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Vorrichtung
zur optischen Erfassung von Objekten, insbesondere von Personen
innerhalb eines Überwachungsbereiches
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Derartige
Vorrichtungen werden in automatisierten Produktions- und Montagestätten angewendet.
Vorhandene Roboterstationen werden mit Hilfe von Überwachungseinrichtungen
abgesichert. Dabei soll eine gefahrbringende Bewegung eines Roboters gestoppt
werden, sobald sich Personen einem Gefahrenbereich nähern.
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Aus
der
DE 197 57 848
C2 ist eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten,
insbesondere von Fahrzeugen innerhalb eines Überwachungssektors, mit einem
Scanner, der eine Sendeeinrichtung aufweist, die einen kollimierten
Strahl von Impulsen elektromagnetischer Strahlung erzeugt, bekannt.
Zugehörig
ist ein Strahlungsempfänger
bekannt, der aus dem Überwachungssektor
reflektierte Impulse empfängt,
wobei der Scanner den Strahl umlaufend um eine Drehachse bewegt
und im Umlaufbereich des Strahles mehrere Planspiegel so angeordnet
sind, dass sie während
eines Umlaufs den Strahl nacheinander in mehreren Schwenkebenen
in den Überwachungssektor
reflektieren, und mit weiterhin einer Auswerteeinheit, die aus Winkel
und Laufzeit der Impulse relative Raumkoordinaten an Objekten in
den Schwenkbereichen bestimmt, wobei die Planspiegel jeweils zu
dem umlaufenden Strahl so ausgerichtet sind, dass sie den Strahl
in mehrere Schwenkebenen mit nicht paralleler Abtastrichtung reflektieren.
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Die
genannte Schrift
DE
197 57 848 C2 zeigt auch ein Ausführungsbeispiel, bei dem der
Scanner von mehreren Spiegeln umgeben ist. Mittels derer wird der
von der Sendeeinrichtung erzeugte Strahl in Richtung in einen nicht
dargestellten Überwachungssektor
reflektiert und erzeugt dort in dem gezeigten Beispiel vier in unterschiedlichen
Ebenen verschwenkte Strahlen.
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Diese
bekannte Vorrichtung weist den wesentlichen Nachteil auf, dass die
einzelnen Spiegel auch einzeln ausgerichtet werden müssen. Wird
zum Beispiel die Neigung eines einzelnen Spiegels nicht korrekt
eingestellt, oder die Neigung des Spiegels wird nachträglich verändert, so
können
an den Verbindungsstellen der vier Spiegel schmale Unterbrechungsstellen
im Schutzfeld durch den nicht kontinuierlichen Übergang der Spiegelflächen entstehen. Dies
würde ein
erhebliches Sicherheitsrisiko bedeuten. An diesen Stellen wird der
Strahl nicht über
die Spiegel in die Umgebung gelenkt. Diese Verbindungsstellen müssen bei
der Herstellung der Planspiegelkonstruktion sehr sorgfältig verbunden
werden um die Spiegelflächen
ohne Spalt zusammenzufügen.
Die Herstellung einer solchen Spiegelkonstruktion ist aufwändig.
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Ein
weiterer Nachteil dieser Ausführung
ist, dass vier einzelne Planspiegel erforderlich sind. Die Planspiegel
haben den Nachteil, dass sich der Abstand zwischen der Umlenkung
des Strahls um die Drehachse und dem Planspiegel während eines
Umlaufs ständig ändert. Dadurch
wird der fokussierte Strahl mit verschiedenen Abständen zur
Drehachse umgelenkt und damit auch unterschiedlich aufgeweitet.
Dies erschwert die Signalauswertung des empfangenen Signals, das
in verschiedener Intensität
zu dem Empfänger
zurückreflektiert
wird.
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Durch
die unterschiedlichen Abstände
zwischen der Umlenkung des Strahls um die Drehachse und dem Planspiegel
während
eines Umlaufs verändert
sich bei gleichbleibender Impulsdauer des Abtaststrahles der Abtastabstand
in Richtung der Verbindungsstellen der Planspiegel. Durch diese
größeren Abstände wird die
Auflösung
des Sensors verringert. Gerade bei Gefahrstellenabsicherung zum Schutz
für Personen
sind die unterschiedlichen Auflösungen
des Schutzfeldes störend.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine konstruktiv verbesserte Vorrichtung zur
optischen Erfassung von Objekten, insbesondere von Personen innerhalb eines Überwachungsbereiches,
mit einem Laserscanner bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch
1 durch eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten, insbesondere
von Personen innerhalb eines Überwachungsbereiches,
mit einem Laserscanner gelöst.
Der Laserscanner weist eine Sendeeinrichtung auf, die einen kollimierten
Strahl von Impulsen elektromagnetischer Strahlung erzeugt, und einen
Strahlungsempfänger,
der aus dem Überwachungsbereich
reflektierte Impulse empfängt. Mittels
einer Ablenkeinrichtung wird der Strahl umlaufend um eine Drehachse
durch eine Scanebene periodisch verschwenkt. Eine Auswerteeinheit
bestimmt aus Winkel und Laufzeit der Impulse relative Raumkoordinaten
von Objekten in dem Überwachungsbereich.
Erfindungsgemäß ist im
Umlaufbereich des Strahles ein Umlenkspiegel in Form eines innenverspiegelten
Mantelteilabschnitts eines Kegelstumpfes angeordnet.
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Dadurch
kann wenigstens ein Teil eines kegelstumpfförmigen Überwachungsbereichs erzeugt werden.
Mit dem erzeugten Überwachungsbereich kann
ein Raumbereich zumindest teilweise umschlossen werden. Der Überwachungsbereich
kann um die Applikation herum aufgespannt werden. Mit nur einem
Laserscanner lässt
sich so eine Gefahrenstelle an mehreren Seiten absichern. Eine offene Stelle
des Überwachungsbereiches
lässt Materialtransporte
durch den Überwachungsbereich
zu. Auch über
den Überwachungsbereich
herausragende Maschinenteile können
berücksichtigt
werden.
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Wenn
der Umlenkspiegel als umfangmäßig geschlossener
Mantelabschnitt des Kegelstumpfes ausgebildet ist, wird vorteilhaft
ein kegelstumpfförmiges
Schutzfeld aufgespannt, welches eine geschlossene kontinuierliche
Fläche
bil det. Das Schutzfeld kann durch die Justage nur eines Umlenkspiegels
in Form eines innenverspiegelten Mantelabschnitts eines Kegelstumpfes
ausgerichtet werden. Mit nur einem Laserscanner und des erfindungsgemäßen innenverspiegelten
Mantelabschnitts eines Kegelstumpfes kann ein Gefahrenbereich rundum
abgesichert werden. Es müssen
nicht mehrere Schutzeinrichtungen wie z.B. mehrere Laserscanner
zur Absicherung jeder Seite angebracht werden. Dies führt zu einem
erheblichen Kostenvorteil bei der Absicherung von Gefahrenstellen
durch die Verwendung nur eines Sensors und einem niedrigeren Verdrahtungsaufwand.
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Durch
den gleichmäßigen Abstand
des innenverspiegelten Mantelteilabschnitts eines Kegelstumpfes
zur Drehachse des Lasers wird der kollimierte Strahl nur so geringfügig wie
möglich
aufgeweitet, gleichzeitig ist die Aufweitung des Strahles während eines
Umlaufs auch konstant. Der Strahl wird dabei vorteilhaft an der
Stelle durch den innenverspiegelten Mantelabschnitt eines Kegelstumpfes umgelenkt,
an der dieser am meisten fokussiert ist. Dadurch wird die Divergenz
des Strahles minimiert.
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Der
Umlenkspiegel kann mit einem unterschiedlichen Winkel entlang des
innenverspiegelten Mantelabschnitts eines Kegelstumpfes ausgebildet werden.
Dadurch wird der Strahl in unterschiedlichen Winkelabschnitten mit
unterschiedlichem Winkel abgelenkt. Diese Winkel in den verschiedenen
Abschnitten gehen kontinuierlich ineinander über. Dadurch ist es möglich, neben
den kegelförmigen Schutzfeldern
auch ovale oder andere ausgebildete Kegelformen mit dem Scanner
zu erzeugen. Damit kann das Schutzfeld auch speziell an bestimmte
Anwendungen angepasst werden. Durch den veränderten Winkel entlang des
innenverspiegelten Mantelabschnitts eines Kegelstumpfes lassen sich
angepasste Schutzfeldformen mit einem Ursprung ausgehend von einem
Drehspiegel der Ablenkeinrichtung erzeugen.
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Durch
einen innenverspiegelten Mantelteilabschnitt eines Kegelstumpfes,
welcher an den Enden mit zunehmend größeren Abständen zur Ablenkeinrichtung
geformt ist, um den Strahl an den Enden des Mantelabschnitts in
Drehrichtung des umlaufenden Strahles zusätzlich in einem Winkel in Drehrichtung
des umlaufenden Strahles oder entgegengesetzt zur Drehrichtung des
umlaufenden Strahles abzulenken, kann der Strahl, welcher z.B. einen
270° Umlauf
durch den Drehspiegel des Laserscanners umläuft, auch zu einem geschlossenen
Kegel umgelenkt werden. Dabei trifft der Strahl nicht mehr in einem
genau konstanten Abstand auf den innenverspiegelten Mantelteilabschnitt
eines Kegelstumpfes, jedoch wird das Schutzfeld zu einem geschlossenen Kegel
umgelenkt.
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Die
zusätzliche
Spiegelumlenkung des innenverspiegelten Mantelteilabschnitts eines
Kegelstumpfes führt
zu einer Aufweitung des Strahls nach der Umlenkung. Diese kann durch
eine Wölbung
des innenverspiegelten Mantels eines Kegelstumpfes kompensiert werden.
Dazu weist der innenverspiegelte Mantelteilabschnitt eines Kegelstumpfes
eine Innenwölbung
auf, die auf den Strahl abgestimmtist. Der Strahl wird dadurch bei
der Umlenkung gebündelt.
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Der
innenverspiegelte Mantelteilabschnitt eines Kegelstumpfes wird vorzugsweise
in den Laserscanner integriert. Dadurch kann der innenverspiegelte
Mantelteilabschnitt eines Kegelstumpfes bei der Produktion komplett
ausgerichtet und justiert werden. Für den Anwender fallen keine
Justagearbeiten mehr für
den innenverspiegelten Mantelteilabschnitt eines Kegelstumpfes an.
Der innenverspiegelte Mantelteilabschnitt eines Kegelstumpfes ist durch
die Integration im Laserscanner hinter einer Frontscheibe angebracht.
Dadurch ist der innenverspiegelte Mantelteilabschnitt eines Kegelstumpfes auch
vor Verschmutzung, Beschädigung
oder vor einem Verstellen von außen geschützt.
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Zusätzlich hat
der innenverspiegelte Mantelteilabschnitt eines Kegelstumpfes mit
einer Wölbung
noch den Vorteil, dass der zurückkommende Strahl über den
innenverspiegelten Mantelteilabschnitt eines Kegelstumpfes durch
die Wölbung
fokussiert wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Absicherung
einer Maschine;
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2 eine
Detaildarstellung eines Umlenkspiegels einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 einen
Querschnitt entlang der Linie III-III aus 2;
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4 eine
Ausführungsform
des Umlenkspiegels;
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5 einen
Querschnitt entlang der Linie V-V aus 4;
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6 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Umlenkspiegels
in einer Anwendung zur Absicherung einer Maschine.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 24 zur
optischen Erfassung von Objekten in einer Seitenansicht. Ein Laserscanner 2 und
ein Umlenkspiegel in Form eines innenverspiegelten Mantelteilabschnitts
eines Kegelstumpfes 1 ist über einem Roboter 8 angebracht.
Die Person 10 soll vor einer gefahrbringenden Bewegung
des Roboters 8 geschützt
werden. Ein Gefahrenbereich für
die Person 10 entsteht um einen Bewegungsbereich des Roboters 8.
Der Roboter 8 ist von allen Seiten ohne mechanische Begrenzungen
zugänglich.
Zum Schutz der Person 10 wird der Laserscanner 2 hierzu über dem
Gefahrenbereich angeordnet und überwacht
so verschiedene Zutrittsseiten innerhalb eines Überwachungsbereiches. Der Überwachungsbereich
wird durch ausgesandte und mit dem Umlenkspiegel 1 abgelenkte
Strahlen 4 des Laserscanners 2 überwacht. Die
mit dem Umlenkspiegel 1 abgelenkten Strahlen 4 des
Laserscanners bilden ein kegelförmiges
Schutzfeld 6.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
24 erlaubt
es, den Überwachungsbereich
mit nur einem Laserscanner
2 in mehrere Richtungen zu überwachen.
Hierzu ist der Laserscanner
2 vorgesehen wie zum Beispiel
aus der
DE 43 40 756
C2 bekannt. In dieser Schrift ist eine Laserabstandsermittlungsvorrichtung
nach dem Impulslaufzeitverfahren beschrieben mit einem Impulslaser,
der gesteuerte Lichtimpulse in einen Messbereich sendet und einer
Photoempfangsanordnung, welche die von einem im Messbereich befindlichen
Objekt zurückgeworfene Lichtimpulse
empfängt
und einer Auswerteschaltung, welche unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit
aus der Zeit zwischen Aussendung und Empfang eines Lichtimpulses
ein für
den Abstand des Objektes vom Impulslaser charakteristisches Abstandsignal
ermittelt. Mit einer Lichtablenkvorrichtung werden die aufeinanderfolgenden
Lichtimpulse mit einem sich zunehmend veränderten Winkel in den Umgebungsraum
gesendet. Die Lichtablenkeinrichtung überstreicht dabei einen Winkel
von bis zu 360°.
Mit Hilfe des ausgesendeten und empfangenen Strahles wird ein Bereich
auf mögliche
Eingriffe und Eintritte überwacht.
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Der
ausgesandte und durch die Ablenkeinrichtung 16 abgelenkte
Strahl wird durch den erfindungsgemäßen Umlenkspiegel 1 in
Form eines innenverspiegelten Mantelteilabschnitts eines Kegelstumpfes 1 mit
einem Winkel 18 in einem bestimmten Winkel in den Umgebungsraum
abgelenkt. Der erfindungsgemäße Umlenkspiegel 1 ist
dabei ringförmig ausgebildet.
An der Innenseite weist der erfindungsgemäße Umlenkspiegel 1 eine
spiegelnde Fläche auf.
Diese Fläche
weist den konstanten Winkel 18 auf. Der Umlenkspiegel 1 ist
rotationssymmetrisch zu einer Drehachse eines Ablenkspiegels der
Ablenkeinrichtung 16 des Laserscanners 2 angeordnet.
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Der
Strahl wird während
eines Umlaufs mit dem konstanten Winkel abgelenkt. Durch diese Ablenkung
wird die vorher plane und flächig
ausgebildete Scanebene kegelförmig
ausgebildet. Bei der Anwendung aus 1 wird ein
geschlossenes kegelförmiges
Schutzfeld 6 erzeugt. In 2 ist die
Erzeugung von offenen kegelförmigen
Schutzfeldern 6 dargestellt. Die Kegelform wird durch den
Winkel 18 bestimmt. Dieser Winkel 18 kann vorteilhaft
von 50° bis 85° rotationssymmetrisch
zur Drehachse der Ablenkeinrichtung 16 aufweisen. Je nach
ausgebildetem Winkel 18, handelt es sich um einen spitzen
Kegel stumpf bei einem Winkel 18 von 50° bis 75°, oder um einen stumpfen Kegelstumpf
bei einem Winkel 18 von 75° bis 85°.
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Eine
Erzeugung von verschiedenen kegelförmigen Schutzfeldern 6 ist
für verschiedene
Anwendungen vorteilhaft. In 1 ist beispielsweise ein
Winkel 18 von ca. 60° gewählt. Es
entsteht somit ein kegelförmiges
Schutzfeld 6 in Form eines spitzen Kegelstumpfs. Die spitze
Form des kegelförmigen Schutzfeldes 6 hat
den Vorteil, dass kein unnötiger Raum
für die
Absicherung des Roboters 8 benötigt wird. Das kegelförmige Schutzfeld 6 wird
durch den Laserscanner 2 zentral erzeugt und weitet sich
in Richtung des Roboters 8 auf. Rund um den Roboter 8 hat
das kegelförmige
Schutzfeld 6 seine notwendige maximale Größe. Es müssen auch
keine zusätzlichen
mechanischen Schutzeinrichtungen oder andere berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen
zur Ergänzung
angebracht werden. Bei einer bewussten Abschaltung einer gefahrbringenden
Bewegung des Roboters oder auch bei einer beabsichtigten Überbrückung der
Vorrichtung 24 zur Materialzufuhr oder zur Instandhaltung,
ist der Roboter 8 oder eine betreffende Anlage ohne mechanische
Hindernisse erreichbar.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 24 ist vorteilhaft
gegenüber
Manipulationen geschützt
an der Decke untergebracht. Dadurch können Unbefugte nicht ohne weiteres
die Vorrichtung 24 erreichen und manipulieren. Instandhaltungspersonal
kann die Vorrichtung 24 von dieser Position aus ideal auf
den Gefahrenbereich ausrichten.
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Der
Umlenkspiegel 1 kann dabei vorteilhaft in den Laserscanner 2 integriert
werden. Der Umlenkspiegel 1 wird dann während eines Produktionsablaufes
in dem Laserscanner ausgerichtet und justiert. Ein Anwender kann
den Laserscanner 2 ohne zusätzliche Justierarbeiten des
Umlenkspiegels 1 montieren. Der Laserscanner 2 braucht
dazu nur noch auf eine betreffende Anwendung ausgerichtet werden.
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Die
Grundfläche
des erzeugten kegelförmigen
Schutzfeldes 6 ist kreisförmig ausgeprägt. Diese Kreisform
stellt den kleinstmöglichen
notwendigen Überwa chungsbereich
dar. Auf diese Weise wird für den Überwachungsbereich
nur der notwendige Raum beansprucht. Der zu überwachende Roboter 8 oder
zu überwachende
Maschinen können
auf diese Weise enger nebeneinander aufgestellt werden oder Materialzuführungen
können
näher an
der Maschine außerhalb
des Überwachungsbereiches
angeordnet werden.
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Tritt
die Person 10 in den Überwachungsbereich
ein, so werden die ausgesendeten und abgelenkten Strahlen 4 mit
verkürzten
Abständen
zurückreflektiert
und aus einer Abweichung zu einem erwartetem Sollwert wird der Eintritt
erkannt. Daraufhin wird die gefahrbringende Bewegung des Roboters 8 abgeschaltet.
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2 zeigt
den Umlenkspiegel 1 in einer Detailansicht. Der Laserscanner 2 aus 1 ist
der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt. Jedoch ist die Ablenkeinrichtung 16 des
Laserscanners 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
ist der Umlenkspiegel 1 nicht als geschlossener Ring für eine umlaufende
360° Umlenkung
ausgebildet, sondern für eine
umlaufende Umlenkung von 270°.
Das kegelförmige
Schutzfeld 6 weist dabei eine Öffnung auf für Materialzufuhr
oder Teile der Maschine, die das Schutzfeld 6 begrenzen.
Von der Ablenkeinrichtung 16 des Laserscanners 2 trifft
der umlaufende Strahl auf die Spiegelfläche 22 und wird in
den Umgebungsbereich umgelenkt und bildet dort das kegelförmige Schutzfeld 6.
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3 zeigt
den zugehörigen
Querschnitt entlang der Linie III-III des Umlenkspiegels 1 zu
der Darstellung in 2.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Umlenkspiegels 1. Die Ausführung des Umlenkspiegels 1 weist
die Merkmale aus der Beschreibung zu 2 auf. Zusätzlich ist
die Spiegelfläche 22 aus 2 rotationssymmetrisch
nach innen gewölbt. Durch
die gewölbte
Spiegelform 20 kann der reflektierte Strahl zusätzlich fokussiert
werden. Auch das zurückreflektierte
Licht wird durch die gewölbte
Spiegelform 20 gebündelt
in den Laserscanner zurückreflektiert.
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5 zeigt
den zugehörigen
Querschnitt entlag der Linie V-V des ringförmigen Umlenkspiegels 1 zu
der Darstellung in 4.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Umlenkspiegels 1. Bei dieser Ausführungsform wird der Umlenkspiegel 1 nicht
in einer symmetrischen Ringform ausgebildet. Es handelt sich dabei um
einen gebogenen Umlenkspiegel 1 mit der erfindungsgemäßen schrägen Neigung
der Spiegelfläche 22 aus 2,
wobei der Umlenkspiegel 1 längs der Enden eine geringere
Biegung aufweist. Dadurch wird der Strahl an den Enden zusätzlich in
Richtung des Umlaufs des Strahles oder entgegengesetzt des Umlaufs
umgelenkt und trotz des eingeschränkten Umlaufs des Laserscanners 2 von
z.B. 180° ein
geschlossenes kegelförmiges
Schutzfeld 6 geformt. Dabei wird die Auflösung des
kegelförmigen
Schutzfeldes 6 reduziert. Durch diese Ausführungsform
des Umlenkspiegels 1 können
auch mit Laserscannern 2, die keine 360° umlaufende abgelenkte Strahlen 4 aufweisen,
geschlossene oder angepasste kegelförmige Schutzfelder 6 erzeugt
werden. Das kegelförmige
Schutzfeld 6 weist dabei einen offenen Kegelbereich 12 und
einen geschlossenen Kegelbereich 14 auf.
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Durch
Anbringen mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen
nebeneinander sind schlauchförmige
Schutzbereiche möglich.
Die kegelförmigen Schutzfelder
werden dabei in einer Reihe angeordnet. Innerhalb der Kegelform
werden einzelne Bereiche ausgeblendet. Dadurch können Materialbewegungen zwischen
den einzelnen Bearbeitungsstationen stattfinden. Insbesondere bei
Transferstraßen mit
einer seriellen Bearbeitung von Teilen ist diese Art der Anordnung
besonders vorteilhaft.
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- 1
- Umlenkspiegel
in Form eines innenverspiegelten Mantelteilabschnitts eines
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- Kegelstumpfes
- 2
- Laserscanner
- 4
- abgelenkter
Strahl
- 6
- kegelförmiges Schutzfeld
- 8
- Roboter
- 10
- Person
- 12
- offener
Kegelbereich
- 14
- geschlossener
Kegel
- 16
- Strahlablenkeinheit
des Laserscanners
- 18
- Winkel
- 20
- gewölbte Innenfläche
- 22
- Spiegelfläche
- 24
- Vorrichtung
zur Erfassung von Objekten