Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration

Pascal Staub-Lang, Matthias Herold, TÜV Süd Industrie Service / Petra Born,

Cobots sicher im Team

Kollaborierende Roboter stehen für Flexibilität. Allerdings auch für Risiken. Das macht das Thema Arbeitssicherheit wichtig – und herausfordernd. TÜV Süd informiert über Schutzkonzepte und Normen.

Es gibt klare Regeln für das sichere Mensch-Roboter-Team. © Zapp2Photo/­Shutterstock.com

Cobots arbeiten ohne Schutzzaun direkt mit den Menschen zusammen. Sie sind leicht, transportfähig, einfach programmierbar, lernfähig, flexibel einsetzbar und platzsparend. Die zugehörige Infrastruktur ist kompakt. Diese Vorteile bringen sicherheitstechnisch allerdings Herausforderungen mit sich. Denn:

Wie lässt sich eine flexible Zusammenarbeit sicher gestalten? Voraussetzung ist eine umfassende, anwendungsspezifische Risikobeurteilung. Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ohne Schutzzaun ist sie komplex. Von den Verantwortlichen verlangt sie genaue Kenntnisse der geltenden Normen und Gesetze. Unabhängige Prüforganisationen können unterstützen, sofern sie Erfahrung in der Beurteilung von Robotersystemen und Kenntnisse zur Planung und Implementierung von Cobot-Applikationen haben. Grundsätzlich ist zu beachten:

Für einen sicheren Einsatz ist die Konstruktion der Cobots grundlegend. Sicherheitsanforderungen an sie und ihre Arbeitsumgebung legt die technische Spezifikation „ISO/TS 15066 – Robots and robotic devices – Collaborative Robots“ fest. Zudem ergänzt sie die normativen Anforderungen und Anleitungen in der ISO 10218-1 und der ISO 10218-2 zum Betrieb von kollaborierenden Industrierobotern. Für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Cobot definiert die „EN ISO 12018 Industrieroboter-Sicherheitsanforderungen“ vier grundsätzliche Schutzziele:

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1. Einen sicherheitsgerichteten, überwachten Stillstand. 2. Die Steuerung des Roboters durch den Menschen. 3. Eine Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung, um gefährliche Mensch-Roboter-Kontakte zu verhindern. 4. Die Leistungs- und Kraftbeschränkung, wenn ein Kontakt erforderlich ist.

Wenn der abschließende Sicherheitscheck bestätigt, dass sie sicher und rechtskonform ist, erhält die Roboter-Applikation ein CE-Kennzeichen.

Der überwachte Stillstand und andere Schutzziele werden mithilfe berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen (BWS) umgesetzt. Sobald der geforderte Mindestabstand unterschritten wird, reagieren die BWS – Lichtvorhänge, Laserscanner oder drucksensitive Systeme. Sie sind bei Inbetriebnahme und jährlich wiederkehrend zu prüfen, so die „DIN EN IEC 62046 Sicherheit von Maschinen – Anwendung von Schutzeinrichtungen zur Anwesenheitserkennung von Personen“. Zusätzlich sind die Systeme regelmäßig auf Beschädigungen oder Verschmutzungen zu untersuchen. Immer müssen die gesamte Einbausituation, der Auslösevorgang und der Nachlauf in die Sicherheitsbetrachtung einbezogen werden.

Flexible Sicherheitszonen, biomechanische Grenzwerte

BWS sind wenig anpassungsfähig. Sie reagieren immer gleich, wenn sie herkömmlich ausgeführt werden. Wenn der Abstand zwischen Mitarbeiter und Cobot geringer ist als der programmierte Mindestabstand, hält eine BWS die Maschine an und unterbricht den Arbeitsvorgang – auch wenn Mensch und Maschine sich bereits voneinander entfernen. Diese unlogischen Muster lassen sich reduzieren, etwa durch der Ansatz der dynamischen Sicherheitszonen. Sicherheitssysteme analysieren und bewerten hier das Verhalten von Mensch und Cobot sowie daraus resultierende Gefahren. Allerdings ist es – vor allem bei variablen Umwelt- und Prozessbedingungen – fast unmöglich, schon in der Planungsphase die Wechselwirkungen während des laufenden Betriebs vorherzusagen. Künftig sollen softwarebasierte Ansätze diese Herausforderungen meistern.

Konkrete Verletzungsrisiken gibt es dort, wo Cobot und Mitarbeiter in direktem Kontakt stehen müssen. Hersteller und Betreiber sollten basierend auf konkreten Messungen der auftretenden Kräfte sinnvolle Gegenmaßnahmen treffen oder verschiedene kombinieren – etwa Minderung der Geschwindigkeit, Begrenzung der Kräfte, Vergrößerung der Kontaktfläche oder eine Teilumhausung. Besonders gefährlich sind – neben Berührungen von Oberkörper und Armen – Treffer am Kopf: Die BG/BGIA-Empfehlungen für die „Gefährdungsbeurteilung nach Maschinenrichtlinie – Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern“ nennen biomechanische Grenzwerte: 90 Newton als maximal zulässige Stoßkraft, 20 Newton pro Quadratzentimeter als maximalen Wert für die Flächenpressung.

Sicherheit bedarfsgerecht gewährleisten

Die adaptive Sicherheit von kognitiven Produktionssystemen ist ein – im Kontext von Industrie 4.0 entwickeltes – Konzept, das für die MRK besondere Bedeutung hat. Der Grundgedanke: Sicherheit bedarfsgerecht gewährleisten und dabei die Produktion möglichst nicht einschränken. Mithilfe lernender (Multiagenten-)Systeme mit Algorithmen zur Steuerung der Sensoren und Aktoren wird die adaptive Sicherheit von kognitiven Produktionssystemen umgesetzt. Damit die Sicherheit der Mitarbeiter selbst bei engster räumlicher Zusammenarbeit stets gewährleistet ist, sollen die Systeme die Entwicklung dynamischer Prozesse prognostizieren und die Cobots entsprechend steuern. Verfügbarkeit ist in Smart Factorys ebenfalls wichtig; Produktionsanlagen werden nach Bedarf modular zusammengestellt. Die veränderte Anlagenkonfiguration muss danach üblicherweise neu bewertet werden, was oft mit Produktionsstillständen verbunden ist. Automatisierte Zertifizierungsprozesse können diese Effekte minimieren, indem sie möglichst zur Laufzeit feststellen, ob die verkettete Maschinenanlage normenkonform ist. Am Ende sollen Systeme automatisch Freigaben für das Gesamtsystem erteilen – nach klar definierten Regeln.

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