ERK'2020, Portorož, 168-171 168 Merilni sistem za analizo dinamiˇ cnega trka sodelujoˇ cega robota v skladu z ISO/DIS 21260 Sebastjan ˇ Slajpah, Mario Klenovˇ sek, Marko Munih, Matjaˇ z Mihelj Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Trˇ zaˇ ska cesta 25, 1000 Ljubljana E-poˇ sta: {sebastjan.slajpah, marko.munih, matjaz.mihelj}@fe.uni-lj.si, mk8933@student.uni-lj.si Measurement system for collaborative robot’s collision analysis according to ISO/DIS 21260 In this paper, we present the design of a measurement sys- tem for analysing dynamic contact of the collaborative robot. Proper assessments of impact forces are utmost importance for providing a safe robotic system that can collaborate with the human worker. The measurement system comprises a force/torque sensor and compression spring for mimicking dynamic of human tissue. Weights are added for changing the inertia of the system and thus modelling different parts of the human body. The whole system is placed on a custom-designed gantry that en- ables nearly frictionless motion in the direction of impact to mimic the human reaction to the collision. Experimen- tal tests were performed with the robot Universal Robot UR5e at four TCP velocities and with different sensor’s inertia. Results show that the maximal impact force de- pends on the velocity of the robot and the inertia of the measurement system and less on the configuration of the robot. Analysis of the collisions show that contacts with the robot with TCP velocity below 250 mm/s are classified as G2 – occasional contacts; contacts with the robot with velocity 750 mm/s are classified as G3 – rare contacts; contact with the robot with TCP velocity 1000 mm/s are not permitted. 1 Uvod Sodelujoˇ ci roboti predstavljajo pomemben gradnik avto- matizacije v Industriji 4.0, saj so fleksiblni in enostavni za uporabo obenem pa omogoˇ cajo izvajanje operacij sku- paj z ljudmi v skupnem delovnem prostoru [1]. Sode- lujoˇ ci roboti imajo lahko veˇ c strategij zagotavljanja var- nosti uporabnika. Najpogostejˇ sa je omejevanje moˇ ci in sil, ki poskrbi, da ob neˇ zelenem kontaktu z uporabnikom ne pride do prevelikega prenosa energije ter poslediˇ cno poˇ skodbe uporabnika [2]. Podroˇ cja varnosti sodelujoˇ cih robotov se dotika veˇ c ISO standardov [3, 4, 5]. Med bolj pomembne spada tehniˇ cna specifikacia ISO/TS 15066, kjer so definirane varnostne meje za sile in pritiske na doloˇ cene dele ˇ clo- veˇ skega telesa. Trenutno je v pripravi tudi posodobljena razliˇ cica standarda ISO/DIS 21260 [6], ki podaja meto- dologijo klasifikacije trkov, te razvrsti v skupine in zanje doloˇ ci ustrezne meje. Za zagotavljanje varnosti uporabnika je potrebna de- tajlna obravnava vsake robotske celice. Pri tem je po- membna analiza tveganja, ki identificira posamezne po- tencialne nevarne situacije. Za te je potrebno uvesti doda- tne varnostne ukrepe ter z meritvami preveriti skladnost s standardi. Merilni sistem za ocenjevanje trka je sesta- vljen iz merilne celice ter kombinacije vzmeti in gume, ki modelirata ˇ cloveˇ sko telo [7]. Pri meritvi se senzor togo vpne, sam trk pa se deli na dva dela: dinamiˇ cni del od trka do ˇ casa 0,5 s ter kvazi-statiˇ cen po ˇ casu 0,5 s. Najveˇ cja pomankljivost komercialnih sistemo je, da ne upoˇ stevajo dinamike ˇ cloveˇ skega telesa, kot je na primer nihaj roke ob trku. V tem delu bomo predstavili razviti merilni sistem za merjenje trkov robota v dinamiˇ cnih razmerah ter ga eks- perimentalno preiskusili s sodelujoˇ cim robotom UR5e. 2 Standard ISO/DIS 21260 Standard ISO/DIS 21260 [6] podaja omejitve za fiziˇ cne stike med delom stroja in ˇ clovekom, ki so posledica gi- banja stroja ali njegove zlorabe. Dokument zajema vse vrste strojev, ki so zasnovani tako, da se lahko ˇ clovek na- haja v njihovem delovnem prostoru ali pa lahko pride do fiziˇ cnega stika pri opravljanju nalog. Inherentno varna zasnova po definiciji vsebuje zaˇ sˇ citne ukrepe a) omejevanje pogonske sile, da gnan del ne pov- zroˇ ca nevarnosti in b) omejevanje mase in/ali hitrosti gi- bajoˇ cih se delov in s tem omejevanje njihove kinetiˇ cne energije. Za uporabo tega dokumenta se upoˇ steva postopek za ocenjevanje in zmanjˇ sevanje tveganja predstavljen v ISO 12100 [3]. Upoˇ stevajo se vsi pogoji uporabe in predvi- dljive zlorabe. Priporoˇ ceni koraki za analizo kontaktov so sledeˇ ci. • Identifikacija kontaktov med strojem in ˇ clovekom. • Kontakt v obmoˇ cju 50 mm od oˇ cesa je potrebno prepreˇ citi. Za ostale kontakte je potrebno doloˇ citi klasifikacijsko skupino. • Doloˇ citi je potrebno dovoljene pogoje kontakta. • Primerjava dejanskih in dovoljenih pogojev stika. ˇ Ce dejanski pogoji preseˇ zejo dovoljene, je potrebno spremeniti zasnovo varnostnih ukrepov, dokler niso vrednosti pod dovoljeno mejo. • Ponovitev postopka za vsak prepoznan stik. 169 2.1 Klasifikacija kontaktov in meje V ISO/DIS 21260 so kontakti razdeljeni v ˇ stiri skupine glede na ˇ cas trajanja. Skupina G1 (visokofrekvenˇ cni kon- takti) obsega dinamiˇ cne kontakte enega posameznika, ki se v obdobju osmih ur pojavljajo veˇ c kot enkrat na uro. Skupina G2 (obˇ casni kontakti) obsega dinamiˇ cne kon- takte enega posameznika, ki se v obdobju osmih ur po- javljajo manj kot enkrat na uro, ampak veˇ c kot enkrat na teden. Skupina G3 (redki kontakti) obsega dinamiˇ cne kontakte enega posameznika, ki se pojavljajo manj kot enkrat na teden. V tabeli 1 so podane meje za kontaktne skupine G1, G2 in G3. G1 G2 G3 Najmanjˇ sa povrˇ sina kontakta / cm 2 0,5 0,5 0,5 Najveˇ cji prenos energije / J 1 2 4 Najveˇ cja dinamiˇ cna sila / N 75 150 400 Tabela 1: Limite za kontakte skupine G1, G2 in G3 Skupina G4 opisuje statiˇ cne ali kvazi-statiˇ cne kon- takte in obsega vsak kontakt, kjer je prenos energije manjˇ si od 2 J/s ali pa je sila prisotna za veˇ c kot 500 ms. V tabeli 2 so podane meje za kontakte skupine G4. Najmanjˇ sa povrˇ sina kontakta 0,5 cm 2 Najveˇ cja sila na enoto povrˇ sine 35 N/cm 2 Najveˇ cja stalna kontaktna sila 100 N Tabela 2: Limite za kontakte skupine G4 3 Merilni sistem ISO/DIS 21260 posebej obravnava dinamiˇ cne kontakte. Za merjenje dinamiˇ cnih trkov je potreben merilni sistem, ki je sposoben posnemati dinamiko ˇ cloveˇ skega telesa. Merilni sistem je bil sestavljen iz senzorja sil in na- vorov JR3 45E15A4 ter vzmeti s togostjo 70 N/mm. Z vzmetjo smo posnemali elastiˇ cnost ˇ cloveˇ skega tkiva - upo- rabljena vzmet ustreza parametrom dlani in prstov. Vztraj- nost segmentov smo modelirali s spreminjajoˇ co maso ter tako dobili razliˇ cen dinamiˇ cni odziv sistema. Slika 1: Model sestavljenega merilnega sistema Merilni sistem smo pritrdili na Igus DryLin WW voziˇ cek, ki je bil nameˇ sˇ cen na vodilo Igus DryLin WS. Z drsnimi leˇ zaji smo zagotovili minimalen vpliv trenja. Ta pasivna linearna stopnja je ponazarjala odmik ˇ cloveˇ skega telesa pri trku z robotom. Na sliki 1 je predstavljen celoten se- stav merilnega sistema. Za trk smo uporabili robota UR5e proizvajalca Uni- versal Robots (Danska) z nastavljeno varnostno omejitev sile na 250 N. Robot je bil opremljen s prijemalom Ro- botiq 2F85 (Kanada). Kot kontaktno povrˇ sino smo izbrali vrh prstov prijemala. 3.1 Merilni protokol Meritve smo izvedli pri dveh razliˇ cnih konfiguracijah ro- bota. S tem smo preverili, kako sama postavitev vpliva na pravilno delovanje varnostne funkcije manipulatorja, ter ˇ ce prihaja do razlik pri izmerjeni sili trka med konfigura- cijama. Prva konfiguracija je bila pri iztegnjeni roki ro- bota pri p = [–130,–647,–306]mm, druga pa pri pokrˇ cenem komolˇ cnem sklepu p = [–253,–444,–309] mm (slika 2). Slika 2: Konfiguracija 1 (levo) in konfiguracija 2 (desno) Najprej smo naredili primerjavo med predstavljenim merilnim sistemom in komercialnim merilnim sistemom KMG-500 (GTE, Nemˇ cija). KMG-500 ima merilno obmoˇ cje od 20 N do 500 N z maksimalno napako 3 %. Analizi- rali smo trke pri dveh masah (4 kg in 9 kg) ter pri dveh hitrostih vrha robota (250 mm/s in 300 mm/s) za prvo konfiguracijo. Vsaka meritev je bila ponovljena petkrat. Z gibajoˇ cim merilnim sistemom smo analizirali trke pri obeh konfiguracijah. Pri tem smo spreminjali tako hitrost s korakom 250 mm/s v mejah od 250 mm/s do 1000 mm/s, kot tudi maso s korakom 2,5 kg v mejah od 2 kg do 11,5 kg. Pri vsaki kombinaciji smo zajeli pet meritev trka. Na sliki 3 je predstavljena postavitev me- Slika 3: Postavitev merilnega sistema 170 rilnega sistema z robotom. Dobljene rezultate smo tudi statistiˇ cno primerjali med posameznima konfiguracijama robota z uporabo t-testa. Analizirali smo tudi primer, ko je na merilnemu sis- temu neskonˇ cna vztrajnost (togo vpet merilni sistem). Iz- kazalo se je, da varnostna funkcija robota ne samo ustavi gibanje, temveˇ c tudi odmakne vrh robota od mesta trka, zato statiˇ cnih sil trka nismo mogli primerjati. Merilni sistem smo povezali preko vmesnika Simu- link RealTime, ki deluje v realnem ˇ casu. Zajem in obe- delava podatkov sta potekala preko programskega paketa Matlab R2019b. Vzorˇ cna frekvenca merilnega sistema je bila 1 kHz. 4 Rezultati Rezultati zajemajo primerjavo predstavljenega merilnega sistema s komercialnim merilnim sistemom ter analizo trkov pri gibajoˇ cim senzorjem z razliˇ cnimi masami ter stacionarnim senzorjem. 4.1 Primerjava z referenˇ cnim merilnikom Naredili smo primerjavo meritev trka zajetimi tako s pred- stavljenim kot tudi s komercialnim merilnim sistemom. Komercialni senzor je imel nameˇ sˇ ceno vzmet s togostjo 75 N/mm. Pritrdili smo ga na voziˇ cek, da se je lahko prosto gibal po vodilu. Analizirali smo trk pri hitrostih vrha robota 250 mm/s in 300 mm/s. Ker je bila masa komercialnega senzorja veˇ cja od naˇ sega sistema, smo za primerjavo uporabili samo kombinacije uteˇ zi 4 kg in 9 kg (naˇ s sistem: 4,22 kg in 9,22 kg; komercialni: 4,30 kg in 9,30 kg). V tabeli 3 so prikazane povpreˇ cne sile ¯ F in standardne deviacije SD petih meritev dinamiˇ cnega trka za prvo konfigura- cijo. Podane so tudi p vrednosti statistiˇ cne primerjave dobljenih rezultatov z obema merilnima sistemoma. Masa Sistem 250 mm/s 300 mm/s ¯ F / N SD / N ¯ F / N SD / N 4 kg S1 87,9 1,8 106,2 4,9 S2 89,3 1,5 108,3 0,6 p = 0,24 p = 0,18 9 kg S1 121,4 1,1 143,7 3,1 S2 117,7 1,2 142,0 1,7 p = 0,19 p = 0,93 Tabela 3: Primerjava rezultatov predstavljenega merilnega sis- tema (S1) in komercialnega merilnega sistema (S2) 4.2 Premikajoˇ ci senzor Na sliki 4 so predstavljene srednje vrednosti maksimal- nih izmerjenih sil trka pri obeh konfiguracijah z ustre- znim raztrosom (± ena standardna deviacija). Merive so predstavljene za linearne hitrosti vrha robota 250 mm/s, 500 mm/s, 750 mm/s in 1000 mm/s. Maso senzornega sistema smo poveˇ cevali s korakom 2,5 kg (1,84 kg, 4,22 kg, 6,72 kg, 9,22 kg, 11,72 kg). Meritve, ki se statistiˇ cno si- gnifikantno razlikujejo med prvo in drugo konfiguracijo, so oznaˇ cene sp<. Na grafu so oznaˇ cene tudi mejne vre- dnosti najveˇ cje dinamiˇ cne sile za kontaktne skupine G1, G2 in G3. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2 4 6 8 10 12 INF masa / kg sila / N 500 mm/s 750 mm/s 1000 mm/s G3 250 mm/s G2 G1 p< p< p< p< p< p< p< p< p< p< Slika 4: Srednje vrednosti maksimalne sile pri trku v prvi konfi- guraciji (polna ˇ crta) in drugi konfiguraciji robota (ˇ crtkana ˇ crta) z razstrosom pri razliˇ cnih hitrostih in masah merilnega sistema. S p< so oznaˇ cene meritve, ki se med obema konfiguracijama statistiˇ cno signifikantno razlikujejo (p < 0,05). 4.3 Mirujoˇ ci senzor Mirujoˇ ci senzor predstavlja senzor z neskonˇ cno veliko vztrajnostjo. Na tak naˇ cin se merijo tudi dinamiˇ cne sile pri komercialnih sistemih glede na standard ISO/TS 15066. Senzor smo privili na fiksno mesto na vodilu, konfigura- ciji in hitrosti robota pa so pri tem ostale nespremenjene. Tabela 4 prikazuje izmerjeno dinamiˇ cno silo pri trku s togo vpetim senzorjem (povpreˇ cna sila ¯ F in standardna deviacijaSD petih meritev). Hitrost Konfiguracija 1 Konfiguracija 2 ¯ F / N SD / N ¯ F / N SD / N 250 mm/s 199,6 3,4 241,5 1,1 500 mm/s 377,5 2,0 502,8 6,8 750 mm/s 562,9 3,5 717,9 12,3 1000 mm/s 743,3 0,4 932,2 10,8 Tabela 4: Izmerjene sile pri mirujoˇ cem senzorju Naredili smo statistiˇ cno analizo, ki je pokazala, da 171 so vse meritve pri isti hitrosti in razliˇ cnih konfiguracijah statistiˇ cno signifikantno razliˇ cne (p< 0,002). 5 Diskusija Iz tabele 3 vidimo, da je naˇ s merilni sistem primerljiv s komercialnim. Razlike pri izmerjenih maksimalnih vre- dnostih sile trka so manjˇ se od 5 N oziroma 3 %. Sta- tistiˇ cna analiza je pokazala, da ni statistiˇ cno signifikan- tnih razlik med meritvami s komercialnim in meritvami s predstavljenim merilnim sistemom. Slika 4 prikazuje rezultate trka robota s premikajoˇ cim senzorjem pri spreminjajoˇ ci vztrajnosti merilnega sistema. Iz grafov vidimo, da na maksimalno silo trka vplivata tako hitrost robota kot tudi masa merilnega sistema, ne pa tudi konfiguracija robotskega mehanizma. Za 14 meril- nih toˇ ck od 20 ne moremo trditi, da so statistiˇ cno signifi- kantno razliˇ cne, ˇ ce primernjamo konfiguraciji robota. Za ostalih ˇ sest bi se verjetno rezultat statistiˇ cne analize spre- menil s poveˇ canjem ˇ stevila meritev. Dobljeni rezultati so v nasprotju z delom [7], kjer so imeli senzor togo vpet. Njihov eksperiment je pokazal moˇ cno korelacijo med maksimalno silo trka in oddalje- nostjo vrha robota od baze robota. V skladu z njihovimi rezultati pa so rezultati trka pri merilnem sistemu z ne- skonˇ cno vztrajnostjo, ki so prikazani v tabeli 4. Tu vi- dimo, da je razlika pri isti hitrosti in razliˇ cnih konfigura- cijah lahko tudi 200 N. Zavedati se je potrebno, da mora robotski krmilnik zagotoviti enako hitrost ob trku pri vseh konfiguracijah, ˇ ce ˇ zelimo imeti primerljive rezultate. Za- radi mehanskih in kinematiˇ cnih omejitev se namreˇ c lahko naredi, da robotski krmilnik, v primeru, da je vrh robota v bliˇ zini baze, prilagodi trapezni hitrostni profil gibanja vrha na tak naˇ cin, da se zagotovi linearnost giba. Ob tem seveda hitrost premikanja robota ustrezno pade. Tabela 4 nakazuje, da se glede na standard ISO/DIS 21260 trki v mirujoˇ ce telo z omejenim gibanjem (na pri- mer roka na mizi) s hitrostjo 250 mm/s uvrˇ sˇ cajo v sku- pino G3, kar pomeni, da se lahko ponavljajo manj kot enkrat na teden. Ostale hitrosti prekoraˇ cijo mejo 400 N, tako da ti kontakti niso dovoljeni. Situacijo, ko je telo prosto gibljivo v prostoru (na pri- mer roka v zraku), opisuje slika 4. Trk z robotom pri hi- trosti 250 mm/s spada v skupino G2 – obˇ casni kontakti. Pri tem velja, da je trk v spodnji del roke (masa dlani s podlaktjo odraslega moˇ skega z maso 80 kg znaˇ sa pri- bliˇ zno 1,8 kg, celotna roka pa 4 kg [8]) klasificiran kot G1 – pogosti kontakti. Pogoj pri tem je, da je roka pro- sto gibljiva, kontakt pa pride iz lateralne smeri; s tem se zagotovi vrtiˇ sˇ ce v komolcu. Pri izvajanju naloge, kjer si robot in ˇ clovek delita delovni prostor, bi se, glede na meje podane v standardu [6], lahko v obdobju osmih ur poja- vljali trki v podlakt ali dlan veˇ c kot enkrat na uro (skupina G1), v nadlakt pa manj kot enkrat na uro (skupina G2). Trki s hitrostjo robota do 750 mm/s spadajo v skupino G3. V skupino G3 spadajo tudi trki s hitrostjo 1000 mm/s v telo z maso 4 kg ali manj (na primer, ˇ cloveˇ ska roka). Ostali trki robota s hitrostjo 1000 mm/s niso dovoljeni. 6 Zakljuˇ cek Primerjava razvitega sistema s komercialnim je pokazala, da sta merilna sistema primerljiva. Meritve trka pri gi- bljivem senzorju so pokazale, da je maksimalna sila trka odvisna od hitrosti robota in vztrajnosti senzorja. Sama konfiguracija robota ima manjˇ si vpliv. Pri meritvah s sta- cionarnim senzorjem pa ima ravno konfiguracija robota velik vpliv na maksimalno silo: bliˇ zje kot je vrh robota svoji bazi, veˇ cja je maksmimalna sila trka. Rezultati so pokazali, da trki z robotom s hitrostjo do 250 mm/s spadajo v kategorijo G2. Trke v roko pri tej hi- trosti lahko uvrstimo v kategorijo G1 – visokofrekvenˇ cni kontakti. Kontakti pri hitrosti robota do 750 mm/s spa- dajo v kategorijo redkih kontaktov, medtem ko kontakti pri hitrosti robota 1000 mm/s niso dovoljeni (izjema je trk v roko, ki spada v skupino G3). Merjenje trka z gibljivim senzorjem s spremenljivo vztrajnostjo je pokazalo zanimive ugotovitve. Bolj poglo- bljena ˇ studija lahko sluˇ zi kot osnova za nadgradnjo ob- stojeˇ cega standarda ISO/TS 15066, kjer so podane mejne vrednosti sil za dinamiˇ cne in kvazi-statiˇ cne trke, pri ˇ cemer bi se seveda omejitve ustrezno zmanjˇ sale s tem pa poveˇ cala fleksibilnost in uporabnost sodelujoˇ cih robotov. Zahvala Delo je nastalo v okviru raziskovalnega programa ˇ stevilka P2-0228, ki ga sofinancira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije iz drˇ zavnega proraˇ cuna. Literatura [1] D. Surdilovic, G. Schreck, and U. Schmidt, “Develop- ment of collaborative robots (cobots) for flexible human- integrated assembly automation,” in ISR 2010 (41st Inter- national Symposium on Robotics) and ROBOTIK 2010 (6th German Conference on Robotics), June 2010, pp. 1–8. [2] M. Mihelj, T. Bajd, A. Ude, J. Lenarˇ ciˇ c, A. Stanovnik, M. Munih, J. Rejc, and S. ˇ Slajpah, Robotics. Springer, 2019. [3] ISO, “ISO 12100:2010: Safety of machinery – General principles for design – Risk assessment and risk reduction,” ˇ Zeneva, ˇ Svica, 2010. [4] ——, “ISO 10218-1:2011: Robots and robotic devices – Safety requirements for industrial robots – Part 1: Robots,” ˇ Zeneva, ˇ Svica, 2011. [5] ——, “ISO/TS 15066:2016: Robots and robotic devices – Collaborative robots,” ˇ Zeneva, ˇ Svica, 2016. [6] ——, “ISO/DIS 21260:2018: Safety of machinery – Me- chanical safety data for physical contacts between moving machinery or moving parts of machinery and persons,” ˇ Zeneva, ˇ Svica, 2018. [7] A. Schlotzhauer, L. Kaiser, J. Wachter, M. Brandst¤ otter, and M. Hofbaur, “On the trustability of the safety measures of collaborative robots: 2D Collision-force-map of a sensitive manipulator for safe HRC,” in 2019 IEEE 15th interna- tional conference on automation science and engineering (CASE). IEEE, 2019, pp. 1676–1683. [8] P. De Leva, “Adjustments to Zatsiorsky-Seluyanov’s se- gment inertia parameters,” Journal of biomechanics, vol. 29, no. 9, pp. 1223–1230, 1996.