Safety requirements for collaborative robots : Assessing legal, technical, and human factors in human-robot collaboration

Abstract

The demand for flexible human-robot collaboration in manufacturing is increasing constantly, and collaborative robots offer a viable one solution for this. With various methods and features, these robots can work safely in shared workspace with human, even without physical safeguards. This capability enhances automation’s productivity by combining the robot’s mass production and precision with the flexibility of humans. However, deploying robotic cells without safeguards is not risk free and necessitates strict regulation to ensure safety of human workers. Machinery Directive and ISO safety standards provide guidelines for integrators and manufacturers to ensure the safety of machinery. Despite these measures, robotic systems and their applications may still present legal challenges. Fortunately, constantly updating standards and the introduction of new Machinery Regulation are trying to keep pace with rapidly evolving industry. The availability of these safety mechanisms, coupled with their regular updates, ensures the advancement of human-robot collaboration, enabling more flexible and efficient production processes. This thesis focuses on assessing the safety requirements for collaborative robots and systems. In an attempt to assess this topic, first the difference between conventional industrial robot and collaborative robot is defined. The key functions essential for collaborative robots are discussed, along with some alternative concepts for achieving these functions. The structure of regulation is detailed, explaining the hierarchy and the contribution of various regulatory laws and standards to collaborative robot safety. Risk assessment, a crucial aspect of safety for all machinery, is explored specifically for collaborative systems. This includes presenting different methods aimed at ensuring a successful risk assessment process. The wide range of risk factors in human-robot collaboration are examined. Additionally, a small study was conducted as a part of this thesis to evaluate the effectiveness of collaborative robot’s safety functions. This involved measuring the force excreted to a robot from collision to a rigid body, with both power and force limitation activated and deactivated. The results of this comparison are intended to provide insight into the effectiveness of the safety methods for collaborative robots.

Ihmisen ja robotin välisen yhteistyön kysyntä valmistusteollisuudessa kasvaa jatkuvasti, ja yhteistyörobotit tarjoavat yhden mahdollisen ratkaisun tähän. Erilaisilla menetelmillä ja ominaisuuksilla nämä robotit voivat työskennellä turvallisesti jaetussa työtilassa ihmisen kanssa, jopa ilman fyysisiä turvajärjestelyjä. Tämä kyky parantaa automaation tuottavuutta yhdistämällä robotin massatuotannon ja tarkkuuden ihmisen joustavuuden kanssa. Kuitenkin robottisolujen käyttöönottaminen ilman fyysisiä turvajärjestelyjä ei ole riskitöntä ja vaatii tiukkaa sääntelyä työntekijöiden turvallisuuden takaamiseksi. Konedirektiivi ja ISO-turvastandardit tarjoavat ohjeita integraattoreille ja valmistajille koneiden turvallisuuden varmistamiseksi. Näistä huolimatta, robottijärjestelmiin ja niiden sovelluksiin voi silti liittyä haasteita lakien soveltamisen kanssa. Onneksi jatkuvasti päivittyvät standardit ja uuden koneasetuksen käyttöönotto pyrkivät pysymään nopeasti kehittyvän teollisuuden mukana. Nämä turvallisuusvaatimukset ja niiden säännöllinen päivitys varmistaa ihmisen ja robotin välisen yhteistyön edistymisen, joka edesauttaa joustavampaa ja tehokkaampaa tuotantoa. Tämä tutkielma keskittyy arvioimaan yhteistyörobottien ja -järjestelmien turvallisuusvaatimuksia. Pyrkimyksenä arvioida tätä aihetta, määritetään ensin perinteisen teollisuusrobotin ja yhteistyörobotin välinen ero. Esitetään yhteistyörobottien kannalta olennaisimmat toimintafunktiot, mukaan lukien muutamia vaihtoehtoisia konsepteja näiden toimintojen saavuttamiseksi. Turvallisuuteen liittyvien lainsäädännön rakenne selitetään yksityiskohtaisesti, tarkentaen eri lakien ja standardien suhteita, ja vaikutusta yhteistyörobottien turvallisuuteen liittyen. Riskinarviointia tarkastellaan erityisesti yhteistyöjärjestelmien näkökulmasta. Tämä sisältää muutamien menetelmien esittelyn, joiden tavoitteena on varmistaa onnistunut riskinarviointiprosessi. Tutkielmassa tarkastellaan ihmisen ja robotin välisen yhteistyön laajaa riskitekijöiden kirjoa. Lisäksi osana tutkielmaa suoritettiin pienimuotoinen tutkimus arvioimaan yhteistyörobotin turvatoimintojen tehokkuutta. Tämä sisälsi robottiin kohdistuvien voimien mittaamisen törmäyksessä “power and force limitation” (PFL) toiminnon ollessa aktivoituna ja deaktivoituna. Tämän tutkimuksen tulokset havainnollistavat yhtä yhteistyörobottien turvamenetelmän tehokkuutta.