Xây Dựng Môi Trường Làm Việc An Toàn Cho Cobots: Tối Ưu Hóa Tương Tác Giữa Con Người Và Robot Hợp Tác

Sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi của robot hợp tác (cobots) trong sản xuất công nghiệp đã mở ra một kỷ nguyên mới của tự động hóa, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả sản xuất chưa từng có. Không giống như robot công nghiệp truyền thống vốn được cô lập hoàn toàn bằng hàng rào an toàn vật lý, cobots được thiết kế để làm việc trực tiếp cùng con người trong một không gian chung, tạo điều kiện cho sự hợp tác liền mạch và tối ưu hóa các quy trình sản xuất.

Tuy nhiên, chính sự tương tác trực tiếp này cũng đặt ra những thách thức đáng kể về an toàn, đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện và chuyên biệt để xây dựng môi trường làm việc an toàn cho cobots.

Bài viết này sẽ đi sâu vào định nghĩa và sự khác biệt của cobots trong bối cảnh an toàn, phân tích các tiêu chuẩn an toàn quan trọng nhất dành riêng cho chúng, khám phá các phương pháp hợp tác an toàn tiên tiến, và cung cấp hướng dẫn chi tiết về cách thiết kế, vận hành, bảo trì và đào tạo để đảm bảo một môi trường làm việc thông minh, hiệu quả và an toàn tuyệt đối với cobots.

1. Cobots Và Sự Khác Biệt Trong An Toàn

Cobots (Robot hợp tác/cộng tác) đại diện cho một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, với triết lý thiết kế tập trung vào việc làm việc trực tiếp, liền mạch cùng con người trong một không gian chung. Sự khác biệt cơ bản này so với robot công nghiệp truyền thống chính là yếu tố then chốt định hình các yêu cầu về an toàn của chúng.

1.1. Cobots (Robot hợp tác/cộng tác) là gì?

Cobots, viết tắt của “collaborative robots”, là các robot được thiết kế đặc biệt để làm việc song song với con người trong một không gian làm việc chung, mà không cần đến hàng rào an toàn vật lý cố định. Đặc điểm nổi bật của chúng là khả năng cảm nhận môi trường xung quanh, giới hạn lực và tốc độ chuyển động, cùng với các tính năng an toàn tích hợp cho phép tương tác trực tiếp và an toàn với con người. Triết lý thiết kế này đối lập hoàn toàn với robot công nghiệp truyền thống, vốn yêu cầu được cô lập hoàn toàn trong lồng bảo vệ hoặc hàng rào để ngăn chặn mọi tiếp xúc vật lý.

1.2. Lợi ích của cobots trong sản xuất

Việc triển khai cobots mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho ngành sản xuất công nghiệp:

• Tăng tính linh hoạt và khả năng thích ứng: Cobots dễ dàng tái lập trình và di chuyển giữa các trạm làm việc, cho phép doanh nghiệp nhanh chóng thích ứng với sự thay đổi của quy trình sản xuất hoặc nhu cầu thị trường.
• Cải thiện hiệu quả sản xuất: Bằng cách kết hợp sức mạnh, độ chính xác và khả năng lặp lại của robot với khả năng ra quyết định, khéo léo và nhận thức của con người, cobots giúp tối ưu hóa các tác vụ, giảm thời gian chu kỳ và nâng cao chất lượng sản phẩm.
• Giảm không gian chiếm dụng và chi phí triển khai ban đầu: Do không yêu cầu hàng rào an toàn vật lý phức tạp, cobots chiếm ít không gian sàn hơn và thường có chi phí lắp đặt ban đầu thấp hơn so với các hệ thống robot truyền thống, giúp chúng dễ tiếp cận hơn với các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

1.3. Thách thức an toàn đặc thù của cobots

Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, tính chất tương tác trực tiếp của cobots cũng đặt ra những thách thức an toàn đặc thù:

• Mối nguy va chạm trực tiếp: Việc không có rào chắn vật lý đồng nghĩa với nguy cơ va chạm trực tiếp giữa cobot và con người. Do đó, cobot phải được thiết kế để giảm thiểu lực tác động khi va chạm xuống mức không gây nguy hiểm.
• Yêu cầu cao về hệ thống cảm biến và phản ứng tức thì: Cobots phải được trang bị các cảm biến an toàn tiên tiến có khả năng phát hiện sự hiện diện, vị trí và thậm chí là ý định của con người trong vùng làm việc chung, đồng thời phản ứng tức thì bằng cách dừng hoặc giảm tốc độ.
• Cần đảm bảo an toàn ngay cả trong trường hợp lỗi hệ thống: Hệ thống an toàn của cobots phải có khả năng chống lỗi (fault-tolerant) và tự kiểm tra (self-monitoring) để đảm bảo rằng ngay cả khi có lỗi xảy ra, cobot vẫn có thể duy trì trạng thái an toàn hoặc dừng khẩn cấp.

2. Tiêu Chuẩn An Toàn Quan Trọng Cho Cobots

Việc xây dựng môi trường làm việc an toàn cho cobots đòi hỏi sự tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn quốc tế, vốn được phát triển để giải quyết những thách thức an toàn đặc thù của sự tương tác giữa con người và robot.

2.1. ISO/TS 15066: Hướng dẫn kỹ thuật cho robot hợp tác

ISO/TS 15066 là một tài liệu hướng dẫn kỹ thuật cực kỳ quan trọng, cung cấp các yêu cầu và thông số cụ thể cho việc thiết kế và triển khai các ứng dụng robot hợp tác an toàn. Nội dung chính của tiêu chuẩn này bao gồm:

• Giới hạn lực và công suất: Tiêu chuẩn này quy định các ngưỡng lực tác động tối đa cho phép của cobots khi va chạm với con người ở các bộ phận cơ thể khác nhau. Các ngưỡng này dựa trên nghiên cứu khoa học về ngưỡng chịu đau và chấn thương của con người.
• Giám sát tốc độ và khoảng cách: ISO/TS 15066 đưa ra hướng dẫn về việc sử dụng các hệ thống giám sát để điều chỉnh tốc độ của cobot dựa trên khoảng cách của nó với con người, đảm bảo cobot giảm tốc độ hoặc dừng hoàn toàn khi con người đến quá gần.

2.2. ISO 10218-1 và ISO 10218-2 (An toàn cho robot và hệ thống robot)

ISO 10218-1 (Robot và thiết bị robot – Yêu cầu an toàn) và ISO 10218-2 (Hệ thống robot và tích hợp – Yêu cầu an toàn) đóng vai trò là nền tảng cơ bản cho an toàn robot nói chung, và cobots cũng phải tuân thủ các yêu cầu trong các tiêu chuẩn này. Chúng cung cấp các nguyên tắc chung về:

• Đánh giá rủi ro: Yêu cầu một quy trình đánh giá rủi ro toàn diện để xác định các mối nguy, đánh giá mức độ rủi ro và lựa chọn các biện pháp an toàn phù hợp.
• Chức năng dừng khẩn cấp (E-stop): Quy định sự cần thiết của hệ thống dừng khẩn cấp dễ tiếp cận, hoạt động tin cậy để dừng robot trong mọi tình huống nguy hiểm.
• Điều khiển an toàn: Yêu cầu các hệ thống điều khiển an toàn phải được thiết kế với độ tin cậy cao, có khả năng chống lỗi và tự giám sát.

2.3. Các tiêu chuẩn liên quan khác

Ngoài các tiêu chuẩn chính trên, việc đảm bảo an toàn cho cobots còn liên quan đến các tiêu chuẩn khác:

• ISO 13849 (Các bộ phận liên quan đến an toàn của hệ thống điều khiển) và IEC 62061 (An toàn chức năng của hệ thống điều khiển liên quan đến an toàn điện) cung cấp phương pháp để đánh giá và xác minh mức độ an toàn (PL – Performance Level hoặc SIL – Safety Integrity Level) của các bộ phận điều khiển an toàn trong cobot.
• Các quy định pháp lý quốc gia và khu vực (ví dụ: OSHA ở Mỹ, Chỉ thị Máy móc ở EU) cũng đưa ra các yêu cầu pháp lý bắt buộc mà các hệ thống cobot phải tuân thủ.

3. Các Phương Pháp Hợp Tác An Toàn Của Cobots

Cobots được thiết kế với các phương pháp hợp tác an toàn độc đáo, cho phép chúng tương tác trực tiếp với con người mà vẫn duy trì mức độ an toàn cao. Các phương pháp này được định nghĩa rõ ràng trong ISO/TS 15066.

3.1. Giám sát dừng an toàn (Safety-rated monitored stop)

Giám sát dừng an toàn là một phương pháp mà cobot dừng chuyển động khi con người đi vào vùng làm việc hợp tác, nhưng vẫn duy trì nguồn điện. Điều này có nghĩa là động cơ robot vẫn được cấp nguồn và cobot sẵn sàng hoạt động lại ngay lập tức khi con người rời khỏi vùng an toàn. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng nơi con người cần thường xuyên can thiệp vào khu vực làm việc của cobot mà không muốn tắt nguồn hoàn toàn hệ thống, giúp tiết kiệm thời gian khởi động lại và tăng hiệu quả sản xuất.

3.2. Hướng dẫn bằng tay (Hand guiding)

Hướng dẫn bằng tay là phương pháp cho phép người vận hành trực tiếp di chuyển cobot bằng tay để lập trình đường đi hoặc thực hiện các tác vụ. Trong chế độ này, tốc độ của cobot bị giới hạn nghiêm ngặt xuống mức an toàn rất thấp, thường có nút kích hoạt an toàn (enable switch) mà người vận hành phải liên tục giữ. Nếu nút bị nhả ra hoặc có lực bất thường tác động, cobot sẽ dừng ngay lập tức. Phương pháp này giúp đơn giản hóa việc lập trình các tác vụ phức tạp và tăng tính trực quan cho người dùng.

3.3. Giám sát tốc độ và khoảng cách (Speed and separation monitoring)

Giám sát tốc độ và khoảng cách là một phương pháp động, nơi cobot điều chỉnh tốc độ hoặc dừng hoàn toàn dựa trên khoảng cách giữa nó và người vận hành. Công nghệ này sử dụng các cảm biến an toàn tiên tiến như laser scanner (lidar) hoặc hệ thống thị giác (vision system) để liên tục theo dõi vị trí của con người. Dựa trên dữ liệu khoảng cách, hệ thống tạo ra các vùng phân loại tốc độ và khoảng cách khác nhau:

• Khi con người ở xa, cobot có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn.
• Khi con người đến gần hơn, cobot sẽ tự động giảm tốc độ.
• Nếu con người vi phạm một khoảng cách an toàn tối thiểu, cobot sẽ dừng hoàn toàn (thường là dừng giám sát an toàn).

3.4. Giới hạn lực và công suất (Power and force limiting)

Giới hạn lực và công suất là phương pháp phổ biến nhất và là cốt lõi của nhiều cobots trên thị trường. Cobot được thiết kế sao cho lực và công suất động học của nó không bao giờ vượt quá các ngưỡng an toàn đã được xác định trong ISO/TS 15066 khi va chạm với con người. Các ngưỡng này được xác định cho từng bộ phận cơ thể khác nhau. Điều này cho phép va chạm không gây nguy hiểm hoặc chỉ gây ra đau nhẹ, cho phép tương tác trực tiếp mà không cần dừng cobot trong mọi tình huống.

Phương Pháp Hợp Tác An Toàn	Mô Tả	Lợi Ích Chính	Hạn Chế/Yêu Cầu
Giám sát dừng an toàn	Cobot dừng khi người vào vùng, nhưng vẫn duy trì nguồn điện.	Cho phép can thiệp nhanh, không mất thời gian khởi động.	Yêu cầu cảm biến phát hiện người.
Hướng dẫn bằng tay	Người dùng trực tiếp di chuyển cobot để lập trình.	Lập trình trực quan, dễ dàng.	Tốc độ rất thấp, cần nút kích hoạt an toàn.
Giám sát tốc độ và khoảng cách	Cobot điều chỉnh tốc độ dựa trên khoảng cách đến người.	Linh hoạt trong vận hành, hiệu quả hơn dừng hoàn toàn.	Yêu cầu cảm biến chính xác, tính toán khoảng cách.
Giới hạn lực và công suất	Lực/công suất va chạm của cobot không vượt quá ngưỡng an toàn.	Cho phép va chạm không gây nguy hiểm, tương tác trực tiếp.	Yêu cầu thiết kế robot đặc biệt, khó áp dụng cho robot lớn.

5. Thiết Kế Môi Trường Làm Việc An Toàn Cho Cobots

Để xây dựng môi trường làm việc an toàn cho cobots, cần có một quy trình thiết kế có hệ thống, bắt đầu từ đánh giá rủi ro và bao gồm cả việc phân vùng làm việc, tích hợp cảm biến an toàn và lập trình an toàn.

5.1. Đánh giá rủi ro toàn diện

Đánh giá rủi ro toàn diện là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc triển khai bất kỳ hệ thống robot nào, đặc biệt là cobots. Quy trình này bao gồm:

• Xác định mọi mối nguy tiềm tàng: Từ va chạm cơ học đến lỗi phần mềm, nguy hiểm điện, hoặc từ các vật liệu được xử lý.
• Đánh giá mức độ nghiêm trọng và khả năng xảy ra: Xác định mức độ tổn thương có thể xảy ra và tần suất mà mối nguy có thể xuất hiện.
• Xác định các biện pháp an toàn cần thiết: Dựa trên mức độ rủi ro, lựa chọn các phương pháp hợp tác an toàn phù hợp và các thiết bị an toàn bổ sung.
• Xác định cấp độ hiệu suất (PL/SIL) yêu cầu: Đảm bảo hệ thống điều khiển an toàn đáp ứng độ tin cậy cần thiết.

5.2. Phân vùng làm việc an toàn (Workzone design)

Thiết kế phân vùng làm việc an toàn là một phần cốt lõi của việc xây dựng môi trường làm việc an toàn cho cobots, giúp quản lý tương tác giữa con người và robot:

• Vùng làm việc chung (Shared workspace): Khu vực mà cả robot và con người cùng tồn tại, nhưng thường không tương tác vật lý trực tiếp hoặc có giới hạn tương tác nghiêm ngặt.
• Vùng làm việc hợp tác (Collaborative workspace): Đây là khu vực mà robot và con người có thể tương tác trực tiếp, nơi các phương pháp như giới hạn lực/công suất hoặc giám sát tốc độ/khoảng cách được áp dụng.
• Thiết kế luồng di chuyển: Đảm bảo luồng di chuyển của con người và vật liệu được tối ưu để tránh các điểm xung đột tiềm tàng với cobot.

5.3. Tích hợp cảm biến an toàn

Việc tích hợp các cảm biến an toàn tiên tiến là không thể thiếu để cobots có thể nhận thức môi trường và phản ứng an toàn:

• Sử dụng laser scanner (lidar): Các thiết bị này quét khu vực xung quanh cobot để xác định vị trí và khoảng cách của người, cho phép cobot điều chỉnh tốc độ hoặc dừng.
• Triển khai hệ thống thị giác (vision system): Các camera và thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) có thể nhận diện con người, theo dõi cử động và thậm chí dự đoán hành vi, giúp cobot phản ứng một cách chủ động hơn.
• Cảm biến lực/mô-men xoắn tích hợp trên các khớp robot: Đây là cốt lõi của phương pháp giới hạn lực/công suất, giúp cobot phát hiện và phản ứng ngay lập tức với bất kỳ va chạm nào bằng cách dừng hoặc giảm lực.

5.4. Lập trình an toàn và điều khiển robot

Lập trình an toàn là yếu tố đảm bảo cobot tuân thủ các quy tắc an toàn đã thiết lập:

• Đảm bảo chương trình robot tuân thủ các giới hạn tốc độ và lực được xác định trong quá trình đánh giá rủi ro.
• Tích hợp các logic an toàn trực tiếp vào phần mềm điều khiển cobot, đảm bảo các chức năng an toàn hoạt động độc lập và tin cậy.
• Chức năng dừng khẩn cấp (E-stop) vẫn là bắt buộc và phải được tích hợp vào hệ thống điều khiển an toàn, hoạt động như một biện pháp bảo vệ cuối cùng.

6. Đào Tạo, Vận Hành Và Duy Trì An Toàn Cobots

Để xây dựng môi trường làm việc an toàn cho cobots bền vững, việc đào tạo an toàn liên tục, thiết lập quy trình vận hành rõ ràng và duy trì hệ thống là cực kỳ quan trọng.

6.1. Đào tạo an toàn chuyên sâu

Đào tạo an toàn chuyên sâu là nền tảng để đảm bảo an toàn cho người vận hành và bảo trì cobots. Chương trình đào tạo cần:

• Huấn luyện nhân viên về các phương pháp hợp tác an toàn cụ thể của cobots, như giám sát lực và công suất, dừng giám sát an toàn, và hướng dẫn bằng tay.
• Giúp nhân viên hiểu rõ các giới hạn lực/tốc độ của cobot và cách robot phản ứng khi có người trong vùng làm việc chung.
• Đào tạo về quy trình đánh giá rủi ro, cách nhận diện các mối nguy tiềm tàng và ứng phó với các tình huống khẩn cấp.

6.2. Quy trình vận hành an toàn

Việc thiết lập và tuân thủ quy trình vận hành an toàn là bắt buộc cho việc tương tác với cobots:

• Hướng dẫn rõ ràng về cách tương tác an toàn với cobots, bao gồm cách vào/ra vùng làm việc hợp tác, cách xử lý lỗi nhỏ mà không cần tắt nguồn.
• Quy trình kích hoạt các chế độ an toàn như chế độ hướng dẫn bằng tay hoặc chế độ giảm tốc độ khi cần can thiệp.
• Yêu cầu sử dụng thiết bị bảo vệ cá nhân (PPE) phù hợp khi cần, ngay cả khi cobot được coi là an toàn khi tiếp xúc.

6.3. Bảo trì và kiểm tra định kỳ

Bảo trì và kiểm tra định kỳ là rất quan trọng để đảm bảo rằng các tính năng an toàn của cobots luôn hoạt động chính xác:

• Kiểm tra chức năng của tất cả các cảm biến an toàn (laser scanner, vision system, cảm biến lực/mô-men xoắn).
• Đảm bảo rằng các giới hạn lực/công suất vẫn được duy trì theo đúng thông số kỹ thuật.
• Thường xuyên cập nhật phần mềm và firmware của cobots để đảm bảo chúng có các tính năng an toàn mới nhất và vá lỗi bảo mật.
• Ghi chép đầy đủ các hoạt động bảo trì và kiểm tra để theo dõi lịch sử và xác định các vấn đề tiềm ẩn.

6.4. Văn hóa an toàn

Văn hóa an toàn mạnh mẽ trong tổ chức là yếu tố then chốt cho sự thành công của việc triển khai cobots an toàn:

• Thúc đẩy sự giao tiếp cởi mở về an toàn, nơi nhân viên cảm thấy thoải mái khi báo cáo các mối nguy hoặc tình huống suýt xảy ra tai nạn.
• Khuyến khích sự chủ động của nhân viên trong việc duy trì an toàn và đề xuất cải tiến.
• Liên tục cập nhật và cải tiến các biện pháp an toàn dựa trên kinh nghiệm thực tế và phản hồi từ nhân viên.

7. Thách Thức Và Tương Lai Của An Toàn Cobots

Mặc dù cobots mang lại nhiều lợi ích, việc xây dựng môi trường làm việc an toàn cho cobots vẫn đối mặt với những thách thức đáng kể, đồng thời mở ra những cơ hội phát triển mới trong tương lai.

7.1. Thách thức hiện tại

• Sự phức tạp trong việc xác định các kịch bản va chạm và mức độ chấn thương: Mặc dù ISO/TS 15066 cung cấp các ngưỡng, việc áp dụng chúng vào từng ứng dụng cụ thể với các hình dạng, tốc độ và khối lượng khác nhau của cobot và phôi vẫn là một thách thức phức tạp, đòi hỏi phân tích chi tiết.
• Cân bằng giữa an toàn, hiệu suất và chi phí: Đảm bảo an toàn tuyệt đối đôi khi có thể làm giảm tốc độ hoạt động của cobot, ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất. Tìm kiếm sự cân bằng tối ưu là một bài toán khó. Các cảm biến an toàn và chức năng an toàn tiên tiến thường đi kèm với chi phí đầu tư cao.
• Sự khác biệt trong cách diễn giải tiêu chuẩn: Mặc dù có các tiêu chuẩn quốc tế, nhưng vẫn có sự khác biệt trong cách diễn giải và áp dụng chúng giữa các quốc gia và các nhà tích hợp hệ thống.
• Thách thức trong việc tích hợp nhiều cobots hoặc cobots với robot truyền thống: Khi các hệ thống trở nên phức tạp hơn với nhiều robot hoạt động cùng nhau, việc quản lý an toàn trong các vùng tương tác trở nên phức tạp gấp bội.

7.2. Xu hướng và tương lai

Tương lai của an toàn cobots sẽ chứng kiến những tiến bộ đáng kể:

• Phát triển cảm biến an toàn thông minh hơn: Các thế hệ cảm biến an toàn tiếp theo sẽ sử dụng AI và học máy để không chỉ phát hiện sự hiện diện của con người mà còn dự đoán ý định và hành vi của họ, cho phép cobot phản ứng một cách chủ động và linh hoạt hơn.
• Cobots có khả năng tự đánh giá rủi ro và điều chỉnh hoạt động: Các cobot trong tương lai có thể được trang bị khả năng tự động đánh giá rủi ro trong thời gian thực và điều chỉnh các thông số vận hành (tốc độ, lực) dựa trên môi trường hiện tại và tương tác với con người.
• Tăng cường tính linh hoạt và khả năng thích ứng của các giải pháp an toàn: Các giải pháp an toàn sẽ ngày càng ít cứng nhắc hơn, cho phép chuyển đổi liền mạch giữa các chế độ hoạt động khác nhau (robot hoạt động độc lập, robot hợp tác) tùy thuộc vào sự hiện diện của con người.
• Phát triển các tiêu chuẩn mới: Khi các ứng dụng cobots trở nên phức tạp hơn và tính năng robot được cải tiến, các tiêu chuẩn an toàn sẽ tiếp tục được cập nhật và phát triển để đáp ứng những thách thức mới.

8. Kết Luận

Việc xây dựng môi trường làm việc an toàn cho cobots là yếu tố cốt lõi để khai thác tối đa lợi ích của robot hợp tác trong sản xuất công nghiệp. Nó không chỉ là một yêu cầu tuân thủ mà còn là một khoản đầu tư chiến lược vào sự an toàn của nhân viên và hiệu quả sản xuất bền vững.

Bằng cách tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quan trọng như ISO/TS 15066, thực hiện đánh giá rủi ro toàn diện, và triển khai các phương pháp hợp tác an toàn tiên tiến (như giám sát lực và công suất, giám sát tốc độ và khoảng cách), các doanh nghiệp có thể đảm bảo một môi trường tương tác an toàn giữa con người và robot.

Hơn nữa, việc đầu tư vào đào tạo an toàn chuyên sâu, thiết lập quy trình vận hành chặt chẽ và thúc đẩy văn hóa an toàn là những yếu tố không thể thiếu. Mặc dù có những thách thức hiện tại, nhưng với sự phát triển không ngừng của công nghệ và các giải pháp thông minh, tương lai của cobots hứa hẹn sẽ mang lại một môi trường làm việc thông minh, hiệu quả và an toàn tuyệt đối, nơi con người và robot thực sự hợp tác để đạt được những thành tựu mới.