Für die Digitalisierung und Automatisierung in der Produktion benötigt es moderne Robotersysteme, die ihre Aufgaben nicht nur richtig, sondern auch für den Menschen gefahrenfrei ausführen. Besonders wichtig wird die Sicherheitsfrage, wenn diese Systeme nicht nur in speziell für Roboter vorgesehenen Produktionsbereichen zum Einsatz kommen, sondern als sogenannte ‚Cobots‘ operieren. Anders als klassische Industrieroboter operieren diese speziell für die Zusammenarbeit mit Menschen entwickelten Roboter mit ebendiesen in einem Arbeitsbereich, um auch gemeinsam Produktionsschritte erledigen zu können. Aufgrund der engen Zusammenarbeit kann nicht ausgeschlossen werden, dass es zu ungewollten physischen Kontakten zwischen Roboter und Mensch kommt.

Um die Sicherheit einer Mensch-Roboter-Kollaboration zu definieren, braucht es klar strukturierte Regeln. Neben der EG-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG definieren harmonisierte Normen und Vorschriften für Robotersicherheit den regulativen Rahmen für ein sicheres Zusammenarbeiten von Menschen und Roboter im industriellen Anwendungskontext – insbesondere die ISO 10218:2011 (Industrieroboter-Sicherheitsanforderungen) und die ISO/TS 15066:2016 (Roboter und Robotikgeräte – Kollaborierende Roboter). Das Besondere bei Cobots sind deren erweiterte Ausstattung mittels zusätzlicher, hochzuverlässiger Sensorik sowie ihre Fähigkeit, sicherheitsbewertete Funktionen realisieren zu können, die über den verpflichtenden Not-Halt hinausgehen. Beispielsweise kann der Roboter mit einer erhöhten Zuverlässigkeit seine Position und Geschwindigkeit überwachen und begrenzen.

Teil 2 der ISO 10218, der sich mit der Sicherheit von Robotersystemen beschäftigt, beschreibt die relevanten sicherheitstechnischen Maßnahmen für einen kollaborativen Roboterbetrieb. Hierfür werden vier klar umrissene Szenarien für die physische Kollaboration zwischen Menschen und Roboter definiert. Eine vorab festgelegte Aufgabenausführung, die Aktivierung aller erforderlichen Schutzmaßnahmen sowie die Verwendung eines für den kollaborierenden Betrieb konstruierten Roboters (Cobot) stellen die Ausgangsbasis für diese Interaktionsszenarien dar. Die vier Möglichkeiten sind: 

• Sicherheitsbewerteter überwachter Halt (und Wiederanlauf)
• Handführung
• Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung 
• Leistungs- und Kraftbegrenzung

Für moderne Roboteranwendungen sind vor allem die letzteren zwei Betriebsarten von großem Interesse.

Physische Robotersicherheit und deren Evaluierung

In klassischen Robotersystemen werden bauliche und funktionale Sicherheitsmaßnahmen genutzt, um ein ungewolltes Aufeinandertreffen von Mensch und Roboter zu verhindern. Diese Vorkehrungen sind vor allem dann notwendig, wenn bewegte Teile des Roboters sowie die Roboterumgebung nicht sicherheitsbewertet überwacht werden und diese Objekterfassung zur Kollisionsvermeidung herangezogen wird. Aufgrund der unzureichend verfügbaren sicherheitsbewerteten Sensorik zur validen Umgebungserfassung stößt die Betriebsform ‚Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung‘ momentan noch an ihre Grenzen in der Anwendbarkeit. Dies ist auch einer der Hauptfaktoren, weshalb diese Kollaborationsform meist noch im Laborumfeld im Zuge von Forschungsarbeiten untersucht wird und nur vereinzelt im industriellen Kontext Einsatz findet.

Im Gegensatz dazu stellt die Betriebsart ‚Leistungs- und Kraftbegrenzung‘ aktuell die am weitesten verbreitete kollaborative Betriebsform dar. Wie die Bezeichnung schon gut beschreibt, werden dabei die Leistungsparameter der elektrischen Antriebe in den Robotergelenken sowie die Sensitivität der Regelung in Form einer Kraftbegrenzung derart eingestellt, dass im Fall einer Mensch-Roboter-Kontaktsituation die vom Roboter zum Mensch übertragene Stoßenergie unterhalb der normativen Vorgaben liegt.

Das Prüflabor

Das Robotics Evaluation Lab (REL) – https://rel.joanneum.at/ – ist ein speziell eingerichtetes Mess- und Prüflabor der Joanneum Research Forschungsgesellschaft am Institut Robotics mit Standort Klagenfurt am Wörthersee. In diesem Labor können biofidele Belastungen bei Kontaktsituationen in Roboterapplikationen rückführbar und valide gemessen und bewertet werden. Hierfür werden kalibrierte Messmittel am neuesten Stand der Technik verwendet und der gesamte Prüfprozess unter qualitätssichernden Maßnahmen nach ISO/IEC-17025 durchgeführt. Als erste und einzige Prüfstelle in Europa konnte das Robotics Evaluation Lab die Akkreditierung zur Messung der potenziellen Krafteinwirkung in der Mensch-Roboter Kollaboration erlangen. Die Prüfungen werden je nach Kundenspezifikation in den Räumlichkeiten des REL oder direkt vor Ort an der Anlage des Kunden durchgeführt.

Zudem unterstützt das Prüflabor die Wirtschaft und Industrie mit Dienstleistungen und Services rund um die Themen projektbegleitende Beratungsleistungen, eigenständig durchgeführte Sicherheits- und Risikobeurteilungen sowie kompetenzsteigernde Weiterbildungen im Bereich der Robotersicherheit. Durch die Mitarbeit in nationalen und internationalen Normungsgremien sind die Expertinnen und Experten des Prüfteams über die Entwicklung dieses Themenkomplexes stets am neuesten Stand und können auf Basis ihres praxisrelevanten Know-hows Trends aktiv mitgestalten. Unter dem Motto ‚Safety as a Service‘ werden maßgeschneiderte und praxisorientierte Dienstleistungspakete für den gesamten Entwurfs- und Lebenszyklus von Roboteranlagen angeboten.

Identifikation potenzieller Gefahrensituationen

Die Robotics Hands-on Area ist eine modular aufgebaute Test- und Verifikationsplattform, in der unterschiedlichste industrielle Anwendungsfälle nachgestellt sowie deren physische Sicherheit nachgewiesen werden kann.

© Joanneum Research

Als erster Schritt müssen also potenziell gefahrbringende Kontaktsituationen im Rahmen der bestimmungsgemäßen Verwendung des Robotersystems sowie bei vorhersehbarer Fehlanwendung in einer entsprechenden Risikobeurteilung identifiziert werden. Dabei sind die Mindestvorgaben der Maschinenrichtline sowie die Grundsätze der Normen ISO 12100 und ISO 10218 einzuhalten. Identifizierte mechanische Gefährdungen können in Form von Quetsch- oder freien Stoßsituationen auftreten. Bei Quetschsituationen – sogenanntem quasistatischen Kontakt – wird ein Körperteil (zum Beispiel Hand oder Arm) zwischen einem bewegten Roboterteil und einem starren Umgebungsobjekt eingeklemmt. Bei freien Stoßsituationen – dem sogenannten transienten Kontakt – ist die Belastung nur von kurzer Dauer, da das am Stoß beteiligte menschliche Körperteil (zum Beispiel Schulter) zurückweichen kann.

Laut den Anforderungen der Sicherheitsnorm für kollaborative Robotik ISO/TS 15066 müssen genau diese beiden Belastungsarten – also ein quasistatischer Belastungswert für den Fall einer Klemmung und ein transienter Belastungswert für den Fall einer Stoßbelastung – für die laut Risikobeurteilung gefahrbringenden physischen Kontaktsituationen evaluiert werden.

Für die Evaluierung einer Mensch-Roboter-Kontaktbelastung müssen sowohl die Kontaktkraft als auch der zugehörige Kontaktdruckwert erfasst werden. Die Norm ISO/TS 15066 enthält für eine Konformitätsbewertung eine Vergleichstabelle mit aus entsprechenden Studien ermittelten Grenzwerten für den menschlichen Schmerzeintritt bei Kraft- und Druckbelastung an unterschiedlichen Körperstellen. Die gemessenen quasistatischen beziehungsweise transienten Kraft- und Druckwerte werden unter Berücksichtigung der Messunsicherheit mit diesen Vorgaben verglichen. Werden die Grenzwerte überschritten, müssen risikomindernde Maßnahmen getroffen werden. Im Fall einer zu hohen Kraftbelastung sind dies typischerweise eine Reduktion der Bewegungsgeschwindigkeit oder eine Erhöhung der Robotersensitivität bezüglich des Abschaltverhaltens bei zu hoher Drehmomentbelastung der Gelenkantriebe. Bei zu hoher Druckbelastung führt meist eine bauliche Modifikation des Roboterwerkzeuges oder einer Werkstückhalterung zur Erhöhung der Kontaktfläche zum Erreichen der geforderten Grenzwerte – etwa durch das Abrunden oder Polstern von scharfen Kanten. 
 

Messtechnische Verifikation

Michael Rathmair ist Leiter der Kompetenzgruppe Robotics Evaluation Lab bei der Joanneum Research Forschungsgesellschaft in Klagenfurt, Österreich.

© Joanneum Research

Während der Entwurfsphase können für den Nachweis der physischen Robotersicherheit, also der Konformität von potenziellen transienten und quasistatischen Kontaktbelastungen, rechnergestützte Werkzeuge wie Simulation, virtuelle Inbetriebnahme und digitale Abbilder der Anlage einen wertvollen Beitrag leisten. Aber: Derzeit kann noch keine Simulationssoftware eine messtechnische Evaluierung direkt an der realisierten kollaborativen Roboteranlage ersetzen. Zudem ist diese messtechnische Untersuchung unerlässlich, um die Gewissheit zu liefern, ob es sich um ein zuverlässiges und somit sicheres Verhalten des Robotersystems handelt.

Bei der messtechnischen Verifikation werden potenzielle Kollisionen von Mensch und Roboter im Sinne eines zerstörungsfreien Crash-Tests mittels einer sogenannten biofidelen Messanordnung untersucht. Biofidel bedeutet, dass die Messgeräte (Kraft- und Druckmessinstrument) so ausgestattet werden, dass die Nachgiebigkeits-Eigenschaften der am Kontakt beteiligten Körperstelle technisch nachgebildet werden. Realisiert wird dies über eine Kombination aus Stahlfedern und Dämpfungselementen aus Kunststoff. Anschließend wird die Messanordnung entsprechend im Arbeitsraum des Roboters positioniert und die zu evaluierende Kontaktsituation durch die Ausführung des entsprechenden Steuerprogramms herbeigeführt. Dabei werden Kraft- und Druckbelastungen ermittelt sowie deren Konformitätsbewertung gegenüber normativen Vorgaben, wie oben beschrieben, duchgeführt. Um die Validität der Ergebnisse zu garantieren, sollen qualitätssichernde Maßnahmen nach ISO 17025 (Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien) eingehalten werden. Dies umfasst zyklische und akkreditierte Kalibrierungen von Messmittel, Eignungsprüfungen und Teilnahme an Ringversuchen, adäquate Dokumentation von Mess-Ergebnissen in Prüfberichten und die Abhandlung von Prüfprojekten durch ein geeignetes QM-System.