Czujniki bezpieczeństwa w robotyce: rodzaje, działanie i dobór

Bezpieczeństwo stanowisk zrobotyzowanych to temat, który w środowisku inżynierów automatyki zyskuje coraz więcej uwagi – i słusznie, bo czujniki bezpieczeństwa w robotyce to fundament każdej poprawnie zaprojektowanej celi. Bez odpowiedniej sensoryki nawet najlepiej zaprogramowany robot stanowi realne zagrożenie dla operatora. Ten artykuł jest dla integratorów, konstruktorów, inżynierów bezpieczeństwa maszyn i wszystkich, którzy wdrażają lub eksploatują stanowiska zrobotyzowane. Znajdziesz tu konkretne informacje o tym, jakie sensory stosować, jak je dobierać do poziomu ryzyka i jak poprawnie integrować z systemem sterowania.

Najważniejsze informacje z tego artykułu:

• Czujniki bezpieczeństwa w robotyce obejmują kurtyny świetlne, skanery laserowe, maty naciskowe, enkodery bezpieczeństwa oraz systemy wizyjne – każdy z tych rodzajów służy realizacji innych funkcji ochronnych.
• Wybór klasy czujnika (Type 2, 3 lub 4 wg IEC 61496) musi wynikać z analizy ryzyka i określonego wymaganego poziomu bezpieczeństwa PLr lub SILr.
• Normy ISO 10218-1/2:2025 i IEC 61496 precyzyjnie określają wymagania dla sensoryki na stanowiskach zrobotyzowanych i aplikacjach z robotami współpracującymi.
• Samo użycie certyfikowanego czujnika nie gwarantuje określonego PL – osiągalny poziom zależy od całego łańcucha: sensor, logika bezpieczeństwa, element wykonawczy.
• Walidacja systemu bezpieczeństwa wymaga pomiarów rzeczywistej drogi zatrzymania robota i porównania jej z wartościami przyjętymi w obliczeniach odległości ochronnej.

Czym są czujniki bezpieczeństwa w robotyce i jaką pełnią rolę?

Czujnik bezpieczeństwa w robotyce to element systemu sterowania odpowiedzialnego za bezpieczeństwo (SRP/CS wg ISO 13849), którego zadaniem jest dostarczenie wiarygodnej informacji o stanie środowiska, obecności człowieka lub parametrach ruchu robota – i wywołanie odpowiedniej reakcji ochronnej, gdy sytuacja tego wymaga. To nie jest zwykły czujnik dołączony do wejścia sterownika PLC. Sensor bezpieczeństwa musi spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące diagnostyki, odporności na awarie i architectury sygnałowej – i musi to być potwierdzone certyfikacją według norm IEC lub ISO.

Rola takich urządzeń jest wielowarstwowa. Na stanowiskach z robotami przemysłowymi sensoryka ochronna odpowiada za detekcję obecności człowieka w strefie zagrożenia, nadzór nad prędkością i pozycją osi, potwierdzenie bezpiecznego zatrzymania przed wejściem operatora oraz dynamiczne dostosowanie parametrów ruchu do aktualnej odległości od człowieka. W aplikacjach z robotami współpracującymi dochodzi do tego monitorowanie siły kontaktu i energia zderzenia.

Badania Kaczmarka i Panasiuka nad stanowiskami zrobotyzowanymi pokazują, że ok. 40–50% zidentyfikowanych zagrożeń wynika z niekontrolowanego ruchu robota lub elementów pomocniczych, a kolejne 20–30% przypadków wiąże się z nieprawidłowym dostępem człowieka do strefy pracy. To właśnie te dwie kategorie ryzyka uzasadniają wdrożenie sensoryki ochronnej – barier świetlnych, skanerów, wyłączników blokujących. Co ważne, autorzy odnotowali, że kompleksowe systemy bezpieczeństwa pozwalają obniżyć poziom ryzyka resztkowego z kategorii wysokiego do akceptowalnego według przyjętej macierzy ryzyka.

Wskazówka: Nie dobieraj czujnika bezpieczeństwa na podstawie katalogu producenta ani podobieństwa do poprzedniego projektu. Zawsze zaczynaj od oceny ryzyka wg ISO 12100 i ISO 10218 – dopiero ona określa wymagany poziom PLr lub SILr, co jest podstawą do wyboru klasy urządzenia.

Jakie rodzaje czujników bezpieczeństwa stosuje się przy robotach?

Sensoryka bezpieczeństwa w środowisku zrobotyzowanym jest zróżnicowana – różne urządzenia realizują różne funkcje i pracują w różnych miejscach stanowiska. Poniżej zestawiam główne grupy.

Optoelektroniczne urządzenia ochronne ESPE

Termin ESPE (Electro-Sensitive Protective Equipment) obejmuje urządzenia optoelektroniczne zdefiniowane w normie IEC 61496. Dzielą się na trzy typy, które różnią się osiągalnym poziomem bezpieczeństwa funkcji:

• Type 2 – dopuszczalny maksymalnie do PLc / SIL1; nie należy go stosować przy robotach przemysłowych tam, gdzie analiza ryzyka wskazuje PLd lub wyżej.
• Type 3 – skanery laserowe (AOPDDR wg IEC 61496-3); wspierają funkcje do PLd / SIL2, typowe narzędzie do monitorowania stref w aplikacjach z nieregularnym dojściem.
• Type 4 – kurtyny świetlne wysokiej integralności (AOPD wg IEC 61496-2); docelowe dla PLe / SIL3 przy właściwej architekturze SRP/CS, standard w stacjach załadunku/rozładunku robotów.

Kurtyny świetlne bezpieczeństwa

Kurtyna świetlna to bariera złożona z wielu par nadajnik–odbiornik podczerwieni, monitorująca pionową lub poziomą płaszczyznę dostępu. Kurtyny Type 4 reagują w czasie poniżej kilku milisekund, co pozwala zmniejszyć wymaganą odległość ochronną od strefy zagrożenia – bo odległość ta (wzór S wg ISO 13855) zależy wprost od czasu reakcji całego łańcucha bezpieczeństwa. Kurtyny stosuje się przy stacjach załadunku i rozładunku, gdzie materiał przepływa przez strefę, a człowiek może wejść jedynie przez ściśle zdefiniowane przejście.

Dwie zaawansowane funkcje, które warto znać przy projektowaniu:

• Blanking – maskowanie wybranych wiązek, umożliwia przepływ detalu przez kurtynę przy zachowaniu ochrony pozostałej części pola.
• Muting – tymczasowe zawieszenie funkcji ochronnej (np. dla transportowanej palety), wymagające weryfikacji kierunku i kolejności zadziałania czujników mutingu.

Więcej o zasadach doboru i montażu znajdziesz w opisie kurtyn świetlnych w celi zrobotyzowanej.

Skanery laserowe bezpieczeństwa

Skaner laserowy obraca wiązką światła podczerwonego i mierzy odległość do obiektów metodą ToF lub fazową, tworząc dwuwymiarową mapę otoczenia w zakresie do 360° (zależnie od modelu). Umożliwia konfigurację niezależnych pól ochronnych i ostrzegawczych oraz ich przełączanie w zależności od stanu maszyny. W aplikacjach SSM (Speed and Separation Monitoring) pole ostrzegawcze wywołuje redukcję prędkości, a wejście w pole ochronne – zatrzymanie robota.

Ograniczenie, o którym warto pamiętać – skanery mają problem z detekcją obiektów o bardzo niskim współczynniku odbicia światła, np. ciemnej odzieży roboczej przy dużym dystansie. Norma IEC 61496-3 definiuje testy z czarnymi obiektami właśnie po to, żeby producent musiał ten parametr zweryfikować i udokumentować. Szczegółowy opis zastosowań znajdziesz w artykule o skanerach bezpieczeństwa do robotów.

Maty naciskowe bezpieczeństwa

Maty bezpieczeństwa to urządzenia wrażliwe na nacisk, montowane na podłożu wokół robota lub przed strefą zagrożenia. Reagują na wejście człowieka przez wykrycie obciążenia, zwykle już przy masie kilkudziesięciu kilogramów. Są szczególnie przydatne tam, gdzie nie można zastosować kurtyny ani skanera – np. przy bardzo nieregularnym kształcie stanowiska lub gdzie optyka byłaby narażona na silne zabrudzenia. Sprawdź, jak wybrać odpowiednie maty bezpieczeństwa przy robotach.

Enkodery bezpieczeństwa i monitory prędkości

Enkoder bezpieczeństwa dostarcza redundantnej informacji o pozycji i prędkości osi. Bez niego nie można wiarygodnie zrealizować funkcji takich jak SLS (Safe Limited Speed), SOS (Safe Operating Stop) czy SSM po stronie napędu. Certyfikowane enkodery safety uzyskują rating ISO 13849 Category 3 PLd lub SIL2 wg IEC 61508.

Bezpieczne monitory prędkości to moduły realizujące niezależny od kontrolera robota nadzór prędkości, kierunku i zatrzymania – z certyfikacją do SIL2/PLd lub SIL3/PLe. W architekturze celi mogą pełnić rolę drugiego, niezależnego kanału nadzoru ruchu, co podnosi poziom redundancji całego systemu. Zagadnienie monitorowania prędkości bezpiecznej opisuję szerzej przy okazji monitorowania prędkości bezpiecznej robota.

Czujniki siły i momentu

W robotach współpracujących pracujących w trybie PFL (Power and Force Limiting) informacja o sile kontaktu pochodzi z czujników momentu w przegubach, z pomiaru prądu silnika przekształconego do momentu lub z zewnętrznych czujników siły/momentu w narzędziu. Krótki czas detekcji kontaktu jest tutaj priorytetem – im dłuższy czas reakcji, tym większa droga hamowania i większy pęd przekazany w zderzeniu.

Jak działają kluczowe funkcje bezpieczeństwa oparte na czujnikach?

Safety-Rated Monitored Stop (SRMS)

SRMS to tryb, w którym napęd nie jest odcinany od zasilania, ale każde przekroczenie tolerancji ruchu powoduje przejście do zatrzymania ochronnego. Jest to odpowiednik Category 2 stop wg IEC 60204-1 i funkcji SOS wg IEC 61800-5-2. W aplikacjach współpracujących SRMS jest podstawowym mechanizmem przy wejściu operatora w przestrzeń roboczą – skaner lub kurtyna wykrywa człowieka i inicjuje stan stopu, a enkoder bezpieczeństwa potwierdza faktyczny brak ruchu zanim pozwoli się operatorowi na dalsze zbliżenie.

Speed and Separation Monitoring (SSM)

SSM to tryb dynamiczny – robot dostosowuje prędkość do odległości od człowieka. Im bliżej operatora, tym wolniej porusza się ramię. Gdy człowiek wejdzie w minimalny dystans ochronny, następuje zatrzymanie.

Minimalny dystans ochronny oblicza się według wzoru z ISO 13855, uwzględniając:

• maksymalną prędkość operatora (przyjmuje się 1,6 m/s).
• rzeczywistą drogę zatrzymania robota przy danej prędkości i obciążeniu.
• czas reakcji całego łańcucha – czujnik, przetwarzanie w sterowniku, napęd.
• niepewność pomiaru pozycji człowieka i robota przez skaner.

Skaner laserowy tworzy w tym trybie dwie koncentryczne strefy – ostrzegawczą (uruchamia SLS) i ochronną (uruchamia zatrzymanie). Strefy te muszą być monitorowane w czasie rzeczywistym, a urządzenie musi posiadać certyfikat Type 3 oraz PLd/SIL2, żeby cała funkcja SSM mogła osiągnąć wymagany poziom PLr/SILr wynikający z oceny ryzyka.

Wskazówka: Przy wdrożeniu SSM nie opieraj się wyłącznie na danych z karty katalogowej skanera. Zmierz rzeczywistą drogę zatrzymania robota dla różnych prędkości i obciążeń – zwłaszcza w warunkach niskiej temperatury lub przy zużytych hamulcach – i porównaj z wartościami użytymi w obliczeniach dystansu ochronnego.

Power and Force Limiting (PFL)

W trybie PFL bezpieczeństwo nie wynika z unikania kontaktu, lecz z ograniczenia siły i energii zderzenia poniżej progów uszkodzenia ciała. ISO/TS 15066 (wchłonięta do ISO 10218-2:2025) podaje biomechaniczne limity sił i nacisków dla poszczególnych części ciała – te wartości są punktem wyjścia do kalibracji robota współpracującego.

Ważne zastrzeżenie dla projektantów: certyfikacja cobota do PFL nie rozwiązuje zagrożeń procesowych. W spawalniczej komórce współpracującej, poza sensoryką PFL, wymagane są skanery area, zasłony UV i systemy odciągu dymów spawalniczych. Bezpieczeństwo mechaniczne ruchu i bezpieczeństwo procesowe to dwa oddzielne obszary wymagań.

Jakie normy regulują czujniki bezpieczeństwa w robotyce?

Przepisów nie brakuje, ale trzy obszary normalizacyjne mają tu największe znaczenie praktyczne.

ISO 10218-1/2:2025 to podstawowa norma dla stanowisk z robotami przemysłowymi. Część pierwsza definiuje wymagania dla samego robota i jego kontrolera (funkcje safety-rated monitored stop, ograniczenia przestrzeni, bezpieczne prędkości w trybach nastawczych). Część druga obejmuje wymagania integracyjne – dobór i rozmieszczenie środków ochronnych, obliczanie odległości bezpieczeństwa, integrację aplikacji współpracujących. Nowa edycja z 2025 roku wchłonęła dotychczasową specyfikację ISO/TS 15066 dotyczącą robotów współpracujących, ujednolicając wymagania w jednym dokumencie.

IEC 61496 to seria norm definiujących wymagania dla elektroczułego wyposażenia ochronnego (ESPE). Cztery główne części obejmują:

• IEC 61496-1 – wymagania ogólne i testowe dla wszystkich typów ESPE.
• IEC 61496-2 – kurtyny świetlne (AOPD).
• IEC 61496-3 – skanery laserowe (AOPDDR).
• IEC 61496-4 – urządzenia oparte na przetwarzaniu obrazu (kamery 3D, ToF).

ISO 13849-1/-2 i IEC 61800-5-2 regulują funkcjonalne bezpieczeństwo układów sterowania i napędów. ISO 13849 definiuje poziomy PL od a do e dla elementów SRP/CS – to ta norma wyznacza architekturę, do której dobiera się czujniki. IEC 61800-5-2 standaryzuje funkcje bezpiecznego napędu: STO (Safe Torque Off), SS1 (Safe Stop 1), SS2, SOS, SLS, SSM i kilka innych – ich poprawna realizacja wymaga enkoderów bezpieczeństwa z odpowiednim ratingiem.

Na temat wymaganych zatrzymań ochronnych i ich klasyfikacji piszę szerzej przy okazji funkcji Safe Stop w robotach przemysłowych.

Jak dobrać czujnik bezpieczeństwa do poziomu ryzyka i typu aplikacji?

Dobór sensoryki to konsekwencja oceny ryzyka, a nie decyzja podejmowana na etapie zakupu urządzeń. Wymagany poziom PLr lub SILr wynika z analizy wg ISO 12100 i ISO 10218, i to on determinuje minimalną klasę czujnika.

*PLe wymaga również odpowiedniej architektury całego SRP/CS – sam czujnik Type 4 nie wystarczy.

Kilka zasad, które warto stosować przy doborze:

• Dla robotów wysokoprędkościowych z dużymi ładunkami wymagane PLr dla funkcji zatrzymania ochronnego to zwykle co najmniej PLd, często PLe – co wyklucza Type 2 i wymusza kurtyny Type 4 lub architektury dwukanałowe ze skanerami Type 3.
• W aplikacjach z cobotami bez ogrodzenia typowy zestaw to skaner Type 3 dla SSM i ewentualnie kurtyna Type 4 przy konkretnych punktach dostępu – przy czym enkoder bezpieczeństwa w napędzie jest niezbędny do wiarygodnej realizacji SLS i SOS.
• W środowiskach z pyłem, dymem spawalniczym lub rozbryzgami cieczy optyka zawodzi – rozważ radary bezpieczeństwa lub skanery z odpornością IP65/IP67 i dopasowanymi soczewkami ochronnymi.
• Pamiętaj, że osiągalny PL zależy od całego łańcucha sensor–logika–napęd, a nie tylko od klasy czujnika.

Warto też pamiętać o fizycznej ochronie strefy pracy. Wygrodzenia bezpieczeństwa dla robotów stanowią pierwszą warstwę ochrony, którą sensoryka uzupełnia, a nie zastępuje.

Jak systemy 3D ToF i radary rozszerzają możliwości sensoryki ochronnej?

Skanery laserowe działają w jednej płaszczyźnie – widzą wszystko na wysokości montażu, ale nie widzą ramienia uniesionego nad głową ani człowieka kucającego. Systemy 3D ToF (Time-of-Flight) tworzą trójwymiarową mapę przestrzeni, co pozwala monitorować bryłę zamiast jednego przekroju. Daje to możliwość klasyfikacji obiektów – odróżnienia człowieka od detalu – oraz lepszego pokrycia obszarów, w których geometria stanowiska utrudnia montaż skanerów 2D.

Są jednak ograniczenia. Mechanizmy samodiagnostyki i odporność na zakłócenia są w systemach obrazowania trudniejsze do zrealizowania niż w prostszych urządzeniach 2D, co przekłada się na trudności w osiągnięciu wysokich poziomów PL/SIL. Norma IEC 61496-4 reguluje te urządzenia, ale kategoria jest stosunkowo nowa i rynek certyfikowanych rozwiązań jest węższy niż dla skanerów czy kurtyn.

Radary bezpieczeństwa to odpowiedź na środowiska, w których optyka zawodzi całkowicie. Mgła, gęsty dym, duże zapylenie lub intensywne rozbryzgi cieczy nie zakłócają sygnału radarowego. Wymagania IEC 61496 dotyczące czasu reakcji, diagnostyki i relacji Typ–PL/SIL obowiązują jednak tak samo jak dla urządzeń optycznych – radar nie jest zwolniony z certyfikacji tylko dlatego, że działa na innych zasadach fizycznych.

Jak integruje się czujniki bezpieczeństwa ze sterownikiem i robotem?

Czujnik bezpieczeństwa podłączony do zwykłego wejścia sterownika nie realizuje żadnej funkcji bezpieczeństwa w rozumieniu norm. ISO 10218-2 i ISO 13849 wymagają integracji sensorów przez dedykowane, certyfikowane kontrolery bezpieczeństwa – safety PLC lub moduły przekaźników bezpieczeństwa – w architekturze kategorii 3 lub 4.

Osiągnięcie PLe/SIL3 dla funkcji takich jak zatrzymanie ochronne czy SSM wymaga spełnienia kilku warunków jednocześnie:

• Dwukanałowych sygnałów z czujników safety – dwa niezależne tory logiczne monitorujące się wzajemnie.
• Cyfrowych linii lub protokołów safety (np. PROFIsafe, FSoE) z mechanizmami wykrywania błędów komunikacji i znacznikami czasu.
• Okresowych testów samokontroli i monitorowania czasu cyklu całego SRP/CS.

Połączenie czujnika z robotem realizuje się zazwyczaj przez wejścia bezpieczeństwa kontrolera robota lub przez zewnętrzny sterownik bezpieczeństwa, który zarządza też innymi elementami celi. O tym, jak dobierać i konfigurować sterownik bezpieczeństwa do robota, piszę osobno. Jeśli projekt nie wymaga pełnego safety PLC, często stosuje się przekaźnik bezpieczeństwa w aplikacji robotycznej – prostszy i tańszy, ale o ograniczonej logice.

Enkodery bezpieczeństwa i napędy mogą dodatkowo podnosić poziom bezpieczeństwa całej funkcji. Nawet jeśli enkoder ma rating PLd/SIL2, cały układ może spełnić PLe/SIL3 dzięki redundancji diagnostyki po stronie napędu – monitorowaniu ramek safety i dodatkowej logice w kontrolerze napędowym.

Walidacja po integracji

Wdrożenie sensoryki kończy się walidacją, a nie uruchomieniem. ISO 10218-2:2025 wymaga:

• Pomiarów rzeczywistej drogi zatrzymania robota i porównania z wartościami użytymi w obliczeniach odległości ochronnej.
• Weryfikacji pokrycia pól czujników z projektem – fizyczne sprawdzenie, czy pole skanera lub kurtyna faktycznie chronią założony obszar.
• Testu wszystkich blokad i torów E-Stop, w tym symulacji uszkodzeń i sprawdzenia reakcji systemu.
• Dokumentacji wyników – wszystkie pomiary muszą być archiwizowane i aktualizowane po każdej modyfikacji stanowiska.

Przyciski awaryjne i ich poprawna integracja z systemem zatrzymania to osobny, ale ściśle powiązany temat – więcej na ten temat w artykule o przyciskach awaryjnych E-Stop w robotyce. Przy stanowiskach z osłonami fizycznymi istotna jest też blokada mechaniczna – prawidłowe działanie zamków bezpieczeństwa do osłon maszyn musi być częścią tej samej weryfikacji.

Wskazówka: Po każdej modyfikacji stanowiska – czy to zmianie programu robota, przestawieniu skanera, wymianie czujnika na inny model – przeprowadź rekwalifikację systemu bezpieczeństwa. Zmiana drogi zatrzymania o kilka centymetrów może sprawić, że obliczona odległość ochronna przestaje być wystarczająca.

Podsumowanie

Czujniki bezpieczeństwa w robotyce to nie pojedyncze urządzenia, lecz spójny system warstw: detekcja obecności człowieka przez ESPE (kurtyny, skanery, maty), nadzór ruchu przez enkodery i funkcje napędowe (SLS, SOS, SSM, STO) oraz integracja z kontrolerem bezpieczeństwa w architekturze zgodnej z ISO 13849. Dobór sensoryki zawsze wynika z oceny ryzyka i wymaganego PLr lub SILr – klasa czujnika to punkt startowy, nie gwarancja określonego poziomu funkcji. Dopiero poprawna integracja, obliczenie odległości ochronnych i walidacja z pomiarami rzeczywistymi tworzą stanowisko, które jest jednocześnie bezpieczne i produktywne.

FAQ

Q: Czy czujnik bezpieczeństwa Type 3 można zastosować w funkcji, dla której analiza ryzyka wymaga PLe?

A: Sam skaner Type 3 ogranicza funkcję do PLd/SIL2. Osiągnięcie PLe wymaga dodatkowego, niezależnego kanału detekcji lub urządzenia Type 4 w odpowiedniej architekturze SRP/CS kategorii 4.

Q: Jak często należy kalibrować lub rekwalifikować skaner laserowy bezpieczeństwa?

A: Producenci zazwyczaj wymagają okresowego testu funkcjonalnego co 6–12 miesięcy i po każdej modyfikacji stanowiska lub oprogramowania skanera. Szczegółowe interwały określa dokumentacja urządzenia i wymagania zakładowe.

Q: Czy robot współpracujący z certyfikatem PFL wymaga dodatkowych czujników bezpieczeństwa?

A: W większości aplikacji tak. Certyfikat PFL dotyczy tylko mechanicznego bezpieczeństwa kontaktu. Zagrożenia procesowe, dostęp nieautoryzowany czy praca przy dużych prędkościach wymagają dodatkowej sensoryki obszarowej – skanerów, kurtyn lub mat.

Q: Czym różni się blanking od mutingu w kurtynie świetlnej?

A: Blanking maskuje wybrane wiązki na stałe lub pływająco, żeby umożliwić przepływ detalu przez pole. Muting całkowicie zawiesza funkcję ochronną kurtyny na określony czas, z weryfikacją kierunku i sekwencji zadziałania dodatkowych czujników mutingu.

Q: Jakie protokoły komunikacyjne są używane w sieciach bezpieczeństwa z czujnikami?

A: Najczęściej stosuje się PROFIsafe (na bazie PROFINET/PROFIBUS), FSoE (EtherCAT Safety), CIP Safety (EtherNet/IP) i Safety over EtherCAT. Każdy z nich zawiera mechanizmy wykrywania błędów transmisji spełniające wymagania IEC 61508.

Weryfikacja i redakcja

Za redakcję i weryfikację artykułu odpowiadają:

Joanna Lewandowska. Specjalistka ds. automatyki i integracji. Absolwentka kierunku Automatyka i Robotyka na Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie.

Piotr Woźniak. Doświadczony redaktor technologiczny. Absolwent kierunku Dziennikarstwo i Komunikacja Społeczna na Uniwersytecie Warszawskim.