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Monday, 18 Dicembre 2017

Collaborazione uomo-robot: quanto conta la sicurezza?

Uno scenario di lavoro in cui esseri umani e macchine automatizzate condividono la stessa area di lavoro e operano nello stesso momento implica un modello di collaborazione che promette flussi di lavoro altamente flessibili, massima velocità, produttività degli impianti ed efficienza economica. Per mantenere queste promesse, la collaborazione uomo-robot deve essere supportata dalla più elevata tecnologia di sicurezza.

di Saverio Stellato

Novembre-Dicembre 2017

Una delle principali sfide dell’Industry 4.0 è la flessibilità dei processi produttivi; una flessibilità che permette la realizzazione in serie di prodotti di dimensione lotto 1, come prodotti unici della catena di fabbricazione. Questo tipo di fabbrica intelligente, dove i prodotti e i processi produttivi vanno di pari passo con la tecnologia e la comunicazione, genera un contesto caratterizzato da macchine sempre più intelligenti e autonome.
Inoltre, l’interazione tra uomo e macchina aumenta la produzione industriale. Questo perché, unendo le capacità degli esseri umani con quelle dei robot, si creano un’ottimizzazione del ciclo di lavoro e una maggiore qualità e ottimizzazione dei costi, solo per fare alcuni esempi. Tutto questo è realizzabile solo se le macchine, che sono autonome ma interagiscono con gli esseri umani, sono dotate di avanzati sistemi di sicurezza.

Coesistenza, cooperazione e collaborazione
L’automazione industriale ha iniziato a focalizzarsi sull’interazione tra uomo e macchina già prima dell’avvento di Industry 4.0. Fino a oggi, coesistenza e cooperazione, definite dai parametri fondamentali di spazio e tempo, hanno rappresentano circa il 90% delle situazioni di interazione.
La coesistenza (Figura 1) indica la situazione in cui esseri umani e macchine si trovano a operare contemporaneamente in aree di lavoro adiacenti; un tipico esempio è dato da una stazione di carico con una tavola rotante in una zona robotizzata. La possibilità di operare contemporaneamente e in sicurezza in aree di lavoro adiacenti è possibile, ad esempio, grazie all’impiego di barriere di sicurezza.
Si parla invece di cooperazione (Figura 2) quando esseri umani e macchine operano nella stessa area di lavoro, ma in tempi diversi, come avviene, ad esempio, nelle stazioni di assemblaggio robotizzate. Un operaio inserisce un pezzo e, allo stesso tempo, un laser scanner di sicurezza con più campi di protezione simultanei rileva la posizione dell’operatore e assicura che la velocità del robot venga ridotta o eventualmente arrestata.
Con Industry 4.0 si è aperta una terza forma di interazione, la collaborazione (Figura 3), ossia la condivisione dello stesso spazio di lavoro nello stesso tempo. Ad esempio, si pensi a una piattaforma mobile dove un robot raccoglie pezzi da un nastro trasportatore e li fornisce a una stazione di lavoro presieduta da un operatore. In questo tipo di scenario non sono più sufficienti i parametri di sicurezza utilizzati per situazioni di coesistenza e cooperazione; qui forza, velocità e corsie di navigazione dei robot devono essere monitorati, limitati e, se necessario, interrotti in funzione del grado di pericolo. La distanza tra operatori e robot diventa quindi il parametro chiave per la sicurezza.

Conformarsi alle norme di sicurezza in vigore
Nessuna HRC è uguale all’altra. Per questo motivo è necessario studiare una valutazione del rischio ad hoc anche se l’applicazione è stata espressamente sviluppata per l’interazione con l’uomo. Da qui nasce la definizione di “cobot”, che indica una serie di caratteristiche fondamentali per lo sviluppo in sicurezza di queste collaborazioni uomo-robot.
Allo stesso modo lo spazio di collaborazione è soggetto a determinati requisiti di base, come il mantenimento di una distanza minima di accesso alle aree limitrofe con rischio di schiacciamento o di intrappolamento. Norme come IEC 61508, IEC 62061 e ISO 13849-1/-2 definiscono le basi fondamentali per la sicurezza funzionale delle applicazioni HRC. È inoltre importante prestare particolare attenzione alle norme ISO 10218-1/-2 e ISO/TS 15066, che specificano rispettivamente i requisiti e le linee guida per la sicurezza integrata nella progettazione dei robot industriali e le funzionalità dei robot collaborativi.
Sviluppatori e integratori di sistemi robotici sono tenuti a controllare che le misure di sicurezza adottate dai costruttori di robot siano conformi alle norme e funzionino correttamente, tenendo conto anche dei potenziali pericoli e rischi residui. A tal proposito si deve realizzare una valutazione dei rischi del sistema robotico, relative sequenze di movimento e zona di collaborazione secondo la norma EN ISO 12100 per poter estrarre dai risultati le corrispondenti misure di sicurezza, come l’implementazione della collaborazione, secondo la norma ISO/TS 15066.

Quattro modelli di funzionamento in sicurezza
Secondo questa specifica tecnica, è possibile differenziare quattro modelli di funzionamento collaborativo. Il primo è noto come safety-related monitored stop: blocca il robot non appena entra in contatto con l’operatore. Il secondo è l’hand guiding: l’operatore ha la possibilità di manovrare il robot manualmente a velocità ridotta.
Il terzo è il power and force limiting: in caso di contatto tra uomo e robot prevedibile o accidentale, la sicurezza richiesta viene garantita riducendo forza, potenza e velocità del robot, ad esempio mediante funzioni di limitazione della centralina di sicurezza a un limite di carico biomeccanico.
Il modello speed and separation monitoring acquista tutto il suo significato in scenari di lavoro nei quali è richiesta grande flessibilità, come nell’Industry 4.0 e, quindi, nei processi di fabbrica intelligente. Questo modello si basa sulla possibilità di adattare la velocità e i movimenti del robot in funzione alla velocità di lavoro dell’operatore e alla zona protetta di collaborazione. In questo modello di funzionamento la distanza di sicurezza è supervisionata in modo continuo permettendo al robot di rallentare, di fermarsi o di modificare il proprio movimento, nei casi in cui i due soggetti siano troppo vicini. Quando la distanza minima tra l’operatore e il robot è nuovamente garantita, questo riprende a essere operativo alle velocità e traiettoria di movimento abituali, ovvero la produttività del robot si ristabilisce automaticamente.
Tra i diversi modelli di collaborazione specificati nella normativa standard ISO/TS 15066, quello del controllo di velocità e distanza di sicurezza offre le maggiori prospettive di sviluppo per applicazioni collaborative uomo-robot. Paragonando questi modelli con quelli di coesistenza e cooperazione, è chiaro che la tecnologia dei sensori di controllo orientata alla sicurezza deve affrontare nuove sfide affinché la HRC possa continuare a migliorarsi senza alcun rischio o impedimento al lavoro dell’operatore.

(Saverio Stellato è Product Manager Safety Systems, SICK S.p.A.)

DIGITAL FACTORY

Human-Robot Collaboration: How Important Is Safety?

A work scenario in which humans and automated machines share the same workspace at the same time implies a model of collaboration that promises highly flexible workflows, maximum system throughput and productivity, as well as economic efficiency. In order to live up to this promises, HRC requires exactly the right safety technology.

One of the major issues associated with Industry 4.0 is making work processes flexible. At the extreme end of the spectrum, this may involve manufacturing products in batch size 1 under industrial mass-production conditions, that is, manufacturing unique items on a conveyor belt. This type of smart factory - where products and production processes are one with state-of-the-art information and communication technology - is becoming home to machines that are increasingly intelligent, and increasingly autonomous as a result. Not only that, but interaction between humans and machines is also set to increase in industrial manufacturing. This is because combining the abilities of humans with those of robots results in production solutions that are characterized by optimized work cycles, improved quality, and greater cost-efficiency, to name a few examples. At the same time, however, machines that are autonomous but primarily interact with humans require new and advanced safety concepts.

Coexistence, cooperation and collaboration
Industry 4.0 is not the first time that industrial automation has focused on interaction between humans and machines. To date, the two interaction scenarios of coexistence and cooperation have dominated, accounting for around 90 percent of cases. Space and time are crucial interaction parameters in these scenarios.
Coexistence (Figure 1) denotes cases in which humans and machines stay in neighbouring areas at the same time while they interact. A typical example of this is an insertion station with a rotating table on a robot cell. Humans and machines work in neighbouring workspaces at the same time, with the area between the two being monitored by a deTec4 Prime safety light curtain, for example.
Cooperation (Figure 2) is when humans and machines work in a shared workspace but at different times. An example of this type of work situation is a transfer station for assembly robots. A worker inserts a workpiece and, at the same time, a safety laser scanner with multiple simultaneous protective fields that detect the worker ensures that the robot speed is reduced or that the robot is brought to a safety-monitored stop.
Industry 4.0 is seeing a third form of interaction shifting increasingly into the spotlight: collaboration between humans and robots (Figure 3). This involves both humans and robots sharing the same workspace at the same time. An example of this is a mobile platform with a robot that takes parts from a belt or a pallet and transports them to a workspace, where they are presented and given to the worker stationed there. In collaborative scenarios such as this, the conventional safe detection solutions used for coexistence or cooperation are no longer sufficient. Instead, the forces, speeds, and travel paths of robots now need be to monitored, restricted, and stopped where necessary, depending on the actual level of danger. The distance between humans and robots is therefore becoming a key safety-relevant parameter.

To comply with the current safety standards
No two examples of human-robot collaboration are the same. This means that an individual risk assessment for the HRC application is required even if the robot concerned has been developed specifically to interact with humans. “Cobots” like this therefore have many features of an inherently safe construction, starting from their basic design. At the same time, the collaboration space also has to meet fundamental requirements such as minimum distances to adjacent areas with crushing or pinching hazards. General standards such as IEC 61508, IEC 62061, and ISO 13849-1/-2 are one way in which the foundations for the functional safety of HRC applications are laid. It is also important to give particular consideration to ISO 10218-1/-2, which concerns the safety of industrial robots, and ISO TS 15066, which relates to robots for collaborative operation.
Developers and integrators of robot systems not only have to perform thorough checks on the structural safety measures taken by robot manufacturers, with regard to their functions and compliance with the aforementioned standards, but are also required to consider any hazards or risks that may remain. This means carrying out a risk assessment in accordance with EN ISO 12100 for the robot system, its motion sequences, and its planned collaboration area in order to determine which safety measures are appropriate – such as implementing suitable types of collaboration as defined in ISO/TS 15066.

Four safety-related operating modes
These technical specifications can be used to discern four types of collaborative operation. The “safety-related monitored stop” prevents robots from interacting with humans, while “hand guiding” ensures safe HRC by guiding the robot manually at an appropriately reduced speed.
The third type of collaboration, “power and force limiting”, achieves the required safety by reducing the power, force, and speed of the robot - through safety controller limiting functions, for example - to a biomechanical load capacity at which no hazards or injuries are to be expected.
The “speed and separation monitoring” type of collaboration is completely in keeping with the concept of highly flexible work scenarios, and therefore with the principles of Industry 4.0 and production processes in smart factories. It is based on the speed and travel paths of the robot being monitoring and adjusted according to the working speed of the operator in the protected collaboration area. Safety distances are permanently monitored and the robot is slowed down, stopped, or diverted when necessary. If the distance between the operator and the machine becomes greater than the minimum distance again, the robot system can continue moving at typical speeds and along typical travel paths automatically. This immediately restores robot productivity.
Of the different types of ISO/TS 15066 collaboration, speed and distance monitoring in HRC applications offers the greatest potential as we move into the future. When considered in relation to these, and in view of the interaction scenarios of coexistence and cooperation that have dominated up to this point, it is clear that safety-related sensor and control technology is facing new challenges to ensure that HRC is able to continue operating unimpeded.

(Saverio Stellato è Product Manager Safety Systems, SICK S.p.A.)          

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