Bezpieczeństwo systemów z robotami współpracującymi cz. 1

Systemy z robotami współpracującymi otwierają nowe możliwości redukcji kosztów i poprawy jakości. Zastosowanie robotów współpracujących, tzw. cobotów (ang. cooperative robots) po raz pierwszy w historii umożliwia, przy spełnieniu pewnych warunków, bezpieczną pracę maszyny i człowieka „ramię w ramię”. Możliwe stało się, po spełnieniu pewnych warunków, stworzenie bezpiecznego systemu zrobotyzowanego bez tradycyjnych barier w postaci osłon stałych, wygrodzeń lub optoelektronicznych urządzeń ochronnych. Zamiast nich wykorzystywane są wewnętrzne zabezpieczenia wbudowane w robota, np. ograniczenia siły i nacisku, urządzenia bezpieczeństwa nowej generacji np. kamery 3D. Osłony stałe i optoelektroniczne urządzenia ochronne zostają zredukowane do minimum lub całkowicie wyeliminowane. Kluczowym kryterium zastosowania poszczególnych środków bezpieczeństwa jest ocena ryzyka systemu zrobotyzowanego oparta o zalecenia norm i specyfikacji technicznych dedykowanych dla stanowisk wyposażonych w roboty współpracujące.

Przepisy i normy techniczne

Systemy z robotami współpracującymi są klasyfikowane jako maszyny lub maszyny zespolone. Jak takie podlegają wymaganiom Dyrektywy Maszynowej 2006/42/WE. Ich wprowadzenie do obrotu lub przekazanie do użytkowania wymaga przeprowadzenia procesu oceny zgodności zgodnie ze wskazaniami Artykułu 12 Dyrektywy Maszynowej 2006/42/WE zakończonego wydaniem deklaracji zgodności WE oraz oznaczeniem ich znakiem CE.

Najprostszym sposobem wykazania zgodności z dyrektywą jest spełnienie wymagań norm z nią harmonizowanych. W przypadku stanowisk wyposażonych w roboty współpracujące są to

  • PN-EN ISO 10218-1:2011 Roboty i urządzenia dla robotyki. Wymagania bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych. Część 1: Roboty, opisująca wymagania względem robotów

oraz

  • PN-EN ISO 10218-2:2011 Roboty i urządzenia dla robotyki. Wymagania bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych. Część 2: System robotowy i integracja.

Wyżej wymienione normy zawierająca wymagania względem systemów zrobotyzowanych, w tym, systemów z robotami współpracującymi. Część 1 skierowana jest raczej o wytwórców robotów, natomiast część 2 – do integratorów i budowniczych stanowisk zawierających roboty, w tym również roboty współpracujące.

Stanowisko z robotem współpracującym należy rozpatrywać jako maszynę lub zespół maszyn, w zależności od stopnia skomplikowania. Należy podkreślić, że sam robot stanowi maszynę nieukończoną, zgodnie z Dyrektywą Maszynową 2006/42/WE. Powinien być on dostarczony z deklaracją maszyny nieukończonej oraz instrukcją montażu. W żadnym razie oznakowanie CE i deklaracja maszyny nieukończonej wydana dla robota współpracującego nie może być rozszerzona na całe stanowisko, w którym robot ten został zamontowany. Należy przeprowadzić osobną procedurę oceny zgodności obejmującą stanowisko, włącznie z zaimplementowanym w nim robotem współpracującymi, kompletnym, zintegrowanym z nim wyposażeniem uwzględniając wszystkie warunki jego użytkowania i używane narzędzia i oprzyrządowanie.

Roboty współpracujące to stosunkowo nowa technologia. Zasady bezpieczeństwa, które należy stosować w aplikacjach z ich wykorzystaniem nie zostały wyczerpująco opisane w PN-EN ISO 10218-1 oraz PN-EN ISO 10218-2. Lukę tę uzupełnia specyfikacja techniczna ISO TS 15066 Robots and robotic devices. Collaborative robots. Dokument ten będzie wykorzystany do zapowiadanej na maj 2021 aktualizacji norm PN-EN ISO 10218-1 oraz PN-EN ISO 10218-2.

Ocena ryzyka

Przeprowadzenie udokumentowanej oceny ryzyka w odniesieniu do maszyny lub zespołu maszyn wprowadzanych do obrotu stanowi wymaganie Dyrektywy Maszynowej 2006/42/WE (Załącznik VII). W przypadku systemów zrobotyzowanych należy podkreślić, że ocena ta musi dotyczyć całego systemu, a nie tylko robota.

Udokumentowana ocena ryzyka powinna być dostępna u wytwórcy lub integratora najpóźniej w momencie wprowadzenia maszyny lub zespołu maszyn na rynek. Procedura oceny ryzyka dla stanowisk z robotami współpracującymi nie różni się zasadniczo od procedury oceny ryzyka prowadzonej dla innych maszyn lub stanowisk zrobotyzowanych. Musi jednak ona w szczególności brać pod uwagę zagrożenia związane z nagłym wejściem człowieka w strefę pracy robota i zaproponować dla nich odpowiednie środki ochronne. Obszerną listę zagrożeń, które muszą być przeanalizowane zawiera PN-EN ISO 10218-2 oraz ISO TS 15066. Sytuacje, w których człowiek ma bezpośredni kontakt z robotem należy ograniczyć do minimum.

Środki ochrony, zaproponowane na podstawie oceny ryzyka, mogą być konwencjonalne, np. osłony stałe, kurtyny świetlne, skanery bezpieczeństwa) lub nowego typu, np. ograniczenie siły/mocy, ograniczenie zakresu ruchów. Możliwa jest także kombinacja obu typów zabezpieczeń.

Rodzaje pracy robota współpracującego

Specyfikacja ISO TS 15066 wyróżnia następujące rodzaje współpracy pomiędzy człowiekiem, a robotem:

  1. Praca z dostępną funkcją bezpiecznego kontrolowanego zatrzymania robota (safety-related monitored stop – SMS).

W trybie tym wejście w strefę niebezpieczną pracującego robota, określoną na podstawie analizy ryzyka, powoduje jego zatrzymanie. Opuszczenie strefy i ręczne potwierdzenie tego faktu powoduje powrót robota do przerwanej pracy.

  1. Prowadzenie ręczne (hand guiding – HG).

W tym trybie pracy człowiek może przebywać w strefie pracy unieruchomionego robota. Ruch jest wymuszany przez człowieka np. przez ręczne prowadzenie manipulatora robota lub przez aktywację odpowiednich elementów sterowniczych. Prędkość ruchu jest bezpieczna dla człowieka.

  1. Praca z zapewnieniem monitorowanej prędkości i odległości człowieka i robota (speed and separation monitoring – SSM).

W trybie tym monitorowana jest bezpieczna odległość pomiędzy robotem współpracującym, a człowiekiem. W przypadku naruszenia tej odległości robot współpracujący zmniejsza prędkość swoich ruchów lub zatrzymuje się. W momencie opuszczenia strefy niebezpiecznej cobot powraca do przerwanych czynności.

  1. Praca przy ograniczonej sile i mocy robota (power and force limiting- PFL).

W przypadku pracy w trybie ograniczenia siły lub mocy robota współpracującego, gdy dochodzi kontaktu człowieka z częściami robota, narzędziem lub częścią obrabianą, zastosowane zabezpieczenia wewnętrzne robota sprawiają, że nie są przekroczone, podane w specyfikacji ISO TS 15066, biomechaniczne graniczne wartości siły lub nacisku. Wybór ograniczenia, siły lub nacisku, zależy między innymi od zastosowanych aktywnych (np. maty czułe na dotyk, czujniki siły itd.) i pasywnych (ukształtowanie robota, oprzyrządowania, przedmiotu obrabianego itp.) środków bezpieczeństwa.

Tryb pracy przy ograniczonej sile i mocy robota (PFL) jest najbardziej rewolucyjny. Umożliwia rzeczywistą współpracę człowieka i robota „ramię w ramię”. W stanowiskach zrobotyzowanych spełniające wymagania trybu pracy PFL roboty współpracujące mogą być stosowane, przy spełnieniu odpowiednich warunków, bez dodatkowych technicznych środków zabezpieczających.

Wymagania dotyczące robota

Robot dedykowany do aplikacji wykorzystującej metodę ograniczenia siły lub mocy (PFL) jako środek bezpieczeństwa, musi posiadać taką funkcjonalność.

Ponadto poza obligatoryjnymi środkami bezpieczeństwa wymaganymi przez PN-EN ISO 10218-1 roboty współpracujące wyposaża się zwykle w następujące funkcje:

  1. Monitoring funkcji bezpieczeństwa (ograniczenie momentu lub siły)

Funkcja ta musi uwzględniać również krawędzie systemu zrobotyzowanego, które biorą udział w procesie, np. krawędzie oprzyrządowania. Ma to na celu monitorowanie nacisku również na tych powierzchniach, będących powierzchniami kontaktu systemu cobota z człowiekiem.

  1. Monitoring bezpiecznej prędkości

W celu zapewnienia bezpiecznego zatrzymania (czasu reakcji systemu) konieczne jest monitorowanie bezpiecznej prędkości ruchomych elementów stanowiska zrobotyzowanego przy jednoczesnym monitorowaniu siły i momentu.

  1. Monitoring bezpiecznego położenia

W celu umożliwienia zdefiniowania i ograniczenia obszarów pracy zgodnie z granicznymi wartościami biomechanicznymi siły lub nacisku, które z kolei są powiązane z narażonymi regionami ludzkiego ciała, zwykle, ze względów bezpieczeństwa, jest wymagane ograniczenie obszaru pracy cobota. W zależności od narażenia na zagrożenie powinien być dodatkowo zapewniony monitoring narzędzia oraz monitoring każdej z osi cobota.

  1. Wybór trybu pracy i przycisk zezwolenia

Zgodnie z PN EN ISO 10218-1 zamykany przełącznik trybu pracy lub równoważna ochrona dostępu, np. kod dostępu oraz urządzenie zezwolenia były obligatoryjnym wyposażeniem robotów przemysłowych związanym z zapewnieniem bezpieczeństwa ich użytkowania. W przypadku robotów współpracujących, zgodnie z specyfikacją ISO TS 15066, urządzenie zezwolenia może zostać pominięte, jeśli ograniczenia bezpieczeństwa, np. prędkość, siła, zakres ruchów, zapewnią, że wszystkie prace związane z obsługą serwisową, utrzymaniem, naprawami, ustawieniami, programowaniem mogą być prowadzone w takich warunkach, jakie zapewniałoby użycie urządzenia zezwalającego.

Uchwyt z przyciskiem zezwolenia. IDEC

Ograniczenia bezpieczeństwa nie mogą być zdeaktywowane lub zmienione w taki sposób, że spowodują powstanie sytuacji niebezpiecznych.

Funkcje bezpieczeństwa zastosowane na stanowisku z robotem współpracującym muszą spełniać wymagania kategorii 3 PL=d wg PN-EN ISO 13849-1.

Dodatkowo krawędzie wszystkich części robota, tj. ramion robota, uchwytu narzędzia, powinny być zaokrąglone. Obłożenie powierzchni, np. poliuretanową gąbka, zwiększa powierzchnię kontaktu, co ma pozytywny efekt w przypadku kontaktu człowieka z robotem.

Ze względu na zapewnienie jak najniższej wartości siły kontaktu związanej z bezwładnością, obciążenia robotów współpracujących, masy przez nie przenoszone lub poruszane, powinny być możliwie małe.

Aplikacja z robotem współpracującym

Stanowisko z robotem współpracującym nie ogranicza się tylko do samego robota. Składa się na nie również oprzyrządowanie, systemy transportowe, narzędzia za montowane na robocie oraz urządzenia ochronne.

Ogólnie przyjmuje się, że stanowiska z robotami współpracującymi nie są polecane w przypadku operowania ciężkimi, kanciastych i dużymi przedmiotami. Bezwładność dużych i ciężkich detali prowadzi zwykle podczas manewrowania nimi przez robota do przekroczenia granicznych sił i nacisków, co skutkuje zatrzymaniem urządzenia w trakcie cyklu pracy.

Ze względu na bliskość człowieka ruchy robota, a w szczególności trajektorie jego ruchów podczas współpracy z operatorem, mają decydujący wpływ na bezpieczeństwo stanowiska.

Zwykle obszar pracy robota, włącznie z narzędziem (chwytakiem) oraz przedmiotem obrabianym, muszą być ograniczone przez layout stanowiska oraz funkcję “ograniczenie zakresu ruchów ze względu bezpieczeństwa” (safe spatial limits). Jest to niezbędne, aby wykluczyć możliwość kontaktu elementów robota podczas wykonywana dedykowanych dla stanowiska zadań ze szczególnie wrażliwymi częściami ciała człowieka takimi i jak głowa i szyja.

Kontakt z głową człowieka musi być generalnie wykluczony przez zastosowanie odpowiedniej organizacji stanowiska także w dających się przewidzieć sytuacjach użytkowania niezgodnie z przeznaczeniem. Jeśli nie da się tego zapewnić należy ograniczyć występowanie takich sytuacji do minimum. Należy wówczas, dla tych sytuacji, wziąć pod uwagę wartości biomechanicznych wartości granicznych siły lub nacisku podanych w ISO TS. 15066. Szczególnie wrażliwe obszary głowy i szyi (np. oczy, krtań itp.) nie mogą być w żadnych okolicznościach narażone na kontakt z elementami robota czy narzędzia.

Można to osiągnąć przez odpowiednią konstrukcję stanowiska i organizację procesu np.:

  • Zaokrąglone krawędzie
  • Miękkie okładziny
  • Projektowanie bezpiecznych trajektorii ruchów robota
  • Odwrócenie ostrych krawędzi od operatora podczas przemieszczania
  • Ograniczenie przestrzeni pracy robota (TCP i przegubów)
  • Wykonywanie dużych względnych manewrów przedmiotem z dała od wrażliwych regionów ludzkiego ciała. W przypadku aplikacji stołowych, np. w dolnych obszarach strefy roboczej

Jeżeli zagrożenie dalej występuje, obszary te powinny być wykluczone z dostępu, np. przez zastosowanie dodatkowych osłon (np. transparentnych) wraz z dodatkowymi instrukcjami dla użytkowników umieszczonymi w instrukcji obsługi.

Podczas analizy trajektorii ruchów robota należy rozważyć następujące dające się przewidzieć sytuacje:

  • Manualną interwencję w obszarze pracy robota (zamierzoną lub niezamierzoną, np. odruchową)
  • Obserwacja procesu, np. nachylenie się, wychylenie się ponad zabezpieczeniami
  • Wykrywanie oraz interwencja w przypadku usterki
  • Podnoszenie upuszczonych części
  • Kontakt ramienia robota z ciałem człowieka
  • Kontakt narzędzia lub przedmiotu obrabianego z ciałem człowieka

Ponadto należy wziąć pod uwagę wymagania normy PN EN ISO 10218-2 względem systemów zrobotyzowanych. W szczególności należy zatroszczyć się o wystarczającą ilość łatwodostępnych wyłączników awaryjnych. Ze względu na możliwy bezpośredni kontakt z systemem zrobotyzowanym zawsze musi być dostępny środek, który pozwoli na samodzielne uwolnienie się w przypadku uwięzienia człowieka. Sytuacja kontaktu z systemem zrobotyzowanym może powstać przez incydent zaciśnięcia, np. podczas odruchowej interwencji w obszarze pracy narzędzia. Sytuacje kontaktu pomiędzy systemem zrobotyzowanym, a człowiekiem powinien być ogólnie ograniczony do minimum. Dotyczy to zarówno uderzenia, jak i możliwości zaciśnięcia. Sytuacje zaciśnięcia, jeśli nie można im całkowicie zapobiec, powinny być ograniczone do kończyn górnych.