Birlikte çalışan robot uygulamalarında güvenlik

“Cobot” olarak da adlandırılan birlikte çalışan robotlar, endüstride en çok tartışılan konulardan biridir. Bu makalede, ISO 10218 normu ve ISO/TS 15066 teknik spesifikasyonu ile ilgili olarak birlikte çalışan robotlarla gerçekleştirilen uygulamalar ele alın Birlikte çalışan robotların ne anlama geldiği incelenmekte ve “birliktelik” terimi endüstriyel robotlar açısından daha ayrıntılı olarak araştırılmaktadır. ISO/TS 15066'da açıklanan yöntemlerin pratikte nasıl kullanılabileceği, örnekler aracılığıyla gösterilmektedir.

Tarihçe: Robotların ve Cobot'ların Evrimi

İlk endüstriyel robotlar yaklaşık olarak 20. yüzyılın ortalarından itibaren kullanılmaya başlanmış ve o zamandan beri sürekli olarak geliştirilmeye devam edilmiştir. Victor Scheinman'ın 1969'da Stanford Üniversitesi'nde 6 eksenli ilk tam elektrikli mafsallı robot kolunu geliştirmesinin ardından 1970'lerde gerçek bir patlama yaşandı¹. Daha sonra, bir dizi Japon şirketler grubu ve birçok ABD ve Avrupa şirketi kendi ticari robotlarını piyasaya sürdü ve tüm dünyada bu robotlar önemli bir bileşen olarak üretim sürecine entegre edildi. Robotlar için kaynak yapma ve boyamadan, ambalajlama, etiketleme ve paletlemeye kadar çok geniş bir uygulama yelpazesi mevcuttur.

Altı eksenli mafsallı kollu robotların lansmanından bu yana, başka birçok robot tipi ve çeşidi kullanıma sunuldu ve her üretici robotları için “Scara”, “Delta” ve “Jet” gibi kendi tercih ettiği isimleri ve tanımları kullandı. 2015 yılında dünya genelinde tahminen 1,64 milyon robot çalışıyordu². 1970'lerdeki robot üretiminin patlama yaptığı dönemden 2010'lara kadar satılan bu robotların tümü, her zaman otonom olarak veya bir çiti aşıp gitmemelerini veya başka tasarımlarla (veya insanlarla) çarpışmalarını önlemek üzere en fazla sınırlı şekilde yönlendirilerek çalışacak şekilde tasarlandı ve kuruldu.

1996 yılında Colgate, Wannasuphoprasit ve Peshkin tarafından Atlanta'da Uluslararası Makine Mühendisliği Kongresi ve Sergisi Bildirileri kitabında (Proceedings of the International Mechanical Engineering Congress and Exhibition) “İnsan operatörlerle birlikte çalışmaya yönelik robotlar” (“Robots for collaboration with human operators”) ³ başlıklı bir makale sunuldu. En iyi konferans bildirisi seçilen bu bildiride “Cobot” sözcüğünden ilk kez bahsedildi.

Bu bildiride, bir Cobot, “bir insan operatörle işbirliği içinde nesneleri işleyen robot teknolojileri ürünü bir cihaz” olarak tanımlamaktadır. O tarihten bu yana, 21. yüzyılın ilk on yılı boyunca bu tür uygulamalara muazzam bir ilgi gösterildi. Ancak KUKA'nın dünyanın ilk Cobot'unu piyasaya sürdüğü 2004 yılına kadar ⁴ bu konu gerçekten gündeme gelmedi. Kuka, o zamandan beri bu teknolojiyi geliştirmeye sürekli olarak devam etti ve 2008'de “UR5”in lansmanını yapan Universal Robots veya 2012'de “Baxter”i tanıtan Rethink Robotics gibi yeni oyuncular pazara girdi.

Bir insan operatörle “işbirliği” içinde çalışan bir robot olarak “Cobot” tanımı, endüstride büyük bir kafa karışıklığına neden oldu. Aslında, “birlikte çalışan robot” terimi artık yaygın olarak kullanılıyor ve birlikte çalışan robot uygulamasının tam olarak ne olduğu konusunda çok fazla tartışma var.

Birlikte çalışma

Oxford Sözlüğünde “birlikte çalışma” fiili, “bir faaliyet veya proje üzerinde birlikte çalışmak” olarak tanımlanmaktadır. Buna göre birliktelik, örneğin şu durumlarda söz konusudur:

• İki müzisyen birlikte bir şarkı üretirken.
• İş arkadaşlarından oluşan bir grup, bir doküman hazırlarken.
• Mühendislerden oluşan bir ekip, bir makine geliştirirken ve üretirken.

Peki bunun robotlarla ne ilgisi var? Önce, iki kişinin sırayla büyük bir kazığı yere çaktığı bir örneği ele alalım. Her iki kişi de söz konusu faaliyette birlikte çalıştığı için, bunu birlikte çalışılan bir faaliyet olarak adlandırmak yanlış olmaz. Peki işçilerden birini bir robotla değiştirirsek ne olur? Öncelikle mutlaka eksiksiz bir risk değerlendirmesi yapılmalıdır. Ve işin doğası gereği, büyük olasılıkla güvenlik önlemlerinin alınması gerekir. Bir robotla bile bu faaliyetin birlikte gerçekleştirilen bir faaliyet olarak sınıflandırılması gerekir. Bununla birlikte, endüstride "Birlikte çalışan robot uygulaması tam olarak nedir?" sorusu düşünüldüğünde belirli bir kafa karışıklığı oluşur.

Klasik robot uygulamaları

Robotlar endüstriye ilk girdiğinde, güvenlik konusu büyük bir endişe uyandırıyordu. ISO 10218-1 ve ISO 10218-2 normları, endüstriyel robotlara ve bu robotların entegrasyonuna yönelik güvenlik gereksinimlerini kapsar ve onlarca yıldır hazırlanmakta ve yaygın olarak kullanılmaktadır. ISO 10218-2'de robotların birlikte çalıştırılmasıyla ilgili bir bölüm bulunmaktadır (Alt bölüm 5.11). Bu bölümde, birlikte çalışma, bir insan ve bir robotun bir çalışma alanını paylaştığı özel bir çalışma şekli olarak tanımlanmaktadır. Bu alt bölümde; genel gerekliliklerle, çalışma alanına yönelik gereklilikler hakkında bilgiler mevcuttur ve güvenli bir çalışma ortamı sağlamak için seçilebilecek çeşitli prosedürlerden bahsedilmektedir.

Her ne kadar robotlar ve insanlar çalışma alanlarını “birlikte kullanıyor” olsalar bile, robotların ve insanların çalışma alanlarını ne zaman ve hangi amaçla birlikte kullandıklarından bahsedilmemektedir. Birlikte çalışan robot uygulamalarıyla ilgili yaygın olarak görülen bir yanılgı, robotun normalde yaptığı işi (örneğin perçinleme) istenen hızla yapmaya devam edebileceği ve bir insanın bu robotla sorunsuz bir şekilde etkileşime girebileceği, istediği zaman çalışma alanında serbestçe hareket edebileceği ve her şeyin her zaman güvenli olduğudur. Bu, kesinlikle birlikte gerçekleştirilen bir uygulamadır, ancak önemli bir risk olmadan gerçekleştirilmesi de son derece zordur.

“Birlikte çalışan bir uygulama pek çok şey olabilir. Bu, sadece robotların uygulamada insanlarla aynı çalışma alanını kullanması anlamına gelir.”

Bu durum, aşağıdaki koşullarda gerçekleşebilir:

• Aynı anda veya dönüşümlü olarak
• Robot enerjiyle beslenirken, fakat hareket etmiyorken
• Robot düşük hızda veya güçte çalışırken
• Robot ve insan bir parça üzerinde birlikte veya ayrı olarak çalışırken
• vb.

Güvenlik konseptinin birlikte çalışan uygulamaların her biri için tümüyle risk değerlendirmesini temel aldığının anlaşılması çok önemlidir. EN ISO 10218 normu, güvenli bir çalışma ortamı sağlamak için uygun şekilde uygulanabilecek çeşitli güvenlik özelliklerinden oluşan bir liste içerir, ancak bu güvenlik önlemlerinin nasıl uygulanacağı konusunda sadece sınırlı düzeyde bilgi sunar.

2016 yılında, bir robotun ve insanların aynı çalışma alanını paylaştığı işbirliğine dayalı robot çalışması için ek kılavuz olarak ISO/TS 15066 teknik spesifikasyonu yayınlandı. Bu doküman, endüstriyel robotlara yönelik ISO 10218-1 ve ISO 10218-2 güvenlik normlarını tamamlar ve destekler ve birlikte çalışılan işlemlerin gerçekleştirilebileceği yöntemlerin (güvenlik özellikleri) daha ayrıntılı bir açıklamasını sunar. Birlikte çalışılan bir işlem, bu yöntemlerden bir veya daha fazlasını içerebilir ve bazen her yöntem için çok farklı gereklilikler söz konusu olabilir.

Güvenlik değerlendirmeli, denetlenen durdurma

Safe Motion Control güvenli hareket denetimiyle, bir kişi çalışma alanını terk edince, robotlar gerilim kaynağı kesintiye uğramadan güvenli bir şekilde durabilir ve ardından otomatik olarak tekrar çalışmaya başlayabilir. Burada ayrıca eksiksiz bir risk değerlendirmesi yapmak gerekir. Ancak bu yöntem, tahriklerin kumanda devresi IEC 61800-5-2'ye uygun olduğu sürece IEC 60204'e (Makinelerin Güvenliği - Makinelerin elektrik donanımı - Bölüm) uygun olarak Kategori 2 tipinde bir durdurma işlemine izin verir. İkinci norm, ayarlanabilir hıza sahip elektrikli güç tahrik sistemleri için fonksiyonel güvenliğe yönelik gereklilikleri kapsar. Örneğin, bu yöntem için aşağıdaki gereklilikler söz konusudur:

• Bir operatör, birlikte çalışılan çalışma alanına girmeden önce robot hareketi durdurulur.
• Durdurma işlemi denetlenir ve bu özellik, çalışma alanında bir kişi varken her zaman aktif olmalıdır.
• Robot ayrıca, koşulun (koşulların) ihlali durumunda durdurma kategorisi 1 veya 0 uyarınca herhangi bir zamanda durmak için güvenli bir durdurma fonksiyonuna (kategori 0 veya 1) sahip olmalıdır.

Norm, bir doğruluk tablosu içerir:

Manuel yönlendirme

Bu yöntemin iki avantajı vardır. Öncelikle, bu şekilde hareket yolu öğretilebilir ve ikincisi, robotlar bu yöntemi kuvvet desteği için kullanılabilir. Bu sırada bir operatör robotu elle hareket ettirir. ISO/TS 15066'da bu yöntemle ilgili birçok gereklilik mevcuttur ve izin verilen maksimum hız, yük, bir mekan sınırının kullanılıp kullanılmayacağı ve acil stop butonlarının veya etkinleştirme tertibatlarının türü ve konumuna yönelik ek gereklilikler gibi hususlar dikkate alınmaktadır. Bir operatör, güç ve kuvveti sınırlama yöntemi kullanılmadığı sürece, birlikte çalışılan çalışma bölgesine ancak güvenlik değerlendirmeli, denetlenen bir durdurma işleminden sonra girebilir.

Hız ve mesafe denetimi

Bu yöntemde, maksimum verimlilik sağlamak ve bir robotun, insanlara olan güvenlik mesafesine bağlı olarak dinamik olarak hızlandırılması veya duruncaya kadar yavaşlatılması söz konusudur. Bu da güvenli lazer alan tarayıcılar, robotun güvenli hız/pozisyon denetimi ve karmaşık bir programlama gibi oldukça gelişmiş bir sensör teknolojisinin kullanılmasını gerektirir. Böyle bir uygulamaya örnek olarak ardışıklık kontrolü gösterilebilir.

Bu örnekte, robota bir kişi yaklaştığında robot güvenlik denetimli bir şekilde yavaşlayarak durur ve bu kişi tekrar uzaklaştığında yavaşça normal hızına geri döner. Tüm yöntemlerde olduğu gibi, örneğin hiç kimsenin koruma alanını fark edilmeden “aşamayacağından” emin olmak için öncelikle eksiksiz bir risk değerlendirmesinin yapılması gerekir. Manuel yönlendirmede olduğu gibi, ek gereklilikler söz konusudur, örneğin operatörün güvenliği hareket aralığının sınırlandırılmasına bağlıysa, eksen ve alan sınırlaması için güvenlik değerlendirmeli yazılım tabanlı limit siviçlerinin kullanılması veya güç ve kuvvet sınırlamasının kullanılmaması durumunda, bir güvenli durma fonksiyonunun kullanılması gerekir, vb. ISO 13855 normu (Güvenlik cihazlarının vücut uzuvlarının yaklaşma hızı bakımından düzeni), mesafe ve hızın hesaplanmasında yardımcı olur.

Güç ve kuvvet sınırlaması

Bu, tüm yöntemler arasında en zorlu ve en tartışmalı olanıdır. Bir robotla bir insan arasında kasıtlı ve kasıtsız olarak fiziksel temasa izin verme olasılığını tanımlar. Burada, bu tür bir kullanım şekli için özel olarak tasarlanmış bir robot gerekir ve diğerlerinin yanı sıra aşağıdaki gereklilikler söz konusudur:

• Temas yüzeyinde yaralanmaya neden olabilecek keskin veya sivri alanlar/kenarlar bulunmamalıdır.
• Uygun sarma elemanları/dolgular kullanılmalıdır.
• İnsanların baş bölgesiyle temas önlenmelidir.

Teknik spesifikasyonda iki tür temas tanımlanmaktadır:

1. Yarı statik: Bu temas türünde, insan vücudu robotla bir yüzey arasında sıkışır. Bu sırada vücut ezilebilir ve sıkışabilir. Burada basınç ve kuvvet de önemlidir.
2. Geçici: Burada dinamik bir çarpma durumu söz konusudur, yani bu, robot bir insanla çarpıştığında görülür. Bu durumda eylemsizlik ve bağıl hız önemlidir.

Bu yöntemde, riskin azaltılması doğal olarak güvenli araçlarla ya da eşik değerleri bir risk değerlendirmesi aracılığıyla belirlenen etkin kuvvetlerin ve basınçların sınırlandırılması yoluyla sağlanır. Önlemler pasif olabilir ve mekanik sistemin tasarımını temel alabilir veya aktif olabilir ve kontrolörün (SRP/CS) tasarımını temel alabilir. Pasif bir tasarım önlemi, köpük eklenmesi ve kenarların yuvarlatılması şeklinde olabilirken, aktif bir tasarım önlemi kuvvet, hız veya torkun sınırlandırılması şeklinde olabilir.

ISO/TS 15066, bilgilendirici Ek A'da, birlikte yapılan çalışmanın gelişen bir alan olması ve bu konuyla ilgili araştırmaların devam etmesi nedeniyle güç ve kuvvet sınırlamasına ilişkin değerlerin değişebileceğine dair bir gösterge sunmaktadır. Bu ek bölümünde, insan vücudu 29 özel bölgeye ayrılmaktadır.

Öncelikle robotun, operatörün vücudunun neresine temas edebileceği göz önünde bulundurulmalıdır. Sınır değerler, uygulamanın güvenli durumda kalmasını sağlamak için kullanılabilir. Sınır değerlerin belirlenmesi son derece zordur ve farklı durumlarda sınır değerler hesaplanırken çeşitli etkileyen faktörlerin dikkate alınması gerekir, örneğin (kuvvetle çalışan kapıların kullanımında güvenliği kapsayan EN 12453:2000):

ISO/TS 15066 Teknik Spesifikasyonu'nda, sınır değerler değerlendirilirken kullanılan bir dizi dokümana atıfta bulunulmakta ve bir insanla robot arasındaki temasın modellenebileceği ve hiç elastik olmayan bir temasta oluşan enerjinin aşağıdaki parametreler dikkate alınarak hesaplanabileceği belirtilmektedir:

• Hız
• Robotun ve insanın etkin kütlesi
• Operatörün, muhtemelen bir temas durumuna maruz kalan uzvu.

Bu konuyla ilgili olarak ISO/TS 15066'da, insanlarla robot sistemleri arasındaki yarı statik (ezilme, vb.) ve geçici (çarpma, vb.) temasla ilgili maksimum değerlerin bir listesini içeren A.2 Tablosu mevcuttur.

Özet: Her birlikte çalışan robot uygulaması farklıdır

Birlikte çalışan robot uygulamasının ne olduğu konusunda çok fazla kafa karışıklığı söz konusudur ve dolayısıyla bu terimi dar tanımlarla tek bir çalışma modu şeklinde sınırlamak imkânsızdır. Her birlikte çalışan robot uygulaması farklıdır ve eksiksiz bir risk değerlendirmesinin ardından, muhtemelen ISO/TS 15066'da açıklanan yöntemlerden bazılarının kullanıldığı bir güvenlik konseptinin uygulanması, birlikte çalışan bir uygulama oluşturmanın tek yoludur. Birlikte çalışan farklı uygulamaları tanımlamanın birçok yolu vardır, ancak pratikte hiçbir uygulama aynı değildir. Birlikte çalışan uygulamalar, bir kişi yaklaştığında güç kaynağı kesilmeden güvenli bir şekilde duran bir robottan tümüyle etkileşimli çözümlere kadar farklılık gösterebilir.

Ancak, robot uygulamalarının güvenli olduğundan emin olmak, bu uygulamaların nasıl adlandırılacağı konusunda endişelenmekten çok daha önemlidir.

Kaynak dizini

¹ “Victor Scheinman”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Victor_Scheinman, 09.06.2021'de görüntülendi [İngilizce orijinal kaynak, Almancaya çevrilmiştir]

² “Industrial Robot”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_robot, 15.01.2019'da görüntülendi [İngilizce orijinal kaynak, Almancaya çevrilmiştir]

³ Cobots: Robots for collaboration with human operators, Colgate J.E., Wannasuphoprasit W. & Peshkin M. A., Department of Mechanical Engineering Northwestern university, Evanston, IL 60208-3111. Proceedings of the International Mechanical Engineering Congress and Exhibition, Atlanta, GA, DSC-Vol 58, Nov. 17-22, pp. 433-439 [İngilizce orijinal kaynak, Almancaya çevrilmiştir]

⁴ “Cobot”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Cobot, 09.06.2021'de görüntülendi [İngilizce orijinal kaynak, Almancaya çevrilmiştir]

Diğer katkılar

“İnsan-Robot birlikteliğinin Kutsal Kasesi”

Daha fazlasını okuyun

İnsanla KUKA robotlarının verimli ve güvenli işbirliği

Daha fazlasını okuyun

En yüksek güvenlik için tasarlandı: Kompakt paletleme uygulamaları için güvenli ışık bariyerleri

Daha fazlasını okuyun

Installed Base Manager – Her şey gözünüzün önünde

Daha fazlasını okuyun

3B anlık görüntü kamerasıyla palet girintilerini algılama

Daha fazlasını okuyun

Sensörler, birlikte çalışılan robotların geleceğini yönetiyor

Daha fazlasını okuyun