DE102012212754A1

DE102012212754A1 - Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems sowie Sensorsystem

Info

Publication number: DE102012212754A1
Application number: DE102012212754.2A
Authority: DE
Inventors: Joachim Frangen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2032-07-21
Also published as: FR2992710A1; CN103528604B; US20140001888A1; CN103528604A; FR2992710B1; US9559515B2; DE102012212754B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems, mit wenigstens einem kapazitiven Sensorelement (10), das an der Oberfläche von Maschinen (100) oder Maschinenteilen anbringbar ist, wobei sich elektrische Feldlinien am Sensorelement (10) bei einer Annäherung und/oder einem Kontakt eines Körpers oder eines Objekts verändern, und wobei das wenigstens eine Sensorelement (10) mit einer Steuereinrichtung (20) verbunden ist, die aufgrund der erfassten Änderung der Feldlinien des wenigstens einen Sensorelements (10) eine Sicherheitsfunktion an der Maschine (100) oder dem Maschinenteil auslöst. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das wenigstens eine Sensorelement (10) zusätzlich zur Erfüllung der Sicherheitsfunktion eine Bedienfunktion aufweist, dass aus dem Ort des wenigstens einen Sensorelements (10) und dem zeitlichen Verlauf der Änderung der Feldlinien auf eine Bedienfunktion geschlossen wird, und dass die Sicherheitsfunktion in einem Grundzustand des Sensorsystems Vorrang vor der Bedienfunktion hat.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems sowie ein Sensorsystem nach den Oberbegriffen der beiden unabhängigen Ansprüche.
Ein derartiges Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems sowie ein Sensorsystem sind aus der DE 10 2009 029 021 A1 der Anmelderin bekannt. Es umfasst wenigstens ein kapazitives Sensorelement, dessen von ihm erzeugte Feldlinien sich bei einer Annäherung eines Körpers oder eines Objekts verändern, wobei die Veränderung mittels einer Steuereinrichtung erfasst und ausgewertet werden kann. Das bekannte Sensorsystem dient insbesondere bei Handhabungsrobotern oder ähnlichen Maschinen bzw. Einrichtungen dazu, bei Annäherung eines Menschen bzw. einer (unerwarteten) Annäherung eines Objekts an ein sich bewegendes Maschinenteil, beispielsweise einen Roboterarm, die Handhabungseinrichtung in einen Sicherheitsmodus zu schalten, bei der die Bewegung des betreffenden Maschinenbauteils gestoppt wird. Dadurch lassen sich insbesondere Verletzungen bei einer Kollision der Handhabungseinrichtung mit einem Menschen bzw. Beschädigungen an Objekten oder der Handhabungseinrichtung vermeiden oder zumindest minimieren. Das bekannte Sensorsystem umfasst vorzugsweise eine Vielzahl von flächigen Sensorelementen, die über beispielsweise die gesamte Oberfläche einer Handhabungseinrichtung in Art einer Sensorhaut angeordnet und schaltungstechnisch miteinander verbunden sind.
Anwendungen, bei denen Handhabungseinrichtungen mit Menschen in einem gemeinsamen Arbeitsraum miteinander zusammenwirken, werden zukünftig mehr und mehr an Bedeutung gewinnen. Derartige Anwendungen ergeben sich beispielsweise in der Erzeugnisfertigung, z.B. in der Montage, beim Schweißen oder Lackieren, im Bereich von sogenannten Servicerobotern (z.B. für Hol- und Bringdienste), Reinigungsrobotern, Inspektionsrobotern, im Bereich autonomer Fahrzeuge im Umfeld von Menschen, im Bereich von Medizinrobotern, die eng am Menschen arbeiten (z.B. für die Angiographie und Tumorbehandlung) oder sonstigen Anwendungen. Die Kollaborationsfähigkeit derartiger Maschinen beruht im Wesentlichen auf zwei Grundfunktionen, der sicheren Bewegung im Umfeld von Menschen sowie der intuitiven Interaktion mit Menschen. Hinsichtlich der Interaktionsfähigkeit wird diese üblicherweise mit klassischen Bedienelementen wie Tastern, Schaltern, Tastaturen, Dreh- und Schieberegler, Joysticks, Computermäusen und Touchscreens verwirklicht. Bekannt sind auch spracherkennende Systeme, die auf gesprochene Kommandos reagieren sowie optische Systeme, welche die Bewegungen eines Bedieners (zum Beispiel in Form von Gesten) erkennen. Zum Führen von Robotern sind darüber hinaus verschiedene Interaktionstechnologien bekannt, so zum Beispiel die indirekte Bedienung über klassische Bedienelemente, oder aber die direkte Bedienung, bei der der Bediener den Roboterarm mit seinen Händen verschiebt (Erfassung des Bedienerwunsches durch Messung des Motorstroms über die Antriebsregelung oder durch zusätzliche Momentensensoren in den Gelenken des Roboterarms).
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems bzw. ein Sensorsystem nach dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Anspruchs derart weiterzubilden, dass dieses dazu geeignet ist, sowohl als Sicherheitssystem zur Vermeidung von Kollisionen von Maschinen oder Maschinenbauteilen mit Menschen oder Objekten, als auch als System zur Interaktion zwischen einer Maschine und einem Bediener verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Sensorelement zusätzlich zu einer Sicherheitsfunktion eine Bedienfunktion aufweist, dass aus dem Ort des wenigstens einem Sensorelements und dem zeitlichen Verlauf der Änderung der Feldlinien auf eine Bedienfunktion geschlossen wird, und dass die Sicherheitsfunktion in einem Grundzustand des Sensorsystems Vorrang vor der Bedienfunktion hat. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass ein und dasselbe Sensorelement eines Sensorsystems auf unterschiedliche Art und Weise verwendet werden kann, als Auslöser für eine Sicherheitsfunktion und als Schaltelement für eine Bedienfunktion. Aus Sicherheitsgründen ist es dabei vorgesehen, dass die Sicherheitsfunktion in einem Grundzustand des Sensorsystems Vorrang vor der Bedienfunktion hat. Das bedeutet, dass beispielsweise keine Gesten in unmittelbarer Nähe der bewegten Maschine oder des bewegten Roboters ausgeführt werden dürfen. Sollte ein Bediener dieses versuchen, wird die Sicherheitsfunktion die Maschine oder den Roboter sicher bis zum Stillstand abbremsen. Erst danach kann der Bediener mit einer Geste die gewünschte Funktion aufrufen. Dadurch werden insbesondere Verletzungen bei Personen sowie Beschädigungen an Maschinen bzw. Objekten sicher vermieden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Sensorsystems sowie eines Sensorsystems sind in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Dabei sollen verfahrenstechnisch offenbarte Merkmale als vorrichtungstechnisch offenbart und beanspruchbar gelten und vorrichtungstechnisch offenbarte Merkmale gleichzeitig als verfahrenstechnisch offenbart und beanspruchbar.
Zur Vereinfachung der Bedienung einer Maschine oder beispielsweise eines Roboters kann es vorgesehen sein, dass die Sicherheitsfunktion durch die Betätigung eines Sicherheitsschalters zeitweise außer Funktion gesetzt werden kann. Damit ist gemeint, dass durch bewusstes Drücken eines Sicherheitsschalters die Maschine bzw. der Roboter unmittelbar in einen Bedienmodus geschaltet wird, bei dem eine Annäherung eines Menschen oder eines Objekts an ein Sensorelement als nicht sicherheitsrelevant eingestuft wird, so dass beispielsweise die Bewegung der Maschine bzw. des Roboters nicht gestoppt wird. In diesem Betriebszustand übernimmt der Bediener die Verantwortung für den sicheren Betrieb der Maschine bzw. des Robotersystems. Vorzugsweise ist der Sicherheitsschalter dabei so ausgebildet, dass dieser, wenn er durch einen Bediener nicht betätig bzw. gedrückt wird, in seinen ursprünglichen Schaltzustand zurückschaltet, bei der sich das Sensorelement der Maschine bzw. des Roboters in ihrem Sicherheitsmodus befindet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sicherheitsfunktion in Abhängigkeit von dem erfassten Abstand eines Körpers oder eines Objekts von der Maschine oder dem Maschinenteil drei unterschiedliche Schaltzustände aufweist, dass in dem ersten, als Nahbereich bezeichneten Schaltzustand, der einem geringen Abstand (beispielsweise weniger als 20cm) des Körpers oder Objektes zur Maschine oder zum Maschinenteil zugeordnet ist, die Bewegung von der Sicherheitsfunktion vollständig gestoppt wird, dass in einem zweiten, als mittleren Bereich bezeichneten Schaltzustand, der einem mittleren Abstand (beispielsweise zwischen 20cm und 40cm) des Körpers oder Objektes zur Maschine oder zum Maschinenteil zugeordnet ist, die Bewegung von der Sicherheitsfunktion auf eine sichere Geschwindigkeit V1 begrenzt wird, und dass in einem dritten, als Fernbereich bezeichneten Schaltzustand, der einem großen Abstand (beispielsweise mehr als 40cm) des Körpers oder Objektes zur Maschine oder zum Maschinenteil zugeordnet ist, die Bewegung von der Sicherheitsfunktion auf eine sichere Geschwindigkeit V2 begrenzt wird, die größer sein kann als die Geschwindigkeit V1. Gemeint ist hier folgendes: Im Nahbereich sorgt die Sicherheitsfunktion für einen sicheren Halt, so dass von der Bewegung der Maschine oder des Maschinenteils keine Gefahr mehr für den Bediener ausgeht und dieser beliebige Gesten direkt vor den Sensorelementen ausführen kann. Im mittleren Bereich können nur Gesten ausgeführt werden, bei denen sich die Hand nicht näher als bis zu einem minimalen Abstand von beispielsweise 20cm an die bewegte Maschine oder das Maschinenteil annähert. Dieser Schaltzustand kann beispielsweise dazu genutzt werden, um einen Roboter berührungslos mit einer Hand zu führen, indem der Roboter seine Position so regelt, dass sein Abstand und seine Orientierung zur Hand immer gleich bleiben. Im Fernbereich gibt es keine Einschränkung für die Ausführung von Gesten.
In eine vereinfachte Ausgestaltung kann der Mittlere Bereich entfallen, so dass nur eine Schaltschwelle von beispielsweise 20cm besteht, die den Nahbereich vom Fernbereich trennt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Bedienfunktion mehrere Bedienmodi aufweist, wobei ein erster Bedienmodus ein Einlernen einer Geste durch das Sensorsystem betrifft, und wobei ein zweiter Bedienmodus ein Ausführen einer im ersten Bedienmodus eingelernten Geste durch die Maschine oder ein Maschinenteil betrifft. Der erste Bedienmodus bedeutet damit zum Beispiel, dass eine bestimmte Geste von einem Bediener mehrfach nacheinander wiederholt wird, und dass das Sensorsystem die jeweils während der Ausführung der Geste erfassten Sensorwerte abspeichert. Aus den abgespeicherten Sensorwerten kann beispielsweise ein „mittlerer“ Signalverlauf für eine bestimmte Geste ermittelt werden, der mit Toleranzwerten behaftet auch das Erkennen von Gesten ermöglicht, die von dieser „mittleren“ Geste abweichen, jedoch offensichtlich dieselbe Funktion durch die Steuereinrichtung auslösen sollen. Sobald der Einlernprozess bzw. der erste Betriebsmodus abgeschlossen ist, arbeitet das Sensorsystem in dem zweiten Betriebsmodus. Wird nun eine Geste ausgeführt, so vergleicht die Steuereinrichtung die in der Steuereinrichtung abgespeicherten mittleren Signalverläufe von abgespeicherten Gesten mit dem aktuell erfassten Signalverlauf einer Geste. Wird eine Übereinstimmung gefunden, so wird auf eine bestimmte Geste geschlossen, die dazu führt, dass die Steuereinrichtung der Maschine bzw. des Roboters eine bestimmte Aktion, z.B. einen Verschraubprozess oder ähnliches, auslöst.
Ein erfindungsgemäßes Sensorsystem zeichnet sich in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch aus, dass im Bedienmodus mehrere Sensorelemente ein Bedienfeld ausbilden, wobei die von der Steuereinrichtung erfassten Eingangswerte der Sensorelemente mittels einer Rechnereinheit auswertbar sind.
Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die ein Bedienfeld ausbildenden Sensorelemente eine Teilmenge aller an der Maschine oder dem Maschinenteil angeordneten Sensorelemente darstellen, und wenn die Teilmenge der Sensorelemente aus der Gesamtmenge der Sensorelemente auswählbar ist. Gemeint ist hier folgendes: Eine Maschine oder ein Maschinenbauteil ist mit einer Vielzahl von Sensorelementen überzogen. Beispielsweise bildet eine Matrix von 5×5 nebeneinander angeordneten Sensorelementen ein Bedienfeld aus. Dieses Bedienfeld kann an beliebiger Stelle der Maschinenoberfläche durch eine entsprechende Ansteuerung entsprechender Sensorelemente durch die Steuereinrichtung konfiguriert werden. Das bedeutet, dass beispielsweise das betreffende Bedienfeld entweder an einem Roboterarm ausgebildet werden kann, oder im Bereich eines Trägerelements. Mittels einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung lässt sich ein Bedienfeld des Sensorsystems an unterschiedlichste Maschinen bzw. Maschinenbauteile sowie Anwendungen frei anpassen, ohne dass dazu zusätzliche hardwaremäßige Vorrichtungen getroffen werden müssen. Die Zuordnung der Sensorelemente zu den Bedienfeldern erfolgt rein softwaremäßig.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Sensorelement im Bedienmodus als digitaler Schalter oder als analoger Schalter in Art beispielsweise eines Schiebereglers wirkt. Das bedeutet, dass im Bedienmodus beispielsweise beim Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes am Sensorelement die Steuereinrichtung ein bestimmtes Maschinenelement ein- oder ausschaltet, unabhängig davon, um welchen Wert der Schwellwert überschritten wurde. Alternativ hierzu kann jedoch auch die absolute Höhe des erfassten Messwerts des Sensorelements dazu verwendet werden, beispielsweise in ein entsprechendes Geschwindigkeitssignal zum Betreiben eines Maschinenelements umgesetzt zu werden, so dass die Höhe des Sensorsignals einem bestimmten analogen Wert (für die Geschwindigkeit des Maschinenbauteils) entspricht.
Um einem Bediener eine Rückmeldung zu geben, ob beispielsweise eine von ihm ausgeführte Geste von dem Sensorsystem richtig erfasst bzw. interpretiert wurde, kann es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens ein optisches, akustisches oder sonstiges Anzeigeelement vorgesehen ist, mittels dessen die Steuereinrichtung im Bedienmodus ein Signal ausgibt. Beispielsweise kann dieses Anzeigeelement in einem Monitor bestehen, der durch eine entsprechende optische Anzeige dem Bediener die erfasste Geste bzw. einen bestimmten Bedienerwunsch als Rückmeldung signalisiert. Alternativ hierzu kann beispielsweise durch ein akustisches Signal dem Bediener mitgeteilt werden, dass die Steuereinrichtung eine bestimmte Geste zweifelsfrei erkannt hat oder aber auch, wenn eine Geste nicht erkannt wurde. Auch können andersartige Elemente, beispielsweise LEDs, einer derartigen Rückmeldung für den Bediener dienen.
Ganz besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn das wenigstens eine im Bedienmodus wirkende Sensorelement an der Maschine oder dem Maschinenbauteil optisch markiert ist. Damit wird dem Bediener signalisiert, an welcher Stelle er beispielsweise eine Geste ausführen soll, damit diese möglichst einfach und eindeutig von dem Sensorsystem erkannt werden kann. Denkbar ist es beispielsweise, eine derartige Markierung mittels einer Beleuchtung vorzunehmen, die lediglich im Bedienmodus der Maschine erkennbar sind. Es können jedoch auch aufgedruckte Markierungen oder ähnliches verwendet werden, damit der Bediener den Bereich der Sensorelemente erkennt, über die eine Eingabe beispielsweise von Gesten ermöglicht wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 eine schematische Darstellung eines Handhabungsroboters während der Übergabe eines Gegenstands durch einen Bediener,
2 den prinzipiellen Aufbau eines Interaktionssystems, bei der ein aus 24 Sensorelementen aufgebautes Bedienfeld der Erkennung einer Geste dient und
3 eine Darstellung zur Verdeutlichung einer beispielhaften Arbeitsweise eines virtuellen Bedienungselementes zur Erfassung eines Tastendruckes.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist eine Maschine in Form eines Handhabungsroboters 100 dargestellt. Der Handhabungsroboter 100 umfasst einen Maschinensockel 101, der einen in einer ersten Achse 102 drehbar gelagerten Roboterarm 103 trägt. Der Roboterarm 103 weist drei Armabschnitte 104 bis 106 auf, die wiederum in jeweils einer Achse 107 bis 109 in Richtung der dargestellten Doppelpfeile schwenkbar gelagert sind. Der Armabschnitt 106 trägt einen Greifmechanismus 110 zum Greifen eines Gegenstands 1. Ein derartiger, soweit beschriebener Handhabungsroboter 100 ist dazu geeignet, den Gegenstand 1 innerhalb der Reichweite des Roboterarms 103 an einem beliebigen Ort aufzunehmen sowie an einem zweiten, ebenfalls beliebigen Ort abzugeben.
Zumindest Bereiche des Handhabungsroboters 100 sind von einer im Einzelnen nicht dargestellten Sensorhaut mit Sensorelementen 10 überzogen, die jeweils als kapazitive Sensorelemente 10 ausgebildet sind. Die Sensorelemente 10 bilden ein Sensorsystem aus. Vorzugsweise sind die Sensorelemente 10 jeweils gleich ausgebildet, sie können jedoch auch unterschiedlich ausgebildet sein oder eine unterschiedliche Größe aufweisen. Bezüglich eines grundsätzlichen Aufbaus eines derartigen Sensorelements wird auf die DE 10 2009 029 021 A1 der Anmelderin verwiesen, die insofern Bestandteil dieser Anmeldung sein soll.
Die Sensorelemente 10 sind mit einer Steuereinrichtung 20 des Handhabungsroboters 10 verbunden. In der Steuereinrichtung 20 des Handhabungsroboters 10 sind die jeweiligen Orte der Sensorelemente 10 an dem Handhabungsroboter 100 abgespeichert. Beispielhaft werden einige der Sensorelemente 10 erfindungsgemäß so verwendet, dass über diese die Steuerung einer Funktion bzw. eine Bedienung des Handhabungsroboters 100 erfolgen kann. Hierzu werden an der Oberfläche des Handhabungsroboters 100 mehrere virtuelle Bedienfelder 11 bis 14 generiert, wobei die den einzelnen Bedienfeldern 11 bis 14 zugeordneten Sensorelemente 10 beispielsweise über eine nicht dargestellte Eingabeeinheit aus den insgesamt an dem Handhabungsroboter 100 angeordneten Sensorelementen 10 als Teilmenge dieser frei zuordenbar sind. Die nachfolgend beschriebenen Bedienfelder 11 bis 14 sollen dabei lediglich mögliche Varianten darstellen, deren Anzahl und Ausbildung in hohem Maße variierbar ist.
Das erste Bedienfeld 11 ist im Bereich des dritten Armabschnitts 106 des Roboterarms 103 an einer Seitenfläche angeordnet und wirkt als digitales Schaltelement, so dass bei Annäherung beispielsweise der Hand eines Bedieners 30 die Greifeinrichtung 110 geöffnet bzw. geschlossen wird. Das Bedienfeld 12 ist an dem zweiten Armabschnitt 105 des Roboterarms 103 angeordnet und umfasst beispielhaft sechs Sensorelemente 10, die zur Ablaufsteuerung des Betriebs des Handhabungsroboters 100 dienen, so dass bei Annäherung beispielsweise der Hand des Bedieners 30 an ein bestimmtes Sensorelement 10 im Bedienfeld 12 der Handhabungsroboter 100 ein abgespeichertes Betriebsprogramm startet bzw. abarbeitet. Das Bedienfeld 13 ist am ersten Armabschnitt 104 des Roboterarms 103 angeordnet und dient als virtuelle Näherungsfläche zur Führung des Roboterarms 103. Insbesondere, wenn auf der parallel zur Zeichenebene der 1 gegenüberliegenden Seite des ersten Armabschnitts 104 am Roboterarm 103 ein identisches Bedienfeld 13 angeordnet ist, kann durch Annäherung beispielsweise der Hand an das eine oder das andere Bedienfeld 13 bewirkt werden, dass der Roboterarm 103 sich in der ersten Achse 102 in gewünschter Richtung dreht, um beispielsweise einen bestimmten Bewegungsablauf des Roboterarms 103 einzulernen. Zuletzt ist ein Bedienfeld 14 am Maschinensockel 101 angeordnet, das in Form einer virtuellen Tastatur zur Dateneingabe dient, und eine Vielzahl von neben- und übereinander angeordneten Sensorelementen 10 umfasst.
Zur Kenntlichmachung der Bedienfelder 11 bis 14 für den Bediener 30 kann es vorgesehen sein, die Bedienfelder 11 bis 14 durch entsprechende Markierungen oder optische Hilfsmittel hervorzuheben.
Die in der 1 dargestellten Sensorelemente 10 in den Bedienfeldern 11 bis 14 dienen ebenso wie die in der 1 nicht dargestellten, und über die Oberfläche des Handhabungsroboters 100 verteilten Sensorelemente 10, die nicht in den Bedienfeldern 11 bis 14 angeordnet sind dazu, während des Betriebs des Handhabungsroboters 100 im sogenannten Sicherheitsmodus bei einer drohenden Kollision des Handhabungsroboters 100 mit einem Menschen oder einem Objekt die Bewegung des Handhabungsroboters 100 zu stoppen, um Verletzungen bzw. Beschädigungen zu vermeiden. Hierzu wertet die Steuereinrichtung 20 die von den einzelnen Sensorelementen 10 erzeugten Eingangssignale aus. Neben der sicherheitsrelevanten Funktion der Sensorelemente 10 dienen diese, wie oben erläutert, in den Bedienfeldern 11 bis 14 dazu, in Interaktion mit dem Bediener 30 zu treten (Bedienmodus).
Der Sicherheitsmodus hat Vorrang vor dem Bedienmodus. Das bedeutet, dass beispielsweise bei einer Annäherung des Bedieners 30 an den Handhabungsroboter 100, die durch die Sensorelemente 10 erkannt wird, zunächst die Geschwindigkeit des Roboterarms 103 bis auf einen sicheren Wert gedrosselt wird, so dass eine Berührung des bewegten Roboterarms 103 ausgeschlossen ist. Danach sind die innerhalb der Bedienfelder 11 bis 14 angeordneten Sensorelemente 10 bereit für die Erkennung von Gesten des Bedieners 30. Falls der Roboter zu irgendeiner Zeit ein Kommando erhält, gegen ein Objekt oder einen Menschen zu fahren, den voreingestellten Sicherheitsabstand zu unterschreiten oder die dem Abstand entsprechende Maximalgeschwindigkeit zu überschreiten, wird die Ausführung des Kommandos durch die Priorität des Sicherheitsmodus verhindert.
Manuelles Drücken eines optionalen Sicherheitsschalters 15, der mit der Steuereinrichtung 20 des Handhabungsroboters 100 verbunden ist, durch den Bediener 30 bewirkt, dass die Annäherung eines Menschen oder eines Objektes als nicht sicherheitsrelevant eingestuft wird, während die Erkennung von Gesten weiterhin aktiv ist. In diesem Betriebszustand übernimmt der Bediener die Verantwortung für den sicheren Betrieb des Robotersystems.
Solange der Sicherheitsschalter 15 gedrückt ist, schaltet die Steuereinrichtung 20 den Handhabungsroboter 100 bzw. dessen Sensorelemente 10 von dem Sicherheitsmodus in den Bedienmodus, bei dem insbesondere die innerhalb der Bedienfelder 11 bis 14 angeordneten Sensorelemente 10 der Erkennung von Gesten des Bedieners 30 bzw. Eingaben dienen. Es kann auch vorgesehen sein, dass bei einer Annäherung des Bedieners 30 an die Sensorelemente 10 die Steuereinrichtung 20 zunächst in einen Modus schaltet, bei der die Sensorelemente 10 im Bereich der Bedienfelder 11 bis 14 zur Erkennung beispielsweise von Gesten dienen, während gleichzeitig die Bewegung des Handhabungsroboters 100, im Verhältnis zum Normalbetrieb mit reduzierter Geschwindigkeit erfolgt. Bei weiterer Annäherung des Bedieners 30 an die Sensorelemente 10, bei der beispielsweise ein gewisser Mindestabstand von z.B. 10cm unterschritten wird, schaltet die Steuereinrichtung 20 den Handhabungsroboter 100 in den Sicherheitsmodus um, bei dem jegliche Bewegung des Handhabungsroboters 100 bzw. dessen Roboterarms 103 gestoppt wird.
Um dem Bediener 30 eine Rückmeldung über von ihm über die Bedienfelder 11 bis 14 gemachte Eingaben zu geben, kann eine optische, akustische oder sonstige Anzeigeeinheit 16 vorgesehen sein, die ein entsprechendes Signal von der Steuereinrichtung 20 erhält, wenn beispielsweise eine bestimmte Geste des Bedieners 30 richtig (oder nicht) erkannt wurde, oder wenn beispielsweise eine Geste wiederholt werden soll.
In der 2 ist ein Bedienfeld 18, bestehend aus vierundzwanzig Sensorelementen 10, dargestellt. Die Sensorelemente 10 sind in Form einer 4×6-Matrix im Bedienfeld 18 angeordnet und mit einer Zentraleinheit 19, die Teil einer Rechnereinheit ist, verbunden. Das so ausgebildete Bedienfeld 18 erfasst die Gesten des Bedieners 30. Hierzu liefert jedes der Sensorelemente 10 einen Messwert D_i, der mit dem Abstand des Fingers des Bedieners 30 von dem jeweiligen Sensorelement 10 variiert. Die Zentraleinheit 19 übernimmt eine zyklische Abfrage und Aufbereitung der Messwerte D_i aller Sensorelemente 10 sowie deren Ausgabe über eine Schnittstelle. Ein Steuerungsrechner 25 mit einem integrierten Software-Interaktions-Modul 27, der mit der Zentraleinheit 19 verbunden ist, liest die Messwerte D_i aller Sensorelemente 10 als Zeitreihe ein und wertet sie beispielhaft in folgender Weise aus:

– Vorverarbeitung der Messwerte D_i
– Erkennung eingelernter Muster in den Daten, z.B. mittels Korrelationsfunktionen
– Klassifikation der Muster nach Bedienelementen und Gesten
– Zuordnung der erkannten Gesten zu Kommandos und
– Kommandoausführung im Schritt 28 (z.B. durch Aufruf von Funktionen, Ausgabe von Signalen).

In der 3 ist beispielhaft die Arbeitsweise eines virtuellen Bedienelements mit sechs nebeneinander angeordneten Sensorelementen 10 dargestellt. Hierbei dient das Bedienelement der Erfassung eines Tastendruckes. Der Zeigefinger eines Bedieners 30 wird dabei in X-Richtung des dargestellten Pfeils geführt. Das unterhalb der sechs Sensorelemente 10 dargestellte Diagramm zeigt schematisch den Messwertverlauf aller sechs Sensorelemente 10, abhängig von der X-Position des Fingers. Jedes Sensorelement 10 besitzt eine Charakteristik ähnlich einer Gaußkurve, wobei sich die Gaußkurven benachbarter Sensorelemente 10 typischerweise überlappen. Aus den sechs Messwerten D₁ bis D₆ kann mit Hilfe von Interpolationsfunktionen die X-Position des Fingers des Bedieners 30 abgeleitet werden. Dabei ist die Auflösung der Fingerposition nicht an die Breite des Sensorelements 10 oder die Breite des Fingers gebunden.
Falls benachbarte Sensorelemente 10 vorhanden sind, können durch Interpolation auch innerhalb eines Sensorelementes 10 unterschiedliche Fingerpositionen erfasst werden. Dieses Messprinzip wird auf flächig angeordnete Sensorelemente 10 übertragen, um die Fingerposition in beiden Raumrichtungen (d.h. parallel sowie senkrecht zur Zeichenebene der 3) zu erfassen. In ähnlicher Weise kann auch der Abstand des Fingers des Bedieners 30 anhand charakteristischer Sensordaten erfasst werden, so dass die räumliche Position des Fingers des Bedieners 30 ermittelt werden kann.
Falls mittels der Sensorelemente 10 Gesten erkannt werden sollen, so werden diese infolge der Eingangssignale der Sensorelemente 10 in eine zeitliche Folge von Sensordaten transformiert. Eine Aufgabe des in der 2 dargestellten Steuerungsrechners 25 ist es, die Rücktransformation zu übernehmen, also Gesten in der zeitlichen Folge von Sensordaten zu erkennen. Weiterhin weist das in dem Steuerungsrechner 25 angeordnete Modul 27 die beiden Betriebsarten „Einrichten“ und „Ausführen“ aus. In der Betriebsart „Einrichten“ werden die virtuellen Bedienelemente (Bedienfelder 11 bis 14) vor Inbetriebnahme des Handhabungsroboters 10 durch einen Bediener 30 eingerichtet. Dies wird beispielsweise in den folgenden Schritten durchgeführt:

a. Visualisierung der Bedienelemente (Bedienfelder 11 bis 14) auf der Oberfläche des Handhabungsroboters 100, z.B. durch Aufkleber oder in Form von die Bedienfelder 11 bis 14 begrenzenden LEDs.
b. „Vormachen“ der Geste am Bedienelement durch den Bediener 30. Dabei wird die Geste als zeitliche Abfolge charakteristischer Sensordaten gespeichert. Anschließend werden auch zulässige Variationen der Geste vorgemacht.
c. Einlernen der Geste: Die gespeicherten Sensordaten werden auf charakteristische Merkmale reduziert. Mit diesen Merkmalen wird ein lernfähiger Klassifikator trainiert. Der Klassifikator ist mehrklassenfähig, kann also alle eingelernten Gesten wieder erkennen und separat zuordnen. Bei analogen Gesten ist er in der Lage, den Analogwert der Geste (z.B. den Abstand zwischen der Hand eines Bedieners 30 und einem Sensorelement 10) zu ermitteln.
d. Verknüpfen der Gesten mit Funktionen: Der Bediener 30 ordnet jeder eingelernten Geste eine Funktion oder eine Abfolge von Funktionen zu, die beim Erkennen der Geste automatisch ausgeführt werden soll. Dies kann beispielsweise ein Funktionsablauf auf dem Steuerungsrechner 25 sein oder ein Kommando, welches über eine Kommunikationsschnittstelle an periphere Einheiten gesendet wird.

In der Betriebsart „Ausführen“ werden die Messwerte der Sensorelemente 10 ständig zyklisch eingelesen und die charakteristischen Merkmale berechnet. Der zuvor eingelernte Klassifikator prüft ständig, ob eine eingelernte Geste ausgeführt wurde. Falls ja, löst die Steuereinrichtung 20 die Ausführung der damit verknüpften Funktion aus.
Das soweit beschriebene Verfahren zum Betreiben des aus den Sensoren 10 bestehenden Sensorsystems kann in vielfältiger Art und Weise abgewandet bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere ist der Einsatz eines derartigen Sensorsystems nicht zwangsläufig auf den Einsatz bei Handhabungsrobotern 10 beschränkt, sondern kann auch bei sonstigen Maschinen bzw. Maschinenbauteilen angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009029021 A1 [0002, 0023]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems, mit wenigstens einem kapazitiven Sensorelement (10), das an der Oberfläche von Maschinen (100) oder Maschinenteilen anbringbar ist, wobei sich elektrische Feldlinien am Sensorelement (10) bei einer Annäherung und/oder einem Kontakt eines Körpers oder eines Objekts verändern, und wobei das wenigstens eine Sensorelement (10) mit einer Steuereinrichtung (20) verbunden ist, die aufgrund der erfassten Änderung der Feldlinien des wenigstens einen Sensorelements (10) eine Sicherheitsfunktion an der Maschine (100) oder dem Maschinenteil auslöst, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (10) zusätzlich zu der Sicherheitsfunktion eine Bedienfunktion aufweist, dass aus dem Ort des wenigstens einen Sensorelements (10) und dem zeitlichen Verlauf der Änderung der Feldlinien auf eine Bedienfunktion geschlossen wird, und dass die Sicherheitsfunktion in einem Grundzustand des Sensorsystems Vorrang vor der Bedienfunktion hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsfunktion durch die Betätigung eines Sicherheitsschalters (15) zeitweise außer Funktion gesetzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsfunktion in Abhängigkeit von einem erfassten Abstand des Körpers oder des Objekts von der Maschine (100) oder dem Maschinenteil wenigstens zwei unterschiedliche Schaltzustände aufweist, dass in jedem Schaltzustand, der einem Abstandsbereich des Körpers oder Objektes zur Maschine (100) oder zum Maschinenteil zugeordnet ist, die Sicherheitsfunktion die maximale Geschwindigkeit sicher begrenzt, und dass gleichzeitig die Bedienfunktion ermöglicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedienfunktion mehrere Bedienmodi aufweist, wobei ein erster Bedienmodus ein Einlernen einer Geste durch das Sensorsystem betrifft, und wobei ein zweiter Bedienmodus ein Ausführen einer im ersten Bedienmodus eingelernten Geste durch die Maschine (100) oder ein Maschinenteil betrifft.
Sensorsystem, insbesondere geeignet zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit wenigstens einem an der Oberfläche von Maschinen (100) oder Maschinenteilen anbringbaren, kapazitiven Sensorelement (10), das mit einer Steuereinrichtung (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, die Maschine (100) oder ein Maschinenteil in einen Sicherheitsmodus oder einen Bedienmodus zu schalten, wobei in einer Grundeinstellung die Steuereinrichtung (20) die Maschine (100) oder das Maschinenteil in einen Sicherheitsmodus schaltet.
Sensorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bedienmodus mehrere Sensorelemente (10) ein Bedienfeld (11 bis 14, 18) ausbilden, wobei die von der Steuereinrichtung (20) erfassten Eingangswerte der Sensorelemente (11 bis 14, 18) mittels einer Rechnereinheit (19, 25, 27) zur Erkennung einer Geste auswertbar sind.
Sensorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ein Bedienfeld (11 bis 14, 18) ausbildenden Sensorelemente (10) eine Teilmenge aller an der Maschine (100) oder dem Maschinenteil angeordneten Sensorelemente (10) sind, und dass die Teilmenge der Sensorelemente (10) aus der Gesamtmenge der Sensorelemente (10) durch Zuordnung gebildet wird.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (10) im Bedienmodus als digitaler Schalter oder als analoges Eingabeelement, zum Beispiel in Form eines Schiebereglers wirkt.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine optische, akustische oder sonstige Anzeigeeinheit (16) vorgesehen ist, mittels derer die Steuereinrichtung (20) im Bedienmodus ein Signal ausgibt.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine im Bedienmodus wirkende Sensorelement (10) an der Maschine (100) oder dem Maschinenbauteil optisch markiert ist.