Sicherheit und Flexibilität Was Greifer für kollaborative Leichtbauroboter können müssen

Der Kleinteilegreifer „Co-act EGP-C“ ist als laut Hersteller Schunk weltweit erster Industriegreifer von der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung DGUV für den kollaborierenden Betrieb zertifiziert und zugelassen. Angesteuert wird er über digitale I/O.
Der Kleinteilegreifer „Co-act EGP-C“ ist als laut Hersteller Schunk weltweit erster Industriegreifer von der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung DGUV für den kollaborierenden Betrieb zertifiziert und zugelassen. Angesteuert wird er über digitale I/O.

Greifer für kollaborative Leichtbauroboter müssen hohe Anforderungen erfüllen. Nur welche? Experten zweier Hersteller nehmen Stellung.

Wie müssen Greifer aufgebaut sein und welche Anforderungen müssen sie erfüllen, um für die kollaborative Industrierobotik geeignet zu sein?

Prof. Dr. Markus Glück, Geschäftsführer Forschung & Entwicklung beim Spann- und Greiftechnik-Hersteller Schunk in Lauffen/Neckar:

Für die Kollaboration von Mensch und Roboter ohne trennenden Schutzzaun schreibt die EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Anhang 1 grundsätzlich vor, dass alle eventuell möglichen schadhaften Kollisionen, auch ein Einklemmen von Gliedmaßen und Arbeitshandschuhen oder ein Stolpern des Werkers, wirkungsvoll abzusichern sind.

Normative Grundlagen für die funktionale Sicherheit von MRK-Anwendungen sind allgemeine Normen wie IEC 61508, IEC 62061 sowie ISO 13849-1 und -2. Darüber hinaus sind ISO 10218-1 und -2 zur Sicherheit von Industrierobotern zu berücksichtigen.In der technischen Spezifikation ISO/TS 15066:2017-04 sind speziell die für Roboter im Kollaborationsbetrieb und Robotikgeräte wichtigen Einsatzanforderungen festgelegt. Sie enthält unter anderem detaillierte Angaben über einzuhaltende Schmerzschwellen für die jeweiligen Körperregionen. Daraus leitet sich bei Greifern für kollaborative Anwendungen das Limit von 140 N Greifkraft pro Finger ab, bis zu dem ein Greifer als sicher eingestuft wird – vorausgesetzt es handelt sich um flächig gestaltete Greiferfinger.

Genau hier beginnt die Herausforderung: Ist der Finger als metallene Spitze ausgeführt oder mit einer scharfen Klinge bestückt, wären selbst bei einer Greifkraft von 140 N Verletzungen zu erwarten. Auch wenn Greifer das Kraftlimit von 140 N überschreiten, sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um die Sicherheit zu gewährleisten. Es genügt daher nie, isoliert nur den Greifer zu betrachten, sondern die Risikobeurteilung im Rahmen der Zertifizierung durch die DGUV bezieht sich stets auf die komplette Anwendung.

Dr. Kurt Schmalz, geschäftsführender Gesellschafter des Vakuumtechnik-Herstellers J. Schmalz in Glatten bei Freudenstadt:

Die kollaborative Robotik stellt andere Anforderungen an Greifer als herkömmliche Industrieroboter. Moderne Leichtbauroboter sind intuitiv zu bedienen. Entsprechend einfach muss auch die Adaption und Inbetriebnahme der Greifer erfolgen: Plug-and-Work statt aufwändiger Programmierung. Durch kurze Programmier- und Rüstzeiten lohnt sich damit eine Automatisierung auch für kleine Losgrößen. Daher lassen sich unsere Devices leicht über mobile Endgeräte und die NFC-Schnittstelle parametrieren. Neben der raschen Inbetriebnahme und dem intuitiven Bedienkonzept müssen wir natürlich auch diverse Sicherheitsaspekte berücksichtigen.

Das Design von Greifern für die kollaborative Robotik richtet sich nach DIN ISO TS 15066. Die Besonderheit daran: Die Norm gibt eine Leistungs- und Kraftbegrenzung vor. So werden etwa bei mechanischen Greifern Kräfte unter 140 Newton als sicher betrachtet. Treffen Roboter und Mensch zusammen, sind Verletzungen ausgeschlossen.


Was bedeutet „inhärent sicherer Greifer“?

Prof. Dr. Markus Glück, Schunk: Nach EN ISO 12100 ist die inhärent sichere Konstruktion ein wichtiger Bestandteil der Risikominimierung. Ein inhärent sicherer Greifer für kollaborative Anwendungen ist so konstruiert, dass alle möglichen Gefahrenquellen wie scharfe Kanten, Klemmstellen oder hohe Greifkräfte konstruktiv eliminiert sind, sodass bei sachgemäßem Einsatz keine Gefahr von dem Greifer ausgeht.

Gängige Lösungsstrategien bei inhärent sicheren Greifern für kollaborative Anwendungen, wie den von der DGUV-zertifizierten Kleinteilegreifern der Baureihe „Schunk Co-act EGP-C“, sind harmonisch geformte, bündige Schutzhüllen ohne scharfe Ecken, Klemmstellen und Kanten, sowie die sichere Begrenzung der Greifkraft auf 140 N pro Finger.

 

Dr. Kurt Schmalz, J. Schmalz: Bei der Entwicklung eines inhärent sicheren Greifers geht es um eine konstruktive Risikominimierung. Indem Kanten und Ecken abgerundet werden, keine Lücken oder Spalten vorhanden sind und beispielsweise die Vakuum-Verschlauchung integriert ist, reduzieren wir von Anfang an die Verletzungsgefahr.

Neben den geometrischen Aspekten gilt es, die Bewegung von Roboter und Greifer im Blick zu haben. So kann ein Kamerasystem zur Abstandsüberwachung eingesetzt werden oder Sensorik die Leistungsabgabe oder Kraftwirkung begrenzen. Dadurch ist ein verletzungsfreier Betrieb auch ohne externe Schutzmaßnahmen wie Zäune oder Lichtschranken möglich.


Welche Greifer-spezifischen Aspekte werden bei der Sicherheitsbetrachtung kollaborativer Industrieroboter-Anwendungen berücksichtigt?

Prof. Dr. Markus Glück, Schunk: Damit Mensch und Roboter sicher zusammenarbeiten, ist stets eine individuelle Risikobeurteilung erforderlich: Welche Arbeitsräume existieren? Welche Risiken bestehen? Wo müssen Arbeitsräume eingeschränkt werden, um Verletzungen auszuschließen? Besonders die Kraft, Geschwindigkeit und Bewegungsbahnen des Roboters inklusive des Greifers sowie das Werkstück inklusive Werkstückträger stellen Gefahren für den Werker dar. Diese müssen entweder durch die Nutzung inhärenter Schutzmaßnahmen oder gegebenenfalls durch die Anwendung zusätzlicher Maßnahmen zur Risikominderung beschränkt werden.

Bezogen auf den Greifer werden die Geometrie des Greifergehäuses, der Finger und des Werkstücks sowie die Greifkraft in die Risikobetrachtung einbezogen. Überschreitet die Greifkraft das gesundheitsunschädliche Limit von 140 N pro Finger, sind zusätzliche Maßnahmen und Betrachtungen erforderlich: So war beim Großhubgreifer „Schunk Co-act EGL-C“ unter anderem auch die zum Patent angemeldete Sicherheitsintelligenz Teil der Risikobeurteilung.

Solange die Gefahr besteht, dass menschliche Hände oder Finger eingeklemmt werden, limitiert die integrierte Logik die Greifkraft auf harmlose 30 N. Erst ab einer Werkstückdistanz unter 4 mm, wenn also kein Einklemmen mehr möglich ist, fahren die Greiffinger mit der frei definierbaren Greifkraft von maximal bis zu 450 N zu. Misst das redundant ausgeführte System in dieser Schließphase eine Nachgiebigkeit, weil etwa ein zu kleines Werkstück gegriffen wird, das der Bediener gerade per Hand entfernen will, stoppt auch diese Bewegung automatisch. Gleiches gilt, wenn die erwarteten Werkstückmaße um 2 mm überschritten werden, etwa weil kein Teil vorhanden ist.

In der dritten Phase schließlich detektiert der Greifer, ob das Werkstück sicher gegriffen ist, und verspannt die Bremse. Damit erfüllt der „Schunk EGL-C“ die Anforderungen an eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration und gewährleistet, dass gegriffene Teile, die im Kraftschluss bis zu 2,25 kg auf die Waage bringen dürfen, auch bei einer Not-Aus-Situation und einer damit verbundenen Vollbremsung nicht verloren gehen. Im Formschluss sind sogar bis zu 8 kg möglich.

Dr. Kurt Schmalz, J. Schmalz: Es geht um konstruktive Vorgaben, aber auch um alternative Sicherheitsfunktionen. Kollaborative Roboter sind im unmittelbaren Umfeld des Menschen aktiv. Weil es keine Schutzzäune gibt, spielt die Sicherheit der Roboter, aber auch der Greifer, eine sehr wichtige Rolle. Im Idealfall kommt es erst gar nicht zu einer Kollision – möglich wird das beispielsweise durch eine Kombination aus Kameratechnik und Sensorik. Weil ein Aufeinandertreffen jedoch nicht ausgeschlossen werden kann, gilt bei der Entwicklung unserer Endeffektoren die DIN ISO TS 15066 als Maßstab. Sie definiert unter anderem die zulässige Flächenpressung und Kraft, die auf ein bestimmtes Körperteil bei einem Kontakt mit dem Roboter wirken darf. Damit diese nicht überschritten wird, designen wir unsere Greifer mit abgerundeten Ecken und Kanten.

Während bei Vakuum-Greifern keine Quetschgefahr im Greifer besteht, müssen bei mechanischen Greifern die Aktoren um einen Kraftbegrenzer erweitert werden. Zudem gilt es, Störkonturen zu vermeiden, was wir etwa bei unserem SLG durch die Integration der Schlauchführung erreichen. Möglich wird das durch die additive Fertigung.

Das Interview führte Andreas Knoll.

Auf der productronica 2019:

J. Schmalz: Halle B3, Stand 560

Schunk: Halle A3, Stand 338