Produktion 16.04.2010, 19:46 Uhr

Künftige Sicherheitssysteme lassen Kooperation zwischen Maschine und Bediener zu

Je mehr Automatisierungstechnik in der Produktion zum Einsatz kommt, desto wichtiger wird ein angemessener Schutz für den Bediener. Sicherheitsfunktionen werden dazu zunehmend direkt in die Steuerungen integriert. Ein Blick hinter die Türen des Instituts für Arbeitsschutz, Sankt Augustin, zeigt, welche Anstrengungen nötig sind und warum die Arbeit bereits in der Konzeptphase beginnt.

Der Industrieroboter kreist umher, nach links und rechts, hoch und runter, vor und zurück. Er führt Bewegungen in einer Schnelligkeit und Präzision aus, die ein Mensch nicht schaffen würde. Doch in einem Punkt ist der Mensch der Maschine voraus: Er kann Gefahrensituationen erkennen und dementsprechend handeln. Der Roboter kann das nicht selbständig. Deshalb besteht die Absicherung derzeit oft aus einem Gitterzaun, die den Mensch aus dem Arbeitsraum der Maschine fern hält.

Diese Sicherheitsphilosophie hat zwei Nachteile. Der eine liegt auf der Hand: Wenn der Roboter nur in einem geschützten Raum arbeiten darf, können Mensch und Maschine am selben Ort nicht gleichzeitig arbeiten. Daraus ergibt sich die zweite Schwachstelle: Die Sicherheitseinrichtung wird nicht selten umgangen, also etwa die Überwachung durch die Schutztür im Zaun entfernt.

Praxisgerechter ist es, wenn der Roboter Gefahrensituationen selbstständig erkennt und entsprechend handeln kann, etwa seine Bewegung stoppen oder verlangsamen. Genau an solch einem „kollaborierenden Roboter“ arbeitet das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) in Sankt Augustin bei Bonn. Das neue System funktioniert generell schon, der Roboter bewegt sich – und bleibt stehen, wenn man ihm zu nahe kommt. Alles sehen darf der Besucher nicht, denn manche Entwicklungen werden bald zum Patent angemeldet.

Das Prinzip klingt recht einfach: Über dem Roboter ist eine spezielle Kamera montiert, die Objekte erkennt und für jeden Bildpunkt die Höhe misst. Das ist wichtig, damit der Roboter die richtige Handlung ausführen kann. Denn ist er gerade in einer Höhe von 1,90 m aktiv, der sich nähernde Mensch jedoch nur 1,60 m groß, kann der Roboter seine Arbeit fortsetzen.

Das Ziel, das die Forscher am Institut für Arbeitsschutz verfolgen, formuliert Michael Schaefer, Leiter des Fachbereichs Unfallverhütung und Produktsicherheit, so: „Wir wollen Sicherheit bei möglichst hoher Flexibilität erreichen.“

Die Entwicklung des „barrierefreien Schutzsystems“ ist komplex. Zum einen muss erst einmal das Sicherheitssystem entwickelt werden, das das Zusammenwirken der vielen Komponenten beherrscht. Zum anderen muss dieses System mit der bestehenden Steuerung des Roboters oder einer anderen Maschine zusammenarbeiten. Dabei müssen beide Steuerungen so konzipiert und geprüft sein, dass sie immer die vorgegebene Sicherheit garantieren. „Vorgegebene Sicherheit“ heißt hier: die Einhaltung des durch Richtlinien vorgegebenen Performance Levels, also der benötigten Sicherheitsstufe. Gefährdungen, bei denen mit hoher Wahrscheinlichkeit tödliche Verletzungen auftreten können, erfordern danach den höchsten Performance Level.

Eine Herausforderung bei jeder softwarebasierten Sicherheitssteuerung ist die Prüfung. „Das geht nicht im Nachhinein“, sagt Michael Huelke, Leiter des Referats Neue Technologien, Mensch und Technik. „Wir können nicht den Programmiercode einer fertigen Software auseinandernehmen“, so Huelke.

Die Prüfung beginnt also bereits bei der Planung der Steuerung. Das Institut für Arbeitsschutz arbeitet dazu eng mit den Entwicklern zusammen und begleitet alle Konzeptions- und Entwicklungsphasen. Diese umfassen etwa die Spezifikation der Sicherheitsfunktionen und enden mit der Validierung der Software. Dazwischen werden Schritte wie System- und Modulgestaltung sowie Codierung ausgeführt und immer wieder getestet. Im IFA-Report „Funktionale Steuerung von Maschinensteuerung“ wird als Ziel schließlich eine „lesbare, verständliche, testbare und wartbare Software“ definiert.

„Für den Entwickler ist die Beachtung der Sicherheitsfragen zwar immer mit mehr Aufwand verbunden“, sagt Schaefer, „er hat aber auch die Garantie, dass am Ende ein solides, qualitativ hochwertiges und natürlich sicheres Produkt entstanden ist.“ Das gelte auch für den Anwender: „Wer ein vom IFA geprüftes System bedient, kann sicher sein, dass es die benötigten Sicherheitsanforderungen erfüllt.“

Um die Anforderungen Sicherheit und Flexibilität zu erreichen, gibt es weitere wichtige Fragestellungen für die Experten, z. B.: Wie verhält sich ein Mensch in der Nähe eines Roboters? Dem Thema können die Forscher am IFA in einer virtuellen Umgebung nachgehen. Die Versuchsperson wird dazu mit einer Brille ausgestattet, die man aus dem 3-D-Kino kennt. Beamer projizieren beispielsweise dann ein Bild vom Arbeitsraum des Roboters auf die Leinwand. Die Versuchsperson kann sich nun in diesem virtuellen Raum bewegen, während die Forscher seine Handlungen in der Nähe des Roboters auswerten. Die Ergebnisse fließen in die Konzeption des kollaborierenden Roboters ein, der aktiv für Sicherheit sorgt. „Solche Sicherheitssysteme werden übrigens weniger manipuliert“, sagt Huelke, „weil sie mit dem Menschen zusammenarbeiten, statt ihn auszuschließen.“ K. ZURAWSKI

Von K. Zurawski
Von K. Zurawski

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