Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Nové přístupy k bezpečnosti robotů

Článek shrnuje postupy, jak zajistit bezpečnost kolaborativních robotů, a uvádí standardy, které jsou v tomto oboru výrobcům k dispozici. Jejich realizaci v praxi ilustruje na příkladu robotu Baxter od firmy Rethink Robotics.

 
Tradiční průmyslové roboty nabízejí velkou rychlost, efektivitu a nízké výrobní náklady. Ty samé roboty ale mají také dosti nevýhod. Jsou velké, fixované na jedno místo a nebezpečné. Zajistit bezpečnost obsluhy a okolních zařízení je nákladné. Rovněž vykazují pramalé přímé interakce s lidskou obsluhou. Jestliže je tradiční průmyslový robot používán bez správného zabezpečení nebo jestliže toto zabezpečení selže, mohou být vážně poškozena okolní zařízení či zraněna, nebo dokonce usmrcena jejich obsluha.
 

Roboty a robotická zařízení – požadavky na bezpečnost průmyslových robotů

Z uvedených, ale i mnoha dalších důvodů se objevují menší, jednodušší a relativně bezpečnější roboty, které mohou přímo spolupracovat s lidskou obsluhou. Tyto roboty, zvané kolaborativní, musí splňovat podmínky normy ČSN EN ISO 10218 Roboty a robotická zařízení – Požadavky na bezpečnost průmyslových robotů. Podle této normy musí být bezpečnost zajištěna některou z funkcí uvedených v následujícím textu.
 

Bezpečnostní monitorované zastavení

Robot, který je vybaven touto funkcí, pracuje v běžném provozu bez spolupráce s lidskou obsluhou. Když obsluha (obsluhou se podle normy nemyslí jen operátor výroby, ale jakákoliv osoba, která vstupuje do pracovního prostoru spolupráce s robotem: údržbář, pomocný personál apod.) vstoupí do monitorovaného prostoru, robot se řízeným způsobem zastaví. Monitorovaný prostor musí být dostatečně velký, aby se robot mohl zastavit dříve, než s ním obsluha může přijít do kontaktu. Když obsluha vykoná požadované úkony a opustí monitorovaný prostor, robot pokračuje ve své činnosti. Obsluha tak může vyměnit nástroj, přivézt materiál, založit polotovar do stroje, odebrat hotový výrobek apod. Nejde o nouzové zastavení kategorie 0 nebo 1 a systém není třeba před před uvedením do provozu restartovat.
 

Ruční navádění

Robot s ručním naváděním se stejně jako v předchozím případě po vstupu obsluhy do monitorovaného prostoru řízeným způsobem zastaví. Osoba, která vstoupila do pracovního prostoru spolupráce, ale v tomto případě může použít povolovací tlačítko, jímž robotu povolí pohyb a umožní jeho ruční navádění. Tato funkce se typicky používá pro programování učením.
 

Sledování rychlosti a vzdálenosti

V tomto režimu systém bezpečnostními snímači sleduje rychlost pohybu robotu a jeho vzdálenost od obsluhy, popř. dalších zařízení v pracovním prostoru spolupráce. Cílem je zajistit, aby mezi pohybujícím se robotem a obsluhou vždy zůstala určitá minimální vzdálenost. Na rozdíl od bezpečnostního monitorovaného zastavení tedy v tomto případě robot při vstupu obsluhy do monitorovaného prostoru postupně zpomaluje a teprve tehdy, když obsluha přijde k robotu příliš blízko, ho zcela zastaví. Tato funkce je užitečná v případě, že se obsluha má přiblížit k robotu, ale není třeba, aby s ním přímo spolupracovala (např. přiveze materiál do blízkosti robotu).
 

Omezení síly a výkonu

U robotu, u nějž je bezpečnost zajištěna omezením síly a výkonu, musí být zajištěno, aby síla působící na osoby nebo předměty, které se k robotu přiblížily, nepřesáhla stanovenou mez. Používá se tam, kde robot a obsluha trvale spolupracují ve společném pracovním prostoru.
 

Kolaborativní robot Baxter

Robot Baxter (obr. 1) od firmy Rethink Robotics je zcela nový typ kolaborativního robotu. Patří do kategorie robotů s omezením síly a výkonu, a může tedy trvale spolupracovat s obsluhou ve stejném pracovním prostoru. Tím, že může pracovat bez ochranných plotů a bariér, šetří náklady na jejich instalaci a současně také místo v tovární hale. Protože omezení síly a výkonu je dáno konstrukcí robotu, nevyžaduje ani samostatný bezpečnostní systém, ani bezpečnostní snímače.
 

Omezení síly versus přesnost polohování

Obvyklý problém u tohoto druhu robotů spočívá v tom, že omezení síly s sebou nese i malou tuhost a nepřesnost polohování. Robot Baxter využívá ve všech kloubech svých dvou ramen sériové elastické akční členy, vyvinuté Mattem Williamsonem, v současné době technickým ředitelem Rethink Robotics, a Gillem Prattem, když ještě oba pracovali v MIT.
 
Sériové elastické akční členy SEA (Series Elastic Actuator) se skládají z pružiny připojené v sérii k výstupu elektromotoru nebo převodovky. Pohyb pružiny je měřen snímačem a řídicí systém reguluje výstupní moment kloubu. Protože SEA jsou použity ve všech kloubech ramene robotu, je síla ramene bezpečně omezena. Výsledkem je, že dvacetikilové rameno se chová jako ve stavu beztíže – lze je ovládat jedním prstem.
 

Detekce kontaktu a reakce na něj

Tradiční průmyslové roboty vykonávají svou práci rychle, přesně a efektivně, naproti tomu se „neohlížejí“ na obsluhu, a proto musí pracovat za ochranným plotem. Baxter je jiný: detekuje dotek, reaguje na něj a uživatel může jeho rameno snadno „odstrčit“, je-li to třeba. To účinně zabraňuje tomu, aby obsluze jakkoliv ublížil. Rameno robotu lze snadno zastavit a pohybovat jím směrem, který chce operátor, a nikoliv řídicí systém, a to dokonce i za provozu robotu. Jestliže robot narazí při naprogramovaném pohybu na neočekávaný odpor, jeho pohyb se pozastaví. Citlivé rameno nejenže umožňuje spolupráci s lidskou obsluhou, ale také usnadňuje vykonávání operací, které jsou běžnými roboty těžko realizovatelné: šití, balení křehkých předmětů apod.
 

Spolupráce znamená také komunikaci

Baxter komunikuje s lidskou obsluhou jedinečným, v průmyslu zcela neobvyklým způsobem. Je opatřen displejem, kde se schematicky zobrazují pohyby očí. To obsluze intuitivně napovídá, co se robot snaží udělat, a zabraňuje tomu, aby obsluha byla chováním robotu překvapena a zaskočena. Obraz tváře obsluze též sděluje, zda je robot „spokojen“ s procesem učení, zda je „zmaten“ neobvyklým příkazem nebo se dostal do problémů (např. se mu nedaří předmět vložit do krabice). Pokýváním robot signalizuje, že pochopil, co od něj operátor požaduje. Baxter je tak skutečně spolupracujícím robotem.
 

Analýza rizik

Baxter je v souladu s požadavky již zmíněné normy ISO 10218:2011 a současně normy ANSI R15.06:2012 American National Standard for Industrial Robots and Robot Systems – Safety Requirements. Konkrétně splňuje požadavky na kolaborativní robot s omezením síly a výkonu podle ISO 10218-1. Je však třeba poznamenat, že tato norma pochází z roku 2011, kdy byly kolaborativní roboty v úplných počátcích a roboty podobné Baxterovi neexistovaly. Norma tedy nedává výrobci návod na důkladnou analýzu rizik robotu a robotického systému. Existuje však technická zpráva Asociace pro robotiku RIA TR R15.306:2014 Task-based Risk Assessment Methodology a zcela nová specifikace ISO/TS 15066:2016 Robots and robotic devices – Collaborative robot, které výrobcům a inženýrským firmám poskytují návod na posuzování rizik kolaborativních robotů, včetně robotů s omezením síly a výkonu, a celých robotických systémů, které kromě vlastního robotu zahrnují i efektory, nástroje, stroje a zařízení v robotické buňce. Specifikace ISO/TS 15066:2016 se věnuje i případům, kdy robot sám je sice bezpečný, ale manipuluje s předmětem, který je ostrý, horký nebo jinak nebezpečný a může způsobit zranění obsluhy. V těchto případech je třeba realizovat dodatečná opatření, která robot zpomalí, přeruší jeho pohyb, nebo jej dokonce nouzově zastaví, je-li detekováno, že se obsluha přiblížila nebezpečně blízko k rizikovému předmětu. Díky tomu může Baxter i v těchto případech pracovat bez ochranných plotů.
 

Závěr

Společnost Rethink Robotics konstruuje roboty určené k přímé spolupráci s lidskou obsluhou. Roboty jsou konstruovány tak, aby bylo omezením síly při kontaktu robotu s překážkou bezpečně zajištěno, že robot nemůže nikoho zranit. Ramenem robotu je přitom možné zcela snadno manipulovat, odstrčit je nebo přemístit do polohy, která obsluze vyhovuje. Bezpečnostní limit síly vychází již z konstrukce robotu, není třeba jej nijak nastavovat. V tomto ohledu se uživatel může na robot Baxter zcela spolehnout. Zatímco dříve bylo použití kolaborativních robotů vždy spojeno s nutností důkladné analýzy rizik, protože neexistovaly vhodné standardy a postupy, jak v těchto případech zajistit bezpečnost obsluhy, nyní je čas, aby výrobci znovu uvažovali o tom, že kolaborativní roboty v mnoha případech ušetří ve srovnání s tradičními průmyslovými roboty značné náklady a umožní použití robotů i tam, kde to dříve nebylo možné.
 
Tab. 1. Videoukázky robotů Baxter a Sawyer

Robot Baxter je tak bezpečný, že si s ním mohou hrát i děti
Robot Baxter ve společnosti Stenner Pump (viz obr. 1)
Představení robotu Sawyer

 
Množství dalších informací o kolaborativních robotech zájemci najdou na webové stránce www.rethinkrobotics.com. Odkaz na některé zajímavé videoukázky je v tab. 1 a stručnou historii firmy čtenáři naleznou v doprovodném textu na rastru.
 
Společnost Rethink Robotics zve zájemce také do svého stánku na veletrhu Automatica v Mnichově: hala B4, stánek 309.
[Rethinking Safety. Smart, collaborative robots that work side-by-side with people. Whitepaper, Rethink Robotics, Inc., 2015. Překlad a úprava redakce.]
(Rethink Robotics, Inc.)
 
Obr. 1. Robot Baxter v prostředí strojírenského podniku
Obr. 2. Mladší „bratr“ robotu Baxter, robot Sawyer při manipulaci s kovovým polotovarem
Obr. 3. „Rodinné foto“ obou robotů
 

Rethink Robotics

Firma byla založena v roce 2008 průkopníkem v oboru robotiky Rodneym Brooksem. Cílem firmy je vyvíjet malé kolaborativní roboty, které budou pomáhat odstraňovat únavnou monotónní práci v případech, kdy použití velkých průmyslových robotů není možné technicky nebo je neefektivní ekonomicky. Rethink Robotics tak chce měnit způsob, jakým inženýři uvažují o možnostech použití robotů ve výrobě.
 
Společnost sídlí v Bostonu, USA, a své výrobky dodává prostřednictvím strategických partnerů kromě USA do Kanady, Mexika, Číny, Austrálie, Japonska, Francie, Německa, Izraele a Británie.
 

Na veletrhu Hannover Messe se představil Sawyer

Na veletrhu Hannover Messe 2016 se evropským odborníků představil „bratr“ robotu Baxter, Sawyer. Sawyer je menší a přesnější než Baxter. Zatímco Baxter je vhodný pro úlohy manipulace s materiálem nebo balení, Sawyer byl zkonstruován především pro robotickou obsluhu strojů: zakládání polotovarů, výměnu nástrojů apod.
 
Oba roboty jsou založeny na stejné softwarové platformě Intera, která umožňuje roboty interaktivně ovládat a usnadňuje jejich spolupráci s obsluhou.