Collaboratieve robots, hoe beveilig je de werknemer?

12/09/16

Een trend bij industriële robots is dat de werknemer dicht bij de robot werkzaamheden kan uitvoeren, waarbij fysiek contact mogelijk is binnen een vooraf gedefinieerd (“collaboratief”) gebied. Op het punt waar de interactie tussen de collaborative robot en de werknemer plaatsvindt ontstaan nieuwe gevaren en maatregelen. In dit artikel gaat John Bal hier op in en beschrijft hij welke beveiligingsmethoden je kunt toepassen.

Bedrijven passen industriële robots steeds vaker toe ter vervanging van werknemers of juist om met werknemers te kunnen samenwerken. Je past industriële robot over het algemeen toe wanneer veel herhalende werkzaamheden moeten worden uitgevoerd waarbij een hoge mate van precisie en kracht nodig is. Over het algemeen werken robotsystemen zelfstandig zonder tussenkomst van werknemers. Een werknemer heeft alleen toegang tot het werkgebied van de robot voor het uitvoeren van onderhoud, inspecties en reiniging. Een
trend bij industriële robots is dat de werknemer dicht bij de robot werkzaamheden kan uitvoeren, waarbij fysiek contact mogelijk is binnen een vooraf gedefinieerd, collaboratieve, gebied. We spreken van collaboratieve robots als de robot samenwerkt met de werknemers. De wijze hoe je met een collaboratieve robotsysteem samenwerkt is significant anders dan bij een traditioneel robotsysteem. Dit komt doordat bij collaboratieve robots de robot in dichte nabijheid van de werknemer kan functioneren terwijl de robot bekrachtigd blijft. Diverse normen beschrijven veiligheidsmaatregelen voor collaboratieve robots.
Op het punt waar de interactie tussen de collaboratieve robot en werknemer plaatsvindt ontstaan nieuwe gevaren en maatregelen. Dit artikel beschrijft alleen beveiligingsmethoden voor collaboratieve robots voor industriële toepassingen en gaat niet in op beveiligingsmethoden voor medische robots of servicerobots.

Normen

Vanuit het werkveld industriële veiligheid constateren we dat de betrokken partijen zoals fabrikant, integrator en gebruiker, niet altijd de juiste veiligheidsmethoden hanteren. Deze principes zijn terug te vinden in Europese geharmoniseerde normen. Bedrijven passen deze vaak niet of niet correct toe. Enerzijds is het niet verplicht om deze normen toe te passen, anderzijds leiden ze wel tot het zogenoemde “vermoeden van overeenstemming”. Indien je op andere wijze dan via deze normen de eisen van de Europese richtlijnen invult (voor industriële robots met name de Machinerichtlijn), behoren deze aantoonbaar aan hetzelfde veiligheidsniveau te voldoen. Hoe pas je de uitgangspunten van deze normen correct toe?

EN-ISO 10218

De norm EN-ISO 10218-1 is van toepassing voor de fabrikant: de ontwerper van de “kale” industriële robot. Dit eerste deel van de norm beschrijft de vereisten voor het inherent veilig ontwerp van robots, stelt eisen aan veiligheidsmaatregelen en geeft aan welke informatie de fabrikant moet opstellen en/of meeleveren. De norm beschrijft alleen de generieke gevaren en maatregelen gerelateerd aan de robot zelf, en dus niet de gevaren die gelden voor de samengebouwde situatie. De norm gaat in op de veiligheidseisen aan robots, die bedoeld zijn om op een collaboratieve wijze samen te werken met de werknemer. Technische veiligheidseisen aan een collaborative robot zijn: safetyrated monitored stop, handgeleiding, snelheid- en positiemonitoring en kracht- en energiebeperking.

EN-ISO 10218-2

De EN-ISO 10218-2 geldt voor de machinebouwer/integrator. In dit tweede deel staan vereisten beschreven voor een veilige integratie van industriële robots, robotsystemen en robotcellen. Hierbij worden alle levensfasen van het robotsysteem beschreven, alsmede welke informatie aanwezig dient te zijn gedurende deze levensfasen. Bijvoorbeeld het in bedrijf stellen en onderhoud. Dit deel van de norm beschrijft de generieke gevaren en maatregelen gerelateerd aan de integratie van de robot in een geïntegreerd productiesysteem, integrated manufacturing systems (IMS), en verwijst naar het beoordelen van de specifieke procesrisico’s. Het gaat hierbij om een integratiebeoordeling: wat zijn de risico’s ten gevolge van het samenstellen van de industriële robot met bijvoorbeeld een bewerkingsstation in dezelfde robotcel? Ook het tweede deel van de robotnorm gaat in op de collaboratieve robot. Deel 2 richt zich voornamelijk op de gevaren die ontstaan bij deze collaboratieve samenwerking tussen de werknemer en de robot.

EN-ISO 11161

De norm EN-ISO 11161 beschrijft eisen aan een IMS. Een IMS is een groep van twee of meer machines die op een gecoördineerde wijze samenwerken, die gekoppeld zijn met een materiaal afhandelingssysteem en die zijn voorzien van een gezamenlijk besturingssysteem. Een IMS heeft een specifiek doel, zoals het assembleren, behandelen, verplaatsen of verpakken van producten. De norm beschrijft hoe je een risicobeoordeling voor een IMS moet uitvoeren en hoe je de gevaren dient te reduceren volgens de arbeidshygiënische strategie. De beschreven risicobeoordelingsmethodiek en de reductie van de gevaren is vrijwel identiek aan de methoden zoals beschreven in de EN-ISO 12100, maar dan specifiek voor een IMS. Ook hierbij gaat het om een integratiebeoordeling, maar dan voor alle tot de IMS behorende deelmachines onderling. Hierbij moet je dus kijken hoe de deelmachines veilig in onderlinge samenhang samen kunnen functioneren. Onderdeel hiervan is de span of control van elke veiligheidsfunctie, oftewel moet bij een geactiveerde noodstop of lichtscherm de gehele cel direct naar een veilige stand, of is dit alleen voor een deel van de installatie nodig. De ENISO 11161 heeft geen aanvullingen aangaande collaboratieve robots, maar is zeer geschikt om toe te passen indien in het IMS een collaboratieve robot is opgenomen.

ISO/TS 15066

De technische specificatie ISO/TS 15066 is van toepassing op industriële robotsystemen en beschrijft de veiligheidsvereisten voor collaboratieve robotsystemen en de werkomgeving. De norm vormt een aanvulling op de eisen zoals beschreven in de EN-ISO 10218-1 en EN-ISO 10218-2 en is met deze twee delen onlosmakelijk verbonden. De ISO/TS 15066 is nog in ontwikkeling. Dit komt onder andere doordat de biomechanische limieten voor pijn bij klemmen en stoten nog in ontwikkeling zijn. De biomechanische limieten worden in de volgende edities van deze technische specifcatie verder aangevuld.

Beveiligingsmethoden

Een industriële robot wordt dus toegepast bij herhalende werkzaamheden waarbij een hoge mate van precisie en kracht nodig is. Robotinstallaties werken over het algemeen zelfstandig zonder tussenkomst van een werknemer. Maar niet alle werkzaamheden zijn door een robot uit te voeren en dan is de werknemer niet weg te denken. Op het punt waar de industriële robot en werknemer samenwerken spreken we over een collaboratieve samenwerking. Voor een collaboratieve robotsysteem werp je een zone op waarin ook zonder functie blokkerende afschermingen geen directe gevaren, zoals beknelling en/of botsing met een werknemer, aanwezig zijn. Bij het reduceren van risico’s vanwege contact met de industriële robot maak je gebruik van een veiligheidsbesturing. Een veiligheidsbesturing bewaakt de geprogrammeerde baan en snelheid van de robot en zal de beweging veilig stoppen als het een afwijking detecteert. De normen voor robots beschrijven voor veilige collaboratieve samenwerking tussen de mens en de industriële robot vier beveiligingsmethoden. De laatste twee methoden zijn voor een deel onbekend terrein. De vier methoden zijn:

Safety-rated monitored stop (1)
Je gebruikt de safety-rated monitored stop om de bewegingen van de robot te stoppen in het collaboratieve werkgebied voordat een operator het werkgebied betreedt om bijvoorbeeld een werkstuk te inspecteren of voor het wisselen van het product in de robottooling. De industriële robot mag zijn werkzaamheden pas hervatten als de werknemer het collaboratieve werkgebied heeft verlaten. Toegang tot het collaboratieve werkgebied is alleen toegestaan indien:

  • Er geen gevaren door het robotsysteem of andere gevaren aanwezig zijn.
  • De robot aanwezig is in het collaboratieve werkgebied en er een safety-rated monitored stop (stopcategorie 2 volgens EN-IEC 60204-1) actief is en actief blijft als de werknemer aanwezig is
  • Wanneer de robot aanwezig is in het collaboratieve werkgebied en in een protective stop staat (stopcategorie 0 of 1 volgens EN-IEC 60204-1). Indien om enige reden niet wordt voldaan aan deze eisen zal dit moeten leiden tot een categorie 0 (ENIEC 60204-1) stop. 

Handgeleiding (2)
De methode met handgeleiding is vergelijkbaar met de safety-rated monitored stop methode maar je kunt de robot dan laten bewegen middels hold-to-run bediening. Je gebruikt de handgeleiding om de bewegingen van de robot over te nemen middels een hold-to-run bedieningstoestel. Door middel van deze handgeleiding zijn, samen met de robot, met grote precisie zware onderdelen te positioneren. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het positioneren van een dashboard of stoel in een auto. De operator mag pas het collaboratieve werkgebied betreden indien de safety-rated monitored stop actief is. Vervolgens kan de operator het werkgebied betreden en de bewegingen van de robot overnemen middels het hold-to-run bedieningstoestel. Je plaatst het hold-to-run bedieningstoestel over het algemeen nabij de kop van de robot. Indien het hold-to-run bedieningstoestel wordt losgelaten zal de safety-rated monitored stop actief worden. Als de werkzaamheden zijn uitgevoerd en het robotsysteem weer aanwezig is binnen het collaboratieve werkgebied en de werknemer heeft dit gebied verlaten kan de robot weer verder met de niet-collaboratieve werkzaamheden.

Snelheid- en afstandbewaking (3)
Door middel van de snelheid- en afstandbewaking kunnen de robot en de operator gelijktijdig in het collaboratieve werkgebied aanwezig zijn en mag de robot gewoon bewegen. De industriële robot zal langzamer gaan bewegen indien een werknemer de robot nadert en weer versnellen indien de werknemer de afstand weer vergroot. Je verkrijgt risicoreductie door het creëren van een zogenoemde minimale veiligheidsafstand tussen de werknemer en de industriële robot en door deze te allen tijde te behouden. De industriële robot zal dan tijdens bewegen nooit dichter bij de werknemer komen dan de veiligheidsafstand en wanneer dit wel het geval is zal de robot stoppen. Indien de werknemer de afstand weer vergroot zal de industriële robot automatisch verder gaan met zijn bewegingen. De industriële robot dient minimaal voorzien te zijn van een safety-monitored speed functie waarbij de snelheid van de assen wordt gemeten en een safety-rated monitored stop functie. In enkele gevallen is de veiligheid van de werknemer afhankelijk van de begrenzing van het bereik van de robot waarbij de industriële robot voorzien dient te zijn van safety-rated soft axis en space limiting. Bij soft axis worden de grenzen van de beweging door de industriële robot sofwarematig ingegeven en gecontroleerd. Bij de toepassing van space limiting wordt een geometrische vorm gedefinieerd welke de industriële robot beperkt tot het bewegen in dit gebied of om juist te voorkomen dat de industriële robot dit gebied binnentreedt. Bij deze manier van beveiligen pas je niet scheidende beveiligingsinrichtingen toe zodat werknemers de robot altijd kunnen benaderen, zonder gevaar te lopen. Als niet scheidende veiligheidsmaatregelen worden bijvoorbeeld optische lasers, 3D camera’s, ultrasoon en radar gebruikt. Deze beveiligingen detecteren een naderende werknemer en vertragen de industriële robot of schakelen hem uit indien de veiligheidsafstand wordt gehaald. De industriële robot versnelt weer of gaat weer bewegen indien voldoende afstand aanwezig is tussen de werknemer en industriële robot.

Kracht- en energiemonitoring (4)
Met de kracht- en energiemonitoringmethode is opzettelijk en/of onopzettelijk fysiek contact tussen de industriële robot (inclusief het werkstuk) en de werknemer mogelijk. Je bereikt risicoreductie door middel van inherent veilige maatregelen aan de robot zelf of door middel van een veiligheidsbesturing welke de maximale druk en krachten (drempelwaarden) controleert. Deze drempelwaarden worden bepaald aan de hand van een risicobeoordeling. In de informatieve bijlage uit de technische specificatie ISO/TS 15066 staan de maximale druk en krachten (drempelwaardes) voor verschillende lichaamsdelen. Bij deze methode dienen wel industriële robots te worden toegepast welke specifiek voor deze vorm van functioneren zijn ontworpen. De norm beschrijft verschillende contact situaties wanneer de collaborative robot en de lichaamsdelen van de werknemer in contact kunnen komen, namelijk:

  1. Opzettelijke contact situaties (behorende bij normaal gebruik).
  2. Onopzettelijke contact situaties (werkprocedure niet correct opgevolgd, maar geen technisch falen).
  3. Contact situaties door falen besturing, oftewel technisch falen. De verschillende vormen van contact tussen de bewegende delen van een industriële robot en de lichaamsdelen van een werknemer worden op de volgende wijze ingedeeld: 

Quasi statisch contact: Hiermee wordt bedoeld het beknellen en verbrijzelen van een lichaamsdeel van de werknemer wanneer het lichaamsdeel is ingeklemd tussen een bewegend deel van de industriële robot en een ander vast of bewegend deel. Hierbij is er dus gedurende een langere periode lichamelijk contact aanwezig. Denk hierbij bijvoorbeeld dat een werknemer bekneld komt te zitten tussen de robotarm en een vaste afscherming.

Kortstondig contact: Hiermee wordt bedoeld dat een lichaamsdeel van de werknemer wordt geraakt (stoten) door een bewegend deel van een industriële robot en waar men de mogelijkheid heeft om terug te trekken of terug te deinzen zonder dat er sprake is van beknelling van het lichaamsdeel. Hierbij is er dus gedurende een korte tijdsduur lichamelijk contact. Het kortstondige contact is dus afhankelijk van verschillende factoren zoals de massatraagheid van het lichaamsdeel van de werknemer, massatraagheid van de robot of zijn onderdelen (robotarm, tooling of werkstuk) en de snelheid van zowel het lichaamsdeel van de werknemer en de industriële robot.

De industriële robot moet zo zijn ontworpen dat risico’s voor de werknemer worden beperkt door de biomechanische limieten (bijlage A, ISO/TS 15066) voor quasi statisch en kortstondig contact niet te overschrijden. De maximale toelaatbare kracht op de onderarm mag volgens bijlage A bij quasi-statisch contact bijvoorbeeld niet hoger zijn dan 160 N. In een risicobeoordeling moet worden vastgelegd welke limieten niet overschreden mogen worden. Industriële robots die de collaborative werking ondersteunen worden voorzien van middelen om de biomechanische limieten te bewaken en niet te overschrijden. De bewaking, of de industriële robot de biomechanische limieten niet overschrijdt, wordt uitgevoerd door een veiligheidsbesturing waarbij je de limieten kunt instellen/programmeren. De veiligheidsbesturing kan hierbij bijvoorbeeld krachten, koppel, snelheid, as bereik of ruimtebereik bewaken. Collaboratieve robots beveiligen

Veiligheidsmaatregelen

Ondanks dat het begrip collaborative robot al langer bekend is vanuit de normen EN-ISO 10218-1 & -2 vormt de technical specification ISO/TS 15066 een uitstekende aanvulling op de veiligheidsmaatregelen die men moet hanteren bij collaborative robots. Een werknemer zal in de toekomst steeds vaker met de robot gaan samenwerken. Op het punt waar de industriële robot en werknemer samenwerken spreken we over een collaborative samenwerking. Het voorkomen van letsel bij de werknemer door contact met de industriële robot wordt gerealiseerd door veiligheidsbesturingen en/of vaste afschermingen. Voor veilige collaborative samenwerking tussen de werknemer en de industriële robot zijn er dus een viertal beveiligingsmethoden. Twee methoden hiervan, namelijk snelheiden afstandbewaking en kracht- en/of energiebegrenzing zijn gedeeltelijk onbekend terrein. Bij kracht- en/of energiebegrenzing is er opzettelijk en/of onopzettelijk fysiek contact tussen de industriële robot (inclusief het werkstuk) en de werknemer mogelijk. De biomechanische limieten bij fysiek contact (zoals aangegeven in bijlage A uit de technische specificatie ISO/TS 15066 bij quasi statisch en kortstondig contact bij industriële robots die collaboratief samenwerken met de werknemer) zijn nog informatief. Diverse studies worden uitgevoerd om de waarden uit deze bijlage verder door te ontwikkelen en aan te vullen.

Dit artikel is geschreven door John Bal, Senior Consultant Machine Safety bij D&F Consulting en tevens gepubliceerd in Safety! nr. 4 2016

Klik hier om de publicatie te printen.

Vragen over machineveiligheid?

Heeft u vragen naar aanleiding van dit artikel of wilt u meer informatie over machineveiligheid. Neem geheel vrijblijvend contact op met een van onze veiligheidsadviseurs:

  • telefonisch contact via (076) 50 40 340
  • stel uw vraag direct via het contactformulier

Neem contact met mij op

versturen

Of bel ons direct op

076 5040 340