Kollaborierende Robotersysteme Voraussetzungen für den sicheren Betrieb

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1 Autor: Christoph Meyer Kollaborierende Robotersysteme Voraussetzungen für 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

2 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/Inverkehrbringer/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 [2] und DIN EN ISO [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 und DIN EN ISO aufgrund dieser relativ neuen Technologiesparte noch unvollständig beschrieben. Daher wurden mit der Technischen Spezifikation ISO/TS [4] ergänzende Anforderungen formuliert. Diese Inhalte sollen zu einem späteren Zeitpunkt in die Überarbeitung der Normen EN ISO und EN ISO 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

3 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 und sowie ISO/TS 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 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.

4 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 [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 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

5 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 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 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

6 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

7 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]

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* Gesicht* Nacken* Rücken und Schultern Brust Bauch Becken Oberarm und Ellenbogen Unterarm und Handgelenk Hand und Finger Oberschenkel und Knie Unterschenkel 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.

9 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

10 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

11 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 Kontakt Sollten Sie als Medienvertreterin oder -vertreter auf Autorensuche für Fachartikel oder Themen sein, kontaktieren Sie uns gerne per an

12 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 Industrieroboter - Sicherheitsanforderungen - Teil 1: Roboter, , Beuth-Verlag, Berlin [3] DIN EN ISO Industrieroboter - Sicherheitsanforderungen - Teil 2: Robotersysteme und Integration, , Beuth-Verlag, Berlin [4] ISO/TS Roboter und Robotikgeräte Kollaborierende Roboter, , Beuth-Verlag, Berlin [5] DGUV-Information Industrieroboter. Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.v. (DGUV). Ausgabe Januar [6] DIN EN ISO Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen - Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze, , Beuth-Verlag [8] DGUV Information Nr. 080 des Fachbereichs Holz und Metall Kollaborierende Robotersysteme (Entwurf 11/2015), Internet: Webcode: <626> [9] Umbreit, M.: Fachbeitrag Arbeitsplätze mit kollaborierenden Robotern, ASU protect 1/2012.