Bezpieczeństwo systemów z robotami współpracującymi cz. 2

Zastosowanie robotów współpracujących, tzw. cobotów (ang. cooperative robots) po raz pierwszy w historii umożliwia, przy spełnieniu pewnych warunków, bezpieczną pracę maszyny i człowieka „ramię w ramię”.

W pierwszej części opracowania zostały omówione normy techniczne regulujące bezpieczeństwo techniczne systemów wyposażonych w roboty współpracujące, zagadnienia związane z oceną ryzyka, typy współpracy oraz wymagania wobec robota.

W drugiej części skupimy się na dopuszczalnych obciążeniach biomechanicznych, dokumentacji i oznakowaniu systemów zrobotyzowanych oraz kwestiach związanych z przeglądami systemów z cobotami.

Określenie obciążeń biomechanicznych (siły i nacisku)

Współpraca operacyjna, wg PN-EN ISO 10218-1, to stan, w którym specjalnie zaprojektowane roboty działają w bezpośredniej współpracy z człowiekiem w określonym obszarze roboczym.

Współpraca operacyjna człowieka i robota [4]
Specyfikacja ISO TS 15066 rozróżnia dwa typy kontaktu człowieka z robotem:

  1. quasi-statyczny (quasi-static contact) – miażdżenie
  2. przejściowy (transient contact) – uderzenie

Dodatkowo specyfikacja ISO TS 15066 definiuje 29 obszarów ludzkiego ciała (tabela A1), dla których określono graniczne dopuszczalne obciążenia biomechaniczne (siłę i nacisk). Jeśli nie ma doświadczeń dostępnych w wyniku pomiarów rzeczywistych sił i nacisków (np. z przyrządów symulacyjnych), należy ich wartości, dla scenariuszy kontaktu wynikających z oceny ryzyka, przyjąć za tą tabelą.

Rodzaje kontaktu człowieka z robotem. [1]

Dobrze przygotowana aplikacja z robotem współpracującym powinna charakteryzować się, pomimo zabezpieczeń wbudowanych w urządzenie, ograniczeniem do niezbędnego minimum możliwości kontaktu człowieka z cobotem. Wówczas środki zapobiegawcze  związane z ograniczenia mocy i siły dla systemu zrobotyzowanego z robotem współpracującym, mogą być zredukowana do kilku wybranych scenariuszy kontaktu. Zasadą jest osobna identyfikacja zagrożeń i ocena ryzyka dla każdego scenariusza możliwego kontaktu człowieka z cobotem.

Bezpieczne wartości graniczna nacisku należy dobierać uwzględniając wpływ geometrii wszystkich części maszyny biorących udział w procesie (chodzi zwłaszcza o krawędzie i naroża). Im mniejsza możliwa powierzchnia styku narzędzia lub urządzenia z ludzkim ciałem, tym wyższa wartość nacisku.

Niezależnie od nacisku, również siła, z jaką system zrobotyzowany może oddziaływać na ludzkie ciało musi być poddana analizie. Jest to zwłaszcza istotne w przypadku narzędzi z dużą powierzchnią styku lub zabezpieczonych przed kontaktem różnego rodzaju okładzinami. W takich przypadkach, podczas kontaktu z częściami ludzkiego ciała, zmierzony nacisk będzie nieznaczny. Siła jednak musi być ograniczona, aby nie doszło do przeciążeń głębiej położonych tkanek lub przewrócenia pracownika.

Wymagania są spełnione jeśli graniczne wartości zarówno nacisku, jaki i siły nie są przekroczone.

Akceptowalne i nieakceptowalne wartości siły lub nacisku [3]

W normalnych warunkach bezpieczne wartości graniczne dla siły, które są ustawiane w robocie należy redukować w zestawieniu z bezpiecznym monitorowaniem prędkości (safely monitored speed). Jeśli wartość nacisku nadal jest przekroczona, należy zmodyfikować konstrukcję narzędzia, np. przez zastosowanie większych powierzchni styku, okładzin, elastycznego chwytaka itp.

Pomiary rzeczywistej siły i nacisku wykonuje się specjalnym urządzeniem dobierając sprężyny symulujące odpowiednie części ciała. Firma Fugai może wykonać tego typu badania.

Ograniczenia siły, prędkości i podobnych parametrów pracy robota, które nie mają wpływu na bezpieczeństwo obsługi, nie muszą być brane pod uwagę w aspekcie wykonywania ich pomiarów.

W większości przypadków decydujące dla zastosowanych w aplikacji rozwiązań konstrukcyjnych, narzędzi, przedmiotu obrabianego jak również programowalnych parametrów bezpieczeństwa, są sytuacje urazów (miażdżenia – quasi-static contact) dłoni i dolnego obszaru kończyn górnych.

Może się zdarzyć, że konieczny będzie pomiary wielkości dynamicznych, np. gdy ocena ryzyka wykaże, że możliwe jest zderzenie elementów systemu zrobotyzowanego z ciałem człowieka w wolnej przestrzeni.

Dokumentacja i oznakowanie współpracujących systemów zrobotyzowanych

Zrobotyzowany system współpracujący podlega wymaganiom Dyrektywy Maszynowej 2006/42/WE. Zgodnie z jej wymaganiami oraz innymi przepisami prawa powinna zostać opracowana dokumentacja techniczna oraz wykonane oznakowanie wg wskazań Tabeli 1.

Wymagania odnośnie dokumentacji, jaka ma być dostarczona użytkownikowi wraz z systemem zrobotyzowanym wyposażonym w robota współpracującego, określa rozdział 7 specyfikacji ISO TS 15066 oraz  rozdziały 7 norm PN EN ISO 10218-1 oraz PN EN ISO 10218-2 .

Między innymi, musi ona zawierać informacje o biomechanicznych wartościach granicznych (siła, nacisk) dla spodziewanych, istotnych z punktu widzenia bezpieczeństwa, sytuacji kontaktu człowieka z systemem zrobotyzowanym.

Dokumentacja techniczna lub oznakowanie Może pozostać u wytwórcy/integratora Powinna zostać dostarczona z systemem zrobotyzowanym
Deklaracja zgodność WE zrobotyzowanego systemu współpracującego X
Instrukcja użytkowania zrobotyzowanego systemu współpracującego (DTR) X
Dokumentacja techniczna zgodna z Dyrektywą 2006/42/WE, Załącznik VII. X
Ocena ryzyka X
Tabliczka znamionowa zawierająca

  • nazwę i adres integratora systemu (tabliczka znamionowa robota nie jest wystarczająca)
  • Nazwa maszyny, np. Zrobotyzowany system współpracujący”
  • Oznaczenie typu
  • Nr fabryczny (jeśli ma zastosowanie)
  • Rok budowy (rok ukończenia budowy systemu)
  • Oznaczenie CE
X
Specjalistyczne informacje dodatkowe zgodnie z ISO TS 15066, rozdział 7, np. biomechaniczne wartości graniczne siły i nacisku dla poszczególnych sytuacji, w których może nastąpić kontakt człowieka z systemem. X
Jeśli system zrobotyzowany jest przeznaczony do rpacy w atmosferze potencjalnie wybuchowej musi być odpowiednio oznakowany. X

Tabela 1 Minimalne wymagane oznakowanie i dokumentacja techniczna zrobotyzowanego systemu współpracującego

Instrukcja użytkowania musi także zawierać środki bezpieczeństwa w postaci instrukcji dla operatorów, które powinien przekazać im użytkownik systemu zrobotyzowanego. Istotne jest, aby instrukcje te były racjonalne, zrozumiałe dla operatorów i były możliwe do zastosowania.

Punktami odniesienia są:

  • Odpowiednie oświetlenie obszaru pracy, a zwłaszcza miejsc możliwego kontaktu;
  • Stabilność w miejscu pracy, np. posadzka antypoślizgowa, odpowiednie podpory;
  • Proste procedury zatrzymania, restartu i wycofania systemu zrobotyzowanego, np. w przypadku sytuacji awaryjnych;
  • Zapobieganie ograniczeniu uwagi, np. przez ograniczenie zakłóceń pochodzących z przylegających hałaśliwych stanowisk pracy;
  • Zatrudnianie operatorów z wystarczającymi kwalifikacjami i doświadczeniem;
  • Zapobieganie obecności osób trzecich w obszarze współpracy, np. dostęp tylko pod nadzorem;
  • Zaprojektowanie procesu pracy i środków ochronnych tak, aby operator mógł uniknąć błędów, np. poka yoke, prosta ścieżka przepływu materiału, ergonomiczna konstrukcja stanowiska;
  • Regularne i doraźne przeglądy, np. ponowny pomiar granicznych wartości biomechanicznych po modernizacji lub zmianie programu;
  • Skrócone instrukcje postępowania, trwałe i czytelne, umieszczone w widocznych miejscach na stanowisku (instrukcje pracy);
  • Informacje na stanowisku o środkach bezpieczeństwa wynikających z oceny ryzyka, kontekście możliwych sytuacji kontaktu operatora z systemem zrobotyzowanych i możliwych jego konsekwencji dla stanu zdrowia operatora.

Ocena ryzyka miejsca pracy oraz regularne kontrole

Dla stanowiska pracy wyposażonego w system zrobotyzowany z robotem współpracującym musi zostać przeprowadzona i udokumentowana ocena ryzyka. Powinny zwłaszcza zostać wzięte pod uwagę zagrożenia wynikające z zastosowania robota współpracującego, takie jak:

  • Ryzyko przyciśnięcia lub utrata możliwości samouwolnienia się,
  • Obecność dodatkowej osoby poza operatorem,
  • Zagrożenie psychiczne.

Zalecane są również regularne, nie rzadziej niż raz na 12 miesięcy, przeglądy systemu z robotem współpracującym. Zakres przeglądów powinien obejmować oględziny zewnętrzne oraz próby funkcjonalne.

W trakcie użytkowania systemu z robotem współpracującym wartości obciążeń biomechanicznych mogą ulec zmianie np. na skutek:

  • Modyfikację aplikacji, np. na skutek przebudowy,
  • Zużycia przegubów i hamulców,
  • Szczególnych incydentów (wypadki, kolizje, naprawy),
  • Zmiany programu,
  • Wymiany części.

Przegląd wartości obciążeń biomechanicznych powinien być ujęty w zakresie przeglądów. W przypadku zużycia lub napraw, wewnętrzne testy systemowe lub pomiary referencyjnych wartości obciążeń biomechanicznych mogą okazać się wystarczające. Zależy to jednak od typu systemu zrobotyzowanego.

Źródła i ograniczenia

Niniejsze opracowanie zostało przygotowane na podstawie:

  1. Informacji DGUV (Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung) FB HM-80
  2. HRC – Human Robot Collaboration ISO/TS 15066, 8-8-en-3-173, PILZ
  3. ISO/TS 15066
  4. Industrial Safety Requirements for Collaborative Robots and Applications, ABB, 2014
  5. PN-EN ISO 10218-1
  6. PN-EN ISO 10218-2
  7. Materiały prasowe firm Universal Robots, Fanuc, Rethink Robotics, ABB,

Niezależnie od informacji zawartych w niniejszym materiale zawsze należy stosować się do wskazań obowiązujących przepisów prawa, odpowiednich norm zharmonizowanych i specyfikacji technicznych.