CN109129461B

CN109129461B - 用于安全控制机器的装置

Info

Publication number: CN109129461B
Application number: CN201810609815.8A
Authority: CN
Inventors: 格奥尔格·普拉斯贝格; 拉尔夫·拉普; 马丁·韦斯特菲尔德
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: CN109129461A; DE102017113392B4; EP3418846B1; DE102017113392A1; EP3418846A1

Abstract

本发明涉及用于安全控制机器(2)的装置，其具有至少一个安全的对象传感器(3)和安全的控制和评估单元(7)，该至少一个安全的对象传感器用于检测对象(4)并同时监测平面(6)的多个区段(5)，该安全的控制和评估单元用于评估至少一个对象传感器(3)的信号并用于为机器(2)生成控制信号，其中，控制和评估单元(7)被构造用于为机器(2)计算至少一个轨迹(13)并选择所计算的轨迹(13)，所选择的轨迹避开在其中检测到对象(4)的区段(5)并选择在其中没有检测到对象(4)的区段(5)。

Description

用于安全控制机器的装置

技术领域

本发明涉及用于安全控制机器的装置，具有至少一个安全的对象传感器(sicheren Objektsensor)和安全的控制和评估单元(sicheren Steuer-undAuswerteeinheit)，该至少一个安全的对象传感器用于检测对象并同时监测平面的多个区段，该安全的控制和评估单元用于评估至少一个对象传感器的信号并用于为机器生成控制信号。

背景技术

这样的装置从EP 2 428 862 B1和DE 10 2005 049 159 A1中已知。

根据现有技术，对危险区域的防护例如通过大规模地封锁危险区域(例如，使用栅栏)来实现。通过这种方式，不再可能有机器和人之间的交互。如果例如为了清除干扰有必要进入区域，则将机器完全切断。

此外，还已知使用传感器(例如，使用激光扫描仪)来进行防护，该传感器监测机器的前方或周围的区域。如果在由该传感器监测的区域中识别到对象(可能是人)，则停止机器的移动。这里存在的问题是根据具体情况选择尽可能小的保护区域以实现适当的生产力。

因此，现有技术是根据不同保护区域之间的移动方向和移动速度进行切换。例如，在无人驾驶的运输车辆中就是在考虑到停车距离的情况下根据转向角度和行驶速度来进行。若是机器人，则根据具体的机器人位置来进行。不同保护区域的规划随着保护区域数量的增加而不利地变得非常繁冗，安全功能的验证也同样如此。此外，在任何情况下，识别的障碍物会导致机器停止并因此而导致不希望的操作中断。

发明内容

因此，本发明的任务在于，为机器提供应根据对象或人的位置进行操作的控制装置。该控制装置应该是安全的、简单的且可直观的，使得可以对控制装置进行验证。

根据本申请的技术方案，该任务通过用于安全控制机器的装置得以解决，该装置具有至少一个安全的对象传感器和安全的控制和评估单元，该至少一个安全的对象传感器用于检测对象并同时监测平面的多个区段，该安全的控制和评估单元用于评估至少一个对象传感器的信号并用于为机器生成控制信号，其中，该控制和评估单元被构造用于为机器计算至少一个轨迹并选择所计算的轨迹，所选择的轨迹避开在其中检测到对象的区段并选择在其中没有检测到对象的区段。

因此，本发明由监测平面的传感器组成。该平面被划分成多个较小的区段。对区段中的对象的检测生成区段特定的信号。针对每个区段生成至少一个自己的信号，以指示是否已检测到对象。在这种情况下，例如涉及每区段的是否检测到对象的二进制信息。为此，存在离散化的位置信息。通过这种方式，在处理成本最小的情况下提供高的灵活性。在这种情况下，将对区段中的对象的直接检测识别出来并且也将区段中的潜在检测识别出来，例如通过遮蔽传感器附近的光束或通过相邻区段中的对象来实现，使得例如将两个相邻区段中的唯一对象检测出来。

因此，传感器上级的控制和评估单元获得每个区段的信息，即该区段绝对是空的，即是安全的，还是其中有可能存在对象(例如人)并从而不是安全的。

基于这些关于区段的信息，控制和评估单元被构造用于在多个可能的轨迹中确定至少一个轨迹，即道路、路线或路径，该轨迹穿过空闲(即未被占用)的区段。由此，不会危及具有检测到的对象的区段中的对象。

安全的控制和评估单元例如从由驱动装置的连续的安全测量结果形成的模型中识别出机器在区段内的位置或轨迹。

通过将整体上待监测的平面划分成区段，一方面会产生非常灵活的功能，另一方面仍会产生更明确的功能，使得可以将在上级的控制和评估单元中的顺序清晰地编程并简化应用中的验证。

例如，将控制和评估单元与安全的对象传感器集成在共同的壳体中。

根据本发明，安全是指机器安全性方面的安全。例如，标准EN/IEC61496规定了对用于防护危险区域的安全传感器或安全非接触式保护装置(BWS)的要求。机器的安全性在标准EN13849中进行了规定。例如，通过用于故障检测和功能测试的控制和评估单元的双通道冗余结构或双通道多样性结构来确保障安全性。根据本发明的安全的对象传感器或距离传感器例如被构造成本质安全的(eigensicher)并且识别内部错误。例如，当发现错误时生成错误信号。此外，安全的对象传感器还可选地具有传感器测试。

在本发明的改进形式中，调整机器的速度和机器到其中检测到对象的区段的距离，使得对象的危险被排除，其中速度是安全速度且距离是安全距离。

如果对象是人，则通过这种方式来避免恼怒，因为机器例如在朝向人的路上会降低速度并且在人的前方执行回避移动。如果对象(例如，人或实物)与机器之间的交互是(例如，为了插入工件)所期望的或有意的交互，则机器尽可能靠近并在合适的位置停在被占用的区段上。

在本发明的改进方式中，安全的控制和评估单元是安全的安全控制装置。在这种情况下，可以涉及外部的安全控制装置，其经由导线与安全的对象传感器连接。安全控制装置涉及遵照机械指令(例如，遵照类别4(EN ISO 13849)、安全完整性等级SIL3(IEC 61508)或SILCL3(EN62061))的安全控制装置。

由此，形成了由安全控制装置和至少一个安全的对象传感器组成的模块化系统。在这种情况下，该安全控制装置可以根据功能要求或根据安全级别单独进行选择。

在本发明的改进方式中，安全的控制和评估单元和安全的对象传感器经由具有安全协议的现场总线连接。经由现场总线可以几乎同时传输大量数据。在这种情况下，关于每个区段的是被占用还是空闲的安全信息可以被传送到安全控制装置。带有安全协议的现场总线可以是已知的开放式现场总线或者也可以是专用的公司解决方案。

在本发明的改进方式中，区段可以被设置成正方形、矩形、梯形和/或三角形。具有这些形状的区段可以简单串接起来，以便模块化地形成几乎任何较大的平面。在这种情况下，区段也可选地具有相同的尺寸。但根据本发明，也明确地提出使用不同尺寸的区段。在这种情况下，可以根据区段的尺寸细致地覆盖任何平面，而不会不必要地增加区段的数量。例如，若要对矩形平面进行监测，则可以简单地使用正方形或矩形的区段。借助梯形或三角形的区段也可以覆盖尖的形状。例如，可以根据期望的应用，使用三角形或梯形的区段构成扇形平面。根据期望的平面，也可以组合具有不同面积的区段。在这种情况下，区段优选位于共同的面上。

在本发明的改进方式中，区段具有相同的形状。由此，进一步简化了评估，并且对于用户来说，应用被进一步简化，因为所有平面仅以相似的区段平面形成。

根据优选的实施方式，对象传感器是激光扫描仪。激光扫描仪发出光束，对该光束的光飞行时间进行评估，以检测到对象的距离。在这种情况下，优选地，光束经由光偏转单元依次在不同的方向上偏转，以覆盖监测区域。光偏转单元例如是旋转镜。

然而，激光扫描仪也可以是具有多个发送和接收对的激光扫描仪，该发送和接收对被静态固定布置，并且通过该激光扫描仪对平坦的区域进行监测。

此外，根据本发明也可以提供相机作为安全的对象传感器，特别是飞行时间相机(Time-of-flight Kamera)，该相机同样可以评估接收光的飞行时间，并由此计算出多个距离点。

作为飞行时间传感器元件，至少一个所谓的单光子雪崩二极管(其也被称为“single photon avalanche photodiode”，简称SPAD)可以用于相机和激光扫描仪。其它常见的名称是“硅光电倍增管”(SiPM)、“盖革模式雪崩光子二极管”或“单光子计数二极管”。单光子雪崩二极管在标准CMOS技术中是可实现的光敏探测器，该探测器类似于雪崩光电二极管将入射光子转换为电流脉冲。然而，与雪崩光电二极管不同，单光子雪崩二极管在击穿电压以上工作。因此，即使单个入射光子也会触发可检测为电流脉冲的雪崩效应。由于灵敏度高，即10⁶的放大系数，即使最低的接收功率也可以检测到单个光子。

光飞行时间传感器的使用，特别是结合脉冲激光器使用单光子雪崩二极管，提供准确度例如高达大约1毫米的距离信息。同时，简单的附加光学器件通过聚焦允许实现良好的空间选择性和与干涉光的分界。

可以通过相应的评估来实现不同的光飞行时间法以进行距离测量。

可以提供脉冲法。例如，提供一个或更多个时间-数字转换器(time-to-digital-converter)用于脉冲法，其中每个单光子事件都设置有时间戳。因此，在有效信号的情况下，多个时间戳以相关方式出现。以统计方式生成测量值。但背景光会生成随机分布的时间戳。

此外，可以使用CW法(连续波)或同义连续波法，其中使用了时间上连续调制的光信号。在这种方法中，通过选通信号将单光子事件分配在两个计数器中，并根据计数器读数的比计算相位。

此外，还可以评估单个光子二极管阵列的模拟信号。将这些模拟信号与阈值进行比较，采样或使用统计法进行评估。

在根据飞行时间法的评估中，除了距离值之外还可以例如通过时间戳的柱状图、通过计数速率或通过模拟评估时的电压幅度来生成幅度值。通过幅度值可实施合理性检查，特别是在安全技术的应用中实施。

在本发明的改进方式中，提供了至少两个对象传感器，特别是两个激光扫描仪，其分别从不同方向检测相同的区段。由此，从不同方向检测对象并避免干扰的阴影，从而可以将更多区段分类为空闲的。传感器的测量值例如在共同的坐标系进行整合或计算。在这种情况下，不同的对象传感器检测相同的平面和相同的区段。在此，将各个区段信息以逻辑“或”联系起来。也就是说，当至少一个传感器将区段报告成空闲时，则判定该区段为空闲的。结果，掌控所产生的阻碍(Okklusion)。

在本发明的改进方式中，机器是机器人。在此所提供的类型的机器人具有例如带有工具的多关节手臂，以执行例如装卸作业或执行总是以相同的方式重复的某些移动过程。这些装卸任务可以在与其它机器人、机器或者与人的交互中进行。在这种情况下，根据本发明提出，使用至少一个对象传感器来监测机器人的移动场，并将该移动场划分成各个区段。

在优选的可替代实施方式中，机器是车辆。在这种情况下，例如可以是自动无人驾驶的车辆，特别是无人驾驶的小型车辆，其例如在处理站之间运输材料。在这种情况下，对象传感器被布置在车辆的至少一个侧面上或至少一个角处，以便监测与车道平行或倾斜的平面。根据本发明，将该平面划分成被监测的区段。如果各个区段被对象占据，则车辆绕开该区段行驶。控制和评估单元承担为车辆选择轨迹或道路的任务，该轨迹或道路避开了被占用的区段，即绕开障碍物或对象或人行驶。为此，调整速度、车辆和例如人之间的距离，使得危险被进一步排除，以及避免惹怒人。只有在没有相应的轨迹可用或有意与人进行交互时，例如用于装载材料，才尽可能接近区段并因此停在人旁边。为了计算轨迹，控制和评估单元已知自己的相对位置，或者控制和评估单元连续获得来自驱动器装置的测量值，以便连续地创建位置模型。

在本发明的改进方式中，用于车辆的控制信号是转向信号或制动信号。

附图说明

下面根据实施例并参考附图对本发明的其它优点和特征进行说明。图中示出：

图1是具有至少一个安全的对象传感器的用于安全控制机器的装置；

图2和图3分别是具有激光扫描仪的车辆。

在下面的附图中，相同的部分设置有相同的参考标记。

具体实施方式

图1示出了用于安全控制机器2的装置1，该装置具有至少一个安全的对象传感器3和安全的控制和评估单元7，该至少一个安全的对象传感器用于检测对象4并同时监测平面6的多个区段5，该安全的控制和评估单元用于评估至少一个对象传感器3的信号并用于为机器2生成控制信号，其中，控制和评估单元7被构造用于为机器2计算至少一个轨迹13并选择所计算的轨迹13，所选择的轨迹避开在其中检测到对象4的区段5并选择在其中没有检测到对象4的区段5。

平面6被划分成多个较小的区段5。对区段5中对象4的检测生成区段特定的信号。为每个区段5生成至少一个自己的信号，以指示是否已检测到对象4。在这种情况下，将对区段5中的对象4的直接检测识别出来并且也将区段5中的潜在检测识别出来，例如通过遮蔽传感器3附近的光束或通过相邻区段5中的对象4来实现，使得例如将两个相邻区段5中的唯一对象4检测出来。

因此，传感器3上级的控制和评估单元7获得每个区段5的信息，即该区段5绝对是空的，即是安全的，还是其中有可能存在对象4(例如人)并从而不是安全的。

基于关于区段5的这些信息，控制和评估单元7被构造用于从多个可能的轨迹中确定至少一个轨迹13，即道路、路线或路径，该轨迹穿过空闲(即未被占用)的区段5。由此，不会危及具有检测到的对象4的区段5中的对象4。

安全的控制和评估单元7例如从由机器的驱动装置的连续的安全测量值形成的模型来识别机器2在区段5内的位置或轨迹13。

根据图1，控制和评估单元7与安全的对象传感器3集成在共同的壳体中。

根据图2，安全的控制和评估单元7和安全的对象传感器3经由具有安全协议的现场总线14连接。经由现场总线14可以几乎同时传输大量数据。在这种情况下，关于每个区段5的是被占用还是空闲的安全信息可以传送到安全控制装置8。

根据图1和图2，区段5被构造成矩形。

根据图3，区段5构造成梯形和三角形。

根据这些图形，区段5被串接起来，以便模块化地形成几乎任意较大的平面6。根据图2，区段5也具有相同的尺寸。根据图1和图3，区段5被设置成不同的尺寸。根据图1和图2，区段5具有相同的形状。

根据图2和图3，对象传感器3是激光扫描仪10。激光扫描仪10发出光束，从该光束的光飞行时间进行评估，以检测到对象4的距离。在这种情况下，优选地，光束通过光偏转单元依次在不同的方向上偏转，以覆盖监测区域。光偏转单元例如是旋转镜。

根据图1至图3，机器2是车辆11，特别是无人驾驶的自动车辆12，其例如在处理站之间运输材料。在这种情况下，对象传感器3被布置在侧面，以便监测与车道平行的或倾斜的平面6。根据这些附图，将平面6划分成被监测的区段5。如果各个区段5被对象4占据，则车辆11绕开该区段行驶。控制和评估单元7承担为车辆11选择轨迹13或道路的任务，该轨迹或道路避开了被占用的区段5，即绕开障碍物或对象4或人行驶。在这种情况下，这样调整车辆的速度、车辆11和例如人之间的距离，使得危险被进一步排除，以及避免刺激人。只有在没有相应的轨迹13可用或有意与人进行交互时，例如用于装载材料，才尽可能使车辆接近区段并从而停止在人旁边。为了计算轨迹13，控制和评估单元7已知自己的相对位置，或者控制和评估单元7连续获得来自驱动装置的测量值，以便连续地创建位置模型。

参考标记：

1 装置

2 机器

3 对象传感器

4 对象

5 区段

6 平面

7 控制和评估单元

8 安全控制装置

10 激光扫描仪

11 车辆

12 无人驾驶的自动车辆

13 轨迹

14 现场总线

Claims

1.一种用于安全控制机器(2)的装置，具有至少一个安全的对象传感器(3)和安全的控制和评估单元(7)，所述至少一个安全的对象传感器(3)用于检测对象(4)并同时监测平面(6)的多个区段(5)，所述安全的控制和评估单元(7)用于评估所述至少一个对象传感器(3)的信号并用于为所述机器(2)生成控制信号，

其中，

所述控制和评估单元(7)被构造用于为所述机器(2)计算至少一个轨迹(13)并选择所计算的轨迹(13)，所选择的轨迹避开了在其中检测到对象(4)的区段(5)并选择了在其中没有检测到对象(4)的区段(5)，

其特征在于：

所述对象传感器被配置为本质安全的，并且识别内部错误，所述控制和评估单元(7)具有双通道冗余或双通道多样性的设计，所述机器(2)的速度和所述机器(2)到其中检测到对象(4)的区段(5)的距离被调整，使得所述对象(4)的危险被排除，所述机器在朝向所述对象(4)的方向上降低速度，并且在所述对象之前执行回避移动；

其中，所述安全的控制和评估单元(7)和所述安全的对象传感器(3)经由具有安全协议的现场总线(14)连接。

2.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

所述安全的控制和评估单元(7)是安全的安全控制装置(8)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，

其特征在于，

所述区段(5)能够被设置成正方形、矩形、梯形和/或三角形。

4.根据权利要求1或2所述的装置，

其特征在于，

所述区段(5)具有相同的形状。

5.根据权利要求3所述的装置，

其特征在于，

所述区段(5)具有相同的形状。

6.根据权利要求1-2、5中任意一项所述的装置，

其特征在于，

所述对象传感器(3)是激光扫描仪(10)。

7.根据权利要求3所述的装置，

其特征在于，

所述对象传感器(3)是激光扫描仪(10)。

8.根据权利要求4所述的装置，

其特征在于，

所述对象传感器(3)是激光扫描仪(10)。

9.根据权利要求1-2、5、7-8中任意一项所述的装置，

其特征在于，

至少两个对象传感器(3)被设置，所述至少两个对象传感器分别从不同方向检测相同的区段(5)。

10.根据权利要求3所述的装置，

其特征在于，

11.根据权利要求4所述的装置，

其特征在于，

12.根据权利要求6所述的装置，

其特征在于，

13.根据权利要求1-2、5、7-8、10-12中任意一项所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是机器人。

14.根据权利要求3所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是机器人。

15.根据权利要求4所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是机器人。

16.根据权利要求6所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是机器人。

17.根据权利要求9所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是机器人。

18.根据权利要求1-2、5、7-8、10-12中任意一项所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是车辆(11)。

19.根据权利要求3所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是车辆(11)。

20.根据权利要求4所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是车辆(11)。

21.根据权利要求6所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是车辆(11)。

22.根据权利要求9所述的装置，

其特征在于，

所述机器(2)是车辆(11)。

23.根据权利要求18所述的装置，

其特征在于，

所述车辆(11)是无人驾驶的自动车辆(12)。

24.根据权利要求19-22中任意一项所述的装置，

其特征在于，

所述车辆(11)是无人驾驶的自动车辆(12)。

25.根据权利要求19-23中任意一项所述的装置，

其特征在于，

用于所述车辆(11)的所述控制信号是转向信号或制动信号。

26.根据权利要求24所述的装置，

其特征在于，

用于所述车辆(11)的所述控制信号是转向信号或制动信号。