¿Cuáles son las consideraciones importantes a la hora de evaluar la seguridad de un cobot?
Colaboración de Editores de DigiKey de América del Norte
2024-04-03
Los robots colaborativos (cobots) están diseñados para trabajar con humanos y apoyar la producción flexible en las fábricas de la Industria 4.0. En comparación con los robots industriales tradicionales, los cobots son más sencillos, fáciles de instalar y no requieren espacios de trabajo aislados y seguros. Dado que están diseñados para trabajar con personas, los cobots se construyen de forma diferente a otros robots industriales, incluyendo características como sistemas de detección de colisiones, retroalimentación de fuerza, actuadores elásticos y servomotores de baja inercia.
Dado que su diseño es diferente, se han desarrollado normas de seguridad específicas para los cobots. La Especificación Técnica de la Organización Internacional de Normalización (ISO/TS) 15066 especifica los requisitos de seguridad de los cobots industriales y sus entornos de trabajo. Complementa los requisitos y orientaciones sobre el funcionamiento de los cobots de las normas ISO 10218-1 e ISO 10218-2.
Este artículo repasa brevemente los requisitos de la norma ISO/TS 15066 y cómo encajan con las normas ISO 10218-1 y 10218-2. A continuación, examina las complejidades de la colaboración, incluida la definición del espacio de trabajo colaborativo. Examina factores relacionados con la seguridad de los robots, como las características de seguridad integradas en los cobots y las funciones de seguridad externas necesarias, junto con dispositivos ejemplares como sensores de proximidad, cortinas de luz y alfombras de contacto de seguridad. Concluye con un breve repaso de algunas aplicaciones específicas para la seguridad de los cobots.
Existen varias normas de seguridad fundamentales para robots industriales y cobots. La norma ISO/TS 15066 detalla los requisitos de seguridad para los sistemas cobot industriales y el entorno de trabajo, y se redactó para ampliar y complementar los limitados requisitos de normas anteriores como la serie ISO 10218. La norma ISO 10218-1 se centra en los robots y dispositivos robóticos en general, mientras que la ISO 10218-2 se centra en los sistemas robóticos y su integración. American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) R15.06 es una adopción nacional de las normas ISO 10218-1 e ISO 10218-2.
Complejidades de la colaboración
Antes de entrar en detalles sobre la seguridad de los robots, conviene definir la colaboración. La colaboración en robótica es compleja e incluye tres factores:
- Un cobot es un "robot diseñado para la interacción directa con un ser humano dentro de un espacio de trabajo colaborativo definido", según ANSI/RIA R15.06.
- Una operación colaborativa es un "estado en el que un sistema robótico diseñado a propósito y un operario trabajan dentro de un espacio de trabajo colaborativo", según la norma ISO/TS 15066.
- Por último, un espacio de trabajo colaborativo es el "espacio de trabajo dentro del espacio protegido en el que el robot y un humano pueden realizar tareas simultáneamente durante la operación de producción", según ANSI/RIA R15.06.
Todo se reduce a la definición del espacio de trabajo colaborativo "dentro del espacio protegido". El espacio protegido incluye una capa de protección de seguridad además de las funciones de seguridad estándar incluidas en el cobot.
Características comunes de protección integradas en los cobots incluyen sistemas de detección de contacto basados en mediciones de par de torsión en cada articulación que vigilan impactos inesperados, obstrucciones o fuerzas o pares de torsión excesivos. También debe haber sistemas de frenado automático y desbloqueo manual del freno para mover el brazo sin energía.
El contacto inesperado del cobot con la persona es especialmente preocupante. Las normas dictan que debe evitarse el contacto en cualquier parte de la cabeza de una persona. Además, la norma divide el cuerpo en 29 áreas específicas y detalla las limitaciones para dos tipos de contacto:
- El contacto transitorio es un evento dinámico y en movimiento en el que el cobot golpea a una persona. Las limitaciones se basan en la ubicación, la inercia y la velocidad relativa.
- El contacto cuasiestático se produce cuando una parte del cuerpo queda atrapada entre el cobot y una superficie. Las limitaciones se basan en la presión y la fuerza relacionadas con los efectos de aplastamiento y sujeción.
La especificación proporciona orientación, no límites absolutos, basada en consideraciones de aplicación. También afirma que las orientaciones son informativas y reflejan las mejores prácticas actuales, ya que la colaboración entre personas y robots es un campo nuevo y la investigación está en curso.
Continuidad de la colaboración
No existe una única aplicación de colaboración. Las personas y los cobots pueden interactuar y colaborar de diversas maneras. Las Aplicaciones de colaboración van desde la coexistencia, en la que un robot se detiene bajo tensión cuando una persona entra en el espacio de trabajo colaborativo, hasta una actividad interactiva en la que la persona toca el cobot mientras está en funcionamiento (Figura 1).
Figura 1: La colaboración entre humanos y robots incluye una amplia gama de posibles niveles de interacción. (Fuente de la imagen: SICK)
Es necesario realizar una evaluación de riesgos para determinar las necesidades de seguridad de cada una de las aplicaciones de colaboración. Incluye la identificación, evaluación y reducción de los peligros y riesgos asociados a la aplicación. La norma ISO 10218 incluye una lista de características de seguridad que pueden ser apropiadas en diversas circunstancias, pero no requisitos definitivos. La norma ISO/TS 15066 aporta detalles adicionales a las evaluaciones de riesgos de los cobot. En cada caso, el objetivo de la evaluación de riesgos es identificar los dispositivos y sistemas de seguridad externos necesarios para garantizar la implementación segura de las aplicaciones colaborativas.
Para profundizar en la evaluación de riesgos y los robots, consulta el artículo "Integrar de forma segura y eficiente los AMR en las operaciones de la Industria 4.0 para obtener el máximo beneficio."
Protección y eficacia
Aunque los cobots están diseñados para funcionar de forma segura, las capas de protección adicionales pueden mejorar la eficacia de las aplicaciones colaborativas. Sin seguridad adicional, cuando una persona entra en el espacio de trabajo colaborativo, la norma ISO/TS 15066 exige una velocidad máxima de 0,25 metros por segundo (m/s) por eje. Para la mayoría de los cobots, eso es muy lento.
Por ejemplo, el cobot LXMRL12S0000 Lexium de Schneider Electric tiene una carga útil máxima de 12 kilogramos (kg), un radio operativo (rango de trabajo) de 1327 milímetros (mm), una precisión de posicionamiento de ±0.03 mm y una velocidad máxima del extremo de la herramienta de 3 metros por segundo (m/s), 12 veces más rápida que la máxima permitida por la norma ISO/TS 15066 cuando hay una persona en el espacio de trabajo colaborativo (Figura 2).
Figura 2: Este cobot puede moverse 12 veces más rápido que el máximo permitido por la norma ISO/TS 15066 cuando hay una persona en el espacio de trabajo colaborativo. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)
En muchas Aplicaciones, el cobot puede funcionar solo durante largos periodos. Así, detectar la presencia o ausencia de personas en el espacio de trabajo colaborativo puede permitir un funcionamiento mucho más rápido y una mayor eficiencia cuando no hay nadie presente. Entre los dispositivos habituales para detectar la presencia de personas se encuentran los escáneres de seguridad, las cortinas fotoeléctricas y las alfombras de contacto de seguridad. Cada tecnología ofrece una serie de ventajas diferentes, y a menudo se utilizan combinadas.
Escáneres de seguridad
Los escáneres de seguridad vigilan una zona determinada para detectar la presencia de personas. Pueden determinar la distancia a la que se encuentra una persona e implementar varias zonas de advertencia además de la zona de seguridad activa.
El modelo OS32C-SP1-4M de Omron es un buen ejemplo de escáner láser de seguridad diseñado para su uso con cobots. Tiene un radio de seguridad de hasta 4 medidores (m) y admite múltiples zonas de advertencia de hasta 15 m. Incluye 70 conjuntos estándar de combinaciones de zonas de seguridad y zonas de advertencia para dar soporte a espacios de trabajo colaborativos complicados. Además, la resolución mínima del objeto puede fijarse en 30, 40, 50 o 70 mm, y el tiempo de respuesta puede oscilar entre 80 milisegundos (ms) y 680 ms, lo que aumenta aún más la flexibilidad de las aplicaciones (Figura 3).
Figura 3: Este escáner de seguridad tiene un radio de seguridad de hasta 4 m y admite varias zonas de advertencia de hasta 15 m. (Fuente de la imagen: DigiKey)
Cortinas de luces
Las cortinas fotoeléctricas pueden medir la presencia de personas y pueden diseñarse para detectar objetos de distintos tamaños, como dedos o manos. A diferencia de los escáneres de seguridad, las cortinas ópticas no miden la distancia. Envían una serie de haces luminosos entre matrices lineales de emisores y receptores y pueden detectar cuando un objeto interrumpe uno o varios haces.
En términos de clasificación de seguridad, hay dos clasificaciones principales de cortinas de luz: Tipo 2 y Tipo 4. Tienen un aspecto exterior similar, pero están diseñados para ofrecer distintos niveles de seguridad. El tipo 4 supervisa el espacio protegido que define un espacio de trabajo colaborativo. Las cortinas fotoeléctricas de tipo 2 están diseñadas para aplicaciones de menor riesgo.
Las cortinas de seguridad protegen los perímetros y están disponibles con varios niveles de resolución, como 14 milímetros (mm) para la detección de dedos y 24 mm para la detección de manos. El modelo, SLC4P24-160P44 de Banner Engineering, es un kit de cortina fotoeléctrica de tipo 4 con una matriz de emisores y receptores y tiene una resolución de 24 mm para proteger a personas y máquinas como los cobots (figura 4). Los emisores tienen una fila de diodos emisores de luz infrarroja modulada sincronizada. Los receptores tienen una fila correspondiente de fotodetectores sincronizados. Los emisores tienen un alcance de 2 metros, y estas cortinas de luz pueden instalarse en longitudes de 160 a 320 mm en incrementos de 80 mm.
Figura 4: Esta cortina fotoeléctrica de tipo 4 tiene una resolución de 24 mm. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)
Los escáneres láser de seguridad y las cortinas ópticas proporcionan medios sin contacto para mejorar la seguridad de los espacios de trabajo en colaboración. Sin embargo, pueden ser difíciles de utilizar en entornos ópticamente difíciles, como zonas con superficies muy reflectantes que pueden enviar interferencias de luz no deseadas, y pueden tropezar debido a fugas de aceite o grasa o a un exceso de polvo o humedad.
Algunos de estos sensores ópticos incluyen ajustes de sensibilidad que pueden ayudar a mitigar ciertos tipos de interferencias. Esos ajustes de sensibilidad también pueden aumentar los tiempos de respuesta y otros problemas de rendimiento. Otra solución es utilizar una alfombrilla de contacto de seguridad junto con dispositivos de detección óptica.
Alfombras de contacto de seguridad
Las alfombras de contacto de seguridad tienen dos placas conductoras separadas por una capa aislante rasterizada y pueden utilizarse solas o en combinación con otros tipos de sensores. Si una persona pisa la alfombrilla, la placa conductora superior se hunde y entra en contacto con la inferior, activando una señal de alerta (figura 5). El exterior de las alfombrillas es un material de poliuretano antideslizante e impermeable al agua, la suciedad y el aceite. La alfombra SENTIR modelo 1602-5533 de ASO Safety Solutions puede conectar hasta 10 alfombras en serie a una única unidad de supervisión para una cobertura máxima de 10 m2.
Figura 5: Al pisar, las capas conductoras superior e inferior de la alfombra de seguridad entran en contacto, activando una señal de alerta. (Fuente de la imagen: ASO Safety Solutions)
La seguridad está en los detalles
No existe una fórmula única que garantice la seguridad. Cada aplicación de colaboración es diferente y debe gestionarse en función de sus características y necesidades únicas. Un factor clave es: ¿dónde se sitúa la aplicación en el continuo de la colaboración (véase la Figura 1)? Cuanto más estrecha sea la interacción entre el cobot y las personas, más necesaria será la protección.
Hay más detalles a tener en cuenta. Algunas de ellas son:
- Cada lugar debe someterse a una evaluación de riesgos detallada para comprobar si el cobot se ha trasladado de un puesto de trabajo a otro. Aunque parezcan iguales, las pequeñas variaciones pueden marcar la diferencia en materia de seguridad.
- Si hay otras máquinas en el espacio de trabajo colaborativo, ¿es necesario vincularlas al sistema de parada o a la ralentización de seguridad para el cobot?
- Este artículo se ha centrado en el hardware relacionado con la seguridad, pero para los sistemas en red, cada vez más comunes, la ciberseguridad es una consideración importante para evitar interferencias con el funcionamiento del cobot o los sistemas de seguridad.
Conclusión:
La seguridad de los robots es compleja. Comienza con la definición del espacio de trabajo colaborativo dentro del espacio protegido y requiere una evaluación de riesgos de la operación colaborativa. Normas como la ISO/TS 15066 y la serie ISO 10218 son importantes y proporcionan recomendaciones y directrices. Los cobots incluyen características básicas de seguridad, como sistemas de detección de colisiones, retroalimentación de fuerza, actuadores elásticos y servomotores de baja inercia. En función de las características específicas de la aplicación en colaboración, pueden ser necesarios dispositivos de seguridad adicionales, como sensores de proximidad, cortinas fotoeléctricas y alfombras de contacto de seguridad.

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