Kollaborierende Roboter. Aspekte der Arbeitssicherheit auf dem Weg zur Vollautomatisierten Produktion

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ... 4
Abkürzungsverzeichnis ... 6
Abbildungsverzeichnis ... 8
Abstract ... 9

1. Einleitung ... 11
1.1 Produktion im Wandel ... 11
1.2 Bedeutung und Herausforderungen von Mensch-Maschine-Systemen ... 12

2. Stand der Technik ... 18
2.1 Richtlinien, Normen und Vorschriften für kollaborierende Systeme ... 18
2.2 Sensoren als Schlüssel zur Zusammenarbeit ... 23
2.3 Bisherige Anwendungsfelder ... 28

3. Forschungsbedarf ... 30
3.1 Grundlegend zu beantwortende Fragestellungen ... 30
3.2 Bedenken und Wünsche von Anwendern ... 38
3.3 Lücken in der bisherigen Forschung und Entwicklung ... 41

4. Gestensteuerung zur MRK ... 43
4.1 Mögliche Einsatzgebiete und Vorteile der Gestensteuerung ... 44
4.2 Analyse der bisherigen Anwendungsfelder auf Übertragbarkeit zur MRK ... 46
4.3 Einflussfaktoren auf die Steuerung durch Gesten ... 56
4.3.1 Technik ... 57
4.3.2 Mensch ... 62
4.3.3 Umgebung ... 69
4.4 Safety vs. Usability ... 71
4.5 Gesten Vokabular – geeignete Gesten für den kollaborierenden Betrieb ... 73

5. Zusammenfassung / Weiteres Vorgehen ... 76
5.1 Durchzuführende Schritte im Projekt ... 76
5.2 Resümee ... 78
Quellenverzeichnis ... 79

Abkürzungsverzeichnis

[Dies ist eine Leseprobe. Verzeichnisse, Tabellen und Grafiken werden nicht dargestellt.]

Abbildungsverzeichnis

[Dies ist eine Leseprobe. Verzeichnisse, Tabellen und Grafiken werden nicht dargestellt.]

Abstract

Kollaborierende Roboter – Aspekte der Arbeitssicherheit auf dem Weg zur Vollautomatisierten Produktion

Stichwörter: Mensch-Roboter-Kollaboration, Mensch-Maschine-Interaktion, COBOTS, Gesten-steuerung, Kollaborierende Roboter, Arbeitsschutz, Robotersteuerung, Industrie 4.0

Ein stetig steigender Automatisierungsgrad und die nächste Stufe der industriellen Revolution bringen neue Herausforderungen im Bereich der Arbeitssicherheit mit sich. Aber nicht nur die Sicherheit der Systeme, sondern auch die Funktionalität steht auf dem Prüfstand. Flexiblere Produktion funktioniert – heutzutage noch nicht ohne den Menschen – deshalb ist es notwendig, dass Mensch und Maschine enger zusammenrücken. Trotz bereits vieler Produkte, die sich auf den Markt befinden, um, im speziellen, Mensch-Roboter-Arbeitssysteme zu realisieren, herrscht hier noch Zurückhaltung. Ein System, in dem Mensch und Maschine Hand in Hand arbeiten ist, einerseits vielen zu risikoreich, andererseits sehen viele noch Handlungsbedarf bei der Funktionalität. Dies führt zu dem Ansatz, dass wenn eine Verbesserung der Funktionalität erreicht und gleichzeitig die Stabilität des Sicherheitssystems gewährleistet wird, die Interessen überwiegen und die abwartende Haltung aufgegeben wird. Um dies zu erreichen, behandelt die Bachelorarbeit die Grundlagen für die Implementierung einer Gestensteuerung für Industrieroboter. Dabei gilt es die drei Haupteinflussfaktoren Technik, Mensch und Umgebung so aufeinander abzustimmen, dass Funktion und Sicherheit unter allen Umständen gewährleistet wird. Um dies zu erreichen, wird im nachfolgenden Forschungsprojekt, auf die Technologie der virtuellen Realität (VR) zurückgegriffen. Der große Vorteil der VR ist die gefahrlose Durchführung der Forschung. Diese Arbeit und das nachfolgende Forschungsprojekt liefern somit wieder einen weiteren Baustein für die kommende Industrie 4.0.

Collaborative robots – aspects of job safety on the way to fully automated production

Keywords: Human-robot collaboration, human-machine interaction, COBOTS, gesture control, collaborative robots, industrial safety, robot control, industry 4.0

An ever-increasing degree of automation and the next stage of the industrial revolution bring new challenges in the field of labor security. But not only is the security of the systems, but also the functionality put to the test. More flexible production works - today is not without the people - it is therefore necessary that man and machine closer together. Despite already many products that are on the market in order to realize the special, human-robot work system, there is still reluctance. A system where working human and machine hand in hand, on the one hand many too risky, on the other hand see a lot more action in terms of functionality. This leads to the approaches that if an improvement of functionality is achieved while ensuring the stability of the security system outweigh the concerns and see attitude is abandoned. To achieve this, the thesis deals with the basics for the implementation of a gesture control for industrial robots. It applies the three main factors engineering, human and environment coordinated with one another, that function and safety will be ensured under all circumstances. To accomplish this, the technology of virtual reality (VR) is in the following research project, resorted. The major advantage of VR is the safe execution of research. This work and the subsequent research project thus deliver again another building block for the upcoming industry 4.0.

1. Einleitung

Sicherheit und Rentabilität sind zwei wichtige Aspekte bei Überlegungen neue Automatisierungstechnik in der Produktion zum Einsatz zu bringen. Dabei ist der Aspekt der Sicherheit nicht nur unter dem Gedanken eines guten Images für die Firma oder unter einem verantwortungsbewusstem, unternehmerischen Handelns zu sehen. Das Recht auf Leben und körperliche Unversehrtheit wird nach Art. 2 Abs. 2, des Grundgesetzes der Bundesrepublik Deutschlands (GG), jedem gewährt^[1]. Aus diesem Grundsatz folgen weitere Gesetze, Verordnungen und Normen sowie weitere Vorschriften und Regeln, die nicht immer den Stellenwert eines Gesetzes haben aber dennoch zu beachten sind. Diese Fülle an Vorschriften und den damit verbundenen Standard, den sie gewährleisten, gab es allerdings nicht von Anfang an.

1.1 Produktion im Wandel

Zu Beginn der Industrialisierung war die Hauptintention, den Profit zu steigern. Dies wurde durch den Einsatz von Maschinen und einem, zum Handwerk abgeänderten, Arbeitsablauf erreicht. „Auch die Konsumgesellschaft entsteht letztlich nur, weil durch die industrielle Produktion Waren nicht mehr in Handarbeit, sondern mit Maschinen hergestellt werden. Dadurch nämlich sinken die Produktionskosten, während gleichzeitig die Produktivität steigt.“^[2] Die Massenproduktion, die standardisierte Produkte auf den Markt brachte, leitete ein neues Zeitalter ein. Durch die Verfügbarkeit von mehr und bis dato teureren Produkten stieg aber auch der Anspruch an die Lebens- und Arbeitsbedingungen. Zwischen 1883 und 1889 wurden durch Reichkanzler Otto von Bismarck (1871 bis 1890) die Sozialversicherung, mit den drei Säulen^[3] Krankenversicherung (1883), Unfallversicherung (1884) und Rentenversicherung (1889), eingeführt.^[4] Auch wenn durch die Sozialversicherungen die Menschen abgesichert waren, ist die beste Absicherung, präventiv mögliche Gefahren auszuschalten. Die Vermeidung von Unfällen im Betrieb hat heutzutage einen hohen Stellenwert. Nicht nur Gesetzgeber, Berufsgenossenschaften und die Öffentlichkeit fordern einen Schutz der Arbeiter, auch der finanzielle Aspekt spielt hierbei eine wichtige Rolle. Ausfalltage kosten den Unternehmer gleich in zweierlei Hinsicht Geld. Zum einen fehlt der Arbeiter und kann keine Leistung für das Unternehmen erbringen, zum anderem steigen, durch Unfälle, auch die Beiträge für die gesetzliche Unfallversicherung. Der „durch einen Unfall entstandene monetäre Verlust ist hoch und wird meistens unterschätzt. Bezogen auf die Industrie liegen die Kosten für einen Arbeitsunfall mit einer durchschnittlichen Arbeitsunfähigkeit von 15 Tagen bei etwa 7.500,00 Euro.“^[5][6] Auch wenn durch die Industrialisierung viele Arbeiten von Maschinen übernommen werden, kann auf den Produktionsfaktor Mensch (noch) nicht verzichtet werden. Um den Menschen vor den Gefahren durch Maschinen zu schützen, ist es am einfachsten, die beiden Partner, Mensch und Maschine, räumlich voneinander zu trennen. Mit Einführung der ersten Roboter in die Produktion, um 1970, war dies selbstverständlich. Mit steigendem Automatisierungsgrad, dem globalen Wettbewerb und dem Kundenwunsch nach mehr Individualität der Produkte, steht die räumliche Trennung der beiden Systempartner nun aber auf dem Prüfstand. Auch wenn viele Produktionsabläufe komplett automatisiert ablaufen können, kommen diese, rein technischen Systeme, an ihre Grenzen.

1.2 Bedeutung und Herausforderungen von Mensch-Maschine-Systemen

Werden beide Systempartner zusammengebracht ergeben sich daraus Vorteile hinsichtlich der Flexibilität und körperlicher Entlastung des Menschen. Gleichzeitig aber zusätzliche Anforderungen an den Arbeitsschutz. Dazu heißt es, in dem Schriftstück Automation 2020, der VDI/VDE-Gesellschaft: „Der heutige Sicherheitsstandard in der Automation und durch die Automation muss auch in Zukunft gewährleistet bleiben.“^[7] Bei den kollaborierenden Systemen, müssen diese Sicherheitsstandards unter allen Umständen erfüllt werden, da hier, aufgrund der direkten Zusammenarbeit schnell schwere Verletzungen eintreten können. „Obgleich kollaborierende Roboter selbst immer sicherer werden, gilt es eine Reihe von Schutzmaßnahmen rund um ihren Einsatz zu treffen.“^[8] Den ein Ausfall oder eine „technische Panne“ kann nie ganz ausgeschlossen werden.^[9] Um zu entscheiden welche Risiken auftreten und welche Schutzmaßnahmen zu treffen sind, ist eine Einteilung der Systeme wichtig. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten.

Bei Mensch-Maschine-Systemen kann einmal dahin gehend unterschieden werden, ob sie sich im industriellen Einsatz befinden oder im Servicebereich. Das Aufgabenspektrum des Serviceroboters wird dabei wie folgt definiert:

„Ein Serviceroboter ist eine frei programmierbare Bewegungseinrichtung, die teil- oder vollautomatisch Dienstleistungen verrichtet. Dienstleistungen sind dabei Tätigkeiten, die nicht der direkten industriellen Erzeugung von Sachgütern, sondern der Verrichtung von Leistungen für Menschen und Einrichtungen dienen.“^{[10] [11]}

In dieser Arbeit wird vorrangig die industrielle Anwendung betrachtet. Der Servicebereich wird vor allem zu Vergleichszwecken herangezogen.

Eine andere Unterscheidung zielt auf die Art der Interaktion ab. Abbildung 1 zeigt eine Unterscheidungsmöglichkeit nach Schmidtler^[12]. Dabei erfolgt die Kategorisierung anhand der vier KriterienArbeitsplatz, Arbeitszeit, Ziel und Kontakt in aufsteigender Reihenfolge.^[13] Die Mensch-Roboter-Interaktion wird hierbei in drei Bereiche abgegrenzt. Koexistenz beschreibt danach das Arbeiten im selben Raum zur selben Zeit. Kooperation wird durch ein gleich gelagertes Ziel erreicht, das beide Systempartner anstreben. Die direkte Zusammenarbeit, die Kollaboration, zeichnet sich zudem durch einen Kontakt der beiden Akteure aus. Dies heißt nicht unbedingt, dass sie sich berühren müssen, der Kontakt kann auch durch Befehle erfolgen. Bei der Betrachtung über die nötigen Absicherungsmaßnahmen zum Schutz des Menschen ist es wichtig, zu wissen, in welchem Bereich der Interaktion man sich befindet. Bei der Kollaboration ist, wie schon dargestellt, ein Kontakt zwischen den Systempartnern vorhanden. Dies bedeutet, dass hier umfassendere Sicherheitsmaßnahmen durchzuführen sind.

Abbildung 1 Definition zur Mensch-Roboter-Interaktion nach Schmidtler^[14]
[Dies ist eine Leseprobe. Verzeichnisse, Tabellen und Grafiken werden nicht dargestellt.]

Doch warum wollen Unternehmen, die vormals getrennten Partner enger zusammenbringen?

Ein Grund ist die Entlastung des Menschen durch den Roboter. Bisher mussten Arbeiter auch Aufgaben ausführen, die aus gesundheitlicher und im besonderem aus ergonomischer Sicht unvorteilhaft sind. Das Bewegen von schweren Gegenständen oder Arbeiten, die nur durch Körperverdrehungen möglich sind, können zum Ausfall der Arbeitskraft führen. Selbst auf den ersten Blick einfache Arbeitsschritte, können bei häufiger Wiederholung schnell zu Rückenbeschwerden führen.^[15] Dies verdeutlichen auch Studien der Krankenkassen. Laut Krankenstandanalyse der DAK betrug der Anteil der Muskel-Skelett-Erkrankungen, im ersten Halbjahr 2015, 20,6%^[16]. Dies stellt den größten Anteil der Ausfalltage dar. Dieser Aspekt nimmt vor dem Hintergrund einer immer älter werdenden Gesellschaft und dem, auch damit verbundenen, Fachkräftemangel eine stärker werdende Bedeutung ein. Diesen Bedarf zeigt auch Stuart Shepard, Geschäftsführer der US-Tochtergesellschaft von KUKA, auf. „Zahlreiche Faktoren sprechen für einen zunehmenden Bedarf. Marktexperten sehen im Fachkräftemangel des produzierenden Gewerbes mittelfristig einen wichtigen Wachstumstreiber für die Nachfrage nach automatisierten Lösungen.“^[17] Das Ziel muss es sein, Arbeitskräfte möglichst lange im Unternehmen zu halten und auch deren Leistungsfähigkeit sicherzustellen.

Des Weiteren sind aber auch Arbeiten auszuführen, die derzeit nicht oder nur mit großem Aufwand durch Maschinen erledigt werden können. Das Einsetzen von flexiblen Gegenständen wie z. B. Dichtungen ist für Maschinen nicht so einfach wie für den Menschen. Der Mensch besitzt eine dementsprechende Fingerfertigkeit und kann durch seine Fähigkeit, logisch zu denken, eine Lösung finden und so die Bauteile schnell und sicher montieren. In Zukunft werden diese Tätigkeiten auch Maschinen erledigen, bis dahin kann aber das hybride System, Mensch-Maschine dafür eingesetzt werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Flexibilität, die insbesondere vor dem Hintergrund der vierten industriellen Revolution gefordert ist. Im Internet der Dinge sollen Systeme sich besser auf schnell ändernde Kundenanforderungen eingehen können. Zur Flexibilität gehört aber auch das richtige Erfassen neuer Situationen und die Entscheidung, was zu tun ist, um das Ziel zu erreichen. Diesen Part übernimmt in einem sozio-technischen-System der Mensch.

Aber auch die Eigenschaften hinsichtlich Wiederholgenauigkeit und fehlende Ermüdung des Roboters sind wichtige Punkte. Werden Arbeiten händisch ausgeführt so ist die gleichbleibende Qualität der Arbeit nicht immer sichergestellt. Das Produkt erhält dadurch, wie es im Handwerk oftmals gewollt, einen individuellen Touch. Für Arbeitsschritte in der Industrie ist dies jedoch nicht vorteilhaft. So heißt es in einem Interview mit Dr. Christian Patron, Leiter Digitalisierung Produktion, BMW Group: „[…]Roboter [vollführen] ihre Verrichtungen mit enormer Präzision und das ist für einen Premiumhersteller wie BMW eine wichtige Zielgröße.“^[18] Individualität wird zwar vom Kunden gefordert, was aber nicht heißt, dass jedes einzelne Bauteil des Endprodukts individuell sein soll. Normenanforderungen hinsichtlich Toleranzen und Sicherheitsfunktionen müssen eingehalten werden. Hierbei kann der Roboter mit seiner Genauigkeit und der fehlenden Ermüdung Punkten.

Die Herausforderungen der Zusammenführung der beiden Partner sind insbesondere:
Gewährleistung der Sicherheit des Menschen
Optimale Abstimmung des Mensch-Maschine-Arbeitssystems
Größtmögliche Flexibilität des Systems Ergonomische Gestaltung der Arbeitsumgebung
Vereinfachung der Steuerung und Programmierung des Roboters

Die oben genannten Herausforderungen beziehen sich auf technische Aspekte oder können durch technische Maßnahmen erreicht werden. Die menschliche Komponente in diesem System, bietet aber noch einen weiteren Gesichtspunkt, der zu untersuchen ist. Dabei gilt: „"Die Wahrnehmung, die Aufmerksamkeit und das Denken der Person darf durch die Arbeitsumgebung und den kollaborierenden Roboter nicht eingeschränkt oder gestört werden."“^[19] Das menschliche Verhalten ist ein wichtiger, sehr komplexer und nicht zu unterschätzender Faktor. In einem System mit zwei oder mehr Partnern, sind alle Partner für die Sicherheit des Systems verantwortlich. Wenn der Punkt der Sabotage/Vorsatz einmal außer Betracht gelassen wird, bleiben immer noch

Müdigkeit
Konzentrationsschwächen/Ablenkung
Vorbehalte/Ängste

als Ausgangspunkt für Unfälle. Abbildung 2 zeigt hierbei eine Folgerungskette, die sich ergeben kann, auf. Die menschliche Komponente macht es notwendig, dass dieser „Softfaktor“ ebenfalls betrachtet und analysiert werden muss.

Abbildung 2 Folgerungskette^[20]
[Dies ist eine Leseprobe. Verzeichnisse, Tabellen und Grafiken werden nicht dargestellt.]

Die Vorteile des Konzepts eines Mensch-Maschine-Systems zeigen auf, dass es seine Daseinsberechtigung hat. Menschen entlasten und Prozesse beschleunigen oder diese rentabel durchzuführen. Dabei sind hinsichtlich der Arbeitssicherheit aber viele Fragen, die beantwortet werden müssen, bevor ein solches System in Betrieb gehen kann. Die bisherigen Erkenntnisse bzw. Standards werden im folgendem kurz dargestellt und nachfolgend der Handlungsbedarf ermittelt.

2. Stand der Technik

Der „Stand der Technik ist der „Entwicklungsstand fortschrittlicher Verfahren, Einrichtungen oder Betriebsweisen, der die praktische Eignung einer Maßnahme zum Schutz der Gesundheit und zur Sicherheit der Beschäftigten gesichert erscheinen lässt. Bei der Bestimmung des Standes der Technik sind insbesondere vergleichbare Verfahren, Einrichtungen oder Betriebsweisen heranzuziehen, die mit Erfolg in der Praxis erprobt worden sind“.“^[21]

Für die Bestimmung des Standes der Technik, können im Bereich der Maschinen vor allem Richtlinien und Normen herangezogen werden.

2.1 Richtlinien, Normen und Vorschriften für kollaborierende Systeme

Richtlinien, Normen und Vorschriften dienen dazu den Menschen vor Gefahren, die von Maschinen ausgehen können, zu schützen. Grundlegend können bei Systemen, in denen Roboter involviert sind, die Asimov‘ schen Robotergesetze herangezogen werden.^[22]

Auch wenn diese Gesetze von einem Science-Fiction-Autor stammen, zeigen sie den Grundgedanken für die Absicherung des Menschen auf. Dieser Grundgedanke spiegelt sich in Richtlinien und Normen wieder, wobei in diesen Schriften die Forderungen spezifiziert werden. Generell gilt aber, dass nur Gesetze bindend sind und Richtlinien und Normen vereinbarte Grundlagen darstellen. Die Asimov‘ schen Robotergesetze stellen hierbei aber kein Gesetz im Sinne von bindendem Recht dar. Zu den relevanten Gesetzen, die zu beachten sind, gehört unter anderem das Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG). Dieses verweist in § 4 Abs. 3 darauf, dass für den Schutz der Belegschaft der Stand der Technik zu berücksichtigen ist.^[23] Die Anforderungen werden in Europa von der Europäischen Union in dementsprechenden Richtlinien definiert und zur Umsetzung an die Mitgliedstaaten weitergereicht. Maßgebend für den Bereich der Maschinen und insbesondere der Roboter sind folgende Richtlinien:

Richtlinie 2006/42/EG – Maschinenrichtlinie (MRL)
Richtlinie 2014/30/EU – Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-R)
Richtlinie 2014/35/EU – Niederspannungsrichtlinie (NSR)

Des Weiteren sind unter bestimmten Umständen, z. B. Einsatz des Roboters in einem Reinraum oder explosionsgeschützten Raumes, weitere Richtlinien zu beachten.

Dabei zeigt die Maschinenrichtlinie, im Anhang 1 – „Grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen für Konstruktion und Bau von Maschinen“^[24] eine elementare Forderung auf.

„Der Hersteller einer Maschine oder sein Bevollmächtigter hat dafür zu sorgen, dass eine Risikobeurteilung vorgenommen wird, um die für die Maschine geltenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen zu ermitteln. […]“^[25]

Daraus resultiert, dass bereits bei der Durchführung von Entwicklungsprojekten diese Thematik Beachtung finden muss. Um die Beurteilung zu vereinfachen, kann hierbei auf Normen zurückgegriffen werden, die die Richtlinien weiter Spezifizieren und bereits Vorgaben enthalten. Abbildung 3 zeigt hierbei den Aufbau der Normen für den Bereich der Maschinen. Die Unterteilung findet hierbei in A-, B- und C-Normen statt. Die A-Normen stehen hierbei für grundsätzliche Forderungen, die in diesem Fall, für den Bereich der Maschinen gelten. Bei den B-Normen handelt es sich um Normen, die auf bestimmte Gruppen von Maschinen angewandt werden. Die unterste Ebene, die Ebene der C- Normen, wird letztendlich auf einen bestimmten Maschinentyp z. B. Roboter angewandt.

Abbildung 3 Normenpyramide^[26] (erweitert)
[Dies ist eine Leseprobe. Verzeichnisse, Tabellen und Grafiken werden nicht dargestellt.]

Die wichtigsten Normen im Bereich der Robotik sind hierbei:
DIN EN ISO 10218-1
Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 1: Roboter
DIN EN ISO 10218-2
Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 2: Robotersysteme und Integration
DIN EN ISO 13849-1
Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze
DIN EN ISO 13855
Sicherheit von Maschinen – Anordnung von Schutzeinrichtungen im Hinblick auf Annäherungsgeschwindigkeiten von Körperteilen

Eine weitere ISO-Norm, ISO/TS 15066 Robots and robotic devices – Safety requirements for industrial robots – Collaborative operation, ist derzeit in Bearbeitung und wird u. a. in die oben genannten Normen einfließen.

Um entscheiden zu können, welche Gefährdungen auftreten und welche Sicherheitsmaßnahmen zu treffen sind, muss vorab geklärt werden, um welche Art von Kollaborationsbetrieb es sich handelt. Dabei werden laut Norm vier Betriebsarten unterschieden, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1 Übersicht über Kollaborationsarten nach DIN EN ISO 10218-1^[27]
[Dies ist eine Leseprobe. Verzeichnisse, Tabellen und Grafiken werden nicht dargestellt.]

Unabhängig von der Betriebsweise muss die Steuerung des Roboters spezielle Anforderungen hinsichtlich des Erhalts der Sicherheitsfunktion besitzen. Grundsätzlich fordert die Norm PLd Kategorie 3, wobei Abweichungen möglich sind. „Der Performance-Level (PL) ist ein Maß für die Zuverlässigkeit einer Sicherheitsfunktion.“^[28] Die Norm fordert hierzu folgende Leistungsanforderungen:

Ein einzelner Fehler führt nicht zum Verlust der Sicherheitsfunktion.
Tritt ein einzelner Fehler auf muss die Sicherheitsfunktion immer ausgeführt werden und muss aufrechterhalten werden, bis der Fehler behoben ist.
Alle vernünftigerweise vorhersehbaren Fehler müssen erkannt werden.
· Ein einzelner Fehler muss bei oder vor der nächsten Anforderung der Sicherheitsfunktion erkannt werden.^[29]

Um grundsätzlich festzustellen welche Kategorie gefordert ist, muss der Performance Level (PL) wie in Abbildung 4 bestimmt werden.

Abbildung 4 Bestimmung des Performance Level^[30]
[Dies ist eine Leseprobe. Verzeichnisse, Tabellen und Grafiken werden nicht dargestellt.]

Schwere der Verletzung S:
S1= leichte (normalerweise reversible) Verletzung
S2= schwere (normalerweise irreversible) Verletzung einschließlich Tod

Häufigkeit und/oder Dauer der Gefährdungsexposition F:

F1= selten bis öfters und/oder kurze Dauer F2= häufig bis dauernd und/oder lange Dauer

Möglichkeit zur Vermeidung der Gefährdung P:

P1= möglich unter bestimmten Bedingungen P2= kaum möglich^[31]

Die Risikobeurteilung, die am Anfang steht, wie Abbildung 4 zeigt, ist auch von den verwendeten Sensoren abhängig.

2.2 Sensoren als Schlüssel zur Zusammenarbeit

Sensoren^[32] sind das Äquivalent zu den Sinnen eines Menschen. Durch sie nimmt der Mensch seine Umgebung war und kann durch die aufgenommen Informationen, Entscheidungen über das weitere Vorgehen treffen. Maschinen benötigen ebenfalls die Fähigkeit Umweltinformationen aufnehmen, zu können. Durch Sensoren wird es überhaupt erst möglich, Abläufe zu automatisieren und Systeme autonom laufen zu lassen. Im Bereich der kollaborierenden Roboter bekommen Sensoren eine weitere wichtige Aufgabe. Sie sollen nicht nur dafür sorgen, dass Systeme autonom laufen, sondern vor allem das der Mensch vor Gefahren durch den Roboter geschützt wird. Sensoren können auch für beide Zwecke, Aufgabe erfüllen und Schutz des Menschen, genutzt werden.

Grundsätzlich lassen sich Sensoren hinsichtlich der Aufnahme von Informationen und der Position unterscheiden. Um nachfolgend Entscheidungen treffen zu können, welche Sensoren zum Einsatz kommen, werden beide Unterscheidungsmerkmale dargestellt.

Aktive und Passive Sensoren^[33]

Aktive Sensoren senden ein Signal aus welches, dessen Reflexion die Information beinhaltet. Der große Vorteil dieser Sensortypen ist, dass sie nur wenig von der Umgebung abhängig sind. Jedoch können bei Verwendung ähnlicher oder gleicher Sensoren, Fehlinformationen auftreten. Dadurch, dass die Sensoren alle ein sehr ähnliches Signal aussenden, kann die Detektion massiv beeinträchtigt werden. Das gleiche gilt, wenn in der Umgebung, gleich gelagerte Signale auftreten können, z. B. Maschinen die Ultraschallfrequenzen erzeugen, würden Ultraschallsensoren stören. Abhilfemaßnahmen können hier sein, eine geschickte Anordnungen von Sensoren, ein wechselseitiges Abschalten oder ein Wechsel des Signals, beispielsweise bzgl. der Frequenz.

Passive Sensoren hingegen beziehen ihre Informationen rein aus den Empfangenen Signalen der Umgebung. Dies bedeutet, dass sie stark von der Umgebung abhängig sind. Das zu detektierende Signal muss in ausreichender Stärke vorhanden sein und die Umweltbedingungen sollen möglichst konstant sein. Kommt es zu starken Schwankungen der Umweltbedingungen, kann es zum Ausfall oder Fehlern bei der Auswertung von Kamerasignalen kommen.

Positionierung von Sensoren

Wie bei den aktiven Sensoren schon erwähnt, spielt die Position des Sensors eine entscheidende Rolle. Ziel ist es keine „blinden Zonen“ und keine gegenseitige Störung zu haben. Dabei können zwei Positionsarten unterschieden werden:

Die Positionierung direkt am Arbeitsplatz wird auch als allozentrische Anordnung bezeichnet. Dabei werden die Sensoren z. B. an Einzäunungen montiert. Der Vorteil ist, dass immer ein Bereich fix erfasst wird – es kommt i. d. R. zu keiner Bewegung des Sensors. Der Nachteil bei dieser Positionierung ist, dass es bei Bewegungen im Arbeitsraum, z. B. durch den Roboter, zu Abschattungen im Detektionsraum kommen kann.

Werden die Sensoren direkt am Arbeitsmittel, z. B. dem Roboter, montiert, so wird von einer egozentrischen Anordnung gesprochen. Diese Sensoren können sich intern, im Arbeitsmittel befinden z. B. Kraft-/Leistungsmessung oder am Arbeitsmittel montiert z. B. Kamera. Die internen Sensoren finden vor allem Anwendung bei Schutz vor Überlast oder bei der direkten Zusammenarbeit von Mensch und Maschine bei der Absicherung durch Abschaltung bei (fehlerhaftem) Kontakt mit dem Menschen. Bei der Verwendung dieser Sensoren ist aber zu beachten, dass sie sich mit der Maschine mitbewegen und deshalb nicht zu jeder Zeit den ganzen Detektionsraum überwachen können.

Im Bereich der kollaborierenden Roboter, zum Personenschutz, werden u. a. folgende Sensoren eingesetzt^[34]:
[Dies ist eine Leseprobe. Verzeichnisse, Tabellen und Grafiken werden nicht dargestellt.]

Um später Sensorsysteme beurteilen und/oder Auswählen zu können werden die vorgenannten Sensortypen kurz dargestellt.

Taktile / Momenten-Sensoren

„Taktile / Momenten-Sensoren haben den Vorteil, dass sie passiv arbeiten und trotzdem in der Praxis kaum durch äußere Einflüsse gestört werden. Aufgrund ihrer Messmethode können sie den Menschen im Arbeitsraum nur dann erfassen, wenn bereits eine Berührung zwischen Mensch und Roboter vorliegt. Ihre Anbringung im Arbeitsraum ist im Wesentlichen egozentrisch am Arbeitsmittel, dem Roboter. Der Einsatz von druckempfindlichen Bodenplatten ist allerdings allozentrisch. […] Der Detailgrad der Messung ist abhängig von der Größe der druckempfindlichen Fläche jedes Teilsensors bzw. bei Robotern, die die Momente in den Gelenken messen, auf das Teilstück des Arms beschränkt.“^[35]

Optoelektronische Sensoren (Kameras)

Kameras nehmen gegenüber den anderen Sensoren die meisten Daten auf. Allerdings sind bei den Mengen an Daten auch Informationen dabei, die für die Steuerung unerheblich sind. Wichtig ist es deshalb die Kamera, auch insbesondere die Optik, so zu wählen, dass diese die gewünschte Information sicher detektiert. Für die weitere Verarbeitung spielt im folgendem die Software eine große Rolle, um Situationen richtig zu interpretieren. Die Anordnung der Kameras ist meist allozentrisch, da hier eine sichere Erfassung des gesamten Arbeitsraumes möglich ist. Jedoch kann eine Montage direkt am Betriebsmittel von Vorteil sein, wenn die Kamera hier als Prüfinstrument oder, bei Robotern, als Bahnkorrektursensor genutzt wird. Bei Verwendung der Kamera als Sicherheitssensor ist darauf zu achten, dass hierbei die Anzahl und Größe der „blinden Flecken“ zunehmen können.^[36]

Optoelektronische Sensoren (Laserscanner)

„Laserscanner arbeiten, wie der Name schon vermuten lässt, mit Laserlicht. Dabei wird von dem Scanner ein Laserstrahl ausgesandt, welcher dann von der Umgebung wieder reflektiert und von der Empfangsoptik aufgenommen wird. Dabei wird der Strahl über einen Umlenkspiegel, welcher in Rotation versetzt wird, abgelenkt. Dieser Vorgang erfolgt dabei einige hunderttausend Mal in der Sekunde. Das vom Scanner wieder empfangene Laserlicht wird dann entsprechend ausgewertet.“^[37] Dabei können zwei Messverfahren unterschieden werden:

Laserscanner mit Impulsmessverfahren
Phasenvergleichsmessverfahren

Dabei haben Laserscanner den Vorteil, dass sie schon seit Längerem in sicherheitstechnischen Steuerungen erprobt sind.^[38]

Ultraschallsensoren

Ultraschallsensoren senden Schallimpulse oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs (> 20 kHz) aus. Diese Ultraschallimpulse werden, wenn sie auf ein Objekt treffen, reflektiert und durch den Sensor aufgenommen. Zu beachten ist, dass umso höher die Frequenz ist desto geringer wird die Detektionsreichweite. Des Weiteren muss, bei Verwendung mehreren Ultraschallsensoren darauf geachtet werden, dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen oder Stören.

Kapazitive Sensoren^[39]

Der große Vorteil der kapazitiven Sensoren ist, dass sie Objekte durchdringen können und somit kaum auf die Anwesenheit von z. B. Kunststoffen reagieren. Der menschliche Körper und Metall lassen sich aber deutlich feststellen. Der Nachteil ist die geringe Reichweite von etwas mehr als 10 cm. Dadurch ist er vor allem für die egozentrische, also die Platzierung direkt am Betriebsmittel/Roboter geeignet.

Radar (Mikrowellen)

Bei der Radartechnik (Radio Detection and Ranging) werden gebündelte elektromagnetische Wellen ausgesendet die, wie bei einem Ultraschallsensor, reflektiert werden. Das zurückgeworfene Signal wird, je nach Methode, ausgewertet.

Für den Bereich der Absicherung von Menschen sind sie aber derzeit, aufgrund von entstehenden Totzonen, nicht geeignet.

Fazit Sensoren

Die vorangenannten Sensoren stellen eine Auswahl für das Absichern von Personen dar, in denen es auch schon konkrete Ergebnisse oder Anwendungsfälle, wie in 2.3 dargestellt wird, gibt. Zusätzlich zu den oben genannten Sensoren werden weitere Typen Angeboten, die aber für den Personenschutz eher weniger geeignet sind. Zu dieser Gruppe zählen z. B. RFID^[40] die die Person nur schützen, wenn sie vom Menschen getragen werden. Diese Arten von Sensoren, sind zwar für den Schutz nicht geeignet, können jedoch für die reine Erfüllung der Aufgabe genutzt werden. Wichtig ist hierbei, dass nur solche Sensoren für den Personenschutz zum Einsatz kommen die den Menschen ohne Zusatzbedingung, Tragen eines Chips o. ä. schützen.

[...]

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[1] vgl. [1] Grundgesetz für die Bundesrepublik Deutschland (idFv. 23.12.2014) § 2 Abs. 2

[2] [2] Kelch, Franziska: Industrialisierung und Arbeiterbewegung;http://blog.zeit.de/schueler/2014/01/23/industrialisierung-geschichte-revolution/Zugriff 29.12.2015

[3] Arbeitslosenversicherung wurde 1927 eingeführt, Pflegeversicherung 1995 - damit Heute: 5 Säulen

vgl. [3] o.V.: Soziale Sicherheit in Deutschland;

http://www.deutsche-sozialversicherung.de/index.html Zugriff 29.12.2015

[4] vgl. [4] o.V.: Bismarcks Sozialgesetze 1883 BIS 1889;

https://www.bmas.de/SharedDocs/Downloads/DE/PDF- Publikationen/a212-infoblatt-sozialgeschichte.pdf?__blob=publicationFile Zugriff 29.12.2015

[5] [5] o.V.: Kosten eines Unfalls; http://www.diemer-ing.de/newsletter/2007-09/Wirtschaftliche_Aspekte_Praevention.html Zugriff 29.12.2015

[6] Angaben der ausfallbedingten Kosten pro Tag reichen von 500 Euro bis 1000 Euro vgl. [5]

[7] [6] Bretthauser, Georg; Gerlach, Gerald, et al.: Automation 2020 (2. Auflage); https://www.vdi.de/fileadmin/vdi_de/redakteur_dateien/gma_dateien/GMA_Automation_2020_Internet_2Auflage.pdf Zugriff 30.12.2015

[8] [7] Speckner, Christine; Sinß, Falk: Ohne Tuchfühlung mit Kollege Roboter. In: Arbeit und Gesundheit (2012) Auflage 11/12; http://www.arbeit-und-gesundheit.de/2/1553 Zugriff 30.12.2015

[9] vgl. [7]

[10] [8] Schraft, Rolf Dieter; Volz, Hansjörg: Serviceroboter. Innovative Technik in Dienstleistung und Versorgung. Berlin, Heidelberg: Springer, 1996.

[11] [9] Graf, Birgit: Servicerobotik: Definition und Potential; https://www.uni-due.de/imperia/md/content/wimi-care/wb__5_.pdf Zugriff 30.12.2015

[12] [10] Schmidtler, Jonas et al.: Human Centered Assistance Applications for the working enviroment of the future. In: Occupational Ergonomics September 2015 S.84f; www.researchgate.net/publication/282074313_Human_Centered_Assistance_Applications_for_the_working_environment_of_the_future Zugriff 20.10.2015

[13] vgl. [10] (Übersetzt)

[14] Abbildung 1: nach Schmidtler [10]

[15] vgl. [11] Nördinger, Susanne: Audi: Mensch-Roboter-Kooperation in der Serienfertigung; http://www.produktion.de/technik/automatisierung/audi-mensch-roboter-kooperation-in-der-serienfertigung-365.html Zugriff 30.12.2015

[16] Werte aus [12] o.V.: Erkältungen treiben Krankenstand hoch; www.dak.de/dak/bundes-themen/Krankenstand-1656608.html Zugriff 23.10.2015

[17] [13] Janetzke, Christian: US-Markt für Industrieroboter mit Wachstumsperspektiven; http://www.gtai.de/GTAI/Navigation/DE/Trade/Maerkte/suche,t=usmarkt-fuer-industrieroboter-mit-wachstumsperspektiven,did=1082654.html Zugriff 30.12.2015

[18] [14] Schreier, Jürgen: „Industrie 4.0 kommt nicht mit einem großem Ruck“; http://www.maschinenmarkt.vogel.de/industrie-40-kommt-nicht-mit-einem-grossen-ruck-a-501048/ Zugriff 30.12.2015

[19] [15] o.V.: Systemergonomische Gestaltung;

http://www.dguv.de/ifa/Fachinfos/Kollaborierende-Roboter/Systemergonomische-Gestaltung/index.jsp Zugriff 30.12.2015

[20] Abbildung 2: Eigene Abbildung [16]

[21] [17] Hertel, Lothar; Oberbichler, Brigitte; Wilrich, Thomas: Technisches Recht. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2015. S.21

[22] [18] Böhme, Hans-Joachim; Mensch-Maschine-Kommunikation / Kognitive Robotik; HTW Dresden; SoSe 2012;

http://www.htwdresden.de/fileadmin/userfiles/info_math/KogRob/Lehre/MMK/Vorlesung/MMK_KR_vl_ws2012_teil1.pdf Zugriff: 27.10.2015

[23] vgl. [19] Arbeitsschutzgesetz (idFv. 31.08.2015) §4 Abs.3

[24] [20] Maschinenrichtlinie 2006/42/EG; Anhang I, Allgemeine Grundsätze

[25] [20] Maschinenrichtlinie 2006/42/EG; Anhang I, Allgemeine Grundsätze

[26] [21] o.V.: http://www.keyence.de/Images/safetyknowledge_machine_img02.jpg ,

Zugriff 27.10.2015

[27] vgl. [22] DIN EN ISO 10218-1:2012-01

[28] [23] Preis, Roman: Wie bestimmt man den Performance-Level nach EN ISO 13849-1?; http://www.ce-kennzeichnung-seminare.de/newsletter/ce-kennzeichnung-newsletter-Performance-Level.pdf Zugriff 28.10.2015

[29] Aufzählung vgl. [22] DIN EN ISO 10218-1:2012-01

[30] o.V.: https://www.pilz.com/imperia/md/images/import/International/050_Know_How/010_Law_and_standards/030_Standards/020_Functional_safety/G-Risikograph-560-DE.gif Zugriff 28.10.2015 [24]

[31] Aufzählung vgl. [25] o.V.; http://www.industrie.de/bilder/ea/2007-09/600x/thumb_ea09070018_tif.jpg Zugriff 31.12.2015

[32] Definition: „“Ein Sensor (lateinisch: Sensus = der Sinn) ist ein mechanisch-elektronisches Bauteil, das eine gemessene physikalische oder chemische Größe […] in ein elektrisches Signal umwandelt““ [26] Piper, Sonja.: Sensoren und Aktoren von autonomen Robotern; https://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/technik_didaktik/sensoren_aktoren_roboter.pdf Zugriff 28.10.2015

[33] u.E. [27] Ostermann, Björn: Entwicklung eines Konzepts zur sicheren Personenerfassung als Schutzeinrichtung an kollaborierenden Robotern; http://elpub.bib.uni-wuppertal.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-4094/dd1401.pdf Zugriff 29.10.2015, S. 61ff

[34] Auflistung vgl. [27] Ostermann, Björn: Entwicklung eines Konzepts zur sicheren Personenerfassung als Schutzeinrichtung an kollaborierenden Robotern; http://elpub.bib.uni-wuppertal.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-4094/dd1401.pdf Zugriff 29.10.2015, S. 61ff

[35] [27] Ostermann, Björn: Entwicklung eines Konzepts zur sicheren Personenerfassung als Schutzeinrichtung an kollaborierenden Robotern; http://elpub.bib.uni-wuppertal.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-4094/dd1401.pdf Zugriff 29.10.2015, S. 61ff

[36] vgl. [27]

[37] [28] o.V.: Funktionsweise eines Laserscanners; http://www.laserscanning-europe.com/de/glossar/funktionsweise-eines-laserscanners Zugriff 30.10.2015

[38] vgl. [27]

[39] u.E. [27]

[40] RFID: Radio Frequency Identification