Ocena ryzyka robota współpracującego z człowiekiem

W poprzednim artykule była mowa o ocenie ryzyka robotów jako maszyn nieukończonych oraz stanowisk zrobotyzowanych. Kontynuując wątek, chciałbym w niniejszym artykule podjąć temat dotyczący oceny ryzyka dla robota współpracującego z człowiekiem.

Zacznijmy od definicji zawartych w normie PN-EN ISO 10218-1.

3.4 współpraca operacyjna (collaborative operation)
Stan, w którym celowo roboty (zaprojektowane do tego celu) pracują w bezpośredniej współpracy z człowiekiem na określonym obszarze roboczym.

3.5 wspólna przestrzeń robocza (collaborative workspace)
Przestrzeń robocza w chronionej przestrzeni, w której robot i człowiek mogą wykonywać zadania jednocześnie podczas operacji produkcyjnych.

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 we wspólnej przestrzeni roboczej z człowiekiem.

Pamiętaj, że nie istnieją tzw. „roboty bezpieczne”. To, że wykorzystujesz w swej aplikacji tzw. robota współpracującego z człowiekiem nie oznacza, że Twoja maszyna jest bezpieczna. Samo wykorzystanie robota współpracującego nie zwalnia Cię z obowiązku szacowania i eliminacji zagrożeń podczas oceny ryzyka.

Definicja robota współpracującego znajduje się w PN-EN ISO 10218-2:

3.2 robot współpracujący (collaborative robot)
Robot zaprojektowany do bezpośredniej interakcji z człowiekiem w ramach określonej wspólnej przestrzeni roboczej.

To, że robot współpracujący został zaprojektowany do bezpośredniej współpracy z człowiekiem we wspólnej przestrzeni roboczej nie oznacza niestety, że człowiek w obecności takiego robota będzie bezpieczny. Ty, jako integrator możesz jedynie doprowadzić do bezpiecznej współpracy takiego robota z człowiekiem. Możesz więc jedynie oczekiwać, że finalna integracja będzie bezpieczną aplikacją stanowiska zrobotyzowanego, jeśli do wartości akceptowalnej zredukujesz wszelkie niebezpieczne zagrożenia dla człowieka pracującego we wspólnej przestrzeni z takim robotem.

Aplikacje takie, 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 zderzenie z człowiekiem takiego współpracującego robota jest realnym scenariuszem. Zagrożenia ze strony robota we wspólnej przestrzeni z człowiekiem nie mogą jednak prowadzić do obrażeń. Dlatego, aby ciężkość obrażeń zminimalizować, warunkiem koniecznym do bezpośredniego współdziałania ludzi i robotów stało się zastosowanie bardziej niezawodnych kontrolerów i inteligentnych, dynamicznych czujników na samym robocie. Robot może wówczas wykryć kolizję w trakcie jej wystąpienia lub przed jej wystąpieniem.

W praktyce 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 opisano bardziej szczegółowo cztery typy współpracy jako zasady ochrony i dostępne są szczegółowe informacje o granicznych siłach i nacisków jednostkowych, jakie mogą oddziaływać na poszczególne obszary ciała człowieka, które zostały wyznaczone na podstawie progów bólu.

Metody kolaboracji

HRC wymaga zastosowania technicznych 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 systemów robotów zaprojektowanych specjalnie dla danego typu współpracy. Minimalizację ryzyka można wdrożyć, stosując typy współpracy opisane poniżej:

• 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 również 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 jeden z w/w „typów współpracy” lub ich kombinację dla swojej aplikacji. W praktyce pokazano, 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.

Identyfikacja zagrożeń dla robota współpracującego z człowiekiem

Lista istotnych zagrożeń dla robotów i systemów robotów zawarta jest w zał. A PN-EN ISO 10218-2 i jest wynikiem identyfikacji zagrożeń przeprowadzonej zgodnie z opisem w 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.

Możliwe typy kontaktu między ruchomymi częściami systemu robota a obszarami na ciele człowieka są klasyfikowane w następujący sposób:

• Kontakt quasi-statyczny (quasi-static contakt), czyli miażdżenie, gdzie część ciała operatora może być ściśnięta pomiędzy ruchomą częścią systemu robota a inną nieruchomą lub ruchomą częścią. W takiej sytuacji system robota wywierałby nacisk lub siłę na uwięzioną część ciała przez dłuższy czas, aż do złagodzenia stanu.
• Kontakt przejściowy (transient contact): jest to również określane jako uderzenie dynamiczne i opisuje sytuację, w której część ciała osoby zostaje uderzona przez ruchomą część systemu robota. Część ciała może odskoczyć lub wycofać się bez zmiażdżenia lub uwięzienia dotkniętego obszaru ciała , tworząc w ten sposób krótki czas rzeczywistego kontaktu. Kontakt przejściowy zależy od kombinacji bezwładności robota, bezwładności części ciała osoby i względnej prędkości robota i człowieka.

Wg ISO/TS 15066 proces identyfikacji zagrożeń powinien uwzględniać co najmniej następujące elementy:

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, czyli zmiażdżenie, 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);

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);

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 związane z robotem współpracującym. 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. montaż części we wspólnej przestrzeni roboczej człowieka i robota);
• 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 człowieka we wspólnej przestrzeni z robotem redukcja ryzyka dotyczy przede wszystkim projektu i zastosowania systemu robota oraz wspólnego obszaru roboczego.

Redukcja ryzyka powinna uwzględniać środki, za pomocą których ewentualny kontakt między operatorem a systemem robota nie spowodowałby szkody dla operatora. Osiąga się to poprzez:

• określenie warunków, w których taki kontakt miałby miejsce;
• ocenę ryzyka związanego z takimi kontaktami;
• zaprojektowanie systemu robota i wspólnego obszaru roboczego tak, aby taki kontakt był rzadki i możliwy do uniknięcia;
• stosowanie środków redukcji ryzyka w celu utrzymania sytuacji kontaktowych poniżej wartości progowych.

Do celów oceny ryzyka każdy taki potencjalny kontakt powinien uwzględniać sytuację, w której operator nie jest chroniony żadnymi środkami zmniejszającymi ryzyko, w tym środkami ochrony osobistej. Taka identyfikacja powinna uwzględniać następujące kryteria potencjalnych zdarzeń kontaktowych:

• odsłonięte obszary ciała operatora;
• pochodzenie zdarzeń kontaktowych, tj. celowe działanie w ramach zamierzonego użycia w stosunku do niezamierzonego kontaktu lub dające się racjonalnie przewidzieć niewłaściwe użycie;
• prawdopodobieństwo lub częstotliwość występowania;
• rodzaj zdarzenia kontaktowego, tj. Quasi-statyczne lub przejściowe;
• obszary kontaktu, prędkości, siły, naciski, pęd, moc mechaniczna, energia i inne wielkości charakteryzujące fizyczne zdarzenie kontaktu; przedmioty z ostrymi, spiczastymi, tnącymi lub tnącymi krawędziami, takie jak igły, nożyce lub noże, oraz części, które mogą spowodować obrażenia, nie mogą znajdować się w obszarze kontaktu.

Środki mające na celu zmniejszenie ryzyka dotyczące quasi-statycznego kontaktu i kontaktu przejściowego mają charakter pasywny lub aktywny. Środki projektowania bezpieczeństwa pasywnego dotyczą konstrukcji mechanicznej systemu robota, a środki tzw. bezpieczeństwa czynnego dotyczą projektu sterowania systemu robota.

Metody projektowania bezpieczeństwa pasywnego obejmują, ale nie są ograniczone do:

• zwiększenia powierzchni styku:
  • zaokrąglenia krawędzi i rogów;
  • stosowania gładkich powierzchni;
  • powierzchnie ustępliwe;
• pochłanianie energii, wydłużanie czasu transferu energii lub zmniejszanie sił uderzenia:
  • wyściółka (podbicie), amortyzacja;
  • odkształcalne elementy;
  • elastyczne połączenia;
  • ograniczanie masy poruszanej.

Metody projektowania bezpieczeństwa czynnego obejmują, ale nie są ograniczone do:

• zmniejszenia sił lub momentów;
• zmniejszenia prędkości ruchomych części;
• zmniejszenia momentu, mocy mechanicznej lub energii w stosunku do mas i prędkości;
• zastosowania funkcji ograniczania przestrzeni;
• zastosowania funkcji zatrzymania monitorowanego;
• wykorzystania czujników do przewidywania lub wykrywania kontaktu (np. bliskości lub wykrywanie kontaktu w celu zmniejszenia sił quasi-statycznych).

Zastosowanie tych i innych powiązanych środków powinno uwzględniać spodziewane narażenie operatora, określone na podstawie oceny ryzyka.

Redukcja zagrożeń robota współpracującego z człowiekiem wg metody 4

Redukcja zagrożeń opisana powyżej ma na celu zmniejszenie zagrożeń, które wynikają ze sposobu współpracy człowieka z robotem, biorąc pod uwagę specyfikę wymagań produkcyjnych. Po zastosowaniu takich środków redukcji ryzyka, które poprawiają ergonomię i sprawiają, że ruchy robota są pozbawione quasi-statycznych zagrożeń, a współpraca robota z człowiekiem zapewnia poprawne wykonywanie zadań, pozostaje jeszcze ryzyko związane z kontaktem robota z ciałem człowieka. Ze względu na różny charakter współpracy w zależności od zadań, do redukcji tego ryzyka należy podejść indywidualnie, gdyż uderzenie człowieka może występować na różnych częściach jego ciała, a ciężkość szkody dla tej samej siły uderzenia może być zupełnie inna.

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 działają obok ludzi we wspólnym obszarze roboczym, konieczne jest zagwarantowanie, że człowiek nie zostanie zraniony w przypadku zderzenia z robotem. Z tego powodu określone są maksymalne wartości dla siły i ciśnienia, których nie wolno przekraczać w przypadku zderzenia.

Maksymalne dopuszczalne wartości siły i nacisku, które mogą wystąpić podczas zderzenia robota z człowiekiem, różnią się dla różnych obszarów ciała zgodnie z biomechanicznymi właściwościami ciała. Dlatego w przypadku zastosowań metody 4 HRC 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.

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 zmniejszania ryzyka.

Firma Pilz opracowała metodę wykonywania pomiarów ciśnienia i sił robota współpracującego i oferuje zestaw do pomiaru siły kolizji PRMS (Pilz Robot Measurement System), który może być wykorzystywany podczas walidacji aplikacji wykorzystujących roboty współpracujące i służy do rejestrowania siły i nacisku robota, które mogą występować w przypadku ewentualnych kolizji. Urządzenie PRMS służy do rejestracji i oceny pomiarów. Pomiar uwzględnia 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.

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. Pomiary sił i nacisków jednostkowych są częścią redukcji ryzyka. Bez pomiarów trudno określić, czy współpraca człowieka z robotem jest dla człowieka bezpieczna, biorąc pod uwagę dynamikę ruchów robota i człowieka oraz zadania wykonywane we wspólnej przestrzeni roboczej.

ISO/TS 15066 wskazuje przy tym, że użytkownik powinien uczestniczyć w ocenie ryzyka i projektowaniu miejsca pracy, a integrator jest odpowiedzialny za koordynację tego udziału i dobór odpowiednich komponentów systemu robotów w oparciu o wymagania aplikacji. Udział użytkownika w projektowaniu miejsca pracy jest kluczowy dla identyfikacji zagrożeń i jest to niestety często pomijalna kwestia. Redukcja zagrożeń na stanowisku pracy we wspólnej przestrzeni roboczej powinna być przemyślanym procesem i może wymagać długotrwałej obserwacji zachowania się operatora i dostosowywania dynamiki pracy robota.

Redukcja zagrożeń robota współpracującego z człowiekiem – podsumowanie

Ocena ryzyka stanowiska zrobotyzowanego, gdzie występuje współdzielenie obszaru człowieka z robotem wymaga 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. Po kilku latach funkcjonowania tej technologii często można dowiedzieć się z przekazów medialnych o nietrafionych inwestycjach, które wynikają z ludzkich, marketingowych ambicji kreowania “fabryk przyszłości”. Czas pokazał, że projektowanie systemu kolaboracyjnego to proces wymagający kompleksowego podejścia do zadań i redukcji zagrożeń.