協働ロボット (コボット) は、人間と協働してインダストリー 4.0 の工場での柔軟な生産をサポートするように設計されています。従来の産業用ロボットと比較して、協働ロボットはシンプルでセットアップが簡単で、安全に隔離された作業スペースを必要としません。協働ロボットは人と協働するように設計されているため、衝突検出システム、力フィードバック、弾性アクチュエータ、低慣性サーボ モーターなどの機能を含め、他の産業用ロボットとは異なる方法で構築されています。
協働ロボットは設計によって異なるため、協働ロボット用に特定の安全基準が開発されています。国際標準化機構技術仕様 (ISO/TS) 15066 は、産業用協働ロボットとその作業環境の安全要件を指定しています。これは、ISO 10218‑1 および ISO 10218‑2 のコボット操作に関する要件とガイダンスを補足するものです。
この記事では、ISO/TS 15066 の要件と、それが ISO 10218-1 および 10218-2 にどのように適合するかを簡単に説明します。次に、共同作業スペースの定義方法など、共同作業の複雑さを考慮します。協働ロボットに組み込まれた安全機能や必要な外部安全機能など、ロボットの安全性に関連する要素を、近接センサー、ライト カーテン、安全接触マットなどの例示的なデバイスとともに検証します。最後に、協働ロボットの安全性に関する考慮事項に特化したいくつかのアプリケーションを簡単にレビューします。
産業用ロボットと協働ロボットには、いくつかの重要な安全基準があります。 ISO/TS 15066 は、産業用協働ロボット システムと作業環境の安全要件を詳しく規定しており、ISO 10218 シリーズなどの以前の規格の限定的な要件に基づいて構築され、それを補足するために作成されました。 ISO 10218-1 は一般的なロボットとロボット デバイスに焦点を当てており、ISO 10218-2 はロボット システムと統合に焦点を当てています。米国国家規格協会/ロボット産業協会 (ANSI/RIA) R15.06 は、ISO 10218-1 および ISO 10218-2 の国内採用です。
コラボレーションの複雑さ
協働ロボットの安全性の詳細に入る前に、コラボレーションを定義することが役立ちます。ロボット工学におけるコラボレーションは複雑であり、次の 3 つの要素が含まれます。
- ANSI/RIA R15.06 によれば、協働ロボットは「定義された共同作業空間内で人間と直接対話するように設計されたロボット」です。
- ISO/TS 15066 によれば、協調動作とは、「意図的に設計されたロボット システムとオペレーターが協調作業スペース内で作業する状態」です。
- 最後に、共同作業スペースとは、ANSI/RIA R15.06 によると、「製造作業中にロボットと人間が同時にタスクを実行できる、安全な空間内の作業スペース」です。
それは、「安全な空間内」の共同作業スペースの定義に帰着します。安全に保護されたスペースには、協働ロボットに含まれる標準の安全機能に加えて、安全保護層が含まれています。
協働ロボットに統合されている一般的な保護機能には、予期せぬ衝撃、障害物、過剰な力やトルクを監視する各関節のトルク測定に基づく接触検出システムが含まれます。自動ブレーキシステムや、力を使わずにアームを動かすための手動ブレーキ解除システムも必要です。
協働ロボットによる人との予期せぬ接触が特に懸念されます。基準では、人の頭のどの部分でも接触を防止する必要があると規定されています。さらに、この規格では身体を 29 の特定の領域に分割し、次の XNUMX 種類の接触に対する制限を詳しく規定しています。
- トランジェント 接触は、協働ロボットが人に衝突する、移動する動的なイベントです。制限は、位置、慣性、および相対速度に基づきます。
- 準静的 接触は、体の一部が協働ロボットと表面の間に挟まれたときに発生します。制限は、粉砕およびクランプ効果に関連する圧力と力に基づいています。
この仕様は、アプリケーションの考慮事項に基づいて、絶対的な制限ではなくガイダンスを提供します。また、人とロボットのコラボレーションは新しい分野であり、研究が進行中であるため、このガイダンスは有益であり、現在のベストプラクティスを反映しているとも述べています。
コラボレーションの継続
単一の共同アプリケーションはありません。人間と協働ロボットは、さまざまな方法で対話し、共同作業を行うことができます。共同作業のアプリケーションは、人間が共同作業スペースに入るとロボットが電力を供給されて停止する共存から、動作中に人間が協働ロボットに触れて行う対話型アクティビティまで多岐にわたります (図 1)。
個々の連携アプリケーションの安全性のニーズを特定するには、リスク評価が必要です。これには、アプリケーションに関連する危険性とリスクを特定、評価、軽減することが含まれます。 ISO 10218 には、さまざまな状況に適した安全機能のリストが含まれていますが、明確な要件はありません。 ISO/TS 15066 は、協働ロボットのリスク評価にさらなる詳細をもたらします。いずれの場合も、リスク評価の目標は、連携アプリケーションの安全な実装を保証するために必要な外部の安全装置とシステムを特定することです。
リスク評価とロボットについてさらに詳しく知りたい場合は、「最大限の利益を得るために AMR をインダストリー 4.0 の運用に安全かつ効率的に統合する」の記事を参照してください。
保護と効率
協働ロボットは安全に操作できるように設計されていますが、追加の保護層により共同アプリケーションの効率を向上させることができます。追加の安全性がなければ、人が共同作業スペースに入るとき、ISO/TS 15066 では軸ごとに最大速度 0.25 メートル/秒 (m/s) が義務付けられています。ほとんどの協働ロボットにとって、これは非常に遅いです。
たとえば、シュナイダーエレクトリックの LXMRL12S0000 Lexium コボットは、最大可搬質量 12 キログラム (kg)、動作半径 (作業範囲) 1327 ミリメートル (mm)、位置決め精度 ±0.03 mm、ツールエンドの最大速度を備えています。これは、人が共同作業スペースにいるときに ISO/TS 3 で許可されている最大速度の 12 倍です (図 15066)。
多くの用途では、協働ロボットは長期間単独で動作する可能性があります。したがって、共同ワークスペース内の人の有無を感知することで、誰もいない場合の操作をより高速化し、効率を高めることができます。人の存在を感知する一般的なデバイスには、セーフティ スキャナ、ライト カーテン、セーフティ コンタクト フロア マットなどがあります。それぞれ テクノロジー にはさまざまなメリットがあり、組み合わせて使用されることがよくあります。
安全スキャナー
セーフティスキャナは、指定されたエリアを監視して人の存在を検出します。人がどれだけ離れているかを判断し、アクティブな安全ゾーンに加えてさまざまな警告ゾーンを実装できます。
オムロンのモデル OS32C-SP1-4M は、協働ロボットで使用するために設計されたセーフティ レーザー スキャナの好例です。安全半径は最大 4 メートル (m) で、最大 15 メートルの複数の警告ゾーンをサポートできます。これには、複雑な共同ワークスペースをサポートする、安全ゾーンと警告ゾーンの組み合わせの 70 の標準セットが含まれています。さらに、最小オブジェクト解像度は 30、40、50、または 70 mm に設定でき、応答時間は 80 ミリ秒 (ms) から最大 680 ミリ秒の範囲で設定できるため、アプリケーションの柔軟性がさらに向上します (図 3)。
ライトカーテン
ライト カーテンは人の存在を測定でき、指や手などのさまざまなサイズの物体を検出できるように設計できます。セーフティスキャナとは異なり、ライトカーテンは距離を測定しません。これらは、線形エミッターアレイとレシーバーアレイの間に一連の光ビームを送信し、物体が 1 つ以上のビームを遮断したときを感知できます。
安全性評価に関しては、ライト カーテンにはタイプ 2 とタイプ 4 の 4 つの主な分類があります。これらは外観は似ていますが、異なるレベルの安全性を提供するように設計されています。タイプ 2 は、共同作業スペースを定義する保護されたスペースを監視します。タイプ XNUMX ライト カーテンは、リスクの低いアプリケーション向けに設計されています。
ライト カーテンは周囲を保護し、指検出には 14 ミリメートル (mm)、手検出には 24 mm など、いくつかのレベルの解像度が利用可能です。 Banner Engineering のモデル SLC4P24-160P44 は、エミッターとレシーバーのアレイを備えたタイプ 4 ライト カーテン キットで、人や協働ロボットなどの機械を保護するために 24 mm の解像度を備えています (図 4)。エミッタには、同期変調された赤外発光ダイオードの列があります。受信機には、対応する同期光検出器の行があります。エミッタの到達距離は 2 メートルで、これらのライト カーテンは 160 ～ 320 mm まで 80 mm 刻みで設置できます。
セーフティ レーザー スキャナとライト カーテンは、共同作業スペースの安全性を高めるための非接触手段を提供します。ただし、不要な光の干渉を引き起こす可能性のある反射性の高い表面があるエリアなど、光学的に困難な環境では使用が困難な場合があり、オイルやグリースの漏れ、過度のほこりや湿気が原因でつまずく可能性があります。
これらの光学センサーの一部には、特定の種類の干渉を軽減するのに役立つ感度調整が含まれています。これらの感度調整により、応答時間が増加したり、その他のパフォーマンスが低下したりする可能性もあります。もう 1 つの解決策は、安全接触マットを光学センシング デバイスと一緒に使用することです。
安全接触マット
安全接触マットには、ラスタライズされた絶縁層で分離された 5 つの導電プレートがあり、単独で使用することも、他のタイプのセンサーと組み合わせて使用することもできます。人がマットを踏むと、上部の導電性プレートが押し下げられ、下部のプレートに接触し、警告信号がトリガーされます (図 1602)。マットの外側は滑りにくく、水、汚れ、油が染み込みにくいポリウレタン素材です。 ASO Safety Solutions の SENTIR マット モデル 5533-10 は、最大 10 m のカバー範囲で単一の監視ユニットに最大 XNUMX マットを直列に接続できます。2.
安全性は細部に宿ります
安全性を保証する単一の公式はありません。すべてのコラボレーション アプリケーションは異なり、その固有の特性とニーズに基づいて処理する必要があります。重要な要素は、アプリケーションがコラボレーションの連続体のどこに位置するかということです (図 1 を参照)。協働ロボットと人間との相互作用が緊密であればあるほど、より多くの安全対策が必要になります。
さらに詳細に考慮すべき点があります。そのうちのいくつかは次のとおりです。
- 協働ロボットがワークステーションからワークステーションへと移動したかどうかを確認するには、各場所で詳細なリスク評価を受ける必要があります。たとえ同じように見えても、小さな違いが安全性に違いをもたらす可能性があります。
- 他のマシンが共同作業スペース内にある場合、それらのマシンをシャットダウン システムまたは協働ロボットの安全減速にリンクする必要がありますか?
- この記事では安全関連のハードウェアに焦点を当ててきましたが、ますます一般的になっているネットワーク システムでは、協働ロボットの動作や安全システムへの干渉を防ぐためにサイバーセキュリティが重要な考慮事項となります。
まとめ
コボットの安全性は複雑です。これは、保護されたスペース内で共同作業スペースを定義することから始まり、共同作業のリスク評価が必要になります。 ISO/TS 15066 や ISO 10218 シリーズなどの規格は重要であり、推奨事項とガイドラインを提供します。コボットには、衝突検出システム、フォース フィードバック、弾性アクチュエーター、低慣性サーボ モーターなどの基本的な安全機能が含まれています。共同作業アプリケーションの詳細によっては、近接センサー、ライト カーテン、安全接触マットなどの追加の安全装置が必要になる場合があります。