Что такое коллаборативный робот и его безопасная интеграция?
Промышленные роботы
Промышленные роботы уже давно используются на предприятиях, где значительно облегчают труд человека и повышают эффективность производства. Однако, использование промышленных роботов не позволяет им работать совместно с человеком в одном общем рабочем пространстве.
Безопасность промышленного робота
По требованиям безопасности, рабочая зона промышленного робота должна быть отделена от рабочей пространства человека таким образом, чтобы человек не попал в рабочую зону промышленного робота. Т.е. для промышленного робота делается огороженное место его работы, по-сути клетка. Причём, если человек попадает в рабочую зону промышленного робота, то система безопасности должна остановить этого робота.
Фото из Интернета. Типичное ограждение рабочей зоны промышленных роботов.
Фото из Интернета. Типичное ограждение рабочей зоны промышленных роботов.
Настройка и интеграция промышленных роботов
Настройка и интеграция промышленных роботов в производство является сложной задачей и требует значительных затрат на проектирование производственных линий или роботизированных ячеек, что в свою очередь создаёт большой порог входа для использования робототехники особенно для малых и средних предприятий. Наладка, программирование и обслуживание промышленного робота тоже не являются простыми вопросами и не отличаются гибкостью в перенастройке решений на основе роботов.
Новый класс промышленных роботов — коллаборативные роботы
Наличие вопросов применения промышленных роботов привело к появлению нового класса промышленных роботов — коллаборативных роботов или сокращённо коботов. Коботы являются также промышленными роботами, однако, встроенная в них функциональность позволяет решить те вопросы, которые присущи стандартным промышленным роботам, и в результате значительно снизить порог входа для использования роботов в производстве.
Что такое коллаборативный робот?
Понятие коллаборативного робота определяется технической спецификацией ISO/TS 15066:2016, на основе которой выпущен гармонизированный стандарт ГОСТ Р 60.1.2.3–2021 и американский ANSI/RIA TR R15.606:2016.
Коллаборативный робот или сокращённо кобот — это промышленный робот со встроенной функциональностью, которая обеспечивает возможность режима совместной работы в совместном рабочем пространстве одновременно с человеком в рамках одной производственной операции.
Коллаборативные роботы различных производителей.
Промышленные роботы Промышленные роботы уже давно используются на предприятиях, где значительно облегчают труд человека и повышают эффективность производства.-2–2
Промышленные роботы Промышленные роботы уже давно используются на предприятиях, где значительно облегчают труд человека и повышают эффективность производства.-2–3
Коллаборативные роботы различных производителей.
Важно!
Коллаборативный робот остаётся промышленным роботом, но с возможностью совместной работы с человеком. Это значит, что кобот может работать не только в коллаборативном (совместном) режиме, но и в иных режимах работы, которые не предусматривают коллаборативность.
Пример совместного рабочего пространства из ГОСТ Р 60.1.2.3–2021 1 — область действия робота; 2 — совместное рабочее пространство
Пример совместного рабочего пространства из ГОСТ Р 60.1.2.3–2021 1 — область действия робота; 2 — совместное рабочее пространство
Дополнительную функциональность и конструкцию коботов определят техническая спецификация ISO/TS 15066:2016 и стандарт ГОСТ Р 60.1.2.3–2021, а именно:
Дизайн коботов: обычно это «трубчатая» конструкция или обтекаемые формы соединительных звеньев и шарниров, отсутствие острых углов, ребристых поверхностей, скруглённые углы.
Контроль и управление моментом на уровне программного ядра кобота в двигателях всех шарниров в зависимости от полезной нагрузки, скорости и ускорения, чтобы предотвратить возможные последствия от столкновения с человеком и перегрузку кобота.
Могут быть оснащены встроенным или внешним силомоментным датчиком на инструментальном фланце кобота, чтобы обеспечить безопасность при столкновениях захвата робота и операции с контролем усилия.
Встроенные в каждый шарнир тормозные системы для обеспечения удержания кобота при рабочей нагрузке в выключенном состояния, быстрого аварийного торможения. Но при этом тормозная система настроена таким образом, чтобы человек, при необходимости, мог изменить положение рабочих органов кобота при выключенном питании.
Простое программирование и наладка кобота за счёт специального комфортного и максимально удобного интерфейсного программного обеспечения.
Внешний вид интерфейса кобота RC10 компании РобоПро.
Внешний вид интерфейса кобота RC10 компании РобоПро.
Вопросы безопасности, относящиеся к коботу в рамках ГОСТ Р 60.1.2.3–2021.
Важный момент, с которого должна начинаться любая интеграция кобота в робототехнический комплекс (РТК):
Интегратор должен провести оценку рисков для совместной работы, как описано в ИСО 10218–2:2011, подраздел 4.3. Следует принимать во внимание потенциально намеренные или обоснованно прогнозируемые ненамеренные ситуации возникновения контакта между оператором и робототехническим комплексом, а также те ситуации, которые могут возникнуть при штатном взаимодействии оператора с оборудованием внутри совместного рабочего пространства.
Пользователь должен участвовать в оценке рисков и разработке рабочего пространства. Интегратор отвечает за обеспечение участия оператора в этой работе и за выбор соответствующих компонентов робототехнического комплекса, руководствуясь требованиями, предъявляемыми к прикладной системе.
Перечень факторов при интеграции кобота в робототехнический комплекс для обеспечения требуемой безопасности РТК.
Установленные границы совместного рабочего пространства.
Совместное рабочее пространство, доступ в него и промежуток безопасности.
Определение ограниченного пространства и рабочих пространств для совместной работы.
Факторы, влияющие на форму, положение и размер совместного рабочего пространства.
Необходимость в промежутках безопасности вокруг препятствий.
Доступность для операторов.
Предполагаемый контакт между частями робототехнического комплекса и оператором.
Пути доступа, маршруты, перемещение материалов.
Опасности, связанные со скольжениями, спотыканиями и падениями, расположением кабельных лотков и цехового транспорта.
Эргономика и взаимодействие человека с оборудованием.
Четкость назначения элементов управления.
Возможное напряжение, усталость оператора или недостаток концентрации.
Ошибки или неправильное использование оборудования оператором.
Рефлекторное поведение оператора по отношению к работе робототехнического комплекса.
Требуемый уровень подготовки и навыков оператора.
Допустимые биомеханические ограничения при эксплуатации и неправильном использовании.
Потенциальные последствия контактов с оборудованием.
Описание выполняемой работы и идентификация лиц, имеющих доступ к совместному рабочему пространству.
Разрешение доступа только операторам, имеющим допуск.
Начало и окончание совместной работы, переход от режима совместной работы к другим режимам работы.
Определение разумно предсказуемых комбинаций задач и опасностей.
Частота и продолжительность присутствия оператора в совместном рабочем пространстве с движущимся робототехническим комплексом (например, совместная сборка).
Частота и продолжительность контакта между оператором и робототехническим комплексом, учитывая мощность его приводов или использующиеся в прикладном процессе источники энергетической активности (например, физическое взаимодействие с инструментом или заготовкой в процессе ручного управления).
Переходы между режимами совместного и несовместного выполнения технологических операций.
Автоматический или ручной запуск движения робототехнического комплекса после завершения совместной работы.
Задачи, возникающие при организации одновременной работы нескольких операторов.
Любые дополнительные работы, выполняемые в совместном рабочем пространстве.
Основополагающие принципы идентификации опасностей и оценки рисков, связанные с робототехническими комплексами с коботами.
Устранение опасностей с использованием конструкции со встроенной безопасностью или снижение их влияния путем замещения.
Защитные меры, которые не позволяют персоналу получить доступ к опасным ситуациям, контроль опасностей путем приведения их в безопасное состояние (например, остановка работы, ограничение силы, ограничение скорости) до того, как оператор сможет получить доступ или подвергнуться опасностям.
Предоставление дополнительных защитных мер, таких как информация для использования, обучение, знаки, средства индивидуальной защиты и т.д.
Важно:
— для робототехнических комплексов со стандартными промышленными роботами снижение риска достигается за счет решений, которые полностью гарантируют отделение оператора от робототехнического комплекса. При использовании коботов снижение рисков, главным образом, осуществляется за счёт конструкции РТК, применения робототехнического комплекса и совместного рабочего пространства.
Основные 4 режима совместной работы, которые реализуются в коботах и РТК по ГОСТ Р 60.1.2.3–2021
Контролируемая остановка с расчетной безопасностью
В этом режиме работы обеспечивается прекращение движения, но при этом остаётся в режиме готовности (т.е. двигатели находятся под напряжением с рабочими токами, тормозная система не задействована), прекращение движение должно быть выполнено до того момента, когда оператор войдёт в совместное рабочее пространство для взаимодействия с коботом. Автоматическое движение кобота может продолжаться без каких-либо дополнительных вмешательств только после выхода оператора из совместного рабочего пространства. Если оператор отсутствует в совместном рабочем пространстве, кобот может продолжать автоматические действия с отключенным коллаборативным режимом.
Ручное управление
При этом режиме работы оператор использует либо ручное устройство (пульт оператора) для передачи команд движения коботу с постоянным контролем (например, удержанием нажатой кнопки движения на пульте), или передвигает рабочие органы кобота за деталь, захват или инструментальный фланец также с постоянным нажатием кнопки, активирующей этот режим. Перед тем, как оператор войдёт в совместное рабочее пространство, чтобы начать ручное управление, кобот должен находиться в состояние контролируемой остановки с расчетной безопасностью.
Режим ручного управления (FreeDrive в терминологии UR) Иллюстрация с сайта компании Universal Robots
Режим ручного управления (FreeDrive в терминологии UR) Иллюстрация с сайта компании Universal Robots
Важно!
— после окончания работы в режиме ручного управления кобот должен вернуться к режиму контролируемой остановки с расчетной безопасностью.
Ограничение скорости и соблюдение защитного расстояния разделения
В этом режиме работы робототехнический комплекс (РТК) и оператор могут перемещаться одновременно в совместном рабочем пространстве. Снижение рисков достигается за счет постоянного поддержания защитного расстояния разделения между оператором и РТК. Во время движения робототехнический комплекс никогда не приближается к оператору ближе, чем на расстояние защитного разделения. Когда расстояние разделения становится меньше безопасного расстояния, робототехнический комплекс останавливается, и кобот должен перейти в режим контролируемой остановки с расчетной безопасностью. Когда оператор удаляется от робототехнического комплекса, он может автоматически возобновить движение в соответствии с требованиями настоящего раздела, поддерживая минимальное защитное расстояние разделения, при котором обеспечивается безопасность. При уменьшении скорости движения кобота, соответственно уменьшается и расстояние защитного разделения.
У кобота должны быть предусмотрены функция контролируемой скорости с расчетной безопасностью (см. ИСО 10218–1:2011, пункт 5.6.4) и функция контролируемой остановки с расчетной безопасностью. Если безопасность оператора зависит от ограничения диапазона перемещений кобота, то в коботе должно быть предусмотрено программное ограничение степеней подвижности и пространства с расчетной безопасностью (см. ИСО 10218–1:2011, пункт 5.12.3).
Ограничение скорости и соблюдение защитного расстояния разделения
Ограничение скорости и соблюдение защитного расстояния разделения
Контроль скорости и разделения должен применяться ко всем лицам в совместном рабочем пространстве. Если данная защитная функциональность имеет ограничение на число одновременно находящихся в совместном рабочем пространстве лиц, то в информации по использованию должно быть указано максимально допустимое число лиц. Если это максимальное значение превышено, должна произойти защитная остановка.
Ограничение мощности и силы.
В этом режиме совместной работы возможен как намеренный, так и непреднамеренный физический контакт между робототехническим комплексом (включая захват, деталь в захвате) и оператором. Для совместной работы с ограничением мощности и силы необходимо использовать робототехнические комплексы, специально предназначенные для этого типа работы. Снижение рисков достигается либо использованием в конструкции робота средств со встроенной безопасностью, либо системой управления безопасностью за счет поддержания значений опасностей, связанных с робототехническим комплексом, ниже значений пороговых ограничений, определенных при оценке рисков.
Это один из самых сложных режимов совместной работы для кобота, и может быть использован только с коботами, так как они имеют соответствующие встроенные аппаратные и программные функции и конструкцию.
Ситуации, связанные с возникновением контакта:
Предусмотренные контактные ситуации, которые являются частью рабочего цикла прикладной системы.
Случайные контактные ситуации, которые могут быть следствием несоблюдения рабочих процедур, кроме случаев, связанных с техническими сбоями.
Отказы, которые приводят к ситуациям контакта.
Возможные соприкосновения между движущимися частями робототехнического комплекса или кобота и областями на теле человека классифицируются следующим образом:
квазистатический контакт: ситуации зажимания или придавливания, при которых участок тела человека застревает между движущейся частью РТК/кобота и другой неподвижной или движущейся частью рабочей ячейки. В такой ситуации РТК/кобот будет применять давление или силу к захваченной части тела в течение некоторого времени до тех пор, пока условие не будет смягчено.
кратковременный контакт (также называемый «динамическим воздействием»): ситуация, в которой на части тела человека воздействует подвижная часть РТК/кобота, и части тела могут оттолкнуться или отступить от кобота без их зажимания или застревания в месте контакта, тем самым обеспечивая короткое время фактического контакта. Степень воздействия кратковременного контакта на тело человека зависит от сочетания инерции кобота, инерции части тела человека и их относительной скорости.
Основные меры по снижению рисков для предотвращения квазистатического и кратковременного контактов являются либо пассивными, либо активными по своей природе. Меры пассивной безопасности реализуются механической конструкцией кобота и РТК, а активные меры реализуются возможностями системы управления коботом и РТК.
Методы проектирования пассивной безопасности включают (но не ограничиваются):
Пассивная безопасность кобота RC10 — закруглённые края и углы, гладкие поверхности…
Пассивная безопасность кобота RC10 — закруглённые края и углы, гладкие поверхности…
Поглощение энергии, увеличение времени передачи энергии или уменьшение ударных сил:
— прокладка, амортизация;
— деформируемые компоненты;
— податливость соединений или связей;
— ограничение движущихся масс.
Способы разработки активной безопасности включают (но не ограничиваются):
Ограничение силы или крутящих моментов;
Ограничение скоростей движущихся частей;
Ограничение импульса, механической мощности или энергии в зависимости от масс и скоростей;
Использование функции программного ограничения степеней подвижности и пространства с расчетной безопасностью;
Использование функции контролируемой остановки с расчетной безопасностью;
Использование датчиков для предупреждения или обнаружения контакта (например, обнаружение близости или контакта для уменьшения квазистатических сил).
Пределы ограничения мощности и силы
РТК с коботом должен быть спроектирован так, чтобы уменьшить риски для оператора, не превышая пороговых предельных значений для квазистатических и кратковременных контактов. Коботы должны иметь возможность настройки предельных пороговых значений.
Снижение рисков, связанных с кратковременным контактом, обычно заключается в ограничении скорости движущихся частей и конструктивных характеристик кобота, связанных с увеличением площади контактной поверхности и поглощением энергии.
Снижение рисков, связанных с квазистатическим контактом, заключается не только в ограничении скорости движущихся частей и конструктивных характеристиках кобота, как в случае с кратковременным контактом, но и в функциональности и дополнительных конструктивных характеристиках, которые ограничивают предельные значения усилия при возможном застревании или зажимании оператора или участков его тела.
Предельные значения для случаев контакта с незащищенными участками тела человека необходимо оценивать для самых строгих ограничений. Эти «наихудшие» пороговые предельные значения для случаев кратковременных и квазистатических контактов следует использовать при определении необходимого уровня снижения рисков.
Робот также должен иметь такую стояночную тормозную систему (включается при отключении питания), чтобы оператор мог самостоятельно освободить зажатый участок тела.
Важно!
Эргономические пределы могут отличаться от биомеханических пределов. Для частых контактов или других особых случаев применимые пороговые предельные значения могут быть дополнительно уменьшены до эргономически приемлемого уровня.
Ограничение скорости.
Чтобы снизить риск, связанный с кратковременными контактами, у РТК на основе кобота должны быть ограничены скорости перемещения его подвижных частей. Пределы скорости зависят от инерции (массы) и минимального размера области кобота, которая может соприкасаться с неприкрытым
участком тела.
Вопросы пределов для квазистатического и кратковременного контакта, модели тела, биомеханических пределов, связь между биомеханическими пределами и передачей энергии при кратковременном контакте, связь между переданной энергией и скоростью робота во время кратковременного контакта, ограничения модели тела будут рассмотрены в следующих статьях.
Терминология по стандарту ГОСТ Р 60.1.2.3–2021.
совместная работа (collaborative operation):
состояние, при котором специально разработанный робототехнический комплекс и оператор работают в совместном рабочем пространстве.(механическая) мощность [(mechanical) power]:
механическая скорость выполнения работ и количество энергии, потребляемой за единицу времени при их выполнении. Мощность не связана с номинальной мощностью устройства, например, двигателя.совместное рабочее пространство (collaborative workspace):
пространство в рабочей зоне робота, в котором робототехнический комплекс (включая заготовку) и человек могут выполнять задачи одновременно во время производственной операции. Пример совместного рабочего пространства приведен на иллюстрации «Пример совместного рабочего пространства из ГОСТ Р 60.1.2.3–2021» в статье выше.квазистатический контакт (quasi-static contact):
контакт между оператором и частью робототехнического комплекса, при котором часть тела оператора может быть зажата между движущейся частью робототехнического комплекса и другой неподвижной или движущейся частью роботизированной ячейки.кратковременный контакт (transient contact):
контакт между оператором и частью робототехнического комплекса, при котором часть тела оператора не зажата и может быть отведена от движущейся части робототехнического комплекса.защитное разделительное расстояние (protective separation distance): Кратчайшее допустимое расстояние между любой движущейся опасной частью робототехнического комплекса и любой частью поверхности тела людей, которые находятся в совместном рабочем пространстве. Разделительное расстояние может быть фиксированным или переменным.
модель тела (body model):
представление человеческого тела в виде отдельных сегментов, характеризующихся соответствующими биомеханическими свойствами.
Использованные материалы:
ГОСТ Р 60.1.2.3–2021 — РОБОТЫ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА Требования безопасности для роботов, работающих совместно с человеком
ГОСТ Р 60.1.2.1–2016/ ИСО 10218–1:2011 — Роботы и робототехнические устройства ТРЕБОВАНИЯ ПО БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ Часть 1 Роботы
ГОСТ Р 60.1.2.2–2016/ИСО 10218–2:2011 — Роботы и робототехнические устройства ТРЕБОВАНИЯ ПО БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ Часть 2 Робототехнические системы и их интеграция
ГОСТ ISO 12100–2013 — Безопасность машин ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ Оценки риска и снижения риска
ГОСТ Р МЭК 60204–1–2007 — Безопасность машин ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ Часть 1
ISO 13850, Safety of machinery — Emergency stop function — Principles for design (Безопасность производственных механизмов. Функция аварийного останова. Принципы проектирования)
ISO/TS 15066:2016 — Robots and robotic devices — Collaborative robots
<-
