DE102017119149A1

DE102017119149A1 - Method for contactless detection of relatively moving objects and sensor device

Info

Publication number: DE102017119149A1
Application number: DE102017119149.6A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: MAYSER HOLDING & CO KG GmbH
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Sensoreinrichtung zur berührungslosen Detektion von Objekten (12) und/oder Personen. Sie ist z. B. anwendbar zur Unfallverhütung bei der Mensch-Roboter-Kollaboration. Das Verfahren bzw. die Sensoreinrichtung basieren auf der Verwendung von Ultraschall. Wenigstens zwei Ultraschallwandler (2.2, 4) erzeugen jeweils ein plattgedrückt-birnenförmiges Ultraschallfeld innerhalb eines zu überwachenden Sicherheitsbereiches. Durch Umschalten der Ultraschallwandler (2.2, 4) in einen Betrieb als Ultraschallsensoren werden Reflektionen von innerhalb des Sicherheitsbereiches relativ zu den Ultraschallwandlern (2.2, 4) bewegten Objekten (12) erfasst und von der Auswerteeinheit (2.1, 6) ein Abstand und eine Relativgeschwindigkeit bestimmt.The invention relates to a method and a sensor device for non-contact detection of objects (12) and / or persons. It is z. B. applicable to accident prevention in the human-robot collaboration. The method and the sensor device are based on the use of ultrasound. At least two ultrasonic transducers (2.2, 4) each generate a flattened-pear-shaped ultrasonic field within a security area to be monitored. By switching the ultrasonic transducers (2.2, 4) into an operation as ultrasonic sensors, reflections of objects (12) moving within the safety range relative to the ultrasonic transducers (2.2, 4) are detected and a distance and a relative speed are determined by the evaluation unit (2.1, 6) ,

Description

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. The invention relates to a method and a device for non-contact detection of relatively moving objects. The invention is applicable to protection against an accident of a human by the action of a robot, i. H. a programmable, autonomously operating machine, or the protection of a robot against penetrating into his work space objects or people.

Der Begriff Roboter beschreibt hierin jede Art von bewegter automatischer (d. h. von Computerprogrammen gesteuerter) Maschine, die sowohl ortsfest als auch mobil sein kann. The term robot herein describes any type of moving automatic (i.e., computer program controlled) machine that can be both stationary and mobile.

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. Robots are widely used in industrial production. They are available in various designs, eg. B. as a stationary installed handling device, as a programmable machine tool, as an autonomously acting transport device, etc.

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. As a rule, robots follow a previously programmed sequence of movements. Unpredictable events, such as B. a randomly penetrating into the working space of a robot worker, are not taken into account here. Accordingly, there is always the danger that a person will be injured by a robot or parts of the robot may be accidentally damaged.

Für eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) sind bereits eine Vielzahl von Systemen und Verfahren bekannt. A variety of systems and methods are already known for a secure human-robot collaboration (MRC).

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. The DE 202014100411 U1 describes a safety device which comprises a detection device to be worn by the worker for locating the worker. The disadvantage here is that any person who could get into the working area of the robot must first create such a detection device. If this is forgotten, the safety device can not work.

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. A multifunctional camera unit for coupling to a mobile robot system is incorporated in WO 2017 089 364 A1 proposed. The camera unit is designed primarily for recognition and tracking of static and dynamic objects, where it can be used both statically and mobile. However, this requires a complex computer technology for real-time image analysis, whereby the system can only recognize previously programmed scenarios.

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. In order to enable safe operation of an autonomously operating transport device in a workshop, it is known to equip it with laser scanners, which can monitor a horizontal area around the autonomously acting transport device, the so-called protective field (also referred to as security area below). If an obstacle, such as a person, enters the security area, a violation of the security area can be detected or detected by means of the laser scanner. In response, the autonomous transport device may stop to avoid a potential collision. Laser radiation, however, is subject to reservations due to its potential for human health harm.

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. Another disadvantage of optical image acquisition by means of cameras or laser scanners is that they depend on a clear view; For example, dust, rain or fog can seriously affect the function.

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. The object of the invention is to provide a method and a sensor device for detection within a safety range of relatively moving objects, in particular for human-robot collaboration, wherein the method and sensor device both universally applicable and largely independent of environmental conditions always ready for use and for the People are harmless. In particular, they should reliably detect a person or objects that penetrate into the security area, so as to be able to protect the human against injury by the robot or a robot from damage.

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. The solution of this object is achieved by the method for detecting relatively moving objects according to claim 1 and the sensor device according to claim 6; expedient embodiments of the invention can be found in the subclaims. A particularly advantageous use of the invention is shown in claim 11.

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. The inventive method for the contactless detection of relatively moving objects, for example, to secure a workplace with robots, based on the use of ultrasound for non-contact scanning of the security area.

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. In order to build up a safety area formed in two spatial directions, that is to say largely planar, at least two ultrasound emitters, each generating a flattened-pear-shaped ultrasound field, are used. Here, each flattened-pear-shaped ultrasonic field has a first opening angle in a first plane, namely the plane of the security area, and a second opening angle in one of the first Level vertical second level up. From a superimposition of these individual ultrasonic fields of the locally limited, largely spanned in the first plane security area, ie the area to be monitored or the protective field is formed.

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. According to the method, by means of at least one ultrasonic sensor, which may also be constructed in a structural unit with an ultrasound emitter, an ultrasound field of the security area formed by the superimposition of the ultrasound fields generated by the individual emitters (stationary or moving objects or persons) is reflected detected, wherein this detection of a reflected ultrasonic signal is performed periodically recurring at a predetermined measurement frequency.

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. Since, for example, furnishings or other machines or robots can be permanently positioned within the security area, preferably only a temporal change of the ultrasound signal detected with each periodically recurring measurement is taken into account for an evaluation. The evaluation of the temporal change of the ultrasonic signal takes place, for example, by means of an evaluation unit, which is connected at least to the one or more ultrasonic sensors.

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. When a change in the detected reflected ultrasound signal occurs between two successive measurements, a distance and, from the time change of the distance, a relative speed between the ultrasound sensor and the object reflecting the ultrasound are determined. Additionally, an output signal, e.g. As an indication or warning signal can be generated.

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. Furthermore, an estimated collision position can be determined by means of the determined distance and the determined relative velocity, wherein in the case of an anticipated collision event an output signal, e.g. As a warning or alarm signal is generated.

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. Thus, the method according to the invention allows detection of movements of the ultrasonic sensor with respect to objects within the safety area. D. h., It is both a movement of the ultrasonic sensor, the z. B. is fastened to an autonomously acting transport device, in the direction of an object as well as a movement of objects, the z. B. are on a collision course with the ultrasonic sensor or the component to which the ultrasonic sensor is mounted, detected.

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. An advantage of the method for non-contact detection of moving objects is that the sensor components z. B. can be placed independently of the evaluation unit, where they are stationary, d. H. fixed, or can be mounted on a moving component or an autonomously acting transport device. Since the sensor components can be kept very small, there are few restrictions on their placement. In addition, the method is not based on feedback or communication of the sensors with dedicated, z. B. instructed by a human or set up at predetermined positions in the room, devices.

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. Furthermore, it can be provided to send one or more control commands to the robot whose security area is monitored as the output signal. The evaluation unit can accordingly be connected to a control unit of the robot and set up such that the control commands of the robot are transmitted in real time to the evaluation unit. By having these control commands, i. H. the preprogrammed trajectory of the robot or its z. As manipulator, and the received ultrasonic signals from potential collision partners are linked, the evaluation unit can transmit a modified set of control data to the control unit of the robot, so that a collision is avoidable.

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. In a preferred embodiment of the method, ultrasound fields having a first opening angle of 17 ° in the first plane, that is to say of the individual ultrasound emitters, are respectively emitted. H. the plane of the security area, and a second opening angle of 5 ° in the second plane perpendicular to the first plane, wherein the ultrasonic field extends to a distance of 2.5 m from the ultrasonic emitter.

Die Messfrequenz, mit der aufeinanderfolgende Messungen der reflektierten Ultraschallwellen erfolgen, beträgt bevorzugt 33 Hz. The measuring frequency with which successive measurements of the reflected ultrasonic waves take place is preferably 33 Hz.

Als vorteilhaft hat sich eine Schallfrequenz von 103 kHz für den Ultraschall erwiesen. An acoustic frequency of 103 kHz has proved to be advantageous for the ultrasound.

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. The sensor device according to the invention for non-contact detection of objects within a security area monitored by the sensor device comprises at least two ultrasonic transducers and one evaluation unit connected to these. The evaluation unit is set up to operate the ultrasonic transducers alternately as ultrasound emitter and ultrasound sensor, i. H. periodically, the ultrasonic transducer is operated for a predetermined period of time as an ultrasonic emitter and hereafter - for a predetermined measurement period - used to measure the reflected ultrasonic signal.

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. The ultrasound transducers are set up and designed such that-during their operation as ultrasound emitters-a flattened-pear-shaped ultrasound field having a first opening angle in a first plane and a second opening angle in a second plane perpendicular to the first plane can be generated.

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. The evaluation unit has for each ultrasonic transducer on a safe output in the form of two output switching elements (also known under the English term "OSSD" - Output Signal Switching Device) on. Thus, each ultrasonic transducer two output channels are assigned, which is important for the use of the sensor device for personal protection.

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. The evaluation unit is furthermore set up to determine a position and relative speed of objects within the safety area based on temporal changes of an ultrasound signal detected by the ultrasound transducers during their operation as an ultrasound sensor. For example, in the event of an impending collision, an output signal, for example a warning signal that can be detected by a human being (eg visually and / or acoustically), can be generated.

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. In addition, the evaluation unit may have an interface for connection to a control unit connected to the robot, i. H. the robot controller, to receive from the control unit for the movement sequence of the robot generated control commands. The evaluation unit can accordingly be set up to link the received control commands with the positions and relative speeds of objects within the security area determined from the ultrasound measurements and, based thereon, to send control commands via the control unit to the robot of the workstation, e.g. B. a control signal that drives the robot in a rest position or the robot arm out of the "danger zone" out.

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. In particular, it may be provided to link the received sensor signals of the ultrasonic transducers and the programmed movement sequence transmitted by the robot control in such a way that an evasive movement of the robot arm is calculated, so that the movement sequence of the robot compared to the original programming is indeed temporarily changed but both the production is maintained and, for example, the person who unexpectedly gets into the original trajectory of the robot remains unhurt.

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. The triggerable by the evaluation unit in response to the monitoring of the security area actions z. B. to the control unit, the output of a warning signal, the reduction of the robot speed up to the stop -. B. as a function of the distance human-robot - and a rescheduling of the travel of the robot.

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. The advantage of the sensor device is its insensitivity to dust, moisture, paint mist, extraneous light and vibration, since the ultrasound waves thereof remain largely unimpaired. Furthermore, a situation-dependent reaction of the robot is made possible by the sensor device, wherein when the robot controller, i. H. the planned robot movement sequence, a predictive accident prevention is possible even without interrupting the production process. For this purpose, no further requirements are placed on the people interacting with the robot, in particular, no "marking" of the human being (for example by a device to be guided with it) must take place for recognition by the system.

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. In a particularly advantageous manner, the sensor device for an approach detection for both speed and distance monitoring after ISO / TS 15066 designed, wherein the evaluation unit is preferably programmable such that permanently arranged in the detection region of the sensor objects, for. B. permanently installed components or machines can be faded out, ie z. B. a standing in the security area system component of the robot or a pillar in space reflected ultrasonic signals are ignored.

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. Furthermore, the invention can be configured in such a way that the two ultrasound transducer two output switching elements (OSSD) of the evaluation unit are two secure pnp semiconductor outputs which are both short-circuit proof and monitored by an appropriate switching electronics for a cross-circuit between the two separately led semiconductor outputs.

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. According to one embodiment, the evaluation unit additionally has, for each of the ultrasonic transducers, a separate signaling output for warning fields, which can be embodied in a structural unit with the safe output.

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. It can also be provided that the evaluation unit is set up by the ultrasonic sensors from a predetermined, z. B. static, environment of the security area recorded ultrasonic signal as a base signal in a memory area of the evaluation, so that temporal changes of the ultrasonic signal can be determined as the difference to this base signal (so-called "teach-in function"). In this case, it can also be provided that a plurality of images of the security area can be stored as a respective one base signal, the evaluation unit including the acquired ultrasound image This plurality of base signals compares to produce an output signal only when deviating from all base signals, that is, when the measured signal does not correspond to any of the stored base signals. In particular, it can be provided that movements of stationarily arranged in the security area machine tools are ignored, as long as they can not cause a collision in normal operation.

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. Advantageously, the sensor device according to the invention can be used to secure the surface, which detects a large-area two-dimensional or large-area three-dimensional area around a robot, and / or as a robot arm protection component that only detects the near area around the robot arm - eg. B. in the form of tool protection, which monitors the environment of moving from the manipulator device of the robot tool - are used.

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. The tool guard, for example, includes two ultrasonic transducers that detect a working space area of a few centimeters around the tool of the robot or parts of the robot. This tool protection can z. B. monitor the directly by a gripping tool of the robot (eg., When opening and closing the gripper) claimed space by means of ultrasound. As soon as the ultrasonic waves are reflected by an object (or body part) penetrating into the monitored space, the sensor device generates an output signal z. B. to the control unit of the robot.

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 The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment, wherein the same or similar features are provided with the same reference numerals. These show in a schematic representation of the

1: einen stationären Roboter mit Manipulatoreinrichtung; 1 a stationary robot with manipulator device;

2: eine autonom agierende Transportvorrichtung; 2 an autonomous transport device;

3: die Umrisse eines Ultraschallfeldes; und 3 : the outlines of an ultrasound field; and

4: eine Sensoreinrichtung. 4 a sensor device.

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. On the moving arm parts 1 of the robot 10 is the ultrasound-based tool protection 2 applied. Here the tool protection covers 2 the evaluation unit 2.1 and the two, with this evaluation unit 2.1 connected ultrasonic transducer 2.2 that close the area around the tool 5 cover.

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. Furthermore, the robot 10 equipped with an ultrasonic room sensor for surface protection. The ultrasonic room sensor includes the two ultrasonic transducers 4 and the evaluation unit connected to these 6 , The two ultrasonic transducers 4 each generate a narrow, pear-shaped ultrasonic field at a distance of up to 2.5 m in front of the robot 10 ,

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. In 2 is the autonomous transport device 9 shown with a sensor device for non-contact detection of lying in the direction of travel obstacles 12 Is provided. The sensor device comprises the two ultrasonic transducers 4 and the evaluation unit connected to these 6 ,

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. 3 shows the flattened-pear-shaped formation of the ultrasonic field generated by an ultrasonic transducer. Here is the outline 7 of the ultrasonic field in the plane of the security area significantly wider - here the maximum width is 800 mm - than the outline 8th of the ultrasonic field perpendicular to the plane of the security area, the maximum width of which is 320 mm. The range of the ultrasonic transducer, ie the length of the ultrasonic field is in this example at about 2 m.

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. The sensor device for non-contact detection of objects shows 4 in detail. The two ultrasonic transducers 4 are using the shielded special cable 3 to the two safe outputs 11 the evaluation unit 6 connected.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: bewegtes Armteil des Roboters moving arm part of the robot
2 2: Werkzeugschutz tool protection
2.1 2.1: Auswerteeinheit evaluation
2.2 2.2: Ultraschallwandler ultrasound transducer
3 3: Spezialkabel special cables
4 4: Ultraschallwandler ultrasound transducer
5 5: Werkzeug Tool
6 6: Auswerteeinheit evaluation
7 7: Umriss des Ultraschallfeldes in der Sicherungsebene Outline of the ultrasonic field in the fuse plane
8 8th: Umriss des Ultraschallfeldes senkrecht zu der Sicherungsebene Outline of the ultrasonic field perpendicular to the fuse plane
9 9: autonom agierende Transportvorrichtung autonomously acting transport device
10 10: Roboter robot
11 11: sicherer Ausgang safe exit
12 12: Hindernis / Objekt Obstacle / object

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202014100411 U1 [0006]
WO 2017089364 A1 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

ISO / TS 15066 [0032]

Claims

A method for non-contact detection of relatively moving objects, characterized in that - by means of at least two ultrasonic emitters, each generating a flattened-pear-shaped ultrasonic field with a first opening angle in a first plane and a second opening angle in a plane perpendicular to the first plane second plane, a constructed from the superposition of these ultrasound fields, locally limited security area is established; By means of at least one ultrasonic sensor having a predetermined measuring frequency one of objects ( 12 ) detected within the security area reflected ultrasonic signal; - by means of an evaluation unit ( 2.1 . 6 ) a temporal change of the detected by the at least one ultrasonic sensor ultrasonic signal is determined; and in the case of a change in the ultrasonic signal, a distance and a relative speed with respect to the object ( 12 ) is determined; and - an output signal is generated.

A method according to claim 1, characterized in that the from the evaluation unit ( 2.1 . 6 ) output signal generated in response to a change in the ultrasonic signal as a function of a distance and / or relative speed between the object ( 12 ) and the at least one ultrasonic sensor is generated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first opening angle is 17 ° and the second opening angle is 5 °.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that measurements for detecting the change of the ultrasonic signal are carried out with a measuring frequency of 33 Hz.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that ultrasound is used with a sound frequency of 103 kHz.

Sensor device for non-contact detection of objects ( 12 ) within a security area monitored by the sensor device, in particular according to the method according to one of claims 1 to 5, characterized in that - the sensor device at least two ultrasonic transducers ( 2.2 . 4 ) and an evaluation unit ( 2.1 . 6 ); - wherein by means of each ultrasonic transducer ( 2.2 . 4 ) in each case a flattened-pear-shaped ultrasonic field with a first opening angle in a first plane and a second opening angle in a plane perpendicular to the first plane second plane can be generated; - the evaluation unit ( 2.1 . 6 ) for each ultrasonic transducer ( 2.2 . 4 ) has a safe output in the form of two output switching elements; - wherein the evaluation unit ( 2.1 . 6 ), the ultrasonic transducers ( 2.2 . 4 ) operate alternately as an ultrasound emitter and as an ultrasound sensor and, based on temporal changes of an ultrasound signal detected by the ultrasound sensors, a distance and a relative speed in relation to the object reflecting the ultrasound ( 12 ) and to generate an output signal.

Sensor device according to claim 6, characterized in that the evaluation unit ( 2.1 . 6 ), the ultrasonic transducers ( 2.2 . 4 ) with a switching frequency of 33 Hz switch from an operation as an ultrasonic emitter to an operation as an ultrasonic sensor.

Sensor device according to one of claims 6 to 7, characterized in that the per ultrasonic transducer ( 2.2 . 4 ) two output switching elements of the evaluation unit ( 2.1 . 6 ) are two secure pnp semiconductor outputs that are short circuit proof and short circuit protected.

Sensor device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the evaluation unit ( 2.1 . 6 ) additionally one of the number of ultrasonic transducers ( 2.2 . 4 ) comprises corresponding number of signaling outputs for warning fields.

Sensor device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the evaluation unit ( 2.1 . 6 ) is set up, the ultrasonic signal detected by the ultrasonic sensors from a static environment as the base signal in a memory area of the evaluation unit ( 2.1 . 6 ).

Use of the sensor device according to one of claims 6 to 10 for securing the surface of a robot.