В этом году «роботы» отмечают свое столетие. Ровно век назад в пьесе «Р.У.Р» (или «Россумские Универсальные Роботы») чешского писателя Карела Чапека это слово прозвучало впервые. Впервые также был поднят вопрос о взаимодействии роботов и людей. А для культового романа Айзека Азимова «Я, Робот» эта тема стала центральной. Сегодня она уже волнует не только именитых фантастов, но и исследователей, а также производителей по всему миру.

Человеко-машинное взаимодействие или Human-Robot Interaction (HRI) – новое активно развивающееся междисциплинарное направление, включающее в себя последние разработки не только в области робототехники и программирования, но также психологии, когнитивных наук и нейробиологии. Основная задача HRI – сделать так, чтобы взаимодействие робота и человека было безопасным, а также интегрировать роботов в общество, в том числе в экономику, в промышленность.

HRI изучает любое взаимодействие между машиной и человеком, тогда как совместная работа роботов и людей над общей целью – предмет Human-Robot Collaboration (HRC). Но зачем вообще говорить о сотрудничестве роботов и людей? Зачем работать вместе, когда робот может работать вместо вас. Ведь (как поется в хорошо знакомой всем песне) прогресс дошел до таких невиданных чудес, что «вкалывать» теперь должны роботы, а не человек.

Роботы не устают, они способны выполнять задачи, для которых запрограммированы, с высоким уровнем точности и скорости, недоступным для человека. Они не подвержены физическим травмам, особенно так называемым RSI (Repetitive Strain Injuries) – травмам от повторяющихся деформаций, а также синдрому профессионального перенапряжения (Occupational overuse syndrom, OOS). Это дискомфорт, боли в мышцах и суставах, заболевания опорно-двигательного аппарата, вызванные частым повторением однообразных движений в течение продолжительного времени. Им особенно подвержены работники выполняющие погрузочно-разгрузочные работы, а также занятые на конвейере. 

В то же время люди обладают живым, гибким умом, способным адаптироваться к быстро меняющимся условиям, непредвиденным событиям. Люди способны взглянуть на ситуацию под другим углом, найти нестандартное решение. Роботы пока не могут похвастаться такими качествами. 

Основное преимущество совместной работы робота и человека заключается в возможности комбинировать плюсы автоматизации с гибкостью человека, его когнитивными навыками и т.н. «soft skills». Исследование, проведенное MIT, показало, что у смешанных команд из роботов и людей время простоя при работе сокращалось на 85% по сравнению с командами, где были только люди. Производственные процессы становятся быстрее, эффективнее и рентабельнее, когда люди и роботы работают вместе.

Второй довод в пользу HRC – требования современного рынка. Запрос на массовую кастомизацию продукции и более разнообразный ассортимент, необходимость неизменно обеспечивать высокое качество продукта, сокращение жизненного цикла товаров – все это создает новые вызовы для производителей, которые привыкли работать в менее динамичных условиях, когда цикл жизни товара значительно длиннее. 

Жизнь компаний-производителей не упрощают и «черные лебеди». Самый последний пример – пандемия COVID-19, серьезно ударившая по цепям поставок. Глобальные изменения, случившиеся в период пандемии обвалили спрос на одни типы товаров и услуг, тогда спрос на другие (например, средства индивидуальной защиты) в некоторых странах резко превысил предложение. Благодаря гибкости, которым обладает производство, где помимо людского труда применяются роботы, некоторым компаниям удалось вовремя среагировать на изменения рынка, перенастроив свои производственные линии для создания медицинских масок и других СИЗ. Несколько удачных кейсов описаны здесь.

Итак, мы с роботами удачно дополняем друг друга и вместе можем значительно больше, чем по отдельности. Конкуренция и вызовы рынка также не позволяют нам работать по старинке. Выбор в пользу автоматизации и человеко-машинного взаимодействия становится очевиден. Но для того, чтобы перейти к совместной работе между человеком и роботом, неизбежно необходимо пройти несколько фаз.

Первая – обеспечение безопасности нахождения человека в непосредственной близости от робота. В идеале необходимо исключить любую возможность столкновения движущихся частей робота с человеком, но без использования стандартных барьеров безопасности и ограждений. Если столкновение все же случится, то робот должен вовремя среагировать, максимально смягчив удар за счет останова или заблаговременного снижения скорости движения и т. п. Это возможно, если робот понимает какие объекты находятся и движутся рядом с ним. Еще один сценарий снижения опасности от столкновений – использование роботов с малым весом частей, например, из алюминиевых сплавов. Все минимальные требования безопасности для совместной работы промышленных робототехнических систем и рабочей среды перечислены в ISO/TS 15066:2016.

Решив базовую задачу обеспечения безопасности, можно двигаться дальше к фазе сосуществования. Такой подход подразумевает, что робот и оператор совместно используют общее рабочее пространство, без угрозы для здоровья оператора. Они даже могут работать над одним и тем же объектом, но без какого-либо взаимного контакта и без координации действий.

Прежде чем перейти непосредственно к фазе совместной работы, когда робот станет частью вашего трудового коллектива, необходимо решить проблему коммуникации. Нам необходимо общаться с коллегами, даже с механическими. Не менее важно иметь простую возможность обучать роботов новым действиям, ведь, как мы говорили ранее, в новых рыночных условиях перенастраивать производственные линии придется часто, особенно малым и средним предприятиям. Чтобы коммуникация с роботом не занимала много времени операторов, позволяла бы быстро перейти непосредственно к производственному процеесу, пользовательские интерфейсы должны быть интуитивными. Особенно если речь идет о вводе команд и программировании. Сегодня эту задачу решают при помощи поддержки голосового ввода команд, распознавания жестов, программирования путем демонстрации, программирования на примере или т.н. «walkthrough programming», когда
оператор медленно двигает манипулятор робота в нужных направлениях, а робот запоминает последовательность действий. В то же время, робот должен предоставлять оператору исчерпывающую обратную связь, чтобы пользователь имел полную картину текущей ситуации, для понимания и предсказания поведения системы, а также для вмешательства в случае непредвиденных событий.

После того, как мы максимально облегчим для оператора коммуникацию и взаимодействие с роботом, сделаем весь процесс безопасным, а также обучим робота различать непреднамеренные контакты с человеком и намеренные, необходимые для выполнения общей задачи, можно перейти к финальной фазе. Совместная работа предполагает, что машина и человек выполняют одну общую задачу, координируя действия и взаимодействуя напрямую.

В ISO/TS 15066:2016 описаны 4 формы совместной работы:

1. Контролируемая остановка (Safety-rated monitored stop, SMS), хотя здесь бы больше подошло слово «пауза». Если человек входит в заранее определенную зону безопасности, где работает робот, то устройство остановит свое движение, при этом питание на двигатели продолжает поступать. Как только оператор покинет зону, робот сразу же автоматически возобновит свою работу, но не раньше.
   
   
2. Ручное ведение (Hand guiding, HG), где оператор находится в непосредственном контакте с роботом, управляет им вручную, контролируя движения машины. Такой режим можно использовать для точных манипуляций с тяжелыми объектами (например, установка дверей на автомобиль). Робот при этом должен быть оснащен силомоментным датчиком, чтобы понимать какое усилие прикладывает оператор.
   
   
3. Контроль скорости и разделения (Speed and separation monitoring, SMM), где окружающая среда робота контролируется световыми барьерами безопасности, способными отслеживать положение людей, как и в случае SMS. Главное различие – робот не останавливается, а одновременно работает вместе с человеком, меняя свое поведения в зависимости от того в какой из нескольких заранее определенных зон безопасности находится человек. Чем он ближе к роботу, тем более машина будет снижать скорость своей работы вплоть до полной остановки, чтобы не допустить столкновения с человеком. По мере отдаления оператора, робот увеличивает скорость движений. Такой режим подойдет, если в зоне работы машин часто присутствует персонал.
   
   
4. Ограничение мощности и усилия (Power and force limiting, PFL), предполагает ограничение мощности двигателей робота, чтобы сделать работу с ним безопасной для человека. Данная форма работы возможная только с коллаборативными роботами (коботами), в чьи «суставы» встроены силомоментные датчики, способные определять факт столкновения с человеком. Если контакт произошел, робот останавливается, чтобы случайно не причинить вред оператору. Кроме того, особенности конструкции корпуса (округлые формы, легкие сплавы) позволяют смягчать и рассеивать силу удара.

К сожалению, не каждый робот способен стать вашим полноценным коллегой. Традиционных промышленных роботов возможно применять в рамках первых трех сценариев только после установки необходимого дополнительного оборудования, часто дорогостоящего. Вокруг них требуется возводить барьеры безопасности, их сложно перемещать из-за их веса и размеров, программирование такого типа роботов занимает немало времени и требует квалификации. Для традиционных промышленных роботов указывают определенные точки, через которые должен пройти манипулятор для выполнения задачи, малейшее изменение в ходе работы требует менять программу. Такой тип роботов не только не позволит вам воспользоваться преимуществами совместной работы роботов и людей, но также не обеспечит необходимый уровень гибкости, которого сейчас требует рынок, особенно от компаний СМБ. 

У коботов, напротив, все необходимое для безопасной совместной работы идет сразу в базовом комплекте поставки. Системы безопасности индустриальных роботов Universal Robots (UR) одобрены и сертифицированы TÜV — Союзом работников технического надзора Германии. Их возможно использовать сразу «из коробки» для любого из четырех сценариев совместной работы, описанных выше. Кроме того, коботами UR легко управлять и их легко обучать, так как большинство из них поддерживают обучение через walkthrough programming, а управление осуществляется при помощи интуитивной технологии 3D-визуализации. Таких коботов легко устанавливать и запускать в работу. Обычно оператору, выполняющему первичный запуск машины, требуется менее одного часа для распаковки, монтажа и программирования первой простой операции. Не нужно тратить несколько дней или неделю на перенастройку или передислокацию на новый участок производства. Время простоя оборудования сокращается максимально. 

Если вы хотите получить все преимущества от автоматизации и совместной работы человека и робота, а также сохранять конкурентоспособность в непростых условиях сегодняшнего дня, коботы станут для вас отличным решением.