I robot collaborativi e la sicurezza

Fin dalla fase di progettazione bisogna essere consapevoli che la sicurezza è uno strumento a favore, non un ostacolo, alla collaborazione tra robot ed operatori umani.

I robot collaborativi sono tali perché utilizzati in modo diretto dagli operatori umani, come assistenti robotizzati e nello stesso spazio di lavoro. Più correttamente, sono le applicazioni ad essere collaborative, ognuna con le proprie particolarità anche quando utilizzano lo stesso tipo di robot. In questa logica, le celle robotizzate collaborative ricadono nell’ambito generale della sicurezza del macchinario. Si tratta di applicare le buone pratiche che valgono sempre per l’automazione, aggiungendo particolare attenzione alla presenza dell’elemento umano che si trova direttamente dentro l’applicazione. La normazione giuridica (Direttiva Macchine del 2006, in vigore nella versione trasferita in legislazione nazionale dal 2010, periodicamente rivista in alcune parti come nel 2014) prevede una serie Requisiti Essenziali di Sicurezza e Salute. Uno dei modi per soddisfarli è dato dalla applicazione delle norme tecniche armonizzate. Esse sono rivolte principalmente agli aspetti di sicurezza ed ergonomia, ma non sono da trascurare, in fase di progettazione ed uso, anche tutti gli aspetti legati alla percezione dei robot, al coinvolgimento cognitivo/emotivo che non si nota spesso con altre macchine automatiche.

Le regole di sicurezza illustrate nella normativa tecnica, dunque, sono parte di un metodo preciso di progettazione, non solo di verifica finale. Il ciclo di vita della sicurezza parte dalla nascita del sistema, dal momento in cui, una volta individuati i primi pericoli, se ne stimano i rischi e si predispongono le contromisure di protezione, considerando tutte le fasi d’uso dei robot, inclusi programmazione e installazione.  Non si tratta, per essere ancora più espliciti, soltanto di un adempimento formale finale. Lo scopo della sicurezza è quello di fornire tutti gli elementi tecnici per rendere adeguatamente bassi i rischi delle applicazioni robotizzate, preservandone la piena funzionalità. La sicurezza è uno strumento a favore, non un ostacolo, alla collaborazione tra robot ed operatori umani.

Aura (Advanced Use Robotic Arm), il robot collaborativo di Comau

Il risk assessment

Come evidente negli esempi applicativi della robotica collaborativa, le applicazioni sono destinate ad agevolare l’operatore, cambiandone il modo di lavorare. Parimenti, vanno studiate ed eseguite le funzioni di sicurezza necessarie a garantire tutti questi vantaggi, senza impiegare soluzioni preconcette. Nella pratica, questo significa analizzare compiutamente le applicazioni in ogni fase del ciclo di lavoro e nei dettagli dell’ambiente di lavoro allo scopo di stimare e ridurre il rischio. Il rischio è un concetto articolato sia sulla gravità del danno potenzialmente arrecabile all’operatore (ad esempio l’entità di una lesione), sia sulla probabilità che questo accada o che l’operatore ne sia effettivamente esposto. La riduzione del rischio deve essere ragionevolmente praticabile, ovvero piena e affidabile per tutti i pericoli probabili e ragionevolmente prevedibili.

Ad esempio, tipicamente accade di avere accesso occasionale alla stessa zona di lavoro del robot per scambio di materiale. In questo caso si profila la possibilità di intersecare i movimenti dell’operatore con quelli del robot all’interno della postazione (vedi fig.1). Il primo passo consiste nello scomporre l’applicazione in fasi e considerare le operazioni richieste all’operatore. Poi si valuta la disposizione degli attrezzaggi, dei pezzi e dei tool. A questo punto è possibile identificare le condizioni con le quali si potrebbe manifestare un potenziale contatto tra robot ed operatore.

Tradizionalmente, la riduzione del rischio si è basata sulla rimozione dell’accesso al pericolo, ad esempio con i ripari in gran parte dello spazio di lavoro. Oggi, nella robotica collaborativa, la protezione si può realizzare in modalità software, ovvero non fisica, attraverso funzioni di sicurezza da controllo o da costruzione del sistema robotizzato. Il pericolo non viene eliminato impedendo l’accesso all’operatore, bensì controllando le condizioni di compresenza ed eventuale interazione fisica (contatti e impatti).

CR-35iA è il primo robot collaborativo realizzato da Fanuc

Come disciplinare i contatti robot-umani

Se la valutazione del rischio ne consente il caso, il sistema robotizzato dovrà, pertanto, essere in grado di trasferire solo una piccola quantità di energia all’operatore in caso di contatto. Questo principio è molto importante, ed è alla base della più importante novità introdotta dalla robotica collaborativa anche a livello di normazione tecnica: non esclusi, i contatti sono disciplinati secondo il principio della limitazione dell’effetto sul corpo umano. Tali contatti possono essere di natura accidentale (ad esempio durante un movimento inavvertito dell’operatore verso il manipolatore) oppure legati ad un guasto del sistema. Possono anche essere volontari, ad esempio durante una manovra di comando dell’operatore che può toccare il robot per fermarne/avviarne il movimento. L’effetto del contatto di qualsiasi natura che viene considerato ai fini della sicurezza dei robot collaborativi, deve essere ampiamente all’interno di un criterio di accettabilità che escluda una lesione. I principio di limitazione dell’energia in robotica collaborativa, infatti, assume la percezione del dolore/fastidio come criterio di gravità nella stima del rischio. In pratica, i contatti devono essere talmente lievi da generare non solo una assenza di danno, ma anche una ridotta percezione di dolore all’impatto. Per ottenere questo effetto, i metodi di base più importanti comprendono la riduzione delle masse in movimento (motivo per il quale i robot collaborativi sono tipicamente leggeri), sistemi di controllo in grado di sentire e ridurre le forze/coppie generate, l’adozione di forme e superfici morbide ed arrotondate. In caso di pericolo di impatto, infatti, sarà cura dell’integratore del sistema robotizzato rendere le parti potenzialmente contundenti o coperte o scarsamente accessibili al corpo Poi, deve predisporre le opzioni di controllo in grado di ridurre la velocità e la forza in modo da ottenere un eventuale arresto del sistema al contatto “eccessivo”. Le combinazioni di layout, movimenti e forme sono talmente varie da richiedere una attenta analisi delle possibilità di impatto tra regioni diverse del corpo umano. Per ciascuna, si deve stimare la probabilità di tale impatto e la presenza di oggetti circostanti sui quali potrebbe verificarsi uno schiacciamento. Ad esempio, per assemblaggi da banco con operazioni miste uomo/robot, le forme dei tool dovranno limitare il più possibile le parti appuntite e spigolose dei gripper, magari aumentando le superfici e i raggi di curvatura dei lati esterni. Oppure (o in aggiunta), si predispongono gusci e coperture che impediscano l’esposizione diretta di tali parti, anche predisponendo il layout in modo da rendere assai improbabile il contatto con il gripper ma piuttosto con altre parti del robot (più arrotondate). Braccia e mani, in queste applicazioni, sono le parti maggiormente esposte, e pertanto è utile anche prevedere e progettare la gestualità prevista per l’esecuzione dei compiti.

Il robot collaborativo di Kuka, LBR iiwa

La normativa da seguire

I principi visti nell’articolo – limitazione dell’entità dei contatti, individuazione delle parti del corpo esposte, stima dell’effetto sul corpo in termini di forze esercitate, forme e geometrie che distribuiscono tali forze in pressioni sul corpo – sono il contenuto delle principali novità normative, recentemente introdotte nella Specifica Tecnica ISO/TS 15066 del 2016. Per quanto agli albori della piena ed esaustiva comprensione della biomeccanica degli impatti, il documento completa una parte fortemente lacunosa della norma tecnica di riferimento (UNI EN ISO 10218-2) in materia di modalità collaborative. Il documento contiene le linee guida e i requisiti per ottenere una riduzione del rischio in condizioni di contatto, proponendo valori di riferimento per le condizioni limite da valutare in sede di analisi dei rischi. È compito di chi allestisce il sistema valutare le condizioni di potenziale contatto, per poi tarare limiti di forza e velocità del sistema robotizzato. È altrettanto necessario, infine, valutare la presenza di rischi residui e verificare la trascurabilità di tali rischi, condividendo analisi ed stime con l’utente finale. Talvolta l’esito della valutazione può evidenziare una effettiva presenza di condizioni di rischio residuo non riducibile, ma anche un rifiuto di condizioni pur tecnicamente sicure a causa di motivazioni culturali od organizzative. Essendo materia nuova, molti dubbi sono destinati a essere superati col tempo: per ora, tuttavia, è bene attenersi ad una disciplina della sicurezza molto chiara, che permette di operare con tutti i vantaggi delle applicazioni collaborative.

Un robot della linea UR di Universal Robot

 

Federico Vicentini
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Federico Vicentini

A proposito di Federico Vicentini

è ricercatore presso ITIA-CNR