En los últimos años, la robótica se ha utilizado en la industria para lograr la producción en masa. La robótica es el arte, la base de conocimientos y el know-how de diseñar, aplicar y utilizar robots en emprendimientos humanos[1]. Los robots industriales han visto un largo período de gran éxito en la fabricación. Desde 2010, la demanda de robots industriales se ha acelerado considerablemente; entre 2012 y 2017, el aumento promedio de las ventas de robots industriales fue del 19% anual. En 2017, las ventas crecieron un 30% (381.335 unidades), la mayor parte de este crecimiento fue impulsado por la industria metalúrgica (+55%) y la industria eléctrica/electrónica (+33%)[2].
Fig. 1. Estimated annual worldwide supply of industrial robot [2].
El despliegue o las aplicaciones robóticas han llevado a ventajas sostenidas en calidad del producto y eficiencia económica. En muchos casos, son los robots más que los trabajadores humanos los que operan en los lugares de trabajo insalubres o inseguros[3]. Pero en otros casos, comparten el mismo lugar de trabajo. Por esta razón, alrededor de 2010, un nuevo tipo de robot comenzó a ser utilizado en la industria, sin vallados de seguridad o sólo con protecciones parciales. Estos nuevos robots se llaman robots colaborativos o cobots[4]. Siendo posible que el trabajador y el robot compartan el espacio de trabajo, la productividad de los trabajadores es mejorada, mientras que el estrés y la fatiga se reducen. La mayor ventaja es la oportunidad de combinar la automatización y flexibilidad del robot con las habilidades cognitivas y blandas del ser humano[5].
Ventajas y diferencias respecto a la robótica tradicional.
· Los robots colaborativos están explícitamente diseñados para compartir el espacio de trabajo colaborativo con los humanos, no necesitan vallados de seguridad.
· Resultan muy fáciles de programar, lo que los convierte en un equipo muy flexible y permite reasignarlos diferentes tareas y reprogramarlos con mucha facilidad, esto supone una gran ventaja, especialmente para pequeñas y medianas empresas. Además su bajo peso en comparación con los robots tradicionales facilita también su reasignación a diferentes operaciones dentro de la empresa.
· Su capacidad de carga es, en general, menor que la de los robots tradicionales.
De acuerdo a los datos del principal fabricante de Cobots, más de 31.000 unidades de sus robots colaborativos han sido vendidas alrededor del mundo[6]. Esto nos da una idea de lo importante que resulta establecer unos criterios acerca de su uso seguro en la industria.
DEFINICIONES
Operación colaborativa: Situación en la cual un operario y un robot específicamente diseñado para ello trabajan juntos en un espacio de trabajo colaborativo. [7]
Espacio de trabajo colaborativo: Espacio dentro del espacio operativo en el cual el sistema robótico (con el efector final y la pieza de trabajo) y el humano pueden realizar tareas al mismo tiempo. [7]
Distancia de separación mínima de protección: La distancia más corta permisible entre cualquier parte peligrosa en movimiento del sistema de robot y cualquier persona en el área de trabajo colaborativo. [7] Este valor puede ser variable.
Efector final o actuador: Un dispositivo diseñado específicamente para su conexión a la interfaz mecánica que permite al robot realizar su tarea. [8]
Fig. 2. Etiquetado sugerido para robots colaborativos según la ISO 10218-2.[9]
MODOS DE TRABAJO CON ROBÓTICA COLABORATIVA
La norma ISO 10218-1 en su apartado 5.3.8.3 [10] define 4 modos de trabajo diferentes para los robots diseñados para trabajar de manera colaborativa. Aunque la norma describa 4 modos diferentes, a la hora de su aplicación real en aplicaciones de trabajo colaborativo es frecuente, y muy aconsejable utilizar una combinación de varios de ellos.
Estos 4 modos de trabajos descritos por la norma ISO 10218-1 y ampliados a su vez por la norma ISO/TS 15066 [7] son:
-Parada monitorizada de seguridad (Safety-rated monitored stop).
Permite el movimiento del robot solo cuando el operador se encuentra fuera del espacio de trabajo colaborativo. Según la norma ISO 60204, esta es una parada de categoría 2, en la cual el robot se detiene pero no se corta el suministro de energía del mismo. En el momento en que el operador abandona el espacio de trabajo colaborativo el movimiento se reanuda de manera automática.
Fig.3.Tabla de la verdad para operaciones con paro controlado de seguridad. [11]
-Guiado Manual.
El operador deberá utilizar un dispositivo manual habilitador para transmitir los comandos de movimiento. Antes de que el operador entre en el espacio de trabajo colaborativo, el robot deberá efectuar un parada monitorizada de seguridad. Para guiar el Cobot, el operador dispondrá de un dispositivo de guiado manual acorde con la normativa ISO 10218-1 (5.6.4). Este dispositivo de guiado deberá situarse en el efector final del Cobot o cerca de él.[7] Hoy en día la mayoría de los Cobots pueden ser “enseñados” mediante la técnica de guiado manual, es decir, se utiliza esta función para programar de manera sencilla, rápida y sin apenas programación (o ninguna) los puntos de paso o trayectorias que el robot debe describir. [12]
Fig.4.Ejemplo de un dispositivo de guiado manual.[12]
El dispositivo de guiado manual debe incorporar un pulsador de paro de emergencia, salvo que se cumplan los requisitos de exclusión de este dispositivo de parada recogidos en el apartado 5.4.5 de la norma ISO/TS 15066. [7]
-Control monitorizado de la velocidad y separación.
Este modo de trabajo requiere dotar al Cobot de sensores que permitan identificar en tiempo real la distancia relativa entre cualquier parte del Cobot susceptible de golpear al operario (incluida la pieza de trabajo y el efector final) y el propio operario.
En este modo de trabajo el Cobot trabajaría de manera autónoma siempre y cuando el operador este fuera del espacio de trabajo colaborativo. Si el operario entra en el espacio de trabajo colaborativo, el Cobot lo detecta y a medida que la distancia entre el operario y el Cobot disminuye, se disminuye automáticamente la velocidad de movimiento del Cobot hasta alcanzar una distancia mínima denominada distancia de separación mínima de protección. Una vez alcanzada esa separación mínima el Cobot ejecutaría una parada monitorizada de seguridad y a mayores, en caso de detectar contacto se ejecutaría una parada de emergencia.
Fig.5. Control monitorizado de la velocidad y separación.[5]
-Limitación de fuerza y potencia.
Este modo de trabajo realmente es algo a tener en cuenta junto con los modos anteriores, debido a que el trabajo colaborativo en cualquiera de las situaciones entraña riesgos, y más especialmente en el modo de control monitorizado de la velocidad y la separación Cobot-operario.
El operador se enfrenta a múltiples riesgos, tales como golpes con partes móviles del Cobot, con los efectores finales o con las propias piezas de trabajos, que en ocasiones pueden tener formas geométricas o materiales peligrosos. Es por esto que debemos regular la fuerza, el par y la potencia del Cobot para prevenir el impacto o en el caso de que el impacto ocurra, evitar que este produzca lesiones en el operario.
La normativa ISO/TS 15066 recoge una tabla de umbrales de dolor para las distintas zonas del cuerpo, que provienen de una serie de ensayos que realizó la IFA-BGIA (Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance).
MERCADO ACTUAL DE ROBOTS COLABORATIVOS
A continuación mostramos una tabla con algunos de los principales modelos que los principales fabricantes tienen en el mercado actualmente.
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Tabla 1.Modelos de Robots colaborativos (Cobots). (Los derechos de imagen de los modelos mostrados corresponden a cada uno de los fabricantes nombrados)
PARÁMETROS CRITICOS EN EL USO DE ROBOTS COLABORATIVOS
ste tipo de robots permiten la regulación de parámetros de uso tales como la Carga a mover, la fuerza, el rango de desplazamiento, el tipo de desplazamiento entre varios puntos de paso, las trayectorias a describir en esos desplazamientos, la velocidad, las distancias mínimas de seguridad, las fuerzas mínimas a partir de las cuales se ejecuta una parada de emergencia…
De todos los elementos configurables, los más críticos de cara a la prevención de riesgos laborales y al aseguramiento de unas condiciones de trabajo seguras son:
-La velocidad de movimiento del Cobot: A nivel mecánico y de mantenimiento, es aconsejable disminuir la velocidad todo lo que nos permita nuestro proceso productivo (en función de nuestros cuellos de botella), ya que de esta manera alargaremos la vida útil del Cobot. Desde un punto de vista de la PRL es necesaria regular la velocidad para prevenir impactos entre el operario y el Cobot, o para que en caso de impacto, este no genere una lesión o cause dolor en el operario. Para ello, se deberá tomar como referencia las tablas de límites biomecánicos de la normativa ISO/TS 15066. No obstante, nosotros aconsejamos limitar aún más las fuerzas en caso de impacto, ya que en caso de colisión, no es posible asegurar que no se lesiona al operario ni siquiera cumpliendo los valores indicados en esas tablas. Planteamos una reflexión al respecto. Imaginemos un impacto de 100 N en el brazo del operario. Atendiendo a los valores límite de la tabla estaríamos muy lejos de sobrepasar el umbral marcado, pero, ¿Qué ocurre si el impacto se lleva a cabo con la pieza de trabajo y esta resulta ser un elemento cortante (por ejemplo una chapa de 1mm de espesor con las aristas vivas)?
-Distancia mínima de seguridad: Según nuestro criterio el parámetro más crítico. La mejor manera de asegurar la seguridad de los operadores que trabajen junto a robots colaborativos en operaciones susceptibles de ser peligrosas es definir una distancia mínima a partir de la cual el robot ejecute una parada monitorizada de seguridad.
- Planos de seguridad: Es posible programar planos o zonas alrededor del centro de herramienta (tool center point) para establecer la zona física que va a ocupar el efector final y la pieza de trabajo, de tal forma que si en algún momento se traspasan los planos o zonas creadas el Cobot ejecutará una parada monitorizada de seguridad o un paro de emergencia.
- Fuerza y potencia: Son parámetros que deben configurarse en conjunto con la velocidad y la separación. Una menor velocidad y fuerza implicará una menor inercia y facilitara la parada del Cobot en condiciones seguras.
Fig.6.Ejemplo configuración de seguridad Cobot UR3 Universal Robots.
NORMATIVAS GENERALES Y ESPECIFICAS EN EL CAMPO DE LA ROBÓTICA COLABORATIVA
Numerosos estudios han demostrado que muchos accidentes relacionados con robots ocurren fuera de las operaciones de producción[13], por este motivo la seguridad es un prerrequisito fundamental en el diseño de productos, máquinas y especialmente lugares de trabajo colaborativos.[5]
Las normas principales a tener en cuenta en seguridad de máquinas son:
· ISO 12100:2012 Seguridad de las máquinas. Principios generales para el diseño, evaluación del riesgo y reducción del riesgo.[14]
· ISO 10218-1 Robots y dispositivos robóticos. Requisitos de seguridad para robots industriales. Parte 1: Robots.[10]
· ISO 10218-2. Robots y dispositivos robóticos. Requisitos de seguridad para robots industriales. Parte 2: Sistemas robot e integración. [9]
· ISO 11161. Seguridad de las máquinas. Sistemas de fabricación integrados. Requisitos fundamentales.[15]
· ISO 13849-1 Seguridad de las máquinas: Partes de los sistemas de mando relativas a la seguridad. Parte 1. Principios generales de diseño.[16]
· ISO 13850:2016. Seguridad de las máquinas. Función de parada de emergencia. Principios para el diseño.[17]
· ISO 13851. Seguridad de las máquinas. Dispositivos de mando a dos manos. Aspectos funcionales y principios para el diseño. [18]
· ISO 13855:2010. Seguridad de las máquinas. Posicionamiento de los protectores con respecto a la velocidad de aproximación de partes del cuerpo humano.[19]
· IEC 61508-1 Seguridad funcional de los sistemas eléctricos/electrónicos/electrónicos programables relacionados con la seguridad. Parte 1: Requisitos generales. [20]
· IEC 62061. Functional safety of safety-related electrical, electronic and programmable electronic control systems.[21]
· IEC 60204-1:2007. Seguridad de las máquinas. Equipo eléctrico de las máquinas. Parte 1: Requisitos generales[22]
En lo relativo al uso de robótica colaborativa, las normativas que regulan su seguridad son:
ISO 10218-1 e ISO 10218-2.
Estas normas introducen una serie de pautas sobre cómo deben proceder las operaciones dentro del espacio de trabajo colaborativo. De acuerdo con la sección 5.3.8.3 de la ISO 10218-2, cualquier fallo detectado en los parámetros de seguridad debe dar lugar a una parada de seguridad. En la ISO 10218-1 se describen los 4 modos de trabajo colaborativo anteriormente descritos. [9, 10]
IEC 60204-1.
Esta norma define tres categorías de funciones de parada para los equipos eléctricos de las máquinas. Categoría 0,1 y 2. (La parada monitorizada de seguridad se corresponde con una categoría 2) [22]
ISO/TR 20218-2:2017
Este informe técnico complementa la norma ISO 10218-2: 2011 y proporciona información adicional y orientación para reducir el riesgo de intrusión en zonas peligrosas en el diseño y la protección de las instalaciones de carga / descarga manual. [23]
ISO/TS 15066 Especificación técnica
Actualmente la norma más especializada en el campo de la robótica colaborativa. Proporciona una guía para el trabajo en operaciones en las cuales los operarios y los robots colaborativos comparten el mismo espacio de trabajo. No es un estándar pero esta aceptada como la mejor guía de implantación junto con la ISO 10218. [24]
Esta especificación técnica desarrolla en detalle los 4 modos de trabajo con robots colaborativos (parada monitorizada de emergencia, guiado manual, regulación de velocidad y separación y limitación de fuerza y potencia).
Define también los valores máximos de presión y fuerza para las distintas áreas del cuerpo y declara que el contacto con la cabeza, el cráneo o la frente del operario no es admisible.
ISO/TR 20218-1:2018
Este informe técnico proporciona orientación sobre las medidas de seguridad para el diseño e integración de los efectores finales utilizados en los sistemas de robot. Desde la fabricación, diseño e integración de efectores finales hasta la información necesaria para su uso. [8]
Este informe técnico también recoge ejemplos de peligros derivados de los efectores finales y las piezas de trabajo durante las operaciones de trabajo colaborativas.
ISO/DIS 21260
Esta norma trata acerca de los datos de seguridad mecánica para contactos físicos entre maquinaria en movimiento o partes móviles de maquinaria y personas.
EXPERIMENTOS Y ENSAYOS EN MATERIA DE PRL
Son muchos los ensayos que se están realizando en materia de PRL en el ámbito de la robótica colaborativa. Citamos algunos de ellos:
· “Allowable Maximum Safe Velocity Control based on Human-Robot Distance for Collaborative Robot” en el cual se simula con un UR10 de universal robots el control de velocidad seguro máximo permitido basado en la distancia entre humanos y robots para robots colaborativos. [25]
· “Implementing speed and separation monitoring in collaborative robot workcells” en la cual proporcionan una descripción general y una guía para la metodología para la monitorización de la velocidad y separación acorde con la ISO/TS 15066. [26]
· “Minimum distance calculation using laser scanner and IMUs for safe human-robot interaction” En la cual se ensayan cálculos para monitorizar la distancia entre las distintas partes móviles del Cobot y las partes del cuerpo del operario.[27]
· “Physical safety analysis of robot considering impactor shape” Este artículo evalúa las fuerzas de contacto considerando la forma de la superficie que impacta contra el operario.[28]
· “Survey on human-robot collaboration in industrial settings: safety , intuitive interfaces and applications” En este artículo revisaron literatura y los enfoques de diversos autores para proporcionar una visión general del estado del trabajo con robótica colaborativa y sus limitaciones actuales. También discuten acerca de las principales aplicaciones a las que se pueden destinar los cobots.[5]
· “Survey of methods for design of collaborative robotics applications- Why safety is a barrier to more widespread robotics uptake” En este documento, analizan el estado de la técnica para diseñar aplicaciones de robótica con colaboración entre humanos y robots (HRC).[29]
· “Safety design and development of a human-robot collaboration assembly process in the automotive industry” En este documento, se presentan los resultados de la investigación del estudio de colaboración entre humanos y robots para el caso de un ensamblaje de disco de freno automotriz.[30]
· “Integrated risk assessment and safety consideration during design of HRC workplaces” En este documento, se presenta un método de diseño iterativo que utiliza la evaluación de riesgos basada en modelos y el apoyo a la toma de decisiones, que identifica automáticamente los peligros potenciales en el diseño de un lugar de trabajo y estima el impacto de las medidas de seguridad necesarias, con respecto al costo de inversión, costo operacional, ciclo de KPI Tiempo y flexibilidad.[31]
· “Safe human-robot-collaboration-introduction and experiment using ISO/TS 15066” Este documento proporciona primero una introducción a las normas de seguridad y directrices para la evaluación de riesgos en robots industriales y en general, seguido de una descripción más detallada de ISO / TS 15066. Además realiza un experimento basado en la ISO/TS 15066 y discute los resultados y el estado de la cuestión.[24]
La robótica colaborativa ha llegado para quedarse y aunque cada vez disponemos de más normativa en materia de prevención de riesgos laborales al respecto, aún quedan muchos temas por abordar hasta lograr que su uso no entrañe riesgos para la seguridad de los operarios.
Actualmente es aconsejable que a la hora de implantar un robot colaborativo se realice un exhaustivo análisis de los posibles riesgos que presenta su utilización, y mediante este análisis se escoja un modo de trabajo adecuado, que puede ser 1 de los 4 descritos o una combinación óptima de varios de ellos. En operaciones peligrosas como soldadura o manipulación de elementos cortantes o a altas temperaturas resultaría aconsejable definir una zona de seguridad a partir de la cual el Cobot realice una parada monitorizada de emergencia siempre que el operario se encuentre en el espacio de trabajo colaborativo. (Por ejemplo para cambiar algún utillaje, revisar algún parámetro…) En otras operaciones que entrañen un riesgo menor queda muchas veces en manos del implementador la decisión de en qué modo operar, por tanto, cada caso deberá ser estudiado e implementado tratando de asegurar la seguridad de los operarios que realicen tareas en el espacio de trabajo colaborativo.
Por último, mostramos nuestro agradecimiento a la Consejería de Empleo de la Junta de Castilla y León por su ayuda en la financiación de este trabajo (referencia del proyecto INVESTUN/18/BU/0005).
REFERENCIAS
1. Niku, S.B., Introduction to robotics: analysis, control, applications, second edition. 2011.
2. (IFR)., I.F.o.R., Executive Summary World Robotics 2018 Industrial Robots. 2018.
3. Matthias, B., et al. Safety of collaborative industrial robots: Certification possibilities for a collaborative assembly robot concept. in Proceedings - 2011 IEEE International Symposium on Assembly and Manufacturing, ISAM 2011. 2011.
4. Jocelyn, S., D. Burlet-Vienney, and L. Giraud. Experience feedback on implementing and using human-robot collaboration in the workplace. in Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society. 2017.
5. Villani, V., et al., Survey on human–robot collaboration in industrial settings: Safety, intuitive interfaces and applications. Mechatronics, 2018. 55: p. 248-266.
6. Robots., U. Homepage,2019. [cited February, 2019; Available from: https://www.universal-robots.com/.
7. ISO/TS 15066, ISO/TS 15066 Robots and robotic devices - Collaborative robots. 2016, International Organization for Standardization.
8. ISO/TR 20218-1, ISO/TR 20218-1:2018 Robotics -- Safety design for industrial robot systems -- Part 1: End-effectors. 2018, International Organization for Standardization.
9. ISO 10218-2, ISO 10218-2:2011. Robots and robotic devices. Safety requirements for industrial robots. Part 2: Robot systems and integration. 2011, International Organization for Standardization.
10. ISO 10218-1, ISO 10218-2:2011. Robots and robotic devices. Safety requirements for industrial robots. Part 1: Robots. 2011, International Organization for Standardization.
11. Roberta Nelson Shea and Rockwell Automation, Collaborative Robot Technical Specification ISO/TS 15066 Update.
12. Fanuc. 2019 [cited February 16th; Available from: https://www.fanuc.eu/uk/en.
13. Tan, J.T.C., et al., Erratum: Safety strategy for human-robot collaboration: Design and development in cellular manufacturing (Advanced Robotic (2012) 26 (1203)). Advanced Robotics, 2012. 26(10): p. 1203.
14. ISO 12100, ISO 12100:2010 Safety of Machinery-General principles for design- Risk assessment and risk reduction. 2010, International Organization for Standardization.
15. ISO 11161, ISO 11161. Safety of machinery. Integrated manufacturing systems. Basic requirements. 2007, International Organization for Standardization.
16. ISO 13849-1, ISO 13849-1 Safety of machinery. Safety related parts of control systems. Part 1. General principles for design. 2015, International Organization for Standardization.
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18. ISO 13851, ISO 13851 Safety of machinery. Two hand control devices. Functional aspects and design principles. 2002, International Organization for Standardization.
19. ISO 13855, ISO 13855 Safety of machinery. Positioning of safeguards with respect to the approach speeds of parts of the human body. . 2010.
20. IEC 61508-1, IEC 61508-1 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems. Part 1. General requirements. . 2010.
21. IEC 62061, IEC 62061 Functional safety of safety-related electrical, electronic and programmable electronic control systems. 2005, International Organization for Standardization.
22. IEC 60204-1, IEC 60204-1 Safety of machinery – Electrical equipment of machines – Part 1: General requirements 2016, International Electrotechnical Commission.
23. ISO/TR 20218-2, ISO/TR 20218-2_2017 Robotics -- Safety design for industrial robot systems -- Part 2: Manual load/unload stations. 2017, International Organization for Standardization.
24. Rosenstrauch, M.J. and J. Kruger. Safe human-robot-collaboration-introduction and experiment using ISO/TS 15066. in 2017 3rd International Conference on Control, Automation and Robotics, ICCAR 2017. 2017.
25. Shin, H., K. Seo, and S. Rhim. Allowable Maximum Safe Velocity Control based on Human-Robot Distance for Collaborative Robot. in 2018 15th International Conference on Ubiquitous Robots, UR 2018. 2018.
26. Marvel, J.A. and R. Norcross, Implementing speed and separation monitoring in collaborative robot workcells. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2017. 44: p. 144-155.
27. Safeea, M. and P. Neto, Minimum distance calculation using laser scanner and IMUs for safe human-robot interaction. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2019. 58: p. 33-42.
28. Shin, H., et al. Physical safety analysis of robot considering impactor shape. in 2017 2nd International Conference on Robotics and Automation Engineering, ICRAE 2017. 2018.
29. Saenz, J., et al. Survey of methods for design of collaborative robotics applications- Why safety is a barrier to more widespread robotics uptake. in ACM International Conference Proceeding Series. 2018.
30. Heydaryan, S., J.S. Bedolla, and G. Belingardi, Safety design and development of a human-robot collaboration assembly process in the automotive industry. Applied Sciences (Switzerland), 2018. 8(3).
31. Awad, R., M. Fechter, and J. Van Heerden. Integrated risk assessment and safety consideration during design of HRC workplaces. in IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, ETFA. 2018.