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Die Erfindung betrifft einen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung von Objekten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 12.
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Eine Anwendung von Sensoren zur Objekterfassung ist die Absicherung von Gefahrenstellen. Dafür werden herkömmlich schon seit langem optische Sensoren wie Lichtgitter, Laserscanner und in jüngerer Zeit zunehmend auch Kameras eingesetzt.
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In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm IEC61496 oder EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung oder speziell Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile, insbesondere einer Frontscheibe, und/oder Vorsehen von einzelnen Testzielen mit definierten Reflexionsgraden, die unter den entsprechenden Scanwinkeln erkannt werden müssen.
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Ein Sicherheitslaserscanner ist aus der
DE 43 40 756 A1 bekannt. Dabei wird ein Schutzfeld überwacht, das während des Betriebs der Maschine vom Bedienpersonal nicht betreten werden darf. Erkennt der Laserscanner einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so löst er einen Nothalt der Maschine aus. Andere Eingriffe in das Schutzfeld, beispielsweise durch statische Maschinenteile, können vorab als zulässig eingelernt werden. Oft sind den Schutzfeldern Warnfelder vorgelagert, wo Eingriffe zunächst nur zu einer Warnung führen, um den Schutzfeldeingriff und damit die Absicherung noch rechtzeitig zu verhindern.
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Die Anforderungen wachsen, wenn die Gefahrenstelle nicht mehr großzügig abgesichert werden kann. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist ein Roboter, der eng mit Personen zusammenarbeiten soll. Man versucht hier zum Teil, die Gefahr mechanisch durch Kleinroboter mit geringen Kräften und einem Verletzungen vermeidenden Design zu begrenzen. Zumindest das Werkzeug bedarf dann aber weiterhin einer Absicherung.
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Die
DE 10 2015 112 656 A1 nutzt dafür einen sicheren optoelektronischen Distanzsensor am Roboterkopf. In der
DE 10 2013 020 596 A1 werden am Werkzeug befestigte Ultraschallsensoren benutzt. Aus der
DE 10 2008 063 081 B4 ist eine Abstandserfassung an mehreren Gelenken basierend auf Ultraschall, elektromagnetischen Wellen oder taktilen Sensoren bekannt. Die
DE 10 2010 050 547 A1 schlägt verschiedene Sensorprinzipien einschließlich eines Laserscanners oder Ultraschallsensors vor, die in diesem Fall jedoch am Arbeitsraum und nicht dem Roboter selbst angebracht sind.
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Das alles betrifft die Absicherung und damit die Sensorfunktion selbst. Für eine enge Mensch-Roboter-Kollaboration sollte es jedoch gar nicht erst zu einer Absicherung kommen, welche zumindest den Roboter verlangsamt oder gar einen Nothalt mit manuellem Wiederanlauf auslöst und damit die Abläufe verzögert. Der Werker an dem Roboter hat aber gar keine Möglichkeit zu erkennen, welche Nähe oder allgemein Aktion der Sensor als sicherheitskritisch einstufen wird. Das liegt auch daran, dass die meisten gängigen Sensorsignale, wie Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums, elektromagnetische Wellen oder Ultraschall, vom Menschen nicht wahrgenommen werden. Ähnliche Problemstellungen, in denen der Benutzer zu wenig über die Funktionsweise des Sensors erkennt, ergeben sich auch für Sensoren außerhalb der Sicherheitstechnik.
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Im Stand der Technik wird deshalb teilweise versucht, eine zusätzliche Visualisierung zu schaffen. Diese ist im Falle von Anzeigeelementen am Sensor oft schlecht einzusehen und wenig intuitiv. Eine Anzeige direkt im Erfassungsbereich scheitert regelmäßig am Aufwand oder der grundsätzlichen technischen Machbarkeit erforderlicher Projektionstechniken. In jedem Fall würde dadurch die Sicht auf den Arbeitsbereich überlagert, was sich gerade bei diffizilen Arbeitsschritten sehr störend auswirken kann.
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Es ist im Prinzip auch bekannt, andere Sinne anzusprechen, etwa durch einen Alarmton, der aber sehr unspezifisch ist und als unangenehm empfunden wird. Auch haptische Meldungen sind denkbar, etwa als Vibrationsalarm eines Mobiltelefons oder im Bereich der Automobiltechnik als Warnung beim Verlassen einer Fahrspur. Dazu muss es jedoch zu einem physischen Kontakt zwischen Person und Warnelement kommen. Der Kontakt zu dem überwachten Roboter soll aber gerade vermieden werden. Ein drahtlos eingebundenes Zusatzgerät für den Werker wäre prinzipiell denkbar, aber aufwändig. Außerdem bliebe auch diese Warnung unspezifisch und ginge nicht über ein abstraktes Vermeiden einer Gefahr hinaus.
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Es ist weiterhin eine Technologie für berührungslose haptische Rückmeldungen unter dem Namen „Ultrahaptics“ entwickelt worden. Sie wird für holografische Anzeigen in Fahrzeugen eingesetzt. In dem Artikel Long, B., Seah, S. A., Carter, T., & Subramanian, S. (2014). Rendering volumetric haptic shapes in mid-air using ultrasound. ACM Transactions on Graphics (TOG), 33(6), 181 wird vorgestellt, wie damit dreidimensionale virtuelle Objekte im wahrsten Sinne des Wortes begreifbar werden, und welche Anwendungsmöglichkeiten sich daraus ergeben. Zwar werden solche haptisch erfassbaren Objekte auch mit Sensoren verbunden, um zu erkennen, ob es tatsächlich zu einem Kontakt mit dem virtuellen Objekt kommt. Dabei besteht aber keine Kopplung der haptischen Rückmeldung und der Sensorfunktion, Sensor und haptische Rückkopplung arbeiten vielmehr getrennt und für sich. Ein sicherheitstechnischer Bezug oder eine Warnfunktion ist ohnehin nicht vorgesehen. Nach dem Stand der Technik trägt demnach eine haptische Ultraschallrückmeldung zu den oben geschilderten Problemstellungen nichts bei.
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Die
WO 2014 /181084 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen eines akustischen Feldes, mit dem derartige haptische Rückmeldungen durch Ultraschall ermöglicht werden. Konkret kann die Amplitude des Ultraschalls an frei im Raum wählbaren Kontrollpunkten vorgegeben werden, etwa an der Oberfläche oder an Kanten eines virtuellen Objekts. Vorzugsweise wird an den Kontrollpunkten eine maximale Amplitude vorgegeben und in direkter Nachbarschaft eine schwache Amplitude. Der Anwender spürt an den Kontrollpunkten auf seiner Haut ein Pulsieren oder Vibrieren. Die Ultraschallwandler werden gezielt als phased array mit unterschiedlichen Phasen angesteuert, um die gewünschten Amplituden in den Kontrollpunkten zu erzeugen. Gegenstand der
WO 2014 / 181084 A1 ist ein effizientes Verfahren, wie sich die notwendigen Ansteuerungen für gegebene Kontrollpunkte und Amplituden errechnen lassen.
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Die
US 2015/0003204 A1 offenbart ein System mit taktilem Feedback im zwei- oder dreidimensionalen luftgefüllten Raum. Eine Anzeige wird zusätzlich mit einer Verfolgungseinheit und Ultraschallwandlern ausgestattet. Die Verfolgungseinheit erkennt, wo ein Finger des Benutzers die Anzeige berührt. Dazu dient in vielen Ausführungsformen ein Touchscreen, aber auch andere Sensoren wie eine 3D-Kamera sind offenbart, die in der Lage sind, den Finger in dreidimensionalen, aus der Anzeige herausstehenden Bereichen zu erfassen. Es werden Teilbereiche der Anzeige definiert, in denen auf einen erfassten Finger reagiert wird, was praktisch Icons oder Knöpfen einer Bedienoberfläche entspricht. Die Reaktion schließt ein taktiles Feedback mittels der Ultraschallwandler ein.
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Aus der
DE 10 2016 003 978 A1 ist eine vergleichbare Bedieneinheit bekannt, die in diesem Fall speziell für ein Kraftfahrzeug vorgesehen ist.
Vor diesem Hintergrund ist Aufgabe der Erfindung, den Umgang mit einem gattungsgemäßen Sensor zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird von einem Sensor und einem Verfahren zur Erfassung von Objekten nach Anspruch 1 beziehungsweise 12 gelöst. Der Sensor umfasst eine Sensoreinheit, deren Messsignal ausgewertet wird, um die Objekte zu erfassen. Die Sensoreinheit arbeitet nach einem beliebigen, an sich bekannten Sensorprinzip. Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, eine haptische Rückmeldung mittels Ultraschall zu geben. Dazu wird an mindestens einem Raumpunkt, in der Regel einer Vielzahl von Raumpunkten entlang einer für den Benutzer fühlbar zu machenden Kontur, Ultraschall einer vorgegebenen Amplitude erzeugt. Eine Person, die beispielsweise mit der nackten Haut der Hand an den Raumpunkt fasst, empfindet ein Pulsieren oder Vibrieren und spürt somit die Position des Raumpunktes.
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Die haptische Rückmeldung betrifft eine Eigenschaft des Sensors oder ein Ergebnis der Erfassung von Objekten. Der Benutzer erfährt also auf diesem Weg über seinen Tastsinn etwas über den Sensor, wobei ein unmittelbarer Ortsbezug hergestellt sein kann, aber nicht muss. Eigenschaften des Sensors können aktuelle Einstellungen sein, wie ob der Sensor aktiv ist, ob an dem Raumpunkt ein unsichtbares Sensorsignal vorhanden ist oder ob der Sensor Objekte an dem Raumpunkt erfassen kann (Reichweite) und wird (ROI, region of interest). Ein typisches Sensorergebnis ist die Erfassung einer sicherheitskritischen Situation. Der Raumpunkt liegt vorzugsweise in dem Erfassungsbereich des Sensors oder dessen Umgebung.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass der bisher nicht ansprechbare menschliche Tastsinn in das Bedien- und Anzeigekonzept des Sensors eingebunden werden kann. Das eröffnet einen neuen Kommunikationskanal, der den Benutzer auf eine ganz andere und direktere Art anspricht als beispielsweise eine visuelle oder akustische Rückmeldung. Dadurch kann der Benutzer seine sonstige Aufmerksamkeit weiterhin voll auf andere Aufgabe richten. Eine Besonderheit ist der frei im dreidimensionalen Raum wählbare Ort für die Rückmeldung, der eine ganz intuitive Informationserfassung ermöglicht. Die Integration der Ultraschallwandler der haptischen Rückmeldungseinheit ist aufgrund von geringer Größe und geringen Kosten einfach möglich.
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Die haptische Rückmeldungseinheit weist bevorzugt eine Vielzahl von Ultraschallwandlern auf, die in Abhängigkeit der an dem mindestens einen Raumpunkt vorgegebenen Amplitude Ultraschall unterschiedlicher Phasen erzeugen. Die Ultraschallwandler sind vorzugsweise zu einer zweidimensionalen Matrix angeordnet. Das hat aber bauliche Gründe, das Verfahren funktioniert genauso bei irregulärer Anordnung. Um haptische Rückmeldungen in einem größeren Raumbereich zu geben, sind auch mehrere separate Anordnungen von Ultraschallwandlern vorstellbar. Die Ultraschallwandler werden jeweils mit unterschiedlichen Phasen angesprochen, die sich aus den vorgegebenen Amplituden an den gewünschten Raumpunkten errechnen. Meist wird eine maximale Amplitude vorgegeben, damit der Benutzer eine möglichst deutlich spürbare Rückmeldung erhält. Um einen Kontrast zu schaffen, können in Nachbarschaft solcher Raumpunkte weitere Raumpunkte mit besonders geringer Amplitude vorgegeben werden. Verfahren für die Berechnung der erforderlichen Ansteuerung der Ultraschallwandler für eine gewünschte haptische Rückmeldung sind an sich bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt (phased array,
WO 2014 /181084 A1 ).
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Der Sensor ist als Sicherheitssensor und dafür ausgebildet, bei Erkennen einer Gefahrensituation ein sicherheitsgerichtetes Absicherungssignal auszugeben. Das Absicherungssignal wird vorzugsweise an eine gefahrbringende Maschine ausgegeben, wie einen Roboter, ein Fahrzeug oder eine Werkzeugmaschine, und löst dort einen Nothalt beziehungsweise sicherheitsgerichteten Halt oder zumindest eine Verlangsamung beziehungsweise ein Verbringen in eine ungefährliche Position aus. Um die Gefahrensituation zu erkennen, können in dem Sensor Schutzfelder konfiguriert werden, in die nicht eingegriffen werden darf. Es kann aber auch der Abstand zwischen Fremdobjekt und Gefahrenstelle überwacht werden, insbesondere im Zusammenhang mit der Relativgeschwindigkeit (speed and separation). Die Ausgabe eines sicherheitsgerichteten Absicherungssignals erfolgt vorzugsweise über einen sicheren Ausgang, der beispielsweise zweikanalig ausgelegt ist (OSSD, Output Signal Switching Device).
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Die Sensoreinheit ist bevorzugt als Ultraschallsensor mit einem Ultraschallsignal als Messsignal ausgebildet. Somit wird das gleiche Prinzip für die Erfassung von Objekten eingesetzt wie für die haptische Rückmeldung. Besonders bevorzugt werden zumindest einige der Ultraschallwandler für beide Funktionen benutzt. Das verringert den apparativen Aufwand, weil letztlich nur Steuerung und Auswertung modifiziert werden müssen.
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Die Sensoreinheit oder mindestens eine weitere Sensoreinheit ist vorzugsweise als optischer Sensor, Radarsensor, kapazitiver Sensor, induktiver Sensor oder magnetischer Sensor ausgebildet. Mit dieser Aufzählung sollen auch weitere bekannte Sensorprinzipien umfasst sein, insbesondere mit elektromagnetischen Signalen, die nicht in den Radarbereich oder den optischen Bereich fallen. Besonders bevorzugt arbeitet der Sensor redundant oder diversitär-redundant mit der Sensoreinheit und einer weiteren Sensoreinheit oder mehreren weiteren Sensoreinheiten, wobei je nach Auslegung die Sensoreinheiten in verschiedenen denkbaren Kombinationen Ultraschall, insbesondere mittels der Ultraschallwandler der haptischen Rückmeldungseinheit, beziehungsweise andere Sensorprinzipien nutzen. Die Redundanz beziehungsweise Diversität ermöglicht, höhere Sicherheitskategorien oder Safety-Performance-level im Sinne der einschlägigen Sicherheitsnormen zu erreichen. Auch unabhängig von Normen werden so komplementäre Stärken und Schwächen genutzt, um die Qualität und Robustheit der Sensordaten beziehungsweise der Objekterfassung zu erhöhen.
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Die haptische Rückmeldungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine haptische Rückmeldung über den Erfassungsbereich oder Teilbereiche darin, insbesondere Gefährdungsbereiche, zu geben. Dazu werden vorzugsweise die fühlbaren Raumpunkte an die jeweiligen Grenzen gelegt, oder es wird eine unterschiedliche Empfindung innerhalb und außerhalb der jeweiligen Bereiche erzeugt. Damit wird der unsichtbare Erfassungsbereich der Sensoreinheit, der durch dessen physische, spezifizierte oder eine eingestellte Reichweite bestimmt sein kann, haptisch erkennbar. Es ist auch denkbar, Teilbereiche in dem Erfassungsbereich zu konfigurieren (ROI, region of interest). Die Sensorfunktion kann gänzlich auf solche Teilbereiche beschränkt sein, oder dort erfasste Objekte lösen eine bestimmte Reaktion aus, wie im Falle von Schutzfeldern. Teilbereiche können auch dynamisch sein, wie im Falle einer virtuellen Schutzglocke, die sich mit der Gefahrenquelle bewegt und möglicherweise je nach Geschwindigkeit ausdehnt oder zusammenzieht. Die haptische Rückmeldung kann im Betrieb mit einer Objekterfassung zusammenfallen und unmittelbar die Konsequenzen auslösen, wie einen Nothalt beziehungsweise sicherheitsgerichteten Halt. Bevorzugt ist die Anwendung während des Einrichtens des Sensors, um zu prüfen, ob die gewünschte Konfiguration erreicht ist. Das kann auch mit einer Änderung der Konfiguration beispielsweise durch Gestensteuerung oder virtuelle Bedienelemente verbunden werden.
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Die haptische Rückmeldungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine haptische Rückmeldung über einen Arbeitspunkt der Sensoreinheit zu geben. Das bezieht sich vor allem auf eindimensionale Sensoren, wie Lichtschranken, entfernungsmessende Taster oder induktive, kapazitive oder magnetische Näherungssensoren. Der Arbeitspunkt kann einen Abstand zum Sensor bezeichnen, etwa den Schaltpunkt oder eine eingestellte Fokuslage, aber auch dessen Ausrichtung. Erneut ist die haptische Rückmeldung insbesondere während einer Einrichtphase von Vorteil.
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Die haptische Rückmeldungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine haptische Rückmeldung über ein in einem bestimmten Bereich erfasstes Objekt zu geben. Damit wird nicht nur abstrakt die Grenze eines Teilbereichs angezeigt. Dafür würde genügen, die Ultraschallwandler entsprechend einer Konfiguration des Sensors anzusteuern, was eine Eigenschaft des Sensors ist. In dieser vorteilhaften Weiterbildung geht es um ein Ergebnis der Erfassung von Objekten und konkret darum, durch haptisches Feedback anzuzeigen, dass der Sensor tatsächlich aktuell ein Objekt erfasst, und vorzugsweise wo. Dabei können auch noch geforderte Eigenschaften des Objekts als Filter vorgeschaltet sein, wie eine Mindestgröße oder sogar eine spezielle Kontur, Trajektorie, Farbe, Leitfähigkeit oder beliebige andere von dem Sensor erfassbare Eigenschaft.
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Die haptische Rückmeldungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine haptische Rückmeldung über eine erfasste Gefahr oder drohende Gefahr zu geben. Die Abstufung einer erfassten und einer drohenden Gefahr entspricht vorzugsweise einer Absicherung beziehungsweise lediglich einer Warnung, entsprechend dem Verhalten eines Schutzfeldes und eines Warnfeldes. Weitere Abstufungen sind denkbar. Beispielsweise kann eine Arbeitsbewegung der Gefahrenquelle sukzessive bis zum Halt verlangsamt werden. Die Erkennung einer Gefahr und die Reaktionen darauf korrespondieren bevorzugt mit den oben erläuterten Eigenschaften eines Sicherheitssensors.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, aus dem Messsignal eine Benutzereingabe abzuleiten. Die Erfassung durch die Sensoreinheit wird dabei als Benutzerschnittstelle für die Bedienung des Sensors genutzt, etwa in Form virtueller Schalter und Bedienelemente oder einer Gestensteuerung. Vorzugsweise wird die Position virtueller Bedienelemente durch haptischen Rückmeldung verdeutlicht, um eine intuitive Bedienbarkeit zu erzielen. Die Benutzereingabe ist im ersten Schritt an den Sensor gerichtet, der sie aber natürlich an ein übergeordnetes System und insbesondere eine abzusichernde Maschine weitergeben kann.
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Die haptische Rückmeldeeinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine Rückmeldung über die Benutzereingabe zu geben. Der Sensor quittiert damit die Eingaben und kann auch Fehlermeldungen ausgeben, etwa weil eine Geste nicht erkannt wurde, oder eine Eingabe so nicht verarbeitet werden kann. Ein Beispiel für eine sicherheitsrelevante Geste ist das Wegschieben eines Roboterarms, ohne den Roboterarm zu berühren. Allgemein kann eine Bewegung des Roboters im Abstand geführt werden, sei es um sie einzulernen oder um direkten Kontakt mit einem Werkzeug zu vermeiden, das scharf, heiß oder einfach besonders empfindlich ist. Manchmal kann der Roboterarm die gewünschte Bewegung nicht ausführen, und dies kann durch haptische Rückmeldung angezeigt werden.
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Die haptische Rückmeldeeinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, unterschiedliche Rückmeldungen durch verschiedenes Pulsverhalten und/oder verschiedene Frequenz des Ultraschalls zu geben. Dabei bedeutet Frequenz in diesem Zusammenhang vorzugsweise eine Pulswiederholrate, denn die eigentliche Träger- oder Ultraschallfrequenz ist für den Menschen nicht wahrnehmbar. Damit dient nicht nur der Ort einer haptischen Rückmeldung als Informationsquelle, sondern auch die Art des Vibrierens. Beispielsweise zeigt ein schnelles Vibrieren einen Eingriff ein, der in Kürze einen Halt auslösen wird, während durch langsames Pulsieren ein noch weniger kritischer Abstand signalisiert wird, in dem der Roboter seine Bewegungen vorerst lediglich verlangsamt. Die Anwendungsmöglichkeiten unterschiedlicher Pulse oder Frequenzen sind ähnlich wie bei Farbwechseln oder Blinksequenzen eines herkömmlichen Anzeigelämpchens.
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In bevorzugter Weiterbildung ist ein erfindungsgemäßer Sensor an einem beweglichen Teil, insbesondere eines Roboters oder eines Fahrzeugs, zu dessen Absicherung angeordnet. Ein besonders bevorzugter Anwendungsfall ist die Werkzeugabsicherung eines kollaborierenden Roboters. Das Werkzeug wird durch die Sensoreinheit mit einer virtuellen Glocke umgeben, die eine gefährliche Annäherung von Fremdobjekten erkennt und dann geeignet reagiert, um die Sicherheit zu gewährleisten. Die haptische Rückmeldung macht die virtuelle Glocke spürbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Vorzugsweise wird durch die Erfassung von Objekten eine insbesondere mobile Gefahrenquelle abgesichert, wobei die haptische Rückmeldung eine Information über statische oder dynamische Teilbereiche des Erfassungsbereichs gibt, in denen Gefahr droht. Weitere vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Roboterarms, der mit einem erfindungsgemäßen Sensor abgesichert ist;
- 2 eine Blockdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors als Laserscanner samt dessen Erfassungsbereich;
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors als eindimensionaler Taster samt eines Arbeitspunktes; und
- 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors als Kamera
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1 zeigt eine beispielhafte Anwendung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 10, der hier nur ganz schematisch gezeigt ist und dessen Aufbau später anhand der 2 näher erläutert wird. Der Sensor 10 ist mitbewegt an einem Roboterarm 12 zur Absicherung von dessen Werkzeugspitze 14 angeordnet. Dazu wird überwacht, ob sich ein durch eine Hand 16 symbolisiertes Fremdobjekt der Werkzeugspitze 14 gefährlich nähert. Die Gefahrenzone ist als klassisches Schutzfeld 18 gezeigt, in das die Hand 16 nicht eingreifen darf, weil sonst eine sicherheitsgerichtete Abschaltung oder sonstige Sicherheitsmaßnahme des Roboterarms 12 erfolgt. Andere Absicherungen etwa durch Überwachung von Abstand und Geschwindigkeit (speed and separation) sind genauso denkbar.
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Der Sensor 10 ist nicht nur in der Lage, das Schutzfeld 18 auf gefährliche Eingriffe zu überwachen, sondern kann auch eine haptische Rückmeldung an die Hand 16 ausgeben. Dazu wird an der Grenze des Schutzfeldes 18 oder in dessen Innerem ein fühlbares Ultraschallsignal erzeugt. Durch die haptische Rückmeldung fühlt die Hand 16 beziehungsweise der Benutzer, wo sich das Schutzfeld 18 befindet und ob eine kritische Distanz zu der Werkzeugspitze 14 unterschritten ist. Eine Besonderheit der haptischen Rückmeldung ist, dass sie an beliebigem Ort erfolgt. Das wäre visuell nicht möglich, weil Lichtstrahlen sich nicht im freien Raum lokalisieren lassen.
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Der unmittelbare Ortsbezug der haptischen Rückmeldung liefert dem Benutzer bereits wertvolle Information, hier über die Lage des Schutzfeldes 18. Die haptische Rückmeldung kann aber auch noch unterschiedlich ausgestaltet werden, um weitere Informationen zu übertragen. Dazu eignen sich unterschiedliche Pulsschemata oder Frequenzen beziehungsweise Pulswiederholraten sowie die Intensität des Ultraschalls. Ein Anwendungsbeispiel ist eine Staffelung von mehreren Schutzzonensegmenten, die nur als Warnung dienen, den Roboter 12 in unterschiedlichem Maße verlangsamen oder ganz zum Stillstand bringen.
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Die haptische Erfassung des Schutzfeldes 18 hat im Betrieb eine Warnfunktion. Der Benutzer soll insbesondere bei zufälligem oder unbewusstem Eingreifen in das Schutzfeld 18 auf die drohende Gefahr aufmerksam gemacht werden, damit beispielsweise eine den Ablauf störende Sicherheitsreaktion vermieden werden kann oder zumindest ein Verlangsamen des Roboterarms 12 anstelle eines Nothalts ausreicht. Die haptische Warnung ist auch besonders nützlich bei dem letzten Annäherungsschritt des Roboterarms 12 an ein Werkstück, der in der Regel bei stummgeschaltetem (Muting) Sensor 10 stattfinden muss, weil sonst das Werkstück die Sicherheitsfunktion auslösen würde. Ebenso ist aber eine Verwendung während einer Einricht- oder Konfigurationsphase denkbar, in der ganz unmittelbar geprüft werden kann, wo sich das Schutzfeld 18 befindet.
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Weitere mögliche Zusatzfunktionen bietet der Sensor 10 mit einer Benutzerschnittstelle in Form virtueller Bedienelemente oder einer Gestensteuerung. Die haptische Rückmeldung kann hierin eingebunden sein, etwa in Form einer Quittierung oder einer Aufforderung für weitere Eingaben. In einem Beispiel darf ein Mindestabstand zwischen Roboterarm 12 und Hand 16 nicht unterschritten werden. Andernfalls bewegt sich der Roboterarm 12, um den Mindestabstand aufrecht zu erhalten. Demnach kann die Annäherung der Hand 16 als Geste interpretiert werden, um den Roboterarm 12 zu bewegen. Durch die haptische Rückmeldung ist für den Benutzer unmittelbar erkennbar, an welcher Schwelle der Roboterarm 12 seine Ausweichbewegung beginnt. Es ergibt sich in gewisser Weise eine physische Wahrnehmung, den Roboterarm 12 zu schieben, ohne ihn tatsächlich zu berühren. Durch Variation der haptischen Rückmeldung, insbesondere in Pulsschema, Frequenz oder Intensität, können dabei auch Meldungen erfolgen, wie dass eine bestimmte Roboterbewegung nicht möglich oder durch die Anwendung ausgeschlossen ist.
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Die berührungslose, aber haptisch erfassbare Benutzerschnittstelle kann auch für das Einrichten (Teach-In) des Roboters verwendet werden. Neben der einfachen und intuitiven Handhabung bietet das auch den Vorteil der berührungslosen Konfiguration, in der eine Werkzeug- oder -stückkontamination oder ein Kontakt mit scharfen, heißen oder allgemein gefährlichen Werkzeugen gänzlich vermieden werden können.
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Die 1 zeigt als Anwendungsbeispiel des Sensors 10 einen Roboter beziehungsweise Roboterarm 12. Die Erfindung ist darauf keineswegs beschränkt, sondern eignet sich für die Absicherung und die Ausgabe von Warnungen an jeglichen Gefahrenstellen, sei es mobil wie an einem Fahrzeug oder stationär an beliebigen Anlagen. Alternativ zu Absicherungsaufgaben sind auch nicht sicherheitsrelevante Mess- oder Bearbeitungsschritte denkbar.
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2 zeigt eine Blockdarstellung einer Ausführungsform des Sensors 10. In der dargestellten Ausführungsform sind eine jeweils eigene Sensoreinheit 20 für die optische Erfassung von Objekten und haptische Rückmeldungseinheit 22 vorgesehen. Die Erfindung ist jedoch weder auf eine Trennung dieser beiden Aufgaben noch auf optische Erfassung beschränkt, und es werden im Anschluss an die Beschreibung dieser Ausführungsform Alternativen genannt.
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Die Sensoreinheit 20 sendet mit einem Lichtsender 24 über eine Sendeoptik 26 ein Lichtsignal 28 in einen Erfassungsbereich 30. Das dort remittierte Licht 32 gelangt über eine Empfangsoptik 34 zu einem Lichtempfänger 36, der daraus ein entsprechendes elektronisches Empfangssignal erzeugt. Das Empfangssignal wird einer Auswertungseinheit 38 übergeben, welche vorzugsweise auch den Lichtsender 24 steuert. Die Auswertungseinheit 38 erfasst anhand des Empfangssignals Objekte in dem Erfassungsbereich 30, wie beispielsweise die Hand 16.
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Der konkrete Aufbau der Sensoreinheit 20 ist rein beispielhaft. Im Prinzip kann jeder bekannte und zu der jeweiligen Anwendung passende optoelektronische Sensor verwendet werden. Einige nicht abschließende Beispiele sind Lichtschranken, entfernungsmessender Lichttaster, Lichtgitter, Laserscanner sowie aktive und passive Zeilen- oder Matrixkameras einschließlich 3D-Kameras insbesondere nach dem Stereoprinzip oder einem Lichtlaufzeitverfahren.
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Die haptische Rückmeldungseinheit 22 weist mehrere Ultraschallwandler 40 auf, die vorzugsweise zu einer Matrix angeordnet sind. Je nach Einsatzort kann sich aber auch eine andere Anordnung anbieten, beispielsweise eine ringförmige oder beliebige andere regelmäßige und unregelmäßige Anordnung. Der spezielle Aufbau eines einzelnen Ultraschallwandlers 40 ist auch nicht beschränkt. Üblicherweise ist ein Piezoelement vorgesehen, das an eine schwingfähige Membran gekoppelt ist. Je nach gewünschter Funktion als Sender oder Empfänger wird entweder das Piezoelement elektrisch angeregt und strahlt dann über die Membran ein Ultraschallsignal ab, oder umgekehrt regt ein Ultraschallsignal die Membran und damit das Piezoelement zu Schwingungen an, die ein elektrisches Signal erzeugen.
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Die haptische Rückmeldungseinheit 22 ist ebenfalls an die Auswertungseinheit 38 angeschlossen. Dabei soll die Auswertungseinheit 38 nicht zwingend als ein einziger Elektronikbaustein verstanden werden, ihre Funktionalität kann auch verteilt werden, insbesondere zumindest teilweise in der haptischen Rückmeldungseinheit 22 implementiert sein.
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Es werden Raumpunkte
42 in dem Erfassungsbereich
30 festgelegt, an denen ein haptisches Feedback erfolgen soll. In
2 bilden die Raumpunkte
42 beispielhaft einen Teil einer Grenze etwa eines Schutzfeldes
18. Die Festlegung der Raumpunkte
42 kann beispielsweise ab Werk, per Konfiguration oder dynamisch im Betrieb durch die Auswertungseinheit
38 erfolgen. Die Ultraschallwandler
40 werden insbesondere als phased array so angesteuert, dass sich aus ihren Ultraschallsignalen
44 an den Raumpunkten
42 eine bestimmte Amplitude des Ultraschalls ergibt. Üblicherweise ist das eine große oder sogar maximale Amplitude. Die Amplitude und damit Stärke des haptischen Feedbacks ist aber prinzipiell auch eine Variable, die dem Benutzer zusätzliche Informationen geben kann. Außerdem kann es vorteilhaft sein, in bestimmten Raumpunkten
42 eine geringe Amplitude vorzugeben, um den Kontrast zu benachbarten Raumpunkten
42 zu erhöhen. Die erforderlichen Berechnungen zur Ansteuerung der Ultraschallwandler
40 sind an sich bekannt, und es wird dazu ergänzend auf die einleitend zitierte
WO 2014 /181084 A1 verwiesen.
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In der bisher anhand der 2 beschriebenen Ausführungsform des Sensors 10 basiert die Erfassung von Objekten auf der optischen Sensoreinheit 20. In einer alternativen Ausführungsform ist die optische Sensoreinheit 20 durch ein anderes an sich bekanntes Sensorprinzip ersetzt. Dazu kommen nicht abschließend kapazitive, induktive oder magnetische Sensoren in Betracht, ebenso wie Sensoren in einem anderen elektromagnetischen Spektrum als das Licht, wie beispielsweise Radarsensoren. Beispielsweise kann der kapazitive Erfassungsbereich, der an einem Roboterarm 12 wie eine kapazitive Haut wirken kann, haptisch erfassbar gemacht werden.
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Ein hervorzuhebendes weiteres denkbares Sensorprinzip ist Ultraschall. Obwohl dazu eine separate Sensoreinheit 20 denkbar wäre, kann dann nämlich besonders bevorzugt die haptische Rückmeldungseinheit 22 mit ihren Ultraschallwandlern 40 eine Doppelfunktion auch zur Erfassung von Objekten einnehmen. Das macht den Sensor 10 durch Verzicht auf eine separate Sensoreinheit 20 besonders einfach und kompakt.
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In einer anderen Ausführungsform wird die Erfassung von Objekten mittels Ultraschall durch die Ultraschallwandler 40 mit einer zusätzlichen Sensoreinheit 20 kombiniert. Basiert die Sensoreinheit 20 auch auf Ultraschall, so entsteht ein redundantes System. Bei einem anderen Sensorprinzip der Sensoreinheit 20 erhöht die Diversität die Zuverlässigkeit. So haben beispielsweise Ultraschallsensoren im Vergleich zu optischen Sensoren hinsichtlich ihrer systematischen Eigenschaften komplementäre Vor- und Nachteile. Insbesondere Störszenarien unterscheiden sich und können bei intelligenter Auswertung zu einer verbesserten Verfügbarkeit und höheren systematischen Messgenauigkeit führen. Ähnliche Vorteile ergeben sich auch bei anderen Kombinationen von Sensorprinzipien.
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Eine vorteilhafte Besonderheit der Erfindung ist, dass dem Sensor 10 ein diversitärkomplementärer Ultraschallsensor zu der Sensoreinheit 20 mit sehr wenig Aufwand hinzugefügt werden kann, weil durch die haptische Rückmeldungseinheit 22 bereits Ultraschallwandler 40 zur Verfügung stehen. Dadurch kann über eine Diversität der Sensortechnologien der sicherheitstechnische Performancelevel im Sinne einschlägiger Sicherheitsnormen mit sehr geringem Aufwand höher klassifiziert werden, etwa PI D statt PI C, und damit werden dem Sensor 10 weitere Anwendungen mit höherem Risiko zugänglich.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensors 10 als Laserscanner. Dabei werden nicht mehr alle Merkmale des Sensors 10 gemäß 2 gezeigt und erläutert, da der Aufbau eines Laserscanners an sich bekannt ist und sich die zusätzlichen erfindungsgemäßen Elemente, insbesondere die haptische Rückmeldungseinheit 22, sehr einfach übertragen lassen.
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Da ein Laserscanner regelmäßig mit Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums arbeitet, insbesondere IR, ist der Erfassungsbereich 30 für den Benutzer nicht erkennbar. Erfindungsgemäß kann nun die Grenze mit Raumpunkten 42 markiert werden, in denen eine haptische Rückmeldung gegeben wird. In völlig analoger Weise kann man den gezeigten Erfassungsbereich 30 auch als Schutzfeld 18 auffassen und durch haptische Rückmeldung markieren.
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Die haptische Rückmeldung kann wie in der Anwendung nach 1 dazu dienen, dem Benutzer eine Warnung zu geben, wenn eine Schutzfeldverletzung droht. Dabei sollten die Raumpunkte 42 ein Warnfeld begrenzen oder dem eigentlichen Schutzfeld 18 ein Stück vorgelagert sein. Eine tatsächliche Schutzfeldverletzung muss sicherheitstechnisch zu einer Notabschaltung führen, so dass dann eine haptische Warnung zu spät käme.
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Besonders hilfreich ist die haptische Darstellbarkeit von Schutzfeldern bei der Einrichtung des Laserscanners. Üblicherweise muss nämlich die Überprüfung der konfigurierten Schutzfelder 18 mühsam durch Auslösen der Sicherheitsfunktion erfolgen. Über haptisches Feedback werden Höhe, Orientierung und Grenzen von Schutzfeldern einfach und intuitiv erfassbar. Es ist sogar denkbar, die Schutzfelder nicht nur zu überprüfen, sondern mittels Gesten einzulernen. Damit lassen sich zumindest Schutzfeldgrenzen festlegen, bei entsprechender Aktorik des Laserscanners sogar auch Höhe und Orientierung der Überwachungsebene beispielsweise angepasst an eine offene Handfläche.
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4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des Sensors 10 als eindimensionaler Lichttaster, hier beispielhaft in Autokollimationsanordnung mit einem Teilerspiegel 46. Für solche Lichttaster stellt sich oft das Problem einer korrekten Ausrichtung, insbesondere wenn das Lichtsignal außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt. Die aktuelle Ausrichtung kann als Hilfestellung über haptisches Feedback an Raumpunkten 42 auf der optischen Achse dargestellt werden.
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Oft ist ein Lichttaster auch auf einen bestimmten Abstand 48 eingestellt. Dabei kommt ein Schaltpunkt in Betracht, eine Fokuseinstellung, ein Bereich einer Hintergundausblendung oder eine maximale Reichweite. Dieser Arbeitspunkt lässt sich ebenfalls durch Raumpunkte 42 haptisch erfassbar machen und vorzugsweise auch bei Bedarf durch Gesten verstellen.
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Diese Erläuterungen lassen sich sinngemäß auf Lichtschranken und Lichtgitter übertragen, insbesondere tastende Lichtgitter, die in ihren einzelnen Strahlen Abstände bestimmen. Im Falle eines Lichtgitters könnte ein haptisches Feedback das Erfassungsfeld als Ganzes oder ein Schutzfeld darin darstellen, das durch stumm- und aktivgeschaltete Strahlen oder bei tastenden Lichtgittern auch durch Abstandsbereiche abgegrenzt ist.
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Auch wenn in 4 ein optischer Taster gezeigt ist, gibt es auch andere Sensoren, die einen eindimensionalen Erfassungsbereich haben oder einen Arbeitspunkt in gewissem Abstand nutzen. Dazu zählen Näherungssensoren, die induktiv, kapazitiv oder magnetisch arbeiten.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensors 10 als Kamera, insbesondere 3D-Kamera. Eine Kamera lässt sehr viele Freiheiten hinsichtlich der Konfiguration von Schutzfeldern und erfassbaren Gesten oder sonstigen Befehle zu. Schutzfelder 18 können dabei sehr komplex werden, und es ist nur ein Teil der Raumpunkte 42 zur Darstellung von deren Grenzen gezeigt. Im Prinzip sind aber alle bisher beschriebenen Merkmale auch auf diese Ausführungsform übertragbar.
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Eine Besonderheit ergibt sich durch den möglicherweise sehr großen Erfassungsbereich 30. Wenn die Reichweite der haptischen Rückmeldungseinheit 22 an dem Sensor 10 zu dessen Abdeckung nicht ausreicht, können weitere Teilmodule 22a-b der Rückmeldungseinheit 22 an verschiedenen Orten in dem oder an dem Erfassungsbereich 30 montiert werden. Solche Teilmodule 22a-b sind natürlich auch im Zusammenhang mit den anderen zuvor erläuterten Ausführungsformen denkbar.
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Solche Teilmodule 22a-b könnten auch dazu verwendet werden, die räumlichen Koordinatenbegrenzungen von (Industrie-)Robotern haptisch erfahrbar zu machen. Viele Roboterhersteller bieten solche dreidimensionale Koordinatenbegrenzungen an, um sogenannte Gefahrenzonen zu realisieren, innerhalb derer sich der Roboter frei bewegen kann. Für den Werker sind diese Koordinatenbegrenzungen bislang nicht sichtbar oder anders erkennbar.
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Bei Anwendungen der Mensch-Roboter-Kollaboration findet vorzugsweise das oben erwähnte „Speed and Separation Monitoring“ Anwendung, bei dem der Abstand und die Geschwindigkeit einer Person in Relation zu einer Gefahrenstelle ermittelt werden sollen. Diese ist üblicherweise virtuell programmiert und daher für den Werker nicht sichtbar. Mit Teilmodulen 22a-b können auch diese Gefahrenstellen haptisch erfahrbar gemacht werden.
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In den beschriebenen Ausführungsformen erfolgt die Rückmeldung an den Benutzer haptisch. Ein großer Vorteil ist dabei die Möglichkeit, die Rückmeldung frei im Raum zu lokalisieren. Eine zusätzliche optische Darstellung soll dadurch aber keineswegs ausgeschlossen werden, sei es durch Anzeige an dem Sensor 10, eine Projektion auf Hilfsflächen wie den Boden oder optische Illusionen wie Stereoanzeigen oder holografische Techniken.
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Außerdem muss die haptische Rückmeldung auch nicht zwingend mit dem Ort der Rückmeldung verknüpft sein. Beispielsweise kann über die Sensoreinheit 20 festgestellt werden, wo sich ein Körperteil des Benutzers befindet, und dann wird dort gezielt eine ultraschallbasierte haptische Rückmeldung erzeugt, damit der Benutzer sie auch wahrnimmt. Eine solche Rückmeldung ist dann vorzugsweise global und nicht ortsbezogen, etwa eine allgemeine Warnung oder Wartungsaufforderung, mit welcher der Sensor 10 auf sich aufmerksam macht.
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Es wurde bereits erläutert, dass die Erfindung eine mögliche vorteilhafte Doppelnutzung der Ultraschallwandler für Objekterfassung und haptisches Feedback zulässt. Es sind sogar noch weitere Funktionen denkbar, wie die Reinigung von optischen Teilen, insbesondere einer Frontscheibe, mittels Ultraschall.
