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Sicherheit bei MRK-Anwendungen

20. August 2019, von Jörg Ertelt

Interview mit Jörg Ertelt, Gründer und Inhaber von HELPDESIGN sowie Dozent des Seminars „Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK): Aber sicher!“ der WEKA Akademie GmbH

Welche Schutzmaßnahmen gibt es?

Im Zusammenhang mit MRK-Anwendungen teilen sich Mensch und Roboter einen gemeinsamen Arbeitsraum, den sogenannten Kollaborationsraum. Dabei kommt es zwangsläufig zu Situationen, in denen der Mensch ungewollt mit dem Roboter kollidiert. Der mögliche Schaden für den Menschen muss deshalb auf ein akzeptables Maß reduziert werden. Anders ausgedrückt: Das Risiko einer Gefährdung, z.B. Stoß, muss soweit minimiert werden, dass das Risiko akzeptiert werden kann.

Die DIN ISO/TR 15066 beschreibt im Abschnitt 5.5 „Kollaborierender Betrieb“ folgende Schutzmaßnahmen:

  • Sicherheitsbewerteter überwachter Halt
    Bei dieser Maßnahme wird der Roboter sicher stillgesetzt, wenn ein Mensch den Kollaborationsraum betritt. Der Roboter nimmt seine Tätigkeit erst dann wieder auf, wenn der Mensch den Kollaborationsraum verlassen hat. Anders ausgedrückt: Solange sich ein Mensch im Kollaborationsraum aufhält, verharrt der Roboter in sicherer Position.
  • Handführung
    Bei dieser Maßnahme benutzt der Mensch eine handbetätigte Einrichtung, z. B. einen Griff in der Nähe des Endeffektors, um Bewegungsbefehle an den Roboter zu übermitteln. Der Mensch hat seine Sicherheit also in der Hand – im wahrsten Sinne der Bedeutung. Roboterbewegungen finden nur statt, wenn der Mensch es will. Gleichwohl besteht während der Roboterbewegung die Gefahr der Kollision.
  • Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung
    Bei dieser Maßnahme werden Robotergeschwindigkeit und der Abstand des Roboters zum Menschen überwacht. Wird der Sicherheitsabstand unterschritten, stoppt der Roboter. Durch Reduzierung der Geschwindigkeit kann auch der Sicherheitsabstand entsprechend reduziert werden.
  • Leistungs- und Kraftbegrenzung
    Bei dieser Maßnahme wird die Roboterleistung und -kraft sicher auf ein vertretbares Maß begrenzt, um im Fall der Kollision von Mensch und Roboter das Risiko einer Gefährdung auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. Hierbei wird zwischen quasistatischen und transienten Kontakten unterschieden. Beim sogenannten quasistatischen Kontakt wird ein Körperteil des Menschen zwischen einem beweglichen Teil des Robotes und einem beweglichen bzw. feststehenden Teil des Robotersystems eingeklemmt. Beim sogenannten transienten Kontakt wird ein Körperteil des Menschen zwar nicht eingeklemmt, kann aber vom beweglichen Teil des Roboters abprallen. Hilfreich ist in diesem Zusammenhang ist Anhang A der DIN ISO/TR 15066, der ein Körpermodell des Menschen enthält und biomechnische Grenzwerte für den quasistatischen und transienten Kontakt definiert.

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Es bleibt bestimmt trotzdem ein restliches Kollisionsrisiko – Welche Verletzungen sind möglich?

Die Restgefahren bzw. Restrisken ausschließlich auf das Kollisionsrisiko zu reduzieren, greift zu kurz. Sicherlich ist die Kollision ein wichtiger Aspekt. Allerdings ist der Mensch wie er eben ist: Mit zunehmender Arbeitsdauer lässt die Konzentration nach. Da bleibt die körperliche Begegnung mit dem Roboter nicht aus. Die Kollision kann aber auch auf ein Fehlverhalten basieren, weil der Mensch „eben mal schnell“ den Bewegungsbereich des Roboters kreuzt, um noch etwas zu erledigen. Verletzungen können eventuell blauen Flecken verursachen. Ein größeres Schadensausmaß ist ohnehin nicht zulässig. Sonst wäre das MRK-Konzept absurdum geführt.

Andere Verletzungen sind aber nicht ausgeschlossen. So kann der Mensch Schnittverletzungen oder Verbrennnungen erleiden. Diese Verletzungen gehen in der Regel mit den Arbeitsaufgaben einher und werden durch den Gegenstand, der vom MRK-Roboter gehandhabt wird, verursacht.

Welche gesetzlichen Richtlinien und Normen sollen für die notwendige Sicherheit sorgen?

Bei MRK-Anwendungen ist zunächst einmal die Maschinenrichtlinie zu nennen. Im Anhang I werden die grundlegenden sowie zusätzlichen Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen (G+ZSGA) genannt, die bei einer MRK-Lösung umzusetzen sind. Konzeptbedingt sind diese G+ZSGA sehr allgemein gehalten, sodass sie konkretisiert werden müssen.

Die Konkretisierung der G+ZSGA erfolgt üblicherweise mit Hilfe der folgenden harmonisierten Normen zur Maschinenrichtlinie 2006/42/EG:

  • EN ISO 10218-1 Industrieroboter – Sicherheitanforderungen – Teil 1: Roboter (ISO 10218-1:2011), 5.10 Anforderungen an den kollaborierenden Betrieb
  • EN ISO 10218-2 Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 2: Robotersysteme und Integration (ISO 10218-2:2011), 5.7.4 Handführung von Robotersystemen (Kollaborierende Roboter), 5.11 Kollaborierender Roboterbetrieb und Anhang E (informativ) Schemata für Anwendungen mit kollaborierenden Robotern

Diese Normen reichen allerdings nicht aus, weil sie beispielsweise keine konkreten Werte zu erlaubten Grenzen für den quasistatischen und transienten Kontakt enthalten. Ein weiteres Regelwerk schließt diese Lücke. Dabei handelt es sich um die DIN ISO/TS 15066 Roboter und Robotikgeräte – Kollaborierende Roboter (ISO/TS 15066:2016).

Diese technische Spezifikation, die keine harmonisierte Norm ist, spezifiziert im Anhang A (informativ) Grenzen für den quasistatischen und transienten Kontakt, in dem biomechanische Höchstwerte für Druck und Kraft, bezogen auf unterschiedliche Stellen am menschlichen Körper festgeschrieben sind.

Sind diese für Sie ausreichend?

Die biomechanischen Höchstwerte für Druck und Kraft sind bestenfalls ein Näherungswert, um schwere Verletzungen mit MRK-Anwendungen zu vermeiden. Oder positiv formuliert: Um die sichere MRK-Anwendung zu ermöglichen.

In Bezug auf die vorgestellten Höchstwert weist der technische Standard ausdrücklich auf deren Einschränkung hin:

„Diese biomechanischen Werte sind das Ergebnis der von der Universität Mainz zu Schmerzeintrittsgrenzen durchgeführten Studie. Obwohl diese Forschungsarbeit unter Anwendung von Prüftechniken auf dem neuesten Stand der Technik durchgeführt wurde, sind die hier dargestellten Werte das Ergebnis einer einzelnen Studie in einem Fachgebiet, das noch nicht umfangreich erforscht ist. Es wird erwartet, dass in Zukunft weitere Studien durchgeführt werden, die zu einer Änderung dieser Werte führen könnten. Die Prüfung wurde mit 100 gesunden erwachsenen Versuchspersonen an 29 spezifischen Körperbereichen durchgeführt und für jeden der Körperbereiche wurden durch Auswertung der Schmerzschwellen Druck- und Kraftgrenzwerte für den quasistatischen Kontakt ermittelt. Die hier angeführten Werte für den maximal zulässigen Druck stellen das 75. Perzentil des Bereichs von aufgezeichneten Werten für einen spezifischen Körperbereich dar. Sie entsprechen dem Druck, dessen Aufbringen zu einer dem Schmerzeintritt entsprechenden Empfindung an einem spezifischen Körperbereich führt.“

Außerdem: „Die Werte für die maximal zulässige Kraft wurden aus einer von einer unabhängigen Organisation durchgeführten Studie abgeleitet, die sich auf 188 Quellen bezieht. Diese Werte beziehen sich nur auf die Körperregionen, nicht auf spezifischere Bereiche. Die maximal zulässige Kraft beruht auf den Kriterien für die geringste Energieübertragung, die zu einer leichten Verletzung, wie z. B. einem Bluterguss, führen kann, was einem Schweregrad von 1 auf der von der Association for the Advancement of Automotive Medicine erstellten vereinfachten Verletzungsskala (en: Abbreviated Injury Scale, AIS) entspricht. Die Einhaltung der Grenzwerte verhindert das Auftreten von Penetrationen der Haut oder von Weichteilgewebe, die von blutigen Wunden, Brüchen oder anderen Skelettschäden begleitet sind, und dient dazu, AIS 1 zu unterschreiten. Sie werden in Zukunft durch Werte aus Forschungsarbeiten ersetzt, die spezifischer für kollaborierende Roboter sind.“

Bieten diese Rechtsvorschriften auch genügend Planungssicherheit für Hersteller und Betreiber?

Ausgehend von der gesetzlichen Verpflichtung, wonach Hersteller nur sicherer Produkte auf dem Markt bereitstellen dürfen, stellt sich dieses Frage nicht. Entweder ist ein Produkt sicher, oder eben nicht. Die erforderlichen Maßnahmen für die Umsetzung der Sicherheit werden mit der Risikobeurteilung ermittelt. Regelwerke wie DIN ISO/TR 15066 geben Anhaltspunkte, wie Sicherheit umgesetzt werden kann.

Wenn die Risikobeurteilung eines Herstellers ergibt, dass eine MRK-Anwendung nach Umsetzung der Schutzmaßnahmen sicher ist, darf er sie auf dem Markt bereitstellen – sonst nicht. Der Stand der Technik sowie der Stand der Wissenschaft und Technik kann sich in Bezug auf MRK-Anwendungen relativ rasch weiterentwickeln, ohne dass er in Rechtsvorschriften gleich Einzug hält. Dies muss vom Hersteller berücksichtigt werden. Das ist aber keine spezielle Anforderungen in Bezug auf MRK-Anwendungen, sondern eine generelle Verpflichtung von Herstellern, diese Aspekte bei der Produktentwicklung einfließen zu lassen.

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Wie sieht generell die Rechtslage im Falle von Verletzungen aus? Wer haftet? Gibt es Regressansprüche?

Der Hersteller ist nach wie vor derjenige, der im Schadensfall haftbar gemacht werden kann. Allerdings gibt es noch den Gegenpart, nämlich den Betreiber der MRK-Anwendung. Der Betreiber nimmt in Bezug auf die MRK-Sicherheit eine mindestens ebenbürtige Rolle ein. Per Gefährdungsbeurteilung muss er Gefährdungen ermitteln und deren Risiken einschätzen, um ggf. geeignete Maßnahmen zu ergreifen. Erst das nahtlose Zusammenwirken von Hersteller und Betreiber ergibt eine sichere MRK-Anwendung.

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