22.09.2021

DGUV Information hilft bei der Planung kollaborierender Robotersysteme

Für verantwortliche Elektrofachkräfte in der Produktion 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 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 kollaborierender Systeme.

Kollaborierende Robotersysteme

Kollaborierende Robotersysteme: Definition

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

Üblicherweise werden leitende Elektrofachkräfte schon bei der Planung neuer oder optimierter Roboteranlagen einbezogen. Während die technische Normung der Anlagen schon recht weit ist, blieb der Bereich Arbeits- und Gesundheitsschutz der Beschäftigten bisher noch weitgehend unbeachtet.

Die Berufsgenossenschaft Holz und Metall hat im August 2017 eine DGUV-Information (08/2017) zur Planung kollaborierender Robotersysteme veröffentlicht, die einen guten und praxisnahen Überblick bezüglich dieser Aufgaben vermittelt. Der offizielle Titel lautet „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.

Die komplette DGUV-Information können Sie von der Webseite der DGUV herunterladen: DGUV-Information „Kollaborierende Robotersysteme“.

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.

Aufgabe der verantwortlichen Elektrofachkraft

Die Aufgabe einer verantwortlichen Elektrofachkraft ist es, das Verletzungsrisiko durch Kollisionen 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.

Hinweis der Redaktion

Dieser Beitrag ist ein Auszug aus einem längeren Fachartikel mit dem Titel „DGUV Information hilft bei der Planung kollaborierender Robotersysteme“. Den Fachartikel finden Sie zusammen mit vielen anderen Fachinformationen im Produkt „Elektrosicherheit in der Praxis“. Hier erfahren Sie mehr über das Produkt, das in den Angebotsformen Online, DVD und Loseblattwerk erhältlich ist: „Elektrosicherheit in der Praxis – effiziente Organisation und rechtssichere Dokumentation“.

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 „Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 1: Roboter“ 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.

Wann auf einen Zustimmschalter verzichtet werden kann

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.

Weitere Beiträge

Autor: Ernst Schneider