Collaboratieve robots (cobots) zijn ontworpen om met mensen samen te werken en flexibele productie in Industrie 4.0-fabrieken te ondersteunen. Vergeleken met traditionele industriële robots zijn cobots eenvoudiger, gemakkelijker in te stellen en vereisen ze geen veilig geïsoleerde werkruimtes. Omdat ze zijn ontworpen om met mensen te werken, zijn cobots anders gebouwd dan andere industriële robots, inclusief functies als botsingsdetectiesystemen, force feedback, elastische actuatoren en servomotoren met lage traagheid.
Omdat ze qua ontwerp verschillend zijn, zijn er specifieke veiligheidsnormen voor cobots ontwikkeld. De International Organization for Standardization Technical Specification (ISO/TS) 15066 specificeert veiligheidseisen voor industriële cobots en hun werkomgevingen. Het is een aanvulling op de vereisten en richtlijnen voor het gebruik van cobots in ISO 10218-1 en ISO 10218-2.
In dit artikel worden kort de eisen van ISO/TS 15066 besproken en hoe deze aansluiten bij ISO 10218-1 en 10218-2. Vervolgens wordt gekeken naar de complexiteit van samenwerking, inclusief hoe de samenwerkingswerkruimte wordt gedefinieerd. Het onderzoekt factoren die verband houden met de veiligheid van robots, zoals veiligheidsfuncties die in cobots zijn ingebouwd, en welke externe veiligheidsfuncties nodig zijn, samen met voorbeeldapparaten zoals naderingssensoren, lichtgordijnen en veiligheidscontactmatten. Het wordt afgesloten met een kort overzicht van enkele toepassingen die specifiek zijn voor cobotveiligheidsoverwegingen.
Er zijn verschillende belangrijke veiligheidsnormen voor industriële robots en cobots. ISO/TS 15066 beschrijft de veiligheidseisen voor industriële cobotsystemen en de werkomgeving en is geschreven om voort te bouwen op en een aanvulling te zijn op de beperkte eisen in eerdere normen zoals de ISO 10218-serie. ISO 10218-1 richt zich op algemene robots en robotapparatuur, terwijl ISO 10218-2 zich richt op robotsystemen en integratie. American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) R15.06 is een nationale adoptie van ISO 10218-1 en ISO 10218-2.
Complexiteiten van samenwerking
Voordat we ingaan op de details van de veiligheid van cobots, is het nuttig om samenwerking te definiëren. Samenwerking op het gebied van robotica is complex en omvat drie factoren:
- Een cobot is een “robot die is ontworpen voor directe interactie met een mens binnen een gedefinieerde samenwerkingswerkruimte”, aldus ANSI/RIA R15.06.
- Een collaboratieve operatie is een “staat waarin een doelbewust ontworpen robotsysteem en een operator werken binnen een collaboratieve werkruimte”, aldus ISO/TS 15066.
- Tenslotte is een collaboratieve werkruimte de “werkruimte binnen de beveiligde ruimte waar de robot en een mens gelijktijdig taken kunnen uitvoeren tijdens de productie”, aldus ANSI/RIA R15.06.
Het komt neer op de definitie van de collaboratieve werkruimte ‘binnen de beschermde ruimte’. De beveiligde ruimte omvat een veiligheidslaag naast de standaard veiligheidsfuncties van de cobot.
Veel voorkomende beschermende functies die in cobots zijn geïntegreerd, zijn onder meer contactdetectiesystemen op basis van koppelmetingen bij elk gewricht die controleren op onverwachte schokken, obstakels of overmatige krachten of koppel. Er moeten ook automatische remsystemen en handmatige remontgrendelingen zijn om de arm zonder stroom te kunnen bewegen.
Bijzonder zorgwekkend is het onverwachte contact met de persoon door de cobot. De normen schrijven voor dat contact overal op het hoofd van een persoon moet worden voorkomen. Bovendien verdeelt de standaard het lichaam in 29 specifieke gebieden en specificeert de beperkingen voor twee soorten contact:
- vergankelijk contact is een ontroerende, dynamische gebeurtenis waarbij de cobot een persoon raakt. Beperkingen zijn gebaseerd op locatie, traagheid en relatieve snelheid.
- Quasi-statisch Er ontstaat contact wanneer een lichaamsdeel bekneld raakt tussen de cobot en een oppervlak. Beperkingen zijn gebaseerd op druk en kracht gerelateerd aan verbrijzelings- en klemeffecten.
De specificatie biedt richtlijnen, geen absolute grenzen, gebaseerd op toepassingsoverwegingen. Er wordt ook gesteld dat de richtlijnen informatief zijn en de huidige best practices weerspiegelen, aangezien samenwerking tussen mensen en robots een nieuw vakgebied is en er nog onderzoek gaande is.
Continuüm van samenwerking
Er is niet één gezamenlijke toepassing. Mensen en cobots kunnen op verschillende manieren communiceren en samenwerken. Collaboratieve toepassingen variëren van co-existentie, waarbij een robot onder stroom stopt wanneer een persoon de collaboratieve werkruimte betreedt, tot een interactieve activiteit waarbij de persoon de cobot aanraakt terwijl deze in werking is (Figuur 1).
Er is een risicobeoordeling nodig om de veiligheidsbehoeften van individuele samenwerkingstoepassingen te identificeren. Het omvat het identificeren, evalueren en verminderen van de gevaren en risico's die aan de toepassing zijn verbonden. ISO 10218 bevat een lijst met veiligheidsvoorzieningen die onder verschillende omstandigheden geschikt kunnen zijn, maar geen definitieve eisen. ISO/TS 15066 biedt aanvullende details voor cobotrisicobeoordelingen. In elk geval is het doel van de risicobeoordeling het identificeren van externe veiligheidsapparaten en -systemen die nodig zijn om de veilige implementatie van samenwerkingstoepassingen te garanderen.
Voor een diepere duik in risicobeoordeling en robots, zie het artikel “Veilig en efficiënt integreren van AMR’s in Industrie 4.0-operaties voor maximaal voordeel.”
Bescherming en efficiëntie
Hoewel cobots zijn ontworpen voor een veilige werking, kunnen extra beschermingslagen de efficiëntie van samenwerkingstoepassingen verbeteren. Zonder extra veiligheid schrijft ISO/TS 15066, wanneer een persoon de collaboratieve werkruimte betreedt, een maximale snelheid van 0.25 meter per seconde (m/s) per as voor. Voor de meeste cobots is dat erg traag.
Zo heeft de LXMRL12S0000 Lexium cobot van Schneider Electric een maximaal laadvermogen van 12 kilogram (kg), een werkradius (werkbereik) van 1327 millimeter (mm), positioneringsnauwkeurigheid van ±0.03 mm en een maximale snelheid van het gereedschapuiteinde van 3 meter per seconde (m/s), 12 keer sneller dan het maximum toegestaan door ISO/TS 15066 wanneer een persoon zich in de collaboratieve werkruimte bevindt (Figuur 2).
In veel toepassingen kan de cobot langere tijd alleen opereren. Het detecteren van de aan- of afwezigheid van mensen in de collaboratieve werkruimte kan dus een veel snellere werking en een hogere efficiëntie mogelijk maken als er niemand aanwezig is. Veelgebruikte apparaten voor het detecteren van de aanwezigheid van mensen zijn onder meer veiligheidsscanners, lichtgordijnen en veiligheidscontactvloermatten. Elk technologie biedt een andere reeks voordelen, en deze worden vaak in combinatie gebruikt.
Veiligheidsscanners
Veiligheidsscanners bewaken een aangewezen gebied om de aanwezigheid van mensen te detecteren. Ze kunnen bepalen hoe ver iemand verwijderd is en kunnen naast de actieve veiligheidszone verschillende waarschuwingszones implementeren.
Omrons model OS32C-SP1-4M is een goed voorbeeld van een veiligheidslaserscanner ontworpen voor gebruik met cobots. Het heeft een veiligheidsradius van maximaal 4 meter (m) en kan meerdere waarschuwingszones tot 15 meter ondersteunen. Het bevat 70 standaardsets met combinaties van veiligheidszones en waarschuwingszones ter ondersteuning van ingewikkelde samenwerkingswerkplekken. Bovendien kan de minimale objectresolutie worden ingesteld op 30, 40, 50 of 70 mm, en kan de responstijd variëren van 80 milliseconden (ms) tot 680 ms, waardoor de flexibiliteit van de toepassing verder wordt vergroot (Afbeelding 3).
Lichte gordijnen
Lichtgordijnen kunnen de aanwezigheid van mensen meten en kunnen worden ontworpen om objecten van verschillende groottes, zoals vingers of handen, te detecteren. In tegenstelling tot veiligheidsscanners meten lichtgordijnen geen afstand. Ze sturen een reeks lichtstralen tussen lineaire zender- en ontvangerarrays en kunnen detecteren wanneer een object een of meer stralen breekt.
Wat de veiligheidsclassificaties betreft, zijn er twee primaire lichtgordijnclassificaties: Type 2 en Type 4. Ze zien er hetzelfde uit, maar zijn ontworpen om verschillende veiligheidsniveaus te bieden. Type 4 bewaakt de beveiligde ruimte die een samenwerkingswerkruimte definieert. Type 2 lichtgordijnen zijn ontworpen voor toepassingen met een lager risico.
Lichtgordijnen bewaken de perimeter en zijn verkrijgbaar met verschillende resolutieniveaus, zoals 14 millimeter (mm) voor vingerdetectie en 24 mm voor handdetectie. Het model, SLC4P24-160P44 van Banner Engineering, is een Type 4 lichtgordijnkit met een zender- en ontvangerarray en heeft een resolutie van 24 mm om mensen en machines zoals cobots te beschermen (Figuur 4). De zenders hebben een rij gesynchroniseerde gemoduleerde infrarood lichtgevende diodes. Ontvangers hebben een overeenkomstige rij gesynchroniseerde fotodetectoren. De emitters hebben een bereik van 2 meter en deze lichtschermen kunnen worden geïnstalleerd in lengtes van 160 tot 320 mm in stappen van 80 mm.
Veiligheidslaserscanners en lichtgordijnen bieden contactloze middelen om de veiligheid van samenwerkingswerkplekken te vergroten. Ze kunnen echter moeilijk te gebruiken zijn in optisch uitdagende omgevingen, zoals gebieden met sterk reflecterende oppervlakken die ongewenste lichtinterferentie kunnen veroorzaken, en ze kunnen struikelen vanwege lekkende olie of vet of overmatig stof of vocht.
Sommige van deze optische sensoren bevatten gevoeligheidsaanpassingen die bepaalde soorten interferentie kunnen helpen verminderen. Deze gevoeligheidsaanpassingen kunnen ook de responstijden en andere prestatiecompromissen vergroten. Een andere oplossing is het gebruik van een veiligheidscontactmat in combinatie met optische detectieapparatuur.
Veiligheidscontactmatten
Veiligheidscontactmatten hebben twee geleidende platen gescheiden door een gerasterde isolatielaag en kunnen alleen of in combinatie met andere soorten sensoren worden gebruikt. Als een persoon op de mat stapt, wordt de bovenste geleidende plaat ingedrukt en maakt deze contact met de onderste plaat, waardoor een waarschuwingssignaal wordt geactiveerd (Figuur 5). De buitenkant van de matten is gemaakt van polyurethaanmateriaal dat antislip en ondoordringbaar is voor water, vuil en olie. Het SENTIR-matmodel 1602-5533 van ASO Safety Solutions kan maximaal 10 matten in serie aansluiten op één enkele bewakingseenheid voor een maximale dekking van 10 m2.
Veiligheid zit in de details
Er bestaat niet één formule die de veiligheid garandeert. Elke samenwerkingstoepassing is anders en moet worden afgehandeld op basis van de unieke kenmerken en behoeften ervan. Een sleutelfactor is: waar ligt de toepassing op het continuüm van samenwerking (zie figuur 1)? Hoe nauwer de interactie tussen de cobot en de mens, hoe meer borging nodig is.
Er zijn meer details waarmee u rekening moet houden. Sommigen van hen omvatten:
- Elke locatie moet een gedetailleerde risicobeoordeling ondergaan om te zien of de cobot van werkstation naar werkstation is verplaatst. Zelfs als ze hetzelfde lijken, kunnen kleine variaties een verschil maken in de veiligheid.
- Als er andere machines in de collaboratieve werkruimte staan, moeten deze dan worden gekoppeld aan het shutdown-systeem of de veiligheidsvertraging voor de cobot?
- Dit artikel heeft zich geconcentreerd op veiligheidsgerelateerde hardware, maar voor netwerksystemen die steeds vaker voorkomen, is cybersecurity een belangrijke overweging om interferentie met de werking van de cobot of de veiligheidssystemen te voorkomen.
Conclusie
De veiligheid van cobots is complex. Het begint met het definiëren van de collaboratieve werkruimte binnen de beveiligde ruimte en vereist een risicobeoordeling van de collaboratieve operatie. Normen als ISO/TS 15066 en de ISO 10218-serie zijn belangrijk en geven aanbevelingen en richtlijnen. Cobots omvatten basisveiligheidsvoorzieningen zoals botsingsdetectiesystemen, force feedback, elastische actuatoren en servomotoren met lage traagheid. Afhankelijk van de specifieke kenmerken van de samenwerkingstoepassing kunnen aanvullende veiligheidsvoorzieningen zoals nabijheidssensoren, lichtgordijnen en veiligheidscontactmatten nodig zijn.