Recherche zu Verletzungsrisiken bei assistierenden Industrierobotern

Projekt-Nr. BGIA 5105

Schematische Darstellung einer Kollision, Bild: DGUV

Status:

abgeschlossen 03/2009

Zielsetzung:

Dieses Projekt untersuchte das Verletzungsrisiko und die zulässigen biomechanischen Einwirkungen an Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern. Der Begriff "kollaborierender Roboter" bezeichnet neuartige Arbeitsplätze mit gemeinsamen Arbeitsbereichen von Menschen und Industrierobotern. Die bisher bekannten Roboterinstallationen hinter Schutzzäunen automatisieren nur Arbeiten, die vollständig ohne menschliches Zutun auskommen. Insbesondere Montageaufgaben lassen sich oft nicht komplett automatisieren. Andere Tätigkeiten sind gemeinsam durch Mensch und Roboter wirtschaftlicher und mit weniger Gesundheitsgefahren durchzuführen. Bei diesen Arbeitsplätzen fallen teilweise die trennenden Schutzzäune weg - der Mensch ist auf Tuchfühlung mit dem Roboter.

Die bisherigen Arbeitsschutzvorschriften erlauben keinen Zugang von Personen in den Nahbereich von produzierenden Robotern. Die unberechenbaren Bewegungen könnten die Personen schwer verletzen. Das Ziel waren deshalb Roboter, von deren Bewegungen keine Gefahren ausgehen. Eine technische Voraussetzung sind die sichere Erkennung der Personen und sichere Robotersteuerung. Nähert sich eine Person, dann muss der Roboter darauf angemessen reagieren. Dennoch verbleibt ein restliches Kollisionsrisiko. Welche Kräfte und Drücke dürfen maximal auftreten, damit nur ein vertretbares Verletzungsrisiko besteht? Wie muss der Roboterarm gestaltet sein, damit sich die Person nicht verletzt? Das Projekt sollte als Vorstudie die grundlegenden Fragen orientierend an vorhandenen Literaturdaten beantworten und die Normungsarbeit unterstützen. Eine bereits geplante Hauptstudie wird die Frage mit eigenen Untersuchungen und Messungen detailliert klären.

Als Ergebnis der Vorstudie sollte eine kurze und prägnante Handlungshilfe vorliegen, die es den Betreibern und Herstellern von kollaborierenden Robotern ermöglicht, eine Gefährdungsanalyse zu mechanischen Gefährdungen bei solchen Arbeitsplätzen durchzuführen. Darin sollten eine Tabelle relevanter Körperbereiche, Grenzwerte zu verschiedenen Belastungen und weitere notwendige Anforderungen zur Risikobewertung enthalten sein. Die Handlungshilfe empfiehlt auch Prüfmöglichkeiten der festgelegten Grenzwerte.

Aktivitäten/Methoden:

Dokumentierte Verletzungen bzw. medizinische Versuche und die ursächlichen mechanischen Einwirkungen wurden analysiert. Im Vordergrund standen: zulässige Quetsch- und Klemmkräfte, Stoßkräfte, Flächenpressungen (Drücke) und Daten zur Verformbarkeit von Körperbereichen mit Kollisionsrisiko. Zur Recherche wurden folgende Quellen herangezogen: berufsgenossenschaftliche Regelungen, nationale und internationale Studien und Regelungen, Daten aus der Unfallforschung sowie Datenbanken mit Grenzbelastungen aus dem Orthopädiebereich. Mit eigenen orientierenden Belastungsversuchen an wenigen Probanden wurden die recherchierten Daten überprüft, vervollständigt und für typische Roboter-Mensch-Arbeitsplätze angepasst.

Diese aufbereiteten Verletzungsdaten wurden zusammengefasst und einem vereinfachten Körpermodell zugeordnet, z. B. den Bereichen Kopf, Brust, Rücken, Arm usw. Das BGIA - Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung hat gemeinsam mit dem Fachausschuss Maschinenbau, Fertigungssysteme, Stahlbau (FA MFS) eine akzeptable Verletzungsschwere für den Kollisionsfall festgelegt. Korrespondierende Grenzwerte für Kraft und Druck und orientierende Gestaltungsgrößen für Kollisionsbereiche des Roboters können hieraus abgeleitet wurden; sie präzisieren und ergänzen Anforderungen der aktuellen Roboternormen.

Ergebnisse:

Auf Initiative des FA MFS wurden vom BGIA in einem Entwicklungsprojekt technologische, medizinisch/biomechanische, ergonomische und arbeitsorganisatorische Anforderungen als Ergänzung und Präzisierung der Normenanforderungen erarbeitet und in einer Handlungshilfe zusammengefasst.

Die maximal akzeptable Verletzungsschwere wurde so festgelegt, dass es ausschließlich zu solchen Beanspruchungen der Haut und der darunter liegenden Gewebe kommen darf, bei denen es nicht zu tieferem Durchdringen von Haut und Gewebe. Blutende Wunden sowie auch Frakturen oder anderweitigen Schäden des Muskel-Skelett-Systems sind ausgeschlossen.

Die Schwere einer Verletzung kann durch zusammenhängende Verletzungskriterien abgebildet werden. Für alle Bereiche eines einfachen Körpermodells wurden Grenzwerte für die Verletzungskriterien "Stoßkraft", "Klemm/Quetschkraft" und "Druck/Flächenpressung" festgelegt. Das BGIA hat dazu Verletzungsdaten aufgrund äußerer mechanischer Belastungen aus Literatur und Datenbanken recherchiert. Anhand dieser Daten wurden die orientierenden Grenzwerte für die einzuhaltenden Verletzungsschweren nach Körpermodell ermittelt und durch verschiedene Kontrollversuche im Labor punktuell überprüft.

Die Ergebnisse des Projektes wurden in einer Handlungshilfe zur Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern strukturiert zusammengefasst. Darin werden umfangreiche Hilfen für die Anwendung der sicherheitstechnischen Anforderungen im Rahmen von Risikobewertungen in der betrieblichen Praxis gegeben. Forschungsbegleitend wurden die Inhalte mit einem Expertenteam abgestimmt, an dem sich Roboterhersteller und Anwender beteiligten.

Mit dieser Handlungshilfe können Arbeitsplätze mit kollaborierenden Robotern so eingerichtet werden, dass die u. U. durch Kollision auftretenden Belastungen auf die Personen in einem tolerablen Bereich gehalten werden. Diese Arbeitsplätze - Roboter und Arbeitsumgebung - können durch gestalterische Maßnahmen so angepasst werden, dass der erforderliche Arbeitsschutz für die beteiligten Personen gewährleistet ist.

Stand:

18.12.2009

Projekt

Gefördert durch:
  • Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.V. (DGUV)
Projektdurchführung:
  • BGIA - Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung
  • Maschinenbau- und Metall-Berufsgenossenschaft
  • FA Maschinenbau, Fertigungssysteme, Stahlbau
Branche(n):

-branchenübergreifend-

Gefährdungsart(en):

Mechanische Gefährdungen, Gestaltung von Arbeit und Technik

Schlagworte:

Maschinensicherheit, Mensch-Maschine-Schnittstelle, Physische Beanspruchung/Belastung

Weitere Schlagworte zum Projekt:

Arbeitsplätze mit kollaboriernden Robotern, Quetsch-/Klemmkräfte, Stoßkräfte, Druck, Flächenpressungen, Industrieroboter, kollaborierende Roboter, EN ISO 10218, Mensch-Roboter-Kollision, mechanische Gefährdungen, biomechanische Anforderungskriterien und Werte

Weitere Informationen

Ottersbach, Hans Jürgen; Umbreit, Matthias:
Arbeitssicherheit bei Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern (PDF, 923 kB). Vortrag beim Fachgespräch Maschinenschutz , 05.05.2009, BGIA - Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV)

Ottersbach, Hans Jürgen.: Aspekte zur Gestaltung eines akzeptablen Verletzungsrisikos bei Arbeitsplätzen mit Assistierenden Robotern, Vortrag und Leitung eines Workshop, 31.08.2007, Bildungsstätte Lengfurt der Berufsgenossenschaft Metall Nord Süd