Como incorporar com segurança os cobots nos locais de trabalho industriais

Robôs industriais compactos estão agora disponíveis e podem ser integrados de forma econômica, mesmo em pequenas linhas de produção. Parte de seu apelo é que tais robôs podem colaborar com um operador humano para descarregar tarefas repetitivas que, de outra forma, cansariam o operador e levariam a erros. O problema é que trabalhar nas proximidades de uma máquina em movimento representa riscos de segurança para os seres humanos.

O segredo para manter os robôs colaborativos (cobots) seguros é considerar cuidadosamente os riscos envolvidos e configurar o robô e seu sistema de controle para mitigar possíveis perigos. Felizmente, as especificações técnicas estão agora disponíveis para ajudar a orientar os desenvolvedores no caminho da segurança.

Este artigo examina as vantagens de se acrescentar os cobots a um ambiente de trabalho e aponta as preocupações de segurança antes de descrever as recentes diretrizes regulamentares e apresentar estratégias de avaliação e mitigação de riscos. Em seguida, introduz os cobots com mecanismos de segurança incorporados que permitem que eles sejam adicionados com segurança a qualquer ambiente de produção ou fluxo de trabalho.

Por que adicionar robôs colaborativos?

Os robôs industriais nas principais instalações de fabricação há muito provaram seu valor em termos de aumento de produção e, ao mesmo tempo, redução de custos. Agora os robôs industriais compactos e generalizados estão trazendo tais benefícios para a produção em média e pequena escala. Porém, ao contrário de suas contrapartes de maior escala, os robôs compactos são projetados para operar em cooperação com seus operadores humanos e não isoladamente (Figura 1). Os dois compartilham um espaço de trabalho, ajudando a minimizar o uso do espaço de produção valioso por parte do robô e a melhorar sua relação custo-benefício.

Figura 1: Os pequenos robôs industriais são projetados para operar em cooperação com humanos e não isoladamente. (Fonte da imagem: KraussMaffel/KUKA Robotics)

Como todas as máquinas motorizadas, estes cobots têm o potencial de causar ferimentos se não forem utilizados adequadamente. A integração de um cobot em uma linha de produção requer, portanto, que se considere cuidadosamente a questão da segurança do operador. Fatores a ter em mente incluem o alcance e a velocidade de movimento do robô, os materiais que ele está manuseando, e o método e a frequência de interação do operador. Uma vez entendidas essas características, é possível incorporar recursos apropriados para aumentar a segurança no projeto do sistema.

Os requisitos regulamentares de organizações como a OSHA (Occupational Safety and Health Administration) nos EUA, CCOHS no Canadá e a Comissão Européia exigem alguns elementos de segurança operacional do cobot. O Código OSHA 29 dos Regulamentos Federais (CFR) 1910, por exemplo, exige sistemas para bloquear fontes de energia perigosas durante as operações de manutenção (Seção 147) e para evitar que choques elétricos ocorram durante a operação (Seção 333). Tais regulamentações, entretanto, foram desenvolvidas para se aplicar a todas as formas de máquinas industriais e não necessariamente mantiveram o ritmo da tecnologia. Há relativamente pouca regulamentação específica para os robôs industriais em geral ou para os cobots em particular.

A indústria preencheu a lacuna, entretanto, por meio do desenvolvimento de várias normas técnicas específicas para robôs industriais. Estas incluem a norma IEC 61508 sobre segurança funcional, a norma ISO 12100 sobre design para segurança de máquinas e as normas ISO 10218-1 e -2 sobre segurança para robôs industriais. Mais recentemente, a indústria lançou a norma técnica ISO/TS 15066 sobre segurança de robôs colaborativos. Apenas algumas seções dessas normas são definidas como requisitos para o projeto de sistemas robóticos. O restante são recomendações que fornecem aos desenvolvedores e operadores diretrizes detalhadas para garantir a interação segura de robôs e humanos.

Avaliação de risco do cobot

O caminho para a segurança do cobot começa com uma cuidadosa avaliação de risco da operação pretendida e do modelo de uso do robô — não apenas do robô em si, mas de todo o ambiente de aplicação e operação. Um sistema robótico que manipula chapas de metal afiadas, por exemplo, cria riscos diferentes daqueles de um sistema que manipula caixas de papelão. Da mesma forma, a avaliação de risco de um robô equipado com uma garra será diferente de um robô com uma furadeira ou ferro de solda.

Assim, os desenvolvedores devem compreender completamente o escopo de operações do sistema, as características de movimento do robô, o espaço e o fluxo de trabalho além de outros fatores similares, a fim de identificar as potenciais fontes de risco na operação do robô. Estas fontes incluem qualquer possível interação robô-humana — seja intencional, inadvertida ou resultante de falha do equipamento — que possa resultar em algum tipo de ferimento.

Uma vez identificados os riscos, cada um deles deve ser avaliado. Esta avaliação categoriza cada interação como um risco insignificante, baixo, médio, alto ou muito alto, usando três critérios principais:

• Gravidade do potencial ferimento
• Frequência e/ou duração da exposição ao perigo
• Probabilidade de evitar o perigo

Uma árvore representativa de avaliação de risco é mostrada na Figura 2. A gravidade dos ferimentos varia de leves, como cortes ou contusões que curam completamente em poucos dias, a graves, resultando em danos permanentes ou morte. A exposição varia de baixa (ocasional) a alta (frequente ou contínua), e a probabilidade de evitar varia de provável a impossível. Os avaliadores podem quantificar estes critérios de sua própria maneira para refletir suas circunstâncias específicas.

Figura 2: A avaliação do nível de risco requer o exame da gravidade e da probabilidade de possíveis ferimentos. (Fonte da imagem: Richard A. Quinnell)

Uma das idéias que a ISO/TS 15066 trouxe para a indústria, no entanto, é uma definição quantitativa de contato físico entre robô e humano que não é nocivo. Esta definição é especialmente importante em aplicações de cobot, onde o contato físico é altamente provável ou mesmo intencional. A norma define dois tipos de contato: transitório e quase-estático (Figura 3).

Situações nas quais o humano pode se afastar prontamente do contato com o robô, tais como uma parte do robô batendo contra o braço do operador, são consideradas transitórias. Quando o humano está preso entre o robô e um objeto fixo, como uma garra robótica pressionando a mão do operador contra a mesa, o contato é considerado quase estático.

Figura 3: O contato robô-humano — acidental ou previsto — cai em duas categorias: transitório e quase-estacionário. (Fonte da imagem: Richard A. Quinnell)

Os limites da força de contato em uma aplicação de cobot se baseiam no limiar humano da dor. Os robôs colaborativos devem ser configurados de forma que qualquer contato, intencional ou não, esteja abaixo do limiar da dor. Os valores-limite de força variam de acordo com a parte do corpo envolvida. O contato da cabeça tem um limiar de dor muito mais baixo do que o contato do braço, por exemplo. Além disso, os contatos quase-estáticos têm limiares mais baixos do que os contatos transitórios.

Uma vez identificados e avaliados os riscos, a pergunta crítica a ser feita para cada um deles é: "Este é um nível de risco aceitável?" Na maioria dos casos, um risco insignificante ou muito baixo é tolerável e todo o restante exigirá uma ou mais formas de mitigação. A escolha de uma forma apropriada de mitigação de risco, seguida da reavaliação do risco são, portanto, os próximos passos ao longo do caminho para a segurança dos robôs, a serem repetidos até que todos os riscos tenham sido reduzidos a níveis aceitáveis.

Mitigação de riscos

Alguns dos métodos mais preferidos para a mitigação de riscos incluem o redesenho do processo ou layout do espaço de trabalho robótico para eliminar o perigo ou minimizar a exposição, limitando a interação humana com o robô. As aplicações tradicionais de robôs industriais têm limitado a interação homem-robô, usando gaiolas para manter os humanos fora do espaço de trabalho do robô com intertravamentos para desligar o robô quando um humano entra no espaço de trabalho. Para aplicações de cobot, onde os robôs precisam compartilhar um espaço de trabalho colaborativo com os humanos, outros métodos são necessários.

A indústria identificou quatro abordagens principais para a interação robô-humana colaborativa:

• Parada monitorada com segurança
• Orientação manual
• Monitoramento da velocidade e separação
• Limitação da potência e força

Os desenvolvedores precisarão determinar qual abordagem ou combinação de abordagens se encaixa melhor em sua aplicação.

A parada monitorada com segurança funciona bem em aplicações onde o operador interage com o robô somente sob condições específicas, tais como carga ou descarga do efetor terminal do robô ou realizando inspeções nos trabalhos em andamento. Neste tipo de interação, o robô opera de forma autônoma dentro de um espaço de trabalho protegido, que é monitorado para detectar qualquer presença humana. O operador humano inicia uma parada de segurança antes de entrar naquele espaço de trabalho, e enquanto o operador estiver dentro do espaço de trabalho, o robô permanece energizado, mas parado. Quando o operador sai do espaço de trabalho, o robô retoma automaticamente sua operação autônoma. Se alguém entrar no espaço de trabalho monitorado sem iniciar a parada de segurança, o sistema iniciará uma parada de proteção que desligará a energia do sistema.

Na hipótese de orientação manual, o operador inicia uma parada de segurança antes de entrar no espaço de trabalho do robô, depois utiliza um mecanismo de orientação manual para reposicionar o braço robótico antes de acionar a próxima operação do robô. O mecanismo de orientação manual pode envolver simplesmente agarrar o braço do robô e manipulá-lo, ou pode envolver o uso de um dispositivo de controle portátil para comandar o movimento do robô. Uma aplicação como a assistência robótica de elevação pode utilizar uma colaboração guiada à mão.

O monitoramento da velocidade e da separação são úteis em situações em que o operador e o robô, frequentemente, compartilham o mesmo espaço de trabalho e o operador é capaz de se mover livremente dentro desse espaço. Neste caso, o sistema monitora a distância do humano em relação ao robô, trabalhando para manter sempre uma distância mínima de separação de proteção (Figura 4). Quando os dois estão a uma distância de separação segura — para que não haja possibilidade de contato — o robô está livre para se mover a toda velocidade. Caso a separação diminua, o robô continua trabalhando, porém devagar, servindo para reduzir o esforço necessário para levar o robô a uma parada completa. Quando a separação se torna muito pequena, o robô chega a uma parada segura para garantir que não haja possibilidade de causar um ferimento.

Figura 4: O monitoramento da velocidade e separação identifica zonas ao redor do robô que definem seu funcionamento seguro. (Fonte da imagem: Richard A. Quinnell)

A definição das distâncias para cada etapa desta abordagem requer a compreensão das capacidades de movimentação do sistema robótico. O sistema deve ser projetado para que, uma vez que os monitores detectem um movimento humano em direção ao espaço protegido, os mecanismos robóticos parem completamente antes que o humano possa alcançar esse espaço. A fim de calcular as distâncias de separação adequadas, os desenvolvedores precisam saber:

• Quão rápido o robô e o humano se movem
• O tempo de reação do sistema para detectar a possível intrusão
• Quanto tempo leva para que o robô pare de se mover depois de receber um comando

O layout do espaço de trabalho pode ajudar a simplificar a definição e o monitoramento das zonas de segurança para a abordagem de monitoramento da velocidade e separação. Em um exemplo, o layout cria zonas de segurança inerentes (Figura 5). Uma bancada de trabalho separa o espaço de operação do humano do robô, no qual o robô pode se mover livremente a toda velocidade. O robô pode reduzir automaticamente a velocidade quando entra nas áreas de colaboração nas laterais da bancada de trabalho, que estão dispostas para limitar as oportunidades de contato quase-estático. A velocidade reduzida minimiza o risco nesta área, reduzindo a potencial força de contato transitória e maximizando a oportunidade de evitar qualquer perigo.

Paradas mecânicas podem impedir que o mecanismo robótico entre na área de operação do ser humano, eliminando riscos. Tal arranjo exigiria apenas um monitoramento mínimo do espaço operacional do robô para intrusão humana, a fim de garantir um alto grau de segurança do sistema.

Figura 5: O projeto do espaço de trabalho pode criar zonas de segurança inerentes. (Fonte da imagem: Richard A. Quinnell)

A abordagem de limitação da potência e força é especialmente útil em aplicações onde o contato homem-robô é altamente provável. Para utilizar a abordagem, o robô deve ser capaz de detectar quando forças incomuns foram aplicadas ao mecanismo para que ele possa detectar e reagir ao contato. O robô também deve ser projetado para minimizar a força potencial de contato, por exemplo, evitando bordas afiadas e pontos de esmagamento, incorporando uma superfície acolchoada e limitando a velocidade do movimento.

A aplicação deve ser projetada de forma que o contato seja pouco frequente e evitável, com cuidado para avaliar que tipos de contato (transitório ou quase estático) podem ocorrer e que partes do corpo podem estar envolvidas. O projeto da aplicação também deve visar minimizar as oportunidades de contato quase estático e evitar completamente o contato com a cabeça, pescoço ou garganta.

Características de segurança do sistema robótico

Os desenvolvedores que selecionam um robô para uma aplicação colaborativa devem ter em mente como eles podem implementar um ou mais desses métodos de mitigação. O projeto físico do robô, bem como os sistemas que o controlam, são todos fatores a serem avaliados para determinar o quão prontamente as medidas de segurança podem ser implementadas. Tipicamente, porém, os fornecedores de robôs têm trabalhado para criar seus sistemas de segurança.

Por exemplo, a família do kit de robôs Agilus da KUKA, inclui um painel tátil de operação smartPAD para controle guiado à mão e o controlador do sistema KR C4 com características de segurança integradas. O software opcional KUKA.SafeOperation completa o pacote. Os braços dos kits vêm com vários tamanhos de alcance, incluindo 540 milímetros (mm) (KR 3 R540), 900 mm (KR 6 R900-2) e 1100 mm (KR 10 R1100-2) (Figura 6).

Figura 6: Robôs industriais compactos como o KUKA Agilus KR 3 são projetados tendo a segurança como principal consideração e podem compartilhar o espaço de trabalho protegido e colaborar com operadores humanos se os padrões da indústria forem seguidos durante a instalação. (Fonte da imagem: Kuka Robotics)

Todos os três robôs são projetados com superfícies arredondadas sob absorvedores de energia acolchoados para minimizar a pressão de contato. As juntas são cobertas para eliminar quaisquer riscos de esmagamento. Os robôs também oferecem paradas mecânicas ajustáveis para os principais eixos de movimentação, deste modo os desenvolvedores podem restringir fisicamente o espaço operacional do robô.

O smartPAD incluído ajuda a lidar com aplicações onde a operação guiada à mão é necessária (Figura 7).

Figura 7: Os kits de robôs KUKA incluem um painel tátil de operação smartPad para permitir o controle guiado à mão, quando apropriado. (Fonte da imagem: KUKA Robotics)

O controlador KR C4 vem com software de segurança integrado que inclui rotinas para implementar paradas de segurança e de emergência, bem como uma capacidade de monitorar sensores externos padrões da indústria, estabelecendo uma cerca de segurança. Além disso, o software pode monitorar internamente a posição e o movimento do robô em torno de qualquer um de seus eixos de movimentação.

O software KUKA.SafeOperation melhora este monitoramento interno, permitindo aos desenvolvedores definir uma célula operacional fixa: um polígono convexo com três a dez cantos externos dos quais o robô nunca deve se mover (Figura 7). Além disso, os desenvolvedores podem definir até 16 espaços de monitoramento dentro daquela célula usando coordenadas cartesianas ou coordenadas específicas do eixo.

Figura 8: Os desenvolvedores podem refinar o monitoramento de segurança relacionado à posição usando o software KUKA.SafeOperation com o qual podem definir uma área operacional e modelar ferramentas do efetor terminal. (Fonte da imagem: KUKA Robotics)

Para refinar ainda mais o monitoramento de segurança relacionado à posição, o software SafeOperation permite que os usuários modelem a ferramenta do efetor terminal no flange de montagem do robô como uma coleção de até seis esferas definidas pelo usuário. Estas esferas se movem com o braço do robô. Se o braço ou as esferas da ferramenta se moverem para dentro ou fora dos espaços de monitoramento durante a operação, o software responderá. Possíveis respostas incluem a sinalização de um alarme, retardar o movimento do robô ou implementar uma parada de segurança. Os desenvolvedores podem assim controlar prontamente como o robô se comporta em qualquer lugar dentro de seu alcance de movimento.

Tais características simplificam a implementação de esquemas de mitigação de riscos, mas não garantem, por si só, a interação segura entre o homem e o robô. Os desenvolvedores que procuram integrar um sistema robótico em seu fluxo de produção, especialmente em uma aplicação cooperativa, devem fazer o trabalho de avaliação e mitigação de riscos, muitos dos quais serão específicos para sua aplicação. Este esforço inclui seguir todas as diretrizes e restrições do fabricante, treinar adequadamente os usuários e implementar sistemas de monitoramento e barreiras, conforme necessário.

Conclusão

Os robôs e os cobots são uma parte dos fluxos de produção e outros fluxos de trabalho cada vez mais bem-vinda, mas apresentam perigos potenciais que os desenvolvedores de automação industrial devem levar em conta. Embora as novas normas desenvolvidas para a segurança dos robôs ajudem, a disponibilidade de sistemas robóticos que foram construídos desde o início, tendo a segurança como consideração primordial, torna a integração dos robôs em um fluxo de trabalho muito mais fácil e seguro.