Ermittlung von Belastungsgrenzen für die sichere Mensch

Fraunhofer-Institut für fabrikbetrieb
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KOLLISIONSUNTERSUCHUNGEN
UNTER REALEN BEDINGUNGEN
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Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb
u n d - a u t o m at i s i e r u n g I F F
Das Fraunhofer IFF verfügt über eine umfangreiche Ausstattung
Institutsleiter
zur systematischen Untersuchung von Mensch-Roboter-Kollisio-
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. mult. Michael Schenk
nen. Zu ihr zählen u. a. verschiedene Kraftmesssysteme, ein
hochauflösendes Druckmesssystem sowie eine Hochgeschwin-
Sandtorstraße 22
digkeitskamera. Darüber hinaus ist das Fraunhofer IFF im Besitz
39106 Magdeburg
des KOLROBOT-Messsystems, welches vom Institut für Arbeitsschutz (IFA) der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung
Telefon +49 391 4090-0
(DGUV) entwickelt wurde. Mit diesem System können Stoß-
Telefax +49 391 4090-596
und Klemmkräfte direkt an kollaborierenden Robotern gemes-
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sen werden. Dabei werden mit einer Kombination aus Federn
www.iff.fraunhofer.de
und Dämpfungsmaterialien verschiedene Regionen des menschlichen Körpers nachgebildet. Eine vollautomatische Auswertung
Ansprechpartner
erlaubt eine direkte Verwendung der Ergebnisse für die Risiko-
Geschäftsfeld Robotersysteme
analyse von Arbeitsplätzen mit Mensch-Roboter-Kollaboration.
Dr. techn. Norbert Elkmann
Die Erkenntnisse und Ergebnisse aus den Belastungsstudien des
Telefon +49 391 4090-222
Fraunhofer IFF werden in der Arbeit mit dem KOLROBOT-Mess-
Telefax +49 391 4090-250
system direkt mit einbezogen.
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Unsere Leistungen
Dipl.-Ing. Roland Behrens
Das Fraunhofer IFF ist mit seiner umfassenden Ausstattung in
Telefon +49 391 4090-284
der Lage, alle relevanten Reaktionsgrößen bei einer Mensch-
Telefax +49 391 4090-250
Roboter-Kollision quantitativ zu messen. Unsere flexiblen und
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zum Teil mobilen Messsysteme erlauben es uns, Ihren kollaborierenden Roboter, Ihre mobile Plattform oder Ihren neu einge-
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richteten kollaborierenden Arbeitsplatz mit einer vollständigen
und individuellen Vorab-Prüfung gemäß normativer Richtlinien
und Empfehlungen zu unterziehen.
Ihre Vorteile
Bei Neueinrichtung von kollaborierenden Arbeitsplätzen können
die Ergebnisse einer Kollisionsmessung für die Risikoanalyse
verwendet werden. Weiterhin lassen sich Prozessabläufe und
Taktraten untersuchen und optimieren, ohne dabei geltende
Belastungsgrenzen zu überschreiten.
© Fraunhofer IFF, Magdeburg 06/2015
Fotos: Fraunhofer IFF; 5 Viktoria Kühne
u n d - a u t o m a t i s i e r u n g I F F, M a g d e b u r g
ERMITTLUNG VON
BELASTUNGSGRENZEN
FÜR DIE SICHERE
MENSCH-ROBOTERKOLLABORATION
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AKZEPTABLE BEANSPRUCHUNG
BEI MENSCH-ROBOTER-KOLLI
SIONEN
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WEITERE SCHWERPUNKTE DER
UNTERSUCHUNGEN
STUDIEN ZUR ERMITTLUNG VON
BELASTUNGSGRENZEN
Zu einem weiteren Schwerpunkt der laufenden Belastungsstudien
Das Fraunhofer IFF bearbeitet aktuell zwei Studien mit dem
am Fraunhofer IFF zählt die Bestimmung der physikalischen Grö-
Ziel, Belastungsgrenzen für die sichere Mensch-Roboter-
Die Mensch-Roboter-Kollaboration hält verstärkt Einzug in die
ßen wie Kraft, Druck oder Energie, die den nachweislich größten
Kollaboration zu ermitteln. Durch Kollisionsversuche an Proban-
industrielle Produktion. Immer häufiger teilen sich Menschen und
Einfluss auf den Schmerz- oder Verletzungseintritt haben. Bis
den werden verifizierte Grenzwerte erarbeitet, mit denen sich
Roboter einen gemeinsam genutzten Arbeitsraum, in dem beide
heute ist nicht nachgewiesen, welche Größe mit welcher der
die Folgen einer Kollision abschätzen und begrenzen lassen.
direkt zusammenarbeiten und miteinander interagieren. Der
beiden Eintrittsschwellen am besten korreliert. Anhand von
Die Ethik-Kommission der Otto-von-Guericke-Universität
Schutz des Menschen wird nicht mehr durch trennende Zäune
Probandenversuchen ist dies nun erstmals möglich. Weiterhin
Magdeburg (OvGU) hat den Versuchen zugestimmt. Die
sichergestellt, sondern durch technologische Maßnahmen wie
wird in Zusammenarbeit mit Medizinern und Statistikern ermit-
Versuche werden von Ärzten der OvGU folgender Einrichtungen
Sensorsysteme oder sichere Manipulatoren.
telt, inwieweit beide Eintrittsschwellen von Geschlecht, Alter und
begleitet:
weiteren Körpergrößen abhängen und ob bei einer Kollision die
Für die Absicherung solcher Arbeitsplätze ist an erster Stelle die
Schmerzeintrittsschwelle immer vor der Verletzungseintritts-
– Klinik für Unfallchirurgie
DIN EN ISO 10218-2 heranzuziehen. Sie definiert unterschiedliche
schwelle erreicht wird.
– Institut für Rechtsmedizin
Formen der Kollaboration und wird inhaltlich ergänzt durch die
– Klinik für Dermatologie und Venerologie
ISO TS 15066, welche spezifische Sicherheitsanforderungen fest-
Unterschiedliche Kollisionsfälle
legt. Die engste Form der Kollaboration liegt vor, wenn Mensch
In einer bereits abgeschlossenen Studie wurde die Situation einer
und Roboter physisch zusammenarbeiten und Berührungen
Kollision untersucht, in der ein Roboter mit einem Menschen zu-
Belastungsgrenzen für den Schmerzeintritt
zwischen beiden Partnern erlaubt sind.
sammenstößt. Im Auftrag des Instituts für Arbeitsschutz (IFA) der
Mit Hilfe eines mechanischen Pendels werden 20 Probanden an
– Institut für Neuroradiologie
Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) konnte das
über 20 Körperregionen mit Stößen unterschiedlicher Energie
Sind Berührungen prinzipiell möglich oder sogar notwendig,
Fraunhofer IFF anhand von Probandenversuchen nachweisen,
belastet. Die Stoßenergie wird während der Versuche soweit er-
muss bei der Risikoanalyse unterschieden werden, welche Kon-
dass die maximal zulässigen Belastungsgrenzen für freie Kollisio-
höht, bis die Schmerzeintrittsschwelle des Probanden erreicht
takte gewollt oder ungewollt eintreten können. Für beide Fälle
nen, bei denen das betroffene Körperteil nicht eingeklemmt wird
ist. Insgesamt werden zwei unterschiedliche Stößel verwendet.
gelten unterschiedliche Beanspruchungsgrenzen, wie sie das
und ausweichen kann, deutlich höher liegen als bei klemmenden
Die Studie erfolgt im Auftrag der Berufsgenossenschaft Holz &
Fraunhofer IFF gemeinsam mit Rechtsmedizinern der Otto-von-
Kollisionen, bei denen das betroffene Körperteil eingeklemmt
Metall, die auch Initiator der Studie ist.
Guericke-Universität Magdeburg in einer Studie der Kommission
wird. Anhand der Probandenversuche wurde eine Umrechnungs-
Arbeitsschutz und Normung (KAN) festgelegt hat.
vorschrift entwickelt, die Belastungsgrenzen für klemmende Kolli-
Belastungsgrenzen für den Verletzungseintritt
sionen auf den freien Fall umrechnet.
Mit derselben Pendelvorrichtung aus der Schmerzstudie werden
Im Fall eines gewollten Kontakts darf die Beanspruchung des
weitere 15 Probanden an mehreren Körperregionen hinsichtlich
Menschen den Schmerzeintritt nicht erreichen. D. h. es darf
der Verletzungseintrittsschwelle untersucht. Hierfür wird über
durch eine gewollte und notwendige Berührung des Menschen
einen mehrwöchigen Zeitraum die Stoßenergie soweit erhöht,
durch den Roboter lediglich ein Druckgefühl entstehen, das
bis die versuchsbegleitenden Ärzte eine leichte Schwellung oder
nicht als Schmerz wahrzunehmen ist. Gefährliche Kollisionen
ein leichtes Hämatom an der belasteten Körperregion feststel-
oder Klemmungen gelten grundsätzlich als ungewollte Kontakt-
len. Für die Untersuchung werden neben Ultraschall- auch
fälle. In diesem Fall darf die Beanspruchung des Menschen den
1 Direkte Mensch-Roboter-Kollaboration.
MRT-Aufnahmen durchgeführt. Es werden vier unterschiedliche
Verletzungseintritt nicht überschreiten. Zu den Merkmalen dieser
2 KOLROBOT-Messsystem des IFA.
Stößel verwendet. Die Studie ist initiiert vom Fraunhofer IFF
Schwelle zählen ausschließlich die Entstehung einer leichten
3 Kollisionsuntersuchungen mit Probanden.
und wird von der Daimler AG und KUKA AG unterstützt.
Schwellung oder eines leichten Hämatoms.
4 Untersuchungen mit einem Druckmesssystem.

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