Limity bezpieczeństwa dla cobotów: siła, prędkość, normy ISO

Coboty zrewolucjonizowały podejście do automatyzacji, ale bezpieczna współpraca człowieka z robotem wymaga czegoś więcej niż dobrego projektu mechanicznego – wymaga precyzyjnego spełnienia konkretnych limitów bezpieczeństwa dla cobotów. Temat dotyczy zarówno inżynierów odpowiedzialnych za wdrożenia, jak i specjalistów ds. BHP oraz integratorów systemów robotycznych. Ten artykuł wyjaśnia, jakie wartości graniczne obowiązują, skąd pochodzą i jak je prawidłowo zastosować w konkretnej aplikacji.

Najważniejsze informacje z tego artykułu:

• Limity bezpieczeństwa dla cobotów definiują normy ISO 10218-1/2 oraz ISO/TS 15066, która zawiera tabelaryczne wartości dopuszczalnych sił i nacisków dla ponad 30 obszarów ciała.
• ISO/TS 15066 rozróżnia dwa typy kontaktu – quasi-statyczny i przejściowy – przy czym limity dla kontaktu przejściowego są dwukrotnie wyższe niż dla quasi-statycznego.
• Tryb Power and Force Limiting (PFL) dopuszcza bezpośredni kontakt z człowiekiem, natomiast tryb Speed and Separation Monitoring (SSM) opiera się na utrzymaniu minimalnej odległości separacji.
• Dopuszczalna prędkość cobota w trybie PFL zależy od masy efektywnej końcówki roboczej oraz od tego, z którą częścią ciała może nastąpić kontakt.
• Wszystkie funkcje bezpieczeństwa cobota muszą spełniać wymagania co najmniej kategorii 3 i poziomu PL d według normy ISO 13849-1.

Jakie są limity bezpieczeństwa dla cobotów?

Limity bezpieczeństwa dla cobotów to nie jedna liczba – to zestaw warunków zależnych od trybu pracy, części ciała, geometrii narzędzia, masy efektywnej i architektury systemu bezpieczeństwa. Podstawowym dokumentem normatywnym jest tu ISO/TS 15066, uzupełniona przez ISO 10218-1/2, które razem tworzą kompletny system wymagań dla robotów współpracujących. W wydaniu ISO 10218-2 z 2025 roku treści z TS 15066 zostały włączone bezpośrednio do załączników normy, co sprawia, że limity biomechaniczne stają się obligatoryjne, a nie tylko zalecane.

Norma ISO/TS 15066 zawiera tabele (Annex A) z dwiema wartościami granicznymi dla każdej z ponad 30 stref ciała człowieka:

• Fmax (N) – dopuszczalna siła kontaktu dla danej części ciała.
• pmax (N/cm²) – dopuszczalny nacisk na powierzchnię styku.

Projektując stanowisko, przyjmuje się bardziej ograniczającą z tych dwóch wartości – w zależności od geometrii narzędzia i rzeczywistej powierzchni kontaktu. Poniższa tabela pokazuje rzędy wielkości dopuszczalnych sił i nacisków dla wybranych obszarów ciała w kontakcie quasi-statycznym:

Wartości te są konserwatywne – opierają się na progu początku bólu, nie na progu urazu tkankowego. Oznacza to, że realny margines bezpieczeństwa względem poważnych obrażeń jest większy, niż sugerują liczby z tabel, choć w przypadku głowy i szyi ta rezerwa jest mniejsza ze względu na specyficzne mechanizmy urazowe nieuwzględnione wprost w TS 15066.

Wskazówka: Przy projektowaniu aplikacji zawsze wyznaczaj limity dla najgorszego scenariusza kontaktu – czyli dla najbardziej wrażliwego obszaru ciała, do którego może dojść kontakt przy danej trajektorii ramienia. Jeśli głowa operatora może znaleźć się w zasięgu robota, limity dla tułowia przestają być referencją.

Czym różnią się tryby PFL i SSM?

Zanim omówimy obliczenia, warto rozróżnić dwa zasadniczo odmienne podejścia do bezpieczeństwa przy współpracy człowieka z robotem – bo każde z nich ma inne limity i inną logikę działania. Szczegółowy opis czterech trybów współpracy znajdziesz w materiałach dotyczących współpracy człowieka z robotem i bezpieczeństwa.

ISO 10218 definiuje cztery tryby współpracy:

• Safety-rated Monitored Stop – robot zatrzymuje się, gdy człowiek wchodzi do strefy roboczej; ruch jest wznawiane dopiero po jej opuszczeniu.
• Hand Guiding (prowadzenie ręczne) – operator prowadzi ramię cobota bezpośrednio; prędkość jest silnie ograniczona, a czujniki siły/momentu reagują na każdy nadmierny opór.
• Speed and Separation Monitoring (SSM) – robot utrzymuje minimalną odległość separacji od człowieka; gdy ta odległość maleje, cobot automatycznie hamuje.
• Power and Force Limiting (PFL) – robot może pracować w obecności człowieka i dopuszcza łagodny kontakt, o ile siły i naciski mieszczą się w granicach z TS 15066.

Różnica między PFL a SSM jest fundamentalna z punktu widzenia dopuszczalnych parametrów ruchu. W trybie PFL kontakt jest dozwolony – limitem jest F/p z tabel normy, a maksymalna prędkość wynika z masy efektywnej i dopuszczalnej energii zderzenia. W trybie SSM kontakt nie powinien nastąpić – limitem jest minimalna odległość ochronna Sp, a robot może poruszać się szybciej, pod warunkiem utrzymania tej odległości. Obie logiki można ze sobą łączyć: przy większych dystansach SSM z wyższą prędkością, przy zbliżeniu przełączenie w bezpieczny PFL z ograniczonymi siłami.

Jak obliczyć dopuszczalną prędkość cobota w trybie PFL?

ISO/TS 15066 modeluje tkankę ludzką jak sprężynę liniowo-sprężystą. Gdy robot uderza w ciało człowieka, energia kinetyczna końcówki roboczej zamienia się w energię potencjalną zdeformowanej tkanki. Z tego modelu wynika bezpośrednio, jaką prędkość może mieć TCP (punkt kontrolny narzędzia), żeby siła kontaktu nie przekroczyła Fmax z normy.

Wzór na maksymalną prędkość:

½ · meff · v² ≤ Emax(Flimit, k_tkanki) → v ≤ √(2 · Emax / meff)

Gdzie meff to efektywna masa końcówki robota w danej konfiguracji (zależy od pozy ramienia i zamontowanego narzędzia z ładunkiem), a Emax to dopuszczalna energia wynikająca z limitu siły dla danej części ciała i sztywności tkanki. Dla kilku kilogramów masy efektywnej i kontaktu z tułowiem dopuszczalne prędkości wynoszą zazwyczaj 250–500 mm/s. Przy potencjalnym kontakcie z głową lub szyją – 100–250 mm/s. Producenci cobotów podają typowe zakresy ograniczeń prędkości w trybie PFL (250–1000 mm/s), ale integrator ma obowiązek zweryfikować te wartości dla konkretnego narzędzia, ładunku i scenariusza.

Wskazówka: Masa efektywna nie jest stałą wartością – zmienia się wraz z konfiguracją robota i zamontowanym ładunkiem. Przy obliczeniach zawsze używaj najgorszego przypadku, czyli maksymalnej masy efektywnej w danej trajektorii. Pominięcie tego kroku prowadzi do zaniżenia rzeczywistych sił przy zderzeniu.

Ważne jest też rozróżnienie między dwoma typami kontaktu. Kontakt quasi-statyczny zachodzi, gdy kończyna lub inne ciało jest uwięzione między ruchomą częścią robota a stałą przeszkodą – siła działa długotrwale, co jest mechanicznie groźniejsze. Kontakt przejściowy (ang. transient) to swobodne uderzenie bez zakleszczenia, po którym ciało może się odsunąć – czas trwania poniżej ok. 0,5 s. Limity dla kontaktu przejściowego są dokładnie dwukrotnie wyższe niż dla quasi-statycznego. Szczegółowo relację między siłą, naciskiem i bezpieczeństwem w cobotach omawiam w osobnym materiale o sile i nacisku w cobotach.

Jak działa obliczanie odległości ochronnej w trybie SSM?

W trybie SSM robot nigdy nie powinien dotknąć człowieka – zamiast limitów sił obowiązuje minimalna odległość ochronna Sp między człowiekiem a każdą ruchomą częścią systemu. TS 15066 odsyła do ISO 13855 w zakresie metodologii jej wyznaczania.

Ogólna postać równania:

Sp = Sh + Sr + Ss + C + Zd + Zr

Poszczególne składniki mają konkretne znaczenie fizyczne:

• Sh – droga pokonana przez człowieka podczas czasu reakcji całego systemu (detekcja + reakcja sterownika + hamowanie robota).
• Sr – droga przebyta przez robota w tym samym czasie.
• Ss – dystans hamowania robota od momentu zadziałania funkcji bezpieczeństwa do pełnego zatrzymania.
• C – odległość wnikania wg ISO 13855, zależna od rozdzielczości systemu wykrywania i sposobu dostępu (ręka vs. całe ciało).
• Zd, Zr – marginesy błędów detekcji i lokalizacji robota.

Do obliczenia Sh niezbędna jest prędkość zbliżania człowieka vH. ISO 13855 przyjmuje domyślnie 2 m/s dla ruchu ręki i 1,6 m/s dla chodu. Przy wyliczonym dystansie powyżej 500 mm można stosować 1,6 m/s jako prędkość podejścia całym ciałem, jednak przy dynamicznych cobotach zaleca się konserwatywne 2 m/s jako wartość domyślną.

Najczęstszy błąd przy projektowaniu SSM to wyliczenie Sp ze wzoru, ale zaniechanie weryfikacji rzeczywistych czasów hamowania pomiarem. Czasy reakcji deklarowane w katalogach producenta mogą różnić się od tych rzeczywistych po integracji – zużycie hamulców, zmiana obciążenia czy elastyczność mechaniczna mogą wydłużyć Ss o kilkadziesiąt milisekund, co bezpośrednio przekłada się na niewystarczającą odległość ochronną. Normy ISO 10218 wymagają, by te czasy były mierzone i walidowane po integracji, a nie tylko przepisywane z dokumentacji.

Jakie normy określają limity bezpieczeństwa dla cobotów?

Trzy dokumenty tworzą fundament wymagań normowych dla cobotów działających we współpracy z ludźmi:

• ISO 10218-1/2 – ogólne wymagania bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych i współpracujących; część 2 dotyczy integracji systemów.
• ISO/TS 15066 – specyfikacja techniczna uszczegóławiająca zasady współpracy człowiek–robot, zawierająca tabelaryczne limity sił i nacisków dla ponad 30 obszarów ciała; de facto punkt odniesienia dla organów certyfikujących i ubezpieczycieli.
• ISO 13855 – metodologia wyznaczania odległości ochronnych i minimalnych dystansów dla urządzeń ochronnych, przywoływana wprost przez TS 15066 w kontekście SSM.

Dla oceny ryzyka i niezawodności systemu sterowania dochodzą:

• ISO 12100 – ogólne zasady identyfikacji zagrożeń i oceny ryzyka dla maszyn.
• ISO 13849-1 – wymagania dotyczące bezpieczeństwa systemów sterowania (poziomy PL).
• IEC 62061 – alternatywna ścieżka oceny niezawodności funkcji bezpieczeństwa przez poziomy SIL.

Różnicę między cobotami a robotami przemysłowymi pod kątem wymagań bezpieczeństwa warto przeanalizować oddzielnie – w artykule o bezpieczeństwie cobota a robota przemysłowego znajdziesz zestawienie tych wymagań.

Jak narzędzie i ładunek wpływają na limity bezpieczeństwa cobota?

To jeden z najczęściej pomijanych aspektów wdrożeń. Sam fakt, że ramię cobota ma certyfikat CE i deklarację zgodności z trybem PFL, nie oznacza, że cała aplikacja jest bezpieczna. Narzędzie końcowe i ładunek mogą całkowicie zmienić charakter zagrożenia – nawet jeśli siły generowane przez ramię mieszczą się w limitach TS 15066.

Przykłady sytuacji, w których standardowe limity przestają wystarczać:

• Ostre krawędzie lub punktowe końcówki narzędzia – koncentrują siłę na minimalnej powierzchni, co wielokrotnie zwiększa lokalny nacisk; pmax może zostać przekroczony nawet przy sile poniżej Fmax.
• Ciężki lub chwiejny ładunek – zwiększa masę efektywną, co przy tej samej prędkości generuje wyższą energię kinetyczną i wyższe siły przy zderzeniu.
• Wystające elementy przyrządów lub uchwyty – tworzą dodatkowe punkty kolizji o geometrii nieuwzględnionej w analizie ryzyka.
• Obracające się narzędzia – generują siły tnące lub szarpiące, których TS 15066 nie modeluje bezpośrednio.

Z tego powodu nowsza wersja ISO 10218-2 kładzie wyraźny nacisk na weryfikację w najgorszej orientacji narzędzia względem człowieka oraz na funkcje bezpieczeństwa, które redukują prędkość w momencie, gdy niebezpieczna krawędź jest skierowana w stronę operatora. Warto też monitorować orientację narzędzia jako osobny parametr bezpieczeństwa. Zagadnienie to omawia też artykuł o bezpieczeństwie cobotów, gdzie znajdziesz szerszy kontekst doboru środków ochronnych.

Jak przeprowadzić ocenę ryzyka i dobrać limity do konkretnej aplikacji?

Dobór limitów do konkretnej aplikacji cobota to proces złożony, który nie może opierać się wyłącznie na domyślnych ustawieniach producenta. Procedura przebiega następująco:

1. Analiza zagrożeń wg ISO 12100 – zidentyfikuj wszystkie scenariusze kontaktu: gdzie, jak, z jaką częścią ciała i przy jakiej prędkości może dojść do kolizji.
2. Wyznaczenie PLr wg ISO 13849-1 – na podstawie ciężkości urazu (S), częstości ekspozycji (F) i możliwości unikania zagrożenia (P) określ wymagany poziom nienaruszalności bezpieczeństwa; przy możliwości poważnych obrażeń typowy wynik to PLr = d lub e.
3. Identyfikacja trybu współpracy – zdecyduj, czy w danym scenariuszu stosujesz PFL, SSM, czy kombinację obu; wybór ma bezpośredni wpływ na obliczenia limitów.
4. Obliczenie limitów F/p lub Sp – dla PFL wyznacz Fmax i pmax dla każdego potencjalnego obszaru kontaktu, następnie przelicz na vmax w funkcji masy efektywnej; dla SSM oblicz Sp ze wzoru z TS 15066 i ISO 13855.
5. Weryfikacja narzędzia i ładunku – sprawdź, czy geometria końcówki i masa ładunku nie generują lokalnych nacisków przekraczających pmax; jeśli tak, konieczna jest osłona narzędzia, ograniczenie dostępu lub wygrodzenie.
6. Walidacja pomiarowa – zmierz rzeczywiste siły przy zderzeniu (np. manekinem z czujnikiem siły), zmierz dystanse hamowania i czasy reakcji systemu; porównaj z wartościami obliczonymi.
7. Dokumentacja – udokumentuj analizę ryzyka, przyjęte limity, wyniki pomiarów i podjęte środki zaradcze; jest to wymagane zarówno przez dyrektywę maszynową, jak i przez ISO 10218-2.

Temat oceny ryzyka cobota omawiam też szczegółowo w dedykowanym artykule o ocenie ryzyka cobota, gdzie opisuję metodologię krok po kroku z przykładami z wdrożeń.

Wskazówka: Przy wyznaczaniu masy efektywnej cobota sprawdź jej wartość w kilku różnych pozach ramienia na planowanej trajektorii – meff zmienia się nawet kilkukrotnie w zależności od konfiguracji. Oblicz limity dla największej uzyskanej wartości, żeby mieć pewność, że przy żadnej pozie prędkości nie zostaną przekroczone.

Jakie wymagania niezawodnościowe muszą spełniać funkcje bezpieczeństwa cobota?

Limity biomechaniczne to tylko połowa wymagań. Drugą połową jest niezawodność systemu, który te limity egzekwuje. Funkcja bezpieczeństwa, która działa przez 99% czasu, nie spełnia wymagań normatywnych – konieczne jest osiągnięcie wymaganego poziomu PL (Performance Level) według ISO 13849-1 lub SIL według IEC 62061.

Dla aplikacji cobotów z dopuszczalnym kontaktem z człowiekiem typowe wymagania to:

• PL d lub PL e, kategoria 3 lub 4 – wysoka średnia wartość między awariami (MTTFd), wysokie pokrycie diagnostyczne (DCavg ≥ 90–99%).
• SIL 2 jako alternatywna ścieżka wg IEC 62061.
• Redundancja kanałów pomiarowych lub wiarygodna diagnostyka – szczególnie dla czujników momentu/siły w trybie PFL.

Co to oznacza w konkretnym wdrożeniu:

• Monitorowanie siły/momentu musi być realizowane przez certyfikowane tory bezpieczeństwa, a nie przez standardowe kanały sterowania.
• Błąd kalibracji czujnika momentu musi być wykrywalny z prawdopodobieństwem zgodnym z PLr – przypadkowa dryft kalibracji prowadząca do zaniżonego odczytu siły jest realnym scenariuszem awarii.
• Funkcje SSM wymagają certyfikowanych czujników (kamer, skanerów laserowych) o zdefiniowanej niezawodności, a ich czas reakcji musi być uwzględniony w obliczeniu Sp.

Kwestię wygrodzeń i ich relacji do trybów bezpieczeństwa cobota opisuje też artykuł o tym, czy cobot potrzebuje wygrodzenia – bo odpowiedź na to pytanie wynika właśnie z tego, czy spełnione są wszystkie wymienione wyżej warunki.

Jak weryfikować spełnienie limitów bezpieczeństwa cobota?

Obliczenia i dokumentacja nie wystarczą – normy wyraźnie wymagają walidacji funkcjonalnej po integracji stanowiska. Weryfikacja powinna obejmować kilka warstw.

Pomiar sił kontaktu:

• Użyj certyfikowanego zestawu pomiarowego – manekina z siłomierzem lub specjalistycznego urządzenia pomiarowego (np. Pilz PRMS, Tekscan) do pomiaru siły i nacisku.
• Przeprowadź testy dla różnych prędkości, konfiguracji ramienia i orientacji narzędzia.
• Zmierz zarówno kontakt quasi-statyczny (zgniecenie), jak i przejściowy (swobodne uderzenie) – to dwa oddzielne scenariusze z oddzielnymi limitami.
• Wyniki porównaj z wartościami Fmax i pmax z tabel TS 15066 dla odpowiednich stref ciała.

Weryfikacja SSM i czasów hamowania:

• Zmierz rzeczywisty dystans hamowania robota w różnych punktach trajektorii i przy różnych obciążeniach.
• Zmierz sumaryczny czas reakcji systemu od detekcji przez czujnik do pełnego zatrzymania.
• Porównaj zmierzone wartości z tymi przyjętymi w obliczeniu Sp – jeśli są wyższe, Sp należy skorygować.

Dokumentuj każdy pomiar z datą, konfiguracją i wynikiem. Przy zmianie narzędzia, ładunku lub konfiguracji stanowiska weryfikację należy przeprowadzić ponownie – to wymóg normatywny, a zmiana masy efektywnej o kilka kilogramów może przesunąć wyniki poza dopuszczalne limity.

Podsumowanie

Limity bezpieczeństwa dla cobotów wynikają z kilku nakładających się na siebie warstw wymagań – biomechanicznych, normatywnych i niezawodnościowych. ISO/TS 15066 dostarcza tabelarycznych wartości Fmax i pmax dla ponad 30 stref ciała, różnicując limity dla kontaktu quasi-statycznego i przejściowego. Tryb PFL wymaga przeliczenia tych limitów na dopuszczalną prędkość w funkcji masy efektywnej, natomiast tryb SSM opiera się na obliczeniu minimalnej odległości ochronnej Sp. Każda funkcja bezpieczeństwa musi osiągać co najmniej PL d. Samo ramię z certyfikatem CE to dopiero punkt wyjścia – bezpieczeństwo całej aplikacji zależy od narzędzia, ładunku, trajektorii i rzetelnej walidacji pomiarowej.

FAQ

Q: Czy limity bezpieczeństwa z ISO/TS 15066 obowiązują przy każdym typie cobota?

A: Tak, ISO/TS 15066 dotyczy każdego robota działającego w trybie współpracy z człowiekiem, niezależnie od producenta. Certyfikat CE ramienia nie zwalnia integratora z weryfikacji spełnienia limitów dla konkretnej aplikacji.

Q: Czy można stosować wyższe limity sił niż podane w TS 15066, jeśli badania pokazują, że tkanki je tolerują?

A: Formalnie nie – organy oceniające i ubezpieczyciele traktują TS 15066 jako punkt odniesienia. Alternatywne limity wymagają oddzielnej analizy ryzyka, uzasadnienia badawczego i akceptacji jednostki notyfikowanej.

Q: Jak często należy powtarzać pomiary walidacyjne sił i dystansów hamowania?

A: Ponowna walidacja jest wymagana po każdej zmianie narzędzia, ładunku, konfiguracji stanowiska lub oprogramowania. Producenci zalecają też okresowe przeglądy, ponieważ zużycie hamulców może wydłużyć czasy hamowania.

Q: Czy tryb hand guiding ma własne limity prędkości wynikające z norm?

A: Tak – podczas prowadzenia ręcznego prędkość TCP jest ograniczana do maksymalnie 250 mm/s wg ISO 10218-2. Czujniki siły/momentu muszą reagować na każdy opór przekraczający komfortowy poziom prowadzenia.

Q: Czy robot z aktywnym trybem SSM musi być wyposażony w certyfikowany skaner bezpieczeństwa?

A: System detekcji człowieka w SSM musi spełniać wymagania co najmniej PL d, kategoria 3. Oznacza to, że zwykłe kamery przemysłowe bez certyfikatu bezpieczeństwa nie wystarczą – konieczne są certyfikowane skanery laserowe lub systemy wizyjne z odpowiednią klasą niezawodności.

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.