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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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