Sicurezza e robotica collaborativa

Un elemento fondamentale per la progettazione di una cella robotica collaborativa è un’analisi del rischio, cioè approfondire come sia possibile identificare e gestire al meglio i potenziali rischi meccanici al fine di implementare delle misure di prevenzione e protezione adeguate alle condizioni di lavoro.

di Luca Gualtieri*
* esperto in Sicurezza ed Ergonomia nella Robotica Collaborativa Industriale

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– Un robot non può recare danno agli esseri umani, né può permettere che, a causa del suo mancato intervento, gli esseri umani ricevano danno.
– Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, tranne nel caso che tali ordini contrastino con la Prima Legge.
– Un robot deve salvaguardare la propria esistenza, purché ciò non contrasti con la Prima e la Seconda Legge.

Quelle qui sopra riportate sono le famose “Tre Leggi della Robotica”, introdotte dello scrittore e professore universitario Isaac Asimov nel 1942 (dopo averle ideate con lo storico curatore di riviste di fantascienza John W. Campbell nell’Antevigilia di Natale del 1940). Da quel lontano periodo, il mondo è cambiato radicalmente, la tecnologia si è evoluta e la robotica è divenuta una parte integrante della vita di tutti i giorni. Nonostante si tratti di assiomi che derivano da contesti fantascientifici, le Tre Leggi introducono dei principi etici e sociali e possono essere considerate estremamente attuali nel campo della robotica e dell’intelligenza artificiale. Il loro completo soddisfacimento dovrebbe essere considerato come un obiettivo cruciale ed ambizioso del prossimo futuro, soprattutto per quanto riguarda la progettazione di quelle tecnologie per cui è prevista una stretta interazione tra l’uomo e la macchina. Tra queste, una delle tecnologie più promettenti è sicuramente la robotica collaborativa industriale, che  introduce molteplici vantaggi ma al contempo anche diverse sfide da risolvere. La principale riguarda la sicurezza dell’operatore con il quale è previsto che il sistema robotizzato possa interagire. Di fatto, la natura dell’interazione fisica uomo-robot implica un rischio meccanico intrinsecamente presente. È indiscutibile che questa debba essere tale da non ledere in nessun modo l’integrità fisica e psichica della persona, sia all’interno che all’esterno dei contesti manifatturieri. Si tratta di un principio fondamentale alla base di tutto il processo di progettazione del sistema produttivo-collaborativo in cui è prevista la condivisione dei compiti e degli spazi di lavoro. Risulta quindi necessario approfondire come sia possibile identificare e gestire al meglio i potenziali rischi meccanici al fine di implementare delle misure di prevenzione e protezione adeguate alle condizioni di lavoro. È essenziale che questa condizione venga attentamente considerata già nella progettazione preliminare. Questo permetterà di migliorare le condizioni finali di sicurezza del lavoratore, oltre che di semplificare e velocizzare le successive fasi di implementazione del sistema.

Il rischio meccanico nell’interazione uomo-robot

Per comprendere al meglio la tematica della sicurezza nella robotica collaborativa, è innanzitutto necessario introdurre alcune nozioni generiche e di base sul concetto di rischio professionale. In termini concettuali, un rischio è definibile come la combinazione della probabilità di accadimento di un evento pericoloso con la relativa gravità del danno che questo evento possa causare. Tale concetto è strettamente legato a quello di pericolo, che viene invece inteso come un fattore potenzialmente capace di procurare un danno all’incolumità o alla salute del lavoratore. Considerando che è praticamente impossibile azzerare i rischi, l’obiettivo finale è quello di ridurli a un livello considerato accettabile, ovvero tale per cui non sia più una minaccia. Lo strumento impiegato per raggiungere questo fondamentale risultato è il cosiddetto “processo di valutazione e gestione del rischio”. Questo permette a personale esperto di identificare e quantificare l’entità dei rischi a cui un lavoratore è potenzialmente sottoposto, al fine di introdurre iterativamente delle misure adeguate alla sua riduzione, valutandone infine l’efficacia. Tali concetti risultano molto importanti per comprendere al meglio la natura dei rischi meccanici tipici della robotica collaborativa e le relative differenze, in termini di valutazione e gestione, rispetto alla robotica industriale “tradizionale”.

Nella sua definizione più generale, un rischio di tipo meccanico è un rischio fisico legato alla possibilità che un lavoratore possa inavvertitamente entrare in contatto con le parti mobili di una macchina o con i componenti in lavorazione. In genere comporta un danno immediato e violento associato allo scambio di energia, di entità variabile a seconda delle caratteristiche degli elementi della macchina e/o del processo coinvolti e delle parti del corpo colpite. È facilmente intuibile come la prevenzione e la riduzione di questo tipo di rischio sia di primaria importanza nella robotica collaborativa in quanto è previsto che operatore e sistema robotizzato condividano spazi e compiti con una certa frequenza. A titolo esemplificativo, alcune situazioni di rischio possono essere: intrappolamento tra parti del sistema robotizzato e parti presenti nello spazio di lavoro condiviso (es. supporti, attrezzature ecc.); intrappolamento tra le parti del sistema robotizzato stesso (es. cavi, manipolatore, organo terminale ecc.); contatti involontari/non funzionali con le parti in movimento del sistema robotizzato (es. manipolatore, organo terminale, componenti manipolati ecc.); effetti derivanti dalla perdita del pezzo in manipolazione/lavorazione; effetti derivanti dallo specifico processo a carico dell’organo terminale (es. avvitatura, taglio ecc.). Tali eventi si concretizzano principalmente attraverso urti, schiacciamenti, perforazioni, abrasioni di varia entità a carico dei tessuti corporei coinvolti.

Chiaramente, esistono altre tipologie di rischio a cui è necessario prestare attenzione, come ad esempio quello di natura elettrica, chimica, termica ecc. Ciononostante, in linea generale, la loro gestione nel contesto della robotica collaborativa non presenta caratteristiche peculiari che lo differenzino da altre macchine industriali.

La gestione del rischio meccanico

La robotica industriale tradizionale e quella collaborativa differiscono notevolmente a livello di valutazione e gestione del rischio meccanico a causa delle diverse condizioni di interazione con l’elemento umano.

Infatti, nella robotica industriale tradizionale, la gestione del rischio meccanico può essere considerata più omogenea e standardizzata, il che significa meno dipendente dalle specifiche applicazioni. Questo grazie all’assenza di operatori nell’area di lavoro del sistema robotizzato quando questo è operativo. La cella robotizzata è quindi isolata e l’interazione fisica per scopi produttivi non è solitamente considerata. Gli indici di rischio meccanico relativi a potenziali interazioni non funzionali sono elevati e caratterizzati da un alto livello di gravità e da un ridotto livello di frequenza. Nel caso di collisioni, massa e velocità elevate del manipolatore comportano alti livelli di energia cinetica trasferibile tra i corpi impattanti. Inoltre, non sono previsti accorgimenti progettuali del manipolatore tali da permettergli di reagire, in caso di contatti, per limitare i danni. Infine, i processi che avvengono nella cella (es. saldatura, fresatura ecc.) non sono solitamente compatibili, da un punto di vista della sicurezza, con la vicinanza dell’operatore. Di conseguenza, le misure di sicurezza della cella si basano principalmente sulla prevenzione, ovvero agiscono minimizzando la probabilità di accadimento di eventi pericolosi mediante l’uso di protezioni che limitano l’accesso degli operatori agli spazi di lavoro del sistema robotizzato.

D’altro canto, nella robotica collaborativa, la gestione del rischio meccanico è più specifica e dipendente dall’applicazione, il che significa eterogenea, complessa e poco standardizzata. In questo caso, la cella robotizzata non è isolata e la possibilità di contatti non funzionali va necessariamente considerata. Gli indici di rischio meccanico sono variabili, in termini di gravità e probabilità, a seconda dell’applicazione e della forma potenziale di interazione. Questi possono addirittura variare a seconda dei singoli compiti che l’operatore svolge durante il medesimo ciclo di lavoro collaborativo. La massa dei manipolatori è solitamente ridotta mentre le velocità raggiungibili sono comunque tali da rappresentare un pericolo per l’operatore (qualora non correttamente impostate sulla base dell’analisi del rischio). La presenza di sistemi per la rilevazione della forza o coppia, algoritmi di controllo specificatamente progettati per la gestione dei contatti, particolari accorgimenti costruttivi per i giunti, geometrie esterne smussate e la riduzione delle masse permettono al manipolatore di reagire a eventuali contatti e limitarne gli effetti. Questo fa sì che un robot collaborativo venga definito una (quasi) macchina “intrinsecamente sicura”. Ciò nonostante, tali accorgimenti non sono sempre sufficienti e risulta comunque necessario implementare ulteriori misure di sicurezza, stabilite sulla base dell’analisi dei rischi, per garantire la totale salvaguardia dell’operatore. A livello di cella, le misure di sicurezza si basano sulla combinazione di sistemi per la prevenzione e protezione, ovvero orientati alla riduzione dell’entità del contatto e della possibilità che questo avvenga entro determinati limiti di accettabilità. In tal caso, il contatto accidentale è contemplato purché avvenga nel rispetto delle condizioni stabilite in sede progettuale. È quindi evidente come l’analisi del rischio sia un elemento fondamentale per la progettazione di una cella collaborativa.