коботы

Роботы и люди: безопасное сотрудничество

Опубликовано в номере:
PDF версия
Активное развитие роботов, предназначенных для физического взаимодействия с людьми в совместной рабочей среде, дает нам новые возможности, но при этом влечет за собой и определенные риски. Как обеспечить безопасность на современном роботизированном производстве?

В 2008 г. коллаборативные промышленные роботы (коботы), т. е. роботы, предназначенные для физического взаимодействия с людьми в совместной рабочей среде, вызывали не более чем простое любопытство и воспринимались как нечто фантастическое. В 2012 г. на них смотрели как на экзотику, причуду, которую некоторые производители могут себе позволить для улучшения имиджа. Но уже через год отношение к ним в индустриальных кругах изменилось — их стали воспринимать как средство производства и прикидывать целесообразность их применения в тех или иных областях технологического процесса. Что касается настоящего времени, то коллаборативные промышленные роботы уже вошли в производственный процесс и прочно там закрепились. Причем их работа настолько эффективна, что многие предприятия считают, что за ними будущее.

«Совместные, или, как мы говорим применительно к робототехнике, коллаборативные приложения — это наш новый рубеж. Они действительно будут управлять не только привычными в нашем бизнесе процессами и приложениями, но и, вероятно, приложениями, о которых мы сейчас даже не подозреваем», — считает Роберта Нельсон Ши (Roberta Nelson Shea), главный технический сотрудник по вопросам стандартизации компании Universal Robots.

Аналитики из ABI Research прогнозируют, что к 2020 г. рынок коллаборативной робототехники вырастет до $1 млрд. В индустрии будет эксплуатироваться более чем 40 000 коллаборативных роботов. Однако по мере роста их популярности также возрастает важность решения такой проблемы, как обеспечение должного уровня безопасности при применении этих роботов.

Одной из самых ожидаемых технических спецификаций в области безопасного использования коллаборативной робототехники был ее релиз, выпущенный в феврале 2016 г., — стандарт ISO/TS 15066:2016 «Robots and robotic devices — Collaborative robots» (в официальном русском переводе: ISO/TS 15066:2016 «Роботы и роботизированные устройства. Объединенные роботы»). Этот стандарт является международным руководством по безопасности работы коллаборативных систем и дает подробное, основанное на цифрах наставление, так необходимое разработчикам, интеграторам и пользователям, работающим в сфере проектирования и использования коллаборативной робототехники.

Нельсон Ши говорит, что на первых порах идея использования в индустрии коллаборативной робото­техники была встречена с весьма большим скептицизмом. «Изначально решением проблемы безопасности было избегание прямого контакта с роботами. Но потом тенденция изменилась: действительно, если робот с какой-нибудь деталью касается вас, но при этом нет риска травматизма, то почему бы не разрешить такой контакт?».

 

Люди и роботы: распределение ответственности

«Традиционно при разработке автоматизированных систем передача части их функций людям не предусматривалась. Но поскольку роботы становятся все более мобильными и постоянно расширяют свои возможности в части взаимодействия с людьми, упомянутая концепция проектирования теперь является тупиковой ветвью эволюции автоматизированных систем, — говорит Роланд Менасса (Roland Menassa), глава Центра глобальных исследований в области автоматизации компании General Electric. — Сейчас я могу разместить робота на заводе рядом с людьми, и они могут работать бок о бок».

«Мы до сих пор используем сварку и нам необходимы роботы, которые могут работать с тяжелым оборудованием и способны выполнять очень сложные технологические операции в рамках производства, — добавляет Роланд Менасса. — Но если посмотреть на производство в целом, то можно заметить: несмотря на то, что робототехника сильно ушла вперед за последние 55 лет, сейчас по-прежнему достаточно много людей работает на сборочных линиях. И это, в первую очередь, из-за проблем в различиях применяемых материалов. Например, когда мы делаем выключатели или осветительные приборы, то используем провода и гибкие материалы, которые очень трудно обрабатывать. Перед нами стоит вопрос, как внедрить автоматизацию в ручной процесс сборки для обработки столь разных по свойствам деталей».

Для обеспечения безопасного контакта с людьми были специально разработаны роботы, имеющие определенные ограничения в части мощности и максимального усилия. При этом безопасность обеспечивается либо встроенными системами безопасности, либо системами управления. Эти типы роботов обычно изготавливаются из легких материалов, имеют меньшую мощность усилия и меньший крутящий момент в суставах и могут также иметь мягкие накладки или покрытия, предотвращающие травматизм при непосредственном контакте с людьми.

 

Четыре подхода к обеспечению совместной безопасной работы

В соответствии с гармонизированными стандартами безопасности роботов ANSI/RIA 15.06 «Industrial Robots and Robot Systems — Safety Requirements», ISO 10218 («Robots for industrial environments — Safety requirements»)3 и новой редакцией упомянутого выше стандарта TS 15066, существует четыре подхода к безопасной совместной работе робота с человеком:

  • контролируемый останов безопасности;
  • ручное управление;
  • мониторинг скорости и сближения с человеком;
  • ограничение по мощности усилия и моменту силы.

Перечисленные подходы касаются наиболее трудно понимаемых аспектов в сотрудничестве человека и робота. Чтобы избежать путаницы, Нельсон Ши предлагает производителям рассматривать каждый из четырех методов совместной работы как часть общего сценария, а не оторванные друг от друга подходы.

В каждом случае робот и его оператор (человек) разделяют между собой общее рабочее пространство. При подходе с контролируемой безопасностью путем останова предпосылкой является то, что в таком пространстве робот или его манипулятор вообще не должен двигаться. Что касается ручного управления — многим кажется, что этот метод используется только для обучения (рис. 1). Нельсон Ши утверждает, что это не так: «Когда вы перемещаете манипулятор робота, чтобы научить его определенным задачам, это не то ручное управление, которое имеется в виду. При обучении робот не работает в автоматическом режиме». Когда для описания совместной работы используется понятие «ручное управление», это значит, что робот и человек занимают общее разделяемое пространство, но робот движется только тогда, когда он находится под непосредственным управлением человека.

коботы

Рис. 1. Если руку коллаборативного робота перемещают, чтобы его чему-то научить, то это не то же самое, что ручное управление

«В режиме мониторинга скорости и сближения как робот, так и человек могут свободно передвигаться в общем рабочем пространстве, — поясняет Нельсон Ши. — Но как только расстояние между роботом и человеком становится критически близким, робот останавливается, т. е. фактически в этом случае используется первый сценарий (контролируемый останов безопасности). В режиме ограничения мощности усилия и момента силы можно допустить прямой контакт между человеком и роботом. То, как осуществляется это ограничение, зависит как от особенностей сферы применения робота, так и от его непосредственной конструкции. В этом случае при прямом контакте робота с человеком не должно быть риска ни нанесения ему травмы, ни даже просто причинения боли».

Нельсон Ши также говорит, что в выборе методов обеспечения безопасности нет каких-либо ограничений. Можно использовать любое сочетание четырех указанных выше методов совместной работы в общей зоне, представленных в одной роботизированной системе, или даже всех четырех одновременно. Новый стандарт TS 15066 включает формулы для расчета защитного предельно допустимого расстояния при мониторинге скорости перемещения робота или его манипулятора и его сближения с человеком.

Но, возможно, наиболее интересной частью технических требований стандарта является приложение, в котором содержатся указания о том, как установить предельные уровни, т. е. выбрать допустимые значения болевых порогов для различных частей тела. Это особенно важно учитывать при разработке и использовании приложений с ограничением по мощности усилия и моменту силы. Затем данные уже могут быть экстраполированы для определения ограничений по скорости перемещения.

«Хотя в рассматриваемом стандарте есть информация об особенностях всех четырех режимов совместной работы человека и робота в общем пространстве, но наиболее интересными для нас являются данные по роботам, для которых требуются определенные ограничения по мощности усилия и моменту силы, — отмечает Жан-Филипп Джобин (Jean-Philippe Jobin), технический директор компании Robotiq, производителя адаптивных захватов для совместных роботов. — Сейчас мы видим все больше таких роботов на рынке, а раньше у нас не было четких указаний, чтобы помочь людям безопасно установить и использовать этих роботов на предприятиях — кроме стандарта ISO 10218 «Robots and robotic devices — Safety requirements for industrial robots — Part 2: Robot systems and integration»».

 

Первый шаг — оценка рисков

И Нельсон Ши, и Жан-Филипп Джобин подчеркивают, что основой для любой совместной интеграции роботов является оценка потенциальных рисков (рис. 2).

«Оценка риска — это самый важный аспект, — говорит Джобин. — Если вам требуется немного большее приложение усилия или момент силы, чем указано в ограничительном документе, это не значит, что это небезопасно. Данные, которые приведены в этой технической спецификации, относятся к боли, а по стандарту ISO 10218 требуется, чтобы не было повреждений, т. е. травм».

коботы

Рис. 2. При установке любой коллаборативной роботизированной системы требуется провести оценку рисков

«Есть известная разница между причинением боли и травмой, — поясняет Джобин. — Если воздействия будут немного выше указанных в требованиях ISO/TS 15066, пользователь может сам провести ряд испытаний. А уже по их результатам доказать, что использование оборудования будет безопасным и робот не сможет нанести травму и даже причинить недопустимую боль людям в определенных режимах и условиях применения конкретного робота».

Важно отметить, что основное внимание должно уделяться не самому роботу, а оценке риска его использования в конкретном применении.

«Если вы посмотрите на стандарт, то в нем редко употребляется слово «робот», — говорит Джобин. — Обычно указывается совместная рабочая ячейка или коллаборативное приложение. Это понятие включает в себя кабели, приспособления, зажимы, сам робот и его манипулятор с захватом, т. е. все то, что находится в общем рабочем пространстве робота и человека».

Развивая свою мысль, Джобин говорит, что существует весьма распространенное заблуждение о том, что если робот «изначально безопасен», то и его функционирование также будет безопасным. Однако, например, если робот работает с опасными объектами (с острыми кромками или даже режущими элементами), то тогда человек рядом с ним в безопасности не будет — без применения соответствующих защитных мер. Другим случаем является вариант, когда робот обрабатывает тяжелый объект, что может привести к травме, если этот предмет упадет или станет неуправляемым летящим объектом с определенной и часто опасной кинетической энергией.

Все перечисленные условия использовались при обеспечении безопасности коллаборативных роботов на предприятии GE Lighting, выпускающем светотехническую продукцию в компании General Electric (рис. 3).

коботы

Рис. 3. Коллаборативные роботы безопасно работают бок о бок с людьми на производственной линии, собирающей уличные светильники

Роланд Менасса рассказывает об этом подробнее: «Мы всегда проводим анализ безопасности использования робототехники именно на основе оценки конкретной выполняемой ими задачи. Если мы поймем, даже на интуитивном уровне, что существует потребность в защите, превышающей возможности робота в части ограничения его силы воздействия или крутящего момента, то мы разместим в рабочей зоне соответствующее защитное устройство, такое как световой барьер безопасности или лазерный сканер. Иными словами, предпримем все для того, чтобы снизить риск травматизма».

Технический отчет, зарегистрированный ANSI, RIA TR R15.306-2016 «Task-based Risk Assessment Methodology» («Методология оценки рисков на основе задач»), как раз описывает такой метод оценки риска, который, в свою очередь, соответствует требованиям стандарта ANSI-RIA R15.06-2012 «Safety Requirements for Industrial Robots and Robot Systems, Overview» («Требования безопасности для промышленных роботов и робототехнических систем, обзор», был обновлен в 2016 г.). На их основе можно обеспечить безопасность любых проектов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *