Взаимодействие човек-робот: Осигуряване на безопасност в свят на съвместна работа

Работната среда се развива бързо, като роботите стават все по-интегрирани в различни индустрии. Тази интеграция, известна като взаимодействие човек-робот (HRI), предоставя както огромни възможности, така и потенциални предизвикателства, особено по отношение на безопасността. Тъй като роботите работят рамо до рамо с хората, е изключително важно да се установят надеждни протоколи за безопасност, за да се намалят рисковете и да се осигури сигурна и продуктивна работна среда в световен мащаб.

Какво е взаимодействие човек-робот (HRI)?

Взаимодействието човек-робот (HRI) се отнася до изучаването и проектирането на взаимодействия между хора и роботи. То обхваща различни аспекти, включително физическата, когнитивната и социалната динамика на тези взаимодействия. За разлика от традиционните индустриални роботи, които работят в изолирани клетки, колаборативните роботи (коботи) са проектирани да работят в тясна близост с хората в споделени работни пространства. Тази среда на сътрудничество налага всеобхватен подход към безопасността.

Значението на протоколите за безопасност в HRI

Протоколите за безопасност в HRI са от първостепенно значение по няколко причини:

Предотвратяване на наранявания: Основната цел е да се предотвратят наранявания на работещите хора. Роботите, особено индустриалните, могат да упражняват значителна сила и да се движат с висока скорост, което представлява риск от наранявания при удар, притискане и други опасности.
Повишаване на производителността: Безопасната работна среда насърчава доверието и увереността сред работниците, което води до повишена производителност и ефективност. Когато работниците се чувстват в безопасност, те са по-склонни да приемат колаборативната роботика.
Осигуряване на съответствие с нормативните изисквания: Много държави имат разпоредби и стандарти, уреждащи използването на индустриални роботи. Спазването на тези стандарти е от съществено значение за законосъобразността и избягването на санкции.
Етични съображения: Освен правните и практическите съображения, съществува и етичен императив за защита на човешките работници от вреди. Отговорното внедряване на роботиката изисква приоритизиране на безопасността над всичко останало.

Ключови стандарти и разпоредби за безопасност

Няколко международни стандарта и разпоредби предоставят насоки за осигуряване на безопасност в HRI. Някои от най-важните включват:

ISO 10218: Този стандарт определя изискванията за безопасност за индустриални роботи и роботизирани системи. Той разглежда различни опасности, включително притискане, срязване, удар и оплитане. ISO 10218-1 се фокусира върху дизайна на робота, докато ISO 10218-2 се фокусира върху интеграцията на роботизирани системи.
ISO/TS 15066: Тази техническа спецификация предоставя изисквания за безопасност за колаборативни роботи. Тя се основава на ISO 10218 и разглежда уникалните предизвикателства на работата рамо до рамо с роботи в споделени работни пространства. Тя дефинира четири техники за сътрудничество: безопасно контролирано спиране, ръчно насочване, наблюдение на скоростта и разделянето, и ограничаване на мощността и силата.
ANSI/RIA R15.06: Този американски национален стандарт предоставя изисквания за безопасност за индустриални роботи и роботизирани системи. Той е подобен на ISO 10218 и се използва широко в Северна Америка.
Европейска директива за машините 2006/42/ЕО: Тази директива определя съществени изисквания за здраве и безопасност за машините, включително индустриалните роботи, продавани в Европейския съюз.

Тези стандарти предоставят рамка за оценка на рисковете, прилагане на мерки за безопасност и гарантиране, че роботите работят безопасно в среда на сътрудничество. От решаващо значение е компаниите, внедряващи роботи, да са наясно и да спазват тези разпоредби, отнасящи се до техния регион.

Оценка на риска в HRI

Цялостната оценка на риска е основна стъпка за гарантиране на безопасността в HRI. Процесът на оценка на риска включва идентифициране на потенциални опасности, оценка на вероятността и тежестта на вредата и прилагане на контролни мерки за смекчаване на рисковете. Ключовите стъпки в процеса на оценка на риска включват:

Идентифициране на опасностите: Идентифицирайте всички потенциални опасности, свързани с роботизираната система, включително механични опасности (напр. притискане, срязване, удар), електрически опасности и ергономични опасности.
Анализ на риска: Оценете вероятността и тежестта на всяка опасност. Това включва отчитане на фактори като скоростта, силата и обхвата на движение на робота, както и честотата и продължителността на човешкото взаимодействие.
Оценка на риска: Определете дали рисковете са приемливи или изискват допълнително смекчаване. Това включва сравняване на рисковете с установени критерии за приемане на риск.
Контрол на риска: Приложете контролни мерки за намаляване на рисковете до приемливо ниво. Тези мерки могат да включват инженерни контроли (напр. устройства за безопасност, предпазни огради), административни контроли (напр. обучение, процедури) и лични предпазни средства (ЛПС).
Проверка и валидиране: Проверете дали контролните мерки са ефективни за намаляване на рисковете и валидирайте, че роботизираната система работи безопасно по предназначение.
Документация: Документирайте целия процес на оценка на риска, включително идентифицираните опасности, анализа на риска, оценката на риска и приложените контролни мерки.

Пример: Оценка на риска за кобот, използван в приложение за опаковане, може да идентифицира опасността от прищипване на ръката на работник между рамото на робота и конвейерна лента. Анализът на риска ще вземе предвид скоростта и силата на рамото на робота, близостта на работника до робота и честотата на задачата. Контролните мерки могат да включват намаляване на скоростта на робота, инсталиране на светлинна завеса за безопасност, която да спира робота, ако работник влезе в опасната зона, и предоставяне на ръкавици на работниците за защита на ръцете им. Непрекъснатото наблюдение и преглед на оценката на риска са важни за адаптиране към промени и нови потенциални опасности.

Проектиране за безопасност в HRI

Безопасността трябва да бъде основно съображение по време на целия процес на проектиране на роботизирани системи. Няколко принципа на проектиране могат да подобрят безопасността в HRI:

Безопасно контролирано спиране: Тази техника позволява на робота да продължи да работи, докато се засича човек в съвместното работно пространство, но спира робота, ако човекът се приближи твърде много.
Ръчно насочване: Това позволява на оператора физически да насочва движенията на робота за обучение на нови задачи или за изпълнение на задачи, които изискват ръчна сръчност. Роботът се движи само когато операторът държи пулта за обучение или насочва рамото на робота.
Наблюдение на скоростта и разделянето: Тази техника непрекъснато следи разстоянието между робота и човешкия работник и съответно регулира скоростта на робота. Ако работникът се приближи твърде много, роботът забавя или спира напълно.
Ограничаване на мощността и силата: Този дизайн ограничава мощността и силата на робота, за да се предотвратят наранявания в случай на сблъсък с човешки работник. Това може да се постигне чрез сензори за сила, сензори за въртящ момент и еластични материали.
Ергономичен дизайн: Проектирайте роботизираната система така, че да минимизира ергономичните опасности, като повтарящи се движения, неудобни пози и прекомерна сила. Това може да помогне за предотвратяване на мускулно-скелетни заболявания и да подобри комфорта на работника.
Интерфейс човек-машина (HMI): HMI трябва да бъде интуитивен и лесен за използване, предоставяйки ясна и кратка информация за състоянието на робота и всякакви потенциални опасности. Той също така трябва да позволява на работниците лесно да управляват робота и да реагират на аларми.
Устройства за безопасност: Включете устройства за безопасност като светлинни завеси, лазерни скенери, чувствителни на натиск постелки и бутони за аварийно спиране, за да осигурите допълнителни нива на защита.
Ограждения: Използвайте физически бариери, за да предотвратите влизането на работници в работното пространство на робота. Това е особено важно за високорискови приложения, където роботът представлява значителна опасност.

Пример: Кобот, проектиран за сглобяване на електронни компоненти, може да включва сензори за сила в своя краен ефектор, за да ограничи силата, която може да упражни върху компонентите. Това предотвратява повреда на компонентите и намалява риска от нараняване на работника. HMI на робота може да показва прилаганата сила, позволявайки на работника да следи процеса и да се намеси, ако е необходимо.

Обучение и образование

Правилното обучение и образование са от съществено значение, за да се гарантира, че работниците разбират рисковете, свързани с HRI, и как да работят безопасно с роботизирани системи. Програмите за обучение трябва да обхващат теми като:

Принципи и разпоредби за безопасност на роботите.
Процедури за оценка на риска.
Безопасни работни процедури за конкретната роботизирана система.
Процедури за аварийно спиране.
Правилно използване на устройства за безопасност и ЛПС.
Процедури за отстраняване на неизправности и поддръжка.
Процедури за докладване на инциденти и близки до инциденти ситуации.

Обучението трябва да бъде предоставено на всички работници, които ще взаимодействат с роботизираната система, включително оператори, програмисти, персонал по поддръжката и надзорници. Редовно трябва да се провежда опреснително обучение, за да се гарантира, че работниците са в крак с най-новите практики за безопасност.

Пример: Производствена компания, която внедрява коботи за заваръчни приложения, трябва да осигури цялостно обучение на своите заварчици. Обучението трябва да обхваща теми като принципи за безопасност на роботите, процедури за оценка на риска, безопасни практики при заваряване и правилното използване на ЛПС за заваряване. Обучението трябва да включва и практическа работа с кобота под наблюдението на квалифициран инструктор.

Наблюдение и поддръжка

Редовното наблюдение и поддръжка са от решаващо значение, за да се гарантира, че роботизираните системи продължават да работят безопасно с течение на времето. Дейностите по наблюдение трябва да включват:

Редовни инспекции на роботизираната система за идентифициране на всякакви признаци на износване, повреда или неизправност.
Наблюдение на устройствата за безопасност, за да се гарантира, че функционират правилно.
Редовни одити на процедурите за безопасност, за да се гарантира, че се спазват.
Анализ на данни за инциденти и близки до инциденти ситуации за идентифициране на тенденции и области за подобрение.

Дейностите по поддръжка трябва да включват:

Редовно смазване и почистване на роботизираната система.
Подмяна на износени или повредени части.
Калибриране на сензори и задвижващи механизми.
Актуализиране на софтуер и фърмуер.
Проверка и валидиране на функциите за безопасност след дейности по поддръжка.

Поддръжката трябва да се извършва от квалифициран персонал, който е обучен за конкретната роботизирана система. Всички дейности по поддръжка трябва да бъдат документирани и проследявани.

Пример: Логистична компания, използваща автоматизирани управляеми превозни средства (AGV) в своя склад, трябва да провежда редовни инспекции на AGV, за да се увери, че техните сензори, спирачки и устройства за безопасност функционират правилно. Компанията трябва също така да следи навигационните пътища на AGV, за да идентифицира всякакви потенциални опасности, като препятствия или промени в оформлението на склада.

Ролята на технологиите за подобряване на безопасността в HRI

Напредналите технологии играят все по-важна роля за повишаване на безопасността в HRI:

Системи за машинно зрение: Системите за машинно зрение могат да се използват за откриване на човешко присъствие в работното пространство на робота и за наблюдение на човешките движения. Тази информация може да се използва за регулиране на скоростта и траекторията на робота или за пълното му спиране, ако предстои сблъсък.
Сензори за сила: Сензорите за сила могат да се използват за измерване на силата, упражнявана от робота, и за ограничаването й до безопасно ниво. Това може да предотврати наранявания в случай на сблъсък с човешки работник.
Сензори за близост: Сензорите за близост могат да се използват за откриване на присъствието на човешки работник в близост до робота и за забавяне или спиране на робота преди да настъпи сблъсък.
Изкуствен интелект (ИИ): ИИ може да се използва за подобряване на възприятието на робота за околната среда и за предвиждане на човешките движения. Това може да позволи на робота да реагира по-бързо и по-ефективно на потенциални опасности.
Виртуална реалност (VR) и разширена реалност (AR): VR и AR могат да се използват за обучение на работници по безопасни работни процедури и за симулиране на потенциални опасности. Това може да помогне на работниците да развият уменията и знанията, необходими за безопасна работа с роботи.
Безжична комуникация: Технологиите за безжична комуникация позволяват наблюдение в реално време на производителността и средата на робота. Това може да улесни дистанционното управление, диагностиката и интервенциите за безопасност.

Пример: Производител на автомобили, използващ роботи за боядисване, може да включи система за машинно зрение, която да открива кога работник влиза в камерата за боядисване. Системата за зрение може автоматично да изключи робота, за да предотврати излагането на работника на вредни изпарения от боя. Освен това, носими сензори на работника могат да следят близостта му до робота и да го предупреждават за потенциални опасности чрез тактилна обратна връзка.

Разглеждане на етични съображения в безопасността на HRI

Освен техническите и регулаторните аспекти, етичните съображения са жизненоважни за безопасността на HRI. Те включват:

Прозрачност и обяснимост: Роботизираните системи трябва да бъдат проектирани така, че да са прозрачни и обясними, за да могат работниците да разберат как работят и как вземат решения. Това може да помогне за изграждане на доверие и увереност в роботизираната система.
Отчетност: Важно е да се установят ясни линии на отговорност за безопасността на роботизираните системи. Това включва идентифициране на това кой е отговорен за проектирането, внедряването и поддръжката на роботизираната система, както и кой е отговорен за реагирането при инциденти и близки до инциденти ситуации.
Справедливост и равнопоставеност: Роботизираните системи трябва да бъдат проектирани и внедрявани по начин, който е справедлив и равнопоставен за всички работници. Това означава да се гарантира, че всички работници имат достъп до обучението и ресурсите, от които се нуждаят, за да работят безопасно с роботи, и че никой работник не е непропорционално изложен на рискове.
Заместване на работни места: Потенциалът за заместване на работни места е значително етично притеснение, свързано с внедряването на роботи. Компаниите трябва да обмислят въздействието на роботизацията върху работната си сила и да предприемат стъпки за смекчаване на всякакви негативни последици, като например предоставяне на възможности за преквалификация на изместените работници.
Поверителност и сигурност на данните: Роботизираните системи често събират и обработват големи количества данни за човешките работници. Важно е да се защити поверителността и сигурността на тези данни и да се гарантира, че те не се използват по дискриминационен или вреден начин.

Пример: Търговска компания, която внедрява роботи за управление на инвентара, трябва да бъде прозрачна със своите служители относно начина, по който работят роботите и как се използват. Компанията трябва също така да установи ясни линии на отговорност за безопасността на роботите и да предприеме стъпки за защита на поверителността и сигурността на данните, събрани от роботите.

Бъдещи тенденции в безопасността на HRI

Областта на HRI непрекъснато се развива и се появяват нови тенденции, които ще оформят бъдещето на безопасността в HRI:

Напреднали сензорни технологии: Нови сензорни технологии, като 3D камери, лидар и радар, предоставят на роботите по-подробно и точно разбиране на тяхната среда. Това позволява на роботите да реагират по-бързо и по-ефективно на потенциални опасности.
Системи за безопасност, задвижвани от ИИ: ИИ се използва за разработване на по-сложни системи за безопасност, които могат да предвиждат и предотвратяват инциденти. Тези системи могат да се учат от минали инциденти и да се адаптират към променящите се условия.
Колаборативни роботи като услуга (Cobots-as-a-Service): Моделите "Коботи като услуга" правят колаборативните роботи по-достъпни за малките и средни предприятия (МСП). Това стимулира приемането на колаборативната роботика в по-широк кръг индустрии.
Човеко-центриран дизайн: Нараства акцентът върху човеко-центрирания дизайн в HRI. Това означава проектиране на роботизирани системи, които са интуитивни, лесни за използване и безопасни за човешките работници.
Стандартизация и сертифициране: В ход са усилия за разработване на по-всеобхватни стандарти и програми за сертифициране за безопасността на HRI. Това ще помогне да се гарантира, че роботизираните системи са безопасни и надеждни.
Цифрови двойници: Създаването на цифрови двойници на работното пространство позволява виртуална симулация на взаимодействията на роботите, което дава възможност за цялостно тестване на безопасността и оптимизация преди физическото внедряване.

Глобални примери за прилагане на безопасността в HRI

Автомобилна индустрия (Германия): Компании като BMW и Volkswagen използват колаборативни роботи за монтажни задачи, внедрявайки напреднали сензорни технологии и системи за безопасност, задвижвани от ИИ, за да гарантират безопасността на работниците. Те се придържат към строгите германски и европейски разпоредби за безопасност.

Производство на електроника (Япония): Fanuc и Yaskawa, водещи компании в областта на роботиката, се фокусират върху разработването на роботи с интегрирани функции за безопасност, като крайни ефектори с ограничаване на силата и напреднали системи за машинно зрение, за да позволят безопасно сътрудничество на поточните линии за сглобяване на електроника. Силният акцент на Япония върху качеството и прецизността налага високи стандарти за безопасност.

Логистика и складиране (САЩ): Amazon и други големи логистични компании внедряват AGV и автономни мобилни роботи (AMR) в своите складове, използвайки напреднали навигационни системи и сензори за близост, за да предотвратят сблъсъци и да гарантират безопасността на работниците. Те също така инвестират в програми за обучение на работници, за да насърчат безопасното взаимодействие с роботите.

Хранително-вкусова промишленост (Дания): Компании в Дания използват колаборативни роботи за задачи като опаковане и контрол на качеството, прилагайки строги хигиенни протоколи и мерки за безопасност, за да предотвратят замърсяване и да гарантират безопасността на работниците. Фокусът на Дания върху устойчивостта и благосъстоянието на работниците води до високи стандарти за безопасност.

Авиокосмическа промишленост (Франция): Airbus и други авиокосмически компании използват роботи за задачи като пробиване и боядисване, внедрявайки напреднали системи за безопасност и технологии за наблюдение, за да предотвратят инциденти и да гарантират безопасността на работниците. Строгите изисквания на авиокосмическата индустрия налагат всеобхватни мерки за безопасност.

Заключение

Осигуряването на безопасност при взаимодействието човек-робот не е просто техническо предизвикателство, а многостранно начинание, което изисква холистичен подход. От спазването на международните стандарти и провеждането на задълбочени оценки на риска до проектирането за безопасност, предоставянето на цялостно обучение и възприемането на технологичния напредък, всеки аспект играе жизненоважна роля в създаването на сигурна и продуктивна среда за сътрудничество. Тъй като роботите стават все по-интегрирани в глобалната работна сила, приоритизирането на безопасността ще бъде от първостепенно значение за насърчаване на доверието, повишаване на производителността и оформяне на бъдеще, в което хората и роботите могат да работят заедно хармонично.

Като възприемат тези принципи и насърчават култура на безопасност, организациите по света могат да отключат пълния потенциал на HRI, като същевременно защитават благосъстоянието на своята работна сила. Този проактивен подход не само смекчава рисковете, но и изгражда основа за устойчив растеж и иновации в ерата на колаборативната роботика.