Produktivität und Sicherheit von MRK-Applikationen – Ein Statement

MRK-Applilationen sollen so schnell sein, dass sie produktiv sind, aber gleichzeitig auch so langsam, dass sie sicher sind – eine Herausforderung. Pilz

Wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen „klassischen“, umhausten Roboterapplikationen und der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ist, dass Kollisionen zwischen Maschine und Mensch ein reales Szenario sein können. Sie dürfen jedoch zu keinen Verletzungen führen. Damit stellt die MRK neue Anforderungen an die Sicherheit von Arbeitsplätzen. Voraussetzungen für ein verletzungsfreies Miteinander sind zum einen zuverlässige Steuerungen und intelligente, dynamische Sensoren am Roboter selbst. Der Roboter fühlt oder erkennt also, wenn oder bevor es zu einer Kollision kommt. Zum anderen müssen durch normative Grundlagen verlässliche Sicherheits-Standards gesetzt sein.

Hier klaffte lange eine normative Lücke, die erst 2016 durch die Veröffentlichung der Technischen Spezifikation ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices – Collaborative industrial robots“ geschlossen werden konnte. Im Dokument sind zum einen vier Kollaborationsarten als Schutzprinzipien genauer beschrieben. Zum gibt es dort detaillierte Angaben zu Schmerzschwellen für verschiedene Körperregionen.

Kräfte brauchen Grenzen

Wenn man von MRK spricht, ist damit die Kollaborationsart 4 gemeint („Leistungs- und Kraftbegrenzung“). Hier hat der Mensch Zugang zum Kollaborationsraum, während der Roboter sich bewegt. Ein Kontakt zwischen Mensch und Roboter (beabsichtigt oder nicht) ist möglich! Daher müssen Kontaktkräfte zwischen Mitarbeiter und Roboter auf ein ungefährliches Maß, sprich die definierten Schmerzschwellenwerte, begrenzt werden.

Heute verfügen Robotersysteme zwar bereits über intelligente Sicherheitsfunktionen, sind aber nicht eigensicher, da die Dynamik der Kollision keine Berücksichtigung findet: Erst mit der Kollision beginnt der Roboter seine Bewegung zu verzögern. Je schneller also ein Roboter ‚einschlägt‘ umso länger ist sein Bremsweg. Welche Kräfte bei einer Kollision tatsächlich herrschen, ist daher auch abhängig von der kinematischen Position des Roboters, der Massenträgheit oder davon welche Last verbaut ist. Das kann dann gut das zwei- bis fünffache des fehlersicher in der Robotersteuerung hinterlegten Grenzwertes betragen.

Aktuell müssen deshalb MRK-Anwendungen ohne Schutzzaun so langsam sein. Sonst würden sie nicht die in der ISO/TS 15066 vorgegebenen Obergrenzen mit Blick auf Kraft und Druck für die Kräfte bei einer Kollision einhalten. Erst wenn der Roboter diese Kollisionswerte einhält beziehungsweise die Werte unter den Vorgaben liegen, ist die Kollision gefahrlos und eine MRK Applikation ohne Schutzzaun möglich.

Vor der Kollision reagieren

Als Stellgrößen für schnellere Roboterapplikationen kommen Roboter und Messmethode in Frage: Zum einen können Roboterhersteller ihre Robotersysteme in die Lage versetzen, bereits vor einer Kollision zu reagieren und die Dynamik einer Kollision einzubeziehen. Um den Bremsweg so zu kalkulieren, dass der Mensch nicht verletzt wird, sollte der Roboter den Menschen vor der Kollision erkennen. Das ist heute aber nicht die Regel.

Zum anderen lassen sich die praktischen Erfahrungen aus der Validierung von MRK-Applikationen heranziehen, um das Messszenario zu verbessern. Denn die momentan verwendete Messmethode (insbesondere für die transiente Kollision) arbeitet mit höheren Kollisionswerten als sie in der Praxis auftreten.

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Kollisionsarten genauer betrachten

Konkret kann zum Beispiel noch stärker zwischen den unterschiedlichen Kollisionsarten unterschieden werden. Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Kollisionsarten: Der ‚Transiente Kontakt‘ zwischen Mensch und Roboter entspricht einem Stoß durch den Roboter. Der Mensch wird von dem Roboter getroffen, hat aber die Möglichkeit zurückzuweichen; er wird nicht eingeklemmt. Der ‚Quasi-statische‘ Kontakt zwischen Mensch und Maschine dagegen entspricht einer Quetschung des Menschen. Ein Ausweichen ist nicht möglich, der Mensch ist praktisch festgehalten und kann sich nicht selbst befreien.

Eine Möglichkeit die Geschwindigkeit von MRK-Applikationen zu beschleunigen besteht darin, einen so genannten Korrekturfaktor einzukalkulieren. Dazu hat das Fraunhofer IFF Magdeburg einen Korrekturfaktor unter Berücksichtigung der Massenträgheit des Menschen und des Kollisionswertes aufgestellt. Mit diesem Korrekturfaktor könnte nun bei transienten Kollisionen das Zurückweichen des Menschen berücksichtigt werden.

Sicherheit von Anfang an berücksichtigen

In jedem Fall ist es gerade bei MRK ratsam, sich früh mit dem Thema Sicherheit auseinanderzusetzen. Sobald eine erste Idee am CAD-System entsteht, hat man eine Diskussionsgrundlage und kann bereits mit einer sicherheitstechnischen Beurteilung beginnen. Wenn dazu Erfahrungen aus vorherigen Applikationen einfließen, müssen Sicherheit und Produktivität kein Widerspruch bleiben.

Automatica: Halle B4, Stand 500

(ml)