تم تصميم الروبوتات التعاونية (الروبوتات التعاونية) للعمل مع البشر ودعم الإنتاج المرن في مصانع الصناعة 4.0. بالمقارنة مع الروبوتات الصناعية التقليدية، تعد الروبوتات التعاونية أبسط وأسهل في الإعداد ولا تتطلب مساحات عمل معزولة بشكل آمن. نظرًا لأنها مصممة للعمل مع البشر، يتم تصميم الروبوتات التعاونية بشكل مختلف عن الروبوتات الصناعية الأخرى، بما في ذلك ميزات مثل أنظمة الكشف عن الاصطدام، وردود الفعل على القوة، والمحركات المرنة، ومحركات مؤازرة منخفضة القصور الذاتي.
ونظرًا لاختلاف تصميمها، فقد تم تطوير معايير سلامة محددة للروبوتات التعاونية. تحدد المنظمة الدولية لتوحيد المواصفات الفنية (ISO/TS) 15066 متطلبات السلامة للروبوتات التعاونية الصناعية وبيئات عملها. وهو يكمل المتطلبات والإرشادات المتعلقة بتشغيل الروبوت التعاوني في المواصفة ISO 10218‑1 وISO 10218‑2.
تستعرض هذه المقالة بإيجاز متطلبات ISO/TS 15066 وكيفية توافقها مع ISO 10218-1 و10218-2. ثم يأخذ في الاعتبار تعقيدات التعاون، بما في ذلك كيفية تعريف مساحة العمل التعاوني. وهو يدرس العوامل المتعلقة بسلامة الروبوتات، مثل ميزات السلامة المضمنة في الروبوتات التعاونية، ووظائف السلامة الخارجية المطلوبة، إلى جانب الأجهزة المثالية مثل أجهزة استشعار القرب، والستائر الخفيفة، وحصائر الاتصال الآمنة. ويختتم بمراجعة موجزة لعدد قليل من التطبيقات الخاصة باعتبارات سلامة الروبوتات.
هناك العديد من معايير السلامة الرئيسية للروبوتات الصناعية والروبوتات التعاونية. تفاصيل ISO/TS 15066 متطلبات السلامة لأنظمة الروبوتات الصناعية وبيئة العمل وقد تمت كتابتها للبناء على المتطلبات المحدودة في المعايير السابقة واستكمالها مثل سلسلة ISO 10218. يركز ISO 10218-1 على الروبوتات العامة والأجهزة الروبوتية، بينما يركز ISO 10218-2 على أنظمة الروبوت والتكامل. المعهد الوطني الأمريكي للمعايير/رابطة صناعة الروبوتات (ANSI/RIA) R15.06 هو اعتماد وطني للمعيارين ISO 10218-1 وISO 10218-2.
تعقيدات التعاون
قبل الدخول في تفاصيل سلامة الروبوتات، من المفيد تعريف التعاون. يعد التعاون في مجال الروبوتات أمرًا معقدًا ويتضمن ثلاثة عوامل:
- الروبوت التعاوني هو "روبوت مصمم للتفاعل المباشر مع الإنسان ضمن مساحة عمل تعاونية محددة"، وفقًا لـ ANSI/RIA R15.06.
- العملية التعاونية هي "الحالة التي يعمل فيها نظام الروبوت المصمم خصيصًا والمشغل ضمن مساحة عمل تعاونية"، وفقًا للمعيار ISO/TS 15066.
- وأخيرًا، مساحة العمل التعاونية هي "مساحة العمل داخل المساحة المحمية حيث يمكن للروبوت والإنسان أداء المهام في وقت واحد أثناء عملية الإنتاج"، وفقًا لـ ANSI/RIA R15.06.
يتعلق الأمر بتعريف مساحة العمل التعاونية "ضمن المساحة المحمية". تتضمن المساحة المحمية طبقة من حماية السلامة بالإضافة إلى وظائف السلامة القياسية المضمنة في الروبوت.
تشمل ميزات الحماية الشائعة المدمجة في الروبوتات التعاونية أنظمة الكشف عن الاتصال بناءً على قياسات عزم الدوران في كل مفصل والتي تراقب التأثيرات غير المتوقعة أو العوائق أو القوى المفرطة أو عزم الدوران. يجب أن تكون هناك أيضًا أنظمة فرملة أوتوماتيكية وإصدارات يدوية للفرامل لتحريك الذراع بدون طاقة.
يعد الاتصال غير المتوقع مع الشخص بواسطة الروبوت مصدر قلق خاص. وتقضي المعايير بمنع الاتصال في أي مكان على رأس الشخص. بالإضافة إلى ذلك، يقسم المعيار الجسم إلى 29 منطقة محددة ويوضح القيود المفروضة على نوعين من الاتصال:
- عابر الاتصال هو حدث ديناميكي متحرك حيث يضرب الروبوت شخصًا. تعتمد القيود على الموقع والقصور الذاتي والسرعة النسبية.
- شبه ساكنة يحدث الاتصال عندما ينحصر جزء من الجسم بين الروبوت والسطح. تعتمد القيود على الضغط والقوة المرتبطة بتأثيرات التكسير والتثبيت.
توفر المواصفات إرشادات، وليس حدودًا مطلقة، بناءً على اعتبارات التطبيق. وينص أيضًا على أن الإرشادات غنية بالمعلومات وتعكس أفضل الممارسات الحالية نظرًا لأن التعاون بين الأشخاص والروبوتات هو مجال جديد، والأبحاث مستمرة.
استمرارية التعاون
لا يوجد تطبيق تعاوني واحد. يمكن للأشخاص والروبوتات التفاعلية والتعاون بطرق متواصلة. تتراوح التطبيقات التعاونية من التعايش، حيث يتوقف الروبوت تحت تأثير الطاقة عندما يدخل شخص ما إلى مساحة العمل التعاونية، إلى نشاط تفاعلي مع الشخص الذي يلمس الروبوت أثناء التشغيل (الشكل 1).
مطلوب تقييم المخاطر لتحديد احتياجات السلامة للتطبيقات التعاونية الفردية. ويشمل تحديد وتقييم وتقليل المخاطر والمخاطر المرتبطة بالتطبيق. يتضمن ISO 10218 قائمة بميزات السلامة التي يمكن أن تكون مناسبة في ظروف مختلفة ولكن لا توجد متطلبات محددة. يوفر ISO/TS 15066 تفاصيل إضافية لتقييم مخاطر الروبوتات التعاونية. وفي كل حالة، يكون الهدف من تقييم المخاطر هو تحديد أجهزة وأنظمة السلامة الخارجية اللازمة لضمان التنفيذ الآمن للتطبيقات التعاونية.
للتعمق أكثر في تقييم المخاطر والروبوتات، راجع المقالة "دمج AMRs بأمان وكفاءة في عمليات الصناعة 4.0 لتحقيق أقصى فائدة."
الحماية والكفاءة
في حين أن الروبوتات التعاونية مصممة للتشغيل الآمن، إلا أن طبقات الحماية الإضافية يمكنها تحسين كفاءة التطبيقات التعاونية. وبدون مزيد من الأمان، عندما يدخل شخص ما إلى مساحة العمل التعاوني، فإن المعيار ISO/TS 15066 يفرض سرعة قصوى تبلغ 0.25 متر في الثانية (م/ث) لكل محور. بالنسبة لمعظم الروبوتات، هذا بطيء جدًا.
على سبيل المثال، يتمتع روبوت LXMRL12S0000 Lexium من شنايدر إلكتريك بحمولة قصوى تبلغ 12 كجم (كجم)، ونصف قطر تشغيل (نطاق عمل) يبلغ 1327 ملم (مم)، ودقة تحديد موضع تبلغ ±0.03 مم، وأقصى سرعة لنهاية الأداة يبلغ 3 أمتار في الثانية (م/ث)، أي أسرع 12 مرة من الحد الأقصى الذي تسمح به ISO/TS 15066 عندما يكون الشخص في مساحة العمل التعاوني (الشكل 2).
في العديد من التطبيقات، يمكن أن يعمل الروبوت بمفرده لفترات طويلة. لذا، فإن استشعار وجود الأشخاص أو غيابهم في مساحة العمل التعاونية يمكن أن يؤدي إلى تشغيل أسرع بكثير وكفاءة أعلى في حالة عدم وجود أحد. تشمل الأجهزة الشائعة لاستشعار وجود الأشخاص ماسحات ضوئية للسلامة، وستائر خفيفة، وسجادات أرضية ملامسة للسلامة. كل التكنلوجيا يقدم مجموعة مختلفة من الفوائد، وغالبًا ما يتم استخدامها معًا.
ماسحات السلامة
تقوم الماسحات الضوئية للسلامة بمراقبة منطقة معينة للكشف عن وجود الأشخاص. يمكنهم تحديد مدى بعد الشخص وتنفيذ مناطق تحذير مختلفة بالإضافة إلى منطقة الأمان النشطة.
يعد طراز Omron OS32C-SP1-4M مثالًا جيدًا لماسح ضوئي ليزر آمن مصمم للاستخدام مع الروبوتات التعاونية. يبلغ نصف قطر أمانه ما يصل إلى 4 أمتار (م) ويمكنه دعم مناطق تحذير متعددة تصل إلى 15 مترًا. يتضمن 70 مجموعة قياسية من مناطق الأمان ومجموعات مناطق التحذير لدعم مساحات العمل التعاونية المعقدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تعيين الحد الأدنى لدقة الكائن إلى 30 أو 40 أو 50 أو 70 مم، ويمكن أن يتراوح وقت الاستجابة من 80 مللي ثانية (ملي ثانية) إلى 680 مللي ثانية، مما يزيد من مرونة التطبيق (الشكل 3).
ستائر خفيفة
يمكن للستائر الخفيفة قياس وجود الأشخاص ويمكن تصميمها لاكتشاف الأشياء ذات الأحجام المختلفة، مثل الأصابع أو الأيدي. على عكس الماسحات الضوئية الآمنة، لا تقيس الستائر الخفيفة المسافة. يرسلون سلسلة من حزم الضوء بين مصفوفات الباعث والمستقبل الخطية ويمكنهم الشعور عندما يكسر جسم ما حزمة واحدة أو أكثر.
فيما يتعلق بتصنيفات السلامة، هناك تصنيفان رئيسيان للستائر الخفيفة: النوع 2 والنوع 4. ولهما مظهر خارجي مماثل ولكنهما مصممان لتوفير مستويات مختلفة من الأمان. يراقب النوع 4 المساحة المحمية التي تحدد مساحة العمل التعاونية. تم تصميم الستائر الخفيفة من النوع 2 للتطبيقات منخفضة المخاطر.
تعمل الستائر الخفيفة على حماية المحيط وتتوفر بمستويات متعددة من الدقة، مثل 14 ملم للكشف عن الأصابع و24 ملم للكشف عن اليد. النموذج، SLC4P24-160P44 من شركة Banner Engineering، عبارة عن مجموعة ستائر خفيفة من النوع 4 مع مجموعة باعث ومستقبل ولها دقة تبلغ 24 مم لحماية الأشخاص والآلات مثل الروبوتات (الشكل 4). تحتوي الباعثات على صف من الثنائيات الباعثة للضوء بالأشعة تحت الحمراء المتزامنة. تحتوي أجهزة الاستقبال على صف مناظر من أجهزة الكشف الضوئي المتزامنة. يبلغ مدى الباعثات 2 متر، ويمكن تركيب هذه الستائر الخفيفة بأطوال تتراوح من 160 إلى 320 ملم بزيادات 80 ملم.
توفر ماسحات الليزر الآمنة والستائر الخفيفة وسائل عدم الاتصال لتعزيز سلامة أماكن العمل التعاونية. ومع ذلك، قد يكون من الصعب استخدامها في البيئات الصعبة بصريًا مثل المناطق ذات الأسطح العاكسة للغاية والتي يمكن أن ترسل تداخلًا ضوئيًا غير مرغوب فيه، ويمكن أن تتعثر بسبب تسرب الزيت أو الشحوم أو الغبار أو الرطوبة الزائدة.
تشتمل بعض هذه المستشعرات الضوئية على تعديلات حساسية يمكن أن تساعد في تخفيف أنواع معينة من التداخل. يمكن أن تؤدي تعديلات الحساسية هذه أيضًا إلى زيادة أوقات الاستجابة وتنازلات الأداء الأخرى. الحل الآخر هو استخدام حصيرة الاتصال الآمنة مع أجهزة الاستشعار البصرية.
سجادات الاتصال الآمنة
تحتوي حصائر الاتصال الآمنة على لوحتين موصلتين مفصولتين بطبقة عازلة نقطية ويمكن استخدامها بمفردها أو مع أنواع أخرى من أجهزة الاستشعار. إذا صعد شخص ما على السجادة، يتم الضغط على اللوحة الموصلة العلوية وتتصل باللوحة السفلية، مما يؤدي إلى إطلاق إشارة تنبيه (الشكل 5). الجزء الخارجي من السجادة مصنوع من مادة البولي يوريثين المقاومة للانزلاق ومقاومة للماء والأوساخ والزيت. يمكن لنموذج سجادة SENTIR 1602-5533 من ASO Safety Solutions توصيل ما يصل إلى 10 سجادات متسلسلة بوحدة مراقبة واحدة لتغطية أقصى 10 أمتار2.
السلامة في التفاصيل
لا توجد صيغة واحدة تضمن السلامة. يختلف كل تطبيق تعاوني ويجب التعامل معه بناءً على خصائصه واحتياجاته الفريدة. والعامل الرئيسي هو: أين يقع التطبيق في استمرارية التعاون (انظر الشكل 1)؟ كلما كان التفاعل أقرب بين الروبوت والناس، زادت الحاجة إلى الحماية.
هناك المزيد من التفاصيل للنظر فيها. بعض منهم ما يلي:
- يحتاج كل موقع إلى الخضوع لتقييم تفصيلي للمخاطر لمعرفة ما إذا كان قد تم نقل الروبوت من محطة عمل إلى أخرى. حتى لو بدت متشابهة، فإن الاختلافات الصغيرة يمكن أن تحدث فرقًا في السلامة.
- إذا كانت هناك أجهزة أخرى في مساحة العمل التعاونية، فهل يلزم ربطها بنظام إيقاف التشغيل أو تباطؤ السلامة للروبوت؟
- ركزت هذه المقالة على الأجهزة المتعلقة بالسلامة، ولكن بالنسبة للأنظمة المتصلة بالشبكة التي أصبحت شائعة بشكل متزايد، يعد الأمن السيبراني أحد الاعتبارات المهمة لمنع التداخل مع تشغيل الروبوت التعاوني أو أنظمة السلامة.
وفي الختام
سلامة Cobot معقدة. ويبدأ بتحديد مساحة العمل التعاونية داخل المساحة المحمية ويتطلب تقييم مخاطر العملية التعاونية. تعتبر المعايير مثل ISO/TS 15066 وسلسلة ISO 10218 مهمة وتوفر توصيات وإرشادات. تشتمل الروبوتات التعاونية على ميزات السلامة الأساسية مثل أنظمة الكشف عن الاصطدام، وردود الفعل على القوة، والمحركات المرنة، ومحركات مؤازرة منخفضة القصور الذاتي. اعتمادًا على تفاصيل التطبيق التعاوني، قد تكون هناك حاجة إلى أجهزة أمان إضافية مثل أجهزة استشعار القرب والستائر الخفيفة وحصائر الاتصال الآمنة.