Bei hoher Variantenvielfalt die Qualität durch Automatisierung steigern und gleichzeitig eine hohe Wirtschaftlichkeit gewährleisten – dieser Spagat gelingt nur dann, wenn der Mensch mit seinen kognitiven Fähigkeiten als aktives Glied in der Fertigungskette erhalten bleibt. Ergo gilt es, die Voraussetzungen für eine direkte Kooperation von Mensch und Roboter (MRK) zu schaffen. So müssen sich zukünftige Robotersysteme, die sich außerhalb der Vollautomatisierung behaupten wollen, anderen Sicherheitsanforderungen stellen, als sie bis dato für Industrieroboter galten. Das heißt: Das bisher gültige Prinzip der räumlichen Trennung von Mensch und Roboter wird für MRK-Systeme aufgehoben und deren sicherheitstechnische Umsetzung ist grundlegend neu zu bewerten.

Wenn auch fast jeder Roboterhersteller heutzutage seinen Roboter mit einer Sicherheitssteuerung zur sicherheitsgerichteten Positions- und Geschwindigkeitsüberwachung anbietet, so ist damit in der Gesamtumsetzung einer Anlage nur der erste Schritt zu einer sicheren MRK-Zelle getan. Die internationalen Normungsgremien haben den Bedarf zur Standardisierung der MRK erkannt und schon in der 2006 veröffentlichten Sicherheitsnorm DIN EN ISO 10218-1 (Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 1: Roboter) den „Kollaborierenden Roboter“ erstmals definiert sowie Mindestvorgaben an seinen Betrieb aufgestellt. Neben der Absicherung der Kooperation durch den Einsatz von Sicherheitssteuerungen und der Arbeitsraumüberwachung verweist diese Norm auf die Begrenzung von Kenngrößen im Falle einer Kollision. Allerdings bringen pauschale Werte für die Geschwindigkeit oder eine Leistungsbegrenzung keine Sicherheit für die Vielzahl an Roboteranlagen, die vorstellbar sind. Sie können vielmehr das Gegenteil bewirken, wenn sich der Anwender auf einen Grenzwert stützt, ohne die gesamten Konsequenzen einer möglichen Kollision zu betrachten.

Dies führte dazu, dass die in der ersten Ausgabe aufgeführten Zahlenwerte schon in der nächsten Revision wieder gestrichen wurden und in der Fassung vom Juli 2011 (die deutsche Übersetzung ist im Januar 2012 erschienen) auf eine ausführ­liche Risiko-Analyse, beispielsweise zur Festlegung einer sicheren Geschwindigkeit, verwiesen wird. Der zweite Teil der Sicherheitsnorm DIN EN ISO 10218-2 (Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 2: Robotersystem und In­tegration), der zeitgleich im Juli 2011 erschienen ist, klassifiziert die Mensch-Roboter-Kooperation in vier Arten:

1. Stopp bei Zutritt zum Kollabora­tions­raum:
Bei Zutritt des Bedieners in den Kollaborationsraum begibt sich der Roboter in einen Sicherheitshalt. Verlässt der Bediener diesen gemeinsamen Arbeitsraum wieder, setzt der Roboter seine Tätigkeit nach automatischem Wiederanlauf fort.

2. Bewegung des Roboters durch Handführen mit reduzierter Geschwindigkeit:
Der Bediener führt den Roboter zum Beispiel über einen Griff, der direkt am Roboter montiert ist. Die Bewegungen und Kräfte, die der Mensch auf den Roboter ausübt, werden von Sensoren erfasst und in eine unmittelbare Bewegung des Roboters umgesetzt. Um die Kontrollierbarkeit zu gewährleisten und die im Roboter gespeicherte kinetische Energie zu begrenzen, wird die Geschwindigkeit des Roboters sicherheitsgerichtet begrenzt. Eine Zustimmeinrichtung verhindert unbeabsichtigtes Anlaufen.

3. Überwachter Abstand zwischen Mensch und Roboter bei reduzierter Geschwindigkeit:
Sensorik überwacht permanent den Abstand zwischen Mensch und Roboter. Bei Unterschreiten eines gegebenen Mindestabstandes stoppt der Roboter und geht in einen Sicherheitshalt.

Das Hauptmerkmal von kleineren Robotersystemen liegt in ihrer Flexibilität und Anpassungsfähigkeit auf sich ändernde Umgebungsanforderungen. Das Bild zeigt den Konzeptroboter „Frida“ bei der Mensch-Roboter-Kooperation in der Montage.

© ABB

4. Beschränkung der im Roboter gespeicherten Energie und vom Roboter ausgeübten Kraft:
Das Gefährdungspotenzial des Roboters wird durch die Beschränkung seiner dynamischen Parameter auf ein akzeptables Maß reduziert. Dazu erfolgt zum Beispiel eine ausreichende Limitierung der maximalen Kraft des Roboters und der dynamischen Leistung, um Verletzungsfreiheit auch im Falle eines Kontaktes zu garantieren.

Eine exakte Beschreibung, welche Kräfte und Energien ein Robotersystem noch maximal aufbringen darf, um als inhärent sicheres Robotersystem klassifiziert zu werden, sucht man in der Norm leider nach wie vor vergebens. Erste Ansätze werden aktuell im Rahmen einer technischen Spezifikation ISO/TS 15066 (Industrial Safety Requirements – Collaborative Industrial Robots) aufbereitet, die den Anwendern der ISO 10218 eine weitergehende Hilfestellung bei der Umsetzung von Anwendungen mit Mensch-Roboter-Kooperation geben soll. Mit einer ersten Veröffentlichung dieser technischen Spezifikation ist allerdings frühestens 2013 zu rechnen. In die Entwicklung dieser Richtlinien ist auf deutscher Seite neben Herstellern, Verbänden, Integratoren und Endanwendern das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA federführend eingebunden.

Kollisionen - (k)ein Tabu?

Eine Voraussetzung, um das Design zukünftiger Generationen von Robotern spezifisch auf ihren Einsatz in der MRK anzupassen, ist die Kenntnis der Korrelationen spezifischer Roboter-Charakteristika mit bekannten, quantifizierbaren Verletzungsmechanismen. Dieses Vorgehen ist in der Pkw-Industrie seit Jahren der Motor für die Entwicklung der Sicherheitstechnik und kann sich auch in der Robotik bewähren. Der Transfer dieser und anderer aktueller Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in die Normung wird im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Projekts „Gefährdungskriterien und Designvorgaben für die sichere Mensch-Roboter-Kooperation“ am Fraunhofer IPA verfolgt, um auch die Umsetzbarkeit industrieller Vorhaben zu gewährleisten.  

Zwar wird die Vermeidung ungewollter Kontakte Ziel jeder Mensch-Roboter-Kooperation bleiben; doch während es lange Zeit als ein Tabu bei der Diskussion um Sicherheit galt, über eine mögliche Kollision des Menschen mit dem Industrieroboter zu diskutieren, so sind sich die Experten heute einig, dass die Untersuchung solcher Kollisionen zwingend notwendig ist, um daraus zuverlässige Grenzwerte zu entwickeln. So legt das potenzielle Verletzungsrisiko der Kollision fest, unter welcher funktionalen Sicherheitsstufe ein solches zu verhindern ist. Harmlose Kontakte – wie sie beispielsweise auch bei manuellen Arbeitsplätzen unter Kollegen auftreten – werden möglicherweise in Kauf genommen. Kontakte, die zu Verletzungen führen können, verlangen wie in Anwendungen ohne MRK nach zusätzlichen Schutzmaßnahmen.

Der Roboter auf dem Prüfstand

Vor diesem Hintergrund hat das Fraunhofer IPA einen Prüfstand entwickelt, mit dem sich ein Robotersystem hinsichtlich seines Gefährdungspotenzials im Falle einer Kollision bewerten lässt. Die mit dem Mechanismus aufgenommenen Kraft-, Druck- und Kompressionsdaten ermög­lichen den Vergleich des Kollisions-Ereignisses einer spezifischen Roboterkonfiguration in einer Anwendung mit Verletzungsgrenzwerten, wie sie gerade für die internationale Normung zur Robotersicherheit aufgestellt werden.