DE102008063081B4

DE102008063081B4 - Sicherungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer mehrgliedrigen Maschine

Info

Publication number: DE102008063081B4
Application number: DE102008063081.0A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Friedrichs Jan; Dipl.-Ing. Wedler Armin; Prof. Dr.-Ing. Denkena Berend
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: FRIEDERICHS, JAN, CN; WEDLER, ARMIN, DE
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: DE102008063081A1; WO2010072193A1

Abstract

Sicherungsvorrichtung zum Betreiben einer mehrgliedrigen Maschine (10), mit a) einer Vielzahl an Abstandserfassungseinheiten (20), wobei die Abstandserfassungseinheiten (i) zumindest einen Sensor (22) zum Ermitteln eines Abstands des Sensors zu einem in einer Sensorrichtung etwaig vorhandenen Objekt und (ii) eine Kommunikationsvorrichtung (46), die eingerichtet ist zum Abgeben eines Signals, das den Abstand kodiert, umfassen, und b) einer Zentraleinheit, die ausgebildet und eingerichtet ist, um (i) die Signale der Abstandserfassungseinheiten (20) zu empfangen, (ii) daraus zeitabhängig eine Position der Abstandserfassungseinheiten (20) in einem vorgegebenen Koordinatensystem zu ermitteln und (iii) ein Warnsignal abzugeben, wenn – das etwaig vorhandene Objekt kein Teil der Maschine ist und – der Abstand einen vorgegebenen Schwellenwert (dSchwelle) unterschreitet, wobei die Zentraleinheit – eine richtungssensitive Antenne aufweist und – eingerichtet ist zum zeitabhängigen Ermitteln der Position der Abstandserfassungseinheiten (20) mittels Triangulation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung zum Betreiben mindestens einer mehrgliedrigen Maschine. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer mehrgliedrigen Maschine.
Mehrgliedrige Maschinen sind beispielsweise Roboter, die in der Handhabungstechnik oder in der Fertigungstechnik eingesetzt werden. Sie besitzen in der Regel einen Aktuator, mit dem beispielsweise ein Werkstück gegriffen werden kann, und eine Grundeinheit, die auf dem Boden angeordnet ist. Es muss nun sichergestellt werden, dass die mehrgliedrige Maschine beim Betrieb keine Personen oder andere Maschinen gefährdet. Trifft nämlich beispielsweise der Greifer eine Person, so kann dies zu Verletzungen führen.
Bei bekannten mehrgliedrigen Maschinen wird die Sicherheit von Personen durch Lichtschrankensysteme gewährleistet. Bewegt sich eine Person in den Gefahrenbereich der mehrgliedrigen Maschine, also den Bereich, den die mehrgliedrige Maschine erreichen kann, so wird ein Alarm ausgelöst und beispielsweise die mehrgliedrige Maschine stillgesetzt.
Nachteilig hieran ist, dass beim Abschalten der mehrgliedrigen Maschine beachtliche Bremsmomente auftreten können, die zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Maschine führen.
Die AT 502 931 A2 offenbart eine Arbeitsbereichsüberwachung für automatisierte programmgesteuerte Maschinen und Roboter. Dabei werden Entfernungsmesssensoren verwendet, die den Arbeitsbereich der Maschine abdecken. Zunächst wird in einem Trainingsbetrieb ein erster Satz Entfernungsinformationen gewonnen, aus dem Referenzdaten erstellt werden. Beim späteren Arbeitsbetrieb der Maschine werden die dann ermittelten Entfernungsdaten mit den im Trainingsbetrieb erhaltenen Daten bzw. den aus diesen gewonnenen Referenzdaten verglichen. Bei Abweichungen wird die laufende Bearbeitungssequenz unterbrochen und der Roboter zum Stillstand gebracht.
Die DE 101 62 412 A1 offenbart eine Einrichtung und ein Verfahren zum Sichern von Vorrichtungen mit frei im Raum beweglichen Teilen. Dabei wird auf die Vorrichtung ein taktiles Sensorsystem aufgebracht, das beispielsweise aus Lichtwellenleitern bestehen kann. Kommt das frei im Raum bewegliche Teil beispielsweise eines Roboters mit anderen Gegenständen in Kontakt, schaltet das Sensorsystem die Bewegung ab.
Die DE 10 2006 048 163 A1 offenbart eine kamerabasierte Überwachung bewegter Maschinen zur Kollisionsverhinderung. Auch hier wird in einer Trainingsphase zunächst eine Datenbasis erstellt, mit der später aufgenommene Bilddaten verglichen werden. Kommt es hier zur Abweichungen zwischen den während des Arbeitens der Maschine aufgenommenen Bilddaten mit der generierten Datenbasis wird die Maschine abgeschaltet.
Aus der DE 10 2005 003 492 A1 ist eine Maschine bekannt, die über einen Gefahrenbereich verfügt. Um diesen noch sicherer auszugestalten, wird ein kapazitiver Sensor vorgeschlagen, der eine Annäherung beispielsweise einer Person registriert und zum Abschalten der Vorrichtung führt.
Die DE 10 2007 007 576 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sichern eines Arbeitsraumes. Dabei wird ein dreidimensionales Bild vom Arbeitsraum erstellt, das den Ist-Zustand des Arbeitsraums dokumentiert. Dieses wird mit einem Soll-Zustand verglichen. Sollte es hier zu Abweichungen kommen, wird die Maschine, deren Arbeitsraum gesichert werden soll, abgeschaltet.
Die US 5,280,622 A offenbart einen Fertigungsroboter, dessen Arbeitsraum durch einen Vorhang von Lichtschranken umgeben ist. Zusätzlich werden Ultraschallsensoren verwendet, um den Abstand zu anderen Objekten zu bestimmen. Wird nun eine der Lichtschranken durchbrochen, wird geprüft, ob der Abstand des Roboters zum fremden Gegenstand tatsächlich eine Gefährdung darstellt und in diesem Fall wird der Roboter abgeschaltet.
Die DE 10 2004 043 515 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Objektes. Dabei verfügt die Vorrichtung über wenigstens zwei Sensoren, die einen abzudeckenden Bereich überwachen. Dabei werden Einzelbilder erstellt, deren Koordinaten als „sicher” gekennzeichnet werden, sofern der Sensor sie als frei von einem Objekt erkennt. Alle anderen Koordinatenpunkte werden als „unsicher” gekennzeichnet, wobei aus diesen Datenpunkten später die Objektkoordinaten erstellt werden.
Aus der DE 10 2004 043 514 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer sicherheitsrelevanten Funktion einer Maschine bekannt. Diese umfasst wenigstens einen Sensor, der einen Überwachungsbereich überwacht. Aus den von diesem Sensor ermittelten Daten sowie beispielsweise der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung der Maschine kann ein variabel gestaltbarer Sicherheitsbereich festgelegt werden. Damit kann verschiedene Betriebsmodi der Vorrichtung Rechnung getragen werden.
Die DE 10 2005 003 827 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Interaktion zwischen einem Menschen und einer Robotereinheit. Dabei umfasst die Vorrichtung zwei Sensoreinheiten, die ein Annähern eines Menschen an den Arbeitsplatz des Roboters bei verschiedenen Abständen erfassen und dem Betriebsmodus des Roboters entsprechend anpassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden.
Die Erfindung löst das Problem durch eine Sicherungsvorrichtung zum Betreiben mindestens einer mehrgliedrigen Maschine, mit (a) einer Vielzahl an Abstandserfassungseinheiten, wobei die Abstandserfassungseinheiten (i) zumindest einen Sensor zum Ermitteln eines Abstands des Sensors zu einem in einer Sensorrichtung etwaig vorhandenen Objekt und (ii) eine Zentraleinheit umfassen, die ausgebildet ist, um (i) die Signale der Abstandserfassungseinheiten zu empfangen, (ii) daraus zeitabhängig eine Position der Abstandserfassungseinheiten in einem vorgegebenen Koordinatensystem zu ermitteln und (iii) ein Warnsignal abzugeben, wenn das etwaig vorhandene Objekt kein Teil der Maschine ist und der Abstand einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, wobei die Zentraleinheit eine richtungssensitive Antenne aufweist und eingerichtet ist zum zeitabhängigen Ermitteln der Position der Abstandserfassungseinheiten mittels Triangulation.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Betreiben einer mehrgliedrigen Maschine, mit den Schritten (a) Anbringen einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung an zumindest ein Glied der Maschine, (b) kontinuierliches automatisches Empfangen der Signale der Abstandserfassungseinheiten mittels der Zentraleinheit, (c) zeitabhängiges Ermitteln einer Position der Abstandserfassungseinheiten in einem vorgegebenen Koordinatensystem mittels Triangulation, (d) zeitabhängiges Erfassen der Abstände, (e) aus den Abständen und den Positionen Ermitteln, ob ein fremdes Objekt einen Abstand zu der mehrgliedrigen Maschine hat, der unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt, und (f) bejahendenfalls Abgeben eines Warnsignals.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass Objekte, beispielsweise ein Mensch oder ein anderer Roboter, durchaus in den Gefahrenbereich um die mehrgliedrige Maschine eindringen können, ohne dass das zur Abschaltung der mehrgliedrigen Maschine führen müsste. Mittels der Sicherungsvorrichtung kann der Abstand des Objekts zur mehrgliedrigen Maschine ermittelt werden, so dass eine gestufte Reaktion möglich ist. Unter dem Abstand wird hierbei die kürzeste Verbindung zwischen einem Punkt des Objekts und einem Teil der mehrgliedrigen Maschine verstanden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die mehrgliedrige Maschine bei abnehmendem Abstand zum Objekt, nämlich wenn der Schwellenwert unterschritten wird, zunächst langsamer verfahren wird und erst dann stoppt, wenn eine Kollision mit dem Objekt unmittelbar bevorstehen würde bzw. ein Alarm-Abstand unterschritten wird.
Vorteilhaft ist zudem, dass die Sicherungsvorrichtung für eine Vielzahl von mehrgliedrigen Maschinen tauglich ist. In anderen Worten kann ein und dieselbe Sicherungsvorrichtung für eine Vielzahl von unterschiedlichen mehrgliedrigen Maschinen eingesetzt werden. Es ist daher eine effiziente Massenfertigung der Abstandserfassungseinheiten und damit der Sicherungsvorrichtung möglich.
Vorteilhaft ist zudem, dass zwei mit der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung ausgerüstete mehrgliedrige Maschinen mit überschneidenden Gefahrenbereichen betrieben werden können. Es ist zwar möglich, vorteilhafterweise nicht aber notwendig, dass die Maschinensteuerung der beiden mehrgliedrigen Maschinen Informationen über die momentanen Positionen ihrer Glieder austauschen. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung ist es daher einfach möglich, eine oder beide mehrgliedrigen Maschinen umzuprogrammieren, ohne dass eine Kollision zu befürchten ist.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer mehrgliedrigen Maschine insbesondere jede Maschine verstanden, die eine kinematische Kette von mindestens zwei Objekten aufweist. Insbesondere ist die mehrgliedrige Maschine ein Roboter, beispielsweise ein Handhabungsroboter.
Unter dem Sensor wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die ausgebildet und eingerichtet ist, um zerstörungsfrei das Vorhandensein eines Objekts zu detektieren und dessen Abstand zum Sensor zu erfassen. Beispielsweise können die Sensoren Ultraschallsensoren sein oder auf der Reflexion von elektromagnetischen Wellen beruhen. In der Regel sind die Sensoren aktive Sensoren, das heißt, dass sie Wellen aussenden und/oder aktiv ausgesandte Wellen empfangen. Es ist aber prinzipiell auch denkbar, dass die Sensoren passiv sind und von der Maschine stets ausgehende Signale verarbeiten. So ist es beispielsweise möglich, dass die Sensoren einfache Kameras umfassen.
Es ist möglich, dass die Abstandserfassungseinheiten mehrere redundante Sensoren aufweisen. Besonders günstig ist es, wenn sämtliche Komponenten der Abstandserfassungseinheit auf einem Chip integriert sind.
Die Kommunikationsvorrichtung kann eingerichtet sein, um das Signal drahtlos oder drahtgebunden abzugeben. Dabei ist eine drahtlose Kommunikation dann besonders günstig, wenn eine hohe Flexibilität der Sicherungsvorrichtung gewünscht ist.
Bei der Zentraleinheit kann es sich um eine Vorrichtung handeln, die im Vergleich zu den Abstandserfassungseinheiten anders ausgebildet ist. Es ist aber auch möglich, dass jede der Abstandserfassungseinheiten zugleich als Zentraleinheit fungieren kann.
Unter dem Merkmal, dass die Zentraleinheit eingerichtet ist, um das Warnsignal abzugeben, wird insbesondere verstanden, dass ein vom Menschen wahrnehmbares oder nicht wahrnehmbares Signal ausgegeben wird. Beispielsweise ist das Warnsignal so kodiert, dass eine Maschinensteuerung der mehrgliedrigen Maschine auf das Warnsignal reagierten kann. Es kann zudem vorgesehen sein, dass das Warnsignal den Abstand kodiert, der den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Das ermöglicht eine gestufte Reaktion der Maschinensteuerung in Abhängigkeit von dem Abstand.
Der Abstand kann beispielsweise dadurch den vorgegebenen Schwellenwert unterschreiten, dass eine Laufzeit eines Ultraschallsignals eine vorgegebene Mindest-Laufzeit unterschreitet. Wenn es sich beim Sensor um einen taktilen Sensor handelt, unterschreitet der Abstand den Schwellenwert dann, wenn eine Berührung detektiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kommunikationsvorrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit der Zentraleinheit ausgebildet. Es wird so eine besonders leicht montierbare und demontierbare Sicherungsvorrichtung erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zumindest einige der Sensoren berührungslose Sensoren, insbesondere Ultraschall-Sensoren. Es kann zudem vorgesehen sein, dass zumindest einige der Abstandserfassungseinheiten taktile Sensoren umfassen.
Erfindungsgemäß weist die Zentraleinheit eine richtungssensitive Antenne auf und ist eingerichtet ist zum zeitabhängigen Ermitteln der Position der Abstandserfassungseinheiten mittels Triangulation. Auf diese Weise kann die Position einzelner Abstandserfassungseinheiten besonders schnell effizient ermittelt werden.
Bevorzugt sind die Kommunikationsvorrichtungen der Abstandserfassungseinheiten eingerichtet zum Abgeben eines Identifikationssignals, das die Sendeabstandserfassungseinheit eindeutig identifiziert. Das ermöglicht es, an einer positionierenden Maschine eine frei wählbare Anzahl an Abstandserfassungseinheiten anzubringen. Die Zentraleinheit kann dann ausgebildet sein, um in einem Einlernschritt zunächst die Identifikationssignale der Abstandserfassungseinheiten abzufragen. Die Abstandserfassungseinheiten sind dabei vorzugsweise so eingerichtet, dass das Identifikationssignal flexibel ist. So ist es möglich, dass jeder Abstandserfassungseinheit vor Inbetriebnahme der Sicherungsvorrichtung ein Identifikationskode zugewiesen wird.
Vorzugsweise sind die Kommunikationsvorrichtungen durch einen sicheren Datenbus miteinander verbunden. Beispielsweise ist der sichere Datenbus ein ASI-Bus. Derartige sicheren Datenbusse sind für eine schnelle Datenverarbeitung und einen schnellen Transport der Daten besonders vorteilhaft. Zudem ist der sichere Datenbus so ausgestaltet, dass stets sichergestellt ist, dass ein übertragenes, von der Zentraleinheit empfangenes Datenpaket mit dem gesendeten Datenpaket übereinstimmt.
Vorzugsweise erfassen die Abstandserfassungseinheiten Beschleunigungssensoren und die Sicherungsvorrichtung ist eingerichtet, um aus Beschleunigungsmessdaten der Beschleunigungssensoren die jeweilige Position der jeweiligen Abstandserfassungseinheiten in einem vorgegebenen Koordinatensystem zu ermitteln. Das kann beispielsweise durch eine schnelle Fourier-Transformation erfolgen, das heißt mittels FFT (fast Fourier transform). Es ist zudem günstig, wenn die Abstandserfassungseinheiten ausgebildet sind, um auch ihre Geschwindigkeit in einem feststehenden Koordinatensystem, beispielsweise dem Maschinen-Koordinatensystem, zu ermitteln.
Messfehler der Beschleunigungssensoren können bei lang anhaltendem Betrieb zu Fehlern bei der Positionsberechnung führen. Besonders bevorzugt ist die Zentraleinheit daher ausgebildet zum Abgleichen der mittels der Beschleunigungssensoren ermittelten Position mit einer an der Maschinensteuerung der mehrgliedrigen Maschine vorgehaltenen Position. So wird die Genauigkeit der Abstandsberechnung erhöht.
Bevorzugt sind die Abstandserfassungseinheiten in Form einer Matrix angeordnet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Abstandserfassungseinheiten in einem flächigen Substrat angeordnet sind. Dieses flächige Substrat kann flexibel sein, so dass es leicht an gebogenen Flächen der mehrgliedrigen Maschine angebracht werden kann. Besonders günstig ist es, wenn das Substrat so flexibel ist, dass es, ohne beschädigt zu werden, auf einen Krümmungsradius von weniger als 3 cm gebogen werden kann.
Die Energieversorgung der Sicherungsvorrichtung ist besonders einfach, wenn sie einen Energiewandler zum Umwandeln von aus einer Umgebung der Sicherungsvorrichtung stammender Energie in elektrische Energie aufweist. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Vorrichtung handeln, die Schallenergie in elektrische Energie umwandelt. Es ist aber auch möglich, dass Abstandserfassungseinheiten über eine Antenne verfügen, mit der sie elektromagnetische Wellen empfangen und in Strom zum Betreiben der Sicherungsvorrichtung umwandeln können. Auf diese Weise kann nutzbare elektrische Energie für die Abstandserfassungseinheiten bereitgestellt werden, ohne auf Batterien angewiesen zu sein.
Bevorzugt umfasst mindestens eine der Abstandserfassungseinheiten einen Sender und einen Empfänger, wobei beide eine Übertragungsstrecke einschließen und wobei die Zentraleinheit ausgebildet ist zum Ermitteln, ob die Übertragungsstrecke unterbrochen ist und/oder ob die Übertragungsstrecke eine vorgegebene Mindestlänge unterschreitet, und zum Ausgeben eines sicherheitsgerichteten Signals, wenn das der Fall ist.
Vorzugsweise ist die Sicherungsvorrichtung so eingerichtet, dass für jeden Punkt eines Arbeitsbereichs der mehrgliedrigen Maschine so viele Abstandserfassungseinheiten vorhanden sind, dass stets zumindest zwei Sensoren den Abstand zu einem etwaigen an dem Punkt vorhandenen Objekt ermitteln können. Möglich ist, dass zwei oder mehr Abstandserfassungseinheiten so angeordnet sind, dass die genannte Forderung erfüllt ist. Alternativ ist auch möglich, dass die Abstandserfassungseinheiten mehrere Sensoren umfassen, die diversitär ausgelegt sein können. Der Arbeitsbereich bezeichnet den Raum, den die mehrgliedrige Maschine prinzipiell erreichen kann. Die genannte Forderung bezieht sich auf alle möglichen Konfigurationen der mehrgliedrigen Maschine.
Vorteilhaft ist es, wenn die Zentraleinheit so ausgebildet ist, dass dann ein Warnsignal abgegeben wird, wenn nicht alle Abstandserfassungseinheiten für alle Orte des Arbeitsbereichs einen Abstand erfassen, der den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. So wird sichergestellt, dass ein fehlerhafter Sensor nicht zum Übersehen eines Objekts führt. Sind für jeden Punkt drei oder mehr Sensoren vorhanden, so kann vorgesehen sein, dass dann ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn eine Mehrheit der Sensoren ein Unterschreiten des Schwellenwerts anzeigen.
Günstig ist es, wenn zumindest zwei mehrgliedrige Maschinen, die eine erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung aufweisen, so positioniert werden, dass sich ihre Gefahrenbereiche überschneiden. Das bedeutet, dass es prinzipiell möglich ist, dass sich die beiden mehrgliedrigen Maschinen treffen und einander beschädigen können. Um dies auszuschließen, ist es bei mehrgliedrigen Maschinen nach dem Stand der Technik notwendig, die Bewegung der beiden Maschinen aufwändig aufeinander abzustimmen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung ist das entbehrlich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung der Maschine nach 1,
3 eine Abstandserfassungseinheit für eine erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung,
4 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung und
5 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung.
1 zeigt eine mehrgliedrige Maschine 10 in Form eines Roboters mit einem Sockel 12, einem ersten Arm 14, einem am ersten Arm 14 befestigten zweiten Arm 16 und einem Aktuator 18. Am ersten Arm 14 und am zweiten Arm 16 sowie am Aktuator 18 sind schematisch eingezeichnete Abstandserfassungseinheiten 20.1, 20.2, ..., 20.6 angebracht. Im Folgenden bezeichnen Bezugszeichen ohne Zählsuffix das Objekt jeweils als solches.
Jede Abstandserfassungseinheit 20 umfasst einen ebenfalls schematisch eingezeichneten Sensor 22, das heißt, die Abstandserfassungseinheit 20.1 umfasst einen Sensor 22.1, die Abstandserfassungseinheit 20.2 umfasst einen Sensor 22.2, und so weiter. Jeder der Sensoren 22 ist dazu ausgerichtet, um innerhalb einer jeweiligen Messkeule 24 ein Objekt zu erfassen und den Abstand dieses Objektes ermitteln zu können.
2 zeigt eine schematische Ansicht der mehrgliedrigen Maschine gemäß 1. Es ist zu sehen, dass sich die Messkeulen 24.1, 24.2, ... zumindest paarweise überlagern, so dass ein Überwachungsbereich 26 entsteht, der die mehrgliedrige Maschine 10 vollständig umfasst. Im mathematischen Sinne stellt der Überwachungsbereich 26 eine Hülle der mehrgliedrigen Maschine 10 dar. Die Gesamtheit aller Punkte, die von einem der Sensoren 22 einen vorgegebenen Sicherheitsabstand d_sicher hat, ist die äußere Hülle einer Sicherheitszone 28. Wenn sich die Arme 14, 16 und der Aktuator 18 in jeweiligen Gelenken 30.1, 30.2, 30.3 relativ zu dem vorherigen Glied in der kinematischen Kette bewegt, so ändern sich beständig die Sicherheitszone 28 und der Überwachungsbereich 26.
3 zeigt die Abstandserfassungseinheit 20, die eine äußere Membran 32 und eine innere Membran 34 aufweist, die über elastische Elemente 36.1, 36.2 miteinander verbunden sind. Wird eine Kraft F auf die äußere Membran 32 ausgeübt, so deformieren sich die elastischen Elemente 36 und ein Abstand zwischen den beiden Membranen 32, 34 verringert sich. Diese Abstandsverringerung wird von einem Sensorelement 38 erfasst. Dadurch kann eine Berührung der Abstandserfassungseinheit 20 detektiert werden.
Das Sensorelement 38 umfasst zudem einen Ultraschall-Sender und einen Ultraschall-Empfänger. Der Ultraschall-Sender sendet Ultraschallwellen mit der Messkeule 24, die gestrichelt eingezeichnet ist. Der Ultraschall-Empfänger empfängt von einem schematisch eingezeichneten Objekt 40 reflektierte Ultraschallwellen und er findet daraus einen Abstand d zu dem Objekt 40.
Auf der der äußeren Membran 32 abgewandten Seite ist eine Basisplatte 42 angeordnet, die ausgebildet ist, um mit Kontakt zur mehrgliedrigen Maschine angebracht zu werden. Zwischen der Basisplatte 42 und der inneren Membran 34 ist eine Platte 44 mit einer Kommunikationsvorrichtung 46 angeordnet. Die Abstandserfassungseinheit 20 umfasst zudem einen Sensor 48 zur Eigenidentifizierung.
Auf der Platte 44 ist zudem eine Sendevorrichtung 50 angeordnet, die ausgebildet ist, um den gemessenen Abstand d an eine weiter unten beschriebene Zentraleinheit zu senden.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung 52, die eine Vielzahl von Abstandserfassungseinheiten 20.1, ..., 20.9 aufweist, die über einen Datenbus 54 miteinander verbunden sind. Alternativ ist es auch möglich, dass die Abstandserfassungseinheiten 20.1, ..., 20.9 ein lokales Funknetzwerk aufbauen.
Eine der Abstandserfassungseinheiten, nämlich die Abstandserfassungseinheit 20.9, fungiert als Zentraleinheit, die ausgebildet ist, um Signale von den übrigen Abstandserfassungseinheiten 20.1., ..., 20.8 zu empfangen. An der Zentraleinheit 20.9 liegen daher Informationen zu allen Abständen d_i (i = 1, 2, ....) vor. Das heißt, der Zentraleinheit 20.9 liegt der Abstand d₁ der Abstandserfassungseinheit 20.1 zu dem etwaig vorhandenen Objekt 40, der Abstand d₂ der Abstandserfassungseinheit 20.2 zu dem etwaig vorhandenen Objekt 40 oder zu einem anderen Objekt, und so weiter, vor. Es könnte also auch davon gesprochen werden, dass die Abstandserfassungseinheiten 20.1, ..., 20.8 als Slave-Einheiten fungieren, wohingegen die Abstandserfassungseinheit 20.9 als Master-Einheit fungiert.
Zwischen den einzelnen Abstandserfassungseinheiten 20.i sind Blindmodule 56.1, 56.2, ... angeordnet, die zusammen mit den Abstandserfassungseinheiten 20 eine flexible Matrix 58 bilden. Die flexible Matrix 58 ist so ausgebildet, dass sie in zwei Richtungen gekrümmt werden kann, so dass eine große Vielzahl beliebig gekrümmter mehrgliedriger Maschinen mit der Matrix 58 bedeckt werden kann.
Die Zentraleinheit 20.9 ist über eine Funkverbindung mit einer Auswerteeinheit 60 verbunden, die die gemessenen Abstände d_i der jeweiligen Abstandserfassungseinheit 20.i erfasst und ein Signal ausgibt, wenn ein Objekt einen vorgegebenen Schwellenwert d_Schwelle unterschreitet. Die Auswerteeinheit 60 kann zusammen mit der Abstandserfassungseinheit 20.9 als Teil einer Zentraleinheit aufgefasst werden.
5 zeigt schematisch den zweiten Arm 16 (vgl. 1), auf dem die Sicherungsvorrichtung 52 angebracht ist. Die Kontur der Sicherungsvorrichtung 52 folgt der Kontur des Substrats, im vorliegenden Fall der Kontur des zweiten Arms 16. Es kann daher bei der Matrix 58 auch von einer Sensorhaut gesprochen werden. Um eine erfindungsgemäße Maschine zu erhalten, wird eine herkömmliche Maschine, beispielsweise der Roboter 10 (1) zumindest abschnittsweise mit der Sicherungsvorrichtung 52 wie in 5 schematisch gezeigt, verbunden. Anschließend wird die Lage der Messkeulen 24.i für alle Abstandserfassungseinheiten 20.i relativ zu dem Glied der mehrgliedrigen Maschine 10 ermittelt, auf dem es angebracht ist.
1 zeigt schematisch eine Maschinensteuerung 62 der mehrgliedrigen Maschine 10, die mit der Auswerteeinheit 60 der Sicherungsvorrichtung 52 in Kontakt steht, so dass Daten ausgetauscht werden können. Aus der Position der Maschinenglieder, hier des ersten Arms 14, des zweiten Arms 16 und des Aktuators 18, kann die Lage der jeweiligen Messkeulen 24.i relativ zum Sockel 12 berechnet werden. Detektiert nun einer der Sensoren 22.i einen Abstand d_i, der kleiner ist als der Schwellenwert d_Schwelle, so wird zunächst überprüft, ob es sich bei dem detektierten Objekt um ein Teil der mehrgliedrigen Maschine 10 handelt. Ist das nicht der Fall, wird die Bewegung der mehrgliedrigen Maschine 10 abgebremst oder angehalten.
3 zeigt schematisch, dass das Sensorelement 38 einen Beschleunigungssensor 64 umfasst, der innerhalb kurzer Zeitabschnitte, beispielsweise innerhalb von 50 Millisekunden, Beschleunigungsmesswerte erfasst. Diese Beschleunigungsmesswerte werden von einer zugeordneten elektrischen Steuerung mittels schneller Fourier-Transformation (FFT fast Fourier transform) zweifach integriert, so dass die absolute Position in einem raumfesten Koordinatensystem bekannt ist.
In regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise alle 5 Sekunden, wird die so erfasste Position an die Auswerteeinheit 60 gesendet (1), die diese mit der Position abgleicht, die sie nach den Daten der Maschinensteuerung 62 haben müsste. Etwaige Unterschiede werden an die Abstandserfassungseinheit 20 zurückgesendet, so dass in jeder Abstandserfassungseinheit 20 stets die korrekte Position innerhalb vorgegebener Fehlertoleranzen in absoluten Koordinaten bekannt ist.
Bezugszeichenliste

10: mehrgliedrige Maschine
12: Sockel
14: erster Arm
16: zweiter Arm
18: Aktuator
20: Abstandserfassungseinheit
22: Sensor
24: Messkeule
26: Überwachungsbereich
28: Sicherheitszone
30: Gelenk
32: äußere Membran
34: innere Membran
36: elektrisches Element
38: Sensorelement
40: Objekt
42: Basisplatte
44: Platte
46: Kommunikationsvorrichtung
48: Sensor
50: Sendevorrichtung
52: Sicherungsvorrichtung
54: Datenbus
56: Blindmodul
58: Matrix
60: Auswerteeinheit
62: Maschinensteuerung
64: Beschleunigungssensor
d: Abstand
d_Schwelle: Schwellenwert

Claims

Sicherungsvorrichtung zum Betreiben einer mehrgliedrigen Maschine (10), mit a) einer Vielzahl an Abstandserfassungseinheiten (20), wobei die Abstandserfassungseinheiten (i) zumindest einen Sensor (22) zum Ermitteln eines Abstands des Sensors zu einem in einer Sensorrichtung etwaig vorhandenen Objekt und (ii) eine Kommunikationsvorrichtung (46), die eingerichtet ist zum Abgeben eines Signals, das den Abstand kodiert, umfassen, und b) einer Zentraleinheit, die ausgebildet und eingerichtet ist, um (i) die Signale der Abstandserfassungseinheiten (20) zu empfangen, (ii) daraus zeitabhängig eine Position der Abstandserfassungseinheiten (20) in einem vorgegebenen Koordinatensystem zu ermitteln und (iii) ein Warnsignal abzugeben, wenn – das etwaig vorhandene Objekt kein Teil der Maschine ist und – der Abstand einen vorgegebenen Schwellenwert (d_Schwelle) unterschreitet, wobei die Zentraleinheit – eine richtungssensitive Antenne aufweist und – eingerichtet ist zum zeitabhängigen Ermitteln der Position der Abstandserfassungseinheiten (20) mittels Triangulation.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Sensoren berührungslose Sensoren sind, insbesondere Ultraschall-Sensoren.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Abstandserfassungseinheiten (20) taktile Sensoren umfassen.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsvorrichtungen (46) der Abstandserfassungseinheiten (20) eingerichtet sind zum Abgeben eines Identifikationssignals, das die sendende Abstandserfassungseinheit (20) eindeutig identifiziert.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandserfassungseinheiten (20) Beschleunigungssensoren (64) umfassen und die Sicherungsvorrichtung (52) eingerichtet ist, um aus Beschleunigungsmessdaten der Beschleunigungssensoren (64) die jeweilige Position der jeweiligen Abstandserfassungseinheiten (20) in einem vorgegebenen Koordinatensystem zu ermitteln.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit ausgebildet ist zum Abgleichen der mittels der Beschleunigungssensoren (64) ermittelten Position mit einer in einer Maschinensteuerung (62) der mehrgliedrigen Maschine (10) vorgehaltenen Position.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandserfassungseinheiten (20) in Form einer Matrix (58), insbesondere in einem flächigen, flexiblen Substrat, angeordnet sind.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Energiewandler zum Umwandeln von aus einer Umgebung der Sicherungsvorrichtung (52) stammender Energie in elektrische Energie.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Abstandserfassungseinheiten (20) – einen Sender und – einen Empfänger aufweist, die eine Übertragungsstrecke einschließen, – wobei die Zentraleinheit ausgebildet ist zum Ermitteln, ob die Übertragungsstrecke unterbrochen ist und/oder die Übertragungsstrecke eine vorgegebene Mindestlänge unterschreitet, und bejahendenfalls Ausgeben eines sicherheitsgerichteten Signals.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Punkt eines Arbeitsbereichs der mehrgliedrigen Maschine (10) so viele Abstandserfassungseinheiten (20) vorhanden sind, dass stets zumindest zwei Sensoren (22) den Abstand zu einem etwaigen an dem Punkt vorhandenen Objekt ermitteln können.
Mehrgliedrige Maschine, insbesondere Roboter, mit einer Sicherungsvorrichtung (52) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandserfassungseinheiten (20) lösbar mit der Maschine verbunden sind.
Maschine nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Maschinensteuerung (62), wobei die Zentraleinheit und/oder die Maschinensteuerung ausgebildet ist, um nach vorgegebenen Zeitabschnitten die ermittelten Positionen mit in der Maschinensteuerung (62) hinterlegten Positionsdaten abzugleichen.
Produktionsanlage mit zumindest zwei mehrgliedrigen Maschinen nach einem der Ansprüche 11 bis 13, – wobei jede der mehrgliedrigen Maschinen einen Gefahrenbereich aufweist, in dem die mehrgliedrige Maschine (10) beim Betrieb mit einem Objekt kollidieren kann, und – wobei sich die Gefahrenbereiche von zumindest zwei der mehrgliedrigen Maschinen überlappen.
Verfahren zum Betreiben einer mehrgliedrigen Maschine (10), mit den Schritten: a) Anbringen einer Sicherungsvorrichtung (52) nach einem der vorstehenden Ansprüche an zumindest ein Glied der Maschine, b) kontinuierliches automatisches Empfangen der Signale der Abstandserfassungseinheiten (20) mittels der Zentraleinheit, c) zeitabhängiges Ermitteln einer Position der Abstandserfassungseinheiten (20) in einem vorgegebenen Koordinatensystem mittels Triangulation d) zeitabhängiges Erfassen der Abstände, e) aus den Abständen und den Positionen Ermitteln, ob ein fremdes Objekt einen Abstand zu der mehrgliedrigen Maschine (10) hat, der unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts (d_Schwelle) liegt und f) bejahendenfalls Abgeben eines Warnsignals.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Schritte: – aus den Abständen und den Positionen Ermitteln, ob ein fremdes Objekt einen Warn-Abstand zu der mehrgliedrigen Maschine (10) hat, der unterhalb eines Warn-Schwellenwerts liegt, und – bejahendenfalls Ansteuern der mehrgliedrigen Maschine, so dass eine Bewegung verringert, nicht aber gestoppt wird.