Dette er de viktigste hensynene som må tas når man vurderer sikkerhet for samarbeidsroboter

Samarbeidsroboter (cobot – collaborative robot) er utviklet for å samarbeide med mennesker og støtte fleksibel produksjon i Industri 4.0-fabrikker. Sammenlignet med tradisjonelle industriroboter, er samarbeidsroboter enklere å konfigurere, og de krever ikke trygt isolerte arbeidsområder. Fordi de er utviklet for å fungere med mennesker, er samarbeidsroboter bygget annerledes enn andre industriroboter, inkludert funksjoner som kollisjonsdeteksjonssystemer, krafttilbakekobling, elastiske aktuatorer og servomotorer med lav treghet.

Siden samarbeidsroboter har forsettelig forskjellige konstruksjoner, har spesifikke sikkerhetsstandarder blitt utviklet for disse. Den internasjonale standardiseringsorganisasjonens tekniske spesifikasjon (ISO/TS – International Organization for Standardization Technical Specification) 15066 spesifiserer sikkerhetskrav for industrielle samarbeidsroboter og arbeidsmiljøene deres. Den supplerer kravene og veiledningen som omhandler samarbeidsroboter i ISO 10218‑1 og ISO 10218‑2.

Denne artikkelen gjennomgår kort kravene i ISO/TS 15066 og hvordan de passer inn i ISO 10218-1 og 10218-2. Deretter vurderes kompleksiteten av samarbeid, inkludert hvordan samarbeidsområdet defineres. Den undersøker faktorer relatert til robotsikkerhet, for eksempel sikkerhetsfunksjoner som er integrert i samarbeidsroboter, og hvilke eksterne sikkerhetsfunksjoner som trengs, samt eksempelenheter som nærhetssensorer, lysgardiner og sikkerhetskontaktmatter. Den avslutter med en kort gjennomgang av noen få konstruksjoner som er spesifikke for sikkerhetshensyn knyttet til samarbeidsroboter.

Det er flere viktige sikkerhetsstandarder for industriroboter og samarbeidsroboter. ISO/TS 15066 beskriver sikkerhetskravene for industrielle samarbeidsrobotsystemer og arbeidsmiljøet, og den ble skrevet for å bygge videre på og supplere de begrensede kravene i tidligere standarder som ISO 10218-serien. ISO 10218-1 fokuserer på generelle roboter og robotenheter, mens ISO 10218-2 fokuserer på robotsystemer og integrasjon. ANSI/RIA (American National Standards Institute/Robotics Industry Association) R15.06 er en nasjonal innføring av ISO 10218-1 og ISO 10218-2.

Kompleksitet knyttet til samarbeid

Før vi ser nærmere på detaljene om sikkerhet for samarbeidsroboter, er det nyttig å definere samarbeid. Samarbeid i robotikk er komplekst og inkluderer tre faktorer:

• En samarbeidsrobot er en «robot utviklet for direkte samhandling med et menneske innenfor et definert samarbeidsområde», i henhold til ANSI/RIA R15.06.
• En samarbeidshandling er en «tilstand der et hensiktsmessig konstruert robotsystem og en operatør arbeider innenfor et samarbeidsområde», i henhold til ISO/TS 15066.
• Til slutt er et samarbeidsområde «arbeidsområdet i det beskyttede rommet der roboten og et menneske kan utføre oppgaver samtidig under produksjonsdriften», i henhold til ANSI/RIA R15.06.

Det kommer an på definisjonen av samarbeidsområdet «innenfor det beskyttede området». Det beskyttede området inkluderer et lag med sikkerhetsbeskyttelse i tillegg til de standard sikkerhetsfunksjonene som er inkludert i samarbeidsroboten.

Vanlige beskyttende funksjoner som er integrert i samarbeidsroboter omfatter kontaktdeteksjonssystemer basert på dreiemomentmålinger i hvert ledd som overvåker for uventede slag, hindringer eller overdrevne krefter eller dreiemoment. Det bør også være automatiske bremsesystemer og manuelle bremseutløsere for å kunne bevege armen uten strøm.

Uventet kontakt med personen som befinner seg i nærheten av samarbeidsroboten, er av særlig bekymring. Standardene tilsier at kontakt skal forhindres hvor som helst på en persons hode. I tillegg deler standarden kroppen inn i 29 spesifikke områder, og detaljerer begrensninger for to typer kontakt:

• Forbigående kontakt er en bevegelig, dynamisk hendelse der samarbeidsroboten treffer en person. Begrensninger er basert på plassering, treghet og relativ hastighet.
• Kvasi-statisk kontakt oppstår når en kroppsdel er fanget mellom samarbeidsroboten og en overflate. Begrensninger er basert på trykk og kraft relatert til knuse- og klemmevirkninger.

Spesifikasjonen gir veiledning istedenfor absolutte grenser, basert på konstruksjonshensyn. Den forklarer også at veiledningen er informativ og gjenspeiler dagens beste praksis, siden samarbeid mellom mennesker og roboter er et nytt felt hvor forskning er pågående.

En uavbrutt serie med samarbeid

Det finnes ikke noe standard samarbeidende konstruksjon. Mennesker og samarbeidsroboter kan samhandle og samarbeide på en rekke måter. Samarbeidende brukstilfeller spenner fra sameksistens, der en robot stanser under drift når en person trer inn i samarbeidsområdet, til en interaktiv aktivitet der personen berører samarbeidsroboten mens den er i drift (figur 1).

Figur 1: Samarbeid mellom mennesker og roboter omfatter et bredt spekter av mulige interaksjonsnivåer. (Bildekilde: SICK)

En risikovurdering er nødvendig for å identifisere sikkerhetsbehovene til individuelle samarbeidende konstruksjoner. Den inkluderer identifisering, evaluering og reduksjon av farer og risikoer forbundet med konstruksjonen. ISO 10218 inneholder en liste over sikkerhetsfunksjoner som kan være egnet under ulike omstendigheter, men ingen definitive krav. ISO/TS 15066 gir flere detaljer om risikovurderinger for samarbeidsroboter. I hvert tilfelle er målet med risikovurderingen å identifisere eksterne sikkerhetsinnretninger og -systemer som er nødvendige for å gi sikker implementering av samarbeidende konstruksjoner.

Hvis du vil ha en grundigere gjennomgang av risikovurdering og roboter, kan du lese artikkelen «Sikker og effektiv integrering av AMR-er i Industri 4.0-virksomheter for å oppnå maksimal nytte.».

Beskyttelse og yteevne

Selv om samarbeidsroboter er konstruert for sikker drift, kan flere beskyttelseslag forbedre yteevnen til den samarbeidende konstruksjonen. Uten ekstra sikkerhet krever ISO/TS 15066 en maksimal hastighet på 0,25 meter per sekund (m/s) per akse når en person trer inn i samarbeidsområdet. For de fleste samarbeidsroboter, er dette veldig tregt.

For eksempel har LXMRL12S0000 Lexium-samarbeidsroboten fra Schneider Electric en maksimal nyttelast på 12 kg, en driftsradius (arbeidsområde) på 1327 millimeter (mm), posisjoneringsnøyaktighet på ±0,03 mm og en maksimal hastighet for verktøyenden på 3 meter per sekund (m/s), som er 12 ganger raskere enn det maksimale som er tillatt av ISO/TS 15066 når en person er i samarbeidsområdet (figur 2).

Figur 2: Denne samarbeidsroboten kan bevege seg 12 ganger raskere enn det maksimale som tillates av ISO/TS 15066 når en person er i samarbeidsområdet. (Bildekilde: Schneider Electric)

I mange brukstilfeller kan samarbeidsroboten være i drift alene i lange perioder. Så det å registrere tilstedeværelsen eller fraværet av personer i samarbeidsområdet kan derfor muliggjøre mye raskere drift og høyere yteevne når ingen er til stede. Vanlige enheter for å registrere tilstedeværelsen av personer, omfatter sikkerhetsskannere, lysgardiner og sikkerhetskontaktgulvmatter. Hver teknologi tilbyr et forskjellig sett med fordeler, og de brukes ofte i kombinasjon.

Sikkerhetsskannere

Sikkerhetsskannere overvåker et bestemt område for å detektere tilstedeværelsen av personer. De kan fastsette hvor langt unna en person er og implementere ulike varslingssoner i tillegg til den aktive sikkerhetssonen.

Omron-modellen OS32C-SP1-4M er et godt eksempel på en sikkerhetslaserskanner som er konstruert for bruk med samarbeidsroboter. Den har en sikkerhetsradius på opptil 4 meter (m) og kan støtte flere varslingssoner på opptil 15 m. Den inkluderer 70 standardsett med sikkerhetssone- og varslingssonekombinasjoner for å støtte kompliserte samarbeidsområder. I tillegg kan den minimale objektoppløsningen angis til 30, 40, 50 eller 70 mm, og responstiden kan variere fra 80 millisekunder (ms) til 680 ms, noe som ytterligere øker konstruksjonens fleksibilitet (figur 3).

Figur 3: Denne sikkerhetsskanneren har en sikkerhetsradius på opptil 4 m og kan støtte flere varslingssoner på opptil 15 m. (Bildekilde: DigiKey)

Lysgardiner

Lysgardiner kan måle tilstedeværelsen av personer og kan være konstruert slik at de detekterer gjenstander av forskjellige størrelser, for eksempel fingre eller hender. I motsetning til sikkerhetsskannere, måler ikke lysgardiner avstand. De sender en serie lysstråler mellom lineære emitter- og mottakermatriser og kan registrere når et objekt bryter én eller flere stråler.

Når det gjelder sikkerhetsklassifiseringer, er det to primære lysgardinklassifiseringer: Type 2 og Type 4. De har lignende utseende, men er utviklet for å gi forskjellige sikkerhetsnivåer. Type 4 overvåker det beskyttede området som definerer et samarbeidsområde. Lysgardiner av type 2 er konstruert for konstruksjoner med lavere risiko.

Lysgardiner beskytter de ytre grensene (perimeteren) og er tilgjengelige med flere oppløsningsnivåer, for eksempel 14 millimeter (mm) for fingerdeteksjon og 24 mm for hånddeteksjon. SLC4P24-160P44-modellen fra Banner Engineering er et Type 4-lysgardinsett med en emitter- og mottakermatrise, og det har en oppløsning på 24 mm for å beskytte mennesker og maskiner som f.eks. samarbeidsroboter (figur 4). Emittere har en rad med synkroniserte infrarøde lysdiodemoduler. Mottakere har en tilsvarende rad med synkroniserte fotodetektorer. Emitterne har en rekkevidde på 2 meter, og disse lysgardinene kan installeres i avstander fra 160 til 320 mm, i trinn på 80 mm.

Figur 4: Denne Type 4-lysgardinen har en oppløsning på 24 mm. (Bildekilde: Banner Engineering)

Sikkerhetslaserskannere og lysgardiner tilbyr ikke-kontakt-midler for å forbedre sikkerheten til samarbeidsområder. De kan imidlertid være vanskelige å bruke i optisk utfordrende miljøer, slik som områder med svært reflekterende overflater som kan sende uønsket lysinterferens, og de kan utløses på grunn av lekkasje av olje eller fett eller for mye støv eller fuktighet.

Noen av disse optiske sensorene inkluderer følsomhetsjusteringer som kan bidra til å redusere visse typer interferens. Disse følsomhetsjusteringene kan også øke responstider og resultere i andre ytelseskompromisser. En annen løsning er å bruke en sikkerhetskontaktmatte kombinert med optiske sensorenheter.

Sikkerhetskontaktmatter

Sikkerhetskontaktmatter har to ledende plater adskilt av et rasterisert (linjemønster) isolasjonslag og kan brukes alene eller i kombinasjon med andre typer sensorer. Hvis en person går på matten, trykkes den øvre ledende platen ned og kommer i kontakt med den nedre platen, noe som utløser et varslingssignal (figur 5). Utsiden til mattene er et polyuretanmateriale som er sklisikkert og ugjennomtrengelig for vann, smuss og olje. SENTIR-mattemodellen 1602-5533 fra ASO Safety Solutions kan koble opptil 10 matter i serie til én enkelt overvåkingsenhet, for å gi en maksimal dekning på 10 m².

Figur 5: Når sikkerhetsmattens øvre og nedre ledende lag tråkkes på, kommer de i kontakt med hverandre, noe som utløser et varslingssignal. (Bildekilde: ASO Safety Solutions)

Sikkerhet ligger i detaljene

Det finnes ikke én enkelt formel som garanterer sikkerhet. Alle konstruksjoner for samarbeid er forskjellige, og de må håndteres basert på unike egenskaper og behov. En viktig faktor: Hvor ligger konstruksjonen på samarbeidskontinuumet (se figur 1)? Jo tettere samspillet mellom samarbeidsroboten og menneskene er, jo mer beskyttelse er nødvendig.

Det er flere detaljer å ta hensyn til. Noen av dem omfatter:

• Hvert sted må gjennomgå en detaljert risikovurdering for å se om samarbeidsroboten har blitt flyttet fra arbeidsstasjon til arbeidsstasjon. Selv om de ser ut til å være like, kan små variasjoner gjøre en forskjell i sikkerhet.
• Hvis andre maskiner befinner seg i samarbeidsområdet, er de nødt til å være koblet til driftsstanssystemet eller sikkerhetstemponedgangen (safety slow down) for samarbeidsroboten?
• Denne artikkelen har fokusert på sikkerhetsrelatert maskinvare, men når det gjelder nettverkstilkoblede systemer, som blir stadig mer vanlige, er cybersikkerhet en viktig faktor for å hindre forstyrrelser i driften til samarbeidsroboter eller sikkerhetssystemer.

Konklusjon

Sikkerhet for samarbeidsroboter er en kompleks affære. Det begynner med å definere samarbeidsområdet innenfor det sikrede rommet, og krever en risikovurdering av den samarbeidende driften. Standarder som ISO/TS 15066- og ISO 10218-serien er viktige og gir anbefalinger og retningslinjer. Samarbeidsroboter inkluderer grunnleggende sikkerhetsfunksjoner som kollisjonsdeteksjonssystemer, krafttilbakekobling, elastiske aktuatorer og servomotorer med lav treghet. Avhengig av spesifikasjonene for den samarbeidende konstruksjonen, kan det være behov for ekstra sikkerhetsinnretninger som nærhetssensorer, lysgardiner og sikkerhetskontaktmatter.