CN108972539A - 待保护的机器的移动的确定 - Google Patents

Abstract

本申请涉及待保护的机器的移动的确定。提出了用于根据安全相关的紧急信号来确定待保护的机器(30)的移动的传感器模块(10)，其中该传感器模块(10)可以随后且可拆卸地固定在机器(30)上并且具有用于检测描述移动的移动数据的至少一个传感器(14，16)。传感器模块(10)具有用于接收触发信号的第一触发接口(18)和记录单元(22)，该触发信号含有紧急信号的时刻，该记录单元存储和/或输出紧急信号的时刻和达到机器(30)的安全状态之间的时间段中的移动数据中的至少一些移动数据。

Description

待保护的机器的移动的确定

本发明涉及根据权利要求1或6的前序部分所述的用于根据安全相关的紧急停止信号来确定待保护的机器特别是机器人或车辆的移动的传感器模块和触发器模块以及相应的方法。

安全技术的主要目的是保护人员远离危险源，例如工业环境中的机器。借助于传感器对机器进行监控，因此，如果出现人员有危险地靠近机器的情况，则采取适当的保护措施。

传统上，主要使用诸如光栅或激光扫描仪的光电传感器来进行安全相关的监控。最近增加了3D相机。常用的保护方案拟定对保护区域进行配置，操作人员在机器运行期间不得进入这些保护区域。如果传感器识别到不允许的保护区域干扰，例如操作人员的腿部，则该传感器会触发机器的安全相关的停止。例如由于静态的机器部件引起的保护区域中的其他干扰可以预先示教为允许的。通常，警告区域位于保护区域之前，在该警告区域中干扰最初只会导致警告，以便及时防止保护区域干扰并从而及时进行保护，因此设备的可用性得以提高。保护区域的替代方案也是已知的，例如要注意在机器和人员之间保持依赖于相对移动的最小距离(“速度和间隔(speed and separation)”)。

安全技术中使用的传感器必须特别可靠地运行，因此必须满足高的安全要求，例如用于机器安全的标准EN13849和用于非接触作用的保护装置(BWS)的设备标准IEC61496或EN61496。为了满足这些安全标准，必须采取一系列措施，例如通过冗余、多样的电子设备进行安全电子评估、功能监测或者专门监测光学部件特别是挡风玻璃的污染和/或提供必须在相应的扫描角度下才可以被识别到的具有限定的反射率的各个测试目标。

在机器人特别是轻型机器人的安全技术监测中，越来越希望与人员建立更紧密的合作(MRK，人机合作)。为此，应将保护区域和安全距离配置成尽可能的狭小，当然是在确保安全的前提下进行。但是，由于复杂性和信息的匮乏，评估系统响应时间和机器人的止动距离(Anhalteweg)和超程距离(Nachlaufweg)非常困难，因为这里有具有各自延迟的许多传感器、接口、现场总线和控制装置一起工作。因此，设法用机器人制造商的最坏情况下的信息来应付，其中对超程距离本身来说通常缺少这样的信息，因为超程距离取决于移动的物体，并因此取决于有效负荷。

因此，将信号路径上的组件的已知延迟与对未知的延迟的非常保守的估计相加并与机械手臂的最大速度相乘，然后再加上关于最不利的负荷的超程距离，并且在可能的情况下还再加上关于估计的不确定性的安全余量(Sicherheitszuschlag)。由此，导致了极长的止动时间(Anhaltezeit)和止动距离，并从而导致了虽然可靠地满足了其保护功能但几乎将人与机器之间的密切合作排除在外的安全标注尺寸。

为了能够使机器人与合作的人之间更接近，当与安全相关的反应有关的反应时间最小化，或者当不仅通过传统的切断来避免触碰的危险而且机器人还通过主动回避来化解危险情况时，是有利的。但所有这一切只有在这一点也被纳入安全考虑时才会有所帮助，而这在描述的和通常是保守的方法中却并非如此。

DE 10 2015 106 227 B3公开了用于控制和/或调节机器人的电机的方法，该方法包括出于安全原因预测制动距离。对于安全技术来说这样的建模是不够的，因为安全标注尺寸不应基于预期，而是必须考虑到实际的机器人移动。因此，可能又必须将模型嵌入到最坏情况错误分析中，因此失去了可能的优点。

在WO 2012/042470 A1中描述了用于机器人的安全设备，该设备通过编码器和惯性传感器来多样地监测机器人移动。从而确保在机器人上其移动方面的计划和现实一致。尽管这是安全方面，但与用于在与合作的人员有碰撞危险尤其是安全设备可能根本没识别到该人员时进行及时切断的安全距离的设置无关。

从DE 10 2007 007 576 B4中已知用于确保工作空间的方法，该工作空间通过3D相机来观察，以便识别与理论状态的偏差。为此，对人和机器人的移动进行建模，并在检测阶段中以更安全的技术监测机器人是否如程序化的那样移动。但DE 10 2007 576 B4并没有说明必须接受何种偏差程度才是安全攸关的，并且怎样才能使决定这种偏差的安全距离减少以便进行更紧密的人机合作。

因此，本发明的任务在于，改进安全技术的监测的设计。

该任务通过根据权利要求1和6所述的用于根据安全相关的紧急停止信号来确定待保护的机器特别是机器人或车辆的移动的传感器模块和触发器模块以及根据权利要求10所述的相应的方法得以解决。安全相关的紧急信号触发对被监测机器的保护，其中这除了通常的制动或停留在静止状态中之外也可能是规避移动。传感器模块不是机器的一部分，而是随后安装的小型附加器件。借助至少一个传感器能够检测移动数据，这些移动数据至少使移动的安全相关的部分重新构建。

现在，本发明基于这一基本思想，即根据安全相关的紧急信号测量机器的实际移动。为此，设置了用于接收触发信号的第一触发接口，该触发信号告知了安全相关的紧急信号的时刻。优选地，无线地进行触发信号的传输，以便简化传感器模块的安装并避免在机器移动期间的干扰线路。传感器模块记录了由触发信号指示的紧急信号的时刻和达到机器的安全状态之间的时间段中的移动数据。它们是哪些移动数据取决于传感器模块的具体安全应用或配置。因此，单单是当移动行为在紧急信号之后初次改变时或机器停下来时的这些时刻或者这些时刻之间的持续时间就已经与反应时间或超程距离非常相关了。

本发明的优点在于，精确地确定了机器的行为和在安全相关的紧急信号的信号路径上的延迟，即通过传感器模块知道反应时间、超程距离或不同的移动物体的影响。因此，该系统可以被设计有优化的安全距离，这些安全距离使得人和机器能够明显更接近。所使用的安全技术的配置、优化和验证得以简化和改进。为了补偿未知的延迟和移动，不再需要通过传统保守地切断系统而使安全距离超过标注尺寸，因为这是通过直接测量来确定的。

优选地，移动数据具有参数位置、速度、加速度中的至少一个，特别是分别具有时间戳的这些参数中的至少一个。如前所述，如果例如仅仅涉及确定反应时间的话，则不需要测量并记录从产生紧急信号的时刻到达到安全状态的整个时间段内的全部这些参数。此外，所提及的参数并不是独立的，例如速度矢量的积分提供了位置偏移。但完全可以设想的是，在数学上超定地检测移动行为本身，以便获得特别可靠的数据。

优选地，传感器模块具有加速度传感器和/或旋转速率传感器或陀螺仪传感器。由此确定全部六个自由度的移动变化，从而可以完整地描述该移动。根据应用，由于边界条件不需要对所有的自由度进行监测。

优选地，传感器模块能量自给自足的。为此，例如设置蓄电池或电池。对于某些机器来说，供电连接也是可以设想的。但有利的是避免必要的线路并能够自由选择对于测量最佳的布置。

优选地，传感器模块具有用于输出移动数据的无线输出接口。经由该输出接口可以在外部使用所记录的移动数据。例如，移动设备或配置计算机上的应用程序与传感器模块连接。通过无线传输使操作简化。为此，原则上也可以设想有线的输出接口。对于某些应用来说，传感器模块上的显示器形式的输出可能就足够了，或者显示器补充数据输出。

根据本发明的用于向待保护的机器生成和/或接收安全相关的紧急信号的触发器模块被设计用于与传感器模块一起工作。该触发器模块本身可以是通过测试方式生成的安全相关的紧急信号的来源，例如只需按下按钮，即可将该紧急信号提供给机器，以便机器以安全相关的制动或规避移动做出反应。然而，优选地，触发器模块连接到路径，机器通过该路径在安全应用内获得安全相关的紧急信号。在这种情况下，触发器模块只侦听，以便检测安全相关的紧急信号的时刻。

触发器模块具有用于输出包含紧急信号的时刻的触发信号的第二触发接口。因此，触发器模块可将安全相关的紧急信号的时刻传递给根据本发明的传感器模块，这些紧急信号在那里可以说是用作用于在保护情况下记录移动的启动信号。

优选地，紧急信号的时刻的时间戳被编码进触发信号中。这例如涉及调制，其被传感器模块理解为时刻或者至少与移动数据一起被存储。由于时间戳，待记录的移动数据的选择不必实时进行，相反，触发信号只有在随后才可以指示相关的时间段。当然，先决条件是事先监测传感器模块中的移动并且缓冲相应的信息。可替代地，立即通过安全相关的紧急信号生成触发信号，然后紧急信号的时刻紧接着就是触发信号的接收时刻，该触发信号在这种情况下自身不包含其它的时间信息。任何延迟时间(Latenz)在这里都可以忽略，甚至可以进行测量并且例如在传感器模块的时间戳中加以考虑。这种可替代的方法只能实时运行，但具有的优点是，传感器仅分别在紧急停止信号和安全状态之间的相关阶段中必须是激活的，由此消耗尤其更少的能量。

优选地，第二触发接口被构造成红外接口。只需如遥控器中那样大致在传感器模块的方向上非聚焦地发射红外触发信号，而不需要特殊的调整。也可以设想触发信号的另一种无线传输，有线虽然原则上是可能的，但实际上由于干扰线路的移动自由受到限制显然是不利的。

在优选的改进形式中，设置了用于根据安全相关的紧急信号来确定待保护的机器特别是机器人或车辆的移动的装置，其中该装置具有根据本发明的传感器模块和根据本发明的触发器模块。传感器模块和触发器模块在该装置中根据规定一起工作。

在根据本发明的用于根据安全相关的紧急信号来确定待保护的机器特别是机器人或车辆的移动的方法中，将具有用于检测描述机器移动的移动数据的至少一个传感器的传感器模块特别是根据本发明的传感器模块可拆卸地安装在机器上。然后，优选地，重复触发机器的安全相关的紧急停止，并且将包含该紧急信号的时刻的触发信号传送至传感器模块，特别是通过根据本发明的触发器模块来传送。接着，存储或输出由触发信号指示的紧急信号的时刻和达到机器的安全状态之间的传感器模块的移动数据。根据本发明的方法可以如传感器模块或触发器模块那样以类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行了描述。

优选地，将该方法进一步发展成用于配置和/或验证至少一个安全传感器的方法，该安全传感器监测待保护的机器，并且当低于机器和检测到的不允许的对象之间的安全距离时将安全相关的紧急停止信号输出给机器。为此，使用根据本发明的方法根据安全相关的紧急停止信号来确定机器的移动并根据所存储的或输出的移动数据来验证或调整安全距离。通过这种方式，可以找到优化的安全距离，这些安全距离使得能够在完全安全的情况下实现人与机器的实质上更密切的合作，或者可以证明或验证所选择的安全距离实际上并非意味着安全性上有所妥协。

附图说明

下面将根据实施方式并参考附图对本发明的其它特征和与优点进行更详细的阐述。图中的附图示出：

图1是传感器模块和触发器模块的框图；

图2是安装在机器人上的传感器模块和连接到监控的安全相机的安全输出端上的触发器模块的示意图；以及

图3是用于借助传感器模块和触发器模块来确定安全距离的方法的流程图。

图1示出了传感器模块10和相关的触发器模块12的框图，该传感器模块用于根据安全相关的紧急停止来确定反应时间或待保护的机器的移动，该触发器模块用于传递触发信号，该触发信号告知安全相关的紧急停止的时刻。

传感器模块10是用于安装到会带来危险的对象上的小型器件。在本说明书中，机器人被用作会带来危险的对象的示例，但是也可以设想其它的机器和车辆，特别是自动驾驶车辆(AGC、自动引导车或AGV、自动引导车辆)。传感器模块随后且可拆卸地进行安装，例如通过磁体、夹紧托架、维可牢带或胶带来安装，但优选安装在像工具尖端的最危险的位置附近。

传感器模块10具有至少一个传感器，以检测自身的移动并从而检测该传感器模块安装在其上的对象的移动。在根据图1的实施方式中，例如设置了加速度传感器14和旋转速率传感器16。加速度和旋转速率可以根据应用在一个到三个维度中来确定。通过加速度矢量的积分可以确定瞬时速度，借助旋转速率可以确定移动方向。这些计算在传感器模块10中或随后进行。其它的或附加的传感器也是可以的。一个示例是位置传感器，其根据已知的发射器来确定其自身的位置。这种技术像GPS一样但也在内部且以更高的分辨率运作，并且不使用无线电，可以设想如超声波的其他信号。必要时也可以设想用于确定有效负荷的传感器，或者由机器本身的传感器来请求这样的附加信息。

传感器模块10具有第一触发接口18，优选是具有IR接收器的第一触发接口，在该第一触发接口上识别到触发信号，该触发信号指示已触发了安全相关的紧急停止。此外，还设置了输出接口20，优选是根据像WLAN、ZIGBEE、BLE等标准的无线电接口。

记录单元22与传感器14、16和接口18、20连接，该记录单元也可以承担传感器模块10中的其它控制和评估功能。记录单元22将传感器14、16的移动数据或从中导出的参数存储在未单独描述的存储器中，优选每当接收到触发信号时就这样做。

触发器模块12具有第二触发接口24，优选是具有IR激光器或IR–LED的第二触发接口，该第二触发接口用作发射器，以便将触发信号传输到传感器模块10的第一触发接口18上。此外，还存在用于安全相关的紧急信号的紧急信号接口26。根据实施方式，该紧急信号接口26被构造成输入端或输出端。在第一种情况下，触发器模块被另外连接到线路上，通过该线路在现有的安全应用中将安全相关的信号传输给被监测的机器(OSSD，输出信号切换装置)。触发器模块12也以这种方式被通知到达机器的安全相关的紧急停止。在第二种情况下，无论是在内部还是借助操作设备(如按钮)，触发器模块自身都通过测试方式向受监测的机器生成安全相关的紧急信号。紧急信号接口26在这里用作安全输出端(OSSD)，其上连接有受监测的机器。触发控制装置28与第二触发接口24和紧急信号接口26连接。

优选地，传感器模块10像触发器模块12一样是小型的且轻的，其具有5cm×10cm×2cm的最大尺寸和至多100g的重量。传感器模块可以由电池驱动，例如通过内置锂离子电池来驱动。那么，如果所有的接口都是无线的，则整个布置在测量原理、数据路径和供电方面都是非接触式的且非常易于操作。像用于状态(诸如，操作、错误或激活的数据连接)的未示出的显示器特别是以简单的LED形式的附加功能是可能的。

图2示出了安装到机器人30上的传感器模块10和连接到监测的安全相机34的安全输出端32上的触发器模块12的示意图。因此，在本实施方式中，触发器模块12本身不是安全相关的紧急信号的触发器而是安全相机34才是这种触发器，并且触发器模块12经由其到紧急信号接口26的连接来对此进行获悉。

图2所示的配置是应用示例，该应用示例可以在许多方面进行改变。首先，已经提到可以监视机器人30以外的其它机器。此外，在这里通过安全相机34从外面进行监测。安全相机34仅代表任意的光学传感器或其它传感器和监测机器人30和/或其环境的传感器的装置。此外，替代从外面进行监测，还可以通过是机器人30的一部分的传感器进行监测，如机器人自身的相机或电容式皮肤。总体而言，安全技术不必是设备的一部分，而是可以成为机器人30本身的直接组成部分。也可以考虑外部传感器和机器人30的传感器的组合。

现在，为了根据安全相关的紧急信号来确定机器人30的移动，提出了安全相机34识别到危险的情况。可替代地，安全相关的紧急信号在安全相机34或未示出的其他组件中被人为地启动。

触发器模块12的触发控制装置28识别紧急信号接口26处的安全相关的紧急信号并在第二触发接口24处生成触发信号。优选地，该触发信号被适当地编码，以便如此被识别出来，或者甚至还包含用于安全相关的紧急信号的时间戳的编码。

传感器模块10在第一触发接口18处接收触发信号。从该时刻起，通过加速度传感器14和旋转速率传感器16生成移动数据并由记录单元22存储。可替代地，这样的移动数据被不断地收集和缓冲，并且触发信号仅指示移动数据应被在其中传递的相关的时间段。记录单元22可能已经进一步处理了移动数据，例如计算了相应的瞬时速度和移动方向或添加了时间戳。实际上存储并随后传递了哪些移动数据是配置和应用的问题。通常情况下，一旦机器人30达到安全状态，即停下来或完成了规避移动，则令人感兴趣的时间段就结束了。

接着，经由输出接口20传送由记录单元22存储的移动数据。这可以例如在每个安全相关的紧急信号后、在一定次数的重复后或根据要求进行。移动数据的可能接收器是手持设备，例如笔记本电脑，平板电脑或智能手机，但通常是能够与输出接口20进行通信的各种设备。在那里移动数据被可视化、分析并用作进一步优化、测试或模拟的基础。传感器模块10的移动数据也可以使用机器人控制装置的数据(例如，通过机器人30的反馈传感器使用关于其自身移动的信息)来补偿(abgleichen)或补充。安全相机34的图像数据还提供用于比较或改善移动数据的附加信息源。

图3示出了借助传感器模块10和触发器模块12来示例性地优化和/或验证安全距离的流程图。在这种情况下，为了定向可以添加图2中所示的装置，但这不应理解成是限制性的。验证不仅仅意味着检查是否分别对危险情况及时做出了响应。为此，可能不需要传感器模块10，简单的测试棒就足够了。相反，从所记录的移动数据中也可以在验证的范围内得出有用的结论，这些结论明显加速和改进了方法。

在步骤S1中确定安全距离。由于这只是初始状态，所以这些安全距离基本上是任意的。为了从一开始就至少确保安全，可以非常典型地使用最坏情景和安全系数(Sicherheitszuschalg)来选择初始的安全距离。

然后在步骤S2中，通过测试方式触发安全相关的紧急信号。为此，可以有意地恰好低于所设定的安全距离，从而使得安全应用以紧急信号自动做出反应。但该安全相关的紧急信号也可以以任何其他方式来触发，特别是由触发器模块12主动触发，并且也从移动进入安全状态，该移动不是在低于安全距离时由于极限情况而导致的，随后可以得出有用的结论。

在步骤S3中，触发器模块12在安全相关的紧急停止的时刻和/或通过该时刻的编码信息来生成触发信号。

在步骤S4中，传感器模块10将自身的移动记录为有关传感器模块安装在其上的机器移动的信息。相应的移动数据应充分地表征从触发紧急信号直到达到安全状态的时间段中的自身移动。但部分信息也是有用的，例如从制动和规避移动开始的时刻可以确定系统的累积反应时间，并且从结束位置可以确定超程距离。

在步骤S5中，由传感器模块10传送优化所需的移动数据，优选通过适当的软件(App)传送到手持设备。这可以是反应时间、完整的移动曲线或者它们的一部分。

在第六步骤S6中，根据所传送的移动数据在手持设备上检查设定的安全距离是否是最佳的。几乎总是唯一一种情况不可接受，其中安全状态达到得太迟，因为人的健康取决于此。在这种情况下，安全距离太窄并且未被验证，使得该方法以新的安全距离在步骤S1中再次开始。当安全状态过早达到时，表明在步骤S1中可以调整的安全距离有进一步的优化空间。但验证在这里并没有任何问题，这在安全技术上不会令人担忧，并且可以承认为非最佳的设置。

该方法的先前描述基于直接在每个安全相关的紧急信号之后传输和评估移动数据。实际上，优选地，在不同的情况下反复生成安全相关的紧急信号，然后将它们成组传输和评估。

在步骤S7中，只要通过安全相关的紧急信号检测了足够的事件就结束该方法。这可以通过统计(诸如，根据寻求的标准化的安全级别的错误率)、通过固定的重复次数、或者通过达到的安全距离现在对于人和机器进行足够紧密的合作来说足够小或通过其它标准来预先确定。

Claims (11)

1.一种传感器模块(10)，所述传感器模块用于根据安全相关的紧急信号来确定待保护的机器(30)特别是机器人或车辆的移动，其中，所述传感器模块(10)能够随后且可拆卸地固定在所述机器(30)上并且具有用于检测描述所述移动的移动数据的至少一个传感器(14，16)，

其特征在于，

所述传感器模块(10)具有记录单元(22)和用于接收触发信号的第一触发接口(18)，所述触发信号包含所述紧急信号的时刻，所述记录单元存储和/或输出所述紧急信号的时刻和达到所述机器(30)的安全状态之间的时间段中的所述移动数据中的至少一些移动数据。

2.根据权利要求1所述的传感器模块(10)，其中，所述移动数据具有参数位置、速度、加速度中的至少一个，特别是分别具有时间戳的参数位置、速度、加速度中的至少一个。

3.根据权利要求1或2所述的传感器模块(10)，其中，所述传感器模块(10)具有加速度传感器(14)和/或旋转速率传感器(16)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器模块(10)，其中，所述传感器模块(10)是能量自给自足的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器模块(10)，其中，所述传感器模块(10)具有用于输出移动数据的无线输出接口(20)。

6.一种触发器模块(12)，所述触发器模块用于向待保护的机器(30)生成和/或接收安全相关的紧急信号，

其特征在于

用于输出触发信号的第二触发接口(24)，所述触发信号包含所述紧急信号的时刻。

7.根据权利要求6所述的触发器模块(12)，其中，所述紧急信号的时刻的时间戳被编码进所述触发信号中。

8.根据权利要求6或7所述的触发器模块(12)，其中，所述第二触发接口(24)被构造成红外接口。

9.一种用于根据安全相关的紧急信号来确定待保护的机器(30)特别是机器人或车辆的移动的装置(10，12)，其中，所述装置具有根据权利要求1至5中任一项所述的传感器模块(10)和根据权利要求6至8中任一项所述的触发器模块(12)。

10.一种用于根据安全相关的紧急信号来确定待保护的机器(30)特别是机器人或车辆的移动的方法，其中

-将传感器模块(10)特别是根据权利要求1至5中任一项所述的传感器模块(10)可拆卸地安装在所述机器上(30)，所述传感器模块具有用于检测描述所述机器(30)的移动的移动数据的至少一个传感器(14,16)，

-触发所述机器(30)的安全相关的紧急停止，

-将包含所述紧急信号的时刻的触发信号传送到所述传感器模块(10)，特别是通过根据权利要求6至8中任一项所述的触发器模块(12)来传送，以及

-存储或输出由所述触发信号指示的所述紧急信号的时刻和达到所述机器(30)的安全状态之间的所述传感器模块(10)的移动数据。

11.一种用于配置和/或验证至少一个安全传感器(32)的方法，所述至少一个安全传感器监测待保护的机器(30)，并且当低于机器(30)和检测到的不允许的对象之间的安全距离时将安全相关的紧急停止信号输出给所述机器(30)，其中，使用根据权利要求10所述的方法根据安全相关的紧急停止信号来确定所述机器(30)的移动，并根据所存储的或输出的移动数据来验证或调整所述安全距离。