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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absicherung
eines Gefahrenbereichs, insbesondere des Gefahrenbereichs einer
automatisiert arbeitenden Maschine, mit ersten Mitteln zum Erzeugen
einer optischen überwachten,
virtuellen Barriere und mit zweiten Mitteln zum Erzeugen eines Schaltsignals
zum Anhalten der Maschine bei einem Durchbrechen der Barriere, wobei
die ersten Mittel eine Bildaufnahmeeinheit sowie ein definiertes
Ziel aufweisen, dessen Abbild die Bildaufnahmeeinheit aufnimmt,
und wobei die zweiten Mittel eine Vergleichseinheit aufweisen, die
das aufgenommene Abbild mit einer für ein Referenzbild charakteristischen
Größe vergleicht,
wobei ferner das definierte Ziel ein strukturiertes, kontrastreiches
Muster aus optisch stärker
und weniger stark hervorgehobenen Bereichen aufweist.
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Des
weiteren sind Vorrichtungen zum Absichern von Gefahrenbereichen
in Form von Lichtschranken, Lichtvorhängen oder Lichtgittern bekannt.
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Die
Barriere, die mit Hilfe der ersten Mittel erzeugt wird, wird im
Hinblick auf die vorliegende Erfindung als virtuell bezeichnet,
da sie kein reales, mechanisches Hindernis wie bspw. einen Zaun
oder ein Schutzgitter beinhalten muß. Ein Durchbrechen der virtuellen
Barriere kann allein aufgrund der optischen Überwachung detektiert werden.
Bei den bekannten Barrieren dieser Art mit Lichtschranken, Lichtvorhängen oder
Lichtgittern 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 erwartete Lichtstrahl ausbleibt. Bei Lichtschranken
etc. ist es ebenfalls 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.
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Charakteristisch
an Schutzvorrichtungen mit Lichtschranken etc. ist, daß sie zur Überwachung
einer flächig
ausgedehnten, virtuellen Barriere eine Vielzahl von im Regelfall
parallel zueinander verlaufenden 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 Lichtgitter 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 Lichtstrahlen
ein Durchbrechen der Barriere detektieren. In einem solchen Fall
ist eine große
Anzahl von parallel zueinander angeordneten Sende- und Empfangselementen
notwendig, um das Durchbrechen eines einzelnen Lichtstrahls zu detektieren.
Die bekannten Anordnungen erfordern daher einen unter Umständen beträchtlichen
Installationsaufwand. Andere Vorschriften betreffen 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 benötigt.
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Der
Installationsaufwand von Vorrichtungen mit Lichtschranken ist zusätzlich dadurch
vergrößert, daß die einzelnen
Lichtstrahlen sehr exakt zwischen dem Sender und Empfänger ausgerichtet
werden müssen.
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Ein
weiterer Nachteil von Vorrichtungen mit Lichtschranken ist deren
geringe Flexibilität.
Da die Fläche
und Orientierung der virtuellen 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. Generell läßt sich feststellen, daß bei Lichtschranken
und dgl. die Form und Ausrichtung der virtuellen Barriere stets
durch die tatsächliche
Anordnung der Sende- und Empfangselemente bestimmt wird.
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Schließlich sind
Vorrichtungen mit Lichtschranken 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
vorliegen. In derartigen Umgebungen treten Lichtimpulse auf, die
die Schutzvorrichtung in der Hinsicht stören können, daß ein gleichzeitig stattfindendes
Durchbrechen der virtuellen Barriere nicht erkannt wird.
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Zur
Vermeidung der genannten Probleme mit Lichtschranken und dergleichen
ist in der eingangs genannten
DE 196 44 278 A1 eine gattungsgemäße Überwachungseinrichtung
mit einer Bildaufnahmeeinheit, d.h. einer Kamera, beschrieben. Die Bildaufnahmeeinheit
nimmt das Abbild eines definierten Ziels auf, das in diesem Fall
aus einem strukturierten Muster von hellen und dunklen Bereichen
besteht. Ein solches Ziel wird nachfolgend auch als kooperatives
Ziel bezeichnet.
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Eine
Abweichung des aufgenommenen Abbildes von dem Referenzbild wird
insbesondere durch ein Objekt hervorgerufen, das im Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit
zumindest einen Teil des definierten 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 Barriere erzeugen.
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Die
charakteristische Größe kann
das Referenzbild insgesamt beinhalten. Alternativ kann sie auch
auf ein oder mehrere charakteristische Merkmale beschränkt sein,
die aus dem Referenzbild extrahiert werden können. Zudem können das
Referenzbild oder seine charakteristischen Merkmale in einem Speicher
der Vergleichseinheit abgespeichert sein. Alternativ hierzu ist
es möglich,
den Vergleich in bezug zu einer externen Referenz durchzuführen.
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Die
gattungsgemäße Vorrichtung
mit einer Kamera ist in mehrfacher Hinsicht sehr flexibel. So wird
bspw. die Form und Ausrichtung der virtuellen Barriere nicht mehr
durch eine feste mechanische Anordnung von Sende- bzw. Empfangselementen bestimmt,
sondern vor allem durch die Ausdehnung und Lage des definierten
Ziels innerhalb des Sichtfeldes der Bildaufnahmeeinheit. Hierdurch
ist es möglich,
bei unveränderter
Position und Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit allein durch eine
Veränderung des
definierten Ziels die Form oder Lage der virtuellen Barriere zu
verändern.
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Darüber hinaus
können
durch eine entsprechende Ausgestaltung des definierten Ziels nahezu beliebig
geformte, auch krummlinige virtuelle Barrieren erzeugt werden.
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Bei
mehreren definierten Zielen im Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit
kann eines durch eine entsprechende Auswahl in der Vergleichseinheit
bestimmt werden. Dies kann allein durch eine Änderung in einer Software der
Vergleichseinheit, also ohne mechanischen Installationsaufwand,
geschehen. Infolge dessen kann eine solche Vorrichtung sehr einfach
und schnell an neue Aufgaben angepaßt werden.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
mit einer einzigen Bildaufnahmeeinheit mehrere definierte Ziele gleichzeitig
zu überwachen.
Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit,
mehrere virtuelle Barrieren zu erzeugen, die gemeinsam oder alternativ
zueinander verwendet werden. Bspw. können so mehrere hintereinander angeordnete
virtuelle Barrieren mit zunehmender Sicherheitspriorität erzeugt
und wahlweise aktiviert werden. Des weiteren können mehrere, voneinander unabhängige Gefahrenbereiche
mit nur einer Bildaufnahmeeinheit in Kombination mit mehreren definierten
Zielen überwacht
werden.
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Der
Installationsaufwand ist geringer als mit Lichtschranken. Es genügt nämlich, die
Bildaufnahmeeinheit grob auszurichten, so daß sich das definierte Ziel
in deren Sichtfeld befindet. Eine exakte Ausrichtung, wie bei einer
Lichtschranke erforderlich, wird hier nicht benötigt, da die Bildaufnahmeeinheit das
definierte Ziel mit Hilfe an sich bekannter Verfahren der Bildbearbeitung
auch dann identifizieren kann, wenn seine Position nicht exakt bekannt
ist. Hinzu kommt, daß das
definierte Ziel technisch sehr einfach realisierbar ist, wie anhand
der nachfolgenden Beschreibung erläutert wird. So können als
definiertes Ziel bspw. reflektierende 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 Installationsaufwand und die damit verbundenen Kosten nur geringfügig mit
zunehmender Größe der virtuellen
Barriere.
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Die
bekannte Vorrichtung ist jedoch hinsichtlich des Installationsaufwandes
und auch hinsichtlich der Robustheit im Betrieb noch nicht optimal.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art weiterzubilden, um den Installationsaufwand
weiter zu verringern und die Vorrichtung robuster gegen Fehlalarme
und/oder Manipulationen zu machen.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, daß das strukturierte
Muster Positionsmarken zum Bestimmen einer aktuellen Position des
definierten Ziels beinhaltet.
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Aufgrund
dieser Maßnahme
wird die Installation der erfindungsgemäßen Vorrichtung erleichtert, da
die Bildaufnahmeeinheit die aktuelle Position des definierten Ziels
anhand der Positionsmarken per Software besonders einfach bestimmen
kann. Hierdurch läßt sich
die Genauigkeit, mit der die Bildaufnahmeeinheit mechanisch justiert
werden muß, nochmals
reduzieren. Ein weiterer Vorteil der genannten Maßnahme ist,
daß die
Vergleichseinheit die aktuelle Position des definierten Ziels beim
Vergleich mit dem Referenzbild berücksichtigen kann, um so bspw.
einen leichten Versatz des definierten Ziels zu erkennen.
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Hierdurch
kann ein Fehlalarm verhindert werden. Auch Vibrationen oder Schwingungen
des definierten Ziels oder der Bildaufnahmeeinheit können aufgrund
dieser Maßnahme
in der Vergleichseinheit kompensiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann zudem sehr gut 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.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Bildaufnahmeeinheit
einen flächigen
Bildsensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten auf.
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Der
Bildsensor kann bspw. in CCD- oder CMOS-Technologie aufgebaut 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 definierten
Ziels wird vielmehr mit sämtlichen
Bildpunkten gemeinsam aufgenommen. Dies besitzt den Vorteil, daß der Ausfall
eines oder auch mehrerer einzelner Bildpunkte des Bildsensors nicht
zwangsläufig
zur Folge hat, daß in
der virtuellen Barriere eine Lücke
entsteht.
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Je
größer die
Anzahl der Bildpunkte des Bildsensors bei gleicher Größe des überwachten
Bereichs ist, desto größer ist
die Auflösung
der Bildaufnahmeeinheit. Da hierdurch auch die Genauigkeit des Abbildes
erhöht
wird, wird durch eine Vielzahl von Bildpunkten die Genauigkeit und
auch die Flexibilität
der Vorrichtung gesteigert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist das definierte Ziel zumindest
einen künstlichen
Bereich auf, der im Vergleich zu seiner Umgebung für die Bildaufnahmeeinheit
erkennbar hervorgehoben ist.
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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 definiert 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 reduzieren sich der Aufwand und
die Kosten bei der Realisierung der Vergleichseinheit, und der Vergleich
des Abbildes mit dem Referenzbild kann schneller und zuverlässiger durchgeführt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist das definierte Ziel ein strukturiertes,
kontrastreiches Muster aus optisch stärker und weniger stark hervorgehobenen
Bereichen auf.
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Bei
dieser Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, daß ein Objekt,
das die virtuelle Barriere durchbricht, unabhängig von seiner eigenen Farbe bzw.
seinen Reflexionseigenschaften erkannt werden kann. Wenn das eindringende
Objekt nämlich optische
Eigenschaften aufweist, die einem der kontrastreichen Musterbereiche ähneln, wird
dieses Objekt vor dem Hintergrund des anderen Musterbereichs erkannt.
Insgesamt wird aufgrund dieser Maßnahme die Zuverlässigkeit
und Sicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erhöht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen
beinhaltet das strukturierte Muster einen Code zum eindeutigen Identifizieren des
definierten Ziels.
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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 werden 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 verbessert
werden, um eine Demontage des Schutzgitters zu verhindern.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen
ist der hervorgehobene Bereich stärker lichtreflektierend als
seine Umgebung.
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Das
Hervorheben des Bereichs kann hiernach bspw. durch lichtreflektierende
Folien oder Lackierungen oder auch durch das Anbringen von Reflektoren,
wie bspw. "Katzenaugen", erreicht werden. Die
genannte Maßnahme
besitzt den Vorteil, daß sich
das definierte Ziel auf sehr einfache und kostengünstige Weise
realisieren läßt. Darüber hinaus
ist das definierte Ziel in dieser Ausgestaltung rein passiv, so
daß hier
jeglicher Verkabelungsaufwand entfällt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme ist
der stärker
reflektierende Bereich retroreflektierend.
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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 reflektieren andere Materialien entweder diffus,
d.h. in alle Richtungen, oder entsprechend dem Gesetz "Einfallswinkel gleich
Ausfallswinkel",
d.h. abweichend von der Einfallsrichtung. Die Maßnahme besitzt den Vorteil,
daß der
Wirkungsgrad der Reflexion 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 Kraftfahrzeugen Verwendung finden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen
ist der hervorgehobene Bereich selbstleuchtend.
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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 Vorrichtung 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 Bildaufnahmeeinheit
zurücklegen
muß.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die ersten Mittel
ferner eine Lichtquelle zur Beleuchtung des definierten Ziels auf.
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Auch
diese Maßnahme
besitzt den Vorteil, daß die
erfindungsgemäße Vorrichtung
unabhängig vom
Umgebungslicht ist. Infolge dessen kann eine sichere Funktion auch
in schlecht beleuchteten Bereichen oder beim Ausfall der Umgebungsbeleuchtung gewährleistet
werden. Hinzu kommt, daß die
Vergleichseinheit hierdurch stets determinierte, gleichbleibende
Lichtverhältnisse
vorfindet, wodurch die Zuverlässigkeit
des Vergleichs erhöht
ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme ist
die Lichtquelle eine Infrarot-Lichtquelle.
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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.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen
ist die Lichtquelle im Bereich der Bildaufnahmeeinheit angeordnet.
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In
Verbindung mit der Verwendung von retroreflektierenden Materialien
für das
definierte Ziel besitzt diese Maßnahme den Vorteil, daß der Wirkungsgrad
und damit die Empfindlichkeit der Vorrichtung besonders gut ist.
Darüber
hinaus kann die Bildaufnahmeeinheit in dieser Ausgestaltung der
Erfindung als beson ders kompakte und daher leicht zu installierende
Einheit realisiert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Lichtquelle eine Richtcharakteristik,
die dem Verlauf des definierten Ziels angepaßt ist.
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Diese
Maßnahme
ist besonders vorteilhaft, wenn das definierte Ziel zur Erzeugung
einer flächigen
virtuellen Barriere in Form eines länglichen Streifens ausgebildet
wird. Bei einer Lichtquelle 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 Reflexionen
aus der Umgebung verringert werden. Dies wiederum erhöht die Funktionssicherheit
der gesamten Vorrichtung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist die Lichtquelle lichtemittierende
Halbleiter auf.
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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 Vorrichtung
verbunden ist, von besonderem Vorteil.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das Licht der Lichtquelle moduliert.
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Moduliert
bedeutet, daß die
Intensität
der Lichtquelle während
des Betriebs bewußt
unterschiedlich gesteuert wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
wird das Licht der Lichtquelle gepulst, d.h. die Lichtquelle sendet
nur einzelne Lichtimpulse aus. Die Maßnahme besitzt den Vorteil, daß störende Reflexionen
aus dem Umgebungsbereich eliminiert werden können, indem das Referenzbild
in der Vergleichseinheit sowohl mit einem unbeleuchteten als auch
mit einem beleuchteten Abbild des definierten Ziels verglichen wird.
Dies kann auch mittels einer Differenzbildung erfolgen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Bildaufnahmeeinheit
eine bildbeeinflussende Optik auf.
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Diese
Maßnahme
besitzt den Vorteil, daß das
Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit gezielt an verschiedene, ggf.
wechselnde Umgebungsbedingungen angepaßt werden kann. Insbesondere
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
hierdurch an weit ausgedehnte und/oder mit Hindernissen bestückte Umgebungen
angepaßt
werden.
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In
einer Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme beinhaltet die Optik
einen Spiegel, über den
das Abbild des definierten Ziels auf die Bildaufnahmeeinheit umgelenkt
ist.
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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 Barriere auch
dort einzurichten, wo mechanische Hindernisse im Raum vorhanden
sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme ist
der Spiegel ein Hohlspiegel.
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Diese
Maßnahme
ist besonders vorteilhaft, da mit einem Hohlspiegel der Strahlengang
der Lichtstrahlen, die auf die Bildaufnahmeeinheit fokussiert sind,
zu einem parallelen Strahlengang umgewandelt werden kann. Hierdurch
ist es besonders einfach möglich,
der virtuellen Barriere eine in etwa rechteckige Fläche zu geben.
Darüber
hinaus kann mit einem Hohlspiegel ein sehr lang gestreckter Überwachungsbereich
realisiert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Optik ein Prisma, über das
das Abbild des definierten Ziels auf die Bildaufnahmeeinheit umgelenkt ist.
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Diese
Maßnahme
ist besonders vorteilhaft, um mit einer einzigen Bildaufnahmeeinheit
verschiedene, voneinander getrennte Bereiche zu überwachen. Auch mit dieser
Maßnahme
ist es daher sehr einfach und kostengünstig möglich, bspw. eine rechteckige
virtuelle Barriere zu erzeugen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen
ist die Optik anamorphotisch.
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Eine
anamorphotische Optik zeichnet sich dadurch aus, daß der Abbildungsmaßstab der
Optik in zwei zueinander und jeweils zur optischen Achse senkrechten
Richtungen verschieden ist. Hierdurch wird das Abbild verzerrt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besitzt die Maßnahme den
besonderen Vorteil, daß mit
nur einer Bildaufnahmeeinheit eine sehr "dünne" und trotzdem sehr
langgestreckte und großflächige virtuelle
Barriere, insbesondere mit einer rechteckigen Fläche, realisiert werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das definierte Ziel
linienförmig
ausgedehnt.
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Diese
Maßnahme
besitzt den Vorteil, daß hierdurch
sehr großflächige und
gleichzeitig dünne virtuelle
Barrieren in der Art eines Vorhangs erzeugt werden können. Die
Linien können
dabei auch gekrümmt
verlaufen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die zweiten Mittel
ferner eine Einrichtung zum nicht-flüchtigen Abspeichern des aufgenommenen
Abbildes auf.
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Diese
Maßnahme
ist besonders vorteilhaft zur Dokumentation eines Durchbrechens
der virtuellen Barriere, die zwangsläufig dazu führt, daß ein Objekt in den abgesicherten
Gefahrenbereich eindringt. Bei der Absicherung von Maschinen ist
auf diese Weise eine Dokumentation möglich, die zur Erforschung
von Unfallursachen und auch im Hinblick auf die Zulassung durch
zuständige
Aufsichtsbehörden vorteilhaft
ist. Die Maßnahme
verleiht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine Funktion, die mit den bisher verwendeten Lichtgittern etc.
allein nicht realisierbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vergleichseinheit
Mittel zum nicht-flüchtigen
Abspeichern einer Anordnung von definierten Zielen auf.
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Diese
Maßnahme
bildet die bereits weiter oben diskutierten Merkmale der Erfindung
weiter, mit denen sich der Installa tionsaufwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beträchtlich
reduziert. Mit der hier vorliegenden Maßnahme ist es möglich, verschiedene
Konfigurationen von virtuellen Barrieren derart abzuspeichern, daß sie für eine bestimmte
Betriebsumgebung einfach 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 virtuelle Barriere nicht
benötigt
wird und in dem die Vorrichtung daher abgeschaltet ist, zuverlässig erkannt
werden kann. Hierdurch können
Fehlfunktionen und daraus folgende Sicherheitslücken vermieden werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vergleichseinheit
Mittel zur Kompensation von Vibrationen des definierten Ziels auf.
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Die
genannten Mittel können
bspw. eine Software beinhalten, die die aktuelle Position des definierten
Ziels bestimmt und anschließend
Veränderungen
der aktuellen Position innerhalb vorgegebener Toleranzbereiche ignoriert.
Die Maßnahme
ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Bereich schwerer Maschinenanlagen, wie bspw. einer hydraulischen Presse,
in deren Umgebung aufgrund der schweren bewegten Maschinenteile
zwangsläufig
Vibrationen auftreten.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vergleichseinheit
Mittel zur Kompensation von Verschmutzungen des definierten Ziels auf.
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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 auftretende Verschmutzung des definierten Ziels
von einer Abschattung durch ein Objekt zu unterscheiden. Die Maßnahme ist
besonders vorteilhaft, um einen zuverlässigen und fehlerfreien Langzeitbetrieb der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch in staubigen Umgebungen zu gewährleisten. Dabei können aufgrund
der genannten Maßnahme
fehlerhafte Schaltreaktionen der Vorrichtung vermieden werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vergleichseinheit
ein Sperrfilter zur Unterdrückung
von Fremdlicht auf.
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Diese
Maßnahme
besitzt den Vorteil, daß störende Lichtreflexe
oder -blitze aus der Umgebung besonders gut unterdrückt werden.
Hierdurch wird die Funktionssicherheit der Vorrichtung erhöht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vergleichseinheit
zweikanalig-redundant aufgebaut.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die beiden Kanäle der Vergleichseinheit diversitär, d.h.
mit unterschiedlichen Bauelementen realisiert sind. Die genannte
Maßnahme
besitzt den Vorteil, daß hierdurch Fehler
bzw. Fehlfunktionen der Vergleichseinheit rechtzeitig erkannt werden
können,
was im Hinblick auf die sicherheitskritische Funktion der virtuellen Barriere
von besonderem Vorteil ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung werden die Ergebnisse aus jedem Kanal der Vergleichseinheit
mit Hilfe eines Dual-Ported-RAM miteinander verglichen, um einen
fehlerfreien Betrieb der gesamten Vor richtung zu gewährleisten.
Eine derartige Maßnahme
ist technisch besonders einfach und kostengünstig realisierbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die ersten Mittel
mehrere Bildaufnahmeeinheiten auf, deren Sichtfelder aneinander
angrenzen.
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Mit
dieser Maßnahme
lassen sich virtuelle Barrieren in beliebiger Ausdehnung und Form
erzeugen, so daß eine
besonders große
Flexibilität
hinsichtlich der Verwendungsmöglichkeiten
erreicht wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erzeugen die ersten Mitteln
mehrere virtuelle Barrieren, die räumlich hintereinander gestaffelt
sind.
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Diese
Maßnahme
besitzt zum einen den Vorteil, daß eine Absicherung 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 eine
Vorwarnung und erst in der zweiten Stufe eine Abschaltung der Maschine. Die
zueinander parallel verlaufenden, gestaffelten Barrieren können aufgrund
der Erfindung auf besonderes einfache und kostengünstige Weise
mit einer Bildaufnahmeeinheit sowie mehreren definierten Zielen
realisiert werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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2 das
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 in
einer Draufsicht entlang der Linie II-II,
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3 verschiedene
Abbilder des definierten Ziels in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1,
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4 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmeeinheit,
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5 das
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Bildaufnahme- und Auswerteeinheit,
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6–8 Ausführungsbeispiele
von definierten Zielen,
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9 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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10 eine
schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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11 die überwachte
Fläche
der virtuellen Barriere bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1,
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12 ein
Ausführungsbeispiel
zur Erzeugung einer rechteckigen virtuellen Barriere,
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13 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
zur Erzeugung einer rechteckigen virtuellen Barriere,
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14 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
der Funktionsweise einer anamorphotischen Optik,
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15 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem Hohlspiegel,
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16 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem Hohlspiegel,
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17 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit zwei Bildaufnahmeeinheiten, deren Überwachungsbereiche
sich ergänzen,
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18 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit zwei Prismen und
-
19 ein
Flußdiagramm,
das die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
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In
den 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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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 6 bis 8 näher erläutert wird.
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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 Bezugsziffer 22 ist
der Lichtkegel bezeichnet, der von der Lichtquelle 18 ausgeht
und der die Markierung 16 derart beleuchtet, daß die reflektierten
Lichtstrahlen 20 die Kamera 12 erreichen.
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Wie
anhand der Darstellung in den 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
Markierung 16 ist dies dadurch realisiert, daß die Lichtquelle 18 einzelne,
parallel zur Ausdehnung der Markierung 16 nebeneinander
angeordnete LED's
besitzt.
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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 unterbricht und daher das von
der Kamera 12 aufgenommene Abbild der Markierung 16 verändert.
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Mit
der Bezugsziffer 26 ist in 2 ein Gefahrenbereich
bezeichnet, der eine Maschine 28 in Form eines Roboterarms
kreisförmig
umgibt.
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Die
Lichtstrahlen 20, mit denen die Kamera 12 das
Abbild der Markierung 16 aufnimmt, bilden in Kombination
mit der nachfolgend näher
erläuterten Auswertung
eine virtuelle Barriere 30, deren Durchbrechen mit einem
Gegenstand oder von einer Person detektiert werden kann.
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In 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 Markierung 16 im Ausgangszustand nach dem Inbetriebnehmen
der Vorrichtung 10. Das Abbild 34a entspricht
damit dem Referenzbild, mit dem die nachfolgend aufgenommenen Abbilder
der Markierung 16 zur Überwachung der
virtuellen Barriere 30 verglichen werden.
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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.
aufgrund von schweren Bewegungen der Maschine 28 vibriert. Der
in diesem Fall auftretende Versatz der Markierung 16 muß sich jedoch
innerhalb vorgegebener Grenzen bewegen. Überschreitet der Versatz diese vorgegebenen
Grenzen oder findet keine Vibrationskompensation 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 unbeabsichtigten oder auch einer bewußt manipulierenden
Verschiebung der Markierung 16 sein. In beiden Fällen wird
die Auswerteeinheit der Kamera 12 ein Schalt- oder Alarmsignal
generieren.
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In
dem Abbild 34c ist die Markierung 16 vollständig verschwunden.
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.
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In
dem Abbild 34d ist die Markierung 16 durch den.
Stab 24 überlagert.
Auch diese Situation bedeutet eine Veränderung gegenüber 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
Referenzbild detektieren kann.
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Bei
der Beschreibung der nachfolgenden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen
dieselben Elemente, die bereits anhand der vorhergehenden 1 bis 3 erläutert wurden.
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In 4 ist
eine bevorzugte Ausführung
der Kamera 12 dargestellt, bei der die Lichtquelle 18 einzelne
Infrarot-LED's aufweist,
die konzentrisch zu dem Objektiv 14 der Kamera 12 angeordnet
sind. Des weiteren ist bei diesem Ausführungsbeispiel die gesamte
Bildaufnahme- und Auswerteelektronik innerhalb des Gehäuses 38 der
Kamera 12 untergebracht.
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Wie
anhand des Blockschaltbildes in 5 zu erkennen
ist, weist die Kamera 12 zusätzlich zu den bereits erläuterten
Komponenten 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
anhand eines Lichtblitzes 46 dargestellt.
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Die
Steuerschaltung 42 steuert des weiteren die eigentliche
Bildaufnahme und ist zu diesem Zweck mit einem flächigen Bildsensor 48 mit
einer Vielzahl von hier nicht dargestellten Bildpunkten verbunden.
Der Bildsensor 48 ist beispielhaft ein CCD-Bildsensor (Charge
Coupled Device). Alternativ kann es sich hier um einen Bildsensor
in CMOS-Technologie handeln.
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Schließlich ist
die Steuerschaltung 42 mit zwei zueinander redundanten
Prozessoren 50a und 50b verbunden, denen sie die
Signale des Bildsensors 48 sowie weitere Steuerinformationen
zuführt. Die
Prozessoren 50a, 50b bilden jeweils den Kern der
Vergleichseinheiten 44a, 44b.
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Mit
der Bezugsziffer 52a, 52b ist jeweils ein Speicher
bezeichnet, in dem jeweils eine für das Abbild 34 der
Markierung 16 charakteristische Größe abgelegt ist. Die charakteristische
Größe kann
bspw. sämtliche
Bildpunkte des Referenzbildes entsprechend dem Abbild 34a beinhalten.
Alternativ hierzu sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch nur charakteristische
Merkmale, die aus dem Referenzbild der Markierung 16 extrahiert
sind, abgelegt.
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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
gespeicherte Abbild kann später
zur Auswertung von möglichen
Unfallursachen oder zur Dokumentation verwendet werden. Darüber hinaus
können
in den nicht-flüchtigen
Speichern 54a, 54b Konfi gurationen verschiedener
Markierungen 16 im Sichtfeld der Kamera 12 abgespeichert
sein, die wahlweise aktivierbar sind.
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Mit
der Bezugsziffer 56 ist eine Schnittstelle an ein sicheres
Bussystem bezeichnet. Hierüber kann
die Kamera 12 in ein bestehendes Sicherheitssystem eingebunden
werden. Darüber
hinaus ist über
diese Schnittstelle 56 die Kamera 12 konfigurierbar
und es können
Schalt- oder Alarmsignale übertragen
werden.
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Mit
der Bezugsziffer 58 ist ein Schalt- und/oder Alarmsignal
bezeichnet, das von jeder der Vergleichseinheiten 44a, 44b ausgelöst wird,
wenn entweder ein Durchbrechen der virtuellen Barriere 30 detektiert
wird oder wenn ein Fehler innerhalb der Kamera 12 festgestellt
wird. Zur gegenseitigen Überwachung
und Kontrolle der Vergleichseinheiten 44a, 44b sind
die beiden Prozessoren 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.
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Abweichend
von dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
besitzt die Kamera 12 in anderen Ausführungsbeispielen zwei zueinander
redundante Bildsensoren 48 sowie zueinander redundante
Lichtquellen 18. Die beiden Bildsensoren 48 sind
dann entweder mit jeweils einer eigenen Optik versehen oder mit
einer gemeinsamen Stereooptik kombiniert.
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In
den 6 bis 8 sind Ausführungsbeispiele der Markierung 16 näher dargestellt.
Allen Ausführungsbeispielen
ist gemeinsam, daß die
Markierung 16 ein strukturiertes, kontrastreiches Muster aus
stark reflektierenden Bereichen 66 und schwach reflek tierenden
Bereichen 68 aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel in 6 ist
die Markierung 16 linienförmig ausgedehnt und besitzt
einen länglichen,
linienförmigen
Bereich 66, der stark reflektierend ist. Dieser Bereich
besteht hier aus einer retroreflektierenden Folie. Der umgebende
Bereich 68 ist schwach reflektierend und besteht aus einer
sehr dunklen Folie. Mit der Bezugsziffer 70 sind zwei reflektierende
Positionsmarken bezeichnet, die sich ebenfalls kontrastreich von
dem dunklen Bereich 68 abheben. Die Positionsmarken 70 sind
in einem definierten Abstand zueinander angeordnet und ermöglichen
eine exakte Positionsbestimmung der Markierung 16.
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In 7 ist
als weiteres Ausführungsbeispiel eine
kreis- bzw. punktförmige
Markierung 16 dargestellt. Sie besitzt einen stark reflektierenden
Zentralbereich 72 sowie konzentrisch dazu angeordnete, ebenfalls
stark reflektierende Winkelmarken 74. Der Bereich 68,
der den Zentralbereich 72 sowie die Winkelmarken 74 umgibt,
ist schwach reflektierend. Die Bogenlänge der Winkelmarken 74 stellt
einen Code dar, mit dem die Markierung 16 in diesem Ausführungsbeispiel
gegenüber
anderen, ähnlichen
Markierungen 16 unterscheidbar ist. Im übrigen ist mit Hilfe der Markierung 16 gemäß 7 die
Erzeugung einer virtuellen Barriere möglich, deren Form in etwa derjenigen
einer Lichtschranke entspricht. Alternativ hierzu können jedoch
eine Vielzahl von punktförmigen Markierungen 16 entsprechend 7 zu
einer linienförmigen
Markierung aneinander gereiht werden.
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In 8 ist
ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels 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 reflektierenden
Bereichen gebildet ist. Mit Hilfe des Barcodes 76 ist die
Markierung 16 dieses Ausführungsbeispiels eindeutig von
anderen Markierungen im Sichtfeld der Kamera 12 unterscheidbar.
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Sämtlichen
gezeigten Markierungen 16 ist gemeinsam, daß aufgrund
der Kombination eines stark und eines schwach reflektierenden 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.
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In
einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Markierung 16 zumindest
zwei parallel zueinander verlaufende, stark reflektierende Bereiche 66 auf,
die durch zumindest einen schwach reflektierenden Bereich 68 voneinander getrennt
sind. Mit einer solchen Anordnung kann die Bewegungsrichtung eines
Objektes, das die virtuelle Barriere 30 durchbricht, festgestellt
werden.
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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.
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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 Gefahrenbereich
von drei Seiten her absichert. Die vierte Seite wird durch die Wand 84 abgesichert.
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10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand einer Vorrichtung 86. In diesem Fall
verläuft
die virtuelle Barriere 30 in etwa waagerecht und parallel
zum Boden 82. Zur Realisierung ist eine Markierung 16 L-förmig an
zwei senkrecht zusammenlaufenden Wänden 84 angeordnet. Die
Kamera 12 befindet sich in Höhe der Markierung 16 diagonal
gegenüber
von der Ecke 87 der beiden Wände 84.
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Eine
Besonderheit bei diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist, daß hier
die beiden Schenkel 88, 90 der L-förmigen Markierung
gegenseitig als Referenzbild verwendet werden können. Bevorzugt wird jedoch
auch in diesem Fall eine für
das Referenzbild charakteristische Größe im Speicher 52 der Kamera 12 verwendet.
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In 11 ist
zur Erläuterung
der nachfolgenden Figuren nochmals die virtuelle Barriere 30 des Ausführungsbeispiels
gemäß 1 dargestellt.
Wie zu erkennen ist, besitzt die virtuelle Barriere 30 in
dieser Anordnung eine dreieckige Form.
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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.
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In 12 ist
die Kamera 12 oberhalb einer U-förmig verlaufenden 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.
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In 13 ist
eine Anordnung gezeigt, die in etwa dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 entspricht.
Es versteht sich, daß diese
Anordnung nicht nur zur Erzeugung einer waagerecht verlaufenden Barriere 30 verwendet
werden kann. Die Markierung 16 ist im vorliegenden Fall
L-förmig
und die Kamera 12 ist diagonal gegenüber von dem Eckpunkt der L-förmigen Markierung 16 angeordnet.
Auch mit dieser Ausführung
wird eine rechteckige virtuelle Barriere 30 erzeugt.
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Eine
Schwierigkeit bei dieser Anordnung wie auch bei der Anordnung gemäß 12 ist,
daß hier ein
sehr großer
Längenbereich
der Markierung 16 überwacht
werden muß.
In 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
insgesamt 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 erfassen und gleichzeitig in der Lage
sein, in der anderen Richtung 0,5 cm aufzulösen. Um diese Maßstabsunterschiede auszugleichen,
besitzt die Kamera 12 in diesem Ausführungsbeispiel eine anamorphotische
Optik, die in den beiden genannten Richtungen unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe aufweist.
Eine anamorphotische Optik wird insbesondere mit Hilfe von Zylinderlinsen
erreicht.
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Alternative
Ausführungsbeispiele
zur Realisierung einer im wesentlichen rechteckigen virtuellen Barriere 30 sind
in den 15 bis 18 dargestellt.
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In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 15 betrachtet
die Kamera 12 die Markierung 16 über einen
Hohlspiegel 94, d.h. der Strahlengang der reflektierten
Lichtstrahlen 20 wird auf dem Weg von der Markierung 16 zur
Kamera 12 über
den Hohlspiegel 94 umgelenkt und gebündelt. Die Lichtstrahlen 20 verlaufen
daher von der Markierung 16 zum Hohlspiegel 94 zunächst entlang
eines parallelen 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 symmetrisch 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.
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Eine
Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels
ist, daß die
Markierung 16 hier neben oder zumindest im Bereich der
Kamera 12 angeordnet ist, was eine besonders effiziente
Beleuchtung der Markierung 16 ermöglicht.
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In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 16 ist
der Hohlspiegel 94 mit der Kamera 12 in einem
gemeinsamen Gehäuse 102 angeordnet.
Dementsprechend ist der Strahlengang 98 gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 15 verkürzt. Diese
Ausführung
der Erfindung besitzt gegenüber
dem Beispiel gemäß 15 den
Vorteil, daß die
Justierung der Anordnung bei der Installation unkritisch ist. Des weiteren
muß das
aufgenommene Bild die Strecke L hier nur einmal durchlaufen.
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In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 17 wird
eine rechteckige virtuelle Barriere 30 durch eine Kombination
von zwei dreieckigen Überwachungsbereichen 104, 106 erzeugt.
Jeder der dreieckigen Überwachungsbereiche 104, 106 wird
entsprechend der vorliegenden Erfindung mit Hilfe einer Kamera 12, 12' sowie einer
damit 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 innerhalb
der virtuellen Barriere 30 auszuschließen. Diese Ausführung der
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Kameras 12, 12' sehr einfach
aufgebaut sein können,
da keine zusätzliche
Optik erforderlich ist.
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In 18 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem eine rechteckige virtuelle Barriere 30 durch
eine Kombination von zwei Überwachungsbereichen 104, 106 gebildet
wird. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin,
daß die
beiden Überwachungsbereiche 104, 106 auf
jeweils eine Hälfte
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.
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Anhand
der Darstellung in 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 16 an
den erwarteten, Positionen gefunden, verbleibt die Vorrichtung gemäß Schritt 128 im
Zustand "rot". Werden hingegen
die erwarteten Markierungen 16 gefunden, wird deren 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 Überprüfung der
virtuellen Barriere 30, indem die aufgenommenen Abbilder 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 Vorrichtung gemäß den Schritten 136, 138 im
Zustand "grün", d.h. der Gefahrenbereich 26 der
Maschine 28 ist zuverlässig
abgesichert.
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Die
Installation der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann mit Hilfe des in 19 dargestellten Verfahrens
ebenfalls einfach durchgeführt
werden, da die Vorrichtung gemäß Schritt 126 automatisch nach
Markierungen 16 im Sichtfeld der Kamera 12 sucht.
Gefundene Markierungen 16 können anschließend im
Rahmen eines Konfigurationsmodus in dem nicht-flüchtigen Speicher 54 abgelegt
werden. Darüber
hinaus ist jedoch auch ein manuelles Einlernen der Vorrichtung möglich.
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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 derartige Anordnung
zeichnet sich dadurch aus, daß mit
einer Kamera ein kompletter Raumbereich überwacht werden kann.
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In
einer weiteren Ausführung
der Erfindung, die ebenfalls nicht dargestellt ist, werden mit Hilfe
von zwei Kameras 12 zwei virtuelle Barrieren 30 gebildet, die
im wesentlichen parallel zueinander, 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.
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Eine
solche Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß auch hinsichtlich 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
können
so gestaffelte virtuelle Barrieren 30 mit zunehmender Sicherheitsstufe
realisiert werden. Für
eine vollständige
Redundanz werden dabei bevorzugt auch zwei definierte Ziele 16 verwendet.