感測器融合如何讓 AMR 在廠區中有效率地移動運作

人員搭配自主移動機器人 (AMR)，亦稱工業移動機器人 (IMR) 一起工作的情況越來越常見，因此有一些固有的安全風險必須加以考量。AMR 十分講究運作的安全性及效率，單靠一種感測器技術是不夠的。

多重感測器融合流程簡稱「感測器融合」，結合了雷射測距 (光達)、攝影機、超音波感測器、雷射障礙物感測器和無線射頻識別 (RFID) 等技術，以支援多種 AMR 功能，包括導航、路徑規劃、防撞、庫存管理與物流支援。感測器融合也包含提醒附近的人注意 AMR 的存在。

為了讓 AMR 安全高效率地運作，美國國家標準協會 (ANSI) 協同先進自動化協會 (A3)，即之前的機器人工業協會 (RIA)，正在制定 ANSI/A3 R15.08 系列標準。目前已發佈 R15.08-1 與 R15.08-2 標準，著重於基本安全要求及 AMR 的現場整合。R15.08-3 尚在研擬階段，將會擴大 AMR 的安全要求，包括對感測器融合的運用提供更詳細的建議。

在期待 R15.08-3 問世的同時，本文將回顧目前與 AMR 安全性與感測器融合相關的最佳實務。首先會簡單介紹 AMR 目前使用的功能安全性要求，包括通用工業安全標準 (例如 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 62061)，以及針對人體存在感測而制定的安全要求 (例如 IEC 61496 和 IEC 62998)。接著會介紹 AMR 的典型設計，詳細說明各種感測器技術，也會介紹代表性裝置，瞭解其如何支援各項功能，例如導航、路徑規劃、本地化、防撞和庫存管理／物流支援。

好、更好、最好

AMR 設計人員需考慮一系列安全標準，首先是 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 62061 等通用功能安全標準，還有就是與人體存在感測相關的明確安全標準，例如 IEC 61496、IEC 62998 和 ANSI/A3 R15.08 系列標準。

IEC 61496 可針對幾種感測器類型提供指引。其參照 IEC 62061 標準，針對設計、整合和驗證機器的電敏型保護設備 (ESPE) 規定多項要求並提出建議，包括安全完整性等級 (SIL)；也參照 ISO 13849 標準，涵蓋控制系統安全相關零件的機械安全性，包括安全效能等級 (PL) (表 1)。

表 1：IEC 61496 中指定類型的 ESPE 安全要求。(表格來源：Analog Devices)

IEC 62998 為較新版本，且通常是更適合的選擇，因為此標準提供的指引涉及感測器融合的實作、在安全系統中使用人工智慧 (AI)，以及使用安裝在非 IEC 61496 規範內之移動平台上的感測器。

R15.08 Part 3 發佈後，R15.08 系列標準可能會成為最佳選擇，因為其針對 AMR 系統的使用者和 AMR 應用新增了一些安全要求。主題可能包括感測器融合以及更廣泛的 AMR 的穩定性測試和驗證。

感測器融合功能

繪製設施圖表是 AMR 調試的重要環節。但此動作並非一勞永逸，要隨著同時定位和地圖建構 (SLAM) 流程持續進行。過程中需持續追蹤機器人的位置，同時持續更新地圖區域中出現的任何變化。

為了支援 SLAM 並讓 AMR 安全運作，感測器融合不可或缺。並非所有感測器皆能在各種運作情況下發揮同樣的效果，不同的感測器技術也會產生不同的資料類型。感測器融合系統可搭配 AI 來結合當地運作環境的資訊 (是否有霧或煙、潮濕、環境光的亮度等)，也可結合不同感測器技術的輸出，產生更有意義的結果。

感測器元件可依功能和技術來分類。AMR 感測器融合功能的範例如下 (圖 1)：

• 車輪編碼器等距離感測器及其他採用陀螺儀和加速計的慣性量測單元，有助於測量移動和確定參考位置之間的距離。
• 三維 (3D) 攝影機和 3D 光達等影像感測器，可用於識別與追蹤附近的物體。
• 通訊鏈路、運算處理器以及物流感測器 (例如條碼掃描器和無線射頻識別 (RFID) 裝置)，可將 AMR 連結至整個設施的管理系統，並將外部感測器的資訊整合於 AMR 的感測器融合系統，以改善效能表現。
• 雷射掃描器和二維 (2D) 光達等接近感測器，能偵測和追蹤 AMR 附近的物體，包括人員的移動。

圖 1：AMR 感測器融合設計中常用的感測器類型及相關系統元件範例。(圖片來源：Qualcomm)

2D 光達、3D 光達與超音波

2D 光達、3D 光達與超音波是常見的感測器技術，可支援 AMR 中的 SLAM 及安全性。這些技術各有差異，因此能讓感測器之間互相彌補弱點，進而提高效能和可靠性。

2D 光達利用單一雷射照明平面，根據 X 和 Y 座標來識別物體。3D 光達則利用多道雷射光束，以 3D 方式詳細呈現環境，並稱為點雲。這兩種光達比較不受環境光條件的影響，但受測物體對雷射發出之波長的反射，必須具有最小的反射率臨界值。一般而言，3D 光達比起 2D 光達，能更可靠地偵測低反射率物體。

Seeed Technology 的 HPS-3D160 3D 光達感測器，整合了高功率 850 nm 紅外線垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL) 發射器和高感光 CMOS。嵌入式高效能處理器含有濾波與補償演算法，並可支援多個光達作業同時執行。此裝置的感測範圍高達 12 公尺，準確度以公分計。

若需 2D 光達解決方案，設計人員可選擇 SICK 的 TIM781S-2174104。此產品的孔徑角度為 270 度，角度解析度為 0.33 度，掃描頻率為 15 Hz。安全相關的工作範圍為 5 公尺 (圖 2)。

圖 2：此 2D 光達感測器的孔徑角度為 270 度。(圖片來源：SICK)

超音波感測器能準確偵測玻璃等透射式物體，以及光達有時無法看見的吸光材質。超音波感測器也比較不會受到高塵度、煙霧、濕度和其他可能妨礙光達工作的情況等的干擾。不過，超音波感測器對環境雜訊干擾較敏感，偵測範圍可能比光達更受限。

超音波感測器 (例如 Senix 的 TSPC-30S1-232) 能補強光達和其他感測器，以支援 AMR 的 SLAM 及安全性。這款感測器的最佳感測範圍為 3 公尺，相較之下，2D 光達只有 5 公尺，而 3D 光達為 12 公尺 (如上文詳述)。這款溫度補償式超音波感測器具有 IP68 防護等級，採用環境密封式不鏽鋼外殼 (圖 3)。

圖 3：環境密封式超音波感測器，最佳感測範圍為 3 公尺。(圖片來源：DigiKey)

感測器融合通常指使用幾個離散式感測器。但某些情況下，多個不同感測器會封裝成一體。

三個感測器融為一體

視覺感知使用一對攝影機產生立體影像，再搭配以 AI 和 ML 為基礎的影像處理能力，就能讓 AMR 看見背景並識別附近的物體。不同感測器融為一體，包括立體深度攝影機、獨立彩色攝影機和慣性量測單元 (IMU)。

立體深度攝影機 (例如 Intel 的 RealSense D455 RealSense Depth Cameras)，使用兩部以已知基線分隔的攝影機，來感測深度和計算與物體的距離。要達到精確無誤，有個重大關鍵就是使用堅固的鋼製框架，可確保攝影機之間保持確切的間距，即使是在嚴苛的工業環境中亦然。深度感知演算法的準確度，取決於是否瞭解兩部攝影機之間確切的間距。

例如，型號 82635DSD455MP 深度攝影機已針對 AMR 和類似的平台進行最佳化，並將攝影機之間的距離擴大至 95 mm (圖 4)。如此一來，深度計算演算法能將 4 公尺時的預估誤差降到 2% 以下。

圖 4：此模組中有立體深度攝影機 (攝影機間距 95 mm)、獨立彩色攝影機和慣性量測單元 (IMU)。(圖片來源：DigiKey)

D455 深度攝影機還含有獨立彩色 (RGB) 攝影機。RGB 攝影機的全域快門速率高達 90 fps，與深度成像器的視野 (FOV) 匹配，可提升色彩和深度影像之間的對應性，增強對周圍環境的理解能力。D455 深度攝影機整合了六自由度的 IMU，能讓深度計算演算法納入 AMR 的運動速率，並產生動態深度感知預估值。

沿路照明與警示音

為了確保 AMR 的安全性，須以閃燈和警示音提醒 AMR 附近的人員。這種警示燈通常是多層式信號燈，或 AMR 側邊的燈條。這些工具有助於向人們傳達機器人的預期動作，同時還能指示狀態，像是電池充電、裝卸活動、轉向意圖 (如汽車轉向信號)、緊急情況等等。

現今尚無光色、閃爍速度或警示音的相關標準。這些規格會隨著 AMR 的製造商而異，且通常是為了反映 AMR 所在設施的特定活動。有些燈條可選擇是否內建警示音機制。例如，Banner Engineering 的型號 TLF100PDLBGYRAQP 含有密封式警示音元件，可提供 14 種音調選項，也具有音量控制功能 (圖 5)。

圖 5：此燈條信號器含有密封式警示音元件 (上方黑色圓圈)。(圖片來源：DigiKey)

物流支援

AMR 是大規模作業的環節之一，經常要和企業資源規劃 (ERP)、製造執行系統 (MES) 或倉庫管理系統 (WMS) 軟體整合。AMR 上的通訊模組會跟感測器 (如條碼和 RFID 讀取器) 結合，讓 AMR 緊密融合於企業系統中。

若需要條碼讀取器，設計人員可使用 Omron 的 V430-F000W12M-SRP，就可對標籤上的 1D 和 2D 條碼或直接零件標記 (DPM) 條碼進行解碼。此產品含有可變距離自動對焦、廣視野鏡頭、120 萬畫素感測器、內建光源以及高速處理功能。

DLP Design 的 DLP-RFID2 是一款成本低廉的小型模組，可讀寫高頻率 (HF) RFID 應答器標記。還可一次讀取多達 15 個標記的唯一識別碼 (UDI)，並可配置使用內建或外接天線。此模組的工作溫度範圍介於 0 °C 至 +70 °C，因此適用於工業 4.0 的製造與物流設施。

結論

感測器融合對於 AMR 的 SLAM 及安全性來說是重要的支援工具。未來將發佈的 R15.08-3 標準可能會納入感測器融合的要求，以及更廣泛的 AMR 的穩定性測試和驗證，因此本文針對在 AMR 中實作感測器融合的一些現行標準與最佳實務進行回顧。本文是此系列文章的第二篇 (共兩篇)。第一篇探討如何安全有效率地將 AMR 整合到工業 4.0 作業中，以發揮最大效益。