sicherheit

In diesem Abschnitt finden Sie alle sicherheitsrelevanten Aspekte im Zusammenhang mit der Einrichtung von Mensch-Roboter-Kollaboration, von den Normen über Konzepte bis zur Risikobeurteilung

Auf dieser Seite werden die sicherheitsrelevanten Aspekte der Mensch-Roboter-Kollaboration behandelt. Das Ziel ist es hierbei vor allem einen Überblick über den Aufwand und die einzelnen Unterpunkte einer Sicherheitsabnahme zu geben. Die Sicherheit eines Produktes beziehungsweise einer Anwendung wird hierbei durch die CE-Kennzeichnung ausgedrückt. Diese Website dient primär zur Ergänzung bzw. Erläuterung der ausführlichen Vorlage zur CE-Zertifizierung in der Excel-Datei (kostenloser download per klick).

Diese Website basiert auf den Ausführungen von SafeMate.xlsx. Es wird daher empfohlen diese Datei zu verwenden.

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Alternativer Ablaufplan für die CE-Zertifizerung.

 

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Zur Erfüllung alle sicherheitstechnischen Vorgaben des Gesetzgebers, der Berufsgenossenschaft sowie des Betriebes, sollten diese Punkte unbedingt beachtet werden.

Grundlagen

Empfehlungen zur Gewährleistung der Sicherheit bei MRK

Die Zusammenarbeit von Menschen und Robotern setzt grundlegend eine Gewährleistung der Sicherheit und eine Vermeidung von Gefährdungen voraus. Dies sicherzustellen ist die Aufgabe von Herstellern, Entwicklern und Inverkehrbringern der technischen Lösungen. Dabei spielt die Art der Mensch-Roboter-Interaktion eine entscheidende Rolle. Aufbauend auf der klassischen Trennung der Arbeitsräume von Mensch und Roboter (Zelle) lassen sich vier weitere Formen mit steigendem Kollaborationsgrad differenzieren (Abbildung 1)

 

Von Koexistenz spricht man bei Wegfall von trennenden Schutzeinrichtungen, wie Schutzzäunen, bei gleichzeitigem Erhalt der Trennung beider Arbeitsräume. Mensch-Roboter-Arbeitsplätze mit gemeinsamem Arbeitsraum lassen sich wiederum in drei Kategorien unterteilen. Beim geringsten Kollaborationsgrad befinden sich Mensch und Roboter niemals gleichzeitig im gemeinsamen Arbeitsraum. Sie erledigen ihre Teilaufgaben „Synchronisiert“. Sowohl bei einer Kooperation als auch einer Kollaboration interagieren beide Systeme im gemeinsamen Arbeitsraum. Die Kollaboration setzt zusätzlich gleichzeitige Handhabungen am selben Bauteil voraus.  Mit steigendem Kollaborationsgrad steigen neben den Kosten auch die Sicherheitsanforderungen.

 

Um die notwendige Sicherheit zu gewährleisten, ist die Auseinandersetzung mit geltenden Richtlinien und Normen unerlässlich. Formal gelten für Robotersysteme jeder Art die Anforderungen der Maschinenrichtlinie (2006/42/EG). Damit regelt die EU ein einheitliches Recht für das Inverkehrbringen von Maschinen im europäischen Wirtschaftsraum. Maschinen müssen demnach mit einer EG Konformitätserklärung und einer CE Kennzeichnung ausgestattet sein, bevor sie in den europäischen Markt eingeführt werden. Da der Roboter selbst ohne bestimmungsgemäße Verwendung ausgeliefert wird, ist er als unvollständige Maschine definiert und trägt keine CE Kennzeichnung nach der Maschinenrichtlinie (MRL). Der Hersteller der vollständigen Maschine definiert die Roboterapplikation und trägt somit die Verantwortung für die Einhaltung der MRL.

 

Die EN ISO 12100 stellt die zu verwendende Terminologie und definiert die Gestaltungsgrundsätze für sichere Maschinen. Sie definiert den Rahmen und grundlegende Leitsätze zur Risikobeurteilung und unterstützt den Konstrukteur bei der Identifikation von grundlegenden Gefährdungen.  Die Risikobeurteilung bestimmt die sicherheitstechnischen Anforderungen an das Gesamtsystem und ermittelt Maßnahmen zu Risikominderung.

Normenpyramide für MRK-Anwendungen

Unabhängig vom Anwendungsfall ist im nächsten Schritt die allgemeine Sicherheit der Maschine oder des Fertigungssystems zu gewährleisten. Hierbei ist eine Vielzahl von Typ-B Normen zu beachten. Ein Auszug ist in Abbildung 2 zu sehen.

 

Bei der Einbindung von Industrierobotern in Maschinensysteme sind Sicherheitsanforderungen für integrierte Fertigungssysteme (IMS) gemäß EN ISO 11161 einzuhalten. Diese Norm gibt keine Hinweise zur inherenten Konstruktion und zu Schutzmaßnahmen von Einzelmaschinen. Diese werden in den jeweiligen spezifischen Normen behandelt. Im speziellen Anwendungsfall der MRK müssen sowohl „bestimmungsgemäße Verwendungen“ als auch „vorhersehbare Fehlanwendungen“ im Einflussbereich des Roboters hinsichtlich möglicher Gefährdungen betrachtet werden.  Diese werden derzeit in der ISO/TS 15066 definiert. Darüber hinaus sind die Sicherheitsanforderungen an Industrieroboter gemäß EN ISO 10218-1:2016 und EN ISO 10218:2016 zu erfüllen.

 

Die ISO/TS 15066 definiert den kollaborierenden Betrieb zwischen Mensch und Roboter in einem gemeinsamen Arbeitsraum (Kollaborationsraum) und legt die dafür notwendigen Rahmenbedingungen fest.


Sicherheitskonzept

Beeinflussende Faktoren für das Sicherheitskonzept

Das Anlagenlayout dient als Hilfe zur Visualisierung des Sicherheitskonzeptes. Mögliche Sicherheitsfunktionen können in dem, für den MRK-Einsatz modifizierte, Layout dargestellt und verdeutlicht werden.

 

Bei der nebenstehenden Abbildung wurden Beispielweise zwei Sicherheits- funktionen (Not-Aus und Begrenzungsebenen) in einem MRK-Layout dargestellt. Diese Sicherheitsfunktionen verhindern eine mögliche gefährliche Interaktion zwischen Roboter und Mensch.

 

In der SafeMate-Excelvorlage befindet sich unter dem Reiter „Sicherheitsanforderungen“ eine Checkliste aller relevanten Schritte des Sicherheitskonzeptes.

Allgemeines und Anlagenlayout

Das Sicherheitskonzept geschieht vor der Recherche relevanter Normen und Gesetzen, Beschreibung des Prozessablaufs, sowie der Risikobeurteilung. Hierbei ist das Ziel des Sicherheitskonzeptes die Gefährdungsreduzierung und Schadensminimierung von bestehenden Gefährdungen. Neben der Definition von Sicherheitsanforderungen und sicheren Zuständen müssen folgende Anlagedaten gesammelt werden:

  • Herstellerdaten
  • Maschinen- oder Anlagendaten
  • Benutzergruppen
  • Maschinenspezifikation
  • Arbeitsräume (Roboterraum, Kollaborationsraum)

Anlagenlayout


Risikobeurteilung

Die Risikobeurteilung besteht aus der Risikoanalyse und der Risikobewertung und ist in der EN ISO 12100 beschrieben. Zu der Risikoanalyse gehört die Aufgabe der „Identifizierung von Gefährdungen“, welche bereits in der EN ISO 10218-1 durchgeführt wurde. Diese Auflistung kann als Orientierungshilfe angesehen werden, jedoch sind für MRK-Anwendungen detailliertere Analysen notwendig. Beispielsweise legen MRK-Anwendungen einen besonderen Fokus auf die Ergonomie, damit einhergehend sollte dann der Bereich der Ergonomiegefährdung genauer bearbeitet werden.

 

Anschließend werden in der Risikobewertung, mit Rücksicht auf geltende Normen und Gesetze, die Sicherheitsziele festgelegt. Diese werden dann mit einem Performance-Level (PL) oder saftey-integrity-level (SIL), in Hinsicht auf die Eintrittswahrscheinlichkeit und des Schadensausmaß, bewertet.

 

In der SafeMate-Excelvorlage unter dem Reiter „Risikobeurteilung“ können anhand einer Dropdownliste die Risiken übersichtlich gesammelt und bewertet werden.

Beispielhafte Identifizierung von Gefährdungen

Risikobeurteilung nach EN ISO 12100


Sicherheitsspezifikation

Sicherheitsspezifikation Diagramm | Zum Vergrößern klicken 

Hierbei unterscheiden sich die Kollaborationsarten in der Art der Zusammenarbeit und die daraus resultierende Absicherung der einzelnen Gefahren.

Die im Sicherheitskonzept festgelegten Sicherheitsanforderungen werden in diesem Schritt eindeutig, in ihrer Art und Ausführung, festgelegt. Dabei muss jede/-s Sicherheitsanforderung /-ziel und die Maßnahmen, zum Erreichen der Ziele, eindeutig und qualitativ definiert werden. Diese Maßnahmen können anhand der Excelvorlage, sowie des linksstehnden Diagramms methodisch entwickelt werden.

In der  ISO TS 15066 werden verschiedene Kollaborations-Arten vorgestellt, welche mögliche Rahmen und Lösungen für das Sicherheitskonzept anbieten. Die MRK-Arten wären:

  • Sicherheitsbewerteter überwachter Halt
  • Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung
  • Handführung
  • Kraft- und Leistungsbegrenzung

Sicherheitsbewerteter überwachter Halt

[©Schunk]

Bei diesem Verfahren des sicherheitsbewerteten überwachten Halts handelt es sich um keine Kollaboration im eigentlichen Sinne.  Grund hierfür ist die Notwendigkeit die Roboterbewegung im Arbeitsbereich anzuhalten bevor ein Mensch Kollaborationsraum betreten kann. Die Interaktion geht somit einseitig vom Menschen aus. Durch eine geeignete Überwachung muss sichergestellt werden, dass der Roboter seine Bewegung erst nach dem Austritt des Menschen aus dem Kollaborationsraum fortsetzen kann. Befindet sich kein Mensch im Kollaborationsraum darf der Roboter auch nicht-kollaborativ arbeiten.

 

Der sicherheitsbewertete überwachter Halt bietet sich vor allem für Anwendung an, in denen die benötigten Prozesskräfte oder Geschwindigkeiten keine direkte Zusammenarbeit mit dem Menschen zulassen.

Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

[©Schunk]

Bei dieser Betriebsweise dürfen sich das Robotersystem und die Bedienperson gleichzeitig im Kollaborationsraum bewegen. Der Schutz des Menschen wird durch die permanente Gewährleistung eines Sicherheitsabstandes zwischen beiden Parteien erreicht. Der Sicherheitsabstand ist dabei abhängig von der Geschwindigkeit des Roboters. In der Praxis werden hierzu mehrere unterschiedlich große Raumkugeln um den Roboter definiert. Durch Sensoren wird das Eintreten des Menschen in die jeweilige Raumkugel festgestellt. Je näher die Raumkugel an der Basis des Roboters liegt, desto weiter muss die Geschwindigkeit des Roboters herabgestzt werden.  Befindet sich der Mensch in der innersten Raumkugel muss die Bewegung des Roboters vollständig gestoppt werden. Entfernt sich der Mitarbeiter vom Roboter kann die Geschwindigkeit wieder erhöht werden.

 

Die Geschwindigkeit- und Abstandsüberwachung kommt häufig bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen keine enge Zusammenarbeit mit dem Menschen benötigt wird. In Ergänzung mit einem kraft- und leistungsbegrenzten Roboter kann die Taktzeit bei Anwendungen mit unregelmäßiger Kollaboration gesteigert werden.


Handführung

[©Schunk]

Der Betriebsmodus Handführung bietet die Möglichkeit auch anspruchsvolle Kollaborationen mit erhöhtem Gefährdungspotential umzusetzen.  Durch die direkte Steuerung des Roboters durch den Menschen können unvorhergesehene Bewegungen des Roboters vermieden werden. Außerdem kann eine Quetschung von Gliedmaßen

Bei der Handführung wird die Sicherheit des Menschen durch eine direkte Steuerung des Roboters im gesamten Arbeitsbereich gewährleistet. Hierzu steuert der Mensch den Roboter ähnlich der Programmierart Playback durch Aufbringen eines Kraft am Endeffektor und führt so seine Aufgabe aus. Der Roboter verstärkt
dabei beispielsweise die vom Arbeiter aufgebrachte Kraft oder hält ein schweres
Bauteil fest, während er händisch in die gewünschte Position gebracht wird. Für
die Handführung benötigt der Roboter ein Handbediengerät am Endeffektor welches mit einem Not-Halt und einer Zustimmungseinrichtung ausgestattet ist. Die Zustimmungseinrichtung erhöht die Sicherheit, indem der Zustimmtaster während der Bedienung gedrückt und gehalten werden muss, um den Roboter in die gewünschte Richtung bewegen zu können (Haag 2015). Der Roboter wird während seiner Laufzeit in einer sicherheitsbewerteten überwachten Geschwindigkeit betrieben, die vorher durch die Risikobeurteilung festgelegt wird.

Bevor der Mensch den kollaborativen Arbeitsplatz betreten darf, muss der Roboter zu einem Sicherheitshalt kommen (ISO/TS 15066 2016).

Kraft- und Leistungsbegrenzung

[©Schunk]

Bei der Leistungs- und Kraftbegrenzung können Mensch und Roboter sehr nah
zusammenarbeiten (Huelke 2015). Es kann unbeabsichtigt oder beabsichtigt zu
physischem Kontakt kommen. Der geplante Kontakt ist Teil der Ausführung der
Aufgabe und der ungewollte Kontakt entsteht z.B. durch eine andere Bewegung als
für die sonst übliche Ausführung der Aufgabe, sowie durch Fehlermeldungen, die
zu Kollisionen führen können (DIN EN ISO 10218-1 2011).
Für die Leistungs- und Kraftbegrenzung werden speziell entwickelte Roboter eingesetzt.
Diese Roboter sind so entwickelt, dass deren Kräfte die Grenzwerte für
quasistatische und ausgleichende Kollisionen nicht überschreiten, welche vorher
in der Risikobeurteilung festgelegt wurden. Die Einhaltung der Grenzwerte wird
beispielweise über interne Sensorik (Kraft- und Momentensensoren) sichergestellt.
Zusätzlich findet eine Begrenzung der Endeffektorgeschwindigkeit des Roboters
statt. Die Geschwindigkeitsbegrenzung ist von der Masse und der Fläche
des Roboters abhängig, die mit dem ungeschützten Körper kollidieren kann (ISO/
TS 15066 2016). Allgemein liegt diese Geschwindigkeit unter 250 mm/s. Wenn es
aufgrund der engen Zusammenarbeit zu Kollisionen kommt, können Verletzungen
beim Menschen durch die Kraft- und Geschwindigkeitsbegrenzung vermieden
werden. Sollten die Grenzwerte bei der Kollisionskraft dennoch überschritten
werden, muss ein Sicherheitshalt des Roboters ausgeführt werden (DIN EN ISO
10218-1 2011).


Verifizierung

Die Verifizierung und Validierung der gewählten Schutzmaßnahmen kann mit verschiedensten Maßnahmen erfolgen. Folgende Möglichkeiten können nach EN ISO 10218-1 eine Validierung/Verifizierung erfüllen:

  • Sichtprüfung
  • Praktische Prüfungen
  • Messungen
  • Beobachtung während des Betriebs
  • Überprüfung von anwendungsspezifischen Schemata, Schaltplänen und Konstruktionsunterlagen
  • Überprüfung der aufgabenbasierten Risikobeurteilung
  • Überprüfung von Spezifikationen und Benutzerinformation

Zu beachten ist hierbei das nicht jede Validierungsmöglichkeit universal auf alle Schutzmaßnahmen angewandt werden kann.

 

Für eine einheitliche und übersichtliche Aufführung der verwendeten Validierungsverfahren und deren Ausführung ist unter dem Reiter "VuV" in der Excelvorlage eine entsprechende Tabelle vorhanden. In Kombination mit den vorherigen Ergänzungen unter dem Reiter "Maßnahmen" wird die Verifizierung vervollständigt.

Kraftbegrenzungsprüfung


Zertifizierung

vollständiger CE-Zertifizierungsablauf

Die Zertifizierung der Anwendung kann nach erfolgreicher Validierung durchgeführt werden. Einer der wichtigsten Schritte der CE-Zertifizierung ist hierbei die Ausstellung der Konformitätserklärung. Mit der Konformitätserklärung bescheinigt der Hersteller die Einhaltung aller verwendeten Normen und Gesetzten. Sowie die Einhaltung der geforderten Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen. Eine Vorlage der Konformitätserklärung befindet sich in der Excelvorlage Safemate.

 

Neben der Konformitätserklärung müssen noch folgende technische Unterlagen bereitgestellt und gesammelt werden:

  • eine allgemeine Beschreibung der Maschine
  • Erläuterungen zur Funktionsweise
  • die Betriebsanleitung
  • technische Zeichnungen
  • Schaltpläne
  • Dokumente zur Risikobeurteilung
  • Prüfberichte
  • die Zusammenstellung der angewandten Normen

Bei Erfüllung aller Vorgaben, durch den Gesetzgeber, kann die CE-Kennzeichnung an der Maschine angebracht werden. Es gilt diese sichtbar, leserlich und dauerhaft in unmittelbarer Nähe zum Typenschild anzubringen. Das Anbringen des CE-Kennzeichens wird als Abschluss der vollständigen CE-Zertifizierung verstanden.


KoMPI

Technische Universität Dortmund

Institut für Produktionssysteme

 

Ruhr-Universität Bochum

Lehrstuhl für Produktionssysteme

 

SafeMate

Leibniz Universität Hannover

Institut für Fabrikanlagen und Logistik

 

Leibniz Universität Hannover

Institut für Montagetechnik

 



Förderhinweis

Diese Forschungs- und Entwicklungsprojekte (KUKoMo 02P15A02x, KoMPI 02P15A06x, SafeMate 02P15A08x) wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.