Experten für Maschinensicherheit im Gespräch

Inhärente Sicherheit ist bei MRK-Anwendungen grundsätzlich notwendig

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Unter Kollaboration versteht man die gemeinsame Arbeit von Mensch und Maschine in einem gemeinsam genutzten Raum Bild: Pilz
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Werden die Eigenschaften von Mensch und Roboter kombiniert, können neue Arbeitsabläufe entstehen und bestehende optimiert werden. Dass die Mensch-Roboter-Kollaboration nicht nur Theorie ist, beweisen die vielen Projekte in der Industrie. Bisher arbeiten typische Industrieroboter jedoch hinter Schutzzäunen, was die Interaktion mit dem Werker erschwert bzw. unmöglich macht. Welche Bedingungen für eine gefahrlose Mensch-Roboter Kollaboration ohne Schutzzäune zu erfüllen sind, erklären Experten aus der Sicherheitstechnik im folgenden Trendinterview.

Die Fragen stellte Andreas Gees, stv. Chefredakteur elektro AUTOMATION

elektro AUTOMATION: Fachleute sprechen überwiegend von Koexistenz statt von Mensch-Roboter-Kollaboration. Welche Schutzmaßnahmen eignen sich für die Mensch-Roboter-Kollaboration bzw. -Koexistenz, müssen evtl. verschiedene Ansätze kombiniert werden, um die geforderte Sicherheit zu gewährleisten?

Ulrich Bernhardt (Schmersal): Für die Koexistenz von Mensch und Roboter, die aktuell die häufigste Form in Produktionsbetrieben darstellt, eignet sich der Einsatz einer sicherheitsgerichteten Steuerung, die sicherstellt, dass der Roboterarm seinen Arbeitsbereich nicht verlässt und die definierten Achsgeschwindigkeiten nicht überschreitet. Die Schmersal-Gruppe bietet Roboterherstellern mit ihrem Safety Controller die Funktionalitäten der hier benötigten sicherheitsgerichteten Steuerung.

Eine weitere Applikation ist die sequentielle Kooperation, in der Mensch und Roboter nacheinander in einem gemeinsamen Arbeitsbereich arbeiten. Das Unternehmen bietet hierzu Sicherheitsschaltmatten und berührunsglos wirkende Schutzeinrichtungen an, um einen Menschen im Gefahrenbereich des Roboters zu detektieren. Mit dem Einsatz des Safety Controlles wird in diesem Falle sichergestellt, dass der Roboter im sicheren Stillstand ist.

Bei der parallelen Kooperation arbeiten Mensch und Roboter gleichzeitig in einem gemeinsamen Arbeitsbereich. Direkter Kontakt zwischen dem Menschen und dem Roboter ist nicht vorgesehen. Die Sicherheit muss z.B. mit einer sicher trennenden Schutzeinrichtung gewährleistet werden. Hier bieten wir vielfältige Lösungsmöglichkeiten an, wie zum Beispiel Sicherheitszuhaltungen, Sicherheitslichtgitter/-vorhänge usw. Im Falle der Kollaboration von Mensch und Roboter arbeiten beide miteinander Hand in Hand. Direkter Kontakt ist erforderlich und daher nicht zu vermeiden. Daher ist hier eine Sensorik notwendig, die z.B. eine Kollision mit dem Bediener detektiert und die Roboterbewegung stoppt. Wir arbeiten eng mit der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg zusammen, mit dem Ziel, auf diesem Gebiet Vorreiter zu werden.

In vielen Fällen müssen z.B. aus Taktzeitgründen mehrere verschiedene Kollaborationsformen kombiniert werden. Zu der Phase der direkten ‚Mensch Roboter Kollaboration‘ ist der Roboter sehr langsam und leistungsreduziert, in anderen ‚sicheren Bereichen‘ darf er sich ‚schneller und kräftiger‘ bewegen. Hier kommen dann sichere Räume ggf. mit zusätzlichen Sicherheitskomponenten z. B. Sicherheitslichtgitter/-vorhänge oder Sicherheitsschaltmatten zum Einsatz.

Dr. Harald Grübel (Euchner): Die begriffliche Differenzierung Koexistenz oder Kollaboration macht sich an der räumlichen Anordnung der beiden ‚Kollegen‘ Mensch und Roboter fest. In jedem Fall meint ‚Ko‘ eine gemeinsame Bearbeitung eines Fertigungsauftrags, die Frage ist nur an welchem Ort und zu welcher Zeit. Koexistenz meint, dass Mensch und Maschine in getrennten Räumen an getrennten Werkstücken, aber durchaus zeitlich parallel arbeiten. Zur Übergabe der Werkstücke von einem Partner zum andern wird die Maschine sicher angehalten und der Mensch bekommt die Möglichkeit, das Werkstück zu übernehmen oder zu übergeben. Die Roboterzelle wird durch eine trennende Schutzeinrichtung gesichert. Der Übergabebereich wird je nach Gefährdungslage von einer gesicherten Tür oder von einem Sicherheits-Lichtvorhang geschützt.

Unter Kollaboration versteht man die gemeinsame Arbeit von Mensch und Maschine in einem gemeinsam genutzten Raum. Das kann auch bedeuten, dass Mensch und Roboter an einem Werkstück zeitlich parallel und gemeinsam arbeiten. Eine trennende Schutzeinrichtung zwischen Mensch und Maschine existiert hier nicht. Die Designaufgabe besteht darin, den Roboter soweit intrinsisch sicher zu machen, dass von ihm keine Gefährdungen für den Menschen ausgehen können. D.h. er braucht sicherheitsbewehrte Achsen und muss in der Lage sein, im Falle eines Nothalts sicher zu stehen. Um Klemm- und Quetschgefahren bei der Bewegung des Werkstücks im freien Raum auszuschließen, kann es durchaus notwendig werden, Teilbereiche der Anlage zusätzlich mit klassischen Sicherheitseinrichtungen wie Lichtgittern zu schützen.

Christoph Pratter (Pilz): In der Praxis geht es bei den meisten Applikationen um Koexistenz oder sequenzielle Kooperationen. Anders als bei einer echten Kollaboration kommt es in diesen Fällen nur bei einer Fehlanwendung zu Kollisionen. Die ISO/TS 15066 schreibt vor, dass vorhersehbare Fehlanwendungen bei der sicherheitstechnischen Betrachtung zu berücksichtigen sind. Eine entsprechende Absicherung durch eine Kraft- bzw. Leistungsreduzierung des Roboters (MRK Methode 4) führt bei solchen Applikationen jedoch zu geringeren Robotergeschwindigkeiten und langen Taktzeiten. Daher ist eine Absicherung durch eine oder auch mehrere berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen wie Lichtgitter, Scanner oder 3D-Kamerasysteme in der MRK Methode 3, meistens die bessere Wahl: Hier werden Roboter beim Betreten des Arbeitsraumes des Roboters stillgesetzt oder der Roboter in einen Modus mit sicher reduzierter Geschwindigkeit überführt. Um Produktivität und Sicherheit in Einklang zu bringen, kann eine Kombination von Methode 3 und 4 sinnvoll sein: Volle Geschwindigkeit des Roboters, wenn sich keine Person im Gefahrenbereich aufhält und eine Kraft- bzw. Leistungsreduzierung, sobald die Schutzeinrichtungen eine Person detektieren.

elektro AUTOMATION: Normen wie die ISO/TS 15066 legen die Leistungs- und Kraftbegrenzungen für kollaborierende Roboter fest. Reichen die Normen oder besteht vor dem Hintergrund der Entwicklung hin zu autonomen Robotern weiterer Anpassungsbedarf, wo ist die Standardisierung unzureichend?

Bernhardt: Zunächst einmal ist es sehr zu begrüßen, dass es diese Norm nun gibt und damit allgemein gültige Werte vorliegen, an denen sich der gesamte Markt orientiert. Dass der Standard ISO/TS 15066 nicht den Status einer ISO-Norm hat und noch weniger unter der Maschinenrichtlinie mit Vermutungscharakter gelistet ist, ist der Tatsache geschuldet, dass man noch kein einheitliches Verständnis zu dem recht neuen Thema gefunden hat. Dies führt auch dazu, dass international noch weitere Daten erforscht werden. Wegen der großen Relevanz des Themas bleibt zu hoffen, dass zeitnah eine gelistete Norm unter der Maschinenrichtlinie entsteht, die auch international als ISO gesetzt ist.

Grübel: Wir maßen uns nicht an, über die Beträge der Leistungs- und Kraftbegrenzungen für kollaborierende Roboter zu werten. Sie wurden in umfangreichen Testreihen von anerkannten Institutionen ermittelt. Da diese Grenzwerte versuchen, die Verletzlichkeit des Menschen im industriellen Kontext zu erfassen, haben sie allgemeingültigen Charakter. Sie begrenzen den Eintrag kinetischer Energie in das Werkstück, das sich im kollaborativen Betrieb im freien, also ungeschützten Raum bewegt, und sie begrenzen Drücke und Kräfte auf unterschiedliche Teile des menschlichen Körpers, bevor es zu schmerzhaften Berührungen oder gar bleibenden Verletzungen kommt. Das heißt aber, dass dieses Regelwerk ebenso für autonome Roboter im industriellen Umfeld gilt.

Die Herausforderungen liegen aus unserer Sicht auf einer anderen Ebene: Ein kollaborativ arbeitender Roboter kann sich aus den vorgenannten Arbeitsschutzgründen nur mit einer beschränkten Bahngeschwindigkeit bewegen. Die Bahngeschwindigkeit geht zudem quadratisch in die kinetische Energie ein, deren Grenzwert in der TS15066 festgelegt wurde. D.h. wir haben es im Vergleich zum klassischen Industrieroboter, der hinter einem Schutzzaun ‚toben‘ darf, mit drastisch erhöhten Bewegungszeiten im Handling zu tun. Je nach Anwendung kann dies das wirtschaftliche Aus für die Kollaboration bedeuten. Im Systemdesign einer Anlage führt das zu einem Trade Off zwischen der Wirtschaftlichkeit der Anlage und den gedachten Vorteilen durch den Entfall der trennenden Schutzeinrichtungen. Den langsamen kollaborativen Roboter in den Hauptzeiten einer Anlage zu betreiben, wird unwirtschaftlich bleiben. Allerdings sehen wir Anwendungsfälle in den nicht taktzeitbestimmenden Nebenzeiten.

Um die Kollaboration weiterzubringen, brauchen wir zwei Komponenten: Einen industrietauglichen flächigen, am besten berührungslos wirkenden Näherungsschalter, der den sicheren Stopp der Roboterkinematik einleitet, wenn ein Mensch die Schutzdistanz unterschreitet. Und einen sicher arbeitenden Greifer, der Werkstücke auch bei hohen Beschleunigungen nicht loslässt. Für beide Aufgaben gibt es noch keine robuste, industrietaugliche und kostenadäquate Lösung. Hier steckt ein hohes Innovationspotential.

Pratter: Mit der ISO/TS 15066 steht seit etwa zwei Jahren ein offizielles Dokument für die Sicherheit bei MRK-Applikationen bereit. Das ist eine gute Grundlage. Fakt ist aber auch, dass man allein durch die Lektüre noch nicht in der Lage ist, MRK-Applikation sicher umzusetzen. Denn: Zwar wird in der Technischen Spezifikation festgelegt, dass die Grenzwerte einzuhalten sind und welche Grenzwerte für welche Körperregionen gelten. Was jedoch nicht beschrieben ist: Wie müssen Drücke und Kräfte gemessen werden? Insbesondere für die Validierung fehlen momentan Standards um, gleich wer die Validierung durchführt, vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.

elektro AUTOMATION: Wie bei jeder Maschine muss der Anlagenbauer respektive Systemintegrator auch für die Roboterapplikation eine EG-Konformitätserklärung ausstellen und ein CE-Zeichen anbringen. Was ist zu beachten, wenn ein Roboter mit einer evtl. sicherheitstechnisch bereits zugelassenen Maschine kombiniert werden oder in eine bestehende Anlage integriert werden soll?

Bernhardt: Wenn wir von einer MRK-Applikation ausgehen, haben wir hier zwei Fragen zu beantworten: Erstens: Ein MRK-fähiger Roboter bedeutet noch lange keine sicheren MRK-Applikation oder Maschine. Beispiel: Wir nehmen als Werkzeug des MRK-Roboters ein Skalpell. Auch sehr gute MRK-Roboter werden nun Probleme als MRK-Applikation haben. Wichtig: die MRK-Applikation muss sicher sein, der MRK-Roboter ist nur ein Teil davon. Dies erfordert bei der Konzeptentwicklung die Berücksichtigung aller Aspekte sofort nach Projektstart. Die Strategie einer inhärent sicheren Entwicklung ist bei MRK-Anwendungen grundsätzlich notwendig. Zweitens: Wird durch den MRK-Roboter die Applikation wesentlich geändert? Wenn die bestimmungsgemäße Verwendung gleich bleibt, die MRK-Betriebsweise keine zusätzlichen Risiken bedeutet, wäre es nur eine Modifikation der Grundmaschine.

Grübel: Die entscheidende Frage bei Umbauten von Maschinen oder Kombination bzw. Verkettung von Maschinen ist, ob wir es mit einer ‚wesentlichen Veränderung‘ zu tun haben. Liegt diese wesentliche Veränderung vor, muss die umgebaute Maschine oder die neue Kombination von Maschinen in Gänze einer CE-Konformitätsprüfung unterzogen werden. Es ist eine neue Risikobeurteilung mit allen daraus folgenden Konsequenzen zu erstellen. Der Weg zur Entscheidung, ob eine wesentliche Veränderung vorliegt, ist in der Maschinenrichtlinie und zahlreichen darauf aufbauenden Interpretationspapieren beschrieben. Der neueste Leitfaden dazu steht im Gemeinsamen Ministerialblatt vom 9. April 2015. Hier schreibt das Ministerium für Arbeit und Soziales, dass eine wesentliche Veränderung dann vorliegt, wenn in der neuen Maschinenanordnung eine neue Gefährdung, also eine Risikoerhöhung, hinzukommt und die vorhandenen Schutzeinrichtungen hierfür nicht ausreichend oder geeignet sind. Beispiel: Ein Bearbeitungszentrum wird mit einer Roboterladestation ergänzt. Wenn das Bearbeitungszentrum eine CE-Konformität hat, die einen Performance Level e aufweist und wenn der Roboter in der CE-Konformitätserklärung ebenfalls eine Schutzeinrichtung mit Performance Level e hat, und beim Zusammenbau der Anlage wird keine neue Gefährdung erzeugt, ist keine neue Risikobeurteilung und keine neue CE-Konformitätserklärung notwendig. Beim Einsatz von trennenden Schutzeinrichtungen an beiden Maschinenteilen ist die Situation vergleichsweise einfach. Diffizil wird es, wenn der Laderoboter ein kollaborativer Roboter sein soll. Durch den offenen Betrieb entstehen mit großer Wahrscheinlichkeit Klemm- und Quetschgefahren, die das Risiko der Gesamtanlage erhöhen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass eine neue Risikobeurteilung durchzuführen ist.

Pratter: Wenn der Roboter nachträglich in eine bestehende Applikation eingebaut wird, dann ‚arbeitet‘ er meist in einer für den Menschen konzipierten Umgebung. Doch wo Mensch und Roboter sich einen Arbeitsraum teilen, da gelten komplett neue Regeln für die Gestaltung. Jetzt, bei einer MRK, müssen beispielsweise Kanten so abgerundet sein, dass auch dann nichts passiert, wenn der Roboter den Menschen aktiv dagegen drückt oder aber Stolperstellen müssen ganz anders bewertet werden. Das erfordert ein Umdenken beim Sicherheitskonzept. Insgesamt gesehen muss bei einer Integration von Robotern das Sicherheitskonzept und die Schnittstelle zwischen Roboter und bestehender Anlage geprüft werden. Dazu gehört die Not-Halt-Verknüpfung oder das Abschalten des Roboters durch weitere sichere Sensorik. Ebenso muss der Wartungs- und Instandhaltungsplan der Anlage geprüft und ggf. überarbeitet werden. Da es sich in der Regel um eine sogenannte wesentliche Änderung handelt, muss höchstwahrscheinlich eine neue CE-Kennzeichnung der Gesamtanlage erfolgen.

elektro AUTOMATION: Wie könnte die Integration von MRK-Lösungen in die gesamte Steuerungslösung aus Safety- und Standardautomation erfolgen? Können die Aufgaben mit den IEC61131-3-Standards gelöst werden?

Bernhardt: Wenn wir von der vierten Kooperationsform reden, d.h. Mensch und Roboter, arbeiten miteinander Hand in Hand, muss der MRK-Roboter durch seine Kraft-/Momentenreduktion die Sicherheit gewährleisten. Hierzu ist keine externe Sicherheitstechnik notwendig, da der Roboter inhärent sicher arbeitet. Wird diese Kollaborationsform durch eine weitere ergänzt, z.B. damit der Roboter mit nicht reduzierten Drehmomenten größere Massen bewegen oder sich schneller bewegen soll, kommt in der Regel externe sichere Steuerungstechnik ins Spiel. Ist diese programmierbar, dann ist sie in der Regel IEC61131-3-Konform. Seitens der Cobots, die für die vierte Kooperationsform eingesetzt werden, kommen meist andere Programmiersysteme zum Einsatz, z.B. Apps, die eine Bedienung von Tablets auch durch Nichtfachleute ermöglichen. Teilweise werden auch Java-ähnliche Sprachen benutzt.

Positionspapier vom VDMA

http://hier.pro/YSLpW


„Wegen der Relevanz des Themas bleibt zu hoffen, dass zeitnah eine gelistete Norm unter der Maschinenrichtlinie entsteht, die auch international als ISO gesetzt ist.“

Ulrich Bernhardt, Leitung Vertrieb Steuerungen bei Schmersal in Wuppertal
Bild: Schmersal

„Die Aufgabe besteht darin, den Roboter soweit intrinsisch sicher zu machen, dass von ihm keine Gefährdungen für den Menschen ausgehen.“

Dr. Harald Grübel, Technischer Leiter bei Euchner in Leinfelden-Echterdingen
Bild: Euchner

„Wo sich Mensch und Roboter einen Arbeitsraum teilen, gelten komplett neue Regeln bei der Gestaltung des Arbeitsplatzes.“

Christoph Pratter, Manager Robot Safety bei Pilz in Ostfildern
Bild: Pilz

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