Roboty współpracujące. Specyfikacja techniczna ISO/TS 15066

Prace nad stworzeniem specyfikacji technicznej, która określałaby najważniejsze aspekty bezpiecznej współpracy między pracownikami a robotami rozpoczęły się już w 2010 r. W skład grupy roboczej tworzącej ISO/TS 15066 weszło 24 przedstawicieli krajów z całego świata, w tym reprezentanci producentów cobotów. Warto podkreślić, że nowa specyfikacja techniczna dotyczy tylko systemów robotycznych, czyli rozwiązania, w którego skład wchodzi ramię robota, chwytak oraz manipulowany obiekt.

Coboty

Termin roboty współpracujące, czyli coboty (ang. collaborative robots – cobots) został stworzony przez stowarzyszenie Robotics Industry Association (RIA) w 2003 r., zaś pierwszy robot współpracujący został sprzedany przez duńską firmę Universal Robots pięć lat później. Do grupy tego typu robotów zaliczają się m.in roboty firm Universal Robots (UR3, UR5, UR10), ABB (YuMI), KUKA (iiwa) czy Fanuc (CR-35ia).

Opublikowany w 2016 r. przez Międzynarodową Federację Robotyki (IFR) pierwszy raport dotyczący w całości rynku robotów współpracujących stwierdza, że coboty stanowią obecnie najszybciej rozwijający się segment automatyki przemysłowej. Eksperci przewidują w raporcie wzrost wartości rocznej sprzedaży robotów przemysłowych na całym świecie średnio o 13% w latach 2017–2019. W tym okresie ma też nastąpić przełom w dziedzinie współpracy ludzi i robotów, umożliwiający pracę robotów ramię w ramię z ludźmi bez zabezpieczeń ochronnych, co zwiększy wydajność i jakość produkcji.

W tradycyjnie zrobotyzowanych aplikacjach, w celu zapewnienia bezpieczeństwa ludzi i procesów, wymagane jest umieszczenie robota w klatce bezpieczeństwa i wykluczenie dostępu operatora do obszaru pracy w czasie, gdy robot jest aktywny. W związku z tym operacje wymagające udziału człowieka nie mogą być w pełni zrobotyzowane. Wdrożenie cobotów ma umożliwić połączenie ich powtarzalnej i wydajnej pracy z indywidualnymi umiejętnościami i doświadczeniem człowieka – ludzie są bowiem zdolni do rozwiązywania niestandardowych zadań, natomiast roboty wykazują się dużą wytrzymałością, precyzją i siłą.

Normy dotyczące robotów przemysłowych

Od 2011 r. obowiązują dwie główne normy dotyczące robotów przemysłowych ISO 10218-1 i ISO 10218-2. Specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 została opracowana jako ich uzupełnienie i dotyczy przede wszystkim wymagań związanych z bezpieczeństwem współpracujących systemów robotycznych oraz ich środowiskiem pracy. – Obecnie mamy na świecie sytuację, gdzie normy dotyczące robotyki są praktycznie identyczne. Norma ISO 10218-1 odnosi się do producentów robotów, takich jak Universal Robots. Natomiast część druga ISO 10218-2 dotyczy systemów robotycznych. System robotyczny to robot posiadający konkretną końcówkę oraz manipulowany obiekt – wyjaśnia Roberta Nelson Shea, Global Technical Compliance Officer Universal Robots.

Dlaczego warto zacząć wdrażać ISO/TS 15066?

Nigdy nie jest za wcześnie na stosowanie zasad bezpieczeństwa, nawet bardzo ogólnych. W szczególności dotyczy to sytuacji, w których mamy do czynienia ze zdrowiem pracownika. Wymagania zawarte we wcześniejszych normach odnoszą się w części również do robotów współpracujących i należy ich przestrzegać. Jeśli jednak zależy nam na poprawnym zabezpieczeniu współpracujących systemów robotycznych i zapewnieniu bezpiecznego środowiska pracy, to warto zapoznać się z ISO/TS 15066 i wziąć pod uwagę zastosowanie wymagań tej specyfikacji.

Najnowsza specyfikacja techniczna zawiera wytyczne dla współpracujących aplikacji, gdzie systemy robotyczne i ludzie dzielą tę samą przestrzeń roboczą. W takich operacjach integralność systemu sterowania związana z bezpieczeństwem ma istotne znaczenie, zwłaszcza w przypadku kontrolowania takich parametrów, jak szybkość czy siła. Kompleksowa ocena ryzyka jest wymagana do oceny nie tylko samego systemu robotycznego, ale również środowiska, w którym jest on umieszczony.

ISO/TS 15066 – najważniejsze zagadnienia

Specyfikacja ISO/TS 15066 dotyczy tylko nowych aplikacji. Aplikacji wdrażanych przed 15 lutego 2016 r. nie trzeba do niej dostosowywać.

ISO/TS 15066 zawiera wytyczne dotyczące projektowania i wdrażania wspólnych przestrzeni roboczych dla człowieka i robota, które kontrolują powstałe z wyniku tej współpracy ryzyko. – Za nową specyfikacją techniczną stoi idea dozwolonego kontaktu pomiędzy cobotem a człowiekiem, przy czym kontakt ten nie wywołuje bólu i nie powoduje kontuzji – mówi Roberta Nelson Shea.

ISO/TS 15066 wyróżnia cztery typy aplikacji współpracujących (ang. collaborative operation)

1. Bezpieczeństwo oceniane – monitorowane zatrzymanie (ang. safety-rated monitored stop) – zatrzymanie jest zapewnione bez konieczności wyłączania mocy. W tym przypadku człowiek i system robotyczny nie mogą poruszać się w jednym czasie.

2. Prowadzenie ręczne (ang. hand-guiding) – zasadniczo ręcznie sterowany system robotyczny. System robotyczny i człowiek mogą poruszać się jednocześnie. Cobot jest kontrolowany przez operatora.

3. Monitorowanie prędkości i oddzielania (ang. speed and separation monitoring) – prędkość systemu robotycznego będzie sterowana w oparciu o odległość między nim a intruzem. Obecnie wykorzystywane są do tego urządzenia zewnętrzne, m.in skanery czy czujniki wizyjne, które w przyszłości będą zintegrowane z systemem robotycznym. W tym przypadku człowiek i robot współpracujący mogą poruszać się jednocześnie. System robotyczny zwolni w miarę zbliżania się do obiektu. Możliwe jest zatrzymanie przed obiektem lub uderzenie z siłą określoną w specyfikacji.

4. Ograniczenie mocy i siły (ang. power and force limiting) – prędkość, moment obrotowy i ruch sterowane są w taki sposób, że ból nie będzie odczuwalny lub człowiek nie zostanie zraniony. W tym przypadku system robotyczny i człowiek pracują jednocześnie, a siła, prędkość i ruch są w pełni kontrolowane – aplikacja nie spowoduje bólu czy uszkodzenia ciała, nie ma też potrzeby stosowania dodatkowych tradycyjnych zabezpieczeń, klatek, systemów czujników. Parametry są określane na podstawie analizy ryzyka.

Podstawy określające ograniczenie mocy i siły (PFL)

W trakcie badań nad cobotami eksperci postawili kilka istotnych pytań, m.in.: dlaczego robot współpracujący nie miałby mieć kontaktu z człowiekiem, jeśli ten kontakt nie szkodzi człowiekowi? czy kontakt z robotem w bezruchu różni się od kontaktu z nim w ruchu? Eksperci doszli do wniosku, że kontakty z robotem w trakcie ruchu powinny być rzadkie.

Kolejną istotną kwestią poruszoną przez ekspertów było zagadnienie związane z aplikacją współpracującą, w której system robotyczny porusza się z małą prędkością i siłą, ale manipuluje niebezpiecznym obiektem, np. nożem. Czy w takim przypadku można mówić o aplikacji współpracującej? Nie. Taki rodzaj aplikacji nie jest aplikacją współpracującą i operator powinien zostać bezwzględnie odseparowany od systemu robotycznego.

W specyfikacji, w oparciu o wcześniej określone siły, zostały zdefiniowane dwa typy kontaktu operatora z systemem robotycznym:

• kontakt prawie-statyczny – część ciała znajduje się między manipulowanym obiektem na ramieniu robota a innym obiektem,
• kontakt przejściowy – część ciała nie jest zaciśnięta i można ją wycofać.

ISO/TS 15066 dostarcza danych na temat Poziomu Początku Bólu (ang. Pain Onset Level), maksymalnej dopuszczalnej siły i prędkości robota oraz kryteriów tworzenia aplikacji, a także opisuje zagadnienia dotyczące określania technik współpracy. Co najważniejsze, po raz pierwszy, ISO/TS 15066 umożliwia wykonanie oceny ryzyka dla aplikacji ze współpracującymi systemami robotycznymi z obszernymi danymi i gotowymi formułami.

– Naukowcy z Uniwersytetu w niemieckim Mainz przeprowadzili w imieniu komitetu ISO badanie początku bólu, w którym wzięło udział 100 pacjentów. Badanie polegało na ustaleniu limitów siły i nacisku na 29 obszarów ciała – tłumaczy Roberta Nelson Shea. Dzięki tym badaniom ISO/TS 15066 dostarcza listę dopuszczalnych poziomów siły i nacisku dla poszczególnych części ciała ludzkiego. Dane te mogą zostać wykorzystane do ustalenia zestawu progów siły/nacisku, których robot nie powinien przekraczać i są wskazówką dla producentów robotów oraz integratorów aplikacji.

W kolejnej części dokumentu wyszczególnione zostały rekomendowane limity prędkości i siły, z jakimi powinien pracować cobot w otoczeniu człowieka.

Podsumowanie

Najnowszy dokument ISO/TS 15066 prezentuje jasno określone kroki, jakie należy wykonać przy ocenie ryzyka dla systemów robotycznych. Specyfikacja techniczna szczegółowo opisuje wymagania związane z poprawą bezpieczeństwa oraz zachęca do tworzenia w przyszłości bezpiecznych procesów.

Dokument zawiera także wykres stworzony przez ekspertów z Uniwersytetu w Mainz, który przedstawia listę maksymalnych poziomów siły i ciśnienia, jakie może osiągnąć robot współpracujący. Dodatkowo po raz pierwszy w ISO/TS 15066 określono maksymalne dopuszczalne limity siły i prędkości dla power and force limiting scenarios.

Korzyści z wdrożenia zawartych w dokumencie wskazówek odniosą wszyscy pracownicy współpracujący przy tego typu aplikacjach, inżynierowie i kierownicy zakładów produkcyjnych czy integratorzy. Planuje się, że wymagania ISO/TS 15066 zostaną w ciągu roku dodane do normy ISO 10218 część 1 i 2. 

źródło: Automatyka 1-2/2017