DE102019110882A1

DE102019110882A1 - Absichern eines beweglichen Maschinenteils

Info

Publication number: DE102019110882A1
Application number: DE102019110882.9A
Authority: DE
Inventors: Sanketh RAMACHANDRA; Heiko STEINKEMPER; Christoph Hofmann; Klaus Hummel
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-27
Also published as: DE102019110882B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Absichern eines beweglichen Maschinenteils (36) einer Maschine (10) angegeben, insbesondere eines Roboterarms, wobei von mindestens einem mit dem Maschinenteil (36) mitbewegten berührungslosen Distanzsensor (12) mehrere Abstandswerte von einer Position an dem Maschinenteil (36) gemessen werden und die gemessenen Abstandswerte mit mindestens einer Abstandsschwelle verglichen werden, um zu entscheiden, ob eine sicherheitsgerichtete Reaktion der Maschine (10) eingeleitet wird. Dabei wird geprüft, ob die Maschine (10) einen Umschaltpunkt (24) in ihrem Arbeitsablauf erreicht, und für den Arbeitsablauf zwischen dem Umschaltpunkt (24) und einem Arbeitspunkt (26), an dem das Maschinenteil (36) mit einem Werkstück (38) in Berührung kommt, die Abstandsschwelle angepasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Absichern eines beweglichen Maschinenteils einer Maschine, insbesondere eines Roboterarms, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Das primäre Ziel der Sicherheitstechnik ist, Personen vor Gefahrenquellen zu schützen, wie sie beispielsweise Maschinen im industriellen Umfeld darstellen. Die Maschine wird mit Hilfe von Sensoren überwacht, und wenn demnach eine Situation vorliegt, in der eine Person gefährlich nahe an die Maschine zu gelangen droht, wird eine geeignete Absicherungsmaßnahme ergriffen. In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm IEC61496 oder EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung oder Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile.
In der sicherheitstechnischen Überwachung von Robotern, speziell Leichtbaurobotern, besteht ein zunehmender Wunsch nach engerer Zusammenarbeit mit Personen (MRK, Mensch-Roboter-Kollaboration) auch in komplexen Umgebungen. Relevante Normen in diesem Zusammenhang sind beispielsweise die ISO 10218 für Industrieroboter oder die ISO 15066 für kollaborierende Roboter. Ähnliche Problemstellungen ergeben sich für andere Maschinen als Roboter, beispielsweise AGVs/AGCs (Automated Guided Vehicle / Container) oder Drohnen.
Für solche kooperativen Anwendungen sind bisherige Sicherheitskonzepte durch Zäune und Absperrungen ausgeschlossen. Aber auch die Absicherung durch herkömmliche Sicherheitssensoren, wie Laserscanner, Lichtgitter oder Sicherheitskameras, eignet sich vorrangig für große, freie Überwachungsbereiche mit einfacher Geometrie.
Bei Robotern besteht ein Ansatz darin, die Kraft so zu begrenzen, dass auch eine Kollision nicht zu ernsthaften Verletzungen führen kann. Zudem wird beim Design der mechanischen Roboterkomponenten bewusst auf kantenfreie, runde oder weiche Außenkonturen geachtet. Dabei bleiben jedoch Gefahrenquellen am Werkzeug selbst, das spitze, rotierende oder heiße Teile aufweisen kann. Außerdem verhindern die mechanischen Maßnahmen und Kraftbegrenzungen keine Quetschungen etwa der Hand zwischen Werkzeug und einer Halterung oder dergleichen auf einer Arbeitsfläche.
Hier besteht nun grundsätzlich die Möglichkeit, einen kleinen, leichten Distanzsensor beziehungsweise eine Mehrfachanordnung solcher Distanzsensoren mit dem Werkzeug am Roboterarm mitzubewegen. Mit einem entsprechenden Distanzsensor befasst sich die DE 10 2015 112 656 A1 . Damit wird eine Art virtuelle Schutzglocke um das Werkzeug überwacht und der Roboter bei Eindringen eines sicherheitsrelevanten Objekts gebremst oder angehalten. Der Distanzsensor ist jedenfalls im Verbund mit der übergeordneten Steuerung sicher ausgelegt, und zum Erreichen eines höheren Sicherheitsniveaus sind Tests in Form einer Referenzfahrt bei bekannten Referenzzielen möglich. Die offenbarte Schutzglocke ist aber für die Überwachung kurz vor dem eigentlichen Arbeitsschritt mit Greifen oder Bearbeiten eines Werkstücks nicht ausgelegt. Die Sicherheitsfunktion würde unweigerlich durch das Werkstück selbst und dessen Umgebung ausgelöst. Für eine flexible, sichere und anwenderfreundliche Anpassung wiederum gibt es im Stand der Technik keine befriedigende Lösung.
Die DE 10 2013 020 596 A1 offenbart einen Roboterarm mit einem am Werkzeug angeordneten Ultraschallsensor. Ein Referenzring an dessen Gehäuse erzeugt einen Referenzpeak, dessen Überwachung eine interne Funktionskontrolle der Sensorköpfe bei jedem Messzyklus ermöglicht. Dieser permanente Referenzpeak im Sensorsignal stört aber zugleich die eigentliche Messung. Es werden weiterhin gestaffelte Schwellen in unterschiedlichen Abständen überwacht, mit denen bei Annäherung an ein Objekt sukzessive die Geschwindigkeit verringert wird. Gedacht ist das für die Annäherung an eine Wirkstelle, aber das wird tatsächlich nicht überprüft. Nähert sich somit der Roboter beispielsweise stattdessen irgendwo auf seiner Bewegungsbahn einer Hand, so verringert er ebenfalls sukzessive seine Geschwindigkeit, hält aber nicht an, so dass Verletzungen tatsächlich nicht verhindert werden.
Die EP 2 395 274 B1 nutzt eine Reihe von Distanzsensoren, um eine bewegte Maschine mit an die Geschwindigkeit von Maschine und erfassten Objekten angepassten Schutzfeldern abzusichern. In realen, hochkomplexen Umgebungen ist das aber nicht präzise möglich, und deshalb müssen vorsichtshalber Sicherheitsaufschläge für die Schutzfelder verwendet werden. Das wiederum ist für die kürzen Abstände einer engen Kooperation insbesondere mit einem Roboterarm ungeeignet.
In der WO 2012 080 123 A2 wird eine Greifeinrichtung eines Industrieroboters durch an dessen Arm befestigte Sensoren überwacht. Bei Erkennen einer Kollisionsgefahr wird ein geänderter Bewegungsablauf der Greifeinrichtung auf ihrer Bewegungsbahn mit gesteuerter Reduzierung der Bewegungsgeschwindigkeit ausgelöst. Das betrifft folglich nicht die Überwachung selbst, sondern die darauffolgende sicherheitsgerichtete Maßnahme.
Die DE 10 2017 119 149 A1 befasst sich mit einem Ultraschallsensor zur Unfallverhütung bei der Mensch-Roboter-Kollaboration. Dabei können dauerhaft im Detektionsbereich angeordnete Objekte ausgeblendet werden. Die besonderen Herausforderungen der Absicherung während des eigentlichen Arbeitsvorgangs werden jedoch nicht diskutiert.
Aus der DE 103 27 600 A1 ist eine Überwachung eines Werkzeugs einer Maschine mit Hilfe von Abstandssensoren bekannt. Dabei werden die Abstandssignale mit hinterlegten Sollpositionsparametern der Maschinenkomponenten und des Werkstücks verglichen. Wie das im Einzelnen funktioniert, wird aber nicht dargelegt.
Die AT 502 931 A2 offenbart eine Arbeitsbereichsüberwachung für Maschinen und Roboter, bei der mit einem Entfernungsmesssensor beim Durchfahren einer programmierten Bearbeitungssequenz Referenzdaten gewonnen und diese dann im späteren Betrieb mit fortlaufend gemessenen Entfernungsinformationen verglichen. Wie sich jedoch konkret aus einem solchen Referenzdatenvergleich eine verlässliche Überwachung kurz vor der eigentlichen Bearbeitung realisieren lässt, ist dem Dokument nicht zu entnehmen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine handhabbare und verlässliche Absicherung einer Maschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Absichern eines beweglichen Maschinenteils einer Maschine, insbesondere eines Roboterarms, nach Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Absicherungssystem nach Anspruch 13 gelöst. Die Maschine ist insbesondere ein Roboter oder Roboterarm mit einem Werkzeug, das vornehmlich abzusichern ist (EOAS, End-of-Arm-Safeguarding). Dieses Anwendungsbeispiel eines Roboters wird im Folgenden vielfach stellvertretend verwendet, die Erläuterungen sind jeweils analog auch ein anderes bewegliches Maschinenteil zu übertragen. Mit dem Maschinenteil wird mindestens ein berührungsloser Distanzsensor mitbewegt, insbesondere durch Anbringen an dem Maschinenteil in der Nähe oder Umgebung eines Werkzeugs, vorzugsweise ein optoelektronischer Distanzsensor. Auf diese Weise werden mehrere Abstände aus der jeweiligen Position am Maschinenteil zur Umgebung gemessen, sei es durch mehrere Distanzsensoren und/oder einen Distanzsensor mit mehreren Messstrecken. Die Abstände werden mit mindestens einer Abstandsschwelle verglichen, und erforderlichenfalls wird eine sicherheitsgerichtete Reaktion der Maschine ausgelöst. Die jeweiligen Messstrecken für die mehreren Abstandswerte bilden gemeinsam eine Art virtuelle Schutzglocke, die allerdings nicht zu allen Seiten geschlossen sein muss und deren unterer Rand durch die Abstandsschwelle festgelegt ist.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Abstandsschwelle für einen eigentlichen Arbeitsschritt des Maschinenteils anzupassen. Die Bewegung des Maschinenteils folgt einer bekannten Trajektorie. Ein Umschaltpunkt bezeichnet die Position auf der Trajektorie, an welcher der eigentliche Arbeitsschritt mit Bewegung zu einem Arbeitspunk, an dem das Werkzeug das Werkstück berührt, und anschließend zurück zum selben oder einem anderen Umschaltpunkt erfolgt. Während des Arbeitsschritts ist es in aller Regel nicht möglich, die Umgebung des beweglichen Maschinenteils von Objekten freizuhalten. Der erwarteten und erlaubten Umgebung, wie Arbeitsflächen, Halterungen, Werkstück und dergleichen, wird durch die angepassten Abstandsschwellen Rechnung getragen.
Es ist dabei zwar möglich, aber nicht erforderlich, dass die Position des beweglichen Maschinenteils auf sichere Weise eingenommen beziehungsweise für die Auswertungen zur Verfügung gestellt wird. Vielmehr kann die jeweilige Position, insbesondere der Umschaltpunkt, aber auch weitere später vorgestellte Positionen zum Anpassen von Abstandsschwellen oder zum Prüfen von Funktionen, durch die Messwerte des Distanzsensors und Vergleich mit Referenzwerten aus Messungen in einem Einlernvorgang für den Umschaltpunkt abgeglichen und dadurch sicher gemacht werden. Die Erfindung kommt also vorzugsweise auch mit nicht-sicheren Maschinenpositionen zurecht.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Maschine verlässlich auch während eines Bearbeitungsschritts abgesichert ist und daher eine enge Kooperation ohne Verletzungsgefahren ermöglicht. Dabei ist das Verfahren hoch flexibel und auf vielerlei Auswertungshardware sowie mit verschiedensten Distanzsensoren auch in komplexen Umgebungen einsetzbar.
Bevorzugt wird während des Arbeitsablaufs außerhalb eines Bereichs zwischen dem Umschaltpunkt und dem Arbeitspunkt eine voreingestellte Arbeitsschwelle verwendet. Das betrifft Bewegungen vergleichsweise fern von dem Arbeitspunkt, wo ausreichend Abstand zu Umgebungsobjekten eingehalten ist beziehungsweise einfach eine Schutzglocke mit fester Geometrie auf Objektfreiheit überwacht werden kann. Angepasste Abstandsschwellen sind in solchen Phasen nicht erforderlich. Beispielsweise zieht sich der Roboterarm zwischen zwei Arbeitsschritten zurück, um seinem menschlichen Arbeitspartner das Einlegen eines neuen Werkstücks zu ermöglichen, oder der Roboterarm bewegt sich von einem Umschaltpunkt zu einem weiteren Umschaltpunkt, um dort einen anderen Arbeitsschritt durchzuführen.
Während des Arbeitsablaufs zwischen dem Umschaltpunkt und dem Arbeitspunkt wird die Abstandsschwelle bevorzugt in Abhängigkeit von der Position des Maschinenteils mehrfach angepasst, insbesondere bei Annäherung an den Arbeitspunkt verringert und/oder bei Entfernung von dem Arbeitspunkt vergrößert. Es findet folglich nicht lediglich eine einmalige Anpassung statt, sondern mehrere Anpassungen begleiten den Arbeitsschritt zwischen Umschaltpunkt und Arbeitspunkt und zurück in Abhängigkeit von der Maschinenbewegung. Ein Verkürzen der Abstandsschwelle bei Annäherung und ein Verlängern bei Entfernen erfolgt vorzugsweise mit einer Hysterese.
Die Abstandsschwelle wird vorzugsweise iterativ in diskreten Schritten angepasst. Das macht die Anpassung einerseits handhabbar, und andererseits lässt sich durch Wahl der diskreten Schritte eine gewünschte Genauigkeit erreichen.
Die diskreten Schritte werden vorzugsweise durch Unterteilung eines Abstands zwischen Maschinenteil und einer Arbeitsoberfläche am Umschaltpunkt angepasst. Dadurch wird eine angemessene Wahl von Anzahl und Größe der insbesondere untereinander gleichen diskreten Schritte getroffen. Es ist zu beachten, dass bei gleichmä-ßiger linearer Annäherung des Maschinenteils an den Arbeitspunkt auch die Trajektorie in diskrete Schritte aufgeteilt werden könnte, aber bei komplexeren Trajektorien ist der Abstand geeigneter.
Die diskreten Schritte sind vorzugsweise kleiner als ein zu detektierendes Körperteil. Soll also beispielsweise Handschutz mit einer Auflösung von 20 mm gewährleistet sein, so sind die diskreten Schritte kleiner, betragen beispielsweise die Hälfte oder 10 mm. Dadurch ist gewährleistet, dass eine Hand keinesfalls beim Anpassen der Abstandsschwelle in einem jeweiligen diskreten Schritt übersehen werden kann.
Vorzugsweise werden mehrere Abstandsschwellen verwendet, die einer angetasteten Kontur entsprechen. Mit nur einer Abstandsschwelle kann gleichsam der Abstand des unteren oder abgewandten Randes der Schutzglocke eingestellt und während der Annäherung verkürzt werden. Bei komplexeren Konturen auf einer Arbeitsfläche oder dergleichen, die während der Annäherung in den Erfassungsbereich des Distanzsensors gelangt, oder wechselnden Orientierungen des Distanzsensors im Verlauf der Annäherungsbewegung lässt sich die jeweils erwartete Kontur durch mehrere Abstandsschwellen abbilden und entsprechend berücksichtigen.
Die Anpassung der Abstandsschwelle wird bevorzugt eingelernt, während sich das Maschinenteil entsprechend des Arbeitsablaufs der Maschine von dem Umschaltpunkt zu dem Arbeitspunkt bewegt. Aus den dabei von den Distanzsensoren gemessenen Abständen werden die Abstandsschwellen abgeleitet. Die Annäherung erfolgt vorzugsweise abschnittsweise entsprechend den oben diskutierten diskreten Schritten. Das ermöglicht, die jeweiligen Abstände für die Abstandsschwellen mehrfach zu messen und Fluktuationen auszumitteln.
Der Umschaltpunkt wird bevorzugt eingelernt, indem sich das Maschinenteil von dem Arbeitspunkt fortbewegt, bis die Abstandswerte mindestens so groß sind wie eine voreingestellte Abstandsschwelle. Dort wird die Maschine angehalten und die Position gemessen, um sie als Umschaltpunkt zu speichern. Die Bewegung des Maschinenteils folgt dabei vorzugsweise dem späteren Arbeitsschritt zwischen Umschaltpunkt und Arbeitspunkt in umgekehrter Richtung. Der so eingelernte Umschaltpunkt ist dann der erste Punkt auf der späteren Trajektorie des beweglichen Maschinenteils, an dem eine Absicherung mit einer voreingestellten, nicht angepassten Abstandsschwelle nicht mehr funktionieren würde, da dann die Arbeitsfläche oder sonstige feste Objekte eine unnötige Absicherung auslösen würden. Ein gewisser Zusatzabstand des Umschaltpunkts als Puffer oder Toleranzausgleich ist denkbar. Damit die Maschine später im Betrieb die Position des Umschaltpunkts vorzugsweise auch lediglich auf nicht sichere Weise bereitstellen kann, wird dann der Umschaltpunkt auch anhand von Erwartungswerten des Distanzsensors geprüft. Damit ist die Position des Umschaltpunkts bis zu einem gewissen Sicherheitsniveau als sicher anzunehmen, auch wenn die Steuerung der Maschine selbst keine sicheren Positionsdaten bereitstellt.
Der Distanzsensor ist bevorzugt ein sicherer Sensor und/oder die Funktionsfähigkeit des Distanzsensors wird zyklisch überprüft und/oder die Abstandswerte mehrerer Distanzsensoren zur Erzeugung sicherer Abstandswerte werden untereinander verglichen. Es werden also sichere Abstandswerte gewonnen. Dabei kann der Distanzsensor schon selbst normgerecht ausgebildet sein. Sicherheit kann auch durch mehrere redundante und/oder diversitär redundante Distanzsensoren beziehungsweise zyklische Funktionstests hergestellt werden, oder es wird auf diesem Weg ein höheres Sicherheitsniveau erreicht.
Das Maschinenteil wird bevorzugt zyklisch an einen Prüfpunkt bewegt, an dem die gemessenen Abstandswerte mit Referenzwerten verglichen werden, um die Funktionsfähigkeit der Distanzsensoren, der Auswertung und/oder der Kommunikation zu überprüfen. Das Maschinenteil kann gezielt an den Prüfpunkt bewegt werden, oder der Prüfpunkt liegt ohnehin auf seiner Bewegungsbahn. An dem Prüfpunkt ist der Distanzsensor vorzugsweise auf ein Referenzziel gerichtet. Das kann Teil der Szenerie sein, wie die Arbeitsfläche, vorzugsweise handelt es sich um ein dediziertes Referenzziel mit möglichst eindeutiger Kontur. Indem die Reaktion auf das Referenzziel geprüft wird, lassen sich alle sicherheitsrelevanten Komponenten testen, insbesondere die Funktionsfähigkeit des Distanzsensors, die Konsistenz zwischen Maschinensteuerung und tatsächlicher Position des beweglichen Maschinenteils und der Signalfluss. Ein Spezialfall der Prüfung auf Funktionsfähigkeit des Distanzsensors ist ein sogenannter „Stuck-at“-Fehler, bei dem ein Distanzsensor unabhängig von der tatsächlichen Messsituation einen festen Abstandswert ausgibt. Ein derartiger Fehler kann mit zwei verschiedenen Prüfpunkten oder einer Überwachung des ausgegebenen Abstandswerts auf Veränderung ausgeschlossen werden.
Das Maschinenteil wird am Prüfpunkt bevorzugt auf ein Referenzziel zubewegt, bis alle gemessenen Abstandswerte die Abstandsschwelle unterschreiten. Geschieht das während einer hinreichend kleinen Bewegung des Maschinenteils, so funktioniert die Absicherung noch wie spezifiziert. Als Abstandsschwelle kommt hier insbesondere die voreingestellte Abstandsschwelle zur Absicherung außerhalb des Bereichs zwischen Umschaltpunkt und Arbeitspunkt in Betracht, aber letztlich kann hier ein nahezu beliebiger Schwellwert gesetzt werden. Am Prüfpunkt geht es nicht um eine tatsächliche Sicherheitsfunktion, sondern um einen Test des Systems. Dementsprechend wird durch das Unterschreiten der Abstandsschwellen auch keine sicherheitsgerichtete Reaktion ausgelöst, sondern es wird lediglich registriert, ob ein entsprechendes Signal erzeugt wurde oder nicht.
In vorteilhafter Weiterbildung ist ein Absicherungssystem für eine Maschine mit einem beweglichen Maschinenteil vorgesehen, wobei das Absicherungssystem mindestens einen berührungslosen Distanzsensor sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Dabei ist die Auswertungsfunktionalität vorzugsweise nicht im Sensor selbst implementiert, sondern in einem daran angeschlossenen System wie einer Sicherheitssteuerung oder auch einer nicht sicheren Steuerung oder sonstigen Recheneinheit, die dann durch Redundanz oder Tests abgesichert wird. Die Implementierung außerhalb des Distanzsensors erleichtert die Aktualisierung und Anpassung an andere Anwendungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

1 eine Übersichtsdarstellung einer abzusichernden Maschine am Beispiel eines Roboterarms mit Prüfpunkt, Umschaltpunkt und Arbeitspunkt;
2 eine Blockdarstellung eines Absicherungssystems mit mindestens einem Distanzsensor;
3 eine Darstellung eines beweglichen Maschinenteils und eines mitbewegten Distanzsensors in einer Phase fern von einem Arbeitspunkt;
4 eine Darstellung ähnlich 3 nun in einer Phase zwischen einem Umschaltpunkt bei Annäherung an einen Arbeitspunkt; und
5 eine Darstellung der Abstände und Abstandsschwellen in verschiedenen Phasen des Arbeitsablaufs des beweglichen Maschinenteils.

1 zeigt eine Übersichtsdarstellung eines abzusichernden Roboterarms 10, der in einem „Pick-and-Place“-Szenario mit einer Bedienperson zusammenarbeitet. Der Roboterarm 10 und die spezielle Anwendung sind Beispiele, und die nachfolgenden Erläuterungen sind auf andere abzusichernde bewegte Maschinen und Szenarien übertragbar, insbesondere AGVs/AGCs (Automated Guided Vehicle / Container) oder Drohnen.
Zur Absicherung sind an dem Roboterarm 10 Distanzsensoren 12a-b angebracht, vorzugsweise in der Umgebung eines Werkzeugs zu dessen Absicherung (EOAS, End-of-Arm-Safeguarding). Die Distanzsensoren 12a-b bestimmen mehrere Abstandswerte längs einer Messstrecke. Dazu eignen sich besonders optoelektronische Abstandssensoren beispielsweise mit Messung der Lichtlaufzeit (ToF, Time of Flight). Die einleitend genannte DE 10 2015 112 656 A1 stellt ein derartiges System vor, auf das ergänzend verwiesen wird. Es gibt aber auch andere optoelektronische Sensoren, um Abstände zu bestimmen, wie Laserscanner und 2D- oder 3D-Kameras, ebenso wie ganz andere Technologien, etwa Ultraschallsensoren, kapazitive Sensoren, Radarsensoren und dergleichen.
Während des Betriebs werden die von den Distanzsensoren 12a-b gemessenen Abstandswerte mit Abstandsschwellen verglichen. Je nach Position des Roboterarms 10 auf dessen rein beispielhaft gezeigter Bewegungsbahn 14 werden dafür feste, vorgegebene Abstandsschwellen DSDT (Default Safety Distance Threshold) oder angepasste Abstandsschwellen ASDT (Application-Specific Distance Threshold) verwendet. Dadurch wird ein weicher und unterbrechungsfreier Betriebsablauf erreicht, solange keine Person in den abgesicherten Bereich eingreift. Wird anhand der gemessenen Abstandswerte und der Abstandsschwellen ein Körperteil in dem geschützten Bereich um das Werkzeug erkannt, so wird eine sicherheitsgerichtete Reaktion des Roboters 10 ausgelöst, die abhängig von den verletzten Abstandsschwellen in einem Verlangsamen, Ausweichen oder einem Nothalt bestehen kann.
Längs der Bewegungsbahn 14 sind mehrere Situationen und besondere Punkte zu unterscheiden, die zunächst im Überblick und dann im Anschluss auch in Einzelheiten diskutiert werden sollen. An einem Checkpoint oder Prüfpunkt 16 wird ein Funktionstest durchgeführt. Die Messstrecken 18 bilden eine Art virtuelle Schutzglocke um die Werkzeugspitze des Roboterarms 10. Am Prüfpunkt 16 wird aber nicht die Schutzglocke überwacht, sondern deren Verlängerung bis zu einem Referenzziel 20. Das kann wie dargestellt einfach ein natürliches Szeneriemerkmal sein, in diesem Fall eine Arbeitsfläche 22. Alternativ wird dort ein Referenzziel 20 mit wiedererkennbarem Relief angebracht. Beim Funktionstest wird geprüft, ob das System mit den gemessenen Abstandswerten in der erwarteten Weise auf Abstandsschwellen reagiert, die zuvor anhand des Referenzziels 20 eingelernt wurden. Alternativ werden die gemessenen Abstandswerte mit zuvor eingelernten Referenzwerten verglichen.
Während der Bewegung längs der Bewegungsbahn im Freiraum außerhalb des Bereichs besonderer Punkte wird die Umgebung der Werkzeugspitze des Roboterarms 10 mit den vorgegebenen Abstandsschwellen DSDT überwacht. Das ist anschaulich eine Schutzglocke mit durch die Abstandsschwellen DSDT vorgegebener Höhe. Wird zu einem Objekt in geringerem Abstand gemessen als durch die Abstandsschwellen vorgegeben, erfolgt eine sicherheitsgerichtete Reaktion.
An einem Umschaltpunkt 24 beginnt ein Arbeitsschritt, bei dem sich die Werkzeugspitze des Roboterarms 10 einem Arbeitspunkt 26 nähert, um ein Objekt 28 zu greifen oder auf andere Art mit einem beliebigen Werkstück zu interagieren. Dieser Arbeitsschritt ist eigentlich Teil der Bewegungsbahn 14, aber hier separat und übertrieben durch einen die Auf- und Abbewegung andeutenden Pfeil 30 dargestellt. Für den Arbeitsschritt werden ab dem Umschaltpunkt 24 angepasste Abstandsschwellen ASDT verwendet und dafür insbesondere in Echtzeit berechnet. Je nach Struktur im Bereich um das Objekt 28 können für die verschiedenen Distanzsensoren 12a-b und gegebenenfalls deren mehrere Messstrecken und Abstandswerte unterschiedliche oder gleiche Abstandsschwellen verwendet werden. Mit zunehmender Annäherung an den Arbeitspunkt 26 werden die Abstandsschwellen verringert, vorzugsweise iterativ in diskreten Schritten. Der Umschaltpunkt 24 kann auch Prüfpunkt 16 sein, sei es diesen ersetzend oder ergänzend, insbesondere um damit eine nicht-sichere Position des Roboterarms 10 sicher zu erfassen, denn auch am Umschaltpunkt 24 wird hinsichtlich der Sensorsignale eine bekannte, reproduzierbare Situation erwartet.
2 zeigt eine Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen Absicherungssystems. Ein oder mehrere Distanzsensoren 12 sind wie in 1 gezeigt mit dem abzusichernden Maschinenteil mitbewegt, um es gegen Eingriffe abzusichern und so Unfälle und Verletzungen zu vermeiden. Bei den Distanzsensoren 12 handelt es sich vorzugsweise um optoelektronische Sensoren nach dem Lichtlaufzeitprinzip, aber auch andere gleichartige oder gemischt verwendete Sensoren aus den oben angeführten Beispielen sind denkbar.
Die Abstandswerte werden an eine Steuerung 32 weitergegeben, innerhalb derer ein Funktionsblock 34 für die hier betrachteten Sicherheitsauswertungen zuständig ist und die erforderlichenfalls ein sicheres Signal an die Maschine 10 beziehungsweise deren Steuerung ausgibt, um eine Sicherheitsreaktion auszulösen. Prinzipiell könnten die Sicherheitsauswertungen auch in einem der Distanzsensoren 12 untergebracht sein, aber die Flexibilität in einer Steuerung 32 ist größer. Der Funktionsblock 34 kann als solcher, aber auch als Softwarepaket, App oder in jeder sonst geeigneten Form implementiert sein. Die Steuerung 32 ist vorzugsweise eine Sicherheitssteuerung, alternativ kommt aber auch eine andere Hardware in Betracht, wie ein Mikrocontroller, ein Computer, ein PLC (programmable logic controller), die Roboter- oder Maschinensteuerung, eine Edge-Computing-Infrastruktur oder eine Cloud. Auch hinsichtlich der Kommunikationsverbindungen besteht eine große Auswahl, etwa I/O-Link, Bluetooth, WLAN, Wi-Fi, 3G/4G/5G und prinzipiell jeglicher industrietauglicher Standard.
Die Distanzsensoren 12 und die Steuerung 32, zumindest soweit es den Funktionsblock 34 betrifft, müssen eine sichere Erfassung und Auswertung im Sinne der einschlägigen Normen leisten. Ein Weg dafür ist, dass sichere Sensoren und eine Sicherheitssteuerung eingesetzt werden. Es ist aber auch denkbar, originär nicht sichere Hardware zu verwenden und das geforderte Sicherheitsniveau durch Redundanz, auch diversitäre Redundanz, beziehungsweise Plausibilitätschecks oder zyklische Tests zu erreichen.
Eine Möglichkeit, das Absicherungssystem zu testen, bietet der bereits zu 1 angesprochene Prüfpunkt 16, der nun genauer betrachtet wird, und an dem unter anderem die gemessenen Abstandswerte mit zuvor gespeicherten und aus dem Referenzziel 20 abgeleiteten Abstandsschwellen verglichen werden können. Weitere Testmöglichkeiten werden noch diskutiert. Wiederum wird rein beispielhaft auf einen Roboterarm 10 als Maschine Bezug genommen.
Der Prüfpunkt 16 kann als durch den Anwender festgelegte, feste Position des Roboterarms 10 definiert werden, an dem die zu erwartenden Abstandswerte durch das Referenzziel 20 auf möglichst eindeutig wiedererkennbare Weise bekannt sind. Dies wird als eine Art Signatur zum Testen des Gesamtsystems genutzt. Damit wird während des Betriebs zyklisch geprüft, ob Roboter- und Sensorinformationen noch mit der geforderten Genauigkeit konsistent zueinander sind, ob die verschiedenen Signale zwischen Distanzsensoren 12, Steuerung 32 und Maschine 10 noch verlässlich ausgetauscht werden und ob die einzelnen Distanzsensoren 12 weiterhin funktionieren.
Um den Test für den Betrieb vorzubereiten und dessen Verlässlichkeit sicherzustellen, wird eine Reihe von Schritten vorab beispielsweise während einer Setupphase durchgeführt. Viele der nun folgenden Schritte sind optional und teilweise auch im Betrieb denkbar.
Nachdem der Prüfpunkt 16 festgelegt und der Roboterarm 10 dorthin bewegt ist, werden zunächst die Referenzabstände zu dem Referenzziel 20 eingelernt und gespeichert. Sie sollten größer als die festen Abstandsschwellen DSDT, aber nicht zu groß sein, beispielsweise kleiner 300 mm. Sofern das Referenzziel 20 einigermaßen flach ist wie in 1, sollten sich die Referenzabstände untereinander nicht stark unterscheiden, beispielsweise in einem Korridor von 6 mm bleiben. Die Messungen werden vorzugsweise wiederholt, beispielsweise 100 Mal, und es werden ein Durchschnittswert und eine Standardabweichung gebildet, wobei vorzugsweise auch die Standardabweichung auf nicht zu große Streuung beispielsweise mit Standardabweichung kleiner 2 mm geprüft wird. Die Distanzsensoren 12 werden vorzugsweise temperaturkalibriert. Es kann noch die Signal- und Umgebungsintensität gemessen und gespeichert werden, um im Betrieb zu prüfen, ob gemessen an der ebenfalls vorab bestimmten Standardabweichung eine zu große Abweichung entsteht.
Die Steuerung 32 kann testhalber ein Signal an den Roboterarm 10 ausgeben, das eine Geschwindigkeitsreduktion oder sicherheitsgerichtete Reaktion bei Verletzen einer angepassten Abstandsschwelle ASDT und/oder eine sicherheitsgerichtete Reaktion bei Verletzen einer vorgegebenen Abstandsschwelle DSDT auslöst. Der Roboterarm 10 muss das dann in einer vorgegeben Zeit bestätigen. Die tatsächlichen Sicherheitsfunktionen sind für diesen Test vorzugsweise überbrückt.
Am Referenzzielt 20 können auch die vorgegebenen Abstandsschwellen DSDT selbst getestet werden, sei es vorab oder im Betrieb. Dazu nähert sich der Roboterarm 10 vom Prüfpunkt 16 ausgehend dem Referenzziel 20 an. Es wird erwartet, dass innerhalb eines kleinen Abstandsintervalls sämtliche gemessenen Abstandswerte die vorgegebenen Abstandsschwellen weitgehend gleichzeitig verletzen und entsprechende sicherheitsgerichtete Signale ausgelöst werden, die erneut zur Vermeidung unnötiger Roboterreaktionen abgefangen beziehungsweise überbrückt oder lediglich alss Auslöser genutzt werden, den Roboterarm 10 wieder zu dem Prüfpunkt 16 zurückzubewegen.
Im Betrieb wird der Prüfpunkt 16 genutzt, um die dort gemessenen Abstandswerte mit den eingelernten Referenzabständen zu dem Referenzziel 20 zu vergleichen. Die zuvor gespeicherten Signal- und Umgebungsintensitäten können mit aktuellen Werten verglichen werden. Weiter ist eine zyklische Prüfung möglich, ob die sicherheitsrelevanten Signale von dem Roboterarm 10 bestätigt werden, welche die Steuerung 32 ausgibt. Schließlich kann geprüft werden, ob einer der Distanzsensoren 12 womöglich nur noch eingefrorene, fehlerhafte Abstandswerte ausgibt, was angenommen wird, wenn über einen gewissen Zeitraum, insbesondere auch während einer Bewegung, ständig exakt gleiche Abstandswerte gemessen werden. Aufgrund der zu 2 vorgestellten Architektur und der zyklischen Testung steht somit ein sicheres Absicherungssystem zur Verfügung.
3 zeigt eine vergrößerte und vereinfachte Darstellung der Werkzeugspitze 36 am Ende des Roboterarms mit daran angebrachtem Distanzsensor 12 und der von dessen Messstrecken 18 gebildeten Schutzglocke. Dabei entspricht die Situation in 3 der Freiraumüberwachung während der Bewegung des Roboterarms 10 längs der Bewegungsbahn 14 zwischen den Punkten 16, 24 während der Überwachung mit vorgegebener Abstandsschwelle DSDT. Obwohl auch hier mehrere Abstandsschwellen für verschiedene Umfangspositionen am unteren Rand der Schutzglocke möglich sind, genügt eine einzige Abstandsschwelle für einen festen Abstand, der beispielsweise anhand der Bewegungsgeschwindigkeiten und des Bremswegs festgelegt ist. In dieser Phase der Bewegung des Roboterarms 10 werden keinerlei Objekte in der Schutzglocke erwartet, und auf eine Verletzung wird dementsprechend sicherheitsgerichtet reagiert.
4 zeigt eine der 3 entsprechende Darstellung im oberen Teil kurz unterhalb des Umschaltpunkts 24 und im unteren Teil am Arbeitspunkt 26, wo die Interaktion mit einem Werkstück 38 erfolgt. In dieser Phase muss zwischen unerlaubten Eingriffen durch ein Körperteil 40 und erlaubten Eingriffen durch die Kontur 42 in der Umgebung des Werkstücks 38 unterschieden werden. Dazu wird am Umschaltpunkt 24 von der vorgegeben Abstandsschwelle DSDT auf angepasste Abstandsschwellen ADST umgeschaltet, die dynamisch variiert und insbesondere sukzessive kleiner und entsprechend bei der Rückbewegung größer werden. Die Geschwindigkeit des Roboterarms 10 wird vorzugsweise schon verringert, ehe der Umschaltpunkt 24 erreicht ist.
Das Einlernen der angepassten Abstandsschwellen wird nun anhand der 5 genauer erläutert. Dort ist die Bewegung des Roboterarms 10 längs der Bewegungsbahn 14 auf der X-Achse aufgetragen. Die Y-Achse stellt eine beispielhafte Distanz dar. Rechts und links befindet sich der Roboterarm 10 im Freiraum mit großem Abstand zum nächsten Objekt und wird durch die vorgegebene Abstandsschwelle DSDT abgesichert. Dabei wird auch der Prüfpunkt 16 mit dem oben beschriebenen Test angefahren. Mit Annäherung an den Umschaltpunkt 24 sinkt die Distanz, bis im Umschaltpunkt 24 selbst die vorgegebene Abstandsschwelle DSDT auf die angepassten Abstandsschwellen ADST umgeschaltet werden. Andernfalls würde hier durch die Arbeitsfläche 22 eine Fehlabschaltung erfolgen.
Während der Bewegung zum Arbeitspunkt 26 und zurück zum Umschaltpunkt 24 sinkt der Abstand auf einen Minimalwert, der einem Abstand Null zwischen Werkzeugspitze 36 und Werkstück 38 entspricht, und steigt dann wieder an. Dabei werden die angepassten Abstandsschwellen ADST sukzessive verkürzt und dann wieder verlängert. In 5 ist nur eine solche weitere Umschaltung 44 gezeigt. In der Praxis werden vorzugsweise mehr als nur zwei diskrete Schritte verwendet.
Das nachfolgende Einlernen, das in 5 nachvollziehbar ist, kann manuell durch eine Bedienperson, automatisch mittels Steuerung 32 oder in einer Mischform durchgeführt werden. Aus dem Vorgehen beim Einlernen lässt sich auch unmittelbar ableiten, wie später die Umschaltung und Überwachung der angepassten Abstandsschwellen im Betrieb erfolgt.
Der Umschaltpunkt 24 sollte auf der Bewegungsbahn 14 zum Arbeitspunkt 26 kurz vor derjenigen Position liegen, an dem die vorgegebene Abstandsschwelle DSDT verletzt würde. Das „Kurz vor“ lässt sich beispielsweise über die Standardabweichung der gemessenen Abstandswerte definieren. Zum Einlernen wird der Roboterarm 10 vom Arbeitspunkt 26 rückwärts auf der Bewegungsbahn 14 verfahren, bis der Abstandswert keines der Distanzsensoren 12 mehr die vorgegebene Abstandsschwelle DSDT verletzt. Hier wird der Roboterarm 10 angehalten und dessen Position als Umschaltpunkt 24 gespeichert.
Am Umschaltpunkt 24 werden nun Abstandswerte gemessen, vorzugsweise wieder vielfach mit Bestimmung von Mittelwert und Standardabweichung. Das sind die anfänglichen angepassten Abstandsschwellen ASDT1. Die im Betrieb gemessenen Abstandswerte werden außerdem vorzugsweise mit den eingelernten Referenzwerten abgeglichen, um zu verifizieren, dass sich der Roboterarm 10 tatsächlich am Umschaltpunkt 24 befindet, denn die Position des Roboterarms 10 ist nicht sicher. Es wird zwar andererseits nicht ausgeschlossen, dass der Roboterarm 10 für ein sicheres Ansteuern von Positionen ausgebildet ist, aber jedenfalls muss das nicht verlangt werden, da die Sicherheit durch den Abgleich der Abstandswerte hergestellt werden kann. Außerdem sind dies Abstandswerte. Die Verlässlichkeit oder Hysterese, gemessen an einem Vielfachen der Standardabweichung, sollte feiner sein als das geforderte Auflösungsvermögen, beispielsweise höchstens bei ±10 mm liegen, wenn Handschutz mit Auflösung 20 mm gefordert ist.
Auf die gleiche Weise können die angepassten Abstandsschwellen ASDTwp am Arbeitspunkt 26 bestimmt werden. Dazu wird natürlich zuvor der Roboterarm 10 bei deaktivierten vorgegebenen Abstandsschwellen DSDT kurz vor den Arbeitspunkt 26 bewegt.
In der Praxis werden zwei diskrete Schritte ASDT1 und ASDTwp nicht genügen. Stattdessen wird die Spanne zwischen DSDT und ASDTwp in i diskrete Schritte unterteilt, vorzugsweise gleich große diskrete Schritte. Keiner dieser diskreten Schritte darf einem größeren Abstand entsprechen als das gewünschte Auflösungsvermögen, weil sonst sicherheitskritische Überwachungslücken entstehen. Das Einlernen der entsprechenden angepassten Abstandsschwellen ADSTi erfolgt analog zu demjenigen von ASDTwp, wobei jeweils nicht der Arbeitspunkt 26, sondern die Position entsprechend dem nächsten diskreten Schritt angefahren wird. Das wird für alle diskreten Schritte wiederholt.
Im Betrieb werden die jeweiligen eingelernten angepassten Abtastschwellen verwendet, sobald der Roboterarm 10 die Position entsprechend dem Einlernen einnimmt. Sollten Abstandswerte gemessen werden, die nicht dem sukzessiven Verringern der Abtastschwellen entsprechen, also beispielsweise eine Hand 40 sich in die Messstrecke 18 geschoben haben, so erfolgt eine sicherheitsgerichtete Reaktion. Vorzugsweise wird außerdem anhand eines Vergleichs der eingelernten Abstandswerte mit den gemessenen Werten die Roboterposition verifiziert. Durch Toleranzen oder Aufschläge auf die Erwartungswerte werden vorzugsweise Roboterbewegung und Signalverarbeitungszeiten kompensiert. Es ist daher nicht erforderlich, an jedem Umschalt- oder Anpassungspunkt anzuhalten, sondern das ist während langsamer Fahrt möglich. Dabei hilft es, dass vorzugsweise schon kurz vor Erreichen des Umschaltpunktes 24 die Geschwindigkeit reduziert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015112656 A1 [0006, 0033]
DE 102013020596 A1 [0007]
EP 2395274 B1 [0008]
WO 2012080123 A2 [0009]
DE 102017119149 A1 [0010]
DE 10327600 A1 [0011]
AT 502931 A2 [0012]

Claims

Verfahren zum Absichern eines beweglichen Maschinenteils (36) einer Maschine (10), insbesondere eines Roboterarms, wobei von mindestens einem mit dem Maschinenteil (36) mitbewegten berührungslosen Distanzsensor (12) mehrere Abstandswerte von einer Position an dem Maschinenteil (36) gemessen werden und die gemessenen Abstandswerte mit mindestens einer Abstandsschwelle verglichen werden, um zu entscheiden, ob eine sicherheitsgerichtete Reaktion der Maschine (10) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob die Maschine (10) einen Umschaltpunkt (24) in ihrem Arbeitsablauf erreicht und dass für den Arbeitsablauf zwischen dem Umschaltpunkt (24) und einem Arbeitspunkt (26), an dem das Maschinenteil (36) mit einem Werkstück (38) in Berührung kommt, die Abstandsschwelle angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Arbeitsablaufs außerhalb eines Bereichs zwischen dem Umschaltpunkt (24) und dem Arbeitspunkt (26) eine voreingestellte Arbeitsschwelle (DSDT) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei während des Arbeitsablaufs zwischen dem Umschaltpunkt (24) und dem Arbeitspunkt (26) die Abstandsschwelle (ASDT) in Abhängigkeit von der Position des Maschinenteils (36) mehrfach angepasst wird, insbesondere bei Annäherung an den Arbeitspunkt (26) verringert und/oder bei Entfernung von dem Arbeitspunkt (26) vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Abstandsschwelle (ASDT) iterativ in diskreten Schritten angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die diskreten Schritte durch Unterteilung eines Abstands zwischen Maschinenteil (36) und einer Arbeitsoberfläche (22) am Umschaltpunkt (24) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die diskreten Schritte kleiner sind als ein zu detektierendes Körperteil (40).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Abstandsschwellen verwendet werden, die einer angetasteten Kontur entsprechen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassung der Abstandsschwelle (ASDT) eingelernt wird, während sich das Maschinenteil (36), insbesondere schrittweise, entsprechend des Arbeitsablaufs der Maschine (10) von dem Umschaltpunkt (24) zu dem Arbeitspunkt (26) bewegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umschaltpunkt (24) eingelernt wird, indem sich das Maschinenteil (36) von dem Arbeitspunkt (24) fortbewegt, bis die Abstandswerte mindestens so groß sind wie eine voreingestellte Abstandsschwelle (DSDT).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Distanzsensor (12) ein sicherer Sensor ist und/oder wobei die Funktionsfähigkeit des Distanzsensors (12) zyklisch überprüft wird und/oder wobei die Abstandswerte mehrerer Distanzsensoren (12 a-b) zur Erzeugung sicherer Abstandswerte untereinander verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Maschinenteil (36) zyklisch an einen Prüfpunkt (16) bewegt wird, an dem die gemessenen Abstandswerte mit Referenzwerten verglichen werden, um die Funktionsfähigkeit der Distanzsensoren (12), der Auswertung (32, 34) und/oder der Kommunikation zu überprüfen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Maschinenteil (36) am Prüfpunkt (16) auf ein Referenzziel (20) zubewegt wird, bis alle gemessenen Abstandswerte die Abstandsschwelle (DSDT) unterschreiten.
Absicherungssystem (12, 32, 34) für eine Maschine (10) mit einem beweglichen Maschinenteil (36), wobei das Absicherungssystem (12, 32, 34) mindestens einen berührungslosen Distanzsensor (12) sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit (32, 34) zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.