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Mehr Sicherheit für mobile Roboter

| Autor/ Redakteur: Dipl.-Ing. Theo Jacobs* / Jan Vollmuth

Für stationäre Roboter und klassische fahrerlose Transportfahrzeuge gibt's bewährte Sicherheitskonzepte. Knifflig wird es, kommt beides in einem mobilen Manipulator zusammen. Dann hilft systematische Planung kombiniert mit entsprechendem Safety-Knowhow weiter.

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Mögliches Sicherheitskonzept für mobile Manipulation: Nur an bestimmten Arbeitsbereichen darf sich der Manipulator bewegen.
Mögliches Sicherheitskonzept für mobile Manipulation: Nur an bestimmten Arbeitsbereichen darf sich der Manipulator bewegen.
( Bild: Fraunhofer IPA )

Robotersysteme haben sich nicht nur in großen Produktionsanlagen etabliert. Auch Serviceroboter außerhalb von Fertigungen z.B. in der Logistik oder Landwirtschaft sind im Kommen. Für alle Robotersysteme gilt gleichermaßen: Die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Anwendung müssen garantiert sein und gesetzliche Anforderungen und Sicherheitsstandards erfüllt werden.

Auch für Roboter gilt die EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Für Industrieroboter gibt es die Standards ISO 10218-1 und -2. Für klassische Industrieroboter ist die räumliche Trennung von Roboter und Mensch gängig, doch auch die Kollaboration zwischen Mensch und Roboter (MRK) unter kontrollierten Bedingungen nimmt zu. Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) werden derzeit nach Norm DIN EN 1525 ausgelegt. Ab Ende 2019 passt jedoch ISO 3691-4 die Sicherheitsanforderungen dem neusten Stand der Maschinenrichtlinie an. Angesichts dieser verschiedenen Normen stellt sich die Frage, welche für kombinierte Systeme, sogenannte mobile Manipulatoren, zu berücksichtigen sind?

Aufholbedarf hinsichtlich normativer Vorgaben

Die Vorgaben der genannten ISO-Norm gelten zwar auch für Manipulatoren auf mobilen Plattformen, gehen jedoch nicht spezifisch auf die Risiken ein, die aus der Kombination von Robotern und FTF entstehen können, wenn sich etwa die Geschwindigkeiten von beiden Teilen addieren. Zudem sind mehr Freiheitsgrade zu berücksichtigen. Aufseiten der normativen Vorgaben gibt es für mobile Manipulatoren noch Aufholbedarf, weil das Erstellen neuer Sicherheitsstandards ein abstimmungs- und zeitaufwendiger Prozess ist.

Dennoch ist es mit dem entsprechenden Wissen über schon bestehende Normen und Sicherheitstechnologien gut möglich, auch neuartige Robotersysteme gesetzeskonform in die Praxis zu bringen, selbst wenn noch keine spezifischen Vorgaben vorhanden sind. Das Fraunhofer IPA hat bereits verschiedene mobile Manipulatoren konzipiert und sicher in Betrieb genommen. Dabei haben sich zwei Sicherheitskonzepte durchgesetzt: Eine Möglichkeit besteht darin, die mobile Plattform und den Manipulator getrennt abzusichern. Dann darf immer nur eines von beiden Teilsystemen aktiv sein, das jeweils entsprechend der vorhandenen Norm abgesichert wird.

Plattform mit Sicherheitssensorik ausstatten

Wie sieht dies in der Praxis aus? Für die mobile Plattform reichen Laserscanner knapp über Bodenhöhe mit relativ kleinen Schutzfeldern aus. An klar definierten Punkten, an denen der Manipulator eingesetzt werden darf, können entweder Teilbereiche durch dort verbaute Zaunelemente oder feststehende Lichtschranken abgesperrt sein, andere Teilbereiche kann die Sensorik auf der mobilen Plattform überwachen. Wichtig sind darüber hinaus geeignete Technologien wie sichere, berührungslos arbeitende Schalter, die signalisieren, dass die Plattform die für den Betrieb des Manipulators vorgesehene und entsprechend abgesicherte Position erreicht hat. Erst dann darf sich der Arm bewegen.

In der zweiten Variante können Plattform und Arm gleichzeitig aktiv sein. Dann muss die Plattform die gesamte Sicherheitssensorik mitführen, beispielsweise zusätzliche Laserscanner oder sichere 3D-Sensoren, die auch den Arbeitsraum des Arms überwachen.

Strengste Sicherheitsmaßnahmen ergreifen

Prinzipiell ist bei der Einrichtung des Systems immer vom ungünstigsten Fall auszugehen. Daher sollten stets die strengsten Sicherheitsmaßnahmen umgesetzt werden. Zwar gibt es für die Absicherung mobiler Manipulatoren keine Standardlösungen und Maßnahmen zur Risikominimierung erfordern begründetes Vorgehen und Fachwissen. Oft lassen sich jedoch die bestmöglichen Sicherheitsmaßnahmen realisieren, indem man genau zwischen Teilsystemen und Teilfunktionen unterscheidet.

Bei mobilen Manipulatoren muss sichergestellt werden, dass sich die mobile Plattform an einer definierten Position oder einem eingegrenzten Arbeitsbereich befindet, bevor die Bewegung des Manipulators erlaubt ist. Zudem können Sicherheitssignale derzeit nur mit Einschränkungen drahtlos übertragen werden, sodass auch hier geschickte Lösungen im Zusammenspiel von mobilen Systemen und stationären Anlagenteilen gefunden werden müssen.

Die Forschung arbeitet an Sicherheitslösungen

Um diese Punkte zu klären, tut die Forschung viel. So fördert das Land Baden-Württemberg das Projekt Roboshield, bei dem die Themen Safety, Security und Privacy auf der Agenda stehen. Firmen aus dem Bundesland können sich aktuell für „Quick Checks“, also eine kostenlose Beratung zu ihrer Problemstellung, bewerben.

Save the Date: Anwendertreff Maschinensicherheit Erfahren Sie auf dem Anwendertreff Maschinensicherheit am 25. September 2019, wie Sie die funktionale Sicherheit Ihrer Maschinen und Anlagen normengerecht gewährleisten: Der Kongress unterstützt Konstrukteure, Entwickler, Hersteller und Betreiber dabei, die funktionale Sicherheit ihrer Maschinen und Anlagen so zu gestalten, dass sie den Anforderungen der Maschinenrichtlinie genügt, auch in einer smarten Fabrikumgebung.
Mehr Infos: Anwendertreff Maschinensicherheit

Zwei Forschungsthemen für das Fraunhofer IPA im Projekt Roboshield sind die sichere drahtlose Kommunikation über Funk sowie die Untersuchung verschiedener Technologien für eine sichere Lokalisierung. Während die oben genannten berührungslosen Sicherheitsschalter die Lokalisierung eines mobilen Roboters erst in seiner Endposition ermöglichen, erlauben eine Triangulation über Funk, Laserscanner oder auch markerbasierte Technologien verbunden mit einem sicheren Datenaustausch eine fortlaufend präzise Lokalisierung, die der Sicherheit zuarbeitet. Wichtig hierbei ist, dass Informationen redundant verarbeitet werden bzw. sich auf mehrere Informationskanäle stützen und so Fehler in der Lokalisierung sofort erkannt werden. Ebenfalls eine mögliche Funk-Anwendung: Der Not-Halt einer stationären Anlage kann auch zum Stoppen eines mobilen Roboters genutzt werden oder umgekehrt. Durch sicher abfragbare Quittiertaster können Nutzer außerhalb eines Arbeitsbereichs sicher bestätigen, dass der Arbeitsbereich jetzt für den Roboter frei ist. Anhand dieser Sicherheitsinformationen können die Roboter beispielsweise ihr Fahrverhalten anpassen.

Computergestützte Risikobewertung von MRK-Plätzen

Aufgrund kleinerer Losgrößen und der zunehmend geforderten Flexibilität in der Produktion wird es in Zukunft auch unerlässlich sein, eine sichere Anwendung mit Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) ein Stück weit automatisch hinsichtlich der Sicherheit zu bewerten und zu dokumentieren. Hierfür gibt es am Fraunhofer IPA die Software Cara (Computer-Aided Risk Assessment).

Dipl.-Ing. Theo Jacobs ist Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und Certified Machinery Safety Expert.
Dipl.-Ing. Theo Jacobs ist Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und Certified Machinery Safety Expert.
( Bild: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA )

Cara ist ein Tool für die computergestützte Risikobewertung von Arbeitsplätzen mit MRK, speziell für die Montage. Es prüft die einzelnen Prozessschritte verbunden mit den eingesetzten Ressourcen, die bereits in einer zentralen Datenbank hinterlegt sind und von einem Systemintegrator ausgewählt werden können. Auf dieser Grundlage benennt Cara mögliche Gefährdungen sowie geeignete Sicherheitsmaßnahmen. Das Tool kommt auch im Forschungsprojekt Roboshield zum Einsatz mit dem Ziel, aus der Risikoanalyse automatisch ein fertiges SPS-Programm erzeugen zu können.

* Dipl.-Ing. Theo Jacobs, Projektleiter am Fraunhofer IPA

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