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Jahrelang gingen Mensch und Roboter aus Gründen der Sicherheit räumlich getrennte Wege. Heute sind Produktivitätssteigerungen sowie der demografische Wandel Antrieb, das Potenzial von Mensch-Roboter-Kollaborationen zu heben. Wenn sich jedoch Mensch und Roboter einen Arbeitsraum teilen, dann spielt das Thema Sicherheit eine zentrale Rolle.

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In den 50er-Jahren läutete der Amerikaner George Devol mit seinem Patententwurf für „eine programmierte Übergabe von Artikeln“ die Ära der Industrieroboter ein. 1961 kam mit dem Unimate erstmals ein Roboter in der Fertigung bei General Motors zum Einsatz. Um den Schutz des Werkers zu ermöglichen, setzten Betreiber damals auf eine strikte Trennung von Mensch und Maschine. Der Roboter sollte die menschliche Arbeitskraft ersetzen und blieb für die Erledigung seiner Aufgaben eingehaust in einer Zelle. Getrennte Arbeitsräume und keine unmittelbare Interaktion zwischen Mensch und Maschine: Diese Prinzipien blieben für über 50 Jahren unverändert. Den Wunsch, dass Mensch und Roboter sich wie in der Science-Fiction den Arbeits- oder Lebensraum teilen, erfüllten diese Roboterapplikationen nicht.

Künftig sollen Mensch und Roboter Hand in Hand zusammenarbeiten. (Bild: Zapp2phot – Adobe Stock)

Künftig sollen Mensch und Roboter Hand in Hand zusammenarbeiten. (Bild: Zapp2phot – Adobe Stock)

Eine neue Ära der Robotik

Mit einer neuen Art von Robotern, den sogenannten Cobots, soll sich das nun ändern. Der Name Cobots stammt aus der Verbindung der Worte „Collaboration“ und „Robot“. Im Unterschied zur Kooperation teilen sich bei der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) Mensch und Roboter einen Arbeitsraum. So werden die Stärken beziehungsweise Vorteile der Maschine, wie Zuverlässigkeit, Ausdauer und Wiederholgenauigkeit, mit den Stärken des Menschen, also Geschicklichkeit, Flexibilität und Entscheidungsvermögen, kombiniert. Bei solchen Mensch-Roboter-Kollaborationen überschneiden sich die Arbeitsräume von Mensch und Roboter räumlich und zeitlich. Für MRK kommen Leichtbauroboter zum Einsatz, die Lasten von etwa zehn Kilogramm bewegen können. Als Serviceroboter sollen sie Menschen bei körperlich belastenden oder monotonen Arbeiten zur Hand gehen. Typische Einsatzgebiete sind Pick-and-place-Applikationen, das Handling zwischen verschiedenen Produktionsschritten oder Follow-the-line-Anwendungen, bei denen der Roboter eine vorgeschriebene Bewegungsbahn exakt ausführen muss (beispielsweise beim Nachfahren einer Kontur oder Klebearbeiten).

Kollision nicht (mehr) ausgeschlossen

MRK-Applikationen stellen an die Sicherheit neue Anforderungen. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen „klassischen“, umhausten Roboterapplikationen und MRK ist, dass Kollisionen zwischen Maschine und Mensch ein reales Szenario sein können. Sie dürfen jedoch zu keinen Verletzungen führen. Voraussetzungen für ein verletzungsfreies Miteinander sind zum einen zuverlässigere Steuerungen und intelligente, dynamische Sensoren am Roboter selbst. Der Roboter fühlt also, wenn es zu einer Kollision kommt. Zum anderen müssen durch normative Grundlagen verlässliche Sicherheitsstandards gesetzt sein. Eine zentrale Bedeutung spielt dabei die Technische Spezifikation ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices – Collaborative industrial Robots“. Mit dieser Technischen Spezifikation ist es nach entsprechender Validierung möglich, sichere Mensch-Roboter-Kollaborationen umzusetzen.

Mit Schutztüren lässt sich verhindern, dass Menschen den Gefahrenbereich eines Roboters betreten. (Bild: Pliz)

Mit Schutztüren lässt sich verhindern, dass Menschen den Gefahrenbereich eines Roboters betreten. (Bild: Pliz)

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

– sicherheitsgerichteter überwachter Stillstand

– Handführung

– Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

– Leistungs- und Kraftbegrenzung

Bei der Umsetzung einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) kann der Systemintegrator eine oder eine Kombination aus diesen Kollaborationsarten für seine Applikation auswählen.

Die Technische Spezifikation ist zudem die erste Norm, die in ihrem Anhang A detaillierte Angaben zu Schmerzschwellen für verschiedene Körperregionen macht. Diese Werte bilden die Basis, um die Applikation mit einer Leistungs- und Kraftbegrenzung umsetzen zu können.

In der Praxis zeigt sich, dass sich mit der ISO/TS15066 Mensch-Roboter-Kollaborationen oft durch eine Kombination einer Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung und einer Leistungs- und Kraftbegrenzung umsetzen lassen. Allerdings gibt es durchaus Applikation, die auch weiterhin nicht ohne einen Schutzzaun auskommen werden. Gründe sind beispielsweise sehr spitze oder scharfkantige Werkzeuge oder Werkstücke, oder wenn hohe Krafteinwirkungen und -Geschwindigkeiten für den Prozess nötig sind.

Im Anhang der Technischen Spezifikation ISO/TS 15066 wird ein Körperzonenmodell aufgeführt. Es macht zu jedem Körperteil (beispielsweise am Kopf, an der Hand, am Arm oder am Bein) eine Angabe zu den jeweiligen Kollisionsgrenzwerten. Bleibt die Anwendung während einer Begegnung zwischen Mensch und Roboter innerhalb dieser Grenzen, so ist sie normenkonform. Diese Schmerzschwellenwerte können Unternehmen in der Praxis zur Validierung einer sicheren MRK heranziehen. Zur Messung von Kräften und Geschwindigkeiten hat Pilz ein Kollisionsmessgerät entwickelt und im Automobilbau bereits erfolgreich erprobt. Ausgestattet mit Federn und entsprechenden Sensoren ist es möglich, die einwirkenden Kräfte bei einer Kollision mit einem Roboter exakt zu erfassen, per Software auszuwerten und mit den Vorgaben aus der ISO/TS 15066 zu vergleichen.

Als Mitglied in diesem Internationalen Normengremium hat Pilz mit Roboterherstellern, Integratoren, Prüfstellen und anderen Automatisierungsunternehmen aktiv an der Ausgestaltung dieser wegweisenden Norm für die Mensch-Maschine-Kollaboration im industriellen Umfeld mitgearbeitet.

Pick and Place ist nur ein Beispiel für Roboter-Applikationen in der Verpackungsindustrie. (Bild: Pilz)

Pick and Place ist nur ein Beispiel für Roboter-Applikationen in der Verpackungsindustrie. (Bild: Pilz)

Sensorik-Baukasten für sichere Roboter

Bei der technischen Umsetzung von Roboterapplikationen kommt der Sensorik eine Schlüsselrolle zu: Um allen Anwendungen in puncto Sicherheit gerecht zu werden, ist ein Baukasten an Sensoren notwendig.

Wenn das Eingreifen des Menschen in den Produktionsprozess prinzipiell nicht notwendig oder unerwünscht ist, werden Maschinen und Anlagen mit mechanischen räumlich trennenden Schutzeinrichtungen umgeben. Für solche Roboterzellen gilt, dass der Mensch sie in der Regel nur für Servicezwecke betreten muss. Für diesen Zugang sind Schutztüren geeignet, die ihrerseits jedoch mit Schutztürsensoren abgesichert werden müssen: Wird eine Schutztür geöffnet, erkennt der Sensor dies und erzeugt ein Abschaltsignal für die sichere Maschinensteuerung.

Je nach Anforderung, Einbausituation und applikativen Randbedingungen kommen verschiedene Betätigungsprinzipien und Bauarten zum Einsatz: Berührungslos sichere magnetische Sensoren stellen bei verdecktem Einbau eine wirtschaftliche Lösung dar, während sichere RFID-basierte Sensoren, beispielsweise der Sicherheitsschalter PSEN-Code, eine maximale Freiheit bei der Montage und höchsten Manipulationsschutz ermöglichen.

Wenn Unternehmen Schutzeinrichtungen, beispielsweise bei engen Platzverhältnissen, nah an einer gefährlichen Bewegung platzieren müssen, besteht die Gefahr des gefährlichen Nachlaufs. Hier ist der Einsatz einer sicheren Zuhaltung unbedingt notwendig. Mechanische Zuhaltungen mit Federkraftverriegelung wie PSEN-Mech oder integrierte sichere Schutztürsysteme übernehmen diese Aufgaben. Zu all diesen technischen Sensorprinzipien gibt es eine Vielzahl von Gerätevarianten, sodass der Anbieter beinahe alle denkbaren Überwachungsszenarien realisieren kann.

In Bereichen des Roboter-unterstützten Automobilrohbaus kommen beispielsweise codierte Sicherheitsschalter PSEN-Code von Pilz zum Einsatz, die mit nur einem Sensor bis zu drei Positionen überwachen können. Einsatzgebiete sind hier die Schnittstellen zwischen Mensch und Roboter, wo auch manuelle Eingriffe notwendig sind.

Bei Roboterapplikationen, bei denen eine menschliche Kontrolle, ein Einlegen von Teilen oder eine Nacharbeit erforderlich ist, kommen ebenfalls oft berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen als Zutrittsschutz zum Einsatz.

Sicherheit im oder am Roboter

Zusätzlich kann es erforderlich sein, einen Hintertretschutz in Form waagrecht installierter Sicherheitslichtvorhänge oder einem Sicherheitslaserscanner anzubringen, in manchen Fällen sind auch Sicherheits-Schaltmatten die bevorzugte Wahl, wenn beispielsweise die optischen Systeme aufgrund von prozessualen Randbedingungen, wie Staub, Rauch, Nebel und Dampf, Verfügbarkeitsprobleme haben.

Wenn sich Mensch und Roboter einen Arbeitsraum teilen, dann wird versucht, die Sicherheit der Applikation durch Sicherheitskomponenten und -funktionen im oder am Roboter unterstützend zu realisieren. Beispielsweise ist es möglich, sichere Bewegungsfunktionen im Roboter mit Nahfeldsensoren mit integrierter Momentenüberwachung im Roboter oder mit einer den Roboter umhüllenden taktilen Sensorik zu kombinieren. Die Bewegungen bei dieser Art von Roboterapplikation sind dabei im Allgemeinen deutlich langsamer als in vollautomatisierten Anwendungen. Solche Sicherheitsszenarien sind Stand heute im Bereich Service-Robotik in Verbindung mit Mensch-Roboter-Kollaboration realisiert, Unternehmen können unter Berücksichtigung der Sicherheitsanforderungen damit auch andersarige Applikationen umsetzen.

Gefahrenfreier Raum – dynamisch abgesichert

Bei Kollaborationen mit Robotern größerer Traglast stoßen die erwähnten Sicherheitskonzepte an ihre Grenzen – es sind andere gefordert. Bei diesen ist eine deutlich abgestuftere Betrachtung von Ereignissen notwendig. So ist beispielsweise zu unterscheiden, ob sich ein Mensch im potenziellen Aktionsraum einer Gefahr-bringenden Bewegung aufhält (Warnraum) oder bereits eine Zone mit erhöhter Sicherheitsanforderung betreten hat (Schutzraum). Idealerweise müssen sich diese Räume dynamisch anpassen lassen und beispielsweise den sicher überwachten Bewegungen der Maschine oder eines Roboters nachgeführt werden. So ist es in diesem Umfeld möglich, Mensch-Roboter-Kollaborationen zu realisieren, bei denen statische Schutzeinrichtungen an ihre Grenzen stoßen.

Neue kamerabasierte Verfahren sind in der Lage, Schutzfelder und -räume mehrdimensional sicher zu überwachen, wie es das 3-D-Kamerasystem Safety-Eye für die sichere Raumüberwachung leistet. Solche Sensorsysteme eröffnen durch ihr 3-D-Funktionsprinzip neue Möglichkeiten in der Applikationsgestaltung. Zudem lassen sich Schutzraum-Anordnungen bei jedem Prozessschritt erneut anpassen.

Weiterentwicklungen in diesem Bereich sind bedingt durch die Anforderungen der kommenden Applikationen: eine Kombination eines sicheren Roboters mit einem sicheren 3-D-Kamerasystem mit einer intensiveren Kommunikation kann verschiedene, strikt voneinander getrennte Prozessschritte miteinander verschmelzen und optimieren. Der sichere Roboter kennt seine sichere Position, seine sichere Geschwindigkeit und seine sichere Bewegungsrichtung, das sichere Kamerasystem kennt die Position von Objekten (Menschen) im Umfeld des Aktionsradius des Roboters. Statt starrem Abschalten kann das Gesamtsystem zukünftig deutlich flexibler reagieren, Stillstandszeiten vermeiden und so die Produktivität erhöhen.

Am Ende steht die CE-Kennzeichnung

Der Gesetzgeber verpflichtet, wie in anderen Bereichen auch, den Hersteller einer Roboterapplikation zur Durchführung eines Konformitäts-Bewertungsverfahrens mit CE-Kennzeichnung. Das Anbringen der CE-Kennzeichnung bestätigt, dass die Roboter-Applikation alle erforderlichen Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen erfüllt. Die Herausforderung der zugrunde liegenden Risikobeurteilung bei Roboterapplikationen besteht darin, dass sich die Grenzen der beiden Arbeitsbereiche von Mensch und Maschine auflösen. Zusätzlich zu den Gefahren, die vom Roboter ausgehen, müssen Planer die Bewegungen des Menschen berücksichtigen. Diese sind jedoch nicht immer kalkulierbar mit Blick auf Geschwindigkeit, Reflexe oder plötzlichen Zutritt zusätzlicher Personen.

Es folgen Sicherheitskonzept und Sicherheitsdesign inklusive Auswahl der Komponenten. Diese sind meist eine Kombination aus intelligenten Sensoren, die miteinander verknüpft sind, und Steuerungen, die die notwendigen dynamischen Arbeitsprozesse überhaupt erst ermöglichen. Anschließend werden die ausgewählten Sicherheitsmaßnahmen in der Risikobeurteilung dokumentiert und im Schritt System­integration umgesetzt. Es folgt die Validierung, in der die vorangegangenen Schritte nochmals reflektiert werden.

Den einen sicheren Roboter oder die eine sichere Sensorik, die alle möglichen Fälle hinsichtlich der Sicherheit abdeckt, gibt es zumindest bislang nicht. Erst in der Gesamtbetrachtung von Roboter, Werkzeug und Werkstück sowie dazugehörigen Maschinen – wie etwa Fördertechnik – entstehen sichere Roboterzellen. Das bedeutet in der Praxis, dass jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung erfordert.

Autor

Sabine Karrer, Fach- und Unternehmenspresse, Pilz

Unternehmen

Pilz GmbH & Co. KG

Felix-Wankel-Straße 2
73760 Ostfildern
Deutschland

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