Conceptos erróneos sobre los cobots y la seguridad en la fabricación y entornos de fabricación

Cuatro cobots sueldan dentro de una cabina exclusiva, separados por cortinas de soldadura (que no se muestran en la foto) e integrados con mitigación de humos integrada en las pistolas de soldadura. Robots universales/Automatización Vectis

Los robots colaborativos, o cobots, han comenzado a impregnar el mercado de la fabricación de metales. Con cada exposición de FABTECH, aparecen más cobots en más stands, recogiendo y colocando, soldando e incluso operando plegadoras. Las posibilidades parecen infinitas. Dicho esto, muchas aplicaciones en las ferias comerciales también tienen algo que la mayoría no asocia con los cobots: al menos algún tipo de protección.

Los cobots pueden parecer no amenazantes, incluso lindos, pero eso no significa que sean intrínsecamente seguros de usar en todas las circunstancias. La seguridad real de una operación de cobot depende de la operación o aplicación.

"Necesitamos reconocer que el robot colaborativo comenzó como un término de marketing, no un término técnico", dijo Roberta Nelson Shea, responsable de cumplimiento técnico global de Universal Robots con sede en Boston. Aunque todos los cobots de UR tienen limitación forzada y de potencia (PFL), el término robot colaborativo no está estandarizado en toda la industria. Un sistema o aplicación de robot puede etiquetarse como "colaborativo" y aún así no utilizar un robot PFL.

"PFL es sólo una característica que puede hacer que una aplicación robótica sea una aplicación colaborativa", dijo Nelson Shea. "Los controles guiados manualmente, o HGC, [representan] otro medio para crear una aplicación colaborativa".

Supongamos que ha determinado que sí, que el sistema que tiene es efectivamente un robot PFL. Si lo es, el poder y la fuerza que ejerce son, por supuesto, limitados; de ahí el apodo. Es común que el brazo del robot PFL se detenga cuando hace un contacto inesperado, una hazaña que abre nuevas posibilidades para el autómata. Con la automatización y la mecanización tradicionales (un brazo robótico articulado, un carro de soldadura, un tope trasero multieje en una prensa plegadora o cualquier otra cosa), incluso el movimiento más lento puede ejercer suficiente potencia para aplastar una extremidad. No es así con un robot PFL. Un brazo cobot de PFL parece funcionar igual que un brazo humano, entonces, ¿cómo podría ser peligroso? Bueno, un humano empuñando un cuchillo puede ser peligroso, y lo mismo puede decirse de un robot PFL empuñando un objeto punzante.

"Muchos tienen la idea errónea de que si un robot funciona con capacidad PFL, toda la aplicación es segura", dijo Bill Edwards, gerente senior de robótica colaborativa en Yaskawa Motoman, Miamisburg, Ohio. “Desafortunadamente, eso simplemente no es cierto. En una aplicación colaborativa, debemos mirar la aplicación completa. Eso incluye el efector final, las partes a manejar y todas las tareas involucradas, que pueden ser colaborativas o no. Y no todas las aplicaciones colaborativas tienen tareas 100% colaborativas puras”.

Una de las razones por las que la seguridad de los cobots PFL puede complicarse es la forma en que se utilizan. Los robots grandes y tradicionales que manejan piezas grandes requieren protección, normalmente protecciones entrelazadas (vallas de seguridad) y, a menudo, forman parte de grandes líneas automatizadas. Los robots no emulan las tareas que solían realizar los humanos; en cambio, los ingenieros rediseñan todo el proceso en torno a la automatización.

A diferencia de los robots tradicionales, los cobots PFL “normalmente no se implementan en una línea totalmente automatizada”, dijo Nelson Shea.

En cambio, a menudo reemplazan tareas manuales que involucran situaciones pequeñas y de baja carga útil. En muchos casos, un sistema PFL simplemente se coloca donde solía estar un humano, imitando la tarea que ese humano solía realizar. El proceso no cambia y, muy a menudo, no está completamente automatizado. Un humano todavía necesita intervenir en algún lugar para realizar el trabajo.

"Y cuando esto sucede, la percepción es que el cobot no necesita protección", dijo Nelson Shea, y agregó que sí, muchas de las primeras aplicaciones de los sistemas cobot PFL eran seguras sin la protección tradicional, considerando la baja velocidad y las pequeñas cargas útiles involucradas. y la tecnología PFL utilizada. Aún así, existe la necesidad de realizar una evaluación de riesgos, especialmente porque los sistemas interactúan con los humanos.

Es posible que estos robots con potencia y fuerza limitadas no requieran protección estricta, pero la celda debe tener en cuenta la seguridad de la soldadura, incluidas las cortinas de soldadura y la extracción de humos. Yaskawa Motoman

Como cualquier equipo industrial, los robots PFL deben cumplir con los estándares de seguridad aceptados por la industria, incluida ISO/TS 15066, que está escrita específicamente para aplicaciones de robots colaborativos.

Muchos de los detalles detrás de estos estándares se reducen a la velocidad y la superficie de un objeto en movimiento. Es posible que el cobot en sí no tenga un borde afilado que sobresalga. "Pueden tener un exterior liso", dijo Nelson Shea. "No tienen pernos que sobresalgan".

Sin embargo, su efector final podría tener un borde afilado, al igual que los objetos que transporta, como una hoja de metal en bruto. Un cobot PFL que empuña un objeto punzante en una determinada orientación y velocidad puede requerir algún tipo de protección, como lo detallan las normas de seguridad.

A veces, el riesgo que presenta el borde afilado de una pieza de trabajo puede mitigarse mediante el diseño del efector final, no solo con el diseño de su superficie (es decir, sin bordes afilados en el efector final en sí) sino con la forma en que sujeta la pieza. Como explicó Nelson Shea: "Un efector final puede cubrir demasiado una pieza para que no quede ningún borde expuesto mientras se manipula".

Describió una aplicación en una gran fábrica de automóviles que utilizaba un sistema robótico con un gran efector final tipo almeja cubierto de espuma. Cuando agarró una hoja de metal grande para transferirla a otra máquina, la cubierta cubrió todos los bordes afilados de la pieza. "En este caso, el efector final proporcionó protección".

Como explicó Edwards, los estándares de seguridad “detallan las limitaciones de fuerza y ​​presión, que se traducen en limitaciones de velocidad basadas en las áreas de superficie expuestas a los operadores. Cuando el área de superficie se reduce a un cierto nivel, eso determinará la velocidad a la que el robot PFL puede operar. Una vez que llegue a un borde afilado, cuando ejecute los cálculos iniciales para asegurarse de haber construido el sistema de seguridad correcto, encontrará que una superficie tan pequeña, combinada con la masa del robot, limitará su velocidad a nada. o al menos muy poco. Y normalmente no hay retorno de la inversión en un robot que se mueve tan lentamente”. En estos casos, son necesarias medidas de seguridad adicionales para que la aplicación sea segura y económicamente viable.

Todo esto tiene que ver únicamente con los propios cobots, no con las máquinas que cuidan. Las líneas típicas de prensas plegadoras y prensas mecánicas robóticas tienen protecciones entrelazadas o protecciones perimetrales, lo que le da al sistema robótico la libertad de interactuar con la máquina de maneras que serían completamente inseguras para un ser humano: por ejemplo, un robot plegadora que agarra una pieza extraña por detrás el conjunto de herramientas en medio de una secuencia de plegado.

Por supuesto, la razón por la que muchos se sienten atraídos por los cobots es el hecho de que, en las circunstancias adecuadas, pueden cuidar una máquina sin vallas de seguridad (protección). Nuevamente, esto depende de la aplicación. Pero si la evaluación de riesgos considera que la protección no es necesaria para el sistema robótico, la protección de la máquina aún debe tenerse en cuenta en la ecuación.

Los cobots PFL también suelen desacoplarse de la máquina y trasladarse a otro lugar según sea necesario. La operación puede ser robótica en determinados momentos y manual en otros, y eso significa que la máquina en sí necesita protección como si fuera cualquier otra máquina sin robot.

Esto también se aplica a una máquina atendida por un cobot que nunca se opera con una persona a cargo de ella. En este caso, aún es necesario salvaguardar la máquina que atiende el cobot; personas podrían entrar o poner una extremidad inadvertidamente dentro del área de trabajo de la máquina.

Una aplicación de cuidado de máquinas para un cobot aún requiere un escáner de seguridad y cierta protección. El cobot puede ser seguro, pero aun así necesita empuñar un objeto punzante e interactuar con una máquina que, sin protección, presenta peligros. Robots universales

Nelson Shea intervino: “En estos casos, ¿qué hay de malo en proteger [vallas de seguridad]?” No son costosos y, en los casos en que una máquina nunca se atiende manualmente, una protección entrelazada podría simplificar las cosas.

"Mucha gente piensa que sólo porque hay un robot [PFL] en la máquina todo el peligro desaparece", dijo. "El peligro de esa máquina siempre existe".

Edwards describió una aplicación de cuidado de máquinas CNC. Es posible que la pieza en sí carezca de bordes afilados y que el brazo del robot PFL se mueva con poco riesgo. “¿Pero qué pasa con la pinza? ¿Tiene bordes afilados? ¿Está protegida la máquina? Necesito ver la solicitud completa. ¿Es seguro cargar la máquina? Y cuando saca la pieza terminada, ¿tiene bordes afilados? En una aplicación PFL, debo mantenerme dentro de las especificaciones de TS 15066, lo que significa que debo permanecer por debajo de ciertos límites de presión y fuerza. Y cuando la superficie de la pieza disminuya hasta llegar a un borde afilado, no podré [mantenerme por debajo de esos límites]. Entonces, para esta tarea, necesitaría algunos dispositivos de seguridad adicionales, como un escáner o una cortina de luz, para mantener seguro al operador. Una vez más, cuando se trata de seguridad, nos fijamos en la aplicación, no en el robot”.

Edwards describió a un operador que llevaba una pila de láminas de metal a una celda de trabajo de un cobot. “Si el robot tiene que agarrar una pieza con bordes afilados, sabremos que excederemos esos límites de presión y fuerza. Quizás el robot pueda trabajar en colaboración si se mueve sin sujetar ninguna pieza”. En ese punto, el brazo y el efector final, ambos con superficies romas, caen por debajo de esos límites de umbral de presión y fuerza. "Sin embargo, una vez que el robot tenga la pieza, es posible que tenga que implementar medidas de protección adicionales, porque ahora se balancea alrededor de un borde afilado".

Los efectores finales que agarran piezas también necesitan factores de seguridad incorporados, que tengan en cuenta la pérdida de succión y potencia. "Por ejemplo, en una aplicación de chapa metálica [que involucra material magnético], podría optar por usar imanes que puedan conservar su sujeción incluso si la planta pierde energía", dijo Edwards.

Una aplicación podría requerir escáneres de seguridad optoelectrónicos, protecciones duras (vallas) o una combinación de tecnologías de protección; nuevamente, los detalles se detallan en los estándares de seguridad, tanto para robots (ANSI/RIA R15.06) como para maquinaria (como ANSI Normas de seguridad de máquinas B11).

A diferencia del pick and place o el cuidado de la máquina, la soldadura cobot generalmente no implica que el efector final empuñe una pieza de trabajo. En cambio, el efector final mueve una pistola de soldar que podría tener bordes afilados, incluido un alambre de soldadura expuesto. Es común presenciar este tipo de aplicaciones ejecutándose de forma segura sin escáneres ni vallas entrelazadas. El cobot podría moverse cuando el cable está expuesto (y no soldando) de una manera lenta y específica, como con un alcance limitado, de modo que el riesgo de "bordes afilados" se pueda mitigar con el EPP adecuado y otras consideraciones de seguridad. (“Durante la soldadura, se necesita una pantalla de soldadura, así como PPE específico para la soldadura”, dijo Nelson Shea).

Las fuentes advirtieron que cada solicitud debe evaluarse individualmente. "Todavía tenemos que examinar estos componentes durante las evaluaciones de riesgos para asegurarnos de que no vamos a exceder estos límites de presión y fuerza", dijo Edwards.

Nuevamente, si bien el movimiento del cobot puede ser seguro, la aplicación en la que se mueve el cobot puede dictar otros requisitos de seguridad. Por lo tanto, si algo en la celda de soldadura del cobot se mueve, como un posicionador de soldadura, las protecciones deben tener en cuenta el movimiento del posicionador, así como el dispositivo y las piezas que el posicionador está moviendo. Por supuesto, la mayoría de las células de soldadura cobot implican una mesa de fijación estacionaria que (dependiendo de lo que diga la evaluación de riesgos) no requiere protección. Pero es probable que se necesiten otros elementos de seguridad de la celda de soldadura: usar cascos de soldadura, brazos y piernas cubiertos con ropa no inflamable, extracción de humos para mantener el aire limpio y cortinas de soldadura o protecciones perimetrales similares.

"Nuevamente, debemos analizar la solicitud completa", dijo Edwards. “No es sólo el robot. Son humos. Es luz. Hace calor. Son peligros eléctricos, cables y peligros de tropiezo. Necesitamos adoptar una mirada holística, y no solo lo que están haciendo el robot y el efector final. Todo debe integrarse en la evaluación de riesgos, que determina si una solución se puede implementar de manera segura o no”.

Un soldador manipula el brazo del robot PFL para programar una unión soldada. Yaskawa Motoman

La seguridad de una aplicación depende no sólo de lo que lleva el cobot sino también de cómo se mueve. Aquí importa el método de enseñanza. La simulación fuera de línea puede evitar la interrupción de la producción y un dispositivo de aprendizaje puede ser conveniente, pero ambos métodos separan al usuario del cobot real. Al hacerlo, un operador puede, sin saberlo, indicarle al robot que se mueva de manera peligrosa. "Es precisamente la razón por la que, cuando se utiliza un colgante, el brazo se mueve a una velocidad reducida", dijo Nelson Shea.

Para muchas aplicaciones de precisión, el control guiado manualmente no es práctico. "Realmente no se puede mover algo con la mano sólo unos pocos milímetros", dijo Nelson Shea. Sin embargo, añadió que cuando el control manual es posible, a veces puede ayudar a que la enseñanza sea más segura, "porque una persona no provocará movimientos hacia sí misma".

Considere una tarea de escoger y colocar. Usando un dispositivo de enseñanza, los programadores podrían simplemente mirar hacia su pantalla y decirle al robot que se mueva del punto A al B, sin levantar nunca la vista para darse cuenta de que el brazo del cobot se mueve de una manera que fácilmente podría obstaculizar el camino del personal cercano. Incluso si los programadores miran hacia arriba, es posible que los operadores no se den cuenta de lo inseguros (y quizás ineficientes) que son algunos de esos movimientos, ya que están viendo la operación desde una orientación diferente. Según las fuentes, el último software de enseñanza mitiga algunos de estos problemas al alinear las orientaciones, de modo que lo que aparece en la pantalla coincide con lo que el operador ve en la vida real.

De todos modos, mover físicamente el brazo y estar allí con él mientras el brazo se mueve del punto A al B cambia la perspectiva del operador. Naturalmente, mantienen el brazo del cobot bajo y apartado.

Las fuentes enfatizaron que si bien ciertas técnicas y métodos, como la enseñanza guiada manualmente, pueden hacer que una operación sea más segura, no garantizan que la aplicación sea segura. Todavía requiere una evaluación de riesgos adecuada que analice todos los aspectos de una aplicación de cobot, desde el movimiento del cobot y su efector final hasta las piezas que se transportan y otros aspectos de la celda de trabajo, como la máquina que se cuida o la soldadura que se realiza.

Los cobots también siguen encontrando nuevos usos. Algunos incluso se están montando en robots móviles autónomos (AMR), que vienen con sus propias consideraciones de seguridad, como distancias de frenado, factores de ancho de pasillo y aquellos dictados por el lugar donde tanto la automatización como las personas pueden deambular por el piso. Es un rompecabezas complejo.

Tanto los cobots AMR como PFL tienen la posibilidad de integrar completamente la automatización con las tareas manuales. Si se hace bien, esta tecnología podría ayudar a crear la fábrica por excelencia del futuro. Es posible que estas aplicaciones de cobot PFL no requieran una valla de seguridad o protección, pero eliminar la protección no debería ser el objetivo. Aún es necesario evaluar la seguridad de todo, una aplicación a la vez.