Zustimmtaster in der MRK

Die Vorschrift eines 3-stufigen Zustimmtasters wird hier unter bestimmten Voraussetzungen relativiert. Doch wann genau, das ist nicht eindeutig geregelt. Schnell hat sich hieraus bei vielen Verantwortlichen die Fehleinschätzung entwickelt, dass bei der MRK generell kein Zustimmtaster notwendig ist. Doch das ist falsch. Und im Zweifelsfall sollte man hier lieber auf Nummer sicher gehen, anstatt Kosten und Aufwand für die Installation von Zustimmtastern zu scheuen. Denn nach wie vor arbeiten vor allem 3-stufige Zustimmtaster sehr zuverlässig, sind leicht zu bedienen, sehr ausfallsicher und kaum zu manipulieren.

Warum sind kollaborierende Roboter ein Sonderfall?

Die Mensch-Roboter-Kollaboration beschreibt, dass Menschen und Roboter sich einen Arbeitsraum teilen, der nicht zwingend über trennende Schutzeinrichtungen verfügen muss. Nicht zwingend, da strenggenommen eine sog. MRK auch dann bestehen kann, wenn zwar eine Schutzeinrichtung existiert, aber bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten ein manueller Betrieb innerhalb der Gefahrenzone erfolgen muss. Betriebe und Mitarbeiter profitieren im Rahmen der MRK gleichermaßen von steigender Effizienz und verbesserter Ergonomie. Der kollaborierende Roboter übernimmt zunehmend Aufgaben, welche für die Gelenke und die Körperhaltung von Menschen auf Dauer kritisch zu betrachten sind und beschleunigt gleichzeitig Produktionsprozesse. Tendenziell steigt aber auch das Gefahrenpotenzial, je näher sich Mensch und Maschine kommen. Zumindest dann, wenn Unsicherheit über entsprechende Normen und Vorschriften wie die EN ISO 10218 („Sicherheitsanforderungen von Industrierobotern“) vorherrscht. Diese ist in vielen Betrieben groß, denn die MRK ist eine verhältnismäßig junge Technologie. Und erst seit noch kürzerer Zeit setzt sie sich auch zunehmend in kleineren Betrieben durch. Die Expertise ist hier teilweise nicht im selben Maß vorhanden wie in großen Konzernen. Da der klassische Schutzbereich bei der MRK entfällt und zunehmend Lösungen und Innovationen für die zuverlässige Personenerfassung und Sicherheitssensorik zum Einsatz kommen, geriet der Zustimmtaster zeitweise ins Hintertreffen.

Die Meinung, dass 3-stufige Zustimmtaster in der MRK nicht zwingend notwendig und gesetzlich vorgeschrieben seien setzt sich immer mehr durch. Doch ist das nicht richtig. Auch juristisch gesehen gibt es hier viele Details zu beachten, sodass es im Zweifel generell sicherer ist, zusätzlich einen Zustimmtaster in der Robotik einzusetzen. Und zwar nicht nur dann, wenn ein geschützter Bereich für Wartungs- oder Installationsarbeiten von Menschen betreten werden muss, sondern auch dann, wenn generell keine trennende Schutzeinrichtung besteht (Sicherheitszaun, Türsensoren für den Zugang in den Schutzbereich usw.). Eine generelle „Ja“- oder „Nein“-Antwort kann man auf die Frage, wann denn nun ein Zustimmtaster notwendig sei, nicht geben. Und diese Antwort gibt auch die ISO derzeit nicht eindeutig. Betrachten wir deshalb verschiedene nicht kollaborierende und kollaborierende Anwendungsbeispiele für Roboter und die Frage der Notwendigkeit des Zustimmtasters im jeweiligen Beispiel.

Was machen 3-stufige Zustimmtaster eigentlich genau?

Die nach wie vor gültige EN ISO 10218 aus dem Jahr 2011 regelt im Abschnitt 4.2, dass auch die manuelle Steuerung von Robotern grundsätzlich außerhalb des geschützten Bereiches erfolgen sollte. Dieser geschützte Bereich wird begrenzt durch die gängigen Schutzeinrichtungen an den Außenseiten. Aus verschiedensten Gründen kann es jedoch notwendig sein, diese Schutzeinrichtungen temporär zu deaktivieren. Zum Beispiel um Wartungsarbeiten vorzunehmen. In diesem Fall kommt der 3-stufige Zustimmtaster zum Einsatz. Denn sind die Schutzeinrichtungen des Normalbetriebs deaktiviert, so müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um auch im Sonderbetrieb den Personenschutz gewährleisten zu können.

Bei den meisten modernen Industrieanlagen steht der „normale“ Betrieb also für vollautomatische Funktionen, z.B. bei Robotern. Hier greifen die betriebsmäßigen Schutzmaßnahmen. Diese führen zum Stillstand der Maschine, wenn ein Mensch den Gefahrenbereich betritt oder die Sicherheitstür sich öffnet. Werden aber Neueinrichtungen, Prozessumstellungen oder Programmierarbeiten fällig, müssen die normalen Schutzeinrichtungen jedoch aufgehoben und die Maschinen im manuellen Betrieb gesteuert werden. Hier erfüllen nun die Zustimmtaster die Schutzfunktion.

Die Richtlinien besagen, dass eine verriegelbare Einrichtung zum Einsatz kommen muss, welche den Maschinenbetrieb erst durch eine zweite, getrennte Handlung ermöglicht. Damit eine im Sicherheitsbereich arbeitende Person also die Maschine bewegen kann, muss zusätzlich der Zustimmtaster in Form einer handbetätigten Steuereinrichtung bestätigt werden. Jede im Gefahrenbereich tätige Person muss diese Zustimmeinrichtung mit sich führen.

• Stufe 1: der Taster ist noch nicht betätigt. Maschine wird entweder deaktiviert (Aus) oder läuft bei aktivierten Sicherheitsfunktionen des Normalbetriebs.
• Stufe 2: die Mittelstellung des Zustimmtasters. Hierbei läuft die Maschine, während die trennenden Schutzeinrichtungen wie Türen deaktiviert sind, um Wartungsarbeiten oder Neueinstellungen vornehmen zu können (Ein).
• Stufe 3: Wird der Taster zu fest gedrückt bzw. durchgedrückt, wird die Maschine zum Stillstand gebracht (Aus). So schützt der Zustimmtaster den Bediener und die Personen im Gefahrenbereich, falls es zu einer Überreaktion in einer Schrecksituation kommt

Der manuelle Betrieb eines Roboters ist also nur möglich, solange sich der Zustimmtaster in der Mittelstellung (Stufe 2) befindet. Wird er entweder losgelassen (Stufe 1), oder zu fest gedrückt (Stufe 3), zum Beispiel infolge einer Schrecksituation, eines Herzinfarktes oder eines elektrischen Schlags, so wird der Betrieb automatisch eingestellt. Zusätzlich verfügen einige Zustimmtaster über eine zusätzliche Not-Halt-Taste (Not-Aus-Schalter).

Doch bei der MRK existiert ein solcher Schutzbereich bzw. die räumliche Trennung durch Schutzzäune im Arbeitsalltag gar nicht. Mensch und Maschine arbeiten also ständig zusammen. Viele Betriebe stellen sich deshalb die Frage, ob nun alle Mitarbeiter ständig einen Zustimmtaster verwenden müssen, oder dieser nicht mehr notwendig ist, da andere Schutzsysteme – insbesondere die Personenerfassung – zum Einsatz kommen. Denn kollaborierende Roboter müssen Personen zuverlässig erfassen und den Betrieb selbstständig stoppen bzw. Kraft, Druck und Leistung selbstständig begrenzen und anpassen können. Deswegen ist ein klassischer Zustimmtaster aber noch lange nicht überflüssig.

Voraussetzung für den Betrieb kollaborierender Roboter

Die Anforderungen an kollaborierende Roboter und die integrierten Sicherheitssysteme zur Personenerfassung, Risikominderung und Kraft- und Leistungsbegrenzung regelt die ISO/TS 15066. Grundsätzlich können kollaborierende Roboter vollautomatisch in direkter Nähe zu Menschen arbeiten, ohne die Trennung durch einen Schutzzaun, wenn eine abgeschlossene Risikobeurteilung auf Basis der Kraft und Leistungsbegrenzung und der Validierung aller möglichen Kollsionsszenarien zu der Bewertung kommt, dass der Einsatz sicher ist. Eine interessante theoretische Grundlage zur sicheren Personenerfassung als Schutzeinrichtung für kollaborierende Roboter liefert übrigens die Dissertation von Dr.-Ing. Björn Ostermann aus dem Jahr 2014, die er an der Bergischen Universität Wuppertal verfasste.

Die Risikobeurteilung:

1. Erfassung von Daten wie Produktname, Produkttyp, Baujahr, bestimmungsgemäßer Einsatzbereich bzw. Verwendung, vorhersehbare Fehlanwendungen, Produktfunktionen usw.
2. Welche potenziellen Gefahren bestehen?
   1. Quetschungen
   2. Stöße
   3. Verbrennungen
   4. Stechen und Durchschlagen
   5. Einschneiden und Abschneiden
   6. Aufwickeln
   7. Einziehen
   8. Verfangen
   9. Elektrischer Schlag
   10. Kontakt mit gefährlichen Substanzen
3. Wo sind Kollisionen (physischer Kontakt zwischen Menschen und Maschinen) im Kollaborationsraum potenziell möglich?
4. Risikoeinschätzung: Wie wahrscheinlich ist der Eintritt einer identifizierten Gefährdung und was wären die Folgen? Wie häufig und wie lange besteht dieses Risiko pro Mitarbeiter?
   1. Beispiel: Ein Mitarbeiter, der den ganzen Tag lang zusammen mit einem Roboter Montagearbeiten durchführt, ist dem potenziellen Risiko länger und häufiger ausgesetzt als ein Mitarbeiter, der ein paar Mal pro Tag eine Palette verfrachtet, die von einem Roboter beladen wurde.
5. Wird mit Kollisionsvermeidung oder Kraft-, Impuls- und Leistungsbegrenzung gearbeitet?
6. Mit welchen immer aktiven Sicherheitsfunktionen im Automatikbetrieb können Druck und Kraft geregelt werden, damit keine Verletzungsgefahr für Personen besteht?
7. Nun werden entsprechende „Maschinengrenzen“ festgelegt, die auf den bereits erfassten Informationen basieren.
8. Auf Basis dieser Daten (Risikoanalyse) wird nun bewertet, ob die notwendige Sicherheit ausreicht, oder ob zusätzliche Maßnahmen zur Risikominderung getroffen werden müssen, welche über die im System integrierten Sicherheitssysteme hinausgehen (Risikobewertung).
9. Diese Risikobeurteilung wird so lange wiederholt, bis der Einsatz des kollaborierenden Roboters als sicher eingestuft wird.

Eine Reihe von immer aktiven Sicherheitsfunktionen im Automatikbetrieb können hier zwar die aktiven Sicherheitsfunktionen eines dreistufigen Zustimmtasters ersetzen, zum Beispiel die Tool Center Point (TCP)-Geschwindigkeitsbegrenzung, die TCP-Raumbegrenzung, Gelenkpositionsbegrenzungen und Gelenkgeschwindigkeitsbegrenzungen. Und genau das unterscheidet kollaborierende Roboter auch von herkömmlichen Industrierobotern, für die ein Zustimmtaster nach EN ISO 10218 Pflicht ist. Aber dennoch kann ein Zustimmtaster nach wie vor sinnvoll oder sogar Pflicht sein.

Die entsprechende Technische Spezifikation ist zwar noch nicht an die Maschinenrichtlinie angebunden. Doch dieselben Fachleute, die auch an der ISO 10218-1/-2 gearbeitet haben (nach wie vor die geltende Norm für alle Industrieroboter), sind auch Urheber der TS 15066. Sie kann also durchaus als Richtlinie für die Sicherheit bei der MRK fungieren und sollte unbedingt berücksichtigt werden.

Und diese TS antwortet auf die Frage, ob ein Zustimmtaster für die MRK notwendig ist oder nicht, folgendes:

Diese Formulierung wirft aber mindestens genauso viele Fragen auf, wie sie beantwortet. Denn im Prinzip besagt diese Formulierung nur, dass kollaborierende Roboter keinen Zustimmtaster benötigen, wenn deren integrierte Sicherheitsfunktionen sicher „genug“ sind. Aber was bedeutet genug?

Eine Orientierung bieten die folgenden Fragen.

Wenn man diese allesamt mit „Ja“ beantworten kann, so ist davon auszugehen, dass ein Zustimmtaster nicht zwingend erforderlich ist:

In diesen Beispielen sind Zustimmtaster für die MRK notwendig

In der Praxis werden für MRK-Anwendungen vor allem die Kraft- und Leistungsbegrenzung und der überwachte Halt für die Risikominderung eingesetzt. Bezüglich der Kraft- und Leistungsbegrenzung stehen zuständige Integratoren jedoch vor allem vor der Herausforderung, die Klemmung und freie Kollision zu messen, welche für die Risikobeurteilung erforderlich ist. Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen wie ein Zustimmtaster können die Risikobeurteilung hier entscheidend vereinfachen.

Trittmatten oder Laserscanner übernehmen die Trennung des geschützten und nicht geschützten Arbeitsbereichs und lösen die alten Sicherheitszäune ab. Sie kündigen den Eintritt einer Person in den Arbeitsbereich des kollaborierenden Roboters an und lösen einen Sicherheitsstop aus. Muss nun ein Mitarbeiter oder insbesondere ein Programmierer für die manuelle Bewegung des Roboters bei Installations- oder Wartungsarbeiten näher am Roboter stehen als es die Sensoren für den sicherheitsbewerteten überwachten Halt erlauben, ist es notwendig, die Bewegung des Roboters durch eine weitere Sicherheitsfunktion zu überwachen, die ihn temporär bewegen oder im Notfall stoppen kann. Diese Funktion erfüllt dann der dreistufige Zustimmtaster.

Im Rahmen der Risikobeurteilung wird festgelegt, wie groß der sog. Kollaborationsraum ist. Dieser erstreckt sich nicht zwingend über den gesamten Bewegungsbereich des Roboters. Zum Beispiel bei Robotern, die automatisiert Paletten beladen, die dann von einem Mitarbeiter weggefahren werden. Wird jedoch der gesamte Bewegungsbereich des Roboters auch als Kollaborationsraum definiert, so sind die notwendigen Messungen und Analysen für die Risikobeurteilung enorm aufwendig. Gerade Klemm- und Scherstellen sind für Menschen im Kollaborationsraum sehr gefährlich. Bei Robotern mit Kraft- und Leistungsbegrenzung ist es deshalb empfehlenswert, die Anzahl potenzieller Klemmstellen so gering wie möglich zu halten. Das ist aber nicht immer ganz einfach. Raumlimitierende Sicherheitsfunktionen oder die Aufteilung des Arbeitsbereiches in zwei Bereiche (normaler Bereich und Kollaborationsraum), die den Bewegungsraum des Roboters stärker einschränken, schaffen hier Abhilfe, da der Kollaborationsraum so verkleinert wird. Und damit auch der Raum, in dem entsprechende Messungen für die Risikobewertung vorgenommen werden müssen. Im Bereich innerhalb des Kollaborationsraums kann dann ohne Zustimmtaster gearbeitet werden (reduzierte Sicherheitsparameter). Gemessen durch Lichtgitter oder andere Sensoren reduziert der Roboter seine Geschwindigkeit und Kraft innerhalb dieses Bereiches. Außerhalb des Kollaborationsraums ist der Zustimmtaster erforderlich (normale Sicherheitsparameter). Denn in diesem normalen Bereich kann der Roboter mit höheren Geschwindigkeiten und höherer Leistung arbeiten, da sich normalerweise keine Personen in diesem Bereich aufhalten. Durch den Einsatz von Zustimmtastern lässt die Risikobewertung der MRK sich so deutlich vereinfachen.

Vereinfachte Risikobeurteilung dank Zustimmtaster

In großen Kollaborationsräumen, die sich über den gesamten Bewegungsbereich erstrecken, ist die Risikobeurteilung sehr umfangreich und aufwendig. Es müssen alle Klemm- und Scherstellen, Kollisionsmöglichkeiten und Kräfte berechnet werden. Die Aufteilung der Arbeitsräume in einen normalen Bereich und einen kleinen tatsächlichen Kollaborationsraum schaffen hier Abhilfe, machen aber einen Zustimmtaster im normalen Bereich notwendig.

• Im normalen Bereich greifen die üblichen Sicherheitsparameter, ähnlich wie bei herkömmlichen vollautomatisieren Industrierobotern, die innerhalb der bekannten Sicherheitszäune gearbeitet haben. Mit dem Unterschied, dass der Bereich lediglich durch eine Sicherheitsebene und ein Lasergitter abgetrennt wird. Durchquert ein Mensch das Lasergitter, so bremst der Roboter ab (Sicherheitsstop). In diesem Bereich dürfen Menschen den Roboter nur mit Zustimmtaster bewegen. Da Menschen den normalen Bereich nur in Ausnahmesituationen betreten, kann der Roboter hier mit normaler Geschwindigkeit, Leistung und Kraft arbeiten, ohne Kraft- und Leistungsbegrenzung auf Basis der ausführlichen Risikoanalyse. Auch die aufwendige Messung und Berechnung der freien Kollision, sowie der Klemm- und Scherstellen entfällt in diesem Bereich.
• Durchquert der Roboter die programmierte Sicherheitsebene, so schaltet er vom normalen Betriebsmodus auf den kraft- und leistungsbegrenzten Modus um (bzw. andersherum, je nachdem aus welchem Bereich der Roboter die Sicherheitsebene durchquert).
• Im Kollaborationsraum werden die Werte wie Geschwindigkeit, Kraft und Leistung entsprechend der Kraft- und Leistungsbegrenzung reduziert, welche sich aus der Risikobeurteilung ergeben. Innerhalb des Kollaborationsraums muss weiterhin die ausführliche Risikoanalyse inkl. Messung und Bestimmung der Klemm- und Scherstellen und der freien Kollision erfolgen. Deshalb kann innerhalb dieses Bereiches auf einen Zustimmtaster verzichtet werden.

Diese Vorgehensweise bietet durch die Aufteilung in zwei Bereiche also den Vorteil, dass die aufwendige Risikobeurteilung auf einen möglichst kleinen Kollaborationsraum beschränkt werden kann. Nämlich auf den Bereich vor dem Licht- bzw. Lasergitter. Hier müssen weiterhin Klemmstellen und Kollisionsmöglichkeiten berechnet und die Sicherheitssysteme und Parameter des Roboters entsprechend konfiguriert werden. Diese Kraft- und Leistungsbegrenzung muss aber nur im Kollaborationsraum eingehalten werden.

Sobald der Roboter sich hinter dem Gitter und durch die Sicherheitsebene hindurch in den normalen Bereich bewegt, wird die Kraft- und Leistungsbegrenzung aufgehoben. Die möglichen Klemm- und Scherstellen, sowie die freie Kollision muss für diesen Bereich nicht näher untersucht werden, da es sich um einen klassischen geschützten Bereich nach EN ISO 10218 handelt. Deshalb ist hier ein 3-stufiger Zustimmtaster erforderlich, wenn manuelle Bewegungen ausgeführt werden.

Der Einsatz von Zustimmtastern im Rahmen der vereinfachten Risikobeurteilung kann hier also viel Zeit und Aufwand sparen.

In der Praxis bietet sich diese Lösung für alle Anwendungen an, bei denen Mensch und Roboter nur an einer oder wenigen Stellen tatsächlich den Raum im Rahmen der MRK teilen. So ist es möglich, dass der Roboter außerhalb dieser Bereiche bei voller Leistung arbeiten kann, um trotz stellenweiser MRK eine geringe Taktzykluszeit zu erreichen.

Fazit: Zustimmtaster in der Robotik – ja oder nein?

Ob ein Zustimmtaster für eine sichere MRK notwendig ist, bleibt eine wichtige Frage, die nicht pauschal mit „Nein“ beantwortet werden kann. Die Antwort hängt von verschiedenen Parametern ab.

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