In der Praxis bedeutet das eine individuelle sicherheitstechnische Betrachtung jeder Applikation – gleich ob stationärer oder mobiler Roboter. Wo immer der Mensch näher an die Maschine rückt oder sich beide eine Aufgabe und einen Arbeitsraum teilen, spielt Sicherheit eine maßgebliche Rolle: Bei mobilen Roboterapplikationen treten dafür an die Stelle räumlich trennender Systeme flexible Sicherheitskonzepte. Erst diese erlauben Formen der Zusammenarbeit, die Sicherheit und Produktivität vereinen. Bei einer autonomen mobilen Roboterplattform beispielsweise, in die eine Kinematik wie ein Roboter oder ein Förderband integriert ist, können Gefahren für den Menschen entstehen, der neben dieser Plattform arbeitet. Daher muss bei mobilen Anwendungen darauf geachtet werden, dass sowohl die normativen Anforderungen der mobilen Plattformen als auch die der Roboter und kollaborativen Roboter erfüllt werden.

Kollision nicht (mehr) ausgeschlossen

Voraussetzungen für ein verletzungsfreies Miteinander von Mensch und Roboter sind zum einen zuverlässige Steuerungen und intelligente, dynamische Sensoren am Roboter selbst. Der Roboter fühlt dadurch, wenn es zu einer Kollision kommt. Zum anderen müssen durch normative Grundlagen verlässliche Sicherheitsstandards gesetzt sein. Eine zentrale Bedeutung spielt dabei die Technische Spezifikation ISO/TS 15066 ‚Robots and Robotic Devices – Collaborative industrial robots‘. Mit dieser Technischen Spezifikation lassen sich nach entsprechender Validierung sichere Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK) umsetzen. In der ISO/TS 15066 sind vier Methoden als Schutzprinzipien genauer beschrieben:

• Sicherheitsgerichteter überwachter Stillstand
• Handführung
• Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung
• Leistungs- und Kraftbegrenzung

Bei der Umsetzung kann der Systemintegrator eine oder eine Kombination aus diesen ‚Methoden‘ für seine Applikation auswählen. In der Praxis zeigt sich, dass sich mit der ISO/TS15066 Mensch-Roboter-Kollaborationen oft durch eine Kombination einer Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung und einer Leistungs- und Kraftbegrenzung umsetzen lassen.

Im Anhang der Technischen Spezifikation ISO/TS 5066 wird ein Körperzonenmodell aufgeführt. Dieses macht zu jedem Körperteil – zum Beispiel am Kopf, an der Hand, am Arm oder am Bein – eine Angabe zu den jeweiligen Kollisionsgrenzwerten. Bleibt die Anwendung während einer Begegnung zwischen Mensch und Roboter innerhalb dieser Grenzen, so ist sie normenkonform. Diese Schmerzschwellenwerte werden in der Praxis zur Validierung einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration herangezogen.

Zur Messung von Kräften und Geschwindigkeiten hat beispielsweise das Automatisierungsunternehmen Pilz das Kollisionsmessgerät PRMS entwickelt, das mit Federn und entsprechenden Sensoren die einwirkenden Kräfte und Drücke bei einer Kollision mit einem Roboter exakt misst. Eine Software wertet die Werte aus und vergleicht sie mit den Vorgaben aus der ISO/TS 15066.

Sensorik-Baukasten für sichere Roboter

Hilfreich bei der Validierung von MRK-Applikationen ist das Kollisionsmess-Set PRMS von Pilz: Ausgestattet mit Federn und entsprechenden Sensoren können die einwirkenden Kräfte und Drücke bei einer Kollision mit einem Roboter exakt erfasst, per Software ausgewertet und mit den Vorgaben aus der ISO/TS 15066 verglichen werden.

© Pilz

Bei der technischen Umsetzung von Roboterapplikationen kommt der sicheren Sensorik eine Schlüsselrolle zu: Um allen Anwendungen in Punkto Sicherheit gerecht zu werden, ist ein Baukasten an Sensoren notwendig, der auf die individuellen Bedürfnisse der Anwendung zugeschnitten werden kann. Bei Mensch-Roboter-Kollaborationen muss beispielsweise unterschieden werden, ob sich ein Mensch im potenziellen Aktionsraum einer Gefahr bringenden Bewegung aufhält (Warnraum) oder bereits eine Zone mit erhöhter Sicherheitsanforderung betreten hat (Schutzraum). Idealerweise müssen sich diese Räume dynamisch anpassen lassen und beispielsweise den sicher überwachten Bewegungen der Maschine oder eines Roboters nachgeführt werden. In diesem Umfeld sind MRK-Anwendungen realisierbar, bei denen statische Schutzeinrichtungen an ihre Grenzen stoßen würden. Flexibler sind Schutzkonzepte, die auf sicheren Radarsystemen oder Sicherheits-Laserscannern basieren.

Bei Roboterapplikationen hingegen, bei denen zum Beispiel lediglich eine menschliche Kontrolle, ein Einlegen von Teilen oder eine Nacharbeit erforderlich ist, werden oft berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen wie Sicherheitslichtvorhänge als Zutrittsschutz eingesetzt. Zusätzlich kann es erforderlich sein, einen Hintertretschutz in Form von waagrecht installierten Sicherheits-Lichtgittern oder einem Sicherheits-Laserscanner anzubringen.

Müssen Schutzeinrichtungen etwa bei engen Platzverhältnissen nah an einer gefährlichen Bewegung platziert werden, besteht die Gefahr des gefährlichen Nachlaufs. Hier ist die Verwendung einer sicheren Zuhaltung noch unbedingt notwendig. Mechanische Zuhaltungen mit Federkraftverriegelung oder integrierte sichere Schutztürsensoren übernehmen diese Aufgaben an entsprechenden Schutztürlösungen.

Sichere Automatisierung mobiler Roboter

Alles im Fluss dank einer individuellen, aber ganzheitlichen Betrachtung der notwendigen Sicherheitskonzepte für mobile Robotik.

© Arena2036/Corinna Spitzbarth

Der Einsatz von Autonomous Mobile Robots (AMR), die zunehmend autonomer, flexibler und weniger abhängig von der festen Infrastruktur sind, in der sie betrieben werden, nimmt zu. Bei diesem Wandel müssen auch entsprechende Sicherheitskonzepte berücksichtigt werden, damit dort, wo sich die Arbeitsräume von Mensch und Maschine kreuzen, keine Unfälle passieren.

Den normativen Rahmen gibt die ISO 3691-4 ‚Fahrerlose Flurförderzeuge und ihre Systeme‘ vor. Für die technische Umsetzung der Sicherheitsfunktionen an den Fahrzeugen – etwa die Überwachung der Warn- und Sicherheitszonen laut ISO 3691-4 – kommen Sicherheitssensoren und -steuerungen zum Einsatz. Sicherheits-Laserscanner übernehmen eine solche Absicherung und damit im Vergleich zu Lösungen mit Lichtgittern eine barrierefreie, produktivere Flächenüberwachung für den Kollisionsschutz.

Frei navigierende Autonomous Mobile Robots können Hindernisse oder Personen umfahren, ohne zu stoppen. Die benötigten Sicherheitsfunktionen sind daher komplex. Gerade für das Lenken um Kurven muss zwischen mehreren Schutzzonen umgeschaltet werden können. Sichere Sensorik wie etwa Sicherheits-Laserscanner erfassen für die freie Navigation permanent die Umgebung. Die bis zu 70 Schutzfelder des Sicherheits-Laserscanners ‚PSENscan‘ von Pilz etwa lassen eine solche dynamische Schutzfeldanpassung zu: Bei hoher Geschwindigkeit sind diese Schutzzonen größer, um frühzeitig Hindernisse zu erkennen. Bei langsamen Geschwindigkeiten entsprechend kürzer, um möglichst keine Stillstände zu generieren. So bewegt sich der AMR effizient.

Auch von der Sicherheitssteuerung verlangt die Komplexität der Schutzzonen entsprechende Parametriermöglichkeiten. Die konfigurierbare Kleinsteuerung ‚PNOZmulti 2‘ von Pilz überwacht zum Beispiel unter Einsatz von Motion Monitoring Modulen eine oder zwei Achsen (pro Modul). Im dazugehörigen Konfigurationstool wird mittels Software-Bausteinen ein eigenständiges Modulprogramm parametriert, so dass das zuverlässige Anwählen der entsprechenden Zone des Sicherheits-Laserscanners mit wenigen Klicks umsetzbar ist.

Ohne Industrial Security keine Safety

Neben der Maschinensicherheit spielt die Industrial Security eine bedeutende Rolle. Die zunehmende Vernetzung erfordert zusätzlichen Schutz. AMRs beispielsweise kommunizieren als frei navigierende Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) per Funk mit ihrer Leitsteuerung. Dies macht sie für Datenzugriffe oder Manipulationen von außen angreifbar. Kartendaten könnten abgefragt, FTF und damit die laufende Produktion im schlimmsten Fall sogar stillgesetzt werden. Eine Industrial Firewall, wie etwa die ‚SecurityBridge‘ von Pilz, schützt das Steuerungsnetzwerk vor Manipulation und sorgt dafür, dass während des Betriebs niemand unautorisiert auf das interne IT-Netzwerk des mobilen Roboters zugreifen kann.

Ein umfassendes Identification and Access Management stellt über die reine Daten- und Netzwerksicherheit hinaus eine Lösung dar, die nicht nur das FTF vor physischer Manipulation oder Fehlbedienung schützt. So können beispielsweise mit einem Zugangsberechtigungssystem Roboterapplikationen vor unbefugten Zugriffen geschützt werden, da nur autorisierte Personen Zugang zur Anwendung erhalten.
Dass Safety und Security ineinandergreifen, hat inzwischen auch der Gesetzgeber erkannt. Die neue Maschinenverordnung schreibt deshalb Security-Maßnahmen verpflichtend vor, was auch Auswirkungen auf die CE-Kennzeichnung hat.

Am Ende steht die CE-Kennzeichnung

Der Gesetzgeber verpflichtet, wie in anderen Bereichen auch, den Hersteller einer Roboterapplikation – sei es stationär oder mobil – zur Durchführung eines Konformitätsbewertungsverfahren mit CE-Kennzeichnung. Die Anbringung der CE-Kennzeichnung bestätigt, dass die Roboterapplikation alle erforderlichen Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen erfüllt. Die Herausforderung der zu Grunde liegenden Risikobeurteilung bei Roboterapplikationen besteht darin, dass sich die Grenzen der beiden Arbeitsbereiche von Mensch und Maschine auflösen. Zusätzlich zu den Gefahren, die vom Roboter ausgehen, müssen die Bewegungen des Menschen berücksichtigt werden. Diese sind jedoch nicht immer kalkulierbar mit Blick auf Geschwindigkeit, Reflexe oder plötzlichen Zutritt zusätzlicher Personen.

Es folgen die Schritte ‚Sicherheitskonzept‘ oder ‚Sicherheitsdesign‘ inklusive Auswahl der Komponenten. Diese sind meist eine Kombination aus intelligenten Sensoren, die miteinander verknüpft sind, und Steuerungen, die die notwendigen dynamischen Arbeitsprozesse überhaupt erst möglich machen. Anschließend werden die ausgewählten Sicherheitsmaßnahmen in der Risikobeurteilung dokumentiert und im Schritt ‚Systemintegration‘ umgesetzt. Es folgt die Validierung, in der die vorangegangenen Schritte nochmals reflektiert werden.

Jeder Applikation ihre eigene sicherheitstechnische Betrachtung

Der Autor: Dr. Manuel Schön ist Produktmanager Robotik bei Pilz in Ostfildern.

© Pilz

Den einen sicheren Roboter oder die eine sichere Sensorik, die alle möglichen Fälle aus den Anwendungen hinsichtlich der Sicherheit abdeckt, gibt es nicht. Die Anforderungen an Safety und Industrial Security hängen stets von der jeweiligen Applikation ab. Erst in der Gesamtbetrachtung von Roboter, Werkzeug und Werkstück sowie dazugehörigen Maschinen wie etwa Fördertechnik entstehen sichere Roboteranwendungen. In der Praxis bedeutet dies, dass jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung erfordert.