Roboty współpracujące dostarczają wielu różnych emocji – od pozytywnych do negatywnych. Widząc ich obłe kształty, przeważnie niewielkie wymiary oraz świadomość słowa „safety” ukryte pod nazwą robota kolaborującego, wydaje nam się, że roboty tego typu z założenia są bezpieczne. Z drugiej jednak strony mamy przeczucie, że jest to wciąż robot, który od zawsze kojarzony był z wygrodzeniem, dużymi prędkościami oraz znaczącymi zagrożeniami dla operatora maszyny. Jak ostatecznie stwierdzić, czy aplikacja wykorzystująca robota, który ma współpracować z człowiekiem (HRC, ang. Human-robot collaboration) jest w pełni bezpieczna dla operatora?
Robot współpracujący jako maszyna, a konkretnie maszyna nieukończona musi spełniać wymagania Dyrektywy Maszynowej 2006/42/WE. Oczywiście, jak do większości maszyn, przewodnikami do bezpiecznej ich budowy oraz instalacji są normy zharmonizowane. „Coboty” powinny spełniać wymagania normy PN-EN ISO 10218 „Bezpieczeństwo robotów przemysłowych”. Podczas ich budowy stosujemy część 1: „Roboty” przeznaczoną dla producentów robotów, a podczas instalacji odpowiedniej aplikacji z robotem stosujemy część 2: „Systemy zrobotyzowane i ich integracja” przeznaczoną dla integratorów.
Aplikacje wykorzystujące roboty współpracujące różnią się jednak od zwykłych robotów jedną, bardzo ważną cechą – podczas pracy cobota możliwy jest kontakt pomiędzy nim, a operatorem maszyny, co całkowicie zmienia podejście bezpieczeństwa do takiej aplikacji – przy standardowych stanowiskach zrobotyzowanych kontakt pomiędzy robotem, a człowiekiem jest niemożliwy. Rozróżniamy dwa rodzaje kontaktu czyli tzw. kolizji: kontakt przejściowy – uderzenie przez robota w okresie czasu do 0,5 sekundy z możliwością uwolnienia danej części ciała oraz kontakt quasi-statyczny – pochwycenie oraz zgniot pomiędzy konstrukcją robota, a elementem stałym występującym w aplikacji z cobotem. W takiej sytuacji uwolnienie części ciała nie jest możliwe.
W celu minimalizacji ryzyka kolizji wykorzystuje się szereg różnych środków zapobiegających lub ograniczających kontakt pomiędzy robotem oraz człowiekiem. Główną z nich są części samego cobota wyposażone w funkcje bezpieczeństwa, takie jak czujniki sił/momentów czy czujniki pomiaru prądu instalowane na przegubach lub na podstawie robota, które mierzą siłę kolizji lub inteligentne „skóry” mierzące nacisk zadawany na ich powierzchnię. Innymi środkami redukcji sił kolizji lub eliminacji ich wystąpienia mogą być opływowe kształty cobota, „wyściółki”, a także prawidłowe programowanie trajektorii ruchów robota oraz jego przegubów – kinematyka odwrotna robota. Wszystkie te środki redukcji ryzyka pozwalają nam wyeliminować kolizję lub ograniczyć jej siłę/nacisk. Skąd jednak wiadomo jakie są graniczne wartości sił lub nacisków, których wystąpienie nie spowoduje urazu dla operatora ?
Opublikowana w 2016 roku specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 „Robots and robotic devices – Collaborative robots” w załączniku A szczegółowo opisuje siły oraz naciski jednostkowe jakie mogą być wywierane na człowieka (model ludzkiego ciała obejmujący 29 obszarów podzielonych na 12 regionów) – progi bólu dla każdej części ciała – podczas kontaktu chwilowego czy quasi-statycznego. Newralgicznym obszarem ciała jest oczywiście twarz, gdzie graniczne wartości siły wynoszą 65 N oraz nacisku równego 110 N/cm2. Specyfikacja techniczna określa potrzebę przestrzegania wartości granicznych i wskazuje, które wartości graniczne mają zastosowanie do poszczególnych części ciała. Specyfikacja nie określa jednak sposobu pomiaru siły i nacisku. Obowiązujące standardy są obecnie niewystarczające z punktu widzenia potrzeby uzyskania porównywalnych wyników niezależnych od tego, kto przeprowadza walidację.
W celu ustanowienia odpowiedniej procedury pomiaru, firma Pilz opracowała własną metodologię wraz z odpowiednimi specyfikacjami. Metodologia ta wskazuje na przykład sposoby ustalenia punktów kolizji. W celu zagwarantowania powtarzalności pomiar jest zawsze opisywany ze wskazaniem punktu początkowego, punktu kolizji i punktu końcowego. Opracowała także urządzenie PROBms do pomiaru parametrów kolizji, tj. siły i nacisku. System obejmuje sprężyny i czujniki. Za jego pomocą można zmierzyć dokładne wartości sił działających na ludzkie ciało, a następnie dokonać porównania ich z wartościami granicznymi podanymi w specyfikacji technicznej ISO/TS 15066. Urządzenie pomiarowe jest instalowane w miejscach wskazanych w ocenie ryzyka pomiędzy ramieniem robota a sztywną, nieruchomą powierzchnią. Umożliwia przeprowadzenie symulacji kontaktu zbliżonego do statycznego, np. przygniecenia pracownika między robotem, a innym elementem instalacji. Do kolizji musi dojść w najgorszych możliwych warunkach. Oznacza to, że zastosować należy maksymalną, bezpiecznie zredukowaną prędkość, a nie prędkość pracy przyjętą w ramach rozwiązania. Jeśli wartości graniczne zostaną przekroczone, należy zmniejszyć parametry dynamiczne robota lub wprowadzić dodatkowe środki bezpieczeństwa, takie jak kurtyna świetlna, skaner lub osłona blokująca. Po zrealizowaniu wszystkich etapów weryfikacji i walidacji, tworzony jest raport. Zawiera on wszystkie informacje o przeprowadzonych analizach i testach, a podsumowanie prezentowane jest w czytelnej formie. Jeśli wyniki zostaną uwzględnione w całości, walidacja będzie zgodna ze specyfikacjami dla metod pomiarowych. Specyfikacje te wymagają, aby metody były zrozumiałe, przejrzyste i powtarzalne. Dopiero po jej przygotowaniu, aplikacja wykorzystująca robota może otrzymać oznakowanie CE. Stanowi ono potwierdzenie, że producent uwzględnił wszystkie mające zastosowanie europejskie dyrektywy rynku wewnętrznego i zrealizował wszystkie wymagane procedury oceny zgodności.
Temat osprzętu cobotów został celowo pominięty na początku. Zostanie poruszony teraz, celem lepszego wyeksponowania istoty problemu. Jak już wspomniano wcześniej, cobot, jako maszyna nieukończona musi zostać zintegrowana z innym osprzętem, aby nadać mu właściwe przeznaczenie, tym samym tworząc z niego maszynę. Najczęściej jest to dobór odpowiedniej końcówki roboczej – efektora. Dobór odpowiedniego efektora, np. chwytaka jest tutaj kluczowym procesem, ponieważ jest on najczęściej pomijany w procesie oceny bezpieczeństwa aplikacji. Pomiar sił kolizji musi odbyć się także dla końcówki roboczej celem sprawdzenia czy siły przenoszone przez robota są odpowiednie także na efektorze – miejscu gdzie występuje dużo większe prawdopodobieństwo kontaktu robota z człowiekiem. Po przeprowadzeniu takich pomiarów i potwierdzeniu zgodności wymaganych sił/nacisków można stwierdzić o pełnym bezpieczeństwie danej aplikacji.
Wymagania w zakresie technologii bezpieczeństwa zawsze zależą od konkretnego rozwiązania. Bezpieczne aplikacje zrobotyzowane to takie, w których robot, narzędzie i obrabiany przedmiot są oceniane łącznie, wraz z powiązanym osprzętem czy maszynami. W praktyce oznacza to, że każde rozwiązanie wymaga oddzielnej pogłębionej oceny bezpieczeństwa.
Kamil Wójcik
Pilz Polska
Human-Robot Collaboration Expert
International Machinery Safety Expert, CMSE® (TÜV Nord)
