Bezpieczna współpraca człowieka z robotem

111

Przyzwyczailiśmy się do tego, że ze względów bezpieczeństwa ludzie i roboty przez lata współpracowali na odgrodzonych od siebie przestrzeniach roboczych. Dokonujące się obecnie zmiany demograficzne prowadzące do starzenia się siły roboczej oraz wzrastające potrzeby w stosunku do wydajności produkcji dały impuls do prac nad zwiększeniem potencjału współpracy ludzi z robotami. Kiedy jednak człowiek i robot dzielą wspólną przestrzeń roboczą, niezwykle istotna staje się kwestia bezpieczeństwa. W praktyce oznacza to konieczność indywidualnego przeanalizowania każdej aplikacji pod kątem bezpieczeństwa.

Początek ery robotów przemysłowych sięga połowy XX wieku. W 1961 r. w zakładzie General Motors po raz pierwszy w historii zastosowano w procesie produkcji robota o nazwie Unimate. W trosce o bezpieczeństwo pracowników zdecydowano się wtedy na ścisłe odseparowanie go od przestrzeni pracy człowieka. Robot miał wtedy zastąpić pracę człowieka, przez co swoje zadania wykonywał w zamkniętej przestrzeni roboczej z dala od człowieka. Zasady współpracy polegające na odseparowaniu przestrzeni roboczej robota od operatora pozostawały niezmienione przez ponad 50 lat.

Nowa era robotyki

Chociaż era robotów przemysłowych nadal trwa i nie spodziewamy się, aby coś miało to radykalnie zmienić, to w ostatnim czasie pojawiła się nowa gałąź w rozwoju tej dziedziny. Dzięki robotom nowej generacji, robotom współpracującym, czyli tzw. kobotom, sytuacja w robotyce ulega sporym zmianom polegającym przede wszystkim na pojawieniu się nowych możliwości współpracy.
Nazwa „kobot” to połączenie angielskich słów „collaboration” (współpraca) i „robot” – robot współpracujący, a aplikacja wykorzystująca robota do ścisłej współpracy (HRC – human-robot collaboration) odbywa się we współdzielonej przestrzeni roboczej. W ten sposób można połączyć mocne strony i zalety maszyny, takie jak niezawodność, wytrzymałość i dokładność powtórzeń, z mocnymi stronami człowieka, a więc zręcznością, elastycznością i zdolnością do podejmowania decyzji. Przy takiej współpracy obszary robocze człowieka i robota nakładają się zarówno przestrzennie, jak i czasowo. Do aplikacji HRC wykorzystuje się roboty lekkie, które mogą przenosić ciężary rzędu 10kg. Roboty świetnie współpracują „ramię w ramię” z ludźmi przy fizycznie uciążliwych lub monotonnych zadaniach. Typowe obszary zastosowania to zadania typu „pick and place”, przeładunek materiałów między różnymi etapami produkcji i zastosowania typu „follow the line”, przy których robot musi dokładnie przestrzegać wyznaczonego toru ruchu (np. przy śledzeniu konturu lub pracach związanych z klejeniem).

Kolizja (już) niewykluczona

Aplikacje HRC rodzą jednak nowe wyzwania związane z bezpieczeństwem. Pojawienie się kobotów, w praktyce oznacza jeszcze większą konieczność indywidualnego przeanalizowania każdej aplikacji pod kątem bezpieczeństwa. Istotna różnica między „klasycznymi” aplikacjami wykorzystującymi roboty przemysłowe, realizowanymi na wygrodzonych stanowiskach, a aplikacjami HRC polega na tym, że realnym zagrożeniem stają się kolizje między maszyną i człowiekiem. Nie mogą one jednak prowadzić do powstawania żadnych obrażeń. Warunkiem takiej współpracy jest z jednej strony wyposażenie robota w bardziej niezawodne mechanizmy sterowania i inteligentne, dynamiczne czujniki, dzięki którym robot „czuje”, kiedy dojdzie do kolizji. Z drugiej strony konieczne jest opracowanie na gruncie normatywnym wiarygodnych standardów bezpieczeństwa. Centralną rolę odgrywa tu opublikowana na początku roku 2016 specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices – Collaborative robots” (Roboty i urządzenia dla robotyki – Roboty współpracujące), która umożliwia wdrożenie bezpiecznej aplikacji HRC po przeprowadzeniu odpowiedniej walidacji.

Opisano w niej szczegółowo cztery rodzaje współpracy jako zasady ochrony:
– kontrolowane zatrzymanie ze względów bezpieczeństwa,
– prowadzenie ręczne,
– kontrola prędkości i odległości separacji,
– ograniczenie mocy i siły.

Przy wdrażaniu aplikacji HRC, integrator systemu może zastosować jeden lub więcej „rodzajów współpracy”. Wspomniana specyfikacja techniczna jest ponadto pierwszą normą, która w Załączniku A podaje szczegółowe informacje dotyczące progów bólu dla różnych obszarów ciała. Wartości te stanowią podstawę do wdrażania aplikacji wykorzystujących „ograniczenie mocy i siły”.

Jak pokazuje praktyka, aplikację wykorzystującą współpracę między człowiekiem a robotem można często oprzeć – zgodnie ze specyfikacją ISO/TS 15066 – na połączeniu metod „kontroli prędkości i odległości separacji” oraz „ograniczeniu mocy i siły”. Istnieją jednak aplikacje z wykorzystaniem robotów, które nadal nie są w stanie funkcjonować bez klasycznych wygrodzeń zabezpieczających. Może to wynikać np. z użycia ostro zakończonych lub zawierających ostre krawędzie narzędzi lub obrabianych przedmiotów, a także z konieczności zastosowania w procesie znacznych sił i prędkości.

W załączniku do specyfikacji technicznej ISO/TS 15066 zdefiniowano model obszarów ciała w celu ułatwienia procesu projektowania i integracji. W modelu tym dla każdej części ciała (np. głowy, dłoni, ramienia czy nogi) podano odpowiednie wartości graniczne dla kolizji. Aby zachować zgodność z wymaganiami, aplikacja nie może przekraczać tych granic w interakcji człowieka z robotem. Wartości te wykorzystywane są w praktyce do walidacji bezpieczeństwa aplikacji HRC. Firma Pilz opracowała urządzenie PROBms służące do pomiaru sił i prędkości kolizji, które przeszło już pozytywnie testy w branży samochodowej. Dzięki wykorzystaniu sprężyn o różnych współczynnikach sprężystości i odpowiednich czujników możliwe jest dokładne zarejestrowanie sił działających podczas kolizji z robotem, przeanalizowanie ich przy użyciu oprogramowania i porównanie z wytycznymi określonymi w ISO/TS 15066. To innowacyjne urządzenie umożliwia wykonanie pomiarów na konkretnej aplikacji z robotem, a nie tylko na samym robocie. Istotne jest przecież nie tylko to, aby robot sam sobie był bezpieczny, ale przede wszystkim, żeby bezpieczna była cała aplikacja z robotem.

Bezpieczeństwo robotów współpracujących

Kluczową rolę w technicznej realizacji aplikacji z wykorzystaniem robotów „niewspółpracujących” odgrywają wygrodzenia, osłony stałe oraz czujniki bezpieczeństwa (dotykowe i bezdotykowe).
W przypadku współdzielenia obszaru roboczego przez człowieka i robota dąży się do zapewnienia bezpieczeństwa aplikacji przy użyciu komponentów i funkcji bezpieczeństwa wbudowanych w roboty lub umieszczonych na nich, które zgodnie z PN-EN ISO 10218-1 powinny spełniać poziom bezpieczeństwa PL(d) oraz architekturę kategorii 3.Na przykład funkcje zapewniające bezpieczeństwo ruchów robota łączy się z czujnikami bezdotykowymi, wbudowanymi w robota czujnikami momentów lub umieszczonymi na robocie czujnikami dotykowymi. Ruchy robotów w tego typu aplikacjach są zasadniczo znacznie wolniejsze niż w przypadku w pełni zautomatyzowanych aplikacji. Tego rodzaju koncepcje bezpieczeństwa stosuje się obecnie na polu robotyki usługowej w kontekście współpracy człowieka z robotem – po uwzględnieniu innych wymagań bezpieczeństwa można je również wykorzystać do wdrażania aplikacji.

W przypadku współpracy między czł
owiekiem a robotem obsługującym większe ładunki, przedstawione wyżej koncepcje zapewnienia bezpieczeństwa stają się niewystarczające. W tej sytuacji niezbędne staje się dużo większe stopniowanie obserwacji zdarzeń. Konieczne jest np. rozróżnienie, czy człowiek znajduje się w promieniu występowania niebezpiecznych ruchów (strefa ostrzegania), czy też wkroczył już do strefy o zwiększonych wymogach bezpieczeństwa (strefa bezpieczeństwa). W idealnym przypadku strefy te powinno dać się regulować w sposób dynamiczny, na przykład wytyczając je na podstawie zakresu ruchu maszyny lub robota objętej monitoringiem bezpieczeństwa. Dzięki temu możliwe jest zorganizowanie w takim środowisku współpracy między człowiekiem a robotem, dla której statyczne mechanizmy zabezpieczające są niewystarczające.

Nowe, oparte na zastosowaniu kamer rozwiązania umożliwiają bezpieczne monitorowanie pól i stref bezpieczeństwa w przestrzeni wielowymiarowej – w ten sposób działa np. system kamer 3D SafetyEYE firmy Pilz do monitorowania stref niebezpiecznych. Dzięki możliwości działania w 3 wymiarach takie systemy czujników otwierają nowe możliwości projektowania aplikacji. Co więcej, na poszczególnych etapach procesu można od nowa definiować ustawienia stref bezpieczeństwa.

Procedury prawne

Podobnie jak w innych obszarach, ustawodawca zobowiązuje producenta aplikacji wykorzystującej robota do przeprowadzenia procedury oceny zgodności prowadzącej do wystawienia Deklaracji Zgodności WE oraz oznakowania aplikacji znakiem CE. Umieszczenie znaku CE stanowi potwierdzenie, że aplikacja z wykorzystaniem robota spełnia wszystkie niezbędne wymogi w zakresie bezpieczeństwa i ochrony zdrowia. Wyzwanie leżącej u podstaw tego procesu „oceny ryzyka” w przypadku aplikacji z wykorzystaniem robotów polega na zniesieniu granic między obszarem roboczym człowieka i robota. Oprócz zagrożeń stwarzanych przez robota należy uwzględnić dodatkowo ruchy człowieka, które jednak nie zawsze dają się przewidzieć ze względu na prędkość, odruchy czy nagłe pojawienie się dodatkowych osób.

Dotychczas nie udało się stworzyć uniwersalnego robota ani systemu czujników, który zapewniałby bezpieczeństwo we wszystkich możliwych do przewidzenia aplikacjach. Wymogi w zakresie bezpieczeństwa są zawsze uzależnione od danej aplikacji. Do stworzenia bezpiecznego środowiska pracy robota konieczne jest całościowe uwzględnienie robota, narzędzia i obrabianego detalu oraz innych maszyn wykorzystywanych w procesie, np. urządzeń do przeładunku materiałów. Oznacza to w praktyce, że każda aplikacja wymaga indywidualnej oceny pod kątem bezpieczeństwa, co może okazać się dużym wyzwaniem dla producentów lub integratorów.

Źródło: PILZ