DE202009012589U1

DE202009012589U1 - Optoelektronischer Sensor

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Publication number: DE202009012589U1
Application number: DE202009012589U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2019-09-17

Abstract

Optoelektronischer Sensor zur Überwachung und optischen Erfassung eines flächigen oder volumenförmigen Schutzbereichs (18; 138), also Sicherheitsscanner (112) oder Sicherheitskamera (12), mit einer Empfangseinheit (22; 132) zum Empfang von Empfangslichtstrahlen (128) aus dem Schutzbereich (138) und Erzeugung von Empfangssignalen in Abhängigkeit vom Empfangslicht und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (20; 134) zur Erzeugung eines einem Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” entsprechenden Objektfeststellungssignals in Abhängigkeit der Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lichtsender (26; 118) vorgesehen ist, mit dem der Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” im Schutzbereich (18; 138) visuell erkennbar darstellbar ist, wobei der Lichtsender (26; 118) zur Schaltzustandsanzeige einen sichtbaren Sendelichtstrahl (140) in der Richtung, in der das Objekt liegt, aussendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Überwachung von Arbeitsbereichen werden häufig Sicherheitslaserscanner eingesetzt, wie sie beispielsweise aus DE 43 40 756 A1 bekannt sind. Ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl wird über eine Lichtablenkeinheit in einen Schutzbereich gelenkt und dort von einem gegebenenfalls vorhandenen Objekt remittiert. Das remittierte Licht gelangt wieder zurück zu der Laserscaneinheit und wird dort von einem Empfänger detektiert. Die Lichtablenkeinheit ist in der Regel drehbar ausgestaltet, so dass der von dem Laser erzeugte Lichtstrahl ein durch die Drehbewegung erzeugtes Schutzfeld periodisch überstreicht. Wird ein vom Objekt remittiertes Lichtsignal aus dem Schutzbereich empfangen, so kann aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit auf die Winkellage des Objektes im Schutzbereich geschlossen werden. Wird zusätzlich zum Beispiel die Laufzeit von einzelnen Laserlichtpulsen vom Aussenden bis zum Empfang einer Reflexion an dem Objekt überwacht, kann aus der Laufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes vom Laserscanner geschlossen werden. Mit den Winkel- und Entfernungsangaben lässt sich der Ort eines Objektes ermitteln und zum Beispiel zweidimensionale Schutzfelder vollständig überwachen. Befindet sich im Schutzfeld ein unzulässiges Objekt, so kann von der Auswerteeinheit des Scanners ein entsprechendes Warn- oder Stoppsignal ausgegeben werden.
Derartige Systeme werden zum Beispiel an Maschinen eingesetzt, bei denen ein Gefahrenbereich überwacht werden muss, der beim Betrieb der Maschine von einer Bedienperson nicht betreten werden darf. Wird mit Hilfe des Laserscanners die Anwesenheit eines unzulässigen Objektes – also zum Beispiel ein Bein einer Bedienperson – im Gefahrenbereich festgestellt, wird ein Nothalt der Maschine bewirkt. Derartige Scansysteme als Sicherheitssensoren müssen zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS), erfüllen.
Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, die einerseits den Laserscanner selbst betreffen, wie z. B. fehlersichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik oder laufende Funktionsüberwachung zur Erkennung einer Verschmutzung optischer Bauteile. Andererseits sind auch äußere Bedingungen zu prüfen, wie die Erkennung von Konfigurationsfehlern bei der Inbetriebnahme des Laserscanners. So müssen beispielsweise die Dimensionen der flächigen Schutzbereiche vor Ort überprüft werden, was dadurch geschieht, dass das Schutzfeld am Rand abgeschritten wird und gleichzeitig geprüft wird, ob bei Verletzung des Schutzfeldes ein Abschaltsignal erfolgt.
Anstelle von Laserscannern sollen zukünftig auch dreidimensionale Kamerasysteme eingesetzt werden, die volumenförmige Schutzbereiche überwachen können. Für derartige dreidimensionale Sensoren ist noch kein Verfahren bekannt, um die volumenförmigen Schutzbereiche zu testen bzw. erkennbar zu machen. Lediglich in der EP 2 048 557 A1 ist ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem mit einer Datenbrille der volumenförmige Schutzbereich sichtbar sein soll. Das ist nicht nur aufwendig, sondern ersetzt auch nicht eine explizite Prüfung der Konfiguration, also des Schutzbereichs.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Konfiguration der flächigen bzw. volumenförmigen Schutzbereiche in einfacher Weise überprüfen zu können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen optoelektronischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer optoelektronischer Sensor zur Überwachung und optischen Erfassung eines flächigen oder volumenförmigen Schutzbereichs weist eine Empfangseinheit zum Empfang von Empfangslichtstrahlen aus dem Schutzbereich und Erzeugung von Empfangssignalen in Abhängigkeit vom Empfangslicht auf sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit zur Erzeugung eines einem Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” entsprechenden Objektfeststellungssignals in Abhängigkeit der Empfangssignale. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Lichtsender vorgesehen, mit dem der Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” im Schutzbereich visuell erkennbar darstellbar ist, wobei der Lichtsender zur Schaltzustandsanzeige einen sichtbaren Sendelichtstrahl in der Richtung, in der das Objekt liegt, aussendet.
Da ein Kamerasystem ohne Beleuchtung arbeiten kann und sonstige derartige Sicherheitssensoren, wie z. B. Sicherheitslaserscanner, mit infrarotem Licht arbeiten (meistens bei ca. 900 nm), besteht der wesentliche Vorteil der Erfindung darin, dass der aktuelle Schallzustand des optoelektronischen Sensors im Schutzbereich direkt an einem Gegenstand selber, der sich im Sichtbereich des Sensors befindet, visuell dargestellt werden kann, womit der Einstell- und Überprüfungsprozess wesentlich vereinfacht ist. Es muss dann nur noch ein Prüfkörper in den Schutzbereich gehalten werden. Es lässt sich dann am Prüfkörper selber unmittelbar erkennen, ob und wann der Sensor schaltet oder nicht. Damit ist sowohl die Funktion des Sensors als auch die Konfiguration, also die Geometrie, des Schutzbereichs prüfbar. Der Schutzbereich, im zweidimensionalen Fall auch häufig Schutzfeld genannt, ist damit quasi visualisierbar. Befindet sich der Prüfkörper außerhalb des Schutzbereichs, liegt der Schaltzustand „Schutzbereich frei” vor und der sichtbare Sendelichtstrahl ist aus. Ein möglicher infraroter Abtaststrahl ist nicht sichtbar. Befindet sich der Prüfkörper jedoch innerhalb des Schutzbereichs, liegt der Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” vor und der sichtbare Sendelichtstrahl ist eingeschaltet. Ein Reflex an dem Prüfkörper ist sichtbar.
Eine Ausführungsform der Erfindung könnte auch darin bestehen, dass der Lichtsender zwei verschiedene Farben aussenden kann. So hat beispielsweise der sichtbare Lichtstrahl eine rote Farbe, wenn der Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” vorliegt und eine grüne Farbe, wenn der Schaltzustand „Schutzbereich frei” vorliegt. Somit kann ein Beobachter aus der Farbe des auf dem Prüfkörper erzeugten Lichtfleckes erkennen, ob dieser sich innerhalb oder außerhalb des Schutzbereichs befindet. Auf diese Weise ist es möglich, mit Hilfe des Farbwechsels vom Sendelichtstrahl beispielsweise die Konfiguration des Schutzbereichs zu überprüfen.
Vorteilhafterweise weist der Lichtsender einen Laser auf.
Zur Überwachung und Erfassung eines volumenförmigen Schutzbereichs ist der optoelektronische Sensor in einer ersten Variante als Kamera ausgebildet.
Da Kameras in der Regel nicht den Ort eines Objektes im Bild bestimmen können, ist die Lichtquelle derart ausgebildet, dass der Lichtstrahl in schneller Folge periodisch den Schutzbereich überstreicht. Damit ist gewährleistet, dass ein im Schutzbereich befindliches Objekt auch visuell erkennbar ist, also von den sichtbaren Sendelichtstrahlen getroffen wird, auch wenn die Kamera nicht den Ort des Eingriffs kennt. Alternativ könnte auch eine komplette Beleuchtung des Schutzbereichs erfolgen, so dass ein Eingriff in den Schutzbereich dadurch angezeigt wird, dass die Beleuchtung angeht.
Zur Überwachung und Erfassung eines nur flächigen Schutzbereichs ist der optoelektronische Sensor in einer zweiten Variante als Laserscanner ausgebildet.
Vorteilhafterweise ist dabei der Lichtsender, der den sichtbaren Lichtstrahl erzeugt, Teil der Sendeeinheit des Laserscanners, so dass der sichtbare Sendelichtstrahl des Lichtsenders zusammen mit einem infraroten Abtaststrahl der Sendeeinheit den Schutzbereich überstreicht. Es ist z. B. möglich, zwei in einer Sendeeinheit angeordnete Halbleiterdioden mit Hilfe eines oder mehrerer dichroitischer Spiegel oder mit Prismen oder mit diffraktiven optischen Elementen (sogenannte DOE's) optisch so zu führen, dass die jeweils ausgesandten Sendelichtstrahlen auf einer gemeinsamen optischen Achse liegen.
Dabei kann die Sendeeinheit zur Aussendung von zwei Wellenlängen ausgebildet sein und von der Steuer- und Auswerteeinheit in Abhängigkeit vom Schaltzustand alternativ so ansteuerbar sein, dass der von der Sendelichtquelle ausgesandte Sendelichtstrahl in seiner Wellenlänge veränderbar ist.
Vorteilhafterweise umfasst dann die Sendelichtquelle wenigstens zwei verschiedene Halbleiterdioden, die unterschiedliche Wellenlängen emittieren.
Alternativ kann der Lichtsender auch getrennt von der Sendeeinheit sein, wobei Lichtsender und Sendeeinheit beide von der Steuer- und Auswerteeinheit angesteuert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in der Sendeeinheit eine zusätzliche Informationslichtquelle vorhanden ist, die von der Steuer- und Auswerteeinheit in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Sensors angesteuert, einen zusätzlichen Informationslichtstrahl in die Überwachungsstrecke aussendet. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass der zusätzliche Informationslichtstrahl exakt auf der Achse des Sendelichtstrahls liegen muss. Durch die Trennung des Sendelichtstrahls und des Informationslichtstrahls ist es in vorteilhafter Weise möglich, den geometrischen Querschnitt des Informationslichtstrahls und damit die Form eines vom Informationsstrahl erzeugten Lichtflecks mit Hilfe von refraktiven und/oder diffraktiven optischen Elementen zu beeinflussen. Dies hat den großen Vorteil, dass damit neben der Information über den aktuellen Schaltzustand des Sensors weitere Informationen an den Ort übertragen werden können, an dem der Informationslichtstrahl auf eine entsprechend reflektierende Grenzfläche auftritt. Diese Informationen können zum Beispiel eine Zielmarke zur Justierung, ein Logo oder ein Textfeld sein, die den Einstellprozess hilfreich unterstützen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung;
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
3 die zweite Ausführungsform in einer Anwendung.
In einer ersten Ausführungsform ist ein optoelektronischer, erfindungsgemäßer Sensor 10 als Kamera 12 ausgebildet. Im konkreten, in 1 dargestellten Beispiel sogar als Stereokamera, mit der ein Umfeld 14 einer gefährlichen Maschine 16, hier ein Roboter, einsehbar ist. Innerhalb dieses Umfelds 14 ist ein volumenförmiger Schutzbereich 18 definiert, beispielsweise durch entsprechende, in einer Steuer- und Auswerteeinheit 20 der Kamera abgelegte Parameter. Zum Empfang von Empfangslichtstrahlen, also der Bilder des Umfelds, weist die Kamera 12 Empfangseinheiten 22 auf, in denen das Empfangslicht in Empfangssignale gewandelt und diese an die Steuer- und Auswerteeinheit 20 gegeben werden.
Mit der Kamera 12 wird der Schutzbereich 18 auf unerlaubte Eingriffe hin überwacht, um letztendlich Personen vor Verletzungen durch die Maschine 16 zu schützen. Wird ein unerlaubter Eingriff in den Schutzbereich detektiert, wird von der Steuer- und Auswerteeinheit 20 ein Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” in geeigneter Signalform an einer Schnittstelle 24 ausgegeben. Wenn kein Objekteingriff vorliegt, ist dieser Schaltzustand „Schutzbereich frei”.
Des Weiteren weist die Kamera 12 einen Lichtsender 26 auf, dessen Licht in den Schutzbereich 18 in geeigneter Weise abgelenkt werden kann. Dieser Lichtsender 26 ist in der Lage, einen visuell erkennbaren, also sichtbaren Sendelichtstrahl in Richtung des Schutzbereichs 18 auszusenden, wobei über den Lichtstrahl der Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” erkennbar ist.
Dabei erfolgt die Erkennung bevorzugt, indem im Schaltzustand ”Objekt im Schutzbereich” der Lichtsender den Sendelichtstrahl aussendet und ansonsten keinen Sendelichtstrahl aussendet. Der Sendelichtstrahl wird dabei in der Richtung ausgesandt, in der auch das Objekt liegt, das einen unzulässigen Eingriff in den Schutzbereich darstellt. Auf diese Weise ist anhand der Beleuchtung des Objekts durch den sichtbaren Sendelichtstrahl erkennbar, dass das Objekt sich im Schutzbereich 18 befindet.
Bevorzugt weist der Lichtsender 26 einen Laser 28 und eine geeignete Laserlichtablenkeinheit 30 auf, mit der der sichtbare Sendelichtstrahl des Lasers 28 ablenkbar ist. In einer Ausführung der Erfindung kann beispielsweise der Sendelichtstrahl bei Aktivierung, also bei ”Objekt im Schutzbereich”, in schneller Folge periodisch über den Schutzbereich mittels der Ablenkvorrichtung 30 geführt werden. Damit ist sichergestellt, dass das Objekt, das in den Schutzbereich 18 eingreift, vom Sendelichtstrahl getroffen wird und damit die Erkennbarkeit gegeben ist.
In einer zweiten Variante der Erfindung ist der optoelektronische Sensor 10 als Laserscanner 112 ausgebildet. Mit einem derartigen Laserscanner 112 können in erster Linie flächige Schutzbereiche erfasst werden. Der Laserscanner 112 weist eine Sendeeinheit 114 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel zwei Lichtsender 116 und 118 enthält. Der Lichtsender 116 sendet einen Abtaststrahl 120 mit Infrarotlicht aus, der über die Ablenkvorrichtung 122 in einen Erfassungsbereich 124 abgelenkt wird und den Erfassungsbereich 124 periodisch überstreicht. Die Darstellung des Abtaststrahls als gestrichelte Linie 120 soll die Unsichtbarkeit für das menschliche Auge verdeutlichen. Befindet sich ein Objekt 126 im Erfassungsbereich 124, erfolgt eine Remission des Abtaststrahls 120. Diese Remission wird als Empfangslicht 128 über eine Empfangsoptik 130 von einem Empfänger 132 empfangen. Der Empfänger 132 wandelt das Empfangslicht 130 in ein elektrisches Empfangssignal um, das an eine Steuer- und Auswerteeinheit 134 gegeben wird. Mit der Ablenkvorrichtung 122 ist ein Winkelencoder 136 verbunden, so dass die Winkelstellung der Ablenkvorrichtung 122 zu jeder Zeit erfassbar ist.
Der Abtaststrahl 120 wird gepulst ausgesandt, so dass anhand der Laufzeit der Lichtpulse vom Lichtsender 160 zum Objekt 126 und zurück zum Empfänger 132 ein Maß für den Abstand des Objekts 126 vom Laserscanner 112 gegeben ist. Über den Winkel und die Lichtlaufzeit kann der Ort des Objekts 126 im Erfassungsbereich 124 ermittelt werden.
In der Auswerteeinheit 134 sind entsprechende Parameter abgespeichert, die einen flächigen Schutzbereich 138 im Erfassungsbereich 124 definieren. Somit ist der Laserscanner 112 in der Lage, einen Eingriff in den Schutzbereich 138 durch das Objekt 126 detektieren zu können, um auf diese Weise den Zugriff zu einer gefährlich Maschine 150 abzusichern, die sich beispielsweise in einem Raum 152 befindet.
Der Lichtsender 118 ist dazu ausgebildet einen sichtbaren Sendelichtstrahl 140 auszusenden und zwar nahezu kollinear zum Abtaststrahl 120. Wie bereits bezüglich der Kamera 12 beschrieben, ist auch in dieser Variante der zusätzliche Lichtsender 118 dafür vorgesehen, den Schaltzustand ”Objekt im Schutzbereich” im Schutzbereich selbst visuell erkennbar zu machen. Dazu wird beispielsweise der Lichtsender 118 nur dann von der Steuer- und Auswerteeinheit 134 aktiviert, wenn das Objekt 126 sich im Schutzbereich 138 befindet, wie dies in 3 an der Position 126 dargestellt ist. In dieser 3 ist der sichtbare Lichtstrahl 140 mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet.
Wenn das Objekt 126 sich also im Schutzbereich 138 befindet, wird der Lichtsender 118 aktiviert und auf dem Objekt 126 ist dieser sichtbare Lichtstrahl 140 erkennbar, wodurch dem Betrachter angezeigt wird, dass sich das Objekt 126 im Schutzbereich befindet. Befindet sich das Objekt außerhalb des Schutzbereichs 138 aber noch im Erfassungsbereich 124 des Laserscanners 112, ist der Lichtsender 118 deaktiviert und der Betrachter sieht kein Licht.
Prinzipiell wäre es auch möglich, den Schaltzustand durch zwei Farben des Lichtsenders 118 anzuzeigen. Dann wäre dieser beispielsweise ständig aktiviert und würde bei „Objekt im Schutzbereich” eine erste Farbe aussenden und bei „Schutzbereich frei” eine zweite Farbe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4340756 A1 [0002]
EP 2048557 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm EN13849 [0003]
EN61496 [0003]

Claims

Optoelektronischer Sensor zur Überwachung und optischen Erfassung eines flächigen oder volumenförmigen Schutzbereichs (18; 138), also Sicherheitsscanner (112) oder Sicherheitskamera (12), mit einer Empfangseinheit (22; 132) zum Empfang von Empfangslichtstrahlen (128) aus dem Schutzbereich (138) und Erzeugung von Empfangssignalen in Abhängigkeit vom Empfangslicht und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (20; 134) zur Erzeugung eines einem Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” entsprechenden Objektfeststellungssignals in Abhängigkeit der Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lichtsender (26; 118) vorgesehen ist, mit dem der Schaltzustand „Objekt im Schutzbereich” im Schutzbereich (18; 138) visuell erkennbar darstellbar ist, wobei der Lichtsender (26; 118) zur Schaltzustandsanzeige einen sichtbaren Sendelichtstrahl (140) in der Richtung, in der das Objekt liegt, aussendet.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (26) einen Laser (28) aufweist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Kamera (12) zur Überwachung und Erfassung eines volumenförmigen Schutzbereichs (18) ausgebildet ist.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender Teil einer Lichtquelle ist, die derart ausgebildet ist, dass der Lichtstrahl in schneller Folge periodisch den Schutzbereich überstreicht.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Laserscanner (112) zur Überwachung und Erfassung eines flächigen Schutzbereichs (138) ausgebildet ist.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (118) Teil der Sendeeinheit (114) des Laserscanners (112) ist, so dass der sichtbare Sendelichtstrahl (140) des Lichtsenders (118) zusammen mit einem infraroten Abtaststrahl (120) der Sendeeinheit (114) den Schutzbereich (138) überstreicht.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit zur Aussendung von zwei Wellenlängen ausgebildet ist und von der Steuer- und Auswerteeinheit in Abhängigkeit vom Schaltzustand alternativ so ansteuerbar ist, dass der von der Sendelichtquelle ausgesandte Sendelichtstrahl in seiner Wellenlänge veränderbar ist.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendelichtquelle wenigstens zwei verschiedene Halbleiterdioden, die unterschiedliche Wellenlängen emittieren, umfasst.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender und die Sendeeinheit getrennt voneinander sind und beide von der Steuer- und Auswerteeinheit angesteuert werden.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Lichtsender weitere Informationen aussendbar sind.