PODSTAWY ROBOTYKI

PR W 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:

 Usprawnienie procesów przemysłowych

 Możliwość zastąpienia operatorów (ludzi) wszędzie tam gdzie występuje

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:

 W czasie programowania (uczenia) robota

 Podczas pracy robota, gdy w jego zasięgu (gnieździe) znajdzie się człowiek

 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:

 Zmniejszanie prędkości ruchu poszczególnych stopni swobody

 Uczenie robota w obecności dwóch osób (bezwzględnie!) (jedna osoba stale gotowa

do zatrzymania robota)

 W czasie konserwacji i napraw- odłączanie zasilania w widoczny sposób

 Zakaz prób jakiegokolwiek „ułatwiania” pracy robota

 Unikanie pośpiechu i niedbałości

 Bezwzględny ZAKAZ WCHODZENIA W OBSZAR PRACY ROBOTA, stanowiący

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:

 Rozmieszczenie urządzeń współpracujących

 Instalację przycisków „stop bezpieczeństwa” w odpowiednich miejscach

 Oznakowanie stref niebezpiecznych

 Dobór pracowników pod względem 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

programu

16,6

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

Błąd pracy innego obiektu systemu podczas pracy automatycznej

robota

5,6

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 wskaźnik 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,

zakłócenia elektryczne

1,71

0,9

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 bądź sprzętowo, bądź 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:

 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.

 Poziom 2

Wykrywanie obecności człowieka w obszarze stanowiska zrobotyzowanego



Poziom 2a

Obszar stanowiska zrobotyzowanego poza zasięgiem ruchów robota.



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)

 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

posiadają odpowiednie normy regulujące zagadnienia BHP związane z systemami

zrobotyzowanymi. Podstawowe wymagania stawiane robotom można by sprowadzić do kilku

najważniejszych podpunktów:

 Ograniczenie prędkości ruchu robotów podczas ich uczenia maksymalnie do 0.3 m/s

 Konieczność sygnalizacji stanów awaryjnych robotów

 Wyposażenie stanowisk zrobotyzowanych w łatwo dostępne przyciski stopu

awaryjnego

 Oznaczanie zasięgu pracy robotów (malowanie na podłożu żółtymi pasami lub

odgradzanie całych systemów)

Wspominane odgradzanie nie zawsze musi być sztywną konstrukcją montowaną na stałe,

możliwe jest stosowanie blokad świetlnych czy ultradźwiękowych 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:

 Poziom 1 – sygnał ostrzegawczy

 Poziom 2 – spowolnienie pracy robota

 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

promieniowania

mikrofalowego

Wykrywanie zmian częstotliwości promieniowania mikrofalowego

odbijającego się od człowieka z wykorzystaniem efektu Dopplera.

Czujnik stanowi radar mikrofalowy pracujący naprzemiennie jako

nadajnik i jako odbiornik

Kurtyny

fotoelektryczne

Wykrywanie przerwania ciągłości wiązek promieniowanie

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

pasywnej

Wykorzystuje zjawisko promieniowania przez ciało ludzkie fal

elektromagnetycznych o dł. ok. 1μm. Wokół stanowiska

zrobotyzowanego umieszcza się pirometryczne czujniki takiego

promieniowania.

Detekcja podczerwieni

aktywnej

Na system podczerwieni aktywnej składa się nadajnik emitujący

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

pojemności

elektrycznej

Wykorzystuje zjawisko zmian przenikalności dielektrycznej

środowiska, wywołane pojawieniem się człowieka w obszarze w

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

Wewnątrz zbudowanej z tworzywa sztucznego lub gumy maty,

umieszcza się łączniki elektryczne np. membranowe. Środkowa

warstwa maty przypomina konstrukcją klawiaturę foliową lub gumę

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

promieniowania

ultradźwiękowego

Wykorzystuje nadajniki i odbiorniki ultradźwiękowe o wąskokątowej

charakterystyce promieniowania. Odbiorniki odbierają echo sygnału

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 kamerę CCD. Obraz zarejestrowany przez kamerę jest

sekwencyjnie przesyłany do komputera przetwarzającego. W

opracowanym obrazie są rozpoznawane kontury poruszającego się

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

Rodzaj metody detekcyjnej

Kryterium

a

b

c

d

e

Mikrofale

+

+

+

Kurtyny fotoelektryczne

+

+

Podczerwień pasywna

+

+

+

Podczerwień aktywna

+

+

+

+

+

Pojemność elektryczna

+

+

+

Maty naciskowe

+

+

+

Ultradźwięki

+

+

+

+

+

Skaner laserowy

+

+

+

+

Analiza obrazów TV

+

+

+

+

Bibliografia

J. Honczarenko „Roboty przemysłowe budowa i zastosowanie” WNT 2004.

9