DE102020203636A1

DE102020203636A1 - Ermittlung von Sicherheitsbereichen um eine automatisiert arbeitende Maschine

Info

Publication number: DE102020203636A1
Application number: DE102020203636.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Peters; Mohamad Bdiwi
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2021-09-23
Also published as: WO2021186068A1; TW202200332A; TWI769747B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Ermittlung von Sicherheitsbereichen um eine automatisch arbeitende Maschine (einen Roboter). Dabei werden Robotersegmente durch jeweilige Konturkugel modelliert. Sicherheitsbereiche um den Roboter werden dann durch Expansion der einzelnen Konturkugel in Sicherheitskugel berechnet, wobei die Expansion von der Geschwindigkeit des Objekts (z.B. Menschen) abhängt, welches den Sicherheitsbereich verletzt hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Sicherheitsbereichen einer automatisiert arbeitenden Maschine.
1 zeigt einen beispielhaften Roboter 140, welcher einen Sockel 120, drei Gelenke 130 sowie drei durch die jeweiligen drei Gelenke 130 bewegbaren Armabschnitte 135, und einen Aufsatz 125 umfasst. Der Aufsatz 125 kann Gegenstände aufnehmen. In der 1 wird mit dem Bezugszeichen 110 die theoretisch maximale Roboterreichweite bezeichnet, die auch Gefahrenbereich oder Gefährdungsbereich des Roboters genannt wird. Der beispielhafte Gefahrenbereich 110 entspricht einer Kugel, welche den Roboter 140 in jeder Kombination von Gelenkwinkeln der drei Gelenke 130 einschließt. Ein Sicherheitsbereich ist ein einzuhaltender Abstand zum Gefahrenbereich einer Maschine (eines Roboters).
Normen DIN EN ISO 13855 und ISO/TS 15066 enthalten allgemeine Vorgaben die ein Sicherheitsbereich um eine automatisch arbeitende Maschine erfüllen soll, verschreiben jedoch keine genaue Berechnung. Die aus der Norm ISO/TS 15066 bekannte Abstandsgleichung deckt zwar in ihrer allgemeinen Integralform jedwede Anwendung ab, ist jedoch für eine direkte Praxisanwendung ungeeignet, da die zur Berechnung erforderlichen Daten teils typischerweise nicht vorliegen und die Berechnung sehr aufwendig ist.
In der Norm DIN EN ISO 13855 wird ein Sicherheitsabstand S nach der Formel $S = (K \times T) + C$
berechnet, wobei K die genormte Geschwindigkeit des Menschen ist, T die Zeitdauer von Sicherheitsbereichsverletzung bis zum Maschinenstillstand und C eine hierzu vernachlässigende Konstante der Sensoren ist. Diese Norm wurde nur für statische Gefahrenbereiche (z. B. in 1 das Bezugszeichen 115) entworfen, also für klassische Werkzeugmaschinen, welche ihren Ort nicht während des Betriebes ändern. Eine Bewegung des Gefahrenbereiches, was bei bewegten Industrierobotern zur regulären Funktion zählt, wird damit nicht unterstützt.
Ein beispielhafter statischer Sicherheitsbereich 115 in der 1 entspricht einer Kugel, welche die Roboterreichweite-Kugel 110, d.h. den Gefahrenbereich, konzentrisch enthält. Der statische Sicherheitsbereich 115 hat den Vorteil, dass er eine hohe Sicherheit bietet. Ein Nachteil eines solchen, durch eine Kugel modellierten, Sicherheitsbereichs 115 ist jedoch seine Größe, d.h. Ausdehnung, welche hohe Anforderungen an Platz in Industrieanlagen stellt. Das Bezugszeichen 150 entspricht einer Lichtschranke / einem Lichtvorhang und 100 ist die Überwachungsfläche der Lichtschranke. Wird die Überwachungsfläche von einem Objekt durchdrungen, löst die Lichtschranke ein Signal aus. In der Praxis kann statt einer Lichtschranke auch ein anderer Überwachungsmechanismus verwendet werden, wie zum Beispiel ein Bodenscanner.
Zudem ist ein so großer Sicherheitsbereich kaum notwendig, da sich Roboter typischerweise auf bestimmten Bahnen bewegen und Teile des beispielhaften Gefahrenbereichs 110 nie erreichen. Durch die Berücksichtigung einer Roboterbahn 180 (von Punkt A zum Punkt B), wie in der 2 dargestellt, kann der zu berücksichtigende Gefahrenbereich 110 zum Bereich 111, sowie der Sicherheitsbereich 115 zum Bereich 116 verkleinert werden. Dabei sollte eine Roboterachsenüberwachung als Sicherheitsfunktion bereitgestellt werden.
Mit der Zeit wurden einige weitere Möglichkeiten zum Modellieren eines genaueren Sicherheitsbereichs entworfen. Beispielsweise soll ein automatisches Berechnen eines zeitlokalen (auf einen Zeitpunkt des Roboterprogramms bezogenen) Gefahrenbereichs unter der Verwendung der Roboterkontur, der Roboterkinematik (manchmal als Pose genannt) und des Roboterprogramms (welcher die Roboterbahn bestimmt) durchgeführt werden. Auf diesen zeitlokalen Gefährdungsbereich soll nach Außen normal (d.h. in jedem Punkt des Gefährdungsbereichs in die Richtung der Normale) ein Sicherheitsabstand aufgetragen werden, welcher dem vom Menschen im zurückgelegten Weg entspricht, vom Zeitpunkt der Sicherheitsbereichsverletzung bis zum Maschinenstillstand. In der Praxis stellt sich aber die Umsetzung eines solchen Verfahrens sehr schwierig dar. Das 3D-Modellieren des Gefährdungsbereiches, sowie des Sicherheitsbereichs ist sehr rechenintensiv und damit nicht echtzeitfähig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatisierten und effizienter Berechnung von Sicherheitsbereichen um Industrieroboter herum bereitzustellen. Die Effizienz hier bezieht sich auf den rechenaufwand und/oder auf die resultierende Form und Größe des ermittelten Sicherheitsbereichs.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Einige vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Effizienz durch Modellieren der Roboterkontur sowie der Sicherheitsbereiche durch einfach parametrisch skalierbare Segmente gesteigert werden kann.
Der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung ist die Ermittlung eines Sicherheitsbereichs durch Berechnung einzelner Sicherheitssegmente, insbesondere Sicherheitskugeln. Diese werden in ihrer Größe skaliert, unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit von einem Objekt welches eine Sicherheitsbereichsverletzung verursachte. Mit solchen skalierbaren Sicherheitskugeln lassen sich zeitlokale sowie zeitglobale Sicherheitsbereiche relativ einfach (möglicherweise in Echtzeit) und genau bestimmen. Diese Bestimmung kann durch eine entsprechende Positionierung der Roboteranlagen zu einer effizienteren Nutzung der Produktionsfläche führen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur automatischen Ermittlung von einem Sicherheitsbereich bezogen auf einen Roboter zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters durch eine Menge von Konturkugeln, welche die Roboterkontur beinhaltet; Ermitteln von einem Sicherheitsbereich des Roboters zu einem Zeitpunkt to umfassend eine Menge von Sicherheitskugeln zu einem Zeitpunkt t, wobei: der Zeitpunkt t später ist als der Zeitpunkt to zu welchem eine Sicherheitsbereichsverletzung durch ein Objekt aufgetreten ist, für eine Konturkugel: die Position der Konturkugel zu dem Zeitpunkt t der Position einer Sicherheitskugel entspricht, der Radius der Sicherheitskugel um einen Betrag größer ist als der Radius der entsprechenden Konturkugel, und der Betrag von dem Zeitpunkt t und einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Objekts abhängt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern eines Roboters zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf: einen Eingang zum Empfangen von einem Signal aus einem Sensor zum Erfassen von einer Verletzung eines Sicherheitsbereichs durch ein Objekt, eine Steuerungseinrichtung zum Steuern einer Roboterbahn auf Basis von dem empfangenen Signal, eine Sicherheitsbereich-Berechnungseinrichtung zum Berechnen des Sicherheitsbereichs enthaltend: Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters durch eine Menge von Konturkugeln, welche die Roboterkontur beinhaltet; Ermitteln von einem Sicherheitsbereich des Roboters zu einem Zeitpunkt to umfassend eine Menge von Sicherheitskugeln zu einem Zeitpunkt t, wobei: der Zeitpunkt t später ist als der Zeitpunkt to zu welchem eine Sicherheitsbereichsverletzung durch das Objekt als aufgetreten erfasst wurde, für eine Konturkugel: die Position der Konturkugel zu dem Zeitpunkt t der Position einer Sicherheitskugel entspricht, der Radius der Sicherheitskugel um einen Betrag größer ist als der Radius der entsprechenden Konturkugel, und der Betrag von dem Zeitpunkt t und einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Objekts abhängt.
Das Verfahren kann des Weiteren Ermitteln einer Roboterbahn erfassen, wobei der ermittelte Sicherheitsbereich des Roboters zu dem Zeitpunkt to ein zeitlokaler Sicherheitsbereich ist, welcher als Vereinigung von einzelnen Sicherheitskugeln berechnet wird, umfassend alle den jeweiligen Konturkugeln der Menge M entsprechende Sicherheitskugeln zu jedem der aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t_i, mit ganzzahligem i>0, der bestimmten Roboterbahn.
Das Verfahren enthält beispielsweise weiter den Schritt des Berechnens eines zeitglobalen Sicherheitsbereichs durch Ermitteln der Roboterbahn als eine Vereinigung von einer Menge von zeitlokalen Sicherheitsbereichen des Roboters ermittelt wird, welche zu allen jeweiligen Zeitpunkten to einer Roboterbahn oder eines Roboterbahnabschnittsberechnet werden.
Zum Beispiel, wenn sich eine Konturkugel ab einem Zeitpunkt t_j bis zum Ende der Ermittlung des zeitlokalen Sicherheitsbereichs im Stillstand befindet, bleibt der Betrag für die Zeit ab t_j konstant.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform enthält der Schritt des Ermittelns von einem Sicherheitsbereich des Roboters zu einem Zeitpunkt t₀: das Bestimmen von einer Roboterbahn, die die Bahnen der einzelnen Konturkugeln beinhaltet, wobei die Roboterbahn einer Reaktionsbewegung und/oder einer Anhaltebewegung folgt, und das Bestimmen der Positionen der einzelnen Konturkugeln zu dem Zeitpunkt t auf Basis von der bestimmten Roboterbahn.
Zudem kann die Roboterbahn der Reaktionsbewegung und/oder der Anhaltebewegung folgen, wenn die Sicherheitsbereichsverletzung durch ein Betätigen eines Sicherheitsschalters erfasst wurde, und die Roboterbahn kann einer für den Normalbetrieb des Roboters bestimmten Bewegung folgen, wenn die Sicherheitsbereichsverletzung nicht durch ein Betätigen des Sicherheitsschalters erfasst wurde.
In einer Implementierung enthält das Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters den Schritt des Berechnens von einer optimalen Zahl der Konturkugeln zwischen zwei Gelenken des Roboters, bei der der Durchmesser eines, der Überschneidung zwischen zwei Konturkugeln entsprechenden Kreises, im Wesentlichen der Breite des Roboterarms entspricht.
Das Verfahren kann weiter das Erfassen der Sicherheitsbereichsverletzung durch Erfassen einer Position des Objekts durch einen Sicherheitssensor zum Zeitpunkt to beinhalten, sowie das Steuern der Roboterbahn unter Berücksichtigung der erfassten Position des Objekts.
Zum Beispiel bestimmt die Roboterbahn eine Folge von Zeitpunkten t_x, mit ganzzahligem x>0 und den zugehörigen Positionen der Konturkugeln, wird der Sicherheitsbereich des Roboters zu jedem der Zeitpunkte t_x erneut bestimmt, und die Sicherheitsbereichsverletzung in Bezug auf den erneut bestimmten Sicherheitsbereich erfasst wird.
Ein weiterer Schritt des Steuerns der Ausrichtung eines Sensors in Übereinstimmung mit dem ermittelten Sicherheitsbereich kann ebenfalls vorliegen.
Das Objekt kann Mensch sein. Dann enthält das Verfahren des Weiteren das Erfassen von einem Kopf und/oder einer oder beider Hände des Menschen als jeweilige separate Menschensegmente, und Ermitteln, für jedes Menschensegment, ob das Menschensegment den Sicherheitsbereich in einer der Sicherheitskugeln verletzt.
Ein weiterer Schritt des Speicherns des ermittelten Sicherheitsbereichs als Positionen und Größen der jeweiligen Sicherheitskugeln kann bereitgestellt werden, welche den ermittelten Sicherheitsbereich darstellen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern eines Roboters bereitgestellt, umfassend: einen Eingang zum Empfangen von einem Signal aus einem Sensor zum Erfassen von einer Verletzung eines Sicherheitsbereichs durch ein Objekt, eine Steuerungseinrichtung zum Steuern einer Roboterbahn auf Basis von dem empfangenen Signal, eine Sicherheitsbereich-Berechnungseinrichtung zum Berechnen des Sicherheitsbereichs enthaltend: Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters durch eine Menge von Konturkugeln, welche die Roboterkontur beinhaltet; Ermitteln von einem Sicherheitsbereich des Roboters zu einem Zeitpunkt to umfassend eine Menge von Sicherheitskugeln zu einem Zeitpunkt t, wobei: (a) der Zeitpunkt t später ist als der Zeitpunkt to zu welchem eine Sicherheitsbereichsverletzung durch das Objekt als aufgetreten erfasst wurde, (b) für eine Konturkugel: die Position der Konturkugel zu dem Zeitpunkt t der Position einer Sicherheitskugel entspricht, der Radius der Sicherheitskugel um einen Betrag größer ist als der Radius der entsprechenden Konturkugel, und der Betrag von dem Zeitpunkt t und einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Objekts abhängt.
Zudem kann eine Sensorsteuerung zum Steuern der Ausrichtung des Sensors Teil der Vorrichtung sein, wobei der Sensor in der Lage ist, Position und/oder Bewegung des Objekts zu erfassen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die bezüglich der Offenbarung aller nicht im Text beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Roboters und des entsprechenden Gefährdungsbereichs sowie eines statischen Sicherheitsbereichs.
2 eine schematische Darstellung eines Roboters und des entsprechenden Gefährdungsbereichs sowie eines statischen, auf Basis von Roboterbahn reduzierten, Sicherheitsbereichs.
3 eine schematische Darstellung eines Roboters und des entsprechenden Gefährdungsbereichs des Roboters.
4 eine schematische Darstellung einer Roboterbahn entsprechend einer normalen Bewegung, einer Reaktionsbewegung und einer Anhaltebewegung.
5 eine schematische Darstellung einer Roboterbahn für eine Konturkugel.
6 eine schematische Darstellung einer Expansion vom Radius einer Konturkugel zur Berechnung einer Sicherheitskugel.
7 eine schematische Darstellung einer Sicherheitsbereichsberechnung für ein Robotersegment.
8 ist ein Graph, der die durch eine Ausführungsform der Erfindung erreichte Flächeneinsparung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Roboters darstellt.
9 zeigt vier beispielhafte Vergleiche von Sicherheitsbereichen, die nach einer Ausführungsform der Erfindung und nach Stand der Technik berechnet wurden, für unterschiedliche Geschwindigkeiten eines Roboters.
10 zeigt die ermittelten Sicherheitsbereiche und die entsprechenden Konturkugelbahnen.
11 stellt eine 3D-Randpunktgruppe als eine Darstellung eines ermittelten Sicherheitsbereichs dar.
12 zeigt Segmentformen, welche alternativ oder zusätzlich zu den Kugeln verwendet werden können.
13 ist eine schematische Darstellung der Ermittlung von einer Anzahl der Konturkugeln, welche einen Roboter umhüllen sollen.
14 ist eine schematische Darstellung der Ermittlung von einer Anzahl der Konturkugeln auf Basis der Roboterarmweite.
15 ist ein Blockdiagram, welches die Sicherheitsberechnung funktional beschreibt.
16 ist ein Beispiel für die Berechnung von lokalen Sicherheitssegmenten (Sicherheitskugeln).
17 ist eine schematische Darstellung für individuelle Bahnen der jeweiligen Konturgugeln.
18 ist ein Beispiel für die Berechnung von globalen und universalen Sicherheitssegmenten.
19 ist eine Tabelle, welche verschiedene Betriebsmodi und die einschlägigen Sicherheitsfunktionen zusammenfasst.
20 ist eine schematische Darstellung, welche das Modellieren des Menschensegments durch einen Kreis oder Kugel darstellt.
21 ist eine schematische Darstellung, welche das Modellieren des Menschensegments durch separates repräsentieren von dem Kopf und den Händen.
22 ist eine beispielhafte Darstellung eines Globalkooperationssegment.
23 ist ein Blockdiagramm eines Systems in welchem die erfindungsgemäße Ermittlung des Sicherheitsbereichs eingesetzt werden kann.
24 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung des Sicherheitsbereichs.

Der Begriff „Roboter“ umfasst eine beliebige, bewegliche, automatisiert arbeitende Maschine. Ein Roboter kann einen oder mehrere Arme haben, wobei ein Arm ein oder mehrere Gelenke und jeweils ein oder mehrere durch die Gelenke beweglichen Armabschnitte enthalten kann. Zusätzlich kann ein Roboter eine Basis (z. B. einen Sockel) beinhalten, welche den einen Arm oder aber auch mehrere voneinander unabhängig oder abhängig arbeitenden Arme stützt. Jeder Arm folgt einer Bewegung, welche sich aus der Bewegung der Armabschnitte zusammensetzt. Die Armabschnitte wiederum bewegen sich durch die Änderung von Gelenkwinkeln. Die Basis (und dadurch der Roboter) kann im Betrieb statisch sein, oder selbst einer Bewegungsbahn folgen. Im Industriebereich kommen beispielsweise auf Schienen bewegliche Roboter oder frei bewegliche Roboter zum Einsatz. Ein Arm (oder mehrere) des Roboters kann des Weiteren einen Aufsatz haben, beispielsweise einen Griff oder ein Werkzeug oder Ähnliches, mit welchem Gegenstände aufgegriffen oder bearbeitet werden können. Die Basis und/oder der Aufsatz sind Teile des Roboters und können damit auch zur Berechnung der Sicherheitsbereiche mitberücksichtigt werden. Dasselbe gilt für Gegenstände, welche möglicherweise während der Roboterbahn von dem Roboter (z.B. durch den Aufsatz) bewegt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf keine bestimmte Ausgestaltung der automatisiert arbeitenden Maschine eingeschränkt und kann beliebige Formen und Funktionen haben. Zum Beispiel müssen auch keine Arme vorhanden sein, Roboterteile können sich auf Schienen oder anderen Stützen bewegen. Die Bewegung (Positionen und Orientierungen über Zeit) der Roboterteile des Roboters wird als Roboterkinematik genannt. Bei Roboterarmen entspricht diese im Wesentlichen den Gelenkwinkeln.
Erfindungsgemäß wird die Kontur eines Roboters abschnittsweise durch eine Menge von Grundsegmenten modelliert. Die Grundsegmente können verschiedene Größen haben. Der Sicherheitsbereich wird dann durch Expansion der Grundsegmente, in Übereinstimmung mit der Roboterbahn und unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit des den Sicherheitsbereich verletzenden Objekts, ermittelt. In anderen Worten: der Sicherheitsbereich selbst wird als eine Vereinigung von Sicherheitssegmenten ermittelt (als Gegensatz zum Ermitteln direkt auf Basis eines modellierten Gefährdungsbereichs).
Auf diese Weise lassen sich zeitlokale sowie zeitglobale Sicherheitsbereiche effizient ermitteln. Ein zeitlokaler Sicherheitsbereich ist ein Sicherheitsbereich welcher zu einem bestimmten Zeitpunkt to, in dem die Sicherheitsbereichsverletzung auftritt, berechnet wird. Ein Zeitglobaler Sicherheitsbereich wird als Vereinigung aller möglichen zeitlokalen Sicherheitsbereiche berechnet. Diese sind zeitlokale Sicherheitsbereiche, welche für eine Roboterbahn zu jedem Zeitpunkt t₀ berechnet werden. Ein globaler Sicherheitsbereich berücksichtigt (modelliert) also Sicherheitsverletzung zu jedem Zeitpunkt der Roboterbahn.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend als eine Kombination von Merkmalen (a), (b), (c), (d), (e) und (f) beschrieben. Diese Merkmale können als Schritte eines Verfahrens oder durch entsprechende Teile einer Vorrichtung umgesetzt werden.
Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters durch Konturkugeln
Ein Roboter wird zunächst durch eine Mehrzahl von Kugeln dargestellt. Eine solche Darstellung ist in 3 gezeigt. Demnach wird die Roboterkontur 8 als eine Menge von Konturkugeln 8a, 8b, 8c, 8d, ... dargestellt, welche die gesamte modellierte Roboterkontur 8 beinhalten (umhüllen). Jede Konturkugel kann einen anderen Radius r_KonturKugel haben. Die Menge an Kugeln wird hier als die Menge M von Konturkugeln bezeichnet. Jede Konturkugel repräsentiert damit einen Teil des Gefahrenbereiches. Die vollständige Menge M an Konturkugeln zu einem Zeitpunkt ist der gesamte Gefahrenbereich der Pose des Roboters zu diesem Zeitpunkt. Pose eines Roboters ist hier durch die Gelenkwinkel der jeweiligen Gelenke 130 des Roboters definiert. Im Betrieb ändert sich die Pose des Roboters typischerweise mit der Zeit. Der Gefahrenbereich (d.h. die Vereinigung der Konturkugeln) muss für den Zweck der Ermittlung des Sicherheitsbereichs nicht berechnet werden.
Die Darstellung einer Roboterkontur durch kugelförmige Segmente ist praktisch, da sie lediglich einfache Berechnungen erfordert. Dies ist unter anderem dadurch gegeben, dass eine Kugel nur durch ihre Position (z.B. Position des Mittelpunkts der Kugel) und ihr Radius darstellbar ist. Durch die unterschiedlichen Radiusgrößen der jeweiligen Kugeln ist eine flexible und effiziente Parametrisierung und Roboterkontur-Repräsentation möglich. Der durch die Vereinigung der Menge M von Kugeln definierte Gefahrenbereich (siehe 3) ist deutlich kleiner als der Gefahrenbereich 110, was sich weiter auf die Form und Größe des ermittelten Sicherheitsbereichs auswirkt.
Zeitpunkt to der Sicherheitsbereichsverletzung
Wie oben erwähnt, führt ein Roboter typischerweise vorprogrammierte Bewegungen aus. Im Normalbetrieb entspricht die Bewegung des Roboters einer ersten, „normalen“ (üblichen) Roboterbahn. Falls eine Sicherheitsbereichsverletzung auftritt, kann diese Roboterbahn geändert werden. Diese Roboterbewegung besteht aus einer Reaktionsbewegung und einer Anhaltebewegung. 4 ist eine schematische Darstellung einer Roboterbahn entsprechend einer normalen Bewegung 1, einer Reaktionsbewegung 2 und einer Anhaltebewegung 3 eines Robotersegments, beziehungsweise einer das Robotersegment modellierenden Konturkugel.
Eine Sicherheitsbereichsverletzung tritt zu einem beliebigen Zeitpunkt t₀ während der Roboterbahn auf. Ab diesem Zeitpunkt t₀ wird die restliche Roboterbewegung z.B. auf Basis der Roboter- und Systemdatenblätter bestimmt (berechnet). Eine Sicherheitsbereichsverletzung tritt auf, wenn ein Objekt (z.B. eine Person) den aktuellen Sicherheitsbereich betritt (verletzt). Der aktuelle Sicherheitsbereich in Bezug auf die für den Betrieb bestimmte Roboterbahn kann in einer beliebigen Art und Weise ermittelt werden - erfindungsgemäß oder durch ein anderes Verfahren. Die Sicherheitsbereichsverletzung kann durch einen oder mehrere Sensoren erfasst werden, beispielsweise durch Betätigen eines Sicherheitsknopfes oder durch einen Bewegungs- oder Bildsensor.
Allgemein kann die Berechnung der Reaktionsbewegung 2 und/oder der Anhaltebewegung 3 vorprogrammiert werden und kann von verschiedenen Parametern abhängen, z.B. von der relativen Position des Roboters in Bezug auf das Objekt und/oder der Geschwindigkeit des Roboters und/oder des Objekts. Je Konturkugel wird die Reaktionsbewegung 2 und Anhaltebewegung 3 auf Basis der jeweiligen spezifischen Bahn 1 der Kugel berechnet.
Bahn einer Konturkugel
Die Bahn (2, 3) einer Konturkugel 4 nach der Sicherheitsbereichsverletzung wird beispielsweise durch die Position der Konturkugel (4a bis 4h) zu den jeweiligen Zeitpunkten t_a bis t_h dargestellt.
Auf die Bahnpunkte, welche sich aus der (schrittweise) berechneten Reaktions- und Anhaltebahn 2 und 3 ergeben, wird die ursprüngliche Konturkugel 4 (welche zum Zeitpunkt t₀ gehört und einen bekannten Radius 5 hat) an die Stellen 4a bis 4h kopiert, wie in der 5 gezeigt. In anderen Worten, der Gefahrenbereich für eine einzelne Konturkugel 4 mit Radius 5, welche ein entsprechendes Robotersegment darstellt, wird zu den jeweiligen Reaktions- oder Anhaltebahnzeitpunkten t_a bis t_h (entsprechend der Position der Konturkugeln 4a-4h) in der 5 gezeigt. Die Zeitauflösung der Roboterbahn (Entfernung zwischen benachbarten Zeitpunkten) für die Konturkugeln 4a bis 4h und die entsprechende anschließende Berechnung der Sicherheitsbereiche kann konfiguriert werden. Dabei approximiert der für die diskreten Zeitpunkte der Roboterbahn berechnete Sicherheitsbereich einen Sicherheitsbereich der sich aus einer kontinuierlicher Bewegungsbahn ergibt.
Die Darstellung in der 5 dient der Erklärung des zu berechnenden Sicherheitsbereichsmodells. Das Kopieren der Konturkugeln muss nicht notwendigerweise rechnerisch erfolgen. Vielmehr bestimmt die Position der Konturkugeln 4a bis 4h der Position der zu berechnenden Sicherheitskugeln, welche dann zu einem Sicherheitsbereich zusammengefügt werden.
Expansion einer Konturkugel
Zu jedem Zeitpunkt t_a bis t_h der Bewegungsbahn der Konturkugel 4 ist nun eine Konturkugel mit einem Radius 5, wie in der 5 gezeigt. Erfindungsgemäß wird dieser Radius 5 um den Betrag (Term) r_exp = Δt * v_M expandiert, wie in 6 dargestellt, um die entsprechende Sicherheitskugel zu erhalten. 6 zeigt die Konturkugel 4 zu einem Zeitpunkt t_d auf der Bewegungsbahn 3 als die Konturkugel 4d. Die Konturkugel 4d wird um den Betrag 7d zu einer Sicherheitskugel 6d expandiert. Die sich aus der Expansion ergebende Sicherheitskugel 6d hat den identischen Mittelpunkt wie die zugehörige Konturkugel 4d, aber den folgenden Radius: r_{Sicherheitskugel} = r_KonturKugel + r_exp = r_KonturKugel + Δt * v_M. Das Symbol r_KonturKugel bezeichnet den Radius 5 der Konturkugel. Die Geschwindigkeit v_M ist dabei die Geschwindigkeit des sicherheitsbereichsverletzenden Objekts. Die Geschwindigkeit kann praktisch beispielsweise die Menschgeschwindigkeit sein. Die Menschengeschwindigkeit oder im Allgemeinen die Objektgeschwindigkeit kann eine durch eine Norm vorgegebene Konstante sein, z.B. mit dem Betrag von $v_{M} = 1600 \frac{m m}{s} .$
Die vorliegende Erfindung ist auf keine bestimmte Ermittlung der Geschwindigkeit v_m eingeschränkt. Diese Geschwindigkeit kann festgelegt (z.B. durch eine Norm), geschätzt (z.B. auf Basis des Objekts welches ein Mensch, ein Roboter, ein Fahrzeug oder Ähnliches sein kann) und/oder gemessen (z.B. in dem Zeitpunkt to) werden. Das Symbol Δt bezeichnet die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t der betrachteten Konturkugel 4d auf ihrer Reaktions- oder Anhaltebahn und t₀ (dem Zeitpunkt der Sicherheitsbereichsverletzung), also Δt = t - t₀.
In anderen Worten, eine Sicherheitskugel 6d wird zum Zeitpunkt t (in diesem Beispiel t_d) durch Expansion der Konturkugel 4d berechnet, indem für die Konturkugel 4 die Position 4d der Konturkugel zu dem Zeitpunkt t der Position einer Sicherheitskugel 6d entspricht, der Radius 7d der Sicherheitskugel jedoch um einen Betrag r_exp größer ist als der Radius 5 der entsprechenden Konturkugel 4d, und der Betrag r_exp von dem Zeitpunkt t (relativ zu dem Zeitpunkt t₀) und einer vorbestimmten Geschwindigkeit v_m des Objekts abhängt.
Sicherheitsbereich einer Konturkugel für eine vorbestimmte Bewegungsbahn
Ein Sicherheitsbereich 9 eines Robotersegments (modelliert durch die Konturkugel 4) wird dann durch eine Vereinigung der Menge von Sicherheitskugeln 6a-6h zu den jeweiligen Zeitpunkten (t_i ∈ {t_a, t_b, ..., t_h}) der Bewegungsbahn der entsprechenden Konturkugel 4 modelliert. Dies ist in der 7 gezeigt. Es ergibt sich somit für die Positionen (Zeitpunkte der Bewegungsbahn) der Konturkugel 4 eine Menge an dazugehörigen jeweiligen Sicherheitskugeln 6a-6h. Für jeden approximierten Zeitpunkt t_i der Reaktions- und Anhaltebahn wird eine Sicherheitskugel berechnet.
Der gesamte Sicherheitsbereich des Roboters 8 zu einem beliebigen Zeitpunkt to der Roboterbahn 1 ergibt sich dann aus der Vereinigung der Sicherheitsbereiche welche für jedes Robotersegment (modelliert durch jeweilige Konturkugeln 8a, 8b, 8c, 8d, ... der Menge M) berechnet wurden. Anders gesagt: der Sicherheitsbereich 9 der Konturkugel 4 ist nur ein Teil des Sicherheitsbereichs des Roboters. Dieser Sicherheitsbereich des Roboters wird in der Fachwelt als „dynamischer“ oder „zeitlokaler“ Sicherheitsbereich bezeichnet, weil er sich auf den Zeitpunkt to der Sicherheitsbereichsverletzung bezieht. Bei der praktischen Umsetzung kommt es nicht darauf an, ob man zuerst die Sicherheitskugeln über die Zeitpunkte der Konturkugel-Bewegungsbahn in entsprechende Sicherheitsbereiche der Konturkugeln zusammenfasst, welche dann für alle Konturkugeln in dem zeitlokalen Sicherheitsbereich zusammengefasst werden oder umgekehrt. Für die vorliegende Erfindung kann die Berechnung in einer beliebigen Reihenfolge erfolgen, solange der zeitlokale Sicherheitsbereich als eine Vereinigung von einzelnen Sicherheitskugeln berechnet wird, umfassend alle den jeweiligen Konturkugeln 8a, 8b, 8c, 8d der Menge M entsprechende Sicherheitskugeln zu jedem der aufeinanderfolgenden Zeitpunkte t_i, mit ganzzahligem i>0, einer Roboterbahn oder eines Roboterbahnabschnitts. Die Roboterbahn hier ist beispielsweise die Reaktions- und/oder Anhaltebahn bis zum Stillstand des Roboters oder eine andere Roboterbahn nach dem Zeitpunkt to. Die Sicherheitsbereichsberechnung kann auch lediglich für einen Teil (Abschnitt) der Roboterbahn durchgeführt werden. Im Allgemeinen entspricht die Roboterbahn einer Folge von Gelenkwinkeln des Roboters zu den aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t_i, mit ganzzahligem i>0. In anderen Worten, der Schritt des Ermittelns von einem Sicherheitsbereich des Roboters zu einem Zeitpunkt t enthält beispielsweise das Bestimmen von einer Roboterbahn, die die Bahnen der einzelnen Konturkugeln beinhaltet, wobei die Roboterbahn einer Reaktionsbewegung und/oder einer Anhaltebewegung folgt, und das Bestimmen der Positionen der einzelnen Konturkugeln zu dem Zeitpunkt t auf Basis von der bestimmten Roboterbahn.
Die Vereinigung aller dynamischen Sicherheitsbereiche ergibt den „statischen“ oder „zeitglobalen“ Sicherheitsbereich, also einen Sicherheitsbereich, welcher die gesamte Roboterbahn abdeckt. Ein Schritt des Berechnens des zeitglobalen Sicherheitsbereichs enthält das Ermitteln der Roboterbahn als eine Vereinigung von einer Menge von zeitlokalen Sicherheitsbereichen des Roboters 8, welche zu allen jeweiligen Zeitpunkten to einer vollständigen Roboterbahn oder eines Roboterbahnabschnitts berechnet wird. Hier entspricht die vollständige Roboterbahn einer Roboterbahn vor und nach dem Zeitpunkt to. Die vorliegende Erfindung erlaubt es aber den globalen Sicherheitsbereich auch lediglich für einen Abschnitt der vollständigen Roboterbahn zu berechnen.
In anderen Worten, der lokale Sicherheitsbereich ist auf den Zeitpunkt der Sicherheitsbereichsverletzung bezogen (und auf die darauffolgende Roboterbahn). Der globale Sicherheitsbereich ist auf die Roboterbahn des Roboters im Betrieb bezogen.
Der globale Sicherheitsbereich kann beispielsweise durch Lichtschranken überwacht werden. Die Fähigkeit, an jedem Zeitpunkt der Bahn einen anderen Bereich zu überwachen, hat eine Lichtschranke üblicherweise nicht. Andere Überwachungsmittel (Bewegungssensoren, Kameras, Lichtscanner oder Ähnliches) können auch gesteuert werden, zeitveränderliche Bereiche zu überwachen.
Stillstand der Konturkugel
In einer vorteilhaften Umsetzung, wenn sich eine Konturkugel ab einem Zeitpunkt t_j bis zum Ende der Ermittlung des zeitlokalen Sicherheitsbereichs (d.h. bis zum Ende der Roboterbahn oder des Abschnitts) im Stillstand befindet, bleibt der Betrag für die Zeit ab t_j konstant.
Ab dem Zeitpunkt, ab dem sich eine Konturkugel nicht mehr bewegt, d.h. ihre Absolut-Geschwindigkeit (translatorisch und rotatorisch) bis zum vollständigen Maschinenstillstand Null beträgt, erhält die entsprechende Sicherheitskugel keine weitere Radiusexpansion. Die Gleichung aus dem Merkmal (d) gilt für diese Konturkugel nicht mehr. Das hat zur Folge, das Bauteile in Ruhe keinen Sicherheitsbereich weiter aufspannen und damit eine Kollision ermöglichen. Dieser Effekt ist sicherheitstechnisch mit den Normen konform. Auf einen Roboter bezogen kann dadurch der folgende Effekt erzeugt werden: der Robotersockel (die Basis) 8a, welcher das gesamte Roboterprogramm über im Ruhemodus ist, spannt keinen Sicherheitsbereich auf, hat also den Betrag r_exp gleich Null. Sollte der Robotertorso (8b, 8c) vor dem Roboterarm in den Ruhemodus kommen, so erweitert er ab diesem Zeitpunkt seinen Sicherheitsbereich nicht weiter, während der Roboterarm seinen Sicherheitsbereich weiterhin erweitert.
Anders gesagt: wenn sich eine Konturkugel im Stillstand befindet und bis zum Zeitpunkt des vollständigen Stillstandes des Roboters auch im Stillstand bleibt, bleibt ihr Betrag konstant.
Die Kombination aus den oben erwähnten Merkmalen (a) und (d) ermöglicht eine extreme Berechnung der Sicherheitsbereiche, da der gesamte Sicherheitsbereich einer Konturkugel eines Reaktions- oder Anhaltebahnpunktes über eine einfache Summation der Radien berechnet werden kann (vgl. 7). Die Berechnung kann damit problemlos echtzeitfähig erfolgen.
Das Merkmal (d) allein bietet einen Vorteil, weil so Sicherheitsabstände zu schnell bewegenden Konturkugeln deutlich richtungs- und geschwindigkeitsabhängig berechnet werden. Im Stand der Technik wird der Sicherheitsbereich dagegen meistens einfach in alle Richtung gleich groß angetragen.
Das Merkmal (b) ist vorteilhaft, weil eine Bewegung der Roboter sehr schnell sein kann. Weitere Vereinfachungen könnten zu teilweise unsicheren Sicherheitsbereichen führen, wenn die Bewegung der Gefahrenbereiche nach der Sicherheitsbereichsverletzung nicht oder nur vereinfacht betrachtet wird.
In der Kombination aller Merkmale von (a)-(f) ergeben sich deutlich kleinere Sicherheitsbereiche, als sie bisher im Stand der Technik berechnet werden können. In einer ersten Analyse wurden Bereichseinsparungen im niedrigen Geschwindigkeitsbereich von 0-35%, im mittleren Geschwindigkeitsbereich von 45-65% und im Hochgeschwindigkeitsbereich von 65-75% berechnet. Diese sind in den 8, 9 und 10 gezeigt. 8 zeigt Flächeneinsparungen bei zeitlokalen Sicherheitsbereichen, berechnet nach der Ausführungsform der Erfindung (bezeichnet als NeuA) gegenüber dem nach dem Stand der Technik berechneten Sicherheitsbereichen und in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Roboters. 9 zeigt Vergleiche der zeitlokalen Sicherheitsbereiche nach NeuA und nach dem Stand der Technik für vier beispielhafte Robotergeschwindigkeiten A1. 10 stellt ein Zwischenergebnis einer Simulation des Sicherheitsbereiches nach der Ausführungsform der Erfindung (NeuA) und des nach dem Stand der Technik simulierten Sicherheitsbereichs dar. Innerhalb des NeuA-Sicherheitsbereiches sind die Trajektorien der einzelnen Kollisionskugeln (Konturkugeln) sichtbar.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass der Sicherheitsbereich als Menge von Kugeln vorliegt. Ein solches Datenformat ist in Bezug auf das Verhältnis von Datenmenge zu Ergebnisgenauigkeit sehr günstig. Weiterhin kann man darauf aufbauend das Ergebnis (den Sicherheitsbereich) auch in andere Formate umrechnen, wie z.B. in eine 2D-Randpunktmenge (siehe 9) oder in eine 3D-Randpunktmenge wie in der 11 dargestellt. In der 11 bewegt sich ein Roboter 1110 auf der Roboterbahn 1120. Der zeitglobale 3D-Sicherheitsbereich der in Bezug auf diese Roboterbahn 1120 berechnet ist hat eine Grenze, die durch die 3D-Randpunktmenge 1130 definiert ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Datenformat (eine Datenstruktur) bereitgestellt. In dem Datenformat werden Sicherheitsbereiche (zeitlokale und/oder zeitglobale) um einen Roboter elektronisch gespeichert. Dabei wird ein Sicherheitsbereich durch eine Menge von Kugeln definiert, jede Kugel wird durch Position (z.B. Mittepunkt) und Größe (z.B. Radius oder Durchmesser) gekennzeichnet. Die Position kann innerhalb eines beliebigen Koordinatensystems definiert sein, z.B. relativ zu den Robotersegmenten und/oder Konturkugeln. Das Speichern eines Sicherheitsbereiches durch einzelne Kugeln hat den Vorteil der Effizienz - ein Speichern als Punkte der 3D-Hülle ist in der Regel aufwendiger als das Speichern der Einzelnen Kugeln. Zudem kann man bei Kollisionen die einzelnen kollidierenden Kugeln identifizieren und mit diesen weiterrechnen, anstatt die Berechnungen mit einer komplizierteren Hülle durchzuführen.
Das Verfahren zum Ermitteln der Sicherheitsbereiche kann entsprechend einen Schritt des Speicherns von der Position und der Größe der Sicherheitskugeln enthalten, welche einen ermittelten Sicherheitsbereich darstellen. Das Verfahren kann des Weiteren eine Reduktion der Anzahl der gespeicherten (zu speichernden) Sicherheitskugeln eines Sicherheitsbereichs enthalten, bei welcher eine Kugel, die komplett in einer anderen Kugel enthalten ist, nicht gespeichert wird. Dieser Schritt hilft weiter, die Menge der zu speichernden Daten zu reduzieren. Das Verfahren kann auch eine weitere Reduktion der Anzahl der gespeicherten (zu speichernden) Sicherheitskugeln enthalten, bei welcher eine Kugel, die komplett in Hülle einer Mehrzahl von Kugeln enthalten ist, nicht gespeichert wird. Diese Mehrzahl kann auf zwei eingeschränkt werden, oder auch maximal drei oder vier, oder mehr.
Die vorliegende Erfindung ist vorteilhafterweise in der schutzzaunlosen Industrierobotik oder Leichtbaurobotik anwendbar, z.B. für die industrielle Fertigung. Weitere Einsatzgebiete sind in Mensch-Roboter-Kollaborationsumgebungen, in fahrerlosen Transportsysteme (FTS), oder sogar auf dem Gebiet des autonomen Fahrens (autonome Automobile).
In Allgemeinem: die erfindungsgemäße Sicherheitsbereichsbestimmung ist für jegliche Kinematiken einsetzbar (auch ein Auto ist eine Kinematik, nur mit anderen Gelenkbindungsgleichungen als der oben-beschriebene beispielhafte Roboter 8).
Die oben beschriebene Ausführungsform stellt ein konkretes Beispiel dar. Die Erfindung kann auf unterschiedliche Weisen ausgeführt werden. Im Allgemeinen betrifft die Erfindung das Ermitteln von einem Sicherheitsbereich um einen Roboter, wobei dieser durch eine Menge von Sicherheitskugeln modelliert wird. Eine Sicherheitskugel entspricht in Position einer Konturkugel, welche ein Robotersegment in einem Punkt der Roboterbahn umhüllt. Diese Repräsentation ist modular und erlaubt damit das Bestimmen der dynamischen Sicherheitsbereiche nach einer Sicherheitsbereichsverletzung.
Die erfindungsgemäße Sicherheitsbereichsbestimmung kann für beliebige Sicherheitsbereiche angewendet werden, z.B. zeitlokal oder zeitglobal, aber auch für Teilbereiche bezogen auf eine Untermenge der Roboterkonturkugeln und/oder eine Untermenge der Roboterbahn ab Sicherheitsbereichsverletzung. Auch kann man die vorliegende Erfindung zum Bestimmen von einem Sicherheitsbereich um eine Mehrzahl von Robotern verwenden.
Das Modellieren der Roboterkontur durch Konturkugeln ist sehr effizient. Prinzipiell könnte man jedoch die Roboterkontur zusätzlich oder alternativ zu den Kugeln mit anderen Grundformen modellieren. 12 zeigt in Abschnitt (c) oben die Kugel als Grundsegment. Ein Robotersegment, z.B. ein Teil eines Roboterarms, ist hier als ein Zylinder mit Radius r und Höhe 2h dargestellt, welche durch die Konturkugel mit einem Radius R modelliert (umgefüllt) wird. In dieser Figur wird für die Konturkugel der Begriff Kollisionssegment (KS) verwendet. Das gleiche zylindrische Robotersegment ist in Abschnitt (b) durch ein KS in der Form eines Quaders und in Abschnitt (a) durch ein KS in der Form eines Zylinders modelliert. Wie aus der Figur ersichtlich, hat ein Quader jedoch 3 Parameter (a, b, c) und ein Zylinder 2 Parameter (r, h), was diese Grundformen komplexer zum Berechnen und Speichern macht. Zudem bestimmt man deutlich aufwendiger die Randpunkte von einem Sicherheitsbereich, welcher durch solche komplizierteren Grundformen modelliert wurde. Auf der anderen Seite könnten Kollisionssegmente mit anderen Formen als einer Kugel, d.h. mit von der Kugel verschiedenen Formen, besser der Form des Roboters folgen und dadurch die Roboterkontur genauer darstellen, wie man beispielsweise dem Abschnitt (a) entnimmt, in welchem ein im Wesentlichen zylindrisches Robotersegment durch ein zylindrisches KS modelliert wird. Deshalb sind Ausführungsformen möglich, in welchen eine Untermenge von Robotersegmenten durch Kugeln und eine andere Untermenge von Robotersegmenten durch Zylinder oder andersförmige KS modelliert werden. Alternative Ausführungsformen basieren vollständig auf einer KS-Form, welche jedoch eine andere ist als die Kugel, beispielsweise Zylinder oder Quader. Diese Ausführungsformen könnten insbesondere mit der steigenden Rechenleistung der Verarbeitungssysteme und Computer in Zukunft interessant werden.
Zum sicheren Berechnen der Sicherheitsbereiche ist es von Interesse, dass ein KS ein Robotersegment vollständig umhüllt. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei welchen ein KS ein Robotersegment lediglich größerenteils, d.h. im Wesentlichen, umhüllt.
In dem Abschnitt (c) der 12 hat die KS-Kugel Volumen $V_{k u g e l} = \frac{4}{3} π R^{3} .$
Das Robotersegment ist ein Zylinder mit Volumen V_Zylinder = πr². 2h. Es gilt r² = R² - h². Das Volumen des Zylinders kann man damit in Bezug auf das KS wie folgt darstellen: $V_{Z y l i n d e r} = π . (R^{2} - h^{2}) .2 h = 2 π R^{2} h - 2 π h^{3}$
$V_{Z y l i n d e r}^{'} = 2 π R^{2} - 6 π h^{2}$
Hier, $V_{Z y l i n d e r}^{'}$
ist eine Ableitung (d/dh) von V_Zylinder. Wenn $V_{Z y l i n d e r}^{'} = 0 \to R = \sqrt{3} h . Then V_{K S} = \frac{4}{3} π r^{3} = \frac{4}{3} π {(\sqrt{3} h)}^{3} .$
Daraus ergibt sich Robotersegment in Form eines Zylinders (mit der Höhe 2h und Kreiszylinderradius r), der in eine Kugel mit dem Radius R eingeschrieben ist.
13 zeigt einen Roboterarm modelliert durch eine Menge von Konturkugeln (Kollisionssegmenten). Der Roboterarm enthält zwei Gelenke Ga und Gb welche durch jeweilige KS, nämlich KS0 und KSn, modelliert werden. Zwischen diesen Gelenken befinden sich weitere (in diesem Beispiel 3) KS. Die vorliegende Erfindung ist auf keine bestimmte Aufteilung des Roboters in Roboter- und Kollisionssegmente eingeschränkt. Allgemein ist es wünschenswert, wenn die KS den Roboter möglichst eng umhüllen. Für manche Anwendungen könnte man jedoch auch interessiert sein, die Menge der KS kleiner zu halten. Die kugelförmigen KS sind sehr flexibel und unterstützen diesbezüglich beliebige Optimierungsbedingungen, welche sowohl die Menge der benötigten KS als auch die räumliche Ausdehnung der KS berücksichtigen.
14 zeigt eine beispielhafte Umsetzung der KS-Zuordnung zu einem Roboterarm. In dieser Umsetzung enthält das Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters den Schritt des Berechnens von einer Zahl (n+1) der Konturkugeln zwischen zwei Gelenken Ga und Gb des Roboters, wobei der Durchmesser eines der Überschneidung zwischen zwei Konturkugeln entsprechenden Kreises im Wesentlichen der Breite des Roboterarms entspricht (oder den Schnitt des Roboterarmes vollständig beinhaltet), d.h. Inter_KS1KS2 = Roboterarmbereite.
Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft für das Berechnen des Sicherheitsbereichs nach Eintritt einer Sicherheitsbereichsverletzung. Das Berechnen kann von dem Roboterbahnverlauf nach der Sicherheitsbereichsverletzung abhängen. Die Roboterbahn nach der Sicherheitsbereichsverletzung kann wiederum davon abhängen, welche Art von Sicherheitsbereichsverletzung stattfand. Das erfindungsgemäße Konzept basiert auf dem Modellieren einer Roboterkontur durch Grundsegmente, welche Basis für die jeweiligen einzelnen Kollisionssegmente bilden. Die Kollisionssegmente haben eine Größe, die sich in Abhängigkeit von geschätzter oder gemessener Geschwindigkeit des Objekts ändert, welches die Sicherheitsbereichsverletzung verursacht hat. Dieses Konzept ist sehr flexibel und kann weiter an konkrete Einsatzbereiche angepasst werden.
15 zeigt, wie Sicherheitsbereiche in drei funktionalen Modulen berechnet werden können.
In einem ersten Modul 810 werden roboterbezogene Kollisionssegmente berechnet. In diesem Modul wird die gesamte Roboterkinematik in Kollisionssegmente aufgeteilt und modelliert. Wie oben bereits erwähnt, wird als erstes eine Grundform des KS gewählt (z.B. Kugel). Die Auswahl der Grundform muss nicht stattfinden und alle KS können einfach kugelförmig sein, da die Kugel besonders vorteilhaft für die Echtzeitberechnung ist. Andererseits könnte man, bei kleineren Anforderungen an Geschwindigkeit der Berechnung oder bei verbesserter Hardware, auch aus mehreren Grundformen auswählen (vgl. 12). Diese Auswahl kann für das Modellieren aller KS des Roboters erfolgen (d.h. eine Auswahl für alle KS), oder per Robotersegment, in Abhängigkeit von der Form des Robotersegments. Dabei kann z.B. der Unterschied zwischen den Volumen von dem Robotersegment und dem KS minimiert werden oder eine Kostenfunktion mit mehreren Parametern optimiert werden.
Für praktische Anwendungen jedoch, wie bereits erwähnt, sind kugelförmige Grundsegmente am günstigsten. Ab dem Zeitpunkt der Bereichsverletzung läuft eine Zeit, in der das Objekt / der Mensch einen möglichen Konturpunkt des Roboters erreichen und mit ihm kollidieren kann. Die Bewegung (Bahn, Geschwindigkeit) des Menschen ist dabei meistens unbekannt. Deshalb wird seine Geschwindigkeit z.B. laut einer Norm mit 1,6 m/s festgeschrieben. Für eine Situation, in der sich ein Mensch in der unmittelbaren Nähe des Roboters befindet, ist die in der Norm festgelegte Geschwindigkeit für eine Handbewegung des Menschen 2 m/s. Diese sind jedoch lediglich Beispiele, die die vorliegende Erfindung in keiner Weise einschränken.
Es muss also angenommen werden, dass sich der Mensch aus allen erdenklichen Richtungen auf einen Konturpunkt zubewegen kann. Die Bewegung erfolgt geradlinig, weil dies sicherheitstechnisch der schlimmste Fall ist, d.h. der Mensch gelangt in dieser Weise am frühsten zu dem Roboter. Um einen Konturpunkt bildet sich also eine Kugel aus, deren Radius direkt von der seit Bereichsverletzung verstrichenen Zeit abhängig ist.
Da ein Hüllkörper aber nicht nur aus einem Konturpunkt, sondern theoretisch aus unendlich vielen Konturpunkten besteht, muss zumindest eine auf der Kontur angemessen verteilte Menge an Konturpunkten (angemessene Auflösung) betrachtet werden, damit die Sicherheitsbereiche zuverlässig ermittelt werden können. Das führt dazu, dass die Expansion eines Hüllkörpers (Konturkugel, allgemein Kollisionssegment) keine reine Skalierung dessen, sondern eine Skalierung mit gleichzeitiger Kantenabrundung ist, solange der Hüllkörper Kanten besitzt. Kugeln sind auch deshalb günstig, weil sie keine Kanten besitzen. Zylinder und Quader dagegen besitzen Kanten, welche dann beim Modellieren der Expansion abgerundet werden.
Selbst wenn man noch einen Quader oder einen Zylinder mit abgerundeten Kanten in einer Datenstruktur darstellen kann, wird ein Algorithmus, der mit diesen expandierten Hüllkörpern rechnet, komplex. Insbesondere kann die Ermittlung der aus individuellen expandierten KS zusammengesetzten Sicherheitsbereiche schwierig werden, bei denen man die Vereinigung (Hülle) des gesamten zeitlokalen oder zeitglobalen Sicherheitsbereichs ermittelt. Dabei ist es günstig, schnell feststellen zu können, ob ein KS Teil eines oder mehrerer anderer KS ist, um weitere Berechnungen/Speicherung durch das Auslassen eines solchen redundanten KS vereinfachen kann. Dagegen: Eine Kugel zu skalieren und dann ihre Kanten abzurunden ergibt wieder eine Kugel. Außerdem ist die Berechnung der Sicherheitssegmente eine einfache Radiussummation.
In anderen Worten, kugelförmige KS sind besonders vorteilhaft für die Weiterverarbeitung der Kugelansammlung, welche sich aus den einzelnen expandierten Sicherheitskugeln zusammensetzt. Für die Bestimmung der Randpunktmenge (z.B. wie in 9 oder 11 dargestellt) braucht man nicht alle Sicherheitskugeln. Es liegen kleinere Kugeln innerhalb von größeren Kugeln. Für Randpunktmenge (Sicherheitsbereich) wird aber nur der maximal eingenommene Raum benötigt. Die Kugeln, die einen Unterraum einer (oder mehrerer) größeren Kugel darstellen, brauchen also in der nachfolgenden Berechnung der Randpunktmenge nicht mehr betrachtet werden. Man kann diese also verwerfen, d.h. man braucht sie nicht mehr weiter speichern und/oder diese nicht mehr bei der weiteren Berechnung berücksichtigen. Ein solcher Schritt der Sicherheitskugel-Reduktion erlaubt weitere Beschleunigung der Berechnung und Reduktion der für die Speicherung benötigten Speicherkapazität.
Dasselbe Vorgehen ist sowohl bei dem zeitlokalen als auch bei dem zeitglobalen Sicherheitsbereich durchzuführen. Die Überprüfung, ob eine Kugel eine Untermenge einer anderen Kugel ist, ist einfach. Es muss nur der Abstand der Mittelpunkte beider Kugeln bestimmt werden (Betrag eines Vektors) und wenn die Bedingung Radius von Kugel1 + Mittelpunktsabstand < Radius von Kugel2 erfüllt ist, ist Kugel1 eine Untermenge von Kugel2. Eine solche einfache Berechnung ist bei anderen Grundformen der KS nicht möglich.
Als zweites wird die Anzahl von Kollisionssegmenten berechnet (vgl. 13 und 14). Diese Anzahl der Kollisionssegmente kann auch als „optimal“ bezeichnet werden, wenn Sie aufgrund einer Optimierung, z.B. auf Basis einer Kostenfunktion, berechnet wird.
Das Modul 1 liefert also für einen Roboter ein Modell dieses Roboters durch eine Anzahl von Kollisionssegmenten, welche die Kontur des Roboters im Wesentlichen oder vollständig beinhalten, d.h. den Roboter umhüllen.
Ein zweites Modul mit dem Bezugszeichen 820 ist für die Berechnung von bahnbezogenen Sicherheitssegmenten verantwortlich. Diese können, wie oben bereits erwähnt, einzelne Sicherheitskugeln (Sicherheitssegmente), zeitlokale und zeitglobale Sicherheitssegmente beinhalten.
Untermodul 822 berechnet lokale Sicherheitssegmente, LSS, welche den oben erwähnten Sicherheitskugeln entsprechen. Untermodul 824 berechnet globale Sicherheitssegmente, GSS, welche den oben erwähnten zeitlokalen Sicherheitsbereichen (für eine Sicherheitskugel) entsprechen. Untermodul 826 berechnet universale Sicherheitssegmente, USS, welche den zeitglobalen Sicherheitsbereichen entsprechen.
Ein Roboter besteht aus Kollisionssegmenten KS₀ → KS_n. Diese (jedes solches KS) KS bewegen sich auf der Roboterbahn von Gt₀ → Gt_k. Ein Lokalsicherheitssegment LSS_KSn(Lt₀) zum Zeitpunkt Lt₀ ist gleich einem Kollisionssegment 910 KS_n((Gt_x)). Für den Radius R dieser Segmente gilt R_LSSksn(Lt₀) = R_KSn(Gt_x). Ein Lokalsicherheitssegment LSS_KSn(Lt₁) zum Zeitpunkt Lt₁ hat einen Radius R_LSSksn(Lt₁) = R_KSn(Gt_x) + S_m(Lt₁); wobei S_m(Lt₁) eine Distanz darstellt, die ein Mensch zwischen t₀ und t₁ laufen kann. Ein Lokalsicherheitssegment LSS_KSn(Lt_m) zum Zeitpunkt Lt_m hat den Radius R_LSSksn(Lt_m) = R_KSn(Gt_x) + S_m(Lt_m), wobei S_m(Lt_m) einer Distanz entspricht, die ein Mensch zwischen t₀ und t_m laufen kann. Ein LSS 940 ist, wie auch andere LSS in der Figur, durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Mittelpunkt jedes LSS liegt auf der Roboterbahn 900. Sr entspricht dem Anfang der Reaktionsbahn und Ss entspricht der Anfang der Anhaltbahn. Der durch die dicke Strichpunkt-Linie dargestellte Bereich 990 entspricht einem Globalsicherheitssegment GSS_KSn(Gt_x) zu einem globalen Zeitpunkt Gt_x an dem die Sicherheitsbereichsverletzung stattfand.
Jedes Kollisionssegment KS_n hat ein Globalsicherheitssegment GSS_KSn(Gt_x) zu einem globalen Zeitpunkt Gt_x. Ein Globalsicherheitssegment hier entspricht dem oben beschriebenen zeitlokalen Sicherheitsbereich für eine Sicherheitskugel und enthält mehrere Lokalsicherheitssegmente LSS_KSn(Lt₀) → LSS_KSn(Lt_m) für die Lokalzeit von Lt₀ → Lt_m. Das Robotersicherheitssegment RSS(Gt_x) zu einem globalen Zeitpunkt Gt_x beinhaltet alle Globalsicherheitssegmente der Kollisionssegmente KS₀ → KS_n; d.h. GSS_KS0(Gt_x) → GSS_KSn(Gt_x).
17 zeigt eine Mehrzahl von KS eines Roboterarmes. Jedes dieser Segmente bewegt sich auf einer eigenen Bahn, die Bahnen einzelner KS bilden die Roboterbahn. 18 stellt dar, dass jedes Kollisionssegment KS_n ein Universalsicherheitssegment USS_KSn hat, welches aus Globalsicherheitssegmenten GSS_KSn(Gt₀) → GSS_KSn(Gt_k) zur Globalzeit von Gt₀ → Gt_k besteht. In der 18 sind einfachheitshalber nur Globalsicherheitssegmente für zwei beispielhafte Globalzeitpunkte Gt_k und Gt_b.
Das entsprechende Roboteruniversalsicherheitssegment RUSS kann beschrieben werden als beinhaltend:

1. Entweder alle Universalsicherheitssegmente der Kollisionssegmente KS₀ → KS_n d.h.:
- USS_KS0 → USS_KSn
2. Oder, äquivalent, alle Robotersicherheitssegmente zwischen Gt₀ → Gt_k; d.h: RSS(Gt₀) → RSS(Gt_k).

Die Bereichsverletzungssicherheitsfunktion und Roboteruniversalsicherheitssegmente RUSS nehmen an, dass der Roboter ein blindes System ist und dass ein Mensch von überall eintreten kann, d.h. man kann das Roboteruniversalsicherheitssegment RUSS als einen statischen Sicherheitsbereich verwenden (einsetzen).
Ein drittes Modul 830 berechnet Betriebsmodus-Sicherheitssegmente, d.h. nimmt Betriebsmodus und insbesondere die Sicherheitsfunktionen beim Berechnen der Sicherheitssegmente in Betracht.
19 zeigt eine Übersicht von Sicherheitsfunktionen, die in verschiedenen Betriebsmodi verfügbar sind, sowie die jeweiligen Ereignisse, welche die Sicherheitsfunktionen auslösen, die Konsequenzen der Sicherheitsfunktionen, und ob die Sicherheitsfunktionen erforderlich oder optional sind. Die Tabelle in der 19 unterscheidet zwischen 4 Betriebsmodi: 1. Sicherheitsbewerteter überwachter Halt (Safety-rated monitored stop, SRMS), 2. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung (Speed and separation monitoring, SSM), 3. Handführung (Hand Guiding, HG) und 4. Leistungs- und Krafteinschrenkung (Power and force limiting, PFL). Diese Modi sind in der Norm ISO/TS 15066 definiert. Die vorliegende Erfindung kann in einem oder in mehreren dieser Modi angewendet werden. Wie bereits oben beschrieben, ist die Erfindung jenseits von Normen und/oder der darin definierten Modi anwendbar. Sie kann für einen oder mehrere Roboter und/oder Objekte eingesetzt werden. Im folgenden werden lediglich Beispielszenarien gezeigt, in denen die Erfindung auch eingesetzt werden kann.
Die oben beschriebene Sicherheitsbereichsverletzung kann beispielsweise bezüglich der Sicherheitsfunktion der Betriebsmodi SRMS und SSM sein, wie in der Tabelle dargestellt. Wenn eine solche Sicherheitsbereichsverletzung auftritt, als Folge dessen, dass ein Mensch den Gefahrbereich betreten hat, muss der Roboter gestoppt werden. Dies kann durch die Reaktions- und Anhaltebewegung durchgeführt werden. Im Allgemeinen (z.B. in einem alternativen Betriebsmodus) kann jedoch auf eine Sicherheitsverletzung alternativ der Roboter seiner üblichen Bahn folgen, aber dabei seine Geschwindigkeit reduzieren, oder Leistung und/oder Kraft.
In dem SSM-Modus kann ein Ereignis vorkommen, dass die Menschposition zum Roboter so ist, dass der Roboter nicht anhalten kann, bevor er mit dem Menschen kollidieren kann. Dies kann durch das Überwachen von dem Sicherheitsbereich erfasst werden. In einem solchen Fall kann die Geschwindigkeit des Roboters bis zum Stop reduziert und die Bahn geändert werden. Im PFL-Modus wird Kontakt (Kollision) detektiert und darauf der Roboter gestoppt.
In der Sicherheitsfunktion mit Erkennung des Menschenschwerpunkts im SSM wird die Position des Menschen durch die Sicherheitssensoren erfasst. Man kann dabei zwei Fälle unterscheiden: kontinuierlich und diskret. Im kontinuierlichen Fall entsprechen die Robotersicherheitssegmente RSS(Gt_x) den dynamischen Sicherheitsbereichen. Diese Bereiche sind gekoppelt mit der Roboterbahn von Gt₀ bis Gt_k und werden regelmäßig (innerhalb einer Zykluszeit) aktualisiert. Der Mensch kann in der Nähe der Roboterbahn arbeiten, aber nur außerhalb der Robotersicherheitssegmente. Im diskreten Fall können mehrere Kooperationsbereiche definiert werden. Anhand der Menschposition in (relativ zu) diesen Bereichen wird der Roboter seine Geschwindigkeit anpassen. Roboterkooperationssegment ROS(Gt_x) kann dann mit Hilfe der GSS berechnet werden. Zum Beispiel kann ein Roboterkooperationssegment durch räumliche Erweiterung des entsprechenden Robotersicherheitssegments ermittelt werden.
Manchmal, z. B. bei Nutzung von einem Bodenscanner (2D-Sensoren) ist es vorteilhaft, noch zusätzliche Sicherheitsbereiche für Armreichweite von allen Richtungen zu berechnen. 20 zeigt ein Beispiel, bei welchem alle Punkten von Menschsegment MS(Gt_x) zum Zeitpunkt Gt_x gegen RSS(Gt_x) geprüft werden. Das Menschsegment ist hier mithilfe eines Kreises mit dem Radius R_MS modelliert, wobei R_MS = Schulterbereite + Armreichweite (mindestens).
Bei Nutzung von 3D Sensoren, die den Kopf und die Hände sicher erfassen können, kann man dann Menschsegment MS(Gt_x) in drei Segmente HS1(Gt_x), HS2(Gt_x), HS3(Gt_x) aufteilen, wie in der 21 dargestellt. Bei dieser Berechnungsmethode werden alle Punkte von HS1(Gt_x), HS2(Gt_x), HS3(Gt_x) zum Zeitpunkt Gt_x gegen RSS(Gt_x) geprüft.
In anderen Worten, Ziel in diesem Modul 830 ist die weitere Anpassung der Sicherheitssegmente in Bezug auf den erforderlichen Sicherheitsfunktionen in allen unterschiedlichen Betriebsmodi.
Unterscheidung zwischen den Roboterbetriebsmodi „Sicherheitsbewerteter überwachter Halt“ (SRMS) und „Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung“ (SSM) hat keinen Einfluss auf die Berechnung eines zeitlokalen (und damit auch zeitglobalen) Sicherheitsbereiches. Vielmehr definieren diese Modi die Einbindung der Berechnung der (im Modul 820) berechneten Sicherheitsbereiche als Baustein in das übergeordnete Sicherheitssystem und gegebenenfalls die weitere mögliche Anpassung dieser Sicherheitsbereiche. Man kann die Menschposition mit Sensoren detektieren. Sollte die Menschposition einen Teil des Sicherheitsbereiches verletzen, kann die nachfolgende Roboterbahn so angepasst werden, dass sich der Sicherheitsbereich zurückzieht und der Mensch diesen nun nicht mehr verletzt. Ein Vorteil dieser Funktionalität ist die effektive Beeinflussung der Roboterbahn. Die vom Mensch verletzten Kugeln des betroffenen zeitlokalen Sicherheitsbereiches und damit auch die entsprechenden Bahnabschnitte können direkt ermittelt werden. In anderen Worten, der Roboter kann gesteuert werden, wobei die folgenden Schritte durchzuführen sind: das Erfassen der Sicherheitsbereichsverletzung durch Erfassen einer Position des Objekts durch einen Sicherheitssensor zum Zeitpunkt to und das Steuern der Roboterbahn unter Berücksichtigung der erfassten Position des Objekts.
Die 22 ist eine schematische Darstellung, welche den Betriebsmodus (PFL) mit der Kontakterkennung und Kraftüberwachung zeigt. In den vorher erwähnten Sicherheitsfunktionen sowie Betriebsmodi ist es angenommen, dass keine Kollisionen zwischen Menschen und Robotern passieren dürfen oder sollten. In dem Betriebsmodus PFL und unter eingeschränkten Rahmenbedingungen wie z.B. maximale Kräfte und/oder Momente, die z.B. in der Norm ISO 15066 vordefiniert sind, wird Kontakt mit bestimmten Körperteilen erlaubt. Das bedeutet, dass man die berechneten Sicherheitsbereiche (z.B. GSS_ksn(Gt_x)) verkleinern kann und auf die zugelassene Kräfte umrechnen kann. In anderen Worten, in dem PFL-Modus ist der Kontakt erlaubt, solange eine Grenzkraft nicht überschritten wird.
In einer beispielhaften Umsetzung wird die maximal erlaubte Kraft Fmax angenommen, welche kleiner oder gleich ist als eine Grenzkraft. Die Grenzkraft kann von einer Norm vorgegeben und/oder aufgrund von empirischen Tests mit einer Vielzahl von Testpersonen ermittelt werden. Der menschliche Körper kann als eine Feder modelliert werden. Nach dem Hookeschen Gesetz ist die Federkraft F einer Feder proportional zur Auslenkung (Verschiebung) x: F=kx. Die Federkonstante k wird für einen Menschen empirisch vorbestimmt (d.h. vorgegeben).
Während einer Kollision ist die kinetische Energie ΔEkin des Roboters gleich der potentiellen Energie Epot und es gilt: $Δ E k i n = \frac{1}{2} \frac{1}{m_{R}^{- 1} + m_{H}^{- 1}} {(v_{R} - v_{H})}^{2}$
und $E p o t = \frac{1}{2} k x^{2} .$
Dabei stellt m_H die Menschenmasse, m_R die Robotermasse, v_H die Geschwindigkeit des Menschen und v_R die Geschwindigkeit des Roboters dar.
Aus der Gleichung ΔEkin = Epot ergibt sich: $F m a x = \sqrt{\frac{k}{m_{R}^{- 1} + m_{H}^{- 1}}} (v_{R} - v_{H}) .$
Wie bereits oben erwähnt, kann v_H z.B. vorbestimmt oder gemessen werden. Aus der maximalen Kraft Fmax (kleiner gleich der Grenzkraft) kann man die erlaubte Geschwindigkeit v_R wie folgt bestimmen: $v_{R} = \frac{F m a x}{\sqrt{\frac{k}{m_{R}^{- 1} + m_{H}^{- 1}}}} + v_{H} .$
In anderen Worten, in dem PFL-Betriebsmodus ist eine Kollision mit einem Roboter erlaubt, aber nur mit einer Kraft von Fmax, welche nicht überschritten werden darf. Daraus kann man die erlaubte Geschwindigkeit v_R berechnen, welche der Roboter zu einem Zeitpunkt t_x der Kollision mit einem Menschen hat. Zum Unterschied von den anderen Betriebsmodi, in PFL ist diese erlaubte Geschwindigkeit größer als Null, und die Zeit von t₀ bis t_x ist kürzer als die Zeit von to bis zum Ruhestand. Der Sicherheitsbereich des Roboters wird entlang einer kürzeren Bahn berechnet und kann damit kleiner sein. Die Berechnung erfolgt wie bereits oben beschrieben.
Anders gesagt, nach einer beispielhaften Umsetzung enthält das Verfahren zum Ermitteln eines Sicherheitsbereichs einen Schritt in welchem die Roboterbahn bestimmt wird. Dabei endet die Roboterbahn an einem Zeitpunkt t_x, zu dem der Roboter eine Geschwindigkeit v_R hat (v_R>0) und die Geschwindigkeit v_R wird auf Basis von einer vorgegebenen maximalen Kraft berechnet, welche der Roboter auf das Objekt ausüben kann. In einer anderen beispielhaften Umsetzung endet die Roboterbahn (Anhaltebahn) mit dem Eintritt des Roboters in Ruhemodus (in welchem v_R=0).
Die 22 zeigt ein Globalkooperationssegment GOS_ksn des Kollisionssegments KS_n zu einem globalen Zeitpunkt Gt_x. Das Globalkooperationssegment wird auf Basis von dem Sicherheitsbereich GSSksn ermittelt. In diesem Beispiel (PFL) ist das der Sicherheitsbereich GSSksn(t_x) zum Zeitpunkt t_x in dem der Roboter die erlaubte Geschwindigkeit erreicht. In anderen Beispielen (z.B. bei SSM) wird GSSksn zu einem Zeitpunkt ermittelt in dem der Roboter die Geschwindigkeit Null erreicht.
Der ermittelte Sicherheitsbereich kann in unterschiedlichen Weisen verwendet werden.
In einer Ausführungsform folgt die Roboterbahn der Reaktionsbewegung und/oder der Anhaltebewegung, wenn die Sicherheitsbereichsverletzung durch ein Betätigen eines Sicherheitsschalters erfasst wurde. Die Roboterbahn folgt jedoch einer für den Normalbetrieb des Roboters bestimmten Bewegung folgt, wenn die Sicherheitsbereichsverletzung nicht durch ein Betätigen des Sicherheitsschalters erfasst wurde. Diese Ausführungsform ist nur eine der möglichen Umsetzungen und entspricht der unterschiedlichen Behandlung von „Stop 0“ und „Stop 1‟ genannten Arten von Sicherheitsverletzung, definiert in der Norm DIN EN ISO 13850. Im Allgemeinen kann die Roboterbahn ab dem Zeitpunkt to gemäß der Art von Sicherheitsbereichsverletzung bestimmt werden, und diese bestimmte Bahn dann weiter zum Berechnen des zeitlokalen oder des zeitglobalen Sicherheitsbereichs verwendet werden.
Eine Roboterbahn bestimmt eine Folge von Zeitpunkten tx, mit ganzzahligem x>0 und den zugehörigen Positionen der Konturkugeln. Der Sicherheitsbereich des Roboters kann zu jedem der Zeitpunkte tx erneut bestimmt werden. Die Sicherheitsbereichsverletzung kann dann in Bezug auf den erneut bestimmten Sicherheitsbereich erfasst werden.
Wenn ein Sicherheitsbereich des Roboters bestimmt ist, kann die Ausrichtung eines Sensors oder mehrerer Sensoren in Übereinstimmung mit dem ermittelten Sicherheitsbereich angepasst werden. Diese Anpassung folgt bevorzugterweise der der Position / Ausdehnung des neu berechneten Sicherheitsbereichs. Der Begriff „Sensor“ hier ist breit zu verstehen. Es kann eine Lichtschranke sein, Lichtvorhang, Bewegungssensor, Kamera (Bildsensor), oder andere Arten von Sensor. Auch ein Sicherheitsknopf ist ein Sensor. Der Sensor, sowie die Modellierung des Sicherheitsbereichs kann 2D oder 3D sein. In einer beispielhaften Umsetzung wird ein 2D-Sicherheitsbereich mit Hilfe von Kreisen darstellen. Ein Kreis ist eine Projektion einer Kugel auf eine Fläche. Durch die Projektion der wie oben ermittelten 3D-Kugeln (Sicherheitskugeln) auf eine Fläche (z.B. Bodenfläche / Hallenboden) kann man dann einen 2D-Sicherheitsbereich ermitteln.
Das Objekt kann ein Mensch sein und das Verfahren kann des Weiteren das Erfassen von einem Kopf und/oder einer oder beider Hände des Menschen als jeweilige separate Menschensegmente umfassen, sowie das Ermitteln, für jedes Menschensegment, ob das Menschensegment den Sicherheitsbereich in einer der Sicherheitskugeln verletzt.
Das Objekt kann ein anderes Objekt sein als ein Mensch. Zum Beispiel kann das Objekt ein anderer Roboter sein, oder eine Mehrzahl anderer Roboter. Das oben beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Sicherheitsbereiche kann entsprechend z.B. für die Berechnung der Verriegelungsbereiche eingesetzt werden.
Das Objekt kann aber auch ein Fahrzeugsein, beispielsweise ein automatisch fahrendes Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht eingeschränkt auf Modellieren eines Menschen durch Menschensegmente entsprechend dem Kopf und den Händen. Der ganze Mensch kann als ein Menschensegment modelliert werde, oder als eine Mehrzahl von unterschiedlichen oder gleichen Menschensegmenten. Menschensegmente können auch kugelförmig ausgebildet sein.
23 stellt ein System dar, in dem die Ermittlung eines Sicherheitsbereichs um einen Roboter 2310 verwendet wird. Eine Vorrichtung 2340, die diese Ermittlung durchführt enthält beispielsweise einen Eingang zum Empfangen von einem Signal aus einem Sensor 2330 zum Erfassen von einer Verletzung eines Sicherheitsbereichs durch ein Objekt, eine Steuerungseinrichtung zum Steuern einer Roboterbahn auf Basis von dem empfangenen Signal (z.B. Signal an eine Robotersteuerung 2320), eine Sicherheitsbereich-Berechnungseinrichtung zum Berechnen des Sicherheitsbereichs enthaltend: Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters durch eine Menge von Konturkugeln, welche die Roboterkontur beinhaltet; Ermitteln von einem Sicherheitsbereich des Roboters zu einem Zeitpunkt to umfassend eine Menge von Sicherheitskugeln zu einem Zeitpunkt t, wobei: (a) der Zeitpunkt t später ist als der Zeitpunkt tozu welchem eine Sicherheitsbereichsverletzung durch das Objekt als aufgetreten erfasst wurde, (b) für eine Konturkugel: die Position der Konturkugel zu dem Zeitpunkt t der Position einer Sicherheitskugel entspricht, der Radius der Sicherheitskugel um einen Betrag größer ist als der Radius der entsprechenden Konturkugel, und der Betrag von dem Zeitpunkt t und einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Objekts abhängt.
Die Vorrichtung 2340 kann durch einen oder mehrere Prozessoren implementiert werden.
Die Vorrichtung 2340 kann des Weiteren eine Sensorsteuerung umfassen zum Steuern der Ausrichtung des Sensors, wobei der Sensor in der Lage ist, Position und/oder Bewegung des Objekts zu erfassen.
24 fasst das erfindungsgemäße Verfahren noch einmal zu. Im Schritt S2410 werden die Robotersegmente bestimmt. Im Schritt S2420 werden für die Robotersegmente entsprechende Kollisionssegmente ermittelt. Im Schritt S2430 wird ein Sicherheitsbereich bestimmt. Im Schritt S2440 kann die Roboterbahn und/oder im Schritt S2450 die Position und/oder Ausrichtung der Sensoren bestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 13855 [0003, 0004]
ISO/TS 15066 [0003]
DIN EN ISO 13850 [0105]

Claims

Verfahren zur automatischen Ermittlung von einem Sicherheitsbereich bezogen auf einen Roboter, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält: Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters (8) durch eine Menge (M) von Konturkugeln (8a, 8b, 8c, 8d), welche die Roboterkontur beinhaltet; Ermitteln von einem Sicherheitsbereich des Roboters (8) zu einem Zeitpunkt to, zu welchem eine Sicherheitsbereichsverletzung durch ein Objekt auftritt, umfassend eine Menge von Sicherheitskugeln (6d) zu einem Zeitpunkt t, wobei: - der Zeitpunkt t später ist als der Zeitpunkt to, - für eine Konturkugel (4): die Position der Konturkugel (4d) zu dem Zeitpunkt t der Position einer Sicherheitskugel (6d) entspricht, der Radius (7d) der Sicherheitskugel (6d) um einen Betrag größer ist als der Radius (5) der entsprechenden Konturkugel (4d), und der Betrag von dem Zeitpunkt t und einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Objekts abhängt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend Ermitteln einer Roboterbahn, wobei der ermittelte Sicherheitsbereich des Roboters (8) zu dem Zeitpunkt to ein zeitlokaler Sicherheitsbereich ist, welcher als Vereinigung von einzelnen Sicherheitskugeln berechnet wird, umfassend alle den jeweiligen Konturkugeln (8a, 8b, 8c, 8d) der Menge M entsprechende Sicherheitskugeln zu jedem der aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t_i, mit ganzzahligem i>0, der bestimmten Roboterbahn.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, des Weiteren umfassend den Schritt des Berechnens eines zeitglobalen Sicherheitsbereichs durch Ermitteln der Roboterbahn als eine Vereinigung von einer Menge von zeitlokalen Sicherheitsbereichen des Roboters (8) ermittelt wird, welche zu allen jeweiligen Zeitpunkten to einer Roboterbahn oder eines Roboterbahnabschnittsberechnet werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei, wenn sich eine Konturkugel ab einem Zeitpunkt t_j bis zum Ende der Ermittlung des zeitlokalen Sicherheitsbereichs im Stillstand befindet, der Betrag für die Zeit ab t_j konstant bleibt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Ermittelns von einem Sicherheitsbereich des Roboters zu einem Zeitpunkt to enthält: Bestimmen von einer Roboterbahn, die die Bahnen der einzelnen Konturkugeln beinhaltet, wobei die Roboterbahn einer Reaktionsbewegung und/oder einer Anhaltebewegung folgt, Bestimmen der Positionen der einzelnen Konturkugeln zu dem Zeitpunkt t auf Basis von der bestimmten Roboterbahn.
Das Verfahren gemäß dem Anspruch 5, wobei die Roboterbahn der Reaktionsbewegung und/oder der Anhaltebewegung folgt, wenn die Sicherheitsbereichsverletzung durch ein Betätigen eines Sicherheitsschalters erfasst wurde, und die Roboterbahn einer für den Normalbetrieb des Roboters bestimmten Bewegung folgt, wenn die Sicherheitsbereichsverletzung nicht durch ein Betätigen des Sicherheitsschalters erfasst wurde.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters den Schritt des Berechnens von einer optimalen Zahl der Konturkugeln zwischen zwei Gelenken des Roboters enthält, bei der der Durchmesser eines, der Überschneidung zwischen zwei Konturkugeln entsprechenden Kreises, im Wesentlichen der Breite des Roboterarms entspricht.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, des Weiteren umfassend: Erfassen der Sicherheitsbereichsverletzung durch Erfassen einer Position des Objekts durch einen Sicherheitssensor zum Zeitpunkt to, Steuern der Roboterbahn unter Berücksichtigung der erfassten Position des Objekts.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Roboterbahn eine Folge von Zeitpunkten t_x, mit ganzzahligem x>0 und den zugehörigen Positionen der Konturkugeln bestimmt, der Sicherheitsbereich des Roboters zu jedem der Zeitpunkte t_x erneut bestimmt wird, die Sicherheitsbereichsverletzung in Bezug auf den erneut bestimmten Sicherheitsbereich erfasst wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, des Weiteren umfassend: Steuern der Ausrichtung eines Sensors in Übereinstimmung mit dem ermittelten Sicherheitsbereich.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Objekt ein Mensch ist, das Verfahren des Weiteren umfassend: Erfassen von einem Kopf und/oder einer oder beider Hände des Menschen als jeweilige separate Menschensegmente, Ermitteln, für jedes Menschensegment, ob das Menschensegment den Sicherheitsbereich in einer der Sicherheitskugeln verletzt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, des Weiteren umfassend: Speichern des ermittelten Sicherheitsbereichs als Positionen und Größen der jeweiligen Sicherheitskugeln, welche den ermittelten Sicherheitsbereich darstellen.
Vorrichtung zum Steuern eines Roboters, umfassend: einen Eingang zum Empfangen von einem Signal aus einem Sensor zum Erfassen von einer Verletzung eines Sicherheitsbereichs durch ein Objekt, eine Steuerungseinrichtung zum Steuern einer Roboterbahn auf Basis von dem empfangenen Signal, eine Sicherheitsbereich-Berechnungseinrichtung zum Berechnen des Sicherheitsbereichs enthaltend: Modellieren eines Gefahrenbereichs des Roboters durch eine Menge von Konturkugeln, welche die Roboterkontur beinhaltet; Ermitteln von einem Sicherheitsbereich des Roboters zu einem Zeitpunkt t₀ umfassend eine Menge von Sicherheitskugeln zu einem Zeitpunkt t, wobei: - der Zeitpunkt t später ist als der Zeitpunkt to zu welchem eine Sicherheitsbereichsverletzung durch das Objekt als aufgetreten erfasst wurde, - für eine Konturkugel: die Position der Konturkugel zu dem Zeitpunkt t der Position einer Sicherheitskugel entspricht, der Radius der Sicherheitskugel um einen Betrag größer ist als der Radius der entsprechenden Konturkugel, und der Betrag von dem Zeitpunkt t und einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Objekts abhängt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 13, des Weiteren umfassend: eine Sensorsteuerung zum Steuern der Ausrichtung des Sensors, wobei der Sensor in der Lage ist, Position und/oder Bewegung des Objekts zu erfassen.