Jak się nie bać robotów?

Zanim zaczniemy tak naprawdę zastanawiać się nad tytułowym pytaniem, przenieśmy się nieco wstecz w czasie. Pierwsza połowa XX wieku przynosi rewolucję zarówno w nauce, jak i technice. Pojawiają się kolejne odkrycia naukowe, postępuje rozwój technologii przemysłowych. Zmiany w tych ostatnich wymuszają pierwsze kroki w optymalizacji produkcji. Zaczynają się pojawiać pierwsze układy regulacji, które można nazwać protoplastami dzisiejszych systemów sterowania. Można powiedzieć, że zaczyna powstawać także automatyka przemysłowa. Ciągle jednak fundamentalnym elementem jest człowiek i to na każdym etapie procesu wytwórczego, wykonując zarówno prace związane z wykorzystaniem intelektu, jak i te bardzo proste, a nierzadko ciężkie fizycznie zadania.

Obserwacja zmagań prostego człowieka stała się jedną ze składowych, jaka skłoniła czeskiego pisarza – Karola Capka – do napisania sztuki R.U.R. (Rossumovi Univerzální Roboti). W niej to, po raz pierwszy w takim kontekście, wykorzystane zostało słowo robot, będące przekształceniem wyrazu robota, a oznaczające wykonywanie ciężkiej pracy związanej z dużym wysiłkiem. Czytając wydaną w 1920 roku sztukę, możemy być zaskoczeni faktem, że ów robot to tak naprawdę – używając dzisiejszych określeń – pewna forma androida. Były to uproszczone, ale jednak żywe istoty dedykowane do wykonywania prostych ciężkich prac. Oczywiście ich wizja była adekwatna do ówczesnych czasów, ale dała pewnego rodzaju wstęp do określenia funkcjonalności przyszłych maszynowych wersji robota.

Wizje nowego świata zaczęły się pojawiać coraz szerzej w powstającej literaturze science-fiction. Równolegle z pokojowym czy pozytywnym zastosowaniem robotów twórcy roztaczają coraz bardziej złowieszcze obrazy maszyn atakujących ludzkość. I to nie tylko pochodzących z innych układów planetarnych, ale i naszych własnych, których wewnętrzna inteligencja doprowadziła do buntu i przeciwstawienia się ich wykorzystywaniu do pracy na rzecz człowieka. Odpowiedzią na taki negatywny obraz przyszłości staje się wydana w 1942 nowela „Zabawa w berka” (Runaround) Isaaca Asimova. Po raz pierwszy sformułowane w niej zostają prawa sankcjonujące przyszłe relacje między człowiekiem a robotem:

1. Robot nie może skrzywdzić człowieka ani przez zaniechanie działania dopuścić, aby człowiek doznał krzywdy.
2. Robot musi być posłuszny rozkazom człowieka, chyba że stoją one w sprzeczności z Pierwszym Prawem.
3. Robot musi chronić samego siebie, o ile tylko nie stoi to w sprzeczności z Pierwszym lub Drugim Prawem.

W kolejnym opowiadaniu Roboty i Imperium (Robots and Empire) Asimov dodał prawo zerowe, które stało się nadrzędne wobec trzech wcześniejszych praw:

0. Robot nie może skrzywdzić ludzkości lub poprzez zaniechanie działania doprowadzić do uszczerbku dla ludzkości.

Warto w tym miejscu zwrócić uwagę, że realizacja tych zasad zakłada daleko idącą inteligencję i świadomość podejmowanych przez roboty decyzji. Wymusza zatem wyposażenie każdego z nich nie tylko w bardzo rozwinięty system sensoryczno-wykonawczy, ale i przede wszystkim układ obliczeniowy na miarę ludzkiego mózgu. Tak to widzieli pisarze, można powiedzieć naukowi fantaści, ale i wizjonerzy przyszłych zmian. Zmian, które – patrząc na literaturę – mogą przynieść także pewne ryzyko dla ludzi. Czy zatem faktycznie mamy postawy, aby bać się robotów?

Powróćmy do realnego świata XX wieku. Wizje rozwijają się znacznie szybciej niż technika i technologia. Rok 1947 przynosi pierwszą działającą konstrukcję tranzystora, a do zbudowania nawet najmniejszej kopii potrzeba ich milionów. Czy mamy szansę na realizację pomysłów? Ludzkość – mimo różnych trudności – przyspiesza w realizacji śmiałych koncepcji. To doprowadza m.in. do stworzenia w zakładach General Motors w 1958 prototypu, a w 1961 pierwszej instalacji seryjnego robota Unimate, przekładającego gorące odlewy w procesie hutniczym. Można powiedzieć, że era robotyki staje się faktem.

Przez kolejne dekady nowo powstające konstrukcje odznaczają się przede wszystkim dużymi rozmiarami oraz masą własną. Dedykowane do ciężkich i ciągłych procesów wykonują swoje zadania w sposób powtarzalny i coraz bardziej precyzyjny. Równolegle z rozwojem samej maszyny rozwija się technologia czujników. Pojawiają się pierwsze kamery, czujniki siły i obecności. Niestety ich dokładność nie pozwala na zastosowanie ich do wykrywania obecności człowieka w pobliżu pracującego robota. Pierwsze normy z zakresu bezpieczeństwa nakładają konieczność instalacji specjalnych klatek i osłon, po których otwarciu musi nastąpić bezwarunkowe zatrzymanie wszelkich ruchów maszyny. Warto zwrócić tu uwagę, iż takie rozwiązania mają za zadanie chronić człowieka niejako przed nim samym. Fizycznie separujemy go od pracującego urządzenia, uniemożliwiając mu wejście w jego obszar roboczy. Praktyka tych instalacji pokazuje, że pomysłowość operatorów nie zna granic. Znane są przypadki znoszenia blokad, by ułatwić sobie do nich dostęp. Niestety niektóre z nich kończyły się tragicznie. Czy więc jest to kolejny dowód na to, że roboty stanowią dla człowieka zagrożenie?

Wspomniane konstrukcje spełniające oczywiście swoje zadania przy bardzo uciążliwych i ciężkich pracach były i są dalekie od ideału.  Konieczność zabezpieczeń generuje bardzo wysokie koszty instalacyjne. Każda zmiana zastosowania takiego robota wiąże się z kolejnymi wysokimi nakładami, co czyni elastyczność takiego systemu praktycznie zerową. Dlatego też systemy realizowane w takiej technologii stały się domeną bardzo dużych zakładów dysponujących zasobami finansowymi i możliwościami wykorzystania robota w jednym, dedykowanym i powtarzalnym celu.

Wykładniczy wręcz rozwój elektroniki w ostatniej dekadzie XX i na początku bieżącego wieku otworzył szereg fantastycznych możliwości także w zakresie szeroko pojętych robotów. Przecież wsparcie pracy człowieka to nie tylko fabryka, ale i wiele zadań dnia codziennego. Połączenie potrzeb i nowych technologii zaowocowało powstaniem tworu nazwanego robotem kolaboratywnym. Pojęcie to określa robota, którego właściwości dynamiczne, konstrukcja układu sterowania oraz wbudowany system bezpieczeństwa pozwalają na bezpieczną współpracę z człowiekiem bez stosowania dodatkowych środków ochrony.

Jedne z pierwszych realizacji dotyczyły urządzeń wspomagających codzienną pracę człowieka. Patrząc na ofertę wielu sklepów AGD, można zauważyć wszechobecne roboty sprzątające. Mimo że odbiegają od przemysłowego wzorca, są jednak autonomicznymi urządzeniami wykonującymi zadania odkurzania i zbierania leżących śmieci. Choć z pozoru są to dość proste zajęcia, to algorytm definiujący trajektorię jest bardzo zaawansowany i można powiedzieć, że stanowi pewną formę sztucznej inteligencji. Autor miał okazję zweryfikować adaptację takiego robota do różnych pomieszczeń i przeszkód z bardzo pozytywnym skutkiem. Czy miało miejsce jakieś zagrożenie podczas pracy? Żadnego, przecież nie miał on zamontowanych narzędzi, pracował na niskim napięciu, miał okrągły kształt, a jego czujniki sygnalizowały przeszkodę. Czy więc da się przenieść taką koncepcję do przemysłu? Czy jest możliwa taka konstrukcja do wykorzystania w fabryce?

Połowa pierwszej dekady XXI wieku przyniosła pierwsze rozwiązania robotów kolaboratywnych dla przemysłu. Podstawowymi założeniami ich konstrukcji były:

• zaokrąglone kształty obudowy oraz bezpieczne odległości między członami,
• wbudowany system bezpieczeństwa oparty o kontrolę nacisku,
• programowe funkcje bezpieczeństwa,
• łatwa obsługa,
• proste i intuicyjne programowanie.

W oparciu o taką definicję zaczęły powstawać pierwsze koboty (colaborative robots) i pojawiły się ich pierwsze zastosowania, a wraz z nimi także pytanie – czy tak skonstruowany robot daje pełnię bezpieczeństwa? W każdym przypadku – czy to robota klasycznego, czy kobota – należy zachować środki ostrożności. To, co je odróżnia, to zdolność tego drugiego do reakcji na czynniki zewnętrzne i błędy aplikacyjne. W przypadku typowego robota błędy w instalacji czy dopuszczenie człowieka w obszar roboczy mogą skutkować poważnymi uszkodzeniami ciała. W przypadku kobotów spełniających wymagania normy ISO/TS 15066 podczas kolizji czujniki siły wykryją zwiększoną siłę oporu (w zależności od miejsca od 50 do 100 N) i powodują jego natychmiastowe zatrzymanie. Czy jednak to wystarczy, by powiedzieć, że jest bezpiecznie? To tylko jeden z elementów całej układanki nazywanej aplikacją. Integrator musi dopilnować, by użyte narzędzie było odpowiednio ukształtowane oraz by było wyposażone w system oceny siły. Jednym z elementów całego projektu jest ocena ryzyka. Jest to proces, który zaczyna się na etapie projektowania i kończy w momencie uruchomienia gotowego urządzenia. Wynikiem takiej oceny jest specyfikacja potencjalnych zagrożeń, które mogą wynikać z niewłaściwej eksploatacji całej aplikacji. Zastosowanie wbudowanych systemów bezpieczeństwa sprawia, że zagrożenia związane z pracą kobotów stanowią jedynie niewielką część tych zagrożeń, które mogą stwarzać tradycyjne roboty.

Jakie jeszcze korzyści możemy osiągnąć, stosując tę technologię? Poprzez swoje właściwości koboty stają się idealną odpowiedzią na wymagania małych i średnich przedsiębiorstw. Są lekkie i dynamiczne w swoich operacjach. Pozwala to na zastosowanie ich w adaptacyjnej, elastycznej produkcji. Warto zauważyć, że podstawą współczesnego Przemysłu 4.0 jest dopasowanie oferty do indywidualnych potrzeb odbiorców. Dzięki łatwości programowania przy jednoczesnej eliminacji barier wynikających z bezpieczeństwa koboty mogą być przenoszone pomiędzy stanowiskami, na których wymagane jest wparcie człowieka. Jest to olbrzymia wartość dodana, otwierająca niemal nieograniczone możliwości aplikacyjne, podnoszące wydajność i jakość przy jednoczesnym spadku kosztów. Można tutaj postawić pytanie: jak się ma efektywność, czytaj szybkość, do bezpieczeństwa? Jeśli do spełnienia oczekiwań biznesowych wymagana jest prędkość większa niż wynikająca z deklaracji bezpieczeństwa, to zawsze można wyposażyć kobota i jego otoczenie w odpowiednie skanery czy czujniki obecności. Pozwolą one – po wykryciu pojawienia się człowieka w przestrzeni roboczej – na zwolnienie ruchów kobota do takiego stopnia, by były one bezpieczne. Po ustaniu przeszkody całość wróci do poprzedniej, zadanej dynamiki. Wspomniana wcześniej ocena ryzyka może być podstawą do określenia, jakie wartości mają przyjąć parametry ruchowe w normalnej i bezpiecznej sytuacji. Dzięki temu zyskamy efektywne wsparcie dla operatora, bez zmniejszania poziomu bezpieczeństwa.

Mówiąc o kobotach, nie można pominąć obecności operatora w procesie. Tradycyjne zastosowania robotów tworzyły – poprzez swoją konstrukcję – olbrzymią barierę między maszyną a człowiekiem. Zniesienie ograniczeń w postaci klatek pozwoliło na jej eliminację i otworzyło drogę do pewnego rodzaju symbiozy. Oczywiście ciągle dalecy jesteśmy od futurystycznych wizji twórców SF, ale przeprowadzone badania pokazały, że taka forma kobota zyskała pozytywne przyjęcie wśród użytkowników. Na jednym z uniwersytetów w USA testowano trzy zakłady przemysłowe (dwa małe, jeden duży) wykorzystujące kilkanaście kobotów. Badano opinie zarówno operatorów, jak i służb utrzymania ruchu i kadry zarządzającej. Operatorzy relatywnie szybko przekonali się, że nowe urządzenia nie stanowią dla nich konkurencji, a wręcz przeciwnie – pozwalają osiągać lepsze efekty w pracy. Co więcej zaczęły się pojawiać relacje podobne do relacji z kolegą z pracy. Koboty zyskiwały imiona, były partnerem do rozmów (raczej jednostronnych, ale zawsze rozmów) oraz były obiektem troski w sytuacjach awaryjnych. Można powiedzieć, że wkomponowały się w załogę zakładu.

Dla służb utrzymania ruchu pojawienie się kobotów było większym wyzwaniem. Trzeba było opanować nie tylko obsługę bieżącą, ale również przezbrojenia w przypadkach modyfikacji profilu produkcji. Z początku wydawało się, że może to stanowić problem i przeszkodę, ale dla zdecydowanej większości techników i inżynierów poznanie kobotów stało się bardzo interesującym aspektem we własnym rozwoju. Dzięki temu po dość krótkim przeszkoleniu służby te potrafiły nie tylko zapanować nad zmianami, ale i wyposażać swoje koboty w mechanizmy podpowiadające operatorom, co robić, jeśli wystąpi awaria.

Pozytywne przyjęcie przez zespoły produkcyjne dały impuls dla osób zarządzających do zwiększenia inwestycji w taką formę automatyzacji produkcji. Dla nich elastyczność i efektywność w połączeniu z łatwością obsługi i konfiguracji była olbrzymią zaletą. Znajduje to wymiar w rosnącym udziale instalacji kobotów. O ile jeszcze w 2015 roku stanowiły one około 20% wszystkich systemów robotów, o tyle w 2025 roku ich szacowany udział zwiększy się do prawie 70%. Znaczący wpływ mają tutaj również ceny instalacji. Ich zmiana powoduje, że w ciągu ostatnich 8 lat zwrot z inwestycji spadł z 5-7 lat do nieco ponad 1 roku.

Pamiętać należy, że sam kobot, nawet wyposażony w odpowiednie narzędzie czy chwytak, nie wystarczy do osiągnięcia właściwego efektu. Jednym z typowych błędów jest założenie, że można go postawić w miejscu, w którym pracował człowiek i w zasadzie sprawa jest załatwiona.  Tu jednak po raz kolejny musimy odwołać się do futurystycznych koncepcji twórców SF. Adaptacyjność i zdolności analityczne dzisiejszych kobotów – mimo rozwoju technologii – są jednak ograniczone. Oznacza to, że musimy je wyposażyć nie tylko w szereg układów sensorycznych (jak kamery czy czujniki obecności), ale także przygotować odpowiednie miejsce do działania.

Dopasowanie linii technologicznej do wykorzystania kobotów stanowi czasem nie lada wyzwanie. Można by w zasadzie uznać, że jest to główne zadanie dla integratora. Oczywiście, dzięki samej konstrukcji kobota, jest to do zrealizowania (czego bardzo często nie dało się wykonać przy użyciu klasycznych robotów), ale wymaga przemyślanych ruchów. Miejsce pobierania produktu, prędkość i jego orientacja są bardzo istotne, by prawidłowo przejąć element przez kobota. Podobnie w drugą stronę, po wykonaniu zadania należy przygotować odpowiednie miejsce do odłożenia detalu.

Warto przyjrzeć się pod tym kątem zastosowaniom kobotów w przekroju różnych branż przemysłu. Pierwszą, która doceniła wszystkie zalety kobota, była grupa zakładów produkujących części do samochodów. W bardzo wielu wypadkach operator np. zgrzewarki dostawał preprodukty ułożone w stojaku, po czym odkładał je na podobne miejsce. Idealne zadanie do zastosowania kobota. Zmiana rodzaju zgrzewu czy układu punktów to szybkie przeprogramowanie i można dalej kontynuować pracę. Dzisiaj około 50% instalacji znajduje zastosowanie właśnie w tym segmencie. Podobnie wygląda sytuacja w zakładach wytwarzających sprzęt elektroniczny. Większość produkcji jest układana bądź w kuwetach, bądź w tackach czy specjalnych pudełkach. To ułatwia orientację i organizowanie pracy.

Można powiedzieć, że uniwersalnym zastosowaniem jest proces pakowania i paletyzacji. Tu sam produkt nie ma znaczenia, a proces jest bardzo podobny w każdej branży. Istotne w przypadku pakowania jest zwrócenie uwagi na dobór chwytaka i ułożenie produktów przed kobotem. Może się okazać, że pakowanie po 2 lub 3 produkty jest optymalne czasowo. Układanie na palecie wymaga także pewnych modyfikacji stanowiska, zarówno w zakresie samej palety, jak i np. organizacji magazynu buforowego wykorzystywanego przy zmianie palet.

Możemy mnożyć kolejne przykłady zastosowań, a z każdym miesiącem przybywa coraz to ciekawszych rozwiązań takich jak koboty inspekcyjne w przemyśle lotniczym czy dozujące w zakładach chemicznych.

Na zakończenie warto wrócić jeszcze raz do społecznego aspektu stosowania kobotów. Wcześniej wspomniałem o bardzo pozytywnym przyjęciu nowych „kolegów” zarówno przez operatorów, jak i służby utrzymania ruchu. Czy zatem pytanie o zagrożenie zmniejszania miejsc pracy jest zasadne? Okazuje się, że w obecnym czasie już nie. Koboty zastępują człowieka w prostych monotonnych pracach, niewymagających kwalifikacji. Poziom wykształcenia społeczeństwa rośnie i to nie tylko w krajach rozwiniętych, ale i rozwijających się. Stosowanie nowych technologii w życiu codziennym powoduje, że chcemy się edukować i m.in. dzięki temu pracodawcy zyskują coraz szersze możliwości rozwoju zakładów. Analizując strukturę zapotrzebowania na pracowników, można od kilku lat zauważyć rosnącą liczbę wolnych etatów na takie właśnie miejsca. Jednak ten trend się powoli zmienia, właśnie dzięki postępującej automatyzacji i kobotyzacji przemysłu. Wkrótce (szacunki mówią o latach 2025-2030) takie stanowiska powinny zostać w znaczący sposób zredukowane.

Zatem jak się nie bać robotów? Myślę, że po niniejszej lekturze odpowiedź będzie prosta. Dzisiejsza technologia odpowiednio i przemyślanie zastosowana z pewnością zaowocuje nie tylko sukcesem ekonomicznym, ale i społecznym.

Artykuł ukazał się na łamach czasopisma Szef Utrzymania Ruchu, numer 5/2018.

AUTOR: RAFAŁ TUTAJ

Inżynier, trener, manager projektów. Z automatyką przemysłową związany od prawie 30 lat. Współzałożyciel Elmark Automatyka. Obecnie aktywny także w projekcie sterowniki.pl.