Os robôs colaborativos (cobots) são projetados para trabalhar com humanos e apoiar a produção flexível nas fábricas da Indústria 4.0. Em comparação com os robôs industriais tradicionais, os cobots são mais simples, mais fáceis de configurar e não requerem espaços de trabalho isolados com segurança. Por serem projetados para trabalhar com pessoas, os cobots são construídos de forma diferente de outros robôs industriais, incluindo recursos como sistemas de detecção de colisão, feedback de força, atuadores elásticos e servomotores de baixa inércia.
Como são diferentes em termos de design, foram desenvolvidas normas de segurança específicas para cobots. A Especificação Técnica da Organização Internacional para Padronização (ISO/TS) 15066 especifica requisitos de segurança para cobots industriais e seus ambientes de trabalho. Ele complementa os requisitos e orientações sobre operação de cobots na ISO 10218-1 e ISO 10218-2.
Este artigo analisa brevemente os requisitos da ISO/TS 15066 e como eles se enquadram na ISO 10218-1 e 10218-2. Em seguida, considera as complexidades da colaboração, incluindo como o espaço de trabalho colaborativo é definido. Ele examina fatores relacionados à segurança do robô, como recursos de segurança integrados aos cobots e quais funções de segurança externas são necessárias, juntamente com dispositivos exemplares como sensores de proximidade, cortinas de luz e tapetes de contato de segurança. Encerra com uma breve revisão de algumas aplicações específicas para considerações de segurança de cobots.
Existem vários padrões importantes de segurança para robôs industriais e cobots. A ISO/TS 15066 detalha os requisitos de segurança para sistemas cobot industriais e o ambiente de trabalho e foi escrita para desenvolver e complementar os requisitos limitados de normas anteriores, como a série ISO 10218. A ISO 10218-1 concentra-se em robôs e dispositivos robóticos em geral, enquanto a ISO 10218-2 concentra-se em sistemas robóticos e integração. American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) R15.06 é uma adoção nacional da ISO 10218-1 e ISO 10218-2.
Complexidades de colaboração
Antes de entrar nos detalhes da segurança do cobot, é útil definir colaboração. A colaboração em robótica é complexa e inclui três fatores:
- Um cobot é um “robô projetado para interação direta com um ser humano dentro de um espaço de trabalho colaborativo definido”, de acordo com ANSI/RIA R15.06.
- Uma operação colaborativa é um “estado em que um sistema robótico projetado propositadamente e um operador trabalham dentro de um espaço de trabalho colaborativo”, de acordo com a ISO/TS 15066.
- Finalmente, um espaço de trabalho colaborativo é o “espaço de trabalho dentro do espaço protegido onde o robô e um humano podem realizar tarefas simultaneamente durante a operação de produção”, de acordo com ANSI/RIA R15.06.
Tudo se resume à definição do espaço de trabalho colaborativo “dentro do espaço salvaguardado”. O espaço protegido inclui uma camada de proteção de segurança, além das funções de segurança padrão incluídas no cobot.
Os recursos de proteção comuns integrados aos cobots incluem sistemas de detecção de contato baseados em medições de torque em cada junta que monitoram impactos inesperados, obstruções ou forças ou torque excessivos. Também deve haver sistemas de frenagem automática e liberação manual de freio para mover o braço sem força.
O contacto inesperado com a pessoa por parte do cobot é uma preocupação particular. Os padrões determinam que o contato deve ser evitado em qualquer lugar da cabeça de uma pessoa. Além disso, a norma divide o corpo em 29 áreas específicas e detalha limitações para dois tipos de contato:
- transitório o contato é um evento comovente e dinâmico onde o cobot atinge uma pessoa. As limitações são baseadas na localização, inércia e velocidade relativa.
- Quase estático o contato ocorre quando uma parte do corpo fica presa entre o cobot e uma superfície. As limitações baseiam-se na pressão e na força relacionadas aos efeitos de esmagamento e fixação.
A especificação fornece orientação, e não limites absolutos, com base em considerações de aplicação. Afirma também que a orientação é informativa e reflete as melhores práticas atuais, uma vez que a colaboração entre pessoas e robôs é um campo novo e a investigação está em curso.
Continuidade de colaboração
Não existe um único aplicativo colaborativo. Pessoas e cobots podem interagir e colaborar de diversas maneiras. As aplicações colaborativas variam desde a coexistência, onde um robô para quando uma pessoa entra no espaço de trabalho colaborativo, até uma atividade interativa com a pessoa tocando o cobot durante a operação (Figura 1).
Uma avaliação de risco é necessária para identificar as necessidades de segurança de aplicações colaborativas individuais. Inclui identificar, avaliar e reduzir os perigos e riscos associados à aplicação. A ISO 10218 inclui uma lista de recursos de segurança que podem ser apropriados em diversas circunstâncias, mas sem requisitos definitivos. A ISO/TS 15066 traz detalhes adicionais para avaliações de risco de cobots. Em cada caso, o objetivo da avaliação de riscos é identificar dispositivos e sistemas de segurança externos necessários para garantir a implementação segura de aplicações colaborativas.
Para um mergulho mais profundo na avaliação de riscos e robôs, consulte o artigo “Integrando AMRs com segurança e eficiência nas operações da Indústria 4.0 para obter o máximo benefício”.
Proteção e eficiência
Embora os cobots sejam concebidos para uma operação segura, camadas de proteção adicionais podem melhorar a eficiência das aplicações colaborativas. Sem segurança adicional, quando uma pessoa entra no espaço de trabalho colaborativo, a ISO/TS 15066 exige uma velocidade máxima de 0.25 metros por segundo (m/s) por eixo. Para a maioria dos cobots, isso é muito lento.
Por exemplo, o cobot Lexium LXMRL12S0000 da Schneider Electric tem uma carga útil máxima de 12 quilogramas (kg), um raio operacional (faixa de trabalho) de 1327 milímetros (mm), precisão de posicionamento de ±0.03 mm e uma velocidade máxima da extremidade da ferramenta de 3 metros por segundo (m/s), 12 vezes mais rápido que o máximo permitido pela ISO/TS 15066 quando uma pessoa está no espaço de trabalho colaborativo (Figura 2).
Em muitas aplicações, o cobot pode operar sozinho por longos períodos. Assim, detectar a presença ou ausência de pessoas no espaço de trabalho colaborativo pode permitir uma operação muito mais rápida e maior eficiência quando não há ninguém presente. Dispositivos comuns para detectar a presença de pessoas incluem scanners de segurança, cortinas de luz e tapetes de contato de segurança. Cada tecnologia oferece um conjunto diferente de benefícios e muitas vezes são usados em combinação.
Scanners de segurança
Scanners de segurança monitoram uma área designada para detectar a presença de pessoas. Eles podem determinar a que distância uma pessoa está e implementar várias zonas de alerta além da zona de segurança ativa.
O modelo OS32C-SP1-4M da Omron é um bom exemplo de scanner a laser de segurança projetado para uso com cobots. Possui um raio de segurança de até 4 metros (m) e pode suportar múltiplas zonas de alerta de até 15 m. Inclui 70 conjuntos padrão de combinações de zonas de segurança e zonas de alerta para suportar espaços de trabalho colaborativos complicados. Além disso, a resolução mínima do objeto pode ser definida para 30, 40, 50 ou 70 mm, e o tempo de resposta pode variar de 80 milissegundos (ms) a 680 ms, aumentando ainda mais a flexibilidade da aplicação (Figura 3).
Cortinas de luz
As cortinas de luz podem medir a presença de pessoas e podem ser projetadas para detectar objetos de vários tamanhos, como dedos ou mãos. Ao contrário dos scanners de segurança, as cortinas de luz não medem distâncias. Eles enviam uma série de feixes de luz entre conjuntos de emissores e receptores lineares e podem detectar quando um objeto quebra um ou mais feixes.
Em termos de classificações de segurança, existem duas classificações principais de cortinas de luz: Tipo 2 e Tipo 4. Elas têm aparência externa semelhante, mas são projetadas para fornecer diferentes níveis de segurança. O Tipo 4 monitora o espaço protegido que define um espaço de trabalho colaborativo. As cortinas de luz tipo 2 são projetadas para aplicações de baixo risco.
As cortinas de luz protegem os perímetros e estão disponíveis em vários níveis de resolução, como 14 milímetros (mm) para detecção de dedos e 24 mm para detecção de mãos. O modelo, SLC4P24-160P44 da Banner Engineering, é um kit de cortina de luz Tipo 4 com conjunto de emissor e receptor e tem resolução de 24 mm para proteger pessoas e máquinas como cobots (Figura 4). Os emissores possuem uma fileira de diodos emissores de luz infravermelha modulados e sincronizados. Os receptores possuem uma linha correspondente de fotodetectores sincronizados. Os emissores têm alcance de 2 metros e essas cortinas de luz podem ser instaladas em comprimentos de 160 a 320 mm em incrementos de 80 mm.
Os scanners a laser de segurança e as cortinas de luz fornecem meios sem contato para aumentar a segurança dos espaços de trabalho colaborativos. No entanto, eles podem ser difíceis de usar em ambientes opticamente desafiadores, como áreas com superfícies altamente refletivas que podem enviar interferências de luz indesejadas, e podem tropeçar devido a vazamento de óleo ou graxa ou poeira ou umidade excessiva.
Alguns desses sensores ópticos incluem ajustes de sensibilidade que podem ajudar a mitigar certos tipos de interferência. Esses ajustes de sensibilidade também podem aumentar os tempos de resposta e outros comprometimentos de desempenho. Outra solução é usar um tapete de contato de segurança junto com dispositivos de detecção óptica.
Tapetes de contato de segurança
Os tapetes de contato de segurança possuem duas placas condutoras separadas por uma camada isolante rasterizada e podem ser usados sozinhos ou em combinação com outros tipos de sensores. Se uma pessoa pisar no tapete, a placa condutora superior é pressionada e entra em contato com a placa inferior, acionando um sinal de alerta (Figura 5). O exterior dos tapetes é um material de poliuretano antiderrapante e impermeável à água, sujeira e óleo. O tapete SENTIR modelo 1602-5533 da ASO Safety Solutions pode conectar até 10 tapetes em série a uma única unidade de monitoramento para uma cobertura máxima de 10 m2.
A segurança está nos detalhes
Não existe uma fórmula única que garanta segurança. Cada aplicativo colaborativo é diferente e precisa ser tratado com base em suas características e necessidades exclusivas. Um fator-chave é: onde está a aplicação no continuum de colaboração (veja a Figura 1)? Quanto mais próxima for a interação entre o cobot e as pessoas, mais salvaguarda será necessária.
Há mais detalhes a serem considerados. Alguns deles incluem:
- Cada local precisa de ser submetido a uma avaliação de risco detalhada para verificar se o cobot foi movido de estação de trabalho para estação de trabalho. Mesmo que pareçam iguais, pequenas variações podem fazer a diferença na segurança.
- Se outras máquinas estiverem no espaço de trabalho colaborativo, elas precisam estar ligadas ao sistema de desligamento ou à desaceleração de segurança do cobot?
- Este artigo concentrou-se no hardware relacionado à segurança, mas para sistemas em rede que são cada vez mais comuns, a segurança cibernética é uma consideração importante para evitar interferências na operação do cobot ou nos sistemas de segurança.
Conclusão
A segurança do Cobot é complexa. Começa com a definição do espaço de trabalho colaborativo dentro do espaço protegido e requer uma avaliação de risco da operação colaborativa. Normas como ISO/TS 15066 e a série ISO 10218 são importantes e fornecem recomendações e diretrizes. Os cobots incluem recursos básicos de segurança, como sistemas de detecção de colisão, feedback de força, atuadores elásticos e servo motores de baixa inércia. Dependendo das especificidades da aplicação colaborativa, podem ser necessários dispositivos de segurança adicionais, como sensores de proximidade, cortinas de luz e tapetes de contato de segurança.