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Sicherheitslösungen für die intelligente Mensch-Roboter-Kollaboration

18.04.2017

Die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) beschreibt ein Arbeitsszenario, bei dem sich Menschen und automatisierte Maschinen den gleichen Arbeitsraum teilen und auch gleichzeitig darin arbeiten. Getrieben von Industrie 4.0 verspricht dieses Modell der Zusammenarbeit hochgradig flexibilisierte Arbeitsabläufe, höchste Anlagenverfügbarkeit und -produktivität sowie wirtschaftliche Effizienz. Aber erst die jeweils applikationsspezifisch richtige Sicherheitstechnik gewährleistet, dass die MRK diese Versprechen auch einlösen kann.

 

Mensch-Roboter-Interaktion: eine Frage von Raum und Zeit

Das Zusammenspiel von Menschen und Maschinen rückt nicht erst mit Industrie 4.0 in den Fokus der industriellen Automatisierung. Bislang mit etwa 90 Prozent dominierend sind zwei Interaktionsszenarien: die Koexistenz und die Kooperation. Raum und Zeit sind hierbei die maßgebenden Interaktionsparameter. Eine Arbeitssituation, in der sich Mensch und Maschine bei der Interaktion zeitgleich in benachbarten Bereichen aufhalten, wird als Koexistenz bezeichnet. Eine Interaktion, bei der sich Mensch und Maschine einen gemeinsamen Arbeitsraum teilen, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten darin arbeiten, erfüllt die Bedingungen einer Kooperation.

Im Rahmen von Industrie 4.0 rückt eine dritte Interaktionsform zunehmend in den Mittelpunkt: die Kollaboration von Menschen und Robotern. Hierbei teilen sich beide zum gleichen Zeitpunkt denselben Arbeitsraum. In solchen kollaborativen Szenarien reichen die industriellen Standard-Roboter mit einer sicheren Kinematik nicht mehr aus und kollaborative Roboter sollten benutzt werden. Jetzt müssen Kräfte, Geschwindigkeiten und Verfahrwege der Roboter überwacht werden und – in Abhängigkeit vom tatsächlichen Gefährdungsgrad – beschränkt werden. Wenn notwendig wird der Roboter gestoppt oder ausgeschaltet. Die Distanz zwischen Mensch und Roboter wird damit zum entscheidenden sicherheitsrelevanten Parameter.

 

Am Anfang steht immer die Risikobeurteilung – auch bei „Cobotern“

Keine Mensch-Roboter-Kollaboration gleicht der anderen – daher ist eine individuelle Risikobeurteilung der MRK-Applikation selbst dann erforderlich, wenn der eingesetzte Roboter speziell für die Kollaboration mit dem Menschen entwickelt wurde – ein solcher „Coboter“ also schon von der grundsätzlichen Auslegung her eine Vielzahl von Merkmalen einer inhärent sicheren Konstruktion aufweist. Gleichzeitig muss auch der Kollaborationsraum grundlegende Anforderungen erfüllen, z. B. hinsichtlich von Mindestabständen zu angrenzenden begehbaren Bereichen mit Quetsch- oder Einklemmgefahren. Normative Grundlage für die funktionale Sicherheit von MRK-Anwendungen sind zum einen generelle Normen wie die IEC 61508, die IEC 62061 und die ISO 13849-1/-2. Darüber hinaus sind die ISO 10218-1/-2 zur Sicherheit von Industrierobotern und speziell die ISO/TS 15066 über Roboter für den Kollaborationsbetrieb zu berücksichtigen.

Entwickler und Integratoren von Robotersystemen müssen die vom Roboterhersteller vorgenommenen konstruktiven Schutzmaßnahmen nicht nur sorgfältig auf ihre Normenkonformität und Funktionalitäten überprüfen, sondern auch eventuell verbleibende Gefährdungen und Risiken berücksichtigen. Hierzu gilt es, für das Robotersystem, eine Risikobeurteilung nach ISO 12100 durchzuführen, um daraus die entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen zur Risikominderung abzuleiten – z. B. Sicherheits-Lichtvorhänge oder Sicherheits-Laserscanner.

 

Sicherheitsgerichtete Betriebsarten kollaborierender Robotersysteme

In Anlehnung an die technische Spezifikation (ISO/TS 15066) lassen sich vier Arten des kollaborierenden Betriebs unterscheiden. Der „sicherheitsbewertete überwachte Halt“ stoppt den Roboter zur Interaktion mit dem Menschen; bei der „Handführung“ wird die sichere MRK dadurch gewährleistet, dass der Roboter bei angemessen reduzierter Geschwindigkeit bewusst von Hand geführt wird. Bei der dritten Kollaborationsart – der „Leistungs- und Kraftbegrenzung“ – wird die erforderliche Sicherheit dadurch erreicht, dass Leistung, Kraft und Geschwindigkeit des Roboters gesenkt werden, z. B. durch Begrenzungsfunktionen der sicherheitsrelevanten Steuerungssystemen oder durch inhärent sichere Konstruktion des Roboters auf eine biomechanische Belastungsgrenze, bei der keine Gefährdungen oder Verletzungen zu erwarten sind. Dies geschieht unabhängig davon, ob ein physischer Kontakt zwischen dem Roboter und einem Mensch beabsichtigt oder unbeabsichtigt erfolgt.

Ganz im Sinne hochgradig flexibler Arbeitsszenarien ist die Kollaborationsart der „Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung“. Sie basiert darauf, dass die Geschwindigkeit und die Verfahrwege des Roboters überwacht und abhängig von der Arbeitsgeschwindigkeit des Bedieners im abgesicherten Kollaborationsraum angepasst werden. Sicherheitsabstände werden dabei permanent überwacht und der Roboter bei Bedarf verlangsamt, gestoppt oder sein Verfahrweg geändert. Vergrößert sich der Abstand zwischen Bediener und Maschine wieder über den Mindestabstand hinaus, kann das Robotersystem seine Bewegungen mit üblichen Geschwindigkeiten und Verfahrwegen automatisch fortführen. Dadurch wird die Produktivität des Roboters unverzüglich wieder hergestellt.

 

Funktionale Sicherheit für MRK: Expertise, Portfolio und Umsetzung aus einer Hand

Die Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung in MRK-Anwendungen bietet das größte Zukunftspotenzial der verschiedenen Kollaborationsarten der ISO/TS 15066. Im Vergleich mit diesen, aber auch mit Blick auf die bislang noch dominierenden Interaktionsszenarien der Koexistenz und der Kooperation, wird deutlich, dass die sicherheitsgerichtete Sensor- und Steuerungstechnik vor neuen Herausforderungen steht, um eine ungehinderte MRK zu ermöglichen.

SICK Sensor Blog
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Josef Zimmermann
Josef Zimmermann

Josef Zimmermann 

Technical Industry Manager Robotics

Seit 2010 kümmert sich Josef Zimmermann als Technical Industry Manager intensiv um das Thema Robotik. Als Applikationsingenieur im Bereich Lasermesstechnik und Netzwerktechnologien stieg er 2000 bei SICK ein. Berührungspunkte zu seinem heutigen Aufgabenfeld ergaben sich schon früh über die Navigation autonomer Fahrzeuge sowie Projekte in der Industrie- und Servicerobotik.

 

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