Sicherheitsnachweis für Kollaborierende Roboter

Transkript

1 Sicherheitsnachweis für Kollaborierende Roboter Tagung zur Funktionalen Sicherheit , Erfurt Michael Huelke, Jürgen Ottersbach

2 Motivation zum Vortrag Konkrete funktionale Anforderungen Neue Arbeitsformen mit Maschinen Aspekt der Mensch-Maschine-Schnittstelle: Mechanische Körperbelastungen Geeigneter Nachweis Auswirkungen auf Maschinensicherheit? Seite 2

3 Überblick Normung / Definition Voraussetzungen und Kollaborations- Szenarien Anforderungen an kollaborierende Roboter Biomechanische Anforderungen Sicherheitsnachweis Weiterführende Informationen Seite 3

4 Normen für Industrieroboter Neuordnung der Normen für Industrieroboter im ISO/TC 184, SC2, WG3 Anforderungen an kollaborierende Roboter verteilt auf EN ISO Teil 1 und Teil 2 Detaillierte Anforderungen zu kollab. Robotern im Entwurf: ISO/TS 15066, später in zu überführen ISO/TS 15066: Robots and robotic devices - Safety requirements - Industrial collaborative workspace Empfehlungen von BG/IFA sind in den Entwurf der TS eingearbeitet und werden international diskutiert Seite 4

5 Definition eines kollaborierenden Roboters Aus DIN EN ISO :2012 Roboter, der für das direkte Zusammenwirken mit dem Menschen innerhalb eines festgelegten Kollaborationsraums konstruiert ist Arbeitsraum innerhalb des geschützten Bereichs, in dem der Roboter und der Mensch während des Produktionsbetriebs gleichzeitig [vorher festgelegte] Aufgaben ausführen können Roboter einschließlich Werkzeug und Werkstück Vier unterschiedliche Szenarien (je nach Autonomie des Roboters/Schutzmaßnahmen) Warum gibt es kaum Bilder/Videos? Viele geheime Projekte! Seite 5

6 Kollaborations-Szenarien Sicherer Halt Handführung Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung Leistungs- und Kraftbegrenzung (Kollisionen mit bewegtem Roboter möglich) Bildquelle: ISO : Seite 6

7 Voraussetzungen für kollaborierende Roboter Meist kleine, dafür konstruierte sichere Roboter Es sind geeignete techn. Schutzmaßnahmen zu implementieren PL d, Kategorie 3 bzw. SIL 2, HFT 1 Wesentlicher Baustein sind sichere Steuerungen. Sie können alle Bewegungen der Roboter gezielt überwachen. Voraussetzung: Über sichere Sensoren wie z.b. Kameras oder taktile Sensoren erkennt die Robotersteuerung, wo der Mensch sich bewegt Dennoch verbleibt ein Restrisiko eines Kontaktes Seite 7

8 Anforderungen in der Übersicht Technische Anforderungen -> Design und Steuerung des Roboters Biomechanische Anforderungen -> Design und Steuerung des Roboters Ergonomische Anforderungen -> Design von Arbeitsplatz und Roboter Organisatorische Anforderungen -> Arbeitszeit, Eignung, Zugangsbeschränkungen, Seite 8

9 Typische Sicherheitsfunktionen (ISO/TS 15066) Emergency stop function Protective stop function Minimum separation distance Maximum collaborative speed Power/force limiting Seite 9

10 Wichtige Technologien Sicherer Halt Handführung Safety Antrieb BWS Safety Steuerung Vision Sensoren Ultraschall Sensoren Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung Leistungs- und Kraftbegrenzung Nahfeld Sensoren Taktile Sensoren Kraft Sensoren Distanz Seite 10

11 Ergonomische Anforderungen TS 15066: Die Wahrnehmung, die Aufmerksamkeit und das Denken der Person darf durch die Arbeitsumgebung und den kollaborierenden Roboter nicht eingeschränkt oder gestört werden. Ziel der Forschung: Konkrete Empfehlungen wie Abstand, Geschwindigkeit, Trajektorien, usw. damit Personen sicher und gesund arbeiten können (z.b. Projekt ESIMIP) Seite 11

12 Organisatorische Anforderungen Zugangsbeschränkungen, z. B. Verbotsschilder, zum Kollaborationsraum Gesundheitliche Eignung einer Person sollte in geeigneten Abständen festgestellt werden Unterweisung über die Risiken, den Notfall und die dann erforderlichen Maßnahmen Rahmenbedingungen prüfen und festlegen (z. B. Arbeitszeiten, Pausen, Erste-Hilfe-Koffer, Meldebuch) Nach Kollisionen sind die Arbeitsfähigkeit der Person und die korrekte Einrichtung des Arbeitsplatzes zu prüfen Arbeitsmedizinische Hinweise veröffentlicht durch Muttray et.al., JGU Mainz Seite 12

13 Biomechanische Anforderungen im Detail Leistungs- und Kraftbegrenzung (Kollisionen mit bewegtem Roboter möglich)

14 Körpermodell für Risikoanalyse Mechanische Belastungen führen am Körper zu unterschiedlichen Beanspruchungen Risikoanalyse: Welche Körperbereiche sind betroffen? Kollaborationsraum sollte so minimal wie möglich sein Möglichst wenig exponierte Körperbereiche Sicherheitskonzept muss Kontakte soweit möglich vermeiden Vom Roboter darf kein Kontakt ausgehen! Seite 14

15 Zweistufiges Risikokonzept (in Diskussion) Beanspruchung Il 1 Il 2 Unerlaubter Bereich Verletzungsgrenze (Injury level) Toleranzbereich ( seltene vorhersehbare Fehlanwendung) Pl 1 Pl 2 Schmerzschwelle (Pain level) Akzeptanzbereich ( häufige bestimmungsgemäße Anwendung) Körperbereich 1 Z.B. Stirn Körperbereich 2 Z.B. Oberarm Körperbereiche Seite 15

16 Definition von Beanspruchungskriterien Seite 16

17 Definition von Beanspruchungskriterien Klemm-/Quetschkraft in [N] Stoßkraft in [N] Seite 17

18 Definition von Beanspruchungskriterien Druck/Flächenpressung in [N/cm²] Begrenzte lokale Beanspruchung in der Kollisionsfläche durch Druckspitzen Seite 18

19 Beispiel Grenzwerte Seite 19

20 BG/BGIA Empfehlungen Webcode d89188 Kollision und Verletzungskriterien Anforderungen Prüfung der Anforderungen Vorgehensweise bei der messtechnischen Erfassung der Verletzungskriterien Beispiel Dokumentation Checkliste und Anwendungshilfen Seite 20

21 Validierung biomechanischer Anforderungen Entwicklung des IFA Kraft-Druck- Messgerätes Physikalische/biomechanische Eigenschaften Technische Realisierung Erfahrungen erster Prüfungen Bildquelle: MRK-Systeme Seite 21

22 Physikalische/biomechanische Eigenschaften Fraunhofer IFF Seite 22

23 Physikalische/biomechanische Eigenschaften Seite 23

24 Technische Realisierung Seite 24

25 Erfahrungen erster Prüfungen Die Anforderungen sind verständlich und umsetzbar! Kontrollparameter sind die maximale Geschwindigkeit und Oberflächengestaltung Für jede neue Applikation eine Risikoanalyse und Validierung durch Messung Es gibt nicht den eigenständigen zertifizierten, sicheren kollaborierenden Roboter Seite 25

26 Fazit zu den Anforderungen Die Normen erlauben den neuen Anwendungsbereich Collaborative Robots, bei dem ein bestimmtes Restrisiko für eine Kollision zwischen Mensch und Roboter gegeben ist Es werden mehrere Szenarien unterschieden Die derzeitigen Anforderungen sind noch nicht aufeinander abgestimmt und müssen überarbeitet/ergänzt/präzisiert werden Es fehlen ausreichende und zusammenhängende Anforderungswerte eines Beanspruchungsmodells für den Kollisionsfall Es fehlen validierte Grenzwerte für Kollisionskräfte und -drücke Seite 26

27 Aktuelle IFA-Informationen und Ansprechpartner: Seite 27

28 Aktuelle wissenschaftliche Projekte Erstellung eines Ganzkörper-Schmerzschwellen - katasters mit Probandenkollektiv (in Kooperation mit der Universitätsmedizin der JGU Mainz) Entwicklung einer Datenbank für Beanspruchungsdaten und weitere Recherchen und Auswertung von Untersuchungen zu Quellen mit mechanischen Körperbeanspruchungen (IFA) KAN-Studie 52 Biomechanische Belastungsgrenzen : Recherche zu Grenzwerten und Beanspruchungsskalen (Fraunhofer IFF) Bestimmung des Trägheitseinflusses bei freien Mensch-Roboter-Kontakten (Fraunhofer IFF, durch IFA finanziert) IFA-Druckalgometer Seite 28

29 Aktivitäten des IFA Technisch Biomechanik/ Medizinisch Ergonomie Organisation Sicherer Halt Handführung Geschwindigkeit / Abstand Leistungs- / Kraftbegrenzung Standard-Safety Innovation Seite 29