Sicherheit lässt sich relativ einfach durch den Einsatz unterschiedlicher mechanischer Schutzeinrichtungen erreichen, indem Maschinen und Anlagen eingehaust werden. Aber: Eine derartig strikte Trennung der Arbeitsbereiche erreicht zwar größtmögliche Sicherheit, geht jedoch auf Kosten der Flexibilität.

Für dynamische Sicherheitskonzepte sollten Sensoren zum Beispiel unterscheiden können, ob sich ein Mensch im potenziellen Aktionsraum einer Gefahr bringenden Bewegung aufhält oder bereits eine Zone mit erhöhter Sicherheitsanforderung betreten hat.

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Wird nicht eingehaust, ist der gemeinsame Arbeitsbereich von Roboter und Mensch aktuell grundsätzlich in zwei Schritten abzusichern: Im ersten Schritt wird die Position des Menschen meist über eine externe, nicht im Roboter integrierte Sensorik sicher erkannt. Kamerabasierte Sensoren wie zum Beispiel dreidimensionale sichere Kamerasysteme, Laserscanner oder ortsauf­lösende, drucksensitive Bodensensoren sind dafür geeignete Maßnahme.

Mit einem sicheren dreidimensionalen Kamerasystem lassen sich die Arbeitsbereiche von Mensch und Roboter optisch überwachen. Dazu wird das Kamerasystem in entsprechender Höhe über der Applikation angebracht, so dass es stets den gesamten Applikationsbereich im Blick hat. Dabei ist dieser Bereich keineswegs statisch zu sehen: Der Applikationsbereich lässt sich in verschiedene Zonen – zum Beispiel in Warn- oder Schutzzonen – unterteilen. Hierüber wird das Verhalten des Roboters definiert, wenn ein Werker eine Zone betritt. Darüber hinaus lassen sich diese Zonen bei Bedarf neu anpassen, so dass die Applikation ‚dynamisch‘ bleibt.

Optische oder kamerabasierte Sensorsysteme sind eine gute Lösung, sofern die Rahmenbedingungen der Industrie-Umgebung stimmen. Raue Umgebungsbedingungen, wie es zum Beispiel schlechte Lichtverhältnisse, hohe Verschmutzung, Abschattungen beziehungsweise Verdeckungen durch den Roboter selbst sein können, beeinflussen die Verfügbarkeit dieser Art von Sensorik. Für solche Umgebungen kann alternativ ein drucksensitiver und ortsauflösender Bodenbelag im Applikationsbereich ausgelegt werden – beispielsweise eine sichere Trittmatte, die die Position des Menschen detektiert und dessen Positionsdaten weitergibt. Die komplexen Sensordaten aus der Ortsauflösung können entweder einzeln ausgewertet oder – durch geschicktes Zusammenfassen in der Konfiguration – zu Warn- und Schutzzonen für den Roboter konfiguriert werden.

Maschinenrichtlinie auch für Roboter

Das Erkennen der Position von Mensch und Roboter ist die Grundlage. In einem zweiten Schritt – der Absicherung einer Applikation zur Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) – werden die Daten des Sensors an die Robotersteuerung übergeben.

Dies ist der Schritt, bei dem die Sicherheit der MRK-Applikation einer genaueren Betrachtung zu unterziehen ist. Denn: Roboter sind unvollständige Maschinen im Sinne der Maschinenrichtlinie. Seit Frühjahr 2016 kann bei der Erstellung einer Roboterapplikation auf die Technische Spezifi­kation ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices – Collaborative industrial robots“ zurückgegriffen werden. Mit ihr ist es nach entsprechender Vali­dierung möglich, erstmals sichere Mensch-Roboter-Kollaborationen umzusetzen. Als Schutzprinzipien sind in der ISO/TS15066 vier Kollabo­rationsarten genauer beschrieben: ­‚Sicherheitsgerichteter überwachter Stillstand‘, ‚Handführung‘, ‚Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung‘ und ‚Leistungs- und Kraftbegrenzung‘.

Bei der Umsetzung einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration kann der Systemintegrator eine einzige oder aber eine Kombination aus diesen Kollaborationsarten für seine Applikation auswählen. Die Technische Spezifikation ist zudem die erste Norm, die in ihrem Anhang A detaillierte Angaben zu Schmerzschwellen für verschiedene Körperregionen macht. Diese Werte bilden die Basis, um die Applikation mit einer ‚Leistungs- und Kraftbegrenzung‘ umsetzen zu können. Es gilt, den Roboter so einzurichten, dass er die in der ISO/TS 15066 definierten Grenzwerte für Kollisionskräfte und -drücke einhält. Das Dokument teilt den menschlichen Körper in verschiedene Regionen ein, wobei jeder Körperregion eine spezifische Federkonstante zugeordnet wurde, um die Nachgiebigkeit des Körpers bei der Messung simulieren zu können. Diese Kraftmessung kann mit einem von Pilz speziell hierfür entwickelten, für den Praxiseinsatz in der Industrie tauglichen Kraftmessgerät erfolgen, dessen Feder sich, je nach Körperregion, einfach austauschen lässt. Dabei erfolgt die Druckmessung gleichzeitig mit der Kraftmessung, wozu Druckmessfolien verwendet werden.

Analog zu den Kollaborationsarten der ISO/TS 15066 nennt die ISO 10218-2 „Robots and robotic devices – Safety requirements for industrial robots“ vier Me­thoden der Mensch-Roboter-Kolla­bo­ration: Methode 1 nennt den Sicherheitsgerichteten überwachten Stillstand, Methode 2 die Handführung, Methode 3 die Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung und die Methode 4 die Leistungs- und Kraftbegrenzung.

Damit ein Roboter in einer sicheren MRK-Applikation nach Methode 3 und/oder Methode 4 eingesetzt werden kann, muss er einige sicherheitstechnischen Anforderungen wie zum Beispiel Sicher reduzierte Geschwindigkeit (SLS), Sichere Kraft-Leistungsreduzierung, Sichere Arbeitsraumüberwachung und Sicher abgeschaltetes Moment (STO) erfüllen.

Um die Kraft- und Druckgrenzwerte einhalten zu können, muss der Roboter zumeist seine Geschwindigkeit stark reduzieren. Diese hat eine enorme Auswirkung auf die Produktivität. Um also die Produktivität steigern zu können, ist es zum einen nötig, Stillstandzeiten zu minimieren, die zum Beispiel durch eine Kollision mit dem Menschen entstehen können. Zum anderen muss die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters erhöht werden.

Genau hier kommt sichere Sensorik ins Spiel – diejenige, die direkt im oder am Roboter integriert ist, und diejenige, die den Roboter umgibt.

Dynamische Bahnplanung

Zur Messung von Kräften und Geschwindigkeiten hat Pilz ein Kollisionsmessgerät entwickelt: ‚PROBmdf‘ kann die einwirkenden Kräfte bei einer Kollision mit einem Roboter exakt erfassen und mit den Vorgaben aus der ISO/TS 15066 vergleichen.

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Um Kollisionen mit dem Menschen zu vermeiden, ist ein Abschied von den starr vorgegebenen Bewegungsbahnen und der Wechsel zur dynamischen Bahnplanung nötig: Bei vielen MRK-Applikationen ist die Bahn – vom Start- zum Zielpunkt – nicht so relevant wie die vorgegebene Endposition, die der Roboter erreichen soll. Die passende Sensorik erkennt sowohl statische als auch dynamische Hindernisse in der Umgebung. Diese beeinflussen die Bewegungsbahn des Roboters: Wird ein Hindernis erkannt, versucht der Roboter die Bahn so anzupassen, dass keine Kollision stattfindet. Kann einer ­Kollision nicht ausgewichen werden, wird rechtzeitig ein Bremsvorgang initiiert. Ist der Arbeitsbereich wieder frei, setzt der Roboter seine Bewegung fort, ohne dass der Mensch eingreifen muss. So lassen sich durch die Strategie der Kollisionsvermeidung unwirtschaftliche Stillstandzeiten minimieren und die Bewegungsgeschwindigkeit erhöhen.