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

移動機器人無處不在，從倉庫到醫院，甚至在街道上。不難理解為何它們如此受歡迎。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據，企業可以借助它們來開啟工業物聯網之旅。

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，并提供了一個簡單的方案來克服這些挑戰，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到另一個地方，主要有兩種類型，自動導引運輸車（AGVs）和自主移動機器人（AMRs）。AGV使用導引設施（導引線、反射板或磁帶）遵循預定的路線。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更具有動態能力。它們通過地圖導航，利用相機、內置傳感器或激光掃描儀的數據來探測周圍環境，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不依賴于導引設施，所以安裝起來更快，而且可以適應物流變化。

移動機器人制造商面臨的通信和安全挑戰是什么?

1. 建立無線連接

移動機器人制造商面臨的第一個挑戰是選擇最合適的無線技術。通常的建議是建立需求、評估標準，并選擇最佳的匹配技術。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應用的確切細節。

有時，藍牙連接是理想的選擇，因為它提供穩定的非擁塞連接，而其他應用則需要高速、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絡技術。

圖1：無線標準——高級的優點和缺點

第二個挑戰是確保安裝按計劃進行。在安裝無線解決方案之前，根據設施圖紙進行預測性的現場勘測，以確保移動機器人在整個現場有足夠的信號覆蓋。現場勘測應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計，并根據需要調整接入點或天線。

2. 將移動機器人連接到工業網絡

盡管移動機器人和控制器通常使用不同的工業協議，但移動機器人需要與相關的現場控制器進行通信。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網絡，如EtherCAT。

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

他們需要一種支持所有主要現場總線和工業以太網網絡的網絡技術。

在不改變硬件設計的情況下，需要便捷地改變網絡技術，使移動機器人能夠在與控制器相同的工業網絡上通信。

他們需要確保網絡技術具有足夠的能力和功能來處理所需的數據。

3. 創建安全的系統

創建一個移動機器人可以安全地運輸材料的系統，是一項關鍵而富有挑戰性的任務。移動機器人制造商需要創建一個系統，兼顧所有不同類型的移動機器人、結構和環境中的人。他們需要確保移動機器人能夠對外界的動作做出反應，例如有人打開安全門或按下緊急停止按鈕，并且其網絡解決方案能夠處理不同的安全協議和接口。他們需要考慮到AMRs可以自由移動，因而需要相應地管理碰撞風險。傳感器領域的技術在不斷發展，移動機器人制造商需要緊跟最新的技術，以確保其產品盡可能地更高效。

圖2：移動機器人制造商面臨的安全挑戰總覽

安全標準

安全標準提供了對于安裝安全相關部件，準備環境和維護機器或設備的指引。。

雖然不同的安全標準（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準。2006/42/EC機械指令適用于移動機器人制造商，在某些應用中，2014/30/EU指令也可能是相關的，因為它規定了設備的電磁兼容性。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滿足指令的要求制造商，那么就能夠貼上CE標簽，并將機器交付給客戶。

雖然其他安全標準不是強制性的，但制造商仍應遵守這些標準，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，將已知的風險降低到可接受的殘余風險。他們可以使用ISO 13849或IEC 62061來找到每個風險所需的安全級別，并確保與安全相關的功能相應地符合規定的要求。移動機器人制造商會決定他們如何達到某個的安全水平。例如，他們可以降低移動機器人的速度，以降低碰撞風險和傷害的嚴重程度到可接受的水平。或者，他們可以確保移動機器人只在禁止人類進入的隔離區域（在ISO 3691-4中定義為限制區域）內工作。

確定正確的標準并按要求實施是移動機器人制造商創建安全系統的最佳方式。但正如本文總結所示，這是一個復雜而耗時的過程。

4. 確保可靠的CAN通信

自20世紀80年代以來，CAN技術是一種可靠且易于實現的標準，基于CAN的通信技術仍然越來越受歡迎，主要是因為它在各種蓬勃發展的行業中得到應用，如電動汽車和電池儲能系統（BESS）。CAN簡單、節能、經濟。位于該網絡上的所有設備可以訪問所有的信息，并且這是一個開放的標準，這意味著用戶可以調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測在移動機器人驅動系統中越來越多地使用到的鋰電池，無論是改造系統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的通信標準，使他們能夠檢查其設備，如監測電池的狀態和性能。

2. 保護系統不受電磁干擾（EMI）的影響，因為EMI可以破壞系統的電子設備。電磁干擾風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，會導致高頻電磁干擾。

5. 遠程訪問移動機器人

遠程訪問機器人控制系統的能力使移動機器人供應商或工程師能排除故障并解決大多數問題，而無需前往現場。

圖3：遠程訪問的好處

挑戰在于創建一個遠程訪問解決方案，以平衡IT部門的需求與工程師或供應商的需求。

IT部門希望確保網絡安全、可靠并保持完整性。因此，遠程訪問解決方案應包括以下安全措施:

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。

將相關流量與網絡的其他部分分離。

加密和保護所有流量，以確保其機密性和完整性。

確保供應商的工作符合相關的安全標準，如ISO 27001。

確保供應商完成定期安全審核。

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

結論

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。他們必須建立無線連接，通過不同的網絡發送數據，確保安全，連接到CAN系統，并安全地遠程訪問機器人。更復雜的是，每個安裝都必須重新評估和調整，以滿足現場要求。

實現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。他們會發現在內部嘗試和開發所需的通信技術既耗時又昂貴。采用專門構建的第三方通信解決方案不僅解決了當前的通信挑戰，還能提供其他益處。

現代通信解決方案采用模塊化設計，使移動機器人制造商能夠移除針對某一標準或協議設計的網絡產品，并將其替換為針對另一標準或協議設計的產品，而不會影響機器的任何其他部分。例如，藍牙在某一種安裝中可能是最適合的無線標準，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協議，而另一個站點可能使用不同的工業和安全協議。在這兩種場景下，移動機器人廠商都能在不改變硬件設計的情況下，通過通信產品來改變網絡技術以滿足當地需求。