Коботы в биопроизводстве

Обычного промышленного робота огораживают потому, что он не знает, где находится человек, и не умеет смягчать своё действие при касании. Коллаборативный робот убирает ограждение, переворачивая задачу: он гарантирует не отсутствие контакта, а то, что контакт, если он произойдёт, останется ниже порога травмирования. Этот порог — не инженерная условность. Стандарт ISO/TS 15066 опирается на экспериментальные данные о пороге болевого ощущения для конкретных областей тела и приводит предельно допустимые давление и силу отдельно для каждой из них: предплечье переносит несравнимо больше, чем лицо. Различаются и два вида контакта — кратковременный удар и квазистатическое защемление, при котором часть тела не может отойти и допустимая сила заметно ниже.

Почему безопасная скорость меняется с позой манипулятора

При кратковременном столкновении значение имеет переданная кинетическая энергия, а она зависит от эффективной массы манипулятора в направлении контакта, а не от его паспортной грузоподъёмности. Эффективная масса — это инерция, приведённая к точке контакта через текущую конфигурацию сочленений: вытянутая рука, поворачивающаяся вокруг основания, даёт большую эффективную массу, а та же рука, сложенная и движущаяся кистевой осью, — малую. Поэтому единого числа «безопасная скорость» для робота не существует: предел зависит от позы, и валидация выполняется измерением силы и давления в реальных точках контакта конкретного применения приборным датчиком, а не чтением паспорта.

Вторую половину поведения задаёт обнаружение. Робот, чувствующий контакт только по току двигателей, должен отличить столкновение от трения, силы тяжести и динамики груза, а всё это присутствует в том же сигнале, — поэтому порог срабатывания приходится задавать высоким. Датчики момента в сочленениях или упругие приводы измеряют силу взаимодействия ближе к месту её возникновения, что позволяет снизить порог и остановиться мягче. Но податливость, делающая манипулятор безопасным, делает его и менее жёстким, а значит менее точным под нагрузкой: безопасность и точность здесь размениваются, а не достигаются вместе.

Следствие: коботы не быстры

Энергия контакта растёт как квадрат скорости, поэтому вдвое меньшая допустимая энергия стоит гораздо больше половины скорости. Манипулятор с ограничением силы принципиально малопроизводителен, и любое обоснование, построенное на времени цикла против огороженного промышленного робота, проигрывает. Выигрывает он другим — местом установки: его можно поставить прямо на существующий стол, в проём инкубатора или в линию розлива, не требуя площади, блокировок и световых завес огороженной ячейки, и работать в пространстве, которым пользуется и человек.

Что добавляет биопроизводство

Автоматизируют асептическую операцию редко ради стоимости труда. Причина в том, что оператор — главный источник жизнеспособной контаминации; это тот же довод, из которого выросли асептические изоляторы, и робот внутри барьера устраняет вмешательства, а не персонал. Отсюда требования, не связанные с безопасностью: подвижные сочленения и ремни выделяют частицы, смазки испаряются, а каждая наружная поверхность должна многократно переносить обработку парами пероксида водорода без растрескивания — что склоняет выбор к герметичным манипуляторам с гладкой оболочкой, а не к конструкциям с открытыми кабелями.

Более трудная нерешённая часть — не сам манипулятор, а то, что он держит. Биологическая работа идёт с деформируемыми, влажными объектами непостоянных размеров: трубками, мешками, крышками, планшетами из разных партий пресс-форм. Большинство отказов лабораторной автоматизации восходит к разбросу расходных материалов, а не к ошибке робота, — поэтому захваты с силовой обратной связью и техническое зрение значат здесь больше, чем паспортная повторяемость.