Die Sicherheitsstandards für Kollaborative Roboter
ISO 10218 und ISO/TS 15066 erklärten: Zusammenarbeit von Robotersicherheitsanforderungen, Kraftgrenzwerte, Geschwindigkeitsgrenzwerte und Nachgiebigkeit-Tests.
Warum Sicherheitsstandards wichtig sind
Ein gemeinsamer Roboter, der ohne ordnungsgemäße Sicherheitsvorschriften arbeitet, ist eine Haftung - rechtlich, finanziell und physisch. In der EU können nicht-konforme Roboter nicht das CE-Marken tragen und nicht legal eingesetzt werden. In den USA tragen OSHA-Anmeldungen für unbewachtete Robotergefahren Strafen von bis zu $156.259 pro vorsätzlichen Verstoß. Selbst in Forschungslabors benötigen Universitäten Risikovermessungen, bevor sie den Studenten Zugang zu Roboterarmen geben.
In diesem Leitfaden werden die drei Kernstandards (ISO 10218-1, ISO 10218-2, ISO/TS 15066) erläutert, die vier Kooperationsmodi, die spezifischen Kraft- und Druckgrenzen nach Körperregion, der Risikobewertungsprozess und die Bedeutung der Einhaltung in den Kontexten USA und EU.
Die drei Kernstandards
ISO 10218-1:2011 - Roboterentwurf
Die Anforderungen umfassen: Notfallstoppfunktion (Kategorie 0 oder 1 nach IEC 60204-1), Schutzstopp, Geschwindigkeits- und Kraftüberwachung, Einzelhaltungsmanagement, Gelenkgrenzen und Sicherheitsintegrität des Steuerungssystems. Alle Industrie- und Kooperationsroboter müssen ISO 10218-1 erfüllen.
ISO 10218-2:2011 -- Robotersystemintegration
Die Richtlinie enthält die Anforderungen an die Sicherheitsvorkehrungen (Zäune, Lichtvorhänge, Sicherheitsmatten, Laserscanner), die Überprüfung und Validierungstests sowie die Layout des Arbeitsplatzes.
ISO/TS 15066:2016 - Zusammenarbeit
Der kritische Standard für Cobots. Definitert die vier Kollaborationsbetriebsmodi und legt quantitative Kraft- und Druckgrenzen für den Kontakt zwischen Mensch und Roboter fest. Dies ist eine technische Spezifikation (TS), nicht ein vollständiger Internationaler Standard, was bedeutet, dass er überarbeitet wird.
Die vier kooperativen Betriebsmodus
1. Sicherheitsbewertete Überwachungsstop (SMS)
Der Roboter hält, bevor der Mensch in den Arbeitsraum des Kollaborationsbetriebs eintritt, und setzt nicht wieder auf, bis der Mensch ausgeht. Er benötigt Sicherheitssensoren (Lichtvorhänge, Laser-Scanner, Druckmatten) zur Erkennung der menschlichen Gegenwart. Der Stopp muss ein Sicherheits-Stopp gemäß ISO 10218-1 sein. Dies ist der einfachste Modus, erlaubt jedoch keine gleichzeitige Arbeit zwischen Mensch und Roboter.
2° Handleiter
Der Betreiber bewegt den Roboter physisch, indem er ein Handleitgerät ergreift. Der Roboter muss einen sicherheitsbewerteten überwachten Halt haben, der aktiviert wird, wenn der Betreiber das Führgerät (Tode-Man-Schalter) freisetzt. Kraft-/Torkssensing am Handleitpunkt ist erforderlich. Dieser Modus wird für Demonstrationsprogrammierung verwendet.
3. Überwachung der Geschwindigkeit und Trennung (SSM)
Der Roboter regelt die Geschwindigkeit dynamisch anhand der Entfernung zum nächsten Menschen an. Er benötigt externe Überwachungssysteme (3D-Tiefengekameras, LiDAR, Radar) zur kontinuierlichen Messung der Trennstrecke. Der Mindesttrennstand wird mit Hilfe von ISO 13855-Formeln berechnet, die die menschliche Annäherungsgeschwindigkeit (1,6 m/s), die Roboter-Haltzeit und die Sensor-Reaktionszeit berücksichtigen. Dies ist der komplexeste Modus, um richtig umzusetzen.
4. Kraft- und Kraftbegrenzung (PFL)
Der Roboter ist von Natur aus in der Kraft und dem Druck begrenzt, den er ausüben kann. Dies ist der Standardmodus für die meisten Cobots (UR, FANUC CRX, Doosan).
ISO/TS 15066 Kraft- und Druckgrenzen
Diese Grenzwerte definieren die maximal zulässige Kraft und Druck für den Übergangs- (Auswirkung) und Quasi-static (Klampen) Kontakt zwischen einem Roboter und einem menschlichen Körperteil:
| Body Region | Max Transient Force (N) | Max Quasi-Static Force (N) | Max Quasi-Static Pressure (N/cm2) |
|---|---|---|---|
| Skull / Forehead | 130 | 65 | 30 |
| Face | 65 | 45 | 20 |
| Neck (sides) | 150 | 75 | 25 |
| Upper arm / Elbow | 210 | 110 | 30 |
| Forearm | 190 | 100 | 40 |
| Hand / Fingers | 150 | 75 | 40 |
| Chest | 140 | 70 | 25 |
| Lower legs / Knees | 220 | 130 | 50 |
Schlüsselunterscheidung: Übergangs-Kontakt ist ein kurzer Aufprall (Roboter-Strecken und -rücksprünge innerhalb von 500 ms). Quasi-statischer Kontakt ist Klemmen (Roboter-Pins, menschlich gegen eine feste Oberfläche). Quasi-statische Grenzen sind etwa die Hälfte der Übergangsgrenzen, weil der Mensch nicht entkommen kann.
Risikobewertungstechnik (EN ISO 12100)
Jeder Einsatz von Cobots erfordert eine dokumentierte Risikobewertung.
- Gehalt: Identifizieren Sie den Roboter, die Anwendung, die Arbeitsraumgrenzen und die beabsichtigten menschlichen Interaktionen.
- **Für jede Gefahr identifizieren Sie die Gefährdungslage (Wenn/Wie der Mensch ausgesetzt ist).
- Schätzungsrisiko: Für jede Gefahr: Schwere Schäden (S1-S4) x Häufigkeit der Exposition (F1-F2) x Wahrscheinlichkeit der Vermeidung (P1-P2).
- Risikoverringerung: Hierarchie: a) ein von Natur aus sicheres Design (niedrigere Masse, Geschwindigkeit, Kraft), b) Schutz- und Schutzvorrichtungen, c) Anwendungsinformationen (Ausbildung, Anzeigen, PPE).
- Dokument und Validierung: Erstellen Sie einen Risikobewertungsbericht. Testen Sie das Sicherheitssystem gegenüber den dokumentierten Risiko-Szenarien. Neubeurteilen Sie, wenn sich die Anwendung, das Werkzeug oder der Arbeitsplatz ändern.
Komponenten des Sicherheitssystems
- Sicherheitsbewertete Laserscanner: SICK microScan3 ($2.000-$4.000). Definiert konfigurierbare Sicherheitszonen. Wenn ein Mensch in eine Warnzone gelangt, verlangsamt sich der Roboter; wenn er in eine Schutzzone gelangt, hält sich der Roboter an.
- ** Sicherheitslichtvorhänge:** Keyence SL-V ($ 1.500-$ 3.000). Erkennt Objekte, die ein Lichtstrahl-Array überqueren.
- Sicherheitsbewertete Kraft-/ Drehmomentsensoren: In Cobots (UR, FANUC CRX) oder externe (ATI Gamma-SI, $8K-$15K) eingebaut.
- Safety PLCs: Siemens SIMATIC Safety ($500-$2,000), Allen-Bradley GuardLogix. Für SMS- und SSM-Modus erforderlich, um Sicherheitsinputs zu verarbeiten und sicherheitsbewertete Ausgänge zu erzeugen.
- Notfallstop-Taste: müssen roten Pilzkopf, Kategorie 0 oder 1 Stop pro IEC 60204-1 sein. Ein Stop pro Zugangspunkt zum Arbeitsplatz des Roboters.
CE-Kennzeichnung und OSHA-Anforderungen
EU: CE-Kennzeichnung
Die in der EU verkauften Roboter müssen das CE-Kennzeichen tragen, das die Einhaltung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG nachweist. Für Cobots bedeutet dies die Einhaltung der ISO 10218-1/-2 und ISO/TS 15066 . Der Hersteller stellt eine Konformitätserklärung vor. Der Integrator ist für die CE-Kennzeichnung der gesamten Anlage (Roboter + Werkzeug + Sicherheitsmaßnahmen) verantwortlich.
US: OSHA und ANSI/RIA 15.06
Die USA benötigen keine CE-Kennzeichnung, aber die OSHA setzt die Arbeitsplatzsicherheit nach der Allgemeinen Pflichtklausel (§ 5(a) 1) und ANSI/RIA 15.06-2012 (USA-Annahme von ISO 10218-2) durch.
Praktische Implikation: Wenn Sie einen Cobot an einem Arbeitsplatz in den USA einsetzen, müssen Sie eine Risikobewertung nach ANSI/RIA 15.06 durchführen und dokumentieren, dass die Kraft-/Geschwindigkeitsgrenzwerte des Robots den TR R15.606 entsprechen.
Warum Sicherheitsstandards wichtig sind
Ein gemeinsamer Roboter, der ohne ordnungsgemäße Sicherheitsvorschriften arbeitet, ist eine Haftung - rechtlich, finanziell und physisch. In der EU können nicht-konforme Roboter nicht das CE-Marken tragen und nicht legal eingesetzt werden. In den USA tragen OSHA-Anmeldungen für unbewachtete Robotergefahren Strafen von bis zu $156.259 pro vorsätzlichen Verstoß. Selbst in Forschungslabors benötigen Universitäten Risikovermessungen, bevor sie den Studenten Zugang zu Roboterarmen geben.
In diesem Leitfaden werden die drei Kernstandards (ISO 10218-1, ISO 10218-2, ISO/TS 15066) erläutert, die vier Kooperationsmodi, die spezifischen Kraft- und Druckgrenzen nach Körperregion, der Risikobewertungsprozess und die Bedeutung der Einhaltung in den Kontexten USA und EU.
Die drei Kernstandards
ISO 10218-1:2011 - Roboterentwurf
Die Anforderungen umfassen: Notfallstoppfunktion (Kategorie 0 oder 1 nach IEC 60204-1), Schutzstopp, Geschwindigkeits- und Kraftüberwachung, Einzelhaltungsmanagement, Gelenkgrenzen und Sicherheitsintegrität des Steuerungssystems. Alle Industrie- und Kooperationsroboter müssen ISO 10218-1 erfüllen.
ISO 10218-2:2011 -- Robotersystemintegration
Die Richtlinie enthält die Anforderungen an die Sicherheitsvorkehrungen (Zäune, Lichtvorhänge, Sicherheitsmatten, Laserscanner), die Überprüfung und Validierungstests sowie die Layout des Arbeitsplatzes.
ISO/TS 15066:2016 - Zusammenarbeit
Der kritische Standard für Cobots. Definitert die vier Kollaborationsbetriebsmodi und legt quantitative Kraft- und Druckgrenzen für den Kontakt zwischen Mensch und Roboter fest. Dies ist eine technische Spezifikation (TS), nicht ein vollständiger Internationaler Standard, was bedeutet, dass er überarbeitet wird.
Die vier kooperativen Betriebsmodus
1. Sicherheitsbewertete Überwachungsstop (SMS)
Der Roboter hält, bevor der Mensch in den Arbeitsraum des Kollaborationsbetriebs eintritt, und setzt nicht wieder auf, bis der Mensch ausgeht. Er benötigt Sicherheitssensoren (Lichtvorhänge, Laser-Scanner, Druckmatten) zur Erkennung der menschlichen Gegenwart. Der Stopp muss ein Sicherheits-Stopp gemäß ISO 10218-1 sein. Dies ist der einfachste Modus, erlaubt jedoch keine gleichzeitige Arbeit zwischen Mensch und Roboter.
2° Handleiter
Der Betreiber bewegt den Roboter physisch, indem er ein Handleitgerät ergreift. Der Roboter muss einen sicherheitsbewerteten überwachten Halt haben, der aktiviert wird, wenn der Betreiber das Führgerät (Tode-Man-Schalter) freisetzt. Kraft-/Torkssensing am Handleitpunkt ist erforderlich. Dieser Modus wird für Demonstrationsprogrammierung verwendet.
3. Überwachung der Geschwindigkeit und Trennung (SSM)
Der Roboter regelt die Geschwindigkeit dynamisch anhand der Entfernung zum nächsten Menschen an. Er benötigt externe Überwachungssysteme (3D-Tiefengekameras, LiDAR, Radar) zur kontinuierlichen Messung der Trennstrecke. Der Mindesttrennstand wird mit Hilfe von ISO 13855-Formeln berechnet, die die menschliche Annäherungsgeschwindigkeit (1,6 m/s), die Roboter-Haltzeit und die Sensor-Reaktionszeit berücksichtigen. Dies ist der komplexeste Modus, um richtig umzusetzen.
4. Kraft- und Kraftbegrenzung (PFL)
Der Roboter ist von Natur aus in der Kraft und dem Druck begrenzt, den er ausüben kann. Dies ist der Standardmodus für die meisten Cobots (UR, FANUC CRX, Doosan).
ISO/TS 15066 Kraft- und Druckgrenzen
Diese Grenzwerte definieren die maximal zulässige Kraft und Druck für den Übergangs- (Auswirkung) und Quasi-static (Klampen) Kontakt zwischen einem Roboter und einem menschlichen Körperteil:
| Body Region | Max Transient Force (N) | Max Quasi-Static Force (N) | Max Quasi-Static Pressure (N/cm2) |
|---|---|---|---|
| Skull / Forehead | 130 | 65 | 30 |
| Face | 65 | 45 | 20 |
| Neck (sides) | 150 | 75 | 25 |
| Upper arm / Elbow | 210 | 110 | 30 |
| Forearm | 190 | 100 | 40 |
| Hand / Fingers | 150 | 75 | 40 |
| Chest | 140 | 70 | 25 |
| Lower legs / Knees | 220 | 130 | 50 |
Schlüsselunterscheidung: Übergangs-Kontakt ist ein kurzer Aufprall (Roboter-Strecken und -rücksprünge innerhalb von 500 ms). Quasi-statischer Kontakt ist Klemmen (Roboter-Pins, menschlich gegen eine feste Oberfläche). Quasi-statische Grenzen sind etwa die Hälfte der Übergangsgrenzen, weil der Mensch nicht entkommen kann.
Risikobewertungstechnik (EN ISO 12100)
Jeder Einsatz von Cobots erfordert eine dokumentierte Risikobewertung.
- Gehalt: Identifizieren Sie den Roboter, die Anwendung, die Arbeitsraumgrenzen und die beabsichtigten menschlichen Interaktionen.
- **Für jede Gefahr identifizieren Sie die Gefährdungslage (Wenn/Wie der Mensch ausgesetzt ist).
- Schätzungsrisiko: Für jede Gefahr: Schwere Schäden (S1-S4) x Häufigkeit der Exposition (F1-F2) x Wahrscheinlichkeit der Vermeidung (P1-P2).
- Risikoverringerung: Hierarchie: a) ein von Natur aus sicheres Design (niedrigere Masse, Geschwindigkeit, Kraft), b) Schutz- und Schutzvorrichtungen, c) Anwendungsinformationen (Ausbildung, Anzeigen, PPE).
- Dokument und Validierung: Erstellen Sie einen Risikobewertungsbericht. Testen Sie das Sicherheitssystem gegenüber den dokumentierten Risiko-Szenarien. Neubeurteilen Sie, wenn sich die Anwendung, das Werkzeug oder der Arbeitsplatz ändern.
Komponenten des Sicherheitssystems
- Sicherheitsbewertete Laserscanner: SICK microScan3 ($2.000-$4.000). Definiert konfigurierbare Sicherheitszonen. Wenn ein Mensch in eine Warnzone gelangt, verlangsamt sich der Roboter; wenn er in eine Schutzzone gelangt, hält sich der Roboter an.
- ** Sicherheitslichtvorhänge:** Keyence SL-V ($ 1.500-$ 3.000). Erkennt Objekte, die ein Lichtstrahl-Array überqueren.
- Sicherheitsbewertete Kraft-/ Drehmomentsensoren: In Cobots (UR, FANUC CRX) oder externe (ATI Gamma-SI, $8K-$15K) eingebaut.
- Safety PLCs: Siemens SIMATIC Safety ($500-$2,000), Allen-Bradley GuardLogix. Für SMS- und SSM-Modus erforderlich, um Sicherheitsinputs zu verarbeiten und sicherheitsbewertete Ausgänge zu erzeugen.
- Notfallstop-Taste: müssen roten Pilzkopf, Kategorie 0 oder 1 Stop pro IEC 60204-1 sein. Ein Stop pro Zugangspunkt zum Arbeitsplatz des Roboters.
CE-Kennzeichnung und OSHA-Anforderungen
EU: CE-Kennzeichnung
Die in der EU verkauften Roboter müssen das CE-Kennzeichen tragen, das die Einhaltung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG nachweist. Für Cobots bedeutet dies die Einhaltung der ISO 10218-1/-2 und ISO/TS 15066 . Der Hersteller stellt eine Konformitätserklärung vor. Der Integrator ist für die CE-Kennzeichnung der gesamten Anlage (Roboter + Werkzeug + Sicherheitsmaßnahmen) verantwortlich.
US: OSHA und ANSI/RIA 15.06
Die USA benötigen keine CE-Kennzeichnung, aber die OSHA setzt die Arbeitsplatzsicherheit nach der Allgemeinen Pflichtklausel (§ 5(a) 1) und ANSI/RIA 15.06-2012 (USA-Annahme von ISO 10218-2) durch.
Praktische Implikation: Wenn Sie einen Cobot an einem Arbeitsplatz in den USA einsetzen, müssen Sie eine Risikobewertung nach ANSI/RIA 15.06 durchführen und dokumentieren, dass die Kraft-/Geschwindigkeitsgrenzen des Robots den TR R15.606 entsprechen.