Взаимодействие человека и робота: обеспечение безопасности в мире сотрудничества

Рабочая среда стремительно меняется, и роботы все активнее интегрируются в различные отрасли. Эта интеграция, известная как взаимодействие человека и робота (HRI), открывает как огромные возможности, так и потенциальные проблемы, особенно в области безопасности. Поскольку роботы работают бок о бок с людьми, крайне важно внедрять надежные протоколы безопасности для снижения рисков и обеспечения безопасной и продуктивной рабочей среды по всему миру.

Что такое взаимодействие человека и робота (HRI)?

Взаимодействие человека и робота (HRI) — это область изучения и проектирования взаимодействий между людьми и роботами. Она охватывает различные аспекты, включая физическую, когнитивную и социальную динамику этих взаимодействий. В отличие от традиционных промышленных роботов, работающих в изолированных ячейках, коллаборативные роботы (коботы) предназначены для тесной работы с людьми в общих рабочих пространствах. Такая среда сотрудничества требует комплексного подхода к безопасности.

Важность протоколов безопасности в HRI

Протоколы безопасности в HRI имеют первостепенное значение по нескольким причинам:

Предотвращение травм: Основная цель — предотвратить травмы у работников-людей. Роботы, особенно промышленные, могут развивать значительные усилия и двигаться с высокой скоростью, создавая риск травм от ударов, защемлений и других опасностей.
Повышение производительности: Безопасная рабочая среда способствует доверию и уверенности среди работников, что ведет к повышению производительности и эффективности. Когда работники чувствуют себя в безопасности, они с большей вероятностью принимают коллаборативную робототехнику.
Обеспечение соответствия нормативным требованиям: Во многих странах существуют нормативные акты и стандарты, регулирующие использование промышленных роботов. Соблюдение этих стандартов необходимо для юридического соответствия и избежания штрафов.
Этические соображения: Помимо юридических и практических соображений, существует этический императив по защите работников-людей от вреда. Ответственное внедрение робототехники требует ставить безопасность превыше всего.

Ключевые стандарты и нормативные акты по безопасности

Несколько международных стандартов и нормативных актов предоставляют руководство по обеспечению безопасности в HRI. Некоторые из наиболее важных включают:

ISO 10218: Этот стандарт определяет требования безопасности для промышленных роботов и роботизированных систем. Он рассматривает различные опасности, включая защемление, сдвиг, удар и запутывание. ISO 10218-1 фокусируется на конструкции робота, а ISO 10218-2 — на интеграции роботизированной системы.
ISO/TS 15066: Эта техническая спецификация содержит требования безопасности для коллаборативных роботов. Она основана на ISO 10218 и рассматривает уникальные проблемы работы рядом с роботами в общих рабочих пространствах. Она определяет четыре техники совместной работы: контролируемая остановка с оценкой безопасности, ручное ведение, мониторинг скорости и расстояния, а также ограничение мощности и силы.
ANSI/RIA R15.06: Этот американский национальный стандарт содержит требования безопасности для промышленных роботов и роботизированных систем. Он аналогичен ISO 10218 и широко используется в Северной Америке.
Европейская директива по машинному оборудованию 2006/42/EC: Эта директива устанавливает основные требования по охране здоровья и безопасности для машин, включая промышленных роботов, продаваемых в Европейском союзе.

Эти стандарты обеспечивают основу для оценки рисков, внедрения мер безопасности и обеспечения безопасной работы роботов в среде сотрудничества. Компаниям, внедряющим роботов, крайне важно знать и соблюдать эти нормативные акты, действующие в их регионе.

Оценка рисков в HRI

Тщательная оценка рисков является фундаментальным шагом в обеспечении безопасности в HRI. Процесс оценки рисков включает выявление потенциальных опасностей, оценку вероятности и серьезности вреда, а также внедрение мер контроля для снижения рисков. Ключевые шаги в процессе оценки рисков включают:

Идентификация опасностей: Выявление всех потенциальных опасностей, связанных с роботизированной системой, включая механические опасности (например, защемление, сдвиг, удар), электрические опасности и эргономические опасности.
Анализ рисков: Оценка вероятности и серьезности каждой опасности. Это включает учет таких факторов, как скорость, сила и диапазон движения робота, а также частота и продолжительность взаимодействия с человеком.
Оценка рисков: Определение, являются ли риски приемлемыми или требуют дальнейшего снижения. Это включает сравнение рисков с установленными критериями приемлемости риска.
Контроль рисков: Внедрение мер контроля для снижения рисков до приемлемого уровня. Эти меры могут включать инженерные средства контроля (например, устройства безопасности, ограждения), административные меры (например, обучение, процедуры) и средства индивидуальной защиты (СИЗ).
Верификация и валидация: Проверка эффективности мер контроля в снижении рисков и подтверждение того, что роботизированная система работает безопасно, как и предполагалось.
Документация: Документирование всего процесса оценки рисков, включая выявленные опасности, анализ рисков, оценку рисков и внедренные меры контроля.

Пример: Оценка риска для кобота, используемого в упаковочном приложении, может выявить опасность защемления руки работника между манипулятором робота и конвейерной лентой. Анализ риска будет учитывать скорость и силу манипулятора робота, близость работника к роботу и частоту выполнения задачи. Меры контроля могут включать снижение скорости робота, установку световой завесы безопасности для остановки робота, если работник входит в опасную зону, и предоставление работникам перчаток для защиты рук. Непрерывный мониторинг и пересмотр оценки рисков важны для адаптации к изменениям и новым потенциальным опасностям.

Проектирование для безопасности в HRI

Безопасность должна быть основным соображением на протяжении всего процесса проектирования роботизированных систем. Несколько принципов проектирования могут повысить безопасность в HRI:

Контролируемая остановка с оценкой безопасности: Эта техника позволяет роботу продолжать работу, пока человек обнаружен в совместном рабочем пространстве, но останавливает робота, если человек подходит слишком близко.
Ручное ведение: Это позволяет оператору физически направлять движения робота для обучения новым задачам или для выполнения задач, требующих ручной ловкости. Робот движется только тогда, когда оператор держит пульт обучения или направляет манипулятор робота.
Мониторинг скорости и расстояния: Эта техника непрерывно отслеживает расстояние между роботом и работником-человеком и соответствующим образом регулирует скорость робота. Если работник подходит слишком близко, робот замедляется или полностью останавливается.
Ограничение мощности и силы: Эта конструкция ограничивает мощность и силу робота для предотвращения травм в случае столкновения с работником-человеком. Это может быть достигнуто с помощью датчиков силы, датчиков крутящего момента и податливых материалов.
Эргономичный дизайн: Проектируйте роботизированную систему так, чтобы минимизировать эргономические риски, такие как повторяющиеся движения, неудобные позы и чрезмерные усилия. Это может помочь предотвратить заболевания опорно-двигательного аппарата и повысить комфорт работника.
Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ): ЧМИ должен быть интуитивно понятным и простым в использовании, предоставляя четкую и краткую информацию о состоянии робота и любых потенциальных опасностях. Он также должен позволять работникам легко управлять роботом и реагировать на сигналы тревоги.
Устройства безопасности: Включайте устройства безопасности, такие как световые завесы, лазерные сканеры, чувствительные к давлению коврики и кнопки аварийной остановки, чтобы обеспечить дополнительные уровни защиты.
Ограждения: Используйте физические барьеры, чтобы не допустить попадания работников в рабочее пространство робота. Это особенно важно для приложений с высоким риском, где робот представляет значительную опасность.

Пример: Кобот, предназначенный для сборки электронных компонентов, может включать датчики силы в своем конечном захвате, чтобы ограничить силу, которую он может приложить к компонентам. Это предотвращает повреждение компонентов и снижает риск травмы для работника. ЧМИ робота может отображать прилагаемую силу, позволяя работнику контролировать процесс и вмешиваться при необходимости.

Обучение и образование

Надлежащее обучение и образование необходимы для того, чтобы работники понимали риски, связанные с HRI, и знали, как безопасно управлять роботизированными системами. Программы обучения должны охватывать такие темы, как:

Принципы и нормативные акты по безопасности роботов.
Процедуры оценки рисков.
Безопасные рабочие процедуры для конкретной роботизированной системы.
Процедуры аварийной остановки.
Правильное использование устройств безопасности и СИЗ.
Процедуры поиска и устранения неисправностей и технического обслуживания.
Процедуры сообщения об авариях и инцидентах, едва не приведших к ним.

Обучение должно предоставляться всем работникам, которые будут взаимодействовать с роботизированной системой, включая операторов, программистов, обслуживающий персонал и руководителей. Регулярно должно проводиться повторное обучение, чтобы работники были в курсе последних практик безопасности.

Пример: Производственная компания, внедряющая коботов для сварочных работ, должна предоставить комплексное обучение своим сварщикам. Обучение должно охватывать такие темы, как принципы безопасности роботов, процедуры оценки рисков, безопасные методы сварки и правильное использование СИЗ для сварки. Обучение также должно включать практические занятия с коботом под наблюдением квалифицированного инструктора.

Мониторинг и техническое обслуживание

Регулярный мониторинг и техническое обслуживание имеют решающее значение для обеспечения безопасной работы роботизированных систем с течением времени. Мероприятия по мониторингу должны включать:

Регулярные осмотры роботизированной системы для выявления любых признаков износа, повреждения или неисправности.
Мониторинг устройств безопасности для обеспечения их правильного функционирования.
Регулярные аудиты процедур безопасности для обеспечения их соблюдения.
Анализ данных об авариях и инцидентах, едва не приведших к ним, для выявления тенденций и областей для улучшения.

Мероприятия по техническому обслуживанию должны включать:

Регулярную смазку и чистку роботизированной системы.
Замену изношенных или поврежденных деталей.
Калибровку датчиков и исполнительных механизмов.
Обновление программного обеспечения и прошивки.
Верификацию и валидацию функций безопасности после проведения технического обслуживания.

Техническое обслуживание должно выполняться квалифицированным персоналом, прошедшим обучение по конкретной роботизированной системе. Все мероприятия по техническому обслуживанию должны быть задокументированы и отслеживаться.

Пример: Логистическая компания, использующая автоматически управляемые транспортные средства (AGV) на своем складе, должна проводить регулярные осмотры AGV, чтобы убедиться, что их датчики, тормоза и устройства безопасности функционируют должным образом. Компания также должна отслеживать навигационные пути AGV для выявления любых потенциальных опасностей, таких как препятствия или изменения в планировке склада.

Роль технологий в повышении безопасности HRI

Передовые технологии играют все более важную роль в повышении безопасности в HRI:

Системы технического зрения: Системы технического зрения могут использоваться для обнаружения присутствия человека в рабочем пространстве робота и для отслеживания движений человека. Эта информация может использоваться для регулировки скорости и траектории робота или для полной его остановки, если столкновение неизбежно.
Датчики силы: Датчики силы могут использоваться для измерения силы, прилагаемой роботом, и для ограничения этой силы до безопасного уровня. Это может предотвратить травмы в случае столкновения с работником-человеком.
Датчики приближения: Датчики приближения могут использоваться для обнаружения присутствия работника-человека рядом с роботом и для замедления или остановки робота до того, как произойдет столкновение.
Искусственный интеллект (ИИ): ИИ может использоваться для улучшения восприятия роботом окружающей среды и для прогнозирования движений человека. Это может позволить роботу быстрее и эффективнее реагировать на потенциальные опасности.
Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR): VR и AR могут использоваться для обучения работников безопасным рабочим процедурам и для симуляции потенциальных опасностей. Это может помочь работникам развить навыки и знания, необходимые для безопасной работы с роботами.
Беспроводная связь: Технологии беспроводной связи позволяют в реальном времени отслеживать производительность робота и окружающую среду. Это может облегчить дистанционное управление, диагностику и вмешательства в целях безопасности.

Пример: Автомобильный производитель, использующий роботов для покраски, может внедрить систему технического зрения для обнаружения, когда работник входит в покрасочную камеру. Система технического зрения может автоматически отключать робота, чтобы предотвратить воздействие на работника вредных паров краски. Кроме того, носимые датчики на работнике могут отслеживать его близость к роботу и предупреждать о потенциальных опасностях с помощью тактильной обратной связи.

Решение этических вопросов в безопасности HRI

Помимо технических и нормативных аспектов, этические соображения имеют жизненно важное значение в безопасности HRI. Они включают:

Прозрачность и объяснимость: Роботизированные системы должны быть спроектированы так, чтобы быть прозрачными и объяснимыми, чтобы работники могли понимать, как они работают и как принимают решения. Это может помочь укрепить доверие к роботизированной системе.
Ответственность: Важно установить четкие границы ответственности за безопасность роботизированных систем. Это включает определение того, кто несет ответственность за проектирование, развертывание и обслуживание роботизированной системы, а также кто несет ответственность за реагирование на аварии и инциденты.
Справедливость и равенство: Роботизированные системы должны проектироваться и развертываться таким образом, чтобы это было справедливо и равноправно для всех работников. Это означает обеспечение того, чтобы все работники имели доступ к обучению и ресурсам, необходимым для безопасной работы с роботами, и чтобы ни один работник не подвергался непропорционально высокому риску.
Сокращение рабочих мест: Потенциальное сокращение рабочих мест является серьезной этической проблемой, связанной с внедрением роботов. Компании должны учитывать влияние роботизации на свою рабочую силу и принимать меры для смягчения любых негативных последствий, например, предоставляя возможности переподготовки для уволенных работников.
Конфиденциальность и безопасность данных: Роботизированные системы часто собирают и обрабатывают большие объемы данных о работниках-людях. Важно защищать конфиденциальность и безопасность этих данных и обеспечивать, чтобы они не использовались дискриминационным или вредным образом.

Пример: Розничная компания, внедряющая роботов для управления запасами, должна быть прозрачна со своими сотрудниками в отношении того, как работают роботы и как они используются. Компания также должна установить четкие границы ответственности за безопасность роботов и принять меры для защиты конфиденциальности и безопасности данных, собираемых роботами.

Будущие тенденции в безопасности HRI

Область HRI постоянно развивается, и появляются новые тенденции, которые будут формировать будущее безопасности HRI:

Передовые сенсорные технологии: Новые сенсорные технологии, такие как 3D-камеры, лидары и радары, обеспечивают роботам более детальное и точное понимание окружающей их среды. Это позволяет роботам быстрее и эффективнее реагировать на потенциальные опасности.
Системы безопасности на основе ИИ: ИИ используется для разработки более сложных систем безопасности, которые могут прогнозировать и предотвращать аварии. Эти системы могут учиться на прошлых инцидентах и адаптироваться к изменяющимся условиям.
Коллаборативные роботы как услуга (Cobots-as-a-Service): Модели «Коботы как услуга» делают коллаборативных роботов более доступными для малых и средних предприятий (МСП). Это способствует внедрению коллаборативной робототехники в более широком спектре отраслей.
Человеко-ориентированный дизайн: Растет акцент на человеко-ориентированном дизайне в HRI. Это означает проектирование роботизированных систем, которые интуитивно понятны, просты в использовании и безопасны для работников-людей.
Стандартизация и сертификация: Ведутся работы по разработке более комплексных стандартов и программ сертификации для безопасности HRI. Это поможет обеспечить безопасность и надежность роботизированных систем.
Цифровые двойники: Создание цифровых двойников рабочего пространства позволяет проводить виртуальное моделирование взаимодействий роботов, обеспечивая всестороннее тестирование безопасности и оптимизацию перед физическим развертыванием.

Глобальные примеры внедрения безопасности HRI

Автомобильная промышленность (Германия): Компании, такие как BMW и Volkswagen, используют коллаборативных роботов для сборочных задач, внедряя передовые сенсорные технологии и системы безопасности на базе ИИ для обеспечения безопасности работников. Они придерживаются строгих немецких и европейских норм безопасности.

Производство электроники (Япония): Fanuc и Yaskawa, ведущие робототехнические компании, сосредоточены на разработке роботов с интегрированными функциями безопасности, такими как конечности с ограничением усилия и передовые системы технического зрения, для обеспечения безопасного сотрудничества на сборочных линиях электроники. Сильный акцент Японии на качестве и точности требует высоких стандартов безопасности.

Логистика и складирование (США): Amazon и другие крупные логистические компании развертывают AGV и автономных мобильных роботов (AMR) на своих складах, используя передовые навигационные системы и датчики приближения для предотвращения столкновений и обеспечения безопасности работников. Они также инвестируют в программы обучения работников для содействия безопасному взаимодействию с роботами.

Пищевая промышленность (Дания): Компании в Дании используют коллаборативных роботов для таких задач, как упаковка и контроль качества, внедряя строгие гигиенические протоколы и меры безопасности для предотвращения загрязнения и обеспечения безопасности работников. Акцент Дании на устойчивом развитии и благополучии работников способствует высоким стандартам безопасности.

Аэрокосмическая промышленность (Франция): Airbus и другие аэрокосмические компании используют роботов для таких задач, как сверление и покраска, внедряя передовые системы безопасности и технологии мониторинга для предотвращения несчастных случаев и обеспечения безопасности работников. Жесткие требования аэрокосмической отрасли требуют комплексных мер безопасности.

Заключение

Обеспечение безопасности во взаимодействии человека и робота — это не просто техническая задача, а многогранное усилие, требующее целостного подхода. От соблюдения международных стандартов и проведения тщательной оценки рисков до проектирования с учетом безопасности, предоставления комплексного обучения и внедрения технологических достижений — каждый аспект играет жизненно важную роль в создании безопасной и продуктивной среды для совместной работы. По мере того как роботы все больше интегрируются в глобальную рабочую силу, приоритет безопасности будет иметь первостепенное значение для укрепления доверия, повышения производительности и формирования будущего, в котором люди и роботы смогут гармонично работать вместе.

Принимая эти принципы и развивая культуру безопасности, организации по всему миру могут раскрыть весь потенциал HRI, защищая при этом благополучие своей рабочей силы. Такой проактивный подход не только снижает риски, но и создает основу для устойчивого роста и инноваций в эпоху коллаборативной робототехники.