenost. Využijí se také k detekci překážky, to když se kola setkají s nečekaným odporem, což bude i podnětem k zastavení AGV nebo změně jeho kurzu.

Zkvalitnit lokalizaci a povědomí o své pozici mobilním robotům pomáhají též inerciální snímače MEMS (microelectromechanical system). Jsou drobné, přesné, s nízkou spotřebou energie a relativně levné, takže se po technické stránce v návrhu použijí snadno a s minimem nákladů. Snímače typu akcelerometrů a gyroskopů zaznamenají změny, pokud jde o zrychlení či úhlovou rychlost a sledují přitom pohyb v různých osách, včetně změny orientace. Magnetometr tak dále činí s ohledem na magnetické pole Země (sever).

Inerciální senzory dostaneme samostatně nebo jako kombinaci obvodů typu elektronického kompasu, který obsahuje magnetometr a tříosý akcelerometr. K dispozici jsou i kompletní integrované IMU (inertial measurement unit) zahrnující různé kombinace součástek, takže lze nabízet i výhody v podobě správné vzájemné pozice snímačů, tovární kalibrace a konečně též jednoduššího zapojení. IMU ADIS16550 od firmy Analog Devices (obr. 3) obsahuje kupříkladu tříosý akcelerometr a stejně tak i gyroskop, což umožňuje měření celkem v šesti osách či stupních volnosti (6 DoF).

Obr. 3  Inerciální snímač ADIS16550 od ADI se šesti stupni volnosti (zdroj: Mouser Electronics)

Na základě informací ze zmíněných senzorů může mobilní robot dovodit svůj pohyb, orientaci a také změny polohy v reálném čase. Zkvalitňuje se tím navigace a mapování, zvláště pak v případě, kdy dochází k narušení satelitního signálu nebo není kvůli městské zástavbě, vnitřním prostorám či oblastem s překážkami bránícími jeho dalšímu šíření dostupný vůbec. Inerciální snímače jsou rovněž klíčové pro udržení precizního řízení pohybu robota.

Dalším důležitým předpokladem k tomu, aby robot dokázal pracovat autonomně a koordinovaně i s dalšími zařízeními nebo senzory v rámci daného prostředí, stejně jako podnikových systémů se stává bezdrátová komunikace. Doručovací roboty se mohou např. stát součástí městského prostředí V2X (vehicle-to-everything), kde komunikují s dopravním značením a dalšími vozidly s cílem podílet se do určité míry na optimalizaci dopravního provozu a minimalizovat přitom riziko zácpy. Díky komunikaci s dispečerem, podobně jako i dalšími roboty či přepravními středisky lze zaručit, že balíky úspěšně dorazí do svého cíle.

Jinak tomu není ani v případě robotů používaných v zemědělství, které obdrží mapy pole a zkoordinují svůj pohyb s dalšími stroji, takže lze optimalizovat pokrytí a minimalizovat přesah, pokud jde o výsadbu, sklizeň či postřiky. Pro účely „exaktního zemědělství“ přichází v úvahu i sdílení dat z čidel, např. půdních senzorů.

Vzájemná komunikace mezi stroji v továrnách zase umožní AGV řídit jejich aktivity v reálném čase, rozdělovat mezi nimi úkoly a přispívat k optimalizaci dodávek materiálu ve všech částech podniku.

V závislosti na aplikaci a konkrétním prostředí mohou vhodné standardy ve městech zahrnovat mobilní připojení či Wi-Fi^®, resp. LPWAN někde na venkově, kde je zapotřebí bezdrátově komunikovat na delší vzdálenosti. Distributor, společnost Mouser Electronics, má k dispozici celou řadu komunikačních modulů s podporou těchto populárních standardů. Jedná se např. o řešení modulů IoT od Amphenol MCP pokrývající standardy typu LTE, LoRa^®, Wi-Fi nebo Bluetooth a zajišťující různá rozhraní pro snadnou integraci do systému.

Pokud zmíněné snímače použijeme společně s řídicími systémy a pokročilým softwarem, dokážou mobilní roboty pracující v neformálním prostředí účinně detekovat překážky a zabránit kolizím s předměty, které se jim postaví do cesty. V továrnách, ale i skladech to pomůže zajistit bezpečnou a také účinnou navigaci. Výběr snímačů závisí často na konkrétní aplikaci a typu překážek, se kterými se v daném prostředí běžně setkáme.

Závěr

V prostředí, kde mobilní roboty plní svou roli, stojí na prvním místě bezpečnost. Při předcházení kolizím a zmírňování rizik se neobejdeme bez precizní znalosti pozice. Bez toho by roboty představovaly výrazné nebezpečí pro lidi v domovech, továrnách, ale i na ulicích. Díky zapracování vhodného souboru čidel se však mohou roboty za účelem bezpečné a efektivní navigace rozhodovat v reálném čase, zatímco budou reagovat na člověka i okolní prostředí. Povědomí o své pozici neznamená jen větší výkonnost a lepší funkce, ale je rovněž zárukou bezpečného a harmonického soužití s lidmi na jednom místě za druhým.

www.mouser.com