Les robots collaboratifs (cobots) sont conçus pour travailler avec les humains et prendre en charge une production flexible dans les usines de l'Industrie 4.0. Comparés aux robots industriels traditionnels, les cobots sont plus simples, plus faciles à installer et ne nécessitent pas d'espaces de travail isolés en toute sécurité. Parce qu'ils sont conçus pour fonctionner avec des humains, les cobots sont construits différemment des autres robots industriels, notamment avec des fonctionnalités telles que des systèmes de détection de collision, un retour de force, des actionneurs élastiques et des servomoteurs à faible inertie.
Puisqu’ils sont différents par leur conception, des normes de sécurité spécifiques ont été développées pour les cobots. La spécification technique de l'Organisation internationale de normalisation (ISO/TS) 15066 spécifie les exigences de sécurité pour les cobots industriels et leurs environnements de travail. Elle complète les exigences et les lignes directrices sur le fonctionnement des cobots des normes ISO 10218‑1 et ISO 10218‑2.
Cet article passe brièvement en revue les exigences de la norme ISO/TS 15066 et comment elles s'intègrent aux normes ISO 10218-1 et 10218-2. Il examine ensuite les complexités de la collaboration, notamment la manière dont l'espace de travail collaboratif est défini. Il examine les facteurs liés à la sécurité des robots, tels que les fonctions de sécurité intégrées aux cobots, et les fonctions de sécurité externes nécessaires, ainsi que des exemples de dispositifs tels que les capteurs de proximité, les barrières immatérielles et les tapis de contact de sécurité. Il se termine par un bref examen de quelques applications spécifiques aux considérations de sécurité des cobots.
Il existe plusieurs normes de sécurité clés pour les robots et cobots industriels. L'ISO/TS 15066 détaille les exigences de sécurité pour les systèmes de cobots industriels et l'environnement de travail et a été rédigée pour s'appuyer sur et compléter les exigences limitées des normes précédentes comme la série ISO 10218. L'ISO 10218-1 se concentre sur les robots généraux et les dispositifs robotiques, tandis que l'ISO 10218-2 se concentre sur les systèmes robotiques et leur intégration. American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) R15.06 est une adoption nationale des normes ISO 10218-1 et ISO 10218-2.
Complexités de la collaboration
Avant d'entrer dans les détails de la sécurité des cobots, il est utile de définir la collaboration. La collaboration en robotique est complexe et comprend trois facteurs :
- Un cobot est un « robot conçu pour interagir directement avec un humain dans un espace de travail collaboratif défini », selon ANSI/RIA R15.06.
- Une opération collaborative est un « état dans lequel un système robotique spécialement conçu et un opérateur travaillent dans un espace de travail collaboratif », selon la norme ISO/TS 15066.
- Enfin, un espace de travail collaboratif est « l'espace de travail au sein de l'espace protégé où le robot et un humain peuvent effectuer des tâches simultanément pendant les opérations de production », selon ANSI/RIA R15.06.
Cela revient à définir l’espace de travail collaboratif « au sein de l’espace sauvegardé ». L'espace protégé comprend une couche de protection de sécurité en plus des fonctions de sécurité standard incluses dans le cobot.
Les fonctions de protection courantes intégrées aux cobots incluent des systèmes de détection de contact basés sur des mesures de couple au niveau de chaque articulation qui surveillent les impacts inattendus, les obstructions ou les forces ou couples excessifs. Il devrait également y avoir des systèmes de freinage automatique et des desserrages manuels pour déplacer le bras sans énergie.
Un contact inattendu avec la personne par le cobot est particulièrement préoccupant. Les normes exigent que tout contact soit évité n'importe où sur la tête d'une personne. De plus, la norme divise le corps en 29 zones spécifiques et détaille les limitations pour deux types de contact :
- Transitoire le contact est un événement mobile et dynamique au cours duquel le cobot heurte une personne. Les limitations sont basées sur l'emplacement, l'inertie et la vitesse relative.
- Quasi-statique le contact se produit lorsqu’une partie du corps est coincée entre le cobot et une surface. Les limitations sont basées sur la pression et la force liées aux effets d'écrasement et de serrage.
La spécification fournit des conseils, et non des limites absolues, basées sur des considérations d'application. Il indique également que les lignes directrices sont informatives et reflètent les meilleures pratiques actuelles, car la collaboration entre les personnes et les robots est un domaine nouveau et la recherche est en cours.
Continuum de collaboration
Il n’existe pas d’application collaborative unique. Les personnes et les cobots peuvent interagir et collaborer de différentes manières. Les applications collaboratives vont de la coexistence, où un robot s'arrête sous tension lorsqu'une personne entre dans l'espace de travail collaboratif, à une activité interactive avec la personne touchant le cobot pendant son fonctionnement (Figure 1).
Une évaluation des risques est nécessaire pour identifier les besoins de sécurité des applications collaboratives individuelles. Cela comprend l’identification, l’évaluation et la réduction des dangers et des risques associés à l’application. L'ISO 10218 comprend une liste de dispositifs de sécurité qui peuvent être appropriés dans diverses circonstances, mais aucune exigence définitive. La norme ISO/TS 15066 apporte des détails supplémentaires aux évaluations des risques des cobots. Dans chaque cas, l’objectif de l’évaluation des risques est d’identifier les dispositifs et systèmes de sécurité externes nécessaires pour garantir la mise en œuvre sûre des applications collaboratives.
Pour une analyse plus approfondie de l'évaluation des risques et des robots, consultez l'article « Intégrer de manière sûre et efficace les AMR dans les opérations de l'Industrie 4.0 pour un bénéfice maximal ».
Protection et efficacité
Même si les cobots sont conçus pour fonctionner en toute sécurité, des couches de protection supplémentaires peuvent améliorer l'efficacité des applications collaboratives. Sans sécurité supplémentaire, lorsqu'une personne pénètre dans l'espace de travail collaboratif, la norme ISO/TS 15066 impose une vitesse maximale de 0.25 mètres par seconde (m/s) par axe. Pour la plupart des cobots, c'est très lent.
Par exemple, le cobot Lexium LXMRL12S0000 de Schneider Electric a une charge utile maximale de 12 kilogrammes (kg), un rayon de fonctionnement (plage de travail) de 1327 0.03 millimètres (mm), une précision de positionnement de ±3 mm et une vitesse maximale de l'extrémité de l'outil. de 12 mètres par seconde (m/s), 15066 fois plus rapide que le maximum autorisé par la norme ISO/TS 2 lorsqu'une personne se trouve dans l'espace de travail collaboratif (Figure XNUMX).
Dans de nombreuses applications, le cobot peut fonctionner seul pendant de longues périodes. Ainsi, détecter la présence ou l’absence de personnes dans l’espace de travail collaboratif peut permettre un fonctionnement beaucoup plus rapide et une plus grande efficacité lorsque personne n’est présent. Les dispositifs courants permettant de détecter la présence de personnes comprennent les scanners de sécurité, les barrières immatérielles et les tapis de sol à contact de sécurité. Chaque sans souci offre un ensemble différent d’avantages, et ils sont souvent utilisés en combinaison.
Scanners de sécurité
Les scanners de sécurité surveillent une zone désignée pour détecter la présence de personnes. Ils peuvent déterminer la distance à laquelle se trouve une personne et mettre en place diverses zones d'avertissement en plus de la zone de sécurité active.
Le modèle OS32C-SP1-4M d'Omron est un bon exemple de scanner laser de sécurité conçu pour être utilisé avec des cobots. Il a un rayon de sécurité allant jusqu'à 4 mètres (m) et peut prendre en charge plusieurs zones d'avertissement jusqu'à 15 m. Il comprend 70 ensembles standard de combinaisons de zones de sécurité et de zones d’avertissement pour prendre en charge les espaces de travail collaboratifs complexes. De plus, la résolution minimale de l'objet peut être réglée sur 30, 40, 50 ou 70 mm, et le temps de réponse peut aller de 80 millisecondes (ms) à 680 ms, augmentant encore la flexibilité de l'application (Figure 3).
Rideaux lumineux
Les barrières immatérielles peuvent mesurer la présence de personnes et peuvent être conçues pour détecter des objets de différentes tailles, comme des doigts ou des mains. Contrairement aux scanners de sécurité, les barrières immatérielles ne mesurent pas la distance. Ils envoient une série de faisceaux lumineux entre des réseaux d'émetteurs et de récepteurs linéaires et peuvent détecter lorsqu'un objet brise un ou plusieurs faisceaux.
En termes d'indices de sécurité, il existe deux principales classifications de barrières immatérielles : Type 2 et Type 4. Elles ont une apparence extérieure similaire mais sont conçues pour offrir différents niveaux de sécurité. Le type 4 surveille l'espace sauvegardé qui définit un espace de travail collaboratif. Les barrières immatérielles de type 2 sont conçues pour les applications à faible risque.
Les barrières immatérielles protègent les périmètres et sont disponibles avec plusieurs niveaux de résolution, comme 14 millimètres (mm) pour la détection des doigts et 24 mm pour la détection des mains. Le modèle, SLC4P24-160P44 de Banner Engineering, est un kit de barrière immatérielle de type 4 avec un réseau d'émetteurs et de récepteurs et a une résolution de 24 mm pour protéger les personnes et les machines comme les cobots (Figure 4). Les émetteurs comportent une rangée de diodes électroluminescentes infrarouges modulées et synchronisées. Les récepteurs ont une rangée correspondante de photodétecteurs synchronisés. Les émetteurs ont une portée de 2 mètres et ces barrières immatérielles peuvent être installées dans des longueurs de 160 à 320 mm par incréments de 80 mm.
Les scanners laser de sécurité et les barrières immatérielles offrent des moyens sans contact pour améliorer la sécurité des espaces de travail collaboratifs. Cependant, ils peuvent être difficiles à utiliser dans des environnements optiquement difficiles, comme les zones présentant des surfaces hautement réfléchissantes qui peuvent envoyer des interférences lumineuses indésirables, et ils peuvent se déclencher en raison d'une fuite d'huile ou de graisse ou d'une poussière ou d'une humidité excessive.
Certains de ces capteurs optiques incluent des réglages de sensibilité qui peuvent aider à atténuer certains types d'interférences. Ces ajustements de sensibilité peuvent également augmenter les temps de réponse et d’autres compromis sur les performances. Une autre solution consiste à utiliser un tapis de contact de sécurité avec des dispositifs de détection optique.
Tapis de contact de sécurité
Les tapis de contact de sécurité comportent deux plaques conductrices séparées par une couche isolante tramée et peuvent être utilisés seuls ou en combinaison avec d'autres types de capteurs. Si une personne marche sur le tapis, la plaque conductrice supérieure est enfoncée et entre en contact avec la plaque inférieure, déclenchant un signal d'alerte (Figure 5). L'extérieur des tapis est un matériau en polyuréthane antidérapant et imperméable à l'eau, à la saleté et à l'huile. Le tapis SENTIR modèle 1602-5533 d'ASO Safety Solutions peut connecter jusqu'à 10 tapis en série à une seule unité de surveillance pour une couverture maximale de 10 m2.
La sécurité est dans les détails
Il n’existe pas de formule unique garantissant la sécurité. Chaque application collaborative est différente et doit être gérée en fonction de ses caractéristiques et de ses besoins uniques. Un facteur clé est le suivant : où se situe l’application dans le continuum de collaboration (voir Figure 1) ? Plus l’interaction entre le cobot et les personnes est étroite, plus la protection est nécessaire.
Il y a plus de détails à considérer. Certains d'entre eux incluent :
- Chaque emplacement doit faire l'objet d'une évaluation détaillée des risques pour voir si le cobot a été déplacé d'un poste de travail à l'autre. Même s’ils semblent identiques, de petites variations peuvent faire une différence en termes de sécurité.
- Si d’autres machines se trouvent dans l’espace de travail collaboratif, doivent-elles être liées au système d’arrêt ou au ralentissement de sécurité du cobot ?
- Cet article s'est concentré sur le matériel lié à la sécurité, mais pour les systèmes en réseau qui sont de plus en plus courants, la cybersécurité est une considération importante pour éviter toute interférence avec le fonctionnement du cobot ou les systèmes de sécurité.
Conclusion
La sécurité des cobots est complexe. Cela commence par la définition de l’espace de travail collaboratif au sein de l’espace protégé et nécessite une évaluation des risques de l’opération collaborative. Les normes telles que l'ISO/TS 15066 et la série ISO 10218 sont importantes et fournissent des recommandations et des lignes directrices. Les cobots incluent des fonctionnalités de sécurité de base telles que des systèmes de détection de collision, un retour de force, des actionneurs élastiques et des servomoteurs à faible inertie. En fonction des spécificités de l'application collaborative, des dispositifs de sécurité supplémentaires tels que des capteurs de proximité, des barrières immatérielles et des tapis de contact de sécurité peuvent être nécessaires.