Robot collaborativi: sicurezza secondo ISO/TS 15066

Un robot collaborativo (cobot) è un robot industriale progettato per operare nello stesso spazio dell'operatore umano, senza le tradizionali barriere fisiche di protezione. Questa caratteristica lo rende estremamente versatile per le PMI, ma introduce sfide specifiche per la sicurezza.

Il quadro normativo per i robot industriali è definito dalla EN ISO 10218-1 (robot) e EN ISO 10218-2 (sistemi robot e integrazione). La ISO/TS 15066:2016 è la specifica tecnica dedicata ai robot collaborativi, che integra la EN ISO 10218 con requisiti specifici per l'interazione uomo-robot.

È fondamentale comprendere che il termine 'collaborativo' non è una caratteristica intrinseca del robot, ma dell'applicazione. Un robot certificato come collaborativo dal costruttore può essere utilizzato in modo non collaborativo (con recinzioni), e viceversa un robot tradizionale potrebbe, in teoria, essere integrato in un'applicazione collaborativa se vengono soddisfatti tutti i requisiti di sicurezza.

La ISO/TS 15066 definisce quattro modalità operative per le applicazioni collaborative. Ogni applicazione deve utilizzare una o più di queste modalità, scelte in base alla valutazione dei rischi.

Modalità 1 — Arresto monitorato di sicurezza (Safety-rated monitored stop): il robot si ferma quando l'operatore entra nello spazio collaborativo e riprende il movimento quando l'operatore esce. Richiede sensori per il monitoraggio dell'area (scanner laser, tappeti sensibili) e funzioni di arresto di sicurezza certificate. È la modalità più semplice da implementare.

Modalità 2 — Guida manuale (Hand guiding): l'operatore guida fisicamente il robot tramite un dispositivo di abilitazione. Il robot si muove solo quando l'operatore preme il dispositivo e lo guida attivamente. Richiede un dispositivo di abilitazione a tre posizioni, velocità ridotta e un pulsante di arresto di emergenza accessibile. Ideale per operazioni di insegnamento e posizionamento.

Modalità 3 — Monitoraggio della velocità e della distanza (Speed and separation monitoring): il robot riduce progressivamente la velocità man mano che l'operatore si avvicina, fino all'arresto completo quando la distanza minima di sicurezza viene raggiunta. Richiede un sistema di monitoraggio in tempo reale della posizione dell'operatore e algoritmi di calcolo della distanza di arresto. È la modalità più flessibile ma più complessa da implementare e validare.

Modalità 4 — Limitazione di potenza e forza (Power and force limiting): il robot è progettato per limitare le forze e le pressioni di contatto in caso di collisione con l'operatore, al di sotto dei limiti biomeccanici definiti dalla ISO/TS 15066. È la modalità più comune nei cobot commerciali. Non impedisce il contatto, ma garantisce che il contatto non causi lesioni.

La Tabella A.2 della ISO/TS 15066 è il cuore della specifica: definisce i valori massimi di forza e pressione ammissibili per il contatto tra robot e operatore, divisi per zona corporea.

Il corpo umano è suddiviso in 29 zone, raggruppate in: cranio e fronte, viso, collo, schiena e spalle, petto, addome, bacino, braccia e gomiti, avambracci e polsi, mani e dita, cosce e ginocchia, gambe e caviglie.

Per ogni zona sono definiti due tipi di contatto: contatto quasi-statico (il corpo è bloccato tra il robot e una struttura fissa — lo scenario peggiore) e contatto transitorio (il corpo può ritrarsi dopo l'impatto — meno critico). I limiti per il contatto quasi-statico sono più restrittivi.

Ad esempio, per la mano e le dita: forza massima in contatto transitorio = 280 N, pressione massima = 490 N/cm². Per il petto: forza = 140 N, pressione = 170 N/cm². Per il cranio: forza = 130 N, pressione = 110 N/cm².

Questi valori rappresentano le soglie di insorgenza del dolore, non di lesione. Il principio è conservativo: l'operatore deve poter lavorare senza rischio di lesione e senza dolore significativo.

La verifica della conformità ai limiti biomeccanici richiede misurazioni sul campo o calcoli analitici.

Misurazione diretta delle forze: si utilizzano sensori di forza/pressione calibrati (es. sistemi PRMS — Pressure Robot Measurement System) posizionati nelle zone di possibile contatto. Il robot esegue il ciclo di lavoro programmato e i sensori misurano le forze e le pressioni di impatto. I valori misurati devono essere inferiori ai limiti della Tabella A.2 per tutte le zone corporee raggiungibili.

Calcolo analitico: partendo dalla massa effettiva del robot (massa riflessa all'end-effector), dalla velocità di impatto e dalla rigidità del contatto (funzione della geometria dell'utensile e della zona corporea), si calcola la forza di impatto attesa. I costruttori di cobot forniscono spesso software di simulazione per questo calcolo.

Nella pratica, la misurazione diretta è il metodo più affidabile e viene generalmente richiesta per la validazione finale. I calcoli analitici sono utili in fase di progettazione per dimensionare velocità e payloads.

La valutazione dei rischi per un'applicazione collaborativa segue il processo della EN ISO 12100, ma con attenzioni specifiche.

Definire lo spazio collaborativo: identificare con precisione le zone dove operatore e robot possono coesistere. Considerare tutte le fasi: carico/scarico, ciclo automatico, ispezione, pulizia, manutenzione.

Analizzare tutti i contatti possibili: per ogni zona dello spazio collaborativo, identificare le parti del corpo dell'operatore che possono entrare in contatto con il robot, l'utensile o il pezzo. Considerare contatti intenzionali (guida manuale) e non intenzionali (collisioni accidentali).

Valutare gli scenari di guasto: cosa succede se il sistema di limitazione di forza ha un guasto? Se il sensore di area ha un malfunzionamento? La valutazione deve includere i guasti singoli e, per i sistemi più critici, i guasti multipli.

Considerare l'utensile e il pezzo: il cobot di per sé potrebbe rispettare i limiti, ma un utensile con bordi taglienti o un pezzo caldo/pesante può introdurre pericoli aggiuntivi che vanno valutati separatamente.

Rischio residuo e informazioni per l'uso: documentare i rischi residui e fornire istruzioni chiare all'operatore su come interagire con il robot, cosa non fare e come reagire in caso di anomalie.

I robot collaborativi rientrano tra i beni dell'Allegato A della L. 232/2016 e possono beneficiare del credito d'imposta Transizione 5.0, a condizione che soddisfino i requisiti 5+2.

Interconnessione: i cobot moderni sono nativamente connessi alla rete di fabbrica, soddisfacendo il requisito di interconnessione. Tuttavia, questa connettività introduce rischi di cybersecurity che devono essere gestiti (e che dal 2027 saranno un RESS esplicito del Regolamento 2023/1230).

Interfaccia uomo-macchina intuitiva: i cobot eccellono su questo requisito, con interfacce di programmazione intuitive (teach pendant, programmazione per dimostrazione, interfacce grafiche). Questo è uno dei loro punti di forza rispetto ai robot tradizionali.

Standard di sicurezza: come visto, la conformità alla EN ISO 10218, ISO/TS 15066 e alla Direttiva/Regolamento Macchine è imprescindibile. Il quinto requisito obbligatorio dell'Allegato A lo richiede esplicitamente.

Il risparmio energetico richiesto da Transizione 5.0 deve essere documentato nella certificazione ex-ante/ex-post. I cobot, sostituendo processi manuali o robot tradizionali sovradimensionati, possono generare risparmi significativi sia energetici che di efficienza produttiva.

L'integrazione dei cobot presenta insidie specifiche che l'esperienza di campo permette di evidenziare.

Fidarsi del solo 'bollino collaborativo': il fatto che un robot sia certificato collaborativo dal costruttore non significa che qualsiasi applicazione con quel robot sia sicura. L'integratore deve valutare l'applicazione specifica, inclusi utensile, pezzo, layout e ciclo di lavoro.

Velocità eccessive: aumentare la velocità del cobot per migliorare il tempo ciclo è tentante, ma forze e pressioni di impatto crescono con il quadrato della velocità. Un piccolo aumento di velocità può portare al superamento dei limiti biomeccanici.

Trascurare il layout della cella: lo spazio intorno al cobot deve essere progettato per evitare situazioni di intrappolamento (contatto quasi-statico), che hanno limiti più restrittivi del contatto transitorio. Distanze da pareti, strutture fisse e altri macchinari sono cruciali.

Non misurare le forze: affidarsi solo ai calcoli teorici o ai dati del costruttore del cobot senza effettuare misurazioni reali nell'applicazione specifica è una lacuna frequente e pericolosa.

Dimenticare la manutenzione: le prestazioni di sicurezza del cobot (tempi di arresto, limitazione di forza) devono essere verificate periodicamente. Un sistema di manutenzione programmata è essenziale per mantenere la conformità nel tempo.