Mensch-Roboter-Kollaboration – Robotik von morgen

Es kursieren viele Szenarien von der Zukunft mit Robotern in der Öffentlichkeit. Manche sehen Roboter als menschenähnliche Unsympathen, die uns die Arbeit wegnehmen, viele aber sind fasziniert und träumen von einer Zukunft mit Robotern.

Bei KUKA gibt es eine ganz klare Sicht: Der Roboter soll dem Menschen dienen und nicht umgekehrt. Roboter können den Menschen bei seiner Arbeit unterstützen und ihm unangenehme, wie zum Beispiel unergonomische Tätigkeiten abnehmen. Der Mensch soll bevorzugt Tätigkeiten durchführen, die menschliche Stärken wie Lernfähigkeit, Nutzen von Erfahrung, sinnliche Wahrnehmung, Kreativität, Improvisation etc. bedürfen. Ein Roboter kann diese menschlichen Stärken mit Kraft, Wiederholgenauigkeit, Geschwindigkeit und Qualität ergänzen. Wir alle nutzen im Alltag  Smartphones oder PCs und kein Buchhalter addiert mehr Zahlenkolonnen mit der Hand, auch er nutzt Maschinen.

Wenn wir bei KUKA von Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) sprechen, dann geht es aber auch um Verantwortung. Der Mensch steht klar im Vordergrund, der Roboter soll dem Menschen helfen, auf keinen Fall darf er ihn gefährden. Damit müssen Roboter neue Anforderungen in puncto Sicherheit erfüllen. Es gibt hier sicher unterschiedliche Wege, mit solchen Anforderungen umzugehen. Bei KUKA unterscheiden wir hier nach Sicherheitsfunktionen, die den Menschen beim Umgang mit dem Roboter schützen und Funktionen, die den Roboter selbst sicher machen.

Wie sicher ist die Umgebung, in der sich der Roboter befindet? Welche Werkzeuge nutzt er? Mit diesen Fragen beschäftigen wir uns darüber hinaus. Hier sind wir der Auffassung, dass wir die Verantwortung für die Sicherheit eines Robotersystems nicht nur den Integratoren oder Betreibern – unseren Kunden – überlassen können.

Wir sind erst zufrieden, wenn der Roboter in seiner speziellen Anwendung sicher ist. Wir fragen uns, wie nah der Mensch dem Roboter kommt. Denn bei großzügiger Interpretation sind fast alle Roboter irgendwie MRK-fähig. Unterschieden werden vier Varianten:

  • Der Roboter hält an, wenn die Schutztür zum Roboter geöffnet wird. Hier braucht man nur einen sicheren Eingang (gegebenenfalls ein Sicherheitsrelais), der den Roboter beim Betreten stillsetzt.
  • Soll der Roboter mit der Hand geführt werden können, wird neben dem sicheren Eingang ein dreistufiger Zustimmtaster, sowie eine sichere Geschwindigkeits-überwachung benötigt. (Bei manchen Anwendungen auch eine sichere Orientierungsüberwachung).
  • Wenn man über einen sicheren Sensor den Aufenthaltsort des Menschen (eben sicher) bestimmen kann, ist es erlaubt, die Robotergeschwindigkeit abhängig vom Abstand des Menschen zum Roboter so herunterzufahren, dass der Roboter immer steht, wenn der Mensch ihn erreicht. Hierzu braucht der Roboter die Sicherheitsfunktionen „sichere Geschwindigkeitsüberwachung“ und einen sicheren Eingang für den Nothalt-Taster. Alle bisherigen MRK-Robotersysteme beruhen auf der Kollisionsvermeidung.
  • Die Königsdisziplin und die eigentliche Mensch-Maschine-Kollaboration ist die Kollisionsbeherrschung („Leistungs- und Kraftbegrenzung“). Hier kann der Roboter mit dem Menschen interagieren, der Mensch kann den Roboter berühren, führen und mit ihm gegebenenfalls sogar zusammenstoßen. Über Funktionen wie sichere Kollisionserkennung oder sichere Kraftüberwachung muss nun gewährleistet werden, dass im Kollisionsfall Kräfte und Drücken in allen Betriebssituationen unterhalb definierter ungefährlicher Grenzwerte bleiben. Kurz gesagt, dass der Roboter den Menschen nicht verletzt.

Ist die Verwendungsart des Roboters geklärt, muss man sich überlegen, ob der Roboter die notwendigen Sicherheitsfunktionen bietet. Bei KUKA sind das beispielsweise folgende:

  • Sichere Kollisionserkennung
  • Sichere Kraftüberwachung
  • Sichere Arbeits- und Schutzräume
  • Sichere Positionsüberwachung
  • Sichere Geschwindigkeitsüberwachung
  • Sichere Ein- und Ausgänge
  • Sichere Werkzeugerkennung
  • Sichere Orientierungsüberwachung
  • Sicheres Umschalten von Zuständen, um in einer Anwendung zwischen Sicherheitsstrategien hin- und herschalten zu können

Des Weiteren hat KUKA diese Sicherheitsfunktionen nach DIN EN ISO 13849 PLd Kat3 und DIN EN 62061: SIL 2 zertifizieren lassen.  Die Sicherheitsfunktionen setzen sich aus Teilkomponenten zusammen, wie Sensor, Auswerteelektronik, Kommunikation und Steuerung. Alle Komponenten tragen zur Sicherheitsfunktion bei und sollten ihrerseits alle zertifiziert sein.

Nun geht es im nächsten Schritt darum, den Roboter in seinem Arbeitsraum sicher zu gestalten. Sind die Sicherheitsfunktionen wie z.B. Kollisionserkennung oder Kraftüberwachung im gesamten Arbeitsraum des Roboters wirksam? Wie geht man damit um, wenn die Messgenauigkeit an bestimmten Stellen des Arbeitsraumes und an bestimmten Stellen der Roboterstruktur eingeschränkt oder nicht vorhanden sein sollte? Ist dann die Sicherheit immer noch gewährleistet?

Danach  geht es um die Genauigkeit der Kraftmessung in sicherer Technik. Wenn beispielsweise ein Kraftlimit von 120N vorgegeben ist, dann reicht es nicht, wenn der Roboter nur mit einer Genauigkeit von 130N sicher messen kann. Misst er auf 110N genau, dann dürfte der Roboter nur noch mit 10N drücken, was die Anwendungsbreite einschränken würde.

Auch die Belastbarkeit eines Roboters will geprüft sein. Sensitive, sichere Roboter sind mit Messtechnik ausgerüstet, dennoch müssen sie robust sein. Daher ist es wichtig zu wissen, welche Dauerlauferfahrung mit einem Roboter bestehen und wie getestet wurde, im Leerlauf, Teillast oder Volllast.

Zu guter Letzt muss er bei KUKA auch in den Crash-Test. Denn wie sonst sollten wir wissen, ob unsere Roboter auch nach einer Überlast oder einem Crash noch sicher sind. Steht bei der Mensch-Roboter-Kollaboration, wie eingangs beschrieben, der Mensch im Vordergrund, müssen diese Fragen spätestens bei der Risikoanalyse einer Anwendung beantwortet werden. Bietet der Roboter zertifizierte Sicherheitsfunktionen an, fällt dies natürlich viel leichter und die Sicherheit der Anwendung kann ebenfalls viel einfacher mit dem von der Maschinenrichtlinie geforderten CE-Zeichen bestätigt werden. Ein unsachgemäß vergebenes CE-Zeichen birgt im Schadensfall viele – auch persönliche – Haftungsrisiken.

Um die einleitende Frage zu beantworten: Der Roboter ist eine Maschine und der Mensch hat die Verantwortung für ihre Sicherheit. Vor einer gut abgesicherten Mensch-Maschine-Kollaboration braucht niemand Angst zu haben.

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