Bezpieczna współpraca człowieka z robotem?

Współpraca człowieka z robotem – bezpieczne aplikacje czy fikcyjne wyobrażenia?

Całego wachlarza emocji, od negatywnych po pozytywne dostarczają roboty współpracujące. Zakładamy z góry, że roboty tego rodzaju są bezpieczne, świadomi słowa „safety” w nazwie robotów kolaborujących, które mają obłe kształty i niewielkie gabaryty. Druga strona medalu podpowiada jednak, że roboty budzą skojarzenia łączące się z zagrożeniem dla operatora maszyny, ze znaczną prędkością i wygrodzeniem. Na jakiej podstawie ocenić więc, czy aplikacja HRC (ang. human-robot collaboration), współpracująca z człowiekiem będzie bezpieczna dla jej operatora?

Nieukończona maszyna, do jakiej klasyfikuje się robota współpracującego, podlega wymaganiom Dyrektywy Maszynowej 2006/42/WE, które musi spełniać. W przypadku większości maszyn normy zharmonizowane są przewodnikami do ich bezpiecznej budowy i instalacji. Norma PN-EN ISO 10218 „Bezpieczeństwo robotów przemysłowych” musi zostać spełniona przez coboty. Część pierwsza normy „Roboty” przeznaczona jest dla producentów robotów, a część druga „Systemy zrobotyzowane i ich integracja”, przeznaczona dla integratorów stosowana jest w trakcie instalacji odpowiedniej aplikacji z robotem.

Od zwykłych robotów aplikacje, które wykorzystują roboty współpracujące różnią się jedną właściwością – kontakt pomiędzy cobotem a operatorem maszyny jest możliwy podczas pracy robota, podczas gdy w standardowych zrobotyzowanych stanowiskach kontakt taki jest niemożliwy. Pozwala to na całkowitą zmianę podejścia bezpieczeństwa do tego rodzaju aplikacji. Wyróżnia się dwa rodzaje kontaktu, nazywanego również kolizją – kontakt quasi-statyczny, polegający na pochwyceniu oraz zgniocie między stałym elementem występującym w aplikacji z cobotem a konstrukcją robota – w której to sytuacji uwolnienie części ciała jest niemożliwe oraz kontakt przejściowy – polegający na uderzeniu przez robota w okresie czasu do 0,5 sekundy z możliwością uwolnienia danej części ciała.

Aby ograniczyć ryzyko powstania kolizji ogranicza się kontakt między robotem i człowiekiem lub stosuje się czynności zapobiegające. Jednym z nich są czujniki pomiaru prądu, które instaluje się na podstawie robota lub jego przegubach, mierzące siłę kolizji, części cobota, które posiadają funkcje bezpieczeństwa w postaci czujników pomiaru prądu lub sił/momentów, a także inteligentne „skóry”, które mierzą zadawany na ich powierzchni nacisk. Kinematyka odwrotna robota, a więc prawidłowe programowanie trajektorii przegubów i ruchów robota, wyściółki i opływowe kształty cobotów również są stosowane jako środki eliminacji wystąpienia kolizji lub redukcji ich siły. Pozwalają one więc na ograniczenie siły lub nacisku kolizji lub samego jej powstania. Jak jednak zdobyć pewność na temat tego, jakie są wartości graniczne nacisków lub sił, których wystąpienie wiąże się z ryzykiem powstania urazu operatora? 

W roku 2016 została opublikowana ISO/TS 15066 „Robots and robotic devices – Collaborative robots” – specyfikacja techniczna, która w ząłączniku A opisuje w sposób szczegółowy jakie siły i naciski jednostkowe mogą być wywarte na operatora. Opis ten powstał na podstawie modelu ludzkiego ciała złożonego z 29 obszarów i 12 regionów i pokazuje progi bólu poszczególnych części ciała w trakcie quasi-statycznego lub chwilowego kontaktu.

Obszarem ciała, na który graniczne wartości siły wynoszą 110 N/cm2 nacisku równego oraz 65N, jest twarz – jest ona najbardziej newralgicznym punktem na ciele człowieka. Dzięki specyfikacji technicznej jest możliwe wskazanie, w których miejscach dane wartości graniczne można stosować do poszczególnych części ciała oraz jaka jest potrzeba przestrzegania tych wartości. Specyfikacja ta nie określa jednak sposobów pomiaru ich nacisku i siły. Z punktu widzenia potrzeby uzyskania porównywalnych wyników obecne standardy są niewystarczające w stosunku do tego, kto prowadzi walidację.

Firma Pilz opracowała własną technologię, by ustalić odpowiednie procedury pomiarowe – wraz z odpowiednią metodologią i specyfikacją. Dzięki metodologii możliwe jest wskazanie ustalenia punktów kolizji. Aby zagwarantować powtarzalność, opisuje się pomiar wskazując punkt początkowy, punkt kolizji i punkt końcowy. Opracowane zostało również urządzenie służące do pomiaru parametrów kolizji (jej nacisku i siły) – PROBms, którego system obejmuje czujniki i sprężyny. Dzięki niemu możliwe jest obliczenie dokładne działanie sił, które oddziałują na ludzkie ciało i porównać je z podanymi w specyfikacji technicznej ISO/TS 15066 wartościami granicznymi. Instalacja urządzenia pomiarowego odbywa się we wskazanych w ocenie ryzyka miejscach – pomiędzy nieruchomą, sztywną powierzchnią a ramieniem robota. Dzięki temu możliwe jest wykonanie symulacji zbliżonego do statycznego kontaktu – takiego jak przygniecenie pracownika między elementem instalacji a robotem. Symulacja kolizji wykonywana jest w najgorszych możliwych warunkach, do jakich może dojść – w ich ramach stosuje się prędkość, która jest bezpiecznie zredukowana i maksymalna, a nie taka, jaka jest przyjęta w ramach specyfikacji. W przypadku przekroczenia wartości należy zastosować dodatkowe środki bezpieczeństwa (np. osłona blokująca, kurtyna świetlna, skaner) lub zmniejszyć dynamiczne parametry robota. Gdy wszystkie etapy walidacji i weryfikacji zostaną zrealizowane przychodzi czas na raport, zawierający w czytelnej formie całość informacji o przeprowadzonych testach i analizach. W przypadku uwzględnienia w całości wyników, ich walidacja będzie mogła zostać uznana za zgodną ze specyfikacjami określonymi dla metod pomiarowych. Wymagają one, by stosowane metody były powtarzalne, zrozumiałe i przejrzyste. Po przygotowaniu specyfikacji aplikacja, która wykorzystuje cobota otrzymuje oznakowanie CE. Daje ono gwarancję uwzględnienia przez producenta wszystkich europejskich dyrektyw rynku wewnętrznego, które mają zastosowanie oraz realizację wszystkich ocen zgodności i wymaganych procedur.

Czas na osprzęt cobotów – robot współpracujący musi jako maszyna nieukończona zostać zintegrowany z innym sprzętem, by stać się maszyną i nadać mu właściwe przeznaczenie. Bardzo często przeważa o tym wybór efektora – odpowiedniej końcówki roboczej. Ze względu na to, że dobór ten najczęściej pomija się w procesie oceny bezpieczeństwa aplikacji, wybór właściwego efektora jest kluczowy. W celu skontrolowania odpowiedniego nacisku sił przenoszonych przez robota również na efektorze (w miejscu częstego kontaktu człowieka i robota) musi odbyć się pomiar sił kolizji dla końcówki roboczej. Bezpieczeństwo danej aplikacji można stwierdzić dopiero po potwierdzeniu zgodności wymaganych sił/nacisków i przeprowadzeniu pomiarów.

Konkretne rozwiązania ważą na wymaganiach w zakresie technologii bezpieczeństwa. Aplikacje zrobotyzowane, które uznaje się za bezpieczne, to te, które łącznie oceniają robota, obrabiany przedmiot i narzędzie, razem z maszynami i powiązanym osprzętem. Oznacza to, że w rzeczywistości każde z rozwiązań wymaga indywidualnej, pogłębionej oceny bezpieczeństwa.

Źródło: PILZ