Hvad er de vigtigste overvejelser, når man vurderer Cobot-sikkerhed?

Samarbejdende robotter (cobots) er designet til at arbejde sammen med mennesker og understøtte fleksibel produktion i Industri 4.0-fabrikker. Sammenlignet med traditionelle industrirobotter er cobots enklere, lettere at sætte op og kræver ikke sikkert isolerede arbejdsområder. Fordi de er designet til at arbejde sammen med mennesker, er cobots bygget anderledes end andre industrirobotter, herunder funktioner som kollisionsdetekteringssystemer, kraft-feedback, elastiske aktuatorer og servomotorer med lav inerti.

Da de er anderledes i deres design, er der udviklet specifikke sikkerhedsstandarder for cobots. Den internationale standardiseringsorganisations tekniske specifikation (ISO/TS) 15066 specificerer sikkerhedskrav til industrielle cobots og deres arbejdsmiljøer. Den supplerer kravene og vejledningen om cobotdrift i ISO 10218-1 og ISO 10218-2.

Denne artikel gennemgår kort kravene i ISO/TS 15066, og hvordan de passer sammen med ISO 10218-1 og 10218-2. Derefter gennemgås samarbejdets kompleksitet, herunder hvordan det kollaborative arbejdsområde defineres. Den undersøger faktorer relateret til robotsikkerhed, såsom sikkerhedsfunktioner indbygget i cobots, og hvilke eksterne sikkerhedsfunktioner der er brug for, sammen med eksemplariske enheder som nærhedssensorer, lysgardiner og sikkerhedskontaktmåtter. Den afsluttes med en kort gennemgang af et par anvendelser, der er specifikke for cobot-sikkerhedsovervejelser.

Der er flere vigtige sikkerhedsstandarder for industrirobotter og cobots. ISO/TS 15066 beskriver sikkerhedskravene til industrielle cobot-systemer og arbejdsmiljøet og blev skrevet for at bygge videre på og supplere de begrænsede krav i tidligere standarder som ISO 10218-serien. ISO 10218-1 fokuserer på generelle robotter og robotudstyr, mens ISO 10218-2 fokuserer på robotsystemer og integration. American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) R15.06 er en national vedtagelse af ISO 10218-1 og ISO 10218-2.

Kompleksiteten i samarbejde

Før vi går i detaljer med cobot-sikkerhed, er det nyttigt at definere samarbejde. Samarbejde inden for robotteknologi er komplekst og omfatter tre faktorer:

• En cobot er en "robot designet til direkte interaktion med et menneske inden for et defineret samarbejdsområde," ifølge ANSI/RIA R15.06.
• En kollaborativ operation er en "tilstand, hvor et målrettet designet robotsystem og en operatør arbejder inden for et kollaborativt arbejdsområde", ifølge ISO/TS 15066.
• Endelig er et kollaborativt arbejdsområde det "arbejdsområde inden for det sikrede område, hvor robotten og et menneske kan udføre opgaver samtidigt under produktionen," ifølge ANSI/RIA R15.06.

Det kommer an på definitionen af det kollaborative arbejdsområde "inden for det sikrede område". Det sikrede rum omfatter et lag af sikkerhedsbeskyttelse ud over de standardsikkerhedsfunktioner, der er inkluderet i cobotten.

Almindelige sikringsfunktioner, der er integreret i cobots, omfatter kontaktdetekteringssystemer baseret på momentmålinger ved hvert led, der overvåger uventede stød, forhindringer eller for store kræfter eller drejningsmoment. Der skal også være automatiske bremsesystemer og manuelle bremseudløsere til at bevæge armen uden strøm.

Uventet kontakt med personen fra cobottens side er et særligt problem. Standarderne dikterer, at kontakt skal forhindres overalt på en persons hoved. Derudover opdeler standarden kroppen i 29 specifikke områder og beskriver begrænsninger for to typer kontakt:

• Forbigående kontakt er en bevægelig, dynamisk hændelse, hvor cobotten rammer en person. Begrænsningerne er baseret på placering, inerti og relativ hastighed.
• Kvasi-statisk kontakt opstår, når en kropsdel er fanget mellem cobotten og en overflade. Begrænsningerne er baseret på tryk og kraft i forbindelse med knusning og klemmeffekter.

Specifikationen giver vejledning, ikke absolutte grænser, baseret på anvendelsesovervejelser. Der står også, at vejledningen er informativ og afspejler den nuværende bedste praksis, da samarbejde mellem mennesker og robotter er et nyt område, og forskningen er i gang.

Kontinuum af samarbejde

Der findes ikke en enkelt samarbejdsapplikation. Mennesker og cobots kan interagere og samarbejde på en lang række måder. Samarbejdsapplikationer spænder fra sameksistens, hvor en robot stopper, når en person træder ind i samarbejdsområdet, til en interaktiv aktivitet, hvor personen rører ved cobotten, mens den er i drift (figur 1).

Figur 1: Samarbejde mellem mennesker og robotter omfatter en bred vifte af mulige interaktionsniveauer. (Billedkilde: SICK)

En risikovurdering er påkrævet for at identificere sikkerhedsbehovene for individuelle samarbejdsapplikationer. Det omfatter at identificere, evaluere og reducere de farer og risici, der er forbundet med applikationen. ISO 10218 indeholder en liste over sikkerhedsfunktioner, der kan være hensigtsmæssige under forskellige omstændigheder, men ingen definitive krav. ISO/TS 15066 giver yderligere detaljer til cobot-risikovurderinger. I hvert tilfælde er målet med risikovurderingen at identificere eksterne sikkerhedsanordninger og -systemer, der er nødvendige for at sikre en sikker implementering af samarbejdsapplikationer.

For et dybere dyk ned i risikovurdering og robotter, se artiklen"Safely and Efficiently Integrating AMRs into Industry 4.0 Operations for Maximum Benefit".

Beskyttelse og effektivitet

Selvom cobots er designet til sikker drift, kan yderligere beskyttelseslag forbedre samarbejdsapplikationernes effektivitet. Uden yderligere sikkerhed, når en person træder ind i det kollaborative arbejdsområde, kræver ISO/TS 15066 en maksimal hastighed på 0,25 meter pr. sekund (m/s) pr. akse. For de fleste cobots er det meget langsomt.

For eksempel har Lexium-cobotten LXMRL12S0000 fra Schneider Electric en maksimal nyttelast på 12 kg, en operationsradius (arbejdsområde) på 1327 mm, en positioneringsnøjagtighed på ±0,03 mm og en maksimal hastighed for værktøjsenden på 3 meter i sekundet (m/s), hvilket er 12 gange hurtigere end det maksimalt tilladte ifølge ISO/TS 15066, når en person befinder sig i det kollaborative arbejdsområde (figur 2).

Figur 2: Denne cobot kan bevæge sig 12 gange hurtigere end det maksimalt tilladte ifølge ISO/TS 15066, når der er en person i det kollaborative arbejdsområde. (Billedkilde: Schneider Electric)

I mange applikationer kan cobotten arbejde alene i lange perioder. Så ved at registrere tilstedeværelsen eller fraværet af mennesker i samarbejdsområder kan man opnå meget hurtigere drift og højere effektivitet, når der ikke er nogen til stede. Almindelige anordninger til at registrere tilstedeværelsen af mennesker omfatter sikkerhedsscannere, lysgardiner og gulvmåtter med sikkerhedskontakt. Hver teknologi tilbyder forskellige fordele, og de bruges ofte i kombination.

Sikkerhedsscannere

Sikkerhedsscannere overvåger et bestemt område for at registrere tilstedeværelsen af mennesker. De kan bestemme, hvor langt væk en person er, og implementere forskellige advarselszoner ud over den aktive sikkerhedszone.

Omrons model OS32C-SP1-4M er et godt eksempel på en sikkerhedslaserscanner, der er designet til brug med cobots. Den har en sikkerhedsradius på op til 4 meter (m) og kan understøtte flere advarselszoner på op til 15 m. Den indeholder 70 standardsæt med kombinationer af sikkerhedszoner og advarselszoner, der understøtter komplicerede samarbejdsområder. Desuden kan den mindste objektopløsning indstilles til 30, 40, 50 eller 70 mm, og responstiden kan variere fra 80 millisekunder (ms) op til 680 ms, hvilket øger anvendelsesfleksibiliteten yderligere (figur 3).

Figur 3: Denne sikkerhedsscanner har en sikkerhedsradius på op til 4 m og kan understøtte flere advarselszoner på op til 15 m. (Billedkilde: DigiKey)

Lysgardiner

Lysgardiner kan måle tilstedeværelsen af mennesker og kan designes til at registrere objekter i forskellige størrelser, som fingre eller hænder. I modsætning til sikkerhedsscannere måler lysgardiner ikke afstand. De sender en række lysstråler mellem lineære emitter- og modtagerarrays og kan registrere, når et objekt bryder en eller flere stråler.

Med hensyn til sikkerhedsvurderinger er der to primære lysgardinklassifikationer: Type 2 og Type 4. De ser ens ud, men er designet til at give forskellige niveauer af sikkerhed. Type 4 overvåger det beskyttede rum, der definerer et samarbejdsområde. Type 2-lysgardiner er designet til anvendelser med lavere risiko.

Lysgardiner beskytter omkredsen og fås med flere opløsningsniveauer, f.eks. 14 millimeter (mm) til fingerregistrering og 24 mm til håndregistrering. Modellen, SLC4P24-160P44 fra Banner Engineering, er et type 4-lysgardinsæt med et emitter- og modtagerarray og har en opløsning på 24 mm til beskyttelse af mennesker og maskiner som cobots (figur 4). Emitterne har en række synkroniserede modulerede infrarøde lysemitterende dioder. Modtagerne har en tilsvarende række af synkroniserede fotodetektorer. Emitterne har en rækkevidde på 2 meter, og disse lysgardiner kan installeres i længder fra 160 til 320 mm i intervaller på 80 mm.

Figur 4: Dette type 4-lysgardin har en opløsning på 24 mm. (Billedkilde: Banner Engineering)

Sikkerhedslaserscannere og lysgardiner er berøringsfrie midler til at øge sikkerheden på arbejdspladser, hvor der samarbejdes. De kan dog være svære at bruge i optisk udfordrende miljøer som områder med stærkt reflekterende overflader, der kan sende uønsket lysinterferens, og de kan snuble på grund af lækkende olie eller fedt eller højt niveau af støv eller fugtighed.

Nogle af disse optiske sensorer har følsomhedsjusteringer, der kan hjælpe med at afbøde visse typer interferens. Disse følsomhedsjusteringer kan også øge responstiderne og gå på kompromis med andre præstationer. En anden løsning er at bruge en sikkerhedskontaktmåtte sammen med optiske sensorenheder.

Sikkerhedskontaktmåtter

Sikkerhedskontaktmåtter har to ledende plader adskilt af et rasteriseret isolerende lag og kan bruges alene eller i kombination med andre typer sensorer. Hvis en person træder på måtten, trykkes den øverste ledende plade ned og kommer i kontakt med den nederste plade, hvilket udløser et advarselssignal (figur 5). Måtternes yderside er et polyuretanmateriale, der er skridsikkert og uigennemtrængeligt for vand, snavs og olie. SENTIR-måtten model 1602-5533 fra ASO Safety Solutions kan tilsluttes op til 10 måtter i serie til en enkelt overvågningsenhed med en maksimal dækning på 10 m².

Figur 5: Når man træder på sikkerhedsmåtten, kommer der kontakt mellem det øverste og det nederste ledende lag, hvilket udløser et advarselssignal. (Billedkilde: ASO Safety Solutions)

Sikkerhed ligger i detaljerne

Der findes ikke én formel, der garanterer sikkerhed. Alle samarbejdsapplikationer er forskellige og skal håndteres ud fra deres unikke egenskaber og behov. En nøglefaktor er: Hvor ligger applikationen på samarbejdets kontinuum (se figur 1)? Jo tættere interaktionen mellem cobot og mennesker er, jo mere beskyttelse er der brug for.

Der er flere detaljer at overveje. Nogle af dem omfatter:

• Hvert sted skal gennemgå en detaljeret risikovurdering for at se, om cobotten er blevet flyttet fra arbejdsstation til arbejdsstation. Selv om de ser ud til at være ens, kan små variationer gøre en forskel for sikkerheden.
• Hvis der er andre maskiner i samarbejdsområdet, skal de så forbindes med cobottens nedlukningssystem eller sikkerhedsafbrydelse?
• Denne artikel har fokuseret på sikkerhedsrelateret hardware, men for netværkssystemer, der bliver mere og mere almindelige, er cybersikkerhed en vigtig overvejelse for at forhindre interferens med cobotdrift eller sikkerhedssystemerne.

Konklusion

Cobot-sikkerhed er kompleks. Det begynder med at definere samarbejdsområdet inden for det sikrede område og kræver en risikovurdering af samarbejdsoperationen. Standarder som ISO/TS 15066 og ISO 10218-serien er vigtige og giver anbefalinger og retningslinjer. Cobots indeholder grundlæggende sikkerhedsfunktioner som kollisionsdetekteringssystemer, kraft-feedback, elastiske aktuatorer og servomotorer med lav inerti. Afhængigt af specifikationerne for samarbejdsapplikationen kan der være behov for yderligere sikkerhedsanordninger som nærhedssensorer, lysgardiner og sikkerhedskontaktmåtter.