Die EN ISO 10218 ‚Sicherheitsanforderungen von Industrierobotern‘ aus dem Jahr 2011 ist hinsichtlich Sicherheit für alle Industrieroboter gültig. Sie besagt im Abschnitt ‚4.2 – Layout Design‘, dass eine manuelle Steuerung des Roboters von außerhalb des geschützten Bereiches erfolgen sollte. Dieser wird als der „durch die äußeren technischen Schutzeinrichtungen begrenzte Raum“ definiert. Eine solche Trennung von Mensch und Roboter sowie gleichzeitig von geschütztem und ungeschütztem Bereich durch einen Schutzzaun findet sich bei allen traditionellen Roboteranwendungen. Wird nun beispielsweise die Tür zum eingezäunten Arbeitsbereich des Roboters geöffnet und damit der geschützte Bereich verletzt, aktiviert dies den Sicherheitshalt des Roboters. Soll er in diesem Moment trotzdem bewegt werden, beispielsweise für die Programmierung, bedarf dies einer zusätzlichen Schutzmaßnahme. Hierfür kommt der dreistufige Zustimm-taster ins Spiel: Eine Roboterbewegung ist nur dann möglich, wenn der Taster in seiner Mittelstellung gehalten wird. Ein Loslassen oder Durchdrücken führt wiederum sofort zum Stopp des Roboters. 

Roboterarm mit Sicherheitsebene (in Blau) und Lichtgitter.

© Universal Robots

Doch wie sieht die Situation bei kollaborierenden Anwendungen aus, in denen sich Mensch und Roboter einen Arbeitsbereich teilen? Hier ist der Zustimmtaster in einer Anwendung, für die er nicht als Sicherheitsfunktion erforderlich ist, eher hinderlich und verursacht zusätzliche Kosten. Ergo stellt sich die Frage, unter welchen Voraussetzungen darauf verzichtet werden kann?

In der Praxis kommen bei den meisten MRK-Anwendungsfällen die Kraft- und Leistungsbegrenzung oder der sicherheitsgerichtete, überwachte Halt zum Einsatz. Im Gegensatz zu traditionellen Roboter-Anwendungen sind hier keine Zäune vorhanden, die den geschützten vom ungeschützten Bereich trennen. Um zu entscheiden, ob ein Zustimmtaster erforderlich ist, müssen daher zunächst diese beiden Bereiche für die jeweilige MRK-Anwendung definiert werden. Bei der Kraft- und Leistungsbegrenzung stellt zudem die für die Risikobeurteilung erforderliche Messung von Klemmung und freier Kollision eine besondere Herausforderung dar. Integratoren bieten sich hierbei jedoch zwei praktische Wege an, die Risikobeurteilung durch zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen zu vereinfachen.

Der sicherheitsbewertete überwachte Halt

Bei der Variante des sicherheitsbewerteten überwachten Halts stoppt der Roboter, sobald eine Person in dessen Arbeitsbereich eintritt. In der Regel wird mit einem Laserscanner oder einer Trittmatte gearbeitet, die als Barriere dienen und die Trennung zwischen geschütztem und nicht geschütztem Bereich übernehmen. So detektieren der Laserscanner oder die Sensoren der Trittmatte beispielsweise eine sich annähernde Person und schalten die sicheren Ausgänge auf LOW, wenn eine bestimmte Entfernung unterschritten wird. Dieser Ausgang ist dann in der Regel auf den Sicherheitsstopp-Eingang des Roboters geführt. Somit ersetzen Trittmatte oder Scanner den Schutzzaun und die sich darin befindliche überwachte Tür.

Muss der Programmierer beim sicherheitsbewerteten überwachten Halt für manuelle Bewegungen näher am Roboter stehen als es die Trittmatte oder der Scanner zulassen, ist es notwendig, die Bewegung des Roboters durch eine weitere Sicherheitsfunktion zu überwachen, vorübergehend freizugeben und ihn im Notfall wieder zu stoppen. Der dreistufige Zustimmtaster ist hier also erforderlich.

Bei der Leistungs- und Kraftbegrenzung durch inhärente Konstruktion oder Steuerung arbeiten Mensch und Maschine im Fertigungsprozess direkt neben- oder miteinander, zum Beispiel an derselben Werkbank. Nur bei dieser Variante der MRK handelt es sich um eine Kollaboration im eigentlichen Sinne: Ein durch eine externe Peripherie sichergestellter geschützter Bereich existiert nicht. 

Die Kraft- und Leistungs­begrenzung

Die Sicherheit wird durch die Kraft- und Leistungsbegrenzung des Roboters gewährleistet und ist dadurch zunächst nicht ortsgebunden. Jedoch muss gemäß EN ISO 10218-2 der sogenannte Kollaborationsraum, in welchem Roboter und Mensch aufeinander treffen und ein physikalischer Kontakt entstehen kann, im Rahmen einer Risikobeurteilung untersucht werden. Hierbei wird verifiziert, dass in diesem Bereich keine Gefährdung für den Menschen besteht.

Für die Risikobeurteilung ist es erforderlich, alle möglichen Kollisionsszenarien von Mensch und Roboter wie Klemmung oder freie Kollision im Kollaborationsraum zu betrachten. Mit Messungen (bei Klemmung) oder durch Berechnung (bei freiem Einschlag) gilt es, im Rahmen der Risikobeurteilung zu ermitteln, dass die Kräfte und Drücke einer Kollision keine Verletzungen verursachen. Liegt eine erfolgreiche Risikobeurteilung im Sinne der 2016 in Kraft getretenen ISO TS 15066 vor und sind die in der Risikobeurteilung bestätigten Sicherheitsfunktionen zu jeder Zeit aktiv, ist der Zustimmtaster in diesem Fall für das kollaborierende System nicht notwendig.

Anschlussplan für Sicherheitseingänge und -ausgänge bei Teilung in normalen Bereich und im Kollaborationsraum.

© Universal Robots

Potenzielle Klemm- und Scherstellen sind bei kollaborierenden Anwendungen mit Kraft- und Leistungsbegrenzung für den Menschen besonders gefährlich: Das Gewebe des betroffenen Körperteils muss dabei die gesamte ­kinetische Energie des Roboters aufnehmen, da kein Zurückweichen möglich ist, beispielsweise wenn eine auf dem Tisch liegende Hand zwischen Tisch und Roboter eingeklemmt wird. Daher sollte bei der Integration eines Roboters mit Kraft- und Leistungsbegrenzung darauf geachtet werden, potenzielle Klemmstellen so gering wie möglich zu halten. Da dies in der Praxis oft schwer zu realisieren ist, empfiehlt sich die Verwendung zusätzlicher Sicherheitseinstellungen für den Roboter. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: 

1. Kollaborationsraum in zwei Bereiche aufteilen

Eine gute Variante, um möglichst viele potenzielle Klemm- und Scherstellen zu vermeiden, ist die Aufteilung des Arbeitsraums in zwei Bereiche – den ‚Normalen Bereich‘ und den ‚Kollaborationsraum‘. In ersterem Fall gelten normale Sicherheitsparameter. Der Ro- boter kann mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten und die Abschaltung muss nicht hochsensibel eingestellt sein, da sich in diesem Bereich normalerweise keine Person befindet. Im Kollaborationsraum hingegen werden die Werte der Sicherheitsparameter (Geschwindigkeit, Kraft, Leistung usw.) reduziert. Der Roboter arbeitet mit gedrosselter Geschwindigkeit und die Abschaltung erfolgt hochsensibel, sobald der Roboter eine Kollision ­erkennt. Roboterarme, wie die von ­Universal Robots, ermöglichen zum einen die Trennung dieser beiden Bereiche durch externe Sensoren – wie zum Beispiel mit einem Lichtvorhang – und zum anderen durch definierte Sicherheitsebenen, welche beim Durch- fahren die Umschaltung von einem Bereich in den anderen auslösen. 

Der Kollaborationsraum von Mensch und Maschine kann dadurch für den Roboter auf den ­Bereich vor dem ­eingesetzten Lichtgitter beschränkt werden. In diesem Bereich müssen folglich alle Klemmstellen und Kollisionsmöglichkeiten untersucht werden, um sicherzustellen, dass bei einem physikalischen Kontakt keine Verletzungen auftreten können. Sofern dies verifizierbar ist, ist hier kein Zustimmtaster notwendig. 

Der Bereich hinter dem Gitter – also der normale Bereich – wird in ­diesem Fall als geschützter Bereich im herkömmlichen Sinne definiert. Müssen in diesem Sektor manuelle ­Bewegungen vollzogen werden, ist ein dreistufiger Zustimmtaster erforderlich, da hier keine reduzierten Sicherheitsparameter verwendet werden und wahrscheinlich die Klemm- und Kollisionssituationen in diesem Bereich auch nicht näher untersucht ­wurden.

Die Tabelle fasst am Beispiel der UR-Roboter zusammen, in welchen Applikationen der Zustimmtaster im Regelfall erforderlich beziehungsweise nicht erforderlich ist.

 

 

 

© Bild: Computer&AUTOMATION, Quelle: Universal Robots

Dieses Beispiel zeigt, dass für die Trennung in einen normalen und einen kollaborativen Bereich eine Ebene zu konfigurieren ist. Diese wird in den Sicherheitseinstellungen mittels der Funktion „Auslöser reduzierter Modus“ vordefiniert. Gleichzeitig müssen in einem solchen Fall die Sicherheitseingänge und -ausgänge elektrisch verschaltet werden, um das Lichtgitter und die Sicherheitsebene miteinander zu kombinieren. Ein Sicherheitsausgang wird als „nicht reduzierter Modus“ konfiguriert. Dieser Ausgang hat ein Low-Signal, wenn der Roboter im normalen Bereich arbeitet, und ein High-Signal, wenn der Roboter die Ebene durchfährt und sich damit in den Kollaborationsraum bewegt. Mit Hilfe dieses Ausgangs wird über eine externe Beschaltung die Sicherheitslichtschranke überbrückt. Die Sicherheitslichtschranke selbst schaltet den Eingang Sicherheitshalt des Roboters.

2. Bewegungsraum des Roboters beschränken

Zelle mit mehreren virtuellen Grenzen, die den Bewegungsraum des Roboter­armes begrenzen.

© Universal Robots

Eine weitere Möglichkeit, die Anzahl der notwendigen Messungen von Kraft und Druck innerhalb des Kollaborationsraums einer Applikation zu reduzieren, besteht darin, den möglichen Bewegungsraum des Roboters auf das notwendige Minimum zu begrenzen. Dies eignet sich besonders für Applikationen, die nicht den gesamten Arbeitsbereich des Roboters nutzen. Hierfür sind ebenfalls Sicherheitsebenen verwendbar, welche den Tool Center Point (TCP) begrenzen. Der Roboter kann sich nicht außerhalb dieser Sicherheitsebenen bewegen. Ergänzend oder alternativ lässt sich der Bewegungsbereich der einzelnen Gelenke einschränken.

Ohne diese zusätzlichen Einschränkungen könnte sich ein Roboter theoretisch sehr weitläufig bewegen. Der gesamte mögliche Bewegungsbereich müsste dann als Kollaborationsraum betrachtet und im Rahmen einer Risikobeurteilung bezüglich Klemmung und freier Kollision bewertet werden. In der Praxis führt der Roboter jedoch in den meisten Fällen seine Bewegungen in einem sehr reduzierten Raum aus. Daher gilt grundsätzlich: Der Kollaborationsraum sollte so groß wie nötig, aber so klein wie möglich gehalten werden. Das Einziehen verschiedener Sicherheitsebenen vereinfacht die Risikobeurteilung somit erheblich, denn es müssen nur noch die potenziellen Klemm- und Kollisionspunkte in dem für den Roboter freigegebenen Bereich messtechnisch beziehungsweise rechnerisch überprüft werden.

Da die verwendeten Sicherheits­ebenen sowohl im Automatik- als auch im Programmierbetrieb wirksam sind und durch den verkleinerten Bewegungsraum alle Gefahrenstellen beurteilt werden konnten, ist der Roboter nun in beiden Betriebsarten sicher. Ein Zustimmtaster ist bei Programmierarbeiten in diesem Bereich nicht notwendig!

Autor:
Andreas Schunkert ist Head of Technical Support Western Europe bei Universal Robots.