כיצד לשלב בבטחה קובוטים במקומות עבודה תעשייתיים

קיימים כיום רובוטים תעשייתיים קומפקטיים שניתן לשלבם בצורה יעילה וחסכונית אפילו בפסי ייצור קטנים. חלק מהאטרקטיביות שלהם היא שרובוטים כאלה יכולים לשתף פעולה עם מפעיל אנושי כדי לשחררו ממשימות חוזרות ונשנות, שאחרת יעייפו את המפעיל ויובילו לטעויות. הבעיה היא שעבודה בסמיכות למכונה נעה מציבה סיכונים בטיחותיים לבני אדם.

המפתח לשמירה על בטיחות רובוטים שיתופיים (קובוטים) הוא לשקול היטב את הסיכונים הכרוכים ולהגדיר את הרובוט ומערכת הבקרה שלו כדי להפחית סיכונים פוטנציאליים. למרבה המזל, קיימים כיום מפרטים טכניים כדי לעזור למפתחים בדרך לבטיחות.

מאמר זה בוחן את היתרונות של הוספת קובוטים לסביבת העבודה ומצביע על שיקולי הבטיחות לפני שהוא מתאר את ההנחיות הרגולטוריות האחרונות ומציג אסטרטגיות הערכת והפחתת סיכונים. לאחר מכן הוא מציג קובוטים עם מנגנוני בטיחות מובנים המאפשרים להוסיף אותם בבטחה לכל סביבת ייצור או תהליך עבודה.

מדוע להוסיף רובוטים שיתופיים?

רובוטים תעשייתיים במתקני ייצור גדולים הוכיחו מזמן את ערכם במונחים של הגדלת תפוקת הייצור תוך הפחתת העלויות. כעת רובוטים תעשייתיים כללים וקומפקטיים מביאים יתרונות כאלה לייצור בקנה-מידה בינוני וקטן. בניגוד לעמיתיהם בקנה מידה גדול יותר, רובוטים קומפקטיים מתוכננים לפעול בשיתוף פעולה עם המפעילים האנושיים שלהם ולא בבידוד (איור 1). השניים חולקים סביבת עבודה, ומסייעים למזער את השימוש של הרובוט בשטח רצפת ייצור יקר ולשפר את יחס העלות-תועלת שלו.

איור 1: רובוטים תעשייתיים קטנים מתוכננים לפעול בשיתוף פעולה עם בני אדם ולא בבידוד. (מקור התמונה: KraussMaffel/KUKA Robotics)

כמו כל המכונות הממונעות, לקובוטים אלה יש פוטנציאל לגרום לפציעה אם לא ישתמשו בהם כראוי. שילוב קובוט בקו ייצור, אם כן, מחייב התייחסות מדוקדקת לנושא בטיחות המפעיל. גורמים שיש לזכור כוללים את טווח ומהירות התנועה של הרובוט, החומרים שבהם הוא מטפל ושיטת האינטראקציה ותדירות האינטראקציה עם המפעיל. לאחר שמבינים גורמים אלה, ניתן לשלב מאפיינים משפרי-בטיחות מתאימים בתוך תכן המערכת.

דרישות רגולטוריות מארגונים כמו OSHA (מנהל הבטיחות והבריאות התעסוקתית) בארה"ב, CCOHS בקנדה והנציבות האירופית מחייבות כמה מרכיבים של בטיחות תפעולית של קובוט. תקנות OSHA 29 Code of Federal Regulations (CFR) 1910, למשל, קוראות למערכות לנעול מקורות אנרגיה מסוכנים במהלך פעולות שירות (פרק 147) ולמנוע מכות חשמל במהלך הפעולה (פרק 333). עם זאת, תקנות כאלה פותחו כך שיחולו על כל סוגי המכונות התעשייתיות ולא בהכרח עמדו בקצב הטכנולוגיה. יחסית יש מעט רגולציה ספציפית לרובוטים תעשייתיים בכלל או לקובוטים בפרט.

עם זאת, התעשייה מילאה את הפער על ידי פיתוח מספר תקנים טכניים ספציפיים לרובוטים תעשייתיים. אלה כוללים את תקן IEC 61508 עבור בטיחות תפקודית, תקן ISO 12100 עבור תכני בטיחות מכונות, ותקני ISO 10218‏ -1 ו-2 עבור בטיחות רובוטים תעשייתיים. לאחרונה, התעשייה פרסמה את התקן הטכני ISO/TS 15066 בנושא בטיחות רובוטים שיתופיים. רק חלק מהפרקים של תקנים אלה מוגדרים כדרישות עבור תכן מערכת רובוטית. השאר הן המלצות המספקות למפתחים ולמפעילים הנחיות מפורטות להבטחת אינטראקציה בטוחה בין רובוטים לבין בני אדם.

הערכת סיכונים של קובוטים

הדרך לבטיחות הקובוט מתחילה בהערכת סיכונים מדוקדקת של מודל הפעולה והשימוש הרובוטי המיועד - לא רק של הרובוט עצמו, אלא של כל היישום וסביבת הפעולה. מערכת רובוטית המטפלת ביריעות מתכת עם קצוות חדים, למשל, יוצרת סיכונים שונים מאלה של מערכת המטפלת בקופסאות קרטון. באופן דומה, הערכת סיכונים עבור רובוט המצויד בתופסן תהיה שונה מזו של רובוט עם מקדחה או מלחם.

לפיכך, על המפתחים להבין היטב את היקף הפעולה של המערכת, את מאפייני התנועה של הרובוט, את מרחב העבודה ומהלך העבודה וגורמים דומים נוספים על מנת לזהות את מקורות הסיכון הפוטנציאליים בפעולת הרובוט. מקורות אלה כוללים כל אינטראקציה אפשרית בין רובוט לאדם - בין אם מכוונת, בשוגג או כתוצאה מכשל בציוד - העלולה לגרום לפציעה כלשהי.

לאחר זיהוי הסיכונים, יש להעריך כל אחד מהם בנפרד. הערכה זו מסווגת כל אינטראקציה כזו כסיכון זניח, נמוך, בינוני, גבוה או גבוה מאוד תוך שימוש בשלושה קריטריונים מרכזיים:

• חומרת הפציעה הפוטנציאלית
• תדירות ו/או משך החשיפה לסיכון
• ההסתברות להימנע מהסיכון

עץ הערכת סיכונים מייצג מוצג באיור 2. חומרת הפציעה נעה בין קלה, כגון חתכים או חבורות המתרפאות לחלוטין תוך מספר ימים, ועד חמורה, הגורמת לנזק פרמננטי או מוות. החשיפה נעה בין נמוכה (מזדמנת) לגבוהה (תדירה או מתמשכת), והסתברות ההימנעות נעה בין סבירה ללא-אפשרית. המעריכים יכולים לכמת קריטריונים אלה בדרכם שלהם כדי לשקף את הנסיבות הספציפיות שלהם.

איור 2: הערכת רמת הסיכון מחייבת לבחון את החומרה והסבירות של פציעות אפשריות. (מקור התמונה: Richard A. Quinnell)

עם זאת, אחת התובנות ש-ISO/TS 15066‏ הביא לתעשייה היא הגדרה כמותית של מגע פיזי שאינו מזיק בין רובוט לאדם . הגדרה זו חשובה במיוחד ביישומי קובוט, שבהם מגע פיזי הוא סביר או אפילו מכוון. התקן מגדיר שני סוגי מגע: חולף וכמעט-סטטי (איור 3).

מצבים שבהם האדם יכול בקלות להתרחק ממגע עם הרובוט, כגון חלק רובוט המתנגש בזרועו של המפעיל, נחשבים חולפים. כאשר האדם נלכד בין הרובוט לבין עצם קבוע, כמו תופסן רובוטי הלוחץ את ידו של המפעיל אל משטח השולחן, המגע נחשב לכמעט-סטטי.

איור 3: מגע רובוט-אדם - מקרי או צפוי - מסווג בין שתי קטגוריות: חולף וכמעט-סטטי. (מקור התמונה: Richard A. Quinnell)

הגבולות עבור כוח המגע ביישום קובוט מבוססות על סף הכאב האנושי. רובוטים שיתופיים חייבים להיות מוגדרים כך שכל מגע, מכוון או אחר, יהיה מתחת לסף הכאב. ערכי הגבול של הכוח משתנים בתלות בחלק הגוף המעורב. למגע ראש יש סף כאב נמוך בהרבה ממגע זרוע, למשל. יתר על כן, למגעים כמעט-סטטיים יש ספים נמוכים יותר ממגעים חולפים.

לאחר זיהוי והערכת הסיכונים, השאלה הקריטית שיש לשאול עבור כל אחד מהם היא: "האם זו רמת סיכון מתקבל?" ברוב המקרים, סיכון זניח או נמוך מאוד הוא נסבל וכל השאר ידרשו צורה אחת או יותר של הקלה. בחירת הצורה המתאימה של הפחתת סיכונים ואחריה הערכה מחודשת של הסיכון הם לפיכך השלבים הבאים בדרך לבטיחות הרובוטים, ויש לחזור עליהם עד שכל הסיכונים יצטמצמו לרמות מתקבלות.

דרכים להפחתת סיכונים

כמה מהשיטות המועדפות ביותר להפחתת סיכונים כוללות תכנון מחדש של התהליך או הפריסה של סביבת העבודה הרובוטית כדי למנוע את הסכנה או למזער את החשיפה על ידי הגבלת האינטראקציה האנושית עם הרובוט. יישומי רובוט תעשייתי מסורתיים מגבילים את האינטראקציה בין אדם לרובוט על ידי שימוש בכלובים עם מנעולי בטיחות כדי להרחיק בני אדם ממרחב העבודה של הרובוט וכדי לכבות את הרובוט כאשר אדם נכנס לחלל העבודה. עבור יישומי קובוטים הצריכים לחלוק סביבת עבודה שיתופית עם בני אדם, יש צורך בשיטות אחרות.

התעשייה זיהתה ארבע גישות מפתח לאינטראקציה שיתופית בין רובוט לאדם:

• עצירה מנוטרת בטיחותית
• הנחייה ידנית
• ניטור מרחק ההפרדה ובקרת המהירות
• הגבלת הכוח והספקת-הכוח

המפתחים יצטרכו לקבוע איזו גישה או שילוב של גישות הם המתאימים ביותר ליישום שלהם.

עצירה מנוטרת בטיחותית עובדת היטב ביישומים שבהם המפעיל מקיים אינטראקציה עם הרובוט רק בתנאים ספציפיים, כגון טעינה או פריקה של אפקטור-הקצה של הרובוט או ביצוע בדיקות בעבודה שבתהליך. בסוג זה של אינטראקציה, הרובוט פועל באופן אוטונומי בתוך סביבת עבודה מוגנת המנוטרת כדי לזהות כל נוכחות אדם. המפעיל האנושי יוזם עצירה בטיחותית לפני הכניסה לאותו מרחב עבודה, ובזמן שהמפעיל נמצא בתוך מרחב העבודה, הרובוט נשאר מופעל אך נייח. כאשר המפעיל יוצא מסביבת העבודה, הרובוט חוזר אוטומטית לפעולתו האוטונומית. במידה ואדם נכנס למרחב העבודה המנוטר מבלי להפעיל את העצירה הבטיחותית, המערכת תיזום עצירה מגנה שתכבה את הספקת-הכוח של המערכת.

בתרחיש ההנחיה הידנית, המפעיל יוזם עצירה בטיחותית לפני הכניסה למרחב העבודה של הרובוט, ולאחר מכן ממשיך להשתמש במנגנון הנחיה ידנית כדי למקם מחדש את הזרוע הרובוטית לפני התנעת הפעולה הבאה של הרובוט. מנגנון ההנחיה הידנית עשוי לכלול פשוט אחיזה בזרוע הרובוט ותפעולה, או שהוא יכול לערב שימוש בהתקן בקרה נישא-ביד כדי לפקד על תנועת הרובוט. יישום כמו סיוע בהרמה רובוטית יכול לנצל שיתוף פעולה מונחה ידנית.

ניטור מרחק ההפרדה ובקרת המהירות הם שימושיים במצבים שבהם המפעיל והרובוט חולקים את אותו מרחב עבודה והמפעיל מסוגל לנוע בחופשיות בתוך מרחב זה. בתרחיש זה המערכת עוקבת אחר המרחק של האדם מהרובוט, ופועלת לשמור על מרחק הפרדה מגן מינימלי בכל עת (איור 4). כאשר השניים נמצאים במרחק הפרדה בטוח - כך שאין אפשרות למגע - הרובוט חופשי לנוע במלוא המהירות. אם מרחק ההפרדה הולך וקטן, הרובוט ממשיך לעבוד אך לאט יותר ובכך מסייע להפחית את המאמץ הנדרש כדי להביא את הרובוט לעצירה מוחלטת. כאשר מרחק ההפרדה הופך לקטן מדי, הרובוט מגיע לעצירה בטיחותית כדי למנוע אפשרות שהוא יגרום לפציעה.

איור 4: ניטור מרחק ההפרדה ובקרת המהירות מזהה אזורים סביב הרובוט המגדירים את פעולתו הבטוחה. (מקור התמונה: Richard A. Quinnell)

הגדרת המרחקים לכל שלב בגישה זו דורשת הבנת יכולות התנועה של המערכת הרובוטית. המערכת צריכה להיות מתוכננת כך שברגע שהמנטרים מזהים אדם שנע לעבר המרחב המוגן, המנגנונים הרובוטים נעצרים לחלוטין לפני שהאדם יכול להגיע למרחב זה. על מנת לחשב את מרחקי הפרדה המתאימים, המפתחים צריכים לדעת:

• כמה מהר הרובוט והאדם נעים
• מהו זמן התגובה של המערכת לזיהוי החדירה הפוטנציאלית
• כמה זמן לוקח לרובוט להפסיק לנוע לאחר שהוא מקבל פקודה

פריסת מרחב העבודה יכולה לעזור לפשט את ההגדרה והניטור של אזורי בטיחות עבור גישת ניטור ההפרדה והמהירות. בדוגמה אחת, הפריסה יוצרת אזורי בטיחות מובנים (איור 5). שולחן עבודה מפריד בין האדם לבין מרחב הפעולה של הרובוט בו הוא יכול לנוע בחופשיות במלוא המהירות. הרובוט יכול להפחית את המהירות באופן אוטומטי כאשר הוא נכנס לאזורי שיתוף פעולה בצידי שולחן העבודה, הפרושים כך שיגבילו את האפשרויות למגע כמעט-סטטי. המהירות המופחתת ממזערת את הסיכון באזור זה על ידי הפחתת כוח מגע חולף פוטנציאלי ומקסום מניעת סיכונים כלשהם.

עצירות מכניות יכולות למנוע מהמנגנון הרובוטי להיכנס אי פעם לאזור הפעולה של האדם תוך מניעת סיכונים. הסדר כזה ידרוש ניטור מינימלי בלבד של מרחב הפעולה של הרובוט מפני חדירת אדם כדי להבטיח רמה גבוהה של בטיחות המערכת.

איור 5: תכנון מרחב העבודה יכול ליצור אזורי בטיחות אינהרנטיים. (מקור התמונה: Richard A. Quinnell)

גישת הגבלת הכוח והספקת-הכוח שימושית במיוחד ביישומים שבהם יש סבירות גבוהה למגע בין אדם לרובוט. כדי להשתמש בגישה זו הרובוט חייב להיות מסוגל לחוש מתי הופעלו כוחות חריגים על המנגנון כדי שיוכל לגלות ולהגיב למגע. הרובוט צריך להיות מתוכנן גם כדי למזער כוח מגע פוטנציאלי, כגון על ידי הימנעות מקצוות חדים ונקודות צביטה, תוך שילוב ריפוד המשטח והגבלת מהירות התנועה.

היישום צריך להיות מתוכנן כך שמגע יהיה נדיר וניתן-למניעה, תוך הקפדה על ההערכה של אילו סוגי מגע (חולף או כמעט-סטטי) עלולים להתרחש ואילו חלקי גוף עלולים להיות מעורבים. תכן היישום צריך גם לשאוף למזער את האפשרויות למגע כמעט-סטטי ולמנוע לחלוטין מגע עם הראש, הצוואר או הגרון .

מאפייני בטיחות של מערכת רובוטית

מפתחים הבוחרים ברובוט עבור יישום שיתופי צריכים לזכור כיצד הם עשויים לממש אחת או יותר משיטות ההקלה הללו. התכן הפיזי של הרובוט כמו גם המערכות המבקרות אותו הם כולם גורמים שיש להעריך בקביעה כיצד ניתן לממש בקלות אמצעי בטיחות. עם זאת, בדרך כלל, יצרני רובוטים פעלו כדי להכין את המערכות שלהם לבטיחות.

לדוגמה, משפחת ערכות הרובוטים Agilus‏ של KUKA כוללת פאנל מגע smartPAD עבור בקרה ידנית של המפעיל, ואת בקר המערכת KR C4 עם מאפייני בטיחות משולבים. התוכנה האופציונלית KUKA.SafeOperation משלימה את החבילה. זרועות הערכות מגיעות עם אורכי הגעה שונים, כולל 540 מילימטר (מ"מ) (KR 3 R540‏), 900 מ"מ (KR 6 R900-2‏), ו-1,100 מ"מ (KR 10 R1100-2‏) (איור 6‏).

איור 6: רובוטים תעשייתיים קומפקטיים, כגון Agilus KR 3 של KUKA, מתוכננים עם בטיחות כשיקול עיקרי, ויכולים לחלוק בבטחה מרחב עבודה ולשתף פעולה עם מפעילים אנושיים אם מקפידים על תקני התעשייה במהלך ההתקנה. (מקור התמונה: KUKA Robotics)

כל שלושת הרובוטים מתוכננים עם משטחים מעוגלים תחת רפידות סופגות אנרגיה כדי למזער את לחץ המגע. המפרקים מכוסים כדי למנוע סכנת היצבטות. הרובוטים מציעים גם עצירות מכניות מתכווננות עבור צירי תנועה עיקריים, כך שהמפתחים יכולים להגביל פיזית את מרחב הפעולה של הרובוט.

ה-smartPAD הכלול עוזר לטפל ביישומים שבהם נדרשת הפעלה ידנית (איור 7).

איור 7: ערכות הרובוטים של KUKA כוללות פאנל מגע למפעיל smartPad כדי לאפשר שליטה הנחיה ידנית במידת הצורך. (מקור התמונה: KUKA Robotics)

בקר KR C4 מגיע עם תוכנת בטיחות משולבת הכוללת רוטינות עבור מימוש עצירות ועצירות-חירום בטיחותיות וכן יכולת לנטר חיישנים חיצוניים סטנדרטיים בתעשייה, תוך הקמת גדר בטיחות. בנוסף, התוכנה יכולה לנטר פנימית את מיקום הרובוט ותנועתו סביב כל אחד מצירי התנועה שלו.

תוכנת KUKA.SafeOperation משפרת את הניטור הפנימי הזה בכך שהיא מאפשרת למפתחים להגדיר תא פעולה קבוע: מצולע קמור עם שלוש עד עשר פינות שמחוץ להן אסור לרובוט להימצא בשום מקרה (איור 7). בנוסף, המפתחים יכולים להגדיר עד 16 מרחבי ניטור בתוך תא זה באמצעות קואורדינטות קרטזיות או ספציפיות-לציר.

איור 8: המפתחים יכולים לשפר את ניטור הבטיחות הקשור למיקום באמצעות תוכנת KUKA.SafeOperation שבעזרתה הם יכולים להגדיר אזור פעולה ולבנות מודלים של כלי אפקטורי-קצה. (מקור התמונה: KUKA Robotics)

כדי לשפר עוד יותר את ניטור הבטיחות הקשור למיקום, תוכנת SafeOperation מאפשרת למשתמשים לבנות מודלים של כלי אפקטורי-קצה על אוגן ההרכבה של הרובוט כאוסף של עד שישה כדורים מוגדרי-משתמש. כדורים אלו נעים עם זרוע הרובוט. אם הזרוע או כדור הכלי נעים לתוך חללי הניטור או החוצה מהם במהלך הפעולה, התוכנה תגיב. תגובות אפשריות כוללות איתות התרעה, האטת תנועת הרובוט או מימוש עצירת בטיחות. כך המפתחים יכולים לבקר בקלות כיצד הרובוט מתנהג בכל מקום בטווח התנועה שלו.

מאפיינים אלו מפשטים את המימוש של תוכניות הפחתת סיכונים, אך הם אינם מבטיחים כשלעצמם אינטראקציה בטוחה בין אדם לרובוט. מפתחים המבקשים לשלב מערכת רובוטית בתהליכי העבודה של הייצור שלהם, במיוחד ביישום שיתופי, חייבים לבצע את עבודת הערכת והפחתת הסיכונים, שחלק גדול מהם יהיה ספציפי ליישום שלהם. מאמץ זה כולל שמירה על כל הנחיות וההגבלות היצרן, הדרכה נכונה של המשתמשים והטמעת מערכות ניטור ומחסומים לפי הצורך.

סיכום

רובוטים וקובוטים הם חלק יותר ויותר מבורך בייצור ובתהליכי עבודה אחרים, אך הם מציגים סיכונים פוטנציאליים שמפתחי אוטומציה תעשייתית חייבים להביא בחשבון. בעוד שתקנים חדשים שפותחו לבטיחות רובוטים אכן עוזרים, הזמינות של מערכות רובוטיות שנבנו מהיסוד עם בטיחות כשיקול עיקרי הופכת את שילוב הרובוטים בתהליכי העבודה לקל ובטוח הרבה יותר.