Коллаборативные роботы (коботы) предназначены для работы с людьми и поддержки гибкого производства на заводах Индустрии 4.0. По сравнению с традиционными промышленными роботами коботы проще, их легче настраивать и они не требуют безопасно изолированных рабочих мест. Поскольку коботы предназначены для работы с людьми, они устроены иначе, чем другие промышленные роботы, включая такие функции, как системы обнаружения столкновений, силовая обратная связь, эластичные приводы и малоинерционные серводвигатели.
Поскольку они отличаются по конструкции, для коботов разработаны особые стандарты безопасности. Техническая спецификация Международной организации по стандартизации (ISO/TS) 15066 определяет требования безопасности для промышленных коботов и их рабочей среды. Он дополняет требования и рекомендации по работе коботов в ISO 10218-1 и ISO 10218-2.
В этой статье кратко рассматриваются требования ISO/TS 15066 и их соответствие стандартам ISO 10218-1 и 10218-2. Затем рассматриваются сложности совместной работы, в том числе определение совместного рабочего пространства. В нем рассматриваются факторы, связанные с безопасностью роботов, такие как функции безопасности, встроенные в коботов, и необходимые внешние функции безопасности, а также образцовые устройства, такие как датчики приближения, световые завесы и защитные контактные коврики. Он завершается кратким обзором нескольких приложений, ориентированных на безопасность коботов.
Существует несколько ключевых стандартов безопасности для промышленных роботов и коботов. ISO/TS 15066 подробно описывает требования безопасности для промышленных кобот-систем и рабочей среды. Он был написан с целью развития и дополнения ограниченных требований предыдущих стандартов, таких как серия ISO 10218. ISO 10218-1 фокусируется на общих роботах и роботизированных устройствах, а ISO 10218-2 фокусируется на робототехнических системах и интеграции. Американский национальный институт стандартов/Ассоциация индустрии робототехники (ANSI/RIA) R15.06 является национальной версией стандартов ISO 10218-1 и ISO 10218-2.
Сложности сотрудничества
Прежде чем углубляться в детали безопасности коботов, полезно определить сотрудничество. Сотрудничество в робототехнике сложное и включает в себя три фактора:
- Кобот — это «робот, предназначенный для прямого взаимодействия с человеком в пределах определенного совместного рабочего пространства», согласно ANSI/RIA R15.06.
- Согласно ISO/TS 15066, совместная операция — это «состояние, в котором специально разработанная роботизированная система и оператор работают в совместном рабочем пространстве».
- Наконец, согласно ANSI/RIA R15.06, рабочее пространство для совместной работы — это «рабочее пространство внутри защищенного пространства, где робот и человек могут выполнять задачи одновременно во время производственной операции».
Все сводится к определению совместного рабочего пространства «внутри защищенного пространства». Охраняемое пространство включает в себя уровень защиты в дополнение к стандартным функциям безопасности, включенным в кобот.
Общие защитные функции, интегрированные в коботов, включают системы обнаружения контактов, основанные на измерении крутящего момента в каждом суставе, которые отслеживают неожиданные удары, препятствия или чрезмерные силы или крутящий момент. Также должны быть системы автоматического торможения и ручного отпускания тормозов для перемещения стрелы без питания.
Особую тревогу вызывает неожиданный контакт кобота с человеком. Стандарты предписывают избегать контакта с любым местом на голове человека. Кроме того, стандарт разделяет тело на 29 конкретных областей и подробно описывает ограничения для двух типов контакта:
- преходящий Контакт — это движущееся, динамичное событие, когда кобот бьет человека. Ограничения основаны на местоположении, инерции и относительной скорости.
- Квазистатический Контакт происходит, когда часть тела оказывается зажатой между коботом и поверхностью. Ограничения основаны на давлении и силе, связанных с эффектом дробления и зажима.
Спецификация предоставляет рекомендации, а не абсолютные ограничения, основанные на соображениях применения. В нем также говорится, что руководство носит информативный характер и отражает лучшие современные практики, поскольку сотрудничество между людьми и роботами — это новая область, и исследования продолжаются.
Непрерывное сотрудничество
Единого приложения для совместной работы не существует. Люди и коботы могут взаимодействовать и сотрудничать разными способами. Приложения для совместной работы варьируются от сосуществования, когда робот останавливается под напряжением, когда человек входит в рабочее пространство для совместной работы, до интерактивной деятельности, когда человек касается кобота во время работы (рис. 1).
Оценка риска необходима для определения потребностей безопасности отдельных совместных приложений. Он включает в себя выявление, оценку и снижение опасностей и рисков, связанных с применением. ISO 10218 включает список функций безопасности, которые могут быть применимы в различных обстоятельствах, но не содержит четких требований. ISO/TS 15066 привносит дополнительную информацию в оценку рисков коботов. В каждом случае целью оценки риска является выявление внешних устройств и систем безопасности, необходимых для обеспечения безопасного внедрения совместных приложений.
Более подробную информацию об оценке рисков и роботах можно найти в статье «Безопасная и эффективная интеграция AMR в операции Индустрии 4.0 для получения максимальной выгоды».
Защита и эффективность
Хотя коботы созданы для безопасной работы, дополнительные уровни защиты могут повысить эффективность приложений для совместной работы. Без дополнительной безопасности, когда человек входит в рабочее пространство для совместной работы, ISO/TS 15066 требует максимальной скорости 0.25 метра в секунду (м/с) на каждую ось. Для большинства коботов это очень медленно.
Например, кобот LXMRL12S0000 Lexium от Schneider Electric имеет максимальную полезную нагрузку 12 килограммов (кг), рабочий радиус (рабочий диапазон) 1327 миллиметров (мм), точность позиционирования ±0.03 мм и максимальную скорость конца инструмента. 3 метра в секунду (м/с), что в 12 раз быстрее, чем максимально допустимый стандартом ISO/TS 15066, когда человек находится в совместном рабочем пространстве (рис. 2).
Во многих приложениях кобот может работать один в течение длительного времени. Таким образом, определение присутствия или отсутствия людей в совместном рабочем пространстве может обеспечить гораздо более быструю работу и более высокую эффективность, когда никого нет. Обычные устройства для обнаружения присутствия людей включают сканеры безопасности, световые завесы и защитные контактные коврики. Каждый technology предлагает другой набор преимуществ, и они часто используются в комбинации.
Сканеры безопасности
Сканеры безопасности контролируют обозначенную зону и обнаруживают присутствие людей. Они могут определять, насколько далеко находится человек, и создавать различные зоны предупреждения в дополнение к зоне активной безопасности.
Модель OS32C-SP1-4M от Omron является хорошим примером лазерного сканера безопасности, предназначенного для использования с коботами. Он имеет радиус безопасности до 4 метров (м) и может поддерживать несколько зон предупреждения на расстоянии до 15 метров. Он включает в себя 70 стандартных наборов комбинаций зон безопасности и зон предупреждения для поддержки сложных рабочих пространств для совместной работы. Кроме того, минимальное разрешение объекта может быть установлено на уровне 30, 40, 50 или 70 мм, а время отклика может варьироваться от 80 миллисекунд (мс) до 680 мс, что еще больше повышает гибкость приложения (рис. 3).
Световые завесы
Световые завесы могут измерять присутствие людей и могут быть предназначены для обнаружения объектов различных размеров, таких как пальцы или руки. В отличие от сканеров безопасности, световые завесы не измеряют расстояние. Они посылают серию световых лучей между линейными матрицами излучателей и приемников и могут определять, когда объект прерывает один или несколько лучей.
Что касается классов безопасности, существует две основные классификации световых завес: Тип 2 и Тип 4. Они имеют схожий внешний вид, но предназначены для обеспечения разных уровней безопасности. Тип 4 контролирует защищенное пространство, определяющее рабочее пространство для совместной работы. Световые завесы типа 2 предназначены для применений с низким уровнем риска.
Световые завесы охраняют периметр и доступны с несколькими уровнями разрешения, например, 14 миллиметров (мм) для обнаружения пальцев и 24 мм для обнаружения рук. Модель SLC4P24-160P44 от Banner Engineering представляет собой комплект световой завесы типа 4 с матрицей излучателей и приемников и имеет разрешение 24 мм для защиты людей и машин, таких как коботы (рис. 4). Излучатели имеют ряд синхронизированных модулированных инфракрасных светодиодов. Приемники имеют соответствующий ряд синхронизированных фотоприемников. Излучатели имеют радиус действия 2 метра, а эти световые завесы могут быть установлены длиной от 160 до 320 мм с шагом 80 мм.
Лазерные сканеры безопасности и световые завесы представляют собой бесконтактные средства повышения безопасности рабочих мест для совместной работы. Однако их может быть сложно использовать в оптически сложных условиях, например, в зонах с сильно отражающими поверхностями, которые могут создавать нежелательные световые помехи, и они могут споткнуться из-за утечки масла или смазки, чрезмерной пыли или влажности.
Некоторые из этих оптических датчиков имеют регулировку чувствительности, которая может помочь уменьшить определенные типы помех. Эти настройки чувствительности также могут увеличить время отклика и другие проблемы с производительностью. Другим решением является использование защитного контактного коврика вместе с оптическими датчиками.
Защитные контактные коврики
Контактные маты безопасности имеют две проводящие пластины, разделенные растровым изолирующим слоем, и могут использоваться отдельно или в сочетании с датчиками других типов. Если человек наступает на коврик, верхняя проводящая пластина нажимается и контактирует с нижней пластиной, вызывая сигнал тревоги (рис. 5). Внешняя поверхность ковриков выполнена из полиуретана, устойчивого к скольжению и непроницаемого для воды, грязи и масла. Коврик SENTIR модели 1602-5533 от ASO Safety Solutions позволяет последовательно подключать до 10 матов к одному блоку мониторинга с максимальной зоной покрытия 10 м.2.
Безопасность в деталях
Не существует единой формулы, гарантирующей безопасность. Каждое приложение для совместной работы отличается от других, и его необходимо обрабатывать с учетом его уникальных характеристик и потребностей. Ключевой фактор: где находится приложение в континууме совместной работы (см. рисунок 1)? Чем теснее взаимодействие между коботом и людьми, тем больше защиты требуется.
Есть больше деталей, которые следует учитывать. Некоторые из них включают в себя:
- В каждом месте необходимо пройти детальную оценку рисков, чтобы определить, перемещался ли кобот с рабочей станции на рабочую станцию. Даже если они кажутся одинаковыми, небольшие различия могут повлиять на безопасность.
- Если в совместном рабочем пространстве находятся другие машины, нужно ли их связывать с системой отключения или защитным замедлением для кобота?
- В этой статье основное внимание уделяется оборудованию, связанному с безопасностью, но для сетевых систем, которые становятся все более распространенными, кибербезопасность является важным фактором для предотвращения вмешательства в работу коботов или систем безопасности.
Заключение
Безопасность коботов сложна. Он начинается с определения совместного рабочего пространства внутри охраняемого пространства и требует оценки рисков совместной работы. Такие стандарты, как ISO/TS 15066 и серия ISO 10218, важны и содержат рекомендации и рекомендации. Коботы включают базовые функции безопасности, такие как системы обнаружения столкновений, силовая обратная связь, эластичные приводы и малоинерционные серводвигатели. В зависимости от особенностей совместного применения могут потребоваться дополнительные устройства безопасности, такие как датчики приближения, световые завесы и защитные контактные коврики.