Berühren ja, verletzen nein

Sicherheit ist Massarbeit

| Redakteur: Silvano Böni

Eine zentrale Rolle für die Validierung von MRK spielt das neue Kollisionsmessgerät PROBmdf von Pilz. Es misst die auf den menschlichen Körper einwirkenden Kräfte im Falle einer Kollision mit dem 
Roboter.
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Eine zentrale Rolle für die Validierung von MRK spielt das neue Kollisionsmessgerät PROBmdf von Pilz. Es misst die auf den menschlichen Körper einwirkenden Kräfte im Falle einer Kollision mit dem 
Roboter. (Bild: Pilz)

Sicher oder nicht sicher? Die Beantwortung dieser Frage spielt für die Umsetzung von Mensch-Roboter-Kollaborationen eine entscheidende Rolle. Denn auf dem Weg zur obligatorischen CE-Kennzeichnung gibt es einige Unterschiede zu einer «normalen» Maschine, die es zu beachten gibt.

Je enger Mensch und Roboter zusammenarbeiten, desto grösser die Synergien und Produktionsvorteile. Doch wenn sich Mensch und Roboter einen Arbeitsraum teilen, greifen klassische Schutzprinzipien wie Schutzgitter oder Sicherheitsabstände nicht mehr. Wie also lässt sich dann die Sicherheit garantieren?

Da Robotersysteme im Sinne der Maschinenrichtlinie unvollständige Maschinen sind, ist im Grundsatz ein Konformitätsbewertungsverfahren durchzuführen, an deren Ende die CE-Kennzeichnung steht. Für detaillierte Sicherheitsanforderungen standen bislang die beiden C-Normen ISO 10218 «Safety of Industrial Robots» Teil 1: «Robots» und Teil 2: «Robot systems and integration» zur Verfügung. Die deutschen Fassungen beider Teile sind als EN ISO 10218-1:2011 und EN ISO 10218-2:2011 veröffentlicht und unter der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG gelistet.

In der Praxis erwiesen sich die Normen aber als nicht ausreichend, um eine tatsächliche Kollaboration von Mensch und Maschine, bei der sich die jeweiligen Arbeitsräume zeitlich und räumlich überschneiden können, sicher umzusetzen. Hier klaffte eine normative Lücke, die erst in diesem Frühjahr durch die Veröffentlichung der ISO/TS 15066 geschlossen werden konnte.

Vier Arten der Sicherheit

Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK) erfordern Schutzmassnahmen, damit während des kollaborierenden Betriebs die Sicherheit des Menschen jederzeit sichergestellt ist. Dafür sind in der ISO/TS15066 vier Kollaborationsarten als Schutzprinzipien genauer beschrieben. Eine sichere MRK erfordert zum einen Robotersysteme, die speziell für die jeweilige Kollaborationsart konzipiert sind. Die Risikominderung kann zum anderen durch eine inhärent sichere Konstruktion des Roboters und des Arbeitsraums sowie die Anwendung der unten genannten Kollaborationsarten umgesetzt werden:

  • Sicherheitsbewerteter überwachter Stillstand: Der Mensch hat nur Zugang zum stillstehenden Roboter (sicherheitsbewerteter überwachter Halt). Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Handführung: Der Mensch hat nur Zugang zum stillstehenden Roboter, der Mensch 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: 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 möglich!
  • In der Praxis zeigt sich, dass sich mit der ISO/TS15066 Mensch-Roboter-Kollaborationen oft durch eine Kombination von «Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung» und einer «Leistungs- und Kraftbegrenzung» umsetzen lassen. Wenn jedoch Kollisionen ein mögliches Szenario sein können, dann muss dennoch sichergestellt sein, dass die Berührung nicht zu einer Verletzung führt.

Schritt für Schritt zur sicheren MRK-Applikation

Für Robotersysteme, wie für alle anderen Maschinen im Sinne der Maschinenrichtlinie, ist ein Konformitätsbewertungsverfahren Schritt für Schritt zu durchlaufen. Zu beachten ist, dass der Roboter normativ an sich nur eine unvollständige Maschine darstellt; erst durch Greifer beziehungsweise das für die jeweilige Applikation notwendige Werkzeug erhält der Roboter 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.

Entsprechende Leitsätze zur Risikobeurteilung und -minderung sind in der EN-ISO-12100-Sicherheit von Maschinen definiert. Massgebend zur Risikobeurteilung ist der iterative Prozess. Dieser gliedert sich in die Schritte Risikoanalyse und Risikobewertung. Zu den Inhalten der Risikobeurteilung zählen die Ermittlung der geltenden harmonisierten Normen und Vorschriften, die Bestimmung der Grenzen der Maschine, die Ermittlung sämtlicher Gefahren innerhalb jeder Lebensphase der Maschine, die eigentliche Risikoeinschätzung und -beurteilung sowie die empfohlene Herangehensweise zur Reduzierung des Risikos. Wichtig ist, dass für die Risikobeurteilung jede Gefahrenstelle einzeln und ohne Schutzmassnahmen betrachtet wird!

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. In der anschliessenden Validierung werden die vorangegangenen Schritte nochmals reflektiert. Im Gegensatz zur Risikobeurteilung wird bei der Validierung jede Gefahrenstelle mit Schutzmassnahmen betrachtet. Die Roboterapplikation muss hierfür in einem auslieferungsfertigen Zustand sein.

Für die Validierung sind gemäss der Norm unterschiedliche Methoden anzuwenden, darunter optische Kontrollen, praktische Tests und Messungen. Die Validierung umfasst unter anderem die Verifizierung des geforderten Performance Levels PLr, eine Fehlersimulation (2-kanalige Auslösung, Querschluss), eine Nachlaufwegmessung, wenn die MRK-Applikation mittels Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung abgesichert werden soll, die Prüfung der Checkliste der EN ISO 10218-2 Anhang G sowie eine Kollisionsmessung im Falle einer Leistungs- und Kraftbegrenzung. Insgesamt muss der Systemintegrator über 200 Punkte validieren.

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