Physische Sicherheit in der Mensch-Roboter Kollaboration

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Physische Sicherheit in der Mensch-Roboter Kollaboration

M. Hofbaur , M. Rathmair

Ein sicheres Mit- und Nebeneinander von Mensch und Roboter erfordert hohe Sicherheitsstandards für sogenannte kollaborative Roboteranwendungen auf Basis einer gesamtheitlichen Betrachtung des Roboters, seines Werkzeugs, dem Werkstück und des Robo- terprogramms. Gewissheit über ein zulässiges Verhalten des Robotersystems kann allerdings nur eine entsprechende messtechnische Untersuchung der Anwendung liefern. Diese messtechnische Verifikation untersucht potentielle Kollisionen von Mensch und Roboter im Sinne eines zerstörungsfreien Crash-Tests mittels einer sogenannten biofidelen Messanordnung. Der gegenständliche Beitrag liefert hierzu nicht nur einen Überblick über die entsprechenden Methoden zur Untersuchung der einzuhaltenden Grenzwerte, sondern gibt auch Einblick in spezifische Aspekte der sicheren kollaborativen Robotersysteme.

Schlüsselwörter: Robotersicherheit; kollaborative Robotik; biofidele Messung

Safety in human-robot collaboration.

A safe collaboration and coexistence of humans and robots builds upon strict safety standards. Designing such robots requires a detailed analysis of the robot, the tool, the workpiece and the robot program with respect to robot safety. In addition, it is compulsory to validate the safety compliance through representative biofidel measurements. This process analyses potential collisions of the robot and a human through exemplary crash-tests with dedicated measurement devices. This paper presents an in-depth analysis of this process and its underlying methodologies. It further provides valuable insights into the pitfalls of collaborative applications as well as indicating possible solution corridors for the design of safe collaborative robot systems.

Keywords: robot safety; collaborative robotics; biofidel measurement

Eingegangen am 29. August 2019, angenommen am 26. September 2019, online publiziert am 21. Oktober 2019

1. Einleitung

Moderne Automatisierungskonzepte nutzen eine gemeinsame Pro- duktionsdurchführung von Mensch und Roboter. Kollaborative Ro- botersysteme unterstützen Arbeitskräfte dabei bei komplexen Auf- gabenstellungen, leisten wertvolle Hilfsdienste in der automatisier- ten Manipulation von Werkstücken oder erfüllen intralogistische Aufgaben. Die Robotersysteme als physische Interfaces der digi- talisierten Produktion greifen damit direkt in das Handlungsum- feld von Produktionsmitarbeiterinnen und Mitarbeiter ein. Anders als klassische Industrieroboter agieren diese neuen Maschinen je- doch nicht hinter (physisch) trennenden Schutzeinrichtungen. Ro- botersicherheit, sprich die Sicherheit von Menschen in der direkten Arbeitsumgebung des Robotersystems, ist daher ein wesentlicher Aspekt im Design und Betrieb der Maschine. Neben der EG- Maschinenrichtlinie 2006/42/EG [3] definieren spezifische Normen und Vorschriften für Robotersicherheit, insbesondere die EN ISO 10218 [4,5] (Industrieroboter-Sicherheitsanforderungen) den regu- lativen Rahmen für ein sicheres Zusammenarbeiten von Mensch und Roboter im industriellen Anwendungskontext.

2. Physische Robotersicherheit

Klassische Robotersysteme nutzen bauliche und funktionale Sicher- heitsmaßnahmen, um einen ungewollten physischen Kontakt von Mensch und Roboter zu verhindern. Dies ist vor allem deshalb notwendig, da ein Industrieroboter als bewegliches Teil einer Maschine üblicherweise über keine Sensorik zur allgemeinen Umgebungser- fassung und Kollisionsvermeidung verfügt. Der Roboter ist auf seine Bestimmung, eine Aufgabe möglichst schnell und mit hoher Zu-

verlässigkeit und Wiederholgenauigkeit in einer vom Mensch ab- geschirmten Arbeitsumgebung auszuführen, beschränkt. Die zuvor erwähnte Norm EN ISO 10218 definiert die dafür relevanten sicher- heitstechnischen Maßnahmen.

Für die Realisierung der physischen Schnittstelle zum Menschen spezifiziert die Norm darüber hinaus vier klar umrissene Szenarien für die physische Kollaboration von Mensch und Roboter. Ausgangs- basis dabei ist immer eine vorab definierte Aufgabenausführung des Roboters, die Aktivierung aller erforderlichen Schutzmaßnahmen und insbesondere, die Verwendung eines speziell für den kollabo- rierenden Betrieb konstruierten Roboters (vgl. EN ISO 10218-2:2012 5.11). Ein derartiger Roboter verfügt über zusätzliche, hochzuverläs- sige Sensorik und Funktionalität, um sicherheitsbewertete Funktio- nen, die über den obligatorischen Not-Halt hinausgehen, realisieren zu können. Dadurch kann der Roboter zum Beispiel mit einer über die normale Funktionalität hinausgehender Zuverlässigkeit seine Po- sition und Geschwindigkeit überwachen und begrenzen. Ein sicherheitsbewerteter überwachter Halt, zum Beispiel, definiert einenZu- stand, in dem der Roboter bei eingeschalteter Antriebsenergie still- gesetzt ist, während ein Überwachungssystem mit einer festgeleg- ten ausreichenden sicherheitsbezogenen Leistungsfähigkeit sicher- stellt, dass der Roboter sich nicht bewegt(vgl. EN ISO 10218-1:2012

Hofbaur, Michael,ROBOTICS – Institut für Robotik und Mechatronik, JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Lakeside B13b, 9020 Klagenfurt, Österreich (E-Mail:michael.hofbaur@joanneum.at);Rathmair, Michael,ROBOTICS – Institut für Robotik und Mechatronik, JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Lakeside B13b, 9020 Klagenfurt, Österreich

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3.19.6). Derartige Funktionalitäten bilden die Grundbausteine zur Realisierung der vier möglichen kollaborativen Betriebsformen eines Industrieroboters (vgl. EN ISO 10218-2:2012 5.11.5):

– Sicherheitsbewerteter überwachter Halt (und Wiederanlauf zum Beispiel zur Werkstückübergabe innerhalb eines klar definierten gemeinsamen Arbeitsbereiches von Mensch und Roboter), – Handführung,

– Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung,

– Leistungs- und Kraftbegrenzung (durch inhärente Konstruktion oder durch die Steuerung).

Für moderne Roboteranwendungen sind hierbei insbesondere die letzteren zwei Betriebsarten von hohem Interesse.

Eine umfassende Nutzung der Betriebsform Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung in dynamischen Mensch-Roboter Sze- narien stoßt allerdings durch momentan noch ungenügend verfügbare sicherheitsbewertete Sensorik zur validen Umgebungs- erfassung an ihre Grenzen und beschränkt sich daher vielfach auf einfache Interaktionsszenarien. Aktuelle Forschungsarbeiten untersuchen diese Kollaborationsform daher im Laborumfeld auf Basis von (noch) nicht sicherheitsbewerteter Sensorik, wie zum Beispiel 2.5-D und 3-D Bilderfassung und komplexer Methoden des maschi- nellen Lernens zur Identifikation und Lokalisierung von Personen im Arbeitsumfeld. Ein Hauptaugenmerk dieser Arbeiten muss nicht bloß die Erweiterung des funktionalen Spektrums von Sensorik und Algorithmik umfassen, sondern auch die Entwicklungskorridore zur industriellen Umsetzung als sicherheitsbewertete hochzuverlässige Systemrealisierung untersuchen.

Die vierte definierte Betriebsart,Leistungs- und Kraftbegrenzung stellt eine der aktuell am weitesten verbreitete kollaborative Be- triebsart dar. Die Sicherheitsfunktionalität des Roboters kann allerdings die Physik nur bändigen, nicht aber außer Kraft setzen. In- sofern ist die Nutzung dieser Betriebsart auf Roboter mit kleiner und leichter Bauform und Anwendungen mit moderater Geschwin- digkeit zur Begrenzung der kinetischen Energie der Roboterbewe- gung zugeschnitten. Der aktuelle Trend zu sogenannten Leichbau- robotern ist hierbei im direkten Zusammenhang mit der Mensch- Roboter Kollaboration zu sehen. Klassische Industrieroboter sind zur Realisierung der Bewegungsdynamik und der geforderten Präzisi- on aus möglichst starren und damit schweren Armsegmenten realisiert. Leichtbauroboter, hingegen verfügen über eine Bauform mit geringerem Gewicht und Steifigkeit und erreichen daher ein besse- res Verhältnis von Eigen- zu Lastgewicht von ca. 2:1. Die damit ein- hergehende Reduktion der Wiederholgenauigkeit eines derartigen Roboters wird im überwiegendem Maße durch verbesserte Sensorik und Steuerungsfunktionalität kompensiert. Werden diese System- komponenten darüber hinaus auch sicherheitsbewertet ausgeführt, so qualifiziert sich ein derart realisiertersensitiver Leichtbauroboter auch als zentrale Komponente einer kollaborativen Roboteranwen- dung.

Der schnellen Entwicklung kollaborativer Robotik Rechnung tra- gend wurde zudem 2016 die Technische Spezifikation ISO TS 15066 als Zusatz zur ISO 10218 mit einer detaillierteren Spezifikation der kollaborativen Betriebsformen, insbesondere der Leistungs- und Kraftbegrenzung publiziert [2]. Dieser Standard wurde nun mit den Erfahrungen aus der Praxis evaluiert und ist integrativer Bestand- teil der aktuellen (2019) Überarbeitung der ISO 10218. Grundlage für die ISO TS 15066 war eine eingehende Untersuchung der physischen Belastung zur Abschätzung der Grenzwerte von Kraft- und Druckeinwirkungen am menschlichen Körper [6].

Wesentlich für eine Mensch-Roboter Kollaboration ist eine ge- samtheitliche Betrachtung der Roboteranwendung und des Arbeit- sumfeldes. Neben dem Umstand, dass der Roboter von spezieller

Abb. 1. Grenzwerte für statische Kraft- und Druckbelastungen am menschlichen Körper zur Vermeidung von Schmerz und Verletzung

Bauart sein muss, hat auch das Werkzeug bzw. der Greifer des Roboters, das Werkstück und auch der Bewegungsablauf des Ro- boters großen Einfluss auf die Sicherheitsbeurteilung. Die EN ISO 10218-2 listet zum Beispiel mögliche Gefährdungen durch kollaborierende Roboter, welche im Rahmen der Risikobeurteilung analy- siert werden müssen, auf. Daraus abgeleitete Schutzmaßnahmen umfassen traditionelle Ansätze, wie die Überwachung der Arbeit- sumgebung des Roboters durch sicherheitsbewertete Laserscanner (Safety-LIDAR) oder bauliche Adaptionen, um potentielle Klemm- stellen auszuschließen oder durch eine spezielle Gestaltung (abge- rundet, gepolstert, etc.) deren Gefahrenpotential signifikant zu re- duzieren. Funktionale Maßnahmen, wie zum Beispiel die Begren- zung des Bewegungsbereiches, ein Wechsel in eine alternative Kör- perhaltung des Roboters oder eine Adaption des Bewegungspfa- des kann ebenso wesentlich zur Risikominimierung beitragen. Der Faktor Mensch wird in dieser Risikoanalyse in Hinblick auf den be- stimmungsgemäßen Betrieb, aber auch einer vorhersehbaren Fehl- anwendung berücksichtigt.

2.1 Kollaboration durch Leistungs- und Kraftbegrenzung Eine direkte Interaktion von Roboter und Mensch in einem gemeinsamen Arbeitsumfeld kann einen ungewollten Kontakt nicht voll- kommen ausschließen. Die zuvor erwähnten Sicherheitsmaßnah- men müssen aber einen Kontakt des Roboters mit sensiblen Kör- perstellen des Menschen, insbesondere dem Kopf- und Halsbereich verhindern. Darüber hinaus sind zum Beispiel ein reflexartiges Ein- greifen eines Bedieners in den gemeinsamen Arbeitsbereich (Kolla- borationsbereich), ein mögliches Hineinbeugen zur visuellen Inspek- tion oder ähnliche typische Verhaltensmuster von Menschen durch bauliche Maßnahmen und eine Leistungs- und Kraftbegrenzung der potentiellen Kollision abzusichern. Hierzu wird durch eine verant- wortungsvolle Risikobeurteilung eine überschaubare Anzahl von potentiellen, risikorelevanten Kontaktsituationen identifiziert.

Auf Basis der ISO TS 15066 wird die geforderte Kraft- und Leis- tungsbegrenzung durch körperstellenspezifische Grenzwerte für eine Kraft- und Druckeinwirkung definiert (vgl. Abb.1). Darüber hinaus wird zwischen statischen Klemmsituationen und transienten

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Stoßsituationen, für welche der Standard der Einfachheit halber die statischen Grenzwerte verdoppelt, unterschieden. Eine Klemmsitua- tion muss immer die Möglichkeit zur Selbstbefreiung bieten.

Sensitive, für den kollaborativen Betrieb geeignete Roboter erken- nen eine Kollisionssituation durch kontinuierliche Überwachung der Antriebsmomente in den Gelenken der Roboter. Hierzu kommt spezielle Momentensensorik in den Gelenksaktuatoren oder eine Ge- lenksmomentenschätzung auf Basis des Aktuatorstromes zum Ein- satz. Auch ein Kraft-Momentensensor im Roboterfuß oder eine be- rührungssensitive Roboterhaut wird von einzelnen Roboterhersteller zur Kolissionserkennung verwendet. Auf Basis des mathematischen Robotermodells für das kinematische und dynamische Verhalten des Roboters kann anhand dieser Messwerte auf eine Krafteinwirkung durch ungewollte Kontaktsituationen rückgeschlossen werden.

Als Sicherheitsfunktion wird diese Krafteinwirkung überwacht und im Falle eines Überschreitens des vom Anwender spezifizierten Schwellwertes ein sicherheitsüberwachter Halt durchgeführt. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Detektion und insbesondere das kontrollierte Abbremsen des Roboters eine kurze Zeitspan- ne benötigt. Dies bewirkt einen von der zuletzt ausgeführten Ge- schwindigkeit des Roboters abhängigen Nachlauf des Roboters und hat somit einen wesentlichen Einfluss auf die Energieeinwirkung der Kollision. Es ist daher wesentlich festzuhalten, dass der in der Steue- rung des Roboters eingestellte Schwellwert zur Auslösung des Si- cherheitshalts nicht mit der tatsächlich einwirkenden Kraftwert ver- wechselt werden darf. Klarheit über die tatsächliche biomechanische Auswirkung einer potentiellen Kollision kann nur mittels einer geeignete messtechnische Untersuchung erlangt werden.

2.2 Messtechnische Validierung der Robotersicherheit Die Inverkehrbringung einer kollaborativen Roboterapplikation mit der Betriebsart Leistungs- und Kraftbeschränkung erfordert die Ein- haltung der in der durch die ISO TS 15066 spezifizierten Grenzwer- te für die Kraft- und Druckbelastung potentieller Kontaktsituatio- nen zwischen Roboter und Mensch. Wie zuvor ausgeführt, ist es momentan nicht möglich auf Basis einer Parametrierung der Sicher- heitsfunktionalität in der Robotersteuerung, ebendiese Grenzwerte auch gesichert einzuhalten. Die Technische Spezifikation definiert allerdings nur die Grenzwerte, nicht aber das zugehörige Mess- verfahren. Als de-facto Standard, welcher nun (2019) auch in der Überarbeitung der Norm ISO 10218-2 aufgenommen wird, gilt das im Informationsblatt der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) über kollaborierende Robotersysteme beschriebene biofidele Messverfahren [1]. Hierbei wird durch ein spezielles Messgerät die biomechanische Eigenschaft eines als Kontaktstelle identifizier- ten Körperbereiches mittels einem Feder-Dämpfersystem nachgebildet. Eine Feder mit spezifischer Federkonstante (im Bereich 25–

150 N/mm) simuliert hierbei die charakteristische mechanische Ei- genschaft eines Körperbereiches. Das Verhalten des Gewebes der Körperstelle wird durch ein Dämpfungselement (z.B. Hartgummi) mit spezifischer Härte (10–70 Shore A) nachgebildet. Eine derartige biofidele Messvorrichtung erlaubt das zuvor erwähnte Nachlaufen des Roboters im Kollisionsfall. Anders als bei einer reinen Kraftmes- sung mit hartem Kontakt werden somit valide, der Realität besser entsprechende dynamische Messergebnisse geliefert. Darüber hinaus wird auch der Roboter durch den mechanisch nachgiebigen Kontakt in der Testdurchführung nicht beschädigt.

Auf Basis dieser Messanordnung (siehe Abb.2) wird das Kraft- und Druckverhalten im Kontaktfall den charakteristischen Verlauf einer Sprungantwort eines gedämpften Feder-Masse Systems auf- weisen. Zur Beurteilung eines dynamischen Kontaktfalles (Ansto- ßen) wird der transiente Spitzenwert innerhalb der ersten 500 ms als

Abb. 2. Exemplarische biofidele Messanordnung

Abb. 3. Exemplarischer Zeitverlauf einer zulässigen Druck bzw. Kraft- messung charakterisiert durch den transienten Messwert (pt, F_t) und quasi-statischen Messwert (ps, F_s).

relevanter Messwert herangezogen. Eine statische Kontaktsituation (Einklemmen) wird anhand des Maximalwerts für Kraft und Druck für Zeiten größer als 500 ms definiert [2] (siehe auch Abb.3). Eine valide Messung zur Beurteilung der Robotersicherheit erfordert daher eine entsprechend zeitlich aufgelöste Ermittlung von Kraft und Druck. Die DGUV-Information empfiehlt hierzu eine Messdatener- fassung mit einer Abtastfrequenz von mindestens 1 kHz und einer geeigneten Signalfilterung.

Ein wesentliches Risiko in einer Mensch-Roboter Kollaboration stellt zum Beispiel das reflexartige oder unbedachte Eingreifen eines Menschen in den Bewegungsablauf des Roboters dar. Kontakt- und Klemmsituationen mit der Hand und Unterarm sind daher ein wesentlicher Bestandteil einer messtechnischen Untersuchung der Sicherheit. Hierbei ist die Bauform des Endeffektors, der Werkstück- halterung und das Werkstück selbst, von hoher Bedeutung. Harte Vorrichtungen und scharfe Kanten haben zur Folge, dass der Druck- Grenzwert für die Beurteilung maßgebend sein wird. Erkenntnisse aus der Durckmessung können eine notwendige bauliche Adapti- on des Roboters, seines Werkzeuges oder der Werkstückhalterung zur Folge haben, um durch einen großflächigen Kontakt mittels abgerundeter und/oder gepolsterter Geometrie im Robotersystem die geforderten Druckgrenzen zu beherrschen. Stumpfe Kontakt- situationen, durch entsprechend ausgestaltete Kontaktoberflächen, rücken hingegen den Kraft-Grenzwert in den Vordergrund. Kraft- grenzen können durch Nutzung einer entsprechend reduzierten und

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Abb. 4. Messaufbau für die Untersuchung einer Kontaktsituation zwi- schen dem Ellenbogengelenk des Roboters und dem Schulterbereich eines Menschen

sicher überwachten Geschwindigkeit der Roboterbewegung beein- flusst werden. Ohne den schlussendlichen Messwerten vorwegzu- greifen ist es daher erforderlich, sowohl den Druck- als auch den Kraftwert zu messen.

Abbildung 2zeigt die Messung eine exemplarischen Pick-and- Place Applikation, wobei das Messgerät mit einer dünnen Dämp- fungsauflage (repräsentativ für die dünne Gewebestruktur der Hand) und einer zeit- und ortsaufgelösten Druckmessfolie appliziert ist.

Der Bewegungsablauf einer Roboteranwendung hat oftmals zur Folge, dass nicht nur durch das Werkzeug eines Roboters, sondern auch durch andere Bereiche der kinematischen Kette des Roboter- arms eine hohes Kontaktrisiko ausgehen kann. Der Ellbogen eines Roboters kann, zum Beispiel, eine für den Menschen ungewöhnliche und schnelle Bewegung ausführen. Abbildung4zeigt die messtechnische Beurteilung einer derartigen Situation. Das biofidele Messge- rät ist hierbei für eine potentielle Kollision mit dem Schulterbereich eines Menschen positioniert.

Wie bereits erwähnt hat nicht nur die Geometrie des Bewegungs- ablaufes, sondern auch die Geschwindigkeit der Roboterbewegung einen großen Einfluss auf die biomechanische Belastung im Kollisi- onsfall. In Abb.5ist exemplarisch die tatsächlich auftretende Kollisi- onskrafteinwirkung eines Roboterwerkzeuges für zwei Schwellwer- te (50 N und 250 N) für einen Universal Robots UR3 Roboter wieder- gegeben. Diese physikalisch begründete Charakteristik kann auch bei anderen handelsübliche sensitiven Roboter (Beispiele: KUKA iiwa, ABB YuMi, Franka Panda, etc.) beobachtet werden [7]. Bedenkt man, dass 250 mm/s am Endeffektor (TCP) als reduzierte Geschwin- digkeit für den Handbetrieb eines Roboters zulässig ist, so kann leicht erkannt werden, dass zum Beispiel ein Klemmen der Hand zwischen Werkstück und Werkzeug mit Grenzwert 140 N nur mit geringen Geschwindigkeiten einzuhalten ist. Eine oftmals verwen- dete Sicherheitsfunktionalität der sensitiven Roboter realisiert daher nicht bloß einen Sicherheitshalt, sondern ein reflexartiges Zurückzie- hen des kollidierenden Roboterbereichs. Dadurch wird ein statisches Klemmen vermieden und der um Faktor 2 größere Grenzwert für den dynamischen Stoß von 280 N definiert den maximal zulässigen Grenzwert für eine potentielle Kollision mit der Hand.

Verfügt ein serieller Roboterarm über mehr als 6 Freiheitsgrade, bzw. werden nicht alle Freiheitsgrade des Roboters für eine Aufga-

Abb. 5. Geschwindigkeitsabhängigkeit der Krafteinwirkung für zwei Detektionsschwellwerte eines exemplarischen sensitiven Leichtbau- roboter (UR3)

Abb. 6. Die Aufnahmeposition des zylindrischen Werkstücks kann durch die redundante Geometrie des Panda Roboters (7 Freiheitsgra- de) unter verschiedenen Positionen des Ellenbogengelenks erreicht werden

be genutzt, können Endeffektorposen unter verschiedenen Gelenk- konfigurationen realisiert werden. Leichtbauroboter für kollaborative Anwendungen, wie zum Beispiel der KUKA iiwa, Franka Emi- ka Panda oder ABB YuMi verfügen über 7 Gelenke und können, ähnlich wie wir Menschen, den Ellbogen abhängig von einer Auf- gabensituation positionieren. Abbildung6zeigt dies für eine mit dem Panda Roboter realisierten Manipulationsaufgabe. Wenngleich beide Körperhaltungen des Roboters für die Aufgabenausführung möglich sind, so hat die kinematische Konfiguration große Aus- wirkungen auf die Sensitivität des Roboters am Werkzeug. Dieser Umstand wurde durch Wahrburg ausführlich beschrieben [9] und hat Einfluss auf die Sicherheitsfunktionalität des Roboters. Auch wir Menschen nutzen diese Eigenschaft und verwenden zum Beispiel die links im Bild dargestellteellbow-upKonfiguration um kraftvoll anzu- drücken! Eine messtechnische Evaluierung beider Situationen belegt diesen Umstand eindrucksvoll. Beide Roboterprogramme der Ver- suchsdurchführung senken den Greifer mit gleicher konstanter Ge- schwindigkeit ab um das Objekt aufzunehmen. Eine ebenfalls idente Einstellung der Sicherheitssensitivität führt in der ellbow-up Konfi- guration zu einer transienten Kontaktkraft von 318 N, wohingegen die zweite Konfiguration eine transiente Kontaktkraft von lediglich 133 N aufweist. Der Grenzwert lt. ISO TS 15066 für ein transientes Klemmen der Hand (280 N) ist somit in letzterer Körperhaltung er- füllt, wohingegen die in Roboterapplikationen oftmals angewandte ellbow-up Konfiguration in dieser Applikationsrealisierung als nicht sicher eingestuft werden muss.

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Abb. 7. Orts- und Geschwindigkeitsabhängigkeit der Krafteinwir- kung

2.3 Herausforderungen und Perspektiven

Eine kollaborative Roboteranwendung erfordert nicht nur eine an- gepasste Ausführungsgeschwindigkeit, sondern auch eine in Hin- blick auf die Sicherheit optimierte Pfadplanung für die Bewegungs- ausführung. Hierbei kommen einerseits kinematisch und dynamisch begründete Aspekte aber auch Anforderungen aus der Sicherheits- technik, wie zum Beispiel die Vermeidung von Spaltbreiten, die ein Eingreifen des Menschens von vornhinein ausschließen, zur Anwen- dung. Auch der Faktor Mensch kann durch Planung von intuitiv er- fassbaren und damit für Menschen vorhersehbaren Bewegungen berücksichtigt werden. Von einem einfachen Übertragen von klas- sischen Robotikanwendungen mit zeit-, präzisions- oder prozessop- timierten Bewegungsabläufen auf kollaborative Roboteranwendun- gen muss daher abgeraten werden.

Neben der aus Sicherheitsgründen reduzierten Geschwindigkeit ist auch die Forderung der EN ISO 10218 nach dervorab spezifi- ziertenRoboteranwendung ein oftmaliger Kritikpunkt an kollaborativen Roboteranwendungen. Diese eindeutige Spezifikation umfasst den klar festgelegten Bewegungsablauf innerhalb eines definierten Kollaborationsbereiches und erlaubt daher keine flexiblen Adaptio- nen der Roboterbahn. Eine Variation des Aufnahme- oder Ablage- ortes einer kollaborativen Pick-und-Place Applikation, zum Beispiel, ist unzulässig. Genau derartige, kleine Anpassungen einer Anwen- dung im Zusammenspiel von Mensch und Roboter sind aber oftmals gewünscht. Durch ein einfaches Experiment kann die Notwendig- keit dieser Normenforderung belegt werden. Ausgehend von einem als sicher bewerteten Ablagevorgang wird bei gleichbleibender Sen- sitivität der Sicherheitsfunktion die Ablageposition und Ablagege- schwindigkeit variiert. Abbildung7aus [8] zeigt das experimentelle Ergebnis dieser Orts- und Geschwindigkeitsvariation für einen Uni- versal Robots UR10. Eine Verschiebung des Ablageortes zur Robo- terbasis, zum Beispiel, hat einen exponentiellen Anstieg der Kollisi- onskraft zur Folge!

Im Rahmen des von JOANNEUM RESEARCH ROBOTICS geleite- ten FFG Projektes DR.KORS (FFG Nr.:864892,http://dr-kors.at) wird genau diese Thematik eingehend mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft erforscht. Ziel des Projekts ist es, garantierte Gren- zen bzw. Bereiche für die Variation einer Roboteranwendung bei Beibehaltung der Sicherheitsfunktionalität zu geben. Dies ist zum Beispiel für den breiteren Einsatzes eines mobilen Manipulators rele- vant. Als kompetentes Teammitglied in einer Mensch-Roboter Kolla-

Abb. 8. Anwendungsvariation einer kollaborativen Pick-and-Place Aufgabe durch einen mobilen Manipulator

boration kann ein solcher Roboter seinen Standort an eine geforderte Aufgabe anpassen (siehe Abb.8). Diese Variation bedingt aber auch einen, relativ zum Arbeitsbereich, angepassten Bewegungsab- lauf. Die Möglichkeit zur geringfügigen (zulässigen) Applikationsän- derung ist daher essentiell für einen nutzbringenden Einsatz eines derartigen Roboters.

3. Zusammenfassung und Ausblick

Der überwiegende Anteil von kollaborativen Robotikanwendungen nutzt die in den relevanten Normen spezifizierte Betriebsform mit Leistungs- und Kraftbegrenzung um ein verletzungsfreies Miteinan- der, trotz potentieller Zusammenstöße von Mensch und Roboter zu gewährleisten. Die Sicherstellung dieses Verhaltens erfordert speziell dafür konzipierte Robotersysteme und ein angepasstes Bewegungs- verhalten zur Einhaltung der in der Norm spezifizierten Belastungs- grenzen (Schmerzempfindungsgrenzen).

Ausgangsbasis für die Realisierung einer derartigen Roboterappli- kation ist eine eingehende Risikoanalyse und die Verifikation der Sicherheitsfunktionalität für exemplarische Kollisionsszenarien. Eine deratige Untersuchung vor der Inverkehrbringung des Robotersys- tems ist daher obligatorisch und kann nicht durch eine einfache Parametrierung der Sicherheitsparameter in der Robotersteuerung umgangen werden. Auch eine wiederkehrende Inspektion in regel- mäßigen Abständen und insbesondere bei Veränderung des Robo- tersystems durch Applikationsanpassung, Wartung, Systemupdate, etc. ist eine direkte Folge der Regularien der geltenden Normen und insbesondere der Maschinenrichtlinie. Aus heutiger (2019) Sicht muss diese Validierung durch eine geeignete messtechnische Unter- suchung erfolgen. Zur Sicherung des Produktionsstandortes Öster- reich hat JOANNEUM RESEARCH am Institut ROBOTICS ein dafür spezialisiertes Messlabor eingerichtet. In diesem ROBOTICS Evalua- tion Lab (REL) können einerseits Roboterapplikationen valide und rückführbar getestet werden. Andererseits unterstützt das REL Wirt- schaft und Industrie bei der Aus- und Weiterbildung von Mitarbei- terinnen und Mitarbeitern zur eigenständigen Durchführung der Si- cherheitsüberprüfungen und bietet entsprechende Vergleichsmes- sungen zur Kompetenzüberprüfung.

Aus Sicht der Forschung wird ergänzend an alternativen Simula- tions- und Verifikationstools für eine vereinfachte Sicherheitsüber- prüfung, zum Beispiel als integrativer Bestandteil eines Robotersys- tem-Entwicklungsprozesses, gearbeitet. Ziel dieser Forschungstätig- keit ist eine einfachere und insbesondere skalierbare Bewertung einer Roboterapplikation der Betriebsart Leistungs- und Kraftbegren- zung. Eine schlussendliche messtechnische Verifikation wird hierbei nicht vollständig ersetzbar sein. Ein softwareunterstützter Ent- wicklungsprozess kann eine Anwendung in Hinblick auf Robotersi- cherheit eingehender optimieren und damit den Aufwand des fina- len Crash-Tests minimieren. Darüber hinaus sind auch Forschungs- arbeiten an sicherheitsbewerteter Sensorik zur breiteren Nutzung der Betriebsart Abstands- und Geschwindigkeitsüberwachung von

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hohem Interesse. Der Einsatz dieser vielseitigen kollaborativen Be- triebsart scheitert gegenwärtig noch an der ungenügenden Verfüg- barkeit entsprechender Sensorik. Multi-modale Annäherungssenso- rik mit entsprechender zeitlicher- und sicherheitstechnischer Perfor- manz ist hierbei besonders vielversprechend. Aber auch gemischt aktiv/passive Lösungen wie die AIRSKIN des österreichischen Start- Up Blue Danube Robotics [10] bieten attraktive Ansätze für neue Realisierungsformen der Mensch-Roboter Kollaboration.

Abschließend möchten wir noch festhalten, dass überwiegende Teile der Sicherheitsfunktionalität der Roboter in Software realisiert sind. Ein Voranschreiten der Vernetzung der Robotersysteme im Sin- ne von Industrie 4.0 führt aber auch dazu, dass diese Softwarekom- ponenten potentiellen Manipulationen durch Cyberangriffen ausge- setzt sind. Dieser Umstand wird oftmals noch nicht mit ausreichen- der Priorität bedacht. Zukünftige Robotersysteme, für ein Miteinan- der von Mensch und Roboter, müssen Robotersicherheit daher ge- samtheitlich, im Sinne von Safety & Security betrachten.

Danksagung

Die beschriebenen Forschungsergebnisse und Erkenntnisse wur- den im Rahmen des Förderungsvereinbarungsprojekts CollRob, gefördert durch das Bundesministeriums für Verkehr, Innovati- on und Technologie, und des Projekts DR.KORS, gefördert durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG (Projekt Nr.:864892), erarbeitet und mit Wirtschaftspartnern der JOANNE- UM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH zur Anwendung ge- bracht.

Hinweis des Verlags Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuord- nungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Instituts- adressen neutral.

Literatur

1. DGUV-Information FB HM 080 (2017): Kolaborierende Robotersysteme.

2. ISO TS 15066 (2016): Robots and robotic devices. Collaborative robots.

3. Richtlinie 2006/42/EG des Europäischen Parlamentes und Rates vom 17. Mai 2006 über Maschinen (Maschinenrichtlinie).

4. ÖNORM ISO 10218-1 (2012): Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen, Teil 1:

Roboter.

5. ÖNORM ISO 10218-2 (2012): Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen, Teil 2:

Robotersysteme und Integration.

6. Behrens, R., Elkmann, N. (2014): Experimentelle Verifikation der biomechanischen Be- lastungsgrenzen bei Mensch-Roboter-Kollisionen. Tech. rep. Fraunhofer-Institut für Fa- brikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, Deutschland.

7. Kirschner, D., Schlotzhauer, A., Brandstötter, M., Hofbaur, M. (2017): Validation of re- levant parameters of sensitive manipulators for human-robot collaboration. In Procee- dings of the 26th international conference on robotics in Alpe-Adria-Danube. Region (RAAD).

8. Schlotzhauer, A., Kaiser, L., Wachter, J., Brandstötter, M., Hofbaur, M. (2019): On the trustability of the safety measures of collaborative robots: 2D collision-force-map of a sensitive manipulator for safe hrc. In 2019 IEEE 15th international conference on automation science and engineering (CASE).

9. Wahrburg, A., Robertsson, A., Matthias, B., Dai, F., Ding, H. (2016): Improving contact force estimation accuracy by optimal redundancy resolution. In IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems (IROS) (pp. 3735–3741). New York: IEEE.

10. Wohlkinger, W., Zillich, M., Ferner, T., Baldinger, A. (2019): Blue Danube Robotics, AIRSKIN - comprehensive safety technology for robots and grippers.https://www.

bluedanuberobotics.com/airskin/. Accessed: 2019-08-01.

Autoren

Michael Hofbaur

Univ.-Doz. Dipl.-Ing. Dr. Michael Hofbaur ist Direktor des Instituts ROBOTICS der JOANNE- UM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH.

Er erlangte seinen Doktor der technischen Wissenschaften an der Fakultät für Elektro- technik der TU Graz 1999 und erhielt die Lehrbefugnis für das Fach Automatisierung komplexer Systeme im Jahr 2004. Vor seiner Tätigkeit als Institutsdirektor bei JOANNEUM RESEARCH leitete er von 2009 bis 2014 das Universitätsinstitut für Automatisierungs- und Regelungstechnik an der UMIT in Hall in Ti- rol, Österreich. Dr. Hofbaur war wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Regelungs- und Automatisierungstechnik der TU Graz und 2000/2001 Gastprofessor am Space Systems Laboratory und dem AI Laboratory des M.I.T. in Cambridge, USA. Neben diesen universitären Positionen war Dr. Hofbaur im Zeitraum 2012–2014 als staatlich beeideter und befugter Ingenieurkonsulent mit Schwer- punkt Funktionale Sicherheit tätig. Die Forschungsinteressen von Dr.

Hofbaur umfassen modellbasierte Methoden aus den Fachbereichen der Systemtheorie und der Künstlichen Intelligenz zur Systemdia- gnose und Regelung komplexer mechatronischer Systeme, insbesondere im Anwendungsbereich der Robotik. Arbeiten zu Themen-

stellungen des Systems Engineering und der Funktionalen Sicherheit runden seine wissenschaftliche Tätigkeit anwendungsorientiert ab.

Michael Rathmair

Dipl.-Ing. Dr. Michael Rathmair studierte Elek- trotechnik und Informationstechnologie an der TU Wien und schloss 2018 sein Doktor- ratsstudium am Institut für Computertech- nik ab. Zudem war er wissenschaftlicher Mit- arbeiter und in diversen nationalen und internationalen Forschungsprojekten, sowie im universitären Lehrbetrieb integriert. Seit März 2019 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter und technischer Prüfstellenleiter des ROBOTICS Evaluation Lab (REL) am Institut für ROBOTICS der JOANNEUM RESEARCH Forschungs- gesellschaft mbH tätig. Seine fachlichen Interessen liegen vorrangig in der Erforschung und Entwicklung von Verifikations-, Analyse- und Prüfprozessen für Roboterapplikationen im Sinne eines cyberphysi- kalischen Systems. Um diese Prozesse optimal in den modernen Pro- duktionsalltag integrieren zu können, ist er auch aktiv in den nationalen und internationalen Gremien für die Roboternorm ISO 10218 vertreten.