Risicoanalyse cobots volgens TS 15066

De meeste collaborative robots mogen er dan wel sympathiek uitzien – om er in alle veiligheid mee te kunnen samenwerken moet aan een hele reeks voorwaarden voldaan zijn. De technische specificatie ISO/TS 15066 geeft fabrikanten, integratoren en gebruikers concrete richtlijnen hierover.

Collaborative robots worden vaak omschreven als robots die geen hekwerk nodig hebben. Ze zijn ontworpen om met mensen samen te werken, wat inderdaad veronderstelt dat ze een zelfde ruimte delen en dus niet van elkaar afgesloten zijn. Er is bij het ontwerp van deze robots ook rekening gehouden met het feit dat mensen ermee in aanraking mogen komen. Wat dit alles in technische termen betekent, wordt vastgelegd in ISO/TS 15066.

De technische specificatie geldt als aanvulling op de normen ISO 10218-1 en ISO 10218-2, die gaan over Safety Requirements for Industrial Robots. Deze ISO normen zijn uiteraard ook van toepassing op cobots die in industriële productieomgevingen gebruikt worden. In de ISO normen uit 2010 werd trouwens al een paar keer verwezen naar het principe van collaboration maar het concept was toen nog onvoldoende uitgewerkt om voldoende concreet in de norm behandeld te worden.

Mens en machine met elkaar in aanraking

Om de context van van TS 15066 te schetsen, dient vooreerst opgemerkt te worden dat samenwerking met robots niet exclusief voorbehouden is aan collaborative robots. Er zijn heel wat situaties waar robots en mensen in elkaars vaarwater komen, bijvoorbeeld bij transfer stations waar werkstukken door een operator klaargezet worden om later door een robot te worden opgenomen.

De veiligheid wordt in dat soort situaties meestal gegarandeerd door het gebruik van lichtschermen en/of laser scanners die maken dat de robot halt houdt nog voor een operator binnen het bereik van de robot komt. Mens en machine zijn in dergelijke applicaties dus niet altijd fysiek van elkaar gescheiden. Maar dan wordt er via safety instrumentatie voor gezorgd dat beide niet met elkaar in aanraking komen.

De clue van collaborative robots zit in het feit dat mens en machine wel met elkaar in aanraking mogen komen. De beveiliging is er niet langer op gericht om botsingen uit te sluiten, maar moet er wel voor zorgen dat mensen zich in dergelijke gevallen geen pijn kunnen doen of geen verwondingen kunnen oplopen.

TS 15066 focust precies op dat aspect door dit principe te vertalen in de begrenzing van krachten en snelheden die cobots mogen uitoefenen.

Kracht en druk nooit boven toegelaten waarden

Uitgangspunt van TS 15066 is wetenschappelijk onderzoek dat uitgevoerd werd om na te gaan welke kracht en druk mensen bij een aanraking kunnen verdragen zonder dat het pijn doet.

Bij een quasi-statisch contact mag die kracht in de borststreek bijvoorbeeld 140 N bedragen. Als we kijken naar druk die uitgeoefend mag worden, blijkt de situatie verschillend te zijn voor het borstbeen en de borstspieren, met respectievelijk 120 N/cm2 en 170 N/cm2.

De technische specificatie geeft deze waarden voor in totaal 29 lichaamsdelen.

Bij het ontwerp van collaborative robots wordt ervoor gezorgd dat de kracht en druk nooit boven de toegelaten waarden kunnen komen. Het artikel Hoe detecteert een collaborative robot een aanraking? geeft een overzicht van enkele specifieke maatregelen die hiervoor genomen worden. Om de impact bij een aanraking te beperken legt de specificatie ook grenzen op aan de toegelaten snelheden.

Toch gaat het beveiligen van een applicatie met een collaborative robot nog een stuk verder. Eens een cobot uitgerust wordt met een grijper of een andere tool ontstaan er bijkomende risico’s die ook geanalyseerd moeten worden. Hetzelfde geldt voor omgevingsfactoren en de producten die behandeld worden.

Bij een klassieke robot dient het hekwerk niet alleen om mensen uit de buurt te houden. De fysieke afscherming moet bijvoorbeeld ook in staat zijn om een last tegen te houden wanneer die door de robot per ongeluk weggeworpen zou worden. Dergelijke situaties zouden zich ook bij een cobot kunnen voordoen, en moeten dus allemaal meegenomen worden in de risico-analyse.

Tools volgens dezelfde principes

Om in een reële applicatie na te gaan welke de krachten en drukken zijn die een collaborative robot kan uitoefenen, ontwikkelde Pilz het meetsysteem PROBms. Dat bevat een veer met sensoren die men door de cobot en de tools kan laten indrukken om de krachten op te meten. Het gebruik van speciale films maakt het ook mogelijk om lokaal uitgeoefende drukken te analyseren. Zo kan bijvoorbeeld voor elke zijde van een grijper nagegaan worden hoeveel druk er bij een aanraking uitgeoefend wordt. Ook de cobot zelf kan geanalyseerd worden, rekening houdend met de specifieke programmatie voor een bepaalde toepassing.

In de praktijk is het zaak om op de grijpers en eventueel andere tools dezelfde principes toe te passen als op de robot zelf. Zo zijn er al grijpers beschikbaar voor gebruik bij collaborative robots die net als de robots zelf voorzien zijn van afgeronde hoeken zodat de kracht die erdoor uitgeoefend wordt, verspreid wordt over een groter oppervlak. Een zachte bekleding is bijkomend in staat om bij een aanraking een deel van de kracht te absorberen.

Schunk won in 2017 op de Hannover Messe de Hermes award met de co-act JL1 – een grijper die naast dit soort aanpassingen ook uitgerust is met sensoren die kunnen detecteren wanneer een operator in de buurt is en wanneer die in contact komt met de grijper. Net als bij de cobot zelf kan er dan ingegrepen worden door de handeling stop te zetten. De grijper zorgt bovendien met zijn LEDs en grafisch display voor een zeer intuïtieve interface tussen gebruiker en machine.

Cobot sneller laten werken

Terwijl al deze aanpassingen erop gericht zijn om cobots intrinsiek veilig te maken zodat een afscherming – fysiek of met behulp van sensoren en scanners – niet nodig is, kan het toch aangewezen zijn om een dergelijke beveiliging te voorzien. Dat stelt de cobot immers in staat om zijn beperkingen in snelheden op te geven zolang er niemand in de buurt is – een maatregel die de productiviteit aanzienlijk kan opdrijven.

Dit alles hangt af van de gekozen applicatie uiteraard, want als de samenwerking essentieel is in de keuze voor een cobot, zal er de facto altijd een operator in de buurt zijn. Dit alles verandert in toepassingen waar cobots gekozen worden voor hun flexibiliteit en eenvoud van programmatie. Dan kan het wel aangewezen zijn om de machine in de eerste plaats als een industriële robot te beschouwen en hem te voorzien van scanners en afscherming zodat die aan een maximale snelheid kan werken.

© Productivity.be, 30/10/2017