Wotoczeniu przemysłowym w bliskiej przyszłości człowiek i robot będą przebywać i pracować w tej samej przestrzeni roboczej. Jednym z przemawiających za tym powodów jest fakt, że płyty ochronne osłaniające roboty utrudniają płynną pracę i wymagają dużej przestrzeni. Efektywna i elastyczna produkcja oraz montaż wymuszają jednak konsekwentną rezygnację z przestrzennej separacji człowieka i robota. Patrząc także pod względem sytuacji demograficznej w wiodących państwach uprzemysłowionych, roboty-asystenci mogą w przyszłości mieć duży wkład, jeśli chodzi o fizyczne odciążenie człowieka. Robot wspiera człowieka w jego bezpośrednim otoczeniu pracy i tym samym umożliwia elastyczną automatyzację całego cyklu procesu.

Powiązane firmy

Bezpieczeństwo ponad wszystko
Współpraca człowieka i robota we wspólnym otoczeniu roboczym odgrywa coraz ważniejszą rolę. W czasie wspólnej pracy pojawia się potrzeba bezpośredniego sąsiedztwa stanowisk pracy obu partnerów, a w wielu przypadkach jest ona nawet nieodzowna. Wynika z tego znaczne ryzyko, gdyż nie można zaakceptować dotkliwych lub nawet trwałych obrażeń człowieka spowodowanych przez robota, które należy definitywnie wykluczyć. W 2011 r. opublikowano ważne normy, jak DIN EN ISO 10218 (Roboty do pracy w środowisku przemysłowym – Wymagania bezpieczeństwa), a uzupełniająca dyrektywa ISO/TS 15066 znajduje się obecnie w opracowaniu. Aby zagwarantować zgodność z przepisami z zakresu bezpieczeństwa, należy w wielu obszarach rozwijać nowe technologie i dokładnie je testować. Instytut Fraunhofer-IFF w Magdeburgu odgrywa ważną rolę w tej kwestii i jest aktywny we wszystkich ważnych obszarach dotyczących bezpieczniejszej interakcji człowiek – robot. Należą do nich praca nad czujnikami do monitoringu obszaru roboczego, wykrywania kolizji i zbliżenia oraz bezpiecznej kinematyki robotów. Ponadto Instytut prowadzi badania naukowe z zakresu kolizji człowiek – robot i ich wpływu na człowieka. W specyfikacji technicznej ISO/TS 15066, poza wytycznymi odnośnie oceny ryzyka, rozpatruje się także kryteria techniczne i biomechaniczne oraz aspekty ergonomiczne potrzebne do kontroli stanowisk pracy robotów w zakresie bezpieczeństwa. Definicja wartości granicznych dla kolizji między człowiekiem a robotem uzależniona jest od przebiegu siły uderzenia, rozkładu ciśnienia, zagrożonych obszarów ciała i rodzaju kontaktu (uderzenie czy zacisk). Zasadniczo przy uderzeniu rozróżnia się dwa przypadki. Przy zacisku zaraz po uderzeniu dochodzi do zakleszczenia części ciała człowieka przez robota. W przypadku uderzenia swobodnego nie dochodzi do zakleszczenia. Dla człowieka największe ryzyko obrażeń fizycznych wiąże się z zaciskiem, gdyż maksymalne siły i ucisk, jakie tu zachodzą, są najwyższe w stosunku do porównywalnych kolizji z robotami. Dlatego w procesie projektowania interakcyjnych stanowisk pracy typu człowiek – robot należy z góry maksymalnie zredukować liczbę elementów zaciskowych.

Pomiary siły zderzenia
W Instytucie Fraunhofer-IFF na zlecenie Instytutu Ochrony Pracy (IFA) Niemieckiego Zakładu Ubezpieczeń od Następstw Nieszczęśliwych Wypadków przeprowadzano badania nad kolizjami w obszarze uderzeń swobodnych i zakleszczeń wraz z osobami testowanymi. W tym celu opracowano nowatorski system pomiarowy na bazie wahadła sprzężonego z czujnikiem siły, który po raz pierwszy umożliwiał pomiary kolizji na osobach testowanych. Celem badań było dostarczenie naukowego dowodu, że wyniki pomiarów siłomierzy do pomiarów zacisków mogą zostać przeniesione na uderzenia swobodne. Chodziło o pierwsze badania z osobami testowanymi, na które wydała zgodę stosowna komisja etyki. W trakcie badań opracowano i zapisano parametry funkcji korekcyjnej dla wybranych części ciała, za pomocą której – w zależności od prędkości kolizji – można było przeliczać oddziaływujące siły zacisku na siły uderzenia swobodnego. Ponieważ siły zderzenia przy takim samym zapisie impulsu są mniejsze w przypadku uderzenia swobodnego niż przy zacisku, można na podstawie funkcji korekcyjnej systematycznie zwiększać prędkość poruszania się robotów tak, że w przypadku kolizji z człowiekiem nie zostaną przekroczone biomechaniczne wartości graniczne. Perspektywicznie funkcje korekcyjne powinny zostać ujęte w normie ISO/TS 15066.

Sensoryczne wykrywanie kolizji i monitorowanie obszaru roboczego
Bezpieczna interakcja na linii człowiek – robot wymaga objęcia monitoringiem całego obszaru roboczego w celu ochrony ludzi przed zagrożeniami. Instytut Fraunhofer IFF opracował dwie kluczowe technologie do rozpoznawania kolizji oraz monitorowania obszaru roboczego. System czujników dotykowych umożliwia pewne rozpoznanie kolizji oraz jej lokalizację w robotach niezależnie od ich wielkości i budowy. Czujniki można dopasować do każdej dowolnej formy i w ten sposób zadbać o objęcie kontrolą całej maszyny. Roboty, maszyny i systemy wspomagania można wyposażyć w system czujników dotykowych działających w halach produkcjnych. Dotyczy to także technologii medycznych i obszaru opieki nad niepełnosprawnymi oraz domów starców. Ponadto system czujników dotykowych może być używany jako system z intuicyjnym interfejsem obsługi. Bazą systemu czujników dotykowych jest elastomer, który pod wpływem obciążenia ściskającego zmienia swoją przewodność. Komórki czujników wykazują w stanie nieobciążonym wartość zdefiniowaną. Odstępstwa od tej wartości są miarą siły działającej na czujnik. Ponadto dzięki zasadzie prądu spoczynkowego można niezawodnie rozpoznać błędy czujnika pomiarowego. Uzyskane w ten sposób bezpieczeństwo własne czujnika stanowi ważną podstawę do zastosowania go jako czujnika bezpieczeństwa. Istotną cechą systemu czujników dotykowych jest możliwość integracji z dostosowanymi do okoliczności i pochłaniającymi energię warstwami tłumiącymi kolizje. Takie rozwiązanie skutkuje w określonych granicach kompensacją drogi hamowania robota, nie obciążając przy tym znacząco człowieka. Decydującymi czynnikami wpływającymi na rozmieszczenie warstw tłumiących są prędkość, geometria i drogi hamowania robota oraz czas reakcji obwodu bezpieczeństwa. Instytut IFF wyposaża czujniki dotykowe także w pojemnościową detekcję zbliżenia, tym samym rozwijając hybrydowy system bezpieczeństwa. Robot wyposażony w taki system rozpoznaje osoby i obiekty z odległości 20 cm i potrafi wdrożyć procedurę redukcji prędkości.

Rozpoznanie stref bezpieczeństwa
Na bazie technologii projekcji i kamer Instytut IFF opracował dla dynamicznie zmieniającego się otoczenia produkcyjnego nowatorską technologię monitorowania obszaru roboczego, która wyróżnia się wysokim poziomem bezpieczeństwa, dostępnością, elastycznością i możliwościami interakcji. Przerwę w transmisji wiązki promieni wykrywa szybka i deterministyczna obróbka obrazów przesyłanych przez kamery. W przypadku naruszenia strefy ostrzegawczej lub ochronnej w pomieszczeniu następuje zmniejszenie prędkości robota lub włączenie procesu zatrzymania. Oprócz zalet w porównaniu do technologii bazujących tylko na kamerach w zakresie wpływu oświetlenia otoczenia i Hard Safety (technologia certyfikowana) projekcja powoduje, że obszary bezpieczeństwa stają się dostrzegalne, a przez to o każdej porze rozpoznawalne dla użytkownika (Soft Safety). Ponadto geometryczna forma stref bezpieczeństwa może się zmieniać. Można tworzyć dowolne linie, odcinki koła lub wzorce. Poprzez zespolenie wielu projektorów i kamer można w prosty sposób ustalić wielkość możliwego obszaru monitorowania. Oprócz statycznego generowania pól ochronnych możliwe jest także dynamiczne sprzężenie i śledzenie stref ochronnych, podążając za ruchami robotów. Specjalna procedura tłumienia światła otoczenia na podstawie światła modulacji redukuje jego wpływ. Poprzez nieustanne próby funkcjonalne wszystkich podzespołów uzyskuje się najwyższy poziom własnego bezpieczeństwa. Klasyczne roboty przemysłowe składają się z mechanicznych sztywnych przegubów i z rozmachem zaprojektowanych napędów przystosowanych do przyjmowania wysokich obciążeń granicznych z wysokimi dokładnościami. To z takimi robotami wiąże się wysokie ryzyko zranienia człowieka, o ile przebywa w pomieszczeniu, w którym porusza się robot. Dlatego dla bezpiecznej interakcji człowiek – robot rozwija się intensywnie nowe rozwiązania z zakresu kinematyki, przy których zachodzi maksymalnie małe lub tolerowane ryzyko obrażeń. Charakteryzują się one nowymi strukturami kinematycznymi, innowacyjnymi lekkimi konstrukcjami, wymagającymi mało siły lub elastycznymi napędami przegubowymi oraz strukturami tłumiącymi zderzenia.

Trąba słonia
W Instytucie IFF opracowano hiperredundantną kinematykę Brommi, która w swoich ruchach naśladuje trąbę słonia. Robot podobny w kształcie do trąby słonia w odróżnieniu od zwykłych wysięgników robotów nie zawiera elementów zaciskowych lub punktów tnących i potrzebuje względnie mniejszej przestrzeni, aby pokryć dużą przestrzeń roboczą. Osobnym zagadnieniem, nad którym pracuje IFF, jest lekki robot Alexa. Składa się on z komponentów modułowego zestawu konstrukcyjnego robolink od Igus, posiadającego ponad pięć osi. Instytut Fraunhofer-IFF opracował pierwsze sterowanie robotów dla pięcioosiowych manipulatorów robolink. Osiągnięto powtarzalność rzędu ±1 mm.