操作ラボ及び部署のためのロボット安全リスク評価

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研究ラボや生産環境で操作者を部署するチームのための機械の安全性の体系的な評価に関する実践的なガイド.

規制枠組み

保護措置を設計する前に,どの基準があなたの装置に適用されるか理解することは,重要な再作業を節約します.関連する基準は,ロボットタイプと使用事例によって異なります.

• ISO 10218-1:2011 工業ロボット (ロボット自身) の安全要件.ロボットメーカーに適用される. 統合事業者として,購入するロボットが本規格に準拠していることを確認する必要があります.
• ISO 10218-2:2011 工業ロボットシステムおよび統合のための安全要件.これは統合者の標準 ◎ 您の設置,保護,プログラミングをカバーします. 合致しないことはラボ部署で最も一般的なギャップです.
• ISO/TS 15066:2016 協力ロボット.固定保護なしで人間と近い場所に動作するロボットに対する要件を規定する.体領域によるパワーとフォース制限 (PFL) 接触力限界を定義する:手背280N制限,上腕110N制限.操作者がロボットに到達できるあらゆる装置にとって不可欠である.
• OSHA 1910.212 合衆国における一般的な機械保護要件.OSHA検査官はISO基準を満たしても,十分に保護されていないロボットについてこの基準を引用します.あなたの保護は両方とも満たしていることを確認してください.

リスク 評価 の ステップ

リスク評価は,精神的なチェックリストではなく,構造化された文書化プロセスである. 成果は,安全監査者がレビューできる書面文書である必要があります.

• ステップ1 すべてのタスクを特定する: ロボットが実行するすべてのタスクをリストする:通常の動作,プログラミング,メンテナンス,掃除,故障からの回復.各タスクは異なる危険性を生み出す.
• ステップ2 任務ごとに危険を特定する: 各任務に対して,すべての危険を特定する:衝突,罠,鋭い端,電気,騒音,熱.
• ステップ3 リスク推定: 各危険因子に対して,3つの要素マトリックスを使用してリスク推定:重度 (軽傷/重傷/死亡) × 暴露頻度 × 危険を回避する確率.ほとんどの組織は15のスケールを因子ごとに用い,リスク優先番号を計算する (RPN = S × F × P).
• ステップ4 リスク削減対策を適用する: RPN > 12 (15スケール) でまたは RPN にかかわらず,重度 = 3 (死亡リスク) で危険を軽減する.
• ステップ5 余剰リスクの評価: 制御が実施された後,余剰リスクを再評価する.余剰リスクを文書化して,組織の基準に従って"受け入れられる"であることを確認する.リスクは決してゼロではない.

危険 の 種類 と 限界

• 衝突危険 (人間近くでのコボット): ISO/TS 15066 の協力操作では,人間とロボットとの分離距離が <0.5 mである場合,ロボットTCP速度を ≤0.25 m/s に制限する.
• /クラッシュ危険 (グリッパー): と電気グリッパーはISO/TS 15066の限界をはるかに超えた力を発揮することができる.人間の手と接触する際にはグリッパの閉塞力を ≤140 N に制限する (ISO/TS 15066 表 A.2,手背).グリッパーコントローラ内の力/電流制限を介して実行する.
• 鋭い端の危険性: R2.5 mm以上の鋭い端を持つロボットツールには,保護が必要または協力作業場から制限されなければならない.
• 電気危険: 機械の電気安全に関するIEC 60204-1に従ってください. ロボットの安全評価のI/O (緊急停止および有効装置) がISO 13849-1のカテゴリー3またはPLd安全機能を使用していることを確認してください.

制御措置 階層

リスク削減は常に階層順に適用されます.より高い順に施された措置は,人間の遵守に依存しないため,より信頼性があります.

• 1. 排除: 危険を完全に排除する.例:グリッパー端を直角に再設計する.
• 2.警備 (エンジニアリング制御): 物理的な障壁,ライトカーテン,安全レーザースキャン.これらは人間の行動に依存せずに被動的に人を保護します.
• 3 警告 (管理制御): 安全標識,床記号,書面手続き,訓練. 高級制御と組み合わせた場合にのみ有効です
• 4. PPE (個人保護機器): 安全メガネ,手袋,鋼の足の靴.最後の手段

保護の選択肢

Device	Example Product	Detection Range	Response Time	Approx. Cost
Safety laser scanner	Sick S300 Mini	Up to 4m radius, 270° field	<80ms	$2,000–$4,000
Light curtain	Keyence GL-R series	0.1–9m height, 0.5–6m width	<10ms	$800–$3,000/pair
Pressure-sensitive mat	Tapeswitch Corp. Series 300	0.5–10 m² coverage	<10ms	$400–$1,500
Safety camera (vision-based)	Pilz SafetyEYE	3D zone monitoring up to 8m	<40ms	$5,000–$12,000

ほとんどの操作ラボでは,床区のマークと組み合わせたSick S300安全レーザースキャンが覆盖,柔軟性,コストのバランスを最適化します.S300は複数の保護フィールドと警告フィールドを同時に定義し,ロボットが停止する前に遅らせる (スピード警告フィールド) を可能にします.

コボット特有の要件

"コラボレーティブ" (Universal Robots URシリーズ,Fanuc CRシリーズ,ABB YuMi) として販売されているロボットは依然としてリスク評価を必要とする.

• パワーと力制限 (PFL): ロボットは,モーター電流を継続的に監視し,接触力がISO/TS 15066の限界を超えると停止します.すべてのコイントで力/トークルモニタリングが必要です.ほとんどのコボットはこのモードをネイティブでサポートします.
• 速度と分離監視 (SSM): 人間の位置を追跡するために安全性評価されたセンサー (レーザースキャンまたはカメラ) を使用します.ロボット速度は,人間の接近により減少します.人間が最小の分離距離をたどれば完全な停止です.
• **手動ガイド:**操作者は,手動ガイド装置 (ツール内の力センサー) でロボットを物理的に導いており,意図しない動きを防ぐために安全性評価された有効装置 (3位置スイッチ) を備える必要があります.

文書化要件

商業的な展開には,

• リスク評価報告書: 上記の5つのステップによる完全な書面リスク評価. 資格のある人が署名し,システム変更の最新情報で保持する必要があります.
• **CE適合宣言:**EUで販売するために必要である.機械指令 2006/42/ECの遵守を証明する.特定の高リスクカテゴリーにおけるロボットについて通知された機関による審査を要求する.
• OSHAのコンプライアンスチェックリスト: 米国における施設では,OSHA 1910.212の警備要件および ANSI/RIA R15.06ロボット安全基準の要件に準拠する書類を記入してください.
• オペレーター訓練記録: すべてのオペレーターが安全訓練を受けたことを証明する文書,日付と署名. OSHAとISO 10218-2の両方で要求される.

実践的な実験室実施

• 緊急停止設置: ロボットが到達できるあらゆる作業所,部屋入口に物理的なe-stopボタンを設置します.
• クリアゾーンマーク: ロボットの床上の最大射程半径を表示するために,高可視性テープ (黄色/黒のパターン) を使用する.コラボスピード境界線 (0,5mから最大射程 TCP) において,次等マークは,操作者が安全な接近ゾーンを理解するのに役立ちます.
• 操作員訓練: すべての操作者は最初のセッション前に安全訓練を完了しなければならない.訓練は:緊急停止場所と使用,移動中に操作地帯に到達することを禁止,ロボットが意外な行動をする場合の対処法を含む.

機能安全:SILおよびパフォーマンスレベル

生産部署において,安全システムは証明された信頼性のレベルに達しなければならない.

• IEC 61508 / SIL (安全性整体レベル): 安全機能のターゲット故障確率を定義する.SIL 1は1時間に <10^-5の危険な故障を必要とする.SIL 2は <10^6を必要とする.ほとんどのロボット安全機能 (e-stop,速度制限) は生産使用のために SIL 2 を要求する.
• **ISO 13849-1 / PL (性能レベル):**機械用アプリケーションにおけるSILへの単純化代替品.PLd (SIL2に相当する) は,コラボアプリケーションにおけるロボット安全機能の典型的要件です.
• 安全性評価された部品: PLdを達成するために,安全性チェーン内のすべての部品 - センサー (レーザースキャン,ライトカーテン),論理 (安全性PLCまたは安全リレー),およびアクチュエーター (モーターパワーをカットするコンタクトル) - は PLdとして個別評価されなければならない.鎖内のどこでも安全性評価されていない部品を使用すると,全鎖の PL がその部品のレベルに低下する.
• 双チャンネルアーキテクチャ: PLd は少なくともカテゴリー3のアーキテクチャ (クロスモニタリングによる独立性のある安全チャンネル2つ) を要求する.これは,同じ危険を検出する二つの分離したセンサー,二つの分離した回路の切断力,およびチャンネル間の不一致を検出する論理を意味する.単チャンネルアーキテクチャは,最大限 PLc を達成することができる.

緊急停止設計

緊急停止 (e-stop) は最終的な安全障壁である.その設計はIEC 60204-1 カテゴリー 0 (即時電源除去) または カテゴリー 1 (制御停止後電源除去) に従う必要があります.

• E-stop ボタン仕様: 黄色い背景の赤い真菌頭ボタン,ロックタイプ (手動リセットするまで押す) インストールの安全性 PLのために評価されています. アレン・ブラッドリー 800FP-MT64 ($25) またはシメンス 3SB3 ($30) は適しています.
• ** 場所の規則:** 作業場での人が立っていた場所から3秒以内に電子ストップが到達できる.典型的な研究室では:操作員駅で1つ,室入/出口で1つ.生産では:ロボット周辺の5メートルごとに1つ.
• ワイリング: E-stop サーキットはハードワイヤ (ソフトウェア制御されていない) 必要があります.E-stop 信号は,ロボットモータードライバーに電源を切断するコンタクトを直接開きます.ソフトウェアのe-stop (ROS2ノードが停止コマンドを送信する) は,追加の便利性ですが,安全基準を満たしていません.
• リセット手順: e-stopの起動後,故意リセットの順序を要求します: (1) e-stopボタンを解放し, (2) 危険がクリアであることを確認し, (3) 再びモーター電源を有効にするために別々のリセットボタンを押す.リセットボタンは e-stopに組み立てられてはならない.
• テスト: 各作業シフトの開始時にすべてのe-stopボタンをテストする.テストを文書化する.未検査されたe-stopは未検査された安全仮定である.

操作ラボのリスク評価チェックリスト

Item	Status	Notes
Written risk assessment document completed and signed	Yes / No
E-stop buttons installed at all required locations	Yes / No
E-stop function tested and documented	Yes / No
Floor zone markings installed (reach zone + collaborative zone)	Yes / No
Safety sensor(s) installed and tested (laser scanner / light curtain)	Yes / No
Robot speed limits configured for collaborative operation	Yes / No
グリッパー force limits configured per ISO/TS 15066	Yes / No
All operators trained and training records documented	Yes / No
Emergency procedures posted at all workstations	Yes / No
ペイロード verified within arm's rated capacity	Yes / No

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