DE19938639A1 - Vorrichtung zur Absicherung eines Gefahrenbereichs, insbesondere des Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Maschine - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Absicherung eines Gefahrenbereichs (26), insbesondere des Gefahrenbereichs (26) einer automatisiert arbeitenden Maschine (28). Die Vorrichtung (10) besitzt erste Mittel (12, 16) zum Erzeugen einer optisch überwachten, virtuellen Barriere (30) sowie zweite Mittel zum Erzeugen eines Schaltsignals zum Anhalten der Maschine (28) bei einem Durchbrechen (24) der Barriere (30). Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel (12, 16) eine Bildaufnahmeeinheit (12) sowie ein definiertes Ziel (16) aufweist, dessen Abbild die Bildaufnahmeeinheit (12) aufnimmt. Des weiteren besitzen die zweiten Mittel eine Vergleichseinheit, die das aufgenommene Abbild mit einer für ein Referenzbild charakteristischen Größe vergleicht (Fig. 2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absi­ cherung eines Gefahrenbereichs, insbesondere des Gefahrenbe­ reichs einer automatisiert arbeitenden Maschine, mit ersten Mitteln zum Erzeugen einer optischen überwachten, virtuellen Barriere und mit zweiten Mitteln zum Erzeugen eines Schaltsi­ gnals zum Anhalten der Maschine bei einem Durchbrechen der Bar­ riere.

Derartige Vorrichtungen sind in Form von Lichtschranken, Licht­ vorhängen oder Lichtgittern aufgrund ihrer Verwendung bei der Absicherung von sich bewegenden Maschinen bekannt.

Die Barriere, die mit Hilfe der ersten Mittel erzeugt wird, wird im Hinblick auf die vorliegende Erfindung als virtuell be­ zeichnet, da sie kein reales, mechanisches Hindernis wie bspw. einen Zaun oder ein Schutzgitter beinhalten muß. Ein Durchbre­ chen der virtuellen Barriere kann allein aufgrund der optischen Überwachung detektiert werden. Bei den bekannten Barrieren die­ ser Art, wie bspw. Lichtschranken, Lichtvorhängen oder Licht­ gittern wird das Schalt- oder Alarmsignal dann ausgelöst, wenn einer oder mehrere Lichtstrahlen auf ihrem Weg von einem Sender zu einem Empfänger unterbrochen werden. Dies kann im Empfänger in dem Moment detektiert werden, in dem der vom Sender erwarte­ te Lichtstrahl ausbleibt. Bei Lichtschranken etc. ist es eben­ falls bekannt, die Lichtstrahlen zur Erzeugung der virtuellen Barriere mit Hilfe von Reflexionen vom Sender zum Empfänger zu lenken, so daß der Sender und der Empfänger dicht nebeneinander angeordnet oder sogar in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden können.

Charakteristisch an den bekannten Schutzvorrichtungen ist, daß sie zur Überwachung einer flächig ausgedehnten, virtuellen Bar­ riere eine Vielzahl von im Regelfall parallel zueinander ver­ laufenden Lichtstrahlen besitzen. Der Abstand der parallelen Lichtstrahlen voneinander bestimmt sich nach der Größe des kleinsten, beim Durchbrechen der Barriere noch detektierbaren Objektes. Nach Schutzvorschriften, die im industriellen Bereich zum Schutz von Menschen und Maschinen existieren, müssen in manchen Anwendungsfällen Objekte in der Größe eines Fingers, d. h. Objekte mit einem Durchmesser von etwa 15 mm detektierbar sein. Dies hat zur Folge, daß bei einem entsprechenden Licht­ gitter die einzelnen Lichtstrahlen maximal 15 mm voneinander beabstandet sein dürfen. In der Regel wird zur Sicherheit sogar nur ein Abstand von 7,5 mm gewählt, damit jeweils zwei Licht­ strahlen ein Durchbrechen der Barriere detektieren. In einem solchen Fall ist eine große Anzahl von parallel zueinander an­ geordneten Sende- und Empfangselementen notwendig, um das Durchbrechen eines einzelnen Lichtstrahls zu detektieren. Die bekannten Anordnungen erfordern daher einen unter Umständen be­ trächtlichen Installationsaufwand. Andere Vorschriften betref­ fen die Detektion von Objekten in der Größenordnung von 30 mm oder 70 mm. Auch in diesen Fällen wird jedoch für eine flächige Barriere eine große Anzahl an Sende- und Empfangselementen be­ nötigt.

Der Installationsaufwand der bekannten Vorrichtungen ist zu­ sätzlich dadurch vergrößert, daß die einzelnen Lichtstrahlen sehr exakt zwischen dem Sender und Empfänger ausgerichtet wer­ den müssen. Dementsprechend exakt müssen die Sender und Empfän­ ger sowie ggf. verwendete Reflektoren justiert werden. Beim Aufbau einer großflächigen virtuellen Barriere kann sich so ein beträchtlicher Installationsaufwand mit entsprechend hohen Ko­ sten ergeben.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen ist deren ge­ ringe Flexibilität. Da die Fläche und Orientierung der virtuel­ len Barriere ausschließlich durch die Anordnung der Sende- und Empfangselemente bestimmt wird, erfordert eine Änderung oder Anpassung der virtuellen Barriere an geänderte Bedürfnisse stets einen erneuten mechanischen Installationsaufwand. Gene­ rell läßt sich feststellen, daß bei den bekannten Vorrichtungen die Form und Ausrichtung der virtuellen Barriere stets durch die tatsächliche Anordnung der Sende- und Empfangselemente be­ stimmt wird.

Ein weiterer Nachteil der zahlreichen Sende- und Empfangs­ elemente ist die Tatsache, daß die Kosten der gesamten Vorrich­ tung aufgrund der benötigten Anzahl an Sende- und Empfangsele­ menten mit zunehmender Größe der virtuellen Barriere spürbar ansteigen.

Schließlich sind die bekannten Vorrichtungen störanfällig im Bereich von stark spiegelnden Umgebungen oder im Bereich von Umgebungen, in denen starke Lichtblitze auftreten. Dies kann bspw. bei großen Abkantpressen oder bei Schweißrobotern vorlie­ gen. In derartigen Umgebungen treten Lichtimpulse auf, die die Schutzvorrichtung in der Hinsicht stören können, daß ein gleichzeitig stattfindendes Durchbrechen der virtuellen Barrie­ re nicht erkannt wird. Darüber hinaus können die bekannten Schutzvorrichtungen durch eine gewollte oder ungewollte Manipu­ lation recht einfach außer Kraft gesetzt werden, indem der oder die Lichtstrahlen auf ihrem Weg vom Sende- zum Empfangselement bspw. mit einen Spiegel umgelenkt werden.

Insgesamt ist daher mit den bekannten Vorrichtungen zwar die Erzeugung einer optisch überwachten, virtuellen Barriere auf technisch einfache Weise möglich. Neben einem im Einzelfall be­ trächtlichen Installationsaufwand sind derartige Systeme jedoch wenig flexibel und sie können durch Manipulation vergleichswei­ se einfach außer Kraft gesetzt werden.

Im Stand der Technik ist des weiteren die Überwachung eines Raumbereichs mit Hilfe einer Bildaufnahmeeinheit in Form einer Videokamera bekannt. Eine derartige Vorrichtung ist bspw. in der DE-A-44 07 528 beschrieben. Bei diesen Vorrichtungen wird jedoch stets ein dreidimensionaler Raumbereich auf Bewegungen hin überwacht. Für die Absicherung einer sich bewegenden Ma­ schine ist eine solche Vorrichtung nicht geeignet, da bereits durch die Bewegungen der Maschine selbst ein Schalt- bzw. Alarmsignal ausgelöst würde. Darüber hinaus basieren die be­ kannten Vorrichtungen zur Videoüberwachung sämtlich auf ver­ gleichsweise aufwendigen Algorithmen zur Analyse des aufgenom­ menen, natürlichen Umgebungsbildes.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine große Fle­ xibilität und variable Einsatzmöglichkeiten bietet. Dabei soll der Installationsaufwand gering sein.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung da­ durch gelöst, daß die ersten Mittel eine Bildaufnahmeeinheit sowie ein definiertes Ziel aufweisen, dessen Abbild die Bild­ aufnahmeeinheit aufnimmt, und daß die zweiten Mittel eine Ver­ gleichseinheit aufweisen, die das aufgenommene Abbild mit einer für ein Referenzbild charakteristischen Größe vergleicht.

Ganz allgemein handelt es sich bei der Bildaufnahmeeinheit um eine Kamera, die ein Abbild des definierten Ziels aufnimmt. Es ist hier jedoch im Gegensatz zu bekannten Kameraüberwachungen nicht erforderlich, daß das Abbild einem menschlichen Betrach­ ter angezeigt wird. Entscheidend ist vielmehr, daß das aufge­ nommene Abbild in der Vergleichseinheit mit der charakteristi­ schen Größe einer Referenz des definierten Ziels verglichen wird. Das Referenzbild entspricht im einfachsten Fall dem unge­ störten Abbild des definierten Ziels. Dieses besitzt klar defi­ nierte, markante Merkmale, die leicht zu erkennen und auszuwer­ ten sind. Es wird daher nachfolgend auch als kooperatives Ziel bezeichnet.

Eine Abweichung des aufgenommenen Abbildes von dem Referenzbild wird insbesondere durch ein Objekt hervorgerufen, das im Sicht­ feld der Bildaufnahmeeinheit zumindest einen Teil des definier­ ten Ziels verdeckt. Die Veränderung des aufgenommenen Abbildes gegenüber dem Referenzbild kann aufgrund der bekannten Merkmale des definierten Ziels leicht erkannt werden. Infolge dessen läßt sich mit Hilfe der Bildaufnahmeeinheit in Kombination mit dem definierten Ziel eine optisch überwachte, virtuelle Barrie­ re erzeugen.

Die charakteristische Größe kann das Referenzbild insgesamt be­ inhalten. Alternativ kann sie auch auf ein oder mehrere charak­ teristische Merkmale beschränkt sein, die aus dem Referenzbild extrahiert werden können. Zudem können das Referenzbild oder seine charakteristischen Merkmale in einem Speicher der Ver­ gleichseinheit abgespeichert sein. Alternativ hierzu ist es möglich, den Vergleich in bezug zu einer externen Referenz durchzuführen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in mehrfacher Hinsicht sehr flexibel. So wird bspw. die Form und Ausrichtung der vir­ tuellen Barriere nicht mehr durch eine feste mechanische Anord­ nung von Sende- bzw. Empfangselementen bestimmt, sondern vor allem durch die Ausdehnung und Lage des definierten Ziels in­ nerhalb des Sichtfeldes der Bildaufnahmeeinheit. Hierdurch ist es möglich, bei unveränderter Position und Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit allein durch eine Veränderung des definier­ ten Ziels die Form oder Lage der virtuellen Barriere zu verän­ dern.

Darüber hinaus können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine entsprechende Ausgestaltung des definierten Ziels nahezu beliebig geformte, auch krummlinige virtuelle Barrieren erzeugt werden.

Bei mehreren definierten Zielen im Sichtfeld der Bildaufnahme­ einheit kann eines durch eine entsprechende Auswahl in der Ver­ gleichseinheit bestimmt werden. Dies kann allein durch eine Än­ derung in einer Software der Vergleichseinheit, also ohne me­ chanischen Installationsaufwand, geschehen. Infolge dessen kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach und schnell an neue Aufgaben angepaßt werden.

Darüber hinaus ist es möglich, mit einer einzigen Bildaufnahme­ einheit mehrere definierte Ziele gleichzeitig zu überwachen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, mehrere virtuelle Bar­ rieren zu erzeugen, die gemeinsam oder alternativ zueinander verwendet werden. Bspw. können so mehrere hintereinander ange­ ordnete virtuelle Barrieren mit zunehmender Sicherheits­ priorität erzeugt und wahlweise aktiviert werden. Des weiteren können mehrere, voneinander unabhängige Gefahrenbereiche mit nur einer Bildaufnahmeeinheit in Kombination mit mehreren defi­ nierten Zielen überwacht werden.

Der Installationsaufwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insgesamt sehr gering. Es genügt nämlich, die Bildaufnahmeein­ heit grob auszurichten, so daß sich das definierte Ziel in de­ ren Sichtfeld befindet. Eine exakte Ausrichtung, wie sie bspw. bei einer Lichtschranke erforderlich ist, wird hier nicht benö­ tigt, da die Bildaufnahmeeinheit das definierte Ziel mit Hilfe an sich bekannter Verfahren der Bildbearbeitung auch dann iden­ tifizieren kann, wenn seine Position nicht exakt bekannt ist. Hinzu kommt, daß das definierte Ziel technisch sehr einfach realisierbar ist, wie anhand der nachfolgenden Beschreibung er­ läutert wird. So können als definiertes Ziel bspw. reflektie­ rende Folien verwendet werden, die im einfachsten Fall auf den Boden oder eine Wand vor dem Gefahrenbereich geklebt werden. Bei einer solche Ausgestaltung der Erfindung steigen der In­ stallationsaufwand und die damit verbundenen Kosten nur gering­ fügig mit zunehmender Größe der virtuellen Barriere.

Hinzu kommt, daß die Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit mit Hilfe des von ihr aufgenommenen Abbildes sehr einfach durchge­ führt werden kann, so daß spezielle Werkzeuge zum Ausrichten, wie z. B. ein Laser, entfallen.

Insgesamt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung daher sehr fle­ xibel und gleichzeitig einfach und damit kostengünstig zu in­ stallieren. Die genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dazu verwendet werden, Manipulationen an bestehenden mechanischen Schutzvorrichtungen zu überwachen. So ist es bspw. möglich, als definiertes Ziel einen Teil eines mechanischen Schutzgitters, das den Gefahrenbereich der Maschine absperrt, mitzuüberwachen. Die Entfernung dieses Schutzgitters und mit ihm des definierten Ziels würde von der Bildaufnahmeeinheit erkannt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Bildaufnahmeein­ heit einen flächigen Bildsensor mit einer Vielzahl von Bild­ punkten auf.

Der Bildsensor kann bspw. in CCD- oder CMOS-Technologie aufge­ baut sein. Sämtliche Lichtstrahlen, die die Bildaufnahmeeinheit erreichen, werden von dem Bildsensor gesammelt. Im Unterschied zu den bekannten Lichtgittern, bei denen eine Vielzahl von Lichtstrahlen parallel zueinander von jeweils einem Sende- zu einem Empfangselement verläuft, treffen sich alle aufgenommenen Lichtstrahlen hier bei einem Bildsensor. Eine feste Zuordnung von jeweils einem Sende- zu exakt einem Empfangselement ist nicht vorhanden und auch nicht notwendig. Das Abbild des defi­ nierten Ziels wird vielmehr mit sämtlichen Bildpunkten gemein­ sam aufgenommen. Dies besitzt den Vorteil, daß der Ausfall ei­ nes oder auch mehrerer einzelner Bildpunkte des Bildsensors nicht zwangsläufig zur Folge hat, daß in der virtuellen Barrie­ re eine Lücke entsteht.

Je größer die Anzahl der Bildpunkte des Bildsensors bei glei­ cher Größe des überwachten Bereichs ist, desto größer ist die Auflösung der Bildaufnahmeeinheit. Da hierdurch auch die Genau­ igkeit des Abbildes erhöht wird, wird durch eine Vielzahl von Bildpunkten die Genauigkeit und auch die Flexibilität der Vor­ richtung gesteigert.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das definierte Ziel zu­ mindest einen künstlichen Bereich auf, der im Vergleich zu sei­ ner Umgebung für die Bildaufnahmeeinheit erkennbar hervorgeho­ ben ist.

Die genannte Maßnahme unterscheidet sich von einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, bei der ein natürliches Objekt als Ziel ausgewertet wird. Im Gegensatz dazu besitzt das definierte Ziel in dieser Ausgestaltung zumindest einen Bereich, der defi­ niert hervorgehoben ist. Dies kann bspw. durch einen farbigen Anstrich oder eine reflektierende Folie geschehen. Aufgrund dieser Maßnahme vereinfacht sich der Vergleich des Abbildes des definierten Ziels mit dem Referenzbild. Infolge dessen reduzie­ ren sich der Aufwand und die Kosten bei der Realisierung der Vergleichseinheit, und der Vergleich des Abbildes mit dem Refe­ renzbild kann schneller und zuverlässiger durchgeführt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das definierte Ziel ein strukturiertes, kontrastreiches Muster aus optisch stärker und weniger stark hervorgehobenen Bereichen auf.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, daß ein Objekt, das die virtuelle Barriere durchbricht, unabhängig von seiner eigenen Farbe bzw. seinen Reflexionseigenschaften er­ kannt werden kann. Wenn das eindringende Objekt nämlich opti­ sche Eigenschaften aufweist, die einem der kontrastreichen Mu­ sterbereiche ähneln, wird dieses Objekt vor dem Hintergrund des anderen Musterbereichs erkannt. Insgesamt wird aufgrund dieser Maßnahme die Zuverlässigkeit und Sicherheit der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung erhöht.

In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme beinhaltet das strukturierte Muster Positionsmarken zum Bestim­ men einer aktuellen Position des definierten Ziels.

Aufgrund dieser Maßnahme wird die Installation der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung nochmals erleichtert, da die Bildaufnahme­ einheit die aktuelle Position des definierten Ziels anhand der Positionsmarken per Software besonders einfach bestimmen kann. Hierdurch läßt sich die Genauigkeit, mit der die Bildaufnahme­ einheit mechanisch justiert werden muß, nochmals reduzieren. Ein weiterer Vorteil der genannten Maßnahme ist, daß die Ver­ gleichseinheit die aktuelle Position des definierten Ziels beim Vergleich mit dem Referenzbild berücksichtigen kann, um so bspw. einen leichten Versatz des definierten Ziels zu erkennen.

Hierdurch kann ein Fehlalarm verhindert werden. Auch Vibratio­ nen oder Schwingungen des definierten Ziels oder der Bildauf­ nahmeeinheit können aufgrund dieser Maßnahme in der Vergleichs­ einheit kompensiert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen beinhaltet das strukturierte Muster einen Code zum eindeutigen Identifizieren des definierten Ziels.

Dieser Code kann bspw. in Form eines Barcodes realisiert sein. Die genannte Maßnahme besitzt den Vorteil, daß verschiedene Ziele im Sichtbereich der Bildaufnahmeeinheit eindeutig erkannt und somit einer bestimmten Überwachungfunktion zugeordnet wer­ den können. Darüber hinaus ist aufgrund dieser Maßnahme eine Manipulation der Überwachungsvorrichtung durch Einführen eines "Falschziels" oder durch ein Verschieben des definierten Ziels beträchtlich erschwert. Auch die bereits erwähnte Überwachung von mechanischen Schutzgittern kann hierdurch nochmals verbes­ sert werden, um eine Demontage des Schutzgitters zu verhindern.

In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen ist der hervorgehobene Bereich stärker lichtreflektierend als seine Umgebung.

Das Hervorheben des Bereichs kann hiernach bspw. durch lichtre­ flektierende Folien oder Lackierungen oder auch durch das An­ bringen von Reflektoren, wie bspw. "Katzenaugen", erreicht wer­ den. Die genannte Maßnahme besitzt den Vorteil, daß sich das definierte Ziel auf sehr einfache und kostengünstige Weise rea­ lisieren läßt. Darüber hinaus ist das definierte Ziel in dieser Ausgestaltung rein passiv, so daß hier jeglicher Verkabelungs­ aufwand entfällt.

In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme ist der stärker reflektierende Bereich retroreflektierend.

Retroreflektierende Materialien sind im Stand der Technik an sich bekannt. Es handelt sich dabei um Materialien, die einen Lichtstrahl in die Richtung reflektieren, aus der er auf das entsprechende Material auftrifft. Im Gegensatz dazu reflektie­ ren andere Materialien entweder diffus, d. h. in alle Richtun­ gen, oder entsprechend dem Gesetz "Einfallswinkel gleich Aus­ fallswinkel", d. h. abweichend von der Einfallsrichtung. Die Maßnahme besitzt den Vorteil, daß der Wirkungsgrad der Reflexi­ on besonders hoch ist, wodurch die Vorrichtung besonders gut gegen Fremdlichtstörungen geschützt ist. Ein Beispiel für ein retroreflektierendes Element sind die bereits erwähnten "Katzenaugen", die unter anderem als Rückstrahler bei Kraft­ fahrzeugen Verwendung finden.

In einer alternativen Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnah­ men ist der hervorgehobene Bereich selbstleuchtend.

Dies kann mit aktiv leuchtenden Folien, bspw. Fluoreszenz- Folien, oder auch mit Hilfe von Leuchtdioden realisiert sein. Die Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Vor­ richtung vom Umgebungslicht unabhängig ist und somit auch in dunklen Bereichen verwendet werden kann. Hinzu kommt, daß der Wirkungsgrad der Lichterzeugung besonders gut ist, da das Licht nur den einfachen Weg von dem definierten Ziel zur Bildaufnah­ meeinheit zurücklegen muß.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die ersten Mittel ferner eine Lichtquelle zur Beleuchtung des definierten Ziels auf.

Auch diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die erfindungsge­ mäße Vorrichtung unabhängig vom Umgebungslicht ist. Infolge dessen kann eine sichere Funktion auch in schlecht beleuchteten Bereichen oder beim Ausfall der Umgebungsbeleuchtung gewährlei­ stet werden. Hinzu kommt, daß die Vergleichseinheit hierdurch stets determinierte, gleichbleibende Lichtverhältnisse vorfin­ det, wodurch die Zuverlässigkeit des Vergleichs erhöht ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme ist die Lichtquelle eine Infrarot-Lichtquelle.

Die Verwendung von Infrarot-Lichtquellen, wie bspw. Infrarot- LED's, ist im Stand der Technik an sich bekannt. Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung besitzt die Maßnahme den Vorteil, daß durch die Beleuchtung, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, der umgebende Bereich nicht beeinträchtigt wird. Hinzu kommt, daß durch die Verwendung einer Infrarot- Lichtquelle die Bildaufnahmeeinheit durch Verwendung eines Sperrfilters auf den entsprechenden Frequenzbereich beschränkt werden kann, so daß störende Einflüsse durch Reflexionen des sichtbaren Lichts in der Umgebung reduziert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen ist die Lichtquelle im Bereich der Bildaufnahmeeinheit angeord­ net.

In Verbindung mit der Verwendung von retroreflektierenden Mate­ rialien für das definierte Ziel besitzt diese Maßnahme den Vor­ teil, daß der Wirkungsgrad und damit die Empfindlichkeit der Vorrichtung besonders gut ist. Darüber hinaus kann die Bildauf­ nahmeeinheit in dieser Ausgestaltung der Erfindung als beson­ ders kompakte und daher leicht zu installierende Einheit reali­ siert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Lichtquelle eine Richtcharakteristik, die dem Verlauf des definierten Ziels an­ gepaßt ist.

Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft, wenn das definierte Ziel zur Erzeugung einer flächigen virtuellen Barriere in Form eines länglichen Streifens ausgebildet wird. Bei einer Licht­ quelle ohne Richtcharakteristik ergibt sich in diesem Fall eine sehr ungünstige Energiebilanz im Hinblick auf die vollständige Beleuchtung des definierten Ziels. Hinzu kommt, daß durch eine Lichtquelle mit einer Richtcharakteristik auch störende Refle­ xionen aus der Umgebung verringert werden. Dies wiederum erhöht die Funktionssicherheit der gesamten Vorrichtung.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Lichtquelle licht­ emittierende Halbleiter auf.

Lichtemittierende Halbleiter, sogenannte LED's, sind im Stand der Technik als Lichtquellen an sich bekannt. Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung besitzen sie jedoch den Vorteil, daß ihre hohe Lebensdauer eine besonders zuverlässige und sichere Funktion der Schutzvorrichtung ermöglicht. Dies ist im Hinblick auf den Sicherheitsaspekt, der mit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung verbunden ist, von besonderem Vorteil.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Licht der Lichtquelle moduliert.

Moduliert bedeutet, daß die Intensität der Lichtquelle während des Betriebs bewußt unterschiedlich gesteuert wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird das Licht der Licht­ quelle gepulst, d. h. die Lichtquelle sendet nur einzelne Licht­ impulse aus. Die Maßnahme besitzt den Vorteil, daß störende Re­ flexionen aus dem Umgebungsbereich eliminiert werden können, indem das Referenzbild in der Vergleichseinheit sowohl mit ei­ nem unbeleuchteten als auch mit einem beleuchteten Abbild des definierten Ziels verglichen wird. Dies kann auch mittels einer Differenzbildung erfolgen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Bild­ aufnahmeeinheit eine bildbeeinflussende Optik auf.

Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß das Sichtfeld der Bild­ aufnahmeeinheit gezielt an verschiedene, ggf. wechselnde Umge­ bungsbedingungen angepaßt werden kann. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung hierdurch an weit ausgedehnte und/oder mit Hindernissen bestückte Umgebungen angepaßt werden.

In einer Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme beinhaltet die Optik einen Spiegel, über den das Abbild des definierten Ziels auf die Bildaufnahmeeinheit umgelenkt ist.

Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die Bildaufnahmeeinheit die Fähigkeit erhält, "um die Ecke" zu gucken. Infolge dessen ist es mit der genannten Maßnahme möglich, eine virtuelle Bar­ riere auch dort einzurichten, wo mechanische Hindernisse im Raum vorhanden sind.

In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme ist der Spiegel ein Hohlspiegel.

Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft, da mit einem Hohl­ spiegel der Strahlengang der Lichtstrahlen, die auf die Bild­ aufnahmeeinheit fokussiert sind, zu einem parallelen Strahlen­ gang umgewandelt werden kann. Hierdurch ist es besonders ein­ fach möglich, der virtuellen Barriere eine in etwa rechteckige Fläche zu geben. Darüber hinaus kann mit einem Hohlspiegel ein sehr lang gestreckter Überwachungsbereich realisiert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Optik ein Pris­ ma, über das das Abbild des definierten Ziels auf die Bildauf­ nahmeeinheit umgelenkt ist.

Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft, um mit einer einzigen Bildaufnahmeeinheit verschiedene, voneinander getrennte Berei­ che zu überwachen. Auch mit dieser Maßnahme ist es daher sehr einfach und kostengünstig möglich, bspw. eine rechteckige vir­ tuelle Barriere zu erzeugen.

In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen ist die Optik anamorphotisch.

Eine anamorphotische Optik zeichnet sich dadurch aus, daß der Abbildungsmaßstab der Optik in zwei zueinander und jeweils zur optischen Achse senkrechten Richtungen verschieden ist. Hier­ durch wird das Abbild verzerrt. Im Rahmen der vorliegenden Er­ findung besitzt die Maßnahme den besonderen Vorteil, daß mit nur einer Bildaufnahmeeinheit eine sehr "dünne" und trotzdem sehr langgestreckte und großflächige virtuelle Barriere, insbe­ sondere mit einer rechteckigen Fläche, realisiert werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das definier­ te Ziel linienförmig ausgedehnt.

Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß hierdurch sehr großflä­ chige und gleichzeitig dünne virtuelle Barrieren in der Art ei­ nes Vorhangs erzeugt werden können. Die Linien können dabei auch gekrümmt verlaufen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die zwei­ ten Mittel ferner eine Einrichtung zum nicht-flüchtigen Abspei­ chern des aufgenommenen Abbildes auf.

Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft zur Dokumentation ei­ nes Durchbrechens der virtuellen Barriere, die zwangsläufig da­ zu führt, daß ein Objekt in den abgesicherten Gefahrenbereich eindringt. Bei der Absicherung von Maschinen ist auf diese Wei­ se eine Dokumentation möglich, die zur Erforschung von Unfall­ ursachen und auch im Hinblick auf die Zulassung durch zuständi­ ge Aufsichtsbehörden vorteilhaft ist. Die Maßnahme verleiht der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Funktion, die mit den bisher verwendeten Lichtgittern etc. allein nicht realisierbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ver­ gleichseinheit Mittel zum nicht-flüchtigen Abspeichern einer Anordnung von definierten Zielen auf.

Diese Maßnahme bildet die bereits weiter oben diskutierten Merkmale der Erfindung weiter, mit denen sich der Installa­ tionsaufwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträchtlich re­ duziert. Mit der hier vorliegenden Maßnahme ist es möglich, verschiedene Konfigurationen von virtuellen Barrieren derart abzuspeichern, daß sie für eine bestimmte Betriebsumgebung ein­ fach ausgewählt werden können. Die Maßnahme erhöht daher die Flexibilität der verwendeten Vorrichtung beträchtlich. Darüber hinaus besitzt die Maßnahme den Vorteil, daß hierdurch eine Veränderung der Umgebung in einem Zeitraum, in dem die virtuel­ le Barriere nicht benötigt wird und in dem die Vorrichtung da­ her abgeschaltet ist, zuverlässig erkannt werden kann. Hier­ durch können Fehlfunktionen und daraus folgende Sicherheitslüc­ ken vermieden werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ver­ gleichseinheit Mittel zur Kompensation von Vibrationen des de­ finierten Ziels auf.

Die genannten Mittel können bspw. eine Software beinhalten, die die aktuelle Position des definierten Ziels bestimmt und an­ schließend Veränderungen der aktuellen Position innerhalb vor­ gegebener Toleranzbereiche ignoriert. Die Maßnahme ist beson­ ders vorteilhaft bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung im Bereich schwerer Maschinenanlagen, wie bspw. einer hydraulischen Presse, in deren Umgebung aufgrund der schweren bewegten Maschinenteile zwangsläufig Vibrationen auftreten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ver­ gleichseinheit Mittel zur Kompensation von Verschmutzungen des definierten Ziels auf.

Derartige Mittel beinhalten bspw. einen Speicher, in dem ein Langzeit-Mittelwert der aufgenommenen Abbilder gespeichert wird. Der Vergleich eines aktuell aufgenommenen Abbildes mit diesem Langzeit-Mittelwert ermöglicht es, eine schleichend auf­ tretende Verschmutzung des definierten Ziels von einer Abschat­ tung durch ein Objekt zu unterscheiden. Die Maßnahme ist beson­ ders vorteilhaft, um einen zuverlässigen und fehlerfreien Lang­ zeitbetrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch in staubigen Umgebungen zu gewährleisten. Dabei können aufgrund der genann­ ten Maßnahme fehlerhafte Schaltreaktionen der Vorrichtung ver­ mieden werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ver­ gleichseinheit ein Sperrfilter zur Unterdrückung von Fremdlicht auf.

Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß störende Lichtreflexe oder -blitze aus der Umgebung besonders gut unterdrückt werden. Hierdurch wird die Funktionssicherheit der Vorrichtung erhöht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Ver­ gleichseinheit zweikanalig-redundant aufgebaut.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden Kanäle der Ver­ gleichseinheit diversitär, d. h. mit unterschiedlichen Bauele­ menten realisiert sind. Die genannte Maßnahme besitzt den Vor­ teil, daß hierdurch Fehler bzw. Fehlfunktionen der Vergleich­ seinheit rechtzeitig erkannt werden können, was im Hinblick auf die sicherheitskritische Funktion der virtuellen Barriere von besonderem Vorteil ist. In einer besonders bevorzugten Ausge­ staltung der Erfindung werden die Ergebnisse aus jedem Kanal der Vergleichseinheit mit Hilfe eines Dual-Ported-RAM miteinan­ der verglichen, um einen fehlerfreien Betrieb der gesamten Vor­ richtung zu gewährleisten. Eine derartige Maßnahme ist tech­ nisch besonders einfach und kostengünstig realisierbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die ersten Mittel mehrere Bildaufnahmeeinheiten auf, deren Sichtfelder an­ einander angrenzen.

Mit dieser Maßnahme lassen sich virtuelle Barrieren in beliebi­ ger Ausdehnung und Form erzeugen, so daß eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der Verwendungsmöglichkeiten erreicht wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erzeugen die er­ sten Mitteln mehrere virtuelle Barrieren, die räumlich hinter­ einander gestaffelt sind.

Diese Maßnahme besitzt zum einen den Vorteil, daß eine Absiche­ rung des Gefahrenbereichs auch dann noch gegeben ist, wenn eine der virtuellen Barrieren aufgrund eines Fehlers ausfällt. Zu anderen kann auf diese Weise eine Absicherung mit zunehmender Sicherheitsstufe realisiert werden, beispielsweise zunächst ei­ ne Vorwarnung und erst in der zweiten Stufe eine Abschaltung der Maschine. Die zueinander parallel verlaufenden, gestaffel­ ten Barrieren können aufgrund der Erfindung auf besonderes ein­ fache und kostengünstige Weise mit einer Bildaufnahmeeinheit sowie mehreren definierten Zielen realisiert werden.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht entlang der Linie II-II,

Fig. 3 verschiedene Abbilder des definierten Ziels in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemä­ ßen Bildaufnahmeeinheit,

Fig. 5 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Bild­ aufnahme- und Auswerteeinheit,

Fig. 6-8 Ausführungsbeispiele von definierten Zielen,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines zweiten Aus­ führungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines dritten Aus­ führungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 11 die überwachte Fläche der virtuellen Barriere bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1,

Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel zur Erzeugung einer recht­ eckigen virtuellen Barriere,

Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erzeugung ei­ ner rechteckigen virtuellen Barriere,

Fig. 14 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise einer anamorphotischen Optik,

Fig. 15 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Hohlspiegel,

Fig. 16 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Hohlspiegel,

Fig. 17 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Bildaufnahmeeinheiten, deren Überwachungsbereiche sich ergänzen,

Fig. 18 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Prismen und

Fig. 19 ein Flußdiagramm, das die Funktionsweise der er­ findungsgemäßen Vorrichtung erläutert.

In den Fig. 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.

Die Vorrichtung 10 weist eine kombinierte Bildaufnahme- und Auswerteeinheit 12 auf, die nachfolgend vereinfacht als Kamera bezeichnet wird. Die Kamera 12 nimmt über ein Objektiv 14 das Abbild eines definierten Ziels in Form einer Markierung 16 auf, die nachfolgend anhand der Fig. 6 bis 8 näher erläutert wird.

Mit der Bezugsziffer 18 ist eine Lichtquelle bezeichnet, die im vorliegenden Fall mehrere Infrarot-LED's beinhaltet. Mit der Bezugsziffer 20 sind einzelne Lichtstrahlen bezeichnet, die von der Markierung 16 zur Kamera 12 reflektiert werden. Mit der Be­ zugsziffer 22 ist der Lichtkegel bezeichnet, der von der Licht­ quelle 18 ausgeht und der die Markierung 16 derart beleuchtet, daß die reflektierten Lichtstrahlen 20 die Kamera 12 erreichen.

Wie anhand der Darstellung in den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, besitzt die Lichtquelle 18 eine Richtcharakteristik derart, daß der Lichtkegel 22 in etwa auf die Ausdehnung der Markierung 16 fokussiert ist. Bei der hier linienförmigen, länglichen Markie­ rung 16 ist dies dadurch realisiert, daß die Lichtquelle 18 einzelne, parallel zur Ausdehnung der Markierung 16 nebeneinan­ der angeordnete LED's besitzt.

Mit der Bezugsziffer 24 ist ein Stab bezeichnet, der derart in den Raumbereich zwischen der Kamera 12 und der Markierung 16 gehalten wird, daß er zumindest einige der Lichtstrahlen 20 un­ terbricht und daher das von der Kamera 12 aufgenommene Abbild der Markierung 16 verändert.

Mit der Bezugsziffer 26 ist in Fig. 2 ein Gefahrenbereich be­ zeichnet, der eine Maschine 28 in Form eines Roboterarms kreis­ förmig umgibt.

Die Lichtstrahlen 20, mit denen die Kamera 12 das Abbild der Markierung 16 aufnimmt, bilden in Kombination mit der nachfol­ gend näher erläuterten Auswertung eine virtuelle Barriere 30, deren Durchbrechen mit einem Gegenstand oder von einer Person detektiert werden kann.

In Fig. 3 sind beispielhaft vier verschiedene Abbilder 34a bis 34d gezeigt, die die Kamera 12 in unterschiedlichen Situationen von der Markierung 16 aufnimmt. Das Abbild 34a zeigt die Mar­ kierung 16 im Ausgangszustand nach dem Inbetriebnehmen der Vor­ richtung 10. Das Abbild 34a entspricht damit dem Referenzbild, mit dem die nachfolgend aufgenommenen Abbilder der Markierung 16 zur Überwachung der virtuellen Barriere 30 verglichen wer­ den.

In dem Abbild 34b ist die Markierung 16 im Vergleich zum Abbild 34a verschoben. Eine derartige Verschiebung kann das Ergebnis einer Momentaufnahme sein, wenn die Markierung 16 bspw. auf­ grund von schweren Bewegungen der Maschine 28 vibriert. Der in diesem Fall auftretende Versatz der Markierung 16 muß sich je­ doch innerhalb vorgegebener Grenzen bewegen. Überschreitet der Versatz diese vorgegebenen Grenzen oder findet keine Vibrati­ onskompensation bei der Auswertung des aufgenommenen Abbildes 34 statt, stellt die Auswerteeinheit der Kamera 12 fest, daß das Abbild 34b nicht dem erwarteten Referenzbild gemäß Abbild 34a entspricht. Dies kann bspw. das Ergebnis einer unbeabsich­ tigten oder auch einer bewußt manipulierenden Verschiebung der Markierung 16 sein. In beiden Fällen wird die Auswerteeinheit der Kamera 12 ein Schalt- oder Alarmsignal generieren.

In dem Abbild 34c ist die Markierung 16 vollständig verschwun­ den. Dies kann bspw. die Folge einer zu starken Verschmutzung der Markierung 16 oder eines Ausfalls der Lichtquelle 18 sein. In jedem Fall deutet die Abweichung des Abbildes 34c von dem Referenzbild gemäß Abbild 34a auf eine Funktionsstörung hin, die die Sicherheit der virtuellen Barriere 30 gefährdet. Auch in diesem Fall wird die Auswerteeinheit der Kamera 12 daher ein Schaltsignal generieren.

In dem Abbild 34d ist die Markierung 16 durch den Stab 24 über­ lagert. Auch diese Situation bedeutet eine Veränderung gegen­ über dem Referenzbild gemäß Abbild 34a. Die Auswerteeinheit der Kamera 12 wird daher auch in diesem Fall ein Schalt- oder Alarmsignal erzeugen. An diesem Beispiel wird deutlich, daß die Kamera 12 ein Durchbrechen der virtuellen Barriere 30 durch Vergleich des aufgenommenen Abbildes 34d mit dem erwarteten Re­ ferenzbild detektieren kann.

Bei der Beschreibung der nachfolgenden Figuren bezeichnen glei­ che Bezugszeichen dieselben Elemente, die bereits anhand der vorhergehenden Fig. 1 bis 3 erläutert wurden.

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführung der Kamera 12 darge­ stellt, bei der die Lichtquelle 18 einzelne Infrarot-LED's auf­ weist, die konzentrisch zu dem Objektiv 14 der Kamera angeord­ net sind. Des weiteren ist bei diesem Ausführungsbeispiel die gesamte Bildaufnahme- und Auswerteelektronik innerhalb des Ge­ häuses 38 der Kamera 12 untergebracht.

Wie anhand des Blockschaltbildes in Fig. 5 zu erkennen ist, weist die Kamera 12 zusätzlich zu den bereits erläuterten Kom­ ponenten eine Steuerschaltung 42 sowie im vorliegenden Fall zwei zueinander redundante Vergleichseinheiten 44a und 44b auf. Die Steuerschaltung 42 steuert die Lichtquelle 18, die im vor­ liegenden Fall gepulst moduliert ist. Dies ist beispielhaft an­ hand eines Lichtblitzes 46 dargestellt.

Die Steuerschaltung 42 steuert des weiteren die eigentliche Bildaufnahme und ist zu diesem Zweck mit einem flächigen Bild­ sensor 48 mit einer Vielzahl von hier nicht dargestellten Bild­ punkten verbunden. Der Bildsensor 48 ist beispielhaft ein CCD- Bildsensor (Charge Coupled Device). Alternativ kann es sich hier um einen Bildsensor in CMOS-Technologie handeln.

Schließlich ist die Steuerschaltung 42 mit zwei zueinander red- undanten Prozessoren 50a und 5Gb verbunden, denen sie die Si­ gnale des Bildsensors 48 sowie weitere Steuerinformationen zu­ führt. Die Prozessoren 50a, 50b bilden jeweils den Kern der Vergleichseinheiten 44a, 44b.

Mit der Bezugsziffer 52a, 52b ist jeweils ein Speicher bezeich­ net, in dem jeweils eine für das Abbild 34 der Markierung 16 charakteristische Größe abgelegt ist. Die charakteristische Größe kann bspw. sämtliche Bildpunkte des Referenzbildes ent­ sprechend dem Abbild 34a beinhalten. Alternativ hierzu sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch nur charakteristische Merkmale, die aus dem Referenzbild der Markierung 16 extrahiert sind, abgelegt.

Mit der Bezugsziffer 54a, 54b ist jeweils ein nicht-flüchtiger Speicher bezeichnet, in dem die Vergleichseinheiten 44a, 44b das zuletzt aufgenommene Abbild 34 abspeichern, wenn sie ein Durchbrechen der virtuellen Barriere 30 detektieren. Das ge­ speicherte Abbild kann später zur Auswertung von möglichen Un­ fallursachen oder zur Dokumentation verwendet werden. Darüber hinaus können in den nicht-flüchtigen Speichern 54a, 54b Konfi­ gurationen verschiedener Markierungen 16 im Sichtfeld der Kame­ ra 12 abgespeichert sein, die wahlweise aktivierbar sind.

Mit der Bezugsziffer 56 ist eine Schnittstelle an ein sicheres Bussystem bezeichnet. Hierüber kann die Kamera 12 in ein beste­ hendes Sicherheitssystem eingebunden werden. Darüber hinaus ist über diese Schnittstelle 56 die Kamera 12 konfigurierbar und es können Schalt- oder Alarmsignale übertragen werden.

Mit der Bezugsziffer 58 ist ein Schalt- und/oder Alarmsignal bezeichnet, das von jeder der Vergleichseinheiten 44a, 44b aus­ gelöst wird, wenn entweder ein Durchbrechen der virtuellen Bar­ riere 30 detektiert wird oder wenn ein Fehler innerhalb der Ka­ mera 12 festgestellt wird. Zur gegenseitigen Überwachung und Kontrolle der Vergleichseinheiten 44a, 44b sind die beiden Pro­ zessoren 50a, 50b über ein Dual-Ported-RAM verbunden. Hierbei handelt es sich um einen Speicher, auf den jeder der beiden Prozessoren 50a, 50b zugreifen kann, so daß ein Abgleich der abgelegten Daten stattfinden kann. Das Dual-Ported-RAM ist hier durch einen Pfeil 60 dargestellt.

Abweichend von dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt die Kamera 12 in anderen Ausführungsbeispielen zwei zueinander redundante Bildsensoren 48 sowie zueinander redundante Licht­ quellen 18. Die beiden Bildsensoren 48 sind dann entweder mit jeweils einer eigenen Optik versehen oder mit einer gemeinsamen Stereooptik kombiniert.

In den Fig. 6 bis 8 sind Ausführungsbeispiele der Markierung 16 näher dargestellt. Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Markierung 16 ein strukturiertes, kontrastreiches Mu­ ster aus stark reflektierenden Bereichen 66 und schwach reflek­ tierenden Bereichen 68 aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 6 ist die Markierung 16 linienförmig ausgedehnt und be­ sitzt einen länglichen, linienförmigen Bereich 66, der stark reflektierend ist. Dieser Bereich besteht hier aus einer retro­ reflektierenden Folie. Der umgebende Bereich 68 ist schwach re­ flektierend und besteht aus einer sehr dunklen Folie. Mit der Bezugsziffer 70 sind zwei reflektierende Positionsmarken be­ zeichnet, die sich ebenfalls kontrastreich von dem dunklen Be­ reich 68 abheben. Die Positionsmarken 70 sind in einem defi­ nierten Abstand zueinander angeordnet und ermöglichen eine ex­ akte Positionsbestimmung der Markierung 16.

In Fig. 7 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine kreis- bzw. punktförmige Markierung 16 dargestellt. Sie besitzt einen stark reflektierenden Zentralbereich 72 sowie konzentrisch dazu ange­ ordnete, ebenfalls stark reflektierende Winkelmarken 74. Der Bereich 68, der den Zentralbereich 72 sowie die Winkelmarken 74 umgibt, ist schwach reflektierend. Die Bogenlänge der Winkel­ marken 74 stellt einen Code dar, mit dem die Markierung 16 in diesem Ausführungsbeispiel gegenüber anderen, ähnlichen Markie­ rungen 16 unterscheidbar ist. Im übrigen ist mit Hilfe der Mar­ kierung 16 gemäß Fig. 7 die Erzeugung einer virtuellen Barriere möglich, deren Form in etwa derjenigen einer Lichtschranke ent­ spricht. Alternativ hierzu können jedoch eine Vielzahl von punktförmigen Markierungen 16 entsprechend Fig. 7 zu einer li­ nienförmigen Markierung aneinander gereiht werden.

In Fig. 8 ist ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbei­ spiels einer linienförmigen, länglich ausgedehnten Markierung 16 dargestellt. Zusätzlich zu dem bereits erläuterten, stark reflektierenden Bereich 66 sowie dem schwach reflektierenden Bereich 68 besitzt diese Markierung 16 einen Barcode 76, der durch eine definierte Abfolge von stark und schwach reflektie­ renden Bereichen gebildet ist. Mit Hilfe des Barcodes 76 ist die Markierung 16 dieses Ausführungsbeispiels eindeutig von an­ deren Markierungen im Sichtfeld der Kamera 12 unterscheidbar.

Sämtlichen gezeigten Markierungen 16 ist gemeinsam, daß auf­ grund der Kombination eines stark und eines schwach reflektie­ renden Bereichs das Durchbrechen der virtuellen Barriere 30 mit unterschiedlich stark reflektierenden Objekten detektierbar ist. Handelt es sich bspw. um ein Objekt, das selbst eine stark reflektierende Oberfläche aufweist, besteht die Möglichkeit, daß dieses Objekt von der Kamera 12 vor dem Hintergrund der stark reflektierenden Bereiche 66 nicht detektiert wird. In diesem Fall erkennt die Kamera 12 dieses Objekt jedoch vor dem Hintergrund der schwach reflektierenden Bereiche 68. Umgekehrt wird ein eher dunkles Objekt leicht vor dem Hintergrund der stark reflektierenden und daher hellen Bereiche 66 erkannt.

In einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Markierung 16 zumindest zwei parallel zueinander ver­ laufende, stark reflektierende Bereiche 66 auf, die durch zu­ mindest einen schwach reflektierenden Bereich 68 voneinander getrennt sind. Mit einer solchen Anordnung kann die Bewegungs­ richtung eines Objektes, das die virtuelle Barriere 30 durch­ bricht, festgestellt werden.

In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die stark reflektierenden Bereiche 66 der Markierungen 16 mit Hilfe von reflektierenden Lacken oder mit Hilfe von aktiv leuchtenden Elementen, bspw. Leuchtfolien oder LED-Bändern realisiert.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 80, in dem die Kamera 12 senkrecht oberhalb eines Bodens 82 angeordnet ist. An einer Seite befindet sich eine Wand 84, die einen Zugang zu einem Gefahrenbereich unterhalb der Kamera 12 verhindert. Die übrigen drei Seiten, von denen aus ein Zugang in den Gefahrenbereich möglich ist, sind durch eine virtuelle Barriere 30 abgesichert. Hierzu befindet sich am Boden 82 eine U-förmige Markierung 16, deren offene Seite an der Wand 84 liegt. Insgesamt wird so eine pyramidenförmige, virtuelle Barriere 30 erzeugt, die den Zugang zu dem Gefahren­ bereich von drei Seiten her absichert. Die vierte Seite wird durch die Wand 84 abgesichert.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Vorrichtung 86. In diesem Fall verläuft die virtu­ elle Barriere 30 in etwa waagerecht und parallel zum Boden 82. Zur Realisierung ist eine Markierung 16 L-förmig an zwei senk­ recht zusammenlaufenden Wänden 84 angeordnet. Die Kamera 12 be­ findet sich in Höhe der Markierung 16 diagonal gegenüber von der Ecke 87 der beiden Wände 84.

Eine Besonderheit bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, daß hier die beiden Schenkel 88, 90 der L-förmigen Markie­ rung gegenseitig als Referenzbild verwendet werden können. Be­ vorzugt wird jedoch auch in diesem Fall eine für das Referenz­ bild charakteristische Größe im Speicher 52 der Kamera 12 ver­ wendet.

In Fig. 11 ist zur Erläuterung der nachfolgenden Figuren noch­ mals die virtuelle Barriere 30 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 dargestellt. Wie zu erkennen ist, besitzt die virtuelle Barriere 30 in dieser Anordnung eine dreieckige Form.

Häufig wird zur Absicherung eines Gefahrenbereichs jedoch nicht ein dreieckiger Schutz, sondern eher ein rechteckiger Schutz benötigt. Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen daher Möglichkeiten, wie auf der Basis der vorliegenden Erfindung auch rechteckige virtuelle Barrieren 30 erzeugt werden können.

In Fig. 12 ist die Kamera 12 oberhalb einer U-förmig verlaufen­ den Markierung 16 angeordnet. Der Öffnungswinkel der Kamera 12 beträgt dabei 180°, d. h. das Sichtfeld der Kamera 12 erfaßt die gesamte U-förmige Markierung 16. Wie zu erkennen ist, wird hierdurch eine rechteckige virtuelle Barriere 30 erzeugt.

In Fig. 13 ist eine Anordnung gezeigt, die in etwa dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 10 entspricht. Es versteht sich, daß diese Anordnung nicht nur zur Erzeugung einer waagerecht ver­ laufenden Barriere 30 verwendet werden kann. Die Markierung 16 ist im vorliegenden Fall L-förmig und die Kamera 12 ist diago­ nal gegenüber von dem Eckpunkt der L-förmigen Markierung 16 an­ geordnet. Auch mit dieser Ausführung wird eine rechteckige vir­ tuelle Barriere 30 erzeugt.

Eine Schwierigkeit bei dieser Anordnung wie auch bei der Anord­ nung gemäß Fig. 12 ist, daß hier ein sehr großer Längenbereich der Markierung 16 überwacht werden muß. In Fig. 14 ist dieser Längenbereich "abgewickelt" dargestellt, wie er von der Kamera 12 aufgenommen wird. Wenn die beiden Schenkel der L-förmigen Markierung 16 die Abmessungen H und B aufweisen, ist der insge­ samt wirksame, von der Kamera 12 aufgenommene Längenbereich 1,41 (B + H). Nimmt man beispielsweise H mit 2 m und B mit 4 m an, beträgt die aufzunehmende Gesamtlänge ca. 8,5 m. Zum Aufbau einer virtuellen Barriere in Form eines dünnen Vorhangs beträgt die Breite der linien- bzw. streifenförmigen Markierung 16 dem­ gegenüber nur wenige Zentimeter, beispielsweise 5 cm. In diesem Fall muß der Bildsensor 48 also in der einen Richtung 8,5 m er­ fassen und gleichzeitig in der Lage sein, in der anderen Rich­ tung 0,5 cm aufzulösen. Um diese Maßstabsunterschiede auszu­ gleichen, besitzt die Kamera 12 in diesem Ausführungsbeispiel eine anamorphotische Optik, die in den beiden genannten Rich­ tungen unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe aufweist. Eine ana­ morphotische Optik wird insbesondere mit Hilfe von Zylinderlin­ sen erreicht.

Alternative Ausführungsbeispiele zur Realisierung einer im we­ sentlichen rechteckigen virtuellen Barriere 30 sind in den Fig. 15 bis 18 dargestellt.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 15 betrachtet die Kamera 12 die Markierung 16 über einen Hohlspiegel 94, d. h. der Strah­ lengang der reflektierten Lichtstrahlen 20 wird auf dem Weg von der Markierung 16 zur Kamera 12 über den Hohlspiegel 94 umge­ lenkt und gebündelt. Die Lichtstrahlen 20 verlaufen daher von der Markierung 16 zum Hohlspiegel 94 zunächst entlang eines pa­ rallelen ersten Strahlengangs 96 und anschließend auf ihrem Weg vom Hohlspiegel 94 zur Kamera 12 entlang eines fokussierten zweiten Strahlengangs 98. Der Hohlspiegel 94 ist dabei symme­ trisch zur optischen Achse 100 der Kamera 12 angeordnet. Bei dieser Ausführung der Erfindung kann die virtuelle Barriere 30 eine sehr große Ausdehnung L bis hin zu 12 m und mehr besitzen.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels ist, daß die Mar­ kierung 16 hier neben oder zumindest im Bereich der Kamera 12 angeordnet ist, was eine besonders effiziente Beleuchtung der Markierung 16 ermöglicht.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16 ist der Hohlspiegel 94 mit der Kamera 12 in einem gemeinsamen Gehäuse 102 angeordnet. Dementsprechend ist der Strahlengang 98 gegenüber dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 15 verkürzt. Diese Ausführung der Er­ findung besitzt gegenüber dem Beispiel gemäß Fig. 15 den Vor­ teil, daß die Justierung der Anordnung bei der Installation un­ kritisch ist. Des weiteren muß das aufgenommene Bild die Strec­ ke L hier nur einmal durchlaufen.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 17 wird eine rechteckige virtuelle Barriere 30 durch eine Kombination von zwei dreiecki­ gen Überwachungsbereichen 104, 106 erzeugt. Jeder der dreiecki­ gen Überwachungsbereiche 104, 106 wird entsprechend der vorlie­ genden Erfindung mit Hilfe einer Kamera 12, 12' sowie einer da­ mit zusammenwirkenden Markierung 16, 16' gebildet. Die beiden Überwachungsbereiche 104, 106, die im vorliegenden Fall durch unterschiedliche Schraffuren gekennzeichnet sind, überlagern sich entlang der Diagonalen des Rechtecks, um eine Lücke inner­ halb der virtuellen Barriere 30 auszuschließen. Diese Ausfüh­ rung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Kameras 12, 12' sehr einfach aufgebaut sein können, da keine zusätzli­ che Optik erforderlich ist.

In Fig. 18 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine rechteckige virtuelle Barriere 30 durch eine Kom­ bination von zwei Überwachungsbereichen 104, 106 gebildet wird. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die beiden Überwachungsbereiche 104, 106 auf jeweils eine Hälf­ te des Bildsensors 48 abgebildet werden. Dies wird mit Hilfe zweier Prismen 108, 110 erreicht, über die das Abbild jeweils eines Schenkels der wiederum L-förmigen Markierung 16 gelenkt wird. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß der Bildsensor 48 über seine Breite hinweg jeweils nur die Hälfte der gesamten Längsausdehnung der Markierung 16 aufnehmen muß, wodurch ein Auflösungsgewinn erreicht wird.

Anhand der Darstellung in Fig. 19 wird der Funktionsablauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung erkennbar. Nach dem Einschalten der Vorrichtung erfolgt im Schritt 120 zunächst ein Selbsttest, um vorhandene Fehler im Hinblick auf den Sicherheitsaspekt der Vorrichtung frühzeitig zu erkennen. Anschließend wird im Schritt 122 das Schaltsignal 58 in den Zustand "rot" versetzt, d. h. die virtuelle Barriere 30 ist noch nicht betriebsbereit. Im Schritt 124 erfolgt eine erste Aufnahme eines Abbildes 34. Im Schritt 126 werden anschließend Markierungen 16 an den im nicht-flüchtigen Speicher 54 abgelegten Positionen gesucht. Wird keine Markierung an den erwarteten Positionen gefunden, verbleibt die Vorrichtung gemäß Schritt 128 im Zustand "rot". Werden hingegen die erwarteten Markierungen gefunden, wird de­ ren Lage, Orientierung und innere Geometrie gemäß Schritt 130 anhand des bekannten Referenzbildes überprüft. Haben sich diese Werte soweit verändert, daß sie außerhalb einer festgelegten Toleranz liegen, verbleibt die Vorrichtung gemäß Schritt 132 weiter im Zustand "rot". Werden demgegenüber die festgelegten Toleranzen eingehalten, erfolgt gemäß Schritt 134 die Überprü­ fung der virtuellen Barriere 30, indem die aufgenommenen Abbil­ der 34 der Markierungen 16 mit den Referenzbildern verglichen werden. Im einzelnen werden die Abbilder 34 der Markierungen 16 dabei auf Abschattungen von einem eindringenden Objekt geprüft. Solange keine Unterbrechungen vorliegen, verbleibt die Vorrich­ tung gemäß den Schritten 136, 138 im Zustand "grün", d. h. der Gefahrenbereich 26 der Maschine 28 ist zuverlässig abgesichert.

Die Installation der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit Hilfe des in Fig. 19 dargestellten Verfahrens ebenfalls einfach durchgeführt werden, da die Vorrichtung gemäß Schritt 126 auto­ matisch nach Markierungen 16 im Sichtfeld der Kamera 12 sucht. Gefundene Markierungen 16 können anschließend im Rahmen eines Konfigurationsmodus in dem nicht-flüchtigen Speicher 54 abge­ legt werden. Darüber hinaus ist jedoch auch ein manuelles Ein­ lernen der Vorrichtung möglich.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das hier nicht dargestellt ist, werden die Lichtstrahlen 20 mit Hilfe eines kugelförmigen Spiegels zur Kamera 12 umgelenkt. Eine der­ artige Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß mit einer Kame­ ra ein kompletter Raumbereich überwacht werden kann.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung, die ebenfalls nicht dargestellt ist, werden mit Hilfe von zwei Kameras 12 zwei vir­ tuelle Barrieren 30 gebildet, die im wesentlichen parallel zu­ einander, d. h. räumlich hintereinander gestaffelt, verlaufen. Die beiden Kameras können dabei in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Alternativ kann hier auch eine Kamera mit einer Stereooptik verwendet werden.

Eine solche Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß auch hin­ sichtlich der Bildaufnahmeeinheit eine Redundanz vorhanden ist. Hierdurch ist es bspw. möglich, eine Abschattung des Objektivs 14 nur einer der beiden Kameras 12, bspw. durch ein Insekt, zu erkennen, ohne daß ein Fehlalarm ausgelöst wird. Außerdem kön­ nen so gestaffelte virtuelle Barrieren 30 mit zunehmender Si­ cherheitsstufe realisiert werden. Für eine vollständige Redun­ danz werden dabei bevorzugt auch zwei definierte Ziele 16 ver­ wendet.

Claims (29)

1. Vorrichtung zur Absicherung eines Gefahrenbereichs (26), insbesondere des Gefahrenbereichs (26) einer automatisiert arbeitenden Maschine (28), mit ersten Mitteln (12, 16, 18) zum Erzeugen einer optisch überwachten, virtuellen Barrie­ re (30) und mit zweiten Mitteln (44a, 44b) zum Erzeugen eines Schaltsignals (56; 58) zum Anhalten der Maschine (28) bei einem Durchbrechen der Barriere (30), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Mittel (12, 16, 18) eine Bildaufnahmeeinheit (12) sowie ein definiertes Ziel (16) aufweisen, dessen Abbild (34a-34d) die Bildaufnahmeein­ heit (12) aufnimmt, und daß die zweiten Mittel eine Ver­ gleichseinheit (44a, 44b) aufweisen, die das aufgenommene Abbild (34a-34d) mit einer für ein Referenzbild charak­ teristischen Größe vergleicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinheit (12) einen flächigen Bildsensor (48) mit einer Vielzahl von Bildpunkten aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das definierte Ziel (16) zumindest einen künstli­ chen Bereich (66; 72, 74) aufweist, der im Vergleich zu seiner Umgebung (68) für die Bildaufnahmeeinheit (12) er­ kennbar hervorgehoben ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das definierte Ziel (16) ein struktu­ riertes, kontrastreiches Muster aus optisch stärker und weniger stark hervorgehobenen Bereichen (66, 68) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das strukturierte Muster Positionsmarken (70) zum Bestim­ men einer aktuellen Position des definierten Ziels (16) beinhaltet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das strukturierte Muster einen Code (74; 76) zum eindeutigen Identifizieren des definierten Ziels beinhal­ tet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der hervorgehobene Bereich (66; 72, 74) stärker lichtreflektierend ist als seine Umgebung (68).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der stärker reflektierende Bereich (66; 72, 74) retrore­ flektierend ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der hervorgehobene Bereich (66; 72, 74) selbstleuchtend ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Mittel (12, 16, 18) ferner eine Lichtquelle (18) zur Beleuchtung des definierten Ziels (16) aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) eine Infrarot-Lichtquelle ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle (18) im Bereich der Bildaufnahme­ einheit (12) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) eine Richtcharak­ teristik besitzt, die dem Verlauf des definierten Ziels (16) angepaßt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) lichtemittierende Halbleiter aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (46) der Lichtquelle (18) moduliert ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinheit (12) eine bild­ beeinflussende Optik (14; 94; 108, 110) aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik einen Spiegel (94) beinhaltet, über den das Ab­ bild (34) des definierten Ziels (16) auf die Bildaufnahme­ einheit (12) umgelenkt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (94) ein Hohlspiegel ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik ein Prisma (108, 110) bein­ haltet, über das das Abbild (34) des definierten Ziels (16) auf die Bildaufnahmeeinheit (12) umgelenkt ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (14) anamorphotisch ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das definierte Ziel (16) linienförmig ausgedehnt ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten Mittel (44a, 44b) ferner ei­ ne Einrichtung (54a, 54b) zum nicht-flüchtigen Abspeichern des aufgenommenen Abbildes (34) aufweisen.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vergleichseinheit (44a, 44b) eine Einrichtung (54a, 54b) zum nicht-flüchtigen Abspeichern einer Anordnung von definierten Zielen (16) aufweist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vergleichseinheit (44a, 44b) Mittel (50a, 50b) zur Kompensation von Vibrationen des definier­ ten Ziels (16) aufweist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vergleichseinheit (44a, 44b) Mittel (50a, 50b) zur Kompensation von Verschmutzungen des defi­ nierten Ziels (16) aufweist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vergleichseinheit (44a, 44b) ein Sperrfilter zur Unterdrückung von Fremdlicht aufweist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vergleichseinheit (44a, 44b) zweika­ nalig-redundant aufgebaut ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Mittel (12, 16, 18) mehrere Bildaufnahmeeinheiten (12, 12') aufweisen, deren Sichtfel­ der aneinandergrenzen.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Mitteln (12, 16, 18) mehrere virtuelle Barrieren (30) erzeugen, die räumlich hinterein­ ander gestaffelt sind.