Weil Robotersysteme zunehmend variabler werden und nicht mehr nur als große stationäre Systeme agieren sollen, verbreiten sich zunehmend mobile Roboterplattformen in der Produktion. Ihre Einsatzmöglichkeiten erweitern sich noch einmal erheblich, wenn sie mit einem Manipulator kombiniert werden: Das System ist ortsungebunden und kann weitläufigere Arbeitsräume abdecken. Wo früher mehrere Manipulatoren für die Beschickung einer Maschine nötig waren, genügt heute einer, der den Einsatzort wechselt. Kombiniert man mobile Manipulatoren mit neuen Ansätzen zur schnellen und intuitiven Programmierung, ergeben sich kürzere Rüstzeiten.

Da mobile Manipulatoren sich oft in einem Arbeitsraum bewegen, zu dem auch Menschen Zutritt haben, ist die Frage der erforderlichen Sicherheitstechnik besonders relevant. Die Absicherung eines Manipulators oder einer mobilen Plattform alleine ist Stand der Technik und erfolgt beispielsweise über Laserscanner, Schutzbereiche ohne menschlichen Zutritt, Lichtschranken oder -gitter sowie eine – je nach Einsatzort – angepasste Geschwindigkeit. Aus der Kombination von Manipulator und Plattform ergeben sich jetzt allerdings neue Anforderungen. Mit anderen Worten: Es gilt nun mehrere Parameter wie Bremswege, Hindernis- und Kollisionsvermeidung zu bewerten und in der Regel zweifach abzusichern: einerseits für die mobile Plattform andererseits für den Manipulator.

Auch die Kombinationsmöglichkeiten sind durchzuspielen und gegebenenfalls zu unterbinden: Sollen sich Plattform und Arm gleichzeitig bewegen können? Welche Schutzmaßnahmen sind nötig, wenn Menschen den Arbeitsraum des mobilen Manipulators betreten können oder sogar mit ihm kooperieren? Hierbei ist beispielsweise zu beachten, dass der sich bewegende Arm Sensoren verdecken könnte, die eigentlich den Arbeitsraum überwachen sollen.

Die Normenlage

Wenn sich Mensch und Maschine den Arbeitsraum teilen, müssen viele Parameter wie etwa Geschwindigkeit und Kraft des Manipulators begrenzt sein.

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Für die Gestaltung sicherer Robotersysteme gelten unter anderem die EU-Richtlinien für allgemeine Produktsicherheit (2001/95/EG) und die Richtlinie für sichere Maschinen (2006/42/EG). Für Industrieroboter gibt es die Standards ISO 10218-1 und -2, die jedoch nur für stationäre Manipulatoren gelten. Deshalb ist die hauptsächliche Sicherheitsmaßnahme eine räumliche Trennung zwischen Roboter und Mensch, zum Beispiel durch Zäune. Für mobile Manipulatoren ist dies aber nicht oder nur eingeschränkt umsetzbar. Für fahrerlose Transportfahrzeuge existiert mit der DIN 1525 ein relativ alter Standard, der nur bedingt auf mobile Manipulatoren übertragbar ist. Beispielsweise sind die darin enthaltenen Sicherheitsabstände, die sich aus den Reaktionszeiten von Schutzeinrichtungen und Anhaltewegen ergeben, veraltet. Stand der Technik ist hier mittlerweile ISO 13855.

Da mobile Plattformen mit einem Greifarm in der Servicerobotik zunehmend anzutreffen sind, liegt es nahe, die hier gültigen Normen als Referenz zu verwenden. Allerdings ist die Servicerobotik noch ein vergleichsweise neues und zudem breites Feld, weshalb es erst für wenige Systeme Sicherheitsanforderungen gibt. Diese finden sich im Standard ISO 13482 für ‚persönliche Assistenzroboter‘, an dem unter anderem das Fraunhofer IPA maßgeblich mitgearbeitet hat. Der Standard behandelt Anwendungen im privaten Umfeld oder in öffentlichen Gebäuden – explizit jedoch nicht in den hier betrachteten Industrieumgebungen.

Sicherheit nach eigenem Ermessen

Faktisch ergibt sich demnach eine Lücke in der Standardisierung für mobile Manipulatoren, da per Definition ein Industrieroboter nur stationäre Manipulatoren nutzt und Serviceroboter in der Produktion nicht mehr als solche gelten. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IPA engagieren sich deshalb in den entsprechenden Gremien mit dem Ziel, weitere Normen zu erstellen und somit mehr Verbindlichkeit zu schaffen. Die Entwicklung neuer oder die Anpassung bestehender Normen für Roboter(-systeme) erfolgt im ISO-Normungsgremium TC 184/SC 2 ‚Automation Systems‘. Eine der wichtigsten Aufgaben ist aktuell, C-Normen zu formulieren, die mehr Servicerobotersysteme als nur persönliche Assistenzsysteme wie im Standard ISO 13482 abdecken.

Übersicht über die Struktur und die einzelnen Arbeitsgruppen des ISO-Standardisierungskomitees.

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Bis es aber eine entsprechende Norm für mobile Manipulatoren geben wird, müssen sich Firmen intensiv mit dem Robotersystem auseinandersetzen und Sicherheitsmaßnahmen nach eigenem Ermessen sowie bei Bedarf mit Hilfe von Fachleuten umsetzen. In der Praxis haben sich diesbezüglich hauptsächlich zwei Varianten bewährt:

In der ersten Variante werden mobile Plattform und Manipulator wie zwei getrennte Systeme behandelt. Es darf immer nur eines von beiden aktiv sein, das jeweils entsprechend der vorhandenen Norm abgesichert wird. Für die mobile Plattform sind dann Laserscanner knapp über Bodenhöhe mit relativ kleinen Schutzfeldern ausreichend, so dass vor dem Fahrzeug stehende oder gegebenenfalls auch liegende Personen zu erkennen sind. An klar definierten Punkten, an denen der Manipulator zum Einsatz kommen darf, können dann entweder Teilbereiche durch Zaun-Elemente oder feststehende Lichtschranken abgesperrt sein. Andere Teilbereiche kann wiederum die Sensorik auf der mobilen Plattform überwachen. Entscheidend ist, dass hier Sicherheitsabstände nach ISO 13855 (die für mobile Plattformen nicht gilt) wesentlich größer gewählt werden müssen. Wichtig sind ferner geeignete Technologien wie sichere, berührungslos arbeitende Schalter, die signalisieren, dass die Plattform die Zielposition erreicht hat. Erst dann ist die Bewegung des Arms möglich. In der zweiten Variante können Plattform und Arm gleichzeitig aktiv sein. Dann muss die Plattform die gesamte Sicherheitssensorik mitführen, beispielsweise zusätzliche Laserscanner, die auch den Arbeitsraum des Arms überwachen.

Prinzipiell ist bei der Einrichtung des Systems immer vom ungünstigsten Fall auszugehen und es sollten die strengsten Sicherheitsmaßnahmen umgesetzt werden. Auch ist auszuschließen, dass sich eventuelle Gefährdungen durch einzelne Teilsysteme gegenseitig verstärken. Folglich gibt es für die Absicherung mobiler Manipulatoren keine ‚Standardlösungen‘. Oft lassen sich die bestmöglichen Sicherheitsmaßnahmen realisieren, indem man genau zwischen verschiedenen Teilsystemen und Teilfunktionen unterscheidet.

Das Fraunhofer IPA beschäftigt sich bereits seit vielen Jahren mit der Entwicklung eigener Forschungsplattformen mit mobilen Manipulatoren und hat mehrere Partner aus der Industrie bei der Konzeption und Umsetzung dieser Systeme unterstützt. Der mobile Manipulator rob@work 3 zum Beispiel ist eine omnidirektionale mobile Plattform mit einem modularen Manipulatorsystem. Das System ist aufgrund seiner ­offenen Schnittstellen (bereitgestellt durch das Open-Source-Framework ‚Robot Operating System‘ ROS) etwa für Logistikaufgaben in der Produktion einsetzbar und nutzt Funktionen wie die freie Navigation, 3D-Bildverarbeitung und Objekt-Erkennung.

Umgesetzte Lösungen als Referenz

Die Absicherung der mobilen Plattform erfolgt mithilfe von zwei an gegenüberliegenden Ecken angebrachten Laserscannern, welche an eine Sicherheits-SPS angebunden sind. Im von der EU geförderten Forschungsprojekt PRACE ist die Plattform zu einem lernfähigen Produktionsassistenten weiterentwickelt worden. Das dazu entwickelte Sicherheitskonzept basiert auf dem Fahren mit reduzierter Geschwindigkeit. Damit dies die Arbeitsleistung nicht reduziert, arbeitet auf der Plattform ein Zweiarmroboter.

Das Führen eines Roboters per Hand stellt besondere Herausforderungen an die Umsetzung eines sicheren Systems.

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In einem weiteren Projekt mit einem Hersteller von Haushaltsgeräten wurde ein mobiler Manipulator für den automatisierten Dauerbetrieb zur Prüfung von Spülmaschinen entwickelt. Hier waren die Sicherheitsmaßnahmen insofern anspruchsvoll, als der Bediener nah an den Roboter herantreten und diesen sogar per Hand führen können muss. Während des Einlernens überwachen Laserscanner an den Ecken der mobilen Basis den Bereich um den Roboter he­rum. Kommt eine Person dem Roboter zu nahe, werden alle Bewegungen gestoppt. Abhängig davon, ob die mobile Plattform oder der Arm des Roboters bewegt wird, schaltet das System zwischen verschiedenen Schutzfeldgrößen um. Dabei konnten die Wissenschaftler auch berücksichtigen, dass der Roboterarm im Gegensatz zur mobilen Plattform sehr leicht gebaut ist und daher eine wesentlich geringere Gefahr darstellt.

Die vorgestellten Umsetzungen in Produktionsumgebungen machen deutlich, dass Firmen mobile Manipulatoren dann sicher einsetzen können, wenn sie System und Arbeitsumfeld individuell prüfen und bei Bedarf individuelle Maßnahmen realisieren. Mit dem entsprechenden Fachwissen und der Berücksichtigung bestehender Normen für ähnliche Systeme oder Teilsysteme sind die rechtlichen Risiken beim Einsatz mobiler Manipulatoren ähnlich minimierbar wie bei klassischen Robotersystemen.

Autor: Theo Jacobs ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPA.