Cobots, kollaborative Roboter, Mensch-Roboter-Kollaboration

Kollaborative Roboter oder Cobots müssen so sicher sein, dass sie Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten können. - Bild: Audi

1. Handführung

Das manuelle Führen eines Roboters ist zum Beispiel durch einen Joystick oder einen Kraft-Momentensensor möglich.

Wie das Fraunhofer IFF mitteilt, muss bei dieser Betriebsart eine Einrichtung zum Stillsetzen im Notfall nahe am Endeffektor vorhanden sein. Die Zustimmungseinrichtung muss weiterhin speziellen Sicherheitsanforderungen genügen. Der Roboter darf sich nur in einer sicherheitsbewerteten überwachten Geschwindigkeit bewegen gemäß Performance Level d (PL d). Die maximale Geschwindigkeit ist in der Risikobeurteilung festzulegen.

Die Betriebsart ist geeignet für die sogenannte ‚Kollaboration‘, bei der Mensch und Roboter sich einen Arbeitsraum teilen, gleichzeitig arbeiten und physischer Kontakt zwischen Mensch und Roboter besteht.

2. Sicherheitsbewerteter überwachter Halt

Bei dieser Betriebsart muss der Roboter bei Personenzutritt in den Kollaborationsraum sicher anhalten.

Koexistenz, Mensch-Roboter-Kollaboration
Koexistenz: Mensch und Roboter teilen sich einen Arbeitsraum, arbeiten aber nicht gleichzeitig dort. - Bild: Fraunhofer IFF

Alternativ ist laut Fraunhofer IFF auch eine Geschwindigkeitsreduzierung mit anschließendem Stopp der Kategorie 2 mit sicherer Überwachung möglich. Ein automatischer Wiederanlauf des Roboters ist erlaubt, wenn die Person den Arbeitsraum verlässt.

Die Betriebsart ist geeignet für die sogenannte ‚Koexistenz‘ von Mensch und Roboter, bei der zwar kein Schutzzaun nötig ist, Mensch und Roboter sich aber keinen Arbeitsraum teilen. Gleichzeitig kann die Betriebsart auch für eine ‚sequenzielle Kooperation‘ zwischen Mensch und Roboter genutzt werden, bei der sich Mensch und Roboter zwar einen Arbeitsraum teilen, dort aber nicht gleichzeitig arbeiten.

3. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

Wie das Fraunhofer IFF mitteilt, darf sich der Kollaborierende bei dieser Betriebsart nur in sicherer Robotergeschwindigkeit entsprechend PL d mit festgelegtem Mindestabstand zu Personen (gemäß ISO/TS 15066) bewegen.

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Der Roboter muss seine Geschwindigkeit reduzieren, sobald sich eine Person annnähert. Es gibt also keinen physischen Kontakt zwischen Mensch und Roboter. - Bild: Fraunhofer IFF

Die Geschwindigkeit des Roboters muss sich bei Annäherung einer Person reduzieren. Im Falle der Verletzung des Mindestabstandes zwischen Roboter und sich nähernder Person muss der Roboter sicher anhalten. Dazu ist ein Personenerkennungssystem gemäß PL d notwendig.

Die Betriebsart ist sowohl für eine ‚Koexistenz‘ als auch eine ‚sequenzielle Kooperation‘ zwischen Mensch und Roboter geeignet (Erklärungen dazu siehe Punkt 2). Darüber hinaus kann die Betriebsart auch für eine ‚parallele Kooperation‘ genutzt werden, bei der sich Mensch und Roboter einen Arbeitsraum teilen, dort auch gleichzeitig arbeiten, jedoch kein physischer Kontakt zwischen Mensch und Roboter besteht.

4. Leistungs- und Kraftbegrenzung

Bei dieser Betriebsart gilt es, eine sensorische, mechanische und/oder elektronische Begrenzung von Kraft beziehungsweise Druck bei der Kollision zwischen Mensch und Roboter sicherzustellen.

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Eine sensorische, mechanische und/oder elektronische Begrenzung von Kraft bei der Kollision von Mensch und Roboter muss sichergestellt werden. - Bild: Fraunhofer IFF

Das Ganze muss laut Fraunhofer IFF in sicherer Technik  nach PL d ausgeführt sein. Anzuwenden ist dabei der sogenannte ‚Kräfteatlas‘ aus der ISO/TS15066 sowie die ISO 10218-2. Die Festlegung der Grenzwerte geschieht gemäß Risikobeurteilung, Benutzerinformation.

In dieser Betriebsart lassen sich alle Formen der Mensch-Roboter-Kooperation realisieren. Dazu gehören ‚Koexistenz‘, ‚sequenzielle Kooperation‘, ‚parallele Kooperation‘ sowie ‚Kollaboration‘.

 

 

Im Februar 2016 hat die ISO die lange erwartete ‚Technical Specification‘ TS 15066 veröffentlicht. Sie regelt erstmals den zulässigen Schmerz bei einer Kollision zwischen Mensch und kollaborierendem Roboter. In der Norm enthalten sind 29 verschiedene Körperstellen (siehe rote Punkte auf dem Bild) und die zugehörigen Schmerzeintrittsgrenzen bei einer Kollision mit kollaborierenden Robotern.

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Zulässiger Schmerz bei einer Kollision zwischen Mensch und kollaborierendem Roboter. - Bild: Fraunhofer IFF.

Diese sogenannten biomechanischen Grenzwerte basieren auf einer Literaturstudie des IFA (Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung) aus dem Jahr 2009 sowie Untersuchungen an der Uni Mainz. Hier diente ein Stößel, der langsam in die Haut des Menschen eindringt, als Schmerzalgometer. Die Probanden der Uni Mainz konnten dabei per Tastendruck entscheiden, ab wann sie Schmerz empfinden. Es handelt sich somit um einen quasistatischen Schmerz. Zu den 29 in der Norm verankerten Werten gehören:

  • Stirnmitte: 130 N/cm2
  • Schläfe: 110 N/cm2
  • Schultergelenk: 160 N/cm2
  • Handinnenfläche: 260 N/cm2
  • Zeigefingerbeere d: 300 N/cm2
  • Wadenmuskel: 210 N/m2
  • Bauchmuskel: 140 N/m2

Dabei handelt es sich um die Spitzendrücke bei Schmerzeintritt [N/m2].

Was auch in der ISO/TS 15066 weiterhin fehlt, sind belastbare Grenzwerte für den transienten – sprich dynamischen – Kontakt mit einem kollaborierenden Roboter. Laut Norm gilt für eine dynamische Kollision der Faktor 2. Die 29 biomechanischen Grenzwerte sind somit bei dynamischer Belastung doppelt so hoch wie bei quasistatischem Kontakt. „Das ist alles noch recht unpräzise und aus meiner Sicht nicht ausreichend“, teilte ein Roboterexperte ‚Produktion‘ gegenüber mit.

Momentan führt daher das Fraunhofer IFF in Magdeburg Untersuchungen mit Probanden durch, um die dynamische Belastung einer Kollision zwischen Mensch und Roboter zu bestimmen. Die Ergebnisse sollen Mitte des Jahres in die ‚Technical Specification‘ einfließen.

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