Анализ протоколов безопасности: расчет безопасных рабочих зон для совместного развертывания роботов

Развертывание совместных роботов в промышленных средах представляет собой фундаментальный сдвиг в том, как люди и машины взаимодействуют на заводском этаже. В отличие от традиционных промышленных роботов, которые работают за клетками безопасности и барьерами, совместные роботы, обычно известные как коботы, специально разработаны для работы вместе с операторами-людьми в общих рабочих пространствах. Эта близость создает уникальные проблемы безопасности, которые требуют тщательного анализа, всесторонней оценки рисков и точного расчета безопасных рабочих зон. Понимание того, как правильно определять и поддерживать эти зоны, имеет важное значение для защиты работников, максимизируя преимущества производительности, которые может обеспечить совместная робототехника.

В этом всеобъемлющем руководстве рассматриваются методологии, стандарты и передовые методы расчета безопасных рабочих зон в совместных развертываниях роботов. От понимания фундаментальных принципов безопасности до внедрения передовых систем мониторинга мы рассмотрим каждый аспект создания безопасной среды совместной работы человека и робота.

Эволюция стандартов безопасности роботов

Наиболее важные стандарты, регулирующие безопасность коботов, включают ISO 10218:2025 для промышленных роботов (который объединяет прежний ISO / TS 15066 для совместной работы человека и робота) и ANSI / RIA R15.06 в США.

ISO 10218-1:2025 и ISO 10218-2:2025 являются последними изданиями, регулирующими безопасность промышленных роботов, заменяя версии 2011 года. Обновления добавляют более четкие требования функциональной безопасности, новые классификации и методы испытаний. Они также вводят требования к совместным приложениям, которые ранее были охвачены в ISO/TS 15066. Эта интеграция представляет собой значительную веху в стандартизации безопасности совместной робототехники.

Эти стандарты заменили термин «кобот» на «совместные приложения», отражая, что безопасность зависит от того, как используется робот, а не от самого робота.Это изменение терминологии подчеркивает важный принцип: ни один робот не является по своей сути безопасным во всех приложениях. Безопасность должна оцениваться на основе конкретного случая использования, среды и моделей взаимодействия.

Региональные правила безопасности

Два широко принятых правила - ANSI/RIA R15.06 в Северной Америке и Директива ЕС по машиностроению в Европе. Выпущенный Ассоциацией робототехники (RIA), ANSI/RIA R15.06 соответствует ISO 10218, но добавляет уточнения, относящиеся к США. Понимание региональных требований имеет решающее значение для производителей, работающих на нескольких рынках.

Директива ЕС 2006/42/EC о машиностроении устанавливает основные требования к безопасности и гигиене труда для машин, размещенных на рынке ЕС. В ней упоминаются гармонизированные стандарты, такие как ISO 12100 для оценки рисков и ISO 10218 для безопасности роботов. Соблюдение этих директив требует тщательной документации и процедур оценки соответствия.

Понимание основ безопасности роботов

В то время как традиционные роботы полагаются в первую очередь на физические барьеры, чтобы отделить людей от опасного движения, коботы используют несколько слоев функций безопасности, которые позволяют более тесное взаимодействие.

Тесное взаимодействие с человеком-оператором является важной проблемой безопасности для совместных робототехнических систем. Для обеспечения безопасности роботоинтеграторы должны продемонстрировать, что они предприняли шаги для выявления потенциальных опасностей, которые могут быть встроены в совместные задачи или внедрены в совместное рабочее пространство. Это требование формирует основу всех протоколов безопасности совместных роботов.

Четыре способа совместной работы

ISO/TS 15066 определяет четыре режима совместной работы, которые формируют концепции безопасности для коботов. Каждый режим балансирует производительность и защиту по-разному. Понимание этих режимов имеет важное значение для выбора соответствующей стратегии безопасности для вашего приложения.

Контрольная остановка с рейтингом безопасности

Робот останавливается и удерживает позицию до того, как человек входит в рабочее пространство для совместной работы. Никакое движение робота не происходит, пока человек присутствует. Это самый простой режим совместной работы и по сути является традиционной защищенной клеткой с более быстрым перезапуском - роботу не нужно возвращаться домой после каждого взаимодействия с оператором. Этот режим особенно полезен для приложений, где вмешательство человека является периодическим, а не непрерывным.

Руководить

Ручное управление позволяет оператору физически перемещать робота в положение или помогать с ручными задачами. Этот режим часто используется для обучения или во время совместной работы. Силовые датчики в руке обнаруживают пользовательский ввод, позволяя плавное и совместимое движение без сопротивления. Ручное руководство бесценно для программирования и операций настройки, где прямое управление человеком обеспечивает наиболее эффективный рабочий процесс.

Контроль скорости и разъединения

Мониторинг скорости и разделения динамически регулирует поведение роботов на основе близости к людям. Коботы используют лазерные сканеры, радар или 3D-видение для отслеживания движения поблизости. Когда человек входит в определенную зону безопасности, система замедляет или останавливает движение для предотвращения столкновений. Такой подход поддерживает операционную эффективность при создании адаптивного буфера безопасности.

Для этой установки требуется сканер зоны, который разграничивает зоны безопасности. Представьте себе зеленую, желтую и красную зоны, где у вас соответственно есть зона высокой скорости, зона пониженной скорости и почти остановленная зона. Этот градуированный подход позволяет роботу работать на максимальной скорости, когда рядом нет людей, автоматически настраиваясь для обеспечения безопасности по мере приближения рабочих.

Власть и ограничение силы

В этом режиме системы проектирования и управления робота ограничивают контактную силу и давление до безопасных порогов. Конечные эффекторы интегрируют датчики, которые обнаруживают контакт, вызывая немедленную остановку при превышении пределов. Такой подход подходит для задач светового контакта, таких как выбор и место или простая сборка.

ISO/TS 15066 предоставляет справочные данные для допустимой силы и давления в различных областях тела, которые производители используют для калибровки своих систем. Эти биомеханические пороги составляют научную основу для применения для ограничения мощности и силы.

Расчет безопасных операционных зон: основные методологии

Расчет безопасных рабочих зон требует систематического подхода, учитывающего множество переменных, включая кинематику роботов, модели движения человека, время отклика датчиков и факторы окружающей среды. Эти расчеты составляют техническую основу для обеспечения соответствия совместных приложений требованиям безопасности.

Минимальное защитное расстояние разделения

Минимальный расчет расстояния защитного разделения по ISO/TS 15066 учитывает скорость движения человека, тормозной путь робота, время отклика датчика и неопределенность положения как человека, так и робота. Этот расчет имеет основополагающее значение для приложений мониторинга скорости и разделения.

Базовая формула расчета минимального защитного расстояния разделения включает в себя несколько ключевых переменных. Расчет должен учитывать максимальную скорость, с которой человек может приблизиться к роботу, обычно оцениваемую в 1,6 метра в секунду для скорости рук и 2,0 метра в секунду для движения тела. Остановочное расстояние робота зависит от его текущей скорости, полезной нагрузки и возможностей замедления. Время отклика датчика включает в себя как задержку обнаружения, так и время, необходимое системе безопасности для обработки сигнала и инициирования команды остановки.

Необходимо также учитывать факторы неопределенности положения, поскольку как система обнаружения человека, так и обратная связь с положением робота имеют присущие допуски к измерениям. Эти неопределенности должны быть добавлены к расстоянию разделения для обеспечения адекватной маржи безопасности при любых условиях.

Пороговые расчеты силы и давления

В соответствии с TS-15066, силовой и скоростной мониторинг кобота основан на данных приложения, области контакта человека и опасностях рабочего пространства. Контакт человека определяется в двух типах: переходном и квазистатическом. Понимание различия между этими типами контактов имеет решающее значение для правильной конструкции зоны безопасности.

Переходный контакт происходит, когда робот или конечный эффектор ударяет человека, но не задерживает и не зажимает какую-либо часть тела. В этом сценарии контакт является сиюминутным, и человек может отойти от точки контакта. Квазистатический контакт включает ситуации, когда часть тела оказывается зажатой между роботом и другой поверхностью, не давая человеку отойти от точки контакта.

Допустимые пределы силы и давления значительно различаются между этими двумя типами контактов. Переходный контакт обычно позволяет более высокие уровни силы, потому что продолжительность контакта коротка, и человек может рефлекторно отойти. Квазистатический контакт требует гораздо более низких пределов силы, потому что устойчивое давление может вызвать травму даже на более низких уровнях силы.

Различные области тела имеют разные пороги боли и травмы на основе биомеханических исследований. Череп, например, может выдерживать более высокие силы, чем области мягких тканей, такие как живот. Руки и пальцы, часто подвергающиеся воздействию в совместных приложениях, имеют конкретные пороговые значения, которые необходимо тщательно соблюдать.

Анализ конвертов рабочего пространства

Расчет безопасных рабочих зон требует детального анализа оболочки рабочего пространства робота — трехмерного объема, которого робот может достичь во время нормальной работы. Этот анализ должен учитывать не только сам робот, но и любые конечные эффекторы, манипулируемые заготовки и потенциальные траектории на всех этапах работы.

Оболочка рабочего пространства должна быть отображена в трех измерениях с помощью кинематической модели робота. Это отображение определяет все точки, которые любая часть роботизированной системы потенциально может занимать во время работы. Анализ должен включать в себя нормальные производственные движения, операции обучения и программирования и любые сценарии ручного вмешательства.

Зоны столкновения представляют собой зоны, где робот потенциально может вступить в контакт с человеком-оператором. Эти зоны должны быть определены для каждого режима работы и задачи. Размер и форма зон столкновения зависят от скорости робота, массы любой перевозимой полезной нагрузки и геометрии конечного эффектора.

Методология комплексной оценки рисков

Ни одно развертывание коботов не должно происходить без комплексной оценки рисков, как это предусмотрено в ISO/TS 15066 и EN ISO 12100. Это включает в себя выявление потенциальных опасностей, оценку их серьезности и вероятности и реализацию стратегий смягчения последствий. Процесс оценки рисков обеспечивает основу для всех последующих решений по безопасности.

Идентификация опасности

Полностью определите приложение — модель робота, полезная нагрузка, конечный эффектор, заготовка, время цикла, скорость производства, все рабочие режимы (автоматический, ручной, техническое обслуживание, уборка) и персонал, который будет взаимодействовать с системой. Определите каждую опасность — Пройдите через каждый режим работы. Рассмотрим, что происходит во время нормального производства, во время замены детали, во время восстановления затора или неисправности, во время обслуживания и во время предсказуемого неправильного использования.

Идентификация опасности должна быть исчерпывающей и систематической. Общие опасности в совместных робототехнических приложениях включают воздействие движения робота, дробление или улавливание между роботом и неподвижными структурами, запутывание с движущимися частями, выброс заготовок или инструментов и воздействие острых краев или горячих поверхностей на конечных эффекторах или заготовках.

Одна из самых больших проблем, наблюдаемых в оценках риска кобота, связана с местоположением кобота. В зависимости от того, где находится кобот, вы должны учитывать, создаете ли вы сокрушительный или ловушку с коботом. Вы также должны учитывать, достаточно ли высока позиция кобота, чтобы он мог вступать в контакт с головой оператора, что вообще не допускается.

Оценка рисков и оценка

Используем структурированный метод оценки рисков. Мы используем график рисков в соответствии с Приложением А ISO 12100, который учитывает тяжесть, частоту воздействия и вероятность избегания. Этот систематический подход обеспечивает последовательную оценку различных опасностей.

Оценка серьезности учитывает потенциальные последствия каждой идентифицированной опасности, начиная от незначительных травм, таких как синяки, до тяжелых травм или смертельных случаев. Частота воздействия оценивает, как часто персонал подвергается каждой опасности во время обычных операций, технического обслуживания и других видов деятельности. Вероятность избегания оценивает, может ли оператор обнаружить и избежать опасности до того, как произойдет травма.

Эти три фактора в совокупности дают оценку риска, которая указывает на приоритет для осуществления защитных мер. Более высокие оценки риска требуют более надежных мер безопасности и могут потребовать нескольких уровней защиты.

Ключевые элементы оценки рисков Cobot

Ключевые элементы надежной оценки риска кобота включают: Анализ задач: Понимание физического взаимодействия, требуемого, частота участия человека и сложность движения. Картирование рабочего пространства: Определение зон сотрудничества, ограниченных зон и безопасных путей выхода. Пределы силы и давления: Обеспечение того, чтобы любой потенциальный контакт оставался в пределах безопасных для человека порогов. Планирование реагирования на чрезвычайные ситуации: Включая избыточные кнопки остановки, безопасные протоколы восстановления роботов и обучение для всех сотрудников.

Анализ задач должен документировать каждый этап совместного процесса, определяя, когда и где люди и роботы разделяют рабочее пространство. Этот анализ выявляет модели взаимодействия, которые могут создавать опасности, не очевидные при рассмотрении отдельных задач в изоляции.

Картирование рабочего пространства создает визуальное и документальное представление совместной среды, четко очерчивая зоны с различными требованиями безопасности. Это картирование должно определять области, где люди и роботы работают одновременно, районы, где работает только робот, и безопасные зоны, где работники могут стоять без риска контакта с роботом.

Передовые технологии безопасности для мониторинга зон

Современные совместные роботы используют сложные сенсорные технологии и системы управления для мониторинга безопасных рабочих зон в режиме реального времени. Эти технологии позволяют динамически реагировать на безопасность, адаптируясь к изменяющимся условиям в рабочем пространстве.

Системы лазерного сканирования

Лазерные сканеры с рейтингом безопасности создают виртуальные зоны безопасности, непрерывно отслеживая область вокруг робота. Эти устройства излучают лазерные лучи, которые проносятся по рабочему пространству, обнаруживая любые объекты или людей, которые входят в определенные зоны. Когда человек входит в зону предупреждения, система может снизить скорость робота. Вход в зону безопасности вызывает немедленную остановку.

Современные лазерные сканеры предлагают несколько настраиваемых зон с различными реакциями безопасности. Эта возможность позволяет осуществлять градуированные реакции безопасности, которые поддерживают производительность при обеспечении защиты. Сканеры могут различать различные нарушения зоны и вызывать соответствующие реакции в зависимости от тяжести и местоположения вторжения.

3D-видение и глубинное зондирование

Трехмерные системы зрения обеспечивают более сложную пространственную осведомленность, чем традиционные двумерные датчики. Эти системы создают подробную карту рабочего пространства, отслеживая положение и движение людей и объектов в режиме реального времени. Расширенные алгоритмы могут прогнозировать траектории человека и корректировать поведение роботов проактивно, а не реактивно.

Технологии зондирования глубины позволяют роботу понимать не только то, где находятся объекты, но и их размер, форму и расстояние от робота.Эта информация поддерживает более тонкие реакции безопасности, такие как замедление, когда человек находится рядом, но не прямо на пути робота, или полное остановка, когда кто-то входит в непосредственное рабочее пространство.

Сила и крутящий момент

Интегрированные датчики силы и крутящего момента в суставах робота позволяют непосредственно обнаруживать контакт с внешними объектами или людьми. При обнаружении неожиданного сопротивления робот может сразу же остановить или обратить направление, чтобы минимизировать силу удара. Эти датчики обеспечивают последнюю линию защиты, когда другие системы безопасности могут не обнаружить надвигающееся столкновение.

Чувствительность систем зондирования силы должна быть тщательно откалибрована, чтобы различать нормальные технологические силы, такие как нажатие детали на сборку, и аномальные силы, указывающие на контакт с человеком. Расширенные алгоритмы фильтруют данные датчиков для уменьшения ложных срабатываний при сохранении быстрого реагирования на подлинные события безопасности.

Системы контроля с рейтингом безопасности

FANUC Dual Check Safety (DCS): использует избыточные процессоры для мониторинга скорости и положения робота в режиме реального времени, создавая виртуальные зоны безопасности, которые замедляют или останавливают робота, если границы превышены. Эти встроенные функции безопасности обеспечивают фундаментальную защиту, дополняющую внешние устройства безопасности.

Протоколы реального времени, такие как EtherCAT, PROFINET или Safety over Ethernet, позволяют коботам быстро реагировать во время критических событий. Эти системы передают сигналы между датчиками, контроллерами и исполнительными механизмами за миллисекунды, уменьшая задержку между обнаружением опасности и ответом робота. Сетевые сети с низкой задержкой имеют решающее значение в совместных средах, потому что быстрое время реакции напрямую предотвращает повреждение.

Осуществление защитных мер и барьеров безопасности

Хотя роботы для совместной работы предназначены для работы без традиционных клеток безопасности, многие приложения используют физические барьеры, виртуальные границы и административный контроль для повышения безопасности.

Физические барьеры безопасности

Даже в совместных приложениях физические барьеры могут быть подходящими для определенных зон или режимов работы. Частичные барьеры могут препятствовать доступу к зонам высокого риска, позволяя сотрудничать в других зонах. Например, барьер может защищать область, где робот загружает или разгружает тяжелые части, оставляя область сборки открытой для сотрудничества человека и робота.

Физические барьеры должны быть спроектированы таким образом, чтобы предотвратить непреднамеренный вход, не препятствуя необходимому доступу для обслуживания, обучения или обработки материалов.Врата с защитными блокировками могут обеспечивать контролируемый доступ к ограниченным зонам, автоматически останавливая движение робота при открытии.

Виртуальные границы безопасности

Программно-определяемые виртуальные границы создают невидимые зоны безопасности, которые вызывают определенное поведение роботов при пересечении. Эти границы могут быть легко переконфигурированы по мере изменения требований к производству, предлагая гибкость, с которой физические барьеры не могут совпадать. Несколько виртуальных зон могут быть слоистыми для создания градуированных ответов безопасности.

Виртуальные границы работают в сочетании с системами зондирования для мониторинга нарушений зоны. Контроллер робота непрерывно сравнивает данные датчика с заданными координатами границы, запуская соответствующие реакции безопасности при обнаружении нарушений. Эти системы могут реализовывать сложную логику безопасности, которая учитывает такие факторы, как скорость робота, полезная нагрузка и текущая задача при определении соответствующего ответа.

Административный контроль и обучение

Технические меры безопасности должны дополняться комплексной подготовкой и четкими оперативными процедурами. Работники должны понимать возможности, ограничения и особенности безопасности робота. Обучение должно охватывать нормальную работу, аварийные процедуры и надлежащее реагирование на активацию системы безопасности.

Стандартные рабочие процедуры должны четко определять, когда и как работники могут входить в зоны сотрудничества, какие виды деятельности разрешены в разных областях и как безопасно взаимодействовать с роботом во время различных режимов работы. Эти процедуры образуют существенный уровень защиты, который усиливает технические меры безопасности.

Критические факторы, влияющие на дизайн зоны безопасности

При проектировании безопасных рабочих зон для совместных приложений роботов необходимо учитывать несколько факторов.Каждый фактор может существенно повлиять на размер, форму и требования к мониторингу зон безопасности.

Скорость и ускорение робота

Максимальная скорость робота напрямую влияет на размер требуемых зон безопасности. Более быстрым роботам нужны большие зоны для обеспечения достаточного расстояния остановки при обнаружении человека. Ограничения скорости могут быть необходимы в совместных приложениях для поддержания приемлемых размеров зон в пределах доступного рабочего пространства.

Скорость ускорения и замедления также влияет на расчеты зоны безопасности. Робот, который может быстро замедляться, требует меньшего тормозного пути и, следовательно, меньших зон безопасности. Однако быстрое замедление может создавать другие опасности, если робот несет полезную нагрузку, которая может быть выброшена или если внезапные остановки могут вызвать нестабильность.

Характеристики полезной нагрузки

Масса, размер и характеристики объектов, обрабатываемых роботом, значительно влияют на требования безопасности. Тяжелые полезные нагрузки увеличивают кинетическую энергию системы робота, требуя более крупных зон безопасности и потенциально более низких скоростных ограничений. Резкие, горячие или иные опасные полезные нагрузки могут потребовать дополнительных защитных мер за пределами стандартных протоколов совместной безопасности.

Сама заявка должна быть оценена в полном объеме. Например, процесс оценки риска будет отличаться, если робот несет острую металлическую деталь или если он несет мягкую резиновую утку. Этот принцип подчеркивает, что безопасность робота не может быть оценена отдельно от конкретного приложения.

Экологические и пространственные ограничения

Физическая компоновка рабочего пространства влияет на конструкцию зоны безопасности.Ограниченное пространство может ограничивать размер зон безопасности, требуя компенсирующих мер, таких как снижение скорости робота или дополнительные датчики.При определении зон сотрудничества необходимо учитывать наличие стационарных конструкций, другого оборудования или путей потока материалов.

Экологические факторы, такие как условия освещения, шум окружающей среды и поверхности пола, могут влиять как на производительность датчиков, так и на поведение человека. Плохое освещение может снизить эффективность систем безопасности на основе зрения, в то время как шумные среды могут маскировать звуковые предупреждения. Эти факторы должны быть учтены в общей конструкции безопасности.

Паттерны человеческой деятельности

Частота, продолжительность и характер присутствия человека в совместном рабочем пространстве напрямую влияют на требования зоны безопасности. Приложения с непрерывным присутствием человека требуют различных подходов к безопасности, чем те, которые иногда используются человеком. Количество работников, которые могут присутствовать одновременно, влияет на требования к проектированию зоны и мониторингу.

Необходимо учитывать рабочие задачи и позы. Если работникам необходимо в течение длительного времени пробираться в рабочее пространство робота или работать в непосредственной близости, зоны безопасности должны быть спроектированы таким образом, чтобы учитывать эти действия при сохранении защиты. Эргономичные соображения могут влиять на размещение зон сотрудничества, чтобы минимизировать неудобные позы или чрезмерный охват.

Проверка и тестирование зон безопасности

Все системы коботов требуют проверки, чтобы доказать, что они отвечают требованиям безопасности. Тестирование охватывает как утверждение типа, так и принятие на месте. Надлежащая документация поддерживает аудиты и защиту ответственности. Валидация гарантирует, что расчетные зоны безопасности работают так, как это предусмотрено в реальных условиях.

Предварительное испытание на развертывание

Перед тем, как система роботизированного взаимодействия начнет производство, комплексное тестирование должно убедиться в том, что все функции безопасности работают правильно. Это тестирование должно включать проверку диапазонов обнаружения датчиков, времени отклика и тормозных расстояний в различных условиях. Испытания должны моделировать различные сценарии, включая нормальную работу, крайние случаи и возможные режимы отказа.

Измерения силы и давления должны проводиться для проверки того, что контактные силы остаются в допустимых пределах, определенных ISO/TS 15066. Эти измерения требуют специального оборудования и должны выполняться квалифицированным персоналом. Испытания должны охватывать все потенциальные точки контакта и сценарии, выявленные при оценке риска.

Текущий мониторинг и техническое обслуживание

Кобот-приложения развиваются, поэтому каждое изменение в программировании, инструментарии или макете требует нового обзора безопасности. Всегда переоценивайте безопасность после изменений в программировании, инструментарии, макете рабочего пространства или персонале. Новые риски могут возникнуть, когда операторы начинают принимать ярлыки или когда аппаратное обеспечение ухудшается с течением времени.

Регулярное техническое обслуживание систем безопасности обеспечивает непрерывную надежную работу. Датчики должны очищаться и калиброваться в соответствии со спецификациями изготовителя. Для проверки надлежащей работы компоненты, отвечающие требованиям безопасности, должны периодически испытываться. Любое ухудшение характеристик датчиков или времени отклика системы безопасности должно быть устранено немедленно.

Документация всех испытаний, технического обслуживания и модификаций создает аудиторский след, который демонстрирует постоянное соответствие требованиям безопасности. Эта документация имеет важное значение для соблюдения нормативных требований и предоставляет ценную информацию для устранения неполадок и постоянного улучшения.

Общие проблемы и решения в области внедрения зоны безопасности

Общие проблемы и подводные камни в безопасности коботов часто появляются, когда компании пропускают оценки, неправильно интерпретируют стандарты или чрезмерно полагаются на встроенные конструктивные особенности. На практике риски возникают из-за непредсказуемости человека, устаревших оценок или плохой интеграции с устаревшими системами. Понимание этих проблем помогает организациям избежать распространенных ошибок.

Неадекватная оценка рисков

ISO/TS15066 четко указывает на необходимость оценки рисков для выявления опасностей и рисков, связанных с применением системы коллаборативных роботов. Он отмечает, что интегратор «должен проводить оценку рисков, как описано в ISO 10218 и ANSI/RIA15.06». Несмотря на эти стандарты, оценки рисков коботов обычно упускаются из виду в промышленности. Типичные опасности применения, такие как вопросы воздействия, уловки и снаряды, часто упускаются из виду после использования термина коллаборативный робот, поскольку считается, что это безопасное оборудование.

Решение заключается в том, чтобы рассматривать каждое совместное развертывание роботов как уникальное приложение, требующее тщательной оценки рисков. Организации должны привлекать квалифицированных специалистов по безопасности, которые понимают как стандарты робототехники, так и стандарты промышленной безопасности. Оценка должна быть всесторонне документирована и рассмотрена несколькими заинтересованными сторонами.

Непонимание возможностей сотрудничества

Многие предполагают, что коботы по своей природе безопасны, но контекст определяет реальный риск. Робот с ограниченным количеством мощности и силой, обрабатывающий острый клинок или горячую часть, все еще может нанести кому-то вред. Это заблуждение может привести к неадекватным мерам безопасности и повышенному риску.

Все заинтересованные стороны — от руководства до операторов — должны понимать, что совместные роботы — это инструменты, которые можно безопасно использовать при правильном развертывании, но они не являются автоматически безопасными во всех приложениях. Безопасность зависит от полной системы, включая робота, конечный эффектор, заготовку, окружающую среду и человеческие факторы.

Интеграция с существующими системами

Совместные роботизированные ячейки редко работают изолированно. Они соединяются с конвейерными системами, AGV и программным обеспечением управления зданием. Инженеры обеспечивают распространение цепей аварийного останова и сигналов безопасности на всем подключенном оборудовании. Они определяют процедуры блокировки для обслуживания и координируют с системами управления безопасностью в масштабах всего участка.

Успешная интеграция требует тщательного планирования и координации между различными системами. Схемы безопасности должны быть разработаны таким образом, чтобы событие безопасности в одной системе соответствующим образом влияло на подключенные системы. Протоколы связи должны быть надежными и, при необходимости, иметь рейтинг безопасности.

Адаптация к изменяющимся условиям

Многие объекты проводят первоначальный анализ рисков, но не могут его пересмотреть после обновления программирования, изменения инструмента или модификации рабочего пространства. Без регулярной переоценки новые опасности могут остаться незамеченными и незаметными. Производственные среды динамичны, и меры безопасности должны соответствующим образом адаптироваться.

Внедрение управления процессом изменений гарантирует, что безопасность пересматривается всякий раз, когда вносятся изменения в систему коллаборативных роботов или ее среду. Этот процесс должен потребовать проверки и утверждения безопасности до того, как будут осуществлены изменения, с документацией обзора и любых возникающих изменений безопасности.

Передовые приложения и будущие тенденции

По мере развития технологии совместных роботов появляются новые возможности и приложения, которые расширяют границы сотрудничества человека и робота. Эти разработки открывают как возможности, так и новые проблемы безопасности, которые необходимо решать с помощью передовых методов расчета и мониторинга зон.

Мобильные роботы-совместители

Интеграция коллаборативных роботов-руководств с мобильными платформами создает системы, которые могут перемещаться по объекту при сохранении безопасного взаимодействия с людьми. Этим мобильным коботам требуются динамические зоны безопасности, которые перемещаются вместе с роботом и адаптируются к изменяющимся условиям. Системы безопасности должны учитывать как движение манипулятора, так и движение мобильной базы.

Навигационные системы должны включать в себя определение и предотвращение препятствий с рейтингом безопасности. Скорость и ускорение мобильной платформы должны быть ограничены в зависимости от окружающей среды и близости к людям. Координация между мобильной базой и манипулятором обеспечивает, чтобы объединенная система поддерживала безопасную работу во время всех движений.

Искусственный интеллект и адаптивное поведение

Передовые системы ИИ позволяют роботам совместно учиться на опыте и адаптировать свое поведение для повышения эффективности. Хотя эти возможности предлагают значительные преимущества, они также создают проблемы безопасности. Робот, который изменяет свое собственное поведение, должен делать это в строго определенных границах безопасности.

Системы безопасности для коботов с поддержкой ИИ должны гарантировать, что изученное поведение не может нарушать ограничения безопасности. Это может потребовать нескольких уровней контроля безопасности, при этом оптимизация на основе ИИ будет работать в пределах оболочки, определенной системами с рейтингом безопасности, которые не могут быть изменены алгоритмами обучения. Валидация систем с поддержкой ИИ требует демонстрации того, что безопасность поддерживается во всем диапазоне возможных изученных поведений.

Многороботовое сотрудничество

Приложения, в которых задействованы несколько совместных роботов, работающих в непосредственной близости друг от друга и от людей, создают сложные проблемы безопасности. Зоны безопасности должны учитывать движение всех роботов, потенциальные взаимодействия между роботами и доступ человека к общему рабочему пространству. Системы координации должны обеспечивать, чтобы движения роботов не создавали опасности посредством неожиданных взаимодействий.

Архитектура безопасности для многороботных систем часто использует иерархический контроль, при этом надзорная система контролирует общее рабочее пространство и координирует отдельные системы безопасности роботов. Такой подход гарантирует, что объединенная система поддерживает безопасность даже тогда, когда отдельные роботы работают на своих пределах.

Лучшие практики для успешного внедрения

Успешное развертывание совместных роботов с правильно рассчитанными безопасными операционными зонами требует внимания к нескольким аспектам процесса внедрения. Следование устоявшейся передовой практике повышает вероятность достижения как целей безопасности, так и производительности.

Кросс-функциональный командный подход

Начните с формальной оценки риска: начните каждый проект кобота с детальной оценки риска. Привлеките межфункциональных членов команды (инженеров, операторов, сотрудников службы безопасности) для выявления опасностей и режимов отказа. Различные перспективы помогают определить опасности, которые могут быть упущены одной дисциплиной.

В состав команды должны входить специалисты-роботы, которые понимают технические возможности и ограничения, специалисты по безопасности, которые знают соответствующие стандарты и методологии оценки рисков, производственный персонал, который понимает рабочий процесс и человеческие факторы, и обслуживающий персонал, который будет отвечать за текущее обслуживание системы.

Итеративный дизайн и тестирование

Проектирование зоны безопасности должно быть итеративным, с первоначальными расчетами, усовершенствованными с помощью моделирования и тестирования. Виртуальные инструменты ввода в эксплуатацию позволяют тестировать сценарии безопасности перед физической установкой, выявляя потенциальные проблемы на ранних этапах процесса проектирования. Физическое тестирование с фактической системой роботов подтверждает, что реальная производительность соответствует ожиданиям проектирования.

Эти пилотные развертывания в контролируемых средах обеспечивают ценное обучение перед полномасштабной реализацией. Эти пилоты позволяют операторам получить опыт работы с системой сотрудничества, выявить непредвиденные модели взаимодействия и подтвердить, что меры безопасности являются эффективными и практичными.

Всеобъемлющая документация

Полная документация по проектированию безопасности, оценке рисков и валидации испытаний создает основу для текущей безопасной эксплуатации.Документация должна включать подробное описание всех зон безопасности, обоснование их проектирования, спецификации датчиков и размещения, логику системы безопасности и время отклика, а также результаты испытаний по валидации.

Операционные процедуры должны быть четко документированы и легко доступны для всех сотрудников, которые взаимодействуют с системой коллаборативных роботов. Эти процедуры должны быть написаны на понятном языке с помощью визуальных средств, где это необходимо. Регулярный обзор и обновления обеспечивают, чтобы документация оставалась актуальной по мере развития системы.

Постоянное обучение и развитие компетенций

Первоначальная подготовка всех сотрудников, которые будут взаимодействовать с системой совместных роботов, имеет важное значение, однако подготовка должна проводиться в целях поддержания компетентности и решения проблем, связанных с изменениями в системе или рабочей силе.

Оценка компетенций гарантирует, что работники действительно овладели необходимыми навыками и знаниями. Рефрен-обучение должно предоставляться периодически и всякий раз, когда в систему вносятся существенные изменения. Новые сотрудники должны пройти комплексное обучение, прежде чем им будет разрешено работать с роботом или рядом с ним.

Соблюдение нормативных требований и сертификация

Соблюдение применимых правил безопасности является как юридическим требованием, так и этическим обязательством. Понимание нормативного ландшафта и требований сертификации помогает обеспечить соответствие развертывания совместных роботов всем необходимым стандартам.

Понимание применимых стандартов

Стандарты безопасности для робототехники — это не предложения. Это кодифицированные инженерные требования, которые определяют, как должны быть спроектированы роботы, как должны быть интегрированы рабочие ячейки и как должны быть проверены совместные приложения до запуска одного производственного цикла. Для системных интеграторов и производителей соблюдение этих стандартов является как юридическим обязательством, так и профессиональной ответственностью.

Организации должны определить все стандарты, применимые к их конкретному применению и юрисдикции. Это может включать в себя международные стандарты, такие как ISO 10218 и ISO/TS 15066, региональные стандарты, такие как ANSI/RIA R15.06 или директивы ЕС, и отраслевые стандарты для таких секторов, как автомобильные или медицинские устройства. Понимание отношений и различий между этими стандартами имеет важное значение для всестороннего соблюдения.

Оценка и сертификация третьей стороны

Independent assessment by qualified third parties provides objective verification that safety requirements have been met. Certification bodies can evaluate the design, implementation, and validation of collaborative robot systems against applicable standards. This certification provides assurance to regulators, customers, and other stakeholders that safety has been properly addressed.

Процесс сертификации обычно включает в себя проверку документации, проверку физической установки и проверку функций безопасности свидетелями. Для поддержания сертификации требуется постоянное соблюдение стандартов и может потребоваться периодическая переоценка для проверки того, что система продолжает удовлетворять требованиям.

Ответственность и страховые соображения

Надлежащий дизайн и документация по безопасности не только защищают работников, но и помогают управлять организационной ответственностью.В случае инцидента комплексная документация по оценке рисков, решениям по проектированию безопасности и тестированию на валидацию демонстрирует должную осмотрительность в решении вопросов безопасности.

У страховщиков могут быть особые требования к совместным установкам роботов. Взаимодействие со страховщиками на ранних этапах процесса проектирования помогает обеспечить соответствие мер безопасности их ожиданиям и может привести к более выгодным условиям страхования. Некоторые страховщики предлагают услуги по оценке рисков, которые могут дополнять внутренние усилия по обеспечению безопасности.

Тематические исследования и практические примеры

Изучение реальных реализаций совместных роботов с расчетными безопасными операционными зонами дает ценную информацию о практических проблемах и эффективных решениях. В то время как конкретные детали варьируются в зависимости от применения, появляются общие закономерности, которые могут направлять новые развертывания.

Деятельность Ассамблеи

В сборочных приложениях роботы-коллаборационисты часто работают вместе с операторами-людьми, которые выполняют задачи, требующие ловкости или суждения, в то время как робот выполняет повторяющиеся или эргономически сложные операции.Безопасные операционные зоны в этих приложениях должны учитывать частое присутствие человека, позволяя роботу эффективно работать.

Типичные решения используют мониторинг скорости и разделения с несколькими зонами. Когда оператора нет, робот работает на полной скорости. Когда оператор приближается, робот замедляется до безопасной скорости совместной работы. Если оператор входит в непосредственное рабочее пространство, робот может полностью остановиться или переключиться на ручной режим, чтобы обеспечить прямое взаимодействие.

Ограничение силы часто используется в качестве резервной меры безопасности, гарантирующей, что даже если контакт происходит, силы остаются в безопасных пределах.Сочетание нескольких уровней безопасности обеспечивает надежную защиту при сохранении производительности.

Машинный тренинг

Приложения для машинного ухода включают в себя погрузку и выгрузку деталей робота из другого оборудования, такого как машины с ЧПУ или прессы для литья под давлением. Эти приложения часто используют контролируемую остановку с рейтингом безопасности, при этом робот работает автономно на высокой скорости, когда нет человека, а затем останавливается, когда оператору необходимо получить доступ к области.

Зоны безопасности обычно предназначены для предотвращения доступа человека к рабочему пространству робота во время автономной работы, обеспечивая безопасный доступ при остановке робота.Легкие занавески или лазерные сканеры контролируют точки доступа, автоматически останавливая робота при входе в охраняемую зону.

Задача в этих приложениях — минимизировать время цикла, потерянное на остановки безопасности, обеспечивая при этом полную защиту.Тщательное размещение датчиков и оптимизация путей робота могут снизить частоту и продолжительность остановок при сохранении безопасности.

Упаковка и паллетизация

Упаковка и паллетирование часто связаны с обработкой относительно тяжелых полезных нагрузок на умеренных скоростях. Безопасные рабочие зоны должны учитывать повышенную кинетическую энергию загруженного робота и потенциал для сброшенных или выброшенных предметов.

В этих приложениях часто используются физические барьеры для высокоскоростных частей движения робота, а зоны сотрудничества ограничены областями, где необходимо взаимодействие человека, такими как загрузка продуктов или настройка упаковочных материалов.Мониторинг скорости и разделения позволяет роботу замедляться, когда работники находятся поблизости, сохраняя производительность, когда область чиста.

Конечная конструкция эффектора имеет решающее значение в этих приложениях. Грипперы должны быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать точки щипцов и обеспечить безопасное удержание полезной нагрузки для предотвращения падений. Ограничение силы может использоваться во время фаз пикапа и размещения, когда наиболее вероятно контакт с операторами.

Инструменты и программное обеспечение для расчета зоны безопасности

Современные программные средства, такие как SISTEMA (разработанный IFA Germany), могут помочь в расчете уровней производительности безопасности на основе архитектуры системы и предполагаемого использования.

Моделирование и моделирование программного обеспечения

Программное обеспечение для моделирования роботов позволяет визуализировать и тестировать зоны безопасности практически до физической реализации. Эти инструменты могут моделировать кинематику роботов, покрытие датчиков и модели движения человека для прогнозирования поведения системы в различных сценариях. Моделирование помогает выявить потенциальные проблемы на ранних этапах процесса проектирования, когда изменения менее дорогостоящие.

Передовые инструменты моделирования могут выполнять анализ охвата для определения максимальной оболочки рабочего пространства робота, обнаружения столкновений для выявления потенциальных сценариев контакта и анализа времени цикла для оценки воздействия мер безопасности на производительность.Некоторые инструменты интегрируются с системами САПР для моделирования всей рабочей ячейки, включая светильники, барьеры и другое оборудование.

Программное обеспечение для оценки рисков

Специализированное программное обеспечение для оценки рисков направляет пользователей через систематические процессы идентификации рисков и оценки рисков. Эти инструменты часто включают шаблоны на основе ISO 12100 и других стандартов, гарантируя, что оценки следуют признанным методологиям. Особенности документации помогают создавать всеобъемлющие записи, необходимые для соответствия и сертификации.

Инструменты оценки рисков могут включать базы данных об общих опасностях и мерах по смягчению последствий, помогая пользователям выявлять проблемы, которые они могли бы в противном случае упустить из виду. Некоторые инструменты поддерживают совместную оценку рисков, позволяя нескольким членам команды вносить свой опыт в процесс оценки.

Инструменты расчета эффективности безопасности

Инструменты для расчета уровней эффективности безопасности помогают определить, соответствуют ли системы безопасности требуемым стандартам надежности. Эти расчеты учитывают архитектуру цепей безопасности, надежность отдельных компонентов и диагностическое покрытие для определения общего уровня эффективности безопасности.

Расчеты уровня производительности необходимы для демонстрации соответствия стандартам, таким как ISO 13849, который определяет требуемые уровни производительности на основе результатов оценки риска. Эти инструменты помогают дизайнерам выбирать соответствующие компоненты безопасности и архитектуры для достижения необходимых уровней производительности.

Вывод: формирование культуры безопасности

Расчет безопасных рабочих зон для совместного развертывания роботов является принципиально технической задачей, требующей тщательного анализа, точных расчетов и тщательной проверки. Однако одних только технических мер недостаточно для обеспечения безопасности. Успешное развертывание совместных роботов требует создания культуры, в которой безопасность ценится, понимается и активно поддерживается всеми участниками.

Эта культура начинается с приверженности руководства безопасности как основной ценности, а не просто требования соответствия. Она требует инвестиций в надлежащий дизайн, качественные компоненты и всестороннее обучение. Она требует постоянного внимания к безопасности посредством регулярных оценок, технического обслуживания и постоянного совершенствования.

Преимущества совместной робототехники — повышение производительности, улучшение эргономики и повышение гибкости — могут быть полностью реализованы только при надлежащем решении проблем безопасности.Следуя установленным стандартам, используя систематическую оценку рисков, расчет соответствующих зон безопасности и внедрение надежных систем мониторинга, организации могут создавать совместные среды, в которых люди и роботы работают вместе безопасно и эффективно.

По мере развития технологий совместной работы роботов появятся новые возможности, которые позволят еще более тесно и сложно взаимодействовать между человеком и роботом. Эти достижения принесут новые проблемы безопасности, которые должны быть решены путем постоянного развития стандартов, технологий и передовой практики. Организации, которые создают прочные основы для расчета зоны безопасности и безопасности совместной работы роботов сегодня, будут иметь хорошие возможности для безопасного и успешного внедрения будущих инноваций.

Для получения дополнительных ресурсов по безопасности роботов и передовой практике промышленной автоматизации посетите Ассоциацию производителей роботов и Международную организацию по стандартизации . Управление по безопасности и гигиене труда также предоставляет ценные рекомендации по требованиям безопасности на рабочем месте. Промышленные публикации, такие как Automation World и Robotics Tomorrow, предлагают постоянный охват разработок и инноваций в области безопасности совместных роботов.