Interakcja człowiek-robot: Zapewnienie bezpieczeństwa w świecie współpracy

Krajobraz pracy gwałtownie się zmienia, a roboty stają się coraz bardziej zintegrowane z różnymi gałęziami przemysłu. Ta integracja, znana jako interakcja człowiek-robot (HRI), stwarza zarówno ogromne możliwości, jak i potencjalne wyzwania, zwłaszcza w zakresie bezpieczeństwa. Ponieważ roboty pracują obok ludzi, kluczowe jest ustanowienie solidnych protokołów bezpieczeństwa w celu minimalizacji ryzyka i zapewnienia bezpiecznego oraz produktywnego środowiska pracy na całym świecie.

Czym jest interakcja człowiek-robot (HRI)?

Interakcja człowiek-robot (HRI) odnosi się do badania i projektowania interakcji między ludźmi a robotami. Obejmuje ona różne aspekty, w tym fizyczną, poznawczą i społeczną dynamikę tych interakcji. W przeciwieństwie do tradycyjnych robotów przemysłowych, które działają w odizolowanych klatkach, roboty współpracujące (coboty) są zaprojektowane do bliskiej pracy z ludźmi we wspólnych przestrzeniach roboczych. To środowisko współpracy wymaga kompleksowego podejścia do bezpieczeństwa.

Znaczenie protokołów bezpieczeństwa w HRI

Protokoły bezpieczeństwa w HRI są najważniejsze z kilku powodów:

Zapobieganie urazom: Głównym celem jest zapobieganie urazom u pracowników. Roboty, zwłaszcza przemysłowe, mogą wywierać znaczną siłę i poruszać się z dużą prędkością, stwarzając ryzyko urazów uderzeniowych, zgnieceń i innych zagrożeń.
Zwiększanie produktywności: Bezpieczne środowisko pracy buduje zaufanie i pewność siebie wśród pracowników, co prowadzi do zwiększenia produktywności i wydajności. Kiedy pracownicy czują się bezpiecznie, chętniej akceptują robotykę współpracującą.
Zapewnienie zgodności z przepisami: Wiele krajów posiada przepisy i normy regulujące użytkowanie robotów przemysłowych. Przestrzeganie tych standardów jest niezbędne do zachowania zgodności z prawem i unikania kar.
Względy etyczne: Poza względami prawnymi i praktycznymi istnieje etyczny imperatyw ochrony pracowników przed szkodą. Odpowiedzialne wdrażanie robotyki wymaga priorytetowego traktowania bezpieczeństwa ponad wszystko inne.

Kluczowe normy i przepisy dotyczące bezpieczeństwa

Kilka międzynarodowych norm i przepisów zawiera wytyczne dotyczące zapewnienia bezpieczeństwa w HRI. Do najważniejszych z nich należą:

ISO 10218: Norma ta określa wymagania bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych i systemów zrobotyzowanych. Odnosi się do różnych zagrożeń, w tym zgniecenia, przycięcia, uderzenia i wplątania. Norma ISO 10218-1 skupia się na projektowaniu robotów, podczas gdy ISO 10218-2 koncentruje się na integracji systemów zrobotyzowanych.
ISO/TS 15066: Ta specyfikacja techniczna zawiera wymagania bezpieczeństwa dla robotów współpracujących. Opiera się na normie ISO 10218 i odnosi się do unikalnych wyzwań związanych z pracą obok robotów we wspólnych przestrzeniach roboczych. Definiuje cztery techniki współpracy: monitorowane zatrzymanie znamionowe (safety-rated monitored stop), prowadzenie ręczne (hand guiding), monitorowanie prędkości i odległości (speed and separation monitoring) oraz ograniczenie mocy i siły (power and force limiting).
ANSI/RIA R15.06: Ta amerykańska norma krajowa zawiera wymagania bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych i systemów zrobotyzowanych. Jest podobna do ISO 10218 i jest szeroko stosowana w Ameryce Północnej.
Dyrektywa Maszynowa 2006/42/WE: Dyrektywa ta określa zasadnicze wymagania dotyczące zdrowia i bezpieczeństwa dla maszyn, w tym robotów przemysłowych, sprzedawanych w Unii Europejskiej.

Normy te stanowią ramy do oceny ryzyka, wdrażania środków bezpieczeństwa i zapewnienia, że roboty działają bezpiecznie w środowisku współpracy. Kluczowe jest, aby firmy wdrażające roboty były świadome i przestrzegały przepisów obowiązujących w ich regionie.

Ocena ryzyka w HRI

Dokładna ocena ryzyka jest podstawowym krokiem w zapewnianiu bezpieczeństwa w HRI. Proces oceny ryzyka obejmuje identyfikację potencjalnych zagrożeń, ocenę prawdopodobieństwa i ciężkości szkody oraz wdrożenie środków kontroli w celu ograniczenia ryzyka. Kluczowe etapy procesu oceny ryzyka obejmują:

Identyfikacja zagrożeń: Zidentyfikuj wszystkie potencjalne zagrożenia związane z systemem zrobotyzowanym, w tym zagrożenia mechaniczne (np. zgniecenie, przycięcie, uderzenie), zagrożenia elektryczne i zagrożenia ergonomiczne.
Analiza ryzyka: Oceń prawdopodobieństwo i ciężkość każdego zagrożenia. Obejmuje to uwzględnienie takich czynników, jak prędkość, siła i zasięg ruchu robota, a także częstotliwość i czas trwania interakcji z człowiekiem.
Ewaluacja ryzyka: Ustal, czy ryzyko jest akceptowalne, czy wymaga dalszej minimalizacji. Polega to na porównaniu ryzyka z ustalonymi kryteriami akceptacji ryzyka.
Kontrola ryzyka: Wdróż środki kontroli w celu zmniejszenia ryzyka do akceptowalnego poziomu. Środki te mogą obejmować kontrole inżynieryjne (np. urządzenia bezpieczeństwa, osłony), kontrole administracyjne (np. szkolenia, procedury) i środki ochrony indywidualnej (ŚOI).
Weryfikacja i walidacja: Zweryfikuj, czy środki kontroli są skuteczne w redukcji ryzyka i zwaliduj, czy system zrobotyzowany działa bezpiecznie zgodnie z przeznaczeniem.
Dokumentacja: Udokumentuj cały proces oceny ryzyka, w tym zidentyfikowane zagrożenia, analizę ryzyka, ewaluację ryzyka i wdrożone środki kontroli.

Przykład: Ocena ryzyka dla cobota używanego w aplikacji do pakowania może zidentyfikować zagrożenie przytrzaśnięcia ręki pracownika między ramieniem robota a taśmociągiem. Analiza ryzyka uwzględniłaby prędkość i siłę ramienia robota, bliskość pracownika do robota oraz częstotliwość zadania. Środki kontroli mogą obejmować zmniejszenie prędkości robota, zainstalowanie kurtyny świetlnej bezpieczeństwa, która zatrzyma robota, jeśli pracownik wejdzie do strefy zagrożenia, oraz zapewnienie pracownikom rękawic w celu ochrony rąk. Ciągłe monitorowanie i przegląd oceny ryzyka są ważne, aby dostosować się do zmian i nowych potencjalnych zagrożeń.

Projektowanie z myślą o bezpieczeństwie w HRI

Bezpieczeństwo powinno być głównym czynnikiem branym pod uwagę na każdym etapie procesu projektowania systemów zrobotyzowanych. Kilka zasad projektowania może zwiększyć bezpieczeństwo w HRI:

Monitorowane zatrzymanie znamionowe: Technika ta pozwala robotowi kontynuować pracę, dopóki osoba jest wykrywana w przestrzeni współpracy, ale zatrzymuje robota, jeśli osoba podejdzie zbyt blisko.
Prowadzenie ręczne: Pozwala operatorowi fizycznie prowadzić ruchy robota w celu nauczania nowych zadań lub wykonywania zadań wymagających zręczności manualnej. Robot porusza się tylko wtedy, gdy operator trzyma panel programujący lub prowadzi ramię robota.
Monitorowanie prędkości i odległości: Technika ta stale monitoruje odległość między robotem a pracownikiem i odpowiednio dostosowuje prędkość robota. Jeśli pracownik podejdzie zbyt blisko, robot zwalnia lub zatrzymuje się całkowicie.
Ograniczenie mocy i siły: Ten projekt ogranicza moc i siłę robota, aby zapobiec urazom w przypadku kolizji z pracownikiem. Można to osiągnąć za pomocą czujników siły, czujników momentu obrotowego i materiałów podatnych.
Ergonomiczny projekt: Zaprojektuj system zrobotyzowany w celu zminimalizowania zagrożeń ergonomicznych, takich jak powtarzalne ruchy, niewygodne pozycje i nadmierna siła. Może to pomóc w zapobieganiu zaburzeniom mięśniowo-szkieletowym i poprawie komfortu pracy.
Interfejs człowiek-maszyna (HMI): HMI powinien być intuicyjny i łatwy w obsłudze, dostarczając jasnych i zwięzłych informacji o stanie robota i wszelkich potencjalnych zagrożeniach. Powinien również umożliwiać pracownikom łatwe sterowanie robotem i reagowanie na alarmy.
Urządzenia bezpieczeństwa: Wprowadź urządzenia bezpieczeństwa, takie jak kurtyny świetlne, skanery laserowe, maty czułe na nacisk i przyciski zatrzymania awaryjnego, aby zapewnić dodatkowe warstwy ochrony.
Osłony: Używaj fizycznych barier, aby uniemożliwić pracownikom wejście do przestrzeni roboczej robota. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach wysokiego ryzyka, gdzie robot stanowi znaczne zagrożenie.

Przykład: Cobot zaprojektowany do montażu komponentów elektronicznych może zawierać czujniki siły w swoim chwytaku końcowym, aby ograniczyć siłę, jaką może wywierać na komponenty. Zapobiega to uszkodzeniu komponentów i zmniejsza ryzyko urazu pracownika. HMI robota mógłby wyświetlać przyłożoną siłę, umożliwiając pracownikowi monitorowanie procesu i interwencję w razie potrzeby.

Szkolenia i edukacja

Odpowiednie szkolenia i edukacja są niezbędne, aby pracownicy rozumieli ryzyka związane z HRI i wiedzieli, jak bezpiecznie obsługiwać systemy zrobotyzowane. Programy szkoleniowe powinny obejmować takie tematy, jak:

Zasady i przepisy dotyczące bezpieczeństwa robotów.
Procedury oceny ryzyka.
Bezpieczne procedury obsługi dla konkretnego systemu zrobotyzowanego.
Procedury zatrzymania awaryjnego.
Prawidłowe użycie urządzeń bezpieczeństwa i ŚOI.
Procedury rozwiązywania problemów i konserwacji.
Procedury zgłaszania wypadków i zdarzeń potencjalnie wypadkowych.

Szkolenie powinno być zapewnione wszystkim pracownikom, którzy będą wchodzić w interakcję z systemem zrobotyzowanym, w tym operatorom, programistom, personelowi konserwacyjnemu i nadzorcom. Regularnie należy przeprowadzać szkolenia odświeżające, aby pracownicy byli na bieżąco z najnowszymi praktykami bezpieczeństwa.

Przykład: Firma produkcyjna wdrażająca coboty do zastosowań spawalniczych powinna zapewnić kompleksowe szkolenie swoim spawaczom. Szkolenie powinno obejmować takie tematy, jak zasady bezpieczeństwa robotów, procedury oceny ryzyka, bezpieczne praktyki spawalnicze oraz prawidłowe użycie ŚOI spawalniczych. Szkolenie powinno również obejmować praktyczne ćwiczenia z cobotem pod nadzorem wykwalifikowanego instruktora.

Monitorowanie i konserwacja

Regularne monitorowanie i konserwacja są kluczowe, aby zapewnić, że systemy zrobotyzowane będą działać bezpiecznie przez długi czas. Działania monitorujące powinny obejmować:

Regularne inspekcje systemu zrobotyzowanego w celu identyfikacji wszelkich oznak zużycia, uszkodzenia lub nieprawidłowego działania.
Monitorowanie urządzeń bezpieczeństwa w celu zapewnienia ich prawidłowego funkcjonowania.
Regularne audyty procedur bezpieczeństwa w celu zapewnienia ich przestrzegania.
Analiza danych o wypadkach i zdarzeniach potencjalnie wypadkowych w celu identyfikacji trendów i obszarów do poprawy.

Działania konserwacyjne powinny obejmować:

Regularne smarowanie i czyszczenie systemu zrobotyzowanego.
Wymianę zużytych lub uszkodzonych części.
Kalibrację czujników i siłowników.
Aktualizację oprogramowania i oprogramowania układowego.
Weryfikację i walidację funkcji bezpieczeństwa po działaniach konserwacyjnych.

Konserwacja powinna być przeprowadzana przez wykwalifikowany personel, który został przeszkolony w zakresie obsługi konkretnego systemu zrobotyzowanego. Wszystkie działania konserwacyjne powinny być dokumentowane i śledzone.

Przykład: Firma logistyczna używająca automatycznie sterowanych pojazdów (AGV) w swoim magazynie powinna przeprowadzać regularne inspekcje AGV, aby upewnić się, że ich czujniki, hamulce i urządzenia bezpieczeństwa działają prawidłowo. Firma powinna również monitorować ścieżki nawigacji AGV, aby zidentyfikować wszelkie potencjalne zagrożenia, takie jak przeszkody lub zmiany w układzie magazynu.

Rola technologii w zwiększaniu bezpieczeństwa HRI

Zaawansowane technologie odgrywają coraz ważniejszą rolę w zwiększaniu bezpieczeństwa w HRI:

Systemy wizyjne: Systemy wizyjne mogą być używane do wykrywania obecności człowieka w przestrzeni roboczej robota i do monitorowania ruchów człowieka. Informacje te mogą być wykorzystane do dostosowania prędkości i trajektorii robota lub do całkowitego zatrzymania robota, jeśli kolizja jest nieuchronna.
Czujniki siły: Czujniki siły mogą być używane do pomiaru siły wywieranej przez robota i do ograniczenia tej siły do bezpiecznego poziomu. Może to zapobiec urazom w przypadku kolizji z pracownikiem.
Czujniki zbliżeniowe: Czujniki zbliżeniowe mogą być używane do wykrywania obecności pracownika w pobliżu robota i do spowolnienia lub zatrzymania robota przed wystąpieniem kolizji.
Sztuczna inteligencja (AI): AI może być używana do poprawy percepcji otoczenia przez robota i do przewidywania ruchów człowieka. Może to umożliwić robotowi szybsze i skuteczniejsze reagowanie na potencjalne zagrożenia.
Rzeczywistość wirtualna (VR) i rozszerzona (AR): VR i AR mogą być używane do szkolenia pracowników w zakresie bezpiecznych procedur operacyjnych i do symulowania potencjalnych zagrożeń. Może to pomóc pracownikom rozwinąć umiejętności i wiedzę potrzebne do bezpiecznej pracy z robotami.
Komunikacja bezprzewodowa: Technologie komunikacji bezprzewodowej umożliwiają monitorowanie wydajności robota i jego otoczenia w czasie rzeczywistym. Może to ułatwić zdalne sterowanie, diagnostykę i interwencje w zakresie bezpieczeństwa.

Przykład: Producent samochodów używający robotów do malowania mógłby zintegrować system wizyjny, aby wykryć, kiedy pracownik wchodzi do kabiny lakierniczej. System wizyjny mógłby automatycznie wyłączyć robota, aby zapobiec narażeniu pracownika na szkodliwe opary farby. Dodatkowo, czujniki noszone przez pracownika mogłyby monitorować jego bliskość do robota i ostrzegać go o potencjalnych zagrożeniach za pomocą haptycznych informacji zwrotnych.

Odnoszenie się do kwestii etycznych w bezpieczeństwie HRI

Poza aspektami technicznymi i regulacyjnymi, kwestie etyczne są kluczowe w bezpieczeństwie HRI. Obejmują one:

Przejrzystość i wyjaśnialność: Systemy zrobotyzowane powinny być projektowane tak, aby były przejrzyste i wyjaśnialne, aby pracownicy mogli zrozumieć, jak działają i jak podejmują decyzje. Może to pomóc w budowaniu zaufania i pewności wobec systemu zrobotyzowanego.
Odpowiedzialność: Ważne jest ustanowienie jasnych linii odpowiedzialności za bezpieczeństwo systemów zrobotyzowanych. Obejmuje to określenie, kto jest odpowiedzialny za projektowanie, wdrażanie i konserwację systemu zrobotyzowanego, a także kto jest odpowiedzialny za reagowanie na wypadki i zdarzenia potencjalnie wypadkowe.
Sprawiedliwość i równość: Systemy zrobotyzowane powinny być projektowane i wdrażane w sposób sprawiedliwy i równy dla wszystkich pracowników. Oznacza to zapewnienie, że wszyscy pracownicy mają dostęp do szkoleń i zasobów potrzebnych do bezpiecznej pracy z robotami, oraz że żaden pracownik nie jest nieproporcjonalnie narażony na ryzyko.
Utrata miejsc pracy: Potencjalna utrata miejsc pracy jest znaczącym problemem etycznym związanym z wdrażaniem robotów. Firmy powinny rozważyć wpływ robotyzacji na swoją siłę roboczą i podjąć kroki w celu złagodzenia wszelkich negatywnych konsekwencji, takich jak zapewnienie możliwości przekwalifikowania dla zwolnionych pracowników.
Prywatność i bezpieczeństwo danych: Systemy zrobotyzowane często zbierają i przetwarzają duże ilości danych o pracownikach. Ważne jest, aby chronić prywatność i bezpieczeństwo tych danych oraz zapewnić, że nie są one wykorzystywane w sposób dyskryminujący lub szkodliwy.

Przykład: Firma handlowa wdrażająca roboty do zarządzania zapasami powinna być transparentna wobec swoich pracowników co do tego, jak roboty działają i jak są używane. Firma powinna również ustanowić jasne linie odpowiedzialności za bezpieczeństwo robotów i podjąć kroki w celu ochrony prywatności i bezpieczeństwa danych zbieranych przez roboty.

Przyszłe trendy w bezpieczeństwie HRI

Dziedzina HRI stale się rozwija, a nowe trendy kształtują przyszłość bezpieczeństwa w HRI:

Zaawansowane technologie sensoryczne: Nowe technologie sensoryczne, takie jak kamery 3D, lidar i radar, zapewniają robotom bardziej szczegółowe i dokładne rozumienie ich otoczenia. Umożliwia to robotom szybsze i skuteczniejsze reagowanie na potencjalne zagrożenia.
Systemy bezpieczeństwa oparte na AI: AI jest wykorzystywana do opracowywania bardziej zaawansowanych systemów bezpieczeństwa, które mogą przewidywać wypadki i im zapobiegać. Systemy te mogą uczyć się na podstawie przeszłych incydentów i dostosowywać się do zmieniających się warunków.
Roboty współpracujące jako usługa (Cobots-as-a-Service): Modele Cobots-as-a-Service sprawiają, że roboty współpracujące stają się bardziej dostępne dla małych i średnich przedsiębiorstw (MŚP). Napędza to wdrażanie robotyki współpracującej w szerszym zakresie branż.
Projektowanie zorientowane na człowieka: W HRI rośnie nacisk na projektowanie zorientowane na człowieka. Oznacza to projektowanie systemów zrobotyzowanych, które są intuicyjne, łatwe w obsłudze i bezpieczne dla pracowników.
Standaryzacja i certyfikacja: Trwają prace nad opracowaniem bardziej kompleksowych norm i programów certyfikacji dla bezpieczeństwa HRI. Pomoże to zapewnić, że systemy zrobotyzowane są bezpieczne i niezawodne.
Cyfrowe bliźniaki: Tworzenie cyfrowych bliźniaków przestrzeni roboczej pozwala na wirtualną symulację interakcji robotów, umożliwiając kompleksowe testowanie bezpieczeństwa i optymalizację przed fizycznym wdrożeniem.

Globalne przykłady wdrożenia bezpieczeństwa HRI

Przemysł motoryzacyjny (Niemcy): Firmy takie jak BMW i Volkswagen używają robotów współpracujących do zadań montażowych, wdrażając zaawansowane technologie sensoryczne i systemy bezpieczeństwa oparte na AI, aby zapewnić bezpieczeństwo pracowników. Przestrzegają surowych niemieckich i europejskich przepisów bezpieczeństwa.

Produkcja elektroniki (Japonia): Fanuc i Yaskawa, wiodące firmy robotyczne, koncentrują się na rozwijaniu robotów z zintegrowanymi funkcjami bezpieczeństwa, takimi jak chwytaki końcowe z ograniczeniem siły i zaawansowane systemy wizyjne, aby umożliwić bezpieczną współpracę na liniach montażowych elektroniki. Silny nacisk Japonii na jakość i precyzję wymaga wysokich standardów bezpieczeństwa.

Logistyka i magazynowanie (Stany Zjednoczone): Amazon i inne duże firmy logistyczne wdrażają AGV i autonomiczne roboty mobilne (AMR) w swoich magazynach, wykorzystując zaawansowane systemy nawigacji i czujniki zbliżeniowe, aby zapobiegać kolizjom i zapewniać bezpieczeństwo pracowników. Inwestują również w programy szkoleniowe dla pracowników, aby promować bezpieczną interakcję z robotami.

Przetwórstwo spożywcze (Dania): Firmy w Danii używają robotów współpracujących do zadań takich jak pakowanie i kontrola jakości, wdrażając surowe protokoły higieniczne i środki bezpieczeństwa, aby zapobiegać zanieczyszczeniom i zapewniać bezpieczeństwo pracowników. Nacisk Danii na zrównoważony rozwój i dobrostan pracowników napędza wysokie standardy bezpieczeństwa.

Przemysł lotniczy (Francja): Airbus i inne firmy lotnicze używają robotów do zadań takich jak wiercenie i malowanie, wdrażając zaawansowane systemy bezpieczeństwa i technologie monitorowania, aby zapobiegać wypadkom i zapewniać bezpieczeństwo pracowników. Rygorystyczne wymagania przemysłu lotniczego wymuszają kompleksowe środki bezpieczeństwa.

Wnioski

Zapewnienie bezpieczeństwa w interakcji człowiek-robot to nie tylko wyzwanie techniczne, ale wieloaspektowe przedsięwzięcie, które wymaga holistycznego podejścia. Od przestrzegania międzynarodowych norm i przeprowadzania dokładnych ocen ryzyka, po projektowanie z myślą o bezpieczeństwie, zapewnianie kompleksowych szkoleń i wdrażanie postępów technologicznych – każdy aspekt odgrywa kluczową rolę w tworzeniu bezpiecznego i produktywnego środowiska współpracy. W miarę jak roboty stają się coraz bardziej zintegrowane z globalną siłą roboczą, priorytetowe traktowanie bezpieczeństwa będzie kluczowe dla budowania zaufania, zwiększania produktywności i kształtowania przyszłości, w której ludzie i roboty mogą harmonijnie współpracować.

Przyjmując te zasady i promując kulturę bezpieczeństwa, organizacje na całym świecie mogą uwolnić pełny potencjał HRI, jednocześnie chroniąc dobrostan swojej siły roboczej. To proaktywne podejście nie tylko minimalizuje ryzyko, ale także buduje fundament pod zrównoważony wzrost i innowacje w erze robotyki współpracującej.