Mensch-Roboter-Kollaboration: Sichere Zusammenarbeit

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Mensch-Roboter-Kollaboration

Sichere Zusammenarbeit

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Wenn sich Mensch und Maschine den Arbeitsraum teilen, muss Sicherheit an erster Stelle stehen. Das Kraft- und Druckmesssystem von Pilz validiert normenkonform eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration.

Lange Zeit bestand das Ideal der Automatisierung – und gleichzeitig die Angst davor – darin, den Menschen in der Produktion zu ersetzen. Mit zunehmender Komplexität wird aber deutlich, dass der Mensch der Maschine in verschiedenen Bereichen überlegen ist. Für eine intelligente Produktion ist der Mensch unerlässlich: Überall, wo man kreativ reagieren, Situationen bewerten und abwägen muss, ist der Mensch unschlagbar. Der Roboter dagegen kann seine richtig dosierte Kraft über einen langen Zeitraum einsetzen.
Statt einer Koexistenz geht es künftig um Kollaboration, also um das Miteinander von Mensch und Maschine. In vielen Bereichen bedeutet das, dass der Mensch näher an die Maschine rückt oder sich Mensch und Maschine gleichzeitig eine Aufgabe und damit einen Arbeitsraum teilen, in dem jeder seine Stärken einsetzen kann. Je enger Mensch und Maschine zusammenarbeiten, desto wichtiger wird die Sicherheit. Nur wenn die Sicherheit zu jeder Zeit gewährleistet ist, wird der Mensch bereit sein, mit Kollege Roboter zu arbeiten.
Den Normen kommt beim Thema Sicherheit eine wichtige Rolle zu. In der Praxis erwiesen sich bestehenden 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 durch die Veröffentlichung der Norm ISO/TS 15066 im letzten Jahr geschlossen werden konnte. In dieser Norm sind die vier Kollaborationsarten aus ISO 10218-2 im Detail als Schutzprinzipien beschrieben. Diese vier Methoden können einzeln zur Absicherung von Mensch-Roboter-Kollaboration-(MRK) Applikationen angewendet werden – oder in Kombination.
  • Methode 1 – Sicherheitsbewerteter überwachter Stillstand (Safety-rated monitored stop): Der Mensch hat nur Zugang zum stillstehenden Roboter. Das Robotersystem darf nicht selbstständig und unerwartet wieder anlaufen.
  • Methode 2 – Handführung (Handguiding): Der Mensch hat auch hier nur Zugang zum stillstehenden Roboter. Erst durch die manuelle Bestätigung einer Zustimm-Einrichtung darf die Handführung des Robotersystems ermöglicht werden.
  • Methode 3 – Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung (Speed & Separation Monitoring): Bei dieser Methode wird durch einen Sensor permanent der Abstand zwischen Mensch und Roboter überwacht. Je näher der Mensch dem Roboter kommt, desto langsamer wird der Roboter. Ist der Abstand zu gering, wird ein Sicherheitshalt ausgelöst.
  • Methode 4 – Leistungs- und Kraftbegrenzung (Power & Force Limitation): Im Gegensatz zu den Methoden 1 bis 3 ist bei dieser Methode der Kontakt zwischen Mensch und Roboter unter bestimmten Umständen möglich. Dabei muss jedoch gewährleistet sein, dass die Kollision zwischen Mensch und Roboter keine Gefahr für den Menschen darstellt.
Körpermodell ermittelt spezifische Belastungsgrenzen
Letztlich muss durch ein Messverfahren ermittelt werden, ob die möglichen Kollisionen sicherheitstechnisch unbedenklich sind. Im Anhang A der technischen Spezifikation ISO/TS 15066 wird ein Körpermodell mit 29 spezifischen, in zwölf Körperregionen eingeteilte Köperbereiche aufgeführt. Das Körperzonenmodell macht zu jedem Körperteil (beispielsweise am Kopf, an der Hand, am Arm oder am Bein) eine Angabe zu den jeweiligen Belastungsgrenzwerten im Hinblick auf Kraft und Druck. Die Grenzwerte kennzeichnen das Eintreten des Schmerzes und definieren dafür die maximale Kraft und den maximalen Druck, die bei einer Kollision auf die entsprechende Körperregion einwirken dürfen. Die Körperregion mit den niedrigsten zulässigen Kollisionswerten ist das Gesicht. Bleibt die Anwendung während einer Begegnung zwischen Mensch und Roboter innerhalb dieser Grenzen, so ist sie normenkonform. Bei der Kollisionsuntersuchung werden alle möglichen Kollisionsszenarien real überprüft.
Damit Unternehmen MRK-Applikationen sicher im Betrieb einsetzen können, unterstützt der Automatisierungstechnikanbieter Pilz diese mit einem auf die einzelnen Lebensphasen eines Roboter-Systems abgestimmten Dienstleistungsportfolio. Speziell für die Validierung gemäß ISO/TS 15066 bietet der Hersteller das Messsystem Prob-ms. Das System misst die durch die Norm vorgeschriebenen Grenzwerte für Kraft beziehungsweise Druck der Roboterbewegung nun exakt und ermöglicht eine Validierung derselben. Das Paket beinhaltet neben dem Messgerät Prob-mdf die notwendigen Druckmessfolien, einen Scanner, ein Kalibrierblatt sowie Kompressionselemente und neun Federn mit unterschiedlichen Federkraftkonstanten, um die verschiedenen Körperregionen nachzustellen. Außerdem wird eine Software mitgeliefert, die Bedienung des Messgerätes und Protokollierung der Messungen erläutert.
Das Kraft- und Druckmesssystem ist weltweit auf Mietbasis erhältlich. Im Mietkonzept enthalten sind Wartung, Kalibrierung und regelmäßige Updates des Systems. So verfügen Anwender über ein stets funktionstüchtiges und technisch aktuelles Messsystem. Damit können zu jeder Zeit die bei einer Änderung des MRK-Prozesses notwendigen, neuen Messungen selbstständig durchgeführt werden. Das erhöhe die Verfügbarkeit von Roboter-Applikationen und damit auch die Produktivität solcher Anwendungen.
Bernd Müller, Industry Manager Robotics, Pilz, Ostfildern
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