Güvenli İnsan Robot İş Birliği | Otonom Fabrika | Endüstri 4.0

Güvenli İnsan Robot İş Birliği

Tahmini Okuma Süresi:7 Dakika, 22 Saniye

1. Giriş

Güvenli insan robot iş birliği için kolaboratif robotların (cobot) hangi güvenlik (emniyet) gereksinimlerini karşılaması gerektiğini bu yazımızın konusudur.

Kolaboratif robotlar insan ile farklı senaryolarda yan yana çalışır, güvenlik çitleriyle birbirlerinden ayrılmamışlardır. Bazen insan ve robot, aynı anda aynı parça üzerinde çalışırken, bazen birisi bekler diğeri çalışır. Uluslararası Robotik Federasyonu tarafından yayınlanan bu insan robot iş birliği senaryolarına buradan erişebilirsiniz. Peki fizibilitesini yaptığımız, yatırım kararı vermeyi planladığımız bir insan robot iş birliği (HRC: Human Robot Collaboration) sistemi hangi güvenlik (emniyet) gereksinimlerini karşılamak zorundadır?

2. CE Belgesi ve Makine Emniyet Yönetmeliği

Burada kısaca CE belgesinden bahsetmekte fayda var. CE Belgesi, Avrupa Birliği ve Türkiye’nin teknik mevzuat uyumu çerçevesinde geliştirilen ve üretilen ürünün temel asgari güvenlik seviyesine sahip olduğunu gösteren bir uygunluk işaretidir. Bu işaret bir kalite belgesi değil, temel bir güvenlik belgesidir.

CE belgesi, ürünün temel gerekler olarak tanımlanan insan sağlığı, can ve mal güvenliği, hayvan, bitki yaşamı ve çevre ile tüketicinin korunması açısından asgari güvenlik koşullarına uygun olduğunu gösteren bir işarettir. “CE işareti”, Avrupa Birliği’nin uyulması mecburi olan birtakım direktifleri kapsamında yer alan ürünlere konulan bir işaret olduğu için, söz konusu mevzuat kapsamına giren ve AB üyesi ülkelerde ve Türkiye’de piyasaya arz edilecek olan ürünlerin bu işareti taşıması zorunludur. Diğer bir ifadeyle, bu işaret, ürünlerin, AB üyesi ülkelerde serbest dolaşıma çıkabilmesi için bir çeşit pasaport işlevi görmektedir [1].

Makinaların (Endüstriyel robotlar da bu sınıfa giriyor) uyması gereken temel şartlar, sahip olması gereken en az güvenlik koşulları gibi bilgiler, AB konseyi tarafından yayınlanan 2006/42/EC isimli Makine Emniyet Yönetmeliğinde belirtilmiştir. Ayrıca Makinalar; Elektromanyetik Uyumluluk Yönetmeliği ve Alçak Gerilim Yönetmeliği kapsamına da girmektedir. Ancak bu yazıda yalnızca 2006/42/EC Makine Emniyet Yönetmeliği‘ne odaklanılacaktır.

2.1. Kolaboratif Robot (Cobot) Sistemleri için CE Belgesi

Robot üreticileri ve entegratörleri 2006/42/EC Makine Emniyet Yönetmeliği’ne uygunluğu kanıtlamada harmonize standartlara (EN ile başlayan ilgili standartlar) uygun üretim ve kurulum yaptıklarını belgelendirmek durumundadırlar. CE belgesi alım süreci robot üreticileri ve robot sistemi entegratörleri için ayrı ayrı yürümektedir.

Robot üreticileri, entegre edilmesi planlanan robotik sistemlerin çoğunlukla robotunu ve kontrol ünitesini sağlarlar. O yüzden yalnızca bu ekipmanların CE belgesine sahip olduğunu gösterir. Robot, kontrol ünitesi ve diğer sistem elemanları -robot elleri, haberleşme elemanları, çalışma alanındaki diğer ekipmanlar vb.- robotik sistemi oluşturur. Bu komple robotik sistemin CE belgesi alma sorumluluğu ise sistemi entegre eden kuruluşundur. Dolayısıyla işletme ürünleri kendisi temin edip sistemi devreye alacaksa ya da bunu bir tedarikçiye yaptıracaksa, robotik sistem için CE sertifikası alma sorumluluğu onlara ait olacaktır. Bunun nedeni, 2006/42/EC Makine Emniyet Yönetmeliği’ne göre, robot ekipmanı tek başına tamamen bitmiş makina değil, kısmen tamamlanmış makina olarak kabul edilmektedir.

Robot ekipmanı, hattın entegrasyonu tamamladığında ve komple bir proses hattı halini aldığında tamamlanmış makina olarak değerlendirilir ve Makine Emniyet Yönetmeliği ve ilgili diğer yönetmeliklerin (Alçak Gerilim, Elektromanyetik uyumluluk, vb.) gerekliliklerini yerine getirdiği takdirde CE belgesi alarak hizmete koyulabilir [2].

3. Güvenli (Emniyetli) İnsan Robot İş Birliği

3.1. Risk Değerlendirmesi

Risk değerlendirmesi ve azaltılması A tipi çatı standart olan TS EN ISO 12100:2010 kapsamında yapılmaktadır. Endüstriyel robotlar/robotik sistemler için daha özel olan standart, C tipi TS EN 10218 harmonize standartlarıdır.

TS EN 10218 harmonize standartlarının mevcut haliyle kolaboratif robot (cobot) sistemlerine tam olarak hitap etmemesinin nedeni çarpmaya izin vermemesidir. Kolaboratif robot (cobot) sistemlerinde ise çarpma vardır ve bu durum ISO/TS 15066 teknik spesifikasyonunda tanımlanmıştır. Burada şart, çarpmanın acıya ve yaralanmaya neden olmamasıdır.

Kolaboratif robot (cobot) sistemleri için risk değerlendirmesi yapılırken ISO/TS 15066 bölüm 4.2 de belirtilen ek bilgiler göz önüne alınmalıdır. Kolaboratif robot sistemleri ile insanlar temas edebildiğinden, çarpmanın (transient) olabileceği uzuv, kıstırmanın (quasi-static) olabileceği uzuvlar, olabilme sıklıkları, temas süreleri vb. dikkate alınmalıdır.

Risk değerlendirme çalışmasının ilk aşaması risk analizidir. Risk analizi sırasında tüm çalışma modlarında ve senaryolarında olası tüm kazalar, hasarlar(mekanik, elektrik, termal, radyasyon, titreşim, gürültü, kimyasal vb.) tanımlanır. Robottan ya da insandan beklenmeyecek ancak olması mümkün durumlar da göz önüne alınır.

İkinci adım olarak hasar dereceleri ve gerçekleşme olasılıkları belirlenerek risklerin değerlendirmesi yapılır. Değerlendirmenin sonunda elde edilen bu sonuçlar sayesinde Performance Level (PL) ve/veya Safety Integrity Level (SIL) değerleri belirlenir.

PL değeri B tipi standart olan TS EN ISO 13849-1‘de tanımlanırken SIL değeri EN 61508 ve EN 62061 standartlarına uygun tanımlanmaktadır. PL ve SIL değerlerinin işaret ettiği şey aynıdır: Saat başına meydana gelebilecek tehlikeli hata olasılığı. Belirli katsayılarla birbirlerine çevrilebilirler. Robot gibi kontrol sistemlerinin en az PL değeri ‘d’ olmalıdır.

Bu değerlendirme çalışmalarının ardından tedbirler belirlenerek risklerin gerçekleşme olasılıklarının kabul edilebilir seviyelere düşürülmesi gerekmektedir. Burada kabul edilebilir seviye endüstriyel robotlar için PL=d’dir.

3.2. ISO/TS 15066 Teknik Spesifikasyonu

EN ISO 10218 harmonize standartları endüstriyel robotlar/robotik sistemler için özel güvenlik standartlarıdır. EN ISO 10218-1, robot ve kontrol ünitesini üreten robot üreticilerine yönelik iken EN ISO 10218-2 robot sistemi entegratörlerine yöneliktir.

Şu önemli bilgiyi verelim. EN ISO 10218 standartları hazırlanırken kolaboratif robotlar hesaba katılamadı. Kolaboratif robot (cobot) sektörü o kadar hızlı gelişti ki, ortada henüz özel olarak tanımlanmış bir standart yokken dahi talep vardı. International Organization for Standardization (ISO), kolaboratif robot sistemleri güvenlik gereksinimleri sorununa hızlı bir çözüm bulmak amacıyla ISO/TS 15066 teknik spesifikasyonunu yayınladı.

ISO/TS 15066 teknik spesifikasyonu olgunlaştıktan sonra EN ISO 10218 standartları buna göre güncellenecektir. Güncellenmiş standartların 2021 yılının ortalarına doğru yayımlanması bekleniyor.

ISO/TS 15066 (Robotlar ve Robotik Cihazlar – Kolaboratif Robotlar) teknik spesifikasyonunda kolaboratif çalışma ile ilgili gerekli tanımlar ve robot çalışmalarında bir ilk olan robotun insana çarpmasındaki kabul edilebilir koşullar yer alıyor. Örneğin çarpmanın neden olacağı acının eşik değerleri, yaralanmaya neden olabilecek hız/kuvvet/basınç vb. değerleri çarpmanın gerçekleşebileceği uzuvlara göre belirleniyor. Bu eşik değerlerinin belirlenmesi çalışmasını ISO’nun talebi doğrultusunda Mainz Üniversitesi yaptı. Bu değerler önemli çünkü, bir robotun eline bir pinpon topu da yerleştirebilirsiniz delici bir alet de. ISO 10218 standartlarında ‘çarpma’ detayı yer almıyor. Daha çok “yaralanmaya neden olmamalı” şeklinde genel ifadeler kullanılmaktadır.

3.3. Kolaboratif Çalışma Teknikleri

  • Peki güvenli (emniyetli) bir sistem kurarken hangi çalışma tekniklerini dikkate alacağız? Güvenli İnsan Robot İş Birliği için hazırlanmış ISO/TS 15066 dokümanına göre, kolaboratif çalışmalar 4 teknik ile gösterilmektedir. Bunlardan ilk üçü, endüstriyel robotlar için de geçerliyken sonuncusu (güç/kuvvet sınırlama) kolaboratif robot sistemlerine özeldir. Tüm tekniklerin ortak güvenlik (emniyet) gereksinimleri performans seviyesinin d olması (PL=d), kategorisinin 3 olması (Cat 3) ve güvenli hız sıfırlama gereksinimleridir. Bu 4 teknik;
  • 1) Emniyetli duruş (SOS: Safety-rated monitored stop),
  • 2) El modu ile robot yönlendirme (HG: Hand Guiding),
  • 3) Emniyetli Hız ve mesafe izleme (SSM: Speed and Separation monitoring),
  • 4) Güç ve kuvvet sınırlama (PFL: Power and Force Limiting)’dir.

3.3.1. Emniyetli duruş (SOS: Safety-rated monitored stop)

Bu teknik, insanla robotun belirli bir çalışma uzayında aynı anda çalışmasına izin vermez. Belirlenen uzaya insan girdiğinde robot tüm hareketlerini durdurur ya da IEC 60204-1 normuna uygun olarak robot hızını Kategori 0-2 düzeylerinden birine düşürerek sıfırlar. Duruş sonrası sıfır hız durumu emniyetli bir kontrol sistemi tarafından izlenmelidir. İnsan, ortak çalışma alanında işini tamamlayıp ayrıldıktan sonra, robot harici bir ‘yeniden başlat’ butonu ile otonom çalışmaya devam eder.

3.3.2. El modu ile robot yönlendirme (HG: Hand Guiding)

Bu mod ile operatör ve robot çok yakın bir şekilde birlikte çalışabilmektedir (Şekil 1). Buradaki önemli nokta robotun otonom hareket edememesi, bunun yerine robotun uç noktasına ya da yakınına konumlandırılmış el veya kumanda ünitesi ile insanın robotu yönlendirmesidir. Robotun hızı sınırlandırılmış ve çalışma uzayı emniyetli bir şekilde tanımlanmıştır. İnsan çalışma uzayına girdiğinde, robot önce SOS tekniğine uygun durmalı, HG modunda işlem sonrası ortak çalışma uzayını insan terk ettiğinde robot otonom hareketine devam edebilmelidir.

el modu ile robot yönlendirme, kolaboratif robot, hand guiding
Şekil 1. El modu ile robot yönlendirme (Kaynak: Kuka)

Şekil 1’deki teknikte, insan robotun uç noktası ya da yakınına konumlandırılmış bir noktaya kuvvet uygular, bu noktadaki kuvvet ve tork sensörleri bu etkiyi değerlendirerek robota hareket sağlar (empedans mod). Robot bu teknikte sanal kütle/yay/sönümleyici davranışı gösterir.

3.3.3. Emniyetli Hız ve Mesafe İzleme (SSM: Speed and Separation monitoring)

Bu modda iken insan ile robot, robotun bu moddaki maksimum hızına uygun insan ve robot arasındaki mesafe bir limitin üzerinde kalması şartıyla birlikte çalışabilir. Aradaki mesafe uyarı düzeyinin altına düşerse Şekil 2’de sarı bölge olarak gösterilen alanda robotun hızını emniyetli hız düzeyine düşürür. Robot ve insan arasındaki mesafe tehdit düzeyinin altına düşerse yani kırmızı bölgede, robot hareketine SOS tekniğine uygun şekilde son verir [3].

kolaboratif robot güvenlik, dinamik emniyet uzayları, dynamic safety spaces, 3D safety cobot
Şekil 2. Dinamik Emniyet Uzayları


3.3.4. Güç ve Kuvvet Sınırlama (PFL: Power and Force Limiting)

Önceki üç modda robot-insan çarpışması engellenirken bu modda çarpışma mümkündür. Çarpışmanın etkisini azaltmak için, fiziksel dış yapısı özel olarak tasarlanmış ve kuvvet algılayıcıları bulunan kolaboratif robot donanımları kullanılmaktadır. Kriterler belirlenirken ISO/TS 15066’da yer alan acı duyma/yaralanma eşik değerleri ve tasarım yönergeleri kullanılmalıdır.

4. Sonuç

Son olarak, verimliliğe katkılarından dolayı kolaboratif robot sistemlerine talebin büyük olduğunu, ancak güvenlik gereksinimlerinin güncellenmekte olduğunu hatırlatalım. Pandeminin etkisi hesaba katılmazsa, güvenli insan robot iş birliği gereksinimlerinin detaylı tanımlanacağı EN ISO 10218 standartlarının, ISO/TS 15066’nın olgunlaşmasıyla, 2021 yılının ortalarına doğru güncellenmesi bekleniyor. Bu çalışmayı ISO’ya bağlı Technical Committee 299 (ISO/TC 299) yürütüyor.

Bunları da sevebilirsiniz

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir