CN109129578A - 安全系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种用于工业环境(10)的安全系统(100)，该工业环境包括机器人机器，其中，该机器人机器的至少一个移动头(12)在该工业环境(10)的第一区域(1)和第二区域(2)内是可移动的，该安全系统(100)包括：‑光幕(110)，该光幕在第一竖直支撑件(112)与第二竖直支撑件(114)之间延伸以覆盖第一区域(1)和第二区域(2)两者；‑头部位置传感器(130)，该头部位置传感器适于在第一区域(1)和第二区域(2)内检测移动头(12)的位置；‑安全控制单元(140)；其中，光幕(110)包括分别位于第一竖直支撑件和第二竖直支撑件(112、114)上的第一对的两个TOF传感器(F1、F3)，安全控制单元(140)适于处理从TOF传感器(F1、F3)和头部位置传感器(130)接收的输出信号，以便选择性地且动态地保护第一区域(1)和第二区域(2)。

Description

安全系统
技术领域
本发明涉及安全系统和安全系统的光幕。
特别是，本发明涉及用于诸如工业机器(例如，木材工作机器)的安全装置的领域。
背景技术
如US 6166371所公开的，结合了类似机器人的移动的工业机器在当要求人类在移动的机器附近工作时存在安全担忧。假如在机器附近工作的人变得粗心并且与移动的机器直接接触，则可能发生严重的事故，导致人员生命或者肢体的损失。为了降低这种损伤的风险，许多机器利用安全装置，这些安全装置阻止人类与移动的机器进行接触。
US 6166371披露了一种光幕安全系统，其包括多个发光器(LED)和多个光检测器，所有这些光检测器均定位在单个板上。板包括多个线性布置的井，每个井具有顶部和底部。光发射器和光检测器交替地放置在井的底部中。光发射器定位在交替井的底部部分内，使得光朝向交替井的顶部部分发射并且发射到交替井的顶部部分之外。从井发射的光形成从板向上延伸的“光幕”。检测器定位在不包含光发射器的交替井的底部部分中。检测器定位在井内，以接收和检测从井顶部部分进入每个交替井，并且传播至井的底部部分的光。检测器通常不会接收来自光发射器的光，因为它们与不同井内的光发射器隔离。然而，如果物体与光幕接触，则来自光发射器的光被反射回电路板，并且反射光接触检测器中的至少一个。检测器中的一个检测到光线，发信号通知光幕的破坏。光幕安全系统能够关于一个机器人机器限定多个工作区，并且选择性地允许进入某些工作区，并且在机器人机器的正常操作期间在不同时间防止进入这些工作区。
EP 2253417披露了一种安全系统，该安全系统包括第一传感器，该第一传感器是可移动的并且位于一个移动式机器上，以便检测物体和人员侵入到围绕该移动式机器限定的可移动加工区域A之中。该第一传感器可以是光学安全激光扫描仪。该安全系统还包括第二传感器，该第二传感器适于用于检测邻近于加工区域A的装载区域B中的人员。该第二传感器可以包括由静止的发射器和可移动的接收器形成的挡光板。
申请人观察到US 6166371披露的解决方案具有若干缺点。首先，为了覆盖多个区，需要使用多个光幕来在机器的工作空间内限定各种区。其次，它披露了一种双井，该双井能够确定板作为整体错误地还是正确地发光(由于板中的一个或更多个烧毁的LED)。然而，它不允许单独检查LED的操作并且识别每个LED的功率等级的任何变化(例如，减小)。第三，当LED和接收器水平地定位在地板上时，它们可以容易地变脏和/或损坏。此外，由于LED的使用，光幕的高度固有地受到远场或近场中的死区的影响。此外，LED的束光斑尺寸随着移动远离LED本身而增大。这产生了一个问题，因为远离LED移动，所发射的光束之间的距离减小，从而使得光幕的分辨率改变。这违反国际安全标准(例如，IEC 61508和IEC 62061)的推荐，该国际安全标准定义了在两个光束之间待检测的物体的最小尺寸，并且定义了这样的尺寸应当针对由光幕覆盖的所有区域是恒定的。
申请人进一步观察到EP 2253417所披露的解决方案的缺点，因为需要两个可移动的传感器，制造和维护起来相当复杂。此外，由光学安全激光扫描仪制成的第一传感器是相当昂贵的。此外，通过扫描连续区域，激光扫描仪具有非常精细的分辨率，其也能够检测到木材粗纱、碎片和灰尘颗粒，这可能导致误报。
因此，申请人面临为工业机器提供改进的安全系统的技术问题。
发明内容
在第一方面，本发明因此涉及一种用于工业环境的安全系统，该工业环境包括一个机器人机器，其中，该机器人机器的至少一个移动头在该工业环境的第一区域和第二区域内是可移动的，该安全系统包括：
-一个光幕，该光幕在第一竖直支撑件与第二竖直支撑件之间延伸以覆盖该第一区域和该第二区域两者；
-一个头部位置传感器，该头部位置传感器适于检测该移动头在该第一区域和该第二区域内的位置；
-安全控制单元；
其特征在于，所述光幕包括分别位于所述第一竖直支撑件和所述第二竖直支撑件上的第一对的两个TOF传感器，安全控制单元适于处理从所述TOF传感器和所述头部位置传感器接收的输出信号，以便选择性地和动态地保护所述第一区域和所述第二区域。
在第二方面，本发明涉及一种用于选择性地且动态地保护工业环境的第一区域和第二区域的安全系统的光幕，其中，机器人机器的至少移动头在第一区域和第二区域内是可移动的，光幕包括：
-第一竖直支撑件和第二竖直支撑件；
-第一对的两个TOF传感器，分别定位在该第一和第二竖直支撑件上并且分别适于提供输出信号，该输出信号指示在距相应TOF传感器的第一距离范围和第二距离范围处发生的光幕的破坏。
在本说明书和权利要求书中，表述“水平”和“竖直”是参照工业环境中的地板(该地板大体上是水平的)来使用的。此外，表述“水平”和“竖直”是参考安全系统及其部件的几何元件和结构元件来使用的，因为它们在使用时定向在安全系统的正常工作位置中，例如光幕的支撑件相对于地板竖直地定位。
本发明在前述方面中的至少一个方面中可以具有以下优选特征中的至少一个。
在优选实施例中，光幕包括分别位于光幕的第一和第二竖直支撑件上的第二对的两个TOF传感器。有利地，这个优选实施例能够保证传感器的冗余，如上述国际安全标准所要求的。
由TOF传感器发射的光束被适当地空间分离。例如，第一对的两个TOF传感器在第一竖直支撑件和第二竖直支撑件上的不同高度处(自工业环境的地板)彼此面对。例如，第二对的两个TOF传感器在第一和第二竖直支撑件上的不同高度处(自工业环境的地板)彼此面对。例如，第二对的两个TOF传感器被定位在第一对的相应TOF传感器上方或下方的光幕的第一和第二竖直支撑件上。由于单独或组合上述特征，由TOF传感器发射的光束处于不同高度，使得光幕在不同高度保护第一区域和第二区域。
优选地，TOF传感器在相应的竖直支撑件上间隔开，使得由TOF传感器发射的相邻光束之间的竖直距离满足国际安全标准(例如，IEC 61508和IEC 62061)的要求。特别地，对于主体分辨率，所述竖直距离大约为500mm，当使用最小的到地的距离250mm时，所述竖直距离优选为300mm。有利地，这使得在一方面上，能够检测由人体造成的光束破坏(如所述安全标准所要求的)，并且在另一方面上，能够避免较小的物体(诸如可能导致误报的木材粗纱、碎屑和灰尘颗粒)破坏光束。
优选地，第一竖直支撑件上的每个TOF传感器适于提供指示光幕的破坏的输出信号，该光幕的破坏发生在距离TOF传感器的第一距离范围内。
优选地，第二竖直支撑件上的每个TOF传感器适于提供指示光幕的破坏的输出信号，该光幕的破坏发生在距离TOF传感器的第二距离范围内。
优选地，每个TOF传感器适于根据光幕的破坏发生在相应的第一/第二距离范围内或其外部的事实来提供不同的输出信号。
在实施例中，第一竖直支撑件上的每个TOF传感器经配置以当在第一距离范围内检测到光幕的破坏时提供第一(例如，高或低)数字输出，和当在第一距离范围外检测到光幕的破坏时提供第二(例如，低或高)数字输出。
在实施例中，第二竖直支撑件上的每个TOF传感器经配置以当在第二距离范围内检测到光幕的破坏时提供第一(例如，高或低)数字输出，和当在第二距离范围外检测到光幕的破坏时提供第二(例如，低或高)数字输出。
优选地，第一距离范围在第一竖直支撑件处开始。优选地，第二距离范围在第二竖直支撑件处开始。
优选地，第一距离范围覆盖第一区域的长度，并且第二距离范围覆盖第二区域的长度。适当地，沿平行于由TOF传感器发射的光束的水平方向计算第一区域的范围和第二区域的长度。
在优选实施例中，所述第一距离范围对应于第一区域的长度加上基本上对应于移动头的长度(沿着所述水平方向)的长度，由此所述第一距离范围包括与第一区域连续的第二区域的长度。优选地，第二距离范围对应于第二区域的长度加上基本上对应于移动头的长度(沿着所述水平方向)的长度，由此第二距离范围包括与第二区域连续的第一区域的长度。如以下更详细解释的，有利地，该实施例能够在移动头从第一区域行进到第二区域时正确地保护第一区域和第二区域，反之亦然。
适当地，该第一区域和该第二区域是有区别的(两个不同区域)。优选地，第一区域在第二区域附近。更优选地，第一区域接界第二区域(即，第一区域和第二区域是连续的)。
适当地，光幕的第一和第二竖直支撑件适于间隔开预定长度L。适当地，在由TOF传感器发射的水平光束形成的竖直平面中沿着水平方向截取预定长度L。长度L适当地预先确定，以覆盖沿着所述水平方向的第一区域的长度和第二区域的长度。优选地，所述第一区域从所述第一竖直支撑件沿着所述水平方向延伸至与所述第一竖直支撑件相距L1的距离。优选地，该第二区域从该第二竖直支撑件沿着所述水平方向延伸到与该第二竖直支撑件相距L2的距离。距离L1可以等于L2并且等于L/2。
优选地，安全控制单元适于根据从TOF传感器和头部位置传感器接收的输出信号，选择性地和动态地保护第一区域和第二区域。
在优选实施例中，安全控制单元适于根据从TOF传感器和头部位置传感器接收的输出信号，通过激活工业环境中的安全措施来选择性地和动态地保护第一区域和第二区域。例如，该安全措施可以是生成警报(例如，音频警报和/或视觉警报)和/或移动头停止、和/或任何其他合适且有用的警报。
优选地，安全控制单元适于当从第一竖直支撑件上的TOF传感器接收的输出信号中的至少一个指示在第一距离范围内的光幕的破坏，并且从头部位置传感器接收的输出信号指示移动头在第一区域内的存在时，保护第一区域。
优选地，安全控制单元适于当从第二竖直支撑件上的TOF传感器接收的输出信号中的至少一个指示在第二距离范围内的光幕的破坏，并且从头部位置传感器接收的输出信号指示移动头在第二区域内的存在时，保护第二区域。
当第一区域和第二区域不被保护时，安全控制单元适于使第一区域和第二区域在正常工作条件下自由操作(不产生任何安全措施)。
优选地，安全控制单元经配置以在以下情况下，激活工业环境中的安全措施，当：
-从第一竖直支撑件上的TOF传感器接收的输出信号中的至少一个输出信号指示在第一距离范围内的光幕的破坏，并且从头部位置传感器接收的输出信号指示移动头在第一区域内的存在；和/或
-从第二竖直支撑件上的TOF传感器接收的输出信号中的至少一个输出信号指示在第二距离范围内的光幕的破坏，并且从头部位置传感器接收的输出信号指示移动头在第二区域内的存在。
优选地，安全控制单元经配置以在以下情况下在工作状态中使工业环境自由，当：
-从头部位置传感器接收到的输出信号指示移动头在第一区域内的存在，并且独立于从第二竖直支撑件上的TOF传感器接收到的输出信号，从第一竖直支撑件上的TOF传感器接收到的输出信号中没有一个指示在第一距离范围内的光幕的破坏；或当
-从头部位置传感器接收到的输出信号指示移动头在第二区域内的存在，并且独立于从第一竖直支撑件上的TOF传感器接收到的输出信号，从第二竖直支撑件上的TOF传感器接收到的输出信号中没有一个指示在第二距离范围内的光幕的破坏。
优选地，每个TOF传感器包括光发射器和光电检测器。
优选地，由TOF传感器的发射器发射的光束彼此平行。
优选地，每个光发射器适于发射具有大体上水平的光束的光脉冲。适当地，由TOF传感器的发射器发射的水平光束位于限定光幕的竖直平面中。
优选地，每个光电检测器适于接收由相应的发射器发射并反射回光电检测器的光脉冲。对于每个TOF传感器，经由破坏光幕的物体或通过与TOF传感器相对的竖直支撑件，光脉冲被反射回到光电检测器。
优选地，每个TOF传感器包括适当光学器件，其适于准直由相应发射器发射的光束。
优选地，每个TOF传感器包括电路，其适于测量由光发射器发射并反射回到光电检测器的光脉冲的飞行时间。飞行时间可以被测量为光脉冲由光发射器发射并返回到光电检测器所花费的时间，或者通过用RF载波调制发射的光脉冲，然后在反射回到光电检测器的光脉冲上测量该载波的相移。
优选地，光发射器包括激光源。激光源优选地适于发射红外或近红外光的光脉冲。
在优选实施例中，安全控制单元适于周期性地执行完整性测试，其用于评估由每个TOF传感器执行的检测的完整性。这是有利的，因为其使得能够单独地识别每个单个TOF传感器的任何故障，包括功率水平下降。此外，其使得能够保证TOF传感器的完整性，而不需要TOF传感器的冗余。
优选地，安全系统包括至少一个反射目标。优选地，为了执行所述完整性测试，安全控制单元适于周期性地比较TOF传感器进行的实际检测与关于至少一个反射目标进行的参考检测。优选地，安全控制单元适于在实际检测不同于参考检测时发信号通知故障。
更优选地，安全系统包括用于测试第一竖直支撑件上的一个或更多个TOF传感器的第一反射目标，和用于测试第二竖直支撑件上的一个或更多个TOF传感器的第二反射目标。在这种情况下，为了执行所述完整性测试，安全控制单元优选地适于周期性地比较由TOF传感器进行的实际检测与关于对应的第一/第二反射目标进行的参考检测。优选地，第一反射目标在第一竖直支撑件处，并且该第二反射目标在第二竖直支撑件处。优选地，第一反射目标由第一竖直支撑件的至少一部分构成，并且第二反射目标由第二竖直支撑件的至少一部分构成。
附图说明
本发明的进一步的特征和优点将从以下本发明示例性实施例的详细描述中变得清楚，本发明的示例性实施例被提供为非限制性的示例，所述描述是参照附图进行的，在附图中：
-图1示意性地示出了工业环境的俯视图，该工业环境包括在第一区域和第二区域内可移动的移动头；
-图2-图4示意性地示出了图1的工业环境在三种不同情况下的三个侧视图；
-图5示意性地示出了根据本发明的一个实施例的安全系统的光幕的侧视图；
-图6示意性地示出了根据本发明的第一实施例的图5的光幕的TOF传感器的输出信号；
-图7示意性地示出了根据本发明的一个实施例的安全系统的安全控制单元；
-图8示意性地示出了根据本发明的另一个实施例的安全系统的安全控制单元；
-图9示意性地示出了根据本发明的第二实施例的图5的光幕的TOF传感器的输出信号。
具体实施方式
图1示出了包括具有移动头12的机器人机器(未示出)的工业环境10。
工业环境10可以是加工工厂的工作站，例如像木材加工工厂，并且机器人机器可以是，例如，木材工作机。
移动头12固定地联接到机器人机器上(即，它与机器人机器一起成为单个件，或者它是连接到机器人机器上，使得它们像单个件一样移动，但它是与机器人机器区别的件)。可替代地，移动头12可以可移动地联接到机器人机器上(即，它被连接到机器人机器上，使得它可以相对于机器人机器移动，该机器人机器是静止的)。
仅通过示例的方式，图1-图4示出了移动头12，其固定地联接到机器人机器上(与移动头12一起移动)。此外，仅通过示例的方式，图1-图4示意性地示出了固定地联接到在轮子上移动的机器人机器上的移动头12。然而，其他布置在本发明的范围内，例如，以适当地联接到机器人机器上的铰接臂的形式的移动头。
例如，移动头12可根据一个或更多个加工轴线移动。在附图中示出的示例中，移动头12可根据加工轴线X移动。
移动头12能够以已知的方式配置，以执行一个或更多个任务，例如切割、铣削、钻孔等。
移动头12可以在工业环境10内的第一区域1与第二区域2之间移动。在附图中所示的实施例中，通过沿着加工轴线X移动，移动头12可以从第一区域1行进到第二区域2，并且反之亦然。在所示的实施例中，第一区域1接界第二区域2。换言之，第一区域1和第二区域2是连续的并且共享平行于平面Y-Z的分区平面15(见附图中所示的参考轴X、Y、Z)。
第一区域1和第二区域2动态地表示不同区域，，特别是工业环境10的工作区域和装载区域，其中分别地，工件由移动头12加工，并且工件由操作者20装载。在附图中示出的示例中，工件被装载在工业环境10的工作台14(其是静止的)上。取决于移动头12的位置，第一区域1和第二区域2动态地表示工作区域和装载区域。
在图1所示的实施例中，第一区域1和第二区域2整体上由物理屏障11在三个侧面上物理地保护，该物理屏障11，诸如密封墙壁、墙板、掩蔽墙壁(或类似物)，留下开口侧13以使得能够进入工业环境10。在附图中所示的实施例中，自由开口侧13位于垂直于工业环境10的地板(其平行于平面X-Y)的竖直平面X-Z中。
自由开口侧13由根据本发明的安全系统100保护，该安全系统100能够选择性地且动态地使第一区域1和第二区域2受保护或自由。
实际上，需要保护工作区域(其表示在其中移动头12正在加工工件的区域)，以避免可能导致操作者20损伤的任何事故。另一方面，装载区域(其表示在其中操作者20装载工件的区域)需要是可以自由进入的。
根据本发明的动态安全系统100根据移动头12的位置选择性地且动态地使第一区域1和第二区域2受保护或自由。
动态安全系统100适于通过每当物体(例如，操作者本身20或单独操作者20的臂)试图进入工作区域(由第一区域1或第二区域2动态地表示)时，激活安全措施来保护工业环境10。
例如，该安全措施可以是生成警报(例如，音频警报和/或视觉警报)和/或移动头12的停止、和/或任何其他合适且有用的警报。
图2示意性地示出了一种情况，其中，移动头12在第一区域1中加工工件，使得：第一区域1表示工作区域，第二区域2表示装载区域，并且第一区域1应当被保护，而第二区域2自由。在这种情况下，安全系统100适于在物体试图进入第一区域1的任何时候激活安全措施。
图3示意性地示出了移动头12从第一区域1行进到第二区域2的情况。如参见图9更详细地解释的，在这种情况下，安全系统100适于激活安全措施：只要移动头12在第一区域1中并且物体尝试进入第一区域1，或者当移动头12到达第二区域2并且物体尝试进入第二区域2或者第一区域的一部分，在该第一区域的一部分中仍然存在移动头12的一部分(当移动头12越过分区平面15时，其部分地放置在第一区域1中并且部分地放置在第二区域2中)。
图4示意性地示出了一种情况，其中，移动头12在第二区域2中加工工件，使得：第二区域2表示工作区域，第一区域1表示装载区域，并且第二区域2应当被保护，而第一区域1自由。在这种情况下，安全系统100适于在物体试图进入第二区域2的任何时候激活安全措施。
如图7中示意性地示出，安全系统100包括光幕110、头部位置传感器130和安全控制单元140。
如图1和图5-图6中示意性地示出，光幕110位于自由开口侧13的竖直平面X-Z中或者位于与其平行的平面中。
光幕110在第一竖直支撑件112和第二竖直支撑件114之间延伸。第一竖直支撑件112和第二竖直支撑件114位于平行于Z轴(并且垂直于地板)的竖直方向上。
在附图中所示的实施例中，第一和第二竖直支撑件112、114示例性地呈两个竖直杆的形状。
在附图中所示的实施例中，第一和第二竖直支撑件112、114沿着平行于加工轴线X的水平方向间隔开长度L。长度L适当地预先确定，以沿着水平方向覆盖第一区域1的长度和第二区域2的长度。第一区域1，从第一竖直支撑件112开始，朝向第二竖直支撑件114，沿着水平方向延伸第一长度L1。第二区域2，从第二竖直支撑件114开始，朝向第一竖直支撑件112，沿着水平方向延伸第二长度L2。在所示的实施例中，L1＝L2＝L/2。
然而，本发明还包括其中L1和L2不等于L/2的情况和/或其中L1和L2不彼此相等的情况和/或其中第一区域1和/或第二区域2分别与第一竖直支撑件112和第二竖直支撑件114间隔开的情况。此外，本发明还包括第一区域1和第二区域2相邻但不连续(即，它们之间存在空间)的情况。
如以下更详细地解释的，因为其避免或最小化任何遮蔽问题，附图中示出的实施例是有利的，其中第一区域1和第二区域2从相应的竖直支撑件112、114开始(即，不与相应的竖直支撑件112、114间隔开)，并且其中第一区域1和第二区域2是连续的。
如图5-图6中示意性地示出，光幕110包括第一对TOF传感器F1、F3以及第二对TOF传感器F2、F4。TOF传感器F1和F2被定位在第一竖直支撑件112上。TOF传感器F3和F4被定位在第二竖直支撑件114上。TOF传感器F1和F2面向TOF传感器F3和F4。
TOF传感器F1、F2、F3、F4在距离地板的预定高度处(其预定义高度彼此不同)被定位在相关联的竖直支撑件112、114上。
在图5所示的实施例中，TOF传感器F1、F3、F2、F4分别在距离地板的减小的高度处被定位在相关联的竖直支撑件112、114上。
在图5所示的实施例中，TOF传感器F1、F3、F2、F4在竖直方向上相等地间隔开。在图5所示的实施例中，TOF传感器F1、F3、F2、F4在竖直方向上以约500mm的距离平均地间隔开，其中最低TOF传感器(例如F4)距离地板的最小距离高于250mm，优选地至少300mm。
TOF传感器F1、F2、F3、F4的每一个包括激光源(未示出)和光电二极管(未示出)，该激光源适于发射红外或近红外光的光脉冲，该光电二极管(未示出)适于接收由对应的激光源发射并反射回到该光电二极管的光脉冲。例如，TOF传感器F1、F2、F3、F4是得利捷有限公司(Datalogic S.r.l.)的TOF传感器S85，其具有日本滨松光子学株式会社(Hamamatsu)的雪崩光电二极管S2382和日本滨松光子学株式会社(Hamamatsu)的激光二极管红色200mWLM6277。
如图5中示意性地示出，每个TOF传感器F1、F2、F3、F4适于发射光脉冲，其中光束115大体上彼此平行并且平行于光幕110的平面中的X轴。光束115形成光幕110的挡光板。
第一竖直支撑件112上的TOF传感器F1、F2的每一个经配置以具有切换阈值，该切换阈值用于在距离TOF传感器F1、F2的第一预定距离范围处的高/低数字输出。在另一侧，TOF传感器F3、F4的每一个经配置以具有切换阈值，该切换阈值用于在距离TOF传感器F3、F4的第二预定距离范围处的高/低数字输出。
这意味着，当TOF传感器F1、F2、F3、F4的每一个在相应的第一/第二预定距离范围内检测到光幕110的破坏时，其具有高数字输出，而当其在相应的第一/第二预定距离范围之外检测到光幕110的破坏时，其具有低数字输出(或反之亦然)。
在附图中所示的示例中，针对TOF传感器F1、F2、F3、F4的每一个，从TOF传感器本身的位置开始计算第一/第二距离范围。换言之，对于TOF传感器F1、F2、F3、F4的每一个，第一距离/第二距离范围从相应竖直支撑件112、114开始。这个实施例是有利的，因为它避免或最小化任何遮蔽问题。
在替代性实施例(未示出)中，TOF传感器F1、F2、F3、F4的每一个可以经配置以具有阈值，该阈值用于在与TOF传感器本身间隔开的第一/第二预定距离范围处的高/低数字输出。然而，在竖直支撑件112或114与相应的第一/第二预定距离范围的开始点之间存在物体的情况下，该实施例可能出现遮蔽问题。
在图6所示的实施例中，第一距离范围对应于第一区域1的长度L1，并且第二距离范围对应于第二区域2的长度L2。此外，所述第一和第二预定距离范围彼此相等(L1＝L2＝L/2)。
具体地，在图6所示的实施例中，第一竖直支撑件112上的TOF传感器F1、F2的每一个经配置以当在第一区域1内检测到光幕110的破坏(即，对应光束115的破坏)时，提供第一(例如，高)数字输出，并且当在第二区域2内检测到光幕的破坏时，提供第二(例如，低)数字输出，所述光幕的破坏包括由于第二竖直支撑件114导致的光幕110的破坏。此外，第二竖直支撑件114上的TOF传感器F3、F4的每一个经配置以当在第二区域2内检测到光幕110的破坏时，提供第一(例如，高)数字输出，以及当在第一区域1内检测到光幕110的破坏时，提供第二(例如，低)数字输出，所述光幕的破坏包括由于第一竖直支撑件112导致的光幕110的破坏。TOF传感器F1、F2、F3、F4的高数字输出在图6中以在对应光束115上方的实线示意性地示出，而低数字输出以与对应光束115在相同水平上的实线示意性地示出。应注意，当没有发生由与光幕110无关的物体造成的光幕110的破坏时，来自TOF传感器F1、F2的光束115没有阻碍地最终碰撞对面的第一竖直支撑件112，而来自TOF传感器F3、F4的光束115没有阻碍地最终碰撞对面的第二竖直支撑件114。
头部位置传感器130适于检测移动头12在第一区域1和第二区域2内的位置。
在所示的实施例中，头部位置传感器130定位在可移动头部12上。替代地或另外地，头部位置传感器130可以包括一个或更多个位置传感器(未示出)，其沿着移动头12移动的路径定位。
如图7中示意性地示出，安全控制单元140适于从TOF传感器F1、F2、F3和F4以及从头部位置传感器130接收输出信号并且处理它们以便选择性地和动态地使第一区域和第二区域受保护。具体地，安全控制单元140适于在工作区域(由第一区域1或第二区域2动态地表示)处的光幕110被物体破坏的任何时候激活安全措施。
该处理由诸如PLC(可编程逻辑控制器)的处理器142执行。
优选地，安全控制单元140包括OSSD(输出信号切换装置)装置145，该OSSD装置适于根据上述国际安全标准输出冗余安全OSSD数字信号。优选地，在工作状态下，OSSD数字信号适于均采用第一“安全”值(例如，高)，该第一“安全”值适于激活工业环境10中的安全措施，或者均采取第二“自由”值(例如，低)，该第二“自由”值适于使工业环境10自由。如上所述，安全措施可以是例如生成警报(例如，音频警报和/或视觉警报)和/或移动头12的停止。如图7所示，根据上述国际安全标准，安全控制单元140适当地包括放置在处理器142和OSSD装置145之间的诊断块144，诊断块适于检查两个OSSD数字信号的完整性。例如，诊断块144适于将测试脉冲发送至OSSD装置145，并且检查该测试脉冲在OSSD装置145的两个输出处被适当地输出。
优选地，安全控制单元140经配置以输出第一安全值，以便在以下情况下激活工业环境10中的安全措施，当：
-从第一竖直支撑件112上的TOF传感器F1、F2接收的输出信号中的至少一个输出信号指示在第一距离范围内的光幕110的破坏，并且从头部位置传感器130接收的输出信号指示移动头12在第一区域1内的存在；和/或
-从第二竖直支撑件114上的TOF F3、F4传感器接收的输出信号中的至少一个输出信号指示在第二距离范围内的光幕110的破坏，并且从头部位置传感器接130收的输出信号指示移动头12在第二区域2内的存在。
优选地，安全控制单元140经配置以在以下情况下输出第二自由值，以使得在工作状态中工业环境10自由，当：
-从头部位置传感器130接收到的输出信号指示移动头12在第一区域1内的存在，并且独立于从TOF传感器F3、F4接收到的输出信号，从第一竖直支撑件112上的TOF传感器F1、F2接收到的输出信号中没有一个指示在第一距离范围内的光幕110的破坏；或当
-从头部位置传感器130接收到的输出信号指示移动头12在第二区域2内的存在，并且独立于从TOF传感器F1、F2接收到的输出信号，从第二竖直支撑件上114的TOF传感器F3、F4接收到的输出信号中没有一个指示在第二距离范围内的光幕110的破坏。
由安全控制单元140输出的OSSD数字信号所采取的值(例如，安全值＝1和自由值＝0)可以，例如，由以下公式总结：
OSSD＝(F1AND TPT)OR(F2AND TPT)OR(F3AND(NOT TPT))OR(F4AND(NOT TPT))
其中：
-F1、F2、F3、F4分别表示从TOF传感器F1、F2、F3、F4(例如，当在相应的第一/第二距离范围内检测到光幕110的破坏时，F1、F2、F3、F4＝1以及当在相应的第一/第二距离范围外检测到光幕110的破坏时，F1、F2、F3、F4＝0)接收的数字输出信号；
-TPT表示从头部位置传感器130接收的数字输出信号(例如，当移动头12在第一区域1内时，TPT＝1，并且当移动头12在第二区域2内时，TPT＝0)。
根据本发明的优选实施例，为了适当地应对移动头12从第一区域1行进至第二区域2的情形，当可移动头12的前缘进入第二区域2时，TPT适于切换高/低值(1→0)。另一方面，为了应对移动头12从第二区域2行进到第一区域1的情形，TPT适于在可移动头12的前缘进入第一区域1时，切换低/高值(0→1)。
此外，为了适当地应对移动头12从第一区域1行进到第二区域2并且反之亦然的情形，与图6中所示的不同，TOF传感器F1、F2的高/低数字输出切换阈值的第一距离范围优选地被延伸以对应于第一区域1的长度L1加上进一步的长度，该进一步的长度基本上对应于移动头12的长度Lm。类似地，TOF传感器F3、F4的高/低数字输出切换阈值的第二距离范围优选地被延伸以对应于第二区域2的长度L2加上进一步的长度，该进一步的长度基本上对应于移动头12的长度Lm。这在图9中示意性地示出，其中，第一竖直支撑件112上的TOF传感器F1、F2中的每一个经配置以当在预定距离内检测到光幕110的破坏时提供第一(例如，高)数字输出，其中所述预定距离等于L1+Lm(距TOF传感器F1、F2)，以及当在一定距离范围内检测到光幕的破坏时提供第二(例如，低)数字输出，该一定距离范围是从L1+Lm至L(距TOF传感器F1、F2)，该光幕的破坏包括由于第二竖直支撑件114导致的光幕110的破坏。此外，第二竖直支撑件114上的TOF传感器F3、F4中的每一个经配置以当在预定距离内检测到光幕110的破坏时提供第一(例如，高)数字输出，其中所述预定距离等于L2+Lm(距TOF传感器F3、F4)，以及当在一定距离范围内检测到光幕的破坏时提供第二(例如，低)数字输出，该一定距离范围是从L2+Lm至L(距TOF传感器F3、F4)，该光幕的破坏包括由于第一竖直支撑件112导致的光幕110的破坏。
由于图9的实施例，在这种情况下，安全措施也被激活，当：移动头12的前缘从第一区域1向第二区域2行进进入第二区域2，并且物体尝试进入第一区域1的一部分，其中在该第一区域的一部分中仍然存在移动头12的一部分(由于事实：当移动头12越过分区平面15时，其部分地放置在第一区域1中并且部分地放置在第二区域2中)。类似地，在这种情况下，安全措施也被激活，当：移动头12的前缘从第二区域2向第一区域1行进进入第一区域1，并且物体尝试进入第二区域2的一部分，其中在该第二区域的一部分中仍然存在移动头12的一部分(由于事实：当移动头12越过分区平面15时，其部分地放置在第一区域1中并且部分地放置在第二区域2中)。
在优选实施例中，安全控制单元140周期性地测试TOF传感器F1、F2、F3、F4中的每一个，以便通过与参考检测进行比较来评估由所述TOF传感器F1、F2、F3、F4做出的检测的完整性。优选地，参考检测可以通过相对的目标获得。具体地，可以在安全系统100的初始设置阶段获得参考检测并且将其存储在安全控制单元140的合适的存储器(未示出)上。为此目的，安全系统100优选地至少包括与TOF传感器F1、F2相对的第一目标(未示出)和与TOF传感器F3、F4相对的第二目标(未示出)。第一和第二目标可分别定位在第一竖直支撑件112和第二竖直支撑件114处，或结合在所述竖直支撑件112、114中。这些目标优选地由反射材料制成，该反射材料适于反射从TOF传感器F1、F2、F3、F4发射的光。例如，可以通过选择用于涂覆或制造竖直支撑件112、114的至少一部分的适当反射材料来获得这些目标。有利地，该实施例改进了安全系统100的安全性，因为它使得不仅可以检测TOF传感器F1、F2、F3、F4的任何可能的故障，而且可以检测，相对于参考检测所检测到的功率，由TOF传感器F1、F2、F3、F4发射的功率随时间的任何可能的变化。
在一个优选实施例中，为了保证根据上述国际安全标准的SIL(安全完整性等级)2，代替图7的诊断块144的是，安全控制单元140包括根据图8所示的架构的两个冗余处理器142、142'，其中处理器142、142’中的每一个从TOF传感器F1、F2、F3、F4(在图8中用“FX”示意性地指示)和头部位置传感器130接收输出信号，并且自主地和独立地处理所述信号以经由OSSD装置145分别输出两个OSSD信号。图8中的用语“TEST”示意性地表示由冗余处理器142、142'周期性地进行的上述测试，以便评估由所述TOF传感器F1、F2、F3、F4进行的检测的完整性。以此方式，不需要TOF传感器F1、F2、F3、F4的冗余。
应注意的是，即使已经披露了具有单个光幕110的安全系统100，安全系统100可以包括一个以上的光幕110以覆盖加工工厂的多个双区域(即，多个工作站，每个工作站包括第一区域和第二区域，该第一区域和第二区域动态地用作工作区域和装载区域)。多个光幕将具有与上述相同的功能和结构特征。此外，根据加工工厂内的多个双区域的位置，光幕可以位于相同的竖直平面或不同的竖直平面(垂直于地板)。
鉴于以上描述，将清楚的是，本发明能够提供一种具有改进的性能的安全系统。
使用TOF传感器，该TOF传感器适于测量破坏光幕的物体的距离，有利地能够动态地且选择性地使具有单个光幕的第一区域和第二区域受保护或自由。
特别地，相对的TOF传感器(F1、F2与F3、F4相对)的存在改善了安全系统的安全性，因为它能够避免或最小化遮蔽。实际上，在TOF传感器仅仅位于一侧(竖直支撑件)的情况下，当加载(允许)区域位于TOF传感器附近时，操作员可以通过进入这样的加载区域来破坏光幕，由此遮蔽位于TOF传感器远侧的工作区域并且阻碍在该工作区域中的光幕的破坏的任何检测。
两对TOF传感器对的使用保证了冗余。此外，其能够增加光幕沿竖直方向的高度。为了进一步增加光幕的高度，可以使用多于两对TOF传感器。
关于LED的使用，使用激光光源的TOF传感器的使用使得能够获得相当准直的(很少发散的)光束，使得光幕的光束之间的距离沿着水平方向在良好的距离范围(例如，0-12m)内保持相当恒定。实际上，与任何LED光斑的一定程度的发散(其使得LED不能用于所需距离范围(例如，0-12m))相反，具有10mm光斑直径的激光束具有1.3毫弧度(毫米度(millimeters of degree))的发散(即，远离每米为2.6mm)。这保证了光幕的分辨率在工作距离范围内保持基本上恒定。此外，独立于破坏光幕的物体的颜色(例如独立于操作员制服的颜色)，激光源能够保证更稳定的检测。
关于水平布置，TOF传感器的竖直布置使得安全系统更稳健，因为较少受到损伤和灰尘的影响。
关于光学安全激光扫描仪的使用，TOF传感器的使用使得能够降低成本。此外，使用TOF传感器可以定义光幕的合适分辨率，其允许将可能导致误报的木材粗纱、碎片和灰尘颗粒与感兴趣的物体(例如，人体的一部分，诸如臂)区分开。

Claims (15)

1.一种用于工业环境(10)的安全系统(100)，所述工业环境包括机器人机器，其中，所述机器人机器的至少一个移动头(12)在所述工业环境(10)的第一区域(1)和第二区域(2)内是可移动的，所述安全系统(100)包括：
-光幕(110)，所述光幕在第一竖直支撑件(112)与第二竖直支撑件(114)之间延伸以覆盖所述第一区域(1)和所述第二区域(2)两者；
-头部位置传感器(130)，所述头部位置传感器适于在所述第一区域(1)和所述第二区域(2)内检测所述移动头(12)的位置；
-安全控制单元(140)；
其特征在于，所述光幕(110)包括分别定位在所述第一和第二竖直支撑件(112、114)上的第一对的两个TOF传感器(F1、F3)，所述安全控制单元(140)适于处理从所述TOF传感器(F1、F3)和所述头部位置传感器(130)接收的输出信号，以便选择性地并且动态地保护所述第一区域(1)和所述第二区域(2)。
2.根据权利要求1所述的安全系统(100)，其中，所述光幕(110)包括分别位于所述光幕(110)的所述第一和第二竖直支撑件上的第二对的两个TOF传感器(F2、F4)。
3.根据权利要求1或2所述的安全系统(100)，其中，所述第一对的所述两个TOF传感器(F1、F3)在所述第一和第二竖直支撑件(112、114)上的不同高度处彼此面对，并且优选地，所述第二对的所述两个TOF传感器(F2、F4)在所述第一和第二竖直支撑件(112、114)上的不同高度处彼此面对。
4.根据前述权利要求中任一项所述的安全系统(100)，其中，所述第一竖直支撑件(112)上的每个TOF传感器(F1、F2)适于提供输出信号，所述输出信号指示在距离所述TOF传感器(F1、F2)的第一距离范围处发生所述光幕(110)的破坏。
5.根据前述权利要求中任一项所述的安全系统(100)，其中，所述第二竖直支撑件(114)上的每个TOF传感器(F3、F4)适于提供输出信号，所述输出信号指示在距离所述TOF传感器(F3、F4)的第二距离范围处发生所述光幕(110)的破坏。
6.根据权利要求5所述的安全系统(100)，其中，沿着平行于由所述TOF传感器(F1、F2、F3、F4)发射的光束的水平方向，所述第一距离范围对应于所述第一区域(1)的长度(L1)，并且所述第二距离范围对应于所述第二区域(2)的长度(L2)。
7.根据权利要求5或6所述的安全系统(100)，其中，沿着与由TOF传感器(F1、F2、F3、F4)发射的光束平行的水平方向：
-所述第一距离范围对应于所述第一区域(1)的所述长度(L1)加上进一步的长度，所述进一步的长度基本上对应于所述移动头(12)的长度(Lm)，由此所述第一距离范围包括与所述第一区域(1)连续的所述第二区域(2)的一定长度，并且
-所述第二距离范围对应于所述第二区域的所述长度(L2)加上进一步的长度，所述进一步的长度基本上对应于所述移动头(12)的长度(Lm)，由此所述第二距离范围包括与所述第二区域(2)连续的所述第一区域(1)的一定长度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的安全系统(100)，其中，所述安全控制单元(140)适于，通过根据从所述TOF传感器(F1、F2、F3、F4)和所述头部位置传感器(130)接收的所述输出信号来激活所述工业环境(10)中的安全措施，来选择性地并且动态地保护所述第一区域(1)和所述第二区域(2)。
9.根据权利要求8所述的安全系统(100)，其中，所述安全控制单元(140)经配置以在以下情况下激活所述工业环境(10)中的所述安全措施，当：
-从所述第一竖直支撑件(112)上的所述TOF传感器(F1、F2)接收的所述输出信号中的至少一个输出信号指示在所述第一距离范围内的所述光幕(110)的破坏，并且从所述头部位置传感器(130)接收的所述输出信号指示所述移动头(12)在所述第一区域(1)内的存在；和/或
-从所述第二竖直支撑件(114)上的所述TOF传感器(F3、F4)接收的所述输出信号中的至少一个输出信号指示在所述第二距离范围内的所述光幕(110)的破坏，并且从所述头部位置传感器(130)接收的所述输出信号指示所述移动头(12)在所述第二区域(2)内的存在。
10.根据前述权利要求中任一项所述的安全系统(100)，其中，所述安全控制单元(140)适于周期性地执行完整性测试，所述完整性测试用于评估由每个TOF传感器(F1、F2、F3、F4)执行的检测的完整性。
11.根据权利要求10所述的安全系统(100)，其中，所述安全系统(100)包括用于测试所述第一竖直支撑件(112)上的所述TOF传感器(F1、F2)的第一反射目标和用于测试所述第二竖直支撑件(114)上的所述TOF传感器(F3、F4)的第二反射目标。
12.根据权利要求11所述的安全系统(100)，其中，所述第一反射目标在所述第一竖直支撑件(112)处，并且所述第二反射目标在所述第二竖直支撑件(114)处。
13.根据权利要求11或12所述的安全系统(100)，其中为了执行所述完整性测试，所述安全控制单元(140)适于周期性地比较由所述TOF传感器(F1、F2、F3、F4)进行的实际检测与关于对应的反射目标进行的参考检测，所述对应的反射目标在所述第一反射目标与所述第二反射目标之间。
14.根据前述权利要求中任一项所述的安全系统(100)，其中，所述TOF传感器(F1、F2、F3、F4)包括适于发射水平光束的激光源，所述水平光束位于限定所述光幕(110)的竖直平面中。
15.一种用于选择性地并且动态地保护工业环境(10)的第一区域(1)和第二区域(2)的安全系统(100)的光幕(110)，其中，机器人机器的至少一个移动头(12)在所述第一区域(1)和所述第二区域(2)内是可移动的，所述光幕(110)包括：
-第一竖直支撑件(112)和第二竖直支撑件(114)；
-分别定位在所述第一和第二竖直支撑件(112、114)上的第一对的两个TOF传感器(F1、F3)，并且所述第一对的两个TOF传感器分别适于提供输出信号，所述输出信号指示在距离相应的所述TOF传感器(F1、F3)的第一距离范围和第二距离范围处发生所述光幕(110)的破坏。
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