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Kollaborierende Roboter (Cobots): Sicherheit, Arbeitsschutz, Normen

Alles zu kollaborativen Robotern - Für Hersteller und Betreiber

Industrieroboter, die sich einen Arbeitsraum ohne trennende Schutzeinrichtungen mit Menschen teilen, bezeichnet man als kollaborative Roboter oder kurz Cobot (engl.) Der englische Begriff Cobot setzt sich aus "Collaboration" und "Robot" zusammen. Seit Jahren bietet die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) neue Möglichkeiten in der Automation von Fabriken. In unmittelbarer Nähe arbeiten Roboter und Mensch gemeinsam bei Prozessen wie Montage oder Verpackung. Die Mensch-Roboter-Kollaboration ersetzt den Menschen nicht, sie verbindet die Vorteile beider Seiten. Roboter besitzen Kraft, Genauigkeit und Ausdauer, während der Mensch seine geistigen Fähigkeiten wie Urteilsvermögen, Kreativität und Erfahrung einbringt. 

Kollaborierende Roboter stehen für Sicherheit in der Industrie. Sie sind der nächste Schritt in der Automatisierung, die Robotik schafft Lösungen. Während die ersten Cobots noch durch einen Menschen gesteuert wurden, verfügen die heutigen Modelle über die Fähigkeit zu selbstständigen Bewegungen und Sensoren. Berührt der Roboter ein Hindernis, schaltet er sich automatisch ab. Dadurch werden Schutzeinrichtungen wie Zäune obsolet und Verletzungen beim Menschen trotzdem verhindert. Roboter, die spitze oder gefährliche Gegenstände bewegen, werden jedoch weiterhin in abgetrennten Bereichen eingesetzt, um das Risiko für den Menschen zu minimieren.

Besonders in der Automobilindustrie, also dem Zweig der Industrie, der in Bezug auf Automation stets ein Vorreiter war, haben sich die Robotik bzw. das Zusammenspiel von kollaborativem Roboter und Mensch bewährt. Um besser auf den Kundenbedarf bzw. die Nachfrage reagieren zu können, ist eine hohe Flexibilität notwendig. Große Roboter zur Massenproduktion weichen daher immer kleineren und leichteren Cobots, mit denen sich spontane Änderungen in der Produktion und die Herstellung von verschiedenen individualisierten Varianten umsetzen lassen. Die weltweit führenden Unternehmen der Automobil-Branche setzen auf diese Flexibilität und die Entlastung der (menschlichen) Arbeiter. Diese müssen weniger körperlich anstrengende Arbeit verrichten (schwere Lasten heben) und die Produktqualität wird erhöht.

Die Nachfrage nach kollaborierenden Robotern wächst, der Markt wird immer größer und innovativer. Industrieroboter können nachträglich zu Cobots umgerüstet werden, indem sie speziell abgesichert werden.

Die tatsächliche Enge der Zusammenarbeit von Mensch und Cobot hängt in der Praxis von der Anwendung ab. So gibt es neben der namensgebenden "Hand in Hand"-Arbeit auch Tätigkeiten, in denen Mensch und Roboter keinen gemeinsamen Arbeitsraum oder einen gemeinsamen Arbeitsraum zu unterschiedlichen Zeiten nutzen.

Kollaborierende Roboter: Sicherheit, Arbeitsschutz, Normen 

Kollaborierende Roboter arbeiten in unmittelbarer Nähe zum Menschen - ohne Zäune oder Käfige

 

Industrieroboter vs. Kollaborative Roboter: Die Unterschiede

Dass kollaborative Roboter auf dem Vormarsch in der Fertigungsindustrie sind, liegt vor allem an deren Flexibilität und Sicherheit.

Denn große, festgeschraubte Industrieroboter, die hinter einem Schutzzaun stehen und über Jahre eine identische Arbeit erledigen, sind für viele Arbeitsschritte ungeeignet oder ihr Einsatz schlicht unwirtschaftlich. Die leichteren Cobots lassen sich hingegen in der Produktionshalle von Standort zu Standort bewegen und können neue Arbeitsschritte lernen. Kollaborierende Roboter sind lernfähig und können die meisten Anforderungen der Unternehmen erfüllen. Die dadurch erreichte Flexibilität, unterschiedlichste Arbeiten entlang der Produktionslinie verrichten zu können, können die schweren, traditionellen Industrieroboter nicht gewährleisten. Unternehmen können so noch besser auf die Nachfrage am Markt reagieren. Kollaborierende Roboter bieten durch ihr Gesamtpaket hilfreiche Lösungen bei der Automation an.

Dank der Kameras und sensiblen Sensoren, die Berührungen sofort registrieren und den Cobot stoppen lassen, sind Schutzeinrichtungen wie Zäune und Käfige nicht mehr nötig. Bei drohender Gefahr für den Menschen unterbricht er seine Arbeit und kann daher problemlos inmitten von Menschen eingesetzt werden. Die günstigeren kollaborierenden Roboter haben zudem niedrigere Anschaffungskosten. Wer darüber nachdenkt, seinen Betrieb mit Robotern auszustatten, geht mit Cobots im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern den günstigeren Weg. Viele Hersteller bieten zudem immer wieder neue Softwareupdates, um ihre Cobots auf dem neuesten Stand zu halten. Eine Investition in ein Produkt, das womöglich nach kurzer Zeit wieder veraltet ist, kann so vermieden werden. Die Folgekosten für Wartung und Instandhaltung variieren selbstverständlich zwischen den Herstellern.

Cobots arbeiten mit dem Menschen zusammen, statt für ihn. Statt der räumlichen Trennung wird in den meisten Fällen eine echte Zusammenarbeit erreicht, in der der Cobot als Assistent des Menschen zur Geltung kommt und komplexe oder schwere Arbeiten erledigt, die nicht einfach automatisiert werden konnten. Die lernfähigen kollaborierenden Roboter können Gegenstände anheben und montieren, während der menschliche Arbeiter direkt daneben steht und wiederum andere Aufgaben erledigt. Das Endergebnis wird verbessert, wenn die menschliche Intelligenz gezielt für Aufgaben genutzt wird, die sich mit denen des Cobots perfekt ergänzen.

In den kommenden Jahren wird die Bedeutung der Robotik, vor allem der MRK (Mensch-Roboter-Kollaboration), für die Automation in der Industrie weiter zunehmen.

GESETZLICHE GRUNDLAGEN ZUR EINFÜHRUNG DER MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION IM UNTERNEHMEN

Arbeitsschutz gehört zu den wichtigsten Kriterien der Mensch-Roboter-Kollaboration. Seit die Robotik Einzug in die Industrie erhalten hat, wurde die Gefährdung, die von Robotern, egal ob von großen Industrie-Robotern oder Cobots, auf den Menschen ausgeht, durch Schutzeinrichtungen reduziert. Besonders in Deutschland nimmt die Dichte an Robotern immer weiter zu. Über die Hälfte der Maschinenbauer vertraut bereits auf Robotik, wodurch der erwähnte Arbeitsschutz immer komplexer wird. Schließlich sollen kollaborierende Roboter die Mitarbeiter in Industrie-Unternehmen unterstützen und nicht gefährden. Die Entwicklung der Robotik wird weiter voranschreiten, da Betriebe und Konzerne immer mehr Geld investieren. Informieren Sie sich über den Unterschied zwischen einem herkömmlichen Industrie-Roboter und einem kollaborierenden Roboter (Cobot). In den folgenden Abschnitten können Sie sich über Sicherheit, Normen und notwendige Handlungen für Hersteller und Betreiber (z.B. Gefährdungsbeurteilung) informieren.

Kollaborierende Roboter sind wie Maschinen in der Industrie nach Maschinenrichtlinie 2006/42/EG zu behandeln und in Verkehr zu bringen. Nur so kann der Betreiber diese auch sicher und rechtskonform verwenden. Der Roboter muss schließlich auch in den Betrieb integriert werden, die entsprechenden Werkzeuge erhalten und mit dem Netz kommunizieren können.

Kollaborierende Roboter 

Arbeitsschutz in der Industrie: Betreiber müssen eine Gefährdungsbeurteilung für kollaborierende Roboter erstellen, um Risiken für Mitarbeiter zu minimieren.

Ob der Cobot als "Maschine" oder "Unvollständige Maschine" mit den notwendigen Dokumenten in Verkehr gebracht wird, hängt von den Sicherheitseinrichtungen ab. Diese können entweder vom Hersteller mitgeliefert werden oder müssen vom Betreiber als Hersteller noch implementiert werden. Durch die Anwendung kann es im Betrieb zu einer Verknüpfung des Roboters mit weiteren Maschinen (oder Teilmaschinen) des kollaborierenden Arbeitssystems kommen. Der Betreiber, der eine solche MRK-Anwendung erstellt, muss auch deren CE-Konformität bescheinigen lassen.
Wesentlicher Bestandteil der Konformitätsuntersuchung ist die Risikobeurteilung. Mit dieser wird ermittelt, welche Anforderungen an die Sicherheit die entsprechende MRK-Anwendung erfüllen muss, um das Risiko für den Menschen auf ein geringes Maß zu reduzieren. Die EU-Produktrichtlinien (z.B. die Maschinenrichtlinie) formulieren Schutzziele, aus denen sich wiederum die Anforderungen ergeben.

Grundsätzlich haben die Konstrukteure eine große Verantwortung, da die Sicherheitsmaßnahmen in der Konstruktion weitreichend sein müssen und gegenüber denen des späteren Betreibers vor Ort Vorrang haben. Sollten sich Gefährdungen nicht durch die Konstruktion und auch nicht durch Schutzeinrichtungen beseitigen lassen, müssen diese als Restriken in der Technischen Dokumentation aufgeführt werden. Die Angestellten im Betrieb müssen diese Gefährdungen anschließend klar erkennen können. Dies kann in Form von Hinweisen, sichtbares Kennzeichnen oder Warneinrichtungen erfolgen. Auf Sicherheit reduzierte Kraft ist als einzige Schutzmaßnahme nicht ausreichend und die sensorischen Systeme müssen den selben Schutz bieten, wie klassische Schutzeinrichtungen (z.B. Zäune). Wie jede andere Maschine auch, dürfen Roboter nie ohne Gefährdungsbeurteilung eingesetzt werden.
Neben der Maschinenrichtlinie gilt für die Hersteller eines Roboters beispielsweise auch die Richtlinie über elektromagnetische Verträglichkeit. Ein Cobot, der als „unvollständige Maschine“ gilt, hat zwar kein CE-Kennzeichen, aber auch in diesem Fall muss eine Technische Dokumentation vorliegen. 
Harmonisierte Normen beschreiben Lösungsansätze und stellen für Betreiber eine Hilfestellung zur Erfüllung dieser Anforderungen dar.

WAS REGELN DIE NORMEN?

Es existieren drei Gruppen, in die die in Europa verwendeten Normen eingeordnet werden: A, B und C. Die ISO 12100 ist die einzige A-Norm und beschreibt das Verfahren der Risikobeurteilung nach Maschinenrichtlinie. Sie ist damit verbindlich für alle Maschinen. Außerdem beschreibt Sie Gestaltungsgrundsätze zur sicheren Konstruktion. Die B-Normen beschreiben eher allgemeine Aspekte der Gestaltung, die jedoch für eine Vielzahl an Maschinen relevant sind. Die C-Normen sind hingegen sehr maschinenspezifisch und beschreiben Maßnahmen zur Risikominderung bei diesen Maschinen bzw. Anlagen.

A-Normen: EN ISO 12100 (Risikobeurteilung / Risikominderung)
B-Normen: DIN EN 62061 (Funktionale Sicherheit elektrischer Steuerungen), EN ISO 13849
C-Normen: ISO TS 15066 (Sicherheitsanforderungen an kollaborative Roboter und ihr Arbeitsumfeld), ISO 10218 Teil 1 & 2 (Sicherheitsanforderungen an Industrieroboter & Systeme und Integration), EN ISO 11161 (Integrierte Fertigungssysteme aus mindestens zwei miteinander verbundenen Maschinen)

Teil 1 und 2 der DIN EN ISO 10218 konkretisieren die Anforderungen der Maschinenrichtlinie. Außerdem ist diese Norm für den Arbeitsschutz relevant, werden doch in ihr grundsätzliche Gefährdungen bei der Arbeit mit Robotern und mögliche Schutzmaßnahmen beschrieben. 
Zusätzlich zur Risikobeurteilung des Herstellers muss eine Gefährdungsbeurteilung des Betreibers am vorgesehenen Arbeitsplatz kommen. Biomechanische Grenzwerte dienen der Bewertung des möglichen Verletzungsgrades bei einem Zusammenstoß von Roboter und Mensch.

DIE VIER SCHUTZPRINZIPIEN DER MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION (MRK)

In den Normen EN ISO 10218 ("Industrieroboter - Sicherheitsanforderungen", Teil 1 und Teil 2) und ISO/TS 15066 („Robots and robotic devices – Collaborative robots“) werden die vier grundsätzlichen Schutzprinzipien erläutert.

SICHERHEITSGERICHTETER, ÜBERWACHTER STILLSTAND

Dank Kameras und optischer Sensoren kann die räumliche Trennung zwischen Mensch und Roboter aufgehoben werden. Diese überwachen die Arbeitsbereiche und berechnen Schutzzonen. Auch die Geschwindigkeit des Cobots kann angepasst werden. Betritt ein Mensch den gemeinsamen Arbeitsraum, stoppt der Roboter solange, bis der Mensch diesen wieder verlassen hat. Dadurch wird sichergestellt, dass der Mensch nur zum stillstehenden Roboter Zugang hat und es zu keiner Kollision kommen kann. Bei der Koexistenz von Mensch und Roboter gibt es zwar keinen Sicherheitszaun, aber auch keinen gemeinsamen Arbeitsraum. Bei der sequenziellen Kooperation teilen sich Mensch und Roboter diesen, arbeiten jedoch nicht gleichzeitig darin.

HANDFÜHRUNG

Die Bewegung des Roboters wird vom menschlichen Mitarbeiter aktiv mit geeigneter Ausrüstung gesteuert. Es ist möglich, dass im Rahmen einer Risikobeurteilung die Geschwindigkeit des Roboters festgelegt wird.

GESCHWINDIGKEITS- UND ABSTANDSÜBERWACHUNG

Der Kontakt zwischen Mitarbeiter und einem arbeitenden Roboter wird vom Cobot verhindert. Hat der Mensch während der Arbeit Zugang zum gemeinsamen Arbeitsraum, wird seine Sicherheit durch den Abstand zum Roboter gewährleistet. Dieser erkennt, wenn der Abstand zu gering ist und stoppt in diesem Fall. 

LEISTUNGS- UND KRAFTMESSUNG

Ein Kontakt zwischen Mensch und Roboter ist möglich, da der Mensch während der Arbeit des Roboters Zugang zum Arbeitsraum hat. Allerdings werden die Kontaktkräfte zwischen beiden Parteien auf ein ungefährliches Niveau reduziert. Theoretisch spielen Punkte wie Geschwindigkeit und Masse des Roboters, Kraft und Nachlaufweg eine Rolle für das Verletzungsrisiko. Um dieses zu minimieren, sollte die Geschwindigkeit nicht höher als die der menschlichen Bewegungen sein. Auch die mögliche Kollisionsmasse ist bei den leichten Cobots, die über weiche Rundungen verfügen, klein.

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