18.09.2018

DGUV Information hilft bei der Planung kollaborierender Robotersysteme

Für verantwortliche Elektrofachkräfte im Produktionsbereich wird das Thema Industrie 4.0 immer wichtiger – die zunehmende Digitalisierung der Produktion ist nicht nur „Zukunftsmusik“, sondern für viele schon gelebter betrieblicher Alltag. Eine Schlüsselrolle nimmt diesbezüglich sicherlich der vermehrte Einsatz intelligenter Robotersysteme ein. Während in vielen Produktionsstätten in der Vergangenheit Roboter hinter Schutzeinrichtungen „versteckt“ wurden, geht die technische Entwicklung aus vielfachen Gründen immer mehr in Richtung kollaborierende Systeme.

Robotersysteme

Information

Als kollaborierender Roboter (Collaborative Robot) wird ein Industrieroboter bezeichnet, der mit Menschen gemeinsam arbeitet und im Produktionsprozess nicht durch Schutzeinrichtungen von diesen getrennt ist, während bei klassischen Industrieroboteranlagen Schutzeinrichtungen, wie z.B. Schutzzäune und Lichtvorhänge, den Zutritt von Personen zu Gefahrbereichen in aller Regel verhindern. Kollaborierende Robotersysteme sind ein Bindeglied zwischen voll automatisierten Anlagen und manuellen Arbeitsplätzen.

Üblicherweise werden leitende Elektrofachkräfte schon bei der Planung neuer oder optimierter Roboteranlagen miteinbezogen. Während die technische Normung der Anlagen selbst hier schon recht weit ist, blieb der Bereich Arbeits- und Gesundheitsschutz der Beschäftigten bisher noch weitgehend unbeachtet. Die BG Holz und Metall hat im August 2017 eine DGUV-Information (08/17) zur Planung kollaborierender Robotersysteme veröffentlicht, die einen guten und praxisnahen Überblick bezüglich dieser Aufgabenstellung vermittelt. Der amtliche Titel lautet folgendermaßen „Kollaborierende Robotersysteme: Planung von Anlagen mit der Funktion ,Leistungs- und Kraftbegrenzung‘“. Inhaltlich geht es nach Angaben der BG Holz und Metall darum, Herstellern und Anlagenbetreibern eine praktische Handlungsanleitungen für den arbeitsschutzrelevanten Planungsprozess solcher Anlagen an die Hand geben.

Hinweis

Der nachfolgende Beitrag orientiert sich an dieser DGUV Information und vertieft sie. Die Handlungshilfe hat unverständlicherweise bisher noch keinen Eingang in die offizielle DGUV-Regelwerksdatenbank gefunden.

Kollaborierende Roboter arbeiten ohne trennende Schutzeinrichtungen

Noch bis vor ein paar Jahren waren beim Einsatz von Robotern immer trennende Schutzeinrichtungen erforderlich, um Personen, die sich im Arbeitsfeld des Roboters befanden, vor mechanischen Einwirkungen und damit vor Verletzungen durch schnelle Roboterteile zu schützen. Im Zuge der Überarbeitung und Neuordnung der für Industrieroboter relevanten Normen wurde ergänzend das neue Anwendungsfeld der kollaborierenden Roboter geschaffen. Da es beim Einsatz kollaborierender Robotersysteme für bestimmte Kollaborationsbereiche nun keine trennenden Schutzeinrichtungen mehr gibt, sind andere technische Schutzmaßnahmen gefragt, die das Kollisionsrisiko laufend ermitteln und im Rahmen der Robotersteuerung ständig minimieren. Dennoch bleibt ein Restrisiko bestehen. Ihre Aufgabe als verantwortliche Elektrofachkraft (EFK) ist es, das Verletzungsrisiko durch Kollision zwischen Roboter und Mensch abzuwägen und zu bewerten.

Konzepte für eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration

Unabdingbare Voraussetzung dafür, dass die Mensch-Roboter-Kollaboration gelingt, ist eine geeignete Gestaltung des Arbeitsplatzes und des Roboters, damit Menschen nicht gefährdet werden. Das gilt aufgrund der fehlenden trennenden Schutzeinrichtungen vor allem für kollaborierende Robotersysteme. Von den vier bekannten Konzepten für eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration, also

  1. Handführung,
  2. sicherheitsbewerteter überwachter Halt,
  3. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung sowie
  4. Leistungs- und Kraftbegrenzung

bietet Letzteres besonderes Potenzial. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass Kräfte und Drücke des Roboters (einschließlich des jeweiligen Werkzeugs) bei Personenkontakt so begrenzt werden, dass es nicht zu Verletzungen kommt. Das heißt, in der Funktion „Leistungs-und Kraftbegrenzung“ können kollaborierende Robotersysteme ohne traditionelle Schutzeinrichtungen wie Lichtvorhänge und Schutzzäune auskommen.

1. Diese Rechtsvorschriften und Normen kommen zur Anwendung

Zunächst gilt es zu klären, aus welchen Komponenten ein kollaborierendes Robotersystem überhaupt besteht. Laut der DGUV Information umfasst das kollaborierende Robotersystem den oder die kollaborierenden Roboter, Werkzeuge, Werkstücke und Vorrichtungen, die zusammengenommen eine Maschine gemäß den Bestimmungen der EG-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG bilden. Das heißt, für das Inverkehrbringen bzw. Bereitstellen auf dem Markt muss ein solches System mit einer EG-Konformitätserklärung und einem CE-Zeichen ausgestattet sein.

Praxistipp

Vor dem Hintergrund, dass die auf kollaborierende Robotersysteme anzuwendenden harmonisierten europäischen Normen DIN EN ISO 10218-1 „Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 1: Roboter“ sowie DIN EN ISO 10218-2 „Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 2: Robotersysteme und Integration“ die sogenannte Vermutungswirkung auslösen, darf davon ausgegangen werden, dass die Anforderungen der EG-Maschinenrichtlinie eingehalten wurden.

Die Technische Spezifikation ISO TS 15066 legt Sicherheitsanforderungen an kollaborierende Industrierobotersysteme und die Arbeitsumgebung fest und ergänzt die in DIN EN ISO 10218-1 und DIN EN ISO 10218-2 enthaltenen Anforderungen und Anleitungen zum Betrieb von kollaborierenden Industrierobotern. Diese Anforderungen sind aufgrund der sehr neuen Technologie noch nicht vollständig beschrieben. Gleiches gilt für die DGUV Information 209-074 „Industrieroboter“. Im Rahmen der Technischen Spezifikation ISO TS 15066, in die auch Forschungsergebnisse einfließen, werden die Anforderungen derzeit weiterentwickelt. Sobald die ISO TS 15066 fertiggestellt ist, soll anhand von deren Inhalten eine Überarbeitung der Normen DIN EN ISO 10218-1 und DIN EN ISO 10218-2 erfolgen. Während dieser Phase und darüber hinaus sollen mithilfe der diesem Beitrag zugrunde liegenden DGUV Information Hersteller, Betreiber, Systemintegratoren, verantwortliche Elektrofachkräfte, Zertifizierungsstellen und Unfallversicherungsträger bei Entwicklung, Bau, Verwendung, Zertifizierung und Bewertung von sicheren kollaborierenden Robotersystemen unterstützt werden.

2. Risikobeurteilung ist unverzichtbar

Die EG-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG verlangt für kollaborierende Robotersysteme eine Risikobeurteilung (Gefahrenanalyse) und die damit einhergehende Risikominderung. Spätestens zum Zeitpunkt des Inverkehrbringens eines kollaborierenden Robotersystems muss eine dokumentierte Risikobeurteilung verfügbar sein. Laut Anhang VII der EG-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG müssen im Rahmen der internen Dokumentation des Herstellers schriftliche Unterlagen über die Risikobeurteilung vorliegen. Bei eventuellen Zweifeln an der Sicherheit des kollaborierenden Robotersystems können Behörden (z.B. Marktaufsicht) Einsicht in diese Unterlagen verlangen.

Praxistipp

Grundsätzlich unterscheidet sich eine Risikobeurteilung für ein kollaborierendes Robotersystem nach Inhalt, Art und Durchführungsweise nicht von Risikobeurteilungen für andere Maschinen oder Roboteranlagen. Ein anschauliches Beispiel einer Risikobeurteilung für eine Roboteranlage findet sich beispielsweise in der DGUV Information 209-074 „Industrieroboter“. Auf der Internetseite https://tinyurl.com/y84gg4ep können Sie einen Blick in die DGUV Information 209-074 „Industrieroboter“ werfen oder das PDF herunterladen.

Es liegt in der Natur der Sache, dass Risikobeurteilungen für kollaborierende Robotersysteme in erster Linie die unmittelbare Nähe von Mensch und Robotersystem berücksichtigen und entsprechende Schutzmaßnahmen ableiten müssen. Die gesamte Palette an potenziellen Gefährdungen, die es dabei zu beachten gilt, finden Sie in einer ausführliche Zusammenstellung in der DIN EN ISO 10218-2 „Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 2: Robotersysteme und Integration“ sowie in der ISO TS 15066:2016-02 „Roboter und Robotikgeräte“. Es gilt die Prämisse, Kontaktsituationen zwischen Mensch und Robotersystem auf ein Minimum zu beschränken.

Risikobeurteilung gibt Art der Schutzmaßnahmen vor

Die im Rahmen der Risikobeurteilung abzuleitenden Schutzmaßnahmen können traditionelle Schutzmaßnahmen sein (z.B. Lichtvorhänge, Laserscanner) oder auch neuartige Schutzmaßnahmen (z.B. Kraftbegrenzungen, Begrenzungen des Bewegungsbereichs) oder eine Kombination von beidem. Die grundlegenden Anforderungen dazu sind in der DIN EN ISO 10218-1 und DIN EN ISO 10218-2 sowie der ISO TS 15066 festgelegt. Welche das im Einzelnen sind, erfahren Sie hier.

3. So funktioniert die Leistungs- und Kraftbegrenzung

Die ISO TS 15066 kennt die bereits zu Beginn erwähnten folgenden vier Kollaborationsarten:

  • Handführung
  • sicherheitsbewerteter überwachter Halt
  • Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung
  • Leistungs- und Kraftbegrenzung

Von diesen vier Kollaborationsarten wird im Rahmen der DGUV Information ausschließlich die Leistungs- und Kraftbegrenzung thematisiert, die einem kollaborierenden Robotersystem einen sogenannten schutzzaunlosen Betrieb ermöglicht. Das System ist dabei so gestaltet, dass bei einem Kontakt zwischen Mensch und Teilen des Roboters (oder mit dem Roboterwerkzeug oder einem Werkstück) biomechanische Grenzwerte (Kraft, Druck) nicht überschritten werden. Die Kraft- oder Druckeinwirkung hängt dabei u.a. von den nachstehend aufgeführten Schutzmaßnahmen ab:

  • aktive technische Schutzmaßnahmen im Robotersystem, z.B. Drehmomentsensoren, Geschwindigkeits- und Bereichsgrenzen, taktile Schutzeinrichtungen, Kraftsensoren
  • passive Schutzmaßnahmen, z.B. Formgebung des Roboters, des Werkzeugs, des Werkstücks und aller sonstigen am Arbeitsprozess beteiligten Vorrichtungen, Polsterung, federnde Greifer

Für die Kollaborationsart Leistungs- und Kraftbegrenzung konzipierte Robotersysteme werden teilweise auch als sogenannte Leichtbauroboter bezeichnet. Aus dieser Begrifflichkeit allein lassen sich aber noch keine Sicherheitsmerkmale ableiten.

4. Das sind die Anforderungen an die Roboter

Kollaborierende Robotersysteme sollten insbesondere bezüglich der in ihrer konkreten Anwendung erforderlichen Sicherheitsfunktionen gestaltet bzw. ausgewählt werden. Für den Fall, dass beispielsweise keine geeigneten steuerungstechnischen Sicherheitsfunktionen zur Verfügung stehen, gilt es, diese nachzurüsten. Gegebenenfalls muss ein alternatives Robotermodell ausgewählt werden. Außer den im Rahmen der DIN EN ISO 10218-1 vorgegebenen verpflichtenden Sicherheitsfunktionen (z.B. Not-Halt) müssen die Industrieroboter kollaborierender Robotersysteme in der Funktion Leistungs- und Kraftbegrenzung in der Regel die nachstehend aufgelisteten Sicherheitsfunktionen aufweisen:

  • sichere Überwachung der Position
    Wenn es darum geht, Arbeitsbereiche entsprechend der den Körperregionen zugeordneten Belastungsgrenzen zu definieren und abzugrenzen (z.B. Ausschluss von Hals und Kopf), ist grundsätzlich eine sicher überwachte Position (sichere Raumgrenzen) notwendig. Abhängig von der jeweiligen Gefährdungsexposition hat zusätzlich zur Überwachung am Werkzeug auch eine Überwachung einzelner Achsen zu erfolgen.
  • sichere Überwachung der Geschwindigkeit
    Um zu gewährleisten, dass z.B. bei Kraft- und/oder Drehmomentüberwachungen eine Stoppreaktion unter Beachtung der systembedingten Reaktionszeit erfolgen kann, ist grundsätzlich eine sichere Überwachung der Geschwindigkeit angezeigt.
  • sichere Überwachung/Begrenzung des Drehmoments bzw. der Kraft
    Unter Bezugnahme der Kantengeometrie der am Arbeitsprozess beteiligten Oberflächen des kollaborierenden Robotersystems folgt aus der roboterseitigen Überwachung der Kraft bzw. des Drehmoments auch die Überwachung des Drucks an den Kontaktflächen.
  • Betriebsartenwahl und Zustimmschalter
    Gemäß der DIN EN ISO 10218-1 gehören ein abschließbarer Betriebsartenwahlschalter oder gleichwertige Zugangssicherungen (z.B. Zugangscode) sowie Zustimmschalter zu den obligatorischen Sicherheitsfunktionen von Industrierobotern.

Hinweis

Nach der ISO TS 15066 kann bei kollaborierenden Robotersystemen auf einen Zustimmschalter verzichtet werden, sofern durch Sicherheitslimits (z.B. Kraft, Bewegungsbereich, Geschwindigkeit) sämtliche Tätigkeiten wie Einrichten, Programmieren, Warten, Instandhalten und Reparieren genauso sicher ausgeführt werden können wie bei der Verwendung eines Zustimmschalters. Die Sicherheitslimits dürfen dabei nicht abwählbar oder so veränderbar sein, dass eine gefährliche Situation entsteht.

Vor dem Hintergrund, dass die Sicherheitslimits grundsätzlich parametrierbar sind, kann in der Regel nicht auf Betriebsartenwahlschalter und Zustimmschalter verzichtet werden. Bei der erstmaligen Inbetriebnahme oder auch bei einer späteren Veränderung beim Betreiber (z.B. im Falle eines neuen Teileprogramms) müssen Sicherheitslimits verändert werden, was unter Verwendung eines Zustimmschalters zu erfolgen hat.

Praxistipp

Die Sicherheitsfunktionen müssen der Kategorie 3/PLd gemäß der Norm DIN EN ISO 13849-1 „Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze“ entsprechen. Zudem sollten die Kanten sämtlicher Teile des Roboters (Werkzeugaufnahme, Roboterarme) gerundet sein. Eine Polsterung vergrößert die Flächen und wirkt sich positiv aus. Um dafür zu sorgen, dass Kontaktkräfte aufgrund von Massenträgheit nur in einem geringen Ausmaß auftreten, sollten auch die Traglasten klein sein.

5. Robotersystem (Applikation)

Wie bereits zu Beginn dieser Ausführungen erwähnt, umfasst das Robotersystem neben dem Roboter auch die Roboterwerkzeuge, die Werkstücke, Fördertechnik sowie alle beteiligten Vorrichtungen und Schutzeinrichtungen. Nach heutigem Stand der Technik sind große, kantige und schwere Werkstücke für diese Art der Kollaboration (Leistungs- und Kraftbegrenzung) ungeeignet, denn die Massenträgheit schwerer Werkstücke führt in der Regel zur Überschreitung der Kraft- bzw. Druckgrenzen.

Aufgrund der Nähe zum Menschen sind auch die für den Kollaborationsbetrieb vorgesehenen Roboterbewegungen (Bahnen) entscheidend.

Hinweis

Grundsätzlich gilt es, mithilfe der Anlagenkonzeption und der Funktion sichere Raumgrenzen die Verfahrwege des Roboters einschließlich Werkzeug und Werkstück zu begrenzen, um dadurch beispielsweise sensible Körperteile wie Kopf und Hals im Rahmen der bestimmungsgemäßen Verwendung vom Arbeitsbereich auszuschließen.

Generell ist im Rahmen der vorhersehbaren Fehlanwendung durch das Anlagenkonzept sicherzustellen, dass ein Kontakt mit dem Kopf ausgeschlossen ist. Sollte das nicht vollständig gewährleistet werden können, müssen Kontaktsituationen auf ein Minimum reduziert werden.

Für die eben erwähnten Kontaktsituationen müssen Messungen der biomechanischen Grenzwerte durchgeführt werden. Sensible Bereiche an Kopf oder Hals (beispielsweise Kehlkopf oder Augen) dürfen auf keinen Fall zur Kontaktstelle werden. Um dies sicherzustellen, gilt es, die nachstehend aufgeführten gestalterischen Maßnahmen durchzuführen:

  • Roboterbewegungsräume einschränken (Werkzeugmittelpunkt (TCP) und Gelenke)
  • kantige Konturen während der Fahrt vom Bediener abwenden
  • flächige Konturen
  • große Relativbewegungen möglichst weit weg von sensiblen Körperbereichen verlagern (beispielsweise bei Tischapplikationen nach unten)
  • defensive Bahnplanung
  • Polsterung

Praxistipp

Für den Fall, dass darüber hinaus Risiken bestehen, müssen diese Bereiche (beispielsweise durch zusätzliche trennende, auch transparente, Schutzeinrichtungen) vom Zugang ausgeschlossen und mit ergänzenden Anweisungen an die Benutzer versehen werden.

Für die Auswahl der im Falle eines Kontakts anzunehmenden Roboterbewegungen (Bahnen) mit korrespondierenden Körperregionen sollten typischerweise folgende vorhersehbaren Situationen angenommen werden:

  • manuelles Aufheben von herabfallenden Teilen
  • Auffinden von und Eingreifen bei Störungen
  • Anstoßen des Werkzeugs oder Werkstücks am Körper
  • Anstoßen der Roboterarme am Körper
  • bewusstes und unbewusstes manuelles Eingreifen in den Arbeitsbereich
  • Beobachten des Arbeitsprozesses, beispielsweise durch Hineinbeugen oder Herüberbeugen

Darüber hinaus gelten für kollaborierende Robotersysteme die Sicherheitsanforderungen gemäß der DIN EN ISO 10218-2. Dabei ist vor allem darauf zu achten, dass Not-Halt-Einrichtungen einfach erreichbar und in ausreichender Anzahl vorhanden sind. Angesichts der Möglichkeit eines direkten Kontakts zwischen Mensch und Robotersystem muss auch eine jederzeit verfügbare Option des selbstständigen Befreiens aus Klemmsituationen gewährleistet sein, beispielsweise eine Schalteinrichtung, um die mechanischen Haltebremsen zu lösen. Zu Kontaktsituationen kann es infolge einer Klemmsituation kommen, beispielsweise im Falle eines reflexartigen Eingreifens in den Werkzeugbereich. Grundsätzlich ist dafür zu sorgen, Kontaktsituationen zwischen Mensch- und Robotersysteme auf ein Minimum zu begrenzen. Das gilt sowohl für einen Kontakt durch Anstoßen als auch für eventuelle Klemmsituationen. Darüber hinaus sollten Klemmsituationen (sofern nicht vollständig vermeidbar) nur im Bereich der oberen Extremitäten auftreten können.

 

Autor: Ernst Schneider