Warunki kolaboracji w robotyce
Słysząc słowo „kolaboracja” w środowisku maszynowym, od razu nasuwa nam się na myśli robotyka. Jest tak z pewnością dlatego, że warunki kolaboracji w robotyce są najlepiej nam znane, istnieją od prawie 10 lat i są wdrażane, chociaż wciąż są badane. Kolaboracja jest tematem rozważań nie tylko w robotyce, ale to w robotyce zaistniała po raz pierwszy w postaci współdzielenia stanowiska pracy człowieka z maszyną bez dodatkowych barier.
Nie da się wyeliminować konieczności dostępu człowieka do stref niebezpiecznych w niemal każdej maszynie. Dostęp taki jest wymagany głównie w przypadku dokonywania napraw, konserwacji, czyszczenia, czy przezbrojenia. W większości przypadków czynności te nie wymagają inicjacji czy podtrzymywania ruchów niebezpiecznych, lecz jeśli taka konieczność zachodzi, wprowadza się dodatkowe środki ochronne, np. wybór trybu pracy przy obniżonej prędkości, podtrzymywanie ruchu za pomocą dedykowanych urządzeń sterowniczych czy też kombinację tych środków. Jeśli jednak dochodzą pewne warunki kolaboracji (czyli współpracy człowieka z maszyną we wspólnej przestrzeni roboczej), od aplikacji takiej wymaga się przeanalizowania zagrożeń i redukcji ryzyka za pomocą dostępnych na rynku rozwiązań w zależności od zadań, jakie podczas tej współpracy są konieczne.
Jeśli interwencja człowieka w proces produkcyjny nie jest konieczna lub nie jest pożądana, maszyny i systemy produkcyjne są otoczone urządzeniami ochronnymi, które zabezpieczają przed dostępem do ich stref niebezpiecznych. Bezpośredni dostęp do maszyny należy wówczas zapewnić wyłącznie w celu przeprowadzania prac serwisowych. Osłony ruchome są odpowiednie dla tego rodzaju dostępu, ale muszą one być z kolei muszą sprzężone z blokadami bezpieczeństwa realizując funkcje bezpieczeństwa kontroli dostępu zgodnie z ISO 14120. Jeśli osłona ruchoma jest otwarta, blokada bezpieczeństwa to wykrywa i generuje sygnał zatrzymania w celu zapewnienia bezpiecznego dostępu do strefy niebezpiecznej.
W przypadku konieczności wykonywania ciągłych zadań wewnątrz strefy niebezpiecznej, np. w maszynach montażowych, gdzie istnieje konieczność interwencji w każdym cyklu, człowiek jest stale narażony na zagrożenia mechaniczne. Maszynę wyposaża się wówczas w optoelektroniczne środki ochronne, których zadaniem jest powstrzymanie lub odwrócenie niebezpiecznych ruchów. Od urządzeń tych wymaga się odpowiedniego zdystansowania od stref niebezpiecznych zgodnie z ISO 13855, co skutkuje potrzebą zapewnienia odpowiednio większej powierzchni zainstalowania maszyny i niestety może mieć wpływ na ergonomię stanowiska pracy. Zarówno norma ISO 13855 dotycząca umiejscowienia wyposażenia ochronnego, jak i norma ISO 13857 dotycząca odległości bezpieczeństwa nie uwzględniają skutków oddziaływania sił na ludzkie ciało. Zauważono zatem potrzebę zmian w tym obszarze, zwłaszcza, że od wielu już lat dysponujemy odpowiednia technologią.
Interakcja człowieka z maszyną oraz warunki kolaboracji są wciąż obszarem badań, a wyniki tych badań są dostępne m. in. w ISO/TR 21260, raporcie technicznym, który został wstrzymany, ponieważ prace nad projektem przekroczyły ramy czasowe dozwolone przez ISO (prace mają być wznowione z końcem 2020 r). Raport ma przekazywać dane dotyczące bezpieczeństwa dla fizycznego kontaktu pomiędzy ludźmi, a poruszającymi się maszynami lub ruchomymi częściami maszyn i będzie zawierał wartości graniczne dla kontaktów człowieka z ruchomą maszyną lub jej częścią. Warunki takiej kolaboracji będzie można osiągnąć dzięki zastosowaniu systemów sterowania zaprojektowanych w celu zapobiegania przekroczenia tych wartości.
Raport będzie dla przemysłu maszynowego czymś nowym i rewolucyjnym, tak jak to stało się z raportem ISO/TS 15066 dla robotów zaprojektowanych do współpracy człowieka z robotem we wspólnej przestrzeni roboczej. Z pewnością po opublikowaniu raportu będzie można spodziewać się innowacyjnych zmian w projektowaniu maszyn i zupełnie nowego podejścia w projektowaniu stanowisk pracy. Będziemy obserwować „znikanie” osłon, umożliwiając bezpośrednią interakcję człowieka w obszarze zarówno zamierzonego, jak i niezamierzonego kontaktu.
Nie we wszystkich obszarach jednak pozbędziemy się osłon, gdyż albo nie będzie to potrzebne, albo nie będzie to wykonalne ze względu na proces (np. cięcia, prasowania). Obserwując technologię kolaboracji w robotyce przez kilka lat jej funkcjonowania przekonaliśmy się, że jest to nie zawsze dobrze rozumiany kierunek rozwoju, gdyż w aplikacjach współpracy często spotyka się nieprzemyślane warunki kolaboracji niezapewniające bezpieczeństwa. Dlatego nie spodziewajmy się kolejnej (piątej?) rewolucji przemysłowej, lecz innowacji wprowadzającej nowy typ interakcji człowieka z maszyną w zadaniach, które mają szansę przynosić realne korzyści z takiej współpracy.
W każdej nowej technologii musi się znaleźć czas na jej przetestowanie, aby uznać ją za sprawdzoną. Badania pokazały, że progi bólu nie są stałe w całej populacji i mogą być zależne od wieku, masy ciała, stanu zdrowia lub emocjonalnego lub nawet działania leków. Czy kompromis przyjęty np. przez raport ISO/TS 15066 stanie się stałym wyznacznikiem definiującym warunki kolaboracji? Wraz z postępem zmienia się aktualny stan wiedzy techniki, a co za tym idzie, normy z czasem przestają nadążać za takim postępem. Siłą rzeczy one również muszą się zmieniać, więc niewykluczone, że zmiany będą obejmować również warunki współpracy.
Kolaboracja wykraczająca poza robotykę to niewątpliwie przyszłość, której w najbliższych latach staniemy się świadkami. Jednak warunki kolaboracji w robotyce – mimo tego, że są dobrze zdefiniowane i skutecznie wdrażane – są wciąż przedmiotem obserwacji, dlatego raport ISO/TS 15066 jest wciąż raportem technicznym, funkcjonującym w takiej postaci od 2016 roku.
Pierwsze warunki kolaboracji w robotyce pojawiły się jeszcze wcześniej, bo w 2011 roku, kiedy wydano normę ISO 10218-2. Minęło zatem już wiele lat, odkąd zostały one opisane, ale wraz z publikacją tej normy zostały zdefiniowane fundamenty kolaboracji, które jednak nie zostały w tej normie rozwinięte. Raport techniczny stał się uzupełnieniem normy ISO 10218-2, zresztą norma ta odwołuje się w kilku miejscach do raportu technicznego. Można więc powiedzieć, że raport techniczny ISO/TS 15066 uzupełnia normę ISO 10218-2.
Warunki kolaboracji w normie ISO 10218-2:2011 zostały opisane w p. 5.11.2. Wg ISO 10218-2:2011 kolaboracja (współpraca) to szczególny rodzaj operacji między człowiekiem a robotem, który polega na współdzieleniu przestrzeni roboczej człowieka i robota. Ten rodzaj współpracy:
- używany jest tylko do z góry określonych zadań;
- możliwy, gdy wszystkie wymagane środki ochronne są aktywne;
- jest dedykowany dla robotów z funkcjami zaprojektowanymi specjalnie do współpracy zgodnie z ISO 10218-1.
Kiedy ludzie i roboty dzielą wspólną przestrzeń roboczą, podejmuje się realizację wszelkich rozwiązań w celu zapewnienia bezpieczeństwa aplikacji zrobotyzowanej z użyciem komponentów i funkcji bezpieczeństwa, biorąc pod uwagę również samą konstrukcję robota. Na przykład funkcje bezpiecznego ruchu w robocie są połączone z czujnikami odległości, ze zintegrowanym monitorowaniem momentu obrotowego lub z technologią czujników dotykowych. Podczas gdy czujniki dotykowe rejestrują kontakt po jego wystąpieniu, pojemnościowe (czyli bezkontaktowe) czujniki mogą wykryć kolizję, zanim do niej dojdzie. Ruchy w przypadku tego typu aplikacji robotów są generalnie znacznie wolniejsze niż w aplikacjach w pełni zautomatyzowanych.
Jeżeli ze względu na ograniczenia przestrzenne urządzenia ochronne muszą być umieszczone w pobliżu niebezpiecznego ruchu, istnieje ryzyko niebezpiecznego kontaktu z jeszcze poruszającym się robotem. W takim przypadku konieczne staje się użycie ryglującej blokady bezpieczeństwa. Zadania te wykonują mechaniczne urządzenia ryglujące z ryglowaniem sprężynowym lub zintegrowane systemy drzwi ochronnych. Na rynku dostępnych jest wiele wariantów urządzeń blokujących, co oznacza, że można osiągnąć praktycznie wszystkie możliwe scenariusze monitorowania.
W przypadku zastosowań robotów, w których konieczne jest monitorowanie ruchów człowieka, do ochrony przed dostępem stosuje się również bezkontaktowe urządzenia ochronne, takie jak kurtyny świetlne bezpieczeństwa. Dodatkowo, w celu monitorowania obecności człowieka wewnątrz strefy niebezpiecznej może być konieczne zainstalowanie kurtyny świetlnej bezpieczeństwa w konfiguracji poziomej lub laserowego skanera bezpieczeństwa. W niektórych przypadkach maty bezpieczeństwa są preferowanym wyborem, jeśli na przykład występują problemy z dostępnością systemów optycznych z powodu warunków proceduralnych, takich jak kurz, opary lub mgła.
Warunki kolaboracji w robotyce wg ISO 10218-2
W przypadku potrzeby zmniejszenia przestrzeni oddzielającej człowieka i robota we wspólnym obszarze współpracy, fizyczny kontakt między człowiekiem a robotem jest jak najbardziej możliwy. Należy zapewnić środki ochronne, aby zapewnić bezpieczeństwo operatora podczas współdzielenia przestrzeni roboczej z robotem. Załącznik E normy ISO 10218-2 podaje przykłady współpracy wraz z wyspecyfikowanymi wymaganiami środków ochronnych.
Sięganie przez okno
| Opis | Środki bezpieczeństwa | Zadania |
|
|
|
Okno interfejsu
| Opis | Środki bezpieczeństwa | Zadania |
|
|
|
Wspólny obszar roboczy
| Opis | Środki bezpieczeństwa | Zadania |
|
|
|
Inspekcja
| Opis | Środki bezpieczeństwa | Zadania |
|
|
|
Robot sterowany ręcznie
| Opis | Środki bezpieczeństwa | Zadania |
|
|
|
Wyżej wymienione metody współpracy wymagają wprowadzenia skutecznych środków ochronnych, które pozwolą na bezpieczną interwencję w przestrzeni pracy robota, lub bezpieczne przebywanie człowieka we współdzielonej przestrzeni roboczej. Norma ISO 102018-2 stawia przy tym wymaganie, aby wspólne miejsce pracy, w którym człowiek może bezpośrednio wchodzić w interakcję z robotem było jasno określone (np. za pomocą oznakowania podłogi, znaków itp.).
Znajdziemy również wymaganie, aby roboty skonfigurowane do współpracy były oznaczone symbolem, który ma za zadanie informować, że stanowisko pracy zostało skonfigurowane jako wspólna przestrzeń robocza człowieka i systemu zrobotyzowanego. Symbol ten nie został jednak w normie jednoznacznie określony, a opis pod rysunkiem 2 w normie ISO 10218-2 wyraźnie wskazuje, że jest to sugerowany projekt etykiety. Proponowany symbol może zatem wyglądać w taki sposób, jak na poniższym rysunku.
Warunki kolaboracji w robotyce, opublikowane w normach ISO 10218 i specyfikacji technicznej ISO/TS 15066, mają szansę zapewnić ergonomię środowiska pracy człowieka pod warunkiem właściwego zrozumienia potrzeb i celów. Kolaboracja będzie w stanie zmienić warunki ergonomiczne nie tylko w robotyce, ale to w robotyce pojawiła się po raz pierwszy możliwość takiej współpracy człowieka z maszyną, która pozwoliła na usunięcie fizycznych barier. Zapewne będziemy w najbliższych latach świadkami wprowadzania tego typu kolaboracji poza robotykę. Miejmy zatem nadzieję, że doświadczenia, jakie wynikały najczęściej z niewłaściwego zdefiniowania zadań operatora i skupianiu się tylko na idei zainstalowania cobota spowodują, że spojrzenie na bezpieczeństwo będzie bardziej niż dotychczas pobudzało wyobraźnię.