Bezpieczna wpółpraca człowieka z robotem

Im bliżej człowiek współpracuje z maszyną, tym wydajniej wykonywana jest jego praca, ale jednocześnie większe wymagania stawiane są kwestiom bezpieczeństwa. Obszary robocze bez bezpośredniej interakcji między człowiekiem a ramieniem robota to standard obowiązujący w aplikacjach zrobotyzowanych od ponad 50 lat. Przez wiele lata uważano, że wpółpraca człowieka z robotem we wspólnej przestrzeni roboczej nie jest możliwa ze względów bezpieczeństwa. Nowa generacja robotów, bezpiecznych czujników i systemów sterowania wraz ze specyfikacją techniczną ISO/TS 15066 oferują nowe możliwości tworzenia bezpiecznych aplikacji.

Obecny rozwój w dziedzinie robotyki coraz częściej zmierza do umożliwienia człowiekowi i maszynie wykonywania zadań w jak najbliższej współpracy. Zamiast odgradzania przestrzeni roboczej robota od człowieka, dąży się stworzenia takich stanowisk zrobotyzowanych, w których człowiek i robot ściśle współpracują ze sobą, każdy wykorzystując swoje mocne strony. Nowy typ robota przemysłowego, tzw. cobot mający zdolności sensoryczne i dotykowe, to rodzaj robota usługowego, którego zadaniem jest „pomagać człowiekowi” w uciążliwych fizycznie lub monotonnych zadaniach. Jego typowe zastosowania to aplikacje typu „pick and place”, operacje manipulacyjne pomiędzy różnymi etapami produkcji lub aplikacje podążające za linią, w których robot musi dokładnie podążać określoną trajektorią (np. podczas śledzenia konturu lub podczas zadań klejenia). W tego typu aplikacjach człowiek i robot wykonują swoje zadania jednocześnie w tej samej przestrzeni roboczej. Umożliwia to łączenie mocnych stron i zalet maszyny, takie jak niezawodność, wytrzymałość i dokładność powtarzalności, z ludzkimi, czyli zręcznością, elastycznością i zdolnością do podejmowania decyzji. Charakterystyką tego typu aplikacji, w przeciwieństwie to zamkniętych cel zrobotyzowanych jest możliwość wystąpienia kolizji. Celem i zadaniem integratorów robotów jest takie zaprojektowanie stanowiska pracy, aby kontakt nie spowodował obrażeń u operatora. Wiąże się to z dodatkowymi wyzwaniami w zakresie bezpieczeństwa.

Pomimo pojawienia się na rynku cobotów, niezmiennie obowiązuje zasada: roboty nie są w stanie same zapewnić bezpieczeństwa. Nie ma bezpiecznych robotów, są tylko bezpieczne aplikacje wykorzystujące roboty. Bezpieczeństwo wynika z połączenia normatywnych warunków brzegowych, opartej na nich analizie ryzyka, wyboru robota z odpowiednimi funkcjami bezpieczeństwa i doborze odpowiednich dodatkowych komponentów bezpieczeństwa, a wreszcie końcowej walidacji aplikacji.

W procesie tym kluczową rolę odgrywa specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 „Roboty i urządzenia dla robotyki - Roboty współpracujące”, która umożliwia wdrożenie bezpiecznej współpracy człowieka z robotem po odpowiedniej walidacji. Opisano w niej cztery metody współpracy jako zasady ochrony, które integrator może zastosować przy wdrażaniu aplikacji HRC:

Metoda 1 - monitorowanie zatrzymania
Metoda 2 - prowadzenie ręczne
Metoda 3 - monitorowanie prędkości i separacji
Metoda 4 - ograniczenie mocy i siły

Wdrażając aplikację bazującą na współpracy człowieka z robotem (HRC), integratorzy systemów w swojej aplikacji mogą wybrać jedną z metod lub ich kombinację.

Specyfikacja Techniczna jest ponadto pierwszym dokumentem normatywnym, który w swoim Załączniku A podaje szczegółowe informacje na temat granicznych wartości sił i ciśnień, dla różnych części ciała, jakie mogą występować podczas kolizji człowieka z robotem. Wartości te zostały określone na podstawie badań progu bólu człowieka. W praktyce bezpieczna współpraca człowieka z robotem realizowana jest poprzez połączenie metod „monitorowania prędkości i separacji” oraz „ograniczania mocy i siły” zgodnie z ISO/TS 15066. Załącznik do Specyfikacji Technicznej ISO/TS 15066 opisuje model ciała człowieka i zawiera informacje o wartościach granicznych kolizji dla każdej części ciała (np. głowy, dłoni, ramienia lub nogi). Jeśli aplikacja mieści się w tych granicach, oznacza to, że spełnia wymagania normy. Zmierzone wartości sił i ciśnień wykorzystuje się w praktyce do walidacji bezpieczeństwa aplikacji HRC.

Firma Pilz opracowała własną metodykę wykonywania pomiarów ciśnienia i sił występujących podczas kolizji robota współpracującego z człowiekiem, za pomocą urządzenia PRMS (Pilz Robot Measurement System). Narzędzie to umożliwia rejestrację siły i nacisku robota, które mogą występić w przypadku kolizji. Wykonane pomiary uwzględniają odpowiednie biomechaniczne właściwości ciała w obszarach ciała uczestniczących w zderzeniu. Podczas oceny wyników pomiarów weryfikowana jest zgodność z tymi wartościami granicznymi. Wyposażone w sprężyny i odpowiednie czujniki urządzenie może precyzyjnie rejestrować siły powstałe w wyniku zderzenia z robotem, oceniać je w oprogramowaniu i porównywać ze specyfikacjami zawartymi w ISO/TS 15066.

Producenci robotów i ich integratorzy zgodnie z prawem muszą przeprowadzić procedurę oceny zgodności z przepisami dyrektywy. Umieszczenie znaku CE potwierdza, że aplikacja robota spełnia wszystkie zasadnicze wymagania w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa. Wyzwaniem w ocenie ryzyka dla aplikacji wykorzystującej współpracę człowieka z robotem jest to, że granice pomiędzy oddzielnymi obszarami pracy człowieka i maszyny przestały istnieć. Oprócz zagrożeń stwarzanych przez robota należy wziąć pod uwagę m.in. ruchy człowieka. Nie zawsze jednak da się je obliczyć pod kątem szybkości, refleksu czy nagłego przybycia drugiej osoby.
W kolejnym kroku należy wykonać koncepcję bezpieczeństwa i projekt bezpieczeństwa, wraz z wyborem komponentów bezpieczeństwa. Zwykle są to kombinacje inteligentnych czujników bezpieczeństwa oraz systemów sterowania, które umożliwiają realizację niezbędnych dynamicznych procesów roboczych. Wybrane środki bezpieczeństwa są następnie dokumentowane w ocenie ryzyka i wdrażane na etapie integracji systemu. Następnie następuje walidacja, podczas której ponownie sprawdzane są poprzednie kroki oraz zgodność już istniejącej maszyny z wcześniejszymi założeniami. Po potwierdzeniu zgodności produkowanej maszyny z wszystkimi dotyczącymi jej wymaganiami maszyna może zostać oznakowana znakiem CE.
Należy jednak zwrócić uwagę, że nie opracowano jeszcze bezpiecznego robota ani bezpiecznej technologii czujników, która uwzględniłaby w praktyce wszystkie możliwe scenariusze bezpieczeństwa. Wymagania dotyczące technologii bezpieczeństwa zależą zawsze od konkretnej aplikacji. Konfiguracje bezpiecznych cel zrobotyzowanych można rozpatrywać wyłącznie w ogólnym kontekście robota, narzędzia i przedmiotu obrabianego oraz wszelkich powiązanych maszyn, takich jak na przykład technologia przenośników. W praktyce oznacza to, że każda aplikacja wymaga osobnej oceny bezpieczeństwa.

Wykorzystanie aplikacji bazujących na współpracy człowieka z robotem w środowisku przemysłowym z pewnością będzie się zwiększać. Ich rozwój będzie w dużym stopniu uzależniony od innowacji w dziedzinie technologii czujników i robotyki. Jednak każda aplikacja nadal będzie wymagała przeprowadzenia osobnej oceny bezpieczeństwa. Wspólnie inżynierowie automatycy, producenci robotów, integratorzy i jednostki notyfikowane będą w stanie urzeczywistnić wizję robota-towarzysza pracy. Firma Pilz jako członek międzynarodowej jednostki normalizacyjnej, aktywnie współpracowała z producentami robotów, integratorami, jednostkami notyfikowanymi i innymi firmami z branży automatyki, w definiowaniu tego nowego standardu współpracy człowieka z robotem w środowisku przemysłowym. Zapewniamy odpowiednie usługi, produkty i systemy do wdrażania bezpiecznych aplikacji. Firma wspiera użytkowników robotów pakietem usług dostosowanym do poszczególnych faz cyklu życia systemu robota: od analizy procesu po ocenę ryzyka i dalej, aż po oznakowanie CE. Ofertę usług uzupełnia dedykowany pakiet szkoleniowy dotyczący zagadnień bezpieczeństwa robotów.

Więcej o naszych rozwiązaniach dla branży robotyki