Mit Pilz für sichere Kollisionen gemäß ISO/TS 15066 sorgen

MRK in der Praxis

Mit Pilz für sichere Kollisionen sorgen

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Von der Kooperation zur Kollaboration: Wenn sich Mensch und Roboter einen Arbeitsraum teilen, dann spielt das Thema Sicherheit eine zentrale Rolle – vor allem wenn Kollisionen zwischen Mensch und Maschine erlaubt sind. In der Praxis erfordert jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung. Der Validierung gemäß ISO/TS 15066 kommt dabei eine zentrale Rolle zu. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie sichere Kollisionen aussehen.

Jochen Vetter, Manager Consulting Services, Pilz GmbH & Co. KG, Ostfildern

Inhaltsverzeichnis

1. Normative Grundlagen sind nun gelegt
2. Jede Applikation braucht eine CE-Kennzeichnung
3. Berühren ja – verletzen nein
4. Kollisionsmessung gemäß ISO/TS 15066

 

Darüber, wie Mensch und Maschine in der Fertigung am besten zusammenarbeiten können, wird inzwischen sehr viel diskutiert. Denn insbesondere die Effizienz von Roboterapplikationen steigt, je enger Mensch und Maschine zusammenarbeiten können. So werden die Stärken beziehungsweise die Vorteile der Maschine wie Zuverlässigkeit, Ausdauer und Wiederholgenauigkeit mit den Stärken des Menschen, also Geschicklichkeit, Flexibilität und Entscheidungsvermögen kombiniert. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen klassischen, umhausten Roboterapplikationen und Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK) ist, dass Kollisionen zwischen Maschine und Mensch ein reales Szenario sein können. Sie dürfen jedoch ausdrücklich zu keinen Verletzungen führen.

Voraussetzungen für ein sicheres Miteinander sind zum einen zuverlässigere Steuerungen und intelligente, dynamische Sensoren am Roboter selbst. Der Roboter fühlt also, wenn es zu einer Kollision kommt. Zum anderen müssen durch normative Grundlagen verlässliche Sicherheitsstandards gesetzt sein. In der Praxis haben sich die bestehenden Normen aber als nicht ausreichend erwiesen, um eine tatsächliche Kollaboration von Mensch und Maschine sicher umzusetzen. Hier klaffte eine normative Lücke, die durch die Veröffentlichung der Technischen Spezifikation ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices – Collaborative industrial robots“ geschlossen werden konnte. Mit dieser Technischen Spezifikation können nach entsprechender Validierung sichere Mensch-Roboter-Kollaborationen umgesetzt werden.

Normative Grundlagen sind nun gelegt

In der ISO/TS15066 sind vier Kollaborationsarten als Schutzprinzipien genauer beschrieben:

  • Sicherheitsbewerteter überwachter Stillstand: Der Mensch hat nur Zugang zum stillstehenden Roboter. Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Handführung: Der Mensch hat nur Zugang zum stillstehenden Roboter, aktiviert die Handführung und führt den Roboter manuell. Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung: Der Mensch hat während des Betriebs Zugang zum Kollaborationsraum, seine Sicherheit wird durch den Abstand zum Roboter gewährleistet. Ein sicherer Sensor überwacht ständig den Abstand zwischen Mensch und Roboter und passt die Geschwindigkeit des Roboters dem jeweiligen Abstand an. Ist der Abstand zu gering, wird ein Sicherheitshalt ausgelöst. Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Leistungs- und Kraftbegrenzung: Hier hat der Mensch ebenfalls Zugang zum Kollaborationsraum, während der Roboter sich bewegt. Ein Kontakt zwischen Mensch und Roboter (beabsichtigt oder nicht) ist unter bestimmten Umständen möglich.

Bei der Umsetzung einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration kann der Systemintegrator eine dieser Kollaborationsarten oder eine Kombination daraus für seine Applikation auswählen. In der Praxis zeigt sich, dass durch eine Kombination der Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung sowie einer Leistungs- und Kraftbegrenzung die Dynamik der MRK-Applikation erhöht werden kann und somit auch die Wirtschaftlichkeit.

Jede Applikation braucht eine CE-Kennzeichnung

Zu beachten ist, dass der Roboter normativ an sich nur eine unvollständige Maschine darstellt; erst durch das Werkzeug beziehungsweise das für die jeweilige Applikation notwendige Werkzeug erhält das Robotersystem einen bestimmten Zweck und muss als vollständige Maschine betrachtet werden. Der Integrator oder Anwender wird damit zum Hersteller der Maschine und ist für die CE-Kennzeichnung inklusive sicherheitstechnischer Überprüfung verantwortlich.

Am Anfang des CE-Prozesses steht die Risikobeurteilung. Zu den Inhalten zählen die Bestimmung der Grenzen der Maschine, die Ermittlung sämtlicher Gefahren innerhalb jeder ihrer Lebensphasen, die eigentliche Risikoeinschätzung und -beurteilung sowie die empfohlene Herangehensweise zur Reduzierung des Risikos. Die Herausforderung bei schutzzaunlosen Roboterapplikationen besteht darin, dass sich die Grenzen der beiden Arbeitsbereiche von Mensch und Maschine auflösen. Zusätzlich zu den Gefahren, die vom Roboter ausgehen, müssen die Bewegungen des Menschen berücksichtigt werden. Diese sind jedoch nicht immer kalkulierbar in Hinsicht auf Geschwindigkeit, Reflexe oder plötzlichen Zutritt zusätzlicher Personen.

Auf Basis der Risikobeurteilung entsteht maßgeschneidert das Sicherheitskonzept sowie die Systemintegration und letztlich die Validierung. In der anschließenden Validierung werden die vorangegangenen Schritte nochmals reflektiert. Im Gegensatz zur Risikobeurteilung wird bei der Validierung jede Gefahrenstelle mit Schutzmaßnahmen betrachtet. Für die Validierung sind unterschiedliche Methoden anzuwenden, darunter optische Kontrollen, praktische Tests und Messungen. Insgesamt muss der Systemintegrator über 200 Punkte validieren.

Berühren ja – verletzen nein

Kollisionen können auf verschiedene Arten abgemildert werden: Durch konstruktive Maßnahmen wie Abrunden der Kanten und Ecken, Polsterungen oder möglichst große Kontaktflächen, um die Kraft auf der Fläche zu verteilen. Oder aber durch technische Schutzmaßnahmen, wie zum Beispiel die Reduzierung der Dynamik der Roboterbewegungen oder Anpassungen der Roboterbahn, um Kollisionen mit besonders sensiblen Köperregionen zu vermeiden. Auch Schulungen der Mitarbeiter können helfen, das Verletzungsrisiko zu verringern.

Letztlich muss aber zwingend durch ein Messverfahren ermittelt werden, ob die möglichen Kollisionen sicherheitstechnisch unbedenklich sind. Im Anhang A der Technischen Spezifikation ISO/TS 15066 wird ein Körpermodell mit 29 spezifischen, in zwölf Körperregionen eingeteilten, Köperbereichen aufgeführt. Das Körperzonenmodell macht zu jedem Körperteil, beispielsweise am Kopf, an der Hand, am Arm oder am Bein, eine Angabe zu den jeweiligen Belastungsgrenzwerten – den Schmerzschwellenwerten – mit Blick auf Kraft und Druck. Bleibt die Anwendung während einer Begegnung zwischen Mensch und Roboter innerhalb dieser Grenzen, so ist sie normenkonform.

Kollisionsmessung gemäß ISO/TS 15066

Für diese spezielle Messung von Kraft und Druck hat Pilz ein Kollisionsmessgerät entwickelt. Das mit Federn und entsprechenden Sensoren ausgestattete Gerät misst die auf den menschlichen Körper einwirkenden Kräfte exakt und vergleicht sie mit den Grenzwerten. Es wird dafür zwischen dem Roboterarm und einem steifen, unnachgiebigen Untergrund an jenen Positionen installiert, die bei der Risikobeurteilung ermittelt wurden. Über eine Software wird die Messung gestartet und die Daten werden anschließend verarbeitet sowie dokumentiert. Der höchste Wert, also der „worst case“, wird für die Validierung herangezogen. Wenn die Grenzwerte überschritten werden, muss die Dynamik des Roboters reduziert werden oder es müssen zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen wie etwa Lichtgitter oder eine trennende Schutzeinrichtung installiert werden.

Den einen sicheren Roboter oder die eine sichere Sensorik, die alle möglichen Fälle aus den Anwendungen hinsichtlich der Sicherheit abdeckt, gibt es zumindest bislang nicht. Die Anforderungen an die Sicherheitstechnik hängen stets von der jeweiligen Applikation ab. Letztlich ist eine sichere MRK-Applikation also das Ergebnis des Zusammenspiels normativer Rahmenbedingungen, einer darauf aufbauenden komplexen Risikoanalyse, der Auswahl eines Roboters mit den entsprechenden Sicherheitsfunktionen, der Auswahl der passenden, zusätzlichen Sicherheitskomponenten und schließlich der Validierung. ik

www.pilz.de

Weitere Informationen zu den Lösungen von Pilz für die Robotik:

hier.pro/q8BTL

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