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12 DE SET DE 2017,

Robôs colaborativos: maior eficiência e segurança para a indústria

Sistemas robóticos desempenham um papel muito importante nos processos produtivos automatizados. A maioria dos sistemas robóticos trabalha em células isoladas, de modo a não ferir ninguém. De qualquer forma, a intervenção humana é indispensável. Quanto maior a colaboração entre homem e robô, mais eficiente é o trabalho: tem-se a força e a precisão da máquina com a capacidade de resolução de problemas do ser humano. No segmento de sistemas robóticos industriais, há uma tendência crescente pela adoção de sistemas de colaboração homem-robô (em inglês, Human-Robot Collaboration – HRC), onde máquina e pessoas dividem o mesmo espaço de trabalho. Porém, a segurança de um sistema robótico colaborativo depende de alguns fatores: execução precisa da apreciação de riscos, seleção de robôs com as funções de segurança apropriadas, seleção de dispositivos adicionais de segurança adequados e, por fim, a validação por parte do integrador do sistema.

Introdução

Na indústria, a maneira mais comum de garantir a segurança de robôs é cercá-los com proteções mecânicas, pois restringir o acesso de pessoas às zonas de perigo é a melhor forma para obter o mais alto nível de segurança. No entanto, os robôs não são capazes de realizar todo tipo de tarefa, por si sós. A maior parte dos robôs requer a intervenção de pessoas em algum momento. Por outro lado, observa-se que há muitas tarefas que ainda são realizadas manualmente, o que torna os processos produtivos mais lentos, cansativos, suscetíveis a falhas e acidentes. Boa parte das empresas investe muito tempo e dinheiro no desenvolvimento de treinamentos, dispositivos e procedimentos para evitar falhas humanas e defeitos de qualidade. É interessante que homem e máquina possam trabalhar lado a lado, de forma a promover uma maior sinergia nos processos produtivos, combinando a inteligência humana com a força, resistência e velocidade dos robôs. Nesse contexto, o termo “robô colaborativo” vem ganhando notoriedade no segmento industrial.Na indústria, a maneira mais comum de garantir a segurança de robôs é cercá-los com proteções mecânicas, pois restringir o acesso de pessoas às zonas de perigo é a melhor forma para obter o mais alto nível de segurança. No entanto, os robôs não são capazes de realizar todo tipo de tarefa, por si sós. A maior parte dos robôs requer a intervenção de pessoas em algum momento. Por outro lado, observa-se que há muitas tarefas que ainda são realizadas manualmente, o que torna os processos produtivos mais lentos, cansativos, suscetíveis a falhas e acidentes. Boa parte das empresas investe muito tempo e dinheiro no desenvolvimento de treinamentos, dispositivos e procedimentos para evitar falhas humanas e defeitos de qualidade. É interessante que homem e máquina possam trabalhar lado a lado, de forma a promover uma maior sinergia nos processos produtivos, combinando a inteligência humana com a força, resistência e velocidade dos robôs. Nesse contexto, o termo “robô colaborativo” vem ganhando notoriedade no segmento industrial.

O verbo “colaborar” origina do verbo latino collaborare, composto pelo prefixo co- (união) e o verbo laborare (trabalhar), ou seja, trabalhar em conjunto. De acordo com a Especificação Técnica ISO/TS 15066:2016, “operação colaborativa” é aquela em que um sistema robótico com um determinado propósito e um operador trabalham em um “espaço de trabalho colaborativo”, ou seja, um espaço onde ambos possam realizar tarefas simultaneamente.

Atualmente, há uma tendência mundial crescente na demanda por soluções robóticas inteligentes e dinâmicas, que permitam mudanças de parâmetros de produção, tais como velocidade e força, de forma flexível e com sistemas de controle em conformidade com o nível de integridade de segurança requerido.

Apreciação de Risco

A NR-12, norma regulamentadora que trata de segurança em máquinas e equipamentos, determina que, para a aplicação de seus requisitos, é necessário considerar, entre outros, a apreciação de riscos e o estado da técnica. De um modo geral, a apreciação de riscos de um robô colaborativo não é diferente daquela realizada para outras máquinas ou equipamentos. A diferença fundamental é a proximidade das pessoas com o equipamento.

  • O processo de identificação de perigos de um sistema robótico deve considerar:
  1. as características do robô (por exemplo, carga, velocidade, força, momento, torque, potência, geometria, formato das superfícies, etc.)
  2. condições de contato com o robô;
  3. distância e localização do operador em relação ao robô (por exemplo, operador trabalhando abaixo do robô, a 1 metro de distância).
  • os perigos relacionados ao sistema robótico como um todo, que incluem:
  1. perigos causados pela ferramenta do sistema robótico ou pela peça a ser trabalhada (por exemplo, projeto ergonômico, cantos vivos, queda da peça a ser trabalhada, etc.);
  2. movimento e localização do operador com relação ao posicionamento de partes, à orientação de estruturas (por exemplo, dispositivos, suportes, etc.) e a localização das zonas de perigo dos dispositivos;
  3. design do dispositivo, localização e operação da ferramenta e outros perigos relacionados;
  4. determinar se o contato do robô com o operador é semiestático (onde há esmagamento entre partes móveis do robô e partes fixas) ou transiente (onde não há esmagamento e o operador pode recuar ou se retrair) e quais partes do corpo do operador podem ser afetadas;
  5. projeto e localização de eventuais dispositivos de condução manual (por exemplo, acessibilidade, ergonomia, mau uso previsível, possíveis situações de confusão, etc.);
  6. influência e efeitos do local onde o sistema robótico está instalado (por exemplo, perigos causados por máquinas próximas).
  • perigos relacionados à aplicação, que incluem:
  1. perigos específicos do processo (por exemplo, temperatura, partes ejetadas, fagulhas de solda, etc.);
  2. limitações causadas pelo uso obrigatório de EPI;
  3. projeto ergonômico ineficaz que possa causar perda de atenção e/ou operação inadequada.

Além disso, é fundamental identificar e documentar as tarefas colaborativas associadas ao robô, que se caracterizam por:

  1. frequência e duração da presença do operador no espaço de trabalho colaborativo;
  2. frequência e duração do contato entre o operador e o sistema robótico;
  3. transição entre uma operação não colaborativa e a operação colaborativa;
  4. rearme manual ou automático dos movimentos do sistema robótico após a conclusão da operação colaborativa;
  5. tarefas que envolvem mais de um operador;
  6. quaisquer tarefas adicionais dentro do espaço de trabalho colaborativo.

Após a identificação dos perigos, deve-se estimar e avaliar os riscos associados antes de aplicar medidas de redução de risco, as quais devem seguir os três passos recomendados pela ISO 12100:

  1. Passo 1: medidas de segurança inerentes ao projeto do sistema robótico;
  2. Passo 2: proteções de segurança ou medidas de proteção complementares;
  3. Passo 3: informação para uso.

Para sistemas robóticos tradicionais, as medidas de proteção que geralmente são adotadas buscam reduzir os riscos por meio de dispositivos consagrados pelo Mercado (por exemplo, cortinas de luz, scanners de segurança a laser), embora seja possível utilizar novas tecnologias (por exemplo, para limitação de força ou de extensão de movimentos) ou uma combinação de ambas. Os requisitos essenciais para a aplicação dessas medidas podem ser encontrados nas normas ISO 10218-1, ISO 10218-2 e na Especificação Técnica ISO/TS 15066 e serão explicados a seguir.

Modos de operação colaborariva

A ISO/TS 15066 define quatro modos de operação colaborativa:

Parada monitorada de segurança (Safety-rated Monitored Stop – SMS)

Neste modo, um sinal de parada é enviado ao robô antes que uma pessoa invada o espaço de trabalho colaborativo para interagir com o robô e realizar uma determinada tarefa, pois não pode haver contato entre a pessoa e o robô em movimento.

Condução manual (Hand Guiding – HG)

Neste modo, o operador conduz o robô manualmente para transmitir-lhe comandos de movimento. O robô deve primeiramente passar por uma parada monitorada de segurança (SMS) antes que o operador adentre o espaço de trabalho colaborativo. O dispositivo de condução do robô deve incorporar um botão de parada de emergência e, dependendo do caso, um dispositivo de habilitação.

Monitoramento de velocidade e distância
(Speed and Separation Monitoring – SSM)

Neste modo, o robô e o operador podem se mover forma concorrente em um espaço de trabalho colaborativo. A redução de risco se dá por meio de dispositivos que monitorem uma distância de segurança mínima para separar o robô e o operador a todo o momento, de modo que o robô jamais se aproxime do operador a uma distância menor do que a mínima. Se o operador se aproximar do robô a uma distância menor do que a mínima, o robô parará e somente concluirá sua tarefa depois que o operador estiver a uma distância segura. Neste modo, quanto menor a velocidade do robô, menor a distância de segurança.

Limitação de potência e força (Power and Force Limiting – PFL)

Neste modo (ver Figura 4), o contato físico entre o robô (incluindo a peça trabalhada) e o operador pode ocorrer, seja de maneira intencional ou não intencional. Este modo de operação requer dispositivos robóticos específicos, que garantam a redução do risco, seja por medidas de segurança inerentes ao projeto, ou por meio de um sistema de comando com nível de integridade de segurança que garanta que os limites de potência e força não ultrapassem os limites estabelecidos no Anexo A da ISO/TS 15066 para contato semiestático e transiente.

Este artigo trata apenas do modo de operação de limitação de potência e força (PFL), pois esta função é a que permite maior colaboração num mesmo espaço de trabalho de forma simultânea. Neste modo de operação, deve-se levar em conta o efeito da força e da pressão, que depende, entre outros, de:

  • Medidas de proteção ativa no sistema robótico, por exemplo: dispositivos táteis de proteção, sensores de torque, sensores de força, limites de velocidade e de alcance;
  • Medidas de proteção passiva, por exemplo: garras resilientes, estofamento, formato do robô, da ferramenta e da peça trabalhada e todos os outros dispositivos utilizados no processo de trabalho.

Requisitos do robô

Os robôs destinados à aplicação em modo de operação de limitação de potência e força devem ser projetados, selecionados ou adaptados com atenção especial às funções de segurança requeridas pela aplicação. A NR-12 exige que toda máquina e/ou equipamento seja equipado com um ou mais dispositivos de parada de emergência, facilmente visíveis, acessíveis e suficientes para a aplicação.

Mas, além da parada de emergência, robôs colaborativos em modo de operação de limitação de potência e força devem dispor das seguintes funções de segurança:

  1. Monitoramento / Limitação de torque ou força: Deve-se levar em conta a geometria das superfícies do robô utilizado no processo de trabalho. O monitoramento da pressão nas superfícies de contato implica no monitoramento da força ou torque.
  2. Monitoramento de velocidade: Necessário para garantir que a parada do robô ocorra dentro do tempo de reação previsto.
  3. Monitoramento de posição: Necessário para que se possa definir e delinear as zonas de trabalho conforme os limites designados a cada parte corpórea, de modo a, por exemplo, impedir o movimento na região do pescoço e cabeça. Dependendo da apreciação de riscos, também pode ser necessário o monitoramento dos eixos individuais, além de monitorar a ferramenta.
  4. Seleção de modo operacional e dispositivo de liberação: De acordo com a ISO 10218-1, robôs industriais tradicionais obrigatoriamente requerem a utilização de uma chave seletora de modo operacional bloqueável e de um dispositivo de liberação de três posições (do tipo “botão do homem morto”). De acordo com a ISO/TS 15066, se a apreciação de riscos indicar que o robô colaborativo funciona dentro de limites seguros, fica dispensado o uso do botão de liberação de três posições.

As funções de segurança de um sistema robótico devem atender ao nível de desempenho PL “d”, Categoria 3, conforme ISO 13849-1. PL “d”, em outras palavras, significa que as funções de segurança devem ser projetadas de modo que sua probabilidade de falha perigosa esteja entre 1 em um milhão e 1 em dez milhões para cada hora de trabalho (10-7 ≤ PFHD < 10-6).

Todas as partes do robô devem possuir cantos arredondados. A utilização de estofamento aumenta as superfícies de contato e, portanto, possui um efeito positivo sob o ponto de vista da segurança. Além do robô, o sistema robótico também inclui as ferramentas do robô, a(s) peça(s) a ser(em) trabalhada(s), equipamentos, tais como transportadores, e dispositivos de proteção associados. Também convém que as cargas sejam as menores possíveis, de modo a minimizar as forças de contato devido à inércia. Peças de trabalho grandes, pontiagudas, afiadas e/ou pesadas não são adequadas. Levando-se em conta o estado da técnica, a inércia de tais peças geralmente excede os limites de força e/ou pressão estabelecidos na ISO/TS 15066.

Além disso, para a operação em modo operacional de limitação de potência e força, é fundamental restringir as rotas dos movimentos do robô por meio de uma função segurança de limitação do alcance do robô, de modo a evitar que o robô atinja partes mais sensíveis e frágeis do corpo humano, tais como a cabeça e o pescoço. Se, ainda assim, houver risco de colisão com estas partes mais sensíveis do corpo, pode-se limitar o movimento do robô por meio de proteções mecânicas transparentes. Nesse caso, é fundamental prover informações adicionais na forma de sinalização de advertência e instruções para uso.

Para determinar as rotas dos movimentos do robô, deve-se levar em conta as situações perigosas típicas resultantes das seguintes tarefas:

  • Intervenção manual na zona da ferramenta;
  • Observação aproximada do processo;
  • Localização e resolução de problemas.

Determinação de dados biomecânicos de força e pressão

Caso um sistema robótico não seja fornecido com dados biomecânicos de força e pressão, por exemplo, por meio de ferramentas de simulação, as forças e pressões das situações de contato selecionadas devem ser medidas e estar dentro dos limites estabelecidos na Tabela A.2 da ISO/TS 15066. As situações de contato se resumem a dois tipos de contato: transiente e semiestático, cada um com seus limites de força e pressão.

Para sistemas robóticos acolchoados ou com peças grandes, é importante observar, sobretudo, se os valores de força medidos encontram-se dentro dos limites estabelecidos, pois, em grandes áreas de contato a pressão medida pode ser pequena ou desprezível mesmo com valores mais elevados de força.

A Figura abaixo ilustra, de forma aproximada, os valores máximos permissíveis de pressão para contato semiestático, abaixo do limiar da dor, de acordo com a parte do corpo. O Quadro 1 descreve as partes do modelo corpóreo utilizado.

Os limites de pressão estabelecidos na Tabela A.2 da ISO/TS 15066 levam em conta a influência da geometria das peças envolvidas no processo de trabalho. Logo, quanto menor a superfície de contato, por exemplo, com partes do dispositivo robótico com muitos cantos e arestas, maior a pressão. De qualquer forma, deve-se sempre considerar tanto os valores de pressão como os de força.

Caso algum dos limites seja ultrapassado durante o ensaio de medição, o sistema robótico não poderá ser validado como seguro. Deve-se então reduzir os limites de segurança de velocidade do robô. Se, ainda assim, os limites continuarem a ser ultrapassados, deve-se então alterar a estrutura construtiva do sistema robótico, adotando-se, por exemplo, maiores superfícies de contato, estofamento, garras com molas, etc.

Clique aqui e conheça  o PROBms, um kit de medição fabricado pela Pilz. O dispositivo de medição deve ser fixado antes do ensaio.

Validação

A validação de sistemas robóticos colaborativos deve seguir os requisitos estabelecidos na Seção 6 da ISO 10218-2. O fabricante ou integrador do sistema robótico deve garantir que o projeto e a construção do sistema robótico, incluindo seus sistemas de segurança, estejam em conformidade com os princípios descritos nas Seções 4 e 5 da ISO 10218-2. A apreciação de riscos deve ser revisada, de modo a verificar se todos os perigos razoavelmente previsíveis foram identificados e se as respectivas medidas de redução dos riscos associados foram corretamente empregadas.

Além dos resultados do ensaio de medição de força e pressão anteriormente mencionados, a validação deve incluir, entre outros:

  • Inspeção visual;
  • Ensaios práticos;
  • Observação durante a operação;
  • Revisão de diagramas (elétricos, pneumáticos, etc.);
  • Revisão da documentação de software;
  • Apreciação de riscos pós-medidas;
  • Revisão das especificações e da informação para uso.

Conclusão

Existem quatro modos de operação colaborativa, embora o único em que homem e robô podem compartilhar o mesmo espaço de trabalho simultaneamente é o modo de limitação de potência e força (PFL), o qual geralmente exige um sistema de comando com funções de segurança específicas e complexas.

Embora seja uma tendência, nem toda aplicação pode funcionar no modo de operação de limitação de potência e força. Os resultados de uma apreciação de riscos em conformidade com a ISO 12100 são fundamentais para que se possa determinar quais são as soluções de segurança mais adequadas à aplicação.

A ISO 10218-2 determina que as funções de segurança de um sistema robótico estejam, no mínimo, em arquitetura de segurança de Categoria 3 e Nível de Desempenho PL “d”, em conformidade com os requisitos da ISO 13849-1. Dessa forma, é importante verificar se o fabricante do sistema robótico cumpre estes e outros requisitos.

Os limites de força e pressão estabelecidos na ISO/TS 15066 servem como referência para o projeto do sistema robótico, o qual somente pode ser validado se for submetido a ensaios que comprovem a conformidade com as normas relevantes, realizados por profissionais competentes.

 

Autor: João Paulo Vaz, CMSE®

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