Bisher gibt es praktisch nur eine Möglichkeit, die Sicherheit von Menschen zu gewährleisten, die in unmittelbarer Nähe kollaborativ mit Robotern zusammenarbeiten: die sogenannte Kraft- und Leistungsbegrenzung, die viele Roboter inzwischen als integrierte primäre Absicherungsfunktion bieten. In Kombination mit einem geeigneten Anwendungsdesign stellt die Kraft- und Leistungsbegrenzung sicher, dass bestimmte Kraftwerte nicht über-schritten werden, wenn der Roboter mit einem Hindernis kollidiert – insbesondere, wenn es zu Quetschungen des menschlichen Körpers kommt.

Allerdings ist die aufgewendete Kraft allein nicht ausschlaggebend für die Sicherheit des Werkers im kollaborativen Einsatz. Zusätzlich kommt es auf die Kontaktflächen bei der Quetschung an. Sind sie klein, wie zum Beispiel bei Werkstückkanten, wird auch bei geringer Kraft ein Flächendruck ausgeübt, der schnell über den normativ festgelegten Grenzwerten für einzelne Körperregionen, zum Beispiel Finger, Hand, Arm et cetera, liegt und der damit ernsthafte Verletzungen hervorrufen kann. In manchen Fällen könnten die Druckgrenzwerte durch eine deutliche Reduktion der Robotergeschwindigkeit und/ oder durch Vermeiden von kleinen potenziellen Kontaktflächen im Werkzeug-/Werkstückbereich des Roboters eingehalten werden. Aber: Dies macht die Anwendung in den meisten Fällen sehr langsam und aufwendig und damit ineffizient und unattraktiv.

Potenziale nicht ausgeschöpft

Viele Anwender verwerfen deshalb den Mensch-Roboter-Kollaboration-Ansatz wieder und sichern ihre Roboteranwendungen ganz klassisch beispielsweise mit Käfigen oder Sicherheitslaserscannern ab. Doch solche Lösungen nehmen in ohnehin beengten Werkhallen viel Platz weg. Scanner-Lösungen haben zudem den Nachteil, dass die Roboter-Anwendungen verhältnismäßig oft gestoppt werden, was sich wiederum negativ auf die Produktivität auswirken kann. Zudem sind solche Absicherungsvorkehrungen in einigen Fällen hinsichtlich des Safety-Footprints deutlich aufwändiger, als es notwendig wäre. Sicherheitslösungen sollen dem gegebenen Risiko der Anwendung angemessen sein.

An derart adäquaten Lösungen für die Absicherung der Mensch-Roboter-Kollaboration hat es bisher gemangelt, was in vielen Fällen dazu führt, das Automatisierungsvorhaben nicht wie ursprünglich geplant realisiert werden können und so Potenziale zur Automatisierung einzelner Arbeitsschritte nicht ausgeschöpft werden.

Kontaktlose Sicherheitsfunktion

Safety-Konfiguration in drei Schritten: IP-Adresse einstellen, Schutzfeldlänge definieren, Validierungspunkt einlernen. © Sick

Ende 2024 hat Sick mit ‚End-of-Arm-Safeguard (EOAS)‘ eine Anwendung vorgestellt, die dieses Problem in der Mensch-Roboter-Kollaboration lösen will: Direkt am Roboterarm montiert, bildet der End-of-Arm-Safeguard ein kegelförmiges, nach unten gerichtetes Schutzfeld um den Werkzeug- beziehungsweise Werkstück-Bereich des Roboters herum. Wird das Schutzfeld beispielsweise durch die Hand des Werkers unterbrochen, erkennt End-of-Arm-Safeguard dies und stopp sofort die Bewegung des Roboterarms – noch bevor es zur Quetschung kommt. Ist das Schutzfeld wieder frei, setzt der Roboter seine Bewegung nahtlos und ohne weitere Interaktion mit dem Werker fort, was für eine einfache, intuitive Zusammenarbeit zwischen Werker und Roboter sorgt.

End-of-Arm-Safeguard ist eine berührungslos wirkende optische Schutzeinrichtung auf Basis von Lichtlaufzeitmessung. Insgesamt 40 Infrarot-Laserstrahlen umschließen die Gefahrenstelle und sorgen für zuverlässigen Schutz, insbesondere von Händen und Armen des Werkers, der kollaborativ mit dem Roboter arbeitet. Die erforderliche Länge des Schutzfeldes wird durch das verwendete Werkzeug, gegebenenfalls inklusive Werkstück, bestimmt und während der Konfiguration des Systems durch den Safety-Ingenieur eingestellt. Die maximale Schutzfeldlänge beträgt 550 mm.

Das Schutzfeld bewegt sich mit dem Roboter mit und ist dabei so dimensioniert, dass der Roboterarm wirklich nur dann gestoppt wird, wenn unmittelbar Gefahr droht. So ergänzt das Tool die Kraft- und Leistungsbegrenzung des Roboters für kollaborative Anwendungen um eine kontaktlose Sicherheitsfunktion.

Realisiert hat Sick die Lösung in Zusammenarbeit mit Universal Robots. Dafür haben die beiden Unternehmen eine neue Schnittstelle entwickelt, mit der sich die Lösung von Sick nahtlos und tief in das Betriebssystem des Roboters integrieren lässt. So nutzt End-of-Arm-Safeguard die ohnehin vorhandene Safety-Controller-Infrastruktur, was die Lösung sehr schlank macht. Derzeit ist das System exklusiv für Roboter von Universal Robots ausgelegt, in Zukunft soll es jedoch auch für andere Systeme zur Verfügung stehen.

Konfiguation via App

Der Autor: Michael Kaspar ist Product Manager Industrial Sensing bei Sick in Waldkirch. © Sick

Einrichtung und Bedienung des End-of-Arm-Safeguard sind einfach: Über das Teach-Panel des Roboters kann die Anwendung per App (‚EOAS URCAP‘) intuitiv und schnell innerhalb weniger Minuten konfiguriert und in Betrieb genommen werden. Auch die Sicherheitsvalidierung der kollaborativen Anwendungen vereinfacht sich. Zwar muss die erforderliche Kraft- und Druckmessung möglicher Quetschpunkte nach wie vor geleistet werden, um die Einhaltung der Druckgrenzwerte nachzuweisen, allerdings reduziert sich mit End-of-Arm-Safeguard die Anzahl der Messpunkte deutlich, denn alles, was sich im Sicherheits-kegel befindet – wo erfahrungsgemäß die größten Gefahrenquellen liegen – kann typischerweise ausgespart werden.

Last but not least können Anwendungen mit End-of-Arm-Safeguard in der Regel insgesamt auch schneller fahren als Anwendungen, die nur durch die klassische Kraft- und Leistungsbegrenzung abgesichert sind, da der Roboter schon vor dem Kontakt mit dem Menschen gestoppt wird. Zudem braucht das System keinen zusätzlichen Platz.