GREIFSYSTEME FÜR DIE MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION (MRK) – SAFETY FIRST

Damit Mensch und Roboter ohne trennenden Schutzzaun in gemeinsamen Arbeitsräumen im Einklang arbeiten können, müssen hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Kurz gesagt: Es darf zu keinen für Mensch und Maschine schadhaften Kollisionen kommen.

Als Hersteller MRK-zertifizierter Greifsystemkomponenten hat sich SCHUNK bewusst für eine frühzeitige Berücksichtigung relevanter Arbeitsschutzaspekte entschieden. Auf diese Weise können Sicherheitsaspekte von Beginn an in neue Greifsysteme einfließen. Das verkürzt den Entwicklungsprozess bei Standardkomponenten, senkt die Kosten und beschleunigt anwendungsspezifische MRK-Projekte.

„Vor allem die Validierung von MRK-Applikationen stellt in der Praxis eine Herausforderung dar“, berichtet SCHUNK-Entwicklungschef Prof. Dr. Markus Glück. Auf Anwenderseite ließe sich häufig eine erhebliche Verunsicherung darüber feststellen, wie die arbeitsschutztechnischen Anforderungen der Richtlinien und Normen konkret umzusetzen seien. „Damit Mensch und Roboter sicher zusammenarbeiten, ist nicht nur ein umfassendes Verständnis der Roboteranwendung erforderlich, sondern auch Fachwissen zur Risikobewertung“, unterstreicht Glück. Da keine MRK-Applikation der anderen gleiche, sei stets eine individuelle Risikobeurteilung erforderlich. „Insbesondere Kraft, Geschwindigkeit, Bewegungsbahnen des Roboters und das Werkstück inklusive Werkstückträger stellen Gefahren für den Werker dar.“ Diese müssten entweder durch die Nutzung inhärenter Schutzmaßnahmen oder gegebenenfalls durch die Anwendung zusätzlicher Maßnahmen zur Risikominderung beschränkt werden, hebt der Geschäftsführer für Forschung & Entwicklung hervor. „Unser Ziel ist es, Roboterherstellern, Integratoren und Anlagenbauern ausgereifte und unabhängig geprüfte Komponenten zur Verfügung zu stellen, mit denen sie kollaborative Szenarien vergleichsweise schnell realisieren und zertifizieren lassen können.“

Zertifizierte Co-act Baureihe

Wie dies konkret aussieht, wird bei der für kollaborative Anwendungen zertifizierten Baureihe Co-act EGP-C deutlich: Das vier Baugrößen umfassende Greiferportfolio ist für einfache Handhabungsaufgaben konzipiert und kann auf nahezu allen gängigen Leichtbaurobotern im Sinne eines intuitiven „Plug & Work“ eingebaut werden. „In zwischenzeitlich über 400 Produktinstallationen bei Kunden und Partnern hat der Co-act EGP-C seinen Reifegrad auf eindrucksvolle Weise unter Beweis gestellt“, berichtet Markus Glück. Die am Finger wirkende Greifkraft des inhärent sicher ausgeführten Greifers ist auf einen Maximalwert von 140 N sicher begrenzt. Leistungsfähige Programmierbausteine und Plugins vereinfachen die Installation. Standardisierte Aufsatzfinger mit universell nutzbaren Wechseleinsätzen erleichtern Newcomern zusätzlich den Einstieg in die Welt der kollaborativen Robotik. „Wo Mensch und Roboter sich einen Arbeitsraum teilen, müssen Kanten abgerundet sein, damit sich ein Mensch nicht schneiden kann, wenn der Greifer vorbeistreift oder aktiv gegen den Menschen drückt“, betont Markus Glück. „Ebenso muss das Einklemmen von Fingergliedmaßen und Haut vermieden werden.“ Vertrauensstiftend sei zudem die klare Visualisierung der aktuellen Betriebssituation über farbige LED.

Abstimmungen während der Produktentwicklung

Noch einen Schritt weiter geht SCHUNK beim Co-act EGL-C. Erstmals überhaupt ist es bei dem Kraftpaket gelungen, einen Greifer für kollaborative Anwendungen zu realisieren, bei dem die am Finger wirkende Greifkraft die gesundheitsunschädliche 140-N-Grenze überschreitet. Wie beim kollaborativen Kleinteilegreifer SCHUNK Co-act EGP-C hat SCHUNK auch beim Co-act EGL-C großen Wert auf die Begleitung des Produktentstehungsprozesses durch die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) gelegt. Diese Zusammenarbeit ermöglichte einen frühzeitigen Austausch und eine effiziente Überwachung und Einhaltung der Normen. Zudem konnten Erfahrungen gesammelt werden, wie sich eine sicherheitstechnische Bewertung und Zertifizierung nutzerfreundlich gestalten lassen, ohne qualitative Abstriche in puncto Sicherheit zu machen. „Das Sicherheitskonzept dieses Greifers ist überaus anspruchsvoll“, erläutert Markus Glück. „Über eine frühzeitige Abstimmung bereits während der Entwicklung des Greifers konnten wir sicherstellen, dass bei der Sicherheitselektronik, der sicheren Steuerungstechnik und dem Sicherheitskonzept insgesamt von Beginn an ein besonderes Augenmerk auf die Einhaltung der Normen und einschlägigen gesetzlichen Vorschriften gelegt wurde“, hebt Glück hervor.

Greifen in drei Phasen

Eine eigens von SCHUNK entwickelte und zum Patent angemeldete Sicherheitsintelligenz unterteilt den Greifprozess beim Co-act EGL-C in einzelne Phasen: Solange die Gefahr besteht, dass menschliche Hände oder Finger eingeklemmt werden, limitiert die integrierte Logik die Greifkraft auf harmlose 30 N. Erst ab einer Werkstückdistanz < 4 mm, wenn also kein Einklemmen mehr möglich ist, fahren die Greiffinger mit der frei definierbaren Greifkraft von maximal bis zu 450 N zu. Misst das System in dieser Schließphase eine Nachgiebigkeit, weil etwa ein zu kleines Werkstück gegriffen wird, das der Bediener gerade per Hand entfernen will, stoppt auch diese Bewegung automatisch. Gleiches gilt, wenn die erwarteten Werkstückmaße um 2 mm überschritten werden, da beispielsweise kein Teil vorhanden ist. In der dritten Phase schließlich detektiert der Greifer, ob das Werkstück sicher gegriffen ist und verspannt die Bremse. Damit erfüllt der SCHUNK EGL-C die Anforderungen an eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration und gewährleistet, dass gegriffene Teile, die im Kraftschluss bis zu 2,25 kg auf die Waage bringen dürfen, auch bei einer Not-Aus-Situation und einer damit verbundenen Vollbremsung nicht verloren gehen. Im Formschluss sind sogar bis zu 8 kg möglich.

Modulares Sicherheitskonzept als Ziel

Dennoch bleiben in puncto Zertifizierung noch Wünsche offen: „Damit die MRK ihr volles Potenzial entfalten kann, bedarf es einer Lösung, mit der sowohl Integratoren als auch Betreiber in die Lage versetzt werden, kollaborative Prozesse eigenständig und mit verhältnismäßigem Aufwand selbst realisieren zu können. Und zwar inklusive der arbeitsschutztechnischen Validierung“, unterstreicht Markus Glück. Modulare Sicherheitskonzepte, wie sie SCHUNK vorschlägt und mit seinem Angebot an zertifizierten Greifern verfolgt, können Nutzern Orientierung geben und vereinfachen die arbeitsschutztechnische Validierung im Einzelfall enorm. „Wenn sich Anwender bei der Konzeption eines Mensch-Roboter-Arbeitsplatzes auf zertifizierte Komponenten stützen könnten, lässt sich die Einführung der Mensch-Roboter-Kollaboration im betrieblichen Produktionsalltag deutlich beschleunigen“, so Glück.

Auch die MRK-Normenlandschaft wird sich seiner Ansicht nach noch weiterentwickeln. So sei beispielsweise die ISO/TS 15066 als technische Spezifikation spätestens nach vier Jahren zu überarbeiten. „Daher ist es wichtig, dass Roboterhersteller, Anbieter von Greifwerkzeugen und Endeffektoren sowie Integratoren gemeinsam mit Prüfstellen wie der DGUV aktiv an der weiteren Ausgestaltung der Normen wirken“, unterstreicht Glück. „Sicherheitsaspekte müssen hierbei kompromisslos Vorfahrt genießen. Gleichwohl wird deren Akzeptanz verbessert, wenn es gelingt, die Themen Sicherheit und Vereinfachung bei Installation und Zertifizierung in Einklang zu bringen.“

Infokasten

Richtlinien und Normen zur Mensch-Roboter-Kollaboration

Die gesetzlichen Anforderungen an kollaborative Szenarien beschreibt zunächst die EG-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG-Anhang 1: Der Hersteller einer Maschine oder sein Bevollmächtigter haben dafür zu sorgen, dass eine Risikobeurteilung vorgenommen wird, um die für die Maschine geltenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen zu ermitteln. Bei der Risikobewertung muss auch das nahe Umfeld der Applikationen in die Analyse einbezogen werden. Alle eventuell möglichen schadhaften Kollisionen, auch ein Einklemmen von Gliedmaßen, Arbeitshandschuhen oder ein Stolpern des Werkers sind wirkungsvoll abzusichern. Normative Grundlagen für die funktionale Sicherheit von MRK-Anwendungen wiederum sind allgemeine Normen wie die IEC 61508, die IEC 62061 sowie die ISO 13849-1 und -2. Darüber hinaus sind die ISO 10218-1 und -2 zur Sicherheit von Industrierobotern zu berücksichtigen. In der Technischen Spezifikation ISO/TS 15066:2017 04 wiederum sind speziell die für Roboter im Kollaborationsbetrieb und Robotikgeräte wesentlichen Einsatzanforderungen festgelegt. Diese „MRK-Norm“ beschreibt zum einen Einsatzhinweise für vier Kollaborationsarten und erläutert im Detail die erforderlichen Schutzprinzipien. Zum anderen enthält sie detaillierte Angaben über einzuhaltende Schmerzschwellen für die jeweiligen Körperregionen.

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