Granice sił i nacisków dla robota współpracujacego
Ktoś, kto zajmuje się oceną ryzyka, bardzo często stawia sobie pytanie, jaka siła potrzebna jest do tego, aby doszło do zranienia osoby narażonej na działanie tej siły. Przypomnijmy, że siła jest wielkością wektorową, która ma wartość i kierunek, lecz oprócz samej siły istotny jest również nacisk (ciśnienie), czyli siła wywierana na określonym obszarze. Jeśli należałoby zatem przyjąć jakieś granice sił i nacisków, na które mogą być narażeni ludzie, potrzebne było wykonanie szeregu badań, które pozwoliłyby na przyjęcie takich wartości granicznych, które mogą być uznane jako wystarczający środek redukcji ryzyka.
Badania i wnioski na temat dyskomfortu związanego z progiem odczuwania bólu
W latach pięćdziesiątych amerykańska armia przeprowadziła badanie dotyczące sił, na które może być narażone ludzkie ciało. Ponieważ ochotnicy byli trudni do zdobycia, wykorzystywano zwłoki do testowania sił potrzebnych do nakłucia skóry, rozerwania tkanek oraz amputacji lub zmiażdżenia różnych części ciała. Testy te przeprowadzono również na zwłokach świń. Wykazano, że zwłoki nie zachowują się w taki sam sposób jak żywi ludzie, a siły i prędkości potrzebne do spowodowania określonego urazu były bardzo zmienne. Od tamtego czasu naukowcy i inżynierowie nadal są w trakcie badań dotyczących oddziaływania sił na ludzkie ciało. Kluczową aplikacją, która wysuwa te prace na pierwszy plan jest wykorzystanie robotów współpracujących we wspólnej przestrzeni z człowiekiem.
Nowy rodzaj robota, zwany „robotem współpracującym” lub po prostu „cobotem” trafił do automatyzacji zmieniając wyobrażenia o robotach i ludziach dzielących przestrzeń roboczą. Integracja robota w przestrzeni pracy obok ludzi umożliwiła wprowadzanie nowych, nie branych wcześniej pod uwagę sposobów automatyzacji.
Od początku historii robotów przemysłowych roboty projektowano tak, aby były mocne, potężne i wytrzymałe oraz aby były przeznaczone do wykonywania ciężkich zadań. Pojawienie się człowieka w pobliżu takiego robota mogłoby nie skończyć się dobrze. Aby robot mógł pracować obok ludzi bez żadnego ogrodzenia, należało zdefiniować nowe standardy bezpieczeństwa. Zatem powracającym tematem w odniesieniu do nowej technologii oraz postępu w dziedzinie techniki jest wciąż bezpieczeństwo. Aby dopuszczalne stało się bezpośrednie współdziałanie ludzi i robotów we wspólnej przestrzeni roboczej, musiały wpierw zostać wdrożone środki redukcji ryzyka, które mogłyby zostać uznane za akceptowalne, gdy robot znajduje się w tym samym środowisku co człowiek. Poziom ten wyznaczają różne parametry związane ze stopniem ciężkości i prawdopodobieństwem wystąpienia urazu u człowieka. Stanowisko zrobotyzowane i jego otoczenie muszą spełniać określone założenia bezpieczeństwa, zanim będzie można je uznać za wystarczająco bezpieczne. Jak więc ustalić, czy potencjalne zagrożenie przekracza akceptowalne normy bezpieczeństwa, czy nie? Jedynym sposobem jest przeprowadzenie oceny ryzyka.
Przed wprowadzeniem specyfikacji technicznej ISO/TS 15066 opracowano wiele danych i wykonano szereg pomiarów, które pozwoliły na przyjęcie pewnych założeń kolaboracyjnych, pozwalających na opracowanie warunków współpracy i bezpieczeństwa dla robotów użytkowanych we wspólnym środowisku z człowiekiem. Opracowanie takie było niezbędne, ponieważ zauważono potrzebę takiej automatyzacji, a znane od wielu lat i wciąż stosowane ciężkie roboty przemysłowe nie mogły zapewniać bezpieczeństwa we współpracy z człowiekiem. Nowe systemy robotów, zaprojektowane do celów współpracy również nie mogą spełniać automatycznie wymagań bezpieczeństwa, gdyż nie może być z góry znane zastosowanie robota, zadania, jakie ma on wykonywać, ani warunki kontaktu z człowiekiem. Dlatego robot nie jest systemem bezpiecznym samym w sobie, ani elementem bezpieczeństwa w rozumieniu dyrektywy maszynowej. Ze względu na specyfikę zadań i zmiennych warunków w określonej aplikacji stanowiska zrobotyzowanego, aplikacja końcowa w całości wymaga przeprowadzenia oceny i redukcji ryzyka, aby wyeliminować zagrożenia mechaniczne związane z ruchem robota.
Obydwie części normy ISO 10218 oraz specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 definiują wymagania bezpieczeństwa dla robotów, w tym również dla robotów współpracujących. Mówiąc o bezpieczeństwie stanowisk zrobotyzowanych, oprócz samego robota istotne w tej kwestii są również:
- jego efektor końcowy, tj. narzędzie przymocowane do ramienia robota, za pomocą którego robot wykonuje swoje zadania;
- obiekty przez niego poruszane;
- jego otoczenie;
- i wszystkie jego potencjalne interakcje.
Bliski lub bezpośredni kontakt pomiędzy robotem współpracującym a człowiekiem z definicji stwarza możliwość kolizji. Dlatego ocena ryzyka integratora powinno obejmować również planowanie miejsca pracy. Podstawą tej oceny ryzyka jest ISO 10218-1 oraz ISO 10218-2.
ISO/TS 15066 podnosi standardy bezpieczeństwa dla robotów współpracujących, podkreślając cztery różne aspekty współpracy człowieka z robotem. Są to czas zatrzymania, od którego zależy odległość, którą robot pokona, zanim się zatrzyma (parametr szczególnie używany w metodzie kolaboracji polegającej na monitorowaniu prędkości i separacji), dopuszczalna prędkość, oraz siła i ciśnienie (nacisk), na które bezpośredni wpływ ma dopuszczalna prędkość, a które z kolei można przyłożyć do człowieka, nie powodując dyskomfortu związanego z bólem.
Tryby kolaboracji opisane są w artykule Ocena ryzyka robota współpracującego z człowiekiem
Jeśli współpraca człowieka z robotem będzie obejmować prawdopodobieństwo wystąpienia wzajemnego kontaktu, ważne jest, aby dysponować danymi na temat tego, jaki limit może osiągnąć robot, nie szkodząc ludziom. Specyfikacja techniczna została opracowana w oparciu o badania, które analizują poziom ludzkiego progu bólu i wykorzystuje wyniki tego badania do ustalenia dopuszczalnych progów sił, które człowiek może znieść bez trwałej szkody. Utworzona na podstawie badań tabela zawiera listę wszystkich części ciała i podaje precyzyjne progi sił, których nie należy przekraczać w żadnym momencie podczas kontaktu. Należy pamiętać, że te dane są cenne tylko w przypadku robotów o ograniczonej mocy i sile, a więc zaprojektowanych do wykonywania zadań kolaboracyjnych. Zwykłe, tradycyjne roboty przemysłowe, nawet gdy są używane we współpracy, nigdy nie powinny wchodzić w kontakt z ludźmi przy ich normalnej prędkości.
Ciśnienie (lub inaczej nacisk) to przyłożona siła podzielona przez pole powierzchni, na którą wywierany jest nacisk. Ponieważ robot może wywierać pewne siły na człowieka (w wyjątkowych przypadkach w zastosowaniach z ograniczoną siłą i mocą), powierzchnia nacisku może wymagać zwiększenia, aby upewnić się, że robot nie przekroczy dopuszczalnych poziomów nacisku. Uściślając, obszar powierzchni może wymagać zwiększenia i być może amortyzacji, aby zapewnić rozłożenie nacisku na większą powierzchnię.
Granice sił i nacisków wg ISO/TS 15066
Współpraca między człowiekiem, a robotem wiąże się z koniecznością przestrzegania rygorystycznych wymogów bezpieczeństwa. Opublikowana w 2016 roku specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 „Robots and robotic devices – Collaborative robots” w załączniku A szczegółowo opisuje granice sił i nacisków, jakie mogą być wywierane na człowieka podczas kontaktu chwilowego czy quasi-statycznego.
Możliwe typy kontaktu między ruchomymi częściami robota a ciałem człowieka opisane są w artykule Ocena ryzyka robota współpracującego z człowiekiem
Ograniczenia systemu robota dla wymagań współpracy można wyznaczyć na podstawie progów wrażliwości na ból na styku człowiek-maszyna w sytuacjach, w których taki kontakt ma miejsce. Założeniem oceny ryzyka dla zastosowań robotów współpracujących z ograniczoną mocą i siłą jest fakt, że może wystąpić przypadkowy lub zamierzony kontakt między częściami współpracującego systemu robota a człowiekiem. Pierwszą kwestią do rozważenia w ocenie ryzyka jest określenie, w którym miejscu ciała człowieka prawdopodobnie wystąpi taki kontakt. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ różne obszary ciała będą miały różne progi wytrzymywania obciążenia biomechanicznego bez powodowania drobnych obrażeń.
Granice biomechaniczne zostały określone, aby zapobiec ryzyku spowodowania obrażenia ciała człowieka w przypadku kontaktu z robotem. Newralgicznym obszarem ciała jest oczywiście twarz, czoło i czaszka, gdzie graniczne wartości siły wynoszą 65 N, a nacisku 110 N/cm2. Specyfikacja techniczna określa potrzebę przestrzegania wartości granicznych i wskazuje, które wartości graniczne mają zastosowanie do poszczególnych części ciała. System robota powinien być zaprojektowany tak, aby odpowiednio zmniejszyć ryzyko dla operatora, nie przekraczając odpowiednich progowych wartości granicznych dla quasi-statycznych i przejściowych kontaktów, określonych w ocenie ryzyka. Załącznik A specyfikacji ISO/TS 15066 zawiera informacje o tym, jak można określić wartości progowe.
Tabela A.2 specyfikacji ISO/TS 15066 zawiera ilościowe wartości maksymalne dla quasi-statycznego i przejściowego kontaktu między ludźmi a systemem robota. Dane te nie uwzględniają stosowania środków ochrony osobistej ani niczego innego poza odzieżą roboczą typową dla każdego środowiska pracy. W ramach oceny ryzyka robota współpracującego należy wyznaczyć potencjalną powierzchnię ciała narażoną na kontakt z robotem oraz określić i wziąć pod uwagę zarówno wartości siły, jak i ciśnienia (nacisku). To modelowanie opiera się na założeniu, że dla danego scenariusza kontaktu między robotem a człowiekiem, obszar kontaktu ciała oraz miejsce wystąpienia kontaktu są znane, a transfer energii można na podstawie tej znajomości modyfikować, dostosowując ograniczenia robota dla spodziewanego miejsca kontaktu.
Aby zmniejszyć ryzyko wywierania dużego nacisku na operatora, system robota (w tym element obrabiany) powinien mieć możliwie największą powierzchnię kontaktu. Dodatkowa wyściółka może zwiększyć powierzchnię, co może skutkować niższym naciskiem.
| Miejsce na ciele (okolica ciała) | Specyficzny obszar ciała | Kontakt quasi-statyczny (miażdżenie) | Kontakt przejściowy (uderzenie) | |||
| Maks. Dopuszczalny nacisk PS (N/cm2) | Maks. Dopuszczalna siła FS (N) | Maks. Dopuszczalny nacisk PT (N/cm2) | Maks. Dopuszczalna siła FT (N) | |||
| Czaszka i czoło | 1 | Środek czoła | 130 | 130 | 130 | 130 |
| 2 | Skronie | 110 | 110 | |||
| Twarz | 3 | Mięśnie żuchwy | 110 | 65 | 110 | 65 |
| Kark | 4 | Mięśnie szyi | 140 | 150 | 280 | 300 |
| 5 | Kręgi szyjne | 210 | 420 | |||
| Plecy i ramiona | 6 | Staw ramieniowy | 160 | 210 | 320 | 420 |
| 7 | Kręgi lędźwiowe | 210 | 420 | |||
| Klatka piersiowa | 8 | Mostek | 120 | 140 | 240 | 280 |
| 9 | Mięśnie piersiowe | 170 | 340 | |||
| Podbrzusze | 10 | Mięśnie brzucha | 140 | 110 | 280 | 220 |
| Miednica | 11 | Kości miednicy | 210 | 180 | 420 | 360 |
| Ramiona i stawy łokciowe | 12 | Mięsień naramienny | 190 | 150 | 380 | 300 |
| 13 | Kość ramienia | 220 | 440 | |||
| Przedramiona i nadgarstki | 14 | Kość promieniowa | 190 | 160 | 380 | 320 |
| 15 | Mięsień przedramienia | 180 | 360 | |||
| 16 | Nerw ramienia | 180 | 360 | |||
| Dłonie i palce | 17 | Opuszek palca wskazującego D | 300 | 140 | 600 | 280 |
| 18 | Opuszek palca wskazującego ND | 270 | 540 | |||
| 19 | Staw końcowy palca wskazującego D | 280 | 560 | |||
| 20 | Staw końcowy palca wskazującego ND | 220 | 440 | |||
| 21 | Poduszka kciuka | 200 | 400 | |||
| 22 | Wewnętrzna powierzchnia dłoni D | 260 | 520 | |||
| 23 | Wewnętrzna powierzchnia dłoni ND | 260 | 520 | |||
| 24 | Grzbiet dłoni D | 200 | 400 | |||
| 25 | Grzbiet dłoni ND | 190 | 380 | |||
| Uda i kolana | 26 | Mięśnie ud | 250 | 220 | 500 | 440 |
| 27 | Rzepka | 220 | 440 | |||
| Podudzie | 28 | Środek piszczeli | 220 | 130 | 440 | 260 |
| 29 | Mięsień łydki | 210 | 420 | |||
Szacowanie limitów wartości sił i nacisków dla robotów współpracujących
Te w/w wartości można wykorzystać do oszacowania przejściowych granic sił i nacisków. Energię transferu podczas kontaktu między robotem a człowiekiem można następnie modelować, biorąc pod uwagę udźwig robota i zadania operatora. Po ustaleniu miejsca transferu można zastosować ograniczenia prędkości ruchu robota. Jest to niezbędne, aby utrzymać energię transferu poniżej progu niewielkiego obrażenia człowieka w przypadku kontaktu z człowiekiem we wspólnej przestrzeni roboczej.
Roboty zaprojektowane do współpracy z ograniczeniem mocy i siły powinny być wyposażone w środki do konfiguracji progów ograniczających, np. sił, momentów obrotowych, prędkości, pędu, mocy mechanicznej, zakresów osi lub zakresów przestrzeni. Zmniejszenie ryzyka związanego z przejściowym kontaktem mogłoby obejmować ograniczenie prędkości ruchomych części oraz odpowiednie zaprojektowanie właściwości fizycznych, takich jak powierzchnia części ruchomej, która może zetknąć się z operatorem. Zmniejszenie ryzyka związanego z kontaktami quasi-statycznymi (miażdżącymi) może obejmować ograniczenia prędkości i właściwości fizyczne podobne do kontaktu przejściowego (uderzenie), z uwzględnieniem charakterystyki konstrukcyjnej części systemu robota, które mają wpływ na ewentualne uwięzienie lub zaciśnięcie człowieka lub części jego ciała.
Jeśli ruch robota może spowodować zaciśnięcie lub unieruchomienie obszaru ciała między częścią robota a innym elementem celi zrobotyzowanej, prędkość robota powinna być ograniczona tak, aby system robota był w stanie zapewnić reakcję na kontakt z określonym obszarem ciała tak, jak pokazano to na wykresie poniżej. Robot powinien być również wyposażony w środki umożliwiające człowiekowi na samodzielne, manualne oswobodzenie części ciała.
Narzędzie pomiarowe wspomagające wyznaczanie wartości granicznych sił i nacisków
Firma Pilz opracowała własną metodykę wyznaczania wartości granicznych sił i nacisków wraz z odpowiednimi specyfikacjami. Metodyka ta wyznacza np. sposoby ustalenia punktów kolizji. W celu zagwarantowania powtarzalności, pomiar jest zawsze opisywany ze wskazaniem punktu początkowego, punktu kolizji i punktu końcowego. Firma Pilz opracowała także dedykowane urządzenie PRMS (Pilz Robot Measurement System), do pomiaru parametrów kolizji, tj. siły i nacisku, które zawiera specjalne sprężyny i czujniki. Za pomocą tego urządzenia można zmierzyć dokładne wartości sił działających na ludzkie ciało, a następnie dokonać porównania ich z wartościami granicznymi podanymi w specyfikacji technicznej ISO/TS 15066.
Urządzenie pomiarowe jest instalowane w miejscach wskazanych w ocenie ryzyka pomiędzy ramieniem robota, a sztywną, nieruchomą powierzchnią. Umożliwia przeprowadzenie symulacji kontaktu zbliżonego do statycznego, np. przygniecenia pracownika między robotem, a innym elementem instalacji. Pomiar ma na celu oszacowanie możliwej do zastosowania maksymalnej, bezpiecznej (zredukowanej) prędkości, aby zmieścić się w granicach dopuszczalnych sił i nacisków. Po wykonaniu pomiarów i wprowadzeniu limitów wyznaczających granice sił i nacisków, konieczne jest ponowne wykonanie badań (walidacji), aby przekonać się, czy granice te w bezpieczny sposób pozwalają człowiekowi wykonywać pracę we wspólnej przestrzeni z robotem.
Co zyskujemy na podstawie wykonanych tu pomiarów? Bardzo dużo – przede wszystkim wiedzę, czy stanowisko zrobotyzowane jest zaprojektowane w taki sposób, aby możliwa była bezpieczna współpraca człowieka z robotem. Jeśli ze względów na wymagania produkcyjne (np. szybkość wykonywania zadań) nie jest możliwe zmniejszenie prędkości robota w taki sposób, aby zmieścić się w limitach wyznaczających granice sił i nacisków wg specyfikacji technicznej ISO/TS 15066, zyskujemy wiedzę, że metoda bezpośredniej współpracy człowieka z robotem polegająca tylko na ograniczeniu mocy i siły nie może być zastosowana jako jedyny środek redukcji ryzyka. Konieczne jest zapewnienie dodatkowej metody, przeprojektowanie stanowiska pracy czy w ogóle zrezygnowanie z takiej współpracy i zastąpienie jej inną koncepcją automatyzacji.
Jeśli wartości graniczne zostaną przekroczone, należy zmniejszyć parametry dynamiczne robota. Jeśli nie jest to możliwe ze względu na normy produkcyjne, może okazać się, że metoda współpracy polegająca na ograniczaniu mocy i siły nie będzie mogła być zastosowana jako jedyny środek ochronny i będzie konieczna zmiana koncepcji współpracy z wykorzystaniem dodatkowych metod, takich jak bezpieczne monitorowanie zatrzymania, czy monitorowanie prędkości i separacji. Projekt stanowiska zrobotyzowanego będzie musiał wówczas być rozbudowany o dodatkowe komponenty bezpieczeństwa, takie jak kurtyna świetlna, skaner lub osłona blokująca. Dlatego granice sił i nacisków dla robota pracującego we wspólnej przestrzeni z człowiekiem powinny zostać zwalidowane, a pomiary wykonane z użyciem np. wspomnianego narzędzia to jedyna droga do tego, aby przekonać się, czy ryzyka uderzenia czy zgniecenia części ciała człowieka zostały odpowiednio zredukowane.
