Sichere Zusammenarbeit Wie Mensch und Roboter automatisiert zusammen arbeiten

Damit Mensch und Roboter sicher zusammenarbeiten sind kostspielige Messungen nach ISO/TS 15066 notwendig. Leichter und effizienter ist es mit einer Simulationsumgebung.

In der hochautomatisierten Fabrik arbeiten Menschen zusammen mit Robotern. Dabei sind beide gleichberechtigte Partner und müssen sich vertrauen können. Deshalb spielt Sicherheit eine große Rolle. Mit Computer-Aided-Safety definiert das Fraunhofer IFF eine neue Generation von Werkzeugen und -methoden, die speziell auf die Planung von MRK-Applikationen zugeschnitten sind. Sie lassen sich nahtlos in Expertenprogramme Dritter integrieren und für den Planungsprozess bereitstellen.

Zusammenarbeit ohne Kollision

In der Produktion der Zukunft arbeiten Menschen mit kollaborierenden Robotern (Cobots) noch enger zusammen als bisher. Bei dieser Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) steht die Sicherheit an erster Stelle. Die Betriebsart Leistungs- und Kraftbegrenzung (nach ISO/TS 15066) hat den besonderen Vorzug, dass sie die Automatisierung von manuellen Tätigkeiten direkt an der Seite von Menschen ermöglicht – und das ganz ohne Zäune.

Bislang sind kostspielige Kollisionsmessungen am Roboter notwendig. Mit ihnen lässt sich prüfen, ob ein Cobot im Falle einer Kollision mit Menschen die biomechanischen Grenzwerte aus ISO/TS 15066 einhält. Eine Alternative haben Experten des Fraunhofer IFF entwickelt: Der Prüfvorgang wir mit Simulationen vollständig automatisiert.

Die Absicherung eines Cobot soll damit einfacher und günstiger werden. Der SafeyPilot lässt sich wahlweise auch in eine Simulationsumgebungen dazu nutzen, eine frühzeitige Wirtschaftlichkeitsbetrachtung vorzunehmen. Das verhindert Planungsfehler und spart Kosten sowie Aufwand beim Engineering.

Wie die Zusammenarbeit geplant wird

Die ISO/TS 15066 unterstützt sowohl Anwender als auch Integratoren, um Gefahren von Verletzungen an einem kollaborativem Robotersystem zu vermeiden. Insgesamt sind vier Betriebsarten zu unterscheiden. Davon genießen zwei aktuell einen hohen Stellenwert:

• Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung sowie

• Leistungs- und Kraftbegrenzung

Mit den beiden Betriebsarten sind kollaborative Roboter uneingeschränkt zugänglich und eignen sich somit für die flexible Produktion. Mit geeigneten Messmitteln lassen sich Bremswege oder Kollisionskräfte erfassen. Allerdings erfolgen die Messungen immer am vollständig aufgebauten und programmierten Robotersystem. Es entscheidet immer die Messung am Roboter, ob die Geschwindigkeiten und Sicherheitsanforderungen für die jeweilige Situation stimmen oder ob der Roboter drastisch verlangsamt werden muss.

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Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

In der Betriebsart Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung ist der physische Kontakt zwischen Mensch und Roboter ausgeschlossen. Weniger Risiko erreicht man, indem der Roboter einen Mindestabstand zum Menschen einhält. Unterschreitet er diesen, muss der Roboter stoppen und kann erst wieder anlaufen, sobald der Abstand wiederhergestellt ist. Der notwendige Sicherheitsabstand berechnet sich nach einer Formel, die ISO/TS 15066 vorgibt.

• Bremsverhalten des Roboters,

• Annäherungsgeschwindigkeit des Menschen und

• Auflösungsvermögen der Sicherheitssensoren.

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Leistungs- und Kraftbegrenzung

In der Betriebsart Leistungs- und Kraftbegrenzung ist der physische Kontakt zwischen Mensch und Roboter erlaubt. Verletzungsgefahren durch Kollisionen werden durch die Einhaltung der biomechanischen Belastungsgrenzen aus ISO/TS 15066 vermieden. Derzeit steht dem Systemintegrator kein Hilfsmittel zur Verfügung, um im Vorfeld eine sichere Geschwindigkeit abzuschätzen.

Für diese Situation stellt das Modul Leistungs- und Kraftbegrenzung eine Funktion bereit, die jede Bewegung des Roboters hinsichtlich ihres Gefahrenpotentials bewertet. Der Planer gibt hierzu an, welche Körperteile des Menschen gefährdet sind. Daraufhin ermittelt die Funktion eine Geschwindigkeit, mit welcher der Roboter in der jeweils betrachteten Situation die Grenzwerte nach ISO/TS 15066 einhält.

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