רובוטים שיתופיים (קובוטים) מיועדים לעבוד עם בני אדם ולתמוך בייצור גמיש במפעלי Industry 4.0. בהשוואה לרובוטים תעשייתיים מסורתיים, קובוטים פשוטים יותר, קלים יותר להגדרה ואינם דורשים סביבות עבודה מבודדות בבטחה. מכיוון שהם נועדו לעבוד עם אנשים, קובוטים בנויים בצורה שונה מרובוטים תעשייתיים אחרים, כולל תכונות כמו מערכות זיהוי התנגשות, משוב כוח, מפעילים אלסטיים ומנועי סרוו בעלי אינרציה נמוכה.
מכיוון שהם שונים בעיצובם, פותחו תקני בטיחות ספציפיים עבור קובוטים. המפרט הטכני של הארגון הבינלאומי לתקינה (ISO/TS) 15066 מפרט דרישות בטיחות לקובוטים תעשייתיים וסביבות העבודה שלהם. הוא משלים את הדרישות וההנחיות לגבי תפעול קובוט ב-ISO 10218-1 ו-ISO 10218-2.
מאמר זה סוקר בקצרה את הדרישות של ISO/TS 15066 וכיצד הן משתלבות עם ISO 10218-1 ו- 10218-2. לאחר מכן הוא בוחן את המורכבות של שיתוף הפעולה, כולל האופן שבו מוגדרת מרחב העבודה השיתופי. הוא בוחן גורמים הקשורים לבטיחות הרובוטים, כמו תכונות בטיחות המובנות בקובוטים, ואילו פונקציות בטיחות חיצוניות נחוצות, יחד עם מכשירים למופת כמו חיישני קירבה, וילונות אור ומשטחי מגע בטיחותיים. זה מסתיים בסקירה קצרה של כמה יישומים ספציפיים לשיקולי בטיחות קובוט.
ישנם מספר תקני בטיחות מרכזיים לרובוטים תעשייתיים וקובוטים. ISO/TS 15066 מפרט את דרישות הבטיחות עבור מערכות קובוט תעשייתיות וסביבת העבודה ונכתב כדי להתבסס ולהשלים את הדרישות המוגבלות בתקנים קודמים כמו סדרת ISO 10218. ISO 10218-1 מתמקד ברובוטים כלליים ובמכשירים רובוטיים, בעוד ש-ISO 10218-2 מתמקד במערכות רובוטים ואינטגרציה. מכון התקנים הלאומי האמריקאי/איגוד תעשיית הרובוטיקה (ANSI/RIA) R15.06 הוא אימוץ לאומי של ISO 10218-1 ו-ISO 10218-2.
מורכבויות של שיתוף פעולה
לפני שנכנסים לפרטים של בטיחות קובוט, כדאי להגדיר שיתוף פעולה. שיתוף פעולה ברובוטיקה הוא מורכב וכולל שלושה גורמים:
- קובוט הוא "רובוט המיועד לאינטראקציה ישירה עם אדם בתוך מרחב עבודה שיתופי מוגדר", לפי ANSI/RIA R15.06.
- פעולה שיתופית היא "מצב שבו מערכת רובוט שתוכננה בכוונה ומפעיל עובדים בתוך סביבת עבודה שיתופית", על פי ISO/TS 15066.
- לבסוף, מרחב עבודה שיתופי הוא "מרחב העבודה בתוך המרחב המוגן שבו הרובוט והאדם יכולים לבצע משימות בו-זמנית במהלך פעולת הייצור", לפי ANSI/RIA R15.06.
זה מסתכם בהגדרה של מרחב העבודה השיתופי "בתוך המרחב המוגן". המרחב המוגן כולל שכבת הגנה בטיחותית בנוסף לפונקציות הבטיחות הסטנדרטיות הכלולות בקובוט.
תכונות הגנה נפוצות המשולבות בקובוטים כוללות מערכות זיהוי מגע המבוססות על מדידות מומנט בכל מפרק המנטרות פגיעות בלתי צפויות, חסימות או כוחות או מומנט מוגזמים. צריכות להיות גם מערכות בלימה אוטומטיות ושחרור בלמים ידני להזזת הזרוע ללא חשמל.
מגע בלתי צפוי עם האדם על ידי הקובוט הוא דאגה מיוחדת. התקנים מכתיבים שיש למנוע מגע בכל מקום בראשו של אדם. בנוסף, התקן מפצל את הגוף ל-29 אזורים ספציפיים ומפרט מגבלות עבור שני סוגי מגע:
- חולף מגע הוא אירוע מרגש ודינמי שבו הקובוט פוגע באדם. המגבלות מבוססות על מיקום, אינרציה ומהירות יחסית.
- מעין סטטי מגע מתרחש כאשר חלק גוף נלכד בין הקובוט למשטח. המגבלות מבוססות על לחץ וכוח הקשורים להשפעות ריסוק והידוק.
המפרט מספק הנחיות, לא גבולות מוחלטים, המבוססים על שיקולי יישום. הוא גם קובע שההנחיות אינפורמטיביות ומשקפות שיטות עבודה מומלצות עדכניות, שכן שיתוף פעולה בין אנשים לרובוטים הוא תחום חדש, והמחקר נמשך.
רצף של שיתוף פעולה
אין יישום שיתופי אחד. אנשים וקובוטים יכולים ליצור אינטראקציה ולשתף פעולה ברצף של דרכים. יישומים שיתופיים נעים בין דו קיום, שבו רובוט עוצר בכוח כאשר אדם נכנס למרחב העבודה השיתופי, לפעילות אינטראקטיבית עם האדם הנוגע בקובוט בזמן הפעולה (איור 1).
נדרשת הערכת סיכונים כדי לזהות את צרכי הבטיחות של יישומים שיתופיים בודדים. זה כולל זיהוי, הערכה והפחתת הסיכונים והסיכונים הקשורים ליישום. תקן ISO 10218 כולל רשימה של תכונות בטיחות שיכולות להתאים בנסיבות שונות אך ללא דרישות סופיות. ISO/TS 15066 מביא פרטים נוספים להערכות סיכונים של קובוט. בכל מקרה, מטרת הערכת הסיכונים היא לזהות התקני בטיחות חיצוניים ומערכות הדרושים כדי להבטיח יישום בטוח של יישומים משותפים.
לצלילה מעמיקה יותר להערכת סיכונים ורובוטים, עיין במאמר "שילוב בטוח ויעיל של AMR בפעולות תעשיית 4.0 לתועלת מרבית."
הגנה ויעילות
בעוד שקובטים מתוכננים לפעולה בטוחה, שכבות הגנה נוספות יכולות לשפר את היעילות של יישומים משותפים. ללא בטיחות נוספת, כאשר אדם נכנס למרחב העבודה השיתופי, ISO/TS 15066 מחייב מהירות מרבית של 0.25 מטר לשנייה (מ/ש) לכל ציר. עבור רוב הקובוטים, זה מאוד איטי.
לדוגמה, ל-LXMRL12S0000 Lexium cobot מבית שניידר אלקטריק יש עומס מרבי של 12 קילוגרם (ק"ג), רדיוס פעולה (טווח עבודה) של 1327 מילימטרים (מ"מ), דיוק מיקום של ±0.03 מ"מ, ומהירות מקסימלית של קצה הכלי של 3 מטרים לשנייה (m/s), מהר פי 12 מהמקסימום המותר לפי ISO/TS 15066 כאשר אדם נמצא בסביבת העבודה השיתופית (איור 2).
ביישומים רבים, הקובוט יכול לפעול לבדו לתקופות ארוכות. לכן, תחושת נוכחות או היעדרות של אנשים במרחב העבודה השיתופי יכולה לאפשר פעולה מהירה הרבה יותר ויעילות גבוהה יותר כאשר איש אינו נוכח. התקנים נפוצים לתחושת נוכחות של אנשים כוללים סורקי בטיחות, וילונות אור ומשטחי רצפה למגע בטיחותי. כל אחד טֶכנוֹלוֹגִיָה מציע סט שונה של יתרונות, ולעתים קרובות הם משמשים בשילוב.
סורקי בטיחות
סורקי בטיחות עוקבים אחר אזור ייעודי כדי לזהות נוכחות של אנשים. הם יכולים לקבוע כמה רחוק אדם נמצא וליישם אזורי אזהרה שונים בנוסף לאזור הבטיחות הפעיל.
הדגם של Omron OS32C-SP1-4M הוא דוגמה טובה לסורק לייזר בטיחותי המיועד לשימוש עם קובוטים. יש לו רדיוס בטיחות של עד 4 מטרים (מ') והוא יכול לתמוך במספר אזורי אזהרה עד 15 מ'. הוא כולל 70 סטים סטנדרטיים של שילובי אזורי בטיחות ואזור אזהרה לתמיכה במרחבי עבודה מורכבים שיתופיים. בנוסף, ניתן להגדיר את רזולוציית האובייקט המינימלית ל-30, 40, 50 או 70 מ"מ, וזמן התגובה יכול לנוע בין 80 מילישניות (מילישניות) עד 680 אלפיות השנייה, מה שמגביר עוד יותר את גמישות היישום (איור 3).
וילונות קלים
וילונות אור יכולים למדוד נוכחות של אנשים וניתן לעצב אותם כדי לזהות חפצים בגדלים שונים, כמו אצבעות או ידיים. בניגוד לסורקי בטיחות, וילונות אור אינם מודדים מרחק. הם שולחים סדרה של קרני אור בין מערכי פולט ליניארי ומקלט ויכולים לחוש מתי עצם שובר קרן אחת או יותר.
מבחינת דירוגי בטיחות, ישנם שני סיווגים עיקריים של וילון אור: סוג 2 וסוג 4. יש להם מראה חיצוני דומה אך נועדו לספק רמות שונות של בטיחות. סוג 4 מנטר את המרחב המוגן שמגדיר מרחב עבודה שיתופי. וילונות אור מסוג 2 מיועדים ליישומים בסיכון נמוך יותר.
וילונות קלים שומרים על היקפים וזמינים במספר רמות רזולוציה, כמו 14 מילימטרים (מ"מ) לזיהוי אצבעות ו-24 מ"מ לזיהוי ידיים. הדגם, SLC4P24-160P44 מבית Banner Engineering, הוא ערכת וילון אור מסוג 4 עם מערך פולט ומקלט ובעל רזולוציה של 24 מ"מ להגנה על אנשים ומכונות כמו קובוטים (איור 4). לפולטות יש שורה של דיודות פולטות אור אינפרא אדום מסונכרנות. למקלטים יש שורה מתאימה של גלאי פוטו מסונכרנים. לפולטות טווח של 2 מטר, וילונות אור אלו ניתנים להתקנה באורכים של 160 עד 320 מ"מ במרווחים של 80 מ"מ.
סורקי לייזר בטיחותיים ווילונות אור מספקים אמצעים ללא מגע לשיפור הבטיחות של חללי עבודה משותפים. עם זאת, הם עשויים להיות קשים לשימוש בסביבות מאתגרות מבחינה אופטית כמו אזורים עם משטחים מחזירי אור שיכולים לשלוח הפרעות אור לא רצויות, והם עלולים להיכשל בגלל דליפת שמן או שומן או אבק או לחות מוגזמת.
חלק מהחיישנים האופטיים הללו כוללים התאמות רגישות שיכולות לסייע בהפחתת סוגים מסוימים של הפרעות. התאמות רגישות אלו יכולות גם להגדיל את זמני התגובה ופשרות אחרות בביצועים. פתרון נוסף הוא שימוש בשטיח מגע בטיחותי יחד עם מכשירי חישה אופטיים.
מחצלות מגע בטיחותיות
מחצלות מגע בטיחותיות כוללות שתי לוחות מוליכות המופרדות על ידי שכבת בידוד עם רסטר וניתן להשתמש בהן לבד או בשילוב עם סוגים אחרים של חיישנים. אם אדם דורך על המחצלת, הצלחת המוליכה העליונה נלחצת ונוגעת בצלחת התחתונה, מה שמפעיל אות התראה (איור 5). החלק החיצוני של המחצלות הוא חומר פוליאוריטן עמיד להחלקה ואטום למים, לכלוך ושמן. מחצלת SENTIR דגם 1602-5533 מבית ASO Safety Solutions יכולה לחבר עד 10 מחצלות בסדרה ליחידת ניטור אחת לכיסוי מקסימלי של 10 מ'2.
הבטיחות נמצאת בפרטים הקטנים
אין נוסחה אחת שמבטיחה בטיחות. כל אפליקציה שיתופית היא שונה ויש לטפל בה על סמך המאפיינים והצרכים הייחודיים שלה. גורם מפתח הוא: היכן נמצא היישום על רצף שיתוף הפעולה (ראה איור 1)? ככל שהאינטראקציה בין הקובוט לאנשים קרובה יותר, כך יש צורך בהגנה רבה יותר.
יש עוד פרטים שצריך לקחת בחשבון. חלק מהם כוללים:
- כל מיקום צריך לעבור הערכת סיכונים מפורטת כדי לראות אם הקובוט הועבר מתחנת עבודה לתחנת עבודה. גם אם נראה שהם זהים, שינויים קטנים יכולים לעשות הבדל בבטיחות.
- אם מכונות אחרות נמצאות במרחב העבודה השיתופי, האם יש לקשר אותן למערכת הכיבוי או להאטת הבטיחות של הקובוט?
- מאמר זה התמקד בחומרה הקשורה לבטיחות, אך עבור מערכות רשת הנפוצות יותר ויותר, אבטחת סייבר היא שיקול חשוב כדי למנוע הפרעה לפעולת הקובוט או למערכות הבטיחות.
סיכום
בטיחות קובוט היא מורכבת. זה מתחיל בהגדרת מרחב העבודה השיתופי בתוך המרחב המוגן ודורש הערכת סיכונים של הפעולה השיתופית. תקנים כמו ISO/TS 15066 וסדרת ISO 10218 חשובים ומספקים המלצות והנחיות. הקובוטים כוללים תכונות בטיחות בסיסיות כמו מערכות זיהוי התנגשות, משוב כוח, מפעילים אלסטיים ומנועי סרוו בעלי אינרציה נמוכה. בהתאם לפרטים הספציפיים של היישום השיתופי, ייתכן שיהיה צורך בהתקני בטיחות נוספים כמו חיישני קירבה, וילונות אור ומשטחי מגע בטיחותיים.