Co należy wziąć pod uwagę przy ocenie bezpieczeństwa kobotów?

Ponieważ z założenia koboty różnią się od siebie, opracowano dla nich specjalne standardy bezpieczeństwa. Specyfikacja techniczna Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej (ISO/TS) 15066 określa wymagania bezpieczeństwa dla kobotów przemysłowych i ich środowisk pracy. Uzupełnia ona wymagania i wytyczne dotyczące obsługi kobotów zawarte w normach ISO 10218-1 oraz ISO 10218-2.

Niniejszy artykuł zawiera krótki przegląd wymagań normy ISO/TS 15066 oraz ich zgodności z normami ISO 10218-1 i 10218-2. Następnie rozważa złożoność współpracy, w tym sposób definiowania wspólnej przestrzeni roboczej. Artykuł analizuje czynniki związane z bezpieczeństwem robotów, na przykład wbudowane funkcje bezpieczeństwa kobotów oraz potrzebne zewnętrzne funkcje bezpieczeństwa, wraz z przykładowymi urządzeniami, takimi jak czujniki zbliżeniowe, kurtyny świetlne i maty bezpieczeństwa. Artykuł kończy się krótkim przeglądem kilku zastosowań specjalizowanych pod kątem bezpieczeństwa kobotów.

Istnieje kilka kluczowych norm bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych i kobotów. Norma ISO/TS 15066 wyszczególnia wymagania bezpieczeństwa dla przemysłowych systemów kobotów oraz środowiska pracy i została napisana w celu rozwinięcia, a także uzupełnienia ograniczonych wymagań zawartych w poprzednich normach, takich jak seria ISO 10218. Norma ISO 10218-1 koncentruje się na robotach ogólnego przeznaczenia i urządzeniach zrobotyzowanych, podczas gdy przedmiotem normy ISO 10218-2 są układy robotyczne i integracja. American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) R15.06 to krajowa wersja norm ISO 10218-1 i ISO 10218-2 w USA.

Złożoność współpracy

Zanim przejdziemy do szczegółów dotyczących bezpieczeństwa kobotów, warto zdefiniować współpracę. Współpraca w robotyce jest złożona i obejmuje trzy czynniki:

• Zgodnie z normą ANSI/RIA R15.06 kobot to „robot zaprojektowany do bezpośredniej interakcji z człowiekiem w określonej przestrzeni współpracy”.
• Współpraca to „stan, w którym celowo zaprojektowany układ robotyczny i operator pracują w obrębie przestrzeni roboczej współpracy”, zgodnie z normą ISO/TS 15066.
• I wreszcie, zgodnie z normą ANSI/RIA R15.06, przestrzeń robocza współpracy to „obszar roboczy w zabezpieczonej przestrzeni, w której robot i człowiek mogą jednocześnie wykonywać zadania podczas operacji produkcyjnych.

Sprowadza się to do definicji przestrzeni roboczej współpracy „w obrębie przestrzeni chronionej”. Oprócz standardowych funkcji bezpieczeństwa zawartych w kobocie, przestrzeń chroniona zawiera warstwę ochrony bezpieczeństwa.

Typowe funkcje zabezpieczające wbudowane w koboty obejmują systemy wykrywania kontaktu oparte na pomiarach momentu obrotowego na poszczególnych przegubach, które monitorują nieoczekiwane uderzenia, przeszkody lub nadmierne siły lub momenty obrotowe. Należy również stosować automatyczne systemy hamowania i ręczne zwalniacze hamulca do poruszania ramieniem bez zasilania.

Niespodziewany kontakt kobota z człowiekiem budzi szczególne zaniepokojenie. Zgodnie z normami należy zapobiegać kontaktowi z dowolnym punktem na głowie człowieka. Ponadto norma dzieli ciało człowieka na 29 specyficznych obszarów i wyszczególnia ograniczenia dla dwóch rodzajów kontaktu:

• Kontakt przejściowy to ruchome, dynamiczne zdarzenie, w którym kobot uderza w osobę. Ograniczenia wynikają z lokalizacji, bezwładności i prędkości względnej.
• Kontakt quasi-statyczny występuje, gdy część ciała jest uwięziona między kobotem a powierzchnią. Ograniczenia opierają się na docisku i sile związanej z efektami zgniatania i zaciskania.

Specyfikacja zawiera wytyczne, a nie bezwzględne limity, w oparciu o względy dotyczące zastosowań. Stwierdza również, że wytyczne mają charakter informacyjny i odzwierciedlają aktualne najlepsze praktyki, ponieważ współpraca ludzi i robotów jest nową dziedziną, w której nadal prowadzone są badania.

Kontinuum współpracy

Nie istnieje pojedyncze zastosowanie związane ze współpracą. Ludzie i koboty mogą wchodzić w interakcje i współpracować na wiele sposobów. Zastosowania współpracujące obejmują zakres od współistnienia, w którym robot zatrzymuje się z zachowaniem zasilania, gdy osoba wchodzi do obszaru roboczego współpracy, do interakcji, w której osoba dotyka kobota podczas pracy (ilustracja 1).

Ilustracja 1: współpraca człowieka i robota obejmuje szeroki zakres możliwych poziomów interakcji. (Źródło ilustracji: SICK)

W celu określenia potrzeb w zakresie bezpieczeństwa poszczególnych zastosowań współpracy jest wymagana ocena ryzyka. Obejmuje ona identyfikację, ocenę oraz redukcję zagrożeń i ryzyka związanego z danym zastosowaniem. Norma ISO 10218 zawiera listę zabezpieczeń, które mogą być odpowiednie w różnych okolicznościach, ale nie zawiera definitywnych wymagań. Norma ISO/TS 15066 wprowadza dodatkowe szczegóły do oceny ryzyka związanego z kobotami. W każdym przypadku celem oceny ryzyka jest zidentyfikowanie zewnętrznych zabezpieczeń i systemów bezpieczeństwa niezbędnych do zapewnienia bezpiecznego wdrożenia zastosowań związanych ze współpracą.

Więcej informacji na temat oceny ryzyka i robotów można znaleźć w artykule „Bezpieczne i sprawne włączanie autonomicznych robotów mobilnych (AMR) do zastosowań Przemysłu 4.0 w celu uzyskania maksymalnych korzyści”.

Ochrona i sprawne działanie

Chociaż koboty są zaprojektowane z myślą o bezpiecznej pracy, dodatkowe warstwy ochrony mogą podnieść wydajność zastosowań polegających na współpracy. Bez dodatkowych zabezpieczeń, gdy człowiek wchodzi do obszaru roboczego współpracy, norma ISO/TS 15066 nakazuje maksymalną prędkość 0,25 metra na sekundę (m/s) na oś. Dla większości kobotów jest to bardzo niska prędkość.

Na przykład kobot Lexium LXMRL12S0000 firmy Schneider Electric ma maksymalny udźwig 12kg, promień działania (zakres roboczy) 1327mm, dokładność pozycjonowania ±0,03mm, a maksymalna prędkość końca narzędzia wynosi 3m/s, czyli 12 razy szybciej niż maksymalna dozwolona przez ISO/TS 15066, gdy człowiek znajduje się w przestrzeni roboczej współpracy (ilustracja 2).

Ilustracja 2: kobot może poruszać się 12 razy szybciej niż maksymalna prędkość dozwolona przez normę ISO/TS 15066, gdy w przestrzeni roboczej współpracy znajduje się człowiek. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

W wielu zastosowaniach kobot może działać samodzielnie przez długi czas. Tak więc wykrywanie obecności lub nieobecności osób w przestrzeni roboczej współpracy może umożliwić znacznie szybsze działanie i wyższą wydajność, gdy nikt nie jest obecny. Typowe urządzenia do wykrywania obecności ludzi obejmują skanery bezpieczeństwa, kurtyny świetlne i kontaktowe maty bezpieczeństwa. Każda z tych technologii zapewnia inne korzyści i często są one stosowane w połączeniu.

Skanery bezpieczeństwa

Skanery bezpieczeństwa monitorują wyznaczony obszar w celu wykrycia obecności ludzi. Potrafią one określić odległość, w jakiej znajduje się człowiek i wprowadzić różne strefy ostrzeżenia oprócz aktywnej strefy bezpieczeństwa.

Model OS32C-SP1-4M firmy Omron to dobry przykład laserowego skanera bezpieczeństwa przeznaczonego do użytku z kobotami. Jego promień bezpieczeństwa wynosi do 4m i może on obsługiwać wiele stref ostrzeżenia do 15m. Obejmuje on 70 standardowych zestawów stref bezpieczeństwa i ostrzeżenia, aby wspierać skomplikowane przestrzenie robocze współpracy. Ponadto minimalną rozdzielczość obiektu można ustawić na 30, 40, 50 lub 70mm, a czas odpowiedzi może wynosić od 80ms do 680ms, co dodatkowo zwiększa elastyczność zastosowań (ilustracja 3).

Ilustracja 3: skaner bezpieczeństwa o promieniu bezpieczeństwa do 4m, obsługujący wiele stref ostrzeżenia do 15m. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Kurtyny świetlne

Kurtyny świetlne mogą wykrywać obecność ludzi i mogą być zaprojektowane do wykrywania obiektów o różnych rozmiarach, takich jak palce lub dłonie. W przeciwieństwie do skanerów bezpieczeństwa, kurtyny świetlne nie mierzą odległości. Wysyłają one szereg wiązek światła pomiędzy liniowymi układami nadajników i odbiorników i wykrywają, kiedy obiekt przerywa jedną lub więcej wiązek.

Jeśli chodzi o parametry bezpieczeństwa, istnieją dwie podstawowe klasyfikacje kurtyn świetlnych: typ 2 i typ 4. Mają one podobny wygląd zewnętrzny, ale zostały zaprojektowane w celu zapewnienia różnych poziomów bezpieczeństwa. Typ 4 monitoruje przestrzeń chronioną, która definiuje przestrzeń roboczą współpracy. Kurtyny świetlne typu 2 są przeznaczone do zastosowań o niższym ryzyku.

Kurtyny świetlne stanowią zabezpieczenie obwodowe i są dostępne z kilkoma poziomami rozdzielczości, takimi jak 14mm do wykrywania palców i 24mm do wykrywania dłoni. Model SLC4P24-160P44 firmy Banner Engineering to zestaw kurtyny świetlnej typu 4 z układem emiterów i odbiorników o rozdzielczości 24mm do ochrony ludzi i maszyn, takich jak koboty (ilustracja 4). Emitery posiadają rząd zsynchronizowanych, modulowanych diod elektroluminescencyjnych emitujących światło podczerwone. Odbiorniki posiadają odpowiedni rząd zsynchronizowanych fotodetektorów. Emitery mają zasięg 2m, a kurtyny świetlne mogą być instalowane w odcinkach od 160 do 320mm i odstępach co 80mm.

Ilustracja 4: kurtyna świetlna typu 4 o rozdzielczości 24mm. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Laserowe skanery bezpieczeństwa i kurtyny świetlne stanowią bezdotykowe środki zwiększające bezpieczeństwo w przestrzeniach roboczych współpracy. Jednak ich użycie może być trudne w środowiskach wymagających optycznie, takich jak obszary o silnie odblaskowych powierzchniach, które mogą powodować niepożądane zakłócenia świetlne, a ich działanie może być również wyzwalane z powodu wycieku oleju lub smaru, nadmiernego kurzu lub wilgoci.

Niektóre z tych czujników optycznych posiadają regulację czułości, która pomaga w złagodzeniu niektórych rodzajów zakłóceń. Regulacje czułości mogą również wydłużyć czas odpowiedzi i obniżyć parametry działania. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie kontaktowej maty bezpieczeństwa wraz z optycznymi urządzeniami wykrywającymi.

Kontaktowe maty bezpieczeństwa

Kontaktowe maty bezpieczeństwa mają dwie przewodzące płytki oddzielone rasteryzowaną warstwą izolacyjną. Można ich używać samodzielnie lub w połączeniu z innymi typami czujników. Jeśli człowiek stanie na macie, górna płytka przewodząca zostanie wciśnięta i zetknie się z dolną płytką, wyzwalając sygnał alarmowy (ilustracja 5). Zewnętrzna powierzchnia mat wykonana jest z poliuretanu, który jest antypoślizgowy i odporny na wodę, brud i olej. Model maty SENTIR 1602-5533 firmy ASO Safety Solutions pozwala na szeregowe łączenie maksymalnie 10 mat z pojedynczą jednostką monitorującą w celu uzyskania maksymalnego pokrycia 10m2.

Ilustracja 5: po stanięciu na macie, jej górna i dolna warstwa przewodząca styka się, wyzwalając sygnał alarmowy. (Źródło ilustracji: ASO Safety Solutions)

Bezpieczeństwo tkwi w szczegółach

Nie ma jednego przepisu gwarantującego bezpieczeństwo. Każde zastosowanie obejmujące współpracę robota i człowieka jest inne i należy do niego podejść w oparciu o unikalne cechy i wymagania. Kluczową kwestią jest to, gdzie znajduje się aplikacja na kontinuum współpracy (patrz ilustracja 1). Im bliższa interakcja między kobotem i ludźmi, tym więcej zabezpieczeń jest potrzebnych.

Należy wziąć pod uwagę więcej szczegółów. Oto niektóre z nich:

• Każda lokalizacja musi przejść szczegółową ocenę ryzyka, aby sprawdzić, czy kobot został przeniesiony między różnymi stacjami roboczymi. Nawet jeśli wydają się takie same, niewielkie różnice mogą mieć wpływ na bezpieczeństwo.
• Jeśli w obszarze roboczym współpracy znajdują się inne maszyny, czy muszą one być połączone z systemem wyłączania lub spowalniania do bezpiecznej prędkości dla kobota?
• W tym artykule skupiono się na sprzęcie związanym z bezpieczeństwem, ale w przypadku systemów sieciowych, które są coraz bardziej powszechne, cyberbezpieczeństwo jest ważnym czynnikiem zapobiegającym zakłóceniom działania kobotów lub systemów bezpieczeństwa.

Podsumowanie

Bezpieczeństwo kobotów to złożone zagadnienie. Rozpoczyna się ono od zdefiniowania przestrzeni roboczej współpracy w przestrzeni chronionej i wymaga oceny ryzyka związanego z procesami polegającymi na współpracy. Normy takie jak ISO/TS 15066 i seria ISO 10218 są ważne i przedstawiają zalecenia oraz wytyczne. Koboty posiadają podstawowe funkcje bezpieczeństwa, takie jak systemy wykrywania kolizji, sygnał zwrotny siły, elastyczne aktuatory i serwosilniki o niskiej bezwładności. W zależności od specyfiki zastosowania obejmującego współpracę, mogą być potrzebne dodatkowe urządzenia zabezpieczające, takie jak czujniki zbliżeniowe, kurtyny świetlne i kontaktowe maty bezpieczeństwa.

Źródło: Co należy wziąć pod uwagę przy ocenie bezpieczeństwa kobotów?

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!