-
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 auf genommene Abbild mit einer für ein Referenzbild charakteristischen Größe vergleicht.
-
-
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 bekannten Barrieren dieser Art, wie bspw. 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.
-
Charakteristisch an solchen Schutzvorrichtungen 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.
-
Der Installationsaufwand von solchen Schutzvorrichtungen ist zusätzlich dadurch vergrößert, daß die einzelnen Lichtstrahlen sehr exakt zwischen dem Sender und Empfänger ausgerichtet werden müssen. Dementsprechend exakt müssen die Sender und Empfänger sowie ggf. verwendete Reflektoren justiert werden. Beim Aufbau einer großflächigen virtuellen Barriere kann sich so ein beträchtlicher Installationsaufwand mit entsprechend hohen Kosten ergeben.
-
Ein weiterer Nachteil bei solchen Schutzvorrichtungen 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 den bekannten Vorrichtungen die Form und Ausrichtung der virtuellen Barriere stets durch die tatsächliche Anordnung der Sende- und Empfangselemente bestimmt wird.
-
Schließlich sind Lichtschranken und ähnliche Schutzvorrichtungen störanfällig im Bereich von stark spiegelnden Umgebungen, im Bereich von Umgebungen, in denen starke Lichtblitze auftreten, und im Bereich von schweren bewegten Maschinenteilen, wo zwangsläufig Vibrationen auftreten. Dies kann bspw. bei großen Abkantpressen oder bei Schweißrobotern der Fall sein. 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. Darüber hinaus können die bekannten Schutzvorrichtungen durch eine gewollte oder ungewollte Manipulation recht einfach außer Kraft gesetzt werden, indem der oder die Lichtstrahlen auf ihrem Weg vom Sende- zum Empfangselement bspw. mit einen Spiegel umgelenkt werden.
-
Zur Vermeidung der Probleme mit Lichtschranken und dergleichen ist in der eingangs genannten
DE 196 44 278 A1 eine Überwachungseinrichtung mit einer Bildaufnahmeeinheit, d. h. einer Kamera, beschrieben. Die Bildaufnahmeeinheit nimmt das Abbild eines strukturierten Musters aus hellen und dunklen Bereichen auf. Dieses Muster fungiert als definiertes Ziel und wird mit einem Referenzbild verglichen, um ein Durchbrechen der virtuellen Barriere zu erkennen. Um eine virtuelle Barriere mit einem rechteckigen Schutzfeld zu erhalten, wird entweder eine spezielle Optik mit einer Vielzahl von Linsen und Kollimatoren oder eine Kombination von zwei drehbaren Bildaufnahmeeinheiten benötigt.
-
Eine ähnliche Vorrichtung ist außerdem aus
US 4 652 205 A bekannt. In diesem Fall wird eine Bildaufnahmeeinheit verwendet, um die Lichtstrahlen eines Lichtgitters oder einer teilweise reflektierenden Struktur zu überwachen.
-
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 44 07 528 A1 beschrieben. Bei diesen Vorrichtungen wird ein dreidimensionaler Raumbereich auf Bewegungen hin überwacht. Für die Absicherung einer sich bewegenden Maschine ist eine solche Vorrichtung nicht geeignet, da bereits durch die Bewegungen der Maschine ein Schalt- bzw. Alarmsignal ausgelöst würde. Darüber hinaus basieren die bekannten Vorrichtungen zur Videoüberwachung auf vergleichsweise aufwendigen Algorithmen zur Analyse des aufgenommenen, natürlichen Umgebungsbildes.
-
Aus
EP 0 557 095 A2 ist es bekannt, Vibrationen bei der Aufnahme von Bildern zu kompensieren, indem ein Bewegungsvektor in aufeinanderfolgenden Bildern bestimmt wird. Das Auslesen der Pixel soll in Abhängigkeit von dem Bewegungsvektor erfolgen.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine große Flexibilität und variable Einsatzmöglichkeiten bietet. Dabei soll der Installationsaufwand gering sein.
-
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
-
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 Betrachter angezeigt wird. Entscheidend ist vielmehr, daß das aufgenommene Abbild in der Vergleichseinheit mit der charakteristischen Größe einer Referenz des definierten Ziels verglichen wird. Das Referenzbild entspricht im einfachsten Fall dem ungestörten Abbild des definierten Ziels. Dieses besitzt klar definierte, markante Merkmale, die leicht zu erkennen und auszuwerten 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 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.
-
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.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 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.
-
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 erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach und schnell an neue Aufgaben angepaßt werden.
-
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.
-
Der Installationsaufwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insgesamt sehr gering. Es genügt nämlich, die Bildaufnahmeeinheit grob auszurichten, so daß sich das definierte Ziel in deren Sichtfeld befindet. Eine exakte Ausrichtung, wie sie bspw. bei einer Lichtschranke erforderlich ist, 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.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Bildaufnahmeeinheit einen flächigen Bildsensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten auf.
-
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.
-
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.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Bildaufnahmeeinheit eine bildbeeinflussende Optik auf.
-
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.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme 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. 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.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das definierte Ziel linienförmig ausgedehnt.
-
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.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die zweiten Mittel ferner eine Einrichtung zum nicht-flüchtigen Abspeichern des aufgenommenen Abbildes auf.
-
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.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vergleichseinheit 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 Installationsaufwand 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.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vergleichseinheit 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 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.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vergleichseinheit 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 Vergleichseinheit zweikanalig-redundant aufgebaut.
-
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 Vorrichtung zu gewährleisten. Eine derartige Maßnahme ist technisch besonders einfach und kostengünstig realisierbar.
-
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend 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:
-
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,
-
2 die Darstellung gemäß 1 in einer Draufsicht entlang der Linie II-II,
-
3 verschiedene Abbilder des definierten Ziels in einem Ausführungsbeispiel,
-
4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmeeinheit,
-
5 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Bildaufnahme- und Auswerteeinheit,
-
6–7 Ausführungsbeispiele von definierten Zielen,
-
8 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
-
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erzeugung einer rechteckigen virtuellen Barriere,
-
10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise einer anamorphotischen Optik,
-
11 ein Flußdiagramm, das die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
-
In den 1 und 2 ist eine 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 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 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.
-
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.
-
Mit der Bezugsziffer 26 ist in 2 ein Gefahrenbereich bezeichnet, der eine Maschine 28 in Form eines Roboterarms kreisförmig umgibt.
-
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.
-
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.
-
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 auf genommenen 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.
-
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.
-
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.
-
Bei der Beschreibung der nachfolgenden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente, die bereits anhand der vorhergehenden 1 bis 3 erläutert wurden.
-
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 angeordnet sind. Des weiteren ist bei diesem Ausführungsbeispiel die gesamte Bildaufnahme- und Auswerteelektronik innerhalb des Gehäuses 38 der Kamera 12 untergebracht.
-
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 vorliegenden Fall gepulst moduliert ist. Dies ist beispielhaft anhand eines Lichtblitzes 46 dargestellt.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 Konfigurationen verschiedener Markierungen 16 im Sichtfeld der Kamera 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 bestehendes 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 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.
-
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.
-
In den 6 und 7 sind Ausführungsbeispiele der Markierung 16 näher dargestellt. 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.
-
In 7 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.
-
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.
-
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.
-
8 zeigt ein 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.
-
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.
-
In 9 ist eine Anordnung gezeigt, die in etwa dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 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.
-
Eine Schwierigkeit bei dieser Anordnung ist, daß hier ein sehr großer Längenbereich der Markierung 16 überwacht werden muß. In 10 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 demgegenüber 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.
-
Anhand der Darstellung in 11 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 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.
-
Die Installation der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit Hilfe des in 11 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.
