Wykrywanie osób w pojazdach AGV i AMR

Wg ISO 3691-4:2020 Pojazdy autonomiczne powinny być wyposażone w środki do wykrywania personelu. Wykrywanie osób w pojazdach AGV i AMR realizują urządzenia czułe na nacisk (wg normy nazywane po prostu zderzakami) lub optoelektroniczne urządzenia ochronne (wg normy nazywane wirtualnymi zderzakami).

Sprecyzujmy, czym są zderzaki i wirtualne zderzaki. Definicje zderzaków wg ISO 3691-4:2020 brzmią następująco:

3.4 Zderzak

Wyposażenie ochronne wrażliwe na nacisk (ang. Pressere-Sensitive Protective Equipmwnt – PSPE) zamontowane na pojeździe, które generuje sygnał do zatrzymania wózka przy kontakcie fizycznym.

3.5 Wirtualny zderzak

Elektroczułe (bezkontaktowe) wyposażenie ochronne (ang. Electro Sensitive Protective Equipment ESPE) zamontowane na wózku, posiadające jedną lub więcej stref wykrywania, które generuje sygnał przed fizycznym kontaktem.

Cechą odróżniającą wymienione rodzaje środków wykrywania personelu jest konieczność zaistnienia fizycznego kontaktu z poruszającym się pojazdem przed wykryciem personelu (zderzak) lub rozpoznanie przeszkody bez konieczności zaistnienia takiego kontaktu (wirtualny zderzak). O ile w przypadku wirtualnych zderzaków stosunkowo łatwo jest zapewnić bezpieczne zatrzymanie się pojazdu autonomicznego (należy jednak wziąć pod uwagę drogę hamowania i stateczność ładunku i wózka podczas hamowania), to sprawa komplikuje się w przypadku zderzaków czułych na nacisk i konieczne jest zapewnienie dodatkowych wymagań związanych z siłą zderzenia, a w związku z tym niezbędne staje się wykonanie odpowiednich pomiarów. Wykrywanie osób w pojazdach AGV i AMR powinno być zatem przetestowane, a wyniki badań będą potwierdzeniem spełnienia wymagań z normą ISO 3691-4:2020.

Nie oznacza to, że z powodu trudności implementacyjnych zderzaki fizyczne będą zastępowane wirtualnymi. Nie we wszystkich gałęziach przemysłu jest możliwe zastosowanie zderzaków wirtualnych. Podczas gdy zderzaki wirtualne mogą się sprawdzać na równych i szerokich ścieżkach komunikacyjnych, pozbawionych fizycznych, stałych przeszkód, to zderzaki fizyczne będą miały zastosowanie wszędzie tam, gdzie wirtualne zderzaki mogłyby być przyczyną nieprawidłowej pracy pojazdu – np. na nierównych powierzchniach, w ogrodach, wąskich ścieżkach komunikacyjnych i ścieżkach (gdzie pojazdy musiałyby często zmieniać kierunek), w miejscach gdzie może dojść do refleksów świetlnych (np. szklane ściany).

Środki do wykrywania personelu powinny działać co najmniej na maksymalnej szerokości wózka i jego ładunku w kierunku jazdy. Wykrywanie osób w pojazdach AGV i AMR powinno być tak zaprojektowane, aby pojazd zatrzymał się przed zetknięciem się sztywnych części pojazdu lub ładunku z osobą stojącą. Wymaganie to nie dotyczy kontaktu z osobą wchodzącą na ścieżkę pojazdu lub poruszającą się w jego kierunku.

Gdy skok zderzaka jest zbyt krótki lub gdy ładunek rozciąga się na boki, prędkość pojazdu nie może przekraczać 0,3 m/s i powinna być zastosowana dodatkowa funkcja zatrzymania, która może być zainstalowana na pojeździe lub w jego otoczeniu. Funkcja ta może być zapewniona przez skaner laserowy lub przełącznik zbliżeniowy. Funkcja ta powinna być łatwa do zidentyfikowania i możliwa do uruchomienia w promieniu 600 mm od punktu zagrożenia.

Dla w/w środków wykrywania personelu norma stawia wymagania dotyczące niezawodności części sterowania realizującej funkcje bezpieczeństwa:

• Funkcja monitorowania prędkości, w przypadku gdy wymagana jest prędkość poniżej 0,3 m/s – PL_r=c wg ISO 13849-1;
• Funkcja zatrzymania ochronnego pojazdu po wykryciu osoby znajdującej się w kierunku jazdy – PL_r=d wg ISO 13849-1;
• Funkcja zatrzymania ochronnego po wykryciu osoby znajdującej się w strefie z niewystarczającym odstępem – PL_r=d wg ISO 13849-1 (przykłady odstępów znajdują się w załączniku A normy ISO 3691-4:2020);
• Funkcja zatrzymania ochronnego od strony ładunku – PL_r=d wg ISO 13849-1 (jeśli nie jest możliwe zaimplementowanie takiej funkcji, funkcja zatrzymania awaryjnego lub ochronnego powinna być dostępna w odległości 600 mm od niebezpiecznego punktu na wózku).

Wykrywanie osób w pojazdach AGV i AMR oraz zachowanie się pojazdu będzie przebiegało inaczej w zależności od rodzaju strefy, w której pojazd będzie się znajdował. Norma ISO 3691-4:2020 definiuje kilka takich stref i dla każdej z nich precyzuje wymagania dotyczące funkcji monitorowania prędkości, automatycznego restartu i wymaga implementacji dodatkowej funkcji ochronnej, gdy odstęp od pojazdu lub jego ładunku do stałych przeszkód mieści się poniżej 500 mm. Jest to jednak temat na inny artykuł.

Pojazdy autonomiczne powinny być kontrolowane w celu zapewnienia, że wszystkie istotne funkcje, w szczególności działanie funkcji automatycznych, środków ostrzegawczych i wykrywających personel, są odpowiednio zidentyfikowane i działają zgodnie z przeznaczeniem. Podczas testowania funkcji bezpieczeństwa należy zapewnić metodę lub tryb testowy do niezależnego testowania funkcji bezpieczeństwa tak, aby żadne inne funkcje o różnych poziomach zapewnienia bezpieczeństwa  (Performance Level) nie miały wpływu na wyniki testu. Badanie należy przeprowadzić przy co najmniej 110% maksymalnego obciążenia określonej przez producenta, przy maksymalnej prędkości dla każdego środka wykrywania personelu oraz w najbardziej niekorzystnych warunkach. Norma podaje przykłady takich niekorzystnych warunków (np. pochyła powierzchnia, jazda po łuku) ale przeprowadzając ocenę ryzyka należy rozważyć, czy w konkretnym przypadku nie występuję dodatkowe warunki pogarszające pracę wózka (np. piach na podłożu zmniejszający tarcie).

Wykrywanie osób w pojazdach AGV i AMR za pomocą zderzaków PSPE

Norma ISO 3691-4:2020 opisuje metodę dwóch rodzajów testów A i B. W obydwu rodzajach testu siły szczytowe nie są uwzględniane.

Test A

Cylindryczny wycinek testowy o średnicy 200 mm i długości 600 mm należy umieścić poziomo na podłodze lub podłożu i prostopadle do kierunku jazdy wózka. To badanie należy powtórzyć z wycinkiem testowym w położeniach po lewej, środkowej i prawej stronie. Pojazd powinien zbliżyć się do wycinka testowego i zatrzymać się przed zetknięciem się wycinka ze sztywnymi częściami pojazdu lub przewidzianym ładunkiem.

W przypadku środków wykrywających uruchamianych dotykiem, wycinek do badań należy zamocować względem podłogi lub podłoża, aby zapobiec przemieszczaniu się po zetknięciu, a siła uruchamiająca wycinek do badań nie może przekraczać 750 N.

Test B

Cylindryczny wycinek testowy o średnicy 70 mm i długości 400 mm zastępuje wycinek testowy opisany w teście A. Wycinek testowy ustawia się pionowo. Pojazd powinien zbliżyć się do wycinka testowego i zatrzymać się przed zetknięciem się wycinka ze sztywnymi częściami pojazdu lub przewidzianym ładunkiem. Test ten powtarza się trzykrotnie, raz na osi strefy wykrywania i raz na każdym końcu.

W przypadku urządzeń wykrywających uruchamianych dotykiem wycinek do badań należy zamocować względem podłogi lub podłoża, aby zapobiec przemieszczaniu się po zetknięciu, a siła uruchamiająca wycinek do badań nie może przekraczać 250 N. Siła statyczna przy ściśnięciu zderzaka przy maksymalnej energii (maksymalna kombinacja prędkości i masy całkowitej pojazdu łącznie z ładunkiem) nie może przekraczać 400 N.

Można założyć, że poziomy wycinek do badań przedstawia tułów człowieka leżący na torze pojazdu autonomicznego (chociaż nie jest to wyraźnie określone w normie). Z jakiego powodu człowiek mógłby leżeć na trasie, po której porusza się pojazd? Np. w wyniku zasłabnięcia, utraty przytomności, potknięcia się i upadku. Ciało człowieka może leżeć wzdłuż lub w poprzek toru, po którym porusza się pojazd autonomiczny. Inny rodzaj urazu może być spodziewany w przypadku, gdy pojazd zbliża się w stronę głowy, a inny, gdy pojazd zbliża się do tułowia. Badania wrażliwości na ból na styku człowiek-maszyna, które pozwoliły określić granice biomechaniczne dla potrzeb raportu ISO/TS 15066 przedstawiają te wartości na poziomie 110 N dla brzucha, 180 N dla kości miednicy i 130 N dla czoła. Wobec tych danych, siła 750 N jest wartością nieporównywalnie wyższą.

Z kolei pionowy wycinek do badań przedstawia pionową nogę człowieka znajdującą się na drodze pojazdu (chociaż również to nie jest to wyraźnie określone w normie). Jeśli próbowalibyśmy odnieść granicę siły statycznej na poziomie 400 N do wyników badań wg ISO/TS 15066, to dla łydki oraz środka piszczeli granica ta przedstawia się na poziomie 210 N.

Norma ISO 3691-4:2020 nie wskazuje na pochodzenie wyników wartości sił przyjętych w normie, a brak wytycznych dotyczących testów biomechanicznych przedstawia poważne problemy dotyczące wiarygodności stosowania tej normy do testowania zderzaków[1] i tym samym przyjęcia tych wartości sił jako bezpieczne. Wobec powyższych danych można wnioskować, że zderzak nie powinien być wykonany ze sztywnej konstrukcji, a raczej z miękkiego tworzywa, minimalizującego skutki urazu. Zderzaki, będące listwami lub krawędziami czułymi na nacisk mają spełniać założenia norm ISO 13856-2 i ISO 13856-3 i normy te dotyczą jedynie zasad projektowania tych elementów bezpieczeństwa, nie biorąc pod uwagę miejsca ich zainstalowania. Stosując jednak taką listwę czułą na nacisk w osłonie ruchomej z napędem mechanicznym, wg ISO 14120 wartość siły zamykającej osłony wyposażonej w takie urządzenie nie powinna przekraczać 150 N i jest to wartość, która tylko w niewielkim stopniu przekracza wartość 130 N, przyjętą jako granicę dla czoła wg ISO/TS 15066. Tym bardziej wartość 750 N jest wartością, która wydaje się bardzo kompromisowa, nieodzwierciedlająca obecnego stanu wiedzy na temat progów bólu i być może mająca jedynie na celu utrzymanie zgodności z ogromną liczbą pojazdów autonomicznych wyprodukowanych na podstawie leciwej już normy EN 1525.

O ile norma ISO 3691-4:2020 opisuje obydwie metody w sposób zrozumiały, to jednak urządzenia pomiarowego norma nie precyzuje. Wyzwaniem jest zatem budowa takiego urządzenia. Na Internecie można się natknąć na urządzenie opracowane przez NIST (National Institute of Standards and Technology), pokazane na rysunku poniżej.

Podczas opracowywania przyrządu badawczego, mimo prostej konstrukcji NIST napotkał wiele problemów związanych z błędami tarcia. Cały artykuł można przeczytać pod linkiem dostępnym tu:

http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/ir/2015/NIST.IR.8029.pdf

Wykrywanie osób w pojazdach AGV i AMR za pomocą wirtualnych zderzaków ESPE

W przypadku wirtualnych zderzaków, pojazdy autonomiczne mogą mieć automatyczny wybór bezpiecznych pól wykrywania w oparciu o prędkość i kierunek pojazdu, rozmiar ładunku lub biorąc pod uwagę inne kryteria. Wybór pól wykrywania ESPE jest częścią systemu wykrywania personelu.

Wybór aktywnych pól detekcji, w których wykrycie obiektu uruchomi funkcję zatrzymania ochronnego może zależeć od warunków, które wpływają na zatrzymanie pojazdu (np. z ładunkiem lub bez, wąski lub szeroki ładunek, pozycja wózka) w różnych strefach. Aktywacja strefy wykrywania powinna być dostosowana w zależności od kierunku jazdy (do przodu, do tyłu, kierunek poprzeczny, podczas skręcania itp.).

Norma ISO 3691-4:2020 nie przedstawia dodatkowych wymagań związanych z czasem zatrzymania dla wirtualnych zderzaków (np. skanerów bezpieczeństwa), ani też odległości stref wykrywania. Nie wyklucza się jednak konieczności wykonania badań wg metody A i B dla tego typu zderzaków. W przypadku ESPE zamontowanych na pojazdach, wycinki testowe, o których mowa w teście A i teście B muszą mieć współczynnik odbicia od powierzchni zewnętrznej od 2% do 6% i gęstość optyczną 1,22 (np. koloru czarnego). Testy A i B powinny wykazać, że pojazd zbliżając się do wycinka testowego zatrzymuje się przed zetknięciem się wycinka ze sztywnymi częściami pojazdu lub przewidzianym ładunkiem i jeśli tak się stanie, pojazd będzie spełniał wymagania normy ISO 3691-4:2020.

Projektując i przeprowadzając testy systemu do wykrywania personelu w pojazdach autonomicznych, niezależnie od tego, czy mówimy o zderzakach fizycznych czy wirtualnych, zawsze należy bezwzględnie rozważyć wpływ drogi hamowania oraz stateczność pojazdu na skuteczność zatrzymania. Może okazać się, że wirtualny zderzak wykryje osobę na drodze pojazdu, lecz prędkość jazdy i parametry otoczenia wydłużą drogę hamowania w taki sposób, że nie będzie możliwe zatrzymanie pojazdu w sposób bezpieczny (wówczas należy przeprojektować zasięg wykrywania obiektów przez wirtualny zderzak). Również kwestia stateczności pojazdu jest bardzo ważna i często akcentowana w normie ISO 3691-4:2020. Zatrzymanie pojazdu po zadziałaniu zderzaka fizycznego, które skutkuje utratą stateczności pojazdu (i w konsekwencji jego przewróceniem się), może wywołać większe szkody niż kolizja człowieka z poruszającym się pojazdem. Istotny jest również sposób mocowania i zabezpieczenia ładunku na pojeździe tak, aby podczas zatrzymania nie spowodował on żadnych szkód (np. przez detale wypadające z koszy).

[1] NISTIR 8029 “Automated Guided Vehicle Bumper Test Method Development”