Mithilfe sicherer Steuerungen lassen sich alle Bewegungen des Roboters gezielt überwachen. Eine zu hohe Geschwindigkeit, eine unerlaubte Position oder eine Kollision führt zum sofortigen Stillstand. Über sichere Sensoren erkennt die Robotersteuerung, wo sich Menschen oder Objekte befinden. Der Roboter kommt ihnen nicht zu nahe oder weicht ihnen aus.

Trotz technischer Schutzmaßnahmen kann es bei der MRK zum direkten Kontakt zwischen Roboter und Mensch kommen. Ausgangspunkt der biomechanischen Anforderungen ist, dass mechanische Belastungen an unterschiedlichen Körperteilen zu unterschiedlichen Beanspruchungen führen. Bei Kollisionen zwischen dem Roboter und einer Person werden bestimmte Körperbereiche elastisch-plastisch verformt. Dabei entsteht am Körper eine sich dynamisch ändernde dreidimensionale Kollisionsfläche, über die partielle dynamische Kräfte und Drücke übertragen werden. Sie bestimmen gemeinsam das Beanspruchungspotenzial. Daher werden in den Normen Grenzwerte für die Beanspruchungskriterien „Kraft“ (als Klemm-/Quetsch- oder Stoßkraft) und „Druck/Flächenpressung“ festgelegt.

Heute müssen Grenzwerte am konkreten Roboterarbeitsplatz eingehalten und überprüft werden. Alle als kritisch identifizierten Kollisionsvorgänge werden gemessen und anhand der Grenzwerte bewertet. Die biomechanisch-physikalischen Merkmale einer Person, die im Kollaborationsraum einem Kollisionsrisiko ausgesetzt ist, sind Körpersteifigkeit, Trägheit der Körpermassen sowie Eigenbewegung. Diese Merkmale sind für die Validierung durch ein mechanisch menschenähnliches Messgerät zu simulieren.

PC-gesteuertes Mess- und Auswertesystem

Als Belastungsgrößen haben sich die eingeprägte Kraft und die Druckverteilung mit lokalen Druckspitzen in der Kollisionsfläche etabliert. Bei der Prüfung werden die gemessenen Kräfte und Drücke mit den Grenzwerten verglichen und am Roboter eingestellt. Da in den Betrieben kein Roboter mit Testpersonen überprüft werden darf, wurden inzwischen geeignete Messgeräte entwickelt.

Wirtschaftliche und aussagekräftige Messungen bietet der TÜV Süd Industrie Service an. Der Prüfdienstleister hat dafür ein eigenes System weiterentwickelt und im Praxiseinsatz. Das elektronische Mess- und Dokumentationsverfahren ermittelt die Stoßkraft mittels Federn mit verschiedenen Federraten, die in den Kraftaufnehmer des Messsystems eingebaut werden. Die Federraten spiegeln die Verformungskonstanten des entsprechenden Körperteils wider. Mithilfe des Druckmessfoliensystems Fuji Prescale werden Auftreffpunkte und -flächen am Körper bestimmt. Eine Gummiauflage simuliert die Hautoberfläche, die Druckmessfolie dient zum Ausmessen der Aufschlagfläche. Mittels Datenlogger werden die gewonnenen Werte zur Dokumentation gespeichert.

Das Prüfsystem hat sich bei einem saarländischen Automobilzulieferer bewährt: Bei einer Anwendung besteht das Risiko von einem Roboter am Kopf, am Oberkörper und an den oberen Extremitäten getroffen zu werden. Für mögliche Kopftreffer muss das Messsystem mit einer Federkonstante von 75 N/m bestückt werden. Die für den Kopfbereich maximal zulässige Stoßkraft liegt bei 90 N und eine Flächenpressung von 20 N/cm². Beide Werte stellen die medizinisch-biomechanischen Anforderungen dar. Der Messwert für die Stoßkraft betrug hier 231 N, die Kraft verteilte sich auf 7 cm². Dies entspricht einer Flächenpressung von 33 N/cm².

Da der Roboter so die Anforderungen nicht erfüllte, waren Zusatzmaßnahmen erforderlich. So wurde beispielsweise die Kraft des Roboters begrenzt, die Geschwindigkeit reduziert und die Aufschlagfläche vergrößert. Durch diese Maßnahmen lässt sich der Roboter nun sicher zusammen mit den Facharbeitern einsetzen.

Technik im Detail

Sicherheitsanforderungen für Cobots – die Norm ISO/TS 15066

Die neue ISO/TS 15066 benennt Grenzwerte für Schmerzeinwirkungen, die durch die Kollision mit einem kollaborierenden Roboter auftreten können an 29 Körperstellen – im Kopfbereich, dem Ober- und Unterkörper sowie den oberen und unteren Extremitäten. Grundlagen für die ermittelten Werte sind eine Literaturstudie des IFA (Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung DGUV) sowie Untersuchungen zu Schmerzempfindungen mit Probanden an der Universität Mainz. Die so ermittelten biomechanischen Grenzwerte gelten jedoch nur für den statischen Kontakt – bei einer dynamischen Kollision sind sie doppelt so hoch anzusetzen. Untersuchungen, die eine dynamische Kollision betreffen, werden vom Frauenhofer IFF in Magdeburg vorgenommen und sollen nachträglich in die ISO/TS 15066 einfließen.

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