Norma ISO/TS 15066 i bezpieczeństwo cobota: Progi biomechaniczne, ocena ryzyka i certyfikacja CE w Polsce

Czym jest specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 i jak uzupełnia ISO 10218?

Normy PN-EN ISO 10218-1 oraz ISO 10218-2 definiują ogólne wymagania bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych i systemów zrobotyzowanych. Jednak to opublikowana przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 (Robots and robotic devices - Collaborative robots) precyzuje matematyczne i biomechaniczne kryteria pozwalające na bezpieczną pracę człowieka i maszyny w jednej przestrzeni roboczej bez fizycznych wygrodzeń.

Podstawowym aksjomatem ISO/TS 15066 jest zasada, że cobot sam w sobie nie jest bezpieczną maszyną – bezpieczna może być jedynie cała aplikacja zrobotyzowana (stacja robocza). Nawet certyfikowany cobot wyposażony w ostry chwytak lub przenoszący rozgrzane ostrza staje się maszyną niebezpieczną, wymagającą wygrodzeń strefowych lub kurtyn optycznych.

Specyfikacja definiuje 4 tryby pracy współpracującej:

• 1. Monitorowane zatrzymanie ze względów bezpieczeństwa (Safety-rated Monitored Stop - SMS): Cobot zatrzymuje ruch natychmiast po wejściu operatora w przestrzeń wspólną i wznawia go po jej opuszczeniu bez odłączania zasilania napędów.
• 2. Prowadzenie ręczne (Hand Guiding - HG): Operator bezpośrednio steruje ruchem ramienia za pomocą dedykowanego uchwytu z przyciskiem zezwalającym (Enabling Device / 3-pozycyjny przełącznik zgody).
• 3. Monitorowanie prędkości i strefy (Speed and Separation Monitoring - SSM): Prędkość robota jest dynamicznie redukowana proporcjonalnie do odległości od człowieka wykrywanego przez skanery laserowe Safety LiDAR.
• 4. Ograniczenie mocy i siły (Power and Force Limiting - PFL): Ramię porusza się w sposób ciągły, a parametry mechaniczne (prędkość, pęd, momenty obrotowe) są ograniczone do poziomów, przy których ewentualny kontakt z człowiekiem nie wywoła obrażeń ciała ani bólu przekraczającego dopuszczalne progi biomechaniczne.

Jakie są dopuszczalne progi siły (N) i nacisku (N/cm2) dla 29 partii ciała?

Załącznik A (Annex A) do ISO/TS 15066 zawiera unikalną tabelę progów bólu (Pain Tolerance Thresholds) dla 29 wyodrębnionych obszarów anatomicznych ludzkiego ciała, opracowaną na podstawie badań Uniwersytetu w Moguncji (Johannes Gutenberg University Mainz).

Norma precyzyjnie rozróżnia dwa typy kontaktu mechanicznego:

Kontakt quasi-statyczny (Clamping / Pinching): Sytuacja, w której ciało operatora zostaje dociśnięte przez ramię lub chwytak do stałego elementu otoczenia (blatu, ramy maszyny, regału). Ponieważ cała energia nacisku skupia się na tkance, limity siły są tu najbardziej restrykcyjne.

Kontakt przejściowy (Transient / Dynamic Impact): Sytuacja zderzenia w wolnej przestrzeni, w której ciało operatora ma możliwość odchylenia się lub cofnięcia. W tym przypadku dopuszczalne limity siły są dwukrotnie wyższe niż w kontakcie quasi-statycznym.

• Dłoń i palce: Maksymalna siła w kontakcie quasi-statycznym wynosi 140 N, a maksymalny nacisk to 190 N/cm2.
• Przedramię: Maksymalna siła 160 N, maksymalny nacisk 180 N/cm2.
• Ramię i bark: Maksymalna siła 210 N, maksymalny nacisk 160 N/cm2.
• Klatka piersiowa i mostek: Maksymalna siła 140 N, maksymalny nacisk 120 N/cm2.
• Okolice głowy, szyi i oczu: Zgodnie z ISO/TS 15066 jakikolwiek kontakt mechaniczny z głową i szyją jest niedopuszczalny (siła 0 N), co oznacza konieczność stosowania mechanicznych lub optycznych stref ochronnych wykluczających ruch cobota na wysokości twarzy operatora.

Jak przebiega walidacja i pomiar sił kolizji biofantomem w praktyce inżynierskiej?

Samo ustawienie w panelu uczącym (PolyScope, iPendant) parametru 'maksymalna siła 100 N' nie stanowi dowodu spełnienia normy w rozumieniu Państwowej Inspekcji Pracy (PIP) ani Urzędu Dozoru Technicznego (UDT). Rzeczywista siła zależy bowiem od masy chwytaka, prędkości liniowej oraz sztywności strefy uderzenia.

Do formalnej walidacji stacji zrobotyzowanej stosuje się specjalistyczne mierniki siły nacisku (np. GTE CoboSafe, Pilz PROInspection) wyposażone w sprężyny o skalibrowanej stałej k oraz zestaw elastomerów biofantomowych o twardości Shore A odpowiadającej właściwościom ludzkiej skóry i tkanki podskórnej.

Pomiary wykonuje się w najgorszych geometrycznie punktach trajektorii (Worst-Case Scenario): przy maksymalnym zasięgu, przy pełnym obciążeniu payload oraz w punktach potencjalnego uwięzienia detalu w gnieździe produkcyjnym.

Kto ponosi odpowiedzialność prawną za nadanie znaku CE na stację z cobotem?

Zgodnie z unijną Dyrektywą Maszynową 2006/42/WE (oraz nowym Rozporządzeniem Maszynowym UE 2023/1230), ramię cobota dostarczane przez producenta (UR, Fanuc, Doosan) jest maszyną nieukończoną (Partly Completed Machinery) i posiada Deklarację Włączenia (Declaration of Incorporation) zgodnie z załącznikiem II B.

Podmiotem odpowiedzialnym za nadanie ostatecznego znaku CE, sporządzenie dokumentacji technicznej stacji i wystawienie Deklaracji Zgodności WE/UE jest Integrator Systemu (firma budująca stanowisko) lub Użytkownik Końcowy, jeśli wykonuje montaż i integrację we własnym zakresie (In-House Engineering).

Pracodawca eksploatujący stację bez kompletnej analizy ryzyka wg PN-EN ISO 12100 i pomiarów ISO/TS 15066 ponosi pełną odpowiedzialność cywilną i karną w przypadku wypadku przy pracy na stanowisku zrobotyzowanym.

Jakie technologie pozwalają zwiększyć prędkość cobota bez naruszenia ISO/TS 15066?

Jednym z głównych zarzutów wobec trybu PFL w normie ISO/TS 15066 jest konieczność drastycznego obniżenia prędkości ramienia (często poniżej 250 mm/s), co wydłuża czas cyklu w zadaniach paletyzacji czy pakowania.

W nowoczesnych wdrożeniach stosuje się systemy hybrydowe: zintegrowane laserowe skanery bezpieczeństwa (Safety LiDAR np. Sick microScan3 lub Keyence SZ-V). Skaner wyznacza strefę wczesnego ostrzegania (Warning Zone) oraz strefę zatrzymania (Safety Zone).

Gdy operator nie znajduje się w strefie gniazda, cobot pracuje w trybie pełnej prędkości przemysłowej (do 1500–2000 mm/s). W momencie zbliżenia się człowieka do stacji skaner automatycznie przełącza profil robota na bezpieczny tryb PFL (ISO/TS 15066), zachowując maksymalną wydajność procesu i 100% bezpieczeństwo personelu.