naar top
Menu
Logo Print
03/09/2018 - MICHIEL DE MYLLE

VEILIGE COBOT BETEKENT NIET PER SE VEILIGE TOEPASSING

Effectieve veiligheid valt niet te programmeren maar moet worden gemeten

Midden dit voorjaar organiseerden Pilz en Sirris in het Sirris Smart & Digital Factory Application Lab in Kortrijk een seminarie rond de normtechnische beveiliging van hybride werkcellen, waarin de operator samenwerkt met collaborative robots. Daar kwam als belangrijkste besluit naar voren dat cobots op zich wel als inherent veilig verkocht worden, maar dat dit niet per se betekent dat de toepassing waarvan ze deel uitmaken, ook gegarandeerd veilig is. Bij een eventueel ongeval mag u in elk geval kijken in de richting van de integrator.

 

NOG GEEN SPECIFIEKE NORM ROND HRC

Toen er aan het begin van de eeuwwisseling geleidelijk collaboratieve robotmodellen van de band rolden, was er in de toenmalige veiligheidsnormen over robots nog weinig tot niets gespecificeerd over de samenwerking tussen mens en robot (Human Robot Collaboration - HRC). Niemand wist welke maximale kracht- en drukwaarden toe te passen om te voorkomen dat eventuele botsingen tussen cobot en werknemer tot letsels leiden. Reflexmatig kozen robotfabrikanten en integratoren er dan ook voor om op veilig te spelen. Alle ontwikkelde cobotontwerpen vereisten de goedkeuring van een derde partij - over het algemeen een overheidsinstantie, maar in bepaalde gevallen van een verzekeringsorgaan - om aansprakelijkheid te beperken. Zelfs bij gecertificeerde cobots waren de evaluatiecriteria in vele gevallen situationeel en weinig specifiek.

 

TECHNISCHE SPECIFICATIE ALS VOORLOPIGE MAATREGEL

Bij gebrek aan een exacte norm over het beveiligen van hybride werkcellen publiceerde de Internationale Organisatie voor Standaardisatie in 2016 de technische specificatie ISO/TS15066. Die vormt een aanvulling op de bestaande veiligheidsvereisten met betrekking tot industriële robots enerzijds, en robotsystemen en hun integratie anderzijds (respectievelijk opgenomen in de C-normen ISO 10218-1en ISO 10218‑2).

 

ISO/TS 15066
In de technische specificatie ISO/TS15066 zijn de biomechanische grenswaarden voor druk en kracht opgelijst volgens de plaats op het lichaam

 

Vermogens- en krachtbeperking

In de loop der jaren integreerden robotfabrikanten al bepaalde veiligheidsfuncties in de robotsturing zoals safe torque off (STO), tweehandenbediening, veilige positie … Met de komst van de cobots drongen zich echter nieuwe vormen van veiligheid op. Een van de centrale ideeën achter ISO/TS 15066 is dat bij toepassingen waarbij een contact tussen robots en mensen is toegestaan en er een incidenteel contact plaatsvindt, dit niet mag leiden tot pijn of letsels. Daarom introduceerde men vermogens- en krachtbeperking (Power and Force Limiting - PLF). Waar men bij de risicobeoordeling van robots traditioneel het verlies van ledematen of leven als criteria hanteerde, werden nu dus voor het eerst de menselijke pijngrenzen gekwantificeerd. Die zijn afhankelijk van de plaats en wijze van contact.

 

transient and quasi-static contact
Grafische voorstelling van quasi-statisch en transiënt contact

Quasi-statisch contact en transiënt contact

Men onderscheidt twee soorten contact: quasi-statisch contact (klemcontact) en transiënt contact (vrije impact). Er is sprake van een quasi-statisch contact als een robot gedurende een relatief lange tijd een lichaamsdeel klem kan zetten en net zolang een kracht en druk uitoefent. Een transiënt contact is daarentegen een kort (< 50 ms) contact tussen robot en lichaamsdeel, waarbij het lichaamsdeel vrij blijft en de contactkracht afhangt van de inertie van de robot, de persoon en de relatieve snelheid tussen de robot en de persoon. In ISO/TS15066 zijn er in een tabel (zie volgende pagina) waarden vastgelegd voor de maximaal toegelaten kracht en druk per lichaamszone, al naargelang van de contactvorm. Daarbij is men vertrokken van het feit dat bepaalde lichaamszones over het algemeen gevoeliger zijn voor botsingen. Concreet: hoe gevoeliger het lichaamsdeel, hoe lager de maximaal toegelaten waarde. In het geval van een quasi-statisch contact is bv. de laagste waarde voor een maximale kracht die voor de kaakspier (65 N), de slaap en het midden van het voorhoofd (beide 130 N), en de hoogste die voor de dijspier en knieschijf (220 N). Voor een maximale druk gaat het respectievelijk om de slaap en de kaakspier enerzijds (beide 110 N/cm²), en het wijsvingerkussen (300 N/cm²). Voor transiënte contacten hanteert men een multiplier. In de meeste gevallen tolereert men een dubbele waarde ten opzichte van deze bij een quasi-statisch contact. Bij transiënte contacten verdraagt ons lichaam als het ware dubbel zoveel. Een uitzondering vormen de eerder genoemde gevoelige zones op het hoofd.

 

cobot
De impact van een botsing van de cobot met het menselijke lichaam hangt onder meer af van de aard (vorm, materiaal) van de tool die gemonteerd is op de cobot – een boor raakt moeilijker door de ‘veiligheidskeuring’

Impactbepalende factoren

Een courante vorm van ingebouwde cobotveiligheid bij met name oudere cobotmodellen bestaat zuiver in een softwarematige beperking van de snelheid, krachtmoment ... Maar wat uiteindelijk telt bij een eventuele botsing, is de impact op het menselijke lichaam. En die impact hangt ook af van andere factoren. Enerzijds de materiaalhardheid van cobotdelen die contact kunnen maken met de operator. Die impact vangen fabrikanten op door delen die contact kunnen maken met de operator, te vervaardigen uit of te voorzien van schokabsorberend materiaal. 
Ook de grootte van het contactoppervlak speelt een voorname rol, en wel volgens de relatie druk = kracht/oppervlakte (p = F/A). Hoe kleiner het contactoppervlak bij een gegeven kracht, hoe groter de druk en dus de kans op het triggeren van pijn/letsels. Omgekeerd geldt: hoe groter het contactoppervlak, hoe beter de krachtverdeling over het geraakte lichaamsdeel en hoe beperkter de pijn/kans op letsels. Omdat er geen standaardformules bestaan om die factoren softwarematig in te calculeren, moet de effectieve impact gemeten worden om de effectieve veiligheid vast te stellen.

 

Krachtmeting

Voor de krachtmeting gebeurt dat door middel van een toestel dat voorzien kan worden van een gekalibreerde veer met een bepaalde veerconstante. Afhankelijk van het lichaamsdeel waarmee de gesimuleerde botsing verloopt, wordt er een bepaalde veer gekozen met een veerconstante op maat. In plaats van het eigenlijke lichaamsdeel worden er echter een drietal rubberen pads (eveneens gekalibreerd) gebruikt, telkens met een stevigheid die deze van het bedoelde lichaamsdeel benadert.

 

Drukmeting

De drukmeting is niet met de sensor zelf te meten. Met behulp van drukmeetfolies wordt de lokale druk gemeten en met de vastgelegde grenswaarden uit de norm vergeleken. De validering en digitalisering van de krachtmeetwaarden en het opstellen van testrapporten verlopen met een softwaretool. De druk is in de meeste situaties de meest bepalende factor voor de veiligheid van de cobottoepassing. Zo zal, met betrekking tot een gegeven lichaamszone en bij een gegeven kracht, een applicatie met een stompe tool toegelaten zijn, terwijl diezelfde cobot, uitgerust met bijvoorbeeld een schroefboor, niet toegelaten kan zijn vanwege de grotere druk.

 

Juridische waarde van ISO/TS15066

De technische specificatie ISO/TS15066 geldt als een voorlopige maatregel en wordt binnen afzienbare tijd opgenomen in de robotnorm. Zij heeft echter dezelfde juridische kracht als een norm, dus bedrijven die de specificatie toepassen, voldoen aan de vereisten van de Machinerichtlijn. TS15066 vormt een aanvulling van en specificeert de veiligheidsvereisten voor HRC en wordt een essentiële referentie voor zowel het ontwerp als de validatie van de cobottoepassing.

 

INTEGRATOR IS EINDVERANTWOORDELIJK

Een veilige cobot betekent niet per se een veilige cobottoepassing. Hoewel veiligheidsfuncties ervoor zorgen dat de cobot stopt of vertraagt bij een botsing, hebben fabrikanten geen controle over de tools, werkstukken en bewegingspaden van de toepassing. Wat als de cobot bijvoorbeeld snijbewerkingen uitvoert en de integrator daartoe een mes als tool op de robot monteert? De integrator draagt dan ook de eindverantwoordelijkheid qua veiligheid.