Robot cộng tác (cobot) được thiết kế để làm việc với con người và hỗ trợ sản xuất linh hoạt trong các nhà máy Công nghiệp 4.0. So với robot công nghiệp truyền thống, cobot đơn giản hơn, dễ cài đặt hơn và không yêu cầu không gian làm việc cách ly an toàn. Vì được thiết kế để làm việc với con người nên cobot được chế tạo khác với các robot công nghiệp khác, bao gồm các tính năng như hệ thống phát hiện va chạm, phản hồi lực, bộ truyền động đàn hồi và động cơ servo quán tính thấp.
Vì chúng khác nhau về thiết kế nên các tiêu chuẩn an toàn cụ thể đã được phát triển cho cobots. Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế về Thông số kỹ thuật (ISO/TS) 15066 quy định các yêu cầu an toàn đối với cobot công nghiệp và môi trường làm việc của chúng. Nó bổ sung các yêu cầu và hướng dẫn về vận hành cobot trong ISO 10218-1 và ISO 10218-2.
Bài viết này xem xét ngắn gọn các yêu cầu của ISO/TS 15066 và chúng phù hợp như thế nào với ISO 10218-1 và 10218-2. Sau đó, nó xem xét sự phức tạp của việc cộng tác, bao gồm cả cách xác định không gian làm việc cộng tác. Nó kiểm tra các yếu tố liên quan đến sự an toàn của robot, như các tính năng an toàn được tích hợp trong cobot và những chức năng an toàn bên ngoài nào là cần thiết, cùng với các thiết bị mẫu như cảm biến tiệm cận, rèm chắn sáng và thảm tiếp xúc an toàn. Phần này kết thúc bằng phần đánh giá ngắn gọn về một số ứng dụng cụ thể liên quan đến các cân nhắc về an toàn của cobot.
Có một số tiêu chuẩn an toàn quan trọng dành cho robot công nghiệp và cobots. ISO/TS 15066 nêu chi tiết các yêu cầu an toàn đối với hệ thống cobot công nghiệp và môi trường làm việc, đồng thời được soạn thảo để xây dựng và bổ sung các yêu cầu hạn chế trong các tiêu chuẩn trước đây như bộ tiêu chuẩn ISO 10218. ISO 10218-1 tập trung vào robot nói chung và thiết bị robot, trong khi ISO 10218-2 tập trung vào hệ thống robot và sự tích hợp. Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ/Hiệp hội Công nghiệp Robot (ANSI/RIA) R15.06 là tiêu chuẩn quốc gia áp dụng ISO 10218-1 và ISO 10218-2.
Sự phức tạp của sự hợp tác
Trước khi đi vào chi tiết về sự an toàn của cobot, việc xác định sự hợp tác sẽ rất hữu ích. Sự hợp tác trong lĩnh vực robot rất phức tạp và bao gồm ba yếu tố:
- Cobot là “robot được thiết kế để tương tác trực tiếp với con người trong không gian làm việc hợp tác xác định”, theo ANSI/RIA R15.06.
- Hoạt động hợp tác là “trạng thái trong đó hệ thống robot được thiết kế có mục đích và người vận hành làm việc trong không gian làm việc hợp tác”, theo ISO/TS 15066.
- Cuối cùng, không gian làm việc hợp tác là “không gian làm việc trong không gian được bảo vệ, nơi robot và con người có thể thực hiện các nhiệm vụ đồng thời trong quá trình vận hành sản xuất”, theo ANSI/RIA R15.06.
Nó đưa ra định nghĩa về không gian làm việc hợp tác “trong không gian được bảo vệ”. Không gian được bảo vệ bao gồm một lớp bảo vệ an toàn bên cạnh các chức năng an toàn tiêu chuẩn có trong cobot.
Các tính năng bảo vệ phổ biến được tích hợp vào cobot bao gồm hệ thống phát hiện tiếp xúc dựa trên phép đo mô-men xoắn ở mọi khớp để theo dõi các tác động không mong muốn, vật cản hoặc lực hoặc mô-men xoắn quá mức. Cũng cần có hệ thống phanh tự động và nhả phanh bằng tay để di chuyển cánh tay mà không cần nguồn điện.
Việc cobot tiếp xúc bất ngờ với người là một mối lo ngại đặc biệt. Các tiêu chuẩn quy định rằng việc tiếp xúc phải được ngăn chặn ở bất kỳ vị trí nào trên đầu của một người. Ngoài ra, tiêu chuẩn chia cơ thể thành 29 khu vực cụ thể và giới hạn chi tiết cho hai loại tiếp xúc:
- Tạm thời liên hệ là một sự kiện năng động, chuyển động trong đó cobot chạm vào một người. Các giới hạn dựa trên vị trí, quán tính và tốc độ tương đối.
- Bán tĩnh sự tiếp xúc xảy ra khi một bộ phận cơ thể bị mắc kẹt giữa cobot và bề mặt. Các giới hạn dựa trên áp suất và lực liên quan đến hiệu ứng nghiền và kẹp.
Thông số kỹ thuật cung cấp hướng dẫn chứ không phải giới hạn tuyệt đối, dựa trên những cân nhắc về ứng dụng. Nó cũng nêu rõ rằng hướng dẫn này mang tính thông tin và phản ánh các phương pháp thực hành tốt nhất hiện nay vì sự hợp tác giữa con người và robot là một lĩnh vực mới và nghiên cứu đang được tiến hành.
Sự hợp tác liên tục
Không có ứng dụng hợp tác duy nhất. Con người và cobot có thể tương tác và cộng tác theo nhiều cách khác nhau. Các ứng dụng cộng tác bao gồm từ cùng tồn tại, trong đó rô-bốt dừng lại khi có người bước vào không gian làm việc hợp tác, đến hoạt động tương tác khi người chạm vào cobot khi đang hoạt động (Hình 1).
Cần phải đánh giá rủi ro để xác định nhu cầu an toàn của các ứng dụng hợp tác riêng lẻ. Nó bao gồm việc xác định, đánh giá và giảm thiểu các mối nguy hiểm và rủi ro liên quan đến ứng dụng. ISO 10218 bao gồm danh sách các tính năng an toàn có thể phù hợp trong nhiều trường hợp khác nhau nhưng không có yêu cầu rõ ràng. ISO/TS 15066 cung cấp thêm thông tin chi tiết cho việc đánh giá rủi ro cobot. Trong mỗi trường hợp, mục tiêu của việc đánh giá rủi ro là xác định các thiết bị và hệ thống an toàn bên ngoài cần thiết để đảm bảo triển khai an toàn các ứng dụng cộng tác.
Để tìm hiểu sâu hơn về đánh giá rủi ro và robot, hãy xem bài viết “Tích hợp AMR một cách an toàn và hiệu quả vào các hoạt động của Công nghiệp 4.0 để mang lại lợi ích tối đa”.
Bảo vệ và hiệu quả
Mặc dù cobot được thiết kế để vận hành an toàn nhưng các lớp bảo vệ bổ sung có thể cải thiện hiệu quả của các ứng dụng cộng tác. Nếu không có sự an toàn bổ sung, khi một người bước vào không gian làm việc cộng tác, ISO/TS 15066 yêu cầu tốc độ tối đa là 0.25 mét mỗi giây (m/s) trên mỗi trục. Đối với hầu hết các cobot, tốc độ này rất chậm.
Ví dụ: cobot Lexium LXMRL12S0000 của Schneider Electric có tải trọng tối đa 12 kg (kg), bán kính hoạt động (phạm vi làm việc) là 1327 mm (mm), độ chính xác định vị là ±0.03 mm và tốc độ tối đa của đầu dụng cụ 3 mét mỗi giây (m/s), nhanh hơn 12 lần so với mức tối đa cho phép của ISO/TS 15066 khi một người ở trong không gian làm việc hợp tác (Hình 2).
Trong nhiều ứng dụng, cobot có thể hoạt động một mình trong thời gian dài. Vì vậy, việc cảm nhận sự hiện diện hay vắng mặt của mọi người trong không gian làm việc cộng tác có thể cho phép hoạt động nhanh hơn và hiệu quả cao hơn khi không có ai có mặt. Các thiết bị phổ biến để cảm nhận sự hiện diện của con người bao gồm máy quét an toàn, rèm chắn sáng và thảm trải sàn tiếp xúc an toàn. Mỗi công nghệ mang lại nhiều lợi ích khác nhau và chúng thường được sử dụng kết hợp.
Máy quét an toàn
Máy quét an toàn giám sát một khu vực được chỉ định để phát hiện sự hiện diện của người dân. Họ có thể xác định khoảng cách của một người và thực hiện các vùng cảnh báo khác nhau ngoài vùng an toàn chủ động.
Model OS32C-SP1-4M của Omron là một ví dụ điển hình về máy quét laser an toàn được thiết kế để sử dụng với cobots. Nó có bán kính an toàn lên tới 4 mét (m) và có thể hỗ trợ nhiều vùng cảnh báo lên tới 15 m. Nó bao gồm 70 bộ kết hợp vùng an toàn và vùng cảnh báo tiêu chuẩn để hỗ trợ các không gian làm việc cộng tác phức tạp. Ngoài ra, độ phân giải đối tượng tối thiểu có thể được đặt thành 30, 40, 50 hoặc 70 mm và thời gian phản hồi có thể dao động từ 80 mili giây (ms) đến 680 ms, giúp tăng thêm tính linh hoạt của ứng dụng (Hình 3).
Màn của màu sáng
Màn sáng có thể đo sự hiện diện của con người và có thể được thiết kế để phát hiện các vật thể có kích thước khác nhau, như ngón tay hoặc bàn tay. Không giống như máy quét an toàn, rèm sáng không đo khoảng cách. Chúng gửi một loạt chùm ánh sáng giữa các mảng phát và thu tuyến tính và có thể cảm nhận được khi một vật thể phá vỡ một hoặc nhiều chùm tia.
Về xếp hạng an toàn, có hai cách phân loại rèm sáng chính: Loại 2 và Loại 4. Chúng có hình dáng bên ngoài tương tự nhau nhưng được thiết kế để mang lại mức độ an toàn khác nhau. Loại 4 giám sát không gian được bảo vệ để xác định không gian làm việc cộng tác. Màn chắn ánh sáng loại 2 được thiết kế cho các ứng dụng có rủi ro thấp hơn.
Màn sáng bảo vệ chu vi và có nhiều mức độ phân giải, chẳng hạn như 14 mm (mm) để phát hiện ngón tay và 24 mm để phát hiện bàn tay. Model SLC4P24-160P44 của Banner Engineering, là bộ rèm sáng Loại 4 với dãy bộ phát và bộ thu và có độ phân giải 24 mm để bảo vệ con người và máy móc như cobot (Hình 4). Các bộ phát có một hàng điốt phát sáng hồng ngoại được điều chế đồng bộ. Máy thu có một hàng bộ tách sóng quang đồng bộ tương ứng. Bộ phát có phạm vi 2 mét và những tấm chắn sáng này có thể được lắp đặt với chiều dài từ 160 đến 320 mm với khoảng tăng 80 mm.
Máy quét laser an toàn và rèm sáng cung cấp các phương tiện không tiếp xúc để tăng cường sự an toàn của không gian làm việc hợp tác. Tuy nhiên, chúng có thể khó sử dụng trong những môi trường khó khăn về mặt quang học như khu vực có bề mặt phản chiếu cao có thể gây nhiễu ánh sáng không mong muốn và chúng có thể bị vấp do rò rỉ dầu hoặc mỡ hoặc bụi hoặc độ ẩm quá mức.
Một số cảm biến quang học này bao gồm các điều chỉnh độ nhạy có thể giúp giảm thiểu một số loại nhiễu nhất định. Những điều chỉnh độ nhạy đó cũng có thể làm tăng thời gian phản hồi và các ảnh hưởng khác đến hiệu suất. Một giải pháp khác là sử dụng tấm tiếp xúc an toàn cùng với các thiết bị cảm biến quang học.
Thảm tiếp xúc an toàn
Thảm tiếp xúc an toàn có hai tấm dẫn điện được ngăn cách bằng một lớp cách điện dạng lưới và có thể được sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp với các loại cảm biến khác. Nếu một người bước lên tấm thảm, tấm dẫn điện phía trên sẽ bị ấn xuống và tiếp xúc với tấm phía dưới, kích hoạt tín hiệu cảnh báo (Hình 5). Mặt ngoài của thảm là vật liệu polyurethane có khả năng chống trơn trượt và không thấm nước, bụi bẩn và dầu. Mẫu thảm SENTIR 1602-5533 của ASO Safety Solutions có thể kết nối tối đa 10 thảm nối tiếp với một thiết bị giám sát duy nhất để có phạm vi phủ sóng tối đa 10 m2.
An toàn là trong các chi tiết
Không có một công thức duy nhất nào đảm bảo an toàn. Mỗi ứng dụng cộng tác đều khác nhau và cần được xử lý dựa trên các đặc điểm và nhu cầu riêng của nó. Yếu tố quan trọng là: ứng dụng nằm ở đâu trong quá trình cộng tác liên tục (xem Hình 1)? Sự tương tác giữa cobot và con người càng chặt chẽ thì càng cần phải bảo vệ nhiều hơn.
Có nhiều chi tiết hơn để xem xét. Một số trong số họ bao gồm:
- Mỗi địa điểm cần phải trải qua đánh giá rủi ro chi tiết để xem liệu cobot có được di chuyển từ trạm này sang trạm khác hay không. Ngay cả khi chúng có vẻ giống nhau, những thay đổi nhỏ cũng có thể tạo ra sự khác biệt về độ an toàn.
- Nếu các máy khác đang ở trong không gian làm việc cộng tác, chúng có cần được liên kết với hệ thống tắt máy hoặc hệ thống giảm tốc độ an toàn cho cobot không?
- Bài viết này tập trung vào phần cứng liên quan đến an toàn, nhưng đối với các hệ thống nối mạng ngày càng phổ biến, an ninh mạng là yếu tố quan trọng cần cân nhắc để ngăn chặn sự can thiệp vào hoạt động của cobot hoặc hệ thống an toàn.
Kết luận
An toàn của cobot rất phức tạp. Quá trình này bắt đầu bằng việc xác định không gian làm việc hợp tác trong không gian được bảo vệ và yêu cầu đánh giá rủi ro đối với hoạt động hợp tác. Các tiêu chuẩn như ISO/TS 15066 và bộ tiêu chuẩn ISO 10218 rất quan trọng và đưa ra các khuyến nghị cũng như hướng dẫn. Cobot bao gồm các tính năng an toàn cơ bản như hệ thống phát hiện va chạm, phản hồi lực, bộ truyền động đàn hồi và động cơ servo có quán tính thấp. Tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của ứng dụng cộng tác, có thể cần thêm các thiết bị an toàn bổ sung như cảm biến tiệm cận, rèm chắn sáng và thảm tiếp xúc an toàn.