Metody ograniczania ruchów robota
Instalacje robotów powinny być zaprojektowane i zintegrowane tak, aby zmniejszyć potencjalne narażenie personelu na zagrożenia. Ruchy robota mogą obejmować dużą przestrzeń roboczą, więc strefa występowania potencjalnych szkód jest tak duża jak maksymalne wychylenie robota. Aby robot mógł pracować w określonej przestrzeni roboczej, wymagane jest stosowanie metod ograniczania ruchów robota wg ISO 10218-2. W tym artykule zostaną opisane metody ograniczania ruchów robota, które mają zapewnić utrzymania ruchów robota w przestrzeni chronionej i które są możliwe do zaimplementowania w celach zrobotyzowanych.
Zacznijmy od definicji co to jest cela zrobotyzowana, która pojawia się w normie w ISO 10218-2:
3.9 cela zrobotyzowana
jeden lub więcej systemów robotów wraz z powiązanymi maszynami i wyposażeniem, ograniczony przestrzenią chronioną i środkami ochronnymi.
Gdzie przestrzeń określona jest w 3 wymiarach i opisuje możliwe ruchy robota we wszystkich możliwych osiach ruchu. Z definicji cela zrobotyzowana wymaga zastosowania środków bezpieczeństwa. Jakie są to środki?
Środki ograniczające ruchy robota
Wg ISO 10218-2, maksymalne możliwe wychylenie się robota we wszystkich możliwych osiach ruchu nazywane jest przestrzenią maksymalną (ang. maximum space). Jest to przestrzeń, która ograniczona jest jedynie możliwością maksymalnego sięgnięcia robota w najdalszym z możliwych punktów wraz z narzędziem i/lub przenoszonym ładunkiem. Ze względu na budowę robota jest to sfera, która pokazana jest na poniższym rysunku.
Zazwyczaj nie jest do zaakceptowania tak wielka przestrzeń pracy robota, dlatego przestrzeń maksymalna jest ograniczana. Z tego powodu cele zrobotyzowane są obudowywane osłonami, wg normy ISO 10218-2 nazywanymi osłonami obwodowymi (ang. perimeter safeguards). Jeśli taki robot zostanie zamknięty w celi, to należałoby sobie odpowiedzieć na pytanie, czy to już wystarczy?
Lokalizowanie osłon obwodowych w celu ochrony osób przed zagrożeniami stwarzanymi przez system robotów to tzw. przestrzeń chroniona (safeguarding space), która powinna być umiejscowiona z odpowiednim uwzględnieniem lokalizacji i rozmieszczeniem maszyn oraz występowania zagrożeń w chronionej przestrzeni. Przyjrzyjmy się takim osłonom wokół robota, którego zasięg wykracza poza przestrzeń chronioną, jak na rysunku poniżej. Wprowadzając jakiekolwiek środki zabezpieczające przed dostępem do strefy niebezpiecznej celi zrobotyzowanej należy przede wszystkim mieć świadomość taką, że środki te nie mają tylko za zadanie ochronę przed dostępem człowieka do strefy niebezpiecznej, ale powinny również chronić przed wydostaniem się robota poza przestrzeń, w której przewidziano jego pracę. Roboty charakteryzują się nie tylko zmienną kinematyką, która w odpowiednich warunkach spowoduje zmianę trajektorii, ale może również dojść do sytuacji, w której w wyniku błędów oprogramowania robot zgubi trajektorię i wydostanie się poza tą przestrzeń, prowadząc do bardzo niebezpiecznych sytuacji.
Na powyższym obrazku przestrzeń maksymalna robota zamknięta jest w przestrzeni ograniczonej osłonami, które mogłyby nie stanowić przeszkody dla systemu robota. Lokalizowanie osłon obwodowych w celu ochrony osób przed zagrożeniami stwarzanymi przez system robotów mogłoby zatem spowodować potrzebę zamknięcia robota w niepotrzebnie dużej przestrzeni, większej od przestrzeni maksymalnej, która przekraczałaby znacznie przestrzeń wymaganą do wykonania zadania systemu robota. Stosowanie osłon obwodowych jako jedynych środków ograniczających jest zwykle możliwe tylko wtedy, gdy roboty nie mogą spowodować niebezpiecznych odkształceń osłony. Osłony takie powinny mieć przebadaną i udokumentowaną zdolność zatrzymywania.
Jeśli osłony obwodowe nie są wystarczającym środkiem redukcji ryzyka, powinny być zastosowane dodatkowe środki opisane w ISO 10218-2.
Część przestrzeni maksymalnej wymagana dla wykonania zaprogramowanego zadania to przestrzeń robocza (ang. operating space). Przestrzeń robocza nie jest przestrzenią zapewniającą bezpieczeństwo. Ograniczenia ruchów robota wynikające tylko z jego zaprogramowanej trajektorii nie mogą być uznane za odpowiedni środek redukcji ryzyka, gdyż trajektoria może być zmienna. Wymagane są środki, które zapewnią, że żadna część robota (zarówno przegub jak i efektor końcowy) nie wydostanie się poza przestrzeń chronioną.
Aby to zapewnić, maksymalna przestrzeń może być ograniczona przez zapewnienie integralnych lub zewnętrznych urządzeń ograniczających ruch robota. Przestrzeń ta nazywana jest przestrzenią ograniczoną (ang. restricted space) i jest to część przestrzeni maksymalnej, zawężona systemem ograniczników.
Przestrzeń ograniczoną systemu robota należy zatem ustalić za pomocą środków ograniczających ruch robota, efektora końcowego, uchwytu i przedmiotu obrabianego. Przestrzeń ograniczona powinna być mniejsza od przestrzeni maksymalnej i powinna znajdować się w obrębie przestrzeni chronionej oraz powinna odpowiadać przestrzeni roboczej tak blisko, jak jest to racjonalnie wykonalne.
Zatem zabezpieczenia obwodowe powinny być zainstalowane z uwzględnieniem przestrzeni ograniczonej. Zabezpieczenia obwodowe (osłony) nie powinny być instalowane bliżej zagrożenia niż przestrzeń ograniczona (należy przy tym uwzględnić możliwość sięgania do przestrzeni ograniczonej wg ISO 13857). Jeżeli zabezpieczenie obwodowe ma być środkiem ograniczającym z zastosowaniem blokad mechanicznych i niemechanicznych, wówczas ustanawia ono granicę zarówno dla przestrzeni chronionej, jak i ograniczonej – czyli nie może dojść do kolizji robota z wygrodzeniem.
Ograniczenie ruchu systemu robota można osiągnąć za pomocą środków zintegrowanych z robotem, np. zderzaków lub krańcówek dostarczonych przez integratora ograniczających zasięg i/lub bezpiecznego oprogramowania limitującego (ang. safety related soft axis, space limit) dostarczanego jako funkcjonalność przez producenta robota. Środki te służą do ograniczania przestrzeni, w której robot może wykonywać swoje zadanie. Środki techniczne służące do ograniczania ruchów robota wg ISO 10218-1 są nazywane po prostu „urządzeniami ograniczającymi”
Definicja urządzenia ograniczającego zawarta jest w ISO 10218-1:
3.12 urządzenie ograniczające
środek, który ogranicza maksymalną przestrzeń poprzez zatrzymanie lub powodujące zatrzymanie całego ruchu robota.
Urządzenia do ograniczania ruchów robota dzielą się na dwie kategorie:
- mechaniczne urządzenia ograniczające,
- niemechaniczne urządzenia ograniczające.
Mechaniczne metody ograniczania ruchów robota
Do mechanicznych metod ograniczania ruchów robota zalicza się urządzenia mechaniczne. Mechaniczne urządzenia ograniczające fizycznie powstrzymują robota przed przekroczeniem określonej granicy. Fizycznie blokują możliwość ruchu robota.
Wg ISO 10218-1 środki umożliwiające ustalenie ograniczonej przestrzeni wokół robota i środki do zainstalowania ustawialnych ograniczników mechanicznych w celu ograniczenia ruchu osi o największym ruchu przemieszczenia powinny być zapewnione przez producenta robota. Po zainstalowaniu tych środków przez integratora, osiągnięcie limitu osi powinno zatrzymać robota.
Ograniczniki mechaniczne muszą mieć możliwość zatrzymania ruchu robota przy obciążeniu znamionowym, w warunkach maksymalnej prędkości oraz przy maksymalnym i minimalnym wysunięciu. Testowanie zderzaków mechanicznych powinno odbywać się bez wspomagania zatrzymywania.
Niemechaniczne metody ograniczania ruchów robota
Do niemechanicznych metod ograniczania ruchów robota należą czujniki położenia ramion robota i certyfikowane ograniczenia software’owe. Niemechaniczne urządzenia ograniczające fizycznie nie blokują ruchu robota, ale inicjują komendę zatrzymania wysyłaną do systemu sterowania robota. Dlatego niemechaniczne urządzenia ograniczające wymagają, aby integrator wziął pod uwagę odległość zatrzymania robota podczas ustalania ograniczonej przestrzeni robota.
Przykłady niemechanicznych urządzeń ograniczających obejmują urządzenia, takie jak ograniczniki, które są ustawiane elektrycznie, pneumatycznie lub hydraulicznie, wyłączniki krańcowe, kurtyny świetlne, urządzenia do skanowania laserowego i cięgna, gdy są używane do ograniczania ruchu robota i określania ograniczonej przestrzeni.
Limity z wykorzystaniem bezpiecznego oprogramowania służą do definiowania kształtu geometrycznego, który może być używany jako strefa włączenia lub wyłączenia, ograniczając ruch robota w określonej przestrzeni lub uniemożliwiając robotowi wejście do określonej przestrzeni.
Limity programowe części systemu sterowania związanego z bezpieczeństwem są dozwolone jako sposoby definiowania i zmniejszania przestrzeni ograniczonej pod warunkiem, że mogą spowodować zatrzymanie robota przy pełnym obciążeniu znamionowym i prędkości. Przestrzeń ograniczona określona jest wówczas w rzeczywistej przewidywanej pozycji zatrzymania, która uwzględnia drogę zatrzymania.
Bezpieczne oprogramowanie limitujące jest ustawione jako strefa stacjonarna, której nie można zmienić bez ponownej inicjalizacji podsystemu związanego z bezpieczeństwem i nie można jej zmieniać podczas automatycznego wykonywania programu zadaniowego. Jeśli zachodzi taka potrzeba, strefa może być aktywowana lub dezaktywowana przy pomocy bezpiecznych sygnałów np. przez urządzenia blokujące, kurtyny bezpieczeństwa, skanery itp. Upoważnienie do zmiany parametryzacji powinno być chronione i zabezpieczone, np. wymaganiem od upoważnionych osób wprowadzenia hasła. Raz ustawione bezpieczne granice będą zawsze aktywowane po włączeniu zasilania.
Program sterujący, który monitoruje i wykonuje funkcję bezpieczeństwa związaną z ograniczeniem przestrzeni w oparciu o bezpieczne wartości graniczne musi być zgodny z p. 5.4 normy ISO 10218-1, gdzie opisano m.in. wymaganie o zapewnieniu poziomu niezawodności PLd w kat. 3 wg ISO 13849-1. Dla przypomnienia – norma ta dotyczy producentów robotów. Z kolei w normie ISO 10218-2, dotyczącej integratorów, pozostawiono informację, że jeśli wszelkie alternatywne (niemechaniczne) limity osi są przewidziane, może być wybrany inny poziom niż PLd w kat. 3, jeśli będzie to wynikało z kryteriów podczas oceny ryzyka. Nie jest jednak to kryterium dotyczące samego robota (jest ono nadal niezmienne zgodnie p. 5.4 normy ISO 10218-1), a raczej części sterowania stanowiska zrobotyzowanego wraz z urządzeniami bezpieczeństwa dobranymi przez integratora.
Jeśli bezpieczne oprogramowanie limitujące i funkcje ograniczające przestrzeń wbudowane w robota są używane zgodnie z instrukcjami producenta robota, to integrator celi zrobotyzowanej powinien pamiętać o tym, że informacje o zaprogramowanych limitach ustalonych w ten sposób powinny być zawarte w informacji dotyczącej użytkowania.
Tyle w teorii. Jak to często jest w praktyce?
W praktyce zdarza się niestety często, że jedyną ochroną przed robotem stanowią osłony obwodowe, które usytuowane są bliżej, niż przestrzeń ograniczona i nie są stosowane dodatkowe środki i metody ograniczania ruchów robota. Powoduje to, że robot stanowi uśpione, nawet śmiertelne zagrożenie dla osób pracujących w bliskiej odległości od celi zrobotyzowanej. Jeśli dochodzą do tego pewne warunki kolaboracji, np. operacje ręcznego odbierania części wyprodukowanych bezpośrednio z narzędzi robota, dochodzi do sytuacji, kiedy człowiek jest stale narażony na niebezpieczeństwo. Sytuacje niebezpieczne mogą mieć miejsce wówczas, gdy dochodzi do niespodziewanej zmiany trajektorii lub ujawnia się błąd programowy powodujący utratę punktów współrzędnych trajektorii ruchów. Nad takimi błędami powinny zawsze czuwać dodatkowe urządzenia ograniczania ruchów robota.