MRK Applikationen optimiert und nachweislich sicher

Für Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ergeben sich hinsichtlich des Arbeitsschutzes völlig neue Anforderungen an das Robotersystem. Kollisionsprävention und –erkennung, Drehmomentüberwachung und Kraftbegrenzung müssen nun ein Schutzniveau erreichen wie zuvor die trennenden Schutzzäune. Intensive Studien waren nötig, um Sicherheits- und Prüfanforderungen zu definieren, nach deren Erfüllung MRK-Arbeitsplätze arbeitsschutzrechtlich zulässig werden.

Auf Grundlage dieser Daten lässt sich eine Abschätzung der möglichen Bewegungsgeschwindigkeit der Roboter erstellen, welche das Planen von MRK Anwendungen erleichtert. Der Nachweis über die Einhaltung der Grenzwerte erfolgt mit einer Messung des Spitzendrucks und der Kraft für jeden möglichen Kollisionspunkt.

Speziell die Einhaltung des Spitzendrucks stellt den Planer hierbei immer wieder vor eine Herausforderung. Für eine Beurteilung der MRK Anwendung muss die gesamte Kontaktfläche betrachtet werden insbesondere die Kanten und Ecken des bewegten Systems (Roboter, Greifer und Werkstück).

Der Zusammenhang zwischen Druck und Kraft ist gegeben durch

mit:

  • ρ: Druck
  • dF_n: Normalkraft
  • dA: die Fläche, auf die die Kraft einwirkt

Da sich die Kraft nicht homogen über die gesamte Fläche verteilt, kann infolgedessen für den Kontakt zwischen Mensch und Roboter der Druck nicht einfach aus der Kraft und der Fläche berechnet werden kann. In Abbildung 1 ist eine Druckverteilung einer Kollision einer Zylinder Stirnseite mit Radius 125 mm (Fläche: 4,9 cm²) zu sehen. Der Spitzendruck lag aufgrund der scharfen Kanten bei 254 N/cm²; die gemessene Maximalkraft lediglich bei 187 N. Bei einer homogenen Kraftverteilung über die gesamte Zylinder Stirnseite würde sich rechnerisch ein Druck von: 38 N/cm² ergeben.

Abbildung 1: Druckverteilung einer Kollision einer Zylinder Stirnseite mit Radius:  125mm mit einer maximalen Stoßkraft von 187 N.

Für die Optimierung dieser Anordnung wäre es möglich die Kanten der Zylinderstirnseite schrittweise weiter abzurunden oder eine dämpfende Schutzschicht aufzubringen und die Messung zu wiederholen.

Sowohl für den quasi statischen als auch den transienten Kontakt sind einzuhaltende Grenzwerte für Kraft und Druck vorgeschrieben. Gemessen werden die statischen und transienten Kontakte mittels einem statisch fixiertem Messsystem um ein reproduzierbares, belastbares Ergebnis zu erzeugen. Für jeden Kollisionspunkt obliegt es dem Prüfer zu urteilen, ob eine Klemmung des kollaborierenden Menschen eintreten kann. Für die Interpretation der Messresultate müssen für eine Klemmsituation die Grenzwerte des quasi statischen Bereichs beachtet werden, für eine freie Kollision zwischen Roboter und Menschen können die Grenzwerte des transienten Kontaktes verwendet werden.

Neben den Grenzwerten ist in der ISO/TS15066 sowie in der DGUV Information: Kollaborierende Robotersysteme Planung von Anlagen mit der Funktion „Leistungs- und Kraftbegrenzung“ skizziert, den Aufbau eines biofidelen Messsystems für Kraft und Druck. Ein solches Sensorsystems ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Krafteinkopplung auf den Kraftsensor erfolgt nicht direkt sondern mittels einer Feder wechselbaren Feder.

Abbildung 2: Aufbau eines biofidelen Messsystems. Die Krafteinkopplung erfolgt über  eine zwischen Druckplatte und Kraftsensor montierte Feder

Spezifisch für jede Körperlokalisation sind in der ISO/TS 15066 eigene Federkonstanten definiert, um den jeweiligen Bereich simulieren zu können. Für Finger / Hand Bereich wird eine Feder mit 75 N/mm genutzt während für den Bauch eine 10 N/mm Feder verwendet werden kann. Der Vorteil der weicheren Federn liegt in einer geringeren Kraft, die durch den Nachlauf des Roboters nach Ansprechen der Sicherheitseinrichtungen verursacht wird. In einer Beispielhaften Anwendung wurde eine Kollision einer linearen Bewegung zwischen einem Roboter und einem Messsystem mit 75 und 10 N/mm Federn gemessen. Bei Einsatz der 75 N/mm Feder wurden 155 N als Klemmkraft ermittelt, bei Verwendung der 10 N/mm Feder ergab sich eine Klemmkraft von 42 N.

Können Finger und Hand in der gegeben Situation nicht ausgeschlossen werden, müssen wie in der TS 15066 vorschrieben, Messungen mit einer 75 N/mm Feder durchgeführt werden. Um die Klemmkraft unter den geforderten Grenzwert von 140 N (TS 15066 Feb. 2016) zu senken, kann zum Beispiel die Fahrgeschwindigkeit des Roboters im Gefahrenbereich reduziert werden. Für eine solche Optimierung ist es sinnvoll die Geschwindigkeit schrittweise zu reduzieren und die Messung zu wiederholen und die Ergebnisse im Anschluss auszuwerten.

Autor des Artikels

Dr. Daniel Meixner
Research & Development
GTE Industrieelektronik, Viersen