Nähe braucht Sicherheit

Auf dem Weg zur sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration

Wenn sich Mensch und Assistenz-Roboter einen Arbeitsraum teilen, dann spielt das Thema Sicherheit eine zentrale Rolle – vor allem, da nun Kollisionen zwischen Mensch und Maschine erlaubt sind. Das bedeutet in der Praxis, dass jede Applikation eine eigene sicherheitstechnische Betrachtung erfordert. 

Um den Schutz des Werkers zu gewährleisten setzte man bislang auf eine strikte Trennung von Mensch und Maschine. Der Roboter sollte die menschliche Arbeitskraft ersetzen und blieb für die Erledigung seiner Aufgaben eingehaust in einer Zelle. Getrennte Arbeitsräume und keine unmittelbare Interaktion zwischen Mensch und Maschine: Diese Prinzipien blieben über Jahrzehnte unverändert. Den Vorstellungen, dass Mensch und Roboter eng zusammenarbeiten, erfüllten solche Roboterapplikationen nicht.

Anders bei der Assistenzrobotik: Statt einer Koexistenz steht hier die Kollaboration zwischen Mensch und Roboter im Mittelpunkt. Der Roboter verlässt dafür seinen Käfig. So werden die Stärken bzw. Vorteile der Maschine wie Zuverlässigkeit, Ausdauer und Wiederholgenauigkeit mit den Stärken des Menschen, also Geschicklichkeit, Flexibilität und Entscheidungsvermögen kombiniert. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen „klassischen“, umhausten Roboterapplikationen und Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK) ist, dass Kollisionen zwischen der „befreiten“ Maschine und dem Menschen ein reales Szenario sein können. Kollisionen dürfen ausdrücklich jedoch zu keinen Verletzungen führen.

Normative Grundlagen nun vorhanden

In der Praxis erwiesen sich die bestehenden Normen ISO 10218 „Safety of Industrial Robots“ Teil 1: „Robots“ und Teil 2: „Robot systems and integration“ aber als nicht ausreichend, um eine tatsächliche Kollaboration von Mensch und Maschine sicher umzusetzen, bei der sich die jeweiligen Arbeitsräume zeitlich und räumlich überschneiden können. Hier klaffte eine normative Lücke, die im letzten Frühjahr durch die Veröffentlichung der Technischen Spezifikation ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices - Collaborative industrial robots“ geschlossen werden konnte. Mit dieser Technischen Spezifikation können nach entsprechender Validierung sichere Mensch-Roboter-Kollaborationen umgesetzt werden.

In der ISO/TS15066 sind vier Kollaborationsarten als Schutzprinzipien genauer beschrieben:

  • Sicherheitsbewerteter überwachter Stillstand: Der Mensch hat nur Zugang zum stillstehenden Roboter („sicherheitsbewerteter überwachter Halt“). Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Handführung: Der Mensch hat nur Zugang zum stillstehenden Roboter, der Mensch aktiviert die Handführung und führt den Roboter manuell. Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung: Der Mensch hat während des Betriebs Zugang zum Kollaborationsraum, seine Sicherheit wird durch den Abstand zum Roboter gewährleistet. Ein sicherer Sensor überwacht ständig den Abstand zwischen Mensch und Roboter und passt die Geschwindigkeit des Roboters zum jeweiligen Abstand an. Ist der Abstand zu gering, wird ein Sicherheitshalt ausgelöst. Eine Kollision ist damit ausgeschlossen.
  • Leistungs- und Kraftbegrenzung: Hier hat der Mensch ebenfalls Zugang zum Kollaborationsraum, während der Roboter sich bewegt. Ein Kontakt zwischen Mensch und Roboter (beabsichtigt oder nicht) ist unter bestimmten Umständen möglich!

Bei der Umsetzung einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration kann der Systemintegrator eine oder eine Kombination aus diesen „Kollaborationsarten“ für seine Applikation auswählen. In der Praxis zeigt sich, dass durch eine Kombination von „Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung“ und einer „Leistungs- und Kraftbegrenzung“ die Dynamik der MRK-Applikation erhöht werden kann und somit die Wirtschaftlichkeit.

Roboter vs. Roboter-System

Normativ gesehen ist der Roboter an sich nur eine unvollständige Maschine; erst durch das für die jeweilige Applikation notwendige Werkzeug, wie etwa Greifer, erhält das Robotersystem einen bestimmten Zweck und muss als vollständige Maschine betrachtet werden. Der Integrator oder Anwender wird damit zum Hersteller der Maschine und ist für die CE-Kennzeichnung inklusive sicherheitstechnischer Überprüfung verantwortlich.

Am Anfang des CE-Prozesses steht die Risikobeurteilung. Zu den Inhalten zählen die Bestimmung der Grenzen der Maschine, die Ermittlung sämtlicher Gefahren innerhalb jeder Lebensphase der Maschine, die eigentliche Risikoeinschätzung und
-beurteilung sowie die empfohlene Herangehensweise zur Reduzierung des Risikos. Zusätzlich zu den Gefahren, die vom Roboter ausgehen, müssen die Bewegungen des Menschen berücksichtigt werden. Diese sind jedoch nicht immer kalkulierbar in Hinsicht auf Geschwindigkeit, Reflexe oder plötzlichen Zutritt zusätzlicher Personen.

Von der Risikobeurteilung bis zur Validierung

Auf Basis der Risikobeurteilung entsteht individuell das Sicherheitskonzept sowie die Systemintegration und letztlich die Validierung, in der die vorangegangenen Schritte nochmals reflektiert werden. Im Gegensatz zur Risikobeurteilung wird bei der Validierung jede Gefahrenstelle mit Schutzmaßnahmen betrachtet. Für die Validierung sind unterschiedliche Methoden anzuwenden, darunter optische Kontrollen, praktische Tests und Messungen. Insgesamt muss der Systemintegrator über 200 Punkte validieren.

Kollisionen können auf verschiedene Arten abgemildert werden: Durch konstruktive Maßnahmen wie Abrunden der Kanten und Ecken, Polsterungen oder möglichst große Kontaktflächen, um die Kraft auf der Fläche zu verteilen. Oder aber durch technische Schutzmaßnahmen (z.B. die Reduzierung der Dynamik der Roboterbewegungen sowie Anpassungen der Roboterbahn, um Kollisionen mit besonders sensiblen Köperregionen zu vermeiden). Auch Schulungen der Mitarbeiter können helfen, das Verletzungsrisiko zu verringern.

Letztlich jedoch 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 (z.B. am Kopf, an der Hand, am Arm oder am Bein) eine Angabe zu den jeweiligen Belastungsgrenzwerten (Schmerzschwellenwerte) mit Blick auf Kraft und Druck. Bleibt die Anwendung während der Kollision zwischen Mensch und Roboter innerhalb dieser Grenzen, so ist sie normenkonform.

Sicherheit ist messbar

Für diese spezielle Messung hat Pilz daher ein Kollisionsmessgerät entwickelt. Das mit Federn und entsprechenden Sensoren ausgestattete Gerät misst die auf den menschlichen Körper einwirkenden Kräfte exakt und vergleicht sie mit den Grenzwerten. Das Messgerät wird dafür an den bei der Risikobeurteilung ermittelten Positionen installiert, zwischen Roboterarm und einem unnachgiebigen Untergrund. Per Mausklick wird die Messung gestartet, die gewonnen Daten anschließend verarbeitet sowie dokumentiert. Der höchste Wert, also „worst case“, wird für die Validierung herangezogen. Wenn die Grenzwerte der TS überschritten werden, muss die Dynamik des Roboters reduziert werden oder zusätzliche Sicherheits-Maßnahmen wie z.B. Lichtgitter oder eine trennende Schutzeinrichtung installiert werden.

Den einen sicheren Assistenz-Roboter, der alle möglichen Anwendungsfälle mit Blick auf die Sicherheit abdeckt, gibt es (zumindest bislang) nicht. Die Anforderungen an die Sicherheitstechnik hängen daher stets von der jeweiligen Applikation ab. Erst in der Gesamtbetrachtung von Roboter, Werkzeug und Werkstück sowie dazugehörigen Maschinen wie etwa Fördertechnik entstehen sichere Roboter-Applikationen.


Pilz unterstützt bei der Umsetzung von sicheren MRK-Applikationen mit einem auf die einzelnen Lebensphasen eines Roboter-Systems abgestimmten Dienstleistungsportfolio. Speziell für die Validierung gemäß ISO/TS 15066 bietet Pilz ein komplettes Mess-Set an.


Der Autor

Jochen Vetter, Manager Consulting Services, Pilz GmbH & Co. KG, Ostfildern