Mensch-Roboter-Kooperation. Sicherheitsaspekte und deren Realisierung, Potentiale und Grenzen, aktuelle Einsatzbeispiele

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Sicherheitsaspekte
2.1 Allgemeine Maschinenrichtlinien und Vorgehensweisen
2.2 Spezifisches zu kooperierenden Robotern
2.3 Zusammenfassung

3 Potentiale und Grenzen der kollaborierenden Roboter
3.1 Potentiale
3.2 Grenzen
3.3 Wirtschaftliche Überlegung
3.4 Zusammenfassung

4 Akt. Einsatzbeispiele

5 Fazit

6 Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 - Beispiel einer MRK Kooperation in der Forschung

Abbildung 2 - Kooperationsformen der MRK

Abbildung 3 - Ablauf einer Risikobeurteilung

Abbildung 4 - Risikograph zur Bestimmung des PL für jede Sicherheitsfunktion gemäß EN ISO 13849-1

Abbildung 5 - Klassifikation der Risikoparameter gemäß EN IEC 62061

Abbildung 6 - Arten der Mensch-Roboter-Kollaboration: Stopp bei Zutritt (links oben), Handführen (rechts oben), Abstandsüberwachung (links unten) und Leistungs-/Kraftbeschränkung (rechts unten)

Abbildung 7 - Zusammenhang von Variantenvielfalt, Losgröße und der Produktionsart

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 - relevante Normen und Richtlinien

Tabelle 2 - aktuelle Einsatzbeispiele von MRK

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Viele Begriffe beschreiben die neueste Entwicklungsform von Robotern: Kollaborierende Roboter, Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) oder auch Co-Worker, Personal Assistant, Assistenzroboter und viele mehr. Sie werden im selben Atemzug mit hybrider Montage, autonomen Systemen und Industrie 4.0 genannt. Mit diesen Begriffen ist die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter gemeint, die sich auf einen genau definierten gemeinsamen Arbeitsbereich beschränkt.^[1] Nach DIN EN ISO 10218-1:2012 ist der kollaborierende Betrieb ein „Zustand, in dem hierfür konstruierte Roboter innerhalb eines festgelegten Arbeitsraums direkt mit dem Menschen zusammenarbeiten“ ^[2] Kooperierende Roboter sind für viele Menschen nur aus den Unterhaltungsmedien bekannt, in Realität schreitet die Forschung in diesem Bereich jedoch schnell voran. In Zukunft werden Roboter uns eventuell an vielen verschiedenen Stationen im Leben begegnen, im Arbeitsleben, zuhause oder auch in der Öffentlichkeit. Sie werden ferngesteuert oder führen eigenständig Aufgaben aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Beispiel einer MRK Kooperation in der Forschung^[3]

Ziel ist es die Stärken von Mensch und Maschine zu verbinden um im Bereich der Produktivität, Qualität und Flexibilität optimale Ergebnisse zu erzielen. Der Einsatz von Robotern in der fertigenden Industrie ist bereits seit Jahren anzutreffen. Typischerweise werden Industrieroboter programmiert eine bestimmte Aufgabe zu erledigen und für einen längeren Zeitraum „alleingelassen“, d.h. sie sind in abgesperrten Arbeitsbereichen ohne direkten Menschenkontakt positioniert. „ Nach Definition der VDI-Richtlinie 2860 sind Industrieroboter universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkel frei (d. h. ohne mechanischen Eingriff) programmierbar und ggf. sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.“ ^[4] Im Laufe der Zeit sind die Aufgabenstellungen für Industrieroboter komplexer geworden. Die Idee eines Co-Workers für den menschlichen Arbeiter wurde entwickelt. Die Forschung und Entwicklung um kooperierende Roboter hat sich in den letzten Jahren enorm gesteigert und erste Einsätze in der Industrie sind vorhanden. Die MRK wird in drei Kooperationsformen eingeteilt, dabei kann jede Form ohne Schutzzaun durchgeführt werden, die Arten und ihre Unterschiede werden in Abbildung 2 zum besseren Verständnis visuell dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 - Kooperationsformen der MRK^[5]

Zunächst die Koexistenz, bei der Mitarbeiter und Roboter nebeneinander ihren individuellen Aufgaben nachgehen. Als nächstes die Form der Assistenz, dabei wirkt der Roboter unterstützend und kann den Mitarbeiter durch bspw. haltende Tätigkeiten entlasten. Die dritte Form ist die Interaktion oder auch direkte MRK genannt, bei der sich die Aufgabenbereiche von beiden Partnern ergänzen, unterstützen und voneinander abhängen.^[6] Regeln zum direkten Kontakt zwischen Arbeiter und Roboter sind notwendig und vor allem der Sicherheitsaspekt bewegt sich in einer neuen Dimension als bisher.

Thema der vorliegenden Hausarbeit sind Sicherheitsaspekte, Potentiale und Grenzen und aktuelle Einsatzbeispiele in der Industrie von kollaborierenden Robotern. Diese drei Themenblöcke sind auch in der Struktur der Arbeit zu finden. Kapitel 2 beschäftigt sich mit den Sicherheitsaspekten und betrachtet dafür vor allem die relevanten Normen und Richtlinien, in denen alle Grundlagen definiert sind. Zunächst wird der allgemeine Bereich der Maschinenrichtlinie erläutert, und anschließend die weitergefassten ISO Normen. Auch hierbei erfolgt eine Erläuterung, besonders eingegangen wird dabei auf die Vorgehensweise zur Risikobeurteilung einer MRK. Vom Allgemeinen wird schließlich auf spezifischere Normen übergeleitet. Dabei werden die Detailaspekte der kollaborierenden Roboter betrachtet. In Kapitel 3 werden die Potentiale und Grenzen von kooperierenden Robotern erfasst und in Kontext gesetzt. Die neue Technik wirft viele Fragen auf, u.a.: „Werden Industrieroboter bald nicht mehr hinter Schutzzäunen stehen, sondern frei in der Produktionshalle?“ „Wird bald jeder Produktionsmitarbeiter mit technischen Co-Workern zusammenarbeiten, statt mit menschlichen Kollegen?“ „Werden überhaupt noch Mitarbeiter benötigt?“ Dies sind nur beispielhafte Fragen, die sich bei diesem Thema aufstellen und deren Realisierung durch diese Kapitel eingeschätzt werden soll. Abschließend in Kapitel 4 wird die tatsächliche praktische Umsetzung betrachtet. Aktuelle Einsatzbeispiele in der Industrie werden dargestellt und anhand ihrer Sinnhaftigkeit beurteilt.

2 Sicherheitsaspekte

Die Möglichkeit gemeinsame Arbeitsplätze für Roboter und Menschen ohne Schutzzaun zu realisieren ermöglicht neue Konzepte und Strategien in der Industrie. Gleichzeitig birgt dies aber auch andere Gefahren und Risiken für den Mensch, als herkömmliche Industrieroboter. Eine Kollision zwischen einem Menschen und einem Roboter kann schwerwiegende Folgen haben und muss deshalb im Voraus ausreichend bedacht werden. Das Verletzungsrisiko ist dabei von vielen Faktoren abhängig, beispielsweise „ Kraft, Druckverteilung, Körperregion, Kollisionsfläche, Robotergeschwindigkeit und –masse sowie Nachlaufweg des Roboters“.^[7] Sicherheitsmaßnahmen bei herkömmlichen Industrierobotern sind deshalb strickt getrennte Arbeitsbereiche mit Schutzzäunen und gesicherten Schutztüren. Wenn sich Mensch und Roboter mehr und mehr einen Arbeitsbereich teilen, müssen andere Schutzmechanismen realisiert werden. Die Sicherheitsmaßnahmen müssen so konzipiert sein, dass sie nicht durch mögliche Störungen ausfallen können, während der Roboter weiterbetrieben wird.

Unterschieden wird in subjektive und objektive Sicherheit, dies muss auch bei der Risikobewertung einer Anlage beachtet werden. Die subjektive Sicherheit ist die wahrgenommene Sicherheit des menschlichen Kooperationspartners, diese kann je nach Person variieren. Ist eine subjektive Unsicherheit wahrgenommen, erhöht dies das Stressempfinden des Mitarbeiters und kann Auswirkungen auf die Produktivität haben. In empirischen Studien wurden dafür verschiedene Auslöser identifiziert, u.a. der Abstand zwischen Roboter und Mensch, die Annäherungsgeschwindigkeiten und Geräusche. Daraus erfolgt ein Akzeptanzproblem bei den Mitarbeitern, zur Vermeidung, kann in diesen Bereichen bspw. höhere Werte als die Grenzwerte verwendet werden oder den Mitarbeitern durch Schulungen die Angst genommen werden.^[8] Die objektive Sicherheit bezieht sich auf das Vermeiden von messbaren Schäden als Einsatzvoraussetzungen des Roboters.

Im folgenden Kapitel wird der Fokus auf der objektiven Sicherheit als primäre Voraussetzung für MRK liegen. Die abstrakten Anforderungen von Europäische Richtlinien werden von den Normungsgremien national oder international aufgegriffen und in harmonisierenden Normen anwendbar formuliert. Dabei werden Vorgehensweisen oder Regeln im Detail beschrieben und sind für den Anwender besser verständlich. Zur Übersicht sind in Tabelle 1 die relevanten Richtlinien und harmonisierenden Normen für die sichere Gestaltung von kollaborierenden Robotern gelistet, die im weiteren Verlauf näher besprochen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 - relevante Normen und Richtlinien

Die Anwendung von harmonisierenden Normen löst die sogenannte „Vermutungswirkung“ aus, d.h. für die harmonisierenden Normen der Maschinenrichtlinie bspw. gilt „wird die Norm befolgt, darf man daraus die Konformität mit der Maschinenrichtlinie „vermuten“ und muss diese nicht getrennt nachweisen.“ ^[9] Nachweispflicht entsteht nur, wenn von den bestehenden Normen abgewichen wird. Harmonisierte Normen sind unterteilt in Typ A-, B- und C-Normen, abhängig von ihrem behandelnden Inhalt.

Typ A-Normen: Grundbegriffe, Gestaltungsleitsätze und allgemeine Aspekte

Typ B-Normen: ausgewählte Aspekte für mehrere ähnliche Maschinen

Typ C-Normen: detaillierte Sicherheitsanforderungen für bestimmte Maschinen^[10]

Die verschiedenen Normentypen sind aufeinander aufbauend und werden je nach Normentyp spezifischer, jedoch immer in Abhängigkeit der übergeordneten Normen. Dies ist in Tabelle 1 bereits ersichtlich, die Maschinerichtlinie ist die übergeordnete und von der EU verabschiedete. Mit der DIN EN ISO 12100, einer Typ A-Norm werden zunächst allgemeine und übergreifende Sicherheitsgrundlagen erläutert. Die DIN Normen des Typs B behandeln Maschinengruppen, in diesem Fall Sicherheit in Steuerungen, sie beziehen sich auch inhaltlich auf die übergeordneten Normen und Richtlinien, und erweitern deren Anforderungen. Mit dem spezifischsten Normentyp C gelistet wird die DIN EN ISO 10218, die sich explizit auf Sicherheit bei Industrierobotern spezialisiert. Unterstützt wird diese zusätzlich von einer technischen Spezifikation ISO/TS 15066, die mit der Festlegung auf kollaborierende Roboter, die detailreichsten Informationen liefert. Da alle Normen voneinander abhängig sind, muss auch immer in den jeweils höheren nach relevanten Informationen geschaut werden und es kann nicht nur die spezifischste Version verwendet werden.

2.1 Allgemeine Maschinenrichtlinien und Vorgehensweisen

Grundlage für die meisten Sicherheitsmaßnahmen ist die Maschinenrichtlinie der Europäischen Union (2006/42/EG). Darin werden Basisanforderungen definiert, um die Sicherheit von Maschinen zu gewährleisten. Die nationale Umsetzung in Deutschland erfolgt durch das Produktsicherheitsgesetz, dass Sicherheitsanforderungen von technischen Arbeitsmitteln und Verbraucherprodukten festlegt. Die Regelungen orientieren sich an der Maschinenrichtlinie, weshalb der Bezug im Folgenden weiter auf der Maschinenrichtlinie bleibt.

Die Richtlinie unterscheidet in „Maschinen“ und „unvollständige Maschinen“. Letztere werden beschreiben als „…eine Gesamtheit, die fast eine Maschine bildet, für sich genommen aber keine bestimmte Funktion erfüllen kann. […] Eine unvollständige Maschine ist nur dazu bestimmt, in andere Maschinen oder in andere unvollständige Maschinen oder Ausrüstungen eingebaut oder mit ihnen zusammengefügt zu werden, um zusammen mit ihnen eine Maschine im Sinne dieser Richtlinie zu bilden“. ^[11] Da Industrieroboter ohne konkretes Einsatzziel produziert werden und durch unterschiedliche Werkzeuge und Software-Programmierungen verschiedene Aufgaben übernehmen können, sind sie in der Kategorie der unvollständigen Maschinen einzuordnen. Bei diesen ist die Möglichkeit für den Hersteller Gefahren und Verletzungsrisiken im Voraus zu definieren und zu minimieren nur beschränkt möglich. Unvollständigen Maschinen müssen neben den technischen Unterlagen (siehe Anhang VII Teil B der Maschinenrichtlinie), auch eine Einbauerklärung und Montageanleitung vom Hersteller beigefügt haben. Die EG-Konformitätserklärung sowie das CE-Kennzeichen hingegen sind nicht Bestandteil der Dokumente von unvollständigen Maschinen.^[12] Dies bedeutet, dass für jede später individuell zusammengesetzte Maschine eine eigene Risikoanalyse, Überprüfung und Umsetzung von Sicherheitsmaßnahmen stattfinden muss, um eine CE-Kennzeichen zu erhalten. Dabei ist der Aufbau als Ganzes zu betrachten und nicht nur bspw. der einzelne Roboter oder die Sensorik getrennt. Grundlage dafür ist, dass es nicht den einen sicheren Roboter gibt, sondern der Umgebungsaufbau, anhängende Konstruktionen, vom Roboter verwendete Werkzeuge und für kollaborierende Roboter explizit die Position und Bewegungen des Menschen die Sicherheit maßgeblich beeinflussen und die Sicherheitsanforderungen dadurch bestimmen.^[13]

Der Hersteller hat, auch wenn er keine CE-Kennzeichnung mitliefert, die Verpflichtung eine Risikobeurteilung und anhand dessen geeignete Maßnahmen zu erarbeiten um das Sicherheitsrisiko zu minimieren. Die DIN Norm DIN EN ISO 12100 - Sicherheit von Maschinen - Allgemeine Gestaltungsleitsätze - Risikobeurteilung und Risikominderung beinhaltet die Basis zur Vorgehensweise. Inhaltlich werden Begriffsdefinitionen, allgemeine Gestaltungsleitsätze und Methoden dargestellt, um grundlegende Sicherheit in der Konstruktion von Maschinen zu erhalten. Dabei wird die gesamte Lebensdauer einer Maschine berücksichtigt und direkte Maßnahmen zur Risikobeurteilung mit Beispielen für die einzelnen Phasen beschrieben. Um die vorgesehene Funktion für die gesamte Lebensdauer der Maschine durchführen zu können, ohne dabei untolerierbar hohe Risiken entstehen zu lassen, liegt die Aufgabe der Sicherheit und dafür Risikovermeidung laut ISO 12100 beim Konstrukteur.^[14]

Die Risikobeurteilung wird, wie auch in vielen anderen Bereichen der Industrie, als Kreislauf von Risikoanalyse, -einschätzung und –minderung beschrieben, siehe Abbildung 3. In jeder Runde werden die verbesserten Maßnahmen bei einer erneuten Bewertung mitberücksichtigt und die Risikobeurteilung ist erst beendet, wenn alle Risiken ausreichend gemindert sind. Die Detaillierung erfolgt hier nur im Hinblick auf Besonderheiten im Rahmen der Norm und für kollaborierende Roboter, da der generelle Ablauf einer Risikobeurteilung bekannt ist. Zur vollständigen Risikoanalyse und –einschätzung ist es notwendig einer gewissen Struktur folgen zu können und gleiche Bewertungskriterien zu verwenden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - Ablauf einer Risikobeurteilung^[15]

Dafür ist ein strukturiertes Vorgehen bei der Festlegung der Grenzen des zu betrachtenden Systems und der Identifizierung von möglichen Risiken notwendig. Die Einschätzung des Risikos bezüglich des Ausmaßes eines Schadens und der Eintrittswahrscheinlichkeit sind sinnvolle Parameter, die bewertet werden müssen.

[...]

^[1] Vgl. VDMA, (2014), S.1

^[2] Deutsches Institut für Normung e.V., (2012) „DIN EN ISO 10218-1:2012-01“ 3.4 Kollaborierender Betrieb

^[3] Bischoff, Guhl, (2009), S.9

^[4] Weller, R., (o.D.)

^[5] Vgl. Shen, (2015), S.17

^[6] Shen, (2015), S.17

^[7] Schenk, M., (o.D.), S.1

^[8] Vgl. Shen, (2015), S.17-18

^[9] VDMA, (2014), S.3

^[10] Vgl. Mössner, (2012), S.26

^[11] Europäisches Parlament, (2006) Maschinenrichtlinie 2006/42/EG, Artikel 2g, S.17

^[12] Vgl. DGUV Test, (2016)

^[13] Vgl. VDMA, (2014), S.2

^[14] Vgl. Agerer, (o.D.) „DIN EN ISO 12100 - Sicherheit von Maschinen“

^[15] Vgl. Agerer, (o.D.) „Eine Risikobeurteilung erstellen“