Bezpieczna współpraca robotów i ludzi

Źródło: RIA/Yaskawa

Wykorzystywanie w zakładach przemysłowych robotów bezpośrednio współpracujących z człowiekiem od kilku lat cieszy się coraz większą popularnością. W takiej sytuacji pracownik dzieli z robotem wspólną przestrzeń roboczą. Przebywa w zasięgu jego ramion i np. zamocowanych w nich narzędzi, co może wiązać się z ryzykiem wystąpienia niebezpiecznych sytuacji. Jak zatem zapewnić wysoki poziom bezpieczeństwa w relacji człowiek–robot?

Dotychczas roboty przemysłowe były zwykle wykorzystywane do zadań uznawanych za niepożądane dla realizacji przez pracowników, czyli do wykonywania prac niebezpiecznych, brudnych lub monotonnych. Roboty, zastępując pracowników, pomagały zapobiegać urazom oraz negatywnym skutkom zdrowotnym, wynikającym np. z pracy w niebezpiecznych warunkach. Roboty sprawdzają się również wszędzie tam, gdzie praca jest monotonna lub wykonuje się stale te same, powtarzające się czynności, co wpływa negatywnie na mięśnie, stawy i układ kostny człowieka, a także oddziałuje negatywnie na koncentrację, zwiększając prawdopodobieństwo popełnienia błędu z powodu nieuwagi. Pracownicy byli nie tylko wyręczani przy takich pracach przez roboty, ale też przed nimi chronieni. Roboty nowej generacji wciąż wykonują tego typu zadania, ale dzięki możliwości pracy w bliskim kontakcie z ludźmi mogą być wykorzystywane na szerszą skalę w nowych aplikacjach.

Interakcje między ludźmi a robotami współpracującymi (zwanymi też cobotami) mogą obejmować przekazywanie lub podawanie sobie części i materiałów. Pracownik może też bezpośrednio uczyć robota, wodząc jego ramieniem i prowadząc go przez pożądany obrys ruchu – robot go zapamiętuje i następnie powtarza już samodzielnie wielokrotnie określone ruchy i operacje. Pozwala to z jednej strony częściowo zautomatyzować wykonywanie powtarzających się czynności i lepiej wykorzystać mocne strony człowieka, a także robota. Mowa tu o sile, precyzji, wytrzymałości oraz powtarzalności czynności robota i elastyczności, spostrzegawczości, kreatywności oraz umiejętności rozwiązywania problemów przez człowieka.

Robotów współpracujących będzie coraz więcej

Analitycy z firmy Markets and Markets w raporcie dotyczącym światowego rynku robotów współpracujących przewidują, że w 2023 roku osiągnie on wartość 4,28 mld dolarów i w latach 2017–2023 będzie co roku średnio rósł o 56,94%. Tak znaczące wzrosty mają wynikać z wysokich wskaźników ROI (szybki zwrot z inwestycji) i stosunkowo niskich cen takich robotów. To zwiększa ich atrakcyjność dla firm z segmentu MŚP.

Istotnym trendem na rynku jest również w wielu branżach zwiększenie inwestycji w automatyzację w celu wsparcia koncepcji Przemysłu 4.0. Oczekuje się, że rynek robotów współpracujących o udźwigu powyżej 10 kg będzie wzrastał najszybciej. Według analityków ma to wynikać głównie z popytu na roboty współpracujące o dużej ładowności w takich branżach, jak: motoryzacja, przemysł meblarski, obróbki metali i obróbki skrawaniem.

Rynek robotów współpracujących – cobotów o udźwigu powyżej 10 kg – jest bardzo popularny i obecnie operuje na nim niewielu dostawców, czego przykładem są takie firmy, jak: FANUC, KUKA i MABI. Tego rodzaju roboty współpracujące są konkurencyjne w stosunku do dostępnych robotów przemysłowych, również ze względu na zwiększone bezpieczeństwo. Dlatego, jak sądzą analitycy, roboty współpracujące o udźwigu powyżej 10 kg powinny w najbliższej przyszłości zyskać na popularności.

Warto zaznaczyć, że zgodnie ze wspomnianym raportem, w 2016 r. Europa miała największy udział w rynku robotów współpracujących, a rozwój rynku w regionie był dodatkowo stymulowany przez silne wsparcie instytucji rządowych w celu promowania rozwiązań automatyki przemysłowej i koncepcji nowoczesnego Przemysłu 4.0. Przodują w tym zakresie takie kraje, jak Wielka Brytania, Niemcy i Francja. Wśród głównych graczy na globalnym rynku robotów współpracujących wymienia się w raporcie firmy: ABB, KUKA, FANUC, Robert Bosch, Universal Robots, Rethink Robotics, MRK-Systeme, Precise Automation, Energid Technologies, F&P Robotics, MABI, Techman Robot for Quanta Storage, Franka Emika, AUBO Robotics, YASKAWA Electric, Comau i KAWADA Robotics. Na pewno trzeba się zgodzić z tezą, że zwłaszcza w krajach, w których płace rosną, firmy będą poszukiwać szybkiego wzrostu wydajności, co pozwoli organizacjom zachować konkurencyjność, przy jednoczesnym zagwarantowaniu wysokich płac. Rozwiązaniem może być inwestycja w roboty współpracujące.

Bezpieczeństwo

Można wyróżnić trzy sposobności bezpośredniego kontaktu operatora z robotem, który może odbywać się w czasie programowania (uczenia) robota, w trakcie współpracy z robotem oraz podczas napraw i konserwacji. Najczęściej wyznacza się trzy poziomy stref ochronnych: wykrywanie obecności pracownika na granicy stanowiska zrobotyzowanego, wykrywanie obecności człowieka w obszarze stanowiska poza i w zasięgu ruchu robota oraz bezpośredniego kontaktu z robotem lub blisko jego ramienia. Obecnie stosuje się różne systemy detekcji obecności człowieka. Przykładowo może to być: detekcja promieniowania mikrofalowego (wykorzystanie efektu Dopplera), detekcja podczerwieni pasywnej i aktywnej, systemy wizyjne, zmian pojemności elektrycznej, nacisku, wykorzystanie ultradźwięków itp. Trzeba pamiętać, że projekt systemu zrobotyzowanego musi uwzględniać wymagania zawarte w normie PN-EN ISO 10218-1:2011 oraz załączniku I do dyrektywy dotyczącej maszyn. Zakres tej normy to wymagania i wskazówki do projektowania bezpiecznego, doboru środków ochronnych i informacji w celu stosowania robotów przemysłowych, zdefiniowane w rozdziale 3. Opisano tu podstawowe zagrożenia związane z robotami i zamieszczono wymagania niezbędne do ich eliminowania lub odpowiedniego zmniejszenia ryzyka związanego z wymienionymi zagrożeniami. Normę opublikowano w roku 2011 w czasie, w którym roboty współpracujące były nowością i stanowiły margines rynku. Dlatego nie zostały w niej uwzględnione. Na początku 2016 r. Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) opublikowała specyfikację techniczną ISO/TS 15066, w której uzupełniono normę ISO 10218 o zagadnienia bezpieczeństwa dotyczące robotów współpracujących. W specyfikacji tej przedstawiono warunki, które należy spełnić przy pracach projektowych związanych z konstrukcją robota oraz z ich implementacją na stanowiskach roboczych. Warto dodać, że w części drugiej normy PN-EN ISO 10218-2:2011 pojawiła się też definicja robota współpracującego. Podkreśla się, że wprowadzając robota do środowiska produkcyjnego, należy przeprowadzić analizę ryzyka, czyli zidentyfikować wszystkie jego rodzaje i ograniczyć je do akceptowalnego poziomu. Informacje dotyczące tego zagadnienia można znaleźć w normie PN-EN ISO 12100:2012 (Bezpieczeństwo maszyn – Ogólne zasady projektowania – Ocena ryzyka i zmniejszanie ryzyka). Zdefiniowano w niej podstawowe terminy, określono metodykę oraz zasady oceny i zmniejszania ryzyka, aby ułatwić projektantom zapewnienie bezpieczeństwa na etapie projektowania maszyn. Uwzględniając stan wiedzy i doświadczenie w projektowaniu i użytkowaniu maszyn oraz biorąc pod uwagę bezurazowe zdarzenia wypadkowe, a także wypadki przy pracy i ryzyko związane z maszynami, dostarcza ona podstawy do eliminacji zagrożeń, oceny i zmniejszenia ryzyka w odpowiednich fazach cyklu życia maszyny.

Co sprawia, że możemy nazwać robota współpracującym? Zgodnie ze specyfikacją techniczną ISO/TS 15066 ma to miejsce wtedy, gdy jego konstrukcja zawiera wbudowane zabezpieczenia, które pozwalają mu na interakcję z ludźmi. Wymienia się takie środki bezpieczeństwa, jak zakończenie pracy, kiedy pracownik zamierza wejść do obszaru roboczego robota; Prowadzenie ramienia – robot porusza się tylko pod kontrolą operatora; Robot automatycznie zmniejsza prędkość, gdy zbliża się pracownik aż do punktu, w którym zatrzymuje się, gdy zostanie dotknięty. Kolejny środek bezpieczeństwa to ograniczanie mocy i siły. Roboty współpracujące mają ograniczoną ładowność i siłę jako zabezpieczenie, gdyby doszło do uderzenia człowieka. Przy ich budowie projektuje się też zaokrąglone krawędzie i miękkie powierzchnie, co dodatkowo zmniejsza ryzyko obrażeń w razie kontaktu.

Nie oddzielać ludzi od robotów

Koszty wykorzystania standardowych robotów w przemyśle podnosi konieczność ich wygradzania i stosowania dodatkowych systemów zabezpieczeń. Ponadto środki te i elementy zajmują dużo miejsca w hali fabrycznej i niejednokrotnie utrudniają przemieszczanie się pracowników. Jak podają Vladimir Murashov, Frank Hearl i John Howarda w artykule „Bezpieczna praca z robotami: zalecenia dla nowego miejsca pracy”, już w 2007 r. firma Pilz uruchomiła system komputerowy z wieloma kamerami, który monitorował obszar otaczający roboty i odpowiednio dostosowywał ich zachowanie. System o nazwie SafetyEYE umożliwia robotowi wykonywanie zadań bez odcięcia całego obszaru od pracowników. Dzięki temu pozwala robotom wykonywać swoje zadania wspólnie z pracownikami w tym samym obszarze roboczym. Robot wyposażony w taki system może poruszać się swobodnie, ale można spowolnić jego ruchy, jeśli zbliża się pracownik lub jeśli robot zbliży się zbytnio do pracownika, przestaje całkowicie działać, bez zakłócania pracy całego pozostałego obszaru roboczego. Warto tu przy okazji wspomnieć o nowości w zakresie bezpieczeństwa, jaką jest obecnie rozwiązanie SafeMove2 firmy ABB. Dzięki niemu można tworzyć strefy bezpieczeństwa. W efekcie, im bliżej pracownik podchodzi do robota, tym wolniej on działa.

Według wspomnianych wcześniej autorów badania dotyczące bezpieczeństwa fizycznego pracowników i robotów w przestrzeni współpracy dzielą się na trzy kategorie. Pierwsza to ocena bezpieczeństwa interakcji i ilościowy opis koncepcji bezpieczeństwa człowieka oraz robota. Druga dotyczy bezpieczeństwa interakcji poprzez projektowanie lekkich manipulatorów, systemów pasywnych, bezpiecznych siłowników itp. W trzeciej projektuje się bezpieczeństwo interakcji poprzez planowanie i sterowanie, takie jak nawigacja i unikanie kolizji w środowisku współdzielonym przez człowieka i robota, poprzez proaktywne systemy bezpieczeństwa oraz kontrolę sztywności/elastyczności w celu zmniejszenia siły uderzenia w razie kolizji. Porusza się też inne problemy związane z bezpośrednią współpracą z robotami. Jeśli występuje dwukierunkowa interakcja pomiędzy robotem a człowiekiem, również na poziomie poznawczym (kognitywnym), jest sygnalizowana możliwość zagrożenia zdrowia psychicznego dla pracowników. W tym nowym trybie interakcji wymiana informacji między pracownikami a robotami przebiega w obu kierunkach i na równym poziomie ważności w odniesieniu do procesów roboczych, zarówno dla pracowników, jak i robotów. Dlatego zaleca się, by ruchy robota były dla ludzi przewidywalne. Nie powinny być powodem odczuwania strachu, zaskoczenia lub zdziwienia. Postuluje się nawet wbudowanie w system funkcji rozpoznawania emocji człowieka i modyfikowania zgodnie z nim zachowania robotów współpracujących. Badane są sposoby rozpoznawania wzorców zachowań i odbioru emocji ludzi, np. wykorzystując specjalne czujniki umieszczane na skórze. Trwa dyskusja, jak bardzo roboty powinny przyjmować wygląd humanoidalny i czy w warunkach przemysłowych będzie to zaletą, czy wadą. Na przykład pracownicy mogą przypisywać robotom nieistniejące faktycznie zdolności związane z rozumowaniem lub rozpoznawaniem danej sytuacji. Pojawia się wtedy pokusa zdania się na sposób działania sugerowany przez urządzenie i rezygnacja z osobistej odpowiedzialności.

W praktyce

W opracowaniu firmy Universal Robots stwierdzono, że zbliżamy się już do wizji Przemysłu 5.0, w której człowiek i maszyna współpracują ze sobą w inteligentnych halach fabrycznych. Dlatego trzeba brać pod uwagę zgodność tego rodzaju miejsca pracy z wymogami bezpieczeństwa. Podano przykład firmy Etalex z Quebecu w Kanadzie, w której skaner bezpieczeństwa ostrzega robota UR10, który naciska hamulec prasy i spowalnia jej pracę do 20% normalnej prędkości, jeśli tylko pracownicy przekroczą wyznaczoną przy stanowisku żółtą linię. Specjaliści zwracają uwagę, że w inteligentnej fabryce pracownicy, pracując wspólnie z robotami współpracującymi, wykorzystują je tak, jak inne wielofunkcyjne narzędzia, np. paletyzator. Dlatego zapewnienie bezpieczeństwa w takim środowisku pracy jest bardzo ważne.

Tak jak inni producenci robotów współpracujących, również Universal Robots wyposaża swoje produkty we wbudowane zaawansowane funkcje bezpieczeństwa. W tym przypadku jest to opatentowany przez firmę system, który ogranicza siłę robota – automatycznie przestaje działać, gdy napotka przeszkody na swojej drodze. Jak podaje firma, opatentowany regulowany system bezpieczeństwa pozwala użytkownikom dostosować zakres różnych parametrów w celu zmniejszenia ryzyka związanego z wdrożeniem aplikacji robota przemysłowego. Obejmuje on: ograniczenie siły, prędkości, mocy lub pędu robota lub ograniczenie przestrzeni roboczej za pomocą ustalonych granic bezpieczeństwa w celu zmniejszenia ryzyka obrażeń.

Pojawiają się też zupełnie nowe zagrożenia związane z wykorzystaniem robotów współpracujących – cobotów. Chodzi o niezabezpieczone środowisko cyfrowe, w którym funkcjonują. Mówi się, że cobot jest mądrzejszy od klasycznego robota przemysłowego. Nie oznacza to, że są one bardziej skomplikowane, a inne roboty przemysłowe prostsze. Oznacza tylko tyle, że są z reguły wyposażone w czujniki, inteligentne technologie i systemy, które są powiązane z Przemysłowym Internetem Rzeczy (IIoT) i np. systemami, chociażby do zarządzania magazynem. Wynika to też z tego, że muszą bezpiecznie pomagać ludziom, a inteligentne technologie i czujniki idealnie się tu sprawdzają. Czujniki wykorzystuje się w nich tak jak w tradycyjnych robotach, np. do konserwacji predykcyjnej. Specjaliści zwracają uwagę, że choć robot współpracujący może nie być bezpośrednio zagrożony, to jednak haker z dostępem do sieci zakładu produkcyjnego może uzyskać do niego dostęp. Jeśli wdrażamy koncepcję Przemysłu 4.0, to również robot musi być skomunikowany z systemami informatycznymi zakładu, gdy dążymy do pełnej, systemowej integracji. Dotyczy to również wszystkich innych urządzeń wykorzystujących IIoT. W ocenie specjalistów od cyberbezpieczeństwa problem ten będzie narastał w najbliższych latach.

Na co zwracać uwagę?

Konwencjonalne podejście do bezpieczeństwa robotów, w tym robotów współpracujących, jest ważne, ale nadal trwają prace, by tak zdefiniować wskazówki praktyczne dla użytkowników, aby zapewnić bezpieczną interakcję człowieka z robotem i w pełni wykorzystać dostępny potencjał. Ustala się takie parametry, jak wartości dopuszczalne dla siły uderzenia, zacisku/uszczypnięcia i nacisku na powierzchnię dla wszystkich obszarów ciała ludzkiego. Określa się medyczne i biomechaniczne wartości dopuszczalne dla akceptowalnego nacisku. Określając przestrzeń współpracy człowieka i robota, trzeba pamiętać, że może się ona pokrywać tylko z częścią całkowitej przestrzeni pracy robota. W celu wykonania swojego zadania robot może wykonywać wiele ruchów, będąc wyposażony w różne narzędzia, z obrabianym elementem lub elementami. Narzędzia i części mogą stwarzać zagrożenie, takie jak np. skaleczenie pracownika lub oparzenie. Przy autonomicznym transporcie to właśnie wystające elementy są powodem wypadków. Na ten aspekt związany z bezpieczeństwem nie zwraca się dostatecznej uwagi lub lekceważy się go w codziennej praktyce w zakładach produkcyjnych. System zrobotyzowany powinien być projektowany i wdrażany z uwzględnieniem warunku, że wystąpienie uszkodzenia dowolnego elementu nie będzie miało wpływu na bezpieczeństwo jego funkcjonowania. Każda awaria powinna być awarią kontrolowaną.

Podsumowując, w zakładach produkcyjnych i usługowych jest do wykonania wiele zadań, które nie są atrakcyjne z punktu widzenia pracowników. Są powtarzalne, monotonne, nudne i trudno znaleźć do ich wykonania pracowników, nawet oferując lepsze wynagrodzenie. W sytuacji ograniczonej podaży siły roboczej na rynku pracy, co dotyka większość krajów rozwiniętych i praktycznie całą Europę, jedynym rozwiązaniem wydaje się wykorzystanie na szerszą skalę robotów współpracujących – cobotów. W odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie producenci rozwijają swoją ofertę rynkową. Konkurencja na tym rynku powoduje, że roboty współpracujące stają się dostępne nawet dla mniejszych firm. Warto przypomnieć, że na przykład robot współpracujący YuMi firmy ABB, pokazany na targach w Hanowerze w 2015 r., został przedstawiony jako wizja przyszłości. Dziś takie roboty pracują w wielu miejscach na świecie. Niedawno firma ABB wprowadziła do oferty jednoramiennego robota YuMi, który uzupełnił oferowaną od kilku lat wersję dwuramienną. Firma zwraca uwagę klientów na roboty z tej rodziny, jeśli wykonują oni montaż części, np. związany z elektroniką, albo szukają rozwiązania do przenoszenia lekkich elementów przy dużych wolumenach produkcji. W takiej sytuacji robot pozwala na dużą precyzję i zastępuje pracowników przy monotonnych pracach montażowych. W opinii specjalistów obecnie w robotyce wzrasta wykorzystanie systemów wizyjnych. Pozwala to zwiększyć elastyczność pracy robotów. Uważa się, że coboty są szansą na rozwój dla firm z sektora MŚP.


Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do odbiorców z branży automatyki przemysłowej.