Considérations importantes à prendre en compte lors de l'évaluation de la sécurité des cobots

Les robots collaboratifs (cobots) sont conçus pour travailler avec les humains et prendre en charge une production flexible dans les usines de l'Industrie 4.0. Comparés aux robots industriels traditionnels, les cobots sont plus simples, plus faciles à installer et ne nécessitent pas d'espaces de travail isolés sécurisés. Parce qu'ils sont conçus pour fonctionner avec des humains, les cobots sont construits différemment des autres robots industriels, notamment avec des fonctionnalités telles que des systèmes de détection de collision, un retour d'effort, des actionneurs élastiques et des servomoteurs à faible inertie.

Comme ils sont différents de par leur conception, des normes de sécurité spécifiques ont été élaborées pour les cobots. La Spécification technique 15066 de l'Organisation internationale de normalisation (ISO/TS) spécifie les exigences de sécurité pour les cobots industriels et leurs environnements de travail. Elle complète les exigences et les lignes directrices sur le fonctionnement des cobots des normes ISO 10218‑1 et ISO 10218‑2.

Cet article passe brièvement en revue les exigences de la spécification ISO/TS 15066 et la manière dont elles s'intègrent aux normes ISO 10218-1 et 10218-2. Il examine ensuite les complexités de la collaboration, notamment la manière dont l'espace de travail collaboratif est défini. Il étudie les facteurs liés à la sécurité des robots, notamment les fonctions de sécurité intégrées aux cobots, et les fonctions de sécurité externes nécessaires, ainsi que des exemples de dispositifs tels que des capteurs de proximité, des barrières immatérielles de sécurité et des tapis de contact de sécurité. Il se conclut par un bref examen de quelques applications spécifiques aux considérations de sécurité des cobots.

Il existe plusieurs normes de sécurité clés pour les cobots et robots industriels. La spécification ISO/TS 15066 détaille les exigences de sécurité pour les systèmes de cobots industriels et l'environnement de travail, et elle a été développée pour compléter les exigences limitées des normes précédentes, telles que la série ISO 10218. L'ISO 10218-1 cible les robots généraux et les dispositifs robotiques, tandis que l'ISO 10218-2 se concentre sur les systèmes robotiques et leur intégration. La norme American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) R15.06 est une adoption nationale des normes ISO 10218-1 et ISO 10218-2.

Complexités de collaboration

Avant d'entrer dans les détails de la sécurité des cobots, il est utile de définir la collaboration. La collaboration en robotique est complexe et comprend trois facteurs :

• Un cobot est un « robot conçu pour interagir directement avec un humain dans un espace de travail collaboratif défini », selon ANSI/RIA R15.06.
• Une opération collaborative est un « état dans lequel un système robotique spécialement conçu et un opérateur travaillent dans un espace de travail collaboratif », selon la norme ISO/TS 15066.
• Enfin, un espace de travail collaboratif est « l'espace de travail au sein de l'espace protégé où le robot et un humain peuvent effectuer des tâches simultanément pendant les opérations de production », selon ANSI/RIA R15.06.

Cela revient à définir l'espace de travail collaboratif « au sein de l'espace protégé ». L'espace protégé comprend une couche de protection de sécurité en plus des fonctions de sécurité standard incluses dans le cobot.

Les fonctions de protection courantes intégrées aux cobots incluent des systèmes de détection de contact basés sur des mesures de couple au niveau de chaque articulation, pour la surveillance des impacts inattendus, des obstructions ou des forces ou couples excessifs. Des systèmes de freinage automatique et de déblocage manuel des freins pour déplacer le bras sans alimentation électrique doivent également être présents.

Un contact inattendu entre une personne et un cobot est un problème. Les normes stipulent que tout contact avec la tête d'une personne doit être évité. De plus, la norme divise le corps en 29 zones spécifiques et détaille les limitations pour deux types de contact :

• Le contact transitoire est un événement mobile dynamique au cours duquel le cobot heurte une personne. Les limitations sont basées sur l'emplacement, l'inertie et la vitesse relative.
• Le contact quasi-statique se produit lorsqu'une partie du corps est coincée entre le cobot et une surface. Les limitations sont basées sur la pression et la force liées aux effets d'écrasement et de serrage.

La spécification fournit des recommandations, et non des limites absolues, basées sur des considérations d'application. Elle indique également que les recommandations sont informatives et reflètent les meilleures pratiques actuelles, étant donné que la collaboration entre les personnes et les robots est un domaine nouveau et que la recherche est en cours.

Continuum de collaboration

Il n'existe pas d'application collaborative unique. Les personnes et les cobots peuvent interagir et collaborer de différentes manières. Les applications collaboratives s'étendent de la coexistence, où un robot s'arrête sous tension lorsqu'une personne entre dans l'espace de travail collaboratif, à une activité interactive avec la personne touchant le cobot pendant son fonctionnement (Figure 1).

Figure 1 : La collaboration entre humains et robots inclut de nombreux niveaux d'interaction possibles. (Source de l'image : SICK)

Une évaluation des risques est requise pour identifier les besoins de sécurité de chaque application collaborative. Elle inclut l'identification, l'évaluation et la réduction des dangers et des risques associés à l'application. L'ISO 10218 comprend une liste de fonctionnalités de sécurité qui peuvent être appropriées dans diverses circonstances, mais aucune exigence définitive. La spécification ISO/TS 15066 apporte des précisions supplémentaires à l'évaluation des risques liés aux cobots. Dans chaque cas, l'objectif de l'évaluation des risques est d'identifier les dispositifs et systèmes de sécurité externes nécessaires pour garantir la mise en œuvre sûre des applications collaboratives.

Pour une analyse plus approfondie de l'évaluation des risques et des robots, consultez l'article Intégrer de manière sûre et efficace des AMR dans les opérations Industrie 4.0 pour un maximum d'avantages.

Protection et efficacité

Même si les cobots sont conçus pour fonctionner en toute sécurité, des couches de protection supplémentaires peuvent améliorer l'efficacité des applications collaboratives. Sans sécurité supplémentaire, lorsqu'une personne pénètre dans l'espace de travail collaboratif, la spécification ISO/TS 15066 impose une vitesse maximum de 0,25 mètre par seconde (m/s) par axe. Pour la plupart des cobots, cela est très lent.

Par exemple, le cobot Lexium LXMRL12S0000 de Schneider Electric a une charge utile maximale de 12 kilogrammes (kg), un rayon de fonctionnement (plage de travail) de 1327 millimètres (mm), une précision de positionnement de ±0,03 mm et une vitesse maximale de l'extrémité de l'outil de 3 m/s, soit 12 fois plus rapide que le maximum autorisé par la spécification ISO/TS 15066 lorsqu'une personne se trouve dans l'espace de travail collaboratif (Figure 2).

Figure 2 : Ce cobot peut bouger 12 fois plus vite que le maximum autorisé par la spécification ISO/TS 15066 lorsqu'une personne se trouve dans l'espace de travail collaboratif. (Source de l'image : Schneider Electric)

Dans de nombreuses applications, le cobot peut fonctionner seul pendant de longues périodes. La détection de la présence ou de l'absence de personnes dans l'espace de travail collaboratif peut donc permettre un fonctionnement beaucoup plus rapide et un meilleur rendement lorsque personne n'est présent. Les dispositifs courants permettant de détecter la présence de personnes incluent les scanners de sécurité, les barrières immatérielles de sécurité et les tapis de sol de contact de sécurité. Chaque technologie offre un ensemble différent d'avantages, et elles sont souvent utilisés en combinaison.

Scanners de sécurité

Les scanners de sécurité surveillent une zone désignée afin de détecter la présence de personnes. Ils peuvent déterminer la distance à laquelle se trouve une personne et mettre en place diverses zones d'avertissement en plus de la zone de sécurité active.

Le modèle OS32C-SP1-4M d'Omron est un bon exemple de scanner laser de sécurité conçu pour être utilisé avec des cobots. Il a un rayon de sécurité atteignant 4 m et peut prendre en charge plusieurs zones d'avertissement jusqu'à 15 m. Il comprend 70 ensembles standard de combinaisons de zones de sécurité et de zones d'avertissement pour prendre en charge les espaces de travail collaboratifs complexes. De plus, la résolution de l'objet minimum peut être définie sur 30, 40, 50 ou 70 mm, et le temps de réponse peut s'étendre de 80 millisecondes (ms) à 680 ms, augmentant davantage la flexibilité de l'application (Figure 3).

Figure 3 : Ce scanner de sécurité a un rayon de sécurité atteignant 4 m et peut prendre en charge plusieurs zones d'avertissement jusqu'à 15 m. (Source de l'image : DigiKey)

Barrières immatérielles de sécurité

Les barrières immatérielles peuvent mesurer la présence de personnes et peuvent être conçues pour détecter des objets de différentes tailles, comme des doigts ou des mains. Contrairement aux scanners de sécurité, les barrières immatérielles ne mesurent pas la distance. Elles envoient une série de faisceaux lumineux entre des réseaux d'émetteurs et de récepteurs linéaires et peuvent détecter lorsqu'un objet interrompt un ou plusieurs faisceaux.

En termes d'indices de sécurité, il existe deux principales classifications de barrières immatérielles : type 2 et type 4. Ces types présentent un aspect extérieur similaire mais sont conçus pour offrir différents niveaux de sécurité. Le type 4 surveille l'espace protégé qui définit un espace de travail collaboratif. Les barrières immatérielles de type 2 sont conçues pour les applications à plus faibles risques.

Les barrières immatérielles protègent les périmètres et sont disponibles avec plusieurs niveaux de résolution, comme 14 mm pour la détection des doigts et 24 mm pour la détection des mains. Le modèle SLC4P24-160P44 de Banner Engineering est un kit de barrière immatérielle de type 4 avec un réseau d'émetteurs et de récepteurs, et a une résolution de 24 mm pour protéger les personnes et les machines comme les cobots (Figure 4). Les émetteurs sont dotés d'une rangée de diodes électroluminescentes infrarouges modulées et synchronisées. Les récepteurs ont une rangée correspondante de photodétecteurs synchronisés. Les émetteurs ont une portée de 2 m et ces barrières immatérielles peuvent être installées dans des longueurs de 160 mm à 320 mm par incréments de 80 mm.

Figure 4 : Cette barrière immatérielle de type 4 a une résolution de 24 mm. (Source de l'image : Banner Engineering)

Les scanners laser de sécurité et les barrières immatérielles offrent des moyens sans contact pour améliorer la sécurité des espaces de travail collaboratifs. Cependant, ils peuvent être complexes à utiliser dans les environnements optiquement difficiles, comme les zones présentant des surfaces hautement réfléchissantes qui peuvent envoyer des interférences lumineuses indésirables, et ils peuvent se déclencher en raison d'une fuite d'huile ou de graisse, ou d'une quantité de poussière ou d'humidité excessive.

Certains de ces capteurs optiques sont dotés de réglages de sensibilité qui peuvent aider à atténuer certains types d'interférences. Ces réglages de sensibilité peuvent également augmenter les temps de réponse et d'autres compromis de performances. Une autre solution consiste à utiliser un tapis de contact de sécurité avec des dispositifs de détection optique.

Tapis de contact de sécurité

Les tapis de contact de sécurité comportent deux plaques conductrices séparées par une couche isolante tramée et ils peuvent être utilisés seuls ou en combinaison avec d'autres types de capteurs. Si une personne marche sur le tapis, la plaque conductrice supérieure est enfoncée et entre en contact avec la plaque inférieure, déclenchant un signal d'alerte (Figure 5). L'extérieur des tapis est en matériau polyuréthane antidérapant et imperméable à l'eau, à la saleté et à l'huile. Le modèle de tapis SENTIR 1602-5533 d'ASO Safety Solution peut connecter jusqu'à 10 tapis en série à une seule unité de surveillance pour une couverture maximum de 10 m².

Figure 5 : Lorsqu'on marche sur le tapis, les couches conductrices supérieure et inférieure du tapis de sécurité entrent en contact, déclenchant un signal d'alerte. (Source de l'image : ASO Safety Solutions)

La sécurité réside dans les détails

Il n'existe pas de formule unique garantissant la sécurité. Chaque application collaborative est différente et doit être gérée en fonction de ses caractéristiques et de ses besoins uniques. L'un des facteurs clés est le suivant : où se situe l'application dans le continuum de collaboration (voir Figure 1) ? Plus l'interaction entre le cobot et les personnes est étroite, plus la protection est nécessaire.

D'autres détails doivent être pris en compte, notamment :

• Chaque site doit faire l'objet d'une évaluation détaillée des risques pour déterminer si le cobot est déplacé d'un poste de travail à un autre. De légères variations peuvent faire une différence en termes de sécurité.
• Si d'autres machines se trouvent dans l'espace de travail collaboratif, doivent-elles être reliées au système d'arrêt ou au ralentissement de sécurité du cobot ?
• Cet article a ciblé le matériel lié à la sécurité, mais pour les systèmes en réseau qui sont de plus en plus fréquents, la cybersécurité est une considération importante pour éviter toute interférence avec le fonctionnement du cobot ou les systèmes de sécurité.

Conclusion

La sécurité des cobots est complexe. Elle commence par la définition de l'espace de travail collaboratif au sein de l'espace protégé et requiert une évaluation des risques de l'opération collaborative. Les normes comme ISO/TS 15066 et la série ISO 10218 sont importantes et fournissent des recommandations et des lignes directrices. Les cobots incluent des fonctionnalités de sécurité de base telles que des systèmes de détection de collision, un retour d'effort, des actionneurs élastiques et des servomoteurs à faible inertie. En fonction des spécificités de l'application collaborative, des dispositifs de sécurité supplémentaires tels que des capteurs de proximité, des barrières immatérielles et des tapis de contact de sécurité peuvent être nécessaires.