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Professionelle Serviceroboter im industriellen Umfeld steigern die Effizienz von Arbeitsabläufen. Die Anforderungen an die Sicherheit von Applikationen einer Mensch-Roboter-Kooperation sind hoch. Bild: Pilz
Safety-Normen

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Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration

Text: Jochen Vetter, Pilz
Die Effizienz von Roboterapplikationen steigt, je enger Mensch und Maschine zusammen arbeiten können. Für die sichere Zusammenarbeit wurden Normen erarbeitet, die es zu beachten gilt. Einzelne statische oder eindimensionale Schutzeinrichtungen stoßen dabei immer häufiger an Grenzen.

Der Trend geht weg von der kompletten Umhausung von Roboterzellen hin zu Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK), die möglichst ohne trennende Schutzeinrichtungen auskommen und dennoch Sicherheit für den Werker gewährleisten. In der Praxis erfordert jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung. Roboter sind im Sinne der Maschinenrichtlinie unvollständige Maschinen. Für detaillierte Sicherheitsanforderungen stehen die beiden Normen ISO 10218 Teil 1 und Teil 2 zur Verfügung. Die deutschen Fassungen beider Teile sind als EN ISO 10218-1:2011 und EN ISO 10218-2:2011 veröffentlicht und als harmonisierte C-Normen unter der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG gelistet. Im Teil 2 finden sich auch Angaben zum kollaborierenden Betrieb.

Normenlage in Theorie und Praxis

Bei der Planung einer MRK-Applikation ist die Auswahl des Roboters für den Systemintegrator ein wesentlicher Punkt. Für die Verifikation und Validierung der Sicherheitsanforderungen sind unterschiedliche Methoden anzuwenden, darunter optische Kontrollen, praktische Tests und Messungen. Insgesamt muss der Systemintegrator über 200 Punkte verifizieren beziehungsweise validieren. Die Normenlage ist also in der Theorie eindeutig.

In der Praxis stellt sich jedoch die Frage, ob mit diesem Normengerüst eine MRK sicher umzusetzen ist. Um Lösungswege aufzuzeigen, wurde daher das internationale Normengremium ISO/TC 184/SC2 WG3 beauftragt, die Technische Spezifikation ISO/TS 15066 zu erarbeiten. Als Mitglied in diesem internationalen Normengremium arbeitet Pilz mit Roboterherstellern, Integratoren, Prüfstellen (Notified Bodys wie die Berufsgenossenschaft) und anderen Automatisierungsunternehmen aktiv an der Ausgestaltung mit. Der derzeitige Entwurf ISO/TS 15066 konkretisiert hier Lösungen zu einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration im industriellen Umfeld.

Im Anhang der Technischen Spezifikation (TS) wurde ein Körperzonenmodell festgelegt. Das Modell definiert in den entsprechenden Körperzonen Punkte mit Angaben zur jeweiligen Schmerzschwelle. Nach der Veröffentlichung der ISO/TS15066 – voraussichtlich frühstens Ende 2015 – können diese Schmerzschwellenwerte dann als Validierung zur sicheren MRK herangezogen werden. Das Körperzonenmodell macht zu jedem Körperteil – am Kopf, an der Hand, am Arm oder am Bein – eine Angabe zur jeweiligen Schmerzschwelle, die den Beginn der Schmerzgrenze markiert. Bleibt die Anwendung während einer Begegnung zwischen Mensch und Roboter innerhalb dieser Grenzen, so ist sie normenkonform.

Schritte zur sicheren MRK-Applikation

Beim Umsetzen der normativen Vorgaben bedeutet das Einstufen als Maschine im Sinne der Maschinenrichtlinie, dass für Roboterzellen das Konformitätsbewertungsverfahren Schritt für Schritt zu durchlaufen ist. Der Roboter an sich stellt nur eine unvollständige Maschine dar; erst durch Greifer oder 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 sicherheitstechnische Überprüfung verantwortlich.

Einer der wichtigsten Punkte auf dem Weg zur sicheren Roboterapplikation ist das Erstellen einer Risikoanalyse gemäß EN ISO 12100. Die Herausforderung der 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 die Bewegungen des Menschen berücksichtigt werden. Diese sind jedoch nicht immer kalkulierbar mit Blick auf Geschwindigkeit, Reflexe oder plötzlichen Zutritt zusätzlicher Personen.

Auf Basis der Risikoanalyse folgen die Schritte Sicherheitskonzept und Sicherheitsdesign inklusive Auswahl der Komponenten. Mit den aus der Risikoanalyse und dem Sicherheitskonzept gewonnenen Ergebnissen 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. Eine Validierung ist essenziell für den Beweis, dass Maschinen sicher sind. Zusätzliche Hilfestellung bei Roboterapplikationen bieten dabei die Checklisten der EN ISO 10218-2. Schließlich bestätigt der Integrator mit dem Anbringen der CE-Kennzeichnung, dass die Roboterzelle mit ihren zugesicherten Eigenschaften bei bestimmungsgemäßer Verwendung allen gesetzlichen Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und Auflagen entspricht.

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 für sichere MRK immer einer sicherheitstechnischen Betrachtung der Applikation sowie zusätzlicher Komponenten und Systeme. 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 – zum Beispiel zur sicheren Berechnung der Bewegungen des Roboters, mit der die Bahn des Roboterarms voraus berechnet werden kann.

Um das Schutzziel zu erreichen sind allerdings in vielen Fällen solche sicheren Motion-Funktionen nicht ausreichend. Es werden oft Kombinationen nötig sein, bestehend aus einer Nahfeldabsicherung (etwa taktile Sensoren) und einer persönlichen Schutzausrüstung mit Schutzbrille und -kleidung sowie sicherer Sensorik für die Überwachung des Schutzraums – wie etwa das sichere 3D-Kamerasystem Safetyeye von Pilz. Letzteres ist in der Lage, Warn- und Schutzräume dreidimensional sicher zu überwachen. Ein Verbund von Sensorik, Steuerung und Aktorik eröffnet neue Freiheitsgrade beim Planen von dynamischen Prozessabläufen und von Arbeitsbereichen, in denen Mensch und Roboter sicher interagieren.

Sicher nur im Zusammenspiel

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 Sicherheitskomponenten und schließlich der Validierung durch einen Systemintegrator.

Norm im nicht-industriellen Bereich

Die erste Sicherheitsnorm, die sich mit dem direkten Kontakt zwischen Mensch und Roboter im nicht-industriellen Robotikbereich auseinandersetzt, ist die ISO 13482: Robots and Robotic Devices– Safety Requirements for Personal Care Robots. Die ISO 13482 wurde als C-Norm in der internationalen Normenarbeitsgruppe ISO/TC 184/SC2 WG 7 erarbeitet in der auch Pilz aktiv mitgearbeitet hat. Die Norm wurde als ISO-Fassung am 1. Februar 2014 veröffentlicht und befindet sich momentan in der Übersetzung in die deutsche Sprache.

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