Коллаборативные роботы (коботы): стандарты ISO

Стандарты безопасности для роботов: описание и применение

Как сделать работу человека рядом с роботом безопасной? Уже несколько десятилетий промышленные роботы заменяют людей, выполняя опасные, грязные и повторяющиеся операции. Громоздкие машины применяют, например, для укладки продукции на поддоны, покраски, сварки, загрузки станков. Автоматизация не только облегчает работу персонала, но и увеличивает доходы на предприятии.

Помимо прибыльности производства обязательным условием успешности предприятия является безопасность его сотрудников. Любая производственная травма отягощает компанию высокими дополнительными издержками и портит репутацию. Чтобы избежать производственного травматизма промышленные роботы, как правило, отделены от людей защитными ограждениями. Это необходимое требование, прописанное в стандартах безопасности для роботов.

Стандарты безопасности для промышленных роботов

Стандарты, касающиеся безопасности промышленной робототехники, а также критериев производительности и модульности, включая понятийный аппарат, разрабатывает технический комитет Международная организация по стандартизации (англ. International Organization for Standardization, ISO). Основные требования к безопасности промышленных роботов и роботизированных устройств изложены в стандарте ISO 10218, который состоит из двух частей:

• стандарт ISO 10218-1 Роботы (промышленное применение, контроллер, манипулятор);
• стандарт ISO 10218-2 Роботизированные системы и интеграция (роботы со ссылкой на ч.1 стандарта, инструменты, заготовки, периферия, безопасные ограждения).

В данных стандартах ISO содержатся рекомендации по уменьшению рисков, связанных с организацией совместного рабочего пространства и использованием промышленных роботов в изолированных от персонала зонах.

Стандарт безопасности для коботов

Но прогресс не стоит на месте. И несколько лет назад на рынке появились коллаборативные роботы, или коботы. Их не нужно держать в клетках, так как основная цель этих машин – безопасное функционирование вместе с людьми в совместном рабочем пространстве.

Однако не достаточно убрать защитные ограждения, чтобы робот стал коллаборативным. Кобот должен удовлетворять требованиям международных стандартов, основной из которых – ISO 15066, выпущенный в 2016 году.

Хотя более верным будет сказать, что это не стандарт, а техническая спецификация. Разница в том, что техспецификации разрабатывают до выпуска официальных стандартов (а по коботам такого пока что нет). Это говорит о том, что рынок коллаборативных роботов динамично развивается.

Работа над стандартом ISO 15066 началась с понимания, что если все же неизбежен контакт персонала и машины, он не должен приводить к болезненным ощущениям и тем более к травмированию человека.

Организация безопасной рабочей зоны вокруг коллаборативного робота зависит от формы совместной работы машины с человеком. Какими они бывают, подробно прописали в стандартах ISO.

Типы совместной работы робота и человека

В тексте ISO 10218 были рассмотрены четыре возможных варианта совместной работы роботизированной системы и персонала. А подробно они были описаны в ISO 15066.

Итак, выделяют следующие формы совместной работы робота и человека (от меньшего к большему взаимодействию):

• Контролируемая остановка;
• Проведение робота вручную;
• Контроль скорости и безопасного расстояния;
• Ограничение мощности и усилия.

Рассмотрим их по порядку.

Контролируемая остановка

Данный тип сотрудничества машины и человека подходит для работы, когда требуется минимальное участие человека. В основном роботизированная система сама справляется с выполнением задачи, но иногда персоналу все-таки нужно войти в рабочее пространство робота, чтобы помочь сделать какую-то промежуточную операцию, которую машина выполнить не в состоянии. Как только человек войдёт в контролируемую роботом зону, манипулятор мгновенно остановится. Остановка происходит без потери мощности двигателей, так как электропитание в них не пропадает. После того, как персонал покинет зону безопасности, машина возобновит работу автоматически. Таким образом не происходит потери времени, как в случае с отключением робота и его повторным запуском. Этот вид коллаборации имеет довольно существенные ограничения. Конечно, персонал может сотрудничать с роботом, но при этом единовременно может двигаться кто-то один – либо человек, либо машина.

Проведение робота вручную

Этот тип сотрудничества робота и человека предполагает полный контроль персонала над машиной, которая находится под ручным управлением. Человек и робот могут двигаться одновременно, однако в настройках манипулятора должна быть задана контролируемая скорость. Средства, обеспечивающие проведение робота вручную, должны иметь функцию аварийного останова. Ручное управление роботов в непосредственной близости от человека обычно применяется для выполнения точных операций с тяжелыми объектами (например, установки дверей автомобиля).

Контроль скорости и безопасного расстояния

Помните первый режим коллаборации, когда робот останавливался при появлении человека в его рабочей зоне? Эта форма сотрудничества машины и персонала очень похожа на него. Разница лишь в том, что задается не одна зона безопасности, а несколько. И по мере приближения сотрудника к роботу, он замедляет скорость своих действий, а при возможном столкновении с человеком и вовсе останавливается. Когда человек отходит от машины, робот возобновляет работу и ускоряется. Данный вид совместной работы робота и человека, как правило, применяется для выполнения операций, которые требуют частого присутствия сотрудников в рабочей зоне манипулятора.

Ограничение мощности и усилия

Прежде, чем разбирать последнюю форму коллаборации стоит сделать небольшое замечание. Все три предыдущих способа взаимодействия робота и человека подходят и для обычных промышленных роботов. Конечно, с определенным условием – нужны дополнительные приспособления для обеспечения безопасности персонала. Например, световые барьеры и силомоментные датчики. Другое дело – коллаборативные роботы. В отличие от своих промышленных собратьев им не нужны подобные внешние устройства, так как они уже встроены в функционал манипулятора. И при правильной настройке, согласно стандартам безопасности ISO, ограничивающей мощность и усилия, кобот не сможет причинить человеку никакого вреда.

За счет чего это происходит? В «суставах» коллаборативного робота встроены специальные силомоментные датчики, способные контролировать усилие и определять момент физического контакта с человеком или другими объектами. Если датчики обнаруживают превышение допустимых усилий, робот останавливается. Кроме того, конструкция коллаборативных роботов разработана с учетом всех мер безопасности. Небольшой размер, округлые формы, легкие податливые материалы и т.п. – все это нацелено на совместную работу кобота и человека без риска травмирования персонала.

У роботов Techman существует интерфейс ввода ограничений на отдельные части тела человека, которые могут подвергаться контакту с роботом. Данные ограничения указаны и в стандарте. После их указания робот автоматически устанавливает ограничения по силе и моменту.

Оценка рисков

Несмотря то, что коллаборативные роботы предназначены для работы с людьми в едином пространстве, буквально бок-о-бок, их нельзя назвать полностью безопасными. Возьмем, к примеру, робота, оперирующего ножом. Может ли он навредить человеку? При несоблюдении мер безопасности, однозначно да. Именно поэтому так важно на начальном этапе провести анализ и оценку рисков деятельности манипулятора. При этом важно учитывать, что кобот может быть перемещен и запрограммирован для другой задачи. Будет ли подтверждена его безопасность в новом применении?

Для оценки ситуации нужно следовать рекомендациям международным стандартам безопасности. Стандарт ISO 10218 устанавливает требования безопасности для промышленных роботов. Однако для коллаборативных манипуляторов данных рекомендаций недостаточно.

Техническая спецификация ISO 15066 дает детальное руководство по соблюдению техники безопасности, по проектированию и обустройству совместного рабочего пространства для роботов в и людей с целью устранения возможных рисков для человека.   В стандарте ISO 15066 указаны максимально допустимые пределы мощности и скорости кобота, минимальные расстояния между машиной и человеком во избежание прямого контакта.

О контактах персонала и робота в документе тоже подробно прописано. Их делят на два типа:

• Переходный контакт представляет собой короткое контактное событие в свободном пространстве, где робот и человек могут без труда отскочить друг от друга.
• Квазистатический контакт, он же зажим. Это длительный контакт, ограничивающий движение человека.

Последний тип контакта с роботом может быть очень опасным. При анализе возможных рисков важно учитывать данные исследований о болевых порогах в различных точках тела человека и не допускать травмирования персонала.

Комплексный подход требует, чтобы безопасным был не только сам робот-манипулятор, но и его рабочий инструмент, особенно, если это нож или сварочная горелка. Важно перечислить и учесть все возможное оборудование в рабочей области.

Обновление стандартов

Количество международных стандартов безопасности, относящихся к робототехнике, довольно велико. При этом они обновляются, разрабатываются новые. Вот и основной стандарт для роботов ISO 10218 должен быть пересмотрен в 2021 году. Ожидается, что разработчики внесут в стандарт более конкретные требования безопасности в отношении коллаборативных роботов, а также дополнительного оборудования, в том числе и захватам. Также будут подняты вопросы кибербезопасности.

Благодаря стандарту ISO 15066 защитные клетки, применяемые для ограждения промышленных роботов от персонала, стали не нужны. Поддержание безопасности людей достигается за счет выполнения требований документа. Безопасная коллаборация людей и роботов позволяет использовать их преимущества. В частности, высокую скорость и точность машин при выполнении монотонной работы, а также способность человека оперативно реагировать на нестандартные ситуации. Это повышает производительность предприятия и приносит дополнительные доходы бизнесу.