Auf gute Zusammenarbeit!

Es hat ein wenig Anlauf gebraucht, bis kollaborative Roboter den Schritt vom Publikumsmagneten auf Industriemessen bis zu vielfältigen industriellen Anwendungen getan haben. Aber inzwischen haben sich die Cobots gut etabliert. Bezogen auf die Maschinensicherheit, wurde damit ein echter Bewusstseinswandel vollzogen und auch ein Abschied von einem jahrzehntelang geltenden Grundsatz der Arbeitssicherheit: Mensch und Roboter dürfen nun ohne trennende Schutzeinrichtung sehr wohl innerhalb eines geschützten Bereichs zusammenarbeiten. Wenn es sich um größere Roboter handelt, muss nur der (unbeabsichtigte) Zutritt von Dritten weiterhin durch Schutzzäune verhindert werden. Und die Frage, die sich Roboterhersteller, Integratoren und Anwender hier stellen, lautet: Welche Sicherheitsanforderungen sind dabei zu beachten?

Welche Normen gelten?

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 Risikobewertung sowie die Festlegung 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/ISO10218 „Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen“ zur Anwendung: Teil 1 (Roboter) und Teil 2 (Robotersysteme und Integration). Für den Integrator ist Teil 2 von besonderem Interesse, weil er spezifische Sicherheitsanforderungen an die Integration des Robotersystems stellt – wobei der Begriff Robotersystem laut Norm die Konstellation aus Roboterarm, Werkzeug und Werkstück beschreibt.

ISO/TS-Norm für Cobots

Diese beiden Fachnormen wurden im Jahr 2016 ergänzt durch die technische Spezifikation ISO/TS15066 „Roboter und Robotikgeräte – kollaborierende Roboter.“ Sie ist jedoch nicht im entsprechenden Amtsblatt der Europäischen Kommission gelistet und damit keine harmonisierte Norm nach Maschinenrichtlinie. Allerdings wurden ihre spezifischen Sicherheitsanforderungen in die überarbeitete Fassung der EN/ISO10218 Teil 2 einbezogen, die seit mehreren Jahren als Entwurf vorliegt. Sobald dieser Normenentwurf verabschiedet und im Amtsblatt der europäischen Kommission veröffentlicht wird, wird die EN/ISO10218-2 den Anwendungsfall Mensch/Roboter-Kollaboration vollumfänglich abdecken, und die Sicherheitsanforderungen an die MRK werden harmonisiert sein. Dabei bildet ein iteratives Verfahren der Risikobeurteilung die Grundlage für die Bewertung der MRK-Anwendung.

Kollaborierendes Arbeitssystem

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. Dabei müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein:

• Konformität des Robotersystems mit der EN/ISO10218-1
• Integration des Robotersystems gemäß den Anforderungen der EN/ISO10218-2 und weiterer relevanter Normen, z.B. EN/ISO11161
• Bewertung der Kollaboration nach ISO/TS15066 (zukünftig in EN/ISO10218-2 enthalten).

Zu den normativen Anforderungen nach EN/ISO10218-2 gehört die Definition von einzelnen Arbeitsbereichen und Schutzzonen der Roboterzelle (geschützter Bereich, Betriebsraum, eingeschränkter Raum und Kollaborationsraum). Auf dieser Basis werden die physischen Systemgrenzen der MRK-Anwendung festgelegt.

Kollaborierender Betrieb

Besonderes Gefährdungspotenzial birgt die Dynamik des Robotersystems. Die ISO/TS15066 definiert vier Gestaltungsmethoden für den kollaborativen Betrieb, die im Rahmen der Risikobeurteilung hinsichtlich ihrer Eignung für den konkreten Anwendungsfall zu bewerten sind: Sicherheitsbewerteter überwachter Halt, Handführung, Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung sowie Leistungs- und Kraftbegrenzung. Letztere wird häufig gewählt. Bei ihr ist ein (beabsichtigter oder unbeabsichtigter) Kontakt möglich. Zulässige Kraft- und Leistungsgrenzen müssen in der Risikobeurteilung definiert werden, und die Einhaltung der Grenzen – entweder inhärent durch den Roboter oder durch eine externe sicherheitsgerichtete Steuerung – muss gewährleistet sein.

Standardisierte Messung

In der ISO/TS15066 Anhang A.3 sind die biomechanischen Grenzwerte definiert, die einzuhalten sind. Die Durchführung und Auswertung der entsprechenden Kollisionsmessungen Kräfte wird in der Norm ISO/PAS5672 beschrieben. Sie wurde federführend vom Fraunhofer IFF entwickelt, das sich intensiv mit neuen Technologien für die sichere Mensch/Roboter-Kollaboration beschäftigt. Dieses normative Dokument, das die messtechnische Überprüfung von Cobots erleichtert und über alle ISO-Mitgliedstaaten vereinheitlicht, entstand in der Arbeitsgruppe „ISO/TC299 WG 8: Validierungsmethoden für kollaborative Anwendungen“ unter Leitung von Dr. Roland Behrens, Abteilungsleiter Menschzentrierte Arbeitsssysteme am Fraunhofer IFF.

Perspektiven

ISO/PAS-Normen sind nicht harmonisiert und nur für eine definierte Zeit gültig. Wenn sie sich als praxisgerecht erweisen, können sie aber in die ISO-Normenwelt integriert werden. Dies wird – so der aktuelle Stand der Überlegungen – wohl bei ISO/PAS5672 der Fall sein. Sie würde, in überarbeiteter Form, künftig den Teil 2 von ISO15066 bilden. Dann steht sowohl den Integratoren von Cobot-Zellen als auch den Hersteller von Messeinrichtungen ein einheitliches, normengerechtes Messverfahren für Kollisionskräfte zur Verfügung. Die ISO15066-1 wird somit ein harmonisiertes Framework für risikobezogene Grenzwerte geben, z.B. für den Schmerzeintritt. Die Norm bezieht auch die Wahrscheinlichkeit und die Häufigkeit, also das Risiko einer Mensch/Roboter-Kollision ein: Bei geringerem Risiko wird ein höherer Grenzwert festgesetzt. ISO15066-2 wird dann – auf der Basis von ISO/PAS5672 – die Praxis beschreiben, wie diese Grenzwerte messtechnisch überprüft werden. Aktuell leistet das Fraunhofer IFF auch schon Vorarbeiten für die nächste Erweiterung der Normen für kollaborative Robotik. Hier steht das Ziel im Blick, die Kollisionskräfte für individuelle MRK-Roboteranlagen durch Simulation zu ermitteln.

In der ISO/TS15066 Anhang A.3 sind die biomechanischen Grenzwerte definiert, die einzuhalten sind. Die Durchführung und Auswertung der entsprechenden Kollisionsmessungen Kräfte wird in der Norm ISO/PAS5672 beschrieben. Sie wurde federführend vom Fraunhofer IFF entwickelt, das sich intensiv mit neuen Technologien für die sichere Mensch/Roboter-Kollaboration beschäftigt. Dieses normative Dokument, das die messtechnische Überprüfung von Cobots erleichtert und über alle ISO-Mitgliedstaaten vereinheitlicht, entstand in der Arbeitsgruppe „ISO/TC299 WG 8: Validierungsmethoden für kollaborative Anwendungen“ unter Leitung von Dr. Roland Behrens, Abteilungsleiter Menschzentrierte Arbeitsssysteme am Fraunhofer IFF.

Beide Vorhaben werden die Projektierung und Prüfung von MRK-Roboterzellen aus Integratoren- und Anwendersicht vereinfachen und damit den Einsatz kollaborativer Robotik für neue Einsatzbereiche erleichtern. Eine weitere am Fraunhofer IFF entstandene Unterstützung stellt die in Zusammenarbeit mit der Berufsgenossenschaft Holz und Metall Freeware des Cobot-Planers dar, der Integratoren eine erste, ebenso schnelle wie einfache Planung von MRK-Applikationen erlaubt. Schmersal arbeitet ebenfalls an Tools, die dem Anwender den Einstieg in die Praxis der Mensch/Roboter-Kollaborationen erleichtert – u.a. durch die Entwicklung bedienerfreundlicher sicherheitsgerichteter Steuerungen mit MRK-Funktionen.