Schmerzschwellenkataster

Für den Fall einer Kollision zwischen Mensch und Roboter an Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern sind Grenzwerte für die einwirkende äußere Gesamtkraft und den lokalen maximalen Druck (effektiver Druck) in der Kollisionsfläche festgelegt worden. Für eine bestimmte Risikosituation wird die akzeptierte Beanspruchungsgrenze durch die Schmerzschwelle definiert.

Die Schmerzschwelle stellt einen physiologisch/psychologischen Indikator dar, der den Beginn drohender mechanischer Überbelastung anzeigt; sie differiert von Mensch zu Mensch (interindividuell) und beim einzelnen Menschen über die Zeit (intraindividuell). Die Schmerzschwelle ist daher in diesem Zusammenhang als der Übergang von steigendem Druckgefühl in anfängliches Schmerzgefühl definiert, als eine im Gehirn des Menschen wahrgenommene und bewertete mentale Belastungsgröße. Die Schmerzschwelle kann mittels Probandenkollektiv nach einem definierten Belastungs-/Beanspruchungskonzept mit dem Ziele der Ermittlung von Kräften und Drücken untersucht werden. Aus den Verteilungen können Grenzwerte für die Normung abgeleitet werden.

Zur Ermittlung der Kraft- und Druckgrenzwerte führte die Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Kooperation mit dem IFA das DGUV-Forschungsvorhaben FP 317 "Ermittlung eines Schmerzschwellenkatasters des Menschen" durch.

Erstellung des Katasters

Die Katastererstellung erfolgte auf der Basis eines Körpermodells mit 15 Körpereinzelbereichen, die in den BG/BGIA-Empfehlungen zur Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern () definiert sind. Insgesamt wurden 29 Körperpunkte untersucht, die mit speziellen Positionierungseinrichtungen – z. B. Vakuummatratzen – bei sitzenden oder stehenden Testpersonen geometrisch genau und formsteif in einer Versuchseinrichtung fixiert wurden.

Die Schmerzschwellen wurden mithilfe der Druckalgometrie ermittelt. Dazu entwickelte das IFA eine Versuchseinrichtung mit einem automatischen Druckalgometer (siehe Bilder 1 bis 3). Sie erzeugte eine Belastung, die annähernd linear bis zur Schmerzschwelle anstieg (Projekte IFA5113, 5114 und 5121). Die Anstiegsgeschwindigkeit lag zwischen 2 bis 5 N/s. Dies ermöglichte den Testpersonen ein gut reproduzierbares, feinfühliges Erspüren der jeweiligen Schmerzschwelle. Der eingesetzte Druckstößel hatte eine stark abgerundete quadratische Form mit einer Grundfläche von 14 mm x 14 mm. Das Erreichen der Schmerzschwelle zeigte die Testperson durch Betätigen eines Zustimmtasters an.

Die Stößelspitze des Druckalgometer ließ sich mit vielen mechanischen Freiheitsgraden über ein Brückenportal an allen spezifizierten Körperpunkten optimal einrichten. Bei der Ermittlung der Schmerzschwellen wurden die äußere Gesamtkraft in der Stößelspitze, der Penetrationsweg im verformten Gewebe und die Druckverteilung in der kontaktierenden Stößelfläche gemessen.

Auswertung und Umsetzung

Durch die hohe Probandenzahl von etwa 100 Personen waren etwa 9000 verwertbare Schmerzschwellenmessungen möglich. Anhand einer statistischen Analyse der Messdaten wurden die relevanten Einflussfaktoren bei den Messungen bewertet. Die Projektergebnisse fließen in die derzeit stattfindende Normungsarbeit zu Industrierobotern und in eine IFA-Datenbank ein (Projekt IFA5111), in der Beanspruchungsdaten des Menschen aller Schweregrade mit verursachenden Randbedingungen strukturiert gesammelt und ausgewertet werden.

Die älteren Grenzwerte wurden auf der Basis von Literaturstudien und punktuellen Laborversuchen ermittelt. Sie stellten orientierende maximale Belastungsniveaus zur Abschätzung der Beanspruchungsschwere dar. Aus dem Projekt FP 317 heraus stehen jetzt signifikante quasistatische Kraft- und Druckgrenzwerte der Schmerzschwelle des Menschen zur Verfügung, die in die neueren Normdokumente (ISO/TS 15066 als Ergänzung zur ISO 10218-2) sowie in eine DGUV Information zum Einsatz von kollaborierenden Robotern eingeflossen sind. Neben den konkreten Werten zur Validierung von Belastungen in der Risikobeurteilung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern wurden umfangreiche Erkenntnisse zur medizinischen Belastbarkeit im Bereich der Schmerzschwelle gewonnen.

Interessierte können den Abschlussbericht des Projekts FP 317 im IFA anfordern.