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Mensch und Roboter im Team: Die Stärken des Roboters sind Wiederholgenauigkeit, Ausdauer, Geschwindigkeit und Traglast, die des Werkers seine kreative Lösungsfindung, Entscheidungsfähigkeit und Geschicklichkeit.

Bild: Fraunhofer IPA

MRK wirtschaftlich planen und umsetzen Mensch trifft Maschine

11.10.2017

Die direkte Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter eröffnet völlig neue Möglichkeiten für Automatisierungslösungen. Für solche Kollaborationen ist jedoch eine systematische Planung unter Beachtung aller relevanten Normen essenziell. Das Institut Fraunhofer IPA berät und begleitet Unternehmen von der Konzeption bis zur Inbetriebnahme.

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Anwendungen mit Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) sind definitionsgemäß eine Mischung aus Werker- und Robotereinsatz. Während der Roboter seine Stärken wie Wiederholgenauigkeit, Ausdauer, Geschwindigkeit und Traglast ausspielen kann, steuert der Werker seine kreative Lösungsfindung, seine Entscheidungsfähigkeit und seine Geschicklichkeit zum Prozesserfolg bei. In Bezug auf die Arbeitsabläufe, die Kosten und den Aufwand für die Sicherheit befinden sich MRKs immer im Spannungsfeld zwischen einer Vollautomatisierung und einer rein manuellen Ausführung. Eine Vollautomatisierung hat vergleichsweise hohe Fixkosten und geringe Variantenflexibilität. Bei der manuellen Ausführung schlagen relativ hohe variable Kosten zu Buche, dafür bietet sie eine hohe Variantenflexibilität. Das Ziel einer wirtschaftlichen MRK-Anwendung besteht darin, den jeweils hohen Kostenfaktor der beiden Extreme deutlich zu reduzieren.

Schlank und wandlungsfähig

Dieses Ziel lässt sich erreichen, wenn MRK im Rahmen der sogenannten „Lean Automation“ umgesetzt wird. Bei diesem Verfahren werden die Stärken von Werker und Roboter gleichermaßen genutzt, um den Grad der Automatisierung in der Montage sinnvoll zu erhöhen. Die Fixkosten sind niedriger, weil keine Schutzzäune und wenig Peripherie benötigt werden. Auch verringert sich die Anzahl der erforderlichen externen Sensoren, da die internen Bordmittel des Roboters für die Sicherheits- und Prozessüberwachung genutzt werden können. Diese Maßnahmen sorgen dafür, dass die Anwendung flexibler wird und einfacher abzusichern ist. Eine weitere Erhöhung der Wandlungsfähigkeit ergibt sich, wenn auch der Facharbeiter den Roboter einfach programmieren kann.

Die variablen Kosten der manuellen Ausführung verringern sich dank des Synergieeffekts zwischen Roboter und Werker: Beispielsweise kann der Werker eine Aufgabe schneller ausführen als der Roboter, oder bestimmte Aufgaben lassen sich zwischen Werker und Roboter parallelisieren, oder die Unterstützung durch den Roboter führt zu einem qualitativ besseren Ergebnis.

Spezifische Sicherheitskonzepte

Die Grundvoraussetzung für die Inbetriebnahme einer MRK-Anwendung ist immer deren Sicherheit. Hier kommen die Sicherheitsrichtlinien der ISO 10218 und der ISO/TS 15066 ins Spiel. Während bei herkömmlichen Roboteranlagen jeglicher Kontakt zwischen Maschine und Werker unterbunden wird, ist dieser bei MRKs naturgemäß erlaubt beziehungsweise mitunter sogar notwendig. Hierfür muss eine sicherheitsgerichtete Steuerung oder Sensorik eingesetzt werden. Entscheidend ist, eine sinnvolle Balance zwischen Sicherheit und Produktivität zu finden. Dies kann über die Steuerung der Auslastung erreicht werden. Auch muss der Kontakt zwischen Mensch und Roboter bewertet und auf mögliche Belastungen des Menschen hin analysiert werden. Die Gefährdungsbeurteilung erfordert ein detailliertes Vorgehen, das die Anwendung als Ganzes berücksichtigt.

Hinsichtlich der ISO 10218 muss die Sicherheitsgestaltung unter Berücksichtigung der Bedienerzugänglichkeit sowie des Sicherheitsschutzlevels der Komponenten erfolgen. Weiterhin gilt es, das Kollisionspotenzial abzuschätzen, beispielsweise über die Kraft und den Druck an Klemmstellen oder mithilfe der zulässigen Robotergeschwindigkeit. Falls das Kollisionspotenzial als nicht tolerierbar eingestuft wird, müssen die Sicherheitsabstände je nach Geschwindigkeit, Bremswegen und Kennwerten der Überwachungssysteme zur Bedienerortung berechnet werden. Für die CE-Kennung sind Hersteller verpflichtet, eine Risikoanalyse durchzuführen und in diesem Rahmen mögliche Kontakte zwischen Mensch und Roboter entsprechend zu bewerten. Dies erfolgt entsprechend der Normen experimentell mit Kraftaufnehmern und Druckmessfolien.

Vier Kollaborationsszenarien

Die ISO-Normen geben vier mögliche Kollaborationsszenarien vor, die eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die strukturierte Planung von MRK-Anwendungen bieten. Ihre Eignung hängt von den Anforderungen ab, die hinsichtlich Taktzeit, Flexibilität und Kosten an die betreffende Anwendung gestellt werden.

Beim Szenario „Stopp bei Zutritt“ bewegt sich der Roboter innerhalb eines festgelegten Arbeitsraumes. Betritt der Werker diesen Bereich, hält der Roboter an. Sobald der Werker den Raum verlässt, läuft der Roboter automatisch wieder an. Mensch und Roboter teilen sich also einen Arbeitsplatz, es gibt jedoch keine direkte Interaktion und kein gleichzeitiges Arbeiten. Dieses Szenario wird auch als Koexistenz bezeichnet.

Beim zweiten Szenario „Handführen“ gibt es eine physische Interaktion, indem der Werker die Bewegung direkt vorgibt. Dieses Szenario eignet sich beispielsweise zur Roboterprogrammierung oder zur assistierten Positionierung. Schutzprinzipien sind hier die Begrenzung der Robotergeschwindigkeit sowie die aktive Bewegungsfreigabe durch eine Zustimmeinrichtung.

Beim dritten Szenario „Abstands- und Geschwindigkeitsüberwachung“ stoppt das Robotersystem und löst sicherheitsrelevante Funktionen aus, sobald ein definierter Sicherheitsabstand unterschritten wird. Sobald der Sicherheitsabstand wieder eingehalten ist, führt der Roboter seine Bewegungen fort. Grundsätzlich gilt: Je langsamer sich der Roboter bewegt, desto niedriger kann der Sicherheitsabstand sein. Um den korrekten Sicherheitsabstand zu ermitteln, müssen mehrere Parameter wie die Positionsunsicherheit des Roboters oder Standortwechsel und Reaktionszeiten des Bedieners berücksichtigt werden. Um in Zukunft die Geschwindigkeit des Roboters kontinuierlich an den Abstand zum Werker anpassen zu können, wird die Entwicklung entsprechender Sicherheitstechnologien vorangetrieben.

Als letztes MRK-Szenario sind die kraftbegrenzten Roboter zu nennen. Da sie leichter als herkömmliche Industrieroboter sind, besitzen sie eine geringere Kollisionsenergie und können somit das Gefährdungsrisiko reduzieren. Für einen sicheren Kontakt verfügen sie über eine (interne oder externe) Kraft- und Momentenbegrenzung. Mit diesen Robotern sind sowohl eine Koexistenz als auch eine direkte Interaktion möglich.

Systematische Planung

Die direkte Zusammenarbeit zwischen Werker und Roboter im Rahmen von MRK bietet neue Chancen für (Teil-)Automatisierungslösungen. Als Mehrwert seien an dieser Stelle die erhöhte Wandlungs- und Reaktionsfähigkeit sowie die langfristige Anlagennutzung genannt. Grundvoraussetzung für eine effiziente und normenkonforme MRK-Lösung ist jedoch deren systematische Vorbereitung und Durchführung. Als unabhängiger und erfahrener Technologieberater steht das Fraunhofer IPA allen Unternehmen, die sich für MRK-Anwendungen interessieren, gerne zur Verfügung.

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