Данная статья должна помочь инженерам при проектировании системы с коллаборативными роботами (коботами), как проводить оценки безопасности и как разрабатывать безопасные реализации для роботов / людей коворкинг (совместного)-пространства.
Роботы идут… работать вместе с нами. Если вы работаете на заводе или на складе, вам могут все чаще представляться возможности работать вместе с «механическими существами». По мере того, как инновации продолжают развиваться в робототехнике и производстве, а компании внедряют новые технологии, потенциальная опасность, которую представляют роботы, также возрастает. Если производители не учитывают риски безопасности и не устраняют их немедленно на этапе проектирования, роботы, которые они производят, скорее всего, не пройдут стандартные процедуры испытания, что приведет к задержкам развертывания целых системных комплексов и финансовым потерям.
Начало: от динозавров до ловких млекопитающих
Коллаборативные роботы (коботы) появились в середине 1990-х годов и с тех пор постоянно развиваются. Коботы созданы для совместной работы с людьми в общем рабочем пространстве, часто выполняя опасные, чувствительные или обыденные задачи, в то время как их коллеги-люди сосредоточены на работе с более высокой добавленной стоимостью. Компании, которые соединили функциональность роботов с человеческим потенциалом, достигли огромных финансовых и производственных выгод.
Предками коботов были крупные, мощные и часто опасные промышленные роботы. Они использовались для конкретных задач и содержались в закрытых помещениях (или даже в клетках) для защиты сотрудников. Эти роботы были созданы для конкретных, запрограммированных задач и не способны взаимодействовать с людьми, что означало, что они могут легко нанести травму или, что еще хуже убить, если человек окажется на пути слепых движений промышленного робота.
Коллаборативные роботы сегодня разрабатываются таким образом, чтобы они могли интегрироваться в общие рабочие пространства в непосредственной близости от людей. Коботы теперь работают вместе или даже напрямую с людьми, помогая с различными задачами. Примерами задач могут быть помощь в подъеме предметов, сборка деталей, проверка деталей или обращение с опасными материалами. Коботы могут быть легче, чем их предшественники, промышленные машины, а некоторые даже предназначены для перемещения между несколькими задачами.
Источники понимания рисков коботов
Тот факт, что эти роботы рекламируются как «совместные» (коллаборативные) и предназначены для работы в качестве «бесклеточных роботов» вместе с людьми, это вовсе не значит, что они безопасны. «Сотрудничающий» робот, держащий нож, по всей вероятности, больше не безопасен для работы вместе с человеком без дополнительных мер безопасности. При проектировании роботизированной ячейки для совместной работы инженеры должны учитывать предполагаемое применение кобота и среду, в которой он может быть размещен, а затем разрабатывать план по безопасности для каждого варианта использования.
ISO / TS 15066 и RIA TR 15.606 являются новейшими и наиболее важными стандартами безопасности, применимыми к коллаборативным роботизированным элементам в современной отрасли. Они подчеркивают требования безопасности для каждого из четырех типов коллаборативных роботизированных ячеек:
- Контролируемая остановка с высоким уровнем безопасности
- Ручное управление
- Контроль и разделения скоростей
- Ограничение мощности и момента
Дополнительные стандарты предоставляют дополнительную информацию о других опасностях, которые могут существовать в коллаборативных роботизированных клетках.
- UL 1740 (Роботы и робототехника)
- ANSI RIA R15.06 (промышленные роботы и роботизированные системы)
- CAN / CSA Z434 (промышленные роботы и роботизированные системы)
- EN/ISO 10218-1
- EN/ISO 10218-2
Оценки риска
В то время как ISO / TS 15066 (RIA TR 15.606) описывает четыре различных типа коллаборативной работы, основной формой данной работы, используемой сегодня в отрасли, является применение ограничений мощности и момента. Именно здесь потенциальное воздействие столкновения робота с человеком ограничено самим роботом — либо по своей природе, либо благодаря использованию контроллера с уровнем безопасности, который может ограничивать такие параметры, как скорость и сила.
Первым этапом оценки, как того требует ISO / TS 15066 & (RIA TR 15.606), является проведение оценки риска в соответствии с EN / ISO 12100. Эта оценка риска должна учитывать все рабочее пространство для совместной работы, доступ, зазоры и то, как оператор будет взаимодействовать с коботом. Каждая разумно предсказуемая ситуация контакта между оператором и роботом должна быть рассмотрена. Важно учитывать, если какие-либо стационарные структуры участвуют и другие аспекты, такие как наличие концевого выключателя и веса заготовки.
Оценка риска должна определять характер каждого типа контакта из следующих двух ситуаций:
- Мимолетный контакт. Контакт в свободном пространстве, где робот и человек могут отскочить.
- Квазистатический контакт. Часто называемый «зажим», там, где есть длительный контакт, который ограничивает движение объекта.
В зависимости от типа контакта, ISO / TS 15066 & (RIA TR 15.606) устанавливают удельные силы удара и пределы давления для каждой части человеческого тела. Эти значения являются болевыми порогами, которые были получены в результате тестирования, проведенного в Университете Майнца, на уровне болевых ощущений при приложении силы к различным частям человеческого тела.
После того, как каждая потенциальная контактная ситуация была классифицирована и установлены пределы, каждая из них должна быть проверена или оценена. Используемый метод зависит от конкретного типа воздействия.
Для квазистатических контактных ситуаций необходимо использовать надлежащее испытательное устройство, которое имитирует ключевые характеристики каждой части человеческого тела. Это включает в себя наличие надлежащей упругости пружины и демпфирующего материала, который имитирует твердость «тела» в конкретной области. Это также включает компонент отображения давления, такой как пленка. Некоторые из этих устройств в настоящее время доступны на рынке сегодня. Тестовое устройство правильно закреплено, и выполняется каждое потенциальное столкновение. Данные о каждом столкновении записываются и сравниваются с предельными значениями, опубликованными в ISO / TS 15066 & (RIA TR 15.606).
Временные контактные ситуации могут оцениваться двумя разными способами. В первом методе необходимо учитывать как массу робота, так и массу области тела. Это означает, что испытательное устройство должно быть прикреплено к устройству, которое позволяет ему свободно перемещаться, и должно быть такой же массы, что и эффективная масса (MH) испытываемой части тела. Эффективная масса определяется в таблице A.3 ISO / TS 15066 (RIA TR 15.606). Затем следует та же процедура испытаний, что и при квазистатических испытаниях.
Второй метод оценки использует математику, а не физическое тестирование. Для каждой области тела максимально допустимая передача энергии может быть рассчитана как функция максимальной силы или значений максимального давления, указанных в таблице A.2 ISO / TS 15066 (RIA TR 15.606). Расчет покажет максимальную скорость, с которой робот может двигаться в каждой конкретной ситуации.
Интерпретация результатов
После того, как тестирование будет завершено и будут разработаны руководящие принципы для порогов моментов и мощностей для конкретного кобота, разработчики должны перейти к приведению всех потенциальных столкновений в допустимые диапазоны. Есть много вариантов для столкновения, которое выходит за допустимые пределы. Во многих случаях простое замедление кобота может «изменить мир к лучшему». В других случаях использование концевого выключателя, который предлагая более мягкий материал и более подходящую геометрию, может привести к тому, что разработчик не сможет справиться с трудностями. В то время как все стремятся работать «без клетки», правда заключается в том, что не каждое приложение должно или может работать таким образом. В некоторых случаях могут потребоваться защитные приспособления или внешние защитные меры.
Подумайте о безопасности раньше, чтобы избежать негативных последствий в будущем
Тестирование и ратификация безопасности роботизированной ячейки для совместной работы — это необходимое и строгое мероприятие для обеспечения безопасности работника. Производители коботов с ограничением момента и мощности предлагают пользователям и интеграторам фантастические возможности, позволяющие им создавать и использовать безопасную совместную роботизированную ячейку. Тем не менее, они на самом деле не являются безопасными «по определению». Безопасность должна быть главным соображением в начале разработки проекта. Когда безопасность заложена в проект и подтверждена соответствующими испытаниями, мы можем гарантировать, что люди и коботы будут работать в гармонии в течение многих лет.
