หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน (โคบอท) ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานร่วมกับมนุษย์และสนับสนุนการผลิตที่ยืดหยุ่นในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 เมื่อเปรียบเทียบกับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบเดิมๆ โคบอทนั้นง่ายกว่า ตั้งค่าง่ายกว่า และไม่ต้องใช้พื้นที่ทำงานที่แยกจากกันอย่างปลอดภัย เนื่องจากได้รับการออกแบบมาให้ทำงานร่วมกับมนุษย์ โคบอทจึงถูกสร้างขึ้นให้แตกต่างจากหุ่นยนต์อุตสาหกรรมอื่นๆ รวมถึงคุณลักษณะต่างๆ เช่น ระบบตรวจจับการชน การตอบรับแรง แอคทูเอเตอร์แบบยืดหยุ่น และเซอร์โวมอเตอร์ความเฉื่อยต่ำ
เนื่องจากการออกแบบมีความแตกต่างกัน จึงได้มีการพัฒนามาตรฐานความปลอดภัยเฉพาะสำหรับโคบอท องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐานข้อกำหนดทางเทคนิค (ISO/TS) 15066 ระบุข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับโคบอทอุตสาหกรรมและสภาพแวดล้อมการทำงาน โดยเป็นส่วนเสริมข้อกำหนดและคำแนะนำเกี่ยวกับการทำงานของโคบอทใน ISO 10218-1 และ ISO 10218-2
บทความนี้จะทบทวนข้อกำหนดของ ISO/TS 15066 โดยย่อ และความสอดคล้องกับ ISO 10218-1 และ 10218-2 จากนั้นจะพิจารณาความซับซ้อนของการทำงานร่วมกัน รวมถึงวิธีกำหนดพื้นที่ทำงานร่วมกัน โดยจะตรวจสอบปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยของหุ่นยนต์ เช่น คุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่สร้างไว้ในโคบอท และฟังก์ชันความปลอดภัยภายนอกที่จำเป็น พร้อมด้วยอุปกรณ์ที่เป็นแบบอย่าง เช่น พรอกซิมิตี้เซนเซอร์ ม่านแสง และแผ่นสัมผัสเพื่อความปลอดภัย ปิดท้ายด้วยการทบทวนการใช้งานบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัยของโคบอทโดยเฉพาะ
มีมาตรฐานความปลอดภัยที่สำคัญหลายประการสำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมและโคบอท ISO/TS 15066 ให้รายละเอียดข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับระบบโคบอทอุตสาหกรรมและสภาพแวดล้อมการทำงาน และเขียนขึ้นเพื่อต่อยอดและเสริมข้อกำหนดที่จำกัดในมาตรฐานก่อนหน้านี้ เช่น ซีรี่ส์ ISO 10218 ISO 10218-1 มุ่งเน้นไปที่หุ่นยนต์ทั่วไปและอุปกรณ์หุ่นยนต์ ในขณะที่ ISO 10218-2 มุ่งเน้นไปที่ระบบหุ่นยนต์และการบูรณาการ American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) R15.06 คือการนำ ISO 10218-1 และ ISO 10218-2 มาใช้ในระดับประเทศ
ความซับซ้อนของการทำงานร่วมกัน
ก่อนที่จะลงรายละเอียดเกี่ยวกับความปลอดภัยของโคบอท ควรกำหนดการทำงานร่วมกันก่อน การทำงานร่วมกันในด้านวิทยาการหุ่นยนต์มีความซับซ้อนและมีปัจจัยสามประการ:
- โคบอทคือ “หุ่นยนต์ที่ออกแบบมาเพื่อโต้ตอบโดยตรงกับมนุษย์ภายในพื้นที่ทำงานร่วมกันที่กำหนด” ตาม ANSI/RIA R15.06
- การดำเนินการร่วมกันคือ "สถานะที่ระบบหุ่นยนต์ที่ได้รับการออกแบบโดยมีจุดประสงค์และผู้ปฏิบัติงานทำงานภายในพื้นที่ทำงานร่วมกัน" ตามมาตรฐาน ISO/TS 15066
- สุดท้ายนี้ พื้นที่ทำงานร่วมกันคือ “พื้นที่ทำงานภายในพื้นที่ที่ได้รับการป้องกัน ซึ่งหุ่นยนต์และมนุษย์สามารถทำงานพร้อมกันระหว่างการดำเนินการผลิต” ตามมาตรฐาน ANSI/RIA R15.06
มันขึ้นอยู่กับคำจำกัดความของพื้นที่ทำงานร่วมกัน “ภายในพื้นที่ที่ได้รับการคุ้มครอง” พื้นที่ที่ได้รับการคุ้มครองประกอบด้วยชั้นการป้องกันความปลอดภัย นอกเหนือจากฟังก์ชันความปลอดภัยมาตรฐานที่รวมอยู่ในโคบอท
คุณสมบัติการป้องกันทั่วไปที่รวมอยู่ในโคบอท ได้แก่ ระบบตรวจจับการสัมผัสโดยอิงจากการวัดแรงบิดที่ข้อต่อทุกจุด ซึ่งจะตรวจสอบการกระแทก สิ่งกีดขวาง หรือแรงหรือแรงบิดที่มากเกินไป ควรมีระบบเบรกอัตโนมัติและการปลดเบรกแบบแมนนวลสำหรับการเคลื่อนแขนโดยไม่มีกำลัง
โคบอทสัมผัสกับบุคคลโดยไม่คาดคิดถือเป็นข้อกังวลเป็นพิเศษ มาตรฐานกำหนดว่าควรป้องกันการสัมผัสบริเวณใดก็ตามบนศีรษะของบุคคล นอกจากนี้ มาตรฐานยังแบ่งส่วนของร่างกายออกเป็น 29 ส่วนเฉพาะและข้อจำกัดรายละเอียดสำหรับการสัมผัส XNUMX ประเภท:
- ชั่วคราว การสัมผัสคือเหตุการณ์ที่เคลื่อนที่และไดนามิกซึ่งโคบอทชนเข้ากับบุคคล ข้อจำกัดจะขึ้นอยู่กับตำแหน่ง ความเฉื่อย และความเร็วสัมพัทธ์
- กึ่งคงที่ การสัมผัสเกิดขึ้นเมื่อส่วนของร่างกายติดอยู่ระหว่างโคบอทกับพื้นผิว ข้อจำกัดขึ้นอยู่กับแรงกดและแรงที่เกี่ยวข้องกับการกระแทกและการหนีบ
ข้อมูลจำเพาะนี้ให้คำแนะนำ ไม่ใช่ข้อจำกัดที่แน่นอน ขึ้นอยู่กับการพิจารณาการใช้งาน นอกจากนี้ยังระบุด้วยว่าคำแนะนำดังกล่าวเป็นข้อมูลและสะท้อนถึงแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในปัจจุบัน เนื่องจากการทำงานร่วมกันระหว่างผู้คนกับหุ่นยนต์เป็นสาขาใหม่และการวิจัยยังดำเนินอยู่
ความร่วมมืออย่างต่อเนื่อง
ไม่มีแอปพลิเคชันการทำงานร่วมกันเพียงรายการเดียว ผู้คนและโคบอทสามารถโต้ตอบและทำงานร่วมกันได้อย่างต่อเนื่อง แอปพลิเคชันการทำงานร่วมกันมีตั้งแต่การอยู่ร่วมกัน โดยที่หุ่นยนต์หยุดทำงานเมื่อมีคนเข้าไปในพื้นที่ทำงานร่วมกัน ไปจนถึงกิจกรรมเชิงโต้ตอบกับบุคคลที่สัมผัสโคบอทขณะทำงาน (รูปที่ 1)
จำเป็นต้องมีการประเมินความเสี่ยงเพื่อระบุความต้องการด้านความปลอดภัยของแอปพลิเคชันการทำงานร่วมกันแต่ละรายการ รวมถึงการระบุ การประเมิน และลดอันตรายและความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการใช้งาน ISO 10218 ประกอบด้วยรายการคุณลักษณะด้านความปลอดภัยที่เหมาะสมในสถานการณ์ต่างๆ แต่ไม่มีข้อกำหนดขั้นสุดท้าย ISO/TS 15066 นำรายละเอียดเพิ่มเติมมาสู่การประเมินความเสี่ยงของโคบอท ในแต่ละกรณี เป้าหมายของการประเมินความเสี่ยงคือการระบุอุปกรณ์และระบบความปลอดภัยภายนอกที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าแอปพลิเคชันการทำงานร่วมกันมีการใช้งานอย่างปลอดภัย
หากต้องการเจาะลึกยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการประเมินความเสี่ยงและหุ่นยนต์ โปรดดูบทความ “การรวม AMR อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพเข้ากับการดำเนินงานของอุตสาหกรรม 4.0 เพื่อผลประโยชน์สูงสุด”
การป้องกันและประสิทธิภาพ
แม้ว่าโคบอทได้รับการออกแบบเพื่อการทำงานที่ปลอดภัย แต่ชั้นการป้องกันเพิ่มเติมสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของแอปพลิเคชันการทำงานร่วมกันได้ หากไม่มีความปลอดภัยเพิ่มเติม เมื่อบุคคลเข้าไปในพื้นที่ทำงานร่วมกัน ISO/TS 15066 จะกำหนดความเร็วสูงสุดที่ 0.25 เมตรต่อวินาที (m/s) ต่อแกน สำหรับโคบอทส่วนใหญ่นั้นช้ามาก
ตัวอย่างเช่น โคบอท LXMRL12S0000 Lexium จาก Schneider Electric มีน้ำหนักบรรทุกสูงสุด 12 กิโลกรัม (กก.) รัศมีการทำงาน (ช่วงการทำงาน) 1327 มิลลิเมตร (มม.) ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่ง ±0.03 มม. และความเร็วสูงสุดของปลายเครื่องมือ 3 เมตรต่อวินาที (m/s) ซึ่งเร็วกว่าค่าสูงสุดที่ ISO/TS 12 อนุญาตถึง 15066 เท่า เมื่อบุคคลอยู่ในพื้นที่ทำงานร่วมกัน (รูปที่ 2)
ในการใช้งานหลายอย่าง โคบอทสามารถทำงานได้โดยลำพังเป็นเวลานาน ดังนั้นการตรวจจับว่ามีหรือไม่มีผู้คนในพื้นที่ทำงานร่วมกันช่วยให้การดำเนินงานเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อไม่มีใครอยู่ อุปกรณ์ทั่วไปสำหรับตรวจจับการมีอยู่ของผู้คน ได้แก่ เครื่องสแกนเพื่อความปลอดภัย ม่านกันแสง และพรมปูพื้นแบบสัมผัสเพื่อความปลอดภัย แต่ละ เทคโนโลยี ให้สิทธิประโยชน์ที่แตกต่างกันออกไป และมักใช้ร่วมกัน
เครื่องสแกนความปลอดภัย
เครื่องสแกนความปลอดภัยจะตรวจสอบพื้นที่ที่กำหนดเพื่อตรวจจับการมีอยู่ของผู้คน พวกเขาสามารถกำหนดได้ว่าบุคคลอยู่ห่างจากบุคคลเพียงใด และใช้โซนเตือนต่างๆ นอกเหนือจากโซนความปลอดภัยแบบแอคทีฟ
OS32C-SP1-4M ของ Omron คือตัวอย่างที่ดีของเครื่องสแกนเลเซอร์นิรภัยที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับโคบอท มีรัศมีความปลอดภัยสูงสุด 4 เมตร (ม.) และสามารถรองรับโซนเตือนภัยได้หลายโซนสูงสุด 15 เมตร ประกอบด้วยชุดโซนความปลอดภัยและโซนเตือนมาตรฐาน 70 ชุด เพื่อรองรับพื้นที่ทำงานร่วมกันที่ซับซ้อน นอกจากนี้ ความละเอียดของวัตถุขั้นต่ำสามารถตั้งค่าเป็น 30, 40, 50 หรือ 70 มม. และเวลาตอบสนองสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 80 มิลลิวินาที (ms) ถึง 680 ms ซึ่งช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการใช้งาน (รูปที่ 3)
ม่านแสง
ม่านแสงสามารถวัดการมีอยู่ของผู้คน และออกแบบมาเพื่อตรวจจับวัตถุขนาดต่างๆ เช่น นิ้วมือหรือมือ ม่านแสงไม่ได้วัดระยะทางต่างจากเครื่องสแกนความปลอดภัย โดยจะส่งชุดลำแสงระหว่างตัวปล่อยเชิงเส้นและอาร์เรย์ตัวรับ และสามารถตรวจจับได้เมื่อวัตถุหักลำแสงตั้งแต่หนึ่งลำแสงขึ้นไป
ในแง่ของระดับความปลอดภัย มีการจำแนกประเภทม่านแสงหลักสองประเภท: ประเภทที่ 2 และประเภทที่ 4 ซึ่งมีลักษณะภายนอกคล้ายกัน แต่ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ระดับความปลอดภัยที่แตกต่างกัน Type 4 ตรวจสอบพื้นที่ที่ได้รับการป้องกันซึ่งกำหนดพื้นที่ทำงานร่วมกัน ม่านแสงประเภท 2 ได้รับการออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่มีความเสี่ยงต่ำ
ม่านแสงป้องกันขอบเขตและมีให้เลือกหลายระดับความละเอียด เช่น 14 มม. (มม.) สำหรับการตรวจจับนิ้วมือ และ 24 มม. สำหรับการตรวจจับมือ รุ่น SLC4P24-160P44 จาก Banner Engineering เป็นชุดม่านแสง Type 4 ที่มีอาร์เรย์ตัวปล่อยและตัวรับ และมีความละเอียด 24 มม. เพื่อปกป้องผู้คนและเครื่องจักร เช่น โคบอท (รูปที่ 4) ตัวส่งจะมีแถวของไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดมอดูเลตแบบซิงโครไนซ์ ตัวรับสัญญาณจะมีแถวของเครื่องตรวจจับแสงแบบซิงโครไนซ์ที่สอดคล้องกัน ตัวส่งสัญญาณมีระยะ 2 เมตร และม่านกันแสงเหล่านี้สามารถติดตั้งได้ในความยาวตั้งแต่ 160 ถึง 320 มม. โดยเพิ่มทีละ 80 มม.
เครื่องสแกนเลเซอร์นิรภัยและม่านแสงเป็นเครื่องมือแบบไม่สัมผัสเพื่อเพิ่มความปลอดภัยของพื้นที่ทำงานร่วมกัน อย่างไรก็ตาม อาจเป็นเรื่องยากที่จะใช้ในสภาพแวดล้อมที่ท้าทายการมองเห็น เช่น พื้นที่ที่มีพื้นผิวสะท้อนแสงสูงซึ่งสามารถส่งการรบกวนแสงที่ไม่ต้องการได้ และอาจสะดุดได้เนื่องจากมีน้ำมันหรือจาระบีรั่วไหล หรือมีฝุ่นหรือความชื้นมากเกินไป
เซ็นเซอร์ออปติคัลเหล่านี้บางตัวมีการปรับความไวที่สามารถช่วยลดการรบกวนบางประเภทได้ การปรับความไวเหล่านั้นยังช่วยเพิ่มเวลาตอบสนองและประสิทธิภาพอื่นๆ ที่ลดลงอีกด้วย อีกวิธีหนึ่งคือการใช้แผ่นสัมผัสเพื่อความปลอดภัยร่วมกับอุปกรณ์ตรวจจับแสง
เสื่อสัมผัสเพื่อความปลอดภัย
แผ่นรองสัมผัสนิรภัยมีแผ่นนำไฟฟ้าสองแผ่นคั่นด้วยชั้นฉนวนแรสเตอร์ และสามารถใช้เดี่ยวๆ หรือใช้ร่วมกับเซ็นเซอร์ประเภทอื่นๆ ได้ หากมีคนเหยียบบนเสื่อ แผ่นนำไฟฟ้าด้านบนจะถูกกดลงและสัมผัสกับแผ่นด้านล่าง ทำให้เกิดสัญญาณเตือน (รูปที่ 5) ด้านนอกของเสื่อเป็นวัสดุโพลียูรีเทนที่ทนทานต่อการลื่นและกันน้ำ สิ่งสกปรก และน้ำมัน เสื่อ SENTIR รุ่น 1602-5533 จาก ASO Safety Solutions สามารถเชื่อมต่อเสื่อได้สูงสุด 10 แผ่นในซีรีส์เข้ากับหน่วยตรวจสอบเดียวเพื่อความครอบคลุมสูงสุด 10 ม.2.
ความปลอดภัยอยู่ในรายละเอียด
ไม่มีสูตรเดียวที่รับประกันความปลอดภัย แอปพลิเคชันการทำงานร่วมกันทุกรายการมีความแตกต่างกัน และจำเป็นต้องได้รับการจัดการตามคุณลักษณะและความต้องการเฉพาะตัว ปัจจัยสำคัญคือ: แอปพลิเคชันอยู่ที่จุดใดของการทำงานร่วมกันอย่างต่อเนื่อง (ดูรูปที่ 1) ยิ่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างโคบอทกับคนใกล้ชิดกันมากขึ้นเท่าใด การป้องกันก็เป็นสิ่งจำเป็นมากขึ้นเท่านั้น
มีรายละเอียดเพิ่มเติมให้พิจารณา บางส่วนได้แก่:
- สถานที่แต่ละแห่งต้องได้รับการประเมินความเสี่ยงโดยละเอียดเพื่อดูว่าโคบอทถูกย้ายจากเวิร์กสเตชันไปยังเวิร์กสเตชันหรือไม่ แม้ว่าจะดูเหมือนกัน แต่ความแตกต่างเล็กๆ น้อยๆ ก็สามารถสร้างความแตกต่างด้านความปลอดภัยได้
- หากเครื่องจักรอื่นๆ อยู่ในพื้นที่ทำงานร่วมกัน จำเป็นต้องเชื่อมโยงกับระบบการปิดระบบหรือการชะลอตัวด้านความปลอดภัยของโคบอทหรือไม่
- บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ฮาร์ดแวร์ที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย แต่สำหรับระบบเครือข่ายที่แพร่หลายมากขึ้น ความปลอดภัยทางไซเบอร์ถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญเพื่อป้องกันการแทรกแซงการทำงานของโคบอทหรือระบบความปลอดภัย
สรุป
ความปลอดภัยของโคบอทมีความซับซ้อน เริ่มต้นด้วยการกำหนดพื้นที่ทำงานร่วมกันภายในพื้นที่ที่ได้รับการป้องกัน และต้องมีการประเมินความเสี่ยงของการดำเนินงานร่วมกัน มาตรฐานต่างๆ เช่น ISO/TS 15066 และ ISO 10218 series มีความสำคัญและให้คำแนะนำและแนวปฏิบัติ โคบอทส์มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐาน เช่น ระบบตรวจจับการชน ระบบตอบสนองแรง แอคชูเอเตอร์แบบยืดหยุ่น และเซอร์โวมอเตอร์ความเฉื่อยต่ำ อาจจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ความปลอดภัยเพิ่มเติม เช่น พรอกซิมิตี้เซนเซอร์ ม่านแสง และแผ่นสัมผัสเพื่อความปลอดภัย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของการใช้งานร่วมกัน