EP4301558A1 - Verfahren zur festlegung eines sicherheitsbereiches - Google Patents

Verfahren zur festlegung eines sicherheitsbereiches

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Publication number
EP4301558A1
EP4301558A1 EP22712863.4A EP22712863A EP4301558A1 EP 4301558 A1 EP4301558 A1 EP 4301558A1 EP 22712863 A EP22712863 A EP 22712863A EP 4301558 A1 EP4301558 A1 EP 4301558A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine
area
safety
movement space
envelope
Prior art date
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Pending
Application number
EP22712863.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Norbert NEUFELD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP4301558A1 publication Critical patent/EP4301558A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1674—Program controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B25J9/1676—Avoiding collision or forbidden zones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/06—Safety devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1694—Program controls characterised by use of sensors other than normal servo-feedback from position, speed or acceleration sensors, perception control, multi-sensor controlled systems, sensor fusion
    • B25J9/1697—Vision controlled systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1656—Program controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1664—Program controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
    • B25J9/1666—Avoiding collision or forbidden zones
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40478—Graphic display of work area of robot, forbidden, permitted zone

Definitions

  • the invention relates to a method for securing a safety area in the surrounding spatial area of a machine that works automatically with the help of a machine control and has machine parts that are moved over a large area during a work cycle, with all of the spatial positions occupied by the moving machine parts over a work cycle being determined as the movement space, and a surface of the The envelope surface for the movement space that approximates the movement space is determined in the form of data points, according to the preamble of claim 1, and a device for securing a safety area defined according to the invention in the surrounding spatial area of a machine that works automatically with the aid of a machine controller with machine parts that move extensively during a work cycle, according to the preamble of claim 6.
  • cameras are available that monitor a spatial area surrounding the machine by defining the simplest geometric spaces such as cuboids or spheres as safety areas and uploading them to a camera processor.
  • the camera sends a safety signal to the machine control and thus activates a safety function of the machine control for the machine, which puts the machine in a safe state, for example stops it.
  • This procedure thus uses virtual barriers and avoids some of the disadvantages associated with physical barriers.
  • it has proven difficult to establish a connection to the physical machine and, for example, to take subsequent changes in the production process or changes in the spatial arrangement of the machine into account.
  • the definition of the safety area using cuboids or spheres is therefore usually oversized in order not to take any risks with regard to safety and is therefore ultimately also subject to a certain arbitrariness.
  • the aim of the invention is therefore, on the one hand, to ensure the safety of the operation of automated machines and, on the other hand, to enable flexible protection of such machines in as space-saving a manner as possible and with little structural installation effort, which also easily takes into account subsequent conversions of the production process or changes in the spatial arrangement of the machine can.
  • Claim 1 relates to a method for securing a safety area in the surrounding spatial area of a machine that operates automatically with the aid of a machine control system and that is moved over a large area during a work cycle Machine parts, the entirety of the spatial positions occupied by the moving machine parts over a work cycle being determined as the movement space, and an envelope surface for the movement space approximating the surface of the movement space being determined in the form of data points.
  • an envelope space surrounding the movement space, which forms the safety area is calculated from the data points of the envelope surface, with the safety area having an inner surface formed by the envelope surface, as well as an outer surface, and a sensor unit for monitoring the safety area detects the intrusion of an object into the safety area and a safety control activates a safety function of the machine control for the machine upon detection of the intrusion of an object into the safety area.
  • the working cycle of the machine itself is used as a basis for defining the safety zone, namely the totality of the spatial positions occupied by the moving machine parts over a working cycle, which is subsequently referred to as the movement space. How such a range of movement can be determined will be described in more detail below.
  • an envelope surface for the movement space that approximates the surface of the movement space can be determined in the form of data points using known mathematical methods.
  • These data points can be present either as a "cloud of points", ie as a large number of data points which are comparatively close together in a spatial coordinate system and describe the enveloping surface, or as corner points of surface elements which approximate the surface of the movement space.
  • Approximation methods of this type are known and generally use surface elements in the form of triangles, quadrilaterals or hexagons, which reproduce the surface to be approximated without gaps.
  • the common corner points of these surface elements are also referred to as node points.
  • the data points of the enveloping surface determined in this way serve as a starting point for calculating an enveloping space that surrounds the movement space and forms the safety area.
  • the advantage of a safety area defined in this way is that it is obtained directly from the working process of the machine and can be easily adapted in the event of subsequent changes in the working cycle.
  • structural measures to set up physical barriers can be omitted and the extent of the safety area can be reduced to the extent that is immediately necessary, so that the method according to the invention can also be implemented in a very space-saving manner at the location of the machine.
  • the term "work cycle" is not only to be understood as a complete and repetitive work process, but also as a safety-relevant part of a work process.
  • the method according to the invention also provides a simple and robust method, which is also safer for these reasons, in that the initial definition of an envelope space based on a planned movement cycle of the machine and the definition of a safety area with an inner surface given by the envelope surface of the movement space, for example, also Malfunctions of the machine are detected immediately, as the machine itself crosses the envelope and enters the safety area. Even if the machine control is intentionally changed and the safety area is not adjusted, this error is detected immediately as soon as the machine violates the previously defined safety area due to the new movement cycle. Penetration of an object into the safety area is therefore understood to mean, in particular, the crossing of the enveloping surface and/or the displacement surface by the object.
  • One way of calculating an envelope is by shifting the data points representing the envelope into a space surrounding the movement space and towards the surface of the Movement space spaced displacement surface, wherein the displacement surface forms the outer surface of the safety area, and the envelope space is defined by the area between the envelope surface and the displacement surface.
  • a shift or translation is a geometric mapping that shifts each data point of the envelope surface in a spatial direction by a predetermined distance. It can be characterized by one or more vectors, the so-called displacement vectors. The extent of the shift, i.e. the length of the shift vectors, will be based on the requirements of the respective operating situation, but also on legal requirements.
  • the displacement surface then represents the outer surface of the safety area, and the envelope surface represents the inner surface of the safety area.
  • the movement space is determined as the totality of the spatial positions occupied by the moving machine parts over a work cycle from spatial position data of the machine control for the moving machine parts.
  • the movement space is thus constructed via a simulation of the work cycle by storing all the spatial positions occupied by the moving machine parts.
  • a further possibility for determining the movement space is that the movement space is determined as the totality of the spatial positions occupied by the moving machine parts over a work cycle using a camera capable of measuring depth information.
  • a camera capable of measuring depth information is also referred to as a 3D camera.
  • the machine is commissioned as part of the assembly process so that it runs through at least one work cycle. Meanwhile, the machine is filmed by the camera and the recordings are saved. In a subsequent image processing method the successive images can now be superimposed in such a way that an overall image of all spatial positions of the machine occupied over a work cycle is obtained. This overall picture represents the movement space and can be used for further digital processing to determine the enveloping surface.
  • the displacement of the data points representing the enveloping surface to calculate the displacement surface can also take place over different distances for different data points.
  • the displacement vector can be chosen to have different lengths for different areas of the envelope surface. This has the advantage that for areas of the enveloping surface in the vicinity of which the safety-relevant intrusion of objects is not to be expected during regular operation, for example in upper areas of the room or in areas of the machine facing the wall, the safety distance can also be selected to be smaller.
  • the safety function can consist of switching off the machine, for example.
  • a device for securing a safety area defined according to the invention in the surrounding spatial area of a machine that works automatically with the help of a machine control and has machine parts that move extensively during a work cycle, in which a sensor unit is provided that detects the intrusion of an object into the safety area, as well as a safety control , which activates a safety function of the machine control system for the machine when an object is detected entering the safety area, the safety area being formed by an envelope space surrounding the movement space of the moving machine parts and having an inner surface which is surrounded by an envelope surface approximating the surface of the movement space is formed for the movement space, and an outer surface.
  • the sensor unit is preferably designed as at least one camera capable of measuring depth information. If the range of motion as a whole over a work cycle spatial positions occupied by the moving machine parts is determined from spatial position data of the machine control for the moving machine parts, the sensor unit only serves to detect the intrusion of objects into the safety area. For this purpose, it is connected to a safety controller, which can also be part of the machine controller and which is designed to activate a safety function of the machine controller for the machine when an object intrudes into the safety area.
  • the sensor unit serves both to initially define the safety area and to protect the safety area during regular operation of the machine.
  • the machine is put into operation as part of the assembly process, so that it runs through at least one work cycle.
  • the machine is filmed by the at least one camera and the recordings are saved.
  • the successive images can now be superimposed in such a way that an overall image of all spatial positions of the machine occupied over a work cycle is obtained.
  • This overall picture represents the movement space and can be used for further digital processing to determine the enveloping surface and the enveloping space and thus to define the safety area.
  • the sensor unit is also used to detect the intrusion of objects into the safety area.
  • a safety controller which in this case will not usually be part of the machine controller, but is connected to the machine controller, and which is designed to perform a safety function of the machine controller for the machine when an object intrudes into the safety area to activate.
  • the penetration of an object into the safety area is understood to mean in particular the crossing of the inner and/or outer surface of the safety area, ie the crossing of the enveloping surface and/or the displacement surface by the object.
  • the sensor unit is thus designed to monitor both the inner and/or outer surface of the safety area, ie the envelope surface and/or the displacement area, and to detect an object crossing these surfaces of the safety area.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement of an automated machine with machine parts that move extensively during a work cycle, with a sensor unit and a safety control for safeguarding a safety area defined according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an arrangement of an automated machine with machine parts that are moved over a large area during a work cycle and have an enveloping surface and a displacement surface.
  • a sensor unit 4 is provided, which is designed to detect the intrusion of an object into the safety area S, and a safety controller 5, which is designed to activate a safety function of the machine controller 1 for the machine 2 to activate.
  • the sensor unit 4 is connected to the safety control 5 , which in turn is connected to the machine control 1 is.
  • the safety function consists of an immediate shutdown of the machine 2.
  • the sensor unit 4 is designed as at least one camera capable of measuring depth information.
  • Such cameras are also referred to as 3D cameras and can be embodied as ToF (“time-of-flight”) cameras.
  • ToF cameras are cameras that not only record a 2D image, but also measure depth information for each recording pixel.
  • Depth information is information about the distances between the individual objects in a scene and the ToF camera.
  • ToF cameras are also known as active cameras because they are equipped with their own light source, also known as a ToF light source. The light emitted by this light source is reflected by the objects in a scene to be recorded and thus reaches the detection area of the camera's image sensor as backscattered radiation.
  • the depth information is determined from the reflected light using transit time or phase difference measurements.
  • the movement space of the machine 2 is determined as the totality of the spatial positions occupied by the moving machine parts 3 over a work cycle using the sensor unit 4 designed as a 3D camera.
  • the sensor unit 4 is therefore used both for the initial definition of the safety area S and for safeguarding the safety area S during regular operation of the machine 2 .
  • the machine 2 is put into operation as part of the assembly process, so that it runs through at least one work cycle.
  • the machine 2 is filmed by the sensor unit 4 and the recordings are saved.
  • the successive images can now be superimposed in such a way that an overall image of all the spatial positions of the machine 2 and its moving machine parts 3 occupied over a working cycle results.
  • This overall picture represents the movement space and. can be used for further digital processing to determine the enveloping surface H and the enveloping space and thus to determine the Safety area S are used, as will be explained with reference to FIG.
  • the movement space is initially determined as the totality of the spatial positions occupied by the moving machine parts 3 over a work cycle with the aid of the sensor unit 4 .
  • data points Pi can be present, for example, as corner points of surface elements that approximate the surface of the movement space. Approximation methods of this type are known and generally use surface elements in the form of triangles, quadrilaterals or hexagons, which simulate the surface to be approximated without gaps.
  • FIG. 2 shows the approximation of the surface of the movement space using squares as surface elements, although in practice the surface of the movement space will have more complex profiles than in the example in FIG Displacement of the data points Pi representing the enveloping surface H and thus by constructing a displacement surface V surrounding the movement space and at a distance from the surface of the movement space.
  • Each data point Pi of the enveloping surface H is displaced in one spatial direction by a predetermined distance.
  • the displacement area V subsequently represents the outer surface of the safety area S.
  • the extent of the displacement ie the length of the displacement vectors, will be based on the requirements of the respective operating situation, but also on legal specifications.
  • the enveloping space according to the invention is defined by the area between the enveloping surface H and the displacement surface V and forms the safety area S.
  • the sensor unit 4 also serves to detect the intrusion of objects into the safety area S.
  • the safety controller 5 is connected to the machine controller 1 .
  • the safety controller 5 is designed to activate a safety function of the machine controller 1 for the machine, such as an immediate shutdown of the machine 2, upon detection of the intrusion of an object into the safety area S.
  • a safety area S defined in this way is that it is obtained directly from the working process of the machine 2 and can be easily adapted in the event of subsequent changes in the working cycle. Furthermore, structural measures to set up physical barriers can be omitted and the extension of the safety area S can be reduced to the extent that is immediately necessary, so that the method according to the invention can also be implemented in a very space-saving manner at the location of the machine 2 .

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Verfahren zum Absichern eines Sicherheitsbereiches (S) im umgebenden Raumbereich einer mithilfe einer Maschinensteuerung (1) automatisiert arbeitenden Maschine (2) mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen (3), bei dem vorgeschlagen wird, dass die Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen (3) eingenommenen Raumpositionen als Bewegungsraum ermittelt wird, und eine die Oberfläche des Bewegungsraumes approximierende Hüllfläche (H) für den Bewegungsraum in Form von Datenpunkten (Pi, i=1...N) ermittelt wird, aus denen ein den Bewegungsraum umgebender Hüllraum errechnet wird, der den Sicherheitsbereich (S) bildet. Der Sicherheitsbereich (S) wird somit unmittelbar aus dem Arbeitsprozess der Maschine (2) gewonnen und kann bei nachträglichen Veränderungen des Arbeitszyklus leicht adaptiert werden. Des Weiteren können bauliche Maßnahmen zur Errichtung physischer Barrieren entfallen und die Ausdehnung des Sicherheitsbereiches (S) auf das unmittelbar notwendige Ausmaß reduziert werden.

Description

VERFAHREN ZUR FESTLEGUNG EINES SICHERHEITSBEREICHES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Absichern eines Sicherheitsbereiches im umgebenden Raumbereich einer mithilfe einer Maschinensteuerung automatisiert arbeitenden Maschine mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen, wobei die Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen eingenommenen Raumpositionen als Bewegungsraum ermittelt wird, und eine die Oberfläche des Bewegungsraumes approximierende Hüllfläche für den Bewegungsraum in Form von Datenpunkten ermittelt wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung zum Absichern eines erfindungsgemäß festgelegten Sicherheitsbereiches im umgebenden Raumbereich einer mithilfe einer Maschinensteuerung automatisiert arbeitenden Maschine mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.
Bei automatisiert arbeitenden Maschinen mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen stellen mögliche Kollisionen mit Objekten eine erhebliche Gefahrenquelle dar. Bei diesen Objekten kann es sich um Menschen handeln, die sich in den Nahebereich einer automatisiert arbeitenden Maschine begeben und von raumgreifend bewegten Maschinenteilen erfasst und verletzt werden können, oder auch um andere Maschinen wie beispielsweise selbstfahrende Transportsysteme und dergleichen, die im Fall von Kollisionen beschädigt werden können. Im Sinne der Sicherheit sowohl für Mensch als auch Maschine müssen daher Vorkehrungen getroffen werden, um solche Kollisionen zu verhindern.
Bekannt ist hierfür etwa die Errichtung von mechanischen Barrieren wie Zäune, Gitter oder Einhausungen. Solche mechanischen Barrieren verfügen aber neben ihrem hohen Platzbedarf auch über den Nachteil einer Inflexibilität, da jede Umstellung des Produktionsvorganges oder Änderung der räumlichen Anordnung einen aufwändigen Umbau erfordert. Des Weiteren ergibt sich ein hoher Investitions- und Betriebsaufwand. Zudem zeigen sich auch Unzulänglichkeiten in der Schutzwirkung, da die Anordnung der mechanischen Barrieren mitunter mehr nach den örtlichen Gegebenheiten wie Raumarchitektur oder notwendige Zugangsmöglichkeiten ausgerichtet wird, und weniger nach dem tatsächlichen Schutzbedarf .
Des Weiteren sind Kameras verfügbar, die einen die Maschine umgebenden Raumbereich überwachen, indem einfachste geometrische Räume wie Quader oder Kugeln als Sicherheitsbereiche definiert und in einen Kameraprozessor hochgeladen werden. Bei einer räumlichen Verletzung des Sicherheitsbereiches wie dem Eindringen von Menschen oder anderen Maschinen gibt die Kamera ein Sicherheitssignal an die Maschinensteuerung ab und aktiviert damit eine Sicherheitsfunktion der Maschinensteuerung für die Maschine, die die Maschine in einen gefahrlosen Zustand bringt, beispielsweise stoppt. Diese Vorgangsweise bedient sich somit virtueller Barrieren und vermeidet einige der mit physischen Barrieren verbundenen Nachteile, allerdings erweist es sich als schwierig den Bezug zur physischen Maschine herzustellen und beispielsweise nachträgliche Umstellungen des Produktionsvorganges oder Änderungen der räumlichen Anordnung der Maschine zu berücksichtigen. Die Festlegung des Sicherheitsbereiches anhand von Quader oder Kugeln erfolgt daher zumeist überdimensioniert, um hinsichtlich der Sicherheit kein Risiko einzugehen und unterliegt damit letztendlich auch einer gewissen Beliebigkeit.
Es besteht daher das Ziel der Erfindung einerseits darin die Sicherheit des Betriebes automatisiert arbeitender Maschinen zu gewährleisten und andererseits möglichst platzsparend und unter geringem baulichen Installationsaufwand eine flexible Absicherung solcher Maschinen zu ermöglichen, die auch nachträgliche Umstellungen des Produktionsvorganges oder Änderungen der räumlichen Anordnung der Maschine leicht berücksichtigen kann.
Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Absichern eines Sicherheitsbereiches im umgebenden Raumbereich einer mithilfe einer Maschinensteuerung automatisiert arbeitenden Maschine mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen, wobei die Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen eingenommenen Raumpositionen als Bewegungsraum ermittelt wird, und eine die Oberfläche des Bewegungsraumes approximierende Hüllfläche für den Bewegungsraum in Form von Datenpunkten ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass aus den Datenpunkten der Hüllfläche ein den Bewegungsraum umgebender Hüllraum errechnet wird, der den Sicherheitsbereich bildet, wobei der Sicherheitsbereich eine innere Oberfläche aufweist, die von der Hüllfläche gebildet wird, sowie eine äußere Oberfläche, und eine Sensoreinheit zur Überwachung des Sicherheitsbereiches das Eindringen eines Objekts in den Sicherheitsbereich detektiert und eine Sicherungssteuerung bei Detektion des Eindringens eines Objekts in den Sicherheitsbereich eine Sicherheitsfunktion der Maschinensteuerung für die Maschine aktiviert. Erfindungsgemäß wird somit in der Festlegung des Sicherheitsbereiches vom Arbeitszyklus der Maschine selbst ausgegangen, und zwar von der Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen eingenommenen Raumpositionen, die in weiterer Folge als Bewegungsraum bezeichnet wird. Wie ein solcher Bewegungsraum ermittelt werden kann, wird in weiterer Folge noch genauer beschrieben werden. Sobald ein digitales Abbild dieses Bewegungsraumes verfügbar ist, kann über bekannte mathematische Verfahren eine die Oberfläche des Bewegungsraumes approximierende Hüllfläche für den Bewegungsraum in Form von Datenpunkten ermittelt werden. Diese Datenpunkte können entweder als "Punktwolke" vorliegen, also als Vielzahl in einem räumlichen Koordinatensystem vergleichsweise eng beieinander liegender Datenpunkte, die die Hüllfläche beschreiben, oder als Eckpunkte von Flächenelementen, die die Oberfläche des Bewegungsraumes approximieren. Approximationsverfahren dieser Art sind bekannt und bedienen sich in der Regel Flächenelementen in Form von Dreiecken, Vierecken oder Sechsecken, die die zu approximierende Oberfläche lückenlos nachbilden. Die gemeinsamen Eckpunkte dieser Flächenelemente werden dabei auch als Knotenpunkte bezeichnet. Der Vorteil solcher Approximationsverfahren gegenüber den oben beschriebenen Punktwolken liegt in einer erheblichen Datenreduktion und somit in einer erheblich erleichterten Weiterverarbeitung dieser Daten. Die so ermittelten Datenpunkte der Hüllfläche dienen erfindungsgemäß als Ausgangspunkt zur Errechnung eines den Bewegungsraum umgebenden Hüllraumes, der den Sicherheitsbereich bildet. Der Vorteil eines solcherart festgelegten Sicherheitsbereiches liegt nun darin, dass er unmittelbar aus dem Arbeitsprozess der Maschine gewonnen wird und bei nachträglichen Veränderungen des Arbeitszyklus leicht adaptiert werden kann. Des Weiteren können bauliche Maßnahmen zur Errichtung physischer Barrieren entfallen und die Ausdehnung des Sicherheitsbereiches auf das unmittelbar notwendige Ausmaß reduziert werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren am Ort der Maschine auch sehr platzsparend umgesetzt werden kann. Der Begriff „Arbeitszyklus" ist dabei nicht nur als vollständiger und sich wiederholender Arbeitsvorgang zu verstehen, sondern auch als sicherheitsrelevanter Teilabschnitt eines Arbeitsvorganges.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt zudem ein einfaches und robustes Verfahren bereit, das aus diesen Gründen auch sicherer ist, indem durch die anfängliche Festlegung eines Hüllraumes anhand eines geplanten Bewegungszyklus der Maschine und die Festlegung eines Sicherheitsbereiches mit einer durch die Hüllfläche des Bewegungsraumes gegebenen inneren Oberfläche beispielsweise auch Fehlsteuerungen der Maschine sofort detektiert werden, da die Maschine selbst die Hüllfläche quert und in den Sicherheitsbereich eindringt. Auch wenn die Steuerung der Maschine beabsichtigt verändert wird und die Anpassung des Sicherheitsbereiches unterbleibt, wird dieser Fehler sofort detektiert, sobald die Maschine aufgrund des neuen Bewegungszyklus den zuvor definierten Sicherheitsbereich verletzt. Unter einem Eindringen eines Objektes in den Sicherheitsbereich wird daher insbesondere die Querung der Hüllfläche und/oder der Verschiebungsfläche durch das Objekt verstanden.
Eine Möglichkeit zur Errechnung eines Hüllraumes besteht durch Verschiebung der die Hüllfläche repräsentierenden Datenpunkte in eine den Bewegungsraum umgebende und zur Oberfläche des Bewegungsraumes beabstandete Verschiebungsfläche, wobei die Verschiebungsfläche die äußere Oberfläche des Sicherheitsbereiches bildet, und der Hüllraum durch den Bereich zwischen der Hüllfläche und der Verschiebungsfläche festlegt ist. Eine solche Verschiebung oder auch Translation ist eine geometrische Abbildung, die jeden Datenpunkt der Hüllfläche in eine Raumrichtung um eine vorgegebene Strecke verschiebt. Sie kann durch einen Vektor oder auch mehreren Vektoren, den sogenannten Verschiebungsvektoren, gekennzeichnet werden. Das Ausmaß der Verschiebung, also die Länge der Verschiebungsvektoren, wird sich dabei an die Anforderungen der jeweiligen Betriebssituation, aber auch an rechtlichen Vorgaben orientieren. Die Verschiebungsfläche stellt in weiterer Folge die äußere Oberfläche des Sicherheitsbereiches dar, und die Hüllfläche die innere Oberfläche des Sicherheitsbereiches.
Eine Möglichkeit zur Ermittlung des Bewegungsraumes besteht darin, dass der Bewegungsraum als Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen eingenommenen Raumpositionen aus Raumpositionsdaten der Maschinensteuerung für die bewegten Maschinenteile ermittelt wird. Der Bewegungsraum wird somit über eine Simulation des Arbeitszyklus durch Speichern aller eingenommenen Raumpositionen der bewegten Maschinenteile konstruiert.
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des Bewegungsraumes besteht darin, dass der Bewegungsraum als Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen eingenommenen Raumpositionen mithilfe einer zur Messung von Tiefeninformation fähigen Kamera ermittelt wird. In diesem Fall ist nach Montage der Maschine am Ort ihres geplanten Betriebes zumindest eine zur Messung von Tiefeninformation fähige Kamera zu installieren, in deren Erfassungsbereich sich die Maschine befindet. Eine zur Messung von Tiefeninformation fähige Kamera wird auch als 3D-Kamera bezeichnet. Die Maschine wird als Teil des Montagevorganges in Betrieb gesetzt, sodass sie zumindest einen Arbeitszyklus durchläuft. Währenddessen wird die Maschine von der Kamera gefilmt und die Aufnahmen gespeichert. In einem nachfolgenden Bildverarbeitungsverfahren können die aufeinanderfolgenden Bilder nun so übereinander gelegt werden, dass sich ein Gesamtbild aller über einen Arbeitszyklus eingenommenen Raumpositionen der Maschine ergibt. Dieses Gesamtbild stellt den Bewegungsraum dar und kann zu einer weiteren digitalen Verarbeitung zur Ermittlung der Hüllfläche herangezogen werden.
Die Verschiebung der die Hüllfläche repräsentierenden Datenpunkte zur Errechnung der Verschiebungsfläche kann dabei für unterschiedliche Datenpunkte auch über unterschiedliche Streckenlängen erfolgen. Mit anderen Worten kann der Verschiebungsvektor für unterschiedliche Bereiche der Hüllfläche unterschiedlich lang gewählt werden. Das hat den Vorteil, dass für Bereiche der Hüllfläche, in deren Nahbereich im Regelbetrieb nicht mit dem sicherheitsrelevanten Eindringen von Objekten zu rechnen ist, etwa in oberen Raumbereichen oder in wandzugewandten Bereichen der Maschine, der Sicherheitsabstand auch geringer gewählt werden kann.
Die Sicherheitsfunktion kann etwa in einem Abschalten der Maschine bestehen.
Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Absichern eines erfindungsgemäß festgelegten Sicherheitsbereiches im umgebenden Raumbereich einer mithilfe einer Maschinensteuerung automatisiert arbeitenden Maschine mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen vorgeschlagen, bei dem eine Sensoreinheit vorgesehen ist, die ein Eindringen eines Objekts in den Sicherheitsbereich detektiert, sowie eine Sicherungssteuerung, die bei Detektion des Eindringens eines Objekts in den Sicherheitsbereich eine Sicherheitsfunktion der Maschinensteuerung für die Maschine -zu aktiviert, wobei der Sicherheitsbereich gebildet wird durch einen den Bewegungsraum der bewegten Maschinenteile umgebenden Hüllraum mit einer inneren Oberfläche, die von einer die Oberfläche des Bewegungsraumes approximierende Hüllfläche für den Bewegungsraum gebildet wird, und einer äußeren Oberfläche.
Die Sensoreinheit ist vorzugsweise als zumindest eine zur Messung von Tiefeninformation fähige Kamera ausgeführt. Falls der Bewegungsraum als Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen eingenommenen Raumpositionen aus Raumpositionsdaten der Maschinensteuerung für die bewegten Maschinenteile ermittelt wird, dient die Sensoreinheit lediglich zur Detektion des Eindringens von Objekten in den Sicherheitsbereich. Sie ist hierfür mit einer Sicherungssteuerung verbunden, die auch Teil der Maschinensteuerung sein kann und die ausgelegt ist um bei Detektion des Eindringens eines Objekts in den Sicherheitsbereich eine Sicherheitsfunktion der Maschinensteuerung für die Maschine zu aktivieren.
Falls der Bewegungsraum als Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen eingenommenen Raumpositionen mithilfe zumindest einer zur Messung von Tiefeninformation fähigen Kamera ermittelt wird, dient die Sensoreinheit sowohl zur anfänglichen Festlegung des Sicherheitsbereiches, als auch zur Absicherung des Sicherheitsbereiches im Regelbetrieb der Maschine. Hierbei wird wie oben beschrieben die Maschine als Teil des Montagevorganges in Betrieb gesetzt, sodass sie zumindest einen Arbeitszyklus durchläuft. Währenddessen wird die Maschine von der zumindest einen Kamera gefilmt und die Aufnahmen gespeichert. In einem nachfolgenden Bildverarbeitungsverfahren können die aufeinanderfolgenden Bilder nun so übereinander gelegt werden, dass sich ein Gesamtbild aller über einen Arbeitszyklus eingenommenen Raumpositionen der Maschine ergibt. Dieses Gesamtbild stellt den Bewegungsraum dar und kann zu einer weiteren digitalen Verarbeitung zur Ermittlung der Hüllfläche sowie des Hüllraumes und somit zur Festlegung des Sicherheitsbereiches herangezogen werden. Im Regelbetrieb der Maschine dient die Sensoreinheit in weiterer Folge auch zur Detektion des Eindringens von Objekten in den Sicherheitsbereich. Sie ist hierfür mit einer Sicherungssteuerung verbunden, die in diesem Fall in der Regel kein Teil der Maschinensteuerung sein wird, aber mit der Maschinensteuerung verbunden ist, und die ausgelegt ist um bei Detektion des Eindringens eines Objekts in den Sicherheitsbereich eine Sicherheitsfunktion der Maschinensteuerung für die Maschine zu aktivieren. Wie bereits erwähnt wurde, wird unter einem Eindringen eines Objektes in den Sicherheitsbereich insbesondere die Querung der inneren und/oder äußeren Oberfläche des Sicherheitsbereiches, also die Querung der Hüllfläche und/oder der Verschiebungsfläche durch das Objekt verstanden. Die Sensoreinheit ist somit ausgelegt sowohl die innere und/oder äußere Oberfläche des Sicherheitsbereiches, also die Hüllfläche und/oder die Verschiebungsfläche zu überwachen und eine Querung dieser Oberflächen des Sicherheitsbereiches durch ein Objekt zu detektieren.
Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand eines Äusführungsbeispiels mithilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen hierbei die
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer automatisiert arbeitenden Maschine mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen mit einer Sensoreinheit und einer Sicherungssteuerung zur Absicherung eines erfindungsgemäß festgelegten Sicherheitsbereiches, und die
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer automatisiert arbeitenden Maschine mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen mit einer Hüllfläche und einer Verschiebungsfläche.
Anhand der Fig. 1 wird zunächst eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zum Absichern eines erfindungsgemäß festgelegten Sicherheitsbereiches im umgebenden Raumbereich einer mithilfe einer Maschinensteuerung 1 automatisiert arbeitenden Maschine 2 mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen 3 beschrieben. Es ist eine Sensoreinheit 4 vorgesehen, die ausgelegt ist um ein Eindringen eines Objekts in den Sicherheitsbereich S zu detektieren, sowie eine Sicherungssteuerung 5, die ausgelegt ist um bei Detektion des Eindringens eines Objekts in den Sicherheitsbereich S eine Sicherheitsfunktion der Maschinensteuerung 1 für die Maschine 2 zu aktivieren. Die Sensoreinheit 4 ist hierfür mit der Sicherungssteuerung 5 verbunden, die wiederum mit der Maschinensteuerung 1 verbunden ist. Die Sicherheitsfunktion besteht in einem unverzüglichen Abschalten der Maschine 2.
Die Sensoreinheit 4 ist als zumindest eine zur Messung von Tiefeninformation fähige Kamera ausgeführt. Solche Kameras werden auch als 3D-Kameras bezeichnet und können etwa als ToF ( "Time-of-Flight ")-Kameras ausgeführt sein. Bei ToF-Kameras handelt es sich um Kameras, die nicht nur ein 2D-Bild aufnehmen, sondern für jedes Aufnahmepixel auch eine Tiefeninformation messen. Unter Tiefeninformation werden Informationen über die Distanzen zwischen den einzelnen Objekten einer Szene und der ToF-Kamera verstanden. ToF- Kameras werden auch als aktive Kameras bezeichnet, da sie mit einer eigenen Lichtquelle ausgestattet sind, die auch als ToF- Lichtquelle bezeichnet wird. Das von dieser Lichtquelle emittierte Licht wird an den Objekten einer aufzunehmenden Szene reflektiert und gelangt dadurch als Rückstreustrahlung in den Erfassungsbereich des Bildsensors der Kamera. Die Tiefeninformation wird aus dem reflektierten Licht über Laufzeit- bzw. Phasendifferenz-Messungen ermittelt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Bewegungsraum der Maschine 2 als Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen 3 eingenommenen Raumpositionen mithilfe der als 3D-Kamera ausgeführten Sensoreinheit 4 ermittelt. Die Sensoreinheit 4 dient somit sowohl zur anfänglichen Festlegung des Sicherheitsbereiches S, als auch zur Absicherung des Sicherheitsbereiches S im Regelbetrieb der Maschine 2 . Hierbei wird die Maschine 2 als Teil des Montagevorganges in Betrieb gesetzt, sodass sie zumindest einen Arbeitszyklus durchläuft. Währenddessen wird die Maschine 2 von der Sensoreinheit 4 gefilmt und die Aufnahmen gespeichert. In einem nachfolgenden Bildverarbeitungsverfahren können die aufeinanderfolgenden Bilder nun so übereinander gelegt werden, dass sich ein Gesamtbild aller über einen Arbeitszyklus eingenommenen Raumpositionen der Maschine 2 und ihrer bewegten Maschinenteile 3 ergibt. Dieses Gesamtbild stellt den Bewegungsraum dar und. kann zu einer weiteren digitalen Verarbeitung zur Ermittlung der Hüllfläche H sowie des Hüllraumes und somit zur Festlegung des Sicherheitsbereiches S herangezogen werden, wie anhand der Fig. 2 erläutert wird.
Anhand der Fig. 2 wird eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Festlegung eines Sicherheitsbereiches S beschrieben. Wie bereits erwähnt wurde, wird zunächst der Bewegungsraum als Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen 3 eingenommenen Raumpositionen mithilfe der Sensoreinheit 4 ermittelt. Sobald ein digitales Abbild dieses Bewegungsraumes verfügbar ist, kann über bekannte mathematische Verfahren eine die Oberfläche des Bewegungsraumes approximierende Hüllfläche H für den Bewegungsraum in Form von Datenpunkten Pi (i=l...N) ermittelt werden. Diese Datenpunkte Pi können etwa als Eckpunkte von Flächenelementen vorliegen, die die Oberfläche des Bewegungsraumes approximieren. Approximationsverfahren dieser Art sind bekannt und verwenden in der Regel Flächenelemente in Form von Dreiecken, Vierecken oder Sechsecken, die die zu approximierende Oberfläche lückenlos nachbilden. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt etwa die Approximation der Oberfläche des Bewegungsraumes mithilfe von Vierecken als Flächenelemente, wenngleich die Oberfläche des Bewegungsraumes in der Praxis komplexere Verläufe aufweisen wird als im Beispiel der Fig. 2. Die Festlegung des Sicherheitsbereiches S erfolgt in weiterer Folge durch Verschiebung der die Hüllfläche H repräsentierenden Datenpunkte Pi und somit durch Konstruktion einer den Bewegungsraum umgebenden und zur Oberfläche des Bewegungsraumes beabstandeten Verschiebungsfläche V. Dabei wird jeder Datenpunkt Pi der Hüllfläche H in eine Raumrichtung um eine vorgegebene Strecke verschoben. Die Verschiebungsfläche V stellt in weiterer Folge die äußere Oberfläche des Sicherheitsbereiches S dar. Das Ausmaß der Verschiebung, also die Länge der Verschiebungsvektoren, wird sich dabei an die Anforderungen der jeweiligen Betriebssituation, aber auch an rechtlichen Vorgaben orientieren. Der erfindungsgemäße Hüllraum wird durch den Bereich zwischen der Hüllfläche H und der Verschiebungsfläche V festgelegt und bildet den Sicherheitsbereich S. Im Regelbetrieb der Maschine 2 dient die Sensoreinheit 4 in weiterer Folge auch zur Detektion des Eindringens von Objekten in den Sicherheitsbereich S. Sie ist hierfür wie bereits erwähnt mit der Sicherungssteuerung 5 verbunden, die wiederum mit der Maschinensteuerung 1 verbunden ist. Die Sicherungssteuerung 5 ist ausgelegt um bei Detektion des Eindringens eines Objekts in den Sicherheitsbereich S eine Sicherheitsfunktion der Maschinensteuerung 1 für die Maschine zu aktivieren, etwa eine sofortige Abschaltung der Maschine 2.
Der Vorteil eines solcherart festgelegten Sicherheitsbereiches S liegt nun darin, dass er unmittelbar aus dem Arbeitsprozess der Maschine 2 gewonnen wird und bei nachträglichen Veränderungen des Arbeitszyklus leicht adaptiert werden kann. Des Weiteren können bauliche Maßnahmen zur Errichtung physischer Barrieren entfallen und die Ausdehnung des Sicherheitsbereiches S auf das unmittelbar notwendige Ausmaß reduziert werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren am Ort der Maschine 2 auch sehr platzsparend umgesetzt werden kann.

Claims

Patentansprüche:
1.Verfahren zum Absichern eines Sicherheitsbereiches (S) im umgebenden Raumbereich einer mithilfe einer
Maschinensteuerung (1) automatisiert arbeitenden Maschine
(2) mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten
Maschinenteilen (3), wobei die Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen (3) eingenommenen Raumpositionen als Bewegungsraum ermittelt wird, und eine die Oberfläche des Bewegungsraumes approximierende Hüllfläche (H) für den Bewegungsraum in Form von Datenpunkten (Pi, i=l...N) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Datenpunkten (Pi, i=l...N) der Hüllfläche (H) ein den Bewegungsraum umgebender Hüllraum errechnet wird, der den Sicherheitsbereich (S) bildet, wobei der
Sicherheitsbereich (S) eine innere Oberfläche aufweist, die von der Hüllfläche (H) gebildet wird, sowie eine äußere Oberfläche, und eine Sensoreinheit (4) zur Überwachung des Sicherheitsbereiches (S) das Eindringen eines Objekts in den Sicherheitsbereich (S) detektiert und eine Sicherungssteuerung (5) bei Detektion des Eindringens eines Objekts in den Sicherheitsbereich (S) eine Sicherheitsfunktion der Maschinensteuerung (1) für die Maschine (2) aktiviert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsraum als Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen (3) eingenommenen Raumpositionen aus Raumpositionsdaten der Maschinensteuerung (1) für die bewegten Maschinenteile
(3) ermittelt wird.
3.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsraum als Gesamtheit der über einen Arbeitszyklus von den bewegten Maschinenteilen (3) eingenommenen Raumpositionen mithilfe einer zur Messung von Tiefeninformation fähigen Kamera ermittelt wird.
4.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hüllraum durch Verschiebung der die Hüllfläche (H) repräsentierenden Datenpunkte (Pi) in eine den Bewegungsraum umgebende und zur Oberfläche des Bewegungsraumes beabstandete Verschiebungsfläche (V) errechnet wird, wobei die Verschiebungsfläche (V) die äußere Oberfläche des Sicherheitsbereiches (S) bildet, und der Hüllraum durch den Bereich zwischen der Hüllfläche (H) und der Verschiebungsfläche (V) festgelegt ist.
5.Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der die Hüllfläche (H) repräsentierenden Datenpunkte (Pi) zur Errechnung der Verschiebungsfläche (V) für unterschiedliche Datenpunkte (Pi) über unterschiedliche Streckenlängen erfolgt.
6.Vorrichtung zum Absichern eines Sicherheitsbereiches (S) im umgebenden Raumbereich einer mithilfe einer Maschinensteuerung (1) automatisiert arbeitenden Maschine (2) mit während eines Arbeitszyklus raumgreifend bewegten Maschinenteilen (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit (4) vorgesehen ist, die ausgebildet ist um ein Eindringen eines Objekts in den Sicherheitsbereich (S) zu detektieren, sowie eine Sicherungssteuerung (5), die ausgelegt ist um bei Detektion des Eindringens eines Objekts in den Sicherheitsbereich (S) eine Sicherheitsfunktion der Maschinensteuerung (1) für die Maschine (2) zu aktivieren, wobei der Sicherheitsbereich (S) gebildet wird durch einen den Bewegungsraum der bewegten Maschinenteile (3) umgebenden Hüllraum mit einer inneren Oberfläche, die von einer die Oberfläche des Bewegungsraumes approximierende Hüllfläche (H) für den Bewegungsraum gebildet wird, und einer äußeren Oberfläche .
7.Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (4) als zumindest eine zur Messung von Tiefeninformation fähige Kamera ausgeführt ist.
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