Anforderungen an eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration

Roboteranlagen sind aus unseren Produktionsanwendungen nicht mehr wegzudenken. Sie sorgen für Produktivität, Qualität und erledigen schwere und gefährliche Arbeitsaufgaben. Da die industriellen Robotersysteme mit hohem Risiko bewertet werden, sind Schutzkonzepte zumeist so gestaltet, dass Roboter und Mensch örtlich und/oder zeitlich voneinander getrennt arbeiten.

Autor: Ulrich Hochrein

Bis auf das Anlernen und die Wartung, für die besondere Vorgaben gelten, korrespondiert der Mensch nicht direkt mit den Aktuatoren industrieller Robotersysteme. Zu beachten sind hierbei die Sicherheitsnormen EN ISO 10218-1 (Anforderungen an den Industrieroboter) und die EN ISO 10218-2 (Gestaltungsvorgaben und Anforderungen an das Robotersystem).

Wenn die Anwendung sicher geplant ist, ermöglichen inzwischen neue Technologien eine direkte Kollaboration des Roboters mit dem Menschen – die Mensch-Roboter-Kollaboration, kurz MRK. So lassen sich die Vorteile der Robotersysteme mit den menschlichen Fähigkeiten optimal kombinieren. Weiterhin sind mit MRK-Anwendungen neuartige Produktionskonzepte möglich. Damit übernehmen MRK-Anwendungen eine wichtige Rolle, um übergeordnete Fragestellungen zu beantworten, beispielsweise zum demographischen Wandel, zur optimierten Integration „leistungsreduzierter Mitarbeiter“ und zur Verbesserung der allgemeinen Arbeitsergonomie.

GRUNDPRINZIPIEN DER MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION

Die MRK-Applikationen basieren grundsätzlich auf Schutzprinzipien oder aus einer Kombination verschiedener Grundprinzipien. Diese sind:

  1. Sicherheitsgerichteter überwachter Halt – Der Roboter stoppt, wenn ein Mitarbeiter den gemeinsamen Arbeitsbereich betritt und fährt bei Bedarf weiter, wenn der Mitarbeiter den Bereich wieder verlassen hat.
  2. Handführung des Roboters – Die Roboterbewegung wird vom Mitarbeiter aktiv geführt.
  3. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung – Der Kontakt zwischen dem Mitarbeiter und dem sich in der Bewegung befindlichen Roboter wird vom Robotersystem verhindert.
  4. Kraft- und Druckbegrenzung – Kontaktkräfte zwischen Mensch und Robotersystem sind möglich, werden aber auf ein ungefährliches Maß begrenzt.

Ein gemeinsames Merkmal aller MRK-Anwendungen ist, dass die Sicherheit präzise und integer über die gesamte KUKA Greifer frei.pngApplikationsanwendung und unter Berücksichtigung aller funktionalen und produktionstechnischen Aspekte durchzuführen ist. Was allerdings bei konventionellen Systemen beispielsweise durch feste bauliche Trennung oder zusätzlichen Sicherheitskomponenten nachrüstbar ist, funktioniert bei MRK je nach Schutzprinzip nur eingeschränkt oder ist überhaupt nicht anwendbar.

Wenn das Prinzip Kraft- und Druckbegrenzung angewendet wird, ist eine MRK-gerechte Gestaltung bei der Anlagenentwicklung von Anfang an unerlässlich. Das beinhaltet folgende Aspekte:

  • Auswahl eines angemessenen MRK-Systems
  • sichere Gestaltung von Greifern und Werkzeugen
  • Berücksichtigung der Teilebeschaffenheit (Geometrie und Masse)
  • Arbeitsabläufe, Begrenzung von Arbeitsräumen und Geschwindigkeit
  • eingesetzte Produktionstechnologien

Grundsätzlich gibt es keinen eigensicheren MRK-Roboter. Auch entsteht nur durch den Einsatz eines MRK-Roboters keine sichere MRK-Applikation. Wird zum Beispiel ein scharfes Skalpell oder eine spitze Nadel als „Roboterwerkzeug“ verwendet, wird jeder damit ausgestatteter MRK-Roboter Verletzungen verursachen können. Eine maßgebliche Größe zur Beurteilung der Sicherheit ist daher nicht nur die Kraft, sondern auch der Druck (Kraft/Wirkfläche), die das MRK-System im ungünstigsten Fall verursachen kann.

Somit bestimmen Werkzeug- und Teilegeometrien sehr stark die Vorgaben möglicher Verfahrgeschwindigkeiten und Leistungsvorgaben, beispielsweise das Drehmoment.

GRENZEN DER MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION

Die Grenzen für die tolerierbaren Kräfte und Drücke sind für verschiedene Körperteile in der ISO/TS 15066 definiert. Eine Validierung der Kraft- und Druckvorgaben durch Messung mit einem konformen Messsystem ist zweifelsfrei notwendig. Über eine Risikobeurteilung ist das Sicherheitskonzept bei Bedarf mit sicheren Arbeitsbereichsbeschränkungen des Roboters und den betroffenen Körperteilen zu definieren. Daraus sind dann letztendlich die möglichen Geschwindigkeiten abzuleiten.

Allerdings gibt es hierzu noch keine sinnvollen Tools, um beispielsweise unter Vorgabe von Geometrien und Druckgrenzen eine sichere Verfahrgeschwindigkeit des MRK-Roboters abzuleiten. Damit sind frühzeitige Taktzeitvorgaben schwierig, weil erst die Validierung unter Nennbedingungen zeigen kann, ob das System einzelne Grenzwerte kritisch überschreitet.

Der rechtliche Rahmen für die MRK-Applikation ist die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Die relevanten Normen sind:

  • EN 10218 Teil 1+2: Roboter und Robotersystem
  • EN 12100: Sicherheit von Maschinen – Risikobeurteilung und Risikominderung
  • EN 13849 Teil1+2: Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen

Eine noch nicht gelistete Norm, die als einzig internationales Regelwerk MRK-Anwendungen mit Kräften und Drücken beschreibt, ist die ISO/TS 15066 „Roboter und Robotikgeräte – Kollaborierende Roboter“.

FAZIT

Die Erfahrung von EDAG PS mit durchgeführten MRK-Applikationen zeigt, dass vielfach die Grenzen der MRK-Applikationen unterschätzt werden. MRK-Roboter sind erheblich leistungsreduziert. Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, mögliche Kräfte und Momente sind nicht mit Standard-Industrierobotern gleichzusetzen. Durch sicherheitstechnische Anforderungen werden diese durch die Applikationen noch weiter reduziert. Damit werden im MRK-Betrieb sehr häufig die Taktzeitvorgaben nicht erfüllt.

Verschiedene Produktionsverfahren sind aufgrund von Traglast oder anderen Produktionsfaktoren, wie etwa Rückstoß, nicht einfach umsetzbar. Weiterhin sind die Leistungsfähigkeit des Steuerungssystems und die funktionalen Fähigkeiten des MRK-Systems wichtige Faktoren. Das erklärt auch die großen preislichen Streuungen der MRK-Roboter-Systeme auf dem Markt. Die richtige MRK-Roboterauswahl ist somit der erste entscheidende Schritt für die Funktionsfähigkeit und Sicherheit der Applikation.

Neben der technischen Sicherheit ist die psychologische Wirkung auf betroffene Mitarbeiter nicht zu unterschätzen und muss daher rechtzeitig konzeptionell berücksichtigt werden. Neben der Einbindung betroffener Mitarbeiter sollten die Applikationen so gestaltet werden, dass Bewegungen und Aktionen für die betroffenen Mitarbeiter vorhersehbar sind. Visualisierungen oder spezielle Signalbewegungen vor der eigentlichen MRK-Bewegung erhöhen bei den beteiligten Mitarbeitern die Akzeptanz.

EDAG PS hat langjährige Erfahrung im Bereich Robotik und Maschinensicherheit bei MRK-Systemen. Zu unseren Leistungen zählen:

  • Spezifizierung von Systemen,
  • Auswahl des MRK-Robotersystems,
  • Sicherheitskonzept und Risikobeurteilung,
  • Planung des Gesamtsystems,
  • Realisierung der Applikation,
  • Sicherheitstechnische Validierungen,
  • Seminare und Validierung.

Als Autor dieses Blogbeitrags beantworte ich gerne Ihre Fragen. Sie erreichen mich per E-Mail unter: ulrich.hochrein@edag-ps.com.

Mehr Informationen zum Leistungsspektrum von EDAG Production  Solutions im Bereich der sicherheitstechnischen Dienstleistungen finden Sie auf unserer Safety-Microsite.

Microsite Sicherheitstechnische DienstleistungenIn der Checkliste "Zehn Irrtümer bei der Umsetzung der ersten MRK-Applikation" erklärt Ihnen unser Sicherheitsexperte Ulrich Hochrein wichtige Punkte und Themen die im Gespräch mit dem Kunden vorab geklärt werden müssen:

Irrtuemer ber der MRK Applikation

Hier geht’s zur Checkliste

 

Bildquelle Titelbild: © Ford/Friedrich Stark