An toàn trong Thiết kế và Vận hành Cobot trong Sản xuất Công nghiệp

Robot cộng tác (cobot) mở ra một kỷ nguyên tự động hóa an toàn và linh hoạt trong sản xuất khi có thể làm việc trực tiếp với con người. Tuy nhiên, đảm bảo an toàn cho cobot không đơn thuần là thiết kế “thân thiện”, mà cần tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc tế và quy trình kỹ thuật chặt chẽ. Bài viết sẽ phân tích các nguyên tắc an toàn trong thiết kế, vận hành và bảo trì cobot, giúp doanh nghiệp tối ưu hiệu suất mà vẫn đảm bảo an toàn tuyệt đối trong môi trường sản xuất hiện đại.

1. Các Nguyên tắc và tiêu chuẩn an toàn trong thiết kế Cobot

Để đảm bảo an toàn trong thiết kế và vận hành cobot, các nguyên tắc và tiêu chuẩn an toàn phải được tuân thủ nghiêm ngặt ngay từ giai đoạn thiết kế của robot, đặt nền móng cho khả năng làm việc cộng tác an toàn.

1.1. An toàn vốn có (Intrinsic Safety)

An toàn vốn có là triết lý thiết kế cốt lõi của cobot, theo đó bản thân robot đã được xây dựng để giảm thiểu rủi ro chấn thương ngay cả khi xảy ra va chạm. Các nhà sản xuất áp dụng nhiều biện pháp thiết kế để đạt được điều này. Đầu tiên, việc sử dụng vật liệu nhẹ và mềm cùng các cạnh bo tròn giúp giảm thiểu tác động lực trong trường hợp va chạm không mong muốn.

Thứ hai, các cobot được thiết lập giới hạn tốc độ và lực cứng (hard limit) ngay từ khâu thiết kế, đảm bảo chúng không thể tạo ra lực hoặc di chuyển với tốc độ vượt quá ngưỡng an toàn cho con người. Quan trọng hơn, chúng được trang bị cảm biến lực/mô-men xoắn tích hợp nhạy bén ở các khớp hoặc cổ tay, cho phép cobot phát hiện va chạm và phản ứng ngay lập tức.

Cuối cùng, thiết kế khớp mềm cũng giúp hấp thụ năng lượng va chạm, phân tán lực tác động, tăng cường mức độ an toàn tổng thể.

1.2. Tiêu chuẩn quốc tế quan trọng (ISO)

Các tiêu chuẩn quốc tế đóng vai trò then chốt trong việc định hướng và quy định an toàn robot, đặc biệt là cobot.

• ISO 10218-1/2 là tiêu chuẩn an toàn chung áp dụng cho cả robot công nghiệp truyền thống và cobot. Tiêu chuẩn này thiết lập các yêu cầu cơ bản về an toàn, bao gồm các quy định về hệ thống phanh, nút dừng khẩn cấp và cơ chế bảo vệ quá tải, đảm bảo robot hoạt động trong giới hạn an toàn chung.
• Tuy nhiên, ISO/TS 15066 là tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên biệt và có tầm quan trọng đặc biệt đối với robot cộng tác. Tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn chi tiết về các yêu cầu an toàn robot cộng tác khi tương tác trực tiếp với con người. Nội dung chính của ISO/TS 15066 là xác định các ngưỡng lực và áp suất an toàn tối đa cho từng bộ phận cơ thể con người, dựa trên các nghiên cứu khoa học về ngưỡng đau và chấn thương. Ngoài ra, nó còn quy định các phương pháp giám sát khoảng cách và điều chỉnh tốc độ của cobot để duy trì an toàn trong các tình huống tương tác. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này là bắt buộc để đảm bảo rằng cobot có thể làm việc an toàn trong môi trường có sự hiện diện của con người.

2. Các Phương thức Tương tác An toàn và Kiểm soát Rủi ro

Việc hiểu rõ các phương thức tương tác an toàn là chìa khóa để triển khai cobot hiệu quả và kiểm soát rủi ro một cách chủ động trong môi trường sản xuất công nghiệp.

2.1. Các phương thức tương tác theo ISO/TS 15066

Tiêu chuẩn ISO/TS 15066 định nghĩa bốn phương thức tương tác chính, mỗi phương thức có nguyên lý và yêu cầu an toàn riêng:

• Dừng được giám sát an toàn (Safety-rated Monitored Stop – SMS): Phương thức này yêu cầu robot dừng an toàn và duy trì trạng thái dừng đó khi hệ thống phát hiện con người đi vào không gian làm việc đã được xác định của nó. Mục tiêu là đảm bảo không có chuyển động không mong muốn nào xảy ra khi con người can thiệp vào khu vực làm việc của robot. Ứng dụng phổ biến bao gồm tải/dỡ phôi thủ công hoặc các quy trình kiểm tra sản phẩm mà không cần robot di chuyển.
• Hướng dẫn bằng tay (Hand Guiding): Phương thức này cho phép con người có thể cầm và di chuyển cobot một cách an toàn để dạy đường đi hoặc thực hiện các tác vụ đòi hỏi sự khéo léo. An toàn được đảm bảo bởi khả năng của robot trong việc nhận biết lực tác động từ người và điều chỉnh phản hồi phù hợp, thường thông qua các cảm biến lực nhạy bén. Ứng dụng là lập trình dễ dàng hoặc thực hiện các tác vụ cần sự tinh tế như dán tem, lắp ráp chi tiết nhỏ.
• Giám sát tốc độ và khoảng cách (Speed and Separation Monitoring – SSM): Robot tự động điều chỉnh tốc độ hoạt động hoặc dừng hoàn toàn dựa trên khoảng cách của con người đến nó. Cobot sử dụng cảm biến khoảng cách (ví dụ: máy quét laser an toàn, hệ thống thị giác máy tính) để tạo các vùng an toàn động. Khi con người ở xa, cobot có thể hoạt động nhanh hơn; khi đến gần hơn, tốc độ sẽ giảm xuống; và nếu quá gần, cobot sẽ dừng hẳn. Phương thức này tối ưu hóa năng suất lao động trong khi vẫn duy trì an toàn trong các không gian làm việc chung lớn.
• Giới hạn công suất và lực (Power and Force Limiting – PFL): Đây là phương thức an toàn then chốt, theo đó robot được thiết kế để giới hạn lực và công suất phát ra, đảm bảo rằng ngay cả khi va chạm xảy ra, lực tác động cũng không gây chấn thương nghiêm trọng cho con người. Khả năng này dựa trên cảm biến lực nhạy bén và thiết kế cơ khí đặc biệt, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các tác vụ lắp ráp chi tiết hoặc hoàn thiện sản phẩm, nơi cobot cần làm việc rất gần với con người.

2.2. Đánh giá rủi ro và Các biện pháp kiểm soát

Đánh giá rủi ro (Risk Assessment) là một bước bắt buộc và tối quan trọng trước khi triển khai bất kỳ hệ thống cobot nào. Quy trình này bao gồm việc phân tích kỹ lưỡng tác vụ mà cobot sẽ thực hiện, môi trường làm việc cụ thể và cách thức tương tác giữa người và robot để xác định các mối nguy hiểm tiềm ẩn. Dựa trên đánh giá rủi ro, các biện pháp kiểm soát thích hợp sẽ được áp dụng:

• Kiểm soát kỹ thuật: Bao gồm việc lựa chọn cobot có tính năng an toàn phù hợp với tác vụ, thiết lập các vùng an toàn ảo, và tích hợp các nút dừng khẩn cấp dễ tiếp cận.
• Kiểm soát hành chính: Đảm bảo đào tạo nhân viên về các quy trình vận hành an toàn chuẩn (SOP), giám sát thường xuyên để phát hiện và khắc phục hành vi không an toàn.
• Thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE): Cần cân nhắc sử dụng các thiết bị bảo hộ cá nhân như kính bảo hộ hoặc găng tay khi cần thiết, đặc biệt trong các tình huống phát sinh rủi ro dù đã có cobot.

3. An toàn trong Vận hành và Bảo trì Cobot

Bên cạnh thiết kế, việc đảm bảo an toàn trong vận hành và bảo trì cobot là yếu tố sống còn để duy trì một môi trường làm việc an toàn và hiệu quả liên tục.

3.1. Lập trình và Vận hành an toàn

Đào tạo nhân viên một cách bài bản là yếu tố then chốt. Cần cung cấp các chương trình đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chuyên sâu về cách lập trình, vận hành và xử lý sự cố an toàn với cobot. Việc lập trình cobot cần tuân thủ quy trình lập trình an toàn, sử dụng các phương pháp trực quan như lập trình bằng tay một cách cẩn trọng, và kiểm tra kỹ lưỡng các điểm dừng, giới hạn an toàn trước khi vận hành.

Việc giám sát hoạt động của cobot và tương tác của con người cần diễn ra thường xuyên để kịp thời phát hiện và khắc phục các hành vi hoặc tình huống không an toàn. Hơn nữa, tất cả nhân viên làm việc trong khu vực cobot phải biết rõ vị trí và cách sử dụng nút dừng khẩn cấp trên cobot và hệ thống điều khiển để có thể phản ứng nhanh chóng trong trường hợp khẩn cấp.

3.2. Bảo trì và Kiểm tra định kỳ

Để duy trì an toàn và hiệu suất, việc bảo trì và kiểm tra định kỳ cobot là không thể thiếu. Các doanh nghiệp cần thiết lập và tuân thủ nghiêm ngặt lịch trình bảo trì định kỳ theo khuyến nghị của nhà sản xuất. Trong quá trình bảo trì, cần kiểm tra chức năng an toàn của tất cả các thành phần quan trọng, bao gồm cảm biến lực, hệ thống thị giác máy tính, cảm biến khoảng cách, và đảm bảo nút dừng khẩn cấp hoạt động bình thường.

Ngoài ra, việc cập nhật phần mềm và firmware thường xuyên là cần thiết để cobot luôn có các bản vá lỗi và cải tiến an toàn mới nhất. Mọi sự cố hoặc “gần sự cố” liên quan đến an toàn cần được ghi chép và báo cáo sự cố một cách chi tiết, sau đó phân tích để rút kinh nghiệm và cải thiện quy trình an toàn trong tương lai.

4. Tác động của an toàn Cobot đến sản xuất và triển vọng

Việc ưu tiên an toàn trong thiết kế và vận hành cobot không chỉ bảo vệ con người mà còn mang lại những tác động tích cực sâu rộng đến sản xuất công nghiệp và định hình triển vọng tương lai của ngành.

4.1. Tác động đến môi trường làm việc và năng suất

Ưu tiên an toàn của cobot đã tạo ra những tác động tích cực đáng kể. Đầu tiên, chúng góp phần cải thiện an toàn lao động bằng cách giảm thiểu rủi ro tai nạn, đặc biệt trong các tác vụ lặp lại, nhàm chán hoặc nguy hiểm mà trước đây con người phải thực hiện. Môi trường làm việc an toàn hơn sẽ nâng cao tinh thần và sức khỏe nhân viên, giúp họ cảm thấy thoải mái, tự tin và làm việc hiệu quả hơn.

Điều này trực tiếp dẫn đến việc tăng cường năng suất lao động, vì con người và cobot có thể làm việc cộng tác chặt chẽ hơn, tối ưu hóa quy trình sản xuất. Cuối cùng, việc đầu tư vào an toàn cobot cũng giúp giảm chi phí do tai nạn, hạn chế các tổn thất về chi phí y tế, bồi thường, và thời gian ngừng hoạt động sản xuất không mong muốn.

4.2. Triển vọng tương lai của An toàn Cobot

Trong tương lai, an toàn cobot sẽ tiếp tục phát triển theo hướng thông minh hơn. Sự tích hợp sâu hơn của AI và Học máy (Machine Learning) sẽ giúp cobot có khả năng dự đoán và ngăn ngừa rủi ro tốt hơn, học hỏi từ các tình huống đã xảy ra để cải thiện phản ứng an toàn. Việc tiêu chuẩn hóa toàn cầu các quy định an toàn sẽ tiếp tục được thúc đẩy, tạo ra khung pháp lý đồng bộ hơn cho việc triển khai cobot trên phạm vi quốc tế.

Phát triển công nghệ cảm biến sẽ mang lại các cảm biến mới với độ nhạy và khả năng nhận thức môi trường cao hơn, giúp cobot “nhìn” và “cảm nhận” thế giới xung quanh một cách chi tiết hơn. Điều này sẽ góp phần tạo ra các môi trường làm việc linh hoạt hơn, nơi cobot có thể tự động điều chỉnh các vùng an toàn dựa trên nhiệm vụ cụ thể và vị trí của người lao động.

Cuối cùng, các cuộc thảo luận về đạo đức robot và trách nhiệm an toàn trong bối cảnh tương tác người-robot ngày càng phức tạp sẽ trở nên quan trọng hơn, định hình cách chúng ta thiết kế và quản lý cobot trong tương lai.

5. Kết luận

An toàn trong thiết kế và vận hành cobot là yếu tố không thể tách rời, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa các nguyên tắc thiết kế an toàn vốn có, tuân thủ tiêu chuẩn ISO/TS 15066, áp dụng các phương thức tương tác an toàn (SMS, Hand Guiding, SSM, PFL), và quy trình vận hành/bảo trì nghiêm ngặt.

Việc ưu tiên an toàn không chỉ bảo vệ người lao động mà còn là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng của cobot, thúc đẩy sản xuất thông minh và xây dựng nhà máy thông minh hiệu quả và bền vững. Các doanh nghiệp cần coi an toàn là ưu tiên hàng đầu, đầu tư vào đánh giá rủi ro toàn diện và đào tạo và phát triển nguồn nhân lực để đảm bảo triển khai cobot thành công.