作者：Mark Crossley、Daniel Heinzler、Fredrik Brynolf、Thomas Carlsson

移動機器人無處不在，從倉庫到醫(yī)院，甚至在街道上。不難理解為何它們?nèi)绱耸軞g迎。它們比真正的工人更便宜、更安全、更容易找到，而且效率更高。它們很容易擴展或與其他機器組合。由于移動機器人可以收集大量實時數(shù)據(jù)，企業(yè)可以借助它們來開啟工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)之旅。

但為了更高效地工作，移動機器人需要安全可靠的通信。本文概述了移動機器人制造商面臨的主要的通信和安全挑戰(zhàn)，并提供了一個簡單的方案來克服這些挑戰(zhàn)，以保證移動機器人的正常運行。

什么是移動機器人?

在開始之前，讓我們先定義一下移動機器人的含義。

移動機器人可以將材料從一個地方運輸?shù)搅硪粋€地方，主要有兩種類型，自動導(dǎo)引運輸車（AGVs）和自主移動機器人（AMRs）。AGV使用導(dǎo)引設(shè)施（導(dǎo)引線、反射板或磁帶）遵循預(yù)定的路線。如果有物體擋住了AGV的去路，AGV會停下來等待，直到該物體被移除。

AMR更具有動態(tài)能力。它們通過地圖導(dǎo)航，利用相機、內(nèi)置傳感器或激光掃描儀的數(shù)據(jù)來探測周圍環(huán)境，并選擇最有效的路線。如果有物體阻礙了AMR的一個計劃路線，它將選擇另一條路線。由于AMR不依賴于導(dǎo)引設(shè)施，所以安裝起來更快，而且可以適應(yīng)物流變化。

移動機器人制造商面臨的通信和安全挑戰(zhàn)是什么?

1. 建立無線連接

移動機器人制造商面臨的第一個挑戰(zhàn)是選擇最合適的無線技術(shù)。通常的建議是建立需求、評估標(biāo)準(zhǔn)，并選擇最佳的匹配技術(shù)。然而，對于移動機器人制造商來說，這并不總是可行的，因為他們通常不知道機器將處于什么位置或者目標(biāo)應(yīng)用的確切細(xì)節(jié)。

有時，藍(lán)牙連接是理想的選擇，因為它提供穩(wěn)定的非擁塞連接，而其他應(yīng)用則需要高速、安全的蜂窩連接。對于移動機器人制造商來說，重要的是擁有一種易于改變從而能滿足特定需求的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

圖1：無線標(biāo)準(zhǔn)——高級的優(yōu)點和缺點

第二個挑戰(zhàn)是確保安裝按計劃進行。在安裝無線解決方案之前，根據(jù)設(shè)施圖紙進行預(yù)測性的現(xiàn)場勘測，以確保移動機器人在整個現(xiàn)場有足夠的信號覆蓋?，F(xiàn)場勘測應(yīng)確定接駁站的最佳位置、正確的天線類型、最佳天線角度，以及如何減少干擾。安裝完成后，可使用無線嗅探工具檢查設(shè)計，并根據(jù)需要調(diào)整接入點或天線。

2. 將移動機器人連接到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

盡管移動機器人和控制器通常使用不同的工業(yè)協(xié)議，但移動機器人需要與相關(guān)的現(xiàn)場控制器進行通信。例如，AGV可能使用CANopen，而控制器可能使用PROFINET。此外，移動機器人制造商可能希望在不同的站點使用相同的AGV型號，而控制器使用的是另一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如EtherCAT。

移動機器人制造商還需要確保其產(chǎn)品有足夠的能力處理所需的數(shù)據(jù)量。所需的數(shù)據(jù)量取決于安裝的規(guī)模和類型。大型設(shè)施可能會使用更多的數(shù)據(jù)，因為路由算法需要覆蓋更大的區(qū)域、更多的車輛和更多的潛在路線。視覺導(dǎo)航等導(dǎo)航系統(tǒng)需要處理圖像，因此，相較于使用反射板等其他導(dǎo)航系統(tǒng)，需要更強的數(shù)據(jù)處理能力。所以移動機器人制造商必須解決以下挑戰(zhàn):

他們需要一種支持所有主要現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在不改變硬件設(shè)計的情況下，需要便捷地改變網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使移動機器人能夠在與控制器相同的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上通信。

他們需要確保網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有足夠的能力和功能來處理所需的數(shù)據(jù)。

3. 創(chuàng)建安全的系統(tǒng)

創(chuàng)建一個移動機器人可以安全地運輸材料的系統(tǒng)，是一項關(guān)鍵而富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。移動機器人制造商需要創(chuàng)建一個系統(tǒng)，兼顧所有不同類型的移動機器人、結(jié)構(gòu)和環(huán)境中的人。他們需要確保移動機器人能夠?qū)ν饨绲膭幼髯龀龇磻?yīng)，例如有人打開安全門或按下緊急停止按鈕，并且其網(wǎng)絡(luò)解決方案能夠處理不同的安全協(xié)議和接口。他們需要考慮到AMRs可以自由移動，因而需要相應(yīng)地管理碰撞風(fēng)險。傳感器領(lǐng)域的技術(shù)在不斷發(fā)展，移動機器人制造商需要緊跟最新的技術(shù)，以確保其產(chǎn)品盡可能地更高效。

圖2：移動機器人制造商面臨的安全挑戰(zhàn)總覽

安全標(biāo)準(zhǔn)

安全標(biāo)準(zhǔn)提供了對于安裝安全相關(guān)部件，準(zhǔn)備環(huán)境和維護機器或設(shè)備的指引。。

雖然不同的安全標(biāo)準(zhǔn)（ISO、DIN、IEC、ANSI等）大多是自愿遵守的，但在歐盟，機器制造商在法律上被要求遵守歐盟機械指令中的安全標(biāo)準(zhǔn)。2006/42/EC機械指令適用于移動機器人制造商，在某些應(yīng)用中，2014/30/EU指令也可能是相關(guān)的，因為它規(guī)定了設(shè)備的電磁兼容性。2006/42/EC機械指令描述了對引入歐洲市場的安全機械的設(shè)計和制造要求。如果制造商能在符合性聲明中證明他們已經(jīng)滿足指令的要求制造商，那么就能夠貼上CE標(biāo)簽，并將機器交付給客戶。

雖然其他安全標(biāo)準(zhǔn)不是強制性的，但制造商仍應(yīng)遵守這些標(biāo)準(zhǔn)，因為它們有助于滿足2006/42/EC機械指令的要求。例如，制造商可以遵循ISO 12100的指導(dǎo)，將已知的風(fēng)險降低到可接受的殘余風(fēng)險。他們可以使用ISO 13849或IEC 62061來找到每個風(fēng)險所需的安全級別，并確保與安全相關(guān)的功能相應(yīng)地符合規(guī)定的要求。移動機器人制造商會決定他們?nèi)绾芜_到某個的安全水平。例如，他們可以降低移動機器人的速度，以降低碰撞風(fēng)險和傷害的嚴(yán)重程度到可接受的水平?；蛘撸麄兛梢源_保移動機器人只在禁止人類進入的隔離區(qū)域（在ISO 3691-4中定義為限制區(qū)域）內(nèi)工作。

確定正確的標(biāo)準(zhǔn)并按要求實施是移動機器人制造商創(chuàng)建安全系統(tǒng)的最佳方式。但正如本文總結(jié)所示，這是一個復(fù)雜而耗時的過程。

4. 確?？煽康腃AN通信

自20世紀(jì)80年代以來，CAN技術(shù)是一種可靠且易于實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，基于CAN的通信技術(shù)仍然越來越受歡迎，主要是因為它在各種蓬勃發(fā)展的行業(yè)中得到應(yīng)用，如電動汽車和電池儲能系統(tǒng)（BESS）。CAN簡單、節(jié)能、經(jīng)濟。位于該網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備可以訪問所有的信息，并且這是一個開放的標(biāo)準(zhǔn)，這意味著用戶可以調(diào)整和擴展消息以滿足他們的需求。

對于移動機器人制造商來說，建立CAN連接變得更加重要，因為這使他們能夠監(jiān)測在移動機器人驅(qū)動系統(tǒng)中越來越多地使用到的鋰電池，無論是改造系統(tǒng)還是在全新的安裝中都是如此。移動機器人制造商需要做到以下幾點:

1. 建立一個可靠的連接到CAN或CANopen的通信標(biāo)準(zhǔn)，使他們能夠檢查其設(shè)備，如監(jiān)測電池的狀態(tài)和性能。

2. 保護系統(tǒng)不受電磁干擾（EMI）的影響，因為EMI可以破壞系統(tǒng)的電子設(shè)備。電磁干擾風(fēng)險在改造中是顯著的，因為添加了新的組件，如通信電纜旁邊的電池，會導(dǎo)致高頻電磁干擾。

5. 遠(yuǎn)程訪問移動機器人

遠(yuǎn)程訪問機器人控制系統(tǒng)的能力使移動機器人供應(yīng)商或工程師能排除故障并解決大多數(shù)問題，而無需前往現(xiàn)場。

圖3：遠(yuǎn)程訪問的好處

挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建一個遠(yuǎn)程訪問解決方案，以平衡IT部門的需求與工程師或供應(yīng)商的需求。

IT部門希望確保網(wǎng)絡(luò)安全、可靠并保持完整性。因此，遠(yuǎn)程訪問解決方案應(yīng)包括以下安全措施:

使用出站連接而不是入站連接，以將對防火墻的影響降到最低。

將相關(guān)流量與網(wǎng)絡(luò)的其他部分分離。

加密和保護所有流量，以確保其機密性和完整性。

確保供應(yīng)商的工作符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 27001。

確保供應(yīng)商完成定期安全審核。

工程師或供應(yīng)商需要一個易于使用和可靠的系統(tǒng)。用戶需要能方便地連接到移動機器人并訪問所需的信息。如果安裝可能發(fā)生變化，那么應(yīng)該很便捷地根據(jù)需要來擴展機器人數(shù)量。如果移動機器人與供應(yīng)商或工程師身處不同的國家，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施必須有足夠的覆蓋和冗余，以確保其全球可用性。

結(jié)論

正如我們所見，移動機器人制造商必須解決許多通信和安全方面的挑戰(zhàn)。他們必須建立無線連接，通過不同的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，確保安全，連接到CAN系統(tǒng)，并安全地遠(yuǎn)程訪問機器人。更復(fù)雜的是，每個安裝都必須重新評估和調(diào)整，以滿足現(xiàn)場要求。

實現(xiàn)移動機器人通信的最佳實踐

移動機器人制造商很少是通信或安全專家。他們會發(fā)現(xiàn)在內(nèi)部嘗試和開發(fā)所需的通信技術(shù)既耗時又昂貴。采用專門構(gòu)建的第三方通信解決方案不僅解決了當(dāng)前的通信挑戰(zhàn)，還能提供其他益處。

現(xiàn)代通信解決方案采用模塊化設(shè)計，使移動機器人制造商能夠移除針對某一標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，并將其替換為針對另一標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議設(shè)計的產(chǎn)品，而不會影響機器的任何其他部分。例如，藍(lán)牙在某一種安裝中可能是最適合的無線標(biāo)準(zhǔn)，而Wi-Fi可能在另一種安裝中能提供更好的覆蓋。類似地，一個站點可能使用PROFINET和PROFIsafe協(xié)議，而另一個站點可能使用不同的工業(yè)和安全協(xié)議。在這兩種場景下，移動機器人廠商都能在不改變硬件設(shè)計的情況下，通過通信產(chǎn)品來改變網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以滿足當(dāng)?shù)匦枨蟆?