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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur berührungslosen Detektion von relativ zueinander bewegten Objekten. Die Erfindung ist anwendbar auf eine Absicherung gegen einen Unfall eines Menschen durch Einwirkung eines Roboters, d. h. einer programmierbaren, autonom arbeitenden Maschine, bzw. die Absicherung eines Roboters gegen in seinen Arbeitsraum eindringende Objekte oder Menschen.
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Der Begriff Roboter beschreibt hierin jede Art von bewegter automatischer (d. h. von Computerprogrammen gesteuerter) Maschine, die sowohl ortsfest als auch mobil sein kann.
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Roboter sind in der industriellen Produktion weit verbreitet. Es gibt sie in verschiedensten Ausgestaltungsformen, z. B. als ortsfest installierte Handhabungseinrichtung, als programmierbare Werkzeugmaschine, als autonom agierende Transportvorrichtung, etc.
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In der Regel folgen Roboter einer zuvor einprogrammierten Abfolge von Bewegungsabläufen. Unvorhersehbare Ereignisse, wie z. B. ein zufällig in den Arbeitsraum eines Roboters eindringender Arbeiter, sind hierbei nicht berücksichtigt. Entsprechend besteht stets die Gefahr, dass ein Mensch durch einen Roboter verletzt oder Teile des Roboters unbeabsichtigt beschädigt werden.
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Für eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) sind bereits eine Vielzahl von Systemen und Verfahren bekannt.
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Die
DE 202014100411 U1 beschreibt eine Sicherheitseinrichtung, welche eine vom Arbeiter zu tragende Erfassungseinrichtung zur Lokalisierung des Arbeiters umfasst. Der Nachteil hierbei ist, dass jede Person, die in den Arbeitsbereich des Roboters gelangen könnte, vorher eine derartige Erfassungseinrichtung anlegen muss. Wird dies vergessen, so kann die Sicherheitseinrichtung nicht funktionieren.
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Eine multifunktionale Kameraeinheit zur Kopplung an einem mobilen Robotersystem wird in
WO 2017 089 364 A1 vorgeschlagen. Die Kameraeinheit ist vor allem für eine Erkennung und eine Verfolgung von statischen und dynamischen Objekten ausgebildet, wobei sie sowohl statisch als auch mobil einsetzbar ist. Allerdings ist hierfür eine aufwendige Rechentechnik zur Echtzeit-Bildanalyse notwendig, wobei das System nur vorher einprogrammierte Szenarien erkennen kann.
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Um einen sicheren Betrieb einer autonom agierenden Transportvorrichtung in einer Werkhalle zu ermöglichen, ist es bekannt, diese mit Laserscannern auszurüsten, welche einen horizontalen Bereich um die autonom agierende Transportvorrichtung herum, das sogenannte Schutzfeld (im Folgenden auch Sicherheitsbereich genannt) überwachen können. Wenn ein Hindernis, wie beispielsweise ein Mensch, in den Sicherheitsbereich eintritt, kann mittels der Laserscanner eine Verletzung des Sicherheitsbereiches erkannt bzw. detektiert werden. In Reaktion hierauf kann die autonom agierende Transportvorrichtung stoppen, um eine mögliche Kollision zu vermeiden. Laserstrahlung ist jedoch, aufgrund ihres Potentials zur gesundheitlichen Schädigung des Menschen, mit Vorbehalten behaftet.
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Ein weiterer Nachteil der optische Bilderfassung mittels Kameras oder Laserscannern ist, dass sie auf eine klare Sicht angewiesen sind; beispielsweise können Staub, Regen oder Nebel die Funktion stark beeinträchtigen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Sensoreinrichtung zur Erfassung innerhalb eines Sicherheitsbereiches relativ zueinander bewegter Objekte, insbesondere für die Mensch-Roboter-Kollaboration, bereitzustellen, wobei Verfahren und Sensoreinrichtung sowohl universell einsetzbar als auch weitestgehend unabhängig von Umgebungsbedingungen stets einsatzbereit und für den Menschen ungefährlich sind. Insbesondere sollen sie zuverlässig einen Menschen oder Objekte, die in den Sicherheitsbereich eindringen, detektieren können, um so den Menschen vor Verletzung durch den Roboter bzw. einen Roboter vor Beschädigung schützen zu können.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das Verfahren zur Erfassung von relativ zueinander bewegten Objekten gemäß Patentanspruch 1 und die Sensoreinrichtung gemäß Patentanspruch 6; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der Erfindung wird in Anspruch 11 aufgezeigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur berührungslosen Erfassung relativ zueinander bewegter Objekte, beispielsweise zur Absicherung eines Arbeitsplatzes mit Roboter, basiert auf der Verwendung von Ultraschall zur berührungslosen Abtastung des Sicherheitsbereiches.
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Zum Aufbau eines in zwei Raumrichtungen ausgebildeten, d. h. weitestgehend flächigen, Sicherheitsbereiches werden wenigsten zwei Ultraschallemitter, die jeweils ein plattgedrückt-birnenförmiges Ultraschallfeld erzeugen, eingesetzt. Hierbei weist jedes plattgedrückt-birnenförmige Ultraschallfeld einen ersten Öffnungswinkel in einer ersten Ebene, nämlich der Ebene des Sicherheitsbereiches, und einen zweiten Öffnungswinkel in einer zu der ersten Ebene senkrechten zweiten Ebene auf. Aus einer Überlagerung dieser einzelnen Ultraschallfelder wird der lokal begrenzte, weitestgehend in der ersten Ebene aufgespannte Sicherheitsbereich, d. h. der zu überwachende Bereich bzw. das Schutzfeld, gebildet.
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Verfahrensgemäß wird mittels wenigstens eines Ultraschallsensors, der auch in baulicher Einheit mit einem Ultraschallemitter ausgebildet sein kann, ein von innerhalb des aus der Überlagerung der von den einzelnen Emittern erzeugten Ultraschallfelder gebildeten Ultraschallfeldes des Sicherheitsbereiches angeordneten (still stehenden oder bewegten) Objekten bzw. Personen reflektiertes Ultraschallsignal erfasst, wobei dieses Erfassen eines reflektierten Ultraschallsignals periodisch wiederkehrend mit einer vorgegebenen Messfrequenz durchgeführt wird.
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Da beispielsweise Einrichtungsgegenstände oder andere Maschinen bzw. Roboter permanent innerhalb des Sicherheitsbereiches positioniert sein können, wird bevorzugt nur eine zeitliche Änderung des mit jeder periodisch wiederkehrenden Messung erfassten Ultraschallsignals für eine Auswertung berücksichtigt. Die Auswertung der zeitlichen Änderung des Ultraschallsignals erfolgt beispielsweise mittels einer Auswerteeinheit, die zumindest mit dem oder den Ultraschallsensoren verbunden ist.
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Bei Auftreten einer Änderung des erfassten reflektierten Ultraschallsignals zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen werden ein Abstand und, aus der zeitlichen Änderung des Abstandes, eine Relativgeschwindigkeit zwischen Ultraschallsensor und dem den Ultraschall reflektierenden Objekt bestimmt. Zusätzlich kann ein Ausgabesignal, z. B. ein Hinweis- oder Warnsignal, erzeugt werden.
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Weiterhin kann mittels des ermittelten Abstands und der ermittelten Relativgeschwindigkeit eine voraussichtliche Kollisionsposition bestimmt werden, wobei bei einem voraussichtlichen Kollisionsereignis ein Ausgabesignal, z. B. ein Warn- oder ein Alarmsignal, erzeugt wird.
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Somit erlaubt das Verfahren gemäß der Erfindung ein Erfassen von Bewegungen des Ultraschallsensors in Bezug zu Objekten innerhalb des Sicherheitsbereiches. D. h., es wird sowohl eine Bewegung des Ultraschallsensors, der z. B. an einer autonom agierenden Transportvorrichtung befestig ist, in Richtung auf ein Objekt als auch eine Bewegung von Objekten, die z. B. auf Kollisionskurs mit dem Ultraschallsensor bzw. dem Bauteil sind, an welchem der Ultraschallsensor befestigt ist, erfasst.
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Ein Vorteil des Verfahrens zur berührungslosen Erfassung von bewegten Objekten ist, dass die Sensorkomponenten z. B. unabhängig von der Auswerteeinheit platziert werden können, wobei sie stationär, d. h. feststehend, oder auf einem bewegten Bauteil bzw. einer autonom agierenden Transportvorrichtung befestigt werden können. Da die Sensorkomponenten sehr klein gehalten sein können, gibt es kaum Einschränkungen bezüglich ihrer Platzierung. Außerdem ist das Verfahren nicht auf eine Rückkopplung bzw. Kommunikation der Sensoren mit dedizierten, z. B. von einem Menschen zu tragenden oder an vorgegebenen Positionen im Raum aufgestellten, Geräten angewiesen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, als Ausgabesignal einen oder mehrere Steuerbefehle an den Roboter, dessen Sicherheitsbereich überwacht wird, zu senden. Die Auswerteeinheit kann dementsprechend mit einer Steuereinheit des Roboters derart verbunden und eingerichtet sein, dass die Steuerungsbefehle des Roboters in Echtzeit an die Auswerteeinheit übermittelt werden. Indem diese Steuerungsbefehle, d. h. die vorprogrammierte Bewegungsbahn des Roboters oder seines z. B. Manipulators, und die empfangenen Ultraschallsignale von potentiellen Kollisionspartner verknüpft werden, kann die Auswerteeinheit einen modifizierten Satz von Steuerungsdaten an die Steuereinheit des Roboters übermitteln, sodass eine Kollision vermeidbar wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden von den einzelnen Ultraschallemittern jeweils Ultraschallfelder mit einem ersten Öffnungswinkel von 17° in der ersten Ebene, d. h. der Ebene des Sicherheitsbereiches, und einem zweiten Öffnungswinkel von 5° in der zu der ersten Ebene senkrechten zweiten Ebene erzeugt, wobei das Ultraschallfeld bis zu einer Distanz von 2.5 m vom Ultraschallemitter reicht.
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Die Messfrequenz, mit der aufeinanderfolgende Messungen der reflektierten Ultraschallwellen erfolgen, beträgt bevorzugt 33 Hz.
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Als vorteilhaft hat sich eine Schallfrequenz von 103 kHz für den Ultraschall erwiesen.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur berührungslosen Erfassung von Objekten innerhalb eines von der Sensoreinrichtung überwachten Sicherheitsbereiches umfasst wenigstens zwei Ultraschallwandler und eine mit diesen verbundene Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, die Ultraschallwandler abwechselnd als Ultraschallemitter und Ultraschallsensor zu betreiben, d. h. periodisch wird der Ultraschallwandler für eine vorgegebene Zeitdauer als Ultraschallemitter betrieben und hiernach – für eine vorgegeben Messdauer – zur Messung des reflektierten Ultraschallsignales eingesetzt.
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Die Ultraschallwandler sind derart eingerichtet und ausgebildet, dass – während ihres Betriebes als Ultraschallemitter – jeweils ein plattgedrückt-birnenförmiges Ultraschallfeld mit einem ersten Öffnungswinkel in einer ersten Ebene und einem zweiten Öffnungswinkel in einer zu der ersten Ebene senkrechten zweiten Ebene erzeugbar ist.
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Die Auswerteeinheit weist für jeden Ultraschallwandler einen sicheren Ausgang in Form von jeweils zwei Ausgangsschaltelementen (auch bekannt unter dem englischen Fachbegriff „OSSD“ – Output Signal Switching Device) auf. Somit sind jedem Ultraschallwandler zwei Ausgangskanäle zugeordnet, was wichtig ist für den Einsatz der Sensoreinrichtung zum Personenschutz.
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Die Auswerteeinheit ist weiterhin eingerichtet, basierend auf zeitlichen Änderungen eines von den Ultraschallwandlern während ihres Betriebes als Ultraschallsensor erfassten Ultraschallsignals eine Position und Relativgeschwindigkeit von Objekten innerhalb des Sicherheitsbereiches zu bestimmen, wobei von ihr ggf. – z. B. bei bevorstehender Kollision – ein Ausgabesignal, beispielsweise ein von einem Menschen erfassbares Warnsignal (z. B. optisch und/oder akustisch), erzeugbar ist.
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Zudem kann die Auswerteeinheit eine Schnittstelle zur Anbindung an eine mit dem Roboter verbundene Steuereinheit, d. h. der Robotersteuerung, umfassen, um von der Steuereinheit für den Bewegungsablauf des Roboters generierte Steuerbefehle zu empfangen. Die Auswerteeinheit kann dementsprechend eingerichtet sein, die empfangenen Steuerbefehle mit den aus den Ultraschallmessungen bestimmten Positionen und Relativgeschwindigkeiten von Objekten innerhalb des Sicherheitsbereiches zu verknüpfen und darauf basierend Steuerbefehle über die Steuereinheit an den Roboter des Arbeitsplatzes zu senden, z. B. ein Steuersignal das den Roboter in eine Ruheposition oder den Roboterarm aus dem „Gefahrenbereich“ heraus fährt.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, die empfangenen Sensorsignale der Ultraschallwandler und den programmierten Bewegungsablauf, der von der Robotersteuerung übermittelt wird, in der Weise miteinander zu verknüpfen, dass eine Ausweichbewegung des Roboterarmes berechnet wird, sodass der Bewegungsablauf des Roboters gegenüber der ursprünglichen Programmierung zwar temporär verändert ist, aber sowohl die Produktion aufrechterhalten wird als auch zum Beispiel der unvorhergesehen in die ursprüngliche Bewegungsbahn des Roboters geratene Mensch unverletzt bleibt.
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Die von der Auswerteeinheit als Reaktion auf die Überwachung des Sicherheitsbereiches auslösbaren Aktionen z. B. an die Steuereinheit können die Ausgabe eines Warnsignals, die Reduktion der Robotergeschwindigkeit bis hin zum Stopp – z. B. als Funktion des Abstandes Mensch-Roboter – und ein Umplanen des Verfahrweges des Roboters sein.
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Der Vorteil der Sensoreinrichtung ist ihre Unempfindlichkeit gegen Staub, Nässe, Lacknebel, Fremdlicht und Vibrationen, da die Ultraschallwellen hiervon weitestgehend unbeeinträchtigt bleiben. Weiterhin ist durch die Sensoreinrichtung eine situationsbedingte Reaktion des Roboters ermöglicht, wobei bei Einbindung der Robotersteuerung, d. h. des geplanten Roboterbewegungsablaufes, eine vorausschauende Unfallverhütung ggf. auch ohne Unterbrechung des Produktionsablaufes ermöglicht ist. Hierzu sind keine weiteren Anforderungen an die mit dem Roboter interagierenden Menschen gestellt, insbesondere muss keine „Markierung“ des Menschen (z. B. durch ein mit sich zu führendes Gerät) zur Erkennung durch das System erfolgen.
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In besonders vorteilhafter Weise ist die Sensoreinrichtung für eine Annäherungsdetektion sowohl für Geschwindigkeits- als auch Abstandsüberwachung nach ISO/TS 15066 ausgelegt, wobei die Auswerteeinheit bevorzugt derart programmierbar ist, dass dauerhaft im Detektionsbereich des Sensors angeordnete Objekte, z. B. fest installierte Bauteile oder Maschinen, ausblendbar sind, d. h. von z. B. einer im Sicherheitsbereich stehenden Systemkomponente des Roboters oder einer Säule im Raum reflektierte Ultraschallsignale ignoriert werden.
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Weiter kann die Erfindung derart ausgestaltet sein, dass die je Ultraschallwandler zwei Ausgangsschaltelemente (OSSD) der Auswerteeinheit zwei sichere pnp-Halbleiterausgänge sind, die sowohl kurzschlussfest als auch mittels einer entsprechenden Schaltelektronik auf einen Querschluss zwischen den beiden getrennt herausgeführten Halbleiterausgängen überwacht sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Auswerteeinheit zusätzlich für jeden der Ultraschallwandler einen eigenen Meldeausgang für Warnfelder auf, der in einer baulichen Einheit mit dem sicheren Ausgang ausgeführt sein kann.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, das von den Ultraschallsensoren von einer vorgegebenen, z. B. statischen, Umgebung des Sicherheitsbereiches erfasste Ultraschallsignal als Basissignal in einem Speicherbereich der Auswerteeinheit abzulegen, sodass zeitliche Änderungen des Ultraschallsignals als Differenz zu diesem Basissignal ermittelbar sind (sog. „Teach-In-Funktion“). Hierbei kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Abbilder des Sicherheitsbereiches als jeweils ein Basissignal speicherbar sind, wobei die Auswerteeinheit das erfasste Ultraschallbild mit dieser Mehrzahl von Basissignalen vergleicht um nur bei Abweichung von allen Basissignalen, d. h., wenn das gemessene Signal keinem der gespeicherten Basissignale entspricht, ein Ausgabesignal zu erzeugen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Bewegungen von stationär im Sicherheitsbereich angeordneten Werkzeugmaschinen ignoriert werden, solange sie im Regelbetrieb keine Kollision verursachen können.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann vorteilhaft zur Flächenabsicherung, die einen großflächigen zweidimensionalen oder einen großräumigen dreidimensionalen Bereich um einen Roboter erfasst, und/oder als Roboterarmabsicherungskomponente, die nur den Nahbereich um den Roboterarm erfasst – z. B. in Form eines Werkzeugschutzes, der die Umgebung des von der Manipulatoreinrichtung des Roboters bewegten Werkzeuges überwacht – verwendet werden.
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Der Werkzeugschutz, beispielsweise, umfasst zwei Ultraschallwandler, die einen Arbeitsraumbereich mit einer Ausdehnung von wenigen Zentimetern um das Werkzeug des Roboters oder Teile des Roboters erfassen. Dieser Werkzeugschutz kann z. B. den unmittelbar von einem Greifwerkzeug des Roboters (z. B. beim Öffnen und Schließen des Greifers) beanspruchten Raum mittels Ultraschall überwachen. Sobald die Ultraschallwellen von einem in den überwachten Raum eindringenden Gegenstand (oder Körperteil) reflektiert werden, erzeugt die Sensoreinrichtung ein Ausgabesignal z. B. an die Steuereinheit des Roboters.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die
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1: einen stationären Roboter mit Manipulatoreinrichtung;
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2: eine autonom agierende Transportvorrichtung;
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3: die Umrisse eines Ultraschallfeldes; und
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4: eine Sensoreinrichtung.
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Auf den bewegten Armteilen 1 des Roboters 10 ist der auf Ultraschall basierende Werkzeugschutz 2 aufgebracht. Hier umfasst der Werkzeugschutz 2 die Auswerteeinheit 2.1 und die beiden, mit dieser Auswerteeinheit 2.1 verbundenen Ultraschallwandler 2.2, die den Nahbereich um das Werkzeug 5 abdecken.
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Weiterhin ist der Roboter 10 mit einem Ultraschall-Raumsensor zur Flächenabsicherung ausgestattet. Der Ultraschall-Raumsensor umfasst die beiden Ultraschallwandler 4 und die mit diesen verbundene Auswerteeinheit 6. Die zwei Ultraschallwandler 4 erzeugen jeweils ein eng begrenztes, birnenförmiges Ultraschallfeld in einem Abstand von bis zu 2,5 m vor dem Roboter 10.
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In 2 ist die autonom agierende Transportvorrichtung 9 gezeigt, die mit einer Sensoreinrichtung zur berührungslosen Erfassung von in Fahrtrichtung liegenden Hindernissen 12 ausgestattet ist. Die Sensoreinrichtung umfasst die beiden Ultraschallwandler 4 und die mit diesen verbundene Auswerteeinheit 6.
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3 zeigt die plattgedrückt-birnenförmige Ausformung des von einem Ultraschallwandler erzeugten Ultraschallfeldes. Hierbei ist der Umriss 7 des Ultraschallfeldes in der Ebene des Sicherheitsbereiches deutlich breiter – hier beträgt die maximale Breite 800 mm – als der Umriss 8 des Ultraschallfeldes senkrecht zu der Ebene des Sicherheitsbereiches, dessen maximale Breite hier 320 mm beträgt. Die Reichweite des Ultraschallwandlers, d. h. die Länge des Ultraschallfeldes, liegt in diesem Beispiel bei etwa 2 m.
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Die Sensoreinrichtung zur berührungslosen Erfassung von Objekten zeigt 4 im Detail. Die beiden Ultraschallwandler 4 sind mittels der geschirmten Spezialkabel 3 an die beiden sicheren Ausgänge 11 der Auswerteeinheit 6 angeschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- bewegtes Armteil des Roboters
- 2
- Werkzeugschutz
- 2.1
- Auswerteeinheit
- 2.2
- Ultraschallwandler
- 3
- Spezialkabel
- 4
- Ultraschallwandler
- 5
- Werkzeug
- 6
- Auswerteeinheit
- 7
- Umriss des Ultraschallfeldes in der Sicherungsebene
- 8
- Umriss des Ultraschallfeldes senkrecht zu der Sicherungsebene
- 9
- autonom agierende Transportvorrichtung
- 10
- Roboter
- 11
- sicherer Ausgang
- 12
- Hindernis / Objekt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202014100411 U1 [0006]
- WO 2017089364 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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