Safety Auf dem Weg zur sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration

Autor / Redakteur: Jochen Vetter* / Jan Vollmuth

Wenn sich Mensch und Roboter einen Arbeitsraum teilen, dann spielt das Thema Sicherheit eine zentrale Rolle – vor allem, da nun Kollisionen zwischen Mensch und Maschine erlaubt sind. Das bedeutet in der Praxis, dass jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung erfordert.

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Die Effizienz von Roboterapplikationen steigt, je enger Mensch und Maschine zusammenarbeiten können. Gleichzeitig stellt dies auch höhere Anforderungen an die Sicherheit. Dabei erfordert jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung.
Die Effizienz von Roboterapplikationen steigt, je enger Mensch und Maschine zusammenarbeiten können. Gleichzeitig stellt dies auch höhere Anforderungen an die Sicherheit. Dabei erfordert jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung.
(Bild: Pilz GmbH & Co. KG)

Wollen wir wetten: Wenn Sie lesen „Ein Käfig steht neben dem nächsten“, denken Sie an einen Zoo-Besuch? Diese Wette war leicht zu gewinnen, denn dieser Gedanke liegt nahe. Beschrieben wird an dieser Stelle jedoch ein Blick in eine typische Produktionshalle, in der Roboter ihre Arbeit so erledigen, dass kein Mensch zu Schaden kommen kann – nämlich umzäunt.

Stärken von Mensch und Maschine kombinieren

Diese Wette wird in Zukunft nicht mehr so leicht zu gewinnen sein, denn im Zuge der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) verlassen Roboter zunehmend ihren Käfig – zumindest für ausgewählte Applikationen. MRK soll die Stärken bzw. Vorteile der Maschine wie Zuverlässigkeit, Ausdauer und Wiederholgenauigkeit mit den Stärken des Menschen, also Geschicklichkeit, Flexibilität und Entscheidungsvermögen kombinieren. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen „klassischen“, umhausten Roboterapplikationen und Mensch-Roboter-Kollaborationen besteht darin, dass Kollisionen zwischen der „befreiten“ Maschine und dem Menschen erlaubt sind – was aber ausdrücklich keine Verletzungen hervorrufen darf.

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Voraussetzung dafür sind zum einen zuverlässigere Steuerungen kombiniert mit intelligenten, dynamischen Sensoren am Roboter selbst. So fühlt der Roboter sozusagen, wenn es zu einer Kollision kommt. Zum anderen müssen normative Grundlagen verlässliche Sicherheits-Standards setzen.

Normative Lücke geschlossen

In der Praxis erwiesen sich die bestehenden Normen ISO 10218 „Safety of Industrial Robots“ Teil 1: „Robots“ und Teil 2: „Robot systems and integration“ aber als nicht ausreichend, um eine tatsächliche Kollaboration von Mensch und Maschine sicher umzusetzen, bei der sich die jeweiligen Arbeitsräume zeitlich und räumlich überschneiden können. Hier klaffte eine normative Lücke, die im letzten Frühjahr durch die Veröffentlichung der Technischen Spezifikation ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices – Collaborative industrial robots“ geschlossen werden konnte. Mit dieser Technischen Spezifikation können nach entsprechender Validierung sichere Mensch-Roboter-Kollaborationen umgesetzt werden.

In der ISO/TS15066 sind vier Kollaborationsarten als Schutzprinzipien genauer beschrieben:

  • Sicherheitsbewerteter überwachter Stillstand: Der Mensch hat nur Zugang zum stillstehenden Roboter („sicherheitsbewerteter überwachter Halt“). Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Handführung: Der Mensch hat nur Zugang zum stillstehenden Roboter, der Mensch aktiviert die Handführung und führt den Roboter manuell. Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung: Der Mensch hat während des Betriebs Zugang zum Kollaborationsraum, seine Sicherheit wird durch den Abstand zum Roboter gewährleistet. Ein sicherer Sensor überwacht ständig den Abstand zwischen Mensch und Roboter und passt die Geschwindigkeit des Roboters zum jeweiligen Abstand an. Ist der Abstand zu gering, wird ein Sicherheitshalt ausgelöst. Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Leistungs- und Kraftbegrenzung: Hier hat der Mensch ebenfalls Zugang zum Kollaborationsraum, während der Roboter sich bewegt. Ein Kontakt zwischen Mensch und Roboter (beabsichtigt oder nicht) ist unter bestimmten Umständen möglich.

Bei der Umsetzung einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration kann der Systemintegrator eine oder eine Kombination aus diesen Kollaborationsarten für seine Applikation auswählen. In der Praxis zeigt sich, dass durch eine Kombination von Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung und einer Leistungs- und Kraftbegrenzung die Dynamik der MRK-Applikation erhöht werden kann und somit die Wirtschaftlichkeit.

Anwender wird zum Hersteller der Maschine

Normativ gesehen ist der Roboter eine unvollständige Maschine; erst durch das für die jeweilige Applikation notwendige Werkzeug, wie etwa Greifer, erhält das Robotersystem einen bestimmten Zweck und muss als vollständige Maschine betrachtet werden. Der Integrator oder Anwender wird damit zum Hersteller der Maschine und ist für die CE-Kennzeichnung inklusive sicherheitstechnischer Überprüfung verantwortlich. Am Anfang des CE-Prozesses steht die Risikobeurteilung. Zu den Inhalten zählen die Bestimmung der Grenzen der Maschine, die Ermittlung sämtlicher Gefahren innerhalb jeder Lebensphase der Maschine, die eigentliche Risikoeinschätzung und -beurteilung sowie die empfohlene Herangehensweise zur Reduzierung des Risikos. Zusätzlich zu den Gefahren, die vom Roboter ausgehen, müssen die Bewegungen des Menschen berücksichtigt werden. Diese sind jedoch nicht immer kalkulierbar in Hinsicht auf Geschwindigkeit, Reflexe oder plötzlichen Zutritt zusätzlicher Personen.

Auf Basis der Risikobeurteilung entsteht individuell das Sicherheitskonzept sowie die Systemintegration und letztlich die Validierung, in der die vorangegangenen Schritte reflektiert werden. Im Gegensatz zur Risikobeurteilung wird bei der Validierung jede Gefahrenstelle mit Schutzmaßnahmen betrachtet. Für die Validierung sind unterschiedliche Methoden anzuwenden, darunter optische Kontrollen, praktische Tests und Messungen. Insgesamt muss der Systemintegrator über 200 Punkte validieren.

Kollisionen abmildern

Kollisionen können auf verschiedene Arten abgemildert werden: Durch konstruktive Maßnahmen wie Abrunden der Kanten und Ecken, Polsterungen oder möglichst große Kontaktflächen, um die Kraft auf der Fläche zu verteilen. Oder durch technische Schutzmaßnahmen, z. B. die Reduzierung der Dynamik der Roboterbewegungen sowie Anpassungen der Roboterbahn, um Kollisionen mit besonders sensiblen Köperregionen zu vermeiden. Auch Schulungen der Mitarbeiter können helfen, das Verletzungsrisiko zu verringern.

Letztlich muss durch ein Messverfahren ermittelt werden, ob die möglichen Kollisionen sicherheitstechnisch unbedenklich sind. Im Anhang A der Technischen Spezifikation ISO/TS 15066 wird ein Körpermodell mit 29 spezifischen, in zwölf Körperregionen eingeteilte Körperbereiche aufgeführt. Das Körperzonenmodell macht zu jedem Körperteil (z. B. am Kopf, an der Hand, am Arm oder am Bein) eine Angabe zu den jeweiligen Belastungsgrenzwerten (Schmerzschwellenwerte) mit Blick auf Kraft und Druck. Bleibt die Anwendung während der Kollision zwischen Mensch und Roboter innerhalb dieser Grenzen, ist sie normenkonform.

Kollisionsmessgerät ermittelt Belastung bei Kollision

Für diese spezielle Messung hat Pilz ein Kollisionsmessgerät entwickelt. Das mit Federn und entsprechenden Sensoren ausgestattete Gerät misst die auf den menschlichen Körper einwirkenden Kräfte exakt und vergleicht sie mit den Grenzwerten. Das Messgerät wird dafür an den bei der Risikobeurteilung ermittelten Positionen installiert, zwischen Roboterarm und einem unnachgiebigen Untergrund. Per Mausklick wird die Messung gestartet, die gewonnen Daten anschließend verarbeitet sowie dokumentiert. Der höchste Wert wird für die Validierung herangezogen. Wenn die Grenzwerte der TS überschritten werden, muss die Dynamik des Roboters reduziert werden oder zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen wie z. B. Lichtgitter oder eine trennende Schutzeinrichtung installiert werden.

Den einen sicheren Roboter, der alle möglichen Anwendungsfälle mit Blick auf die Sicherheit abdeckt, gibt es (zumindest bislang) nicht. Die Anforderungen an die Sicherheitstechnik hängen daher stets von der jeweiligen Applikation ab. Erst in der Gesamtbetrachtung von Roboter, Werkzeug und Werkstück sowie dazugehörigen Maschinen wie etwa Fördertechnik entstehen sichere Roboter-Applikationen. (jv)

Dieser Beitrag ist bei unserem Partnerportal konstruktionspraxis erschienen.

* Jochen Vetter, Manager Consulting Services, Pilz GmbH & Co. KG, Ostfildern

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