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Derartige
optischer Sensoren werden insbesondere im Bereich des Personenschutzes
eingesetzt, wobei als Schutzzone ein Gefahrenbereich an einem von
einer Maschine gebildeten Arbeitsmittel überwacht wird. Ein für derartige Überwachungsaufgaben
eingesetzter optische Sensor ist aus der
DE 299 20 715 U1 bekannt.
Der dort beschriebene optische Sensor ist als Lichtschrankenanordnung,
insbesondere als Lichtgitter ausgebildet. Wird mit dieser Lichtschrankenanordnung
ein Objekt oder eine Person detektiert, wird in der Lichtschrankenanordnung eine
Objektmeldung generiert, welche zum Abschalten der Maschine führt. Dadurch
erfüllt
die Lichtschrankenanordnung ihre Sicherheitsfunktion, da mit dieser
erfasst wird, wenn sich eine Person in den Gefahrenbereich begibt.
Jedoch würde
auch ein Eindringen eines mit der Maschine zu bearbeitenden Werkstücks in den
Gefahrenbereich zu einer Objektmeldung in der Lichtschrankenanordnung
(ihren, welche dann ein Abschalten der Maschine zur Folge hätte. Da
es sich bei dem zu bearbeitenden Werkstück um ein nicht sicherheitskritisches
Objekt handelt, ist ein Abschalten der Maschine bei dessen Detektion
innerhalb des Gefahrenbereichs unnötig und daher unerwünscht.
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Um
ein derartiges unnötiges
Abschalten der Maschine zu vermeiden, sind bei der Anordnung der
DE 299 20 715 U1 zusätzlich zu
der Lichtschrankenanordnung am Eingang beziehungsweise Ausgang des
Gefahrenbereichs sogenannte Mutingsensoren vorgesehen, die eine
Unterscheidung zwischen Menschen oder allgemein sicherheitskritischen
Objekten und zulässigen
Gegenständen
als nicht sicherheitskritischen Objekten ermöglichen. Wird ein zulässiger Gegenstand
detektiert, so erzeugen die Mutingsensoren ein Überbrückungssignal das bewirkt, dass trotz
einer Unterbrechung der Lichtschranken der Lichtschran kenanordnung
die Abschaltfunktion vorübergehend
zu deaktivieren, das heißt
die Maschine nicht abzuschalten ist. Wird hingegen eine der Lichtschranken
unterbrochen und erzeugen die Mutingsensoren kein Überbrückungssignal,
so wird die zu überwachende
Maschine abgeschaltet.
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Nachteilig
hierbei ist, dass die von Reflexionslichtschranken gebildeten Mutingsensoren
als weitere Sensoren zur Lichtschrankenanordnung einen erheblichen
konstruktiven Aufwand bedingen und damit auch eine erhebliche Erhöhung des
Kostenaufwands bei der Realisierung der Gefahrenbereichsabsicherung
verursachen. Dieser Nachteil wird dadurch noch verstärkt, dass
sowohl am Eingang und am Ausgang jeweils ein Paar von Mutingsensoren
vorgesehen sein muss, damit die zulässigen Objekte von nicht zulässigen Objekten
unterschieden werden können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine sensorüberwachte Gefahrenbereichsüberwachung
bereitzustellen, mit welcher mit möglichst geringem Aufwand eine
sichere Überwachung
eines Gefahrenbereichs an einem Arbeitsmittel durchführbar ist,
ohne dabei die Verfügbarkeit
des Arbeitsmittels unnötig
einzuschränken.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Überwachung einer
Schutzzone an einem Arbeitsmittel mittels eines optischen Sensors
mit einer Kamera und einer Auswerteeinheit. Bei Erfassen eines sicherheitskritischen
Objekts in der Schutzzone wird eine Objektmeldung generiert mittels
derer das Arbeitsmittel außer
Betrieb gesetzt wird. Bei Erfassen eines nicht sicherheitskritischen
Objekts innerhalb der Schutzzone wird wenigstens ein Bereich dieser
Schutzzone überbrückt, so
dass ein Eindringen eines sicherheitskritischen Objekts in diesen
Bereich nicht zur Generierung einer Objektmeldung führt.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass mit einem optischen
Sensor eine Doppelfunktion derart erfüllt wird, dass mit diesem nicht
nur eine Gefahrenbereichsüberwachung
durchgeführt werden
kann sondern zugleich auch eine Mutingfunktion bereitgestellt wird,
mittels derer die Verfügbarkeit
des Arbeitsmittels erhöht
wird.
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Zur
Durchführung
der Gefahrenbereichsüberwachung
wird mit der Kamera des optischen Sensors detektiert, ob ein sicherheitskritisches
Objekt in die Schutzzone eindringt. Ist dies der Fall, generiert der
optische Sensor eine Objektmeldung, wodurch das Arbeitsmittel abgeschaltet
wird um insbesondere eine Gefährdung
von Personen in dem von der Schutzzone gebildeten Gefahrenbereich
auszuschließen.
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Dabei
erfolgt im optischen Sensor eine Unterscheidung von sicherheitskritischen
Objekten wie Personen einerseits und nicht sicherheitskritischen Objekten
andererseits. Dringt ein nicht sicherheitskritisches Objekt in die
Schutzzone ein, so erfolgt ein Muting derart, dass wenigstens ein
Bereich der Schutzzone überbrückt, das
heißt
gemutet wird, so dass dann in diesem Bereich eindringende Objekte, unabhängig davon,
ob diese sicherheitskritische Objekte oder nicht sicherheitskritische
Objekte sind, nicht zu einem Abschalten des Arbeitsmittels führen.
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Damit
führen
unkritische Objekteingriffe in der Schutzzone, die beispielsweise
durch Werkstücke
bedingt sind, die mit dem Arbeitsmittel bearbeitet werden müssen, nicht
zu einem unerwünschten
Stillstand des Arbeitsmittels und so zu einer signifikant erhöhten Verfügbarkeit
des Arbeitsmittels.
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In
der Auswerteeinheit des optischen Sensors wird zur Unterscheidung
von sicherheitskritischen Objekten und nicht sicherheitskritischen
Objekten eine vorgegebene Anzahl von Bildpunkten der Kamera ausgewertet.
Generell werden somit bevorzugt nur Teilbereiche der Kamera zur
Erkennung von nichtsicherheitskritischen Objekten zur Durchführung des
Muting ausgewertet. Be sonders vorteilhaft werden dabei die Flanken
von in die Schutzzone eindringenden Objekten ausgewertet und hierbei
Unterscheidungen zwischen sicherheitskritischen Objekten und nicht
sicherheitskritischen Objekten getroffen. Zweckmäßigerweise können dabei
in Einlernvorgängen
die Vorderfronten von in die Schutzzone eindringenden nicht sicherheitskritischen
Objekten und Teilen hiervon eingelernt werden. Alternativ können bestimmte,
die nicht sicherheitskritischen Objekte charakterisierende Parameter,
wie zum Beispiel Mindestabmessungen derartiger nicht sicherheitskritischer
Objekte, in der Auswerteeinheit abgespeichert werden. Anhand derartiger
abgespeicherter Daten können
dann die nicht sicherheitskritischen Objekte von sicherheitskritischen
Objekten unterschieden werden.
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Durch
eine geeignete zeitliche und räumliche Vorgabe
des überbrückten Bereichs,
das heißt
des Muting-Bereichs, ist eine flexible Anpassung von Bahnkurven
nicht sicherheitskritischer Objekte innerhalb der Schutzzone möglich. Damit
wird einerseits erreicht, dass ein Eindringen von nicht sicherheitskritischen
Objekten in die Schutzzone nicht zu einem unerwünschten Abschalten der Maschine
führt,
andererseits in den nicht gemuteten Bereichen der Schutzzone noch
sicherheitskritische Objekte detektiert werden können, um dann im Gefahrenfall
das Arbeitsmittel abschalten zu können. Im einfachsten Fall beschränkt sich
der Muting-Bereich auf den Teil der Schutzzone, innerhalb derer
ein nicht sicherheitskritisches Objekt angeordnet ist. Weiterhin
kann der Muting-Bereich auch eine größere Ausdehnung als die nicht
sicherheitskritischen Objekte aufweisen und sich im Grenzfall über die
ganze Schutzzone erstrecken. Prinzipiell ist auch die Vorgabe mehrerer
Muting-Bereiche innerhalb der Schutzzone möglich. Schließlich ist
auch eine geeignete zeitliche Vorgabe der Aktivierung des Muting-Bereichs
durch die Auswerteeinheit möglich.
Im einfachsten Fall bleibt der Muting-Bereich so lange aktiv, wie
ein nicht sicherheitskritisches Objekt innerhalb der Schutzzone
angeordnet ist. Insbesondere bei Arbeitsprozessen mit vorgegebenen
Bearbeitungsabläufen,
bei welchen beispielsweise sichergestellt ist, dass nach Eindringen
eines nicht sicherheits kritischen Objekts in die Schutzzone für eine vorgegebene
Zeit kein sicherheitskritisches Objekt in die Schutzzone eindringen kann,
kann über
die Auswerteeinheit eine Zeitfunktion definiert werden, über welche
die Zeitdauer der Aktivierung des Muting-Bereichs vorgebbar ist.
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Die
Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Blockschaltbild eines optischen Sensors.
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2:
Anordnung des optischen Sensors gemäß 1 zur Überwachung
einer Schutzzone an einem Arbeitsmittel mit einer in der Schutzzone
angeordneten Palette.
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3:
Abbildung der Palette gemäß 2 auf
der Kamera des optischen Sensors bei der Anordnung gemäß 2.
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1 zeigt
schematisch einen optischen Sensor 1 zur Erfassung von
Objekten innerhalb einer Schutzzone 2. Der optische Sensor 1 ist
in einem Gehäuse
integriert und weist zur Detektion von Objekten innerhalb der Schutzzone 2 eine
Kamera 3 auf. Die Kamera 3 besteht im vorliegenden
Fall aus einer CCD-Zeile,
das heißt
einem CCD-Sensor mit einer zeilenförmigen Anordnung von Empfangselementen. Alternativ
kann die Kamera 3 auch von einer CMOS-Zeile gebildet sein. Bei derartigen
zeilenförmigen
Kameras bildet die Schutzzone 2 einen flächigen Bereich.
Generell können
mit dem optischen Sensor auch Schutzzonen in Form von dreidimensionalen
Bereichen überwacht
werden. In diesem Fall besteht die Kamera 3 aus einem CCD-Sensor
oder einem CMOS-Sensor mit einer matrixförmigen Anordnung von Empfangselementen.
Zur Ausleuchtung der Schutzzone 2 weist der optische Sensor
ein Beleuchtungssystem 4 auf. Mit den vom Beleuchtungssystem 4 emittierten
Lichtstrahlen 5 wird die gesamte Schutzzone 2 ausgeleuchtet,
wobei im einfachsten Fall mit dem Beleuchtungssystem 4 hierzu
ein stationäres
Lichtstrahlbündel
gene riert wird. Alternativ kann das Beleuchtungssystem 4 auch
als Scanner ausgebildet sein. Der Scanner weist einen Sender auf,
der Sendelichtstrahlen emittiert, die mittels einer Ablenkeinheit
zur Ausleuchtung der Schutzzone 2 periodisch abgelenkt
werden.
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Die
mit der Kamera 3 generierten, Bildinformationen enthaltenden
Signale werden in einer Auswerteeinheit 6 ausgewertet.
Zum Einsatz des optischen Sensors 1 im Bereich des Personenschutzes und
zur Erfüllung
des hierfür
geforderten Sicherheitsniveaus weist die Auswerteeinheit 6 einen
redundanten Aufbau auf. Im vorliegenden Fall besteht die Auswerteeinheit 6 aus
zwei sich gegenseitig zyklisch überwachenden
Mikroprozessoren 7a, b. Die Signale der Kamera 3 werden
zur Auswertung in beide Mikroprozessoren 7a, b eingelesen.
Hierzu ist die Kamera 3 über Zuleitungen mit beiden
Mikroprozessoren 7a, b verbunden. Weiterhin erfolgt in
der Auswerteeinheit 6 auch die Ansteuerung des Beleuchtungssystems 4, welches
mit nicht dargestellten Zuleitungen mit der Auswerteeinheit 6 verbunden
ist.
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Die
Auswertung der Signale der Kamera 3 in der Auswerteeinheit 6 erfolgt
derart, dass ein binäres Objektfeststellungssystem
generiert wird, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt
in der Schutzzone 2 befindet oder nicht. Zur Ausgabe dieses
Objektfeststellungssignals ist eine Ausgangsschaltung 8 mit
einem Schaltausgang 9 vorgesehen.
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Für Anwendungen
im Bereich des Personenschutzes wird typischerweise mit dem optischen Sensor 1 als
Schutzzone 2 ein Gefahrenbereich an einem Arbeitsmittel überwacht.
Um Gefährdungen insbesondere
für Personen
auszuschließen,
wird bei einer Objektmeldung, die durch einen Objekteingriff in
der Schutzzone 2 im optischen Sensor 1 generiert wird,
das Arbeitsmittel deaktiviert. Das Arbeitsmittel ist somit nur dann
aktiviert, wenn das Objektfeststellungssignal den Schaltzustand „freie
Schutzzone" einnimmt.
Zur Auswertung des Arbeitsmittels ist der Schaltausgang 9 an
das Arbeitsmittel angeschlossen, so dass das Objektfeststellungssignal
vom optischen Sensor 1 in das Arbeitsmittel übertragen
wird.
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2 zeigt
eine Applikation des optischen Sensors gemäß 1 zur Gefahrenbereichsüberwachung
an einem Transportband 10. Dieses Transportband 10 bildet
zusammen mit einem nicht dargestellten Roboter ein Arbeitsmittel.
Wie aus 2 ersichtlich ist der optische
Sensor 1 oberhalb des Transportbands 10 so angeordnet,
dass mit diesem als Gefahrenbereich eine Schutzzone 2 überwacht wird,
die in einer vertikalen Ebene orientiert ist. Die Schutzzone 2 erstreckt
sich dabei über
die gesamte Breite des Transportbands 10.
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Um
Gefährdungen
von Personen oder generell sicherheitskritischen Objekte auszuschließen, wird
bei einer Detektion eines derartigen sicherheitskritischen Objekts
in der Schutzzone 2 eine Objektmeldung generiert, wodurch
das Arbeitsmittel, das heißt
im vorliegenden Fall der Roboter und das Transportband 10 deaktiviert,
das heißt
stillgesetzt werden.
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2 zeigt
eine auf dem Transportband 10 transportierte Palette 11,
die mit dem Roboter aufgenommen und bearbeitet werden soll. Da somit
die Palette 11 als Werkstück ein nicht sicherheitskritisches
Objekt darstellt, welches durch die Schutzzone 2 hindurch
dem Roboter zugeführt
werden muss, würde
ein durch die Detektion der Palette 11 mittels des optischen
Sensors 1 generierter Abschaltbefehl für das Arbeitsmittel einen unnötigen Stillstand
bedeuten.
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Um
derartige unnötige
Stillstände
zu vermeiden erfolgt im optischen Sensor 1 eine Erkennung derartiger
nicht sicherheitskritischer Objekte sowie deren Unterscheidung von
sicherheitskritischen Objekten. Dies ist in 3 veranschaulicht.
Diese Darstellung zeigt die CCD-Zeile des optischen Sensors 1 für die Anordnung
gemäß 2.
Der Bereich der CCD-Zeile, auf welchen die Palette 11 abgebildet wird,
ist in 2 mit A bezeichnet.
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Zur
Erkennung der Palette 11 als nicht sicherheitskritisches
Objekt werden in der Auswerteeinheit 6 des optischen Sensors 1 bevorzugt
nur die Flanken des Bereichs A, das heißt die Kanten der Palette 11 ausgewertet.
Die Erkennung des nicht sicherheitskritischen Objekts kann dadurch
erfolgen, dass in einem Einlernvorgang die Kantenlagen des nicht sicherheitskritischen
Objekts auf der CCD-Zeile eingelernt werden und in der nachfolgenden
Betriebsphase des nicht sicherheitskritischen Objekts durch Vergleich
der aktuellen Signale der CCD-Zeile mit den eingelernten Werten
verglichen wird, wobei das nicht sicherheitskritische Objekt als
erkannt gilt, falls die aktuellen Signale mit den eingelernten Werten übereinstimmen.
Alternativ kann das nicht sicherheitskritische Objekt auch anhand
in der Auswerteeinheit 6 abgespeicherter Parameterwerte
erkannt werden. Wie aus 2 ersichtlich erstreckt sich
die Palette 11 nahezu über
die gesamte Breite des Transportbands 10 und ist somit
signifikant breiter als eine Person als sicherheitskritisches Objekt.
Durch Vorgabe einer Mindestbreite in der Auswerteeinheit 6,
die bei der vorliegenden Palette 11 überschritten wird, wird somit
die Palette 11 als nicht sicherheitskritisches Objekt in
der Auswerteeinheit 6 klassifiziert.
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Für den Fall,
dass die Breite der Palette 11 in derselben Größenordnung
wie die Breite einer Person ist, ist mit einer Bildaufnahme mittels
der CCD-Zeile keine sichere Unterscheidung der Palette 11 von
einer Person möglich.
In diesem Fall kann durch wenigstens zwei in einem bestimmten Zeitintervall
aufeinander folgenden Bildaufnahmen mit der CCD-Zeile eine zeitaufgelöste Information über das detektierte
Objekt gewonnen werden, wodurch eine erhöhte Detektionssicherheit zur
Identifizierung des nicht sicherheitskritischen Objekts erzielt
wird.
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Bei
der Detektion eines nicht sicherheitskritischen Objekts wie der
in 2 dargestellten Palette 11 wird im optischen
Sensor 1 ein Überbrückungssignal,
das heißt
ein Mutingsignal generiert. Mit diesem wird im optischen Sensor 1 als
Teilbereich der Schutzzone 2 ein Muting-Beeich definiert
und aktiviert.
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Die
Auswertung im optischen Sensor 1 erfolgt dann derart, dass
eine Objektdetektion innerhalb des Muting-Bereichs nicht zur Generierung
einer Objektmeldung und damit nicht zu einem Abschalten des Arbeitsmittels
führt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 wird
bei exakt mittiger Ausrichtung der Palette 11 während des
gesamten Durchfahrens der Palette durch die Schutzzone 2 stets
die Palette auf dem selben Bereich A der Kamera 3 ( 3)
abgebildet.
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Da
dieser Bereich von der Palette 11 ausgefüllt ist
und in diesen somit kein sicherheitskritisches Objekt mehr eindringen
kann, wird im einfachsten Fall der dem Bereich A entsprechende Teil
der Schutzzone 2 als Muting-Bereich definiert. Während ein
Eindringen eines Objekts in den Muting-Bereich nicht zur Generierung
einer Objektmeldung führt, führt ein
Objekteingriff in den nicht gemuteten Bereich der Schutzzone 2 zur
Generierung einer Objektmeldung und damit zu einem Abschalten des
Arbeitsmittels.
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Wie
aus der Anordnung in 2 ersichtlich, erstreckt sich
die Palette 11 nahezu über
die gesamte Breite des Transportbandes 10. Ist dieses beispielsweise
von Zäunen
seitlich umgeben ist gewährleistet, dass
bei einer in der Schutzzone 2 befindlichen Palette 11 auch
seitlich am Transportband 10 keine Person eindringen kann.
Somit kann alternativ die gesamte Schutzzone 2 als Muting-Bereich aktiviert
werden.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Muting-Bereich so lange aktiv, solange sich die Palette
als nicht sicherheitskritisches Objekt innerhalb der Schutzzone 2 befindet.
Durch die genannten Alternativen der Dimensionierung der Muting-Bereiche
ist gewährleistet,
dass eine Detektion der Palette 11 als nicht sicherheitskritische
Objekte durch den optischen Sensor 1 nicht zu einem unerwünschten
Abschalten des Arbeitsmittels führt.
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Wird
die Palette 11 aus der Schutzzone 2 heraus bewegt,
wird der Muting-Bereich
im optischen Sensor wieder deaktiviert. Dann führt ein Objekteingriff an beliebigen
Stellen der Schutzzone 2 zu einer Objektmeldung und damit
zu einem Abschalten des Arbeitsmittels.
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- 1
- optischer
Sensor
- 2
- Schutzzone
- 3
- Kamera
- 4
- Beleuchtungssystem
- 5
- Lichtstrahlen
- 6
- Auswerteeinheit
- 7a
- Mikroprozessoren
- 7b
- Mikroprozessoren
- 8
- Ausgangsschaltung
- 9
- Schaltausgang
- 10
- Transportband
- 11
- Palette