CN110997226B - 生产环境中提供的用于帮助操作员的可编程装置 - Google Patents

Abstract

一种布置在生产环境中用以特别是在对由生产线（1）上的托盘（5）所运输的工件（P）执行的装配操作期间帮助操作员（O）执行由操作员（O）所实施的手动装配操作的可编程装置（D）。该装置（D）包括由操作员（O）可用的装配部件、用于照亮操作员（O）工作的工作区的照明装置（4）、配置成检测装配部件位置的传感器（6）、由操作员可用的输入装置（10）和配置成记住学习顺序的电子控制系统（8），该学习顺序包括手动装配操作的顺序。

Description

生产环境中提供的用于帮助操作员的可编程装置

技术领域

本发明涉及生产环境中提供的用于帮助操作员的可编程装置。特别地，本发明涉及设计成帮助操作员执行手工装配操作的可编程装置，例如对由生产线上的托盘所运输的工件（piece）实施的装配操作。

背景技术

在现代化生产线中，特别在汽车行业，零件或基本组件通过一系列装配站沿托盘运输线前进，其中在由为零件或组件的运输所提供的托盘承载的每个基本组件上依次装配另外的零件和组件。目前，一种正在使用的、为上述技术方案备选以传输零件或组件的技术方案是：为在生产环境内移动的多个自动导引交通工具（AGV）配置有装配在车上的车载工件。由操作员借助于自动装配系统手动执行装配操作。在该类型的生产环境中，生产必须最大化，从而确保操作员快速并且正确地执行装配操作。以最佳方式满足该要求不太容易，因为操作员必须执行的装配操作的顺序根据由托盘所运输的工件或组件而变化，该装配操作顺序进而根据生产请求而变化。

在生产环境提供的帮助操作员执行手动装配操作的系统的示例在文献US 2012/0062725 A1、US 9372278 B2和US 2013/325155 A1中描述。

发明目标

本发明的目标是提供上述类型的可编程装置，其特别有效地确保由操作员正确地实施装配操作并且使用起来是简单且直观的。

本发明的另外的目标是在出现需要改变操作顺序的情况下利用允许快速适应关于操作员必须执行的操作顺序的装置实现前述目标。

发明内容

鉴于实现这些目标，本发明涉及布置在生产环境中用于帮助操作员执行由所述操作员在所述生产环境中所执行的手动装配操作、特别是在对由生产线上的托盘所运输的工件执行的装配操作过程中用于帮助操作员的可编程装置，所述装置包括：

-由所述操作员可用的、对由所述托盘所运输的所述工件执行所述手动装配操作的装配部件，所述装配部件特别是工具或直接是操作员的手；

-由所述操作员可用的至少一个输入装置；

-至少一个照明装置，其具有至少一个光源，以用于照亮所述操作员工作的工作区，所述照明装置配置成向所述操作员指示对由所述托盘承载的所述工件实施的手动操作的正确顺序；

-至少一个传感器，其配置成检测所述装配部件参考所述工作区的空间坐标；以及

-电子控制系统，其可操作地连接到所述输入装置、连接到所述至少一个照明装置和连接到所述至少一个传感器，所述电子控制系统配置成记住包括所述手动装配操作的顺序的学习顺序，以便在由所述操作员（O）对包括所述操作顺序的工作循环的实时执行期间记录所述装配部件的位置，其中所述学习顺序包括下列步骤：

-所述电子控制系统向所述传感器提供持续观察所述工作区、所述操作员和所述装配部件的命令以便检测所述装配部件的空间坐标；

-所述电子控制系统接收由所述传感器检测到的所述装配部件的所述空间坐标并且向所述照明装置传递所述坐标；

-所述照明装置凭借所述光源在所述装配部件的空间坐标处将图形指令、特别是符号投射到所述工作区；

-所述电子控制系统在启动所述输入装置之后接收用于记录所述装配部件的位置的请求；

-所述操作员转到所述学习顺序的后续操作或启用所述输入装置来终止所述学习顺序。

由于上述特性，根据本发明的可编程装置关于生产要求是特别灵活的，因为无论操作员必须执行的操作顺序如何变化，都可能采用简单且直观的方式开始新的学习顺序。此外，该装置在其中装配操作由操作员的手实施的情况下和在其中操作员使用装配工具以用于装配组件的情况下都适合于实现预定目标。

根据本发明的装置的电子控制系统还配置成与操作员协作以根据所实施的学习顺序执行工作循环，其中：

-所述电子控制系统在所述装配部件所记录的位置处调整所述照明装置的光束；

-所述照明装置特别地凭借所述光源投射所述符号来照亮所述工作区；

-所述操作员将所述装配部件放置在由所述照明装置所指示的位置处并且启动输入以用于开始工作循环；

-所述电子控制系统要求所述传感器对所述装配部件定位；

-所述传感器计算所述装配部件的空间坐标；

-所述电子控制系统从所述传感器接收所述装配部件的空间坐标并且验证所述装配部件的位置与所述符号之间的对应性；

-所述操作员验证已出现的对应性结果，并且执行由所述符号所指示的装配操作。

在装配部件采用工具的形式的情况下，输入装置采用由操作员可手动操作用于请求记录工具的位置、用于终止学习顺序或用于开始工作循环的记录按钮的形式布置在工具上。

在手动操作直接由操作员的手执行并且装配部件因此不存在的情况下，前述输入装置可以采用布置在操作员腕部上的装置（例如，智能手表）或布置在操作员臂部上的装置（例如，智能电话或平板）的形式而产生。可以实现来产生输入装置的额外备选技术方案是提供语音识别装置（例如，不受环境噪音影响的喉部麦克风）。

在优选实施例中，所述传感器是布置成采用所述系统能够检测所述装配部件的空间中的位置这样的方式确定装配部件位置的惯性传感器的系统。

上述实施例的额外变体在下列描述以及随附权利要求中描述。

本发明的描述还针对用于在生产环境中实行的手动装配操作期间、特别是在对由生产线上的托盘所运输的工件执行装配操作期间帮助操作员的方法，其中所述操作员与具有在本描述的下列部分中详细描述的特性的可编程装置合作。

附图说明

本发明的另外的特性和优势将参考附图从下面的完全通过非限制性示例的方式提供的描述而变得显而易见，其中：

-图1是根据本发明的装置的优选实施例的示意图；

-图2是根据本发明的装置可以与之相关联的生产线的示例；

-图3图示用于运输对其执行装配操作的工件的托盘的示例；以及

-图4图示操作员利用其实施装配操作的装配工具的示例。

具体实施方式

在下列描述中，图示各种具体细节以旨在全面理解实施例。实施例可以在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下或利用其他方法、组件、材料等实现。在其他情况下，未详细示出或描述已知结构、材料或操作以避免混淆实施例的各种方面。这里使用的引用只是为了方便起见，并且因此并未限定保护领域或实施例的范围。

在图1的示意图中，引用D全部指示根据本发明的可编程装置的优选实施例，用以帮助操作员O在生产环境中执行手动装配操作。在图中图示的实施例中，本发明针对用于帮助操作员O的装置D，从而使所述操作员O能够对由沿生产线1移动的托盘5所运输的工件P执行装配操作。

参考图2，标号1全部指示生产线，根据本发明的装置D可以与所述生产线相关联。生产线1是连续运动类型并且包括互相串联布置的多个装配站2，其中为每个装配站2分配操作员O。线1包括邻近装配站2安装并且布置成允许沿线1运输多个托盘5的链式输送器装置3。每个托盘5布置成例如承载基本工件（例如气缸头），操作员O在所述基本工件上手动装配另外的组件。涉及如上文描述的连续运动生产线的所有细节是由相同申请人已经提出的欧洲专利申请的一部分。

当然，图2中所图示的并且在上文描述的生产线完全通过示例的方式提供，因为本发明还可适用于其他类型的生产环境，例如停&走线、单个生产单元或由多个AGV聚集的环境。

回到图2中所图示的示例，对前述装配站2中的每个分配操作员O，该操作员对由在他面前持续移动的托盘5所运输的工件进行工作。每个操作员O对经过他正在操纵（manning）的装配站2的所有托盘5进行工作。对于持续移动通过站的每个托盘5，操作员对由托盘5所运输的工件P执行多个装配操作，所述工件P靠线1的一侧移动以便跟随托盘5移动。如果正确地并且在预期时间内实施所有手动操作，则当托盘随着它的不断移动而离开前述装配站时，由托盘承载的组件包含被正确安装在站中的所有额外组件。

在根据本发明的装置D的具体实施例中，根据由相同申请人在专利申请EP15153558中所图示的那样产生托盘5，并且装置D与每个装配站2相关联。

根据本发明的重要特性，装置D布置成在其中操作员凭借装配工具执行操作的情况下和在其中操作员直接用他的手执行这些操作的情况下都帮助操作员O，从而使所述操作员O能够对工件P执行装配操作。

在下列描述中，现在将描述装置的不同元件。

在图1中所图示的实施例中，装置D在其中操作员凭借工具实施装配操作的情况下被示意地图示。根据该图，装置D包括由操作员O可用的、对由托盘5所运输的零件P实施手动装配操作的装配工具11。装配工具的具体实施例示例在图4中图示，其图示螺丝刀工具11。该螺丝刀完全通过示例的方式图示，因为在其中操作员使用工具以用于实施装配操作的情况下，它也可以采用其他形式（例如，扭矩扳手）实现。

回到图1，装置D进一步包括至少一个照明装置4，其具有至少一个光源以用于照亮其中操作员O工作的工作区。

如将在下文更详细解释的，照明装置4配置成向操作员O指示要对由托盘5所运输的工件P实施手动操作的正确顺序。

根据自身已知的技术，照明装置4可以是例如二维激光装置，其设计成生成点状激光束，利用该点状激光束插入光学衍射元件来投射图像，诸如例如带点、十字或条纹的图案（motif）。

为了克服二维激光装置的一些技术限制，照明装置4可以备选地采用三维激光扫描仪的形式产生（在该情况下也根据本身已知的技术）。在三维激光扫描仪的情况下，点状激光束通过电流计上的一对镜子而偏转，用以创建符号和/或文字。此外，通过使用三维激光扫描仪，规定工件P与照明装置4之间的距离以便在工件P的各个点处使投射图像的大小保持恒定，这也是可能的。鉴于上文已经描述的那样，三维激光扫描仪的使用允许关于由二维激光装置所提供的指令而获得更加复杂的图形指令，诸如箭头、同心圆和文字。

装置还包括可以由操作员使用的至少一个输入装置（在下列描述中更详细描述），和至少一个传感器6，其主要配置成用于参考其中操作员O工作的工作区，检测装配工具11或操作员O的手的空间坐标。

装置D还包括电子控制系统8，其凭借通信线L可操作地连接到输入装置、连接到照明装置4和连接到传感器6。装置D的元件也可以凭借无线连接而连接到电子控制系统8。在图1中所图示的实施例中，其中操作员使用工具11以用于对工件实施装配操作，工具11提供有控制单元9，其凭借无线连接与通用电子控制系统8通信。

根据本发明的装置的基本特性，电子控制系统8配置成记住学习顺序，其包括手动装配操作顺序，以便在工作循环期间记录工具11或操作员O的手的位置。

记住该学习顺序对于确保装置D采用如在工作循环期间向操作员O指示要对由托盘5所运输的基本工件P执行正确的操作顺序这一方式运作而言是必要的，从而与操作员O合作以便保证所执行的个体操作的正确性。

由装置D所执行的学习顺序包括下列步骤：

-电子控制系统8向传感器6提供持续观察工作区、操作员O并且还有工具11（如存在的话）的命令以便检测工具11或操作员O的手的空间坐标；

-电子控制系统8接收由传感器6检测到的工具11或操作员O的手的空间坐标并且将坐标供应给照明装置4；

-照明装置4凭借光源在由传感器6检测到的工具11或操作员O的手的空间坐标处将图形指令（例如符号或一些文字）投射到工作区；

-在由前述输入装置所操作的记录输入之后，电子控制系统8接收用于记录工具11或在没有工具11的情况下记录操作员O的手的位置的请求；

-操作员O转到学习顺序的后续操作或启用前述输入装置来终止所述学习顺序。

实际上，装置D的该操作模式（其中照明装置4在构成工作循环的操作的执行期间遵循手或工具11的位置）是在记住装置D的学习顺序这一基础上。

由于装置D配置成在构成工作循环的操作的实时执行期间记录前述学习顺序的事实，装置D具有如下优点：快速适应于操作员必须执行的新的操作顺序，并且从而对于操作员而言是快速并且直观的。

为了确保装置D的正确操作，传感器6和照明装置4必须共享相同的参考系统，使得工具11的位置（或在缺乏工具的情况下，是操作员的手的位置）的x、y、z坐标可以从电子控制系统8发送到照明装置4，并且投射光被引导到工具11的相同位置。

为了能够在传感器6与照明装置4之间共享相同的参考系统，传感器6和照明装置4提供有它们自己的校准方法，该校准方法配置成在承载工件P的托盘中间放置共享参考系统的原点，对所述工件P必须实施手动装配操作。

基于关于传感器参考系统的原点（M_OS）和照明装置的照明源（M_OP）的旋转平移矩阵，对于电子控制系统8而言凭借关系：

确定传感器6关于照明装置4的相对位置而言是可能的。

校准方法由传感器6和由照明装置4在安装装置D期间在电子控制系统8的引导下实施。

在其中出现托盘位置变化（例如，由于生产需要）的情况下，为了将共享参考系统的原点重新放置到新托盘位置的中心，这是足够的：传感器6或照明装置4重新执行校准方法并且电子控制系统8考虑新校准的结果以用于管理由传感器6读取并且发送到照明装置4的坐标。为了正确实现该管理，可能使用上述关系M_PS或最后校准（利用该最后校准获得参考系统的新原点O’）与在安装期间执行的校准（利用该校准获得了原点O）之间的关系。在由照明装置4执行重新校准的情况下，该关系是：

。旋转平移矩阵M_O'O被应用于由传感器6读取的位置的坐标以便能够与照明装置4处的已知坐标通信。

在凭借前述工具11执行装配操作的情况下，用于记录或终止前述学习顺序的输入装置优选地由操作员O手动操作，并且可以由布置在工具11上的按钮10组成（如在图1中图示的那样）。备选地，可手动操作输入可以例如由布置在工作区中的踏板构成。

在手动操作直接由操作员的手执行并且该工具因此不存在的情况下，前述输入装置可以采用布置在操作员腕部上的装置（例如智能手表）或布置在操作员臂部上的装置（例如智能电话或平板）的形式产生。

可以实现用于产生前述输入装置的另外的备选技术方案是提供语音识别装置（例如，不受环境噪声影响的喉部麦克风）。

可以实现用于产生前述输入装置的另外的备选技术方案是基于由传感器6对操作员的手的手指的一些姿势的识别（诸如手张开、手紧握或手紧握但一些手指张开）提供输入系统。实际上，操作员O的这些手势可以与针对装置D的宏命令结合，例如工作循环的开始或停止或甚至用于形成操作顺序的一部分（其构成工作循环）的单个操作推进或后退的命令。

传感器6还可以根据不同的已知技术方案制成。例如，它可以是红外视觉系统或可见光视觉系统。用于产生传感器6的其他可能技术方案是超声系统或具有主动或被动标记的红外视觉系统。在这后三种情况下，传感器6包括（如在图1中示出的）布置在工具11上的发射单元7和布置在工作区上方用于采用传感器6能够检测工具11空间中的位置这一方式从所述发射单元7接收信息的接收单元60。

对视觉系统或超声系统而言是备选地，采用传感器6计算工具11的空间中的位置这一方式，工具11可以提供有多个惯性传感器（加速计、陀螺仪和磁力计），所述传感器6接收由这些惯性传感器检测到的信号。

如之前提到的，装置D配置成用于与操作员O协作来向操作员指示装配操作的正确顺序。根据本发明的另外的重要特性，电子控制系统8配置成根据之前指示的学习顺序执行工作循环，其中：

-电子控制系统8在工具11或操作员O的手的位置处调整照明装置4的光束；

-照明装置4特别是凭借光源投射符号来照亮工作区；

-操作员O将工具11或他的手放置在由照明装置4所指示的位置处并且启动输入以用于开始工作循环；

-电子控制系统8要求传感器6直接定位工具11或操作员O的手；

-传感器6计算工具11或手的空间坐标；

-电子控制系统8从传感器6接收工具11或操作员的手的空间坐标，并且验证它们的位置与符号之间的对应性；以及

-操作员O验证已出现的对应性结果，并且执行由所述符号所指示的装配操作。

为了确保装置D的正确操作，同样在工作循环的执行期间，有必要的是：传感器6和照明装置4共享相同参考系统（遵循之前指示的校准方法），使得照明装置4的光束由照明装置4引导到工作位置的x、y、z坐标，并且传感器可以在相同位置读取装配部件的存在。

实际上，装置D的该操作模式是在由操作员对工作循环的实际执行期间装置D的操作基础，在所述操作模式中传感器6遵循由照明装置4投射到工作区上的图形指令来检测装配部件的位置。如之前所述的那样，取决于照明装置的类型，由所述照明装置投射的光符号的示例可以是非常简单的图案或更加复杂的图。

本发明还针对用于在生产环境中实施的装配操作期间帮助操作员O的方法，其中操作员O与根据本发明的可编程装置D合作。

在实施例中，取决于本发明的装置与之相关联的生产环境，装置D包括单个传感器6、单个照明装置4和单个工具11，但也可以提供多个这些元件。

由于上述特性，根据本发明的装置帮助操作员执行手动装配操作，从而确保凭借使用起来简单且直观、并且每次出现对改变该顺序的需要时允许快速适应于操作员必须执行的该操作顺序的装置，来由操作员正确实施装配操作。

当然，在不对本发明的原理产生偏见的情况下，构造的细节和实施例相对于完全通过示例的方式描述和图示的那些细节和实施例可以不尽相同，而不偏离本发明的范围。

Claims (11)

1.一种布置在生产环境中用以在所述生产环境中、在对由生产线（1）上的托盘（5）所运输的工件（P）执行的装配操作期间帮助操作员（O）执行由所述操作员（O）所实施的手动装配操作的可编程装置（D），所述装置（D）包括：

-由所述操作员（O）可用的、对由托盘（5）所运输的工件（P）执行所述手动装配操作的装配部件，所述装配部件是工具（11）或直接是操作员（O）的手；

-由所述操作员（O）可用的至少一个输入装置；

-至少一个照明装置（4），所述至少一个照明装置（4）具有至少一个光源，以用于照亮所述操作员（O）工作的工作区，所述照明装置（4）配置成向所述操作员（O）指示对由所述托盘所运输的工件（P）实施的手动操作的正确顺序；

-至少一个传感器（6），所述至少一个传感器（6）配置成参考所述工作区检测所述装配部件的空间坐标；以及

-电子控制系统（8），所述电子控制系统（8）可操作地连接到所述输入装置、连接到所述至少一个照明装置（4）和连接到所述至少一个传感器（6），

-所述电子控制系统（8），所述电子控制系统（8）配置成记住包括所述手动装配操作的顺序的学习顺序，以便在由所述操作员（O）对形成工作循环的手动操作的实时执行期间记录所述装配部件的位置，其中所述学习顺序包括下列步骤：

-所述电子控制系统（8）向所述传感器（6）提供持续观察所述工作区、所述操作员（O）和所述装配部件的命令以便检测所述装配部件的所述空间坐标；

-所述电子控制系统（8）接收由所述传感器（6）检测到的所述装配部件的所述空间坐标并且向所述照明装置（4）传递所述坐标；

-所述照明装置（4）凭借所述光源在由所述传感器（6）检测到的所述装配部件的所述空间坐标处将图形指令投射到所述工作区，所述图形指令是符号；

-所述电子控制系统（8）在启动所述输入装置之后接收用于记录所述装配部件的所述位置的请求；

-所述操作员（O）转到所述学习顺序的后续操作或启用所述输入装置来终止所述学习顺序。

2.如权利要求1所述的可编程装置（D），其特征在于，所述电子控制系统（8）配置成与所述操作员（O）协作以便根据所述学习顺序执行所述工作循环，其中：

-所述电子控制系统（8）在所述装配部件所记录的位置处调整所述照明装置（4）的光束；

-所述照明装置（4）凭借所述光源投射所述符号来照亮所述工作区；

-所述操作员（O）将所述装配部件放置在由所述照明装置（4）指示的所述位置处并且启动输入用于开始所述工作循环；

-所述电子控制系统（8）请求所述传感器以定位所述装配部件；

-所述传感器（6）计算所述装配部件的所述空间坐标；

-所述电子控制系统（8）从所述传感器接收所述装配部件的所述空间坐标，并且验证所述装配部件的所述位置与所述符号之间的对应性；

-所述操作员（O）验证已出现的对应性结果，并且执行由所述符号指示的装配操作。

3.如权利要求2所述的可编程装置（D），其特征在于，在其中所述装配部件采用工具（11）的形式的情况下，所述输入装置采用由所述操作员（O）可手动操作的记录按钮（10）的形式布置在所述工具（11）上，用以请求记录所述工具（11）的所述位置、用以终止所述学习顺序或用以开始所述工作循环。

4.如权利要求2所述的可编程装置（D），其特征在于，在其中所述装配部件是所述操作员的所述手的情况下，所述输入装置布置在所述操作员（O）的腕部上，用以请求记录所述手的所述位置、用以终止所述学习顺序或用以开始所述工作循环，所述输入装置是由所述操作员（O）可手动操作的智能手表型装置。

5.如权利要求2所述的可编程装置（D），其特征在于，在其中所述装配部件是所述操作员的所述手的情况下，所述输入装置是可以凭借所述操作员（O）的语音指令来操作的语音识别装置，用以请求记录所述手的所述位置、用以终止所述学习顺序或用以开始所述工作循环。

6.如权利要求1所述的可编程装置（D），其特征在于，在其中所述装配部件采用工具（11）的形式的情况下，所述工具（11）可以直接连接到所述电子控制系统（8）或凭借一体式提供有所述工具（11）的控制单元（9）而间接连接到所述电子控制系统（8）。

7.如权利要求3所述的可编程装置（D），其特征在于，所述传感器（6）是红外传感器，所述红外传感器包括布置在所述工具（11）上的发射单元（7），和布置在所述工作区上方的接收单元（60），以用于采用所述传感器（6）能够检测所述工具（11）空间中的所述位置这一方式从所述发射单元（7）接收信息。

8.如权利要求1所述的可编程装置（D），其特征在于，所述传感器（6）是视觉系统。

9.如权利要求1所述的可编程装置（D），其特征在于，所述传感器（6）是布置成确定所述装配部件的所述位置的惯性传感器的系统。

10.一种用于在生产环境中在执行由操作员（O）在所述生产环境中所执行的手动装配操作组成的工作循环期间帮助所述操作员（O）的方法，所述方法包括以下步骤：

-在生产环境中提供如前述权利要求中的任一项所述的可编程装置（D），

-记住包括所述手动装配操作的顺序的学习顺序，以便在由所述操作员（O）对形成所述工作循环的所述手动操作的实时执行期间记录所述装配部件的位置。

11.一种如权利要求10所述的用于帮助操作员（O）的方法，其特征在于，记住所述学习顺序包括下列步骤：

-所述电子控制系统（8）向所述传感器（6）提供持续观察所述工作区、所述操作员（O）和所述装配部件的命令以便检测所述装配部件的空间坐标；

-所述电子控制系统（8）接收由所述传感器（6）检测到的所述装配部件的所述空间坐标并且向所述照明装置（4）传递所述坐标；

-所述照明装置（4）凭借所述光源在由所述传感器（6）所揭示的所述装配部件的所述空间坐标处将图形指令投射到所述工作区，所述图形指令是符号；

-所述电子控制系统（8）在启动所述输入装置之后接收用于记录所述装配部件的位置的请求；

-所述操作员（O）转到所述学习顺序的后续操作或启用所述输入装置来终止所述学习顺序。

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