Bezpieczeństwo współpracy człowieka z robotem
Ze względów bezpieczeństwa ludzie i roboty przez całe 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 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. Dzięki robotom nowej generacji, robotom współpracującym, czyli tzw. cobotom, sytuacja ta ulega aktualnie sporym zmianom.
Nazwa „cobot” to połączenie angielskich słów „collaboration” i „robot”, a aplikacja realizowana na współdzielonej przestrzeni roboczej i wykorzystująca robota do ścisłej współpracy nazywana jest HRC (human-robot collaboration). Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest połączenie mocnych stron i zalet maszyny, takich jak niezawodność, wytrzymałość i dokładność powtórzeń, z mocnymi stronami człowieka, a więc zręcznością, elastycznością i zdolnością do podejmowania decyzji. W przypadku ścisłej współpracy człowieka i robota obszary robocze człowieka i robota nakładają się zarówno przestrzennie, jak i czasowo. Do aplikacji HRC wykorzystuje się roboty lekkie, które mogą przenosić ciężary rzędu 10 kg. Roboty te mogą pracować „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).
Aplikacje HRC rodzą jednak nowe wyzwania związane z bezpieczeństwem. Istotna różnica między klasycznymi aplikacjami wykorzystującymi roboty, realizowanymi na wygrodzonych stanowiskach, a aplikacjami HRC polega na tym, że w przypadku tych drugich realnym zagrożeniem stają się kolizje między maszyną i człowiekiem. Nie mogą one jednak prowadzić do powstawania żadnych obrażeń. Warunkiem bezurazowej 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 specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices – Collaborative industrial robots” (Roboty i urządzenia dla robotyki – Przemysłowe 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.
Jak pokazuje praktyka, aplikacje wykorzystujące 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, które nadal nie są w stanie funkcjonować bez 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 zdefiniowano także 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 normą, aplikacja nie może przekraczać tych wartości. W praktyce wykorzystywane są one do walidacji bezpieczeństwa aplikacji HRC. Firma Pilz opracowała urządzenie PROBms służące do pomiaru sił nacisku i ciśnienia, które dzięki wykorzystaniu sprężyn i odpowiednich czujników umożliwia dokładne zarejestrowanie sił działających podczas kolizji z robotem, przeanalizowanie ich przy użyciu oprogramowania i porównanie z wytycznymi określonymi w ISO/TS 15066.
Czujniki bezpieczeństwa dla robotów
Kluczową rolę w technicznej realizacji aplikacji wykorzystującej robota odgrywają czujniki bezpieczeństwa. Jednak, aby spełnić wszystkie wymagania dotyczące bezpieczeństwa konieczne jest właściwe zastosowanie całego ich zestawu.
Jeśli zaangażowanie człowieka w proces produkcyjny nie jest zasadniczo konieczne lub jest niepożądane, maszyny i urządzenia stanowiące potencjalne źródło zagrożenia dla człowieka odgradzane są od otoczenia mechanicznymi elementami zabezpieczającymi. Wejście do stref pracy robotów niezbędne jest z zasady tylko w celach serwisowych. Dostęp odbywa się przez drzwi bezpieczeństwa, zabezpieczone specjalnymi czujnikami, które wykrywają otwarcie drzwi bezpieczeństwa i wysyłają sygnał nakazujący zatrzymanie maszyny, umożliwiając bezpieczną jej obsługę.
Jeśli urządzenia zabezpieczające muszą zostać zainstalowane w pobliżu strefy niebezpiecznego ruchu maszyny, należy wziąć pod uwagę niebezpieczeństwo związane z długim wybiegiem maszyny i w takiej sytuacji bezwzględnie zastosować zabezpieczenia mechaniczne. W przypadku aplikacji, przy których konieczna jest np. kontrola człowieka, doprowadzanie części lub dalsza obróbka, jako dodatkową ochronę stosuje się również często mechanizmy ochronne działające na zasadzie bezdotykowej, takie jak np. kurtyny świetlne. Ponadto konieczne może się okazać zapewnienie ochrony przed wtargnięciem za pomocą skanerów laserowych. W niektórych przypadkach optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie mat bezpieczeństwa – np. w sytuacji, w której możliwość zastosowania systemów optycznych jest ograniczona ze względu na warunki brzegowe związane z danym procesem, takie jak pył, dym, mgła czy para wodna.
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. 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.
Dynamiczna ochrona strefy bezpieczeństwa
W przypadku współpracy między człowiekiem, 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.
Oznaczenie znakiem CE aplikacji wykorzystujących roboty
Podobnie jak w innych obszarach, ustawodawca zobowiązuje producenta aplikacji wykorzystującej robota do przeprowadzenia procedury oceny zgodności obowiązującej dla procesu oznakowania maszyn znakiem CE. Umieszczenie znaku CE stanowi potwierdzenie, że aplikacja 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.
Kolejne kroki to opracowanie „koncepcji bezpieczeństwa” i „projektu bezpieczeństwa”, w tym wybór odpowiednich komponentów bezpieczeństwa. Stanowią one zwykle połączenie inteligentnych, sprzężonych ze sobą czujników oraz mechanizmów sterowania, dzięki którym możliwa jest realizacja dynamicznych procesów roboczych. Następnie wybrane środki bezpieczeństwa dokumentowane są w ocenie ryzyka i wdrażane na etapie „integracji systemowej”. Ostatnim etapem jest „walidacja”, podczas której raz jeszcze analizuje się poprzednie kroki.
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 przedmiotu oraz innych maszyn wykorzystywanych w procesie, np. urządzeń do przeładunku materiałów. Oznacza to w praktyce, że każda aplikacja wymaga przeprowadzenia indywidualnej oceny bezpieczeństwa.
źródło: Pilz