Kollaborative Roboter (Cobots) sollen mit Menschen zusammenarbeiten und eine flexible Produktion in Industrie 4.0-Fabriken unterstützen. Im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern sind Cobots einfacher, einfacher einzurichten und erfordern keine sicher isolierten Arbeitsbereiche. Da sie für die Zusammenarbeit mit Menschen konzipiert sind, sind Cobots anders gebaut als andere Industrieroboter und verfügen unter anderem über Funktionen wie Kollisionserkennungssysteme, Force-Feedback, elastische Aktuatoren und Servomotoren mit geringer Trägheit.
Da sie sich konstruktionsbedingt unterscheiden, wurden für Cobots spezifische Sicherheitsstandards entwickelt. Die Technische Spezifikation der International Organization for Standardization (ISO/TS) 15066 spezifiziert Sicherheitsanforderungen für industrielle Cobots und ihre Arbeitsumgebungen. Es ergänzt die Anforderungen und Leitlinien zum Cobot-Betrieb in ISO 10218-1 und ISO 10218-2.
Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Anforderungen von ISO/TS 15066 und wie sie mit ISO 10218-1 und 10218-2 harmonieren. Anschließend werden die Komplexitäten der Zusammenarbeit berücksichtigt, einschließlich der Definition des kollaborativen Arbeitsbereichs. Es untersucht Faktoren im Zusammenhang mit der Robotersicherheit, wie etwa in Cobots integrierte Sicherheitsfunktionen, und welche externen Sicherheitsfunktionen benötigt werden, zusammen mit beispielhaften Geräten wie Näherungssensoren, Lichtvorhängen und Sicherheitskontaktmatten. Es schließt mit einem kurzen Überblick über einige Anwendungen, die sich speziell auf die Sicherheit von Cobots beziehen.
Es gibt mehrere wichtige Sicherheitsstandards für Industrieroboter und Cobots. ISO/TS 15066 beschreibt die Sicherheitsanforderungen für industrielle Cobot-Systeme und die Arbeitsumgebung und wurde geschrieben, um auf den begrenzten Anforderungen früherer Standards wie der ISO 10218-Reihe aufzubauen und diese zu ergänzen. ISO 10218-1 konzentriert sich auf allgemeine Roboter und Robotergeräte, während ISO 10218-2 sich auf Robotersysteme und -integration konzentriert. R15.06 des American National Standards Institute/Robotics Industry Association (ANSI/RIA) ist eine nationale Übernahme von ISO 10218-1 und ISO 10218-2.
Komplexität der Zusammenarbeit
Bevor wir uns mit den Details der Cobot-Sicherheit befassen, ist es hilfreich, die Zusammenarbeit zu definieren. Die Zusammenarbeit in der Robotik ist komplex und umfasst drei Faktoren:
- Ein Cobot ist laut ANSI/RIA R15.06 ein „Roboter, der für die direkte Interaktion mit einem Menschen innerhalb eines definierten kollaborativen Arbeitsbereichs konzipiert ist“.
- Ein kollaborativer Vorgang ist ein „Zustand, in dem ein speziell entwickeltes Robotersystem und ein Bediener in einem kollaborativen Arbeitsbereich arbeiten“, gemäß ISO/TS 15066.
- Schließlich ist ein kollaborativer Arbeitsbereich der „Arbeitsbereich innerhalb des geschützten Raums, in dem der Roboter und ein Mensch während des Produktionsbetriebs gleichzeitig Aufgaben ausführen können“, gemäß ANSI/RIA R15.06.
Es kommt auf die Definition des kollaborativen Arbeitsbereichs „innerhalb des geschützten Raums“ an. Der geschützte Raum umfasst zusätzlich zu den standardmäßigen Sicherheitsfunktionen des Cobots eine Sicherheitsebene.
Zu den üblichen in Cobots integrierten Schutzfunktionen gehören Kontakterkennungssysteme, die auf Drehmomentmessungen an jedem Gelenk basieren und auf unerwartete Stöße, Hindernisse oder übermäßige Kräfte oder Drehmomente achten. Es sollten auch automatische Bremssysteme und manuelle Bremsfreigaben vorhanden sein, um den Arm ohne Strom zu bewegen.
Besonders besorgniserregend ist der unerwartete Kontakt des Cobots mit der Person. Die Standards schreiben vor, dass jeglicher Kontakt mit dem Kopf einer Person verhindert werden sollte. Darüber hinaus unterteilt die Norm den Körper in 29 spezifische Bereiche und legt Einschränkungen für zwei Arten von Kontakt fest:
- vergänglich Kontakt ist ein bewegtes, dynamisches Ereignis, bei dem der Cobot eine Person trifft. Einschränkungen basieren auf Standort, Trägheit und relativer Geschwindigkeit.
- Quasistatisch Kontakt entsteht, wenn ein Körperteil zwischen dem Cobot und einer Oberfläche eingeklemmt wird. Einschränkungen basieren auf Druck und Kraft im Zusammenhang mit Quetsch- und Klemmeffekten.
Die Spezifikation bietet Orientierungshilfen, keine absoluten Grenzwerte, basierend auf Anwendungsüberlegungen. Darin heißt es außerdem, dass die Leitlinien informativ seien und aktuelle Best Practices widerspiegeln, da die Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern ein neues Feld sei und die Forschung noch nicht abgeschlossen sei.
Kontinuum der Zusammenarbeit
Es gibt keine einzelne kollaborative Anwendung. Menschen und Cobots können auf vielfältige Weise interagieren und zusammenarbeiten. Kollaborative Anwendungen reichen von der Koexistenz, bei der ein Roboter unter Strom stoppt, wenn eine Person den kollaborativen Arbeitsbereich betritt, bis hin zu einer interaktiven Aktivität, bei der die Person den Cobot während des Betriebs berührt (Abbildung 1).
Um den Sicherheitsbedarf einzelner kollaborativer Anwendungen zu ermitteln, ist eine Risikobewertung erforderlich. Dazu gehört die Identifizierung, Bewertung und Reduzierung der mit der Anwendung verbundenen Gefahren und Risiken. ISO 10218 enthält eine Liste von Sicherheitsmerkmalen, die unter verschiedenen Umständen angemessen sein können, jedoch keine endgültigen Anforderungen. ISO/TS 15066 bringt zusätzliche Details zur Risikobewertung von Cobots. Das Ziel der Risikobewertung besteht jeweils darin, externe Sicherheitsvorrichtungen und -systeme zu identifizieren, die für die sichere Umsetzung kollaborativer Anwendungen erforderlich sind.
Für einen tieferen Einblick in die Risikobewertung und Roboter lesen Sie den Artikel „Sichere und effiziente Integration von AMRs in Industrie 4.0-Abläufe für maximalen Nutzen“.
Schutz und Effizienz
Während Cobots auf einen sicheren Betrieb ausgelegt sind, können zusätzliche Schutzschichten die Effizienz kollaborativer Anwendungen verbessern. Ohne zusätzliche Sicherheit schreibt ISO/TS 15066 eine maximale Geschwindigkeit von 0.25 Metern pro Sekunde (m/s) pro Achse vor, wenn eine Person den kollaborativen Arbeitsbereich betritt. Für die meisten Cobots ist das sehr langsam.
Beispielsweise verfügt der Lexium-Cobot LXMRL12S0000 von Schneider Electric über eine maximale Nutzlast von 12 Kilogramm (kg), einen Aktionsradius (Arbeitsbereich) von 1327 Millimetern (mm), eine Positionierungsgenauigkeit von ±0.03 mm und eine maximale Geschwindigkeit des Werkzeugendes von 3 Metern pro Sekunde (m/s), 12-mal schneller als das von ISO/TS 15066 zulässige Maximum, wenn sich eine Person im kollaborativen Arbeitsbereich befindet (Abbildung 2).
In vielen Anwendungen kann der Cobot über längere Zeiträume alleine arbeiten. Wenn also die Anwesenheit oder Abwesenheit von Personen im kollaborativen Arbeitsbereich erkannt wird, kann dies einen wesentlich schnelleren Betrieb und eine höhere Effizienz ermöglichen, wenn niemand anwesend ist. Zu den gängigen Geräten zur Erkennung der Anwesenheit von Personen gehören Sicherheitsscanner, Lichtvorhänge und Sicherheitskontakt-Fußmatten. Jede Technologie bietet unterschiedliche Vorteile und wird häufig in Kombination verwendet.
Sicherheitsscanner
Sicherheitsscanner überwachen einen bestimmten Bereich, um die Anwesenheit von Personen zu erkennen. Sie können ermitteln, wie weit eine Person entfernt ist und zusätzlich zur aktiven Sicherheitszone verschiedene Warnzonen einrichten.
Das Modell OS32C-SP1-4M von Omron ist ein gutes Beispiel für einen Sicherheits-Laserscanner, der für den Einsatz mit Cobots entwickelt wurde. Es verfügt über einen Sicherheitsradius von bis zu 4 Metern (m) und kann mehrere Warnzonen bis zu 15 m unterstützen. Es umfasst 70 Standardsätze von Sicherheitszonen- und Warnzonenkombinationen zur Unterstützung komplizierter kollaborativer Arbeitsbereiche. Darüber hinaus kann die minimale Objektauflösung auf 30, 40, 50 oder 70 mm eingestellt werden und die Reaktionszeit kann zwischen 80 Millisekunden (ms) und 680 ms liegen, was die Anwendungsflexibilität weiter erhöht (Abbildung 3).
Lichtvorhänge
Lichtvorhänge können die Anwesenheit von Personen messen und können so konzipiert werden, dass sie Objekte unterschiedlicher Größe, wie Finger oder Hände, erkennen. Im Gegensatz zu Sicherheitsscannern messen Lichtvorhänge keine Entfernungen. Sie senden eine Reihe von Lichtstrahlen zwischen linearen Sender- und Empfängerarrays und können erkennen, wenn ein Objekt einen oder mehrere Strahlen unterbricht.
In Bezug auf die Sicherheitsbewertungen gibt es zwei Hauptklassifizierungen für Lichtvorhänge: Typ 2 und Typ 4. Sie haben ein ähnliches äußeres Erscheinungsbild, sind jedoch darauf ausgelegt, unterschiedliche Sicherheitsniveaus zu bieten. Typ 4 überwacht den geschützten Bereich, der einen kollaborativen Arbeitsbereich definiert. Lichtvorhänge vom Typ 2 sind für Anwendungen mit geringerem Risiko konzipiert.
Lichtvorhänge schützen den Umkreis und sind mit mehreren Auflösungsstufen erhältlich, z. B. 14 Millimeter (mm) für die Fingererkennung und 24 mm für die Handerkennung. Das Modell SLC4P24-160P44 von Banner Engineering ist ein Lichtvorhang-Kit vom Typ 4 mit einem Sender- und Empfänger-Array und einer Auflösung von 24 mm zum Schutz von Menschen und Maschinen wie Cobots (Abbildung 4). Die Sender verfügen über eine Reihe synchronisierter modulierter Infrarot-Leuchtdioden. Empfänger verfügen über eine entsprechende Reihe synchronisierter Fotodetektoren. Die Strahler haben eine Reichweite von 2 Metern und diese Lichtvorhänge können in Längen von 160 bis 320 mm in Schritten von 80 mm installiert werden.
Sicherheits-Laserscanner und Lichtvorhänge bieten berührungslose Mittel zur Verbesserung der Sicherheit von kollaborativen Arbeitsbereichen. In optisch anspruchsvollen Umgebungen wie Bereichen mit stark reflektierenden Oberflächen, die unerwünschte Lichtinterferenzen senden können, kann es jedoch schwierig sein, sie zu verwenden, und sie können aufgrund von austretendem Öl oder Fett oder übermäßigem Staub oder hoher Feuchtigkeit auslösen.
Einige dieser optischen Sensoren verfügen über Empfindlichkeitsanpassungen, die dabei helfen können, bestimmte Arten von Störungen abzuschwächen. Diese Empfindlichkeitsanpassungen können auch zu längeren Reaktionszeiten und anderen Leistungseinbußen führen. Eine andere Lösung besteht darin, eine Sicherheitskontaktmatte zusammen mit optischen Sensorgeräten zu verwenden.
Sicherheitskontaktmatten
Sicherheitskontaktmatten bestehen aus zwei leitfähigen Platten, die durch eine gerasterte Isolierschicht getrennt sind, und können einzeln oder in Kombination mit anderen Sensortypen verwendet werden. Wenn eine Person auf die Matte tritt, wird die obere leitende Platte heruntergedrückt und berührt die untere Platte, wodurch ein Alarmsignal ausgelöst wird (Abbildung 5). Die Außenseite der Matten besteht aus einem rutschfesten Polyurethan-Material, das wasser-, schmutz- und ölunempfindlich ist. Die SENTIR-Matte Modell 1602-5533 von ASO Safety Solutions kann bis zu 10 Matten in Reihe an eine einzige Überwachungseinheit anschließen und so eine maximale Abdeckung von 10 m erreichen2.
Sicherheit liegt im Detail
Es gibt keine einheitliche Formel, die Sicherheit garantiert. Jede kollaborative Anwendung ist anders und muss auf der Grundlage ihrer einzigartigen Eigenschaften und Anforderungen gehandhabt werden. Ein Schlüsselfaktor ist: Wo liegt die Anwendung auf dem Kontinuum der Zusammenarbeit (siehe Abbildung 1)? Je enger die Interaktion zwischen Cobot und Mensch ist, desto mehr Schutz ist erforderlich.
Es sind weitere Details zu berücksichtigen. Einige davon sind:
- An jedem Standort muss eine detaillierte Risikobewertung durchgeführt werden, um festzustellen, ob der Cobot von Arbeitsplatz zu Arbeitsplatz bewegt wurde. Selbst wenn sie gleich zu sein scheinen, können kleine Abweichungen einen Unterschied in der Sicherheit machen.
- Wenn sich andere Maschinen im kollaborativen Arbeitsbereich befinden, müssen diese mit dem Abschaltsystem oder der Sicherheitsverlangsamung für den Cobot verbunden werden?
- Dieser Artikel hat sich auf sicherheitsrelevante Hardware konzentriert, aber bei vernetzten Systemen, die immer häufiger vorkommen, ist Cybersicherheit ein wichtiger Gesichtspunkt, um Störungen des Cobot-Betriebs oder der Sicherheitssysteme zu verhindern.
Zusammenfassung
Cobot-Sicherheit ist komplex. Es beginnt mit der Definition des kollaborativen Arbeitsbereichs innerhalb des geschützten Raums und erfordert eine Risikobewertung des kollaborativen Betriebs. Normen wie ISO/TS 15066 und die ISO 10218-Reihe sind wichtig und geben Empfehlungen und Richtlinien. Cobots umfassen grundlegende Sicherheitsfunktionen wie Kollisionserkennungssysteme, Force-Feedback, elastische Aktuatoren und Servomotoren mit geringer Trägheit. Abhängig von den Besonderheiten der kollaborativen Anwendung können zusätzliche Sicherheitsgeräte wie Näherungssensoren, Lichtvorhänge und Sicherheitskontaktmatten erforderlich sein.