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Derartige optischer Sensoren werden insbesondere im Bereich des Personenschutzes eingesetzt, wobei als Schutzzone ein Gefahrenbereich an einem von einer Maschine gebildeten Arbeitsmittel überwacht wird. Ein für derartige Überwachungsaufgaben eingesetzter optische Sensor ist aus der
DE 299 20 715 U1 bekannt. Der dort beschriebene optische Sensor ist als Lichtschrankenanordnung, insbesondere als Lichtgitter ausgebildet. Wird mit dieser Lichtschrankenanordnung ein Objekt oder eine Person detektiert, wird in der Lichtschrankenanordnung eine Objektmeldung generiert, welche zum Abschalten der Maschine führt. Dadurch erfüllt die Lichtschrankenanordnung ihre Sicherheitsfunktion, da mit dieser erfasst wird, wenn sich eine Person in den Gefahrenbereich begibt. Jedoch würde auch ein Eindringen eines mit der Maschine zu bearbeitenden Werkstücks in den Gefahrenbereich zu einer Objektmeldung in der Lichtschrankenanordnung führen, welche dann ein Abschalten der Maschine zur Folge hätte. Da es sich bei dem zu bearbeitenden Werkstück um ein nicht sicherheitskritisches Objekt handelt, ist ein Abschalten der Maschine bei dessen Detektion innerhalb des Gefahrenbereichs unnötig und daher unerwünscht.
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Um ein derartiges unnötiges Abschalten der Maschine zu vermeiden, sind bei der Anordnung der
DE 299 20 715 U1 zusätzlich zu der Lichtschrankenanordnung am Eingang beziehungsweise Ausgang des Gefahrenbereichs sogenannte Mutingsensoren vorgesehen, die eine Unterscheidung zwischen Menschen oder allgemein sicherheitskritischen Objekten und zulässigen Gegenständen als nicht sicherheitskritischen Objekten ermöglichen. Wird ein zulässiger Gegenstand detektiert, so erzeugen die Mutingsensoren ein Überbrückungssignal das bewirkt, dass trotz einer Unterbrechung der Lichtschranken der Lichtschrankenanordnung die Abschaltfunktion vorübergehend zu deaktivieren, das heißt die Maschine nicht abzuschalten ist. Wird hingegen eine der Lichtschranken unterbrochen und erzeugen die Mutingsensoren kein Überbrückungssignal, so wird die zu überwachende Maschine abgeschaltet.
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Nachteilig hierbei ist, dass die von Reflexionslichtschranken gebildeten Mutingsensoren als weitere Sensoren zur Lichtschrankenanordnung einen erheblichen konstruktiven Aufwand bedingen und damit auch eine erhebliche Erhöhung des Kostenaufwands bei der Realisierung der Gefahrenbereichsabsicherung verursachen. Dieser Nachteil wird dadurch noch verstärkt, dass sowohl am Eingang und am Ausgang jeweils ein Paar von Mutingsensoren vorgesehen sein muss, damit die zulässigen Objekte von nicht zulässigen Objekten unterschieden werden können.
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Die
DE 103 60 174 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Erfassungsbereichs an einem Arbeitsmittel mit einer Lichtstrahlen emittierenden Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Erfassungsbereichs und mit einer Kamera zur Ermittlung dreidimensionaler Bilder des Erfassungsbereichs. Die Kamera weist eine matrixförmige Anordnung von Empfangselementen auf, deren Ausgangssignale in einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, wobei für jedes Empfangselement ein Distanzwert aus der Lichtlaufzeit der von der Beleuchtungseinheit emittierten und aus dem Erfassungsbereich zurückreflektierten Lichtstrahlen ermittelt wird. Mit der Auswerteeinheit wird wenigstens ein auf das Arbeitsmittel geführter Schaltausgang angesteuert, so dass das Arbeitsmittel nur dann in Betrieb gesetzt ist, falls sich kein Objekt, vorzugsweise kein sicherheitskritisches Objekt, im Erfassungsbereich befindet. Innerhalb des Erfassungsbereichs können in Abhängigkeit von Mutingsensoren Schutzfelder definiert werden.
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Die
EP 1 418 380 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Erfassungsbereichs an einem Arbeitsmittel mit wenigstens einer Kamera. In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt das Erfassen einer objektfreien Schutzzone innerhalb des Erfassungsbereichs mittels der Kamera als Referenzhintergrund. Anschließend erfolgt die Überprüfung des Referenzhintergrunds hinsichtlich dessen Inhomogenität. Dabei wird der Referenzhintergrund nur dann als ungültig verworfen, wenn innerhalb einer vorgegebenen Varianzstrecke die ermittelte Inhomogenität ein vorgegebenes Maß unterschreitet. Ansonsten wird der Referenzhintergrund als gültig klassifiziert. Bei als gültig klassifiziertem Referenzhintergrund erfolgt die Freigabe zur Erfassung von in die Schutzzone eindringenden sicherheitskritischen Objekten. Die Erfassung erfolgt durch Vergleich von mit der Kamera aktuell ermittelten Bildern der Schutzzone mit dem gültigen Referenzhintergrund. Ein sicherheitskritisches Objekt gilt dann als erkannt, wenn das jeweilige aktuelle Bild signifikant vom Referenzhintergrund abweicht.
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In der
DE 100 26 305 A1 wird eine optoelektronische Vorrichtung zur Überwachung eines Schutzbereichs mit zumindest einer berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung beschrieben. Die berührungslos wirkende Schutzeinrichtung umfasst eine Auswerteeinheit zum Erzeugen eines Gegenstandfeststellungssignals beim Eindringen eines Objekts in den Schutzbereich. Mit der berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung ist eine Bilderfassungseinheit zum Erfassen eines flächigen oder räumlichen Bilderfassungsbereichs gekoppelt, mit der ein nahe am Schutzbereich, jedoch außerhalb des Schutzbereichs gekoppelt, mit der ein nahe am Schutzbereich, jedoch außerhalb des Schutzbereichs gelegener sekundärer Überwachungsbereich, erfassbar ist. Die berührungslos wirkende Schutzeinrichtung ist durch die Bilderfassungseinheit ansteuerbar.
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Die
DE 102 21 578 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Flächen- oder Raumbereichs, insbesondere eines Gefahrenbereichs mit einer Lichtquelle und einem optischen Sensor. Die Lichtquelle ist als Laserlichtquelle und der optische Sensor als entfernungsmessender 3-D-CMOS-Sensor mit Sensormatrix ausgebildet.
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Die
DE 196 19 688 A1 betrifft ein Verfahren zur Videoüberwachung der Bedienungsräume, wobei mittels einer Videokamera der zu überwachende Bedienungsraum optisch erfasst und ein elektronisch verarbeitbares Bild des freien Bedienungsraums erzeugt wird, das von der Kamera einem Bildprozessor zugeführt und in diesem abgespeichert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine sensorüberwachte Gefahrenbereichsüberwachung bereitzustellen, mit welcher mit möglichst geringem Aufwand eine sichere Überwachung eines Gefahrenbereichs an einem Arbeitsmittel durchführbar ist, ohne dabei die Verfügbarkeit des Arbeitsmittels unnötig einzuschränken.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben
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Erfindungsgemäß erfolgt die Überwachung einer Schutzzone an einem Arbeitsmittel mittels eines optischen Sensors mit einer Kamera und einer Auswerteeinheit. Bei Erfassen eines sicherheitskritischen Objekts in der Schutzzone wird eine Objektmeldung generiert mittels derer das Arbeitsmittel außer Betrieb gesetzt wird. Bei Erfassen eines nicht sicherheitskritischen Objekts innerhalb der Schutzzone wird für wenigstens einen Bereich dieser Schutzzone ein Mutingsignal generiert, so dass ein Eindringen eines sicherheitskritischen Objekts in diesen Bereich nicht zur Generierung einer Objektmeldung führt.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass mit einem optischen Sensor eine Doppelfunktion derart erfüllt wird, dass mit diesem nicht nur eine Gefahrenbereichsüberwachung durchgeführt werden kann sondern zugleich auch eine Mutingfunktion bereitgestellt wird, mittels derer die Verfügbarkeit des Arbeitsmittels erhöht wird.
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Zur Durchführung der Gefahrenbereichsüberwachung wird mit der Kamera des optischen Sensors detektiert, ob ein sicherheitskritisches Objekt in die Schutzzone eindringt. Ist dies der Fall, generiert der optische Sensor eine Objektmeldung, wodurch das Arbeitsmittel abgeschaltet wird um insbesondere eine Gefährdung von Personen in dem von der Schutzzone gebildeten Gefahrenbereich auszuschließen.
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Dabei erfolgt im optischen Sensor eine Unterscheidung von sicherheitskritischen Objekten wie Personen einerseits und nicht sicherheitskritischen Objekten andererseits. Dringt ein nicht sicherheitskritisches Objekt in die Schutzzone ein, so erfolgt ein Muting derart, dass wenigstens ein Bereich der Schutzzone überbrückt, das heißt gemutet wird, so dass dann in diesem Bereich eindringende Objekte, unabhängig davon, ob diese sicherheitskritische Objekte oder nicht sicherheitskritische Objekte sind, nicht zu einem Abschalten des Arbeitsmittels führen.
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Damit führen unkritische Objekteingriffe in der Schutzzone, die beispielsweise durch Werkstücke bedingt sind, die mit dem Arbeitsmittel bearbeitet werden müssen, nicht zu einem unerwünschten Stillstand des Arbeitsmittels und so zu einer signifikant erhöhten Verfügbarkeit des Arbeitsmittels.
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In der Auswerteeinheit des optischen Sensors wird zur Unterscheidung von sicherheitskritischen Objekten und nicht sicherheitskritischen Objekten eine vorgegebene Anzahl von Bildpunkten der Kamera ausgewertet. Generell werden somit bevorzugt nur Teilbereiche der Kamera zur Erkennung von nichtsicherheitskritischen Objekten zur Durchführung des Muting ausgewertet. Besonders vorteilhaft werden dabei die Flanken von in die Schutzzone eindringenden Objekten ausgewertet und hierbei Unterscheidungen zwischen sicherheitskritischen Objekten und nicht sicherheitskritischen Objekten getroffen. Zweckmäßigerweise können dabei in Einlernvorgängen die Vorderfronten von in die Schutzzone eindringenden nicht sicherheitskritischen Objekten und Teilen hiervon eingelernt werden. Alternativ können bestimmte, die nicht sicherheitskritischen Objekte charakterisierende Parameter, wie zum Beispiel Mindestabmessungen derartiger nicht sicherheitskritischer Objekte, in der Auswerteeinheit abgespeichert werden. Anhand derartiger abgespeicherter Daten können dann die nicht sicherheitskritischen Objekte von sicherheitskritischen Objekten unterschieden werden.
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Durch eine geeignete zeitliche und räumliche Vorgabe des überbrückten Bereichs, das heißt des Muting-Bereichs, ist eine flexible Anpassung von Bahnkurven nicht sicherheitskritischer Objekte innerhalb der Schutzzone möglich. Damit wird einerseits erreicht, dass ein Eindringen von nicht sicherheitskritischen Objekten in die Schutzzone nicht zu einem unerwünschten Abschalten der Maschine führt, andererseits in den nicht gemuteten Bereichen der Schutzzone noch sicherheitskritische Objekte detektiert werden können, um dann im Gefahrenfall das Arbeitsmittel abschalten zu können. Im einfachsten Fall beschränkt sich der Muting-Bereich auf den Teil der Schutzzone, innerhalb derer ein nicht sicherheitskritisches Objekt angeordnet ist. Weiterhin kann der Muting-Bereich auch eine größere Ausdehnung als die nicht sicherheitskritischen Objekte aufweisen und sich im Grenzfall über die ganze Schutzzone erstrecken. Prinzipiell ist auch die Vorgabe mehrerer Muting-Bereiche innerhalb der Schutzzone möglich. Schließlich ist auch eine geeignete zeitliche Vorgabe der Aktivierung des Muting-Bereichs durch die Auswerteeinheit möglich. Im einfachsten Fall bleibt der Muting-Bereich so lange aktiv, wie ein nicht sicherheitskritisches Objekt innerhalb der Schutzzone angeordnet ist. Insbesondere bei Arbeitsprozessen mit vorgegebenen Bearbeitungsabläufen, bei welchen beispielsweise sichergestellt ist, dass nach Eindringen eines nicht sicherheitskritischen Objekts in die Schutzzone für eine vorgegebene Zeit kein sicherheitskritisches Objekt in die Schutzzone eindringen kann, kann über die Auswerteeinheit eine Zeitfunktion definiert werden, über welche die Zeitdauer der Aktivierung des Muting-Bereichs vorgebbar ist.
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Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Blockschaltbild eines optischen Sensors.
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2: Anordnung des optischen Sensors gemäß 1 zur Überwachung einer Schutzzone an einem Arbeitsmittel mit einer in der Schutzzone angeordneten Palette.
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3: Abbildung der Palette gemäß 2 auf der Kamera des optischen Sensors bei der Anordnung gemäß 2.
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1 zeigt schematisch einen optischen Sensor 1 zur Erfassung von Objekten innerhalb einer Schutzzone 2. Der optische Sensor 1 ist in einem Gehäuse integriert und weist zur Detektion von Objekten innerhalb der Schutzzone 2 eine Kamera 3 auf. Die Kamera 3 besteht im vorliegenden Fall aus einer CCD-Zeile, das heißt einem CCD-Sensor mit einer zeilenförmigen Anordnung von Empfangselementen. Alternativ kann die Kamera 3 auch von einer CMOS-Zeile gebildet sein. Bei derartigen zeilenförmigen Kameras bildet die Schutzzone 2 einen flächigen Bereich. Generell können mit dem optischen Sensor auch Schutzzonen in Form von dreidimensionalen Bereichen überwacht werden. In diesem Fall besteht die Kamera 3 aus einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor mit einer matrixförmigen Anordnung von Empfangselementen. Zur Ausleuchtung der Schutzzone 2 weist der optische Sensor ein Beleuchtungssystem 4 auf. Mit den vom Beleuchtungssystem 4 emittierten Lichtstrahlen 5 wird die gesamte Schutzzone 2 ausgeleuchtet, wobei im einfachsten Fall mit dem Beleuchtungssystem 4 hierzu ein stationäres Lichtstrahlbündel generiert wird. Alternativ kann das Beleuchtungssystem 4 auch als Scanner ausgebildet sein. Der Scanner weist einen Sender auf, der Sendelichtstrahlen emittiert, die mittels einer Ablenkeinheit zur Ausleuchtung der Schutzzone 2 periodisch abgelenkt werden.
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Die mit der Kamera 3 generierten, Bildinformationen enthaltenden Signale werden in einer Auswerteeinheit 6 ausgewertet. Zum Einsatz des optischen Sensors 1 im Bereich des Personenschutzes und zur Erfüllung des hierfür geforderten Sicherheitsniveaus weist die Auswerteeinheit 6 einen redundanten Aufbau auf. Im vorliegenden Fall besteht die Auswerteeinheit 6 aus zwei sich gegenseitig zyklisch überwachenden Mikroprozessoren 7a, b. Die Signale der Kamera 3 werden zur Auswertung in beide Mikroprozessoren 7a, b eingelesen. Hierzu ist die Kamera 3 über Zuleitungen mit beiden Mikroprozessoren 7a, b verbunden. Weiterhin erfolgt in der Auswerteeinheit 6 auch die Ansteuerung des Beleuchtungssystems 4, welches mit nicht dargestellten Zuleitungen mit der Auswerteeinheit 6 verbunden ist.
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Die Auswertung der Signale der Kamera 3 in der Auswerteeinheit 6 erfolgt derart, dass ein binäres Objektfeststellungssystem generiert wird, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt in der Schutzzone 2 befindet oder nicht. Zur Ausgabe dieses Objektfeststellungssignals ist eine Ausgangsschaltung 8 mit einem Schaltausgang 9 vorgesehen.
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Für Anwendungen im Bereich des Personenschutzes wird typischerweise mit dem optischen Sensor 1 als Schutzzone 2 ein Gefahrenbereich an einem Arbeitsmittel überwacht. Um Gefährdungen insbesondere für Personen auszuschließen, wird bei einer Objektmeldung, die durch einen Objekteingriff in der Schutzzone 2 im optischen Sensor 1 generiert wird, das Arbeitsmittel deaktiviert. Das Arbeitsmittel ist somit nur dann aktiviert, wenn das Objektfeststellungssignal den Schaltzustand „freie Schutzzone” einnimmt. Zur Auswertung des Arbeitsmittels ist der Schaltausgang 9 an das Arbeitsmittel angeschlossen, so dass das Objektfeststellungssignal vom optischen Sensor 1 in das Arbeitsmittel übertragen wird.
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2 zeigt eine Applikation des optischen Sensors gemäß 1 zur Gefahrenbereichsüberwachung an einem Transportband 10. Dieses Transportband 10 bildet zusammen mit einem nicht dargestellten Roboter ein Arbeitsmittel. Wie aus 2 ersichtlich ist der optische Sensor 1 oberhalb des Transportbands 10 so angeordnet, dass mit diesem als Gefahrenbereich eine Schutzzone 2 überwacht wird, die in einer vertikalen Ebene orientiert ist. Die Schutzzone 2 erstreckt sich dabei über die gesamte Breite des Transportbands 10.
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Um Gefährdungen von Personen oder generell sicherheitskritischen Objekte auszuschließen, wird bei einer Detektion eines derartigen sicherheitskritischen Objekts in der Schutzzone 2 eine Objektmeldung generiert, wodurch das Arbeitsmittel, das heißt im vorliegenden Fall der Roboter und das Transportband 10 deaktiviert, das heißt stillgesetzt werden.
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2 zeigt eine auf dem Transportband 10 transportierte Palette 11, die mit dem Roboter aufgenommen und bearbeitet werden soll. Da somit die Palette 11 als Werkstück ein nicht sicherheitskritisches Objekt darstellt, welches durch die Schutzzone 2 hindurch dem Roboter zugeführt werden muss, wurde ein durch die Detektion der Palette 11 mittels des optischen Sensors 1 generierter Abschaltbefehl für das Arbeitsmittel einen unnötigen Stillstand bedeuten.
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Um derartige unnötige Stillstände zu vermeiden erfolgt im optischen Sensor 1 eine Erkennung derartiger nicht sicherheitskritischer Objekte sowie deren Unterscheidung von sicherheitskritischen Objekten. Dies ist in 3 veranschaulicht. Diese Darstellung zeigt die CCD-Zeile des optischen Sensors 1 für die Anordnung gemäß 2. Der Bereich der CCD-Zeile, auf welchen die Palette 11 abgebildet wird, ist in 2 mit A bezeichnet.
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Zur Erkennung der Palette 11 als nicht sicherheitskritisches Objekt werden in der Auswerteeinheit 6 des optischen Sensors 1 bevorzugt nur die Flanken des Bereichs A, das heißt die Kanten der Palette 11 ausgewertet. Die Erkennung des nicht sicherheitskritischen Objekts kann dadurch erfolgen, dass in einem Einlernvorgang die Kantenlagen des nicht sicherheitskritischen Objekts auf der CCD-Zeile eingelernt werden und in der nachfolgenden Betriebsphase des nicht sicherheitskritischen Objekts durch Vergleich der aktuellen Signale der CCD-Zeile mit den eingelernten Werten verglichen wird, wobei das nicht sicherheitskritische Objekt als erkannt gilt, falls die aktuellen Signale mit den eingelernten Werten übereinstimmen. Alternativ kann das nicht sicherheitskritische Objekt auch anhand in der Auswerteeinheit 6 abgespeicherter Parameterwerte erkannt werden. Wie aus 2 ersichtlich erstreckt sich die Palette 11 nahezu über die gesamte Breite des Transportbands 10 und ist somit signifikant breiter als eine Person als sicherheitskritisches Objekt. Durch Vorgabe einer Mindestbreite in der Auswerteeinheit 6, die bei der vorliegenden Palette 11 überschritten wird, wird somit die Palette 11 als nicht sicherheitskritisches Objekt in der Auswerteeinheit 6 klassifiziert.
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Für den Fall, dass die Breite der Palette 11 in derselben Größenordnung wie die Breite einer Person ist, ist mit einer Bildaufnahme mittels der CCD-Zeile keine sichere Unterscheidung der Palette 11 von einer Person möglich. In diesem Fall kann durch wenigstens zwei in einem bestimmten Zeitintervall aufeinander folgenden Bildaufnahmen mit der CCD-Zeile eine zeitaufgelöste Information über das detektierte Objekt gewonnen werden, wodurch eine erhöhte Detektionssicherheit zur Identifizierung des nicht sicherheitskritischen Objekts erzielt wird.
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Bei der Detektion eines nicht sicherheitskritischen Objekts wie der in 2 dargestellten Palette 11 wird im optischen Sensor 1 ein Überbrückungssignal, das heißt ein Mutingsignal generiert. Mit diesem wird im optischen Sensor 1 als Teilbereich der Schutzzone 2 ein Muting-Beeich definiert und aktiviert.
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Die Auswertung im optischen Sensor 1 erfolgt dann derart, dass eine Objektdetektion innerhalb des Muting-Bereichs nicht zur Generierung einer Objektmeldung und damit nicht zu einem Abschalten des Arbeitsmittels führt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird bei exakt mittiger Ausrichtung der Palette 11 während des gesamten Durchfahrens der Palette durch die Schutzzone 2 stets die Palette auf dem selben Bereich A der Kamera 3 (3) abgebildet.
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Da dieser Bereich von der Palette 11 ausgefüllt ist und in diesen somit kein sicherheitskritisches Objekt mehr eindringen kann, wird im einfachsten Fall der dem Bereich A entsprechende Teil der Schutzzone 2 als Muting-Bereich definiert. Während ein Eindringen eines Objekts in den Muting-Bereich nicht zur Generierung einer Objektmeldung führt, führt ein Objekteingriff in den nicht gemuteten Bereich der Schutzzone 2 zur Generierung einer Objektmeldung und damit zu einem Abschalten des Arbeitsmittels.
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Wie aus der Anordnung in 2 ersichtlich, erstreckt sich die Palette 11 nahezu über die gesamte Breite des Transportbandes 10. Ist dieses beispielsweise von Zäunen seitlich umgeben ist gewährleistet, dass bei einer in der Schutzzone 2 befindlichen Palette 11 auch seitlich am Transportband 10 keine Person eindringen kann. Somit kann alternativ die gesamte Schutzzone 2 als Muting-Bereich aktiviert werden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Muting-Bereich so lange aktiv, solange sich die Palette als nicht sicherheitskritisches Objekt innerhalb der Schutzzone 2 befindet. Durch die genannten Alternativen der Dimensionierung der Muting-Bereiche ist gewährleistet, dass eine Detektion der Palette 11 als nicht sicherheitskritische Objekte durch den optischen Sensor 1 nicht zu einem unerwünschten Abschalten des Arbeitsmittels führt.
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Wird die Palette 11 aus der Schutzzone 2 heraus bewegt, wird der Muting-Bereich im optischen Sensor wieder deaktiviert. Dann führt ein Objekteingriff an beliebigen Stellen der Schutzzone 2 zu einer Objektmeldung und damit zu einem Abschalten des Arbeitsmittels.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optischer Sensor
- 2
- Schutzzone
- 3
- Kamera
- 4
- Beleuchtungssystem
- 5
- Lichtstrahlen
- 6
- Auswerteeinheit
- 7a
- Mikroprozessoren
- 7b
- Mikroprozessoren
- 8
- Ausgangsschaltung
- 9
- Schaltausgang
- 10
- Transportband
- 11
- Palette
