Sécurité pour les applications de robots collaboratifs

L'utilisation de robots collaboratifs, ou "Cobots" dans la pratique, est un sujet important dans l'industrie. Cet article traite des applications de robots collaboratifs au regard de la norme ISO 10218 et de la spécification technique ISO/TS 15066. Il explore ce qui constitue une "application de robot collaboratif" et une évaluation du mot "collaboration" est faite en relation avec les robots industriels. Les méthodes décrites dans la norme ISO/TS 15066 sont étudiées à l'aide d'exemples d'utilisation pratique et il est donné un aperçu de ce qu'est une application de robot collaboratif.

Histoire : L'évolution des robots et des cobots

Les robots industriels sont apparus vers le milieu du 20e siècle et ont continué à se développer avec un boom dans les années 1970 après la première conception d'un bras robotique articulé à 6 axes entièrement électrique par Victor Scheinman à l'université de Stanford en 1969¹ . Par la suite, un certain nombre de conglomérats japonais et de nombreuses entreprises américaines et européennes ont commercialisé leurs propres robots et le monde les a adoptés comme un élément essentiel de la fabrication. Il existe un large éventail d'applications pour les robots, telles que la soudure et la peinture, l'emballage, l'étiquetage et la palettisation.

Depuis l'introduction du robot articulé à 6 axes, de nombreux nouveaux types et variantes de robots ont été introduits et chaque fabricant a ses propres noms et descriptions préférés, par exemple : "Scara", "Delta" et "Jet" pour n'en citer que quelques-uns. En 2015, on estime que 1,64 million de robots étaient en service dans le monde². Tous ces robots vendus depuis le boom des années 1970 jusqu'aux années 2010 environ ont toujours été conçus et installés pour fonctionner de manière autonome ou, tout au plus, avec un guidage limité afin qu'ils n'aillent pas s'écraser contre un protecteur ou une autre structure (ou personne).

Puis, en 1996, un article intitulé "Robots for collaboration with human operators"³ par Colgate, Wannasuphoprasit et Peshkin a été présenté dans le cadre du congrès international d'ingénierie mécanique et de l'exposition d'Atlanta. Cet article, qui a été élu meilleur article de conférence, mentionnait le mot "Cobot".

Dans ce document, un cobot est décrit comme un "dispositif robotique qui manipule des objets en collaboration avec un opérateur humain". Dans la foulée, l'intérêt pour cette technologie s'est manifesté au cours de la première décennie du 21^ème siècle, mais tout s'est accéléré lorsque KUKA a lancé le premier Cobot au monde en 2004⁴. Depuis lors, Kuka n'a cessé de perfectionner cette technologie et de nouveaux acteurs sont entrés sur le marché, comme Universal Robots, qui a lancé son "UR5" en 2008, et Rethink Robotics, avec son "Baxter" en 2012.

La description d'un "Cobot" comme un robot qui travaille en "collaboration" avec un opérateur humain a entraîné une grande confusion dans l'industrie. En fait, le terme "Robot collaboratif" est maintenant largement utilisé et il y a beaucoup de débats sur "ce qu'est exactement une application de robotique collaborative".

Collaboration

Selon le dictionnaire Oxford, collaborer, c'est "travailler ensemble sur une activité ou un projet". Voici quelques exemples de collaboration :

• Deux musiciens qui écrivent une chanson ensemble
• Un groupe de collègues créant un document technique
• Une équipe d'ingénieurs qui conçoit et construit une machine.

En quoi cela concerne-t-il les robots ? Tout d'abord, prenons l'exemple de deux personnes qui se relaient pour enfoncer un gros piquet dans le sol. Puisque les deux personnes travaillent conjointement sur cette activité, il est correct d'appeler cela une activité collaborative. Cependant, que se passe-t-il si nous remplaçons l'un des travailleurs par un robot ? Cela nécessiterait certainement une évaluation complète des risques et, étant donné la nature du travail, des mesures de sécurité seraient certainement nécessaires.

Applications classiques des robots

Lorsque les robots ont été introduits dans l'industrie, la sécurité était une préoccupation majeure. Les normes ISO 10218-1 et ISO 10218-2 couvrent les exigences de sécurité pour les robots industriels et leur intégration et sont bien acceptées et utilisées depuis des décennies. La norme ISO 10218-2 comporte une section sur l'exploitation collaborative des robots (clause 5.11) et la décrit comme un mode de fonctionnement particulier entre une personne et un robot partageant un espace de travail commun. Elle contient des informations concernant les exigences générales, les exigences relatives aux espaces de travail et parle des différentes mesures qui peuvent être sélectionnées pour garantir un environnement de travail sûr.

Même si le robot et la personne "partagent" l'espace de travail commun, il n'est pas fait mention du moment où ils le partagent et de ce qu'ils font, ou ce que fait le robot, à ce moment-là. L'idée fausse que l'on se fait souvent d'une application de robot collaboratif est qu'elle se limite aux applications dans lesquelles le robot peut continuer à faire ce qu'il fait normalement (riveter par exemple) et qu'une personne peut interagir complètement avec lui, marcher n'importe où, à n'importe quel moment et que tout reste sûr. Il est vrai qu'il s'agirait d'une application collaborative, mais cela serait également extrêmement difficile à mettre en œuvre sans laisser un risque résiduel considérable.

"Une application collaborative peut être beaucoup de choses différentes. Cela signifie simplement que l'application permet aux robots d'entrer dans le même espace de travail que les personnes."

Cela pourrait être :

• En même temps ou en alternance
• Lorsque le robot est sous tension mais ne se déplace pas.
• Lorsque le robot est en vitesse réduite ou en force réduite
• Lorsque le robot et la personne travaillent sur une pièce ensemble ou séparément.
• etc.

La chose la plus importante à comprendre est que le safety concept évolue entièrement en fonction de l'évaluation des risques pour chaque application collaborative. La norme ISO 10218 fournit une liste de différents dispositifs de sécurité qui peuvent être sélectionnés de manière appropriée pour garantir un environnement de travail sûr, mais elle donne peu d'informations sur la manière de mettre en œuvre ces mesures de sécurité.

En 2016, la spécification technique ISO/TS 15066 a été publiée, qui fournit des orientations supplémentaires pour l'exploitation collaborative des robots lorsqu'un robot et des personnes partagent le même espace. Ce document complète et soutient les normes de sécurité pour les robots industriels ISO 10218-1 et ISO 10218-2 et décrit plus en détail les mesures de prévention (éléments de sécurité), qui peuvent être utilisées pour mettre en œuvre des opérations collaboratives. Une opération de collaboration peut inclure une ou plusieurs de ces méthodes, chacune ayant des exigences très différentes.

Arrêt contrôlé nominal de sécurité

Grâce aux progrès de la surveillance de mouvement sûr Safe Motion, il est possible pour un robot de s'arrêter en toute sécurité en maintenant les énergies, puis de redémarrer automatiquement si une personne s'éloigne. Une évaluation complète des risques doit être effectuée, mais cette méthode permet un arrêt de catégorie 2 selon la norme CEI 60204 (Sécurité des machines - Équipement électrique des machines), à condition que le circuit de commande soit conforme à la norme CEI 61800-5-2, qui couvre les exigences de sécurité fonctionnelle aux entraînements électriques de puissance à vitesse variable. Il existe des exigences pour cette mesure de prévention telles que :

• Le mouvement du robot est interrompu avant qu'un opérateur n'entre dans l'espace de travail collaboratif.
• L'arrêt est surveillé et doit être actif à tout moment
• Le robot doit également disposer d'un arrêt de protection (catégorie 0 ou 1) en cas de violation de l'une des conditions

La norme donne une table de vérité :

Guidage à la main

Cette mesure de prévention est notamment souhaitable dans 2 cas de figure : 

• Lorsque l’opérateur souhaite enseigner au robot des trajectoires spécifiques 
• Lorsque le robot est utilisé en tant qu’assistance électrique pour le maniement de charge par exemple. 

Cette mesure de prévention implique qu'un opérateur déplace le robot selon des trajectoires de mouvement. La norme contient de nombreuses exigences pour cette méthode et prend en compte des éléments tels que la vitesse maximale autorisée, la charge, l'utilisation ou non de la limitation de l'espace et des exigences supplémentaires concernant le type et l'emplacement des boutons d'arrêt d'urgence ou des dispositifs de validation. Un opérateur ne peut pénétrer dans l'espace de travail collaboratif qu'après un arrêt contrôlé nominal de sécurité, sauf si la méthode de "limitation de la puissance et de la force" est utilisée.

Surveillance de la vitesse et de la séparation

Cette mesure de prévention consiste à permettre une productivité maximale et à accélérer et ralentir dynamiquement un robot jusqu'à l'arrêt complet afin d’assurer la distance de sécurité entre le robot et les personnes. La mise en œuvre de cette méthode nécessiterait une technologie de capteurs assez sophistiquée, comme un scrutateur laser de sécurité, une surveillance de vitesse sûre et une programmation complexe. Un exemple de cette application peut être la surveillance des séquences.

Dans cet exemple, le robot ralentit lorsqu'une personne s'approche du robot jusqu'à un arrêt contrôlé nominal de sécurité, puis reprend lentement sa vitesse normale lorsque la personne s'éloigne. Comme pour toutes les mesures de prévention, il faut commencer par une évaluation complète des risques pour vérifier que personne ne peut "disparaître" dans la zone de protection, par exemple. Comme pour le guidage manuel, il existe des exigences supplémentaires, par exemple, si la sécurité de l'opérateur dépend de la limitation de l'amplitude du mouvement, il faut utiliser des limitations logicielles sûres et un espace limité ou, si l'on n'utilise pas la limitation de la puissance et de la force, il faut également prévoir une butée de protection, etc. La norme harmonisée ISO 13855 (Positionnement des moyens de protection par rapport à la vitesse d'approche des parties du corps humain) peut aider l'utilisateur à calculer la distance et la vitesse nécessaires.

Limitation de la puissance et de la force

De toutes les mesures, celle-ci est la plus provocante et la plus controversée. Elle décrit la possibilité d'autoriser un contact physique, intentionnel ou non, entre un robot et une personne. Cela nécessite un robot spécifiquement conçu pour ce type d'opération et comprend des exigences telles que :

• La zone de contact doit être exempte de zones ou d'arêtes tranchantes ou pointues, etc. qui pourraient causer des blessures.
• Des capots appropriés doivent être utilisés
• Il faut éviter tout contact avec les parties de la tête d'une personne.

La spécification technique décrit deux types de contact :

1.      Quasi-statique : Lorsque le corps est coincé entre le robot et une surface. Cela des dangers d'écrasement et de serrage, il est donc important de prendre en considération la pression et la force exercées.

2.      Contact transitoire : Il s'agit d'un impact dynamique, c'est-à-dire lorsque le robot heurte une personne. Dans ce cas, il est important d’évaluer l'inertie et la vitesse relative.

Dans le cadre de cette mesure, la réduction des risques est obtenue soit par des moyens intrinsèquement sûrs, soit en maintenant les dangers en dessous des seuils limites qui sont déterminés par l'évaluation des risques. Les mesures peuvent être passives, notamment au niveau de la conception mécanique, ou actives adressées lors de la conception de la commande. Une mesure passive peut consister à ajouter de la mousse et à arrondir les bords, tandis qu'une mesure de conception active peut consister à limiter la force, la vitesse ou le couple de manière logicielle.

La spécification technique fournit des conseils dans l'annexe A, qui n'est qu'informative, . En effet, elle indique même que les valeurs de limitation de la puissance et de la force sont appelées à changer, car le fonctionnement collaboratif est un domaine en développement et la recherche sur ce sujet se poursuit. L'annexe divise le corps en 29 zones corporelles spécifiques.

La première chose à prendre en compte est de savoir où le contact est susceptible de se produire sur le corps de l'opérateur. Les limites adéquates peuvent alors être utilisées pour garantir que l'application reste sûre. Définir des limites est une tâche extrêmement difficile et un certain nombre d'éléments différents doivent être pris en compte lors du calcul de la limite dans différents cas, tels que (EN 12453:2000 qui traite de la sécurité à l'utilisation des portes motorisées) :

La spécification fait référence à un certain nombre de documents qu'elle a utilisés dans l'examen des limites. Elle indique que le contact entre un humain et un robot peut être modélisé et que l'énergie résultant d'un contact totalement inélastique peut être calculée en tenant compte de :

• La vitesse
• La masse effective du robot et de l'homme
• La partie du corps des opérateurs qui subit le contact

La spécification donne ensuite le tableau A.2, qui contient une liste de valeurs maximales pour les contacts quasi-statiques (écrasement, etc.) et transitoires (coups, etc.) entre une personne et un système robotique.

En somme, chaque application de robot collaboratif est différente

Bien qu'il y ait beaucoup de confusion sur ce qu'est une application de robot collaboratif, il serait impossible de l'enfermer dans un mode de fonctionnement strict. Chaque application de robot collaboratif est différente et une évaluation complète des risques suivie d'un concept de sécurité qui utilise peut-être certaines des mesures décrites dans l'ISO/TS 15066 est la seule façon de construire une application collaborative. Il existe de nombreuses façons de décrire les différentes applications collaboratives, mais en pratique, il n'y a pas deux applications identiques. Une application collaborative peut aller d'un robot qui s'arrête sous tension lorsque quelqu'un s'approche à une solution totalement interactive.

Toutefois, il est beaucoup plus important de s'assurer que l'application du robot est sûre que de s'inquiéter de son nom.

Références 

1 "Victor Scheinman", Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Victor_Scheinman, consulté le 9 juin 2021.

2 "Robot industriel", Wikipédia, https://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_robot, consulté le 15 janvier 2019.

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. Actes du congrès et de l'exposition internationaux sur le génie mécanique, Atlanta, GA, DSC-Vol 58, 17-22 novembre, p. 433-439.

4 "Cobot", Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Cobot, consulté le 9 juin 2021.

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