Tương tác giữa Người và Robot: Đảm bảo An toàn trong Thế giới Cộng tác

Bối cảnh của môi trường làm việc đang phát triển nhanh chóng, với robot ngày càng được tích hợp vào nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Sự tích hợp này, được gọi là Tương tác giữa Người và Robot (HRI), mang lại cả cơ hội to lớn và những thách thức tiềm tàng, đặc biệt là về vấn đề an toàn. Khi robot làm việc cùng con người, việc thiết lập các giao thức an toàn vững chắc là rất quan trọng để giảm thiểu rủi ro và đảm bảo một môi trường làm việc an toàn và năng suất trên toàn cầu.

Tương tác giữa Người và Robot (HRI) là gì?

Tương tác giữa Người và Robot (HRI) đề cập đến việc nghiên cứu và thiết kế các tương tác giữa con người và robot. Nó bao gồm nhiều khía cạnh khác nhau, bao gồm cả động lực học vật lý, nhận thức và xã hội của những tương tác này. Không giống như các robot công nghiệp truyền thống hoạt động trong các lồng bị cô lập, robot cộng tác (cobot) được thiết kế để làm việc gần gũi với con người trong không gian làm việc chung. Môi trường cộng tác này đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện về an toàn.

Tầm quan trọng của các Giao thức An toàn trong HRI

Các giao thức an toàn trong HRI là tối quan trọng vì nhiều lý do:

• Phòng ngừa thương tích: Mục tiêu chính là ngăn ngừa thương tích cho người lao động. Robot, đặc biệt là robot công nghiệp, có thể tạo ra lực đáng kể và di chuyển ở tốc độ cao, gây ra nguy cơ va chạm, nghiền nát và các mối nguy hiểm khác.
• Nâng cao năng suất: Một môi trường làm việc an toàn thúc đẩy sự tin tưởng và tự tin của người lao động, dẫn đến tăng năng suất và hiệu quả. Khi người lao động cảm thấy an toàn, họ có nhiều khả năng chấp nhận robot cộng tác hơn.
• Đảm bảo tuân thủ quy định: Nhiều quốc gia có các quy định và tiêu chuẩn quản lý việc sử dụng robot công nghiệp. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này là cần thiết để tuân thủ pháp luật và tránh các hình phạt.
• Các cân nhắc về đạo đức: Ngoài các cân nhắc về pháp lý và thực tiễn, có một mệnh lệnh đạo đức là phải bảo vệ người lao động khỏi bị tổn hại. Việc triển khai robot một cách có trách nhiệm đòi hỏi phải ưu tiên an toàn lên trên hết.

Các Tiêu chuẩn và Quy định An toàn Chính

Một số tiêu chuẩn và quy định quốc tế cung cấp hướng dẫn về việc đảm bảo an toàn trong HRI. Một số tiêu chuẩn quan trọng nhất bao gồm:

• ISO 10218: Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu an toàn cho robot công nghiệp và hệ thống robot. Nó đề cập đến các mối nguy khác nhau, bao gồm nghiền, cắt, va đập và vướng víu. ISO 10218-1 tập trung vào thiết kế robot, trong khi ISO 10218-2 tập trung vào tích hợp hệ thống robot.
• ISO/TS 15066: Đặc tả kỹ thuật này cung cấp các yêu cầu an toàn cho robot cộng tác. Nó được xây dựng dựa trên ISO 10218 và giải quyết những thách thức riêng của việc làm việc cùng robot trong không gian làm việc chung. Nó định nghĩa bốn kỹ thuật cộng tác: dừng được giám sát an toàn, dẫn hướng bằng tay, giám sát tốc độ và khoảng cách, và giới hạn công suất và lực.
• ANSI/RIA R15.06: Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ này cung cấp các yêu cầu an toàn cho robot công nghiệp và hệ thống robot. Nó tương tự như ISO 10218 và được sử dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ.
• Chỉ thị Máy móc Châu Âu 2006/42/EC: Chỉ thị này đặt ra các yêu cầu thiết yếu về sức khỏe và an toàn cho máy móc, bao gồm cả robot công nghiệp, được bán tại Liên minh Châu Âu.

Các tiêu chuẩn này cung cấp một khuôn khổ để đánh giá rủi ro, thực hiện các biện pháp an toàn và đảm bảo rằng robot hoạt động an toàn trong môi trường cộng tác. Điều quan trọng đối với các công ty triển khai robot là phải nhận thức và tuân thủ các quy định này liên quan đến khu vực của họ.

Đánh giá Rủi ro trong HRI

Đánh giá rủi ro kỹ lưỡng là một bước cơ bản để đảm bảo an toàn trong HRI. Quá trình đánh giá rủi ro bao gồm việc xác định các mối nguy tiềm ẩn, đánh giá khả năng và mức độ nghiêm trọng của tổn hại, và thực hiện các biện pháp kiểm soát để giảm thiểu rủi ro. Các bước chính trong quy trình đánh giá rủi ro bao gồm:

1. Nhận dạng Mối nguy: Xác định tất cả các mối nguy tiềm ẩn liên quan đến hệ thống robot, bao gồm các mối nguy cơ học (ví dụ: nghiền, cắt, va đập), các mối nguy về điện và các mối nguy về công thái học.
2. Phân tích Rủi ro: Đánh giá khả năng và mức độ nghiêm trọng của từng mối nguy. Điều này bao gồm việc xem xét các yếu tố như tốc độ, lực và phạm vi chuyển động của robot, cũng như tần suất và thời gian tương tác của con người.
3. Đánh giá Rủi ro: Xác định xem các rủi ro có thể chấp nhận được hay cần giảm thiểu thêm. Điều này bao gồm việc so sánh các rủi ro với các tiêu chí chấp nhận rủi ro đã được thiết lập.
4. Kiểm soát Rủi ro: Thực hiện các biện pháp kiểm soát để giảm rủi ro xuống mức có thể chấp nhận được. Các biện pháp này có thể bao gồm kiểm soát kỹ thuật (ví dụ: thiết bị an toàn, che chắn), kiểm soát hành chính (ví dụ: đào tạo, quy trình), và thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE).
5. Xác minh và Thẩm định: Xác minh rằng các biện pháp kiểm soát có hiệu quả trong việc giảm thiểu rủi ro và thẩm định rằng hệ thống robot hoạt động an toàn như dự định.
6. Lập tài liệu: Ghi lại toàn bộ quá trình đánh giá rủi ro, bao gồm các mối nguy đã xác định, phân tích rủi ro, đánh giá rủi ro và các biện pháp kiểm soát đã được thực hiện.

Ví dụ: Một đánh giá rủi ro cho một cobot được sử dụng trong ứng dụng đóng gói có thể xác định mối nguy tay của người lao động bị kẹp giữa cánh tay robot và băng tải. Phân tích rủi ro sẽ xem xét tốc độ và lực của cánh tay robot, khoảng cách của người lao động với robot, và tần suất của công việc. Các biện pháp kiểm soát có thể bao gồm việc giảm tốc độ của robot, lắp đặt rèm ánh sáng an toàn để dừng robot nếu một người lao động đi vào vùng nguy hiểm, và cung cấp găng tay cho người lao động để bảo vệ tay của họ. Việc giám sát và xem xét liên tục đánh giá rủi ro là quan trọng để thích ứng với những thay đổi và các mối nguy tiềm ẩn mới.

Thiết kế vì An toàn trong HRI

An toàn phải là một cân nhắc hàng đầu trong suốt quá trình thiết kế hệ thống robot. Một số nguyên tắc thiết kế có thể nâng cao an toàn trong HRI:

• Dừng được Giám sát An toàn: Kỹ thuật này cho phép robot tiếp tục hoạt động miễn là có người được phát hiện trong không gian làm việc cộng tác, nhưng sẽ dừng robot nếu người đó đến quá gần.
• Dẫn hướng bằng tay: Điều này cho phép người vận hành hướng dẫn các chuyển động của robot một cách vật lý để dạy các nhiệm vụ mới hoặc thực hiện các nhiệm vụ đòi hỏi sự khéo léo của tay. Robot chỉ di chuyển khi người vận hành đang giữ bộ điều khiển cầm tay hoặc hướng dẫn cánh tay của robot.
• Giám sát Tốc độ và Khoảng cách: Kỹ thuật này liên tục theo dõi khoảng cách giữa robot và người lao động và điều chỉnh tốc độ của robot cho phù hợp. Nếu người lao động đến quá gần, robot sẽ giảm tốc độ hoặc dừng hoàn toàn.
• Giới hạn Công suất và Lực: Thiết kế này giới hạn công suất và lực của robot để ngăn ngừa thương tích trong trường hợp va chạm với người lao động. Điều này có thể đạt được thông qua các cảm biến lực, cảm biến mô-men xoắn và các vật liệu mềm dẻo.
• Thiết kế Công thái học: Thiết kế hệ thống robot để giảm thiểu các mối nguy về công thái học, chẳng hạn như các chuyển động lặp đi lặp lại, tư thế khó xử và lực quá mức. Điều này có thể giúp ngăn ngừa các rối loạn cơ xương và cải thiện sự thoải mái cho người lao động.
• Giao diện Người-Máy (HMI): HMI nên trực quan và dễ sử dụng, cung cấp thông tin rõ ràng và ngắn gọn về trạng thái của robot và bất kỳ mối nguy tiềm ẩn nào. Nó cũng nên cho phép người lao động dễ dàng điều khiển robot và phản ứng với các cảnh báo.
• Thiết bị An toàn: Tích hợp các thiết bị an toàn như rèm ánh sáng, máy quét laser, thảm nhạy áp lực và các nút dừng khẩn cấp để cung cấp các lớp bảo vệ bổ sung.
• Che chắn: Sử dụng các rào cản vật lý để ngăn người lao động đi vào không gian làm việc của robot. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng có rủi ro cao, nơi robot gây ra một mối nguy đáng kể.

Ví dụ: Một cobot được thiết kế để lắp ráp các linh kiện điện tử có thể tích hợp các cảm biến lực trong bộ kẹp cuối của nó để giới hạn lực mà nó có thể tác động lên các linh kiện. Điều này ngăn ngừa hư hỏng cho các linh kiện và giảm nguy cơ gây thương tích cho người lao động. HMI của robot có thể hiển thị lực đang được áp dụng, cho phép người lao động theo dõi quá trình và can thiệp nếu cần.

Đào tạo và Giáo dục

Đào tạo và giáo dục đúng cách là điều cần thiết để đảm bảo rằng người lao động hiểu được những rủi ro liên quan đến HRI và cách vận hành hệ thống robot một cách an toàn. Các chương trình đào tạo nên bao gồm các chủ đề như:

• Các nguyên tắc và quy định về an toàn robot.
• Quy trình đánh giá rủi ro.
• Quy trình vận hành an toàn cho hệ thống robot cụ thể.
• Quy trình dừng khẩn cấp.
• Sử dụng đúng các thiết bị an toàn và PPE.
• Quy trình khắc phục sự cố và bảo trì.
• Quy trình báo cáo tai nạn và các sự cố suýt xảy ra.

Đào tạo nên được cung cấp cho tất cả người lao động sẽ tương tác với hệ thống robot, bao gồm người vận hành, lập trình viên, nhân viên bảo trì và giám sát viên. Đào tạo bồi dưỡng nên được cung cấp thường xuyên để đảm bảo rằng người lao động luôn cập nhật các thực hành an toàn mới nhất.

Ví dụ: Một công ty sản xuất triển khai cobot cho các ứng dụng hàn nên cung cấp chương trình đào tạo toàn diện cho các thợ hàn của mình. Chương trình đào tạo nên bao gồm các chủ đề như nguyên tắc an toàn robot, quy trình đánh giá rủi ro, thực hành hàn an toàn và sử dụng đúng PPE hàn. Chương trình đào tạo cũng nên bao gồm thực hành trực tiếp với cobot dưới sự giám sát của một người hướng dẫn có trình độ.

Giám sát và Bảo trì

Giám sát và bảo trì thường xuyên là rất quan trọng để đảm bảo rằng các hệ thống robot tiếp tục hoạt động an toàn theo thời gian. Các hoạt động giám sát nên bao gồm:

• Kiểm tra thường xuyên hệ thống robot để xác định bất kỳ dấu hiệu hao mòn, hư hỏng hoặc trục trặc nào.
• Giám sát các thiết bị an toàn để đảm bảo chúng hoạt động bình thường.
• Kiểm tra định kỳ các quy trình an toàn để đảm bảo chúng được tuân thủ.
• Phân tích dữ liệu tai nạn và sự cố suýt xảy ra để xác định xu hướng và các lĩnh vực cần cải thiện.

Các hoạt động bảo trì nên bao gồm:

• Bôi trơn và làm sạch hệ thống robot thường xuyên.
• Thay thế các bộ phận bị mòn hoặc hư hỏng.
• Hiệu chuẩn các cảm biến và bộ truyền động.
• Cập nhật phần mềm và firmware.
• Xác minh và thẩm định các chức năng an toàn sau các hoạt động bảo trì.

Bảo trì nên được thực hiện bởi nhân viên có trình độ đã được đào tạo về hệ thống robot cụ thể. Tất cả các hoạt động bảo trì nên được ghi lại và theo dõi.

Ví dụ: Một công ty logistics sử dụng xe tự hành (AGV) trong kho của mình nên tiến hành kiểm tra thường xuyên các AGV để đảm bảo rằng các cảm biến, phanh và thiết bị an toàn của chúng hoạt động bình thường. Công ty cũng nên theo dõi các đường dẫn điều hướng của AGV để xác định bất kỳ mối nguy tiềm ẩn nào, chẳng hạn như chướng ngại vật hoặc thay đổi trong bố cục kho.

Vai trò của Công nghệ trong việc Nâng cao An toàn HRI

Các công nghệ tiên tiến đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong việc nâng cao an toàn trong HRI:

• Hệ thống Thị giác: Hệ thống thị giác có thể được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của con người trong không gian làm việc của robot và để theo dõi chuyển động của con người. Thông tin này có thể được sử dụng để điều chỉnh tốc độ và quỹ đạo của robot hoặc để dừng robot hoàn toàn nếu có va chạm sắp xảy ra.
• Cảm biến Lực: Cảm biến lực có thể được sử dụng để đo lực do robot tác động và giới hạn lực ở mức an toàn. Điều này có thể ngăn ngừa thương tích trong trường hợp va chạm với người lao động.
• Cảm biến Tiệm cận: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của một người lao động gần robot và để làm chậm hoặc dừng robot trước khi xảy ra va chạm.
• Trí tuệ Nhân tạo (AI): AI có thể được sử dụng để cải thiện nhận thức của robot về môi trường xung quanh và để dự đoán chuyển động của con người. Điều này có thể cho phép robot phản ứng nhanh hơn và hiệu quả hơn với các mối nguy tiềm ẩn.
• Thực tế ảo (VR) và Thực tế tăng cường (AR): VR và AR có thể được sử dụng để đào tạo người lao động về các quy trình vận hành an toàn và để mô phỏng các mối nguy tiềm ẩn. Điều này có thể giúp người lao động phát triển các kỹ năng và kiến thức cần thiết để làm việc an toàn với robot.
• Giao tiếp không dây: Các công nghệ giao tiếp không dây cho phép giám sát thời gian thực hiệu suất và môi trường của robot. Điều này có thể tạo điều kiện cho việc điều khiển từ xa, chẩn đoán và các biện pháp can thiệp an toàn.

Ví dụ: Một nhà sản xuất ô tô sử dụng robot cho các ứng dụng sơn có thể tích hợp một hệ thống thị giác để phát hiện khi một người lao động đi vào buồng sơn. Hệ thống thị giác có thể tự động tắt robot để ngăn người lao động tiếp xúc với khói sơn độc hại. Ngoài ra, các cảm biến đeo trên người lao động có thể theo dõi khoảng cách của họ với robot và cảnh báo họ về các mối nguy tiềm ẩn thông qua phản hồi xúc giác.

Giải quyết các Vấn đề Đạo đức trong An toàn HRI

Ngoài các khía cạnh kỹ thuật và quy định, các cân nhắc về đạo đức là rất quan trọng trong an toàn HRI. Chúng bao gồm:

• Minh bạch và Khả năng giải thích: Các hệ thống robot nên được thiết kế để minh bạch và có thể giải thích được, để người lao động có thể hiểu cách chúng hoạt động và cách chúng đưa ra quyết định. Điều này có thể giúp xây dựng sự tin tưởng và tự tin vào hệ thống robot.
• Trách nhiệm giải trình: Điều quan trọng là phải thiết lập các tuyến trách nhiệm giải trình rõ ràng về sự an toàn của các hệ thống robot. Điều này bao gồm việc xác định ai chịu trách nhiệm thiết kế, triển khai và bảo trì hệ thống robot, cũng như ai chịu trách nhiệm ứng phó với các tai nạn và sự cố suýt xảy ra.
• Công bằng và Bình đẳng: Các hệ thống robot nên được thiết kế và triển khai một cách công bằng và bình đẳng cho tất cả người lao động. Điều này có nghĩa là đảm bảo rằng tất cả người lao động đều có quyền truy cập vào các chương trình đào tạo và nguồn lực cần thiết để làm việc an toàn với robot, và không có người lao động nào phải chịu rủi ro một cách không tương xứng.
• Mất việc làm: Tiềm năng mất việc làm là một mối quan tâm đạo đức đáng kể liên quan đến việc triển khai robot. Các công ty nên xem xét tác động của việc robot hóa đối với lực lượng lao động của họ và thực hiện các bước để giảm thiểu mọi hậu quả tiêu cực, chẳng hạn như cung cấp cơ hội đào tạo lại cho những người lao động bị mất việc.
• Quyền riêng tư và Bảo mật Dữ liệu: Các hệ thống robot thường thu thập và xử lý lượng lớn dữ liệu về người lao động. Điều quan trọng là phải bảo vệ quyền riêng tư và bảo mật của dữ liệu này và đảm bảo rằng nó không được sử dụng theo cách phân biệt đối xử hoặc có hại.

Ví dụ: Một công ty bán lẻ triển khai robot để quản lý hàng tồn kho nên minh bạch với nhân viên của mình về cách robot hoạt động và cách chúng đang được sử dụng. Công ty cũng nên thiết lập các tuyến trách nhiệm giải trình rõ ràng về sự an toàn của robot và nên thực hiện các bước để bảo vệ quyền riêng tư và bảo mật của dữ liệu do robot thu thập.

Xu hướng Tương lai trong An toàn HRI

Lĩnh vực HRI không ngừng phát triển, và các xu hướng mới đang nổi lên sẽ định hình tương lai của an toàn HRI:

• Công nghệ Cảm biến Tiên tiến: Các công nghệ cảm biến mới, chẳng hạn như camera 3D, lidar và radar, đang cung cấp cho robot sự hiểu biết chi tiết và chính xác hơn về môi trường của chúng. Điều này cho phép robot phản ứng nhanh hơn và hiệu quả hơn với các mối nguy tiềm ẩn.
• Hệ thống An toàn được hỗ trợ bởi AI: AI đang được sử dụng để phát triển các hệ thống an toàn tinh vi hơn có thể dự đoán và ngăn ngừa tai nạn. Các hệ thống này có thể học hỏi từ các sự cố trong quá khứ và thích ứng với các điều kiện thay đổi.
• Robot Cộng tác dưới dạng Dịch vụ (Cobots-as-a-Service): Các mô hình Cobots-as-a-Service đang giúp các robot cộng tác trở nên dễ tiếp cận hơn đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SME). Điều này đang thúc đẩy việc áp dụng robot cộng tác trong một phạm vi rộng lớn hơn của các ngành công nghiệp.
• Thiết kế Lấy con người làm trung tâm: Ngày càng có sự nhấn mạnh vào thiết kế lấy con người làm trung tâm trong HRI. Điều này có nghĩa là thiết kế các hệ thống robot trực quan, dễ sử dụng và an toàn cho người lao động.
• Tiêu chuẩn hóa và Chứng nhận: Các nỗ lực đang được tiến hành để phát triển các tiêu chuẩn và chương trình chứng nhận toàn diện hơn cho an toàn HRI. Điều này sẽ giúp đảm bảo rằng các hệ thống robot an toàn và đáng tin cậy.
• Bản sao số (Digital Twins): Việc tạo ra các bản sao số của không gian làm việc cho phép mô phỏng ảo các tương tác của robot, giúp kiểm tra và tối ưu hóa an toàn một cách toàn diện trước khi triển khai vật lý.

Các Ví dụ Toàn cầu về Triển khai An toàn HRI

Ngành Công nghiệp Ô tô (Đức): Các công ty như BMW và Volkswagen đang sử dụng robot cộng tác cho các nhiệm vụ lắp ráp, triển khai các công nghệ cảm biến tiên tiến và hệ thống an toàn được hỗ trợ bởi AI để đảm bảo an toàn cho người lao động. Họ tuân thủ các quy định an toàn nghiêm ngặt của Đức và Châu Âu.

Sản xuất Điện tử (Nhật Bản): Fanuc và Yaskawa, các công ty robot hàng đầu, đang tập trung phát triển các robot có tính năng an toàn tích hợp, chẳng hạn như bộ kẹp cuối giới hạn lực và hệ thống thị giác tiên tiến, để cho phép cộng tác an toàn trong các dây chuyền lắp ráp điện tử. Sự nhấn mạnh mạnh mẽ của Nhật Bản vào chất lượng và độ chính xác đòi hỏi các tiêu chuẩn an toàn cao.

Logistics và Kho bãi (Hoa Kỳ): Amazon và các công ty logistics lớn khác đang triển khai AGV và robot di động tự율 (AMR) trong các kho của họ, sử dụng các hệ thống điều hướng tiên tiến và cảm biến tiệm cận để ngăn ngừa va chạm và đảm bảo an toàn cho người lao động. Họ cũng đang đầu tư vào các chương trình đào tạo người lao động để thúc đẩy tương tác an toàn với robot.

Chế biến Thực phẩm (Đan Mạch): Các công ty ở Đan Mạch đang sử dụng robot cộng tác cho các nhiệm vụ như đóng gói và kiểm soát chất lượng, thực hiện các giao thức vệ sinh nghiêm ngặt và các biện pháp an toàn để ngăn ngừa ô nhiễm và đảm bảo an toàn cho người lao động. Sự tập trung của Đan Mạch vào tính bền vững và phúc lợi của người lao động thúc đẩy các tiêu chuẩn an toàn cao.

Hàng không Vũ trụ (Pháp): Airbus và các công ty hàng không vũ trụ khác đang sử dụng robot cho các nhiệm vụ như khoan và sơn, triển khai các hệ thống an toàn tiên tiến và công nghệ giám sát để ngăn ngừa tai nạn và đảm bảo an toàn cho người lao động. Các yêu cầu nghiêm ngặt của ngành hàng không vũ trụ đòi hỏi các biện pháp an toàn toàn diện.

Kết luận

Đảm bảo an toàn trong Tương tác giữa Người và Robot không chỉ là một thách thức kỹ thuật, mà là một nỗ lực đa diện đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện. Từ việc tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế và tiến hành đánh giá rủi ro kỹ lưỡng đến việc thiết kế vì an toàn, cung cấp đào tạo toàn diện và nắm bắt các tiến bộ công nghệ, mọi khía cạnh đều đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra một môi trường cộng tác an toàn và năng suất. Khi robot ngày càng được tích hợp vào lực lượng lao động toàn cầu, việc ưu tiên an toàn sẽ là tối quan trọng để thúc đẩy sự tin tưởng, nâng cao năng suất và định hình một tương lai nơi con người và robot có thể làm việc cùng nhau một cách hài hòa.

Bằng cách áp dụng những nguyên tắc này và nuôi dưỡng một văn hóa an toàn, các tổ chức trên toàn thế giới có thể khai thác toàn bộ tiềm năng của HRI trong khi bảo vệ sức khỏe và phúc lợi của lực lượng lao động của họ. Cách tiếp cận chủ động này không chỉ giảm thiểu rủi ro mà còn xây dựng một nền tảng cho sự tăng trưởng bền vững và đổi mới trong thời đại của robot cộng tác.