I kolegové do sebe občas šťouchnou - rizika součinnosti s roboty musí být hodnocena hlavou

I kolegové do sebe občas šťouchnou

Roberta Nelson Shea, chief technical compliance officer u Universal Robots, tedy dáma zodpovídající za technickou shodu robotů této značky s požadavky vyžadovanými normami a předpisy, toho ví o robotech jako málokdo. Ve sféře průmyslové automatizace se pohybuje už více než 35 let, většinou v oblasti norem a standardizace a řízení rizik kolaborativních robotů. Posledních 23 roků vedla U.S.National Robot Safety Committee. Je uznávanou expertkou na problematiku bezpečnosti robotů a koncem loňského roku navštívila ve své nové funkci i pražskou kancelář UR, což byla příležitost získat aktuální pohled na vývoj v této oblasti.

Co bude Vaším posláním v nové roli?

Mým úkolem je zbavit mýtů situaci kolem bezpečnosti kolaborativních robotů. Stále ještě existuje hodně otázek, jestli je spolupráce robotů a lidí bezpečná. Chci pomoci prosadit realistický zdravý pohled na nový trend, který se postupně objevuje v průmyslové výrobě a se kterým se v budoucnu setkáme čím dál častěji: roboty a lidi pracující vedle sebe bez dosavadních ochranných bariér.

Průmyslové roboty jsme byli zatím zvyklí vídat hlavně při operacích a úkolech, které jsou nebezpečné pro člověka, jako třeba zařízení, které manipuluje s obrobkem u brusky nebo jiného stroje. Většinou jde o velká zařízení, která jsou svou rychlostí a silou pro člověka nebezpečná, a proto musí být oddělena. Kromě nich ale nyní nastupují tzv. kolaborativní roboti, zařízení, která mají mnohem nižší užitečná zatížení - v řádu několik kg. Jsou používána pro práci, která je potenciálně riskantní, ale většinou představuje rutinní nudné úkoly.

V současné době je většina kolaborativních robotů určená pro spolupráci s lidmi - včetně těch od Universal Robots. Jsou navržena jako menší roboti s omezením síly a výkonu, aby nemohlo dojít ke zranění. V praktické podobě to znamená, že parametry jsou nastaveny tak, aby v případě kolize, když robot detekuje určitou úroveň výkonu nebo síly, které přesahují tzv. bezpečné hodnoty, se automaticky zastaví, zpravidla se přepne do pasivního režimu - jednoduše „zvadne“. Při správném posouzení rizik nejsou potřebné tradiční kryty a ochranná zařízení. A právě o to jde. Je potřeba realisticky zvážit možná nebezpečí s ohledem dopadu na lidské tělo. Nemá smysl usilovat o „stoprocentní neškodnost“ robotů za všech okolností, kdy by se při jakémkoli kontaktu se sebemenší silou, či už jen riziku kontaktu s částí lidského těla, stroj nekompromisně vypnul. Roboti konstruovaní pro práci s lidmi jsou už konstrukčně uzpůsobeni tak, aby při případném kontaktu s člověkem mu nezpůsobili újmu a byli co nejmírnější - mají např. části obalené na povrchu měkkými poddajnými materiály.

Vaším světem jsou hlavně regulace, interní pravidla a standardy. Jak fungují ve světě robotiky?

Zákony a předpis jsou ve světě povinné, standardy a normy jsou obvykle dobrovolné. Navíc se v různých částech světa mohou lišit. Zatímco např. v USA, v Kanadě či v Japonsku jsou zákony týkající se bezpečnosti strojů a zařízení - což platí i pro roboty - zaměřené spíše na koncového uživatele a jeho ochranu, Evropa, tedy především EU, má své tzv. direktivy zaměřené většinou na dodavatele.

A pak jsou tu standardy a normy, což mohou být mezinárodní standardy a technické specifikace (TS) nebo technické reporty, popisy (TR), které vycházejí hlavně z parametrů a funkcí.

Mezinárodní standardy ISO 10218-1 a ISO 10218-2 a jejich doplňky pokrývají či doplňují řadu jiných předpisů, jako např. u Americké robotické federace RIA, která pro roboty akceptovala řadu amerických norem ANSI. Kanada zas, kde platí CSA, doplnila své národní specifikace, ale ANSI nezahrnuje technické specifikace (TS), podobně jako kanadské CSA, které nemají TR, jen TS. Podobná je situace i v Japonsku. I řada evropských zemí má ještě své vlastní předpisy a doplňky, jako např. Německo, Velká Británie či Dánsko - normy DIN, BS, DS apod. Jde o to, tyto různé, často odlišné, ale někdy se naopak shodující předpisy harmonizovat. Podobně jako EU normy, resp. harmonizované ISO/EC standardy, mohou posloužit jako předpoklad konformity s unijními direktivami.

Harmonizované ISO standardy jsou třech typů: A, B, C a představují různé skupiny odstupňované podle přijatelnosti či závaznosti. Skupinu A tvoří standardy použitelné všeobecně, jako jsou třeba bezpečnostní standardy, příkladem může být ISO 12100, což jsou obecné konstrukční principy zohledňující řízení rizik a jejich snižování. Do skupiny B patří předpisy aplikovatelné na většinu, jako jsou obecné bezpečnostní předpisy - např. ISO 13857 o bezpečných vzdálenostech, nebezpečných zónách a prevenci, nebo ISO 13850 popisující nouzové zastavení, povinnost vybavení bezpečnostním tlačítkem apod. A konečně třetí skupina C, už je určena pro konkrétní specifické případy, či chcete-li aplikace nebo zařízení. V případě robotů konkrétně třeba ISO 10218-1 týkající se robotů a ISO 10218-2 zabývající se robotickými systémy.

Robot a robotický systém - není to v podstatě o tomtéž?

Norma ISO to specifikuje zcela konkrétně: Robotem se podle terminologie ISO rozumí robotické rameno a jeho řídicí systém, robotickým systémem pak robot, koncový efektor - např. uchopovač ve formě robotické ruky nebo čelistí - a také součást nebo obrobek, s nímž robot manipuluje, a případné další části, tedy komplexní řetězec, na jehož konci je již zmíněnou další normou definovaný robot.

Kolaborativní průmysloví roboti mají svůj vlastní standard: IS/TS 15066. Byl navržen technickým výborem, kde byli zastoupeni prakticky všichni velcí výrobci robotů, včetně těch, kteří vyvinuli kolaborativní roboty s limitovaným výkonem a silou - kromě ABB a UR, i Kuka, Fanuc, Yaskawa, Denso aj. Tento standard specifikuje bezpečnostní požadavky pro průmyslové kolaborativní roboty a prostředí, ve kterém budou nasazeni. Jde tedy o rámec, na kterém se shodli všichni. Koboti by tedy měli být instalováni v souladu s těmito dohodnutými pravidly, a odpovídat požadavkům ISO/TS 15066. Požadavky této technické specifikace jsou sice koncipovány pro průmyslové roboty, ale použitelné i pro roboty obecně.

A co již instalovaní roboti?

Na ty se nové předpisy sice nevztahují, ale obecně je snaha přizpůsobit stav respektovaným pravidlům. I když technická specifikace ještě není právně závazný standard, je úsilí, aby se jím stala, takže není nutné mít obavy. Cílem je zahrnout TS - v případě potřeby třeba revidovanou - do ISO 102180.

První věc, kterou je potřeba mezi výrobcem a zákazníkem pro dané téma shody ujasnit je, v jakém průmyslu a pro které aplikace bude robot nebo systém použit. Požadavky na dodržování předpisů se však liší od aplikace k aplikaci, hodnotí se např. prahové hodnoty elektromagnetické kompatibility - EMC, vnitřní a venkovní teploty, výkon nebo přesnost a pracovní prostředí. U některých specifických pracovních prostředí, jako je např. elektronika, farmacie nebo výroba potravin, mohou existovat další požadavky, jako třeba specifikace pro provoz tzv. čistých prostor. A pro kolaborativní roboty nastupují další, zejména v bezpečnostním kontextu, které se týkají spolupráce lidí a robotů bez dalších ochranných opatření (cage-free).

Můžete sdělit nějaký příklad?

Pro bezbariérovou spolupráci jsou tyto požadavky závislé na pracovním prostředí robota, hodnotě síly, tvaru a hmotnosti koncového efektoru a částí, a maximální permisivní rychlosti robota, aby zůstal v rozmezí zvolených hodnot tlaku a síly.

Zásadní problém, který musí výrobci řešit, je otázka shody, přesněji řečeno shody s předpisy a pravidly stanovenými pro daný případ a aplikaci - tedy to, co je označováno pojmem compliance. Technické parametry robota jsou dané - nosnost, dosah, výkon, atd. Je ale třeba vyjasnit, jak to bude pro dodatky a vybavení, které tvoří robotický systém. Bude kompatibilní pro kolaborativní použití bez ochranných bariér a klecí i po přidání konečných efektorů a při práci s danými díly? Z pohledu shody existuje řada různých faktorů, pokud je požadována aplikace pro bezbariérovou spolupráci. A všechny faktory je třeba vzít v úvahu. Někteří roboti mají senzory pro sledování rizika kontaktu, z tohoto hlediska by vyhovovali na požadavky bezpečné spolupráce s lidmi, ale pokud by takovýto robot pracoval třeba s nožem, už to není zařízení, které můžeme označit pojmem kolaborativní. V takovém případě by měl pracovat jako běžný průmyslový robot, tzn. odděleně od lidí.

Výrobci robotů mohou zaručit jen shodu svého výrobku podle jeho specifikace a schválení. Tedy, že robot pracuje s přesností na desetinu milimetru, nebo že robotické rameno vyhovuje použití v souladu s normou ISO/TS 15066, včetně přílohy A. Tato příloha se vztahuje na celou řadu síly a prahových hodnot bolesti a dalších parametrů, za nichž může být kolaborativní robotický systém použit bez krytů a ochranných zařízení.

Které způsoby zajištění bezpečnosti jsou považovány za nejúčinnější?

Je několik cest, jak snížit rizika - od administrativních, jako je dodržování nejrůznějších bezpečnostních předpisů a pravidel, systému varování (např. vizuální a zvukové alarmy), až po aktivní technická opatření a řešení, kam patří kromě uplatnění bezpečnostních senzorů a automatického vypínání systému i omezení síly a výkonu. To navíc žádné náročné bezpečnostní prvky nevyžaduje. Touto cestou jde např. právě UR. Při vysokém stupni rizika je vhodné využít i kombinace více způsobů, aby byla možnost ohrožení či zranění člověka snížena na přijatelnou úroveň. Jednou z cest je tzv. inherentně bezpečný design, který zahrnuje např. používání méně rizikových materiálů, snížení energetické náročnosti, rychlosti a rozsahu pohybů apod.

V rámci kolaborativních operací robotických systémů jsou uváděny čtyři hlavní typy zabezpečení: - zastavení na základě vyhodnocovaného monitorování bezpečnosti, - ruční řízení, - sledování rychlosti a vzdálenosti, - omezení výkonu a síly PFL (Power and force limited).

Každá z variant má své pro a proti. Pokud jde o zastavení na základě vyhodnocovaného monitorování bezpečnosti bez vypnutí napájení, robotický systém se zastaví ještě dříve, než může být lidská obsluha vystavena ve společném prostoru nějakému nebezpečí. Robot se může jako nekolaborativní pohybovat v tomto prostoru jen v případě, že v něm není přítomen žádný člověk. Jinými slovy, buď v něm pracuje robotický systém, nebo lidská obsluha, ale nikdy současně. Tato metoda nemůže využívat výhody vzájemné spolupráce robota a člověka a vyžaduje zajištění bezpečnosti způsobem běžným u tradičních průmyslových robotů. Výhodou je, že nabízí jednoduché a rychlé obnovení automatického provozu.

Při manuálním řízení provozu lidský operátor používá ruční zásahy a robotický systém funguje na základě povelů. Jde o druh ručně řízeného provozu, kdy může operátor přímo ovládat funkce robotického systému. To je považováno za automatický provoz, ne manuální.

Použití metody monitorování rychlosti a bezpečné vzdálenosti, kdy je rychlost robotického systému řízena na základě bezpečné vzdálenosti zabraňující riziku jejího potenciálního narušení, vyžaduje externí bezpečnostní zařízení, jako jsou bezpečnostní skenery, laserové detektory apod. V budoucnu by takováto bezpečnostní zařízení mohla být integrována už přímo do robotických systémů.

U zabezpečení PFL, které lze uvést jako vysoce účinný a efektivní způsob zajištění robotické bezpečnosti, aplikace omezuje užitečné zatížení a rychlost tak, aby nedocházelo k bolestem nebo zranění. V tomto případě se řeší dva hlavní typy možných kontaktů. První variantou je tzv. kvazistatický kontakt, kde nějaká část lidského těla může být zachycena mezi pohyblivou částí robotického systému a jinou pohyblivou nebo pevnou částí robotické buňky, druhým případem je přechodný kontakt, kdy člověk není zachycen a může od robotického pracoviště odskočit, stáhnout se do bezpečné vzdálenosti.

Promítají se nové poznatky i do robotických předpisů?

Byly vyvinuty bezpečnostní normy, které definují přijatelné a nepřijatelné hranice či formy kontaktu mezi člověkem a robotem. Pokud jsou povrchy měkké a zaoblené a ke kontaktu, který třeba může poškodit maximálně kus papíru, by nedocházelo často, pak je to ještě v pořádku, takovouto kolizi na rozdíl od listu papíru člověk snese. Proč se za každou cenu vyhýbat kontaktu pracujícího robota s člověkem, pokud k němu dojde jen výjimečně a nezpůsobí bolest či zranění? Je snad nebezpečnější, než když se člověk udeří o zastavený robotický systém? Očekáváme, že život přináší i drobné škrábance - to je prostě život. Je ale nepřijatelné, aby robot člověka vážněji zranil.

Touto problematikou se zabývala loni např. studie univerzity v Mohuči (Mainz), která v souvislosti s normou ISO/TS 15066 zkoumala na stovce dobrovolníků přijatelnou úroveň tlaku a bolesti na téměř 30 místech lidského těla. Šlo o specifikaci kritických míst na lidském těle a hodnoty citlivosti, které by neměly být překračovány z bezpečnostního hlediska při možných kolizích robotů s lidmi.

Logika bezpečnostních norem by se měla řídit především zdravým rozumem, a to i pokud jde o posouzení rizik - zaměřit se na případy, kdy by mohlo dojít k fyzickému kontaktu robota s člověkem, a za jakých podmínek. Zkusit třeba navrhnout robota a naučit ho, aby jednal jako člověk, tzn., aby se vyhnul možnosti nežádoucí kolize. Udržovat si např. odstup od hlavy člověka, neuchopovat objekty ve svém okolí, ale dotknout se objektu jen, když je to věc, kterou robot potřebuje uchopit.