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Schutzeinrichtungen - Kollisionen sind ein reales Szenario

Basisseminar RWTH AachenSo läuft's zwischen Mensch und Maschine

RWTH Aachen Basisseminar

Im Basisseminar „Mensch-Roboter-Kollaboration“ des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen sollen Grundlagen im Bereich Mensch-Roboter-Kollaboration vermittelt werden, außerdem wird analysiert, welcher Roboter zu welchem Anwendungsfall passt.

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SchutzeinrichtungenKollisionen sind ein reales Szenario

Die Mensch-Roboter-Kooperation benötigt durchdachte Schutzmaßnahmen. Zusätzlich zu den klassischen, komplett eingehausten Roboterzellen sind zunehmend Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK) gefragt, die möglichst ohne trennende Schutzeinrichtungen auskommen. Dabei muss die Sicherheit des Menschen gewährleistet sein.

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SafetyEye Configurator

Klassisch schafft man in der Industrie Sicherheit, indem Maschinen und Anlagen mit verschiedenen Schutzeinrichtungen umgeben werden, die so Personen im Umfeld vor potenziellen Gefahren schützt. Für die praktische Umsetzung stellt das neue Herausforderungen an die sicherheitstechnische Betrachtung und die eingesetzten Technologien. Letztlich erfordert jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung.

Wenn sich die Arbeitsräume überschneiden
Die Effizienz von Roboterapplikationen steigt, je enger Mensch und Maschine zusammenarbeiten können. Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration teilen sich im Idealfall Mensch und Roboter einen gemeinsamen Arbeitsraum. Diese neuen Applikationsfelder erzeugen Synergien und damit Produktivitätsvorteile, indem die Stärken beziehungsweise Vorteile der Maschine wie Zuverlässigkeit, Ausdauer und Wiederholgenauigkeit mit den Stärken des Menschen, also Geschicklichkeit und Flexibilität kombiniert werden. Bei solchen Mensch-Roboter-Kollaborationen überschneiden sich die Arbeitsräume von Mensch und Roboter räumlich und zeitlich.

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Für Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK) werden Leichtbauroboter eingesetzt, 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 (z.B. beim Nachfahren einer Kontur oder Klebearbeiten).

Kamerasystem SafetyEye

Die Vielfalt möglicher MRK-Anwendungen bedeuten mit Blick auf das Thema Sicherheit jedoch ganz neue Herausforderungen. Der klassische Ansatz beim Thema Maschinensicherheit, Mensch und gefahrbringende Bewegung räumlich zu trennen, greift nicht. Daher steigt die Nachfrage nach Robotersystemen mit flexibleren Sicherheitsfunktionen für die sich verändernden Schutzanforderungen.

Kollision als mögliches Szenario
Für detaillierte Sicherheitsanforderungen stehen die beiden C-Normen EN ISO 10218 „Safety of Industrial Robots“ Teil 1: „Robots“ und Teil 2: „Robot systems and integration“ zur Verfügung. Die Normen sind im Amtsblatt der EU gelistet und haben somit Konformitätsvermutung. Das bedeutet, dass bei Anwendung der Normen, die spezifischen Anforderungen der Richtlinien ebenfalls erfüllt werden.

Unterstützung in der praktischen Umsetzung soll die Technische Spezifikation ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices - Collaborative industrial robots“ bieten. Als Mitglied im entsprechenden internationalen Normengremium arbeitet Pilz, Komplettanbieter für die sichere Automation, mit Roboterherstellern, Integratoren, Prüfstellen (notified bodys, wie BG) und anderen Automatisierungsunternehmen aktiv an der Ausgestaltung mit. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen „klassischen“, umhausten Roboterapplikationen und MRK ist, dass Kollisionen zwischen Maschine und Mensch ein reales Szenario sein können. Diese dürfen jedoch zu keinen Verletzungen führen.

3D-Kamerasystem SafetyEye

Schritte zur sicheren MRK-Applikation
Im Anhang der Technischen Spezifikation (TS) wird ein Körperzonenmodell aufgeführt. Das Körperzonenmodell macht zu jedem Körperteil (zum Beispiel 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. Nach der Veröffentlichung der ISO/TS15066 können diese Schmerzschwellenwerte dann als Validierung zur sicheren MRK herangezogen werden.

Für Maschinen im Sinne der Maschinenrichtlinie ist ein Konformitätsbewertungsverfahren Schritt für Schritt zu durchlaufen. Zu beachten ist, dass der Roboter normativ an sich nur eine unvollständige Maschine darstellt; erst durch Greifer bzw. das für die jeweilige Applikation notwendige Werkzeug erhält der Roboter einen bestimmten Zweck und muss als vollständige Maschine betrachtet werden. Der Integrator oder Anwender wird zum Hersteller der Maschine und ist für die CE-Kennzeichnung inklusive sicherheitstechnischer Überprüfung verantwortlich.

Der erste Schritt auf dem Weg zur sicheren Roboterapplikation ist das Erstellen einer Risikoanalyse gemäß EN ISO 12100. Die Herausforderung bei schutzzaunlosen Roboterapplikationen besteht darin, dass sich die Grenzen der beiden Arbeitsbereiche von Mensch und Maschine auflösen. Zusätzlich zu den Gefahren, die vom Roboter ausgehen, müssen die Bewegungen des Menschen berücksichtigt werden. Diese sind jedoch nicht immer kalkulierbar mit Blick auf Geschwindigkeit, Reflexe oder plötzlichen Zutritt zusätzlicher Personen.

Schutzausrüstung

Auf Basis der Risikoanalyse ist ein Sicherheitskonzept zu erstellen, inklusive Auswahl der Komponenten, sowie die Systemintegration. Es folgt die Validierung, in der die vorangegangenen Schritte nochmals reflektiert werden. Hierfür sind unterschiedliche Methoden anzuwenden, darunter optische Kontrollen, praktische Tests und Messungen. Insgesamt muss der Systemintegrator über 200 Punkte validieren. Erst danach darf eine CE-Kennzeichnung angebracht werden.

Auswahl von Roboter und Sicherheitskomponenten
Am Markt ist eine Vielzahl von Robotersystemen verfügbar, die für unterschiedliche Einsatzgebiete geeignet sind. Sie sind zwar die Ausgangsbasis einer sicheren Roboterapplikation, doch bedarf es immer einer sicherheitstechnischen Betrachtung der Applikation sowie bei Bedarf zusätzlicher Komponenten und Systeme, um sichere MRK realisieren zu können.

Um Arbeitsbereiche, in denen Mensch und Maschine kollaborieren, auch ohne trennende Schutzeinrichtungen sicher gestalten zu können, werden künftig deutlich intelligentere Sicherheitssysteme benötigt. Diese können Teil der Steuerung des Robotersystems selbst sein, beispielsweise zur sicheren Berechnung der Bewegungen des Roboters oder der Erkennung von Kollisionen inklusive der entsprechenden Reaktion. Um das Schutzziel zu erreichen, werden allerdings solche sicheren Motion-Funktionen nicht ausreichen. Es werden Kombinationen nötig sein, bestehend aus einer Nahfeldabsicherung (zum Beispiel taktile Sensoren oder Infrarot-Sensoren am Roboterarm), persönlicher Schutzausrüstung (Schutzbrille und -kleidung) sowie sicherer Sensorik für die Überwachung des Schutzraums.

Für dynamische Sicherheitskonzepte müssen diese Sensoren zu einer deutlich abgestuften Betrachtung von Ereignissen in der Lage sein. Sie sollten beispielsweise unterscheiden können, ob sich ein Mensch im potentiellen Aktionsraum einer Gefahr bringenden Bewegung aufhält (Warnraum) oder bereits eine Zone mit erhöhter Sicherheitsanforderung betreten hat (Schutzraum). Diese Räume müssen sich dynamisch anpassen lassen und beispielsweise den Bewegungen der Maschine oder eines Roboters folgen. Das sichere 3D-Kamerasystem Safety Eye von Pilz ist in der Lage, Warn- und Schutzräume dreidimensional sicher zu überwachen. Ein Verbund von Sensorik, Steuerung und Aktorik eröffnet neue Freiheitsgrade bei der Planung von dynamischen Prozessabläufen und von Arbeitsbereichen in denen Mensch und Roboter sicher interagieren.

Jede Applikation erfordert eigene sicherheitstechnische Betrachtung
Die Sicherheit spielt bei Roboterapplikationen eine zentrale Rolle. In der Praxis erfordert jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung. Aufgrund der angestrebten möglichst engen Kollaboration zwischen Mensch und Maschine wurden bereits neue Normen veröffentlicht. Der Wunsch der Industrie nach „kräftigen“ Robotern für MRK wird die zukünftige Herausforderung werden, um die normativen Vorgaben zur funktionalen Sicherheit einzuhalten. Letztlich ist die sichere MRK-Applikation das Ergebnis des Zusammenspiels normativer Rahmenbedingungen, einer darauf aufbauenden komplexen Risikoanalyse, der Auswahl eines Roboters mit den entsprechenden Sicherheitsfunktionen, der Auswahl der passenden, zusätzlichen Sicherheitskomponenten und schließlich der Validierung.

Jochen Vetter/bw

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