PODSTAWY ROBOTYKI
JW 13
Bezpieczeństwo pracy na stanowiskach
zrobotyzowanych
1
1. Zagrożenie na zrobotyzowanych stanowiskach pracy
Na samym początku należałoby zastanowić się jakie są cele wprowadzania robotów do
procesów przemysłowych. W uogólnieniu można je sprowadzić do dwóch podstawowych:
Øð Usprawnienie procesów przemysÅ‚owych
Øð Możliwość zastÄ…pienia operatorów (ludzi) wszÄ™dzie tam gdzie wystÄ™puje
zagrożenie dla ich życia lub zdrowia (wysoka radiacja, zapylenie, hałas, skrajne
temperatury, trujące wyziewy, zagrożenia fizyczne(kopalnie))
Nie należy jednak zapominać, że robot sam w sobie może stanowić zagrożenie. Dlatego
zarówno projektant jak i osoba obsługująca robota powinni zachować czujność i umieć
przewidzieć nawet najbardziej pozoru niemożliwe sytuacje.
Największe zagrożenie stanowi już nie tyle sam robot, co możliwość jego zetknięcia
zabezpieczeń operatorem. Dlatego przy projektowaniu zabezpieczeń należy przyjąć co
najmniej trzy możliwości bezpośredniego kontaktu operatora z robotem:
Øð W czasie programowania (uczenia) robota
Øð Podczas pracy robota, gdy w jego zasiÄ™gu (gniez
dzie) znajdzie się człowiek
Øð Podczas naprawy i konserwacji
Ze względów bezpieczeństwa konieczne jest więc by obsługa przestrzegała pewnych
określonych zasad zachowywania się  w obecności robota. Poniżej przedstawiono
przykładowy zestaw norm postępowania dla obsługi robota:
Øð Zmniejszanie prÄ™dkoÅ›ci ruchu poszczególnych stopni swobody
Øð Uczenie robota w obecnoÅ›ci dwóch osób (bezwzglÄ™dnie!) (jedna osoba stale gotowa
do zatrzymania robota)
Øð W czasie konserwacji i napraw- odÅ‚Ä…czanie zasilania w widoczny sposób
Øð Zakaz prób jakiegokolwiek  uÅ‚atwiania pracy robota
Øð Unikanie poÅ›piechu i niedbaÅ‚oÅ›ci
Øð BezwzglÄ™dny ZAKAZ WCHODZENIA W OBSZAR PRACY ROBOTA, stanowiÄ…cy
najskuteczniejszą metodę unikania wypadków podczas pracy.
Roboty przemysłowe wyeliminowały wiele tradycyjnych przyczyn wypadków, lecz
wprowadziły nowe zagrożenia, wywołane ich szybkimi i nieprzewidywalnymi ruchami.
Operatorzy stanowiska zrobotyzowanego często stają przed nieoczekiwanymi sytuacjami i
2
mają ograniczony czas na podjęcie decyzji. Dlatego też w celu zabezpieczenia ludzi
obsługujących urządzenia współpracujące (podajniki, odbiorniki) należy dokładnie rozważyć:
Øð Rozmieszczenie urzÄ…dzeÅ„ współpracujÄ…cych
Øð InstalacjÄ™ przycisków  stop bezpieczeÅ„stwa w odpowiednich miejscach
Øð Oznakowanie stref niebezpiecznych
Øð Dobór pracowników pod wzglÄ™dem kwalifikacji
2. Przyczyny wypadków podczas pracy w systemach zrobotyzowanych
Wraz z dynamicznym rozwojem robotyzacji zasadniczo wzrosła liczba wypadków,
która następnie równie szybko zmalała gdy zaczęto zwracać szczególną uwagę na
zabezpieczenia. Z zestawienia w tablicy 1 widać, iż najczęstszym powodem powstawania
zagrożeń jest kolizja w obszarze pracy lub też błąd sterowania.
Tablica 1. Procentowy rozkład przyczyn wypadków
Przyczyna %
Niepoprawny ruch robota podczas programowania 16,6
Niewłaściwy ruch robota podczas testowania programu 16,6
Błąd działania innego obiektu systemu podczas testowania jego 16,6
programu
Błąd podczas regulacji i napraw urządzeń 16,6
Pojawienie się człowieka w strefie roboczej robota 11,2
Nieprawidłowy ruch robota podczas pracy automatycznej 5,6
BÅ‚Ä…d pracy innego obiektu systemu podczas pracy automatycznej 5,6
robota
Inne 11,2
Bardzo niebezpieczną przyczyną powstawania wypadków jest nieoczekiwany start robota,
związany najczęściej z awarią poszczególnych podzespołów robota. Z zestawienia w tablicy 2
wynika, że największy wskaz
nik procentowy powstałych wypadków- ponad 50%, to defekty
części elektronicznych, które to sterują i kontrolują ruchy poszczególnych stopni swobody.
Tablica 2. Procentowy rozkład przyczyn wypadków
3
Przyczyna wykonania nieoczekiwanego ruchu % % wypadków
Defekt części elektronicznych 52,2 23,9
Defekt części mechanicznych 8,5 5,3
Defekt urządzenia współpracującego z robotem 7,16 6,19
Złe połączenie robot- urządzenie 3,75 8,0
Zanieczyszczenie powietrza, brudny olej, 1,71 0,9
zakłócenia elektryczne
Wypuszczenie lub wyrzucenie przedmiotu 7,51 16,8
Mylna decyzja operatora 18,4 38,1
Inne 0,88 0,81
3. Ogólne zasady bezpiecznej integracji robota z systemem
Podczas tworzenia systemów zrobotyzowanych konieczne jest przestrzeganie
następujących zasad:
1. Tylko robot, oprócz operatora, może wysyłać rozkazy do współpracujących z nim
urządzeń technologicznych
2. Robot musi mieć możliwość stwierdzenia czy konkretne, obsługiwane przezeń
urządzenie wymaga obsługi i czy jest ona w danej chwili możliwa do zrealizowania
3. Konieczne jest blokowanie pracy robota w razie pojawienia się człowieka w strefie
roboczej
4. Niezbędne jest informowanie operatora o stanie systemu jako całości i umożliwienie
mu ingerencji w jego pracę (szczególnie w przypadku uruchamiania nowych
programów i w sytuacjach awaryjnych)
5. Za niezbędną należy uznać separację galwaniczną układów wejścia/wyjścia robota od
otoczenia (warunek konieczny zabezpieczenia go przez poważnymi uszkodzeniami,
które mogą być spowodowane przez wadliwie wykonane połączenia zewnętrzne)
Powyższe zasady można zrealizować bądz
sprzętowo, bądz
programowo. W każdym
jednak przypadku, zwłaszcza w przypadku programów użytkowych robota i
współpracujących z nim urządzeń, należy zawsze przewidzieć dodatkowe zabezpieczenia
sprzętowe, w celu uniknięcia skutków błędnej obsługi przez operatora, po zaistnieniu
niewłaściwych warunków pracy systemu czy też z powodu wadliwego działania
poszczególnych obiektów systemu
4
4. Metody zabezpieczania systemów zrobotyzowanych
4.1. Podział systemów ochronnych
Systemy ochronne stosowane na stanowiskach zrobotyzowanych są różne w zależności od
strefy ich oddziaływania. Możemy je podzielić na trzy poziomy:
Øð Poziom 1
Wykrywanie obecności człowieka na granicy stanowiska zrobotyzowanego. System
ma za zadanie chronić operatorów i osoby postronne wkraczające w obszar
stanowiska podczas automatycznej pracy robota.
Øð Poziom 2
Wykrywanie obecności człowieka w obszarze stanowiska zrobotyzowanego
Øð Poziom 2a
Obszar stanowiska zrobotyzowanego poza zasięgiem ruchów robota.
Øð Poziom 2b
Obszar stanowiska zrobotyzowanego w strefie ruchów robota. Ochrona
operatorów pracujących z robotem podczas pracy automatycznej w
przypadku awarii lub odłączenia systemów pierwszego poziomu ( lub
niecelowości ich stosowania)
Øð Poziom 3
Wykrywanie obecności człowieka podczas bezpośredniego kontaktu z robotem lub w
niewielkiej odległości od ramienia robota. Ochrona konserwatorów i operatorów
podczas programowania, testowania i konserwacji robotów.
Jeśli chodzi o poziom pierwszy to systemy ochronne są już powszechnie stosowane na
stanowiskach zrobotyzowanych. Pozostałe poziomy są obecnie opracowywane w Centralnym
Instytucie Ochrony Pracy. Ich wdrożenie jest bardzo istotne w celu zapewnienia
odpowiedniego bezpieczeństwa ludziom najbardziej zagrożonym na stanowiskach
zrobotyzowanych.
5
Rys. 1. Podział stanowiska zrobotyzowanego
4.2. Bezpieczeństwo sprzętowe poziomu pierwszego
Pomimo iż ten rodzaj zabezpieczeń łatwo ująć w przepisach, jak dotąd tylko kraje
posiadajÄ… odpowiednie normy regulujÄ…ce zagadnienia BHP zwiÄ…zane z systemami
zrobotyzowanymi. Podstawowe wymagania stawiane robotom można by sprowadzić do kilku
najważniejszych podpunktów:
Øð Ograniczenie prÄ™dkoÅ›ci ruchu robotów podczas ich uczenia maksymalnie do 0.3 m/s
Øð Konieczność sygnalizacji stanów awaryjnych robotów
Øð Wyposażenie stanowisk zrobotyzowanych w Å‚atwo dostÄ™pne przyciski stopu
awaryjnego
Øð Oznaczanie zasiÄ™gu pracy robotów (malowanie na podÅ‚ożu żółtymi pasami lub
odgradzanie całych systemów)
Wspominane odgradzanie nie zawsze musi być sztywną konstrukcją montowaną na stałe,
możliwe jest stosowanie blokad świetlnych czy ultradz
więkowych jako dodatków do osłony
stałej. Skuteczne jest także podzielenie nadzorowanej powierzchni na strefy i ostrzeganie o
przekroczeniu którejś z nich; może być połączone z uruchomianiem zabezpieczeń
potrzebnych dla danego poziomu:
Øð Poziom 1  sygnaÅ‚ ostrzegawczy
Øð Poziom 2  spowolnienie pracy robota
Øð Poziom 3  zatrzymanie robota
6
Jak widzimy bardzo ważne jest zatem odpowiednio szybkie wykrywanie obecności człowieka
w strefach potencjalnego zagrożenia.
4.3. Sposoby wykrywania obecności człowieka na stanowisku
zrobotyzowanym
Używane metody detekcji obecności człowieka na stanowisku zrobotyzowanym nie są
metodami nowymi. Zostały one zaadoptowane z systemów bezpieczeństwa na innych
stanowiskach przemysłowych, systemów obronnych czy też antywłamaniowych. W tablicy 3
zostały pokrótce przedstawione wybrane metody detekcyjne.
Tablica 3. Przedstawienie metod detekcyjnych
Nazwa metody Idea metody
Detekcja Wykrywanie zmian częstotliwości promieniowania mikrofalowego
promieniowania odbijającego się od człowieka z wykorzystaniem efektu Dopplera.
mikrofalowego Czujnik stanowi radar mikrofalowy pracujÄ…cy naprzemiennie jako
nadajnik i jako odbiornik
Kurtyny Wykrywanie przerwania ciągłości wiązek promieniowanie
fotoelektryczne świetlnego, najczęściej podczerwonego, wytworzonego pomiędzy
nadajnikami (dioda LED) a odbiornikami (fototranzystor). Kurtyny
może stanowić wiele stałych wiązek równoległych lub jedna wiązka,
która porusza się wokół obszaru chronionego z dużą częstotliwością.
Detekcja podczerwieni Wykorzystuje zjawisko promieniowania przez ciało ludzkie fal
pasywnej elektromagnetycznych o dł. ok. 1źm. Wokół stanowiska
zrobotyzowanego umieszcza siÄ™ pirometryczne czujniki takiego
promieniowania.
Detekcja podczerwieni Na system podczerwieni aktywnej składa się nadajnik emitujący
aktywnej promieniowanie podczerwone i odbiornik tego promieniowania
odbitego od wykrywanej przeszkody. Wzdłuż ramienia robota
rozmieszcza się pary nadajnik  odbiornik. Zależnie od mocy
nadajników i czułości odbiorników odległość wykrywania przeszkody
może być różna.
Detekcja zmian Wykorzystuje zjawisko zmian przenikalności dielektrycznej
pojemności środowiska, wywołane pojawieniem się człowieka w obszarze w
elektrycznej którym pracują czujniki. Jeden z biegunów kondensatora stanowią
7
detektory w postaci ramy osadzonej na ramieniu robota, drugim jest
korpus maszyny lub podłoże. Gdy zmienia się przenikalność
elektryczna wpływa to bezpośrednio na pojemność elektryczną układu
co można wykryć jako zmianę częstotliwości rezonansowej układu.
Od czułości i wymiarów anteny zależy zakres detekcji obecności
człowieka.
Maty naciskowe WewnÄ…trz zbudowanej z tworzywa sztucznego lub gumy maty,
umieszcza siÄ™ Å‚Ä…czniki elektryczne np. membranowe. Åšrodkowa
warstwa maty przypomina konstrukcjÄ… klawiaturÄ™ foliowÄ… lub gumÄ™
przewodzącą z układem połączeń równoległych. Fakt, że maty te
mogą występować w postaci niewielkich modułów sprawia, że
możliwe jest ułożenie ich na całej powierzchni stanowiska
zrobotyzowanego w żądanej przez nas konfiguracji.
Detekcja Wykorzystuje nadajniki i odbiorniki ultradz
więkowe o wąskokątowej
promieniowania charakterystyce promieniowania. Odbiorniki odbierają echo sygnału
ultradz
więkowego emitowanego przez nadajniki które to umieszczone są w ramieniu
robota. Odległość od przeszkody określa się na podstawie różnicy
czasu między impulsem wysłanym a odebranym.
Skanery laserowe Skanowanie płaszczyzny detekcji promieniem laserowym i pomiar
odległości od obiektów ograniczających tę płaszczyznę. Metoda ta
umożliwia zarówno stwierdzenie wejścia w strefę detekcji jak również
sprecyzowanie miejsca, gdzie naruszenie wystąpiło. Czułość
urządzenia zależy od odległości od skanera i zazwyczaj podaje się ją
dla maksymalnego zasięgu strefy detekcji. Skanery laserowa należą
do grupy najnowszej generacji bezdotykowych urządzeń ochronnych.
Systemy wizyjne Wykorzystuje kamerÄ™ CCD. Obraz zarejestrowany przez kamerÄ™ jest
sekwencyjnie przesyłany do komputera przetwarzającego. W
opracowanym obrazie sÄ… rozpoznawane kontury poruszajÄ…cego siÄ™
robota, człowieka oraz stanowiska. W przypadku pojawienia się
operatora na stanowisku układ nadzorujący ustala jego położenia oraz
możliwość kolizji po uwzględnieniu prędkości, kierunku ruchów oraz
rodzaju pracy wykonywanej przez robota. Czułość systemu zależy od
ogniskowej obiektywu kamery oraz ewentualnego ograniczenia pola
widzenia.
8
W tablicy 4 dokonano oceny przydatności metody detekcji obecności człowieka pod
względem następujących kryteriów:
(a) możliwość realizacji systemu ochronnego działającego bez modyfikacji na 2 i 3 poziomie
z wykorzystaniem jednej metody i tych samych czujników
(b) niezawodność wykrywania w odpowiedniej odległości od ramienia robota niezależnie do
rodzaju pracy i warunków środowiskowych
(c) odporność na oddziaływanie zakłóceń zewnętrznych powodowanych przez ruchy robota,
temperaturę, wilgotność, wibrację, promieniowanie elektromagnetyczne
(d) możliwość stosowania do różnego typu robotów i różnych stanowisk
(e) niskie koszty produkcji systemu ochronnego.
Tablica 4. Ocena przydatności poszczególnych metod detekcji
Kryterium
Rodzaj metody detekcyjnej
a b c d e
Mikrofale + + +
Kurtyny fotoelektryczne + +
Podczerwień pasywna + + +
Podczerwień aktywna + + + + +
Pojemność elektryczna + + +
Maty naciskowe + + +
Ultradz
więki + + + + +
Skaner laserowy + + + +
Analiza obrazów TV + + + +
Bibliografia
J. Honczarenko  Roboty przemysłowe budowa i zastosowanie WNT 2004.
9