Autor: Christoph Meyer

Kollaborierende Robotersysteme – Voraussetzungen fü r den sicheren Betrieb

Seit einiger Zeit stehen dank fortschreitender Sicherheitstechnik Robotersysteme zur

Verfügung, die für die Zusammenarbeit mit dem Menschen vorgesehen sind. Die

klassischen Schutzsysteme wie zum Beispiel Schutzzäune als Zutrittsverhinderung

entfallen dabei. Der vorliegende Artikel liefert einen Überblick über die rechtlichen

und technischen Voraussetzungen zum Betrieb solcher Roboter. Außerdem wird ein

Messverfahren vorgestellt, um eine angedachte Applikation sicher zu gestalten. Der

Betreiber muss zusätzlich zu diesen Voraussetzungen gem. Arbeitsschutzgesetz vor

Ort für die jeweiligen Einsätze bzw. Tätigkeiten der Beschäftigten geltende

Gefährdungsbeurteilungen durchführen, Schutzmaßnahmen ableiten, umsetzen und

die Wirksamkeit kontrollieren.

Wozu kollaborierende Roboter?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Industrierobotern mit einem vollkommen

automatisch gestalteten Arbeitsablauf sind kollaborierende Roboter für die

Zusammenarbeit mit dem Menschen konzipiert. Daher entfallen Schutzeinrichtungen,

die sonst den Aufenthalt im Arbeitsbereich des Roboters verhindern würden. Die sich

bewegenden Roboter können jedoch schwere Verletzungen verursachen. Bei

herkömmlichen Industrierobotern verhindern Schutzzäune den Zutritt zum

Gefahrenbereich. Eine Person kann sich dem Roboter nur nähern, nachdem dieser

stillgesetzt wurde. Eine direkte Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter ist

mit diesem Schutzkonzept nicht realisierbar. Für kollaborierende Roboter werden

folglich neue Schutzkonzepte benötigt.

Seit kurzem gibt es Ansätze, Produktionsabläufe derart zu optimieren, dass sich

Mensch und Roboter bei der Arbeit ergänzen. Mensch und Maschine tuen das, was

sie am besten können. Der Mensch bringt seine sensorischen und motorischen

Fähigkeiten ein, der Roboter übernimmt die Tätigkeiten, bei denen Kraft und

Schnelligkeit gefragt sind. Schutzkonzepte für kollaborierende Roboter müssen dies

berücksichtigen und basieren größtenteils auf der Steuerung des Roboters. Die

technischen Voraussetzungen dafür stehen heute zur Verfügung.

Welche Rechtsvorschriften gelten für Hersteller/Inv erkehrbringer/Integratoren?

Kollaborierende Robotersysteme sind verwendungsfertige Anlagen, bestehend aus

dem Roboter inklusive Roboterwerkzeugen, Fördertechnik, allen beteiligten

Vorrichtungen und Schutzmaßnahmen. Sie fallen somit in den Geltungsbereich der

Europäischen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG [1]. Um auf dem europäischen

Binnenmarkt verkauft werden zu können, müssen für Robotersysteme eine EG-

Konformitätserklärung und eine CE-Kennzeichnung nach der Maschinenrichtlinie

vorliegen. Die harmonisierten Europäischen Normen DIN EN ISO 10218-1 [2] und

DIN EN ISO 10218-2 [3] entfalten die sogenannte Vermutungswirkung. Das

bedeutet: Bei Anwendung dieser Normen darf davon ausgegangen werden, dass die

Anforderungen der Maschinenrichtlinie eingehalten wurden.

Im Hinblick auf kollaborierende Robotersysteme sind die Anforderungen in DIN EN

ISO 10218-1 und DIN EN ISO 10218-2 aufgrund dieser relativ neuen

Technologiesparte noch unvollständig beschrieben. Daher wurden mit der

Technischen Spezifikation ISO/TS 15066 [4] ergänzende Anforderungen formuliert.

Diese Inhalte sollen zu einem späteren Zeitpunkt in die Überarbeitung der Normen

EN ISO 10218-1 und EN ISO 10218-2 einfließen.

Ein nach der Maschinenrichtlinie erforderliches Dokument ist die Risikobeurteilung.

Sie muss spätestens dann beim Hersteller bzw. Integrator verfügbar sein, wenn sich

die Maschine auf dem Markt befindet. Risikobeurteilungen für kollaborierende

Robotersysteme unterscheiden sich in der Vorgehensweise nicht grundlegend von

solchen für andere Maschinen oder Roboteranlagen. Bei kollaborierenden

Robotersystemen gilt es, die unmittelbare Nähe von Mensch und Robotersystem

besonders zu berücksichtigen und entsprechende Schutzmaßnahmen abzuleiten.

Eine ausführliche Zusammenstellung möglicher Gefährdungen, die bei

kollaborierenden Robotersystemen zu berücksichtigen sind, können in [3] und [4]

nachgelesen werden. Die von der Risikobeurteilung abzuleitenden

Schutzmaßnahmen können traditioneller Art sein, wie z. B. Lichtvorhänge oder

Laserscanner. Ebenso können auch neuartige Maßnahmen, wie Kraftbegrenzungen

oder Begrenzungen des Bewegungsbereiches, angewendet werden. Auch eine

Kombination von beidem ist möglich. Die grundlegenden Anforderungen dazu sind in

DIN EN ISO 10218-1 und 10218-2 sowie ISO/TS 15066 festgelegt.

Welche Voraussetzungen muss der Roboter erfüllen?

Es gibt verschiedene Ansätze, einen Roboter so auszustatten, dass er für den

kollaborierenden Betrieb geeignet ist und von einem Betreiber beschafft werden

kann. Er kann zum einen mit Sensoren bestückt werden, die bei Annäherung eines

Menschen rechtzeitig einen Bewegungsstopp auslösen. Zum anderen können die bei

einer Kollision auftretenden Kräfte und Drücke durch eine sichere Kraft- oder

Drehmomentbegrenzung auf ungefährliche Werte reduziert werden. Beide Ansätze

werden auch miteinander kombiniert. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen

sich auf Roboter mit Kraftbegrenzung.

In der DIN EN ISO 10218-1 sind obligatorische Sicherheitsfunktionen für

Industrieroboter festgelegt, wie z. B. ein Not-Halt, ein abschließbarer

Betriebsartenwahlschalter sowie ein Zustimmschalter. Für die Mensch-Roboter-

Kollaboration müssen diese Roboter bei der Kraftbegrenzung in der Regel über

folgende ergänzende Sicherheitsfunktionen verfügen:

a) Sichere Überwachung/Begrenzung des Drehmoments bzw. der Kraft

Neben der zu berücksichtigenden Kantengeometrie der am Arbeitsprozess

beteiligten Oberflächen des Robotersystems beeinflusst die anstehende Kraft den

Druck an den Kontaktflächen. Aus der roboterseitigen Überwachung der Kraft

bzw. des Drehmoments resultiert somit auch die Überwachung des Drucks.

b) Sichere Überwachung der Geschwindigkeit

Bei Kraft- und/oder Drehmomentüberwachungen muss eine Stoppreaktion unter

Berücksichtigung der Reaktionszeit des Systems erfolgen. Für die sich hieraus

ergebende maximale Geschwindigkeit ist eine sichere Überwachung erforderlich.

c) Sichere Überwachung der Position

Um Arbeitsbereiche definieren und abgrenzen zu können (z. B. zum geforderten

Ausschluss von Hals und Kopf), ist in der Regel eine Funktion „sicher überwachte

Position“ zur Eingrenzung des Bewegungsbereichs erforderlich.

Die Sicherheitsfunktionen müssen der Kategorie 3 Performance Level d nach DIN

EN ISO 13849-1 [6] entsprechen. Darüber hinaus sollten alle Roboterteile

(Roboterarme, Werkzeugaufnahme) gerundete Kanten besitzen. Eine Polsterung

vergrößert die Flächen und wirkt sich bei Körperkontakt dämpfend und damit positiv

aus. Um die Kontaktkräfte aufgrund von Massenträgheit gering zu halten, sollten

auch die Traglasten gering sein.

Wie wird die Sicherheit in der Applikation erreicht ?

Beim Identifizieren von Gefährdungen muss die gesamte Applikation betrachtet

werden. Neben dem eigentlichen Roboter sind daher auch die Roboterwerkzeuge,

Werkstücke, Fördertechnik sowie alle beteiligten Vorrichtungen einzubeziehen.

Grundsätzlich muss die Applikation so gestaltet werden, dass es

bestimmungsgemäß nicht zu einer Kollision zwischen Mensch und Roboter kommt.

Im Falle eines unbeabsichtigten Eingreifens, z. B. aufgrund einer

unvorhergesehenen Störung, dürfen bestimmte Grenzwerte für Kraft und Druck bei

der Kollision nicht überschritten werden. Diese Grenzwerte sind in ISO/TS 15066

festgelegt. Die Grenzwerte sind je nach Körperbereich verschieden, da z. B. die

Brust, der Bauch oder auch eine Hand über eine unterschiedliche

Druckempfindlichkeit verfügen. In der Literatur sind sie unter dem Begriff

„biomechanische Grenzwerte“ zu finden. Basis für diese Grenzwerte sind u.a. von

der Berufsgenossenschaft Holz und Metall geförderte Forschungsprojekte, deren

Ergebnisse zur Gewährleistung der Vermeidung bzw. Minimierung von

Beeinträchtigungen von Sicherheit und Gesundheit der Beschäftigten in die

internationale Normung erfolgreich eingebracht werden konnten. Die

Forschungsprojekte wurden unter Einhaltung aktueller Standards solcher Studien,

wie z.B. einer Ethikkommission, durchgeführt.

Gibt es keine Erfahrungen über eintretende Kontaktkräfte und Drücke (z. B. durch

Simulationstools), müssen diese Werte für die ausgewählten Kontaktszenarien nach

ISO/TS 15066 messtechnisch ermittelt werden. Unter der Voraussetzung einer

durchdachten Applikationsgestaltung und Bahnplanung können sich die Messungen

für ein typisches Robotersystem in der Kollaborationsart Kraftbegrenzung auf wenige

ausgewählte Kontaktszenarien reduzieren. Die Werte setzen sich aus einem Druck-

Grenzwert und einem Grenzwert für die Kraft zusammen. Kommt es zum Kontakt,

entsteht in der Regel ein transienter, impulsartiger Belastungseffekt (Spitzendruck,

Spitzenkraft) sowie ein quasistatischer Belastungseffekt (Klemmdruck, Klemmkraft).

In der ISO/TS 15066 sind die Grenzwerte für beide Wirkungen aufgeführt.

Bild 1: Vorbereitung der Kraft- und Druckmessung am Werkzeug eines kollaborierenden Robotersystems [8]

Beim Druck-Grenzwert ist der Einfluss der Geometrie aller am Arbeitsprozess

beteiligten Maschinenteile (Kanten, Ecken, Spitzen) berücksichtigt. Dabei gilt: Je

kleiner die Flächen, das heißt je scharfkantiger z. B. Werkzeuge sind, desto höher ist

der Druck.

Der Grenzwert für die Kraft wird z. B. für großflächige oder gepolsterte Teile des

Robotersystems besonders relevant. Bei einem solchen Kontakt des Robotersystems

mit Körperteilen ist der gemessene Druck unkritisch. In diesem Fall muss die Kraft

begrenzt werden, sodass trotz weichem Auftreffen auf den Körper nur in o.g.

Forschungsprojekten ermittelte, akzeptable Belastungen für tiefer liegendes

Körpergewebe entstehen. Ebenso dürfen keine Personen umgestoßen werden

können.

Deswegen sind immer beide Grenzwerte, für Kraft und für Druck, zu berücksichtigen.

Wird einer der Grenzwerte überschritten, ist der Test nicht bestanden. In der Regel

müssen dann die am Roboter eingestellten Sicherheitslimits für die Kraft in

Verbindung mit der sicher überwachten Geschwindigkeit reduziert werden. Werden

danach beispielsweise die Druckwerte weiterhin überschritten, muss die Konstruktion

geändert werden: durch größere Flächen, verstärkte Polsterung, federnd gelagerte

Greifer etc. Nicht als Sicherheitsfunktion ausgewiesene Begrenzungen von Kraft,

Geschwindigkeit und dergleichen bleiben bei der Messung unberücksichtigt. Es muss

im Robotersystem möglich sein, solche Funktionen für Programmier- und

Messzwecke auszuschalten bzw. es müssen Worst-Case-Annahmen getroffen

werden (größtmögliche Kraft, Geschwindigkeit, Reichweite etc.).

Große, kantige und schwere Werkstücke sind nach heutigem Stand der Technik für

diese Art der Kollaboration nicht geeignet. Die Massenträgheit schwerer Werkstücke

führt in der Regel zur Überschreitung der Kraft- bzw. Druckgrenzwerte.

Des Weiteren sind die für den Kollaborationsbetrieb vorgesehenen

Roboterbewegungen ausschlaggebend. In der Regel können mithilfe der Funktion

„Sichere Begrenzung des Bewegungsbereiches“ die Verfahrwege des Roboters

eingegrenzt werden, um sensible Körperteile wie beispielsweise den Kopf und Hals

bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung vom Arbeitsbereich ausschließen zu

können. Falls weiterhin Risiken bestehen, müssen diese Bereiche durch zusätzliche

trennende oder auch transparente Schutzeinrichtungen vom Zugang ausgeschlossen

sowie mit ergänzenden Anweisungen an die Benutzerin oder den Benutzer versehen

werden.

Für Scher-, Schneid- oder Stichgefährdungen existieren keine biomechanischen

Grenzwerte. Die Applikation muss Gefährdungen dieser Art ausschließen. Ansonsten

ist kein kollaborierender Betrieb zulässig.

Not-Halt Einrichtungen sollten zudem leicht erreichbar und in ausreichender Anzahl

vorhanden sein. Wegen des möglichen direkten Kontaktes zwischen Person und

Robotersystem muss es eine Einrichtung am Robotersystem geben, mit der sich

Personen jederzeit selbständig befreien können.

Wie sieht das Messverfahren für die biomechanischen Grenzwerte aus?

Für die Messung der biomechanischen Grenzwerte sollte ein System wie auf Bild 2

angewendet werden.

Bild 2: Beispiel eines Messsystems für Kraft und Druck. [8]

Dabei kann die Feder entsprechend der Federkonstanten K2 der verschiedenen

Körperbereiche ausgewählt werden (vgl. Tabelle). Ebenso wird ein

Dämpfungsmaterial ausgewählt, das die obenliegenden Gewebeschichten je nach

Körperbereich repräsentiert (Federkonstante K1).

Körperregion Federkons

t. K1

[N/mm]

Federkons

t. K2

[N/mm]

Schädel und Stirn* 120 150

Gesicht* 100 75

Nacken* 90 50

Rücken und Schultern 80 35

Brust 75 25

Bauch 35 10

Becken 110 25

Oberarm und

Ellenbogen

70 30

Unterarm und

Handgelenk

85 40

Hand und Finger 125 75

Oberschenkel und Knie 95 50

Unterschenkel 100 60

Tabelle: Federkonstanten für Körperregionen. [8]

* Bei Mensch-Roboter-Kollaboration müssen ergänzende Schutzmaßnahmen sicherstellen,

dass der Kopf im Rahmen der bestimmungsgemäßen Verwendung vom Arbeitsbereich

ausgeschlossen werden kann.

Das System muss Messungen ermöglichen, die entweder gleichzeitig oder

aufeinanderfolgend sowohl den zeitlichen Verlauf der Krafteinwirkung als auch des

Drucks für die jeweilige Kontaktsituation ermitteln. Es kann davon ausgegangen

werden, dass die zeitlichen Verläufe von Kraft und Druck im Verhältnis miteinander

korrespondieren. Es kann daher ausreichen, nur den zeitlichen Verlauf der Kraft

aufzuzeichnen und das Druckmaximum mit einer Druckmessfolie zu bestimmen und

den Klemmdruck zuzuordnen.

Bild 3: Druckverteilung einer kantigen Kontur mit Druckmaximum (Beispiel). [8]

Bei komplexeren Applikationen kann der messtechnische Aufwand viel Zeit

beanspruchen. Praktische Erfahrungen belegten jedoch, dass die

Kraftmessergebnisse beim Austausch der diversen Federn wenig voneinander

abweichen. Bleiben Kopf und Hals außerhalb des Arbeitsbereichs des

Robotersystems, kann es im Rahmen der bestimmungsgemäßen Verwendung sowie

der vorhersehbaren Fehlanwendung ausreichen, nur die ungünstigste (härteste)

Feder mit einer Federkonstanten K2 von 75 N/mm zu verwenden. Ebenso konnte in

vielen Fällen die Anzahl der Dämpfungsmaterialien reduziert werden. Durch diese

Erfahrungen konnte der Aufwand deutlich reduziert werden. Zudem ließen sich

handliche und praxistaugliche Messgeräte entwickeln, die mittlerweile auf dem Markt

sind.

Bild 4: Kraftmessgerät (Beispiel).

Viele Hersteller von kollaborierenden Robotern lassen die Übereinstimmung ihres

Produktes mit dem Regelwerk zusätzlich durch eine unabhängige Prüfstelle

zertifizieren, wie z.B. der Prüf- und Zertifizierungsstelle Maschinen und

Fertigungsautomation im DGUV Test bei der Berufsgenossenschaft Holz und Metall.

Wichtig ist dabei, dass die Roboter in einer geeigneten und typischen Applikation

überprüft werden. Nur so kann festgestellt werden, ob die oben genannten

Grenzwerte auch unter Praxisbedingungen eingehalten werden.

Durch die erwähnten praxistauglichen Messverfahren und –geräte, werden

Hersteller, Integratoren und Betreibende in die Lage versetzt, die Bewertung

kollaborierender Roboter in der Applikation mit vertretbarem Aufwand selbst

vorzunehmen.

Für die Zukunft ist u.a. seitens der Roboterhersteller die Entwicklung von

Simulationstools zu erwarten, die einen schrittweisen Verzicht auf Messungen

ermöglichen.

Veröffentlichung

Erschienen im November 2016 in der Zeitschrift „Technische Sicherheit“, Ausgabe

November/Dezember 2016.

Kontakt

Sollten Sie als Medienvertreterin oder -vertreter auf Autorensuche für Fachartikel oder Themen sein,

kontaktieren Sie uns gerne per E-Mail an presse@bghm.de

Literatur:

[1] RICHTLINIE 2006/42/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES

RATES vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie

95/16/EG (Neufassung) - Amtsblatt der Europäischen Union L 157/24

[2] DIN EN ISO 10218-1 Industrieroboter - Sicherheitsanforderungen - Teil 1:

Roboter, 2012-01, Beuth-Verlag, Berlin

[3] DIN EN ISO 10218-2 Industrieroboter - Sicherheitsanforderungen - Teil 2:

Robotersysteme und Integration, 2012-06, Beuth-Verlag, Berlin

[4] ISO/TS 15066 Roboter und Robotikgeräte – Kollaborierende Roboter, 2016-02,

Beuth-Verlag, Berlin

[5] DGUV-Information 209-074 “Industrieroboter”. Deutsche Gesetzliche

Unfallversicherung e.V. (DGUV). Ausgabe Januar 2015.

[6] DIN EN ISO 13849-1 Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von

Steuerungen - Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze, 2008-12, Beuth-Verlag

[8] DGUV Information Nr. 080 des Fachbereichs Holz und Metall „Kollaborierende

Robotersysteme“ (Entwurf 11/2015),

Internet: www.bghm.de Webcode: <626>

[9] Umbreit, M.: Fachbeitrag „Arbeitsplätze mit kollaborierenden Robotern“, ASU

protect 1/2012.