Kollaborierende Roboter

Sichere Kooperation Mensch - Roboter

Kollaborierende Industrieroboter sind komplexe Maschinen, die Hand in Hand mit Personen zusammenarbeiten. In einem gemeinsamen Arbeitsprozess unterstützen und entlasten Roboter den Menschen. Ein Beispiel: Ein Roboter hebt und positioniert ein schweres Werkstück, während eine Person leichte Eisenhaken anschweißt. Bei dieser Arbeitstätigkeit besteht zwischen der Person und verschiedenen Roboterelementen – z. B. Roboterarm, Werkzeug – eine große räumliche Nähe. Dabei kann es zu direktem Kontakt zwischen Roboter und Person kommen. Eine vergleichbare Situation findet man bei mobilen Servicerobotern, die in steigender Zahl in der Arbeitswelt und in öffentlichen oder privaten Umgebungen nahe neben Personen eingesetzt werden.

Bisher waren beim Einsatz von Robotern trennende Schutzeinrichtungen notwendig, um Personen, die sich im Arbeitsfeld des Roboters befanden, sicher gegen mechanische Einwirkungen durch schnelle Roboterteile zu schützen. Im Zuge der Überarbeitung und Neuordnung der für Industrieroboter relevanten Normen wurde ergänzend das neue Anwendungsfeld der kollaborierenden Roboter geschaffen.

Hintergrund:

Bei Einsätzen mit kollaborierenden Robotern gibt es für bestimmte Arbeits- bzw. Kollaborationsräume keine trennenden Schutzeinrichtungen mehr, sodass eine Kollisionsgefahr zwischen Roboter und Person nicht sicher ausgeschlossen werden kann. Hier sind im Gegensatz zu trennenden Schutzeinrichtungen andere technische Schutzmaßnahmen einzusetzen, die das Kollisionsrisiko laufend ermitteln und im Rahmen der Robotersteuerung ständig minimieren – ein Restrisiko bleibt jedoch bestehen.

Wenn ein Arbeitsplatz mit einem kollaborierenden Roboter eingerichtet werden soll, muss der Anwender eine Risikobeurteilung auf der Basis der gesetzlichen Grundlagen – Maschinenrichtlinie, Normen für Industrieroboter – vornehmen. Auch die Bewertung von Verletzungsrisiken durch Kollisionen zwischen Roboter und Person im kollaborierenden Betrieb muss dabei einbezogen werden. In den für Industrieroboter relevanten Normen sind jedoch keine ausreichenden sicherheitstechnischen Anforderungen für eine Bewertung dieser Verletzungsrisiken vorhanden.

Auf Initiative des Fachausschusses Maschinenbau, Fertigungssysteme und Stahlbau erarbeitete das IFA in einem Entwicklungsprojekt technologische, medizinisch/biomechanische, ergonomische und arbeitsorganisatorische Anforderungen an derartige Arbeitsplätze. Sie ergänzen und präzisieren die Normanforderungen und wurden in BG/BGIA-Empfehlungen zusammengefasst.

Da ein bestimmungsgemäß durchgeführter kollaborierender Arbeitsprozess Kollisionsrisiken zwischen einem Roboter und Personen einschließt, bestand die Aufgabe darin, die Beanspruchungseffekte durch Kollision so zu begrenzen, dass nur geringe, tolerable Verletzungsschweren/Verletzungsrisiken auftreten können. Als tolerable Schwere einer Verletzung gelten hiernach ausschließlich solche Beanspruchungen der Haut und der darunter liegenden Gewebe, bei denen es nicht zu tieferem Durchdringen der Haut und des Gewebes mit blutenden Wunden kommen kann. Frakturen oder anderweitige Schäden des Muskel-Skelett-Systems müssen ausgeschlossen sein (siehe schematische Darstellung links).

Die Schwere einer Verletzung kann durch Grenzwerte zusammenhängender Verletzungskriterien abgebildet werden. Für alle Bereiche eines einfachen Körpermodells wurden Grenzwerte für die Verletzungskriterien „Stoßkraft“, „Klemm-/Quetschkraft“ und „Druck/Flächenpressung“ festgelegt. Das IFA hat dazu Verletzungsdaten aufgrund äußerer mechanischer Belastungen aus Literatur und Datenbanken recherchiert. Hieraus wurden orientierende Grenzwerte für die maximal erlaubten Verletzungsschweren nach Körpermodell ermittelt und durch verschiedene Kontrollversuche im Labor punktuell überprüft.

Die Ergebnisse des Projektes sind in BG/BGIA-Empfehlungen zur Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern zusammengefasst. Sie enthalten umfangreiche Hilfen für die Anwendung der sicherheitstechnischen Anforderungen im Rahmen von Risikobewertungen in der betrieblichen Praxis. Ein Expertenteam, an dem sich Roboterhersteller und Anwender beteiligten, begleitete die Erarbeitung der Inhalte.

Mit den Empfehlungen können Arbeitsplätze mit kollaborierenden Robotern so eingerichtet werden, dass die durch Kollision unter Umständen auftretenden mechanischen Einwirkungen auf die Personen ein tolerables Maß nicht überschreiten. Diese Arbeitsplätze können so gestaltet werden, dass der erforderliche Arbeitsschutz für die beteiligten Personen gewährleistet ist. Die Empfehlungen können heruntergeladen werden.