Aplikacje, w których występuje współdzielenie przestrzeni człowieka i robota, często nazywane skrótem HRC (ang. Human-Robot Collaboration) stawiają nowe wymagania w zakresie bezpieczeństwa. Główną cechą odróżniającą tradycyjnie obudowane cele zrobotyzowane od robota współpracującego z człowiekiem jest fakt, że w przypadku tego drugiego kolizja z człowiekiem jest realnym scenariuszem. Zagrożenia ze strony robota we wspólnej przestrzeni roboczej nie mogą jednak prowadzić do wystąpienia obrażeń. Dlatego, aby zminimalizować ciężkość obrażeń, warunkiem koniecznym stało się wyposażenie robota w bardziej niezawodne kontrolery i inteligentne, dynamiczne czujniki. Robot może wówczas wykryć kolizję w trakcie jej wystąpienia lub przed jej wystąpieniem. Należy jednak pamiętać, że oprócz zastosowania środków technicznych należy dla każdej aplikacji wykorzystującej robota współpracującego przeprowadzić proces oceny ryzyka.
Normy
Norma PN-EN ISO 10218-1 podaje całkiem sporo informacji dotyczących wymagań dla robotów współpracujących i opisuje różne modele współpracy. Dodatkowo, w normie PN-EN ISO 10218-2 zawarte są wymagania dotyczące budowy stanowisk ze wspólną przestrzenią roboczą z człowiekiem. Niniejszy artykuł będzie skupiony na ocenie ryzyka robota współpracującego z człowiekiem, czyli robotem, który został zaprojektowany do pracy, gdzie przewidziano możliwość kontaktu pomiędzy człowiekiem, a robotem podczas wykonywania zadania.
Należy przy tym pamiętać, że nie istnieją tzw. „roboty bezpieczne”. To, że w danej aplikacji został wykorzystany tzw. robot współpracujący z człowiekiem nie oznacza, że aplikacja jest bezpieczna. Samo wykorzystanie robota współpracującego nie zwalnia integratora z obowiązku oszacowania i eliminacji zagrożeń podczas oceny ryzyka. Mimo tego, że robot współpracujący został zaprojektowany do bezpośredniej współpracy z człowiekiem we wspólnej przestrzeni roboczej nie oznacza, że człowiek w obecności takiego robota będzie bezpieczny. Integrator powinien dążyć do zrealizowania bezpiecznej współpracy takiego robota z człowiekiem i oczekiwać, że finalna integracja będzie bezpieczną aplikacją stanowiska zrobotyzowanego, jeśli do wartości akceptowalnej zredukowane zostaną wszelkie niebezpieczne zagrożenia dla człowieka.
W dobie pojawiających jest nowych rozwiązań i coraz częstszego wykorzystywania robotów współpracujących istniejące standardy okazały się niewystarczające, aby bezpiecznie wdrożyć rzeczywistą współpracę między ludźmi i maszynami, dla której to odpowiednie obszary robocze mogą się pokrywać pod względem czasu i przestrzeni. Wystąpiła luka normatywna, którą można było wypełnić dopiero wiosną 2016 r. wraz z opublikowaniem specyfikacji technicznej ISO/TS 15066 „Roboty i urządzenia robotyczne – współpracujące roboty przemysłowe”. W specyfikacji tej opisano szczegółowo cztery typy współpracy jako zasady ochrony i zawarto informacje o granicznych siłach i nacisków jednostkowych, jakie mogą oddziaływać na poszczególne obszary ciała człowieka, które zostały wyznaczone na podstawie progów bólu.
Jak zapewnić bezpieczeństwo?
Aplikacja HRC wymaga zastosowania środków ochronnych, aby zapewnić bezpieczeństwo ludzi przez cały czas współpracy. W tym celu w specyfikacji technicznej ISO/TS 15066 opisano bardziej szczegółowo cztery typy współpracy jako zasady ochrony. Bezpieczna współpraca człowieka z robotem wymaga zastosowania systemów robotów zaprojektowanych specjalnie dla danego typu współpracy. Minimalizację ryzyka można wdrożyć, stosując następujące metody współpracy:
- Bezpieczne monitorowanie zatrzymania (metoda 1): człowiek ma dostęp do robota tylko wtedy, gdy jest on zatrzymany, dlatego kolizja jest wykluczona.
- Prowadzenie ręczne (metoda 2): człowiek ma dostęp do robota tylko wtedy, gdy jest on w stanie spoczynku. Człowiek prowadzi robota ręcznie, dlatego kolizja jest wykluczona.
- Monitorowanie prędkości i separacji (metoda 3): człowiek ma dostęp do przestrzeni współpracy podczas pracy. Odległość od robota zapewnia bezpieczeństwo człowieka. Jeśli odległość jest zbyt mała, uruchamiane jest bezpieczne zatrzymanie, dlatego kolizja jest wykluczona.
- Ograniczanie mocy i siły (metoda 4): W tej metodzie człowiek ma dostęp do przestrzeni współpracy, gdy robot się porusza. Kontakt między ludźmi a robotami (celowy lub nie) jest możliwy, jednakże ograniczenie mocy i siły łagodzi skutki kontaktu.
Wdrażając bezpieczną współpracę człowieka z robotem, integrator systemów zrobotyzowanych może zastosować dla swojej aplikacji jeden z w/w „typów współpracy” lub ich kombinację. W praktyce wykazano, że współpracę człowieka z robotem można często skutecznie wdrożyć zgodnie z normą ISO/TS 15066, łącząc „monitorowanie prędkości i separacji” z „ograniczaniem mocy i siły”. Jeśli jednak kolizja jest możliwym scenariuszem, należy zapewnić, że kontakt człowieka z robotem nie doprowadzi do powstania obrażeń.
Konkretne środki mające na celu zmniejszenie ryzyka w ramach współpracy określono w Rozdziale 5 raportu technicznego ISO/TS 15066. W specyfikacji technicznej ISO/TS 15066 w załączniku A pojawiły się szczegółowe informacje na temat granicznych sił i nacisków jednostkowych dla różnych części ciała. Wartości te stanowią podstawę do realizacji aplikacji bez ogrodzenia ochronnego, czyli takiej, która jest zgodna z metodą 4.
Podczas korzystania z robotów współpracujących, które pracują we wspólnym obszarze roboczym z ludźmi, konieczne jest zagwarantowanie, że robot nie spowoduje obrażeń w przypadku kolizji z człowiekiem. Dlatego też w ISO/TS 15066 określono maksymalne wartości dla siły i nacisków jednostkowych, których nie wolno przekraczać w przypadku zderzenia. Różnią się dla różnych obszarów ciała zgodnie z biomechanicznymi właściwościami ciała. Dlatego w przypadku zastosowania metody 4 konieczne jest zmierzenie i sprawdzenie zgodności z maksymalnymi dozwolonymi siłami i ciśnieniami, które mogą wystąpić, gdy robot zderzy się z człowiekiem.
Jest to kwestia najczęściej pomijana w przypadku integracji robota współpracującego z człowiekiem, a co więcej – nawet producenci robotów współpracujących rzadko wspominają o konieczności wykonywania tych pomiarów. Integratorzy często nie są świadomi tego, że powinni wykonywać te pomiary, traktując robota zaprojektowanego do współpracy jako element sam w sobie zapewniający bezpieczeństwo.
Robot bezpieczny?
Błędne określenie takiego robota mianem „robot bezpieczny” jest nagminnie używane przez producentów robotów i integratorów, pamiętajmy jednak, że tzw. cobot nie jest w rozumieniu Dyrektywy Maszynowej 2006/42/WE komponentem bezpieczeństwa, a maszyną nieukończoną, która zintegrowana z maszyną finalną w celu realizacji określonego celu powinna przejść procedurę oceny i redukcji ryzyka.
Firma Pilz opracowała własną metodykę wykonywania pomiarów ciśnienia i sił robota współpracującego, za pomocą urządzenia PRMS (Pilz Robot Measurement System). Służy on do rejestrowania siły i nacisku robota, które mogą występować w przypadku ewentualnych kolizji i wykorzystywany jest podczas walidacji aplikacji wykorzystujących roboty współpracujące. Wykonane pomiary uwzględniają odpowiednie biomechaniczne właściwości ciała w obszarach ciała uczestniczących w zderzeniu. Podczas oceny wyników pomiarów weryfikowana jest zgodność z tymi wartościami granicznymi. Metoda 4 aplikacji HRC może być na tej podstawie walidowana.
Przykład zastosowania urządzenia Pilz Robot Measurement System
Integrator powinien przeprowadzić ocenę ryzyka dla aplikacji robota współpracującego zgodnie z p. 4.3 PN-EN ISO 10218-2. Należy wziąć pod uwagę szczególne rozważania dotyczące potencjalnych zamierzonych lub racjonalnie przewidywalnych sytuacji niezamierzonego kontaktu między operatorem, a systemem robota, a także spodziewanej dostępności operatora do interakcji w obszarze współpracy. ISO/TS 15066 wskazuje przy tym, że użytkownik powinien uczestniczyć w ocenie ryzyka i projektowaniu miejsca pracy, a integrator jest odpowiedzialny za koordynację tych prac i dobór odpowiednich komponentów systemu robotów w oparciu o wymagania aplikacji.
Identyfikacja zagrożeń dla robota współpracującego z człowiekiem
Lista istotnych zagrożeń dla robotów i systemów robotów zawarta jest w zał. A normy PN-EN ISO 10218-2 i jest wynikiem identyfikacji zagrożeń przeprowadzonej zgodnie z ISO 12100. Dodatkowe zagrożenia (np. opary, gazy, chemikalia i gorące materiały) mogą mieć swoje źródło w specyfice aplikacji opartej na współpracy (np. spawanie, montaż, szlifowanie lub frezowanie). Zagrożenia te są rozpatrywane indywidualnie, poprzez ocenę ryzyka dla konkretnego wspólnego zastosowania. Wg PN-EN ISO 10218-2 współpraca robota z człowiekiem ma związek z czynnościami, które dotyczą interakcji człowieka z robotem w znacznie szerszym pojęciu niż opisane w specyfikacji technicznej ISO/TS 15066, ale to temat na osobny artykuł.
Wg ISO/TS 15066 proces identyfikacji zagrożeń powinien uwzględniać co najmniej następujące elementy:
A) zagrożenia związane z robotami, w tym:
- charakterystyka robota (np. obciążenie, prędkość, siła, pęd, moment obrotowy, moc, geometria, powierzchnia kształt i materiał);
- quasi-statyczne warunki kontaktu z robotem, gdzie część ciała operatora może być ściśnięta pomiędzy ruchomą częścią systemu robota a inną nieruchomą lub ruchomą częścią;
- położenie operatora w stosunku do bliskości robota (np. praca pod robotem);
B) zagrożenia związane z systemem robota, w tym:
- zagrożenia związane z efektorem końcowym i elementem obrabianym, z ergonomią konstrukcji, występowaniem ostrych krawędzi, upadkiem przedmiotu obrabianego, występowaniem części odstających, wymianą narzędzi;
- ruch i lokalizacja operatora w odniesieniu do umiejscowienia części, orientacja konstrukcji (np. wyposażenie, podpory budowlane, ściany) oraz lokalizacja zagrożeń na osprzęcie;
- projekt wyposażenia, miejsce występowania ściśnięcia ciała operatora, inne powiązane z tym zagrożenia;
- określenie czy kontakt byłby przejściowy (w którym część ciała operatora nie jest ściśnięta i może cofnąć się z ruchomej części systemu robota), czy quasi-statyczny, oraz określenie narażonych części ciała operatora;
- projekt i lokalizacja każdego ręcznie sterowanego urządzenia prowadzącego robota (np. dostępność, ergonomia, potencjalne niewłaściwe użycie, możliwość pomylenia elementów sterowniczych, wskaźników stanu itp.);
- wpływ i skutki otoczenia (np. usunięcie osłony sąsiedniej maszyny, bliskość promieniowania laserowego);
C) zagrożenia związane z aplikacją, w tym:
- zagrożenia specyficzne dla procesu (np. temperatura, części wyrzucane, odpryski spawalnicze);
- ograniczenia spowodowane obowiązkowym stosowaniem środków ochrony indywidualnej;
- wady projektu pod względem ergonomii (np. skutkujące utratą uwagi, nieprawidłową obsługą).
W porozumieniu z użytkownikiem integrator powinien zidentyfikować i udokumentować zadania wykonywane przez robota współpracującego. Należy zidentyfikować wszystkie racjonalnie przewidywalne kombinacje zadań i zagrożeń. Zadania oparte na współpracy można scharakteryzować przez:
- częstotliwość i czas przebywania operatora we wspólnym obszarze roboczym z ruchomym systemem robota (np. zespołowy montaż z zewnętrznymi mocowaniami);
- częstotliwość i czas trwania kontaktu operatora i systemu robota z mocą napędową lub źródłami energii czynnej związanymi z aplikacją (np. prowadzenie ręczne, fizyczna interakcja z narzędziem lub przedmiotem obrabianym);
- przejście z operacji niewspółpracujących do operacji opartych na współpracy;
- automatyczny lub ręczny restart ruchu systemu robota po zakończeniu współpracy;
- zadania obejmujące więcej niż jednego operatora;
- wszelkie dodatkowe zadania w ramach wspólnego obszaru roboczego.
Eliminacja zagrożeń i redukcja ryzyka
Po zidentyfikowaniu zagrożeń należy ocenić ryzyko związane z systemem robotów współpracujących przed zastosowaniem środków zmniejszających ryzyko. Środki te są oparte na następujących podstawowych zasadach wg ISO 10218-2, wymienionych w kolejności ich obowiązywania:
- eliminacja zagrożeń na etapie projektowania za pomocą rozwiązań konstrukcyjnych bezpiecznych samych w sobie (eliminowanie, zastępowanie);
- stosowanie technicznych środków ochronnych (np. osłony) w celu zapobiegania przed kontaktem operatora z zagrożeniami lub kontrolowanie zagrożeń poprzez osiągnięcie bezpiecznego stanu (np. zatrzymanie, ograniczenie siły, ograniczenie prędkości), zanim operator będzie mógł uzyskać dostęp do zagrożeń lub być na nie narażony;
- zapewnienie uzupełniających środków ochronnych, takich jak informacje dotyczące użytkowania, szkolenia, znaki, sprzęt ochrony osobistej itp.
W przypadku tradycyjnych systemów robotów redukcja ryzyka jest zwykle osiągana dzięki zabezpieczeniom oddzielającym operatora od systemu robota. W przypadku współpracy zespołowej redukcja ryzyka dotyczy przede wszystkim projektu i zastosowania systemu robota oraz wspólnego obszaru roboczego.
Ocena ryzyka stanowiska zrobotyzowanego, gdzie występuje współdzielenie obszaru człowieka z robotem wymaga zatem indywidualnego podejścia do szacowania i zmniejszania ryzyka biorąc pod uwagę zadania, jakie są wykonywane przez człowieka. Robot jest tylko narzędziem, który pomaga człowiekowi w wykonaniu precyzyjnych lub monotonnych zadań, ale człowiek musi czerpać korzyści z tej współpracy. W dzisiejszych czasach w wyniku niedoskonałości technologicznych wciąż jesteśmy zmuszeni do stosowania zasad ograniczonego zaufania, więc współpraca maszyn z ludźmi jest wciąż rozwijaną technologią, mającą swoje ograniczenia. Nie we wszystkich obszarach taka współpraca jest możliwa lub nakłada takie ograniczenia, które powodują, że nie przynosi ona oczekiwanych korzyści ze względu na spowolnienie produkcji, niedokładność lub frustrację człowieka z powodu wad kolaboracyjnych. Czas pokazał, że projektowanie systemu kolaboracyjnego to proces wymagający kompleksowego podejścia do zadań i redukcji zagrożeń.
Więcej o rozwiązaniach firmy Pilz dla branży robotyki znajdziesz na stronie:
