Unterkapitel 3.9
Robotsicherheit
Wir haben die wichtigsten Informationen zu Sicherheitskonzepten für Ihre Roboteranwendung unten zusammengefasst. Erfahren Sie, wie Sie den Zugang zu Gefahren verhindern, die Roboterbewegung einschränken und eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion gewährleisten. Entdecken Sie die Bedeutung von Sicherheitszaun, fortschrittlichen Erkennungssystemen und die Wichtigkeit der Planung von Zusammenarbeitsbereichen.
Standards und grundlegende Regeln für die Sicherheit von Robotern
Roboter sind unglaublich vielseitig und bieten wirtschaftliche Automatisierungslösungen. Sie können jedoch auch ziemlich gefährlich sein
Große, hochgeschwindigkeits Roboter können durch Quetschen und Aufprall sehr schwere Verletzungen verursachen. Daher wurde die Robotersicherheit international in (EN) ISO 10218-1 und -2 und in den USA im fast identischen ANSI/RIA R15.06 standardisiert. Zusätzlich wurde ein Standard für mobile Roboter mit ANSI/RIA R15.08 veröffentlicht. Einige wichtige Sicherheitsregeln sind unten aufgeführt.
Robotersicherheit basiert auf drei Elementen:
- Zugang von Personen verhindern.
- Roboterbewegung einschränken.
- Körperkontakt sicher machen.
Das dritte Element, Körperkontakt sicher machen, ist ein relativ neues Konzept, das oft als kollaborative Roboteroperation bezeichnet wird. Es bedeutet, dass ein speziell entworfenes Robotersystem und ein Bediener im selben Arbeitsbereich oder in sich überlappenden Arbeitsbereichen arbeiten. Zuerst muss der Zusammenarbeitsarbeitsraum und die gewünschte Interaktion zwischen Mensch und Roboter geplant werden. Dann werden die Risiken identifiziert und geeignete Sicherheitsmaßnahmen umgesetzt.
Was ist eine „kollaborative Roboteranwendung“?
Seit einigen Jahren hat sich in der Industrie viel Begeisterung um „Cobots“ verbreitet, eine Kurzform für „kollaborativer Roboter“. Interessanterweise wurde der Begriff von Roboterherstellern nie akzeptiert, noch ist er jemals in Sicherheitsstandards erschienen.
Der Begriff „Cobot“ wird oft mit der falschen Vorstellung verbunden, dass es eine Art von Roboter gibt, der sicher in praktisch jeder Anwendung funktioniert, ohne zusätzliche Maßnahmen. Solche Roboter existieren jedoch nicht in der realen Welt.
Um dem falschen Glauben entgegenzuwirken, sprechen die brandneuen Versionen der internationalen Robotersicherheitsstandards (EN) ISO 10218-1 und -2 von „kollaborativen Anwendungen“, was zeigt, dass es mehr als nur eine spezielle Art von Roboter gibt. Die Standards führen auch ein Robotersystem zur Klassifizierung und detaillierte Anforderungen für die Risikobewertung und Sicherheitsmaßnahmen in kollaborativen Anwendungen ein.
In einer kollaborativen Anwendung kann ein Roboter direkt mit Bedienern interagieren. Dies kann physischen Kontakt einschließen, bei dem der Roboter den Bediener einklemmen, schubsen oder schlagen könnte. Um sicherzustellen, dass dies nicht zu Verletzungen führt, müssen die Roboterbewegungsgeschwindigkeit und -kraft reduziert werden.
(EN) ISO 10218-2:2025 enthält jetzt eine Beschreibung des sogenannten „Körpermodells“. Es definiert Grenzwerte für die Kraft pro Quadratzentimeter und Energiewerte in Joule für verschiedene Körperregionen. Sehr niedrige Werte gelten für die Kopfregion – Augen, Ohren, Gesicht, Hals und Schläfen sind sehr empfindlich gegenüber Stößen.
Trotz der begrenzten Kraft, Geschwindigkeit und Aufprallenergien, die ausgeübt werden, müssen das Endeffektortool, die Werkstücke und die Art der Interaktion analysiert werden, um eine wirklich sichere Anwendung zu schaffen.
Robotklassen
Industrieroboter werden in zwei Gruppen eingeteilt, Klasse I und II. Industrieroboter der Klasse I haben eine geringe Tragfähigkeit, bewegen sich relativ langsam und üben im Falle eines Aufpralls nur wenig Kraft aus. Dies macht sie geeignet, direkt in der Nähe von Menschen zu arbeiten.
Klasse I-Roboter müssen strengen Grenzen hinsichtlich Gewicht, Kraft und maximaler Geschwindigkeit entsprechen. Wenn sie dies tun, müssen ihre Sicherheitssystemfunktionen ein Zuverlässigkeitsniveau von PLr = b oder SIL 1 erreichen, im Gegensatz zu PLr = d oder SIL 2 für Klasse II-Roboter.
Die niedrige Kraft und Geschwindigkeit ermöglichen es, direkten Kontakt zwischen dem Roboter und Menschen zuzulassen. “Transienter” und “quasi-statischer Kontakt” kann Schmerzen, jedoch keine Verletzungen bei den Bedienern verursachen.
Aber Kraft und Geschwindigkeit sind nicht die einzigen Faktoren, die das Risiko bestimmen. Das “Endeffektor” oder das Werkzeug am Ende des Arms spielt eine entscheidende Rolle. Es könnte spitz, scharfkantig oder heiß sein. Applikatoren könnten giftige Materialien sprühen, auftragen oder injizieren.
Sicherheit in kollaborativen Arbeitsbereichen
Wenn ein menschlicher Bediener und ein Roboter einen kollaborativen Arbeitsplatz teilen, wird die Sicherheit nicht nur durch den Roboter, sondern durch die Kombination von Werkzeugen, Werkstücken und Aufgaben bestimmt, die vom Roboter und der Person durchgeführt werden sollen.
In vielen Anwendungen gibt es nicht-kollaborative und kollaborative Operationen. Für einen Teil eines Prozesses arbeitet der Roboter selbständig mit höherer Geschwindigkeit und Kraft. Aber dann nähert er sich einer Pick-and-Place-Station, an der eine Person arbeitet. Die Übergangsphase kann gefährlich sein.
Es stehen drei Sicherheitsfunktionen zur Verfügung:
HGC – Um Roboter zu trainieren, wird oft eine handgesteuerte Steuerung verwendet. Die beweglichen Teile des Roboters sind energisiert, können jedoch manuell an die gewünschten Orte bewegt werden – beispielsweise eine Pick-and-Place-Station. Das Steuerungssystem des Roboters verhindert gefährliche „Überraschungsbewegungen“.
SSM – Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachungsfunktionen verfügen über Sensoren, die eine Person erkennen, die einen kollaborativen Arbeitsbereich betritt oder verlässt. Der Roboter wird rechtzeitig langsamer und/oder stoppt. Nachdem die Person den Bereich verlassen hat oder sich in einem sicheren Abstand von den beweglichen Teilen befindet, fährt der Roboter mit dem Betrieb fort.
PFL - Der Druck und die Kraft möglicher Kontakte können begrenzt werden. Dies wird entweder durch einen von Natur aus „schwachen“ und langsamen Klasse-I-Roboter oder durch elektronische Sicherheitsfunktionen erreicht.
Warum kollaborative Arbeitsräume möglicherweise Zäune oder Barrieren benötigen
Systemdesigner stellen sich häufig eine kollaborative Roboteranwendung vor, die keine Grenzen hat und "zaunlos" ist. Sicherheitsstandards erfordern jedoch, dass klare Grenzen für den kollaborativen Betrieb von Robotern festgelegt werden.
Zäune oder Barrieren können helfen, einen "geschützten Raum" zu definieren, ohne die Zusammenarbeit zu behindern.
Ein Schutzzaun oder eine Fußgängerbarriere kann verhindern, dass Menschen von der falschen Seite in einen kollaborativen Arbeitsbereich gelangen. Sie kann auch einen kollaborativen Arbeitsbereich von Gehwegen oder Zufahrten trennen.
Eine niedrige "Bewusstseinsbarriere" kann die Menschen darauf aufmerksam machen, dass sie einen potenziell gefährlichen Bereich betreten.
Beide können die Effizienz des Betriebs verbessern, da der Roboter seltener anhalten muss, weil Menschen zu nah kommen.
Risikoanalyse von Anwendungen mit kollaborativen Robotern
Selbst wenn ein langsamer, schwachkraftiger Roboter in einer kollaborativen Betriebsumgebung eingesetzt wird, können die Aufgaben und Operationen Gefahren bergen. Eine Risikobewertung ist gemäß den geltenden Sicherheitsstandards obligatorisch.
Folgen Sie diesen Schritten bei der Bewertung der Risiken einer Anwendung mit kollaborativen Robotern:
Schritt 1 – Bestimmen Sie die Arbeitsobjekte
Schritt 2 – Wählen Sie die Werkzeuge am Ende des Roboters
Schritt 3 – Bestimmen Sie die stationären Geräte und andere benötigte Maschinen
Schritt 4 – Bestimmen Sie die Arbeitsvorgänge des Roboters und der Bediener
Schritt 5 – Finden Sie heraus, wie viel Platz benötigt wird und wie viel zur Verfügung steht
Schritt 6 – Suchen Sie nach Gefahren
Folgen Sie nicht dem Standardansatz, sofort nach Gefahren zu suchen. Das Risiko in kollaborativen Anwendungen ist eine komplexe Kombination aus beweglichen Maschinenteilen und den unvorhersehbaren Aktionen von Menschen. Berücksichtigen Sie typische Verhaltensmuster wie Reflexe, überraschte Bewegungen, Ablenkung, Fehlurteile von Situationen und absichtliche Abweichungen von Anweisungen.
Drei Sicherheitsmaximen sollten in jedem Fall beachtet werden:
Verlassen Sie sich nicht (allein) auf das geringe Gewicht, die Kraft und die Geschwindigkeit des Roboters.
So weit wie möglich, verhindern Sie sowohl absichtlichen als auch unabsichtlichen Kontakt zwischen dem Roboter und den Bedienern.
Vermeiden Sie es, einen Roboter in einer Höhe zu bewegen, die Greifer und andere Werkzeuge am Ende des Roboters in die Nähe des Kopfes oder Gesichts der Bediener bringt.
Für eine detaillierte Beschreibung der Risikobewertung für Anwendungen mit kollaborativen Robotern siehe (DE) ISO 10218-2:2025 Abschnitte 4.3 und 5.14.
Robotergreifanwendungen
Roboter werden zunehmend eingesetzt, um Waren und Pakete zu greifen und zu platzieren, um Bestellungen abzuschließen.
Palletisierung ist eine langjährige Anwendung von mittelgroßen und großen Robotern. Neuere kleinere Roboter werden in kollaborativen Picking- und Platzierungsanwendungen in einem „Waren-zu-Person“ Auftragskommissionierungsschema eingesetzt. Diese Roboter können direkt mit Menschen interagieren, da sie sich mit niedriger Geschwindigkeit und Kraft bewegen.
Risiken beim robotergestützten Auftrags-Picking und Sicherheitsmaßnahmen, die funktionieren:
Roboter, die mit Fördersystemen und Verpackungsstationen interagieren, können Quetsch- und Schneidgefahren verursachen. Einige robotergestützte Werkzeuge können Gefahren darstellen.
Sicherheitsmaßnahmen: Obwohl das Verletzungsrisiko gering ist, möchten Sie möglicherweise niedrige Schutzvorrichtungen installieren, um Menschen von solchen Gefahrenzonen fernzuhalten.Menschen, die unnötig in einen „kollaborativen Raum“ gehen, können durch eine unerwartete Bewegung verletzt werden. Sie können auch dazu führen, dass der Roboter häufig stoppt, wodurch die Effizienz des Betriebs beeinträchtigt wird.
Sicherheitsmaßnahmen: Installieren Sie niedrige Zäune, Fußgängerbarrieren oder niedrigere „Bewusstseins“-Barrieren, um die Menschen auf Bereiche aufmerksam zu machen, die sie nicht betreten sollten, und bestimmen Sie von welcher Seite der kollaborative Raum von den Arbeitern betreten werden sollte.
Sicherheit von Industrierobotern
Die Sicherheit von Robotern hängt weitgehend von geschlossenen "Zellen" mit Zäunen und Zugangstüren ab. Aber in vielen Anwendungen sind zusätzlich Überwachungssysteme erforderlich oder können sogar den Roboterschutz "Käfig" ersetzen.
Fortgeschrittene Erkennungssysteme:
- In vielen Roboterzellen kommt eine Kombination aus Sicherheitszäunen mit Türen, Lichtschranken und Reichweitenscannern zum Einsatz.
- Die fortschrittlichste Form eines Erkennungssystems ist eine 3D-Kamera. Sie muss in einer ausreichenden Höhe über dem Arbeitsbereich installiert werden, um sicherzustellen, dass sie alle Bereiche "sieht", in denen sich Personen bewegen können.
Vorsicht vor Personen, die sich im Gefahrenbereich hinter den Erkennungsgeräten aufhalten. Wenn das möglich ist, können zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sein.
Sichere Zonen für Roboter
Das Schutzgeländer kann verwendet werden, um einen „geschützten Raum“ zu schaffen, sollte jedoch normalerweise nicht als „Begrenzungsgerät“ verwendet werden, das den „eingeschränkten Raum“ definiert oder die Bewegung des Roboters stoppt. Was ist der Unterschied?
Um Sicherheit zu erreichen, muss der Bewegungsbereich eines Roboters auf einen sogenannten „eingeschränkten Bereich“ beschränkt werden. Dies kann durch „mechanische Begrenzungseinrichtungen“ erfolgen. Mechanische Begrenzungseinrichtungen sind massive Blöcke oder Pins, die auf der Roboter-Montageplatte oder an den Gelenken seiner Hauptachsen installiert sind.
Einige Designer betrachten jedoch Schutzgittern zur Verwendung als „mechanische Begrenzungseinrichtung“. Das ist keine gute Idee. Wenn ein großer und/oder schneller Roboter mit einem Schutzgitter kollidiert, wird das Gitter hin und her schwingen und in vielen Fällen dauerhaft verformt werden. Dies kann eine Gefahr für Menschen außerhalb der Roboterzelle darstellen.
(EN) ISO 10218-2:2025 in Abschnitt 5.7.4.2 empfiehlt dringend, diese Verwendung von Schutzgittern als „Roboterauffang“ zu vermeiden: „Der Umzäunungsbereich darf nicht als Begrenzungseinrichtung verwendet werden, wenn Roboteranwendungen gefährliche Verformungen des Gitters verursachen können.“
Umzäunungen wie Zäune sollen Menschen fernhalten, nicht den Roboter im Inneren halten.
Um die Roboterbewegung zu beschränken, verwenden Sie besser
sicherheitsgeprüfte Bewegungssteuerungshardware und -software, die vom Roboterhersteller angeboten wird
elektromechanische oder Näherungsschalter
feste harte Anschläge, die vom Roboterhersteller angeboten werden (Blöcke und Pins)
„Roboter-sichere“ Zäune – Konzept oder Fehlvorstellung?
Viele Menschen fragen nach “robotsicheren” Zäunen oder verweisen auf Testergebnisse von Zaunherstellern, die eine Schlagbeständigkeit von 2000 Joule oder mehr zeigen.
Der Bewegungsbereich eines Roboters – der „maximale Raum“ – hängt von seiner Größe ab. Systemdesigner versuchen, so wenig kostbaren Platz wie möglich zu verwenden. Um dies zu erreichen, wird der Roboter so programmiert, dass er in einem viel kleinere „Arbeitsraum“ operiert. Rund um diesen muss der Anwendungsdesigner einen „eingeschränkten Bereich“ schaffen, den der Roboter nicht verlassen kann. Dieser dient dazu, sicherzustellen, dass der Roboter genügend Platz hat, um langsamer zu werden und anzuhalten.
Schutzzaun und andere Schutzeinrichtungen schaffen einen „gesicherten Raum“, den Personen während des Betriebs nicht betreten können. Er muss sogar größer sein als der „eingeschränkte Bereich“. Selbst wenn Fehler auftreten, darf der Roboter niemals über den gesicherten Raum hinaus bewegen.
Somit ist ein Roboter von drei Sphären zunehmender Größe umgeben
Arbeitsraum (A), wo der Roboter arbeitet
eingeschränkter Bereich (B), den der Roboter nicht überschreiten darf
gesicherter Raum (D), den Personen nicht betreten dürfen und den der Roboter niemals erreichen darf
Wie viel Abstand sollten Sie zwischen dem „eingeschränkten Bereich“ und dem äußeren Schutzzaun einplanen? Drahtgitter-Schutzzaun erlaubt es, Finger hindurchzustecken. Um sicherzustellen, dass Menschen, die dies tun, nicht vom Roboter verletzt werden, ist ein zusätzlicher Sicherheitsabstand (C) von mindestens 120 mm innerhalb der Zelle zwischen dem „eingeschränkten Bereich“ der Roboterbewegung und dem Schutzzaun erforderlich.
Somit muss der Schutzzaun nicht „roboterfest“ gestaltet werden, da er nicht dazu gedacht ist, die Bewegung des Roboters zu stoppen. Tatsächlich muss der Roboter in sicherer Entfernung vom Zaun anhalten, selbst wenn Fehler auftreten.
Diese Infografik veranschaulicht, wie man kritisch über die Sicherheitsabstände für Industrieroboter nachdenkt. Erfahren Sie, warum Schutzgittersysteme wichtig sind, wie Unfälle passieren und wann Zäune möglicherweise nicht die einzige Lösung sind. Entdecken Sie die wichtigsten Überlegungen, um Menschen in der Nähe von Robotern sicher zu halten.