Bezpieczna współpraca robotów i ludzi

Nowa era robotów współpracujących zbliża ludzi do technologii w stopniu większym niż kiedykolwiek przedtem.
W 2008 r. były one zwykłą ciekawostką. W 2012 r w dużym stopniu były postrzegane jako przejściowa moda. Ale dokładnie rok później przemysł zaczął je zauważać i rozważać praktyczną implementację. Masa rywali i konkurentów włączyła się do walki o rynek w 2013r.
Obecnie roboty współpracujące są już obecne w przemyśle na stałe. Wiele osób powiedziałoby, że są one przyszłością branży.
“Aplikacje współpracujące są tą następną, nową granicą i naprawdę będą one napędzać biznes i aplikacje oraz powstaną prawdopodobnie aplikacje, których nawet jeszcze nie znamy” powiedziała Roberta Nelson Shea, globalna specjalistka d/s zgodności technicznej (global technical compliance officer) w firmie Universal Robots, z siedzibą główną w Odense, Dania.
Wyniki badania przeprowadzonego przez firmę ABI Research przewidują, że rynek robotów współpracujących bardzo szybko osiągnie wartość 1 mld USD do roku 2020, a liczba tych maszyn wykorzystywanych w produkcji przekroczy wtedy 40 000. Ponieważ populacja robotów wzrasta, dlatego należy zwrócić uwagę i zająć się kwestiami bezpieczeństwa w robotyce.
Jedna z najbardziej oczekiwanych specyfikacji technicznych w świecie robotów współpracujących została opublikowana w lutym 2016. Norma ISO/TS 15066:2016  “Roboty i urządzenia robotyczne – roboty współpracujące” podaje oparte o dane wytyczne dla projektantów, integratorów i użytkowników systemów robotów współpracujących z ludźmi w tych samych przestrzeniach roboczych, dotyczące oceny i zmniejszania zagrożeń.
Nelson Shea jest przewodniczącą 3 Grupy Roboczej Technicznego Komitetu ISO 299 (ISO/TC 299 WG3), która była odpowiedzialna za opracowanie tej nowej specyfikacji technicznej.
Nelson Shea pracuje nad normami dotyczącymi bezpieczeństwa pracy z robotami od pierwszego zebrania komitetu w 1982 r. i jako jego przewodnicząca nadal zajmuje bezstronne stanowisko w społeczności standardów i norm. Przez 23 lata była przewodniczącą komitetu d/s standardów bezpieczeństwa pracy z robotami ANSI/RIA 15.06, a obecnie jest przewodniczącą emerytowaną. Twierdzi ona, że początkowa idea robotów współpracujących napotkała na silny sceptycyzm. “Założeniem bezpieczeństwa pracy było utrzymywanie ludzi z dala od robotów. Ale wtedy dyskusja zmieniła się w kierunku stwierdzenia: „jeśli robot swoim narzędziem lub swoją częścią dotyka człowieka i nie dochodzi przy tym do żadnego zranienia, to czemu nie pozwolić na kontakt?”
Uwzględnienie czynnika ludzkiego
“Tradycyjnie projekty systemów zautomatyzowanych nie uwzględniały czynnika ludzkiego. Ale gdy roboty stają się mobilne i posiadają większą możliwość interakcji z ludźmi, to taki paradygmat projektowania nie jest drogą przyszłości” powiedział Roland Menassa, szef Globalnego Ośrodka Badawczego Automatyki firmy General Electric, mieszczącego się w miasteczku Van Buren Township (Michigan, USA). “Obecnie mogę umieścić robota o zupełnie przyzwoitych możliwościach na hali fabrycznej obok ludzi i mogą oni wszyscy pracować obok siebie” mówi Menassa.
Menassa pracował przedtem przez 24 lata w firmie General Motors. Obecnie w GE zajmuje stanowisko dyrektora odpowiedzialnego za globalną strategię automatyki. Globalny Ośrodek Badawczy Automatyki firmy GE koncentruje swoja działalność na czterech głównych obszarach: robotyka, sterowanie, transport wewnętrzny materiałów i integracja systemów pracy, która śledzi przepływ danych na hali fabrycznej. Firma GE przyjęła Przemysłowy Internet Rzeczy (Industrial Internet of Things, IIoT) i automatykę jako kluczowe składniki produkcji. Staje się też liderem w obszarze optymalizacji fabryk, co nazywa “Brylantową produkcją” (Brilliant Manufacturing), mającej na celu optymalizację przepływu materiałów, ludzi i procesów w organizacji i w jej globalnym łańcuchu dostaw.
“Gdy przyszedłem do GE roboty współpracujące zaczynały wchodzić na rynek, tak więc odwiedziłem różne fabryki firmy, aby dokonać oceny sytuacji” powiedział Menassa.”Jesteśmy jednym z dwóch producentów na małą skalę bardzo dużych urządzeń przemysłowych, takich jak turbiny gazowe, ważące tysiące kilogramów oraz na średnią i większą skalę produktów spotykanych w życiu codziennym, takich jak oprawy oświetleniowe czy wyłączniki instalacyjne, dla których posiadamy tysiące jednostek magazynowych (stock keeping unit, SKU) na linii”.
“Nadal prowadzimy procesy spawania i posiadamy roboty obsługujące ciężki sprzęt oraz realizujące bardzo trudne, wyrafinowane procesy”, dodał Menassa, “ale gdy patrzymy na to, gdzie zaszły roboty w ciągu ostatnich 55 lat, to nadal widzimy dużo ludzi na linii montażowej. I jest tak dlatego głównie z powodu wyzwań ze strony materiałów, które muszą spełniać wymagania norm i przepisów. Gdy wytwarzamy nasze wyłączniki instalacyjne czy oprawy oświetleniowe, to używamy do tego przewodów i materiałów elastycznych, które są bardzo trudne do obsługi. Powstaje wyzwanie – jak włączyć automatykę do realizowanego wciąż ręcznie procesu produkcji, aby obsługiwać części zgodne z normami i przepisami?”
Firma GE wykorzystuje na linii montażowej fabryki GE Lighting w Hendersonville (Północna Karolina, USA) Sawyer’a – robota współpracującego z pojedynczym ramieniem, firmy Rethink Robotics. Ten robot współpracujący umieszcza komponenty wewnątrz ulicznych opraw oświetleniowych LED, a następnie pracownicy dokańczają montaż.
“Fabryka ta nigdy przedtem przez wiele lat nie miała robota”, powiedział Menassa. “Tak więc przed sprowadzeniem robota do zakładu nie wiedzieliśmy, jak zareagują na to ludzie. W fabryce mieliśmy warsztat i poszukiwaliśmy różnych zastosowań dla robota, patrzyliśmy gdzie jest sens go wykorzystać. Następnie przeprowadziliśmy kilka akcji informacyjnych w samej fabryce, gdzie mieliśmy ostatecznie umieścić robota. Przygotowaliśmy ludzi, aby mieli wiedzę i pojęcie o tym, co potrafi robot, jak można go bezpiecznie dotknąć i jak można z nim współpracować”.
Roboty o ograniczonej mocy i sile są specjalnie projektowane, aby miały bezpieczny kontakt z ludźmi w taki sposób, aby ta maszyna lub system sterowania posiadały nieodłączne cechy związane z bezpieczeństwem pracy. Te typy robotów są zwykle produkowane z lekkich materiałów, posiadają czujniki siły i momentu obrotowego w przegubach oraz mogą mieć powierzchnię pokrytą miękkim materiałem.
Cztery metody działania robotów współpracujących
Według zharmonizowanych norm ANSI/RIA 15.06 i ISO 10218, dotyczących bezpieczeństwa pracy z robotami oraz nowej normy TS 15066, istnieją cztery metody lub typy działania robota współpracującego:

  • Zabezpieczające zatrzymanie monitorowane (safety-rated monitored stop)
  • Prowadzenie za rękę (hand guiding)
  • Monitorowanie prędkości i separacji (speed and separation monitoring)
  • Ograniczanie mocy i siły (power and force limiting)

Metody te mają tendencję do bycia najbardziej niezrozumianymi aspektamiwspółpracy ludzi z robotami. Aby uniknąć pomieszania pojęć Nelson Shea sugeruje producentom, aby traktowali każdą z tych czterech metod raczej jak scenariusz lub element większego scenariusz współpracy robotów z ludźmi, a nie odrębny tryb.
W każdym przypadku istnieje przestrzeń robocza współdzielona przez robota i człowieka – operatora. W metodzie zabezpieczającego zatrzymania monitorowanego założono, że robot w ogóle nie zmienia swojego położenia w przestrzeni współdzielonej z człowiekiem. W metodzie prowadzenia za rękę powszechnym nieporozumieniem jest myślenie, że metoda ta jest używana do uczenia maszyny. Nelson Shea mówi, że nie o to chodzi.
“Gdy poruszamy ramieniem robota dookoła, aby nauczyć go wykonywania pewnych zadań, to w sensie współpracy nie jest to prowadzenie za rękę. Gdy to robimy, to nie jest praca robota w trybie automatycznym”, powiedziała Nelson Shea.
Metoda prowadzenia za ręką, użyta do opisania działania robota współpracującego, wskazuje stan, w którym robot i człowiek zajmują współdzieloną przestrzeń, a robot porusza się tylko wtedy, gdy jest pod bezpośrednią kontrolą człowieka.
“Przy monitorowaniu prędkości i separacji, zarówno robot jak i człowiek mogą poruszać się w tej samej przestrzeni”, wyjaśniła Nelson Shea, “jednak jeżeli dystans pomiędzy robotem, a człowiekiem staje się zbyt mały, to robot zatrzymuje się, skutecznie zachowując się tak, jak w pierwszym scenariuszu (zabezpieczającego zatrzymania monitorowanego). W metodzie ograniczania mocy i siły może istnieć kontakt pomiędzy człowiekiem a robotem, ale moc i siła robota są ograniczone, zaś powierzchnia elementów maszyny jest pokryta miękkim materiałem lub zabezpieczona w inny sposób, tak że w przypadku jakiegokolwiek uderzenia człowieka nie wystąpi żaden ból, ani zranienie.”
Nelson Shea przyznaje, że są także możliwe dowolne kombinacje tych czterech metod współpracy robota z człowiekiem w systemie z jednym robotem, lub nawet wszystkich czterech. Nowa norma TS 15066 zawiera wzory do obliczania ochronnej odległości separacji człowieka i robota dla metody monitorowania prędkości i separacji. Ale być może najbardziej interesującą częścią tej specyfikacji technicznej jest dodatek, który zawiera wytyczne na temat ustanowienia ograniczeń progu bólu dla różnych części ciała, w szczególności dla aplikacji z ograniczeniem mocy i siły. Następnie te dane mogą być ekstrapolowane, w celu wyznaczenia ograniczeń prędkości dla aplikacji współpracy człowieka z robotem.
“Chociaż istnieje informacja o wszystkich czterech trybach współpracy, najbardziej interesująca kwestia dotyczy robotów z ograniczoną mocą i siłą” stwierdza Jean-Philippe Jobin, dyrektor d/s technicznych w firmie Robotiq z Lévis (Quebec, Kanada), która produkuje adaptacyjne chwytaki dla robotów współpracujących. “Obecnie na rynku jest więcej typów tych robotów, ale nie istniały żadne jasne wytyczne, z wyjątkiem normy ISO 10218, które pomagałyby ludziom bezpiecznie instalować je w swoich fabrykach”.
Jean-Philippe Jobin założył firmę Robotiq w 2008 r. wraz z Samuel Bouchard’em jako prezesem i Vincent Duchaine’m, jako przedsiębiorstwo wydzielone z jednostki macierzystej (spin-off) – Uniwersytetu Laval (Quebec, Kanada). Jobin jest także ekspertem technicznym w komitecie ISO, wraz z Nelson Shea.
<—newpage—>Należy rozpocząć od oceny ryzyka
Zarówno Nelson Shea, jak i Jean-Philippe Jobin, podkreślają, że kwestią zasadniczą integracji robotów współpracujących jest ocena ryzyka.
“Ocena ryzyka jest najważniejszym aspektem” powiedział Jobin. “Jeżeli nasza aplikacja wymaga nieco większej siły lub mocy niż wymieniona w dokumentacji, to nie oznacza to, że nie jest bezpieczna. Dane w tej specyfikacji technicznej odnoszą się do bólu, podczas gdy wymaganiem normy ISO 10218 jest, aby nie wystąpiło żadne zranienie”.
“Istnieje różnica pomiędzy bólem, a zranieniem”, dodał Jobin. “Użytkownik może wykonać testy, aby przekonać się, że nawet jeśli parametry robota są nieco wyższe niż określone w normie ISO/TS 15066, to robot ten jest nadal bezpieczny, ponieważ można udowodnić, że robot nie może sprawić bólu lub zranić ludzi w tych specyficznych okolicznościach”.
Jobin zwraca uwagę, iż jest bardzo ważne, aby zauważyć że przy ocenie ryzyka główną sprawą jest aplikacja, a nie sam robot.
“Jeśli patrzymy w dokument, to rzadko jest tam wymieniana nazwa ‘robot’“, powiedział Jobin. “Jest natomiast wymieniana nazwa ‘gniazdo produkcyjne’ lub aplikacja współpracująca. Pojawiają się tam również pojęcia takie jak kable i przewody, zaciski, uchwyty, robot i chwytak, wszystko co jest w tym gnieździe”.
Jobin przyznaje, że rozpowszechnionym błędnym przekonaniem jest to, że jeśli robot jest “wewnętrznie bezpieczny”, to jego praca jest bezpieczna. Na przykład, jeśli nasz robot manipuluje ostrymi obiektami, to nie jest bezpieczny dla człowieka znajdującego się obok, bez zastosowania dodatkowych środków ochronnych. Innym przypadkiem jest sytuacja, gdy robot obsługuje ciężki obiekt, który w przypadku upuszczenia, lub wyrwania się z dużą prędkością jak pocisk, może spowodować zranienie człowieka.
Bezpieczeństwo było głównym czynnikiem w procesie adaptacji robota w fabryce GE Lighting i przy wpajaniu pracownikom zaufania do nowego paradygmatu robotyki współpracującej.
“W firmie GE bezpieczeństwo jest naszym priorytetem”, powiedział Menassa. “Przy dowolnej aplikacji nie chodzi o to, czy robot jest bezpieczny, chodzi o to ‘czy zadanie realizowane jest bezpiecznie?’ W taki sposób wykonujemy analizę zadania na podstawie oceny ryzyka. Stosujemy się do wszystkich reguł i wszystkich norm RIA (Robotics Industries Association – Stowarzyszenie Robotyki Przemysłowej). Sprowadzamy ludzi z RIA, aby nas szkolili. Upewniamy się, że rozumiemy to, co właśnie wykonuje robot, jakie znaczenie ma kształt chwytaka końcowego, czy jest w pobliżu coś ostrego lub coś, co może kogoś zranić?”.
“Jeśli czujemy, że jest potrzeba dodatkowej ochrony, poza możliwością ograniczenia siły czy momentu obrotowego robota, to umieszczamy odpowiednie urządzenie zabezpieczające, takie jak ekran czy skaner laserowy i tak możemy ograniczyć ryzyko” dodał Menassa.
Zarejestrowany w ANSI (American National Standards Institute – instytut ustalający normy techniczne obowiązujące w USA) raport techniczny RIA TR R15.306-2016 “Metodologia Oceny Ryzyka w Oparciu o Zadanie” (Task-based Risk Assessment Methodology) opisuje jedną z metod oceny ryzyka, która jest zgodna z wymaganiami normy 2012 R15.06 i została zaktualizowana w 2016 r.
 “RIA publikuje metodę, za pomocą której wykonujemy ocenę ryzyka. Przechodzimy przez kolejne etapy procesu i wykorzystujemy ich metodologię do oceny, czy istnieje jakiekolwiek ryzyko i jak ono jest poważne”, powiedział Menassa.”Staramy się wykorzystać wszystkie projekty inżynierskie, jakie mamy do dyspozycji, aby zminimalizować to ryzyko”.
Oczy robota
Poza swoim kinematycznie redundantnym 7-osiowym ramieniem, które umożliwia maszynie pracę w ciasnych przestrzeniach na hali fabrycznej GE, jedną z bardziej unikalnych cech robota Sawyer są jego animowane oczy na ekranie LCD. Oczy te w rzeczywistości niczego nie “widzą”. są one wbudowanymi czujnikami wizji w głowie i ramieniu. Służą one głownie dla celów interakcji ludzkiej.
“Ludzie dziwią się ‘Po co robotowi oczy?’ ” powiedział Menessa. “Dla nas jest to bardzo ważne. Dla ludzi, aby czuli się bezpiecznie w otoczeniu tych robotów, potrzebują możliwości wyczuwania, co robot zamierza teraz zrobić. Oczy na tym ekranie są bardzo istotne, ponieważ np. patrzą wlewo, zanim robot dokona ruchu (sięgnie ramieniem) w lewo”.
Po tym jak firma GW przedstawiła swoich pracowników robotowi, nadszedł czas na przedstawienie Sawyera hali produkcyjnej. “Wybraliśmy niektóre aplikacje, o których myśleliśmy, że są łatwe do wykonania i modelowo wdrożyliśmy je wewnątrz fabryki, ale z boku, gdzie ludzie mogli zacząć się czuć komfortowo w obecności robota”, powiedział Menassa.
“Zlecenie robotowi wykonania zadania jest bardzo proste. Wyzwaniem w aplikacjach robotyki jest zawsze kwestia prowadzenia i prezentacji materiału”, dodał. “Skąd przychodzi materiał, jak przychodzi, jak zamierzamy go przechwycić i jak zamierzamy go trzymać? Jak pojemniki mają wykonać ponowny cykl? Jaka jest najlepsza orientacja dla Sawyer’a, aby podnieść coś i upuścić, tak że nie przechodzimy przez cyrkulacje w przestrzeni 3D? Jest to marnowanie czasu cyklu. Jeśli uporamy się z tymi problemami, to robot po prostu będzie mógł wykonać zadanie”.
Wartość dodana od początku
W grudniu 2015 robot Sawyer dołączył do swoich żywych współpracowników na głównej linii montażowej fabryki GE.
“W każdym zadaniu dla człowieka, czy to będzie cykl 60-sekundowy czy 2-minutowy, zobaczycie od 50% do 70% tego, co nazywamy “wartością nie dodaną”, NVA (non-value-added –  w Lean Manufacturing są to działania, które nie są konieczne do wytworzenia produktu – przyp. tłum.), powiedział Menassa. “Ma to miejsce wtedy, gdy odchodzimy od miejsca pracy, aby wziąć narzędzie czy część do zmontowania, spojrzeć w dokument lub gdy chodzimy dookoła gniazda produkcyjnego. Gdy na koniec dodamy tę część do montowanego właśnie zespołu, to będzie to jedyny czas na wytworzenie wartości dodanej (value added), jaki poświęciliśmy. Reszta to “wartość nie dodana”. W rzeczywistości to swego rodzaju marnotrawstwo.
“Robot Sawyer chwytał części i umieszczał je w montowanym zespole. Ale to człowiek upewniał się, że jest to dopasowane prawidłowo i dokręcał ostatnie śrubki, wykorzystując to, w czym ludzie są dobrzy – sprawność, percepcję i logikę. Dla nas bardzo ważne jest podnoszenie roli człowieka na linii montażowej w celu skoncentrowania się na jakości produktu – skoncentrowania się na wartości dodanej.
“Był to ogromny sukces” dodał. “Mamy biznes, który wymaga zwiększania swojej produkcji w odpowiedzi na popyt. Pytanie brzmi: jak osiągniemy tę większą wydajność produkcji bez dodania większej liczby ludzi do linii produkcyjnej? Czasami jest bardzo trudno dodać ludzi, ze względu na ograniczoną przestrzeń. Dodając roboty jesteśmy w stanie osiągnąć większą wydajność, przy tej samej liczbie ludzi, przy najniższych możliwych kosztach, z wykorzystaniem technologii, która jest niskonakładowa i elastyczna. To właśnie robotyka współpracująca”.
Menassa przyznaje, że obecnie firma GE wraz z dostawcami – partnerami, opracowuje mobilne roboty współpracujące. “Połączenie zdolności do współpracy z mobilnością da nam ostateczną wizję posiadania mobilnego robota, który może nawigować po fabryce i wykonywać wiele zadań, przy wykorzystaniu każdej minuty pracy tego robota, szczególnie przy produkcji na małą skalę. Obecnie posiadamy roboty, które mogą doglądać maszyny do obróbki CNC i produkcji addytywnej” powiedział. “Współpraca robotów z maszynami pozwoli firmie GE na zachowanie wysokiego poziomu elastyczności oraz synchronizacji działań służących zwiększaniu skali produkcji z mobilną automatyką współpracującą”.
Autorka: Tanya M. Anandan jest redaktorem współpracującym Stowarzyszenia Robotyki Przemysłowej (RIA) oraz firmy Robotics Online. RIA jest stowarzyszeniem handlowym typu non-profit, którego celem jest poprawa regionalnej, krajowej i globalnej konkurencyjności sektorów produkcji i usług w Ameryce Północnej, poprzez robotykę i związaną z nią automatykę.