I robot collaborativi (cobot) sono progettati per lavorare con gli esseri umani e supportare la produzione flessibile nelle fabbriche dell’Industria 4.0. Rispetto ai robot industriali tradizionali, i cobot sono più semplici, più facili da configurare e non richiedono spazi di lavoro isolati in modo sicuro. Poiché sono progettati per lavorare con le persone, i cobot sono costruiti in modo diverso rispetto ad altri robot industriali, includendo funzionalità come sistemi di rilevamento delle collisioni, feedback di forza, attuatori elastici e servomotori a bassa inerzia.
Poiché sono diversi per progettazione, sono stati sviluppati standard di sicurezza specifici per i cobot. La specifica tecnica 15066 dell'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO/TS) specifica i requisiti di sicurezza per i cobot industriali e i loro ambienti di lavoro. Integra i requisiti e le linee guida sul funzionamento dei cobot nelle norme ISO 10218‑1 e ISO 10218‑2.
Questo articolo esamina brevemente i requisiti della norma ISO/TS 15066 e il modo in cui si adattano alle norme ISO 10218-1 e 10218-2. Successivamente vengono prese in considerazione le complessità della collaborazione, compreso il modo in cui viene definito lo spazio di lavoro collaborativo. Esamina i fattori relativi alla sicurezza dei robot, come le funzionalità di sicurezza integrate nei cobot, e quali funzioni di sicurezza esterne sono necessarie, insieme a dispositivi esemplari come sensori di prossimità, barriere fotoelettriche e tappetini di contatto di sicurezza. Si chiude con una breve rassegna di alcune applicazioni specifiche per considerazioni sulla sicurezza dei cobot.
Esistono diversi standard di sicurezza chiave per robot e cobot industriali. La norma ISO/TS 15066 descrive dettagliatamente i requisiti di sicurezza per i sistemi cobot industriali e l'ambiente di lavoro ed è stata scritta per basarsi e integrare i requisiti limitati degli standard precedenti come la serie ISO 10218. La norma ISO 10218-1 si concentra sui robot generali e sui dispositivi robotici, mentre la norma ISO 10218-2 si concentra sui sistemi robotici e sull'integrazione. American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) R15.06 è un'adozione nazionale degli standard ISO 10218-1 e ISO 10218-2.
Complessità della collaborazione
Prima di entrare nei dettagli della sicurezza dei cobot, è utile definire la collaborazione. La collaborazione nella robotica è complessa e comprende tre fattori:
- Un cobot è un “robot progettato per l’interazione diretta con un essere umano all’interno di uno spazio di lavoro collaborativo definito”, secondo ANSI/RIA R15.06.
- Un'operazione collaborativa è uno "stato in cui un sistema robotico appositamente progettato e un operatore lavorano all'interno di uno spazio di lavoro collaborativo", secondo la norma ISO/TS 15066.
- Infine, uno spazio di lavoro collaborativo è lo “spazio di lavoro all’interno dello spazio protetto in cui il robot e un essere umano possono eseguire attività simultaneamente durante le operazioni di produzione”, secondo ANSI/RIA R15.06.
Si tratta della definizione dello spazio di lavoro collaborativo “all’interno dello spazio salvaguardato”. Lo spazio protetto include uno strato di protezione di sicurezza oltre alle funzioni di sicurezza standard incluse nel cobot.
Le caratteristiche protettive comuni integrate nei cobot includono sistemi di rilevamento dei contatti basati sulla misurazione della coppia su ogni giunto che monitorano impatti imprevisti, ostruzioni o forze o coppie eccessive. Dovrebbero esserci anche sistemi di frenatura automatica e rilascio manuale dei freni per muovere il braccio senza alimentazione.
Il contatto inaspettato con la persona da parte del cobot è una preoccupazione particolare. Gli standard impongono che il contatto debba essere impedito in qualsiasi punto della testa di una persona. Inoltre, la norma suddivide il corpo in 29 aree specifiche e specifica le limitazioni per due tipi di contatto:
- transitorio il contatto è un evento commovente e dinamico in cui il cobot colpisce una persona. Le limitazioni si basano sulla posizione, sull'inerzia e sulla velocità relativa.
- Quasi statico il contatto avviene quando una parte del corpo rimane intrappolata tra il cobot e una superficie. Le limitazioni si basano sulla pressione e sulla forza legate agli effetti di schiacciamento e bloccaggio.
La specifica fornisce indicazioni, non limiti assoluti, in base a considerazioni applicative. Si afferma inoltre che la guida è informativa e riflette le migliori pratiche attuali poiché la collaborazione tra persone e robot è un campo nuovo e la ricerca è in corso.
Continuità di collaborazione
Non esiste un'unica applicazione collaborativa. Le persone e i cobot possono interagire e collaborare in un continuum di modi. Le applicazioni collaborative spaziano dalla coesistenza, in cui un robot si ferma sotto tensione quando una persona entra nello spazio di lavoro collaborativo, a un'attività interattiva con la persona che tocca il cobot durante il funzionamento (Figura 1).
È necessaria una valutazione del rischio per identificare le esigenze di sicurezza delle singole applicazioni collaborative. Comprende l'identificazione, la valutazione e la riduzione dei pericoli e dei rischi associati all'applicazione. La norma ISO 10218 include un elenco di caratteristiche di sicurezza che possono essere appropriate in varie circostanze ma nessun requisito definitivo. La norma ISO/TS 15066 apporta ulteriori dettagli alle valutazioni dei rischi dei cobot. In ciascun caso, l'obiettivo della valutazione del rischio è identificare i dispositivi e i sistemi di sicurezza esterni necessari per garantire l'implementazione sicura delle applicazioni collaborative.
Per un approfondimento sulla valutazione del rischio e sui robot, consultare l’articolo “Integrazione sicura ed efficiente degli AMR nelle operazioni dell’Industria 4.0 per il massimo beneficio”.
Protezione ed efficienza
Sebbene i cobot siano progettati per un funzionamento sicuro, livelli di protezione aggiuntivi possono migliorare l’efficienza delle applicazioni collaborative. Senza ulteriore sicurezza, quando una persona entra nello spazio di lavoro collaborativo, la norma ISO/TS 15066 impone una velocità massima di 0.25 metri al secondo (m/s) per asse. Per la maggior parte dei cobot, è un processo molto lento.
Ad esempio, il cobot Lexium LXMRL12S0000 di Schneider Electric ha un carico utile massimo di 12 chilogrammi (kg), un raggio operativo (campo di lavoro) di 1327 millimetri (mm), una precisione di posizionamento di ±0.03 mm e una velocità massima dell'estremità dell'utensile di 3 metri al secondo (m/s), 12 volte più veloce del massimo consentito dalla norma ISO/TS 15066 quando una persona si trova nello spazio di lavoro collaborativo (Figura 2).
In molte applicazioni, il cobot può funzionare da solo per lunghi periodi. Pertanto, rilevare la presenza o l'assenza di persone nello spazio di lavoro collaborativo può consentire operazioni molto più rapide e una maggiore efficienza quando nessuno è presente. I dispositivi comuni per rilevare la presenza di persone includono scanner di sicurezza, barriere fotoelettriche e tappetini con contatto di sicurezza. Ogni la tecnologia offre una serie diversa di vantaggi e vengono spesso utilizzati in combinazione.
Scanner di sicurezza
Gli scanner di sicurezza monitorano un'area designata per rilevare la presenza di persone. Possono determinare la distanza di una persona e implementare diverse zone di allarme oltre alla zona di sicurezza attiva.
Il modello OS32C-SP1-4M di Omron è un buon esempio di laser scanner di sicurezza progettato per l'uso con i cobot. Ha un raggio di sicurezza fino a 4 metri (m) e può supportare più zone di allarme fino a 15 m. Comprende 70 set standard di combinazioni di zone di sicurezza e zone di avviso per supportare complicati spazi di lavoro collaborativi. Inoltre, la risoluzione minima dell'oggetto può essere impostata su 30, 40, 50 o 70 mm e il tempo di risposta può variare da 80 millisecondi (ms) fino a 680 ms, aumentando ulteriormente la flessibilità dell'applicazione (Figura 3).
Barriere fotoelettriche
Le barriere fotoelettriche possono misurare la presenza di persone e possono essere progettate per rilevare oggetti di varie dimensioni, come dita o mani. A differenza degli scanner di sicurezza, le barriere fotoelettriche non misurano la distanza. Inviano una serie di raggi luminosi tra l'emettitore lineare e gli array di ricevitori e possono rilevare quando un oggetto rompe uno o più raggi.
In termini di livelli di sicurezza, esistono due classificazioni principali delle barriere fotoelettriche: Tipo 2 e Tipo 4. Hanno un aspetto esteriore simile ma sono progettate per fornire diversi livelli di sicurezza. Il tipo 4 monitora lo spazio protetto che definisce uno spazio di lavoro collaborativo. Le barriere fotoelettriche di tipo 2 sono progettate per applicazioni a rischio inferiore.
Le barriere fotoelettriche proteggono i perimetri e sono disponibili con diversi livelli di risoluzione, come 14 millimetri (mm) per il rilevamento delle dita e 24 mm per il rilevamento delle mani. Il modello, SLC4P24-160P44 di Banner Engineering, è un kit di barriere fotoelettriche di tipo 4 con un array di emettitori e ricevitori e ha una risoluzione di 24 mm per proteggere persone e macchine come i cobot (Figura 4). Gli emettitori hanno una fila di diodi emettitori di luce infrarossa modulata sincronizzata. I ricevitori hanno una fila corrispondente di fotorilevatori sincronizzati. Gli emettitori hanno una portata di 2 metri e queste barriere fotoelettriche possono essere installate in lunghezze da 160 a 320 mm con incrementi di 80 mm.
Gli scanner laser di sicurezza e le barriere fotoelettriche forniscono mezzi senza contatto per migliorare la sicurezza degli spazi di lavoro collaborativi. Tuttavia, possono essere difficili da utilizzare in ambienti otticamente difficili come aree con superfici altamente riflettenti che possono inviare interferenze luminose indesiderate e possono inciampare a causa di perdite di olio o grasso o di polvere o umidità eccessive.
Alcuni di questi sensori ottici includono regolazioni della sensibilità che possono aiutare a mitigare alcuni tipi di interferenze. Tali regolazioni della sensibilità possono anche aumentare i tempi di risposta e altri compromessi sulle prestazioni. Un'altra soluzione consiste nell'utilizzare un tappeto di contatto di sicurezza insieme a dispositivi di rilevamento ottici.
Tappetini di contatto di sicurezza
I tappetini di contatto di sicurezza hanno due piastre conduttive separate da uno strato isolante rasterizzato e possono essere utilizzati da soli o in combinazione con altri tipi di sensori. Se una persona sale sul tappeto, la piastra conduttiva superiore viene abbassata e entra in contatto con la piastra inferiore, attivando un segnale di avviso (Figura 5). L'esterno dei tappetini è un materiale poliuretanico antiscivolo e impermeabile all'acqua, allo sporco e all'olio. Il tappeto SENTIR modello 1602-5533 di ASO Safety Solutions può collegare fino a 10 tappeti in serie ad un'unica unità di monitoraggio per una copertura massima di 10 m2.
La sicurezza è nei dettagli
Non esiste una formula unica che garantisca la sicurezza. Ogni applicazione collaborativa è diversa e deve essere gestita in base alle sue caratteristiche ed esigenze uniche. Un fattore chiave è: dove si trova l’applicazione nel continuum della collaborazione (vedere Figura 1)? Quanto più stretta è l’interazione tra il cobot e le persone, tanto maggiore è la protezione necessaria.
Ci sono più dettagli da considerare. Alcuni di essi includono:
- Ciascuna sede deve essere sottoposta a una valutazione dettagliata del rischio per verificare se il cobot è stato spostato da una postazione di lavoro all'altra. Anche se sembrano uguali, piccole variazioni possono fare la differenza in termini di sicurezza.
- Se nello spazio di lavoro collaborativo sono presenti altre macchine, è necessario collegarle al sistema di spegnimento o al rallentamento di sicurezza per il cobot?
- Questo articolo si è concentrato sull'hardware relativo alla sicurezza, ma per i sistemi collegati in rete che sono sempre più comuni, la sicurezza informatica è una considerazione importante per prevenire interferenze con il funzionamento del cobot o con i sistemi di sicurezza.
Conclusione
La sicurezza dei cobot è complessa. Inizia con la definizione dello spazio di lavoro collaborativo all'interno dello spazio protetto e richiede una valutazione del rischio dell'operazione collaborativa. Standard come ISO/TS 15066 e la serie ISO 10218 sono importanti e forniscono raccomandazioni e linee guida. I cobot includono funzionalità di sicurezza di base come sistemi di rilevamento delle collisioni, feedback di forza, attuatori elastici e servomotori a bassa inerzia. A seconda delle specifiche dell'applicazione collaborativa, potrebbero essere necessari dispositivi di sicurezza aggiuntivi come sensori di prossimità, barriere fotoelettriche e tappetini di contatto di sicurezza.