La protezione degli operatori nella robotica collaborativa
- Introduzione
- Il sistema robotico collaborativo industriale: normativa e definizioni
- La progettazione di un sistema robotico collaborativo
- Il funzionamento collaborativo
Introduzione
Fino ad ora, i robot industriali sono stati concepiti come dispositivi veloci e robusti, che operano su specifici compiti per i quali gli stessi robot sono stati progettati. Il loro funzionamento avveniva, quindi, dietro strutture di protezione fisse (gabbie), con opportuni sistemi di sicurezza a sensori per prevenire l’intrusione accidentale dell’operatore nel loro spazio di lavoro. L’introduzione dei robot collaborativi (cobot) ha determinato l’eliminazione delle strutture di protezione fisse; essi vengono così progettati per lavorare con gli operatori. Questi robot vengono realizzati, infatti, con diverse funzionalità di sicurezza, al fine di prevenire gli urti con l’operatore; nel caso in cui un urto si verifica, il meccanismo si muoverà nella direzione opposta o si fermerà completamente al fine di evitare di provocare lesioni all’operatore stesso. Alla luce di queste innovazioni, che verranno illustrate di seguito, risulta evidente come l’appropriata scelta degli accoppiamenti cinematici risulti una delle attività fondamentali che compongono le fasi di progettazione di un robot collaborativo.
Il sistema robotico collaborativo industriale: normativa e definizioni
La norma ISO/TS 15066:2016 (Robots and robotic devices – Collaborative robots) integra i requisiti e le linee guida sul funzionamento dei robot industriali collaborativi fornite nella norme ISO 10218-1:2011 (Robots and robotic devices – Safety requirements for industrial robots – Part 1: Robots) e ISO 10218-2:2011 (Robots and robotic devices – Safety requirements for industrial robots – Part 2: Robot systems and integration). Tale norma specifica i requisiti di sicurezza per i sistemi robotici industriali collaborativi e per lo spazio di lavoro (workspace). Più in dettaglio, la norma ISO/TS 15066:2016 fornisce le linee guida complete per la valutazione dei rischi nelle applicazioni robotiche collaborative, al fine di predisporre le soluzioni ottimali per la protezione degli operatori.
Un robot collaborativo è un robot che può essere impiegato in un’operazione collaborativa, dove un sistema robotico appositamente progettato e un operatore lavorano in collaborazione diretta all’interno di uno spazio di lavoro definito.
E’ opportuno tenere presente le seguenti definizioni:
- robot: insieme dato dal braccio robotico e dal controllo robotico, che non comprende il dispositivo di estremità o il pezzo in lavorazione;
- sistema robotico: insieme dato dal robot, dal dispositivo di estremità e dal pezzo in lavorazione.
Per quanto riguarda il sistema robotico collaborativo, si possono definire diversi spazi di lavoro:
- spazio di lavoro massimo: spazio che può essere impegnato dai componenti in movimento del robot, così come definito dal produttore, più lo spazio impegnato dal dispositivo di estremità e dal pezzo in lavorazione;
- spazio di lavoro ristretto: porzione dello spazio di lavoro massimo, definita dai limitatori, il cui perimetro non può essere superato;
- spazio di lavoro operativo: porzione dello spazio di lavoro ristretto effettivamente utilizzato, durante l’esecuzione di tutti i movimenti impostati nella programmazione delle operazioni;
- spazio di lavoro collaborativo: porzione dello spazio di lavoro operativo dove il sistema robotico e l’operatore possono eseguire delle operazioni in contemporanea durante lo svolgimento della produzione.
Tali spazi di lavoro sono rappresentati schematicamente nell’immagine seguente:
Rappresentazione schematica degli spazi di lavoro in un sistema robotico collaborativo
Lo spazio di lavoro collaborativo deve essere concepito in modo tale che l’operatore possa eseguire tutte le operazioni predefinite. Il posizionamento dei macchinari e delle attrezzature non dovrebbe introdurre alcun rischio aggiuntivo per la sicurezza. Nello spazio di lavoro collaborativo vengono applicate rigorose limitazioni sulla velocità, sulla delimitazione degli spazi e sulla misurazione delle coppie, al fine di garantire la sicurezza dell’operatore. Al di fuori dello spazio di lavoro collaborativo, il robot può funzionare come un robot industriale tradizionale senza alcuna particolare limitazione, se non quelle legate alle particolari operazioni da svolgere.
Con il termine operatore si comprendono tutti i componenti del personale che vengono in contatto con il sistema robotico, non soltanto gli addetti alla produzione. Tale termine comprende quindi il personale dedito alla manutenzione, alla riparazione, al settaggio, alle pulizie ed alla produzione.
Le caratteristiche di funzionamento dei sistemi robotici collaborativi sono sostanzialmente diverse da quelle dei sistemi robotici industriali tradizionali, riportate nelle norme ISO 10218-1:2011 e ISO 10218-2:2011. Nell’impiego della robotica collaborativa, gli operatori possono lavorare in prossimità diretta con il sistema robotico mentre lo stesso è attivo; il contatto fisico tra l’operatore ed il sistema robotico può così verificarsi all’interno dello spazio di lavoro collaborativo. A tale scopo, devono essere introdotte misure di protezione adeguate nei sistemi robotici collaborativi, tramite opportune e mirate attività di progettazione, al fine di garantire la sicurezza dell’operatore tutte le volte che lo stesso si troverà ad interagire con il sistema robotico collaborativo. Risulterà quindi determinante anche la realizzazione delle appropriate catene cinematiche, con opportune scelte sia in merito agli accoppiamenti con bassa inerzia, assenza di giochi ed alta rigidità torsionale che alla protezione da sovraccarichi, specie nell’attuazione delle contromisure per la protezione dell’operatore, esaminate di seguito.
La progettazione di un sistema robotico collaborativo
La progettazione dei robot collaborativi si sta diversificando sempre di più da quella dei robot industriali tradizionali (pesanti, rigidi e poco flessibili), per orientarsi verso dispositivi leggeri con capacità di adattamento attivo, di adattamento passivo o di entrambi.
L’impiego di leghe metalliche leggere ad alta resistenza o dei materiali compositi, per la realizzazione dei componenti di tali robot, contribuisce all’ottenimento di bassi valori dell’inerzia di spostamento, il che successivamente influisce sul consumo energetico dei motori compresi nella catena cinematica. I manipolatori robotici di serie possono essere equipaggiati con motori dal rapporto potenza/coppia elevato, con rotismi ad alto rapporto di trasmissione in ciascuna articolazione o possono avere motori posizionati alla base mentre la potenza meccanica viene trasferita tramite tendini robotici. Si tenga presente che per tendine robotico si intende un attuatore lineare basato su una molla, la cui rigidezza risulta determinante nell’impiego ottimale di un robot realizzato con materiali leggeri. Se il rapporto di trasmissione è piccolo, il sistema è intrinsecamente azionabile all’inverso.
L’impiego di attuatori intrinsecamente flessibili, rende possibile la progettazione di robot biomimetici, poiché gli stessi attuatori imitano le funzionalità dei muscoli umani ed animali. Gli attuatori possono avere un’impedenza meccanica prefissata, controllata in maniera attiva, come un attuatore elastico in serie (series elastic actuator, SEA) o l’impedenza può essere regolata variando i parametri di un giunto meccanico, come nell’attuatore a rigidezza variabile (variable stiffness actuator, VSA). Si ricorda che si definisce impedenza meccanica la misura dell’attitudine di uno schema strutturale a mettersi in vibrazione a seguito dell’applicazione di un sistema di forze; la misura puntuale dell’impedenza meccanica è pari al rapporto tra la forza applicata e la velocità risultante nel punto considerato.
Un attuatore SEA consiste nella combinazione di un motore, di un riduttore e di una molla, dove la torsione della molla viene misurata per controllare la forza in uscita; la torsione della molla viene quindi utilizzata come un sensore di forza.
Un attuatore VSA viene impiegato per incrementare la sicurezza di un robot in caso di collisione, in quanto permette di ridurre la rigidezza delle articolazioni e l’inerzia dell’impatto.
Di seguito viene mostrata una rappresentazione schematica dei due tipi di attuatori.
Rappresentazione schematica degli attuatori SEA e VSA
Un’altra soluzione progettuale, finalizzata al conseguimento degli opportuni livelli di protezione nella robotica collaborativa, è data dal ricorso a speciali geometrie che minimizzano il trasferimento dell’energia di contatto massimizzando la superficie di impatto. I robot così concepiti presentano, infatti, forme arrotondate e funzionalità integrate che riducono il rischio di punti di lavoro pericolosi, riducendo al minimo possibile la gravità di un eventuale impatto.
Le principali caratteristiche di un robot collaborativo vengono così mostrate nell’immagine seguente.
Caratteristiche di un robot collaborativo
Al fine di assicurare un alto livello di sicurezza, il sistema robotico deve essere dotato di diversi sensori destinati al monitoraggio dello stato di un robot e del suo spazio di lavoro. I robot possono così essere dotati di sensori di coppia alle articolazioni, di sensori di forza e coppia ai dispositivi di estremità e di diversi sensori tattili usati come un rivestimento morbido o un guscio rigido per il robot. Tutti questi sensori consentono al robot di rilevare il contatto con l’operatore o di evitare gli urti anticipandoli e rispondendo in maniera opportuna. Alcuni robot impiegano degli encoder ridondanti in ciascuna articolazione, al fine di sostituirsi ai costosi misuratori di coppia; la forza può così essere ricavata dalla corrente passante nel motore e dalla posizione dell’articolazione. I sistemi robotici possono essere dotati di altri sensori di sicurezza come, ad esempio, le videocamere di sicurezza, gli scanner laser, i sensori laser, i tappeti di sicurezza ed altri tipi di sensori elettrici di protezione, al fine di rilevare la presenza dell’operatore nello spazio d’azione del robot. Le informazioni rilevate da questi dispositivi, possono essere quindi usate per prevenire all’operatore il ferimento dalle interazioni accidentali con il robot stesso.
I sensori incorporati possono essere impiegati per un controllo in sicurezza del robot. Lo scopo principale è la gestione del contatto fisico tra il meccanismo e lo spazio circostante. Uno degli schemi di controllo maggiormente impiegati si basa sul controllo dell’impedenza meccanica, risolvendo in pratica un problema di dinamica inversa, ovvero ottenendo le forze e le coppie di attuazione dei movimenti sulla base delle informazioni rilevate dai sensori in termini di accelerazione. Tale modello dinamico viene così usato per determinare le necessarie coppie alle articolazioni, al fine di conseguire la movimentazione appropriata del robot. Se i valori delle coppie misurate alle articolazioni si discostano da quelli predeterminati, allora la differenza relativa verrà rilevata come un urto. Una volta che un urto è stato rilevato, la strategia di risposta appropriata dovrà essere attivata al fine di prevenire un potenziale pericolo per l’operatore. Il robot può quindi ignorare il contatto e seguire la traiettoria di riferimento, oppure essere arrestato. Altre strategie possibili comprendono:
- commutare dal controllo di posizione al controllo di coppia a gravità zero (alta cedevolezza del robot);
- commutare al controllo della coppia, tramite l’impiego dei segnali rilevati delle coppie alle articolazioni per minimizzare l’inerzia del giunto e del motore;
- usare i valori esterni delle coppie misurate e commutare al controllo di alimentazione, dove il robot e l’oggetto urtato agiscono come due magneti che si avvicinano dalle facce dello stesso polo.
Alla luce delle precedenti osservazioni, l’obiettivo dei robot collaborativi è quello di combinare gli aspetti più vantaggiosi della robotica con le migliori abilità dell’operatore; ad esempio, la precisione del robot, la sua potenza e la sua resistenza combinate con l’abilità tipica dell’operatore nella risoluzione di problemi con bassi livelli di precisione. Quando i robot e gli operatori stanno collaborando nello stesso spazio di lavoro, sarà così permesso il contatto tra gli stessi. Nel caso in cui si verifichi un contatto accidentale, lo stesso non dovrà causare ferite o indolenzimenti.
Sulla base di queste osservazioni, i robot collaborativi possono essere usati affiancando gli operatori, estendendone la produttività. I robot sono leggeri ed hanno una base dalle dimensioni contenute, risultando così facili da spostare nello spazio di lavoro, massimizzando la loro versatilità.
La programmazione dei robot collaborativi è semplice, per lo più realizzata tramite guida manuale, cosicché l’impiego del robot è molto flessibile; il robot collaborativo può essere reso operativo, in una nuova postazione, in tempi molto brevi.
Il funzionamento collaborativo
Il funzionamento collaborativo non è definito soltanto dall’impiego di un robot collaborativo in sé, ma viene individuato anche dalla particolare attività da svolgere, da ciò che sta eseguendo il sistema robotico e dallo spazio in cui l’attività viene svolta.
Il funzionamento collaborativo viene definito da ciascuna delle tecniche principali o da una combinazione delle stesse.
L’applicazione di tutte e quattro le tecniche, di seguito descritte, renderà possibile il funzionamento del robot in modalità automatica.
1. Blocco di sicurezza controllato
Questa tecnica di funzionamento collaborativo viene schematizzata come di seguito.
funzionamento collaborativo con blocco di sicurezza controllato
Questa tecnica è di uso abituale nelle applicazioni in cui avviene il carico e scarico manuale del dispositivo di estremità, nelle ispezioni durante l’esecuzione di una lavorazione e nelle applicazioni in cui nello spazio di lavoro si muove solo l’operatore o solo il robot. Questa tecnica viene generalmente integrata con le altre tecniche collaborative.
2. Guida a mano
Questa tecnica di funzionamento collaborativo viene schematizzata come di seguito.
Schema di funzionamento collaborativo con guida a mano
Questa tecnica è adatta all’implementazione all’interno di applicazioni dove il sistema robotico agisce come un amplificatore di potenza, in applicazioni altamente variabili, nei casi in cui il sistema robotico viene usato come un utensile ed in quelle applicazioni in cui è richiesta la coordinazione di attività manuali e di quelle parzialmente automatizzate.
Questa tecnica di funzionamento collaborativo può essere implementata con successo nelle produzioni limitate o in piccoli lotti.
3. Controllo della velocità e della separazione
Questa tecnica di funzionamento collaborativo viene schematizzata come di seguito.
Schema di funzionamento collaborativo con controllo della velocità e della separazione
Si definisce distanza di separazione protettiva la più piccola distanza permessa tra una qualsiasi parte in movimento pericolosa del sistema robotico e l’operatore, all’interno dello spazio di lavoro collaborativo.
Questa tecnica di funzionamento collaborativo è utile nelle applicazioni in cui i compiti del sistema robotico e dell’operatore vengono eseguiti contemporaneamente.
4. Limitazione della potenza e della forza
Questa tecnica di funzionamento collaborativo viene schematizzata come di seguito.
Schema di funzionamento collaborativo con limitazione della potenza e della forza
Questa tecnica di funzionamento collaborativo può essere usate in tutte quelle applicazioni in cui la presenza dell’operatore è richiesta con frequenza, nelle operazioni dipendenti dal tempo (dove il ritardo dovuto ai blocchi di sicurezza va evitato ma possono comunque verificarsi collisioni tra il sistema robotico e l’operatore) ed in quelle applicazioni caratterizzate da componenti di piccole dimensioni, con un gran numero di combinazioni degli assemblati. Risulta evidente la necessità di un’opportuna scelta dei limitatori di coppia all’interno della catena cinematica di un robot collaborativo, concepito per questa tipologia di funzionamento, specie per quanto riguarda la protezione dell’operatore dagli urti quasi statici e transitori, così come definiti nelle suddette norme.
5. Pinze robotiche collaborative
Pinza robotica collaborativa SCHUNK modello Co-act EGP-C. [fonte: https://schunk.com]
Le pinze robotiche sono di solito attaccate rigidamente al robot, con sistemi incorporati di limitazione della velocità e della forza. La forma e i materiali della pinza robotica devono rispondere alle specifiche di progetto finalizzate a prevenire il superamento dei limiti di pressione sull’area di contatto del corpo dell’operatore. Inoltre, essendo le pinze posizionate all’estremità del robot, devono creare quanta meno inerzia possibile in modo da interferire minimamente con le caratteristiche di sicurezza del robot stesso e con le scelte degli accoppiamenti cinematici, viste in precedenza.
Il progetto delle pinze robotiche deve essere tale che le dita dell’operatore non vengano bloccate tra le griffe o nei cavi di connessione. A tale scopo, nelle pinze robotiche deve essere implementata una modalità di sicurezza governata da un blocco di emergenza, il cui funzionamento dipende dalla particolare applicazione. Quando l’operatore istruisce e chiude la pinza, desidera che la stessa interrompa l’applicazione della forza. Quando la pinza interagisce con il pezzo, l’operatore si assicura che vi sia una buona presa. La stessa presa dovrà essere poi sicura durante un blocco di emergenza o un’interruzione dell’alimentazione, poiché il pezzo lasciato cadere potrebbe rappresentare un pericolo per l’operatore, per il robot o per l’ambiente circostante. Se il movimento del robot è veloce, il pezzo lasciato cadere potrebbe comportarsi come un proiettile. Le pinze robotiche collaborative possono essere equipaggiate con diversi sensori, sempre per garantire la massima sicurezza dell’operatore. I sensori capacitivi vengono utilizzati per il rilevamento iniziale dell’operatore, prevenendo così i contatti indesiderati. I sistemi a videocamera possono rilevare l’ambiente circostante al robot ed aiutare nella ricerca degli oggetti. I sensori tattili vengono impiegati per distinguere tra il pezzo soggetto alla lavorazione e l’operatore. Al fine di settare l’appropriata forza di presa, si possono integrare diversi sensori di forza. Nella progettazione di una pinza robotica collaborativa si possono concepire soluzioni diverse per l’interfaccia utente integrata, come gli schermi LCD, i segnali luminosi e i pulsanti di controllo.
Gli obiettivi futuri, nelle attività progettazione delle pinze robotiche collaborative, sono dati dal miglioramento della semplicità di istallazione, della loro programmazione e dalla implementazione di sistemi di auto apprendimento.
Di fianco viene mostrata una pinza robotica collaborativa certificata secondo ISO/TS 15066:2016.
Cobot e material handling
La scelta degli accoppiamenti cinematici, alla luce degli aspetti sin qui considerati, risulta fortemente condizionata dalle prerogative dell’Industria 4.0. Le recenti tendenze progettuali portano anche all’utilizzo dei sistemi robotici collaborativi affiancati, ad esempio, alla movimentazione dei materiali all’interno delle linee di produzione, settore in cui R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali: giunti a soffietto metallico della serie BK, giunti ad elastomero della serie EK, limitatori di coppia della serie SK.
