Cómo incorporar de forma segura los cobots en lugares de trabajo industriales

Ahora hay disponibles robots industriales compactos que pueden integrarse de manera rentable incluso en líneas de producción pequeñas. Parte de su atractivo es que tales robots pueden colaborar con un operador humano para descargar tareas repetitivas que de otro modo cansarían al operador y conducirían a errores. El problema es que trabajar cerca de una máquina en movimiento plantea riesgos de seguridad para los humanos.

La clave para mantener seguros los robots colaborativos (cobots) es considerar cuidadosamente los riesgos involucrados y configurar el robot y su sistema de control para mitigar los riesgos potenciales. Afortunadamente, las especificaciones técnicas ahora están disponibles para ayudar a guiar a los desarrolladores en el camino hacia la seguridad.

Este artículo analiza las ventajas de agregar cobots a un entorno de trabajo y señala las preocupaciones de seguridad antes de describir las pautas regulatorias recientes y presentar estrategias de evaluación y mitigación de riesgos. Luego, presenta cobots con mecanismos de seguridad incorporados que les permiten agregarse de manera segura a cualquier entorno de producción o flujo de trabajo.

¿Por qué agregar robots colaborativos?

Los robots industriales, en las principales instalaciones de fabricación, han demostrado su valía en términos de aumentar el rendimiento de producción al tiempo que reducen los costos. Ahora, los robots industriales compactos y generalizados aportan tales beneficios a la producción a pequeña y mediana escala. Sin embargo, a diferencia de sus contrapartes a mayor escala, los robots compactos están diseñados para operar en cooperación con sus operadores humanos y no de forma aislada (Figura 1). Los dos comparten un espacio de trabajo, lo que ayuda a minimizar el uso del robot del valioso espacio de producción y mejorar su rentabilidad.

Figura 1: Los pequeños robots industriales están diseñados para operar en cooperación con humanos, en lugar de hacerlo de forma aislada. (Fuente de la imagen: KraussMaffel/KUKA Robotics)

Como toda maquinaria motorizada, estos cobots tienen el potencial de causar lesiones si no se utilizan adecuadamente. La integración de un cobot en una línea de producción, entonces, requiere que se considere cuidadosamente el tema de la seguridad del operador. Los factores a tener en cuenta incluyen el alcance y la velocidad de movimiento del robot, los materiales que maneja y el método y la frecuencia de interacción del operador. Una vez que estos se entiendan, se pueden incorporar características apropiadas para mejorar la seguridad en el diseño del sistema.

Los requisitos reglamentarios de organizaciones como OSHA (Administración de Seguridad y Salud Ocupacional) en los EE. UU., CCOHS en Canadá y la Comisión Europea exigen algunos elementos de la seguridad operacional de cobot. El Código de Regulaciones Federales (CFR) 1910 de OSHA 29, por ejemplo, exige que los sistemas bloqueen las fuentes de energía peligrosas durante las operaciones de servicio (Sección 147) y eviten que ocurran descargas eléctricas durante la operación (Sección 333). Tales regulaciones, sin embargo, se desarrollaron para aplicarse a todas las formas de maquinaria industrial y no necesariamente han mantenido el ritmo de la tecnología. Hay relativamente poca regulación específica para robots industriales en general o cobots en particular.

Sin embargo, la industria ha llenado el vacío al desarrollar varios estándares técnicos específicos para robots industriales. Estos incluyen la norma IEC 61508 sobre seguridad funcional, la norma ISO 12100 sobre diseño para la seguridad de la máquina y las normas ISO 10218-1 y -2 sobre seguridad para robots industriales. Más recientemente, la industria ha lanzado la norma técnica ISO/TS 15066 sobre seguridad colaborativa de robots. Solo algunas secciones de estos estándares se definen como requisitos para el diseño de sistemas robóticos. El resto son recomendaciones que proporcionan a los desarrolladores y operadores pautas detalladas para garantizar la interacción segura de robots y humanos.

Evaluación de riesgos de cobot

El camino hacia la seguridad de los cobots comienza con una evaluación cuidadosa del riesgo de la operación robótica prevista y el modelo de uso, no solo del robot en sí, sino de toda la aplicación y el entorno operativo. Un sistema robótico que maneja láminas de metal con bordes afilados, por ejemplo, crea riesgos diferentes a los de un sistema que maneja cajas de cartón. Del mismo modo, la evaluación de riesgos para un robot equipado con una pinza será diferente de la de un robot con un taladro o un soldador.

Por lo tanto, los desarrolladores deben comprender completamente el alcance de las operaciones del sistema, las características de movimiento del robot, el espacio de trabajo y el flujo de trabajo, y otros factores similares para identificar las posibles fuentes de riesgo en la operación del robot. Estas fuentes incluyen cualquier posible interacción robot-humano, ya sea intencional, inadvertida o como resultado de una falla del equipo, que podría provocar una lesión de algún tipo.

Una vez que se identifican los riesgos, cada uno debe ser evaluado. Esta evaluación clasifica cada interacción como un riesgo insignificante, bajo, medio, alto o muy alto, utilizando tres criterios clave:

• Gravedad de posibles lesiones
• Frecuencia o duración de la exposición al peligro
• Probabilidad de evitar el peligro.

Un árbol representativo de evaluación de riesgos se muestra en la Figura 2. La gravedad de la lesión varía de leve, como cortes o contusiones que sanan por completo en unos pocos días, a graves, que provocan daños permanentes o la muerte. La exposición varía de baja (ocasional) a alta (frecuente o continua), y la probabilidad de evitación varía de probable a imposible. Los evaluadores pueden cuantificar estos criterios a su manera para reflejar sus circunstancias específicas.

Figura 2: La evaluación del nivel de riesgo requiere examinar la gravedad y la probabilidad de posibles lesiones. (Fuente de la imagen: Richard A. Quinnell)

Sin embargo, una de las ideas que ISO/TS 15066 ha traído a la industria es una definición cuantitativa del contacto físico entre el robot y el ser humano que no es perjudicial. Esta definición es especialmente importante en aplicaciones de cobot, donde el contacto físico es muy probable o incluso intencionado. El estándar define dos tipos de contacto: transitorio y cuasiestático (Figura 3).

Las situaciones en las que el humano puede alejarse fácilmente del contacto con el robot, como una parte del robot que choca contra el brazo del operador, se consideran transitorias. Cuando el humano queda atrapado entre el robot y un objeto fijo, como una pinza robótica que presiona la mano del operador contra la mesa, el contacto se considera cuasiestático.

Figura 3: El contacto robot-humano, accidental o anticipado, se divide en dos categorías: transitorias y cuasiestacionarias. (Fuente de la imagen: Richard A. Quinnell)

Los límites para la fuerza de contacto en una aplicación de cobot se basan en el umbral humano del dolor. Los robots colaborativos deben configurarse de modo que cualquier contacto, intencionado o no, esté por debajo del umbral de dolor. Los valores límite de fuerza varían según la parte del cuerpo involucrada. El contacto con la cabeza tiene un umbral de dolor mucho más bajo que el contacto con el brazo, por ejemplo. Además, los contactos cuasiestáticos tienen umbrales más bajos que los contactos transitorios.

Una vez que los riesgos han sido identificados y evaluados, la pregunta crítica que debe hacerse es "¿Es este un nivel de riesgo aceptable?" En la mayoría de los casos, un riesgo insignificante o muy bajo es tolerable y todo lo demás requerirá una o más formas de mitigación. Por lo tanto, elegir una forma adecuada de mitigación de riesgos seguida de una reevaluación del riesgo son los siguientes pasos en el camino hacia la seguridad del robot, que se repetirán hasta que todos los riesgos se hayan reducido a niveles aceptables.

Avenidas de mitigación de riesgos

Algunos de los métodos más preferidos para la mitigación de riesgos incluyen el rediseño del proceso o el diseño del espacio de trabajo robótico, para eliminar el peligro o minimizar la exposición al limitar la interacción humana con el robot. Las aplicaciones tradicionales de robots industriales han limitado la interacción humano-robot al utilizar jaulas para mantener a los humanos fuera del espacio de trabajo del robot, con enclavamientos para apagar el robot cuando un humano ingresa al espacio de trabajo. Para las aplicaciones de cobot, donde los robots necesitan compartir un espacio de trabajo colaborativo con los humanos, se necesitan otros métodos.

La industria ha identificado cuatro enfoques clave para la interacción colaborativa robot-humano:

• Parada monitoreada con clasificación de seguridad
• Guía manual
• Control de velocidad y separación
• Poder y fuerza limitante

Los desarrolladores deberán determinar qué enfoque o combinación de enfoques se adapta mejor a su aplicación.

La parada monitoreada con clasificación de seguridad funciona bien en aplicaciones en las que el operador interactúa con el robot solo en condiciones específicas, como cargar o descargar el efector final del robot o realizar inspecciones en el trabajo en progreso. En este tipo de interacción, el robot funciona de forma autónoma dentro de un espacio de trabajo protegido, que se controla para detectar cualquier presencia humana. El operador humano inicia una parada con clasificación de seguridad antes de ingresar a ese espacio de trabajo, y mientras el operador está dentro del espacio de trabajo, el robot permanece alimentado pero estacionario. Cuando el operador sale del espacio de trabajo, el robot reanuda automáticamente su funcionamiento autónomo. Si alguien ingresa al área de trabajo monitoreada sin iniciar la parada de seguridad, el sistema iniciará una parada de protección que apagará la alimentación del sistema.

En el escenario de guía manual, el operador inicia una parada con clasificación de seguridad antes de ingresar al espacio de trabajo del robot, luego, utiliza un mecanismo de guía manual para reposicionar el brazo robótico antes de activar la próxima operación del robot. El mecanismo de guía manual puede implicar simplemente agarrar el brazo del robot y manipularlo, o puede implicar el uso de un dispositivo de control portátil para controlar el movimiento del robot. Una aplicación como la asistencia de elevación robótica puede utilizar una colaboración guiada a mano.

La supervisión de la velocidad y la separación son útiles en situaciones en las que el operador y el robot con frecuencia comparten el mismo espacio de trabajo y el operador puede moverse libremente dentro de ese espacio. En este escenario, el sistema monitorea la distancia del ser humano desde el robot, trabajando para mantener una distancia mínima de separación protectora en todo momento (Figura 4). Cuando los dos están a una distancia de separación segura, de modo que no hay posibilidad de contacto, el robot es libre de moverse a toda velocidad. Si la separación disminuye, el robot continúa trabajando, pero se ralentiza, lo que sirve para reducir el esfuerzo requerido para detenerlo por completo. Cuando la separación se vuelve demasiado pequeña, el robot se detiene por seguridad para asegurarse de que no hay posibilidad de que cause una lesión.

Figura 4: El monitoreo de velocidad y separación identifica zonas alrededor del robot que definen su operación segura. (Fuente de la imagen: Richard A. Quinnell)

La definición de las distancias para cada etapa en este enfoque requiere comprender las capacidades de movimiento del sistema robótico. El sistema debe diseñarse de modo que una vez que los monitores detecten que un humano se mueve hacia el espacio protegido, los mecanismos robóticos se detienen por completo antes de que el humano pueda llegar a ese espacio. Para calcular las distancias de separación adecuadas, los desarrolladores deben saber:

• Qué tan rápido se mueven el robot y el humano.
• El tiempo de reacción del sistema para detectar la posible intrusión.
• Cuánto tiempo le toma al robot dejar de moverse después de recibir un comando.

El diseño del espacio de trabajo puede ayudar a simplificar la definición y el monitoreo de zonas de seguridad para el enfoque de monitoreo de velocidad y separación. En un ejemplo, el diseño crea zonas de seguridad inherentes (Figura 5). Un banco de trabajo separa al humano del espacio operativo del robot, en el que el robot puede moverse libremente a toda velocidad. El robot puede reducir automáticamente la velocidad cuando ingresa a las áreas de colaboración a los lados del banco de trabajo, que están diseñadas para limitar las oportunidades de contacto cuasiestático. La velocidad reducida minimiza el riesgo en esta área al reducir la fuerza de contacto transitoria potencial y maximizar la oportunidad de evitar cualquier peligro.

Las paradas mecánicas pueden evitar que el mecanismo robótico ingrese al área operativa del ser humano, eliminando el riesgo. Tal disposición requeriría solo un monitoreo mínimo del espacio operativo del robot para la intrusión humana, para garantizar un alto grado de seguridad del sistema.

Figura 5: El diseño del espacio de trabajo puede crear zonas de seguridad inherentes. (Fuente de la imagen: Richard A. Quinnell)

El enfoque de limitación de potencia y fuerza es especialmente útil en aplicaciones donde el contacto humano-robot es altamente probable. Para utilizar el enfoque, el robot debe ser capaz de detectar cuándo se han aplicado fuerzas inusuales al mecanismo, para que pueda detectar y reaccionar al contacto. El robot también debe diseñarse para minimizar la fuerza de contacto potencial, como evitar bordes afilados y puntos de pellizco, incorporar acolchado de superficie y limitar la velocidad de movimiento.

La aplicación debe diseñarse de modo que el contacto sea poco frecuente y evitable, con el cuidado de evaluar qué tipos de contacto (transitorios o cuasiestáticos) pueden ocurrir y qué partes del cuerpo pueden estar involucradas. El diseño de la aplicación también debe tener como objetivo minimizar las oportunidades de contacto cuasiestático y evitar el contacto con la cabeza, el cuello o la garganta por completo.

Características de seguridad del sistema robótico

Los desarrolladores que seleccionen un robot para una aplicación colaborativa deben tener en cuenta cómo pueden implementar uno o más de estos métodos de mitigación. El diseño físico del robot, así como los sistemas que lo controlan, son factores que deben evaluarse para determinar con qué facilidad se pueden implementar medidas de seguridad. Por lo general, sin embargo, los proveedores de robots han trabajado para preparar la seguridad de sus sistemas.

Por ejemplo, la familia de kits de robot Agilus de KUKA incluye un panel de operador táctil smartPAD para control manual y el controlador del sistema KR C4 con características de seguridad integradas. El software KUKASafeOperation opcional completa el paquete. Los brazos de los kits vienen con varias longitudes de alcance, incluidos 540 milímetros (mm) (KR 3 R540), 900 mm (KR 6 R900-2) y 1100 mm (KR 10 R1100-2) (Figura 6).

Figura 6: Los robots industriales compactos como el KUKA Agilus KR 3 están diseñados con la seguridad como una consideración importante y pueden compartir de manera segura el espacio de trabajo y colaborar con operadores humanos, si se siguen los estándares de la industria durante la configuración. (Fuente de la imagen: Kuka Robotics)

Los tres robots están diseñados con superficies redondeadas bajo acolchado de absorción de energía para minimizar la presión de contacto. Las juntas están cubiertas para eliminar cualquier peligro de pellizco. Los robots también ofrecen topes mecánicos ajustables para ejes de movimiento clave, para que los desarrolladores puedan restringir físicamente el espacio operativo del robot.

El smartPAD incluido ayuda a abordar aplicaciones donde se requiere una operación guiada a mano (Figura 7).

Figura 7: Los kits de robot KUKA incluyen un panel de operador táctil smartPad para permitir el control guiado a mano cuando sea apropiado. (Fuente de la imagen: KUKA Robotics)

El controlador KR C4 viene con un software de seguridad integrado que incluye rutinas para implementar paradas de emergencia y de clasificación de seguridad, así como la capacidad de monitorear sensores externos estándar de la industria, estableciendo una cerca de seguridad. Además, el software puede monitorear internamente la posición y el movimiento del robot alrededor de cualquiera de sus ejes de movimiento.

KUKAEl software SafeOperation mejora este monitoreo interno al permitir a los desarrolladores definir una celda operativa fija: un polígono convexo con tres a diez esquinas fuera de las cuales el robot nunca debe moverse (Figura 7). Además, los desarrolladores pueden definir hasta 16 espacios de monitoreo dentro de esa celda utilizando coordenadas cartesianas o específicas del eje.

Figura 8: Los desarrolladores pueden refinar el monitoreo de seguridad relacionado con la posición usando el softwareSafeOperation de KUKA, con el que pueden definir un área operativa y modelar herramientas de efecto final. (Fuente de la imagen: KUKA Robotics)

Para refinar aún más el monitoreo de seguridad relacionado con la posición, el software SafeOperation permite a los usuarios modelar la herramienta de efector final en la brida de montaje del robot como una colección de hasta seis esferas definidas por el usuario. Estas esferas se mueven con el brazo del robot. Si el brazo o las esferas de la herramienta entran o salen de los espacios de monitoreo durante la operación, el software responderá. Las posibles respuestas incluyen señalizar una alarma, ralentizar el movimiento del robot o implementar una parada de seguridad. Los desarrolladores pueden controlar fácilmente cómo se comporta el robot en cualquier lugar dentro de su rango de movimiento.

Tales características simplifican la implementación de esquemas de mitigación de riesgos, pero no garantizan por sí mismas una interacción segura entre humanos y robots. Los desarrolladores que buscan integrar un sistema robótico en su flujo de trabajo de producción, especialmente en una aplicación cooperativa, deben hacer el trabajo de evaluación y mitigación de riesgos, muchos de los cuales serán específicos para su aplicación. Este esfuerzo incluye seguir todas las pautas y restricciones del fabricante, capacitar adecuadamente a los usuarios e implementar sistemas de monitoreo y barreras según sea necesario.

Conclusión

Los robots y cobots son una parte cada vez más bienvenida de la fabricación y otros flujos de trabajo, pero presentan riesgos potenciales que los desarrolladores de automatización industrial deben tener en cuenta. Si bien los estándares recientemente desarrollados para la seguridad de los robots ayudan, la disponibilidad de sistemas robóticos que se han construido desde cero con la seguridad como consideración principal hace que la integración de los robots en un flujo de trabajo sea mucho más fácil y segura.