Dass Roboter ihr Dasein hinter Schutzzäunen verbringen, entsprach jahrzehntelang den geltenden Arbeitsschutzvorschriften für die automatisierte Produktion. Die Grundlagen der Mensch-Roboter-Kooperation brechen diese Strukturen auf: Während der unbeabsichtigte Zutritt von Dritten weiterhin durch Schutzzäune verhindert wird, agiert der Werker während seiner Tätigkeit innerhalb des geschützten Bereichs und kollaboriert aktiv mit seinem ‚automatisierten Kollegen‘.

Die Vorteile einer Kollaboration zwischen Mensch und Roboter liegen auf der Hand: Während der Roboter über unermüdliche Kraft und Wiederholgenauigkeit verfügt, bringt der Mensch seine Intelligenz, Erfahrung, Wahrnehmungsfähigkeit und Problemlösungskapazität ein. Diese Symbiose bildet aus industrieller Perspektive eine ideale Einheit zum Beispiel für die Montage von Baugruppen sowie die Maschinenbe- und -entladung.

In vielen Unternehmen sind bereits kleinere kollaborierende Roboter (Cobots) im Einsatz, ganz ohne physische Trennung. Die Arbeitsräume von Robotern mit höherer Handhabungskapazität bleiben aber weiterhin durch trennende Schutzeinrichtungen begrenzt. Bei der Projektierung solcher Anlagen stellt sich für alle Beteiligten die Frage: Welche normativen Anforderungen gilt es zu erfüllen?

Zu berücksichtigen sind die normativen Anforderungen an die gesamte zu projektierende Zelle, einschließlich der Personenzugänge (Schutztüren) und der Materialein- und -ausschleusungen. Ergänzend muss die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter innerhalb der Schutzzelle bewertet werden.

Die Normenlage

Die Risikobewertung sowie die Fest-legung entsprechender Schutzmaßnahmen erfolgen unter Anwendung der geltenden Maschinenrichtlinie und der harmonisierten Normen. Hierbei gilt die bekannte ‚Normenpyramide‘ aus Typ A-, B- und C-Normen.

Bei der Bewertung eines Robotersystems – auch bei einer MRK-Anwendung – kommen primär zwei Fachnormen (Typ C-Normen) der Reihe EN ISO 0218 ‚Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen‘ zur Anwendung: Teil 1 (‚Roboter‘) und Teil 2 (‚Robotersysteme und Integration‘). Für den Integrator ist Teil 2 von besonderem Interesse, da dieser spezifische Sicherheitsanforderungen an die Integration des Robotersystems stellt.

Beide Fachnormen wurden 2016 ergänzt durch die technische Spezifikation ISO/TS 15066 ‚Roboter und Robotikgeräte – kollaborierende Roboter‘. Sie ist jedoch nicht im Amtsblatt der europäischen Kommission gelistet und damit keine harmonisierte Norm nach Maschinenrichtlinie.

Abgesehen von Typ A-, B- und C-Normen gibt es weitere Veröffentlichungen wie DGUV-Informationen, Whitepaper des TÜV Austria sowie ein Positions-papier des VDMA zum Thema der sicheren Kollaboration zwischen Mensch und Roboter. Diese Veröffentlichungen bieten wertvolle Orientierungshilfen und unterstützen Unternehmen bei der Implementierung der MRK in Einklang mit den geltenden Sicherheitsstandards.

Eine überarbeitete Fassung der EN ISO 10218 Teil 2 liegt bereits seit drei Jahren als Entwurf vor, in den auch die spezifischen Sicherheitsanforderungen der ISO/TS 15066 einbezogen wurden. Damit wird, sobald der Entwurf verabschiedet und im Amtsblatt der europäischen Kommission veröffentlicht wurde, die Normenreihe den Anwendungsfall MRK vollumfänglich abdecken, und die Sicherheitsanforderungen an die MRK werden harmonisiert sein.

Das kollaborierende Arbeitssystem

Arbeitsbereiche eines kollaborativen Robotersystems nach EN ISO 10218.

© Schmersal

Das iterative Verfahren der Risikobeurteilung bildet die Grundlage für die Bewertung von Arbeitssystemen und MRK-Anwendungen. Im Rahmen dieses Prozesses werden Risiken identifiziert, Schutzmaßnahmen definiert und das verbleibende Restrisiko bewertet. Die Iteration wird so lange fortgesetzt, bis das Restrisiko akzeptabel ist. Drei Voraussetzungen müssen dabei erfüllt sein:

• Konformität des Robotersystems mit der EN ISO 10218-1
• Integration des Robotersystems gemäß den Anforderungen der EN ISO 10218-2 und weiterer relevanter Normen, wie zum Beispiel EN ISO 11161
• Bewertung der Kollaboration nach ISO/TS 15066

Die Konformität des Robotersystems mit der EN ISO 10218-1 wird durch den Hersteller bescheinigt.

Arbeitsbereiche und Schutzzonen

Nach EN ISO 10218-2 sind folgende Bereiche der Roboterzelle zu definieren:

• Geschützter Bereich: Eigentliche Schutzzelle, zumeist innerhalb trennender Schutzeinrichtungen, zum Beispiel Schutzzaun
• Betriebsraum: Raumanforderung des Roboters, um seine Arbeitsaufgabe auszuführen
• Eingeschränkter Raum: Zusätzliche Bereichsbegrenzung zum Beispiel software-gestützte sicherheitsgerichtete Begrenzungen, um den konstruktiv maximal möglichen Bewegungsraum zu reduzieren
• Kollaborationsraum: Raum innerhalb des geschützten Bereichs, in dem Mensch und Roboter gleichzeitig Aufgaben ausführen können, also im ‚kollaborierenden Betrieb‘

Festlegen der physischen Grenzen

Die Definition dieser Arbeitsbereiche und Schutzzonen bildet den ersten Schritt der Risikominimierung und legt die physischen Systemgrenzen der MRK-Anwendung fest. Dabei müssen auch die Anforderungen an Personenzugänge (Schutztüren) und Mensch-Maschine-Schnittstellen (MMS) definiert werden. An den MMS können sich aufgrund der Dynamik des Roboter- systems zusätzliche Gefährdungen ergeben, die zu evaluieren sind. Dies beinhaltet beispielsweise Nachlaufeigenschaften bei gesichertem Stillsetzen mit NOT-HALT-Einrichtungen.

Die Möglichkeit der softwaregestützten, sicherheitsgerichteten Begrenzung des Arbeitsraums ist in der Regel bereits werkseitig integriert. Sie muss vom Integrator entsprechend der festgelegten Räume parametriert werden.

Dynamik des Robotersystems

Mit programmierbaren Sicherheitssteuerungen lassen sich die MRK-spezifischen Sicherheitsanforderungen auf der Steuerungsebene erfüllen.

© Schmersal

Die Dynamik des Robotersystems birgt besonderes Gefährdungspotenzial. Angesichts von Nutzlasten bis über 2 t und Reichweiten bis 4 m ist eine gewissenhafte Bewertung im Rahmen der Risikobeurteilung unumgänglich. Unterstützung erhält der Integrator dabei durch die ‚Listen signifikanter Gefährdungen‘ in den Anhängen A der Normenreihe EN ISO 10218. Sie führen explizit die von Robotersystemen ausgehenden Risiken auf, zum Beispiel scharfe Werkzeuge am Endeffektor. Den Risiken werden die Normenkapitel gegenübergestellt, die entsprechende Gegenmaßnahmen beziehungsweise Schutzanforderungen beschreiben.

Zu beachten sind jedoch auch die vom Menschen ausgehenden Risiken, etwa wenn sich bestimmungsgemäß mehrere Personen gleichzeitig im Kollaborationsraum befinden. In diesem Fall muss jede Person durch ein individuelles Steuerungselement geschützt sein. Mögliche Beispiele hierfür sind dreistufige Zustimmeinrichtungen.

Gestaltung eines kollaborierenden Betriebs

Die ISO/TS 15066 definiert drei Gestaltungsmethoden für den kollaborativen Betrieb, die im Rahmen der Risikobeurteilung hinsichtlich ihrer Eignung für den konkreten Anwendungsfall zu bewerten sind:

Handführung

• Bedienung: Eine handbetätigte Einrichtung, meist am Endeffektor, übermittelt Bewegungsbefehle an das Robotersystem.
• Art der Bewegung: Manuelle Führung des Endeffektors durch den Menschen.

Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

• Arbeitsweise: Mensch und Roboter arbeiten parallel und unabhängig im Kollaborationsraum.
• Sicherheitsabstand: Ein definierter (Sicherheits-)Abstand wird permanent überwacht und eingehalten.
• Geschwindigkeits- und/oder Abstandsanpassung: Bei Änderungen eines der Parameter wird der jeweils andere automatisch angepasst. Der notwendige Sicherheitsabstand wird immer eingehalten.
• Sicherheitsfunktion: Unterschreitung des Abstands führt zum sicheren Stillsetzen des Roboters.

Leistungs- und Kraftbegrenzung

• Arbeitsweise: Mensch und Roboter arbeiten parallel und unabhängig im Kollaborationsraum.
• Physischer Kontakt: Beabsichtigter oder unbeabsichtigter Kontakt ist möglich.
• Grenzwerte: Zulässige Kraft- und Leistungsgrenzen werden in der Risikobeurteilung definiert.
• Einhaltung der Grenzen: Inhärent durch den Roboter oder durch eine sicherheitsgerichtete Steuerung.

Um diese Gestaltungsmethoden beziehungsweise Anforderungen umzusetzen, wird eine geeignete Sicherheitssteuerung benötigt, deren Funktionen gemäß den gültigen Standards validiert werden müssen. Eine solche Steuerung steht beispielsweise im Schmersal-Programm mit der ‚Protect PSC‘ zur Verfügung. Ihre Logik kann exakt an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.

Kollaborierender Betrieb mit Leistungs- und Kraftbegrenzung

Die Risikobeurteilung einer MRK- Anwendung fokussiert sich im Wesentlichen auf mechanische Gefährdungen wie Quetschen und Stoßen. Ein akzeptables Restrisiko lässt sich durch Leistungs- und Kraftbegrenzung erreichen, wobei die biomechanischen Grenz- werte der ISO/TS 15066 Anhang A.3 einzuhalten sind. Zur Einhaltung dieser Grenzwerte spielt der Endeffektor eine wichtige Rolle, denn seine meist spitzen Kanten und Ecken können schnell zu Überschreitungen der Grenzwerte führen. Konstruktive Lösungen wie die Vergrößerung der Kontaktflächen oder Schaumstoffpolster sollten bereits zu Beginn der Risikominimierung berücksichtigt werden. Zusätzlich ist eine steuerungstechnische Begrenzung von Kraft und Drehmoment möglich.

Verifizierung und Validierung

Hinsichtlich der Verifizierungs- und Validierungsanforderungen verweist ISO/TS 15066 auf ISO 10218-2. Neben der Validierung der Sicherheitsfunktionen nach EN ISO 13849 sind gegebenenfalls weitere Nachweise erforderlich, zum Beispiel durch Messungen. In der Praxis werden bei MRK-Anwendungen Kraft- und Druckmessungen durchgeführt, um die Konformität mit den normativen Anforderungen zu gewährleisten.

Bei der Umsetzung des beschriebenen Konformitätsbewertungsverfahrens, von der Risikobeurteilung bis zur abschließenden Verifizierung und Validierung, unterstützt das zur Schmersal-Gruppe gehörende tec.nicum den Anwender. Zudem bietet die tec.nicum Academy in ihrem Schulungsprogramm ein ergänzendes Seminar zum Thema MRK an.

Die Autoren:

Benjamin Bottler ist Safety Consultant bei K.A. Schmersal in Wuppertal.
 
Tristan Willigsecker ist Safety Consultant bei K.A. Schmersal in Wuppertal.