Inteligentná spolupráca človeka s priemyselným robotom nie je novým pojmom a v súčasnosti sa dostáva do popredia najmä vďaka rastúcim komplexným požiadavkám zákazníkov či zvýšeniu konkurencieschopnosti. Nasadzovanie kolaboratívnych pracovísk má svoje uplatnenie aj v skracovaní inovačných cyklov a pružnejšej reakcii na ťažko predvídateľné požiadavky trhu, pričom nevyhnutným predpokladom je ochrana osôb, vstupujúcich do procesu s rýchlo sa pohybujúcim robotom.
Hlavnou úlohou nástupu inteligentnej spolupráce človeka s priemyselným robotom je uľahčiť neustále sa opakujúcu, často i veľmi náročnú a niekedy až nebezpečnú pracovnú činnosť človeka. V dnešnej priemyselnej výrobe zvyčajne pracujú človek a priemyselný robot oddelene od seba, aby sa zabránilo prípadným kolíziám [1]. Často je úplný prechod od pracovísk bez priemyselných robotov do automatizovaných pracovísk s nimi bez účasti človeka veľkým skokom, ktorý sa prejavuje najmä vo zvýšenej miere investícií alebo či dlhej návratnosti (obr. 1). Neustály vývoj a rastúci trend robotiky z dôvodu zvýšenia konkurencieschopnosti upúšťa od tohto individuálneho a izolovaného nasadzovania priemyselných robotov a prechádza ku skupinovému budovaniu pracovísk typu človek - robot. Dôvodmi sú často nadmerné požiadavky zákazníkov, keď nadprodukcia núti zamestnancov pracovať v nadčasoch, alebo je potrebné na určitý čas prijať ďalších zamestnancov. Tieto priemyselné roboty v spolupráci s človekom sa najčastejšie uplatňujú v stredných a malých podnikoch [2].
SPOLUPRÁCA ČLOVEK - ROBOT
Pod pojmom spolupráca človek - robot sa rozumie vzájomná spolupráca v pracovnej činnosti, kde sa navzájom dopĺňajú napríklad pri montáži, manipulácii, paletizácii a depaletizácii, povrchovej úprave či pri rôznych technologických operáciách. Výhodou tejto spolupráce je skrátenie tzv. inovačných cyklov a pružnejšia reakcia na ťažko predvídateľné požiadavky trhu či špecifické požiadavky od zákazníkov. V takýchto prípadoch je použitie priemyselného robota v spolupráci s človekom ideálnou voľbou. Priemyselný robot sa dá využiť v aplikáciách kontroly a ladenia, kde znižuje prípadné zlyhanie ľudského faktora. Môže sa dostať do ťažko prístupných miest, dosahuje neporovnateľnú presnosť a rýchlosť, resp. dokáže oslobodiť ľudí od monotónnej práce. Takto sa človek môže viac sústrediť na myšlienkové procesy alebo môže vykonávať viac hodnotné úlohy, ktoré by robot bez prípadnej výmeny nástroja nedokázal. Taktiež je flexibilnejší a ľahšie prispôsobivý nepriaznivým situáciám.
Pre plne automatické pracoviská s priemyselným robotom (doplneným o vhodný koncový efektor) je typický rad výhod vyplývajúcich z nepretržitej prevádzky a vysokej produktivity [3]. Takisto sa tu nevyskytuje únava, no tieto pracoviská sú podmienené jednoduchosťou montážnych úloh. Na druhej strane pracovisko bez priemyselných robotov ponúka neporovnateľné senzo-motorické schopnosti človeka pre zložité operácie, ktoré sa vedia prispôsobiť novým procesom (obr. 2). Obmedzenia však vyplývajú zo sily človeka a presnosti. Kooperujúce pracoviská spájajú výhody manuálnej práce človeka a plne automatizovaného pracoviska priemyselného robota (obr. 2).
Hlavné požiadavky kladené na kooperujúce pracovisko človeka s priemyselným robotom sú:
- Ergonomické usporiadanie pracoviska;
- Autonómnosť činnosti priemyselného robota;
- Ekonomické dôvody (náklady na stavbu pracoviska pre spoluprácu človek-robot, fixné náklady potrebné pre do vybavenie robota);
- Transport, referenčná poloha, pracovný priestor, uchopovanie, pohyb a kontrola patria medzi najkritickejšie a najdiskutovanejšie požiadavky pretože presné polohovanie objektu priemyselným robotom môže byť problematické. Je vhodné doplniť robot o senzory, ktoré následne dopomáhajú efektoru presne uchopiť daný objekt [3];
- Orientácia a polohovanie nástrojov – v prípade, že nástroje, ktoré sú používané na kooperujúcom pracovisku používa človek aj priemyselný robot, je nevyhnutné zabezpečiť polohu, orientáciu a postoj pre uchopenie;
- Požiadavky vyplývajúce z ergonómie pracoviska sú ovplyvňované dopravou objektov, ich skladovaním a umiestnením, či referenčnou polohou pre ďalšiu prácu.
VÝHODY, NEVÝHODY A BEZPEČNOSŤ SPOLUPRÁCE
Priemyselný robot, ako aj človek, majú niekoľko svojich obmedzujúcich charakteristík. Človek má ergonomické limity, horšie znáša na každodennú monotónnu prácu a viac podlieha vplyvom pracovného prostredia. Na druhej strane sa lepšie prispôsobuje nepriaznivým vplyvom v nečakaných situáciách (obr. 3). Priemyselný robot plní vopred definované úlohy počas celého výrobného procesu [6]. Taktiež dokáže dostatočne presne manipulovať aj s ťažkými, horúcimi alebo ostrými komponentmi. Na rozdiel od človeka však nie je dostatočne flexibilný pre výkon zložitejších montážnych aplikácií. Preto kombinácia človek - robot dokáže vykonávať aj obťažnejšie úlohy, ktoré by bez ich spoločnej súčinnosti nebolo možné realizovať.
Čo sa týka kooperujúceho pracoviska pri aplikáciách kde je priemyselný robot v tesnej blízkosti človeka, je dôležité zvážiť predovšetkým jeho bezpečnosť. Z toho dôvodu v máji roku 2013 Robotic Industries Association (RIA) oznámila nové robotické bezpečnostné štandardy, v ktorých sú zahrnuté nové spolupracujúce roboty pre priemysel. Táto norma bola schválená americkým národným inštitútom pod označením ANSI/RIA R15.06-2012.
Táto norma bola harmonizovaná s medzinárodným štandardom pre bezpečnosť robotov ISO 10218. Jednou z kľúčových zmien v norme je snaha o zjednotenie bezpečnostných štandardov pre oblasť kolaboratívnej robotiky [4]. V nadväznosti na túto normu je možné kategorizovať nasledujúce koncepcie pracoviska človeka s priemyselným robotom (tab.1). [7]
Tieto koncepcie stanovujú, že priemyselný robot spolupracujúci s človekom musí spĺňať aspoň jedno z týchto štyroch kritérií:
1. Monitorovanie bezpečnostnej zóny zastavenia: Priemyselný robot sa zastaví, hneď, ako človek vstúpi do oblasti interaktívneho pracovného priestoru pre spoluprácu. Keď sa operátor už nenachádza v zabezpečenej zóne, priemyselný robot pokračuje vo svojej činnosti. Najčastejšie sa vykonáva pomocou jedného alebo viacerých senzorov na detekciu neoprávnenej prítomnosti.
2. Ručné navádzanie priemyselného robota: Umožnenie pohybovať priemyselným robotom pod priamou kontrolou operátora.
3. Monitorovanie zón pre obmedzenie rýchlosti: Rýchlosť a pohyb priemyselného robota sú nastavené podľa toho, kde sa človek nachádza. Keď vstúpi do kolaboratívnej pracovnej zóny, robot zníži svoju rýchlosť. V závislosti od vzdialenosti sa priemyselný robot môže aj úplne zastaviť. Ľudskú prítomnosť je potrebné sledovať v reálnom čase, čo je väčšinou riešené 3D kamerovým systémom na snímanie prostredia.
4. Obmedzenie výkonu a sily: Ak dôjde ku kolízii s človekom, mal by priemyselný robot obmedziť svoju pôsobiacu silu kontaktu na zanedbateľnú hodnotu. Toto je možné dosiahnuť použitím integrovaných senzorov sily a krútiaceho momentu, ľahkou konštrukciou jednotlivých častí priemyselného robota a jeho pohybom nízkymi rýchlosťami.
Obr. 4 zobrazuje koncepciu kolaboratívneho pracoviska montážneho charakteru vyvíjaného na Katedre robotiky. Ako priemyselný robot bol do tejto spolupráce nasadený dvojramenný robot firmy Motoman SDA 10F (Tab. 2), ktorého úlohou je realizácia podávacích a prípravných činností, čím uľahčuje prácu operátorovi a zrýchľuje tak celkový čas montážneho cyklu. Robot sa kvôli bezpečnosti zastavuje v prípadoch, keď operátor realizuje v jeho blízkosti skrutkovanie jednotlivých častí snímača na pracovnom stole robota. Rovnako čaká na príkazy od operátora, ktoré operátor zadáva prostredníctvom ovládacieho panela.
Literatúra:
[1] Vagaš, M.: Variants for the solution of multi robotic systems. In: Robotics and Manufacturing Systems. Lublin University of Technology, 2014 pp. 39 - 46. - ISBN 978-83-7947-104-1
[2] Baláž, V. Principles of programming multirobotic systems Motoman. In: Robotics and Manufacturing Systems. Lublin University of Technology, 2014 pp. 11 - 15. - ISBN 978-83-7947-104-1
[3] Havlík, Š., Hricko, J.: The RCC mini-gripper for precise assembly. In Modern Machinery Science Journal: 20th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region. - 2011, special edition, pp. 128 - 133. ISSN 1805-0646
[4] Consiglio, S. Seliger, G., Weinert, N.: Development of hybrid assembly workplaces. In.: CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 56, Issue 1, 2007, pp. 37 – 40
[5] J. Krüger, T. K. Lien, A. verl. In.: CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 58, Issue 2, 2009, pp. 628 – 646
[6] Krüger, J., Nickolay, B., Heyer, P.: Image based 3D surveillance for flexible man-robot-cooperation. In.: CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 54, Issue 1, 2005, pp. 19 – 22
[7] http://oshwiki.eu/wiki/Collaborating_robots
[8] http://www.motoman.com/datasheets/SDA10F.pdf
TEXT/FOTO ING. MAREK VAGAŠ, PHD., a kolektív STROJNÍCKA FAKULTA, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, KATEDRA ROBOTIKY
Ďalší spoluautori: ING. VLADIMÍR BALÁŽ, PHD., ING. ŠTEFAN PÁLFI, STROJNÍCKA FAKULTA, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, KATEDRA ROBOTIKY
