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Arbeitsschutz Kollaborierende Roboter sicher machen

Redakteur: Katharina Juschkat

Kollaborierende Roboter arbeiten künftig Hand in Hand mit dem Menschen. Risikobeurteilungen und Messungen sollen sicherstellen, dass von der Kraft eines etwaigen Zusammenstoßes keine Gefahr ausgeht. Unabhängige Messungen wie durch Tüv Süd Industrie Service sind dabei unverzichtbar.

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ACE Stoßdämpfer GmbH
FAULHABER Antriebssysteme
CADFEM Germany GmbH
TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Risikobeurteilungen müssen belegen, dass von der Kraft eines Cobots keine Gefährdung ausgeht.
Risikobeurteilungen müssen belegen, dass von der Kraft eines Cobots keine Gefährdung ausgeht.
(Bild: © casanowe/Fotolia.com)

Mensch und Roboter rücken zusammen. Das gilt nicht nur im Service, sondern auch in der Industrie. Cobots sind flexibel einsetzbar und benötigen deutlich weniger Arbeitsfläche als die bisher eingezäunten und fest verankerten Industrieroboter.

Der sogenannte „grüne Roboter“ Fanuc CR-351 ist der erste, der mit Menschen zusammen arbeiten kann.
Der sogenannte „grüne Roboter“ Fanuc CR-351 ist der erste, der mit Menschen zusammen arbeiten kann.
(Bild: TÜV SÜD)

Mit der Auflösung der räumlichen Trennung und dem direkten Kontakt von Mensch und Roboter steigt die Gefahr, verletzt zu werden. Um das zu vermeiden, ist bereits bei der Konstruktion eine Risikobewertung notwendig. Neben dem Roboter muss dabei auch das am Roboterarm angebrachte Werkzeug, gegebenenfalls bewegte Objekte sowie der geplante Anwendungsbereich berücksichtigt werden.

Wenn Roboter auf Mensch trifft

Grundlegend ist die ISO-Norm 10218 für Industrieroboter. Sie definiert u. a. vier Arten der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) und die dahinterstehenden Sicherheitskonzepte:

1. Handführung mit reduzierter Geschwindigkeit

Die Bewegung des Menschen wird aufgenommen und verstärkt. Die Bewegungssteuerung ist unmittelbar und bleibt durch reduzierte Maximalgeschwindigkeit kontrollierbar.

2. Stopp bei Zutritt zum Kollaborationsraum

Der Roboter führt seine Aufgabe selbsttätig durch und stoppt, sobald der definierte und durch Sensoren überwachte Kollaborationsraum betreten wird. Nach Verlassen dieses Raumes läuft der Roboter selbständig wieder an.

3. Abstandsüberwachung

Die Umgebung des Cobots wird in seiner Bewegung dynamisch überwacht. Je nach Grad der Annäherung eines Menschen wird die Geschwindigkeit reduziert. Das Unterschreiten des Mindestabstands löst den Sicherheitshalt aus.

4. Begrenzung der Energie und Kraft

Die Energie- und Kraftbegrenzung kommt insbesondere in den Szenarien der MRK zum Einsatz, in denen Mensch und Cobots eng zusammenarbeiten müssen und das Risiko eines Kontakts am Höchsten ist. In diesem Fall muss die Leistung des Roboters soweit reduziert werden, dass es zu keinen Verletzungen kommen kann.

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Wo rohe Kräfte sinnvoll walten – ein Beispiel

Bei einer Applikation bei einem Automobilzulieferer aus dem Saarland besteht das Risiko von einem Roboter am Kopf, am Oberkörper sowie an den oberen Extremitäten getroffen zu werden. Das höchste Risiko ist ein Treffer am Kopf. Für mögliche Treffer am Kopf muss das Messsystem mit einer Feder mit einer Federkonstante von 75 N/mm² bestückt werden. Die für den Kopfbereich maximal zulässige Stoßkraft liegt bei 90 N. Als weiterer Grenzwert für einen Treffer im Kopfbereich gilt eine Flächenpressung von 20 N/cm². Beide Werte stellen die medizinisch-biomechanischen Anforderungen dar. Sie stammen aus den BG/BGIA-Empfehlungen für die „Gefährdungsbeurteilung nach Maschinenrichtlinie – Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern“. Der Messwert für die Stoßkraft betrug bei diesem Beispiel 231 N, die Kraft verteilte sich auf eine Fläche von 7 cm², was einer Flächenpressung von 33N/cm² entspricht. Weil dieser Roboter so nicht die Anforderungen aus der BG/BGIA-Empfehlung erfüllt hat, waren Zusatzmaßnahmen erforderlich wie:

  • die Kraftbegrenzung des Roboters
  • eine Teilumhausung (nur Unterarm/Hand kann getroffen werden)
  • das Reduzieren der Geschwindigkeit
  • ein Vergrößern der Aufschlagfläche

Durch diese lässt sich der Roboter nun sicher zusammen mit den Facharbeitern einsetzen. Mit den Kräftemessungen und den zugehörigen Sicherheitsmaßnahmen kommen Betreiber von Cobots ihrer Verantwortung für den Arbeitsschutz nach, wie ihn u. a. die im Juni 2015 novellierte Betriebssicherheitsverordnung fordert.

Grenzwerte für Kraft und Druck

Exakte Grenzwerte legt die ISO 10218 jedoch nicht fest. Hier wurde in der Praxis bisher vor allem den Empfehlungen des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) gefolgt. Die kürzlich erschienene Technische Spezifikation ISO/TS 15066 erweitert und konkretisiert die ISO-Norm und definiert biomechanische Grenzwerte für 29 Körperregionen, die auf Untersuchungen zum Schmerzempfinden basieren.

Für die Risikobewertung sind die Kräfte und Drücke im Falle eines Zusammenstoßes zu bestimmen. Das IFA empfiehlt den Einsatz eines biofidelen Messgerätes. Auch Tüv Süd Industrie Service verwendet solche Messgeräte. Dabei werden in einen Kraftaufnehmer verschiedene Federn eingebaut, deren Konstanten die unterschiedlichen Körperregionen simulieren. So lässt sich ermitteln, welche Kräfte bei einem Aufprall auf den Menschen wirken. Das Design und die Inte­gration des Roboters sind wichtig, um die Grenzwerte einzuhalten. Je nach Einsatzgebiet kann es sinnvoll sein, Teil­umhausungen zu installieren oder Bewegungsbereiche und Verfahrwege zu begrenzen. So können besonders empfindliche Regionen wie Kopf und Nacken als Trefferzonen ausgeschlossen werden. Abgerundete Kanten und größere sowie gepolsterte Trefferflächen wirken sich ebenfalls positiv aus. Auch ältere Systeme können über eine Begrenzung der Geschwindigkeit kompatibel gemacht werden, sofern die Steuerung die Anforderungen der ISO 10218 Kapitel 5.4 („Sicherheitsbezogene Leistungsfähigkeit des Steuerungssystems“) erfüllt.

Bringt ein Hersteller einen Cobot in Verkehr, sind nicht nur die üblichen technischen Unterlagen laut EG-Maschinenrichtlinie anzugeben. Zusätzlich erforderlich sind die biomechanischen Grenzwerte (Kraft und Druck) für die Kontaktsituationen. Zwar ist die Technische Spezifikation keine Norm und quasi noch in der Erprobungsphase. Jedoch bietet sie eine Anleitung zum bestmöglichen Schutz der Mitarbeiter auf dem neuesten Stand der Forschung. Die Erfahrungen sollen darüber hinaus in die Aktualisierung der ISO 10218 einfließen. (kj)

(ID:44251119)

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