Mensch-Roboter-Kollaboration

Andrea Gillhuber,

Kollaborative Robotik: Wann ist sicher sicher?

Die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) birgt enorme Chancen für produzierende Betriebe jeder Branche und Größe. Gleichzeitig verlangt sie besondere Aufmerksamkeit beim Thema Sicherheit. Es besteht die unbedingte Pflicht, mögliche Risiken unter Einhaltung geltender Vorschriften zu beurteilen und zu mindern. Ein Leitfaden, um die MRK gefahrlos und wirtschaftlich zu realisieren.

Die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) birgt enorme Chancen für produzierende Betriebe jeder Branche und Größe. Gleichzeitig verlangt sie besondere Aufmerksamkeit beim Thema Sicherheit. © Universal Robots

Während Mensch und Maschine in der Vergangenheit meist streng getrennt voneinander arbeiteten, bauen sich diese Grenzen zugunsten eines neuen Szenarios allmählich ab: der Mensch-Roboter-Kollaboration, kurz: MRK. Eine Trennung zwischen automatisierten und manuellen Arbeitsplätzen gibt es hierbei nicht mehr. Werker und Roboter kollaborieren  – Hand in Hand und ohne Schutzzäune. Produktionen werden dadurch schlanker und wandlungsfähiger.

Nachdem Universal Robots (UR) vor zehn Jahren den ersten kollaborierenden Leichtbauroboter, kurz: Cobot, auf den Markt brachte, sind mittlerweile eine Vielzahl von Herstellern nachgezogen. Sie alle versprechen dem Anwender einen sicheren, für den kollaborativen Einsatz geeigneten Roboter. Daneben hat sich eine hohe Benutzerfreundlichkeit zum Grundprinzip der Cobots erhoben, um Automatisierung zukünftig für jedermann zugänglich zu machen. Doch auch wenn die Programmierung immer intuitiver geworden ist, so ist die sichere Gestaltung einer kollaborativen Roboterapplikation und die damit verbundene Risikobeurteilung nach wie vor anspruchsvoll.

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Wer das Potenzial der MRK im eigenen Betrieb optimal nutzen möchte, sollte deshalb ein verstärktes Augenmerk auf die sicherheitsrelevanten Aspekte rund um ihre Integration legen  – wie etwa die aktuelle Normenlage, die Peripherie des Roboters sowie seine Sicherheitsfunktionen und deren Zertifizierungen.

Kriterien bei der Roboterauswahl sind für Nutzer oftmals seine Traglast, Reichweite und Taktzeiten. Wollen sie eine MRK-Anwendung realisieren, spielt selbstverständlich auch die Sicherheit eine entscheidende Rolle. Doch wie lässt sich dieser Faktor valide bewerten? Diverse Normen, Richtlinien und Spezifikationen werfen häufig mehr Fragen auf, als sie Orientierung bieten.

Einen ersten Anhaltspunkt stellt die europäische Norm (EN) ISO 10218 „Sicherheitsanforderungen von Industrierobotern“ dar, die von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) zuletzt 2011 überarbeitet wurde. Zu dieser Zeit waren kollaborierende Roboter eine noch wenig verbreitete Technologie, und so enthält sie hauptsächlich Punkte zu traditionellen Industrierobotern. Im Abschnitt 5.5.1 fordert die EN ISO 10218-1:2011 daher zwei grundlegende Sicherheitsfunktionen, wie sie bei herkömmlichen Robotern in der Regel vorkommen – einen Not-Halt und einen Sicherheitshalt.

Weiterhin wird die Zuverlässigkeit der Sicherheitsfunktionen durch den sogenannten Performance Level (kurz: PL) beschrieben, der gemäß der EN ISO 13849-1:2008 von a (geringe Zuverlässigkeit/Fehlersicherheit) bis hin zu e (hohe Zuverlässigkeit/Fehlersicherheit) gegliedert ist. Die zweithöchste Klassifizierung d entspricht dabei einer standardmäßig geforderten Sicherheit für Industrieroboter.

Um schließlich den wachsenden Bedarf an normativen Richtlinien für eine sichere MRK besser abzudecken, veröffentlichte das Komitee ISO/TC 299 im Frühjahr 2016 die technische Spezifikation (kurz: TS) 15066 „Robots and robotic devices – Collaborative robots“. Sie unterstützt Integratoren bei der Risikobeurteilung zur Implementierung von kollaborativen Anwendungen. Im Zuge dieser werden alle möglichen Gefahren, die von der Anwendung ausgehen könnten, identifiziert und bewertet. Wichtig ist dabei, dass nicht nur der alleinstehende Roboter betrachtet wird, sondern das „große Ganze“ zu berücksichtigen ist  – sprich die Anwendung inklusive Greifer, Werkstück und Co. Gerade bei spitzen oder scharfkantigen Werkstücken ist in Interaktion mit dem Menschen besondere Vorsicht geboten, da in einem solchen Fall das Risiko einer Kollision dazu führen könnte, dass zusätzliche Maßnahmen wie Schutzzäune erforderlich sind.

Viele Robotik-Hersteller aus dem kollaborativen Sektor offerieren dem Anwender nun, dass sie die geforderten Sicherheitsfunktionen der EN ISO 10218-1:2011 nach PL d erfüllen und so eine sichere MRK garantieren. Doch das ist zu kurz gedacht, denn kollaborierende Roboter basieren auf weitaus umfangreicheren Funktionen, die in puncto Sicherheit ausschlaggebend sind  – wie etwa der Kraft- und Leistungsbegrenzung. Und: Erst nach einer erfolgreich abgeschlossenen Risikobeurteilung im Sinne der ISO TS 15066 können Cobots wirklich sicher ohne Schutzumhausung Seite an Seite mit dem Menschen arbeiten.

MRK-Design in der Praxis

Um die Facetten einer gut durchdachten MRK greifbar zu machen, lohnt sich der Blick auf eine konkrete Applikation und das Zusammenspiel ihrer verschiedenen Sicherheitsfunktionen. Als charakteristisches Beispiel eignet sich eine Anwendung, die UR in diesem Jahr zur Automatica dem Fachpublikum präsentierte  – die „Taschenlampen-Applikation“.

Damit kollaborative Roboter auch mit dem Menschen zusammenarbeiten dürfen, müssen sie gewisse Sicherheitsanforderungen erfüllen. © Universal Robots

Bei dieser Applikation arbeiten drei Roboterarme des Modells UR3e im Verbund mit dem Ziel, dem Besucher eine vor Ort gravierte Taschenlampe zu reichen. Dafür nimmt der erste Roboter eine kleine Taschenlampe aus einem Tray und reicht sie dem zweiten, um anschließend den Batteriedeckel abschrauben zu können. Daraufhin nimmt ein dritter Roboter eine Batterie aus einem weiteren Tray und legt diese in die Taschenlampe ein. Der erste UR3e verschließt sie wieder. Nun legt der Roboter Nummer 2 die Lampe in eine Lasergravur-Einheit. Im letzten Schritt entnimmt der erste Roboter die gravierte Lampe und übergibt sie dem Messebesucher.

Aufteilung in zwei Bereiche

Um eine kollaborative Anwendung flexibel und wirtschaftlich zu gestalten, empfiehlt sich bei der Integration eines Roboters zunächst die Aufteilung seines Arbeitsraums in zwei Bereiche: den „normalen Bereich“ und den „Kollaborationsraum“.

Im normalen Bereich arbeiten Mensch und Roboter getrennt voneinander. Hier gelten die gängigen Sicherheitsparameter : Der Roboter agiert mit hohen Geschwindigkeiten und seine Abschaltung muss nicht sensibel eingestellt sein.

Im Kollaborationsraum kommen Werker und Roboterarm hingegen in Kontakt. Hier werden die Werte der Sicherheitsparameter wie Geschwindigkeit, Kraft und Leistung reduziert. Der Roboter arbeitet mit gedrosselter Geschwindigkeit, seine Abschaltung erfolgt hochsensibel, sobald er eine Kollision erkennt. Für den Kollaborationsraum sollte immer das Grundprinzip „So klein wie möglich, so groß wie nötig“ gelten, da für diesen Bereich nachgewiesen werden muss, dass im Rahmen der Kollaboration keine Gefahren für den Menschen auftreten können. Je größer der Kollaborationsraum, desto höher ist auch der Aufwand für die Verifizierung der Sicherheit.

Eine Trennung der Arbeitsräume kann zum einen durch externe Sensoren wie zum Beispiel einen Lichtvorhang erfolgen und zum anderen durch das Einrichten von Sicherheitsebenen in der Nutzeroberfläche des Roboters. Bewegt sich der Roboter durch diese Ebenen, wird die Umschaltung von einem Bereich in den anderen ausgelöst.

Auch bei der Taschenlampen-Applikation sind diese zwei Bereiche definiert. Die drei Roboterarme sind dafür zunächst seitlich und von hinten eingehaust – hier liegt der normale Bereich vor, in dem sie in schneller Geschwindigkeit arbeiten und Taktzeiten generieren. Bei der Risikobeurteilung ist keine Kraft- und Druckmessung zur Gewährleistung der Sicherheit notwendig. Ein Eingriff durch den Menschen in diesen Bereich führt zu einem sofortigen Halt der Roboter.

An der Vorderseite der Applikation endet der normale Bereich und der Kollaborationsraum beginnt. Die Trennung beider Bereiche ist einerseits durch ein integriertes Sicherheitslichtgitter definiert – durchgreift jemand das Lichtgitter, versetzt das die Roboter in einen Sicherheitshalt. Hierbei unterstützen zwei Funktionen, die im Robotik-Markt bislang einzigartig sind, bei der Validierung im Rahmen der Risikobeurteilung: die sicherheitsüberwachte Stoppzeit und der sicherheitsüberwachte Stoppweg. Sie garantieren, dass es beim Eingriff einer Person in den normalen Bereich zu keiner Kollision kommt – die trotz Einsetzen des Sicherheitsstopps ansonsten eventuell nicht auszuschließen ist, etwa aufgrund einer gewissen Nachlaufstrecke des Roboters.

Andererseits befindet sich für den Roboter Nummer 1 eine Sicherheitsebene parallel zu den Lichtgittern – durchfährt der Roboter diese Ebene, wechselt er in einen reduzierten Modus. Der UR3e bewegt sich dann mit langsamerer Geschwindigkeit und ist sensibler eingestellt hinsichtlich Kraft- einwirkungen. Dabei ist sein möglicher Arbeitsraum auf einen schmalen Tunnel in etwa auf Brusthöhe des Menschen begrenzt. Dort übergibt der Roboterarm dem Messebesucher letztlich die Taschenlampe. Diese Begrenzung hat den einfachen Vorteil, dass es im definierten Kollaborationsraum zu keiner Klemmung zwischen Tisch und Roboter kommen kann, sondern lediglich zu einer Kollision im freien Raum, was eine Risikobeurteilung vereinfacht.

Im nächsten Schritt gilt es den Blick für das gesamte Sicherheitssystem eines Cobots zu schärfen, um seinen Kollaborationsraum tatsächlich sicher zu machen. Die Robotermodelle der e-Series von UR sind beispielsweise mit insgesamt 17 konfigurierbaren Sicherheitsfunktionen ausgestattet. Sie begrenzen die Winkelstellung und -geschwindigkeit der Gelenke, die Position und Geschwindigkeit des Tool Center Points (kurz: TCP; Werkzeugmittelpunkt) und des Ellenbogengelenks im kartesischen Raum sowie Impuls, Kraft und Leistung des Roboters. Alle Sicherheitsfunktionen wurden vom TÜV Nord gemäß EN ISO 13849-1:2008 mit Performance Level d Kategorie 3 zertifiziert.


Bei der Taschenlampen-Applikation findet ein Großteil der 17 Funktionen Verwendung: Integriert sind nicht nur ein Sicherheitshalt und ein Not-Aus, sondern weitaus differenziertere Sicherheitssysteme. Im Detail: Für eine zuverlässige MRK greift bei der Anwendung zum einen die Kraft- und Leistungsbegrenzung des Roboters. Das heißt: Sollten wider Erwarten doch einmal eine Klemmung auftreten, so reduziert diese Sicherheitsfunktion die in der Klemmung maximal auftretenden Kräfte und Drücke. Zum anderen sorgt die Impulsbegrenzung dafür, dass der Roboter bei einer zu harten Kollision im freien Raum unverzüglich stoppt.

Weiterhin wird der beschriebene Tunnel im Kollaborationsraum durch die Funktion der TCP-Positionsbegrenzung realisiert. Mit ihr lassen sich Sicherheitsebenen so positionieren, dass sie den dargestellten Tunnel ergeben, auf den sich der Raum, in dem Mensch und Roboter aufeinandertreffen können, begrenzt.

Drei weitere Sicherheitsfunktionen sorgen schließlich dafür, dass der Roboter Nummer 1 den Wechsel zwischen den zwei Arbeitsräumen erfolgreich ausführt: Die TCP-Geschwindigkeitsüberwachung stellt sicher, dass sich der Roboter nach dem Durchfahren der Sicherheitsebene nicht schneller bewegt, als es ihm die, im Falle einer Kollision auftretenden maximalen Transferenergien erlauben würden. Mit der Funktion „Ausgang: Reduzierter Modus“ überbrückt der Roboter das Lichtgitter, um sich beim Passieren nicht selbst zu stoppen. Der „Ausgang: Nicht reduzierter Modus“ schaltet die Roboter Nummer 2 und 3 in einen Sicherheitshalt, sobald der erste UR3 die Sicherheitslichtschranke überbrückt und dem Messebesucher die Taschenlampe reicht.

Die richtigen Fragen stellen

Die detaillierte Betrachtung zeigt zwei entscheidende Sachverhalte: Um eine MRK-Applikation sicher zu gestalten, werden weitaus mehr Sicherheitsfunktionen benötigt, als lediglich die bekannte Kraft- und Leistungsbegrenzung. Außerdem werden andere beziehungsweise zusätzliche Sicherheitsfunktionen benötigt, als die in der EN ISO 10218-1:2011 geforderten Funktionen eines Not- und eines Sicherheitshalts. Und: Der Begriff „Cobot“ ist kein geschützter Begriff. Dadurch ist auch nicht definiert, welche zusätzlichen Funktionen ein Roboter haben muss um letztlich ein geeigneter Cobot für eine sichere MRK-Applikation zu sein.

Bei der Anschaffung eines kollaborierenden Roboters sollten sich Anwender daher weniger auf die Aussagen der ISO-Norm für Industrieroboter stützen, sondern vielmehr hinterfragen, welche weiteren Funktionen die Sicherheitssteuerung des Cobots ihnen liefert. Daneben ist unbedingt auf den Performance Level zu achten und, dass dieser von einer unabhängigen Prüfstelle zertifiziert wurde. Erfüllt der kollaborierende Roboter all diese Anforderungen, steht einer sicher integrierbaren MRK nichts mehr im Wege.

Andreas Schunkert, Head of Technical Support Western Europe bei Universal Robots / ag

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