Użytkownik oczekuje, że w przeciwieństwie do tradycyjnych robotów przemysłowych współpracujące systemy robotyczne będą wyposażone w dodatkowe funkcje ułatwiające ich obsługę oraz zagwarantują stopień bezpieczeństwa pozwalający na ich bezpośrednią integrację z instalacjami posiadającymi certyfikat CE. Niekiedy jednak oczekiwanie to przeradza się w żądanie, aby po usunięciu wyposażenia ochronnego produktywność wszystkich zautomatyzowanych procesów produkcyjnych pozostała niezmienna przy jednoczesnej możliwości bezpiecznego obcowania człowieka z robotem.

Założenie to stoi jednak w sprzeczności z główną funkcją robotów współpracujących, tj. kooperacją jako podstawowym warunkiem realizacji danego procesu. Ta zaś wymaga od projektantów systemów robotycznych znacznych kompromisów w zakresie prędkości, siły i zakresu ruchów robota.

Opłacalność współpracy człowiek-robot

Wskazane czynniki znacząco wpływają na koszty i opłacalność danej aplikacji, co w efekcie prowadzi do odkładania inwestycji w stanowiska wyposażone w tzw. coboty na rzecz inicjatyw zmierzających ku pełnej automatyzacji procesu produkcyjnego. Na przykład stosowanie aplikacji robotycznych nie wymaga nakładów na wdrożenie zautomatyzowanej logistyki części, jednak oszczędności te są kompensowane przez koszty zakupu niezbędnych w takim przypadku czujników bezpieczeństwa. Ponadto ze względu na dalsze zaangażowanie pracowników w procesy wytwarzania z udziałem cobota część bieżących kosztów produkcji zostaje utrzymana na stałym poziomie.

Współpraca człowieka z robotem staje się opłacalna wówczas, gdy wartością dodaną takiej aplikacji jest np. mniejsze zużycie powierzchni roboczej, przekładające się na możliwość równoległej organizacji procesów produkcyjnych. Właśnie to dążenie do opłacalności stanowi jednocześnie największą barierę w upowszechnieniu systemów współpracujących. Nie uwzględnia bowiem takich czynników jak np. większa ergonomia pracy. Wymóg, aby roboty współpracujące osiągały czasy cykli zbliżone do tych uzyskiwanych w warunkach pełnej automatyzacji, a dodatkowo zwiększały wartość dodaną generowaną przez człowieka, nie został bowiem dotąd spełniony – mimo stałego postępu w zakresie projektowania coraz bardziej efektywnych i niezawodnych systemów współpracujących. Właściwy podział zadań, zgodnie z kompetencjami człowieka i robota, powinien zatem wynikać raczej ze specyfiki danej aplikacji, a same koszty należy analizować systematycznie w zestawieniu z produkcją ręczną i w pełni zautomatyzowaną.

Koncepcja bezpieczeństwa systemów współpracujących i wdrożone komponenty systemu mają istotny wpływ na konstrukcję i produktywność realizowanej aplikacji robotycznej. Wpływ ten wyraża się na ogół za pomocą kilku zmiennych: odpowiednio dobranej prędkości pracy, która może się przyczynić do ograniczenia czasów cykli, zapotrzebowania na powierzchnię roboczą (mniejszego – dzięki rezygnacji ze środków bezpieczeństwa i uwzględniania drogi zatrzymania robota), a także rozkładu sił procesowych i konstrukcji urządzeń peryferyjnych mającej istotny wpływ na budowę, a niekiedy także sposób tworzenia obudowy oraz usuwania z przestrzeni roboczej sąsiadujących ze sobą elementów struktury i produkowanych detali.

Aby zrealizować aplikację spełniającą określone wymogi względem produktywności, konieczne jest uwzględnienie różnych rodzajów współpracy człowieka z robotem. Ta zaś powinna stanowić podstawę wyboru konkretnych komponentów, które następnie są oceniane pod względem ich wpływu na opłacalność danej aplikacji. Obstawanie przy konkretnym rodzaju kooperacji często zamyka drogę do ekonomicznego wdrożenia aplikacji. W niektórych przypadkach może zaś prowadzić do konkluzji, że konwencjonalna, otoczona barierami bezpieczeństwa aplikacja robotyczna wciąż jest najbardziej opłacalna.

Typy aplikacji

Wzajemne zależności między trybem pracy/rodzajem robota a ww. czynnikami można łatwo prześledzić na przykładzie trzech typowych zastosowań tego rodzaju maszyn zgodnych z ISO 10218 oraz ISO/TS 15066, a określanych tu umownie jako „ograniczenie mocy i siły” (ang. Power and Force Limiting – PFL), „monitoring bezpiecznej prędkości” (ang. Safe Speed Monitor – SSM) oraz „pełna automatyzacja” (ang. noncolaborative Human-Robot-Collaboration – nHRC).

Pierwszy z trybów pracy stworzono z myślą o stałej współpracy człowieka z maszyną. Równoległa praca człowieka i cobota na stanowisku roboczym wymaga ograniczenia szybkości ruchów robota w celu redukcji siły uderzenia w sytuacji kolizji. Ruchy te są kontrolowane za pośrednictwem określonych funkcji systemu sterowania robota, np. funkcji ograniczenia prędkości i/lub siły, uruchomionych stale na bezpiecznym poziomie bez konieczności dodatkowej obserwacji przestrzeni roboczej.

Z kolei aplikacja typu „monitoring bezpiecznej prędkości”, wdrażana w przypadku regularnej, ale nie stałej współpracy człowieka z robotem, zapewnia możliwość pełnego wykorzystania produktywności robota w momencie nieobecności pracownika w przestrzeni roboczej. Jej podstawą są niezawodne systemy detekcji umożliwiające wykrywanie obecności operatora i odległości od niego z uwzględnieniem czasu rozpoznania i wybiegu. Ruchy robota są zaprogramowane w sposób zapewniający wykluczenie możliwości kontaktu z człowiekiem w trakcie wykonywania ruchu. Inaczej jest w przypadku trybu niewspółpracującego, w którym dostęp do komórki robotycznej w czasie pracy robota następuje jedynie przez wyłączniki drzwiowe, co całkowicie wyklucza możliwość kolizji.

Aby ocenić aspekt ekonomiczny każdego z przedstawionych trybów pracy robota, konieczne jest porównanie zakresu współpracy z efektywnością produkcji przy użyciu dwóch bezpośrednio mierzalnych zmiennych: częstotliwości cyklu i strat czasu w efekcie ingerencji operatora. Poczynione na tej podstawie wyliczenia pokazują, że im wyższy jest stopień współpracy, tym niższe są częstotliwości cyklu systemu (patrz wykres na następnej stronie, górna lewa ćwiartka), a tym samym jego produktywność, gdyż przepływ detali jest silnie uzależniony od prędkości ruchów robota. Ta zaś w przypadku stałej lub regularnej współpracy musi zostać ograniczona do bezpiecznych wartości (patrz wykres, górna prawa ćwiartka).

Korzyści wynikające z możliwości współpracy systemu robotycznego z człowiekiem ujawniają się tam, gdzie ingerencja operatora w proces produkcyjny została uwzględniona wcześniej – na etapie projektowania cyklu produkcyjnego. Przykładowo, w przypadku powtarzalnych, w pełni zautomatyzowanych procesów niezbędne jest wdrożenie zdalnych systemów dostarczania materiału oraz czasochłonnych procedur włączania i wyłączania maszyn. W przeciwieństwie do tego typu systemów tryb współpracujący cechuje się aktywną kooperacją operatora i robota, umożliwiającą redukcję strat czasu związanych z ingerencją operatora dzięki umiejętnej koordynacji poszczególnych kroków. Po ingerencji proces produkcyjny może zostać automatycznie wznowiony. Można przy tym zaobserwować prawidłowość, zgodnie z którą im wyższy jest stopień współpracy, tym mniejsze są straty czasu związane z interwencjami operatora w proces (patrz wykres, dolna lewa ćwiartka). Wdrożenie systemu współpracującego przynosi ponadto wymierne korzyści – w porównaniu z klasyczną automatyzacją procesów – w zakresie kosztów inwestycyjnych, zapotrzebowania na miejsce i elastyczności w przypadku zmian profilu produkcji.

Nie sposób przy tym przedstawić generalną, uniwersalną kalkulację kosztów wdrożenia i funkcjonowania któregokolwiek z trybów współpracy (patrz wykres, dolna prawa ćwiartka). Aby tego dokonać, konieczna jest znajomość niezbędnych komponentów systemu: zdolności kooperacyjnych systemu robotycznego, wdrożonych układów detekcji wraz z ich parametrami i wpływem na koszty inwestycji oraz zapotrzebowania na miejsce. Nie bez znaczenia jest również stopień elastyczności systemu w przypadku zmiany typu lub profilu produkcji, przy czym zaletą stanowisk roboczych wyposażonych w roboty współpracujące jest mniejsza liczba zaimplementowanych na stałe instalacji.

Matryca komponentów systemów współpracujących

W Instytucie Wytwarzania i Automatyzacji im. Fraunhofera w Dreźnie wykorzystuje się matrycę komponentów systemów robotycznych pozwalającą na uszeregowanie dostępnych na rynku robotów pod względem ich możliwości adaptacji do wymogów bezpieczeństwa. Głównymi kryteriami tego typu oceny są: bezpieczne ograniczenie siły, bezpieczna prędkość oraz bezpieczne zakres pracy i czasy zatrzymania robota. W połączeniu z wymaganiami względem udźwigu i zasięgu ramion te cztery kryteria pozwalają na dokonanie klasyfikacji dostępnych robotów i ich liczby niezbędnej do efektywnej pracy zakładu produkcyjnego. W zależności od wybranego typu współpracy należy do tego doliczyć także koszty zakupu czujników bezpieczeństwa kontrolujących przestrzeń roboczą.

W przypadku wdrożenia systemu wyposażonego w robota o ograniczonej sile wymagania względem dostępnej przestrzeni są zwykle mniejsze niż w przypadku pełnej automatyzacji produkcji. Oprócz miejsca niezbędnego do instalacji wszystkich elementów systemu należy poza tym uwzględnić również konieczny dystans między poruszającym się ramieniem robota a innymi elementami instalacji, np. o ostrych krawędziach lub gorącej powierzchni. Okazuje się przy tym, że dodatkowa, łatwo modyfikowalna konfiguracja bezpiecznego zakresu pracy robota przynosi tę korzyść, że umożliwia wykluczenie krytycznych punktów kontaktowych znajdujących się poza obszarem ruchów robota. Jej wpływ na zapotrzebowanie na miejsce jest jednak silnie związany z czasami zatrzymania systemu, dlatego przy długich czasach wymagane jest uwzględnienie zależnych od prędkości czasów wybiegu.

W przypadku trybu pracy SSM oprócz uwzględnienia czasów zatrzymania konieczne jest również wdrożenie systemów detekcji umożliwiających łatwą zmianę trybu pracy cobota w przypadku ingerencji operatora. Te zaś cechują się dwoma istotnymi parametrami: czułością oraz czasem wyzwolenia, co przekłada się na niezbędne koszty inwestycji.

Decyzja, czy w danej aplikacji wdrożyć rozwiązania pełnej automatyzacji, czy może tryb współpracy PFL lub SSM, jest zwykle wypadkową relacji zapotrzebowania na wysoką prędkość ruchów do liczby niezbędnych ingerencji operatora. W przypadku typowej aplikacji typu pick-and-place o wysokich prędkościach ruchów najbardziej opłacalne okaże się wdrożenie klasycznych rozwiązań z zakresu pełnej automatyzacji procesów, które w przeciwieństwie do pozostałych trybów pracy nie wymagają ograniczenia siły i prędkości pracy robota ani instalacji systemów detekcji.

Odmiennie wygląda natomiast sytuacja w przypadku procesów montażu, w których człowiek przejmuje na siebie część zadań procesowych, aktywnie wspomagany przez cobota. W takich aplikacjach konieczna jest regulacja prędkości pracy robota, a uzyskana w ten sposób redukcja jego mocy umożliwia rezygnację z przestojów systemu mających niekorzystny wpływ na całkowite czasy cyklu. Z kolei monitoring bezpiecznej prędkości świetnie sprawdzi się w zrobotyzowanej obsłudze maszyn (dostarczania i odbioru detali), w przypadku której operator regularnie wchodzi w przestrzeń pracy robota. W chwili znalezienia się człowieka na kursie kolizyjnym prędkość pracy robota zostaje ograniczona – ale jedynie do momentu opuszczenia przez niego przestrzeni roboczej. Takie zastosowanie w pełni uzasadnia dodatkowe koszty zakupu systemów detekcji, gdyż w dłuższym przedziale czasu jego wdrożenie okazuje się dużo bardziej opłacalne niż zautomatyzowany transport materiału bez udziału cobota.