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安全機制

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Q : 無人搬運車(自走車)AGV的安全機制與避障方式有那些呢?

AGV(Automated Guided Vehicle),就英文字面上直譯的話,就是「自動導引載具」,但是一般較為普遍的中文名稱則是無人搬運車(或稱自走車)。顧名思義,就是「不需要人員駕駛或操縱,就可以自動執行搬運任務的移動式載具」,而大部分這類載具都是以輪型車輛為主,因此「無人搬運車」(或稱自走車),則成為此類自動化物流設備的主流統稱。

在工業4.0的浪潮中,有越來越多人在描繪「無人工廠」的形象與藍圖,也有許多人在描述AGV無人搬運車在無人工廠中所扮演的角色與作業模式,但到目前為止,「無人工廠」僅止於理想,而未能被真正的實現。又或者僅是用於參觀的示範廠域或示範車間,而不是真正的生產廠房。其原因在於整個產線的生產工序中,仍然有諸多不可取代的人員作業。曾經有個知名企業,試圖要利用大量機械手臂來取代人工生產模式,但執行到後來發現,導入大量Robot所產生的維護成本與要請的相關工程師薪資,還有當要換線或是異常排除時所造成的時間成本浪費,其生產效益比原本的人工生產還差時,就直接終止了這項「無人工廠」計畫。

因此,既然AGV無人搬運車是屬於無人化自主移動載具,且又會與眾多作業人員在廠內(碼頭→倉庫→線上→倉庫→碼頭),或大部份產線間與工作站間穿梭,AGV安全機制與障礙偵知功能,就必須妥慎的加以研究探討。而隨著AGV無人搬運車的設計載重噸數越大,潛在危安風險就越高,其安全機制所要求的等級,也會跟著不斷攀升。當然,隨著安全機制等級越高,其建置成本也會跟著水漲船高,有此可見,大型AGV無人搬運車之所以售價高昂,並不只是因為體積大且車身重而已,這些安全等級方面的造價成本也是必須考量進去的。有些不甚了解這個細節的社會大眾,還會誤以為說:「啊這種無人車,不就跟家裡的掃地機器人一樣,只是馬達比較大一點而已嗎?」請各位試想一下,在家裡給掃地機器人撞一下,與在工廠被一噸級的無人車撞一下,這兩個結果會一樣嗎?

AGV無人搬運車(自走車)的安全機制設計,一般可以區分障礙偵測與控制停止兩個層面探討:
一、 障礙偵測方面:
1. 視覺辨識(visual recognition)
也就是機器視覺,大致區分內建型與網路型,所謂「內建型」就是給予視覺模組大量學習數據,藉以辨識可通行或前有障礙的區別,再選擇原地停等或是繞開障礙等方式避障,但是由於其學習數據庫有限,AI識別引擎性能較網路型差。而「網路型」則是透過internet連線到Google或Amazon等大數據型AI引擎,透過即時辨識與特徵判斷計算,作為後續行動決策的依據,不過除了企業資安考量,網路通訊的穩定性也會有一定程度的影響。然而,不管是哪種形式的視覺辨識,都會有兩個缺點,一個是需要具備高速運算性能的控制器,所以造價一定高。另一個則是對使用場域光照度的要求程度,也就是現場一定要夠明亮,否則會無法識別。所以目前市面上並沒有完全仰賴視覺辨識作為唯一障礙偵測手段的AGV無人搬運車。


2. 雷射(Laser Scanner)與光達(LiDAR)
雷射(大陸稱為激光)掃描器(Laser Scanner),或是光達(LiDAR, Light Detection And Ranging, 光學雷達),基本上都是運用雷射脈衝光束發射後,打到物體反射表面再回到感知器本體之間所產生的飛行時間差(TOF, Time of Flight),以光速計算距離產生的”連續點”,來達到對環境測算的偵知手段。主要區別在於雷射掃描儀(Laser Scanner)主要是二維平面的,有180˚、270˚兩種掃描涵蓋水平角、而所謂360˚的無死角掃描應用,則是必須在前後各安裝1組相互交疊,才有辦法達成。光達(LiDAR)則是三維空間的感知,運用高速的雷射光束掃描與極強的演算性能,形成”點雲”,藉此模擬出前方3D影像,以作為AGV無人搬運車遇到障礙之對應決策參考依據。這個也是相當先進的應用技術,但是除了軟、硬體建置成本極高之外,在障礙偵測上的缺點主要有二,一個是遇到透明的物件,像是玻璃門、牆或壓克力箱,就會”看不見”而撞上去。二是在有太陽光或其他強光照入的場域,會影響感測效果,產生誤判的機率。(講到這裡,有些讀者就會想到:”這樣的話,就把視覺辨識跟光學雷達都裝到AGV無人搬運車上面,不就剛好互補解決了嗎?” 但是,有沒有想過,這樣疊加起來的建置成本,有多少企業用得起呢…?)

 

3. 紅外線(IR)
紅外線(Infra-Red, IR)的障礙偵測運用,算是在光學應用技術上,比較有歷史,相對成熟且算是中價位的障礙偵測儀器。組合運用紅外線發射器與接收器,透過反射遮蔽原理的應用,並藉由電位器的調整,來決定紅外線的探測距離。較高階的IR Scanner,則可以做到有限範圍內的2D平面的偵測效果,甚至可以調整不同場型的前方偵測範圍。在AGV無人搬運車的障礙偵測技術上,有相當長的應用歷史,且相對穩定許多。但是紅外線唯一的天敵就是深色表面,甚至是黑色表面的物體,由於黑色表面對於紅外線來說,會有”吸光”的效果,也就是打到黑色或深色表面的紅外線,能夠反射回到接受器的值趨近於零。這個時候,它就會”看不到”前方的障礙物,而發生碰撞。而在生產現場,越來越多的作業人員為了能夠比較耐髒,而選擇穿著黑色褲子的時候,配備IR障礙偵測模組的AGV無人搬運車,就有可能會”看不到”他(她)們,這似乎也是有點危險…

4. 超音波(Ultra-Sonic)
超音波(大陸稱超聲波),簡單的說,就是利用人類耳朵所聽不到的連續超高頻聲波(一般而言是40 kHz),來偵知測算感知器與物體間的距離。可以說是在AGV無人搬運車的障礙偵測技術上,最被廣泛應用的障礙偵測方式。其組成也不算複雜,主要也是有超音波發射器、接收器與控制電路所組成,並透過超音波打到物體表面再回波到接收器的時間差,以音速340m/s來計算感知模組與前方物體間的距離。在這個應用上,不需要去調整任何旋鈕或是電阻,可以直接在AGV無人搬運車的控制參數上,決定要對指定的測得距離,作相對應的AGV動作調整即可,所以是既簡單,又兼具應用變化彈性的障礙偵測模式。不過,每一種障礙偵測都是有天敵的,超音波模組也是一樣,如果遇到海綿或是絨毛類的吸波材質,回波就會減少,距離探測數據可能會因此失真,進而影響障礙偵測的效果。

二、 控制停止方面:
1. EMO緊急停止按鈕

緊急停止(Emergency Off, EMO)按鈕,簡稱急停鈕,其實不只是在AGV無人搬運車上會用到,基本上只要是會動的電動設備,不管是移動式的,或是原地運轉的,基於安全上的考量,都一定會設置EMO。通常有兩種或是雙軌併存的做法,也就是按下時,直接中斷主要電力來源,藉此達到立即停止運轉的目的,不過這種做法會有隱憂。另一種就是藉由訊號的控制,通常EMO按鈕都會設有NO常開與NC常閉兩種迴路開關,藉此讓控制器獲知目前是緊急停止狀態,故在保持控制電路持續運作的狀態下,停止或鎖定正在運行的設備,或正在行走的AGV無人搬運車。

2. 防撞膠條
也可稱為防壓膠條,也是在很多移動類或是閘門類的設備上會應用到。其運作原理也實非常簡單,就是在膠條的內外兩側,都有設置導電材質,當膠條因觸壓而產生局部變形,就會讓兩側的銅膜或導電材質接觸而形成閉路。此時,控制器就會獲知防撞條被觸發了,也就是AGV無人搬運車有碰撞到物件,就會藉由控制的方式直接將馬達鎖定,不再繼續前進或運動。這個通常也是AGV無人搬運車的最後防線,如果看到沒有這類安全機制的AGV無人搬運車,誠心的建議您,最好是不要採用!

3. 偏離軌道
不論是有軌式的、無軌式的,或是QR code式導引的AGV無人搬運車,都有其合理的行駛範圍,如果AGV偏離了該合理範圍,就是所謂的「偏離軌道」。通常這個時候,AGV的控制系統就要能夠偵知,並且立即停止與發出警告,讓人員確認造成AGV偏離軌道或行駛範圍的原因,並予以排除後,再讓AGV無人搬運車繼續運行。有些人會問:為什麼一定要讓人員去做排除呢?那是因為正常狀況下,AGV不會自己偏離軌道或行駛範圍,通常是有不可抗的外力因素所造成。此時,如果你硬要AGV系統自己”突破”目前的”困境”,那就極有可能會造成更為嚴重的傷害或損失。所以,千萬不要跟系統廠商提出這種會有風險的功能要求喔~

4. 馬達控制
其實不管是什麼方式的障礙偵測或控制停止,講到最底層,就是對AGV動力馬達(Motor,大陸稱電機)的運動控制。聽起來好像很簡單,但卻區分很多種方式,從「停」跟「走」來看,就區分急停、急走、緩加速、緩減速或差速控制等等。而停止方式還包括控制停止、機械停止(如電磁剎車馬達)與直接斷電等,各有各的優缺點。試想,既然AGV無人搬運車是用來協助搬運物件的,就會有一定程度的鈍重性,其形成的總體慣性通常不小,如果用急煞急走的方式行駛,就會加劇了運送行程中的不穩定性,所以這是最不好的馬達控制方式。其次,對於AGV無人搬運車而言,最好的停止方式就是「控制停止」也就是給予馬達一個穩定的控制電壓,讓馬達處於一個不進也不退的停止狀態,一直到有要控制啟動為止。為什麼這麼說呢?因為若是直接斷電,馬達會直接放空,如果是正在前進,直接斷電的結果就是會持續滑行,直到慣性停止,甚至是剛好在斜坡上,對於載重的AGV無人搬運車來說,這樣是十分危險的。而採用機械式停止的電磁剎車馬達,雖然可以確保斷電時,釋放煞車機構鎖死馬達,但是相對AGV無人搬運車是要在地面上移動的,如果因為沒電就無法推動AGV,那真的斷電的時候,你又該怎麼把它搬離道路回去充電呢?

綜上所述,我們可以了解到,最先進的技術不見得最好,最陽春的技術也不見得最差,所以通常AGV無人搬運車上,都會同時配置兩種以上的障礙偵測或控制停止的手段。因為,每種障礙偵測技術都有其感測特性與天敵,使用者應該要充分考量運用場域的現場特性與條件、生產程序與物流批量需求,以及建置AGV無人搬運車系統的預算等諸多因素,來權衡並採用適合自己企業現場使用的AGV種類,才是最經濟又正確的思考方向喔~

 

 

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