Robotik Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) – aber sicher!

Autor / Redakteur: Ulrich Hochrein* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

MRK-Anwendungen haben großes Potential. Nach Prognosen des Marktforschungsinstituts Interact Analysis soll der Marktanteil an MRK-Systemen bis 2027 auf 30 Prozent des Robotermarktes wachsen. Doch es sind einige Grundsätze für die Umsetzung zu beachten.

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MRK als Sonderform in der Robotik Anwendung: Interaktion zwischen Mensch und Robotersystem.
MRK als Sonderform in der Robotik Anwendung: Interaktion zwischen Mensch und Robotersystem.
(Bild: © MikeLaptev – istockphoto.com, EDAG)

Die Mensch-Roboter-Kollaboration, kurz MRK, stellt eine Sonderform in den Robotik Anwendungen dar, bei der der Mensch in verschiedenen Formen direkt mit Robotersystem interagieren bzw. kollaborieren kann. So lassen sich die Vorteile der Robotersysteme mit den menschlichen Fähigkeiten kombinieren.

Grundprinzipien der Mensch Roboter Kollaboration

Die MRK-Applikationen basieren grundsätzlich aus einer der vier Grundprinzipien oder Kombinationen davon. Diese sind:

  • 1. Sicherheitsgerichteter, überwachter Halt: Der Roboter stoppt, wenn ein Mitarbeiter den gemeinsamen Arbeitsbereich betritt und fährt bei Bedarf weiter, wenn der Mitarbeiter den Bereich wieder verlassen hat.
  • 2. Handführung des Roboters: Die Roboterbewegung wird vom Mitarbeiter aktiv geführt.
  • 3. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung: Der Kontakt zwischen dem Mitarbeiter und dem sich in der Bewegung befindlichen Roboter wird vom Robotersystem verhindert.
  • 4. Kraft- und Druckbegrenzung: Kontaktkräfte zwischen Mensch und Robotersystem sind möglich, werden aber auf ein ungefährliches Maß begrenzt. Dies sind die häufigste umgesetzte Kollaborationsformen und der überwiegende Teil der Anwender versteht unter MRK, diese Kollaborationsform.
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Ein gemeinsames Merkmal aller MRK-Anwendungen ist, dass die Sicherheit präzise und integer über die gesamte Applikationsanwendung und unter Berücksichtigung aller funktionalen und produktionstechnischen Aspekte durchzuführen ist. Was bei konventionellen Roboter-Automationen beispielsweise durch feste bauliche Trennungen oder zusätzlichen Sicherheitskomponenten, wie Achsnocken, Sicherheitsschleusen (z. B. durch berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen) umgesetzt oder ggf. auch noch nachrüstbar ist, funktioniert bei MRK je nach Schutzprinzip nur eingeschränkt oder ist überhaupt nicht anwendbar.

Wenn das Prinzip Kraft- und Druckbegrenzung (4. Kollaborationsform) angewendet wird, muss eine gute inhärente Planung, Konstruktion und Installation umgesetzt werden. Anders formuliert: eine MRK-gerechte Gestaltung erfolgt vom ersten Gedanken bis zur Validierung der Applikation.

Das umfasst folgende Aspekte:

  • Auswahl eines, für die konkrete Anwendung, angemessenen MRK-Systems,
  • sichere Gestaltung von Greifern und Werkzeugen,
  • Berücksichtigung der Teilebeschaffenheit (Geometrie und Masse),
  • Arbeitsabläufe, Begrenzung von Arbeitsräumen und Geschwindigkeit,
  • eingesetzte Produktionstechnologien.

Maßgebliche Größen zur Beurteilung der Sicherheit

Grundsätzlich gibt es keinen MRK-Roboter, der automatisch eine sichere MRK-Applikation garantiert. Auch, wenn viele Roboterhersteller dies gerne über gutes Marketing suggerieren wollen. Wird zum Beispiel ein scharfes Skalpell als „Roboterwerkzeug“ an einem MRK-Roboter in Augenhöhe verwendet, wird jeder damit ausgestattete MRK-Roboter schwere Verletzungen verursachen können, selbst wenn er sich nicht bewegt oder sogar ausgeschaltet ist. Somit ist ein MRK-Roboter nur ein wichtiger Baustein in der sicheren MRK-Applikation.

Eine maßgebliche Größe zur Beurteilung der Sicherheit ist daher nicht nur die Kraft, sondern auch der Druck (Kraft/Wirkfläche), die das MRK-System im ungünstigsten Fall verursachen kann. Somit bestimmen angewandte Werkzeug- und Teilegeometrien die Vorgaben möglicher Verfahrgeschwindigkeiten und Leistungsvorgaben, beispielsweise das Drehmoment.

Die ISO/TS 15066 – internationales Regelwerk

Für Industrieroboter werden unter der Maschinerichtlinie die Sicherheitsnormen EN ISO 10218 Teil 1, für den Industrieroboter und Teil 2 für das Integrierte Robotersysteme gelistet. Hier sind aber nur eher allgemeine die Anforderungen für die Mensch Roboter Kollaboration zu finden.

Die ISO/TS 15066 „Roboter und Robotikgeräte – Kollaborierende Roboter“ ist bisher das einzige, internationale Regelwerk, das für MRK-Anwendungen zulässige Kräfte und Druckeinwirkungen auf den menschlichen Körper beschreibt. Hier sind die Grenzen für die tolerierbaren Kräfte und Drücke sind für verschiedene Körperteile des menschlichen Körpers aufgelistet.

Weiterhin werden die zulässigen Kräfte und Druckverteilungen in „transiente“ (kurzfristige) und „quasistatische statische Kontakte“ zwischen Körper und Mensch unterschieden. Eine Validierung der Kraft- und Druckvorgaben durch Messung mit einem konformen Messsystem ist unbedingt notwendig.

Vielfach werden Integratoren in den ersten MRK-Umsetzungen bei Durchführung der Kraft- und Druckverteilungsmessungen überrascht. Hier schlummert „KO“-Potential – zumindest, wenn man die Grenzwerte der ISO/TS15066 einhalten möchte. In der Praxis lassen sich MRK-Applikationen schneller umsetzen, je mehr Erfahrung der Integrator sammelt. Oft werden dann aber Applikationen in einem frühen Stadium nicht mehr als MRK, sondern als Standard Roboterapplikation realisiert.

Grenzen der Mensch Roboter Kollaboration

Denn: MRK-Anwendungen geraten häufig an ihre Grenzen:

MRK-Roboter sind erheblich leistungsreduziert. Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, mögliche Kräfte und Momente sind nicht mit Standard-Industrierobotern gleichzusetzen. Durch sicherheitstechnische Anforderungen werden diese in der Applikation teilweise noch weiter reduziert. Damit werden im MRK-Betrieb häufig die Taktzeitvorstellungen nicht erfüllt.

Verschiedene Produktionsverfahren sind aufgrund von Traglast oder anderen Produktionsfaktoren, der Leistungsfähigkeit des Steuerungssystems und die funktionalen Fähigkeiten des MRK-Systems nicht möglich.

Die Anforderung bestimmt das MRK-System

Damit ist es eine der zentralen Aufgaben, zunächst die Anforderungen der Applikation genau zu definieren, um sich dann für ein passendes MRK-System zu entscheiden. Wobei die Auswahl vielfältig ist und ständig wächst.

Hilfreich können einige Fragestellungen sein:

  • Schnittstellen (z. B. zu Bildverarbeitung / Bussysteme) notwendig?
  • Muss der MRK-Roboter besondere sensitive/haptische Fähigkeiten haben?
  • Sind integrierte Messfähigkeiten gefragt, z. B. etwas über einen Druckpunkt zusammenfügen?
  • Stationäre / mobile Anwendung? Umgebungsbedingungen?
  • Kartesische sichere Räume notwendig, z. B. für einen hybriden Betrieb MRK/ nicht kollaborierenden Betrieb in sicheren Räumen?

Mensch Roboter Kollaboration, aber sicher

Werden die genannten Grundsätze berücksichtigt, lassen sich sichere MRK-Applikationen leicht umzusetzen. Es sind die bekannten Aspekte und Strategien der Maschinensicherheit anzuwenden. Durch den inhärent sicheren Charakter der MRK-Applikationen muss aber durchgängig und sorgfältig für die Sicherheit gearbeitet werden. Die Experten von EDAG-PS haben Erfahrungen aus vielen umgesetzten MRK-Applikationen. Von der Planung, Konzeption, Auswahl von Komponenten und speziellen Konstruktionen bis hin zur Sicherheitsvalidierungen von MRK-Applikationen.

* Ulrich Hochrein, Leiter Sicherheitstechnische Dienstleistungen, EDAG

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