Технологии за безопасност за индустриални роботи

• За гарантиране на безопасността при работа с индустриални роботи се прилагат различни комбинации от софтуерни и хардуерни средства
  
  
• Тяхната ефективност се допълва от редица иновативни технологии, които навлизат в практиката с развитието на Industry 4.0
  
  
• Тези решения осигуряват безопасно взаимодействие между човек и машина и отговарят на строгите международни стандарти за индустриална безопасност

За гарантиране на безопасността при работа с индустриални роботи се прилагат различни комбинации от софтуерни и хардуерни средства, като сензори, системи за машинно зрение, физически предпазни ограждения, аварийни стоп системи, интелигентни контролери, платформи за мониторинг и др. Тяхната ефективност се допълва от редица иновативни технологии, които бързо навлизат в практиката с развитието на Industry 4.0 – изкуствен интелект, IoT, дигитални двойници, виртуални зони за безопасност и т. н. Тези решения осигуряват безопасно взаимодействие между човек и машина и отговарят на строгите международни стандарти за индустриална безопасност. Повече за новостите и тенденциите в областта представя настоящият материал.

Рискове и стандарти

Приложенията на технологиите за безопасност на конвенционални и колаборативни роботи се простират практически във всички сектори на индустрията, а ролята им е особено важна в производството, тежката промишленост, автомобило- и машиностроенето, логистиката, земеделието, здравеопазването и т. н. За да могат да прилагат най-подходящите решения за безопасност, производителите, потребителите и системните интегратори е необходимо добре да разбират четирите основни групи рискове във връзка с функционирането им. На първо място се нареждат неочакваните и непланираните движения вследствие на грешки в програмата или системни неизправности. Те са изключително опасни, когато възникнат в момент, в който операторът е в близост до робота и очаква, че той е в ограничен режим или е спрял работа – например при конфигуриране, поддръжка или обучение чрез демонстрация.

Като всяка сложна мехатронна система, и индустриалните роботи са уязвими на системни неизправности, които могат да доведат до загуба на контрол, резки спирания или некоординирани движения. Един палетизиращ робот в склада например може да претърпи такъв инцидент вследствие на износени компоненти, а при наличието на персонал в близост може да създаде изключително рискова и непредвидима ситуация.

От съществена важност при експлоатацията на индустриални и колаборативни роботи е предотвратяването на сблъсъци между манипулатора и човек или друг обект, например съседен робот или машина в клетката/зоната. Такива нежелани събития са особено рискови при ръчно програмиране или при непланирано навлизане на оператор в работната зона, като опасността нараства в колаборативни приложения и смесени производствени среди, където свободно се движат AMR и AGV платформи.

Изключително нежелателно е допускането и на инциденти с електрически произход, които могат да се окажат фатални и то мигновено. Промишлените роботи типично се захранват от електрически системи под високо напрежение, които могат да причинят токов удар или пожар. За висок традиционно се счита рискът от подобни събития например при заваръчните роботи. С цел превенцията им се прилагат множество различни защити – изолация, заземяване, аварийни стоп бутони, предпазни шкафове за електроапаратурата, както и т. нар. LOTO (Lockout/Tagout) процедури за безопасност.

Водещ стандарт в областта на безопасността на индустриални роботи и колаборативни приложения е неотдавна ревизираният ISO 10218. Той въвежда съществени промени в изискванията за безопасност, адресирайки еволюиращия пейзаж на промишлената роботика и нарастващото взаимодействие между хората и роботите в споделените работни среди. Като основна (пета) група рискове новата версия на стандарта откроява и киберзаплахите, които биха могли да станат причина за опасно поведение на роботите и за сериозни рискове за хората, оборудването и материалните активи.

Друг ключов международен стандарт, приложим в това направление, е ISO 13849 “Безопасност на машините. Части от системите за управление, свързани с безопасността”. Като наследник на по-стария европейски документ за функционална безопасност на машините в индустрията (EN) 954-1, ISO 13849 обхваща изисквания за безопасност (включително на софтуера) в рамките на целия жизнен цикъл на оборудването, неговите компоненти и системите за управление, свързани с безопасността. Стандартът идентифицира частите в системата, които изпълняват функции за безопасност и използва статистически анализ, за да определи вероятността от повреда във времето и да дефинира различни класове по отношение на т. нар. ниво на производителност (PL) и нивото на интегриране на безопасността (SIL) в системата.

В областта на безопасността на индустриални роботи се прилага и IEC 62061 “Безопасност на машините. Функционална безопасност на системи за управление, свързани с безопасността”, който заедно с 13849-1 дефинира специализираните контролери и PLC платформи за безопасност на роботи, снабдени с вериги за аварийно спиране, блокировки и функции за безопасност при отказ.

Класически и съвременни технологии за безопасност

Системите за обезопасяване на индустриални роботи имат за основна цел да защитават хората, оборудването и работните процеси, както и да осигуряват съответствие с приложимите регулации и стандарти. Съвременните решения в сегмента са многокомпонентни и базирани на холистичен подход към безопасността, като най-често съчетават физически защитни средства, сензори, логика за управление (с класификация във връзка с безопасността) и интелигентни софтуерни платформи, които минимизират рисковете от инциденти с роботи в производството, логистиката и други сектори.

Към класическите физически средства спадат бариерите, предпазните ограждения и парапети, вратите, порталите и ключалките с блокировка, ограничителите за достъп и др. Светлинните завеси създават чрез оптична технология защитен периметър, навлизането в който задейства безопасен режим на работа на робота или инициира спирането му. При системи за електродъгово заваряване например често се използват метални разделители, както и екрани за защита от отблясъци, отломки, пръски и заваръчни лъчения.

Фундаментална технология за безопасност в индустриалната роботика са сензорите от различен тип, които следят за разнообразни рискови събития и незабавно изпращат сигнал при настъпването им. Датчиците за сила и въртящ момент са сред най-разпространените устройства за безопасност както при промишлени, така и при колаборативни роботи. Други решения в сегмента са сензорите за присъствие, камерите за машинно зрение – за детекция на близост и опознаване на средата, динамично намаляване на скоростта или спиране. Често използвани са и чувствителните на натиск сензорни подложки, които се активират при стъпване върху тях и регистрират достъп на човек до защитената зона. Лазерните и LiDAR скенерите също са сред широко прилаганите системи за безопасност в индустрията, включително при мобилни и стационарни роботи.

При коботите водещи технологии за обезопасяване на работата са ограниченията на сила, мощност и въртящ момент, както и мониторингът на скоростта и разстоянието до най-близкия обект. Пултовете за обучение и управление, които са водещо средство за тяхното програмиране, разполагат с допълнителни бутони или превключватели за безопасност (т. нар. “Dead-man switches”), които позволяват движения с ниска скорост при конфигуриране само когато контролът е в ръцете на оператора (бутонът е активиран или натиснат). При отпускането му движението мигновено бива преустановено.

Към класическите подходи към безопасността в промишлената роботика причисляваме и оперативни мерки и процедури. Целенасочените оценки на риска идентифицират опасностите и определят мерки за тяхното смекчаване. В комбинация с LOTO процедурите, които изолират захранването по време на поддръжка или други рутинни дейности, тези мерки гарантират високо ниво на сигурност срещу неочаквани инциденти. Правилното, навременно и детайлно обучение на операторите и персонала по обслужването също е принцип от съществено значение. Други спомагателни средства, допълващи ефекта на системите за безопасност, са визуалните маркировки (например очертаване на работната зона на робота на пода) и сигнализацията – светлинни колони, звукови устройства и др.

Значителна трансформация при решенията за безопасност на индустриални роботи се постига чрез интеграцията на класическите системи и средства за защита с дигиталните технологии от обхвата на Industry 4.0 – изкуствен интелект, машинно и дълбоко самообучение, Internet of Things, Big Data инструменти, добавена и разширена реалност и др. Роботите с IIoT свързаност позволяват отдалечено управление в реално време (телеметрия), надеждна прогнозна поддръжка, която намалява рисковете от инциденти вследствие на неизправности в компонентите, както и дистанционен мониторинг с автоматизирани известия за промени и опасни събития. Новост при автономните мобилни роботи в контекста на безопасността са така нар. SLAM технологии за едновременна локализация и картографиране в реално време. В съчетание със сензори за детекция на препятствия и алгоритми за планиране на траектории те позволяват безопасно движение на самоходните платформи из наситените с обекти и неструктурирани среди на складовете, цеховете и логистичните центрове.

Всички тези технологии значително намаляват престоите на индустриалните, колаборативните и мобилните роботи, като в допълнение забележимо повишават нивото им на безопасност. В динамичната съвременна индустрия и дигитализираните фабрики ключова е ролята и на специализираните безжични протоколи за безопасност, като PROFIsafe и CIP Safety, които позволяват сигурно предаване на критични за безопасността сигнали през индустриалните мрежи.

Тенденции и пазарно развитие

С непрекъснатия ръст в нивото на автоматизация на производствените процеси осигуряването на безопасна работа на промишлените роботи се превръща в критична задача. Към момента във фабриките по света се трудят повече от 4 милиона единици, а в най-автоматизираните икономики плътността на роботизация достига до над 1000 робота на 10 000 работници. Всяко непланирано и неочаквано движение, всеки системен срив, сблъсък или неизправност от електрически характер носи сериозна опасност за здравето на персонала, материалните активи и самия робот. В прехода към Industry 5.0 основен фокус на роботизацията става безопасното и ефективно взаимодействие между човек и машина. Безспорно най-основополагащата за бъдещото развитие на индустриалната роботика тенденция са колаборативните приложения и коботите, проектирани да функционират в споделено работно пространство с оператор – без бариери, предпазни ограждения и други физически защитни средства. Динамично се развива също и сегментът на меката роботика, при която задвижващите и изпълнителни механизми са изработени от (или безопасно покрити с) гъвкави, еластични и безопасни при допир материали. Все повече привърженици набира и концепцията за “отваряне” на роботизираните клетки чрез по-ефективен дизайн и усъвършенствани оптични, сензорни и софтуерни технологии за безопасност.

Сред най-актуалните иновации в тази сфера е машинното зрение, базирано на изкуствен интелект, което позволява на робота да се адаптира към обстановката в реално време и да разпознава хора, обекти и препятствия в работната му зона, както и дори специфични предварително заложени в програмата жестове, равняващи се на сигнали, че трябва или не трябва да предприеме дадено действие.

Интересни новости с мащабно влияние върху сектора са интелигентните сензорни мрежи и LiDAR технологията. 3D LiDAR сканирането позволява на мобилните роботи и самонасочващите се превозни средства прецизно да картографират околната среда и надеждно да откриват движещи се и статични обекти, а комбинациите от умни лазерни, инфрачервени и ултразвукови сензори дават на системите възможност безопасно да избягват сблъсъци.

Глобалният пазар на решения за безопасност на роботи, който е оценен на 1,5 млрд. щатски долара през 2024 г., се очаква да надхвърли 3,2 млрд. долара до 2033 г. по данни на Verified Market Research. Като основна тенденция се откроява т. нар. прогнозна безопасност (Predictive safety), която става възможна на базата на сензорни данни, Big Data технологии за обработка на големи информационни масиви, изкуствен интелект и машинно самообучение. Чрез тази методология могат да бъдат идентифицирани повторяеми рискови модели в поведението на роботите, както и предотвратявани различни проблеми и аварии.

Ключово е влиянието върху безопасността на индустриалните роботи и на интеграцията с облачни и IoT платформи. Тя позволява централизиран мониторинг на статуса на системата в реално време, както и отдалечена диагностика и управление в случай на влизане в рисков режим на работа. Пазарните анализатори посочват като тенденции с потенциал за сериозно разгръщане през следващите години още т. нар. виртуални зони за безопасност и геозонирането – софтуерно дефинирани пространства с ограничени движения, при навлизане в които роботите автоматично забавят или спират работа. Заедно с друга авангардна иновацич – цифровите двойници, тези решения позволяват сигурно валидиране на логиката за безопасност преди въвеждане на системата в експлоатация.

В резюме, правилната комбинация от технологии, средства, мерки и процедури за минимизиране на основните групи рискове при промишлените роботи осигурява надеждна защита на хората и безопасност не само на отделните единици, но и на множество роботи при работа в тандем – например в обща клетка, както и на цели флотилии от платформи в цеховете и складовете.