Roboter sind unvollständige Maschinen im Sinne der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Für detaillierte Sicherheitsanforderungen in der Industrie stehen die beiden Normen ISO 10218 ‚Safety of Industrial Robots‘ Teil 1: ‚Robots‘ und Teil 2: ‚Robot systems and integration‘ zur Verfügung. Die deutschen Fassungen beider Teile sind als EN ISO 10218-1:2011 und EN ISO 10218-2:2011 veröffentlicht und als harmonisierte C-Normen unter der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG gelistet. 

In der Praxis erwiesen sich die bestehenden Normen aber als nicht ausreichend, um eine tatsächliche Kollaboration von Mensch und Maschine, bei der sich die jeweiligen Arbeitsräume zeitlich und räumlich überschneiden können, sicher umzusetzen. Hier klaffte eine normative Lücke, die im Frühjahr 2016 durch die Veröffentlichung der Technischen Spezifikation ISO/TS 15066 ‚Robots and Robotic Devices – Collaborative industrial robots‘ geschlossen werden konnte. In diesem Dokument sind die vier Kollaborationsarten ‚Sicherheitsbewerteter überwachter Halt‘, ‚Handführung‘, ‚Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung‘ sowie ‚Leistungs- und Kraftbegrenzung‘ als Schutzprinzipien genauer beschrieben. 

Bereits bei der Planung einer MRK-Applikation muss überlegt werden, welche der vier Methoden (einzeln oder in Kombination) aus der ISO/TS 15066 angewandt wird. Daraus ergibt sich, welcher Roboter-Typ zum Einsatz kommen kann: beispielsweise sensitiv – also mit integrierten Sicherheitsfunktionen – oder nicht sensitiv. Weitere Kriterien für die Wahl des Roboters sind die benötigten Nutzlasten und Reichweiten. 

Am Anfang steht die Risikobeurteilung

Sobald eine erste Idee der Applikation besteht, gibt es eine Diskussionsgrundlage und man kann bereits mit einer Risikobeurteilung beginnen. Wenn Überlegungen mit Blick auf die Sicherheit erst während oder nach Aufbau der Roboterapplikation angestellt werden, sind größere Umbaumaßnahmen häufig die Konsequenz. Produktivität und Sicherheit lassen sich auf diese Weise nicht in Einklang bringen. 

Unabhängig von der Wahl der Methode gilt: Bei der Umsetzung einer Roboter-Applikation ist grundsätzlich zu beachten, dass der Roboter gemäß der Maschinenrichtlinie an sich nur eine unvollständige Maschine darstellt; erst durch Greifer beziehungsweise das für die jeweilige Applikation notwendige Werkzeug erhält der Roboter einen bestimmten Zweck und muss als vollständige Maschine betrachtet werden. Der Integrator oder Anwender wird damit zum Hersteller der Maschine und ist für die CE-Kennzeichnung inklusive sicherheitstechnischer Überprüfung verantwortlich. Entsprechende Leitsätze zur Risikobeurteilung und -minderung sind in der EN ISO 12100 ‚Sicherheit von Maschinen‘ definiert.

Maßgebend für die Risikobeurteilung ist der iterative Prozess. Dieser gliedert sich in die Schritte Risikoanalyse und Risikobewertung. Zu den Inhalten der Risikobeurteilung zählen die Ermittlung der geltenden harmonisierten Normen und Vorschriften, die Bestimmung der Grenzen der Maschine, die Ermittlung sämtlicher Gefahren innerhalb jeder Lebensphase der Maschine, die eigentliche Risiko-Einschätzung und -beurteilung sowie die empfohlene Herangehensweise zur Reduzierung des Risikos. Wichtig ist, dass für die Risikobeurteilung jede Gefahrenstelle einzeln und ohne Schutzmaßnahmen betrachtet wird. Auf Basis der Risikobeurteilung entsteht ein individuelles Sicherheitskonzept sowie die Systemintegration. 

Die Herausforderung bei schutzzaunlosen Roboterapplikationen besteht darin, dass sich die Grenzen zwischen den beiden Arbeitsbereichen 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 in Hinsicht auf Geschwindigkeit, Reflexe oder etwa auch plötzlichen Zutritt zusätzlicher Personen. 

Kein Schutzzaun – mehr Gefahren

Auch wenn Roboter über Sicherheitsfunktionen verfügen und die Produktionstechnik große Erfahrung bei der Gestaltung von Arbeitsplätzen hat: Bei der Umsetzung von MRK-Applikationen tauchen immer neue Fragestellungen auf, insbesondere wenn diese nach ‚Methode 4‘ (siehe Kasten) umgesetzt wird und damit Kollisionen – gewollt oder versehentlich – möglich sind. Dabei spielt nicht zuletzt die Art der Kollision eine Rolle. Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Kollisionsarten: Der ‚Transiente Kontakt‘ zwischen Mensch und Roboter entspricht einem Stoß durch den Roboter. Der Mensch wird von dem Roboter getroffen, hat aber die Möglichkeit zurückzuweichen. Er ist nicht eingeklemmt. Der ‚quasistatische‘ Kontakt zwischen Mensch und Maschine dagegen entspricht einer Quetschung des Menschen. Ein Ausweichen ist nicht möglich und der Mensch wird unter Umständen festgehalten und kann sich nicht selbst befreien.

Im Gegensatz zu Maschinen, die geschlossen sind, müssen die Planer bei MRK-Anwendungen zudem das Nahfeld betrachten. Es geht darum, die Gefährdung durch Stolpern – Stolperstellen zum Beispiel durch Leitungen – zu eliminieren. Ferner muss die vorhersehbare Fehlanwendung berücksichtigt werden. Zum Beispiel, dass ein applikativ benötigtes Werkzeug auch mal aus der Hand fallen kann. 

Mit der Anzahl der Kollisionsszenarien steigt die Komplexität mit Blick auf die Sicherheit. Entsprechend zielt eine Gestaltung von MRK-Applikationen auf die Minimierung von Kollisionen ab. Das kann in der Konstruktion bedeuten, dass Roboterarme auch an der Decke oder unter der Arbeitsfläche montiert werden. Bei der Programmierung des Roboters ist es sinnvoll, den Arbeitsraum des Roboters möglichst klein zu halten. Denn dort, wo der Roboter nicht hinkommt, kann es auch keine Berührungen geben. Zudem sollte der Programmierer Kraft und Geschwindigkeit jedes Gelenks so parametrieren, dass unnötig hohe Werte vermieden werden. Bei Roboterarmen mit sechs oder mehr Achsen kann das einen enormen Programmieraufwand bedeuten.

Von der Validierung hängt es ab

Mittels Kollisionsmess-Set werden Kraft und Druck gemessen, die bei einer Kollision zwischen Mensch und Roboter entstehen. Somit eignet sich das Set zur Validierung von Mensch-Roboter-Kollaborationen gemäß ISO/TS 15066.

© Pilz

Die Validierung ist einer der maßgeblichsten Schritte auf dem Weg zur CE-Kennzeichnung. Sie ist essenziell für den Beweis, dass eine Maschine den Sicherheitsbestimmungen entspricht. Hier werden die vorangegangenen Schritte nochmals reflektiert. Im Gegensatz zur Risikobeurteilung wird bei der Validierung jede Gefahrenstelle mit Schutzmaßnahmen betrachtet. Die Roboterapplikation muss hierfür in einem auslieferungsfertigen Zustand sein.

Für die Validierung sind gemäß der Norm unterschiedliche Methoden anzuwenden, darunter optische Kontrollen, praktische Tests und Messungen. Die Validierung umfasst unter anderem die Verifizierung des geforderten Performance Levels PLr, eine Fehlersimulation, eine Nachlauf-Wegmessung – wenn die MRK-Applikation mittels Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung abgesichert werden soll –, die Prüfung der Checkliste der EN ISO 10218-2 Anhang G sowie eine Kollisionsmessung im Falle einer Leistungs- und Kraftbegrenzung. Insgesamt muss der Systemintegrator über 200 Punkte validieren.

Messung von Kraft und Druck

Letztlich muss zwingend durch ein Messverfahren ermittelt werden, ob die möglichen Kollisionen sicherheitstechnisch unbedenklich sind. Im Anhang A der TS ISO/TS 15066 wird ein Körpermodell mit 29 spezifischen, in zwölf Körperregionen eingeteilte Körperbereiche aufgeführt. Das Körperzonenmodell macht zu jedem Körperteil (zum Beispiel am Kopf, an der Hand, am Arm oder am Bein) eine Angabe zu den jeweiligen Belastungsgrenzwerten mit Blick auf Kraft und Druck. Die Körperregion mit den niedrigsten zulässigen 
Kollisionswerten ist das Gesicht. Hier darf maximal eine Kraft von 65 N und ein Druck von 110 N/cm2 einwirken. Bleibt die Anwendung während einer Begegnung zwischen Mensch und Roboter innerhalb dieser Grenzen, so kann die Kollision als gefahrlos eingestuft werden. Dies ist die Grundlage, um die Schutzzäune entfallen zu lassen. 

Zwar sind in der Technischen Spezifikation festgelegt, dass die Grenzwerte einzuhalten sind und welche Grenzwerte für welche Körperregionen gelten. Was jedoch nicht beschrieben ist: Wie müssen Drücke und Kräfte gemessen werden. Hier fehlen momentan Standards, um – unabhängig davon wer die Validierung durchführt – vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. 

MRK erfordert eigene Methodik

Für die Aufstellung eines entsprechenden Messverfahrens hat sich Pilz an der Inspektion von Lichtschranken orientiert und eine eigene Methodik mit entsprechenden Spezifikationen erarbeitet. In ihr ist beispielsweise beschrieben, wie Kollisionspunkte ermittelt werden. Um die Reproduzierbarkeit der Messung zu gewährleisten, wird eine Messung immer mit Start-, Kollisions- und Endpunkt beschrieben. Für die spezielle Kraft- und Druckmessung hat Pilz ein eigenes Kollisionsmess-Set entwickelt. Das mit Federn und entsprechender Sensorik ausgestattete System misst die auf den menschlichen Körper einwirkenden Kräfte und den Druck exakt und vergleicht sie mit den Grenzwerten gemäß ISO/TS 15066. Das Messgerät wird dafür an den bei der Risikobeurteilung ermittelten Positionen installiert – zwischen Roboterarm und einem steifen, unnachgiebigen Untergrund. Damit wird ein quasi statischer Kontakt, etwa das Einquetschen des Werkers zwischen Roboter und Anlage, simuliert. Die Kollision muss unter ‚Worst Case‘-Bedingungen stattfinden. Das bedeutet, es muss die maximale sicher reduzierte Geschwindigkeit angewendet werden und nicht die Geschwindigkeit in der Anwendung.

Wenn die Grenzwerte überschritten werden, muss die Dynamik des Roboters reduziert oder zusätzliche Sicherheits-Maßnahmen wie etwa Lichtgitter oder eine trennende Schutzeinrichtung installiert werden. 

Abschließend und nach der Durchführung aller Verifikations- und Validierungsschritte steht die Erstellung des Validierungsberichts. Dieser enthält in nachvollziehbarer Form alle Angaben zu den durchgeführten Analysen und Prüfungen. Werden die Ergebnisse ausführlich dokumentiert, entspricht die Validierung den Vorgaben an Messmethoden. Diese besagen, dass sie verständlich und nachvollziehbar sowie reproduzierbar sein müssen. Dies ist ein wichtiger Bestandteil der Maschinendokumentation einer MRK-Applikation nach Methode 4.

Erst danach kann die Roboter-Applikation die CE-Kennzeichnung erhalten. Mit diesem Zeichen dokumentiert ein Hersteller, dass er alle für sein Produkt relevanten europäischen Binnenmarktrichtlinien berücksichtigt hat und dass alle zutreffenden Verfahren zur Konformitätsbeurteilung angewendet wurden.

Die Anforderungen an die Sicherheitstechnik hängen stets von der jeweiligen Applikation ab. Erst in der Gesamtbetrachtung von Roboter, Werkzeug und Werkstück sowie dazugehörigen Maschinen, wie etwa Fördertechnik, entstehen sichere Roboterzellen. Das bedeutet in der Praxis, dass jede Applikation eine eigene, eingehende sicherheitstechnische Betrachtung erfordert. Die ISO/TS 15066 gibt dafür bereits einen normativen Rahmen, mit Standards für die dazugehörige Validierung lassen sich Produktivität und Sicherheit noch besser vereinen.

Autor: 
Jochen Vetter ist Manager Robot Safety bei Pilz.