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Schutzzaunlose Leichtbauroboter und Arbeitsschutz

Chancen und Risiken
Arbei­ten mit Leicht­bau­ro­bo­tern in der Montage

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Viele Unter­neh­men sehen das grund­sätz­li­che Poten­zial der Mensch-Roboter-Kollaboration, können aber noch nicht alle Chan­cen und Risi­ken abschät­zen. Das Fraun­ho­fer IAO wollte daher wissen, welche Erfah­run­gen die Unter­neh­men gemacht haben, die in der Montage bereits schutz­zaun­lose Leicht­bau­ro­bo­ter einset­zen – vor allem beim Thema Arbeits­si­cher­heit.

In Deutsch­lands Wirt­schaft herrscht ein vermeint­li­cher Wider­spruch. Im inter­na­tio­na­len Ranking der am meis­ten auto­ma­ti­sier­ten Indus­trie­stand­orte nimmt unser Land nach Singa­pur und Südko­rea den drit­ten Platz ein. Auf 10.000 Beschäf­tigte kommen immer­hin schon mehr als 300 Robo­ter. Doch trotz der inter­na­tio­nal rela­tiv hohen Lohn­kos­ten sind die meis­ten Monta­ge­ar­beits­plätze in Deutsch­land noch immer rein manu­ell. Insbe­son­dere kleine und mitt­lere Unter­neh­men (KMU) zögern noch mit der Auto­ma­ti­sie­rung. Gründe hier­für sind vor allem die zuneh­mende Varia­ti­ons­breite der Produkte, die meist erst in der Montage entste­hen, klei­ner werdende Losgrö­ßen sowie kürzere Produkt­le­bens­zy­klen. Eine Auto­ma­ti­sie­rung war bisher für viele Unter­neh­men nicht wirt­schaft­lich, da die gerin­gen Stück­zah­len keine ange­mes­se­nen Amor­ti­sa­ti­ons­zeit­räume erge­ben oder aber die hohe Vari­anz in den Produk­ten die Auto­ma­ti­sie­rung verteu­ert.

Mit der Einfüh­rung der soge­nann­ten Leicht­bau­ro­bo­ter eröff­nen sich aber nun neue Chan­cen für bislang „auto­ma­ti­sie­rungs­re­sis­tente“ Unter­neh­men, die Nach­teile der Auto­ma­ti­sie­rung hinter sich zu lassen und durch die Auto­ma­ti­sie­rung effi­zi­en­ter und kosten­güns­ti­ger zu produ­zie­ren. Denn durch Einstiegs­preise ab 15.000 Euro können einfa­che Appli­ka­tio­nen, die keine großen Inves­ti­tio­nen in die Mate­ri­al­be­reit­stel­lung, in zusätz­li­che Sicher­heits­ein­rich­tun­gen oder in teure Endef­fek­to­ren erfor­dern, schnell wirt­schaft­lich umge­setzt werden.

Fraunhofer-Studie

Viele Mittel­ständ­ler sehen das grund­sätz­li­che Poten­zial dieser neuen Tech­no­lo­gie, warten aber noch auf genü­gend Infor­ma­tio­nen, um eine Entschei­dung für den Robo­ter­ein­satz beden­ken­los recht­fer­ti­gen zu können. Diese Wissens­lü­cke ist durch die Studie „Leicht­bau­ro­bo­ter in der manu­el­len Montage“ des Fraun­ho­fer IAO in Stutt­gart und dessen Koope­ra­ti­ons­in­sti­tut IAT der Univer­si­tät Stutt­gart geschlos­sen worden. Beide Insti­tute forschen über Produktions- und Auftrags­ab­wick­lungs­pro­zesse mit dem Schwer­punkt Montage. Unter ihren Indus­trie­part­nern finden sich auch viele Firmen, die bereits erste Erfah­run­gen mit dem Einsatz von (kolla­bo­rie­ren­den) Leicht­bau­ro­bo­tern bezüg­lich Einfüh­rungs­pro­zess, Art der Mensch-Roboter-Interaktion (Mensch-Roboter-Kollaboration, MRK), Mitar­bei­ter­ak­zep­tanz, Arbeits­si­cher­heit und Wirt­schaft­lich­keit gemacht haben.

Der dama­lige Leiter der Studie, Manfred Bender, erklärt die Vorge­hens­weise der Forscher: „Nach einer Recher­che bei unse­ren Indus­trie­part­nern und in Veröf­fent­li­chun­gen zu schutz­zaun­lo­sem Robo­ter­ein­satz in Deutsch­land wurden aus den rund 50 von den Unter­neh­men einge­setz­ten und in der Lite­ra­tur beschrie­be­nen Appli­ka­tio­nen 25 für die weitere Unter­su­chung ausge­wählt. Krite­rien für die Auswahl waren: Die Appli­ka­tion ist im Seri­en­ein­satz oder kurz davor und der Robo­ter bereits in mehre­ren Unter­neh­men im Einsatz.“ 2016 konn­ten die Ergeb­nisse der Studie präsen­tiert werden.

Defi­ni­tion Leicht­bau­ro­bo­ter

Doch zunächst: Was genau ist ein Leicht­bau­ro­bo­ter eigent­lich? Es handelt sich um jene Robo­ter, die mit den Beschäf­tig­ten in der Montage schutz­zaun­los zusam­men­ar­bei­ten können, vergleichs­weise klein sind und leicht bewegt werden können. Sie sind von Haus aus für die Zusam­men­ar­beit mit dem Menschen ausge­legt. Dank ausge­feil­ter Sensor­tech­nik im Robo­ter kann dieser ohne Schutz­zaun in bestimm­ten Anwen­dungs­fäl­len direkt mit dem Menschen koope­rie­ren.

Die Arbeits­be­rei­che von Robo­ter und Arbei­ter sind dann nicht mehr streng getrennt, sondern über­lap­pen sich zu einem gemein­sa­men Arbeits­raum. Dabei ist die eigent­li­che Kolla­bo­ra­tion, wenn Robo­ter und Mensch tatsäch­lich gemein­sam Arbeits­auf­ga­ben durch­füh­ren, nur ein Szena­rio der Mensch-Roboter-Interaktion. Forscher und Prak­ti­ker spre­chen von Koexis­tenz, wenn Mensch und schutz­zaun­lo­ser Robo­ter neben­ein­an­der arbei­ten, aber keinen gemein­sa­men Arbeits­raum haben. Von synchro­ni­sier­ten Arbeits­ab­läu­fen wird gespro­chen, wenn Mensch und Robo­ter zwar einen gemein­sa­men Arbeits­raum teilen, aber der vorge­se­hene Ablauf immer nur einen Inter­ak­ti­ons­part­ner im Arbeits­raum vorsieht. Bei der Koope­ra­tion schließ­lich können Inter­ak­ti­ons­part­ner gleich­zei­tig im gemein­sa­men Arbeits­raum Aufga­ben haben, arbei­ten aber nicht gleich­zei­tig am selben Produkt oder Bauteil.

Faktor Sicher­heit

Auch aus arbeits­schutz­fach­li­cher Hinsicht machen Leicht­bau­ro­bo­ter viel Hoff­nung, trotz aller poten­zi­el­len Gefah­ren infolge der fehlen­den Schutz­zäune. Wie bei der Einfüh­rung aller neuen Tech­no­lo­gien blei­ben aber für die Anwen­der noch viele Fragen offen. Der Robo­ter­her­stel­ler garan­tiert nämlich nur die Einhal­tung der Richt­li­nien und Normen für den Robo­ter selbst, nicht für den Einsatz oder die Appli­ka­tion des Robo­ters. Eine Appli­ka­tion besteht aber nicht nur aus einem Robo­ter, sondern zusätz­lich mindes­tens noch aus einem Endef­fek­tor (das am Robo­ter­arm adap­tierte Werk­zeug) sowie einem Bauteil (die mit dem Robo­ter­arm beweg­ten Gegen­stände).

Da es sich bei Robo­tern im Sinne der Maschi­nen­richt­li­nie um eine unvoll­stän­dige Maschine handelt, kann ihr siche­rer Einsatz erst an der endgül­ti­gen Appli­ka­tion mit Werk­stück, Werk­zeug und auch der Arbeits­um­ge­bung beur­teilt werden. Je nach Appli­ka­tion sind somit bei Bedarf zusätz­li­che Schutz­maß­nah­men, wie zum Beispiel eine nied­ri­gere Robo­ter­ge­schwin­dig­keit, notwen­dig. Hinsicht­lich einer Sicher­heits­zer­ti­fi­zie­rung durch den Herstel­ler ist zu berück­sich­ti­gen, dass ein Leicht­bau­ro­bo­ter keine CE-Kennzeichnung erhal­ten kann, sondern nur eine Einbau­er­klä­rung. Erst wenn der Robo­ter als unvoll­stän­dige Maschi­nen mit Endef­fek­tor, Arbeits­auf­gabe mit Werk­stü­cken und der rest­li­chen Peri­phe­rie zu einem Gesamt­sys­tem verbaut ist, kann eine Risi­ko­ana­lyse (nach MaschRL 2006/42/EG) bezie­hungs­weise beim Betrei­ber eine Gefähr­dungs­be­ur­tei­lung (nach ArbSchG) vorge­nom­men werden.

Studien-Ergebnisse

Was waren die zentra­len Ergeb­nisse der dama­li­gen Fraun­ho­fer IAO-Studie? Manfred Bender bilan­ziert: „Unsere Studie zeigt, dass die neue Tech­no­lo­gie funk­tio­niert! Dies konnte in allen persön­li­chen Gesprä­chen mit unse­ren Indus­trie­part­nern bestä­tigt werden. Aller­dings: Auch wenn die Tech­no­lo­gie als solche nicht in Frage gestellt wird, so bestehen jedoch noch einige Unsi­cher­hei­ten, was beispiels­weise die neuen Normen und Richt­li­nien der Arbeits­si­cher­heit betrifft.“

Die Wissen­schaft­ler wurden von eini­gen Infor­ma­tio­nen über­rascht: So sei der Aufwand für den schutz­zaun­lo­sen Einsatz deut­lich höher als anfangs erwar­tet. Zudem gab es zum Zeit­punkt der Erhe­bung kaum kolla­bo­ra­tive MRK-Anwendungsfälle in Monta­ge­pro­zes­sen. Über­wie­gend arbei­te­ten Montage-Mitarbeiter und Robo­ter in Koexis­tenz, selte­ner auch in Koope­ra­tion. Doch in beiden Szena­rien arbeite die neue Tech­no­lo­gie sehr zuver­läs­sig in den befrag­ten Unter­neh­men.

Sicher­heit der Systeme

Ferner zeigte sich, dass auch die von den Unter­neh­men gewählte Sicher­heits­stra­te­gie von der Art und Weise des Zusam­men­wir­kens von Mensch und Robo­ter abhänge: In den über­wie­gen­den Fällen handelte es sich um Koexis­tenz, bei der Mensch und Robo­ter nur zeit­weise im gemein­sa­men Arbeits­raum zusam­men­wir­ken, zum Beispiel beim Maga­zin­wech­sel. Etwa drei Vier­tel der Anwen­dungs­fälle wiesen im Arbeits­raum keine zusätz­li­chen Sicher­heits­vor­rich­tun­gen auf, da man davon ausgehe, dass der Robo­ter über die erfor­der­li­chen Sicher­heits­merk­male verfügt.

Alle einge­setz­ten Robo­ter verfüg­ten über eine Geschwindigkeits- und Kraft­re­gu­lie­rung. Der APAS und der KR 5 SI haben zusätz­lich kapa­zi­tive bezie­hungs­weise taktile Senso­ren, die bei Annä­he­rung eines Menschen oder im Kontakt­fall die Geschwin­dig­keit des Robo­ters redu­zie­ren oder dessen Bewe­gung gar stop­pen. Der Nach­weis der System­si­cher­heit werde in den Unter­neh­men durch eine (Eigen-)Zertifizierung der Appli­ka­tion erbracht. Bis auf fünf Anwen­dungs­fälle wären alle Appli­ka­tio­nen in den Unter­neh­men zerti­fi­ziert.

Nach­fol­ge­stu­die ROKOKO

Die Studie „Leicht­bau­ro­bo­ter in der manu­el­len Montage“ sollte aber nur die Basis für ein weite­res Forschungs­pro­jekt des Fraun­ho­fer IAO sein, dass sich noch einge­hen­der mit den arbeits­wis­sen­schaft­li­chen und sicher­heits­fach­li­chen Fakto­ren beim Einsatz der Leicht­bau­ro­bo­ter in der Montage beschäf­tigte: das Verbund­pro­jekt ROKOKO, das vom Projekt­trä­ger Karls­ruhe (PTKA) betreut und vom Bundes­mi­nis­te­rium für Bildung und Forschung geför­dert wird (siehe auch Inter­view mit Peter Rally, Seite 11 bis 13). Wie Studi­en­lei­ter Peter Rally erläu­tert, habe die 2016 abge­schlos­sene Studie die Wissens­lü­cke im Bereich der Montage aufge­zeigt. Zum dama­li­gen Zeit­punkt lag der Anteil von Robo­tern in der Montage der Unter­neh­men nämlich erst bei zehn Prozent. Seit­dem habe sich der Trend zum vermehr­ten Einsatz von Robo­tern in den Monta­ge­hal­len der Repu­blik verstärkt, 2018 waren bereits in 13 Prozent der Unter­neh­men Robo­ter im Einsatz.

Der Fokus der neuen Studie sollte daher noch mehr auf den Arbeits­be­din­gun­gen in den auto­ma­ti­sier­ten Monta­ge­hal­len liegen. Peter Rally erklärt: „Wir haben vor allem den Mitar­bei­ter im Blick. Diese neue Auto­ma­ti­sie­rung, die jetzt viel näher am Menschen dran ist bezie­hungs­weise direkt mit dem Menschen geschieht, kann sowohl ‚gut‘ als auch ‚schlecht‘ gemacht werden. Was genau gut und schlecht ist oder sein kann, hängt oft von der Perspek­tive des Betrach­ters ab – wir versu­chen mit ROKOKO eine objek­tive Sicht­weise zu eröff­nen.“


Foto: privat

Autor: Dr. Joerg Hensiek

Frei­be­ruf­li­cher Jour­na­list

 


Praxis­bei­spiel: Ein Robo­ter spezi­ell für das gesün­dere Arbei­ten

Der vorran­gige Grund für die Einfüh­rung von Kolla­bo­ra­ti­ven Robo­tern sind wirt­schaft­li­cher Art. Es gibt aber auch Beispiele für Unter­neh­men, die Kolla­bo­ra­tive Robo­ter primär zur Förde­rung der Mitar­bei­ter­ge­sund­heit einset­zen. Beispiel STIHL, der inter­na­tio­nal tätige Motor­sä­gen­her­stel­ler aus Waib­lin­gen, der unter ande­rem Trenn­schlei­fer für den profes­sio­nel­len Anwen­der fertigt und verpackt. Bei der Verpa­ckung kommt seit eini­gen Mona­ten der Robo­ter­typ CR-35iA zum Einsatz. Ohne die Hilfe des Robo­ters muss der Mitar­bei­ter den Trenn­schlei­fer, der rund 10 kg wiegt, selbst bewe­gen. Bei der Planung des Robo­ter­ein­sat­zes wurden auch die Mitar­bei­ter betei­ligt. Tech­nisch beson­ders heraus­for­dernd war die Inte­gra­tion des Robo­ters in eine bestehende Monta­ge­li­nie unter stark einge­schränk­ten Platz­ver­hält­nis­sen. Zudem muss­ten wesent­li­che Arbeits­in­halte inner­halb der Monta­ge­li­nie verla­gert werden. Für die Beschäf­tig­ten vor Ort hat sich der Einsatz des Robo­ters bereits jetzt gelohnt, wie Monta­ge­mit­ar­bei­ter Walde­mar Einrich meint: „Die Entlas­tung durch den Robo­ter ist beson­ders für den Rücken enorm.“


Praxis­bei­spiel: Ein Robo­ter spezi­ell für das gesün­dere Arbei­ten

Der vorran­gige Grund für die Einfüh­rung Kolla­bo­ra­ti­ver Robo­ter ist wirt­schaft­li­cher Art. Es gibt aber auch Beispiele für Unter­neh­men, die Kolla­bo­ra­tive Robo­ter primär zur Förde­rung der Mitar­bei­ter­ge­sund­heit einset­zen. Ein Beispiel ist Stihl, der inter­na­tio­nal tätige Motor­sä­gen­her­stel­ler aus Waib­lin­gen, der unter ande­rem Trenn­schlei­fer für den profes­sio­nel­len Anwen­der fertigt und verpackt. Bei der Verpa­ckung kommt seit eini­gen Mona­ten der Robo­ter­typ CR-35iA zum Einsatz. Ohne die Hilfe des Robo­ters muss der Mitar­bei­ter den Trenn­schlei­fer, der rund 10 kg wiegt, selbst bewe­gen. Bei der Planung des Robo­ter­ein­sat­zes wurden auch die Mitar­bei­ter betei­ligt. Tech­nisch beson­ders heraus­for­dernd war die Inte­gra­tion des Robo­ters in eine bestehende Monta­ge­li­nie unter stark einge­schränk­ten Platz­ver­hält­nis­sen. Zudem muss­ten wesent­li­che Arbeits­in­halte inner­halb der Monta­ge­li­nie verla­gert werden. Für die Beschäf­tig­ten vor Ort hat sich der Einsatz des Robo­ters bereits jetzt gelohnt, wie Monta­ge­mit­ar­bei­ter Walde­mar Einrich meint: „Die Entlas­tung durch den Robo­ter ist beson­ders für den Rücken enorm.“

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