Mensch-Maschine-Kollaboration: Ultraschallsensor schützt den Werker

Sicherheit ist das oberste Gebot bei der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK). Damit der Werker bei der Zusammenarbeit mit dem Kollegen aus Stahl keinen Schaden nimmt, kommen unterschiedliche Techniken zum Einsatz, allen voran die Sensorik. Mit einem neuen Ultraschallsensor will der Sicherheitsexperte Mayser im Bereich der sicheren MRK-Arbeitsplätze die Qualitätsführerschaft übernehmen. Das Produkt „Ultraschall Safety“ ist baumustergeprüft und für den Personenschutz zugelassen.

Die erst im Februar zertifizierte, funktional sichere Technik soll die Zukunft der automatisierten Produktion verändern. Zusammen mit Kuka Systems, den Profis für maßgeschneiderte Automatisierungslösungen, wurde mit dem Ultraschallsensor eine einmalige Vorentwicklung für die Absicherung eines spitzen Werkzeugs am LBR iiwa von Kuka realisiert. Damit ist eine der größten Gefahrenquellen in der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter beseitigt.

Die Anforderungen an eine Werkzeugabsicherung sind hoch. Das Werkzeug variiert je nach Anwendung und grundsätzlich brandgefährlich. Es wird nicht umsonst in der Branche als das „Schwert am Roboter“ bezeichnet. Insbesondere wenn das Werkzeug spitz ist oder ungünstige Geometrien besitzt, steigert sich die Gefahr für den Menschen. Wird der Werker zum Beispiel vom Dorn eines Akkuschraubers mit zu hoher Geschwindigkeit berührt, liegen die Werte für Druck und Kraft oberhalb der zulässigen Grenzwerte, die in der Norm ISO/TS 15066 festgeschrieben sind. Um den Menschen bei einer Berührung zu schützen, musste bisher die Geschwindigkeit des Werkzeugs so stark reduziert werden, dass die Kraft-Momenten-Sensorik für eine Absicherung ausreicht. Niedrige Geschwindigkeiten von etwa 40 mm/s sind aber nicht wirtschaftlich. Die gewünschten Zykluszeiten werden nicht erreicht und die effiziente Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist ruiniert. Nicht erst seit gestern fragen sich deswegen die Entwickler, wie man Roboter absichern kann, ohne den MRK-Gedanken opfern zu müssen. Auch die Spezialisten von Mayser wollen den Roboter so lange wie möglich ohne reduzierte Geschwindigkeit in der Kollaboration agieren lassen.

Bei der Entwicklung des Utraschall Safety diente wie so oft in der Technik die Natur als Vorbild. „Unsere neue Entwicklung zeigt Analogien zur Ultraschallortung bei der Fledermaus“, erklärt Mayser-Geschäftsführer Thomas L. Zawalski. „Mit unserer Technik können wir das Werkstück als größte Gefahrenquelle absichern und gleichzeitig die Verfahrensgeschwindigkeit je nach Anwendungsfall von 40 auf maximal 200 mm/s erhöhen.“ Der Weg zur sicheren und zugleich wirtschaftlichen MRK sei damit frei. Die Ultraschall-Lösung kann allein oder in Kombination mit weiteren Systemkomponenten wie zum Beispiel einem taktilen Kollisionsschutz zum Einsatz kommen. Dabei wird der Roboter sensortechnisch mit einer fühlenden Haut ausgestattet.

Bereits ganz am Anfang der Entwicklung wurde festgelegt, dass der Ultraschall-Sensor am Ende für den Personenschutz nach ISO 13849 Kategorie 3 PL d zugelassen werden muss. Nur so lässt sich der Mensch dank enger Zusammenarbeit mit dem Roboter bei schweren Arbeiten effizient unterstützen. Ergonomische Arbeitsplätze werden von den Berufsgenossenschaften gefordert, da sich das Renteneintrittsalter langfristig verschieben und längeres Arbeiten auch in der Produktion erforderlich sein wird. Umso wichtiger ist eine effiziente MRK-Umgebung, die den Werker ergonomisch unterstützt.

Ein besonderes Merkmal des jüngsten Wurfs der Spezialisten aus Ulm sind die beiden kleinen Ultraschallwandler, die sich flexibel und unabhängig von der Elektronik positionieren lassen. Sie können daher direkt auf dem Roboter oder am Greifer platziert werden und überwachen von dort aus die Umgebung flächig und sicher in einem elliptischen Schallfeld. Dabei werden selbst kleinste Objekte erfasst. An die Auswerteeinheit können bis zu zwei Ultraschallwandler als Signalgeber angeschlossen werden, die jeweils ein Schutz- und ein Warnfeld um das Werkzeug aufspannen. Im Warnfeld sind schnelle Bewegungen des Roboters zugelassen. Das erhöht die Produktivität und die Wirtschaftlichkeit. Sobald ein Objekt oder ein Mensch in das Schutzfeld eintritt, wechselt der Roboter in eine sichere Verfahrgeschwindigkeit. So kann der Kollege aus Stahl jederzeit rechtzeitig stoppen. Und selbst bei einer Kollision werden die zulässigen Kräfte und Drücke nicht überschritten. Mit einer Teach-In-Funktion kann zudem die komplette Messumgebung als Standard festgelegt werden. Das System reagiert in diesem Fall ausschließlich auf Abweichungen vom Sollzustand.

Die Ulmer arbeiten derzeit an einem weiteren berührungslosen Kollisionsschutz, für den ebenfalls eine Zertifizierung gemäß ISO 13849–1 Kategorie 3 PL d angestrebt ist. Durch die Auswertung eines kapazitiven Feldes, das sich bei Annäherung von Personen oder leitfähigen Objekten ändert, wird der Roboter verlangsamt oder gestoppt, bevor es zu einer Kollision kommt. Es ist also keine Krafteinwirkung zum Auslösen der schützenden Sensorik nötig. Die Reichweite des Feldes lässt sich individuell anpassen und hängt davon ab, ob in der Applikation eine leichte Berührung zwischen Mensch und Roboter erlaubt ist, oder eine berührungslose Zusammenarbeit gewünscht wird. Eine Verletzungsgefahr besteht auch bei Berührungen nicht.

Nein. Bei diesem Produkt handelt es sich um eine Weltneuheit. Es gibt keinen anderen sicheren Ultraschall und damit kein vergleichbares Produkt.

Wir haben einen speziellen Ultraschallwandler entwickelt, der einen elliptischen Raum überwacht und dafür ein Schutzfeld aufbaut. Die Ultraschalltechnik ist robust und steckt ein staubiges oder nebliges Arbeitsumfeld weg. Auch die Detektion transparenter oder spiegelnder Objekte ist für ein akustisches System naturgemäß kein Problem.

Die größte technische Hürde war mit Sicherheit die Zertifizierung des Produkts als Sicherheitskomponente.

Überall dort, wo es baulich eng ist, lässt sich der kleine Ultraschallwandler in die Applikation integrieren. Detektionsfelder bis zwei Meter lassen sich als Schutzfeld parametrieren. Zudem ist der Sensor ist für Innen- und Außenanwendungen geeignet.

Wenn die Applikation exakte oder rechtwinklige Randbereiche fordert, kann dies mit einer Ultraschallkeule nicht umgesetzt werden. Gleiches gilt für die Detektion auf Distanzen größer als zwei Meter.