Jaké jsou důležité aspekty při posuzování bezpečnosti kobotů?

Kolaborativní roboty (koboty) jsou navrženy pro práci s lidmi a podporu flexibilní výroby v továrnách Průmyslu 4.0. Ve srovnání s tradičními průmyslovými roboty jsou koboty jednodušší, snadněji se nastavují a nevyžadují bezpečně izolované pracovní prostory. Vzhledem k tomu, že jsou navrženy pro práci s lidmi, jsou koboty postaveny jinak než ostatní průmyslové roboty, včetně funkcí, jako jsou systémy detekce kolizí, silová zpětná vazba, elastické aktuátory a servomotory s nízkou setrvačností.

Protože se liší svou konstrukcí, byly pro koboty vyvinuty specifické bezpečnostní normy. Bezpečnostní požadavky na průmyslové koboty a jejich pracovní prostředí stanovuje technická specifikace Mezinárodní organizace pro normalizaci („Organization for Standardization Technical Specification“, ISO/TS) 15066. Doplňuje požadavky a pokyny pro provoz kobotů uvedené v normách ISO 10218‑1 a ISO 10218‑2.

V tomto článku jsou stručně shrnuty požadavky specifikace ISO/TS 15066 a to, jak zapadají do norem ISO 10218-1 a 10218-2. Dále je v článku zvažována složitost spolupráce, včetně toho, jak je definován kolaborativní pracovní prostor. Zkoumány jsou také faktory související s bezpečností robotů, jako jsou bezpečnostní prvky zabudované do kobotů, a to, jaké externí bezpečnostní funkce jsou potřeba, spolu s ukázkovými zařízeními, jako jsou senzory přiblížení, světelné závěsy a bezpečnostní kontaktní rohože. Na závěr je uveden stručný přehled několika aplikací specifických pro bezpečnostní aspekty kobotů.

Pro průmyslové roboty a koboty existuje několik klíčových bezpečnostních norem. Ve specifikaci ISO/TS 15066 jsou podrobně popsány bezpečnostní požadavky na průmyslové systémy kobotů a pracovní prostředí. Specifikace byla napsána s cílem navázat na omezené požadavky předchozích norem, jako je řada ISO 10218, a doplnit je. Norma ISO 10218-1 se zaměřuje na obecné roboty a robotická zařízení, zatímco norma ISO 10218-2 se zaměřuje na robotické systémy a integraci. Americkým převzetím norem ISO 10218-1 a ISO 10218-2 je standard Amerického národního standardizačního institutu / Průmyslové asociace robotiky („American National Standards Institute / Robotic Industries Association“, ANSI/RIA) R15.06.

Složitosti spolupráce

Než se dostaneme do podrobností o bezpečnosti kobotů, bude užitečné definovat spolupráci. Spolupráce v robotice je složitá a zahrnuje tři faktory:

• Kobot je podle normy ANSI/RIA R15.06 „robot navržený pro přímou interakci s člověkem v rámci definovaného kolaborativního pracovního prostoru“.
• Kolaborativní operace je podle specifikace ISO/TS 15066 „stav, ve kterém účelově navržený robotický systém a operátor pracují v rámci kolaborativního pracovního prostoru“.
• A konečně, kolaborativní pracovní prostor je podle normy podle ANSI/RIA R15.06 „pracovní prostor v chráněném prostoru, kde mohou robot a člověk provádět úkoly během výrobního provozu současně“.

Jde o definici kolaborativního pracovního prostoru „v rámci chráněného prostoru“. Chráněný prostor obsahuje kromě standardních bezpečnostních funkcí obsažených v kobotu i vrstvu bezpečnostní ochrany.

Mezi běžné ochranné prvky integrované do kobotů patří kontaktní detekční systémy založené na měření točivého momentu v každém kloubu, které monitorují neočekávané nárazy, překážky nebo nadměrné síly či točivý moment. Neměly by chybět ani automatické brzdové systémy a ruční odbrzdění pro pohyb ramene bez napájení.

Zvláště problematický je neočekávaný kontakt s osobou ze strany kobota. Normy nařizují, že kontaktu by se mělo zabránit kdekoli na hlavě člověka. Kromě toho norma rozděluje tělo do 29 specifických oblastí a podrobně popisuje omezení pro dva typy kontaktu:

• Přechodný kontakt je pohyblivá, dynamická událost, při níž kobot narazí do člověka. Omezení jsou založena na místě, setrvačnosti a relativní rychlosti.
• Kvazistatický kontakt nastává, když dojde k zachycení části těla mezi kobotem a povrchem. Omezení jsou založena na tlaku a síle souvisejícími s účinky drcení a sevření.

Specifikace poskytuje návod, nikoli absolutní limity, založené na aspektech aplikace. Ve specifikaci se rovněž uvádí, že pokyny jsou informativní a odrážejí současné osvědčené postupy, protože spolupráce mezi lidmi a roboty je novou oblastí a výzkum pokračuje.

Kontinuum spolupráce

Neexistuje jediná aplikace pro spolupráci. Lidé a koboty mohou interagovat a spolupracovat různými způsoby. Kolaborativní aplikace sahají od koexistence, kdy se robot zastaví pod proudem, když osoba vstoupí do kolaborativního pracovního prostoru, až po interaktivní aktivitu s osobou, která se kobotu během provozu dotýká (obrázek 1).

Obrázek 1: Spolupráce člověka a robotu zahrnuje širokou škálu možných úrovní interakce. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

K identifikaci bezpečnostních potřeb jednotlivých kolaborativních aplikací je vyžadováno posouzení rizik. Zahrnuje identifikaci, hodnocení a snižování nebezpečí a rizik spojených s aplikací. Norma ISO 10218 obsahuje seznam bezpečnostních prvků, které mohou být vhodné za různých okolností, ale žádné definitivní požadavky. Další podrobnosti k hodnocení rizik kobotů přináší specifikace ISO/TS 15066. V každém případě je cílem posouzení rizik identifikovat externí bezpečnostní zařízení a systémy potřebné k zajištění bezpečné implementace kolaborativních aplikací.

Podrobnější informace o posouzení rizik a robotech naleznete v článku „Bezpečná a efektivní integrace AMR do operací v rámci Průmyslu 4.0 pro dosažení maximálního užitku“.

Ochrana a účinnost

Zatímco koboty jsou navrženy pro bezpečný provoz, další ochranné vrstvy mohou zlepšit efektivitu kolaborativních aplikací. Bez dalšího zabezpečení, když osoba vstoupí do kolaborativního pracovního prostoru, nařizuje specifikace ISO/TS 15066 maximální rychlost 0,25 m/s na osu. Pro většinu kobotů je to velmi pomalé.

Například kobot Lexium LXMRL12S0000 od společnosti Schneider Electric má maximální užitečné zatížení 12 kg, pracovní poloměr (pracovní rozsah) 1 327 mm, přesnost polohování ± 0,03 mm a maximální rychlost konce nástroje 3 m/s, což je 12krát větší rychlost než maximum povolené specifikací ISO/TS 15066, když je osoba v kolaborativním pracovním prostoru (obrázek 2).

Obrázek 2: Když je osoba v kolaborativním pracovním prostoru, může se tento kobot pohybovat 12krát rychleji, než je maximum povolené specifikací ISO/TS 15066. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

V mnoha aplikacích může kobot pracovat po dlouhou dobu sám. Takže snímání přítomnosti nebo nepřítomnosti lidí v kolaborativním pracovním prostoru může umožnit mnohem rychlejší provoz a vyšší efektivitu, když není nikdo přítomen. Mezi běžná zařízení pro snímání přítomnosti osob patří bezpečnostní skenery, světelné závěsy a bezpečnostní kontaktní podlahové rohože. Každá z technologií nabízí jiný soubor výhod a technologie se často používají v kombinaci.

Bezpečnostní skenery

Bezpečnostní skenery monitorují určenou oblast, aby detekovaly přítomnost lidí. Dokážou určit, jak daleko se člověk nachází, a kromě zóny aktivní bezpečnosti uplatňují i různé varovné zóny.

Dobrým příkladem bezpečnostního laserového skeneru navrženého pro použití s koboty je model OS32C-SP1-4M společnosti Omron. Má bezpečnostní rádius až 4 m a může podporovat více varovných zón až do 15 m. Obsahuje 70 standardních sad kombinací bezpečnostních zón a varovných zón pro podporu komplikovaných kolaborativních pracovních prostorů. Navíc lze minimální rozlišení objektu nastavit na 30, 40, 50 nebo 70 mm a doba odezvy se může pohybovat od 80 ms až do 680 ms, což dále zvyšuje flexibilitu aplikace (obrázek 3).

Obrázek 3: Tento bezpečnostní skener má bezpečnostní rádius až 4 m a může podporovat více varovných zón až do 15 m. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Světelné závěsy

Světelné závěsy mohou měřit přítomnost osob a mohou být navrženy tak, aby detekovaly objekty různých velikostí, jako jsou prsty nebo ruce. Na rozdíl od bezpečnostních skenerů neměří světelné závěsy vzdálenost. Vysílají řadu světelných paprsků mezi lineárními poli vysílače a přijímače a dokážou snímat, když objekt přeruší jeden nebo více paprsků.

Pokud jde o bezpečnostní hodnocení, existují dvě primární klasifikace světelných závěsů: typ 2 a typ 4. Mají podobný vnější vzhled, ale jsou navrženy tak, aby poskytovaly různé úrovně bezpečnosti. Typ 4 monitoruje zabezpečený prostor, který definuje kolaborativní pracovní prostor. Světelné závěsy typu 2 jsou navrženy pro méně rizikové aplikace.

Světelné závěsy chrání obvody a jsou k dispozici s několika úrovněmi rozlišení, například 14 mm pro detekci prstů a 24 mm pro detekci ruky. Model SLC4P24-160P44 společnosti Banner Engineering je sada světelného závěsu typu 4 s polem vysílače a přijímače a pro ochranu lidí a strojů, jako jsou koboty, má rozlišení 24 mm (obrázek 4). Vysílače mají řadu synchronizovaných modulovaných infračervených světelných diod. Přijímače mají odpovídající řadu synchronizovaných fotodetektorů. Vysílače mají dosah 2 metry a tyto světelné závěsy lze instalovat v délkách od 160 do 320 mm v krocích po 80 mm.

Obrázek 4: Tento světelný závěs typu 4 má rozlišení 24 mm. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Bezpečnostní laserové skenery a světelné závěsy poskytují bezkontaktní prostředky ke zvýšení bezpečnosti kolaborativních pracovních prostorů. Jejich použití však může být obtížné v opticky problematických prostředích, jako jsou oblasti s vysoce reflexními povrchy, které mohou vysílat nežádoucí světelné interference, a mohou selhávat kvůli úniku oleje nebo mastnoty či nadměrnému prachu nebo vlhkosti.

Některé z těchto optických senzorů obsahují úpravy citlivosti, které mohou určité typy rušení pomoci zmírnit. Tyto úpravy citlivosti mohou také prodloužit dobu odezvy a další kompromisy ve výkonu. Dalším řešením je použití bezpečnostní kontaktní rohože spolu s optickými snímacími zařízeními.

Bezpečnostní kontaktní rohože

Bezpečnostní kontaktní rohože mají dvě vodivé desky oddělené rastrovanou izolační vrstvou a lze je použít samostatně nebo v kombinaci s jinými typy senzorů. Pokud osoba stoupne na rohož, horní vodivá deska se stlačí a dotkne se spodní desky, čímž se spustí výstražný signál (obrázek 5). Vnější stranu rohoží tvoří polyuretanový materiál, který je protiskluzový a nepropouští vodu, nečistoty ani olej. Model rohože SENTIR 1602-5533 od společnosti ASO Safety Solutions lze propojit až do 10 rohoží v sérii k jedné monitorovací jednotce, a maximálně tak pokrýt 10 m².

Obrázek 5: Při šlápnutí na bezpečnostní rohož se horní a spodní vodivá vrstva dotknou a spustí výstražný signál. (Zdroj obrázku: společnost ASO Safety Solutions)

Bezpečnost je v detailech

Neexistuje jediný vzorec, který by zaručoval bezpečnost. Každá kolaborativní aplikace je jiná a je třeba s ní zacházet na základě jejích jedinečných vlastností a potřeb. Klíčovým faktorem je: Kde spočívá aplikace na kontinuu spolupráce (viz obrázek 1)? Čím užší je interakce mezi kobotem a lidmi, tím větší je potřeba ochrany.

Je třeba zvážit další podrobnosti. Mezi ně patří:

• Každé místo musí projít podrobným posouzením rizik, aby se zjistilo, zda byl kobot přemístěn z pracovní stanice na pracovní stanici. I když se zdají být stejné, malé odchylky mohou mít vliv na bezpečnost.
• Pokud jsou v kolaborativním pracovním prostoru další stroje, musí být propojeny se systémem vypnutí nebo bezpečnostním zpomalením pro kobot?
• Tento článek je zaměřen na hardware související s bezpečností, ale u síťových systémů, které jsou stále běžnější, je důležitým faktorem kybernetická bezpečnost, aby se zabránilo zásahům do provozu kobotů nebo bezpečnostních systémů.

Závěr

Bezpečnost kobotů je složitá. Začíná definováním kolaborativního pracovního prostoru v rámci chráněného prostoru a vyžaduje posouzení rizik kolaborativní operace. Důležité jsou normy jako specifikace ISO/TS 15066 a řada norem ISO 10218, které poskytují doporučení a pokyny. Koboty obsahují základní bezpečnostní prvky, jako jsou systémy detekce kolizí, silová zpětná vazba, elastické aktuátory a servomotory s nízkou setrvačností. V závislosti na specifikách kolaborativní aplikace mohou být zapotřebí další bezpečnostní zařízení, jako jsou senzory přiblížení, světelné závěsy a bezpečnostní kontaktní rohože.