DE102019102833B4

DE102019102833B4 - Verfahren zum sicheren Betrieb einer beweglichen Maschine

Info

Publication number: DE102019102833B4
Application number: DE102019102833.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hofmann
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2019-02-05
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2039-02-06
Also published as: DE102019102833A1

Abstract

Verfahren zum sicheren Betrieb einer beweglichen Maschine (11), die eine Gefahrenstelle (19) aufweist, insbesondere im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration, wobei das Verfahren umfasst:- Ansteuern der beweglichen Maschine (11) zum Durchlaufen eines planmäßigen Bewegungsablaufs;- für Objekte in einer Umgebung der Gefahrenstelle:- Erfassen der Positionen der Objekte (21) relativ zu der Gefahrenstelle (19) mittels einer an der beweglichen Maschine (11) vorgesehenen Sensoreinrichtung (23) und- in Abhängigkeit von den erfassten Positionen Ermitteln einer virtuellen Abstoßungskraft, die von den Objekten (21) auf die Gefahrenstelle (19) fiktiv ausgeübt wird, als Gradient eines durch eine vorgegebene oder vorgebbare Potentialfunktion definierten virtuellen Potentials der Objekte (21);- in Abhängigkeit von der ermittelten virtuellen Abstoßungskraft Anpassen des Bewegungsablaufs und Ansteuern der beweglichen Maschine (11) zum Durchlaufen des angepassten Bewegungsablaufs, so dass die Gefahrenstelle (19) den Objekten (21) ausweicht,- nach mehreren Durchläufen Prüfen der durchlaufenen Bewegungsabläufe auf übereinstimmende Abweichungen vom planmäßigen Bewegungsablauf aufgrund einer jeweiligen Anpassung des Bewegungsablaufs; und- falls eine Übereinstimmung vorliegt, Ändern des planmäßigen Bewegungsablaufs gemäß der übereinstimmenden Abweichung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betrieb einer beweglichen Maschine, die eine Gefahrenstelle aufweist. Als Gefahrenstelle ist dabei ein Punkt oder ein Bereich der beweglichen Maschine gemeint, von dem eine Gefahr, etwa der Verletzung insbesondere durch direkten Kontakt, für Objekte, vor allem für Menschen, in der Umgebung der Maschine ausgehen kann. Dabei kann die bewegliche Maschine grundsätzlich auch mehrere derartige Gefahrenstellen aufweisen. Ein solches Verfahren kann insbesondere im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration einsetzbar und zweckmäßig sein.
Aus PARK, Dae-Hyung et a/.: „Movement reproduction and obstacle avoidance with dynamic movement primitives and potential fields“, in: 8^th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, December 1-3, 2008, S. 91-98, ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine bewegliche Maschine zum Durchlaufen eines Bewegungsablaufs angesteuert wird und für Objekte in einer Umgebung einer Gefahrenstelle der beweglichen Maschine eine fiktiv auf die Gefahrenstelle ausgeübte virtuelle Abstoßungskraft ermittelt wird, in Abhängigkeit von welcher der Bewegungsverlauf dann angepasst wird. Möglichkeiten, die Positionen von Objekten in einer Umgebung einer beweglichen Maschine mittels einer Sensoreinrichtung zu erfassen, werden beispielsweise in US 9,120,233 B2 sowie in CHEUNG, Edward, LUMELSKY, Vladimir J.: „Proximity sensing in robot manipulator motion planning: system and implementation issues“, in: IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 5, No. 6, S. 740-751, beschrieben.
Im industriellen Umfeld können verschiedene Arbeiten von beweglichen Maschinen, wie z.B. von Robotern, ausgeführt werden. Dies betrifft insbesondere Arbeiten, bei denen besonders große Kräfte ausgeübt werden müssen und/oder die mit hoher Geschwindigkeit und Präzision wiederholt auszuführen sind. Andere Arbeiten lassen sich besser von Menschen ausführen. Dies betrifft insbesondere Arbeiten, die schwer zu automatisieren sind, etwa weil sie Erfahrung und/oder eine hohe Anpassungsfähigkeit voraussetzen. Bei Prozessen, die sowohl Arbeiten der einen Art als auch Arbeiten der anderen Art umfassen, ist es daher zweckmäßig, wenn Menschen und bewegliche Maschinen zusammenarbeiten, um die jeweiligen Stärken möglichst effizient zu kombinieren.
Die Art der Zusammenarbeit kann dabei unterschiedlich ausfallen. Beispielsweise können sich die Arbeitsbereiche einer beweglichen Maschine und eines Menschen leidglich überschneiden, wobei keine direkte Interaktion zwischen der beweglichen Maschine und dem Menschen stattfindet oder wobei eine Interaktion nur bei Stillstand der beweglichen Maschine vorgesehen ist. Eine solche Form der Zusammenarbeit wird auch als Mensch-Roboter-Kooperation bezeichnet. Die Zusammenarbeit kann aber auch so weit gehen, dass eine direkte Interaktion bis hin zum planmäßigen Kontakt zwischen Mensch und beweglicher Maschine erfolgt, etwa wenn der Mensch und die bewegliche Maschine gleichzeitig an einem Werkstück arbeiten oder die Maschine handgeführt wird. Diese Art der Zusammenarbeit wird auch als Mensch-Roboter-Kollaboration bezeichnet. In Bezug auf die vorliegende Erfindung soll Mensch-Roboter-Kollaboration in einem weiteren Sinne zu verstehen sein und alle der genannten Formen der Zusammenarbeit, also auch Mensch-Roboter-Kooperationen, umfassen.
Durch eine Mensch-Roboter-Kollaboration ergeben sich hohe Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit der beteiligten Menschen, da die beteiligten beweglichen Maschinen insbesondere aufgrund ihrer Kraft und Geschwindigkeit eine Gefahr für die Menschen darstellen können. Es müssen daher Vorkehrungen getroffen werden, um Schaden an Menschen nach Möglichkeit auszuschließen. Derartige Vorkehrungen umfassen sowohl passive Maßnahmen, beispielsweise dass harte oder scharfe Kanten an der Außenseite der beweglichen Maschine vermieden und eher weiche und/oder abgerundete Oberflächen vorgesehen werden, als auch aktive Sicherheitsmechanismen, die im Falle einer Gefahr für einen Menschen konkrete Schutzmaßnahmen auslösen, um diese Gefahr abzuwenden. Beispielsweise kann an einem freien Ende eines Roboterarms ein Werkzeug vorgesehen sein, das der Bearbeitung eines Werkstücks dient. Eine solche Werkzeugspitze, die zur Erfüllung ihrer Funktion nicht in einer weniger gefährlichen Weise ausgebildet sein kann, kann jedoch auch einen Menschen verletzen. Um eine Gefährdung dennoch möglichst auszuschließen, kann es insbesondere zweckmäßig sein, dafür zu sorgen, dass das Werkzeug stets nur mit einem gewissen Sicherheitsabstand zu anwesenden Menschen betrieben werden kann.
Wenn im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration Roboter mit Menschen in einer definierten Arbeitsumgebung zusammenarbeiten, ohne dabei durch eine Trennvorrichtung dauerhaft räumlich voneinander getrennt zu sein, kann sich eine Gefahr für einen an der Kollaboration beteiligten Menschen insbesondere dadurch ergeben, dass die bewegliche Maschine mit ihrer Bewegung einen Menschen trifft. Dieser Gefahr kann auf verschiedene Weisen begegnet werden.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass die bewegliche Maschine nur unter direkter Kontrolle durch einen Menschen betrieben wird, der somit selbst sicherstellen kann, dass weder er noch andere Menschen durch die bewegliche Maschine zu Schaden kommen. Erfolgt die Ansteuerung der beweglichen Maschine hingegen automatisch oder arbeitet die bewegliche Maschine sogar autonom, kann die Sicherheit der mit der beweglichen Maschine zusammenarbeitenden Menschen gemäß einem weiteren Sicherungskonzept dadurch gewährleistet werden, dass die Bewegungen der beweglichen Maschine, insbesondere ihre Kraft und Geschwindigkeit, so limitiert werden, dass ein Mensch selbst bei einem Zusammenstoß mit der Maschine höchstwahrscheinlich weder Schmerzen noch Verletzungen davonträgt. Ein solches auf einer Limitierung der beweglichen Maschine beruhendes Sicherheitskonzept ist jedoch nur möglich, wenn die Arbeit, für die die bewegliche Maschine eingesetzt wird, keine hohen Kräfte oder Geschwindigkeiten erfordert.
Gemäß einem alternativen Sicherungskonzept wird darauf abgezielt, dass es erst gar nicht zu einem Kontakt zwischen einem Menschen und der beweglichen Maschine kommt, zumindest solange diese in Betrieb ist. Dazu wird sichergestellt, dass die bewegliche Maschine nur dann in Betrieb gesetzt werden kann, wenn sich kein Mensch in einer definierten Umgebung der beweglichen Maschine befindet, und unverzüglich angehalten wird, sobald ein Mensch in die definierte Umgebung eindringt. Diese Umgebung kann insbesondere durch einen Sicherheitsabstand zu der Maschine oder zu einem Werkzeug der Maschine definiert sein und kann dabei statisch oder, wenn die Umgebung relativ zu einem sich bewegenden Element der beweglichen Maschine definiert ist, auch dynamisch sein. Die Umgebung wird dabei (zumindest bei Betrieb der beweglichen Maschine) laufend überwacht, so dass auf die Anwesenheit eines Menschen in der Umgebung unverzüglich reagiert werden kann.
Gemäß einer Erweiterung dieses Sicherheitskonzepts ist vorgesehen, dass nicht lediglich binär zwischen freigegebenem Betrieb der beweglichen Maschine bei vollständig freier Umgebung und sofortigem Zwangsstopp, sobald sich ein Mensch in der Umgebung befindet, unterschieden wird, sondern ein abgestufter oder fließender Übergang erfolgt. Dazu werden als Schutzmaßnahme bei Annäherung eines Menschen an die bewegliche Maschine deren Bewegungen nicht gleich gestoppt, sondern zunächst lediglich reduziert, insbesondere bahntreu verlangsamt. Dies kann kontinuierlich erfolgen, so dass mit zunehmender Annäherung die Bewegungen immer langsamer und/oder schwächer werden. Die Bewegungsreduktion erfolgt dabei derart, dass sichergestellt wird, dass die bewegliche Maschine spätestens kurz vor einem Kontakt mit einem Menschen einen sicheren Betriebszustand eingenommen hat, insbesondere entweder vollständig stillsteht oder nur noch Bewegungen ausführt, von denen keine Gefahr von Schmerzen oder Verletzungen für den jeweiligen Menschen mehr ausgeht.
Derartige Sicherheitskonzepte führen jedoch dazu, dass Arbeitsabläufe gestört und unter Umständen unterbrochen werden, wenn etwa ein Mensch in die Bewegungsbahn eines Elements der beweglichen Maschine gerät. Wenn hingegen die bewegliche Maschine die Fähigkeit aufweist, einem Menschen oder allgemein Objekten, die als Hindernisse einem planmäßigen Bewegungsablauf unter Umständen entgegenstehen können, auszuweichen, kann dadurch eine Unterbrechung vermeidbar und eine Störung des Betriebs zumindest reduzierbar sein. Üblichen Industrierobotern fehlen heutzutage jedoch die perzeptiven Fähigkeiten für ein zuverlässiges Ausweichen.
Systeme, die ein Ausweichen ermöglichen, können beispielsweise darauf beruhen, dass der Arbeitsbereich, den sich Mensch und Maschine teilen, optisch überwacht wird, etwa mittels einer stationären 3D-Kamera. Eine derartige Lösung ist jedoch vergleichsweise teuer. Zudem besteht das Problem, dass mittels einer stationären 3D-Kamera nicht sichergestellt werden kann, dass ein bestimmter Abstand zwischen einer Gefahrenstelle an der beweglichen Maschine und einem zu schützenden Objekt eingehalten wird, wenn aus dem Blickwinkel der 3D-Kamera der Bereich zwischen der Gefahrenstelle und dem Objekt beispielsweise durch ein anderes Objekt verdeckt ist.
Es ist auch denkbar, die bewegliche Maschine mit einer Sensorik zu versehen, die es der beweglichen Maschine ermöglicht, Objekte in der Umgebung der beweglichen Maschine quasi zu erfühlen. Dazu können insbesondere sogenannte kapazitive Häute eingesetzt werden. Nachteilig an einer solchen Lösung sind jedoch die kurze Reichweite und die geringe Auflösung kapazitiver Sensoren. Zudem ist die Lösung sehr kostenintensiv, zumal alle relevanten Teile der Maschine, etwa ein gesamter Roboterarm, mit entsprechender Sensorik versehen werden müssten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum sicheren Betrieb einer beweglichen Maschine, die eine Gefahrenstelle aufweist, sowie eine entsprechende Sensoreinrichtung, eine entsprechende Steuereinrichtung sowie eine entsprechende bewegliche Maschine bereitzustellen, durch welche die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden und insbesondere Unterbrechungen und Störungen des Betriebs nach Möglichkeit vermieden oder zumindest reduziert werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10, durch eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie durch eine bewegliche Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie den Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren: dass die bewegliche Maschine zum Durchlaufen eines planmäßigen Bewegungsablaufs angesteuert wird; dass für Objekte in einer Umgebung der Gefahrenstelle die Positionen der Objekte relativ zu der Gefahrenstelle mittels einer an der beweglichen Maschine vorgesehenen Sensoreinrichtung erfasst werden und in Abhängigkeit von den erfassten Positionen eine virtuelle Abstoßungskraft, die von den Objekten auf die Gefahrenstelle fiktiv ausgeübt wird, als Gradient eines durch eine vorgegebene oder vorgebbare Potentialfunktion definierten virtuellen Potentials der Objekte ermittelt wird; dass in Abhängigkeit von der ermittelten virtuellen Abstoßungskraft der Bewegungsablauf angepasst und die bewegliche Maschine zum Durchlaufen des angepassten Bewegungsablaufs angesteuert wird, so dass die Gefahrenstelle den Objekten ausweicht; dass nach mehreren Durchläufen die durchlaufenen Bewegungsabläufe auf übereinstimmende Abweichungen vom planmäßigen Bewegungsablauf geprüft werden, die sich aufgrund einer jeweiligen Anpassung des Bewegungsablaufs ergeben haben; und dass, falls eine Übereinstimmung vorliegt, der planmäßige Bewegungsablauf gemäß der übereinstimmenden Abweichung geändert wird.
Während das Ausweichen vor Objekten grundsätzlich zunächst rein situativ erfolgt und jeweils nur dann erfolgt, wenn gerade tatsächlich ein oder mehrere Objekte Anlass dazu geben, kann also ein wiederholtes gleichartiges Ausweichen auch zu einer dauerhaften Änderung des planmäßigen Bewegungsablaufs führen, so dass dieser veränderte Bewegungsablauf auch dann ausgeführt wird, wenn er nicht länger durch tatsächlich vorhandene Objekte verursacht wird. Es stellt sich somit eine Art Lerneffekt ein, der auch gezielt genutzt werden kann, um den Bewegungsablauf insbesondere gestenbasiert, gezielt zu modifizieren. Denn aufgrund der erfindungsgemäßen Ausweichfunktion der beweglichen Maschine kann ein Mensch im laufenden Betrieb den Bewegungsablauf gezielt so stören, dass die Bewegung in einen bestimmten abweichenden Ablauf gedrängt wird. Erfolgt dies mehrfach in zumindest ähnlicher Weise, wird der Ausweichverlauf zum Regelverlauf, so dass die gewünschte Veränderung bestehen bleibt, auch wenn nicht länger in den Ablauf eingegriffen wird.
Das Erkennen wiederkehrender Ausweichmuster als ähnlich zueinander kann auf verschiedene Weise erfolgen. Insbesondere können dazu Methoden der künstlichen Intelligenz eingesetzt werden. Neben einer gestenbasierten Einflussnahme auf den Bewegungsablauf kommen ferner grundsätzlich auch andere unmittelbare Einflussnahmen in Betracht, z.B. Befehlskommandos, wie etwa Sprachbefehle. Zudem kann ein Zustimmtaster vorgesehen sein, z.B. zum Freigeben des Fortsetzens des Bewegungsablaufs nach einem störungsbedingten Stillstand.
Bei der genannten Gefahrenstelle kann es sich zum Beispiel um ein Werkzeug handeln, dass an einer Werkzeugspitze der beweglichen Maschine, z.B. dem Ende eines Roboterarms, vorgesehen sein kann. Die Gefahrenstelle kann dabei durch den sogenannten Tool Center Point (TCP) gebildet werden. Grundsätzlich kann die bewegliche Maschine auch mehrere Gefahrenstellen aufweisen. Eine zusätzliche Berücksichtigung weiterer Gefahrenstellen wird weiter unten beschrieben, wobei die weiteren Gefahrenstellen dort als Nebengefahrenstellen bezeichnet werden. Es kommt aber auch in Betracht, mehrere Gefahrenstellen jeweils auf die nachfolgend für eine einzelne Gefahrenstelle beschriebene Weise zu behandeln.
Angesteuert werden kann die bewegliche Maschine durch eine Steuereinrichtung, bei der es sich beispielsweise um eine gesonderte Robotersteuerung handelt. Dabei können Teile der Ansteuerung und/oder Hilfsberechnungen, wie etwa Algorithmen zur Bewegungsablaufplanung, aber auch außerhalb der Robotersteuerung, z.B. auf einem Computer oder in einem Funktionsblock einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), ausgeführt werden.
Das Verfahren geht dabei grundsätzlich jedenfalls zunächst von einem ungestörten Betrieb aus, so dass die bewegliche Maschine zum Durchlaufen eines planmäßigen Bewegungsablaufs angesteuert wird, dessen Ziel insbesondere eine bestimmte, von der beweglichen Maschine einzunehmende Zielstellung sein kann. Der planmäßige Bewegungsablauf kann dabei fest vorgegeben und z.B. in der Robotersteuerung gespeichert sein. Der planmäßige Bewegungsablauf kann aber auch individuell vorgebbar sein. Außerdem kann die Maschine auch dazu ausgebildet sein, den planmäßigen Bewegungsablauf selbst zu definieren. Planmäßig ist der Bewegungsablauf insofern, als er jedenfalls dann ausgeführt wird, wenn keine Störung vorliegt.
Eine Störung des Bewegungsablaufs kann sich vor allem durch Objekte ergeben, die sich zu irgendeinem Zeitpunkt während des Durchlaufens des Bewegungsablaufs in einer Umgebung der Gefahrenstelle befinden, insbesondere derart nah an der Gefahrenstelle oder an der von der Gefahrenstelle im Rahmen des Bewegungsablaufs noch zu durchlaufenden Bewegungsbahn, dass das Objekt durch die Gefahrenstelle gefährdet wird. Bei dem Objekt kann es sich insbesondere um einen Menschen bzw. einen Körperteil eines Menschen handeln. Grundsätzlich können durch das Verfahren aber unterschiedslos Objekte aller Art berücksichtigt werden, zumal je nach Objekt nicht (nur) von der Gefahrenstelle die Gefahr einer Beeinträchtigung des Objekts, sondern auch umgekehrt von dem Objekt die Gefahr einer Beeinträchtigung der beweglichen Maschine ausgehen kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die bewegliche Maschine zu mehreren verschiedenen planmäßigen Bewegungsabläufen angesteuert wird, die z.B. in einer bestimmten Reihenfolge nacheinander ausgeführt werden oder deren Reihenfolge von Ereignissen getriggert werden, wobei jeweils vorgesehen sein kann, dass der Bewegungsablauf erforderlichenfalls auf die erfindungsgemäße Weise derart angepasst wird, dass die Gefahrenstelle einem jeweiligen Objekt ausweicht.
Für das Ausweichen können grundsätzlich sämtliche Objekte berücksichtigt werden, die sich in einer Umgebung der Gefahrenstelle befinden. Vorzugsweise werden dabei jedoch nur solche Objekte betrachtet, die nicht Teil der beweglichen Maschine sind. Auch stationäre Objekte können dabei ignoriert werden, sofern sie bekannt oder von potentiell störenden beweglichen Objekten zu unterscheiden sind und entweder den Bewegungsablauf nicht stören (z.B. ein jeweiliges Werkstück) oder in dem planmäßigen Bewegungsablauf bereits berücksichtigt werden.
Die Umgebung der Gefahrenstelle, in der Objekte erfasst werden, ist grundsätzlich durch die Reichweite der an der beweglichen Maschine vorgesehenen Sensoreinrichtung beschränkt. Ferner kann die Umgebung auf den Raum beschränkt werden, der, gegebenenfalls zuzüglich eines Sicherheitsabstands, für die Gefahrenstelle im Rahmen der Beweglichkeit der beweglichen Maschine überhaupt erreichbar ist. Die Umgebung kann aber auch noch darüber hinaus beschränkt sein, etwa auf ein jeweiliges Applikationsvolumen oder derart, dass Objekte ausgeschlossen werden, deren Abstand zu der Gefahrenstelle so groß ist, dass nicht mit einer Beeinträchtigung der beweglichen Maschine bzw. einer Beeinträchtigung durch die bewegliche Maschine zu rechnen ist.
Um störenden Objekten ausweichen zu können, werden die Positionen der Objekte relativ zu der Gefahrenstelle mittels der Sensoreinrichtung erfasst. Insbesondere wird für jedes Objekt, das sich in der Umgebung der Gefahrenstelle befindet, eine Ortsinformation gemessen und, sofern sie noch keinen direkten Bezug zum Ort der Gefahrenstelle aufweist, derart umgerechnet, dass für jedes erfasste Objekt dessen Position relativ zu der Gefahrenstelle vorliegt. Die Position kann nach dem Erfassen etwa in kartesischen Koordinaten, in Kugelkoordinaten, in Zylinderkoordinaten oder gemäß einem sonstigen Koordinatensystem vorliegen, wobei die Gefahrenstelle vorzugsweise das Zentrum des jeweiligen Koordinatensystems darstellt und/oder eine Koordinate den Abstand des jeweiligen Objekts von der Gefahrenstelle angibt. Vorzugsweise liegen für jedes erfasste Objekt letztlich der Abstand des jeweiligen Objekts von der Gefahrenstelle sowie die Raumrichtung, in der sich das Objekt von der Gefahrenstelle aus befindet, vor oder lassen sich zumindest ableiten. Die erfassten Positionen sind vorzugsweise sicher und verfügen über die dazu erforderlichen Konfidenzintervalle.
In Abhängigkeit von den erfassten Positionen wird dann eine virtuelle Abstoßungskraft ermittelt, die von den Objekten fiktiv auf die Gefahrenstelle ausgeübt wird. Die Abstoßungskraft ist insofern virtuell, als die Objekte nicht tatsächlich eine Abstoßungskraft auf die Gefahrenstelle ausüben, sondern nur eine fiktive Kraft ermittelt wird, so als ob die Objekte die Gefahrenstelle abstoßen würden. Um diese virtuelle Abstoßungskraft zu ermitteln, wird von einem virtuellen Potential des jeweiligen Objekts ausgegangen, beispielsweise nach Art der Abstoßung zwischen zwei elektrisch gleichartig geladenen Teilchen, die durch ein Coulomb-Potential beschrieben werden kann. Aus einem solchen Potential lässt sich die Abstoßungskraft, die an einem bestimmten Punkt wirkt, dann als der Gradient des Potentials an diesem Punkt ableiten.
Da es sich bei dem virtuellen Potential nicht um ein tatsächliches, sondern um ein fiktiv angenommenes Potential handelt, kann als Potentialfunktion, die dem virtuellen Potential zugrundliegt, grundsätzlich eine beliebige Funktion herangezogen werden, wobei zweckmäßigerweise eine Potentialfunktion gewählt wird, die zu einem zuverlässigen Ausweichen ohne übermäßige Abweichung vom planmäßigen Bewegungsablauf führt. Das Auswählen der Potentialfunktion, durch die dann das virtuelle Potential definiert wird, kann beispielsweise geleitet durch theoretische Überlegungen und/oder eine Optimierung mittels Versuchsreihen erfolgen. Dabei kommen ganz unterschiedliche insbesondere analytische, numerische und stetige Funktionen in Betracht. Eine geeignete Potentialfunktion kann beispielsweise heuristisch aufgestellt werden. Insbesondere kann die Potentialfunktion ausschließlich vom Abstand zwischen der Gefahrenstelle und dem jeweiligen Objekt abhängen und insofern radialsymmetrisch sein.
Ein entsprechendes virtuelles Potential kann für jedes Objekt gesondert bestimmt werden, wobei vorzugsweise für alle Objekte dieselbe Potentialfunktion verwendet wird. Insbesondere, wenn sich die erfassten Objekte in irgendeiner Weise klassifizieren lassen, können für unterschiedliche Objekte grundsätzlich auch unterschiedliche Potentialfunktionen herangezogen werden. Beispielsweise könnte von einem Menschen sicherheitshalber eine größere virtuelle Abstoßung ausgehen als von einem nicht-menschlichen Objekt.
Das virtuelle Gesamtpotential, d.h. das virtuelle Potential aller berücksichtigen Objekte in der Umgebung der Gefahrenstelle, kann sich einfach durch Überlagerung, insbesondere Addition, der für die einzelnen Objekte ermittelten virtuellen Potentiale ergeben. Die von den Objekten auf die Gefahrenstelle fiktiv ausgeübte virtuelle Abstoßungskraft ergibt sich dann als der Gradient des virtuellen Gesamtpotentials an dem Raumpunkt, an dem sich die Gefahrenstelle befindet. Alternativ dazu kann auch zunächst für jedes Objekt einzeln dessen virtuelle Abstoßung der Gefahrenstelle anhand seines jeweiligen virtuellen Potentials ermittelt werden, wobei die einzelnen so ermittelten virtuellen Abstoßungskräfte dann vektoriell zu einer gesamten virtuellen Abstoßungskraft addiert werden.
Nach dem Ermitteln der virtuellen Abstoßungskraft kann diese herangezogen werden, um eine tatsächliche Abstoßung zu simulieren, d.h. den Bewegungsablauf so anzupassen, als ob die Objekte die Gefahrenstelle gemäß der virtuellen Absto-ßungskraft aus ihrer planmäßigen Bewegungsbahn drängen. Dabei wird die Bewegung der Gefahrenstelle und der gesamten beweglichen Maschine jedoch nicht, jedenfalls nicht zwangsläufig, zum Stillstand gebracht. Vielmehr ergibt sich aus der durch die Anpassung künstlich herbeigeführten Einwirkung der virtuellen Abstoßungskraft ein Ausweichen der Gefahrenstelle vor den Objekten. Die Anpassung ist also vorzugsweise derart, dass der angepasste Bewegungsablauf möglichst weiterhin zu derselben Zielstellung der beweglichen Maschine führt wie der planmäßige Bewegungsablauf, wobei aber die Gefahrenstelle eine modifizierte Bewegungsbahn durchläuft, auf der sie einem jeweiligen, den Bewegungsablauf störenden bzw. durch die Gefahrenstelle gefährdeten Objekt nicht so nahe kommt wie bei dem planmäßigen Bewegungsablauf.
Falls die ermittelte virtuelle Abstoßungskraft null ist, etwa weil die Gefahrenstelle einen Abstand oberhalb eines Höchstabstands zu den erfassten Objekten aufweist, außerhalb dessen das virtuelle Potential zumindest annähernd konstant ist, oder weil sich gar keine oder nur vernachlässigbare (z.B. stationäre) Objekte in der Umgebung der Gefahrenstelle befinden, kann der Bewegungsablauf dagegen unverändert bleiben. Der Bewegungsablauf kann dann ohne Ausweichen planmäßig fortgesetzt werden.
Das Erfassen der Positionen der Objekte in der Umgebung der Gefahrenstelle, das Ermitteln der virtuellen Abstoßungskraft und das entsprechende Anpassen des Bewegungsablaufs erfolgen vorzugsweise fortlaufend während des Durchlaufens des jeweiligen Bewegungsablaufs. Dadurch kann vorteilhafterweise in Echtzeit auf Objekte reagiert werden, die sich in die Nähe der Gefahrenstelle oder der zukünftigen Bewegungsbahn der Gefahrenstelle bewegen. Umgekehrt kann die bewegliche Maschine, wenn sich störende Objekte wieder entfernen, durch erneute Anpassung des Bewegungsablaufs an die dann verringerte virtuelle Absto-ßungskraft wieder gemäß dem planmäßigen Bewegungsablauf angesteuert werden oder auch auf einem von dem dann vorliegenden Zustand aus noch direkteren Weg in die Zielstellung bewegt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Verbesserung der Sicherheit, insbesondere einer Mensch-Roboter-Kollaboration, die bewegliche Maschine folglich mit einer situativen Ausweichfunktion ausgestattet werden. Auf diese Weise kann auf besonders flexible Weise auf Störungen des planmäßigen Bewegungsablaufs reagiert werden, so dass deren nachteilige Auswirkungen vermieden oder reduziert werden können. Die situative Ausweichfunktion kann durch eine entsprechende Anpassung der Ansteuerung der beweglichen Maschine sowie das Vorsehen einer geeigneten Sensoreinrichtung, falls eine solche nicht für konventionelle Sicherungsverfahren ohnehin vorgesehen ist, einfach nachgerüstet werden.
Das Anpassen des Bewegungsablaufs kann konzeptionell grundsätzlich umfassen: dass eine Antriebskraft ermittelt wird, mit welcher die Gefahrenstelle entlang einer dem jeweils aktuellen Bewegungsablauf entsprechenden Bewegungsbahn bewegt wird; dass eine modifizierte Antriebskraft durch Überlagerung der ermittelten Antriebskraft und der virtuellen Abstoßungskraft ermittelt wird; dass in Abhängigkeit von der modifizierten Antriebskraft eine modifizierte Bewegungsbahn der Gefahrenstelle ermittelt wird; und dass in Abhängigkeit von der modifizierten Bewegungsbahn der Gefahrenstelle ein angepasster Bewegungsablauf der beweglichen Maschine ermittelt wird.
Bei dem aktuellen Bewegungsablauf kann es sich um den ursprünglichen planmäßigen Bewegungsablauf oder einen bereits (mehrfach) angepassten Bewegungsablauf handeln. Diesem Bewegungsablauf der beweglichen Maschine als Ganzes entspricht eine Bewegungsbahn der Gefahrenstelle, d.h. eine Raumkurve, entlang welcher die Gefahrenstelle aktuell bewegt wird. Die dazu erforderliche, auf die Gefahrenstelle, z.B. von Motoren der beweglichen Maschine direkt oder indirekt, ausgeübte Antriebskraft wird dann mit der virtuellen Abstoßungskraft überlagert, was insbesondere durch vektorielle Addition erfolgen kann. Aus der resultierenden Kraft ergibt sich eine veränderte Bewegung der Gefahrenstelle. Die Veränderung kann auch für zukünftige Punkte der Bewegungsbahn berechnet werden, so dass sich insgesamt eine modifizierte Bewegungsbahn ergibt, entlang der die Gefahrenstelle dann bewegt wird, so als ob die Objekte tatsächlich eine Abstoßungskraft auf die Gefahrenstelle ausüben würden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung an der beweglichen Maschine derart angeordnet, dass sich die Sensoreinrichtung um eine Zentralachse, die durch die Gefahrenstelle verläuft, herum erstreckt, so dass mittels der Sensoreinrichtung Positionen von Objekten in jedem Raumwinkel radial zur Zentralachse erfasst werden können. Mit anderen Worten erstreckt sich der Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung vorzugweise um volle 360° um die Zentralachse herum. Zudem können durch eine geeignete Nähe der Sensoreinrichtung zur Gefahrenstelle die Objekte vorzugsweise zumindest annähernd von der Gefahrenstelle aus erfasst werden. Dies vereinfacht die Ermittlung der Position der Objekte, insbesondere des Abstands, relativ zu der Gefahrenstelle. Zudem wird dadurch vermieden, dass nähere und somit gefährdetere Objekte von weiter entfernten Objekten verdeckt werden und somit nicht erfasst werden können.
Wenn es sich bei der Gefahrenstelle etwa um eine Werkzeugspitze am Ende eines Roboterarms handelt, kann die Zentralachse beispielsweise entlang des letzten Gliedes des Roboterarms verlaufen, an dessen Ende die Werkzeugspitze vorgesehen ist. Vorteilhafterweise erstreckt sich der Erfassungsbereich dann bezüglich der Zentralachse in Umfangsrichtung einmal vollständig um die Gefahrenstelle herum. Dadurch, dass das Erfassen von Objekte nicht auf einen oder mehrere bestimmte Winkelbereiche um die Zentralachse herum beschränkt ist, können „tote Winkel“ der Erfassung weitgehend vermieden werden.
Die Zentralachse kann als Achse eines Koordinatensystems betrachtet werden, in dem die erfassten Positionen der Objekte beschrieben werden können, wobei die Gefahrenstelle dabei zweckmäßigerweise das Zentrum des Koordinatensystems darstellt. Beispielsweise kann die Zentralachse die Polachse eines Kugelkoordinatensystems oder eines Zylinderkoordinatensystems sein, wobei der genannte Raumwinkel dann dem Azimutwinkel entspricht. Je nach Ausbildung der Sensoreinrichtung, insbesondere je nach der Anordnung und Ausrichtung einzelner Abstandssensoren der Sensoreinrichtung, können aber auch speziellere Koordinatensysteme zweckmäßig sein, durch die sich die erfasste Ortsinformation eines jeweiligen Objekts besonders einfach in Bezug zu der Position der Gefahrenstelle setzen lässt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Sensoreinrichtung eine Vielzahl von Einzelsensoren, insbesondere Abstandssensoren, deren Erfassungsbereiche derart überlappen, dass die Positionen der Objekte in der Umgebung der Gefahrenstelle jeweils von zumindest zwei der Einzelsensoren erfasst werden. Auf diese Weise kann in den Überlappungsbereichen eine zweikanalige Erfassung erreicht werden. Vorzugsweise überlappen in dem gesamten Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung jeweils die Erfassungsbereiche zumindest zweier Einzelsensoren der Sensoreinrichtung. Dadurch kann ein höheres Performance Level erreicht werden, was je nach Anwendung vorgeschrieben sein kann.
Bei den Einzelsensoren handelt es sich vorzugsweise um optische Abstandssensoren, mittels welcher insbesondere nach dem Time-Of-Flight-Prinzip (TOF) Abstände gemessen werden können. Zu diesem Zweck können die Abstandssensoren beispielsweise jeweils eine Einzelphoton-Avalanche-Diode umfassen, um ausgesendete und von einem jeweiligen Objekt reflektierte optische Strahlung zu detektieren und aus der Laufzeit der Strahlung den Abstand zu ermitteln. Eine optische Abstandsmessung kann im Vergleich zu einer kapazitiven Abstandsmessung eine wesentlich größere Reichweite aufweisen. Zudem werden für die Sensoreinrichtung vorzugsweise vergleichsweise langreichweitige optische Abstandssensoren verwendet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann sich die Gefahrenstelle, relativ zu welcher die Positionen der Objekte erfasst werden, in Abhängigkeit von einer Änderung des Betriebszustands der beweglichen Maschine ändern. Mit anderen Worten kann der Punkt der beweglichen Maschine, der entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren vor störenden Objekten ausweicht, je nach Betriebszustand der beweglichen Maschine ein anderer sein. Beispielsweise kann die bewegliche Maschine dazu ausgebildet sein, ein Werkstück mittels eines Werkzeugs aufzunehmen; solange die Maschine dabei kein Werkstück hält, kann die Gefahrenstelle, auf welche sich das Verfahren bezieht, durch den Tool Center Point des Werkzeugs definiert sein, wohingegen bei geladenem Werkstück die Gefahrenstelle umdefiniert sein kann, etwa auf das Werkstück selbst oder eine andere Stelle, z.B. auf die dann aktuell gefährlichste Stelle der beweglichen Maschine.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die bewegliche Maschine eine oder mehrere Nebengefahrenstellen auf, wobei das Verfahren für jede Nebengefahrenstelle ferner umfasst: dass die Positionen der Objekte relativ zu der Nebengefahrenstelle aus den erfassten Positionen der Objekte relativ zu der Gefahrenstelle und einer definierten räumlichen Beziehung zwischen der Gefahrenstelle und der Nebengefahrenstelle berechnet werden; und dass in Abhängigkeit von den berechneten Positionen eine weitere virtuelle Abstoßungskraft, die von den Objekten auf die Nebengefahrenstelle fiktiv ausgeübt wird, als Gradient des virtuellen Potentials der Objekte ermittelt wird. Das genannte Anpassen des Bewegungsablaufs erfolgt dann in zusätzlicher Abhängigkeit von den für die Nebengefahrenstellen ermittelten weiteren virtuellen Abstoßungskräften.
Bei den Nebengefahrenstellen kann es sich beispielsweise um Gelenke eines Roboterarms handeln, die bei Bewegung des Roboterarms ausschwenken. Die Bezeichnung als Nebengefahrenstellen ist nicht so zu verstehen, dass von diesen zwangsläufig eine geringere Gefahr ausgeht als von der genannten Gefahrenstelle. Vielmehr handelt es sich um weitere Gefahrenstellen, die lediglich begrifflich von der genannten Gefahrenstelle unterschieden werden. Die Sensoreinrichtung ist dabei primär im Hinblick auf eine einfache und zuverlässige Erfassung der Umgebung der genannten Gefahrenstelle hin ausgebildet und angeordnet, so dass sich die Positionen (insbesondere gerichteten Abstände) von Objekten relativ zu der Gefahrenstelle vergleichsweise direkt erfassen lassen, während die entsprechenden Positionen (insbesondere gerichteten Abstände) der Objekte relativ zu den Nebengefahrenstellen indirekt aus der definierten räumlichen Beziehung zwischen der Gefahrenstelle und den Nebengefahrenstellen abgeleitet werden.
Die räumliche Beziehung zwischen der Gefahrenstelle und den Nebengefahrenstellen ist insbesondere insofern definiert, als anhand des jeweils aktuellen Bewegungszustands der beweglichen Maschine eindeutig bestimmbar ist, wo sich eine jeweilige Nebengefahrenstelle relativ zu der Gefahrenstelle befindet. Dadurch können, etwa mittels einer Koordinatentransformation, die relativ zu der Gefahrenstelle erfassten Positionen der Objekte in Positionen relativ zu einer jeweiligen Nebengefahrenstelle umgerechnet werden. Der jeweils aktuelle Bewegungszustand der beweglichen Maschine kann beispielsweise durch die aktuellen Stellungen jeweiliger Gelenke der beweglichen Maschine eindeutig definiert sein.
Nachdem die Positionen der Objekte relativ zu den Nebengefahrenstellen ermittelt sind, können wie für die genannte Gefahrenstelle auch für die Nebengefahrenstellen jeweils virtuelle Abstoßungskräfte ermittelt und für die Anpassung des Bewegungsablaufs zusätzlich berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass nicht nur die genannte Gefahrenstelle, sondern auch die Nebengefahrenstellen potentiell störenden oder gefährdeten Objekten ausweichen, ohne dafür eine zusätzliche Sensoreinrichtung vorsehen zu müssen. Durch geeignete Wahl der Nebengefahrenstellen können somit zumindest näherungsweise ganze Abschnitte der beweglichen Maschine oder sogar die gesamte bewegliche Maschine mittels einer einzelnen Sensoreinrichtung mit einer Ausweichfunktion ausgestattet werden. Dadurch wird aber nicht ausgeschlossen, dass noch eine oder mehrere zusätzliche Sensoreinrichtungen an der beweglichen Maschine vorgesehen werden, um noch eine oder mehrere weitere Gefahrenstellen der beweglichen Maschine sowie gegebenenfalls noch weitere Nebengefahrenstellen abzusichern.
Die relativ zu den Nebengefahrenstellen berechneten Positionen können entsprechend wie die relativ zu der Gefahrenstelle erfassten Positionen in einer der beschriebenen Weisen im Rahmen des Verfahrens herangezogen und insbesondere für die Anpassung des Bewegungsablaufs berücksichtigt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren: dass für jede Nebengefahrenstelle eine Antriebskraft ermittelt wird, mit welcher die Nebengefahrenstelle entlang einer dem jeweils aktuellen Bewegungsablauf entsprechenden Bewegungsbahn bewegt wird; dass für jede Nebengefahrenstelle eine modifizierte Antriebskraft durch Überlagerung der ermittelten Antriebskraft und der jeweiligen weiteren virtuellen Abstoßungskraft ermittelt wird; und dass für jede Nebengefahrenstelle in Abhängigkeit von der modifizierten Antriebskraft eine modifizierte Bewegungsbahn der Nebengefahrenstelle ermittelt wird. In Abhängigkeit sowohl von der modifizierten Bewegungsbahn der Gefahrenstelle als auch von den für die Nebengefahrenstellen ermittelten modifizierten Bewegungsbahnen wird dann ein angepasster Bewegungsablauf der beweglichen Maschine ermittelt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Anpassen des Bewegungsablaufs: dass ein Gesamtpotential aus dem virtuellen Potential der Objekte und einem physikalischen Potential der beweglichen Maschine, vorzugsweise unter Berücksichtigung vorgegebener oder vorgebbarer Randbedingungen, ermittelt wird; und dass ein im Hinblick auf eine Zielvorgabe, insbesondere einen möglichst geringen Kraftaufwand, eine möglichst geringe Strecke und/oder eine möglichst geringe Belastung der beweglichen Maschine, optimierter Verlauf der Gefahrenstelle sowie gegebenenfalls der Nebengefahrenstellen durch das Gesamtpotential ermittelt wird. Sofern bei der Zielvorgabe für eine solche Optimierung (unter anderem) ein möglichst geringer Kraftaufwand angestrebt wird, werden dabei für die Bestimmung des Kraftaufwands sowohl tatsächlich auftretende physikalische Kräfte als auch die ermittelten virtuellen Abstoßungskräfte berücksichtigt.
Bei den genannten Randbedingungen kann es sich etwa um die physikalischen Grenzen der beweglichen Maschine (Reichweite der Beweglichkeit) handeln. Dabei können die Grenzen aber auch gezielt enger vorgegeben werden, z.B. als programmierbare virtuelle Koordinatenbegrenzungen, um Sicherheits- oder Applikationsvolumina zu definieren, innerhalb welcher Bewegungen zulässig sind. Andere mögliche Randbedingungen, die alternativ oder kombiniert berücksichtigt werden können, sind die aktuell vorgesehene Bewegungsbahn der Gefahrenstelle und/ oder einer Nebengefahrenstelle, eine maximale Achsladung, sowie Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungslimits. Zudem können als weitere Randbedingungen virtuelle Reibungskoeffizienten definiert werden, mittels welcher die Geschwindigkeit der Bewegung situativ angepasst werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner, dass die erfassten Positionen der Objekte mit Erwartungswerten verglichen werden, die in dem jeweils aktuellen Bewegungszustand der beweglichen Maschine als Ergebnis eines Erfassens von maschineneigenen Elementen oder von mit der beweglichen Maschine in einem vorgegebenen Bezug stehenden Objekten zu erwarten sind, wobei diejenigen Objekte, deren erfasste Positionen mit einem Erwartungswert übereinstimmen, für das Ermitteln der virtuellen Abstoßungskraft vernachlässigt werden. Die Erwartungswerte können beispielsweise im Rahmen von einer oder mehreren Referenzfahrten, in denen zumindest der planmäßige Bewegungsablauf, vorzugsweise eine möglichst umfassende Schar möglicher Bewegungsabläufe, durchlaufen wird, eingelernt und gespeichert werden, so dass sie dann später jederzeit zur Verfügung stehen können. Es kann vorgesehen sein, dass eine solche Referenzfahrt bei Inbetriebnahme der beweglichen Maschine durchgeführt wird.
Der Vergleich mit Erwartungswerten kann insbesondere dazu dienen, zu vermeiden, dass die bewegliche Maschine auch sich selbst ausweicht. Zudem brauchen auch stationäre Objekte nicht erfasst zu werden, da sie ohnehin sowohl bei der Planung des planmäßigen Bewegungsablaufs als auch bei einer Anpassung des Bewegungsablaufs als bekannte Randbedingungen berücksichtigt werden können. Objekte, die mit einem Erwartungswert übereinstimmen, werden insbesondere insofern vernachlässigt, als sie keinen Beitrag zu dem virtuellen Potential leisten. Befinden sich keine Objekte oder ausschließlich zu vernachlässigende Objekte in der Umgebung der Gefahrenstelle, kann der Bewegungsablauf planmäßig bei maximaler Geschwindigkeit durchlaufen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner, dass anhand der erfassten Positionen der Objekte Abstände der Objekte von der Gefahrenstelle ermittelt und mit einem Mindestabstand verglichen werden, wobei Objekte, deren Abstand von der Gefahrenstelle größer als der Mindestabstand ist, für das Ermitteln der virtuellen Abstoßungskraft vernachlässigt werden. Zu dem virtuellen Potential und der daraus abgeleiteten virtuellen Abstoßungskraft tragen somit nur Objekte bei, die nicht weiter als der Mindestabstand von der Gefahrenstelle entfernt sind. Das kann durch eine Fallunterscheidung erreicht werden oder dadurch, dass für das virtuelle Potential eine Potentialfunktion gewählt wird, die für Abstände über dem Mindestabstand einen konstanten Wert, beispielsweise null, aufweist.
Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Berücksichtigung eines Mindestabstands für die Ausweichfunktion kann vorgesehen sein, dass anhand der erfassten Positionen der Objekte Abstände der Objekte von der Gefahrenstelle ermittelt und mit einer Abstandsschwelle verglichen werden, wobei, wenn ein Objekt einen Abstand von der Gefahrenstelle aufweist, der kleiner als die Abstandsschwelle ist, die bewegliche Maschine dazu angesteuert wird, den Bewegungsablauf mit reduzierter Geschwindigkeit zu durchlaufen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass die Geschwindigkeit lediglich dann reduziert wird, wenn der Abstand des Objekts von der Gefahrenstelle sowohl kleiner als die Abstandsschwelle als auch größer als der genannte Mindestabstand ist, wohingegen das Ausweichen bei Abständen unterhalb des Mindestabstands in seiner Geschwindigkeit nicht beschränkt sein muss.
Vorzugsweise werden die ermittelten Abstände nicht nur mit einer Abstandsschwelle, sondern mit mehreren Abstandsschwellen verglichen, wobei die Geschwindigkeit desto stärker reduziert wird, je mehr der Abstandsschwellen größer als der Abstand eines der Objekte von der Gefahrenstelle sind. Für diese Feststellung wird dabei insbesondere jeweils dasjenige Objekt herangezogen, das der Gefahrenstelle am nächsten ist, also den geringsten ermittelten Abstand von der Gefahrenstelle aufweist. Das Vorsehen mehrerer Abstandsschwellen ermöglicht eine gestaffelte Reduzierung der Geschwindigkeit, mit der die bewegliche Maschine bewegt wird, je näher potentiell gefährdete und/oder störende Objekte der Gefahrenstelle kommen. Zusätzlich zu den Abständen können dabei auch Geschwindigkeiten und die Bewegungsrichtung der jeweiligen Objekte für eine Entscheidung über ein Verlangsamen der Bewegung herangezogen werden. Grundsätzlich kann die Maschine somit auch gemäß einem sogenannten „Speed and Separation Monitoring“ gesichert werden.
Darüber hinaus kann eine spezielle Grenzabstandsschwelle vorgesehen werden, durch die ein Abstand definiert wird, bei dessen Unterschreiten durch eines der Objekte der Bewegungsablauf gestoppt wird. Eine solche Grenzabstandsschwelle, die vorzugsweise kleiner als der genannte Mindestabstand ist, kann insbesondere für den Fall vorgesehen werden, dass das Ausweichen nicht schnell genug erfolgt oder aus einem sonstigen Grund, z.B. zu berücksichtigenden Randbedingungen, nicht gelingt, und stellt dann sicher, dass die Gefahrenstelle zumindest keine kinetische Energie mehr aufweist, wenn es zu einem nicht mehr vermeidbaren Kontakt des jeweiligen Objektes mit der Gefahrenstelle kommt. Nach einem Stillstand der beweglichen Maschine, kann ferner vorgesehen sein, dass ein Wiederanlaufen, insbesondere ein Fortsetzen des aktuellen Bewegungsablaufs, frühestens nach Ablauf eines definierten Verzögerungszeitraums von z.B. einer Sekunde, erfolgt.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele zeigen, dass sich die erfindungsgemäße Ausweichfunktion auch mit einer Verlangsamungs- und/oder Stoppfunktion als Sicherheitsmaßnahmen im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration kombinieren lässt. Vorteilhafterweise kann dabei für das Verwirklichen einer Verlangsamungs- und/oder Stoppfunktion dieselbe Sensoreinrichtung dazu genutzt werden, Positionen bzw. Abstände jeweiliger Objekte relativ zu der Gefahrenstelle zu erfassen, wie für die Ausweichfunktion. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass sich die verschiedenen Funktionen, sofern sie jeweils vorgesehen sind, wahlweise und vorzugsweise unabhängig voneinander nach Bedarf ein- und ausschalten lassen. Ist sowohl die Ausweichfunktion als auch eine Verlangsamungsfunktion vorgesehen und aktiv, kann das Verhalten der beweglichen Maschine gegenüber einem potentiell gefährdeten und/oder störenden Objekt ähnlich zu dem Verhalten eines Autofahrers gegenüber einem Hindernis sein: Nach Erkennen des Hindernisses wird die Fahrt zunächst bahntreu fortgesetzt, wobei aber die Geschwindigkeit mit abnehmendem Abstand zum Hindernis verringert wird; bleibt das Hindernis bestehen, wird es schließlich umfahren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Verfahren ferner umfassen: dass ein Befehl, insbesondere ein gestenbasierter Befehl oder Sprachbefehl, eines Nutzers der beweglichen Maschine erfasst wird; dass in Abhängigkeit von dem erfassten Befehl eine virtuelle Anziehungskraft, die von dem Nutzer auf die Gefahrenstelle fiktiv ausgeübt wird, als Gradient eines durch eine vorgegebene oder vorgebbare Potentialfunktion definierten virtuellen Potentials des Nutzers ermittelt wird; und dass in Abhängigkeit von der ermittelten virtuellen Anziehungskraft der Bewegungsablauf angepasst und die bewegliche Maschine zum Durchlaufen des angepassten Bewegungsablaufs angesteuert wird, so dass sich die Gefahrenstelle dem Nutzer mit begrenzter und/oder gegenüber dem ursprünglichen Bewegungsablauf verlangsamter Geschwindigkeit annähert.
Mit anderen Worten kann eine Funktion vorgesehen sein, die es ermöglicht, anhand eines entsprechenden Befehls zumindest vorübergehend die virtuelle Absto-ßung, die von einem Nutzer der beweglichen Maschine fiktiv ausgeht, in eine virtuelle Anziehung umzuwandeln. Dies kann beispielsweise dazu dienen, die bewegliche Maschine dazu zu bringen, dem Nutzer etwas zu präsentieren, beispielsweise ein Werkstück, das gerade von der beweglichen Maschine gehalten und/oder bearbeitet wird. Um dabei trotz der Annäherung der Gefahrenstelle an den Nutzer diesen nicht zu gefährden, ist vorgesehen, dass die Annäherung mit verminderter und/oder begrenzter Geschwindigkeit erfolgt. Zusätzlich kann vorgesehen werden, dass durch die Annäherung ein gewisser Sicherheitsabstand zwischen dem Nutzer und der Gefahrenstelle nicht unterschritten wird.
Um anstelle einer virtuellen Abstoßungskraft eine virtuelle Anziehungskraft zu ermitteln, kann im einfachsten Fall das jeweils herangezogene virtuelle Potential invertiert werden, wobei für eine zusätzliche Geschwindigkeitsreduktion beispielsweise noch eine Multiplikation mit einem Faktor kleiner eins vorgesehen sein kann. Grundsätzlich kann aber für das Ermitteln der virtuellen Anziehungskraft auch ein unabhängig von dem virtuellen Potential, das für die virtuelle Absto-ßungskraft herangezogen wird, definiertes virtuelles Potential herangezogen werden.
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung ist dazu ausgebildet, in einem Verfahren zum sicheren Betrieb einer beweglichen Maschine gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet zu werden. Insbesondere kann die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet sein, an der beweglichen Maschine vorgesehen und dazu genutzt zu werden, die Positionen der Objekte in der Umgebung der betreffenden Gefahrenstelle der beweglichen Maschine relativ zu der Gefahrenstelle zu erfassen.
Bevorzugt umfasst die Sensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer, vorzugsweise optischer, Abstandssensoren, bei denen es sich insbesondere um Abstandssensoren handeln kann, die auf dem Time-Of-Flight-Prinzip beruhen (TOF-Sensoren) und/oder die eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) umfassen können. Insbesondere können die einzelnen Abstandssensoren jeweils einen hochintegrierten SPAD-Sensor, vorzugweise ohne Linse, aufweisen. Wenn die Positionserfassung mittels eines jeweiligen TOF-Sensors erfolgt, weist dieser vorzugsweise einen divergenten Sendestrahl auf. Dadurch steigt die Messauflösung vorteilhafterweise mit abnehmendem Abstand zur Gefahrenstelle bzw. zum Sensor.
Die einzelnen Abstandssensoren sind ferner vorzugsweise zur Mehrpixelauswertung ausgebildet, so dass sie nicht nur in einer Hauptmessrichtung, sondern auch innerhalb eines beschränkten Erfassungswinkelbereichs mit einer gewissen Winkelauflösung Abstände erfassen können. Durch die Kombination mehrerer Abstandssensoren, die jeweils über mehrere Empfangspixel verfügen, kann die Sensoreinrichtung den gesamten Erfassungsbereich somit mit einer insgesamt vergleichsweise hohen Auflösung erfassen.
Die Abstandssensoren können beispielsweise mit einer Messrate von etwa 50 Hz betrieben werden, was eine geeignete Grundlage für eine Anpassung des Bewegungsablaufs in Echtzeit darstellt. Zudem können die Abstandssensoren die Positionen der jeweiligen Objekte gemäß einem festen Muster zeitlich versetzt messen und ausgeben. Dadurch kann die Update-Frequenz für die Echtzeitanpassung noch zusätzlich erhöht werden.
Die Abstandssensoren sind vorteilhafterweise an einer Oberfläche der Sensoreinrichtung regelmäßig verteilt angeordnet und in voneinander verschiedene Raumrichtungen ausgerichtet. Vorzugsweise weisen dabei keine zwei Abstandssensoren dieselbe Raumrichtung auf. Wenn ein einzelner Abstandsensors einen ganzen Raumwinkelbereich erfassen kann, stellt die genannte Raumrichtung eine mittlere Raumrichtung innerhalb des Erfassungsbereichs des jeweiligen Abstandssensors dar.
Dabei ist es zweckmäßig, dass sich die jeweilige Raumrichtung, in die die Abstandssensoren ausgerichtet sind, über die Oberfläche hinweg annähernd kontinuierlich verändert, so dass die Raumrichtung eines jeweiligen Abstandssensors zwischen den Raumrichtungen dazu benachbarter Abstandssensoren liegt. Insbesondere kann die Anordnung der Abstandssensoren nach Art eines Facettenauges ausgebildet sein.
Bei der genannten Oberfläche muss es sich nicht zwingend um eine durchgehende und/oder glatte Oberfläche eines Körpers der Sensoreinrichtung handeln.
Vielmehr kann die Oberfläche auch durch die Anordnung der Abstandssensoren selbst gebildet werden. Die Oberfläche kann auch an einem Gehäuse oder an einer Abdeckung der Sensoreinrichtung ausgebildet sein, wobei die Abstandssensoren dann innerhalb des Gehäuses bzw. der Abdeckung und dabei auch unterhalb der Oberfläche an dieser angeordnet sein können. In einem solchen Fall ist die Oberfläche vorzugsweise für eine von den Abstandssensoren ausgesendete bzw. empfangene Messstrahlung durchlässig oder weist entsprechende Öffnungen auf.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Erfassungsbereiche benachbarter Abstandssensoren der Sensoreinrichtung überlappen. In den Überlappungsbereichen kann dadurch eine Zweikanaligkeit der Erfassung sichergestellt werden, wodurch ein erhöhtes Performance Level erreicht werden kann. Allerdings ist es grundsätzlich auch denkbar, dass zwischen den Erfassungsbereichen der einzelnen Abstandssensoren Lücken verbleiben. Derartige Lücken lassen sich dann aber durch eine lokale Interpolation, die z.B. in Polarkoordinaten durchgeführt werden kann, zumindest teilweise kompensieren.
Vorzugsweise ist die genannte Oberfläche, an der die Abstandssensoren verteilt angeordnet sind, rotationssymmetrisch. Auf diese Weise kann die Sensoreinrichtung vollumfänglich um die Gefahrenstelle der jeweiligen beweglichen Maschine, an der die Sensoreinrichtung vorgesehen wird, herum Objekte in der Umgebung der Gefahrenstelle gleichmäßig erfassen. Dabei verläuft die Symmetrieachse, zu der die Oberfläche rotationssymmetrisch ist, vorzugsweise durch die Gefahrenstelle. Ferner kann es sich bei der Symmetrieachse insbesondere um die weiter oben genannte Zentralachse handeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform schneiden alle Raumrichtungen, in welche die verschiedenen Abstandssensoren ausgerichtet sind, die Symmetrieachse, zu der die genannte Oberfläche rotationssymmetrisch ist. Vorzugsweise schneiden sich die Raumrichtungen dabei in einem gemeinsamen Punkt auf der Symmetrieachse. Dieser Punkt entspricht dann vorzugsweise der Gefahrenstelle. Positionen, insbesondere die Abstände, der jeweiligen erfassten Objekte werden dann vorteilhafterweise relativ zu diesem Punkt gemessen. Der Punkt kann dabei das Zentrum eines Kugelkoordinatensystems oder eines dazu ähnlichen Koordinatensystems sein, wobei die genannte Symmetrieachse die Polachse eines solchen Koordinatensystems sein kann. Das Erfassen der Positionen der Objekte kann dann im Wesentlichen aus der Perspektive dieses Punktes und somit zumindest annähernd aus der Perspektive der Gefahrenstelle erfolgen.
Die genannten Raumrichtungen der Abstandssensoren ergeben sich dabei vorzugsweise jeweils aus einer Hauptmessrichtung eines jeweiligen Abstandssensors, die insbesondere einer mittleren Messrichtung des jeweiligen Abstandssensor entsprechen kann, und entsprechen dann jeweils einer zentral durch das Messfenster des jeweiligen Abstandssensors verlaufenden, in die Hauptmessrichtung ausgerichteten Gerade. Die Hauptmessrichtung kann dabei insbesondere senkrecht zum Messfenster des jeweiligen Abstandssensors ausgerichtet sein.
Die genannte Oberfläche der Sensoreinrichtung kann beispielsweise die Form einer Kugelzone aufweisen. Vorzugsweise weisen dabei die beiden Begrenzungskreise der Kugelzone denselben Radius auf. Als ein weiteres Beispiel kann die Oberfläche die Form einer radial äußeren Mantelfläche eines Torus oder eines axialen Teilbereichs dieser Torusmantelfläche aufweisen (bezogen auf die Symmetrieachse des Torus). Auch in diesem Fall weisen die beiden Begrenzungskreise der Form vorzugsweise denselben Radius auf. Der Torus muss dabei nicht zwangsläufig einen kreisrunden Querschnitt in Umfangsrichtung aufweisen. Vielmehr kann der Querschnitt auch ein Oval, eine Ellipse oder ein Ellipsoid sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet, an einer Werkzeugspitze der beweglichen Maschine angeordnet zu werden. Insbesondere kann die Sensoreinrichtung als eine bauliche Einheit ausgebildet sein und Befestigungsmöglichkeiten aufweisen, die eine Befestigung der Sensoreinrichtung im Bereich der Werkzeugspitze, insbesondere um die Werkzeugspitze herum, ermöglichen. Auf diese Weise kann bei einer beweglichen Maschine durch Vorsehen der Sensoreinrichtung sowie einer geeigneten Steuereinrichtung bzw. durch eine entsprechende Anpassung einer bestehenden Ansteuerung der Maschine auf vergleichsweise einfache Weise eine Ausweichfunktion nachgerüstet werden.
Grundsätzlich kann die Sensoreinrichtung aber auch dazu vorgesehen sein, an anderen Stellen als der Werkzeugspitze einer beweglichen Maschine angeordnet zu werden. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung, insbesondere hinsichtlich der Anordnung der einzelnen Abstandssensoren, auch so ausgebildet sein, dass sie einen Teil der beweglichen Maschine, z.B. einen oder mehrere Teile eines Roboterarms, umhüllt. Je nach Anwendung braucht die Sensoreinrichtung den jeweiligen Teil der beweglichen Maschine dabei nicht vollständig ringförmig zu umschließen.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung für eine bewegliche Maschine ist dazu ausgebildet, ein Verfahren zum sicheren Betrieb der beweglichen Maschine gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen. Eine solche Steuereinrichtung kann durch eine ohnehin an der beweglichen Maschine vorgesehene Ansteuerung, z.B. Robotersteuerung, realisiert werden, indem die Ansteuerung z.B. durch Umprogrammieren entsprechend angepasst wird. Die Steuereinrichtung kann aber auch gesondert vorgesehen werden, z.B. als Programm, das auf einem Computer ausgeführt wird, oder als ein Funktionsblock einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), um den die Maschinensteuerung ergänzt werden kann. Dabei kann es möglich sein, eine für konventionelle Sicherheitsverfahren gegebenenfalls ohnehin vorgesehene Sensoreinrichtung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu nutzen, so dass es für das Nachrüsten einer Ausweichfunktion lediglich erforderlich ist, zusätzlich die erfindungsgemäße Steuereinrichtung für die bewegliche Maschine vorzusehen.
Die erfindungsgemäße bewegliche Maschine weist eine solche Steuereinrichtung sowie eine Sensoreinrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auf. Dabei ist die Sensoreinrichtung vorzugsweise derart an der beweglichen Maschine angeordnet, dass sich ein Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung um eine Werkzeugspitze, insbesondere um den Tool Center Point (TCP), der beweglichen Maschine herum erstreckt. Zugleich kann sich der Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung dabei um die weiter oben genannte Zentralachse oder die weiter oben genannte Symmetrieachse herum erstrecken. Der Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung kann insbesondere der Vereinigung der verschiedenen Erfassungsbereiche der einzelnen Abstandssensoren entsprechen.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren weiter erläutert.

1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine bewegliche Maschine mit einer Sensoreinrichtung zur Ausführung des Verfahrens zum sicheren Betrieb der beweglichen Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, wobei erfasste und ermittelte Abstände zwischen dem Objekt und verschiedenen Gefahrenstellen bzw. Nebengefahrenstellen der beweglichen Maschine veranschaulicht werden.
2 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine Sensoreinrichtung zur Ausführung des Verfahrens zum sicheren Betrieb der beweglichen Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
3 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine Sensoreinrichtung zur Ausführung des Verfahrens zum sicheren Betrieb der beweglichen Maschine gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.

Die 1 zeigt in einer stark vereinfachten schematischen Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen beweglichen Maschine 11. Die bewegliche Maschine 11 ist als Roboterarm ausgebildet, der drei Glieder 13 umfasst, die über Gelenkte 15 verbunden sind. Ein Ende des Roboterarms ist ortsfest, z.B. an einem Boden, befestigt, während das entgegengesetzte Ende durch angetriebene Bewegung der Gelenke 15 beweglich ist und eine Werkzeugspitze 17 aufweist. Die Werkzeugspitze 17 kann beispielsweise zum Greifen oder Bearbeiten eines Werkstücks (nicht gezeigt) ausgebildet sein, ist in 1 jedoch lediglich in Form eines kurzes Stabs angedeutet. Ein zentraler Punkt der Werkzeugspitze 17 bildet einen Tool Center Point (TCP) der beweglichen Maschine 11.
Bei einer Mensch-Roboter-Kollaboration, bei der ein oder mehrere Menschen mit der beweglichen Maschine 11 zusammenarbeiten, kann insbesondere von der Werkzeugspitze 17 eine Verletzungsgefahr für die Menschen ausgehen. Insofern stellt die Werkzeugspitze 17 eine Gefahrenstelle 19 der beweglichen Maschine 11 dar.
Um zu vermeiden, dass die Gefahrenstelle 19, während die bewegliche Maschine 11 von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung angetrieben einen planmäßigen Bewegungsablauf durchläuft, auf einen Menschen oder ein sonstiges Objekt 21 trifft, ist an der beweglichen Maschine 11 eine Sensoreinrichtung 23 angeordnet, mittels welcher eine Umgebung der Gefahrenstelle 19, d.h. ein räumlicher Bereich im Umfeld der Gefahrenstelle 19, überwacht wird.
Die Sensoreinrichtung 23 umfasst eine Anordnung mehrerer einzelner optischer Abstandssensoren, die jeweils eine Einzelphoton-Avalanche-Diode umfassen und damit gemäß dem TOF-Prinzip den Abstand eines jeweiligen Objekts 21 erfassen können. Als Beispiel für ein Objekt 21 ist dabei in 1 eine Hand gezeigt, die grundsätzlich als ein einziges, durch eine Vielzahl von Objektpunkten gebildetes Objekt 21 betrachtet werden kann. Im gezeigten Beispiel werden exemplarisch drei Fingerspitzen der Hand jeweils als Objekt 21 betrachtet.
Die einzelnen Abstandssensoren sind entlang einer Oberfläche 25 der Sensoreinrichtung 23 angeordnet, die rotationssymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse S geformt ist (vgl. auch 2 und 3). Die Sensoreinrichtung 23 ist dabei derart an der beweglichen Maschine 11 angeordnet, dass die Symmetrieachse S mit einer Zentralachse Z der beweglichen Maschine 11 zusammenfällt, die sich entlang des Glieds 13, an dem die Werkzeugspitze 17 vorgesehen ist, sowie zentral durch die Werkzeugspitze 17 erstreckt. Da die Sensoreinrichtung 23 im Bereich der Werkzeugspitze 17 angeordnet ist, umschließt die Sensoreinrichtung 23 somit die Werkzeugspitze 17 ringartig in Umfangsrichtung um die Zentralachse Z.
Die einzelnen Abstandssensoren der Sensoreinrichtung 23 weisen dabei im Wesentlichen nach radial außen, so dass sie in grundsätzlich jedem beliebigen Raumwinkel radial zur Zentralachse Z Objekte 21 erfassen können. Eine vorteilhafte Art der Anordnung und Ausrichtung der einzelnen Abstandssensoren sowie Beispiele für die Form der Oberfläche 25 der Sensoreinrichtung 23 werden weiter unten mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert.
In 1 sind drei der von den Abstandssensoren der Sensoreinrichtung 23 gemessenen Abstände exemplarisch als Linien zwischen der Oberfläche 25 der Sensoreinrichtung 23 und drei Fingerspitzen der genannten Hand gezeigt. Derartige relativ zu der Sensoreinrichtung 23 gemessene Abstände eines oder mehrerer jeweiliger Objekte 21 können insbesondere aufgrund der symmetrischen Anordnung der Sensoreinrichtung 23 um die Gefahrenstelle 19 herum einfach in Abstände relativ zu der Gefahrenstelle 19 umgerechnet werden. Zudem lässt sich aus der Ausrichtung und der Ortauflösung eines jeweiligen Abstandssensors, der vorzugsweise eine Mehrpixelauswertung ermöglicht, auch die Richtung erfassen, in der sich das jeweilige Objekt 21 relativ zum jeweiligen Abstandssensor befindet, woraus sich auch die Richtung relativ zu der Gefahrenstelle 19 berechnen lässt. Somit können mittels der Sensoreinrichtung 23 für Objekte 21 in der Umgebung der Gefahrenstelle 19 die Positionen erfasst werden.
Anhand der erfassten Positionen kann dann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Ausweichen der Gefahrenstelle 19 vor einem jeweiligen Objekt 21 ausgelöst werden, indem eine virtuelle Abstoßungskraft zwischen dem Objekt 21 und der Gefahrenstelle 19 ermittelt und daraus eine Anpassung des Bewegungsablaufs abgeleitet wird, zu dessen Durchlaufen die bewegliche Maschine 11 angesteuert wird.
Vorteilhafterweise können für dieses Verfahren neben der genannten Gefahrenstelle 19 zusätzlich noch Nebengefahrenstellen 27 berücksichtigt werden, ohne dass dazu eine zusätzliche Sensoreinrichtung vorgesehen werden müsste. Denn die erfassten Positionen jeweiliger Objekte 21 können, etwa durch eine einfache Koordinatentransformation, auch in Positionen relativ zu einer jeweiligen Nebengefahrenstelle 27 umgerechnet werden. Auf diese Weise kann durch entsprechende Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Nebengefahrenstellen 27 auch ein Ausweichen der Nebengefahrenstellen 27 vor einem jeweiligen Objekt 21 erreicht werden.
Voraussetzung dafür ist lediglich, dass jeweils eine räumliche Beziehung zwischen der Sensoreinrichtung 23 bzw. der Gefahrenstelle 19 und den Nebengefahrenstellen 27 bekannt ist. Eine solche räumliche Beziehung lässt sich in der Regel für jede Stelle der beweglichen Maschine 11 aus der bekannten aktuellen Stellung der beweglichen Maschine 11 eindeutig bestimmen. In dem dargestellten Beispiel etwa kann aus dem Rotationszustand der Gelenke 15 eindeutig auf die Lage der Nebengefahrenstellen 27 relativ zu der Gefahrenstelle 19 geschlossen werden. Als Nebengefahrenstellen 27 werden dabei in dem vorliegenden Beispiel die beiden Gelenke 15 selbst, sowie eine Stelle in der Mitte des Gliedes 13, an welchem die Werkzeugspitze 17 vorgesehen ist, berücksichtigt.
Die Nebengefahrenstellen 27 sind in 1 durch unterbrochen dargestellte Kreise gekennzeichnet. Die umgerechneten Abstände zwischen einem jeweiligen Objekt 21, wie beispielsweise den Fingerspitzen der Hand, und den Nebengefahrenstellen 27 sind als strichpunktierte Linien dargestellt.
Aus der Position eines jeweiligen Objekts 21 ist eine virtuelle Wechselwirkung im Sinne einer Abstoßung zwischen dem Objekt 21 einerseits und der Gefahrenstelle 19 sowie gegebenenfalls den Nebengefahrenstellen 27 andererseits ableitbar, die dann durch die Ansteuerung der beweglichen Maschine 11 so simuliert wird, als ob sie tatsächlich physikalisch vorliegen würde. Dadurch wird ein situativ besonders gut angepasstes Reaktionsverhalten der beweglichen Maschine 11 auf eine Annäherung eines potentiell störenden und/oder gefährdeten Objekts 21 erreicht, da die bewegliche Maschine 11 einem Objekt 21 erforderlichenfalls ausweichen kann.
In den 2 und 3 sind schematisch dargestellte Beispiele für mögliche Ausbildungen der Sensoreinrichtung 23 gezeigt. Dabei ist insbesondere erkennbar, dass die Sensoreinrichtung 23 zumindest im Wesentlichen die Form eines zu einer Symmetrieachse S symmetrischen Rotationskörpers aufweisen kann. Die Form kann insbesondere toroidal sein. Dadurch kann die Sensoreinrichtung 23 um eine jeweilige Gefahrenstelle 19 herum oder um eine durch die Gefahrenstelle 19 verlaufende Zentralachse Z herum (die dann vorzugsweise mit der Symmetrieachse Z zusammenfällt) im Bereich der Gefahrenstelle 19 angeordnet werden. Insbesondere erstreckt sich dann der Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung 23 um die Gefahrenstelle 19 herum.
Die einzelnen Abstandssensoren der Sensoreinrichtung 23 (die nicht gesondert dargestellt sind) sind an der Oberfläche 25 angeordnet und dabei über die Oberfläche 25 hinweg regelmäßig verteilt. Bei der Oberfläche 25 handelt es sich um die radial äußere Mantelfläche der jeweiligen Form der Sensoreinrichtung 23. Die Oberfläche 25 der in 3 gezeigten Sensoreinrichtung 23 entspricht der Oberfläche einer Kugelzone. Dagegen ist die Oberfläche 25 der in 2 gezeigten Sensoreinrichtung 23 vergleichsweise stärker gekrümmt und entspricht annähernd einem axialen Ausschnitt einer Mantelfläche eines regulären Torus. In beiden Fällen wird die Oberfläche 25 dabei durch zwei Begrenzungskreise 29 begrenzt, die zueinander denselben Radius aufweisen.
Die Richtung, in die ein jeweiliger Abstandssensor ausgerichtet ist, entspricht der Ausrichtung der Oberfläche 25 an dem Punkt, an dem dieser Abstandssensor angeordnet ist. Insbesondere entspricht dabei die Hauptmessrichtung des jeweiligen Abstandssensors, die vorzugsweise das Zentrum des jeweiligen Erfassungsbereichs 31 des Abstandssensors bildet, einer Flächennormalen auf die Oberfläche 25.
Durch die Anordnung der Abstandssensoren an einer derartig oder in vergleichbarer Weise geformten Oberfläche 25 kann die zu überwachende Umgebung der jeweiligen Gefahrenstelle 19 über volle 360° um die Symmetrieachse S herum (Azimutalwinkelbereich) sowie über einen großen Winkelbereich quer zur Symmetrieachse S (Polarwinkelbereich) erfasst werden. Vorzugsweise beträgt der Polarwinkelbereich zumindest 60°, insbesondere zumindest 75°, besonders bevorzugt zumindest 90°.
Jeder einzelne Abstandssensor weist aufgrund der über die Oberfläche 25 verteilten Anordnung der Abstandssensoren einen von den übrigen Abstandssensoren verschiedenen Erfassungsbereich 31 auf, wobei der Erfassungsbereich 31 eines jeweiligen Abstandssensors zwischen den Erfassungsbereichen 31 der jeweils benachbarten Abstandssensoren liegt (in den 2 und 3 sind jeweils lediglich drei derartige Erfassungsbereiche 31 exemplarisch für alle Erfassungsbereiche 31 der über die Oberfläche 25 verteilten Abstandssensoren gezeigt).
Insofern ist die aus einer Vielzahl einzelner Abstandssensoren gebildete Sensoreinrichtung 23 nach Art eines aus einer Vielzahl von Einzelaugen gebildeten Facettenauges ausgebildet. Der Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung 23 als Ganzes wird dabei durch die Gesamtheit der Erfassungsbereiche 31 der einzelnen Abstandssensoren gebildet. Grundsätzlich mögliche Lücken zwischen den einzelnen Erfassungsbereichen 31 können durch Interpolation aufgefüllt werden. Wie dargestellt, überlappen die Erfassungsbereiche 31 aber, so dass (zumindest ab einer gewissen Entfernung zur Sensoreinrichtung 23) Objekte 21 jeweils von mehreren Abstandssensoren zugleich und somit vorteilhafterweise mehrkanalig erfasst werden.
Bezugszeichenliste

11: bewegliche Maschine
13: Glied
15: Gelenk
17: Werkzeugspitze
19: Gefahrenstelle
21: Objekt
23: Sensoreinrichtung
25: Oberfläche
27: Nebengefahrenstelle
29: Begrenzungskreis
31: Erfassungsbereich
S: Symmetrieachse
Z: Zentralachse

Claims

Verfahren zum sicheren Betrieb einer beweglichen Maschine (11), die eine Gefahrenstelle (19) aufweist, insbesondere im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration, wobei das Verfahren umfasst: - Ansteuern der beweglichen Maschine (11) zum Durchlaufen eines planmäßigen Bewegungsablaufs; - für Objekte in einer Umgebung der Gefahrenstelle: - Erfassen der Positionen der Objekte (21) relativ zu der Gefahrenstelle (19) mittels einer an der beweglichen Maschine (11) vorgesehenen Sensoreinrichtung (23) und - in Abhängigkeit von den erfassten Positionen Ermitteln einer virtuellen Abstoßungskraft, die von den Objekten (21) auf die Gefahrenstelle (19) fiktiv ausgeübt wird, als Gradient eines durch eine vorgegebene oder vorgebbare Potentialfunktion definierten virtuellen Potentials der Objekte (21); - in Abhängigkeit von der ermittelten virtuellen Abstoßungskraft Anpassen des Bewegungsablaufs und Ansteuern der beweglichen Maschine (11) zum Durchlaufen des angepassten Bewegungsablaufs, so dass die Gefahrenstelle (19) den Objekten (21) ausweicht, - nach mehreren Durchläufen Prüfen der durchlaufenen Bewegungsabläufe auf übereinstimmende Abweichungen vom planmäßigen Bewegungsablauf aufgrund einer jeweiligen Anpassung des Bewegungsablaufs; und - falls eine Übereinstimmung vorliegt, Ändern des planmäßigen Bewegungsablaufs gemäß der übereinstimmenden Abweichung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinrichtung (23) an der beweglichen Maschine (11) derart angeordnet ist, dass sich die Sensoreinrichtung (23) um eine Zentralachse (Z), die durch die Gefahrenstelle (19) verläuft, herum erstreckt, so dass mittels der Sensoreinrichtung (23) Positionen von Objekten (21) in jedem Raumwinkel radial zur Zentralachse (Z) erfasst werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoreinrichtung (23) eine Vielzahl von Einzelsensoren umfasst, deren Erfassungsbereiche (31) derart überlappen, dass die Positionen der Objekte (21) in der Umgebung der Gefahrenstelle (19) jeweils von zumindest zwei der Einzelsensoren erfasst werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die Gefahrenstelle (19), relativ zu welcher die Positionen der Objekte (21) erfasst werden, in Abhängigkeit von einer Änderung des Betriebszustands der beweglichen Maschine (11) ändert.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die bewegliche Maschine (11) eine oder mehrere Nebengefahrenstellen (27) aufweist, wobei das Verfahren für jede Nebengefahrenstelle (27) ferner umfasst: - Berechnen der Positionen der Objekte (21) relativ zu der Nebengefahrenstelle (27) aus den erfassten Positionen der Objekte (21) relativ zu der Gefahrenstelle (19) und einer definierten räumlichen Beziehung zwischen der Gefahrenstelle (19) und der Nebengefahrenstelle (27); - in Abhängigkeit von den berechneten Positionen Ermitteln einer weiteren virtuellen Abstoßungskraft, die von den Objekten (21) auf die Nebengefahrenstelle (27) fiktiv ausgeübt wird, als Gradient des virtuellen Potentials der Objekte (21); und wobei das genannte Anpassen des Bewegungsablaufs in zusätzlicher Abhängigkeit von den für die Nebengefahrenstellen (27) ermittelten weiteren virtuellen Abstoßungskräften erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner umfasst: - Vergleichen der erfassten Positionen der Objekte (21) mit Erwartungswerten, die in dem jeweils aktuellen Bewegungszustand der beweglichen Maschine (11) als Ergebnis eines Erfassens von maschineneigenen Elementen oder von mit der beweglichen Maschine in einem vorgegebenen Bezug stehenden Objekten zu erwarten sind; wobei diejenigen Objekte (21), deren erfasste Positionen mit einem Erwartungswert übereinstimmen, für das Ermitteln der virtuellen Abstoßungskraft vernachlässigt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner umfasst: - anhand der erfassten Positionen der Objekte (21) Ermitteln von Abständen der Objekte (21) von der Gefahrenstelle (19) und Vergleichen der Abstände mit einem Mindestabstand, wobei Objekte (21), deren Abstand von der Gefahrenstelle (19) größer als der Mindestabstand ist, für das Ermitteln der virtuellen Absto-ßungskraft vernachlässigt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner umfasst: - anhand der erfassten Positionen der Objekte (21) Ermitteln von Abständen der Objekte (21) von der Gefahrenstelle (19) und Vergleichen der Abstände mit einer Abstandsschwelle, wobei, wenn ein Objekt (21) einen Abstand von der Gefahrenstelle (19) aufweist, der kleiner als die Abstandsschwelle ist, die bewegliche Maschine (11) dazu angesteuert wird, den Bewegungsablauf mit reduzierter Geschwindigkeit zu durchlaufen, wobei die Abstände vorzugsweise mit mehreren Abstandsschwellen verglichen werden und die Geschwindigkeit desto stärker reduziert wird, je mehr der Abstandsschwellen größer als der Abstand eines der Objekte (21) von der Gefahrenstelle (19) sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner umfasst: - Erfassen eines Befehls, insbesondere eines gestenbasierten Befehls oder eines Sprachbefehls, eines Nutzers der beweglichen Maschine (11); - in Abhängigkeit von dem erfassten Befehl Ermitteln einer virtuellen Anziehungskraft, die von dem Nutzer auf die Gefahrenstelle (19) fiktiv ausgeübt wird, als Gradient eines durch eine vorgegebene oder vorgebbare Potentialfunktion definierten virtuellen Potentials des Nutzers; - in Abhängigkeit von der ermittelten virtuellen Anziehungskraft Anpassen des Bewegungsablaufs und Ansteuern der beweglichen Maschine (11) zum Durchlaufen des angepassten Bewegungsablaufs, so dass sich die Gefahrenstelle (19) dem Nutzer mit begrenzter und/oder gegenüber dem ursprünglichen Bewegungsablauf verlangsamter Geschwindigkeit annähert.
Sensoreinrichtung, die dazu ausgebildet ist, in einem Verfahren zum sicheren Betrieb einer beweglichen Maschine (11) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche verwendet zu werden, wobei die Sensoreinrichtung (23) eine Anordnung mehrerer, vorzugsweise optischer, Abstandssensoren umfasst, die, insbesondere nach Art eines Facettenauges, an einer Oberfläche (25) der Sensoreinrichtung (23) regelmäßig verteilt angeordnet und in voneinander verschiedene Raumrichtungen ausgerichtet sind, wobei die Oberfläche (25) vorzugsweise rotationssymmetrisch ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, wobei alle Raumrichtungen, in welche die verschiedenen Abstandssensoren ausgerichtet sind, eine Symmetrieachse (S) schneiden, zu der die Oberfläche (25) rotationssymmetrisch ist, wobei sich die Raumrichtungen vorzugsweise in einem gemeinsamen Punkt auf der Symmetrieachse (S) schneiden.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Oberfläche (25) die Form einer Kugelzone aufweist, deren Begrenzungskreise (29) vorzugsweise denselben Radius aufweisen, oder wobei die Oberfläche (25) die Form einer radial äußeren Mantelfläche eines Torus oder eines axialen Teilbereichs dieser Mantelfläche aufweist, deren Begrenzungskreise (29) vorzugsweise denselben Radius aufweisen.
Steuereinrichtung für eine bewegliche Maschine, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, ein Verfahren zum sicheren Betrieb der beweglichen Maschine (11) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Bewegliche Maschine (11) mit einer Steuereinrichtung nach Anspruch 13 sowie einer Sensoreinrichtung (23) nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Sensoreinrichtung (23) vorzugsweise derart angeordnet ist, dass sich ein Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung (23) um eine Werkzeugspitze (17) der beweglichen Maschine (11) herum erstreckt.