Tính an toàn trong kỹ thuật robot – Tạp chí tự động hóa ngày nay | Automation today

Robot là thiết bị tự động hoá khởi nguồn cho nền văn minh công nghiệp. Năm 322 trước Công nguyên, Aristotle đã hình dung ra một công cụ thông minh “có khả năng thực hiện các công việc theo yêu cầu người sử dụng”.

Vào những năm 1960, khi robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào đây chuyền lắp ráp ôtô thì kỹ thuật và các ứng dụng của nó còn phát triển chậm và khá nguy hiểm cho người sử dụng. Robot có kích cỡ khá cồng kềnh, công suất lớn, không đáp ứng yêu cầu sản xuất của các nhà ứng dụng, và thường được sử dụng để hỗ trợ máy thuỷ lực. Năm 1980, robot được cải tiến để trở thành thiết bị điều khiển điện tử có độ chính xác cao và hiệu suất lớn hơn. Đến những thập kỷ gần đây, lịch sử ngành công nghiệp robot đã có nhiều ý tưởng khoa học kỹ thuật thực dụng hơn. Các ứng dụng robot có nhiều đột phá trong các lĩnh vực y tế, sản xuất, dân dụng và kinh doanh. Những công nghệ robot như kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật trí tuệ nhân tạo, hệ thống điều khiển và kiểm soát trong các dây chuỳền sản xuất… đã mở ra một thời đại mới trong ngành công nghiệp robot nói riêng và ngành công nghiệp hiện đại hoá nói chung. Theo các chuyên gia, sự tăng trưởng công nghệ tích hợp trong các bộ vi xử lý và những bước tiến lớn trong công nghệ điều khiển tự động hoá đã giúp robot thực hiện được những nhiệm vụ quan trọng trong công nghiệp sản xuất và đời sống xã hội. Chúng không chỉ thực hiện được những công việc tại các bệnh viện, nhà kho, phòng thí nghiệm mà còn tham gia vào những môi trường nguy hiểm, độc hại. Tuy nhiên, bên cạnh những tính năng hữu ích, robot hiện nay vẫn còn ẩn chứa nhiều nguy cơ gây nguy hiểm cho con người và những rủi ro trong quá trình sản xuất. Nếu kỹ thuật robot không có những biện pháp phòng ngừa thích hợp tại chỗ, thì robot có thể gây ra nhiều thương tích cho người lao động và thiệt hại lớn cho các doanh nghiệp khi sự cố xảy ra.
Để giải quyết vấn đề này, các bên liên quan trong ngành công nghiệp robot và tự động hoá đã họp bàn và thiết lập các tiêu chuẩn an toàn quốc tế cho việc nghiên cứu, chế tạo và tích hợp hệ thống robot thông qua Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO). Tiêu chuẩn này bao gồm: Phần I hay còn gọi là ISO 10.218-1 được xuất bản năm 2006, quy định cụ thể các yêu cầu an toàn và hướng dẫn phương pháp đảm bảo an toàn trong việc thiết lập robot và hệ thống của nó. Còn phần II hoặc ISO 10.218-2 dự kiến xuất bản năm 2011 sẽ quy định việc tích hợp và lắp đặt hệ thống robot, đồng thời cung cấp bổ xung đầy đủ các yêu cầu về độ an toàn robot.

Robot thông minh bảo vệ người sử dụng
Khi những tiêu chuẩn an toàn robot được các doanh nghiệp nghiên cứu và chế tạo robot ứng dụng, người sử dụng được hưởng nhiều lợi ích từ việc thiết lập hệ thống và tính năng an toàn robot như hệ thống cơ khí an toàn, cảm biến ngoại vi, hệ thống điều khiển… Những lợi ích này không chỉ là tăng hiệu suất sản xuất, đảm bảo an toàn cho người lao động mà còn giảm được độ lớn kích cỡ của các thiết bị tích hợp robot.
Trong những tiêu chuẩn an toàn robot được cập nhật, bốn công nghệ mới chủ yếu được các nhà sản xuất robot quan tâm nhất là: cáp truyền hệ thống, sự hợp nhất giữa robot với con người, tính đồng bộ từ robot tới robot, và hệ thống bảo vệ thị giác.
Đường cáp truyền hệ thống
Cáp truyền hệ thống là hệ thống điều khiển robot bán tự động, có khả năng truyền tín hiệu điều khiển và hỗ trợ robot thực hiện nhiệm vụ theo chương trình đã cài đặt. Theo phương pháp truyền thống, dây cáp được kết nối từ hệ điều khiển robot tới các thiết bị máy theo đường dây điện hoặc lắp đặt cùng với thiết bị khác. Vì thế, dây cáp thường bị chồng chéo và vướng vào các hệ thống, khiến người và thiết bị dễ gặp phải những rủi ro và sự  cố khi kết nối. Để khắc phục nhược điểm này và làm tăng độ an toàn cho các ứng dụng robot trên khắp thế giới, các nhà sản xuất chế tạo đã thiết lập đường truyền cáp điều khiển an toàn bằng công nghệ không dây dựa trên tiêu chuẩn an toàn ISO. Công nghệ này cho phép tín hiệu lệnh truyền tới robot được thực hiện trong mạch kín. Nhờ đó, nó loại bỏ các đường dây cáp, hạn chế nguy cơ gây sự cố, giảm chi phí lắp đặt và bảo trì, ngăn chặn robot hoạt động ngoài ý muốn.
Sự hợp nhất giữa người với robot
Trước đây, những rào cản bảo vệ có khả năng ngăn cản hoạt động robot chuyển động nhanh gây thương tích thường được sử dụng để bảo vệ người lao động tránh khỏi nguy hiểm hoặc sự cố có thể xảy ra. Điển hình như, hệ thống quản lý an toàn của robot, một hệ thống hỗ trợ robot xác định trạng thái hoặc vị trí an toàn, loại bỏ năng lượng dư và hạn chế chuyển động của robot khi nó vượt quá điều kiện cho phép. Tuy nhiên, phương pháp rào cản bảo vệ không hiệu quả và thường làm giảm hiệu suất vận hành của robot. Vì vậy, để giải quyết vấn đề này, hiện nay các nhà thiết kế và chế tạo robot đã thiết lập hệ thống an toàn với nhiều tính năng và phần mềm mới có khả năng giảm tốc độ vận hành robot tới điều kiện cho phép, điều khiển quy trình giám sát robot tới vị trí hoặc trạng thái an toàn, cho phép người vận hành và robot cùng chia sẻ không gian làm việc, đồng thời giảm thiểu nguy cơ gây thương tích cho người lao động. Hệ thống an toàn này trong công nghiệp được gọi là “cobots”. Theo đánh giá của các chuyên gia, hệ thống an toàn này chính là cuộc cách mạng trong việc hợp nhất giữa người và robot. Công nghệ core tốc độ an toàn của hệ thống cho phép robot có thể nâng, định vị mối hàn và thực hiện hàn những tấm kim loại nặng với bàn tay khéo léo như người thợ hàn chuyên nghiệp. Ngoài ra, việc tích hợp công nghệ tiên tiến cho các cảm biến môi trường còn giúp robot có thể quan sát được các “đồng nghiệp”, di chuyển đến vị trí an toàn, thực hiện chế độ chờ an toàn…khi người vận hành ra khỏi phạm vi và vận hành reset chuyển động.
Tính đồng bộ từ robot đến robot
Phần lớn các robot truyền thống thường có cấu hình rất đơn giản. Cấu hình này bao gồm: một cánh tay, một bộ điều khiển và một hệ thống cáp truyền được điều khiển bởi người vận hành. Phần lớn chúng thường thiếu linh hoạt trong việc kết hợp hoạt động với các robot khác khi thực hiện những công việc phức tạp, đòi hỏi độ tinh vi và khéo léo. Nhưng với bốn cáp truyền hệ thống được tích hợp trong robot theo công nghệ mới hiện nay, những robot này có thể hợp nhất được bộ điều khiển đơn với dây truyền, để thực hiện các hoạt động phức tạp với hiệu suất và độ chính xác cao, đồng thời giảm đáng kể thời gian thiết lập và chi phí vận hành.
Hệ thống bảo vệ thị giác cơ bản
Hệ thống giám sát thị giác tốc độ an toàn 3D mới có khả năng giữ robot và người lao động trong không gian làm việc an toàn riêng mà không phát sinh chi phí. Hệ thống này bao gồm: Ba máy quay video và một hệ thống báo động kẻ đột nhập. Ba máy quay được gắn trên đầu hệ thống vận hành thực hiện giám sát vùng nguy hiểm. Khi phát hiện đối tượng trong vùng nguy hiểm, máy quay sẽ truyền tín hiệu thu được đến hệ thống báo động kẻ đột nhập, để phát âm thanh và hình ảnh kẻ đột nhập cho người vận hành điều khiển robot trong không gian làm việc hoạt động chậm dần hoặc dừng lại. Nhờ đó, robot không chỉ giảm được nguy cơ xảy ra sự cố và thương tích cho người lao động, mà robot còn thiết lập và hoạt động lại một cách an toàn.
Tích hợp PLC cho robot
Để quản lý và nhận dữ liệu cung cấp tới người vận hành thông qua hệ giám sát hoạt động tổng thể trong hệ thống vận hành được linh hoạt, việc tích hợp công nghệ an toàn PLC trong robot là quan trọng hơn bao giờ hết. Công nghệ an toàn PLC không chỉ cho phép kết nối trực tiếp tới các robot, tăng độ an toàn và khả năng cung cấp dữ liệu chi tiết qua giao diện người và máy, thu thập dữ liệu đầu vào từ cảm biến về tình trạng robot vận hành trong không gian làm việc và hoạt động của thiết bị an toàn như e-dừng, hệ thống cáp truyền, bộ cảm biến vị trí và khoá chuyển mạch liên động… mà còn kiểm soát mạch điện robot, servo robot và các servo, động cơ vận hành hoặc thiết bị thủy lực khí nén. Vì thế, bằng cách duy trì chẩn đoán an toàn tự động PLC, người điều khiển robot có thể thu được thông tin về tình trạng của những bộ phận và mạch có khả năng xảy ra sự cố, kiểm tra độ an toàn từng bộ phận, xử lý sự cố, giảm thời gian bảo dưỡng và chi phí vận hành tổng thể, cải thiện MTTR và năng suất làm việc.
Kết luận
Robot đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc đẩy mạnh hiệu quả và tốc độ sản xuất, bảo vệ người lao động, tăng sản lượng và giảm chi phí hoạt động. Robot là cơ sở thiết lập của ngành công nghiệp chủ động, giúp đảm bảo tiêu chuẩn an toàn đáp ứng yêu cầu tốc độ ngày càng cao, tập quán sản xuất và độ chính xác kỹ thuật. Việc hợp nhất các tính năng và đổi mới công nghệ robot sẽ mang lại cho các nhà sản xuất nhiều lợi thế, đặc biệt là các tính năng an toàn tiêu chuẩn.

Lan Anh (theo rockwellautomation.com)

Số 115 (5/2010)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay