3次元の制御と監視 - 安全とセキュリティの新しい展望を開く初の安全カメラシステム、SafetyEYE

SafetyEYEは単なるセンサ以上の機能を備えた、3次元ゾーン内のオブジェクトを安全に検出する技術の基盤となる製品です。ピルツのマネージングパートナであるRenate Pilzは、「ユーザの生産性の向上とコスト削減を実現する革新的なシステムをまたみなさまにご紹介できる運びとなりました。」と述べ、この安全カメラシステムの利点を単刀直入に説明しました。

この安全カメラシステムは、マシニングセンタやタイヤ産業、包装産業だけでなく、立体倉庫システムや自動支払式の駐車場など、幅広い産業で利用することができます。

現在の安全ソリューションの限界
現在の安全ソリューションには重大な問題点がいくつか存在します。第1に、光電子保護装置では3次元ゾーンを監視できません。監視できるのはせいぜい平面に限られます。肉眼で確認しなければ、ワークステーションも安全マットを使用して保護する必要があります。したがって、ロボットの動作範囲を中断なく監視することは、たとえできたとしても相当額の技術投資をしない限り不可能です。第2に、標準的な保護装置では、危険な状況が発生するとすぐにロボットを停止させてしまいます。ロボットを再起動するには、停止前の位置に正確にロボットを戻す必要があります。これにはコストがかかるだけでなく、生産ラインのその後のワークステーションにも影響を与えます。そして第3に、コンポーネントや配線が多種多様で複雑なため、ロボットワークステーションの保護にコストがかかるだけでなく、アベイラビリティにも悪い影響を与えることになります。

以上のような問題を抱えた顕著な例が、複数のロボットから構成され、安全防護柵で保護されているロボットワークステーションです。
通常、ロボットには、エリアリミットスイッチ以外にも、ライトグリッド、レーザスキャナなどの保護装置を追加する必要があります。これらの装置により、危険ゾーンへの侵入が検知されます。

専門知識の集大成により革新的ソリューションを実現
以上の問題点を解決するため、ピルツは3次元ゾーン監視について新たな構想を練り、安全カメラシステムのアイデアを発展させました。一方、ジンデルフィンゲンにあるDaimlerChrysler社のプロセス開発、オートメーション、制御技術を担当する部門でも、新しい監視方法を検討し始めていました。DaimlerChrysler社のアイデアは、カメラを複数組み合わせて使用し、監視対象の検出ゾーンを3Dで再生するというものでした。そうすれば、画像処理アルゴリズムを使用して危険ゾーンに侵入したオブジェクトを検出することが可能になります。まず初めに使用されたのが視覚支援システムでした。このシステムは、DaimlerChrysler社のウルムにある研究センタ内の画像処理技術研究所で、車のドライバに危険を認識させる目的で開発されました。このような2社が提携し、理想的なパートナーが生まれました。ピルツは、DaimlerChrysler社から提供された3次元画像評価アルゴリズムを工業用のアルゴリズムに変え、それからシステムを開発、製造しました。

1つのシステムで制御、監視、保護を実現

このシステムは、3つのコンポーネント (検出装置、高性能のコンピュータ、プログラマブル安全／制御システム) から構成されています。検出装置は、動的性能にきわめて優れた3台のカメラから構成されており、監視中のゾーンから画像データを送信します。
高性能のコンピュータは分析装置として機能し、カメラの画像データを光ファイバケーブル経由で受信し、高度に複雑かつ安全なアルゴリズムを使用して3次元画像へと処理します。このように、オブジェクトを3次元で観察し、その位置を正確に定義することが可能になります。次に、システム内で設定された検出ゾーンとこの情報をスーパーインポーズして、検出ゾーンへの侵入などを確認します。高性能のコンピュータは、画像処理の結果をPSSプログラマブル安全／制御システムに送出します。PSSは機械コントローラのインタフェースであり、入出力によってSafetyEYEの操作全体を制御します。分析装置から検出ゾーンへの侵入を伝える信号が送信されると、コンフィグレーション可能な出力がシャットダウンされます。周辺機器には、SafetyBUS p安全バスシステムを経由して接続することができます。将来的には、SafetyNET pイーサネット経由での接続も可能になる予定です。検出ゾーンおよび警告ゾーンの設定、ならびに安全カメラシステムの操作に必要なその他のパラメータの設定は、コンフィグレーションPCおよび専用のソフトウェアパッケージを使用して行います。

完全に互換性のある安全コンセプトによりダウンタイムを防止
たとえばロボットワークステーションをSafetyEYEで保護すると、ロボットの動作中この空間は完全にオープンになります。制限バリヤはもう必要ありません。検出装置がワークステーションの上に設置され、ロボットの動作範囲全体を完全に見渡すことができるため、不正操作の心配は最初からなくなります。モニタを見るだけで、安全技術が適切に機能していることを確認できます。半透明の色付きの立方体と直方体 (3次元の警告ゾーンおよび検出ゾーン) が、カメラからの画像上にスーパーインポーズされます (機能設定を示した図を参照)。ロボットは作業サイクル中、これらのゾーンのセグメント内を移動します。危険ゾーンは、警告ゾーンと検出ゾーンを組み込んだ仮想エンベロープの形で定義されます。危険な可能性があるのは、これらのゾーンに侵入したオブジェクトだけです。

SafetyEYEの特長として、検出ゾーンへの侵入が検知されても自動的に非常停止が行われることはないという点が挙げられます。万一、作業者が仮想検出ゾーンに侵入したとしても、ロボットが作業者に到達するまでにまだ数秒残っている場合、制御技術によってロボットの動作速度が非常に低速になります。作業者が警告信号の警告を受けてロボットから離れると、ロボットは通常の速度に戻ります。非常停止が行われるのは、作業者が直接危険ゾーンに侵入した場合のみです。従来の保護装置では、危険な状況が発生すると即座に停止していたので、こういった点でSafetyEYEの方が明らかに優れています。SafetyEYEを使用すれば、プロセスを精密に制御し、柔軟に保護することができます。

PCでの警告ゾーンと保護ゾーンの設定
検出ゾーンと警告ゾーンは、PCですばやく直感的に設定できるため、これらのゾーンを複合的に統合することができ、管理も簡単です。機械のオペレーティングモードごとにそれぞれ異なるゾーンが必要な場合は、機械の作業サイクル中に、安全バスシステムのSafetyBUS p経由またはPSSプログラマブル安全／制御システムでのデジタル入力経由で動的にゾーンを切り替えることができます。いったん検出ゾーンを定義してしまえば、SafetyEYEコンフィグレータでマウスをクリックするだけで、柔軟にゾーンを切り替えることができます。したがって、技術的なニーズではなくユーザのプロセスサイクルの要件に従って検出ゾーンが監視されるように、非常に柔軟に設計することができます (操作の写真を参照)。

SafetyEYEの取り付けと検出ゾーンの設定は、数時間で済みます。一方、従来の保護装置の場合、配置、設定、確認に最低1日はかかります。また、SafetyEYEは経済性にも優れています。検出ゾーンへの侵入が検知された場合、統合診断機能によりダウンタイムは最小限に抑えられます。

エルゴノミクスに基づく人と機械のやり取り
この安全カメラシステムが従来のセンサ技術より明らかに優れている点は、1つのシステムで保護、制御、監視ができるという点です。SafetyEYEでは、一般制御機能も実行できます。また、独立した複数の検出ゾーンを監視することもできます。そのため、コストを削減できるだけでなく、コンポーネントの数を最小限に抑えることができます。SafetyBUS p (将来的にはSafetyNET p) などのバスシステムに直接接続することができるため、資材、取り付け作業といった面からもコストの節約になります。
SafetyEYEを使用すれば、鳥瞰的に工場を保護することができ、人と機械が完全な調和を保ちながら作業できるようになります。この安全カメラシステムを使用すれば、機械工学のあらゆる用途の要求に応えることができます。

貴重なオブジェクトと建物へのアクセスを強固に監視
安全とは、オブジェクトから環境を保護することです。これに対してセキュリティとは、環境からオブジェクトを保護することです。たとえば、建物へのアクセス保護や博物館の展示物の監視などがこれにあたります。従来の保護装置とは異なり、SafetyEYEでは監視対象が1つの平面だけではないため、貴重なオブジェクトを継続的に監視することができます。「カメラベースの画像処理により、光学センサ技術は一変するでしょう。革新的なSafetyEYEは、産業セクタにとどまらず、セキュリティセクタでも活躍が期待されます。」とRenate Pilzは述べています。