Những yếu tố quan trọng cần xem xét khi đánh giá an toàn cho cobot

Các robot hợp tác (cobots) được thiết kế để làm việc cùng con người và hỗ trợ sản xuất linh hoạt trong các nhà máy Công nghiệp 4.0. So với robot công nghiệp truyền thống, cobots đơn giản hơn, dễ thiết lập hơn và không đòi hỏi không gian làm việc được cách ly an toàn. Bởi vì chúng được thiết kế để làm việc với con người, cobots được chế tạo khác biệt so với các loại robot công nghiệp khác, bao gồm các tính năng như hệ thống phát hiện va chạm, phản hồi lực, bơm động cơ co giãn và động cơ servo ít quán tính.

• Tự động hóa trong sản xuất công nghiệp để giảm tai nạn nghề nghiệp và cải thiện sức khỏe người lao động
• 5 xu hướng robot hàng đầu năm 2024

Do sự khác biệt trong thiết kế, các tiêu chuẩn an toàn cụ thể đã được phát triển dành riêng cho cobots. Tiêu chuẩn Kỹ thuật Tổ chức Tiêu chuẩn Hóa Quốc tế (ISO/TS) 15066 chỉ định các yêu cầu về an toàn cho các hệ thống cobot công nghiệp và môi trường làm việc của chúng. Bổ sung các yêu cầu và hướng dẫn về vận hành cobot trong ISO 10218‑1 và ISO 10218‑2.

Bài viết này sơ lược xem xét các yêu cầu của ISO/TS 15066 và cách robot vận hành phù hợp với ISO 10218-1 và 10218-2. Sau đó, xem xét các yếu tố phức tạp của sự cộng tác giữa con người và robot, bao gồm cả không gian hợp tác, các yếu tố liên quan đến an toàn robot, những chức năng an toàn bên ngoài cần thiết, cùng với các thiết bị mẫu như cảm biến tiệm cận, rèm ánh sáng, thảm liên kết,…

Những phức tạp trong việc hợp tác

Trước khi đi vào chi tiết về an toàn cobot, việc định nghĩa về sự hợp tác là cần thiết. Hợp tác trong robot học là phức tạp và bao gồm ba yếu tố:

• Cobot là một “robot được thiết kế để tương tác trực tiếp với con người trong một không gian làm việc hợp tác xác định”, theo ANSI/RIA R15.06.
• Hoạt động hợp tác là “trạng thái trong đó một hệ thống robot được thiết kế một cách có chủ ý và một nhà điều hành làm việc trong một không gian làm việc hợp tác”, theo ISO/TS 15066.
• Cuối cùng, không gian hợp tác là “không gian làm việc mà bên trong đó được bảo vệ, nơi robot và một con người có thể thực hiện các nhiệm vụ đồng thời trong quá trình sản xuất”, theo ANSI/RIA R15.06.

Các tính năng bảo vệ phổ biến tích hợp vào cobots bao gồm hệ thống phát hiện tiếp xúc dựa trên các đo lường lực quay ở mỗi khớp để giám sát các va chạm, cản trở hoặc lực hoặc lực quay quá mức. Ngoài ra cần có các hệ thống phanh tự động và giải phóng phanh thủ công cho việc di chuyển cánh tay mà không có nguồn điện.

Việc va chạm không mong muốn với con người bởi cobot là một mối lo ngại đặc biệt. Tiêu chuẩn quy định rằng va chạm ở bất kỳ vị trí nào trên đầu của một người phải được ngăn chặn. Ngoài ra, tiêu chuẩn chia cơ thể thành 29 khu vực cụ thể và mô tả các hạn chế cho hai loại va chạm:

• Tiếp xúc tạm thời là khi cobot đụng vào một người. Các hạn chế dựa trên vị trí, quán tính và tốc độ tương đối.
• Tiếp xúc bán tĩnh xảy ra khi một phần của cơ thể bị kẹp giữa cobot và một bề mặt. Các hạn chế dựa trên áp lực và lực liên quan đến hiệu ứng nén và kẹp.

Thông số kỹ thuật cung cấp hướng dẫn không phải là tuyệt đối mà chỉ là mang tính chất thông tin và phản ánh các thực tiễn tốt nhất hiện tại vì hợp tác giữa con người và robot là một lĩnh vực mới, các nghiên cứu vẫn đang tiếp diễn.

Dải liên tục của sự hợp tác

Không có một ứng dụng hợp tác duy nhất. Con người và cobots có thể tương tác và hợp tác theo một dải liên tục các cách khác nhau. Các ứng dụng hợp tác biến đổi từ việc tồn tại cùng nhau, nơi một robot dừng lại dưới nguồn điện khi một người vào không gian làm việc hợp tác, đến một hoạt động tương tác với người đóng vai trò chạm vào cobot trong quá trình hoạt động (Hình 1).

Đánh giá rủi ro là bắt buộc để xác định nhu cầu an toàn của các ứng dụng hợp tác cá nhân. Nó bao gồm việc xác định, đánh giá và giảm thiểu các nguy hiểm và rủi ro liên quan đến ứng dụng. ISO 10218 bao gồm một danh sách các tính năng an toàn có thể phù hợp trong các tình huống khác nhau nhưng không có yêu cầu rõ ràng. ISO/TS 15066 cung cấp thêm thông tin chi tiết cho các đánh giá rủi ro của cobot. Trong mỗi trường hợp, mục tiêu của đánh giá rủi ro là xác định các thiết bị và hệ thống an toàn bên ngoài cần thiết để đảm bảo việc triển khai an toàn của các ứng dụng hợp tác.

Bảo vệ và hiệu suất

Cobots được thiết kế để hoạt động an toàn, các lớp bảo vệ bổ sung có thể cải thiện hiệu suất của các ứng dụng hợp tác. Khi một người vào không gian làm việc hợp tác, ISO/TS 15066 quy định một tốc độ tối đa là 0.25 mét mỗi giây (m/s) trên mỗi trục. Đối với hầu hết các cobots, điều đó rất chậm.

Ví dụ, cobot Lexium LXMRL12S0000 từ Schneider Electric có một tải trọng tối đa là 12 kilogram (kg), bán kính hoạt động (phạm vi làm việc) là 1327 milimét (mm), độ chính xác định vị là ±0.03 mm, và một tốc độ tối đa của đầu công cụ là 3 mét mỗi giây (m/s), nhanh gấp 12 lần so với tốc độ tối đa được phép bởi ISO/TS 15066 khi một người ở trong không gian làm việc hợp tác (Hình 2).

Trong nhiều ứng dụng, cobot có thể hoạt động một mình trong thời gian dài. Do đó, việc cảm nhận sự hiện diện hoặc vắng mặt của con người trong không gian làm việc hợp tác có thể cho phép hoạt động nhanh hơn và hiệu quả cao hơn. Các thiết bị phổ biến để cảm nhận sự hiện diện của con người bao gồm máy quét an toàn, rèm ánh sáng và thảm liên kết an toàn. Mỗi công nghệ cung cấp một bộ lợi ích khác nhau, và thường được sử dụng kết hợp với nhau.

Các máy quét an toàn

Các máy quét an toàn giám sát một khu vực được chỉ định để phát hiện sự hiện diện của con người. Chúng có thể xác định khoảng cách một người đến và triển khai các vùng cảnh báo khác nhau ngoài khu vực an toàn hoạt động.

Mẫu máy OS32C-SP1-4M của Omron là một ví dụ tốt về máy quét laser an toàn được thiết kế để sử dụng với cobot. Nó có bán kính an toàn lên đến 4 mét (m) và có thể hỗ trợ nhiều vùng cảnh báo lên đến 15 m. Nó bao gồm 70 bộ tiêu chuẩn của khu vực an toàn và vùng cảnh báo để hỗ trợ không gian làm việc hợp tác phức tạp. Ngoài ra, độ phân giải tối thiểu của đối tượng có thể được thiết lập thành 30, 40, 50 hoặc 70 mm, và thời gian phản hồi có thể dao động từ 80 mili giây (ms) lên đến 680 ms, tăng thêm tính linh hoạt trong ứng dụng (Hình 3).

Rèm ánh sáng

Rèm ánh sáng có thể đo lường sự hiện diện của con người và có thể được thiết kế để phát hiện các đối tượng có kích thước khác nhau, như ngón tay hoặc bàn tay. Khác với máy quét an toàn, rèm ánh sáng không đo khoảng cách. Chúng gửi một loạt các tia sáng giữa các mảng phát và cảm biến tuyến tính và có thể cảm nhận khi một đối tượng phá vỡ một hoặc nhiều tia sáng.

Về mặt đánh giá an toàn, có hai phân loại rèm ánh sáng chính: Loại 2 và Loại 4. Chúng có ngoại hình tương tự nhưng được thiết kế để cung cấp các cấp độ an toàn khác nhau. Loại 4 giám sát không gian được bảo vệ định nghĩa một không gian làm việc hợp tác. Rèm ánh sáng Loại 2 được thiết kế cho các ứng dụng có nguy cơ thấp hơn.

Rèm ánh sáng bảo vệ các ranh giới và có sẵn với một số cấp độ độ phân giải khác nhau, như 14 milimét (mm) để phát hiện ngón tay và 24 mm để phát hiện bàn tay. Mẫu máy SLC4P24-160P44 từ Banner Engineering là một bộ rèm ánh sáng Loại 4 với mảng phát và cảm biến và có độ phân giải là 24 mm để bảo vệ con người và các máy như cobot (Hình 4). Các bộ phát có một hàng đèn LED hồng ngoại được đồng bộ hóa. Các cảm biến có một hàng tương ứng của các bộ phát cảm biến. Các bộ phát có phạm vi 2 mét, và những rèm ánh sáng này có thể được lắp đặt với chiều dài từ 160 đến 320 mm với khoảng cách 80 mm.

Các máy quét laser an toàn và rèm ánh sáng cung cấp các phương tiện không tiếp xúc để nâng cao sự an toàn của không gian làm việc hợp tác. Tuy nhiên, chúng có thể khó sử dụng trong các môi trường có thách thức về quang học như các khu vực có bề mặt phản chiếu cao có thể gửi ra ánh sáng nhiễu không mong muốn, và chúng có thể bị kích hoạt vì dầu hoặc mỡ rò hoặc bụi hoặc độ ẩm quá mức.

Một số cảm biến quang học này bao gồm các điều chỉnh độ nhạy có thể giúp làm giảm một số loại nhiễu. Các điều chỉnh độ nhạy đó cũng có thể làm tăng thời gian phản hồi và những ảnh hưởng khác về hiệu suất. Một giải pháp khác là sử dụng thảm liên hệ an toàn cùng với các thiết bị cảm biến quang học.

Thảm liên kết an toàn

Thảm liên kết an toàn có hai tấm dẫn điện được tách biệt bởi một lớp cách điện raster và có thể được sử dụng một mình hoặc kết hợp với các loại cảm biến khác. Nếu một người bước lên thảm, tấm dẫn điện trên cùng bị nén và tiếp xúc với tấm dẫn điện dưới cùng, kích hoạt một tín hiệu cảnh báo (Hình 5). Bề ngoài của các thảm là vật liệu polyurethane chống trượt và chống nước, bẩn và dầu. Mẫu thảm SENTIR 1602-5533 từ ASO Safety Solutions có thể kết nối lên đến 10 thảm liên tiếp với một đơn vị giám sát duy nhất cho một phạm vi tối đa là 10 m2.

An toàn nằm trong các chi tiết

Không có một công thức duy nhất nào đảm bảo an toàn. Mỗi ứng dụng hợp tác đều khác nhau và cần được xử lý dựa trên các đặc điểm và nhu cầu độc đáo của nó. Một yếu tố quan trọng là: ứng dụng đặt ở đâu trên dải liên tục của sự hợp tác (xem Hình 1)? Càng gần sự tương tác giữa cobot và con người, càng cần nhiều biện pháp bảo vệ.

Có nhiều chi tiết cần xem xét. Một trong số chúng bao gồm:

• Mỗi vị trí cần phải trải qua một đánh giá rủi ro chi tiết để xem liệu cobot đã được chuyển từ trạm làm việc này sang trạm làm việc khác hay không. Ngay cả khi chúng có vẻ giống nhau, các biến thể nhỏ cũng có thể làm thay đổi về mặt an toàn.
• Nếu các máy khác nằm trong không gian làm việc hợp tác, liệu chúng có cần được kết nối với hệ thống tắt hoặc giảm tốc độ an toàn cho cobot hay không?
• Bài viết này đã tập trung vào phần cứng liên quan đến an toàn, nhưng đối với các hệ thống mạng ngày càng phổ biến, an ninh mạng là một yếu tố quan trọng cần xem xét để ngăn chặn sự can thiệp vào hoạt động cobot hoặc hệ thống an toàn.

Kết luận

An toàn cho cobot là một vấn đề phức tạp. Nó bắt đầu bằng việc xác định không gian làm việc hợp tác bên trong không gian được bảo vệ và yêu cầu một đánh giá rủi ro về hoạt động hợp tác. Các tiêu chuẩn như ISO/TS 15066 và loạt tiêu chuẩn ISO 10218 là quan trọng và cung cấp các khuyến nghị và hướng dẫn. Cobots bao gồm các tính năng an toàn cơ bản như hệ thống phát hiện va chạm, phản hồi lực, bơm động cơ co giãn và động cơ servo ít quán tính. Tùy thuộc vào cụ thể của ứng dụng hợp tác, các thiết bị an toàn bổ sung như cảm biến tiệm cận, rèm ánh sáng và thảm liên kết an toàn có thể cần thiết.

Minh Trí (theo Digikey)