Fundamenty bezpieczeństwa w robotyce

Niniejszy artykuł w wielkim skrócie opisujący historię robotyki przedstawiam jako wstęp o bezpieczeństwie aplikacji zrobotyzowanych, albo – uściślając – jako fundamenty bezpieczeństwa w robotyce. Robotyzacja jest bardzo popularna od kilku lat, szczególnie za sprawą modnego trendu Industry 4.0 lub pojęcia inteligentnej fabryki (Smart Factory), przedstawiającej koncepcję elastycznej i modułowej automatyzacji. Artykuł ten będzie na początek luźnym szkicem podstawowych założeń bezpieczeństwa systemów zrobotyzowanych, opracowanych w latach 50’tych, a które są fundamentalne dla współczesnych systemów zrobotyzowanych.

Czy wiesz skąd wzięła się nazwa Robot? Ze słowiańskiego języka. Sam termin „robot” powstał w XX wieku. Pochodzi od czeskiego terminu „robota”, który w tym języku oznacza – tak jak i w naszym – „pracę przymusową”. Czeski autor Karel Čapek opublikował w 1921 roku sztukę o firmie produkującej sztucznych ludzi. To tutaj po raz pierwszy w odniesieniu do maszyn użyto terminu robot. Od tego momentu zaczęła się krytyczna analiza maszyn, które działają w sposób autonomiczny. Główne pytanie brzmiało: w jaki sposób można zapewnić bezpieczeństwo ludzi i maszyn, jeśli ludzie i maszyny będą ściśle ze sobą współpracować? Rozbudzało to wyobraźnię ludzi, zaczęto snuć wizję przyszłości, w której roboty zapanują nad ludzkością przyporządkowując sobie ludzi jako swoich niewolników. Dlatego – aby do tego nie doszło – już latach 50’tych, w opowiadaniach science fiction pojawiły się zasady, którymi powinien się kierować każdy konstruktor robotów. Mimo tego, że w automatyzacji, jaką znamy i o której będzie mowa w niniejszym cyklu trudno raczej mówić o zdolności robotów do zbuntowania się przeciwko człowiekowi, to z drugiej strony trudno nie zgodzić się z tym, aby zasady te nie obowiązywały każdego konstruktora systemu zrobotyzowanego. Niestety znane są przypadki nieoczekiwanej zmiany trajektorii robota prowadzące do kolizji i przypadki śmiertelne z udziałem robotów w przemyśle. Dlatego nazwijmy niżej opisane zasady jako…

…fundamenty bezpieczeństwa w robotyce

W roku 1942 rosyjsko-amerykański naukowiec i autor science fiction Isaac Assimov w krótkim opowiadaniu “Runaround” po raz pierwszy użył słowa “robotyka”. W kolejnych latach Assimov w swoich utworach niejednokrotnie poruszał tematy robotyki, a w roku 1950 wydał zbiór opowiadań pod tytułem “Ja, robot”. Assimov wprowadził także trzy prawa robotyki, które przedstawił w opowiadaniu “Zabawa w berka” (Runaround), według których, jak uważa autor, powinny być programowane roboty:

• Prawo pierwsze: Robot nie może zranić istoty ludzkiej, ani nie może przez zaniedbanie narazić człowieka na zranienie, chyba, że narusza to prawo o wyższym priorytecie.
• Prawo drugie: Robot musi spełniać polecenia wydawane przez człowieka, poza poleceniami sprzecznymi z prawami o wyższym priorytecie.
• Prawo trzecie: Robot musi chronić samego siebie dopóki dopóty nie jest to sprzeczne z prawem o wyższym priorytecie.

Następnie w opowiadaniu “Roboty i Imperium” (Robots and Empire) Asimov dodał prawo zerowe, które stało się nadrzędne wobec trzech pozostałych

• Prawo zerowe: Robot nie może szkodzić ludzkości, ani nie może, przez zaniedbanie, narazić ludzkości na szkodę.

Prawa te bezwzględnie podporządkowują roboty ludziom i tym sposobem zapewniają im bezpieczeństwo i wyłączność czerpania korzyści [1]. Prawa te, mimo krytyki, o której można przeczytać m. in. w Wikipedii (Etyka robotów) funkcjonują jako fundamenty bezpieczeństwa w robotyce. Dalsze wymagania bezpieczeństwa są opisane w normach i mogą się zmieniać wraz z postępem. Mimo faktu, że prawa te zostały sformułowane dla robotów wyposażonych w sztuczną inteligencję, którym przypisywano świadomość własnej egzystencji, to prawami tymi powinien kierować się każdy producent robotów czy stanowisk zrobotyzowanych. Zatem należy uznać, że sprawy fundamentalne, podstawowe będą niezmienne i obowiązujące każdą aplikację zrobotyzowaną.

Roboty w środowisku przemysłowym

Roboty przemysłowe to wynalazek drugiej połowy XX wieku. Po gwałtownym rozwoju techniki w czasie drugiej wojny światowej w 1956 roku G.C. Devol i J.S.Engelberger rozmawiając o twórczości Assimov’a postanowili stworzyć działający egzemplarz robota. Engelberger założył firmę “UNIMATION” zajmującą się automatyzacją w szerokim tego słowa znaczeniu i będącą pierwszą firmą produkującą roboty.

Pierwszym robotem stworzonym przez “Unimation” był robot nazwany “UNIMATE”. W wyniku tego Engelberger został nazwany ojcem robotyki.

Pierwszy Unimate zainstalowany został w fabryce General Motors w Trenton przy obsłudze wysokociśnieniowej maszyny odlewniczej, w kolejnych latach roboty Unimate zostały przystosowane do pracy także w innych gałęziach przemysłu. Firma Unimate do dzisiaj produkuje roboty przemysłowe.[2]

Aby zapewnić ochronę ludzi w miejscu pracy z robotami, wprowadzono ścisłe oddzielenie ludzi i maszyn. Robot miał zastępować pracę ludzką i pozostawał w celi, aby wykonywać swoje zadania. Zasady dotyczące oddzielenia przestrzeni roboczych i brak bezpośredniej interakcji między ludźmi a maszynami pozostały niezmienione przez ponad 50 lat. Takie aplikacje robotów nie zgadzały się z ideą ścisłej współpracy ludzi i robotów.

Obecnie roboty są wdrażane w wielu różnych zastosowaniach. Występują nie tylko w środowisku przemysłowym, ale odgrywają również coraz ważniejszą rolę w obszarze badań i medycyny. Można rozróżnić różne typy robotów dla różnych obszarów zastosowań. W środowisku przemysłowym roboty przemysłowe są kluczem do wspierania ludzi i maszyn w ich pracy.

Jako wstęp do bezpieczeństwa w robotyce jestem winien wyjaśnić, że w niniejszym cyklu artykułów będzie mowa o robotach przemysłowych, dlatego wyjaśnię różnicę pomiędzy robotem przemysłowym a tzw. robotem usługowym.

Różnica między robotem przemysłowym a robotem usługowym

Roboty usługowe i roboty przemysłowe różnią się w kilku aspektach. Podstawowe definicje są zawarte w normie ISO 8373″Robots and robotic devices”. Ostatnie wydanie normy z 2012 roku jest do kupienia na iso.org, nie widziałem, aby była ona dostępna na stronie PKN. Zanim jednak przejdę do przedstawienia różnicy pomiędzy robotem przemysłowym a usługowym, warto sobie wyjaśnić, czym wg definicji jest robot.

Wg ISO 8373 robot to mechanizm programowalny poruszający się w dwóch lub więcej osiach z pewnym stopniem autonomii, zdolny do poruszania się w swoim otoczeniu, służący do wykonywania określonych zadań.

Robot przemysłowy

ISO 8373 definiuje robota przemysłowego jako automatycznie sterowany, reprogramowalny wielofunkcyjny manipulator programowalny w trzech lub więcej osiach do stosowania w technologii automatyzacji w stałej lokalizacji lub w takiej konfiguracji, aby mógł się poruszać. Zgodnie z ISO 8373, robot przemysłowy składa się z manipulatora (ramienia robota) wraz z napędami, jednostki sterującej i dowolnego interfejsu komunikacyjnego (sprzęt i oprogramowanie). Zastosowanie robotów w automatyzacji przemysłowej obejmuje między innymi produkcję, kontrolę, pakowanie i montaż.

W sferze przemysłowej rozróżnia się również system robota, celę zrobotyzowaną i linię robotów:

System robota składa się z robota przemysłowego, efektora końcowego oraz wszelkich maszyn, urządzeń, zewnętrznych osi pomocniczych czy czujników wspomagających w wykonywaniu zadań. Cela zrobotyzowana składa się z jednego lub więcej systemów robotów oraz powiązanych maszyn i urządzeń, jak również związanego z nimi obszaru chronionego i środków ochronnych. Wreszcie linia robotów przemysłowych obejmuje kilka komórek robotów, w tym powiązane maszyny i urządzenia, a także powiązany obszar chroniony i środki ochronne.

Robot usługowy

Robot usługowy wg ISO 8373 to robot, który wykonuje użyteczne zadania dla ludzi lub urządzeń, nie biorąc pod uwagę zautomatyzowanych aplikacji w środowisku przemysłowym. Jak już nazwa wskazuje, roboty usługowe wykonują usługi dla ludzi. Należą do nich na przykład roboty domowe lub roboty dostawcze w biurach i szpitalach.

Przykłady zastosowań robotów nieprzemysłowych obejmują między innymi roboty podmorskie, wojskowe i kosmiczne, manipulatory zdalnie sterowane, protezy i inne pomoce dla osób z dysfunkcją fizyczną, ale także mikro-roboty, zabiegi chirurgiczne lub opiekę zdrowotną oraz usługi lub produkty konsumenckie.

My w dalszej części niniejszego cyklu oczywiście skupimy się na bezpieczeństwie robotów przemysłowych. Myślę, że fundamenty bezpieczeństwa w robotyce są jasne. Cykl “bezpieczeństwo w robotyce” w dalszej części będzie się skupiał głównie na wymaganiach opisanych w normach. Opiszę warunki instalacji cel zrobotyzowanych i klasycznych robotów przemysłowych, wymagania dotyczące współpracy człowieka z robotem oraz co nieco na temat robotów AGV. Zapraszam do kolejnych artykułów.

[1] Wikipedia
[2] https://www.robotyka.com/teoria.php/teoria.3