DE202017103611U1 - Device for safety control of a machine - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung einer Maschine (2),mit wenigstens einem sicheren Objektsensor (3) zur Detektion von Objekten (4) und gleichzeitiger Überwachung mehrerer Segmente (5) einer Fläche (6),einer sicheren Steuer- und Auswerteeinheit (7) zur Auswertung der Signale des wenigstens einen Objektsensors (3) und zur Erzeugung von Steuersignalen für die Maschine (2),dadurch gekennzeichnet,dass die Steuer- und Auswerteeinheit (7) ausgebildet ist, eine Trajektorie (13) für die Maschine (2) zu berechnen und die berechnete Trajektorie (13) auszuwählen, welche Segmente (5) meidet in denen Objekte (4) detektiert sind und Segmente (5) wählt, in denen keine Objekte (4) detektiert sind.Device for safety control of a machine (2), with at least one safe object sensor (3) for detecting objects (4) and simultaneous monitoring of several segments (5) of a surface (6), a safe control and evaluation unit (7) for evaluating the Signals of the at least one object sensor (3) and for generating control signals for the machine (2), characterized in that the control and evaluation unit (7) is adapted to calculate a trajectory (13) for the machine (2) and the calculated trajectory (13), which avoids segments (5) in which objects (4) are detected and selects segments (5) in which no objects (4) are detected.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung einer Maschine, mit wenigstens einem sicheren Objektsensor zur Detektion von Objekten und gleichzeitigen Überwachung mehrerer Segmente einer Fläche, einer sicheren Steuer- und Auswerteeinheit zur Auswertung der Signale des wenigstens einen Objektsensors und zur Erzeugung von Steuersignalen für die Maschine.The present invention relates to a device for safety control of a machine, with at least one safe object sensor for the detection of objects and simultaneous monitoring of several segments of a surface, a safe control and evaluation unit for evaluating the signals of the at least one object sensor and for generating control signals for the machine ,

Derartige Vorrichtungen sind aus der EP 2 428 862 B1 und der DE 10 2005 049 159 A1 bekannt.Such devices are from the EP 2 428 862 B1 and the DE 10 2005 049 159 A1 known.

Eine Absicherung von Gefahrenbereichen erfolgt nach dem Stand der Technik beispielsweise über ein weiträumiges Absperren des Gefahrenbereichs, z. B. mit Zäunen. Damit ist eine Interaktion zwischen Maschine und Mensch nicht mehr möglich. Ist z. B. zur Störungsbeseitigung ein Betreten des Bereiches notwendig, wird die Maschine komplett abgeschaltet.A security of hazardous areas is carried out according to the prior art, for example, a long-term shut off the danger area, z. B. with fences. Thus, an interaction between machine and human is no longer possible. Is z. B. for troubleshooting a entering the area necessary, the machine is completely switched off.

Weiter ist eine Absicherung mit einem Sensor bekannt, der einen Bereich vor bzw. um die Maschine überwacht, beispielsweise mit einem Laserscanner. Wird in dem durch diesen Sensor überwachten Bereich ein Objekt, möglicherweise ein Mensch erkannt, wird die Bewegung der Maschine gestoppt. Hier besteht das Problem, zur Erzielung einer angemessenen Produktivität in Abhängigkeit der konkreten Situation ein möglichst kleines Schutzfeld zu wählen.Furthermore, a safeguard with a sensor is known which monitors an area in front of or around the machine, for example with a laser scanner. If an object, possibly a human, is detected in the area monitored by this sensor, the movement of the machine is stopped. The problem here is to choose the smallest possible protective field to achieve adequate productivity, depending on the specific situation.

Stand der Technik ist daher, in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit zwischen verschiedenen Schutzfeldern umzuschalten. Dies geschieht beispielsweise bei einem fahrerlosen Transportfahrzeug in Abhängigkeit des Lenkwinkels und der gefahrenen Geschwindigkeit unter Berücksichtigung des Anhalteweges. Bei einem Roboter in Abhängigkeit der konkreten Roboterposition. Eine Projektierung der verschiedenen Schutzfelder wird mit zunehmender Anzahl derselben nachteilig sehr aufwendig, ebenso die Validierung der Sicherheitsfunktion. Weiterhin führt ein erkanntes Hindernis in jedem Fall zum Stopp der Maschine und damit zu einer unerwünschten Betriebsunterbrechung.The prior art is therefore to switch depending on the direction of movement and movement speed between different protective fields. This happens, for example, in a driverless transport vehicle depending on the steering angle and the speed traveled, taking into account the stopping distance. For a robot depending on the specific robot position. A configuration of the various protective fields is disadvantageously very complicated with increasing number of the same, as well as the validation of the safety function. Furthermore, a detected obstacle in any case leads to the stop of the machine and thus to an undesirable interruption in operation.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Steuerung für eine Maschine bereitzustellen, welche abhängig von einer Position eines Objektes oder Menschen sein soll. Die Steuerung soll sicher, einfach und überschaubar sein, so dass eine Validierung der Steuerung möglich ist.It is therefore an object of the invention to provide a controller for a machine which is to be dependent on a position of an object or human. The control should be safe, simple and manageable, so that a validation of the control is possible.

Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch eine Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung einer Maschine, mit wenigstens einem sicheren Objektsensor zur Detektion von Objekten und gleichzeitiger Überwachung mehrerer Segmente einer Fläche, einer sicheren Steuer- und Auswerteeinheit zur Auswertung der Signale des wenigstens einen Objektsensors und zur Erzeugung von Steuersignalen für die Maschine, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet ist, eine Trajektorie für die Maschine zu berechnen und die berechnete Trajektorie auszuwählen, welche Segmente meidet, in denen Objekte detektiert sind und Segmente wählt, in denen keine Objekte detektiert sind.The object is achieved according to claim 1 by a device for safety control of a machine, with at least one safe object sensor for the detection of objects and simultaneous monitoring of several segments of a surface, a safe control and evaluation unit for evaluating the signals of the at least one object sensor and for generating Control signals for the machine, wherein the control and evaluation unit is adapted to calculate a trajectory for the machine and to select the calculated trajectory, which avoids segments in which objects are detected and selects segments in which no objects are detected.

Die Erfindung besteht also aus einem Sensor, der eine Fläche überwacht. Die Fläche ist in eine Mehrzahl von kleineren Segmenten aufgeteilt. Eine Detektion eines Objektes in einem Segment erzeugt ein segmentspezifisches Signal. Für jedes Segment wird mindestens ein eigenes Signal erzeugt, um anzuzeigen, ob ein Objekt detektiert wurde oder nicht. Dabei wird eine unmittelbare Detektion des Objektes in dem Segment erkannt und auch eine potentielle Detektion in dem Segment, beispielsweise durch eine Abschattung von Lichtstrahlen in der Nähe des Sensors oder durch Objekte in benachbarten Segmenten, so dass beispielsweise ein einziges Objekt in zwei benachbarten Segmenten detektiert wird.The invention thus consists of a sensor which monitors an area. The area is divided into a plurality of smaller segments. A detection of an object in a segment generates a segment-specific signal. For each segment, at least one signal is generated to indicate whether or not an object has been detected. In this case, an immediate detection of the object in the segment is detected and also a potential detection in the segment, for example by shading of light beams in the vicinity of the sensor or by objects in adjacent segments, so that, for example, a single object is detected in two adjacent segments ,

Die dem Sensor übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit erhält also pro Segment die Information, ob dieses Segment definitiv leer, also sicher ist, oder sich darin potentiell ein Objekt beispielsweise ein Mensch befindet und damit nicht sicher ist. The higher-order control and evaluation unit of the sensor thus receives information per segment as to whether this segment is definitely empty, that is to say safe, or whether there is potentially an object, for example a human being, and thus not secure.

Ausgehend von diesen Informationen zu den Segmenten ist die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet, eine Trajektorie, also eine Bahn, Bahnkurve oder einen Pfad zu ermitteln, die durch die Segmente führt, die frei, also nicht belegt sind. Dadurch kommt es nicht zu einer Gefährdung der Objekte in den Segmenten mit den detektierten Objekten.Based on this information about the segments, the control and evaluation unit is designed to determine a trajectory, ie a path, trajectory or path that leads through the segments that are free, that is not occupied. This does not endanger the objects in the segments with the detected objects.

Die sichere Steuer- und Auswerteeinheit kennt die Position der Maschine innerhalb der Segmente, bzw. die Trajektorie, beispielsweise aus einem gebildeten Modell aus fortlaufenden sicheren Messwerten der Antriebe.The safe control and evaluation unit knows the position of the machine within the segments, or the trajectory, for example, from a model formed from continuous safe measured values of the drives.

Durch die Unterteilung der insgesamt zu überwachenden Fläche in Segmente entsteht eine einerseits sehr flexible, andererseits jedoch eine noch übersichtliche Funktionalität, so dass die Abfolgen in der übergeordneten Steuer- und Auswerteeinheit übersichtlich programmiert werden können und die Validierung in der Applikation vereinfacht wird.By dividing the total area to be monitored into segments, on the one hand, a very flexible, but on the other hand a still clear functionality arises, so that the sequences in the higher-level control and evaluation can be clearly programmed and the validation in the application is simplified.

Die Steuer- und Auswerteeinheit ist beispielsweise mit dem sicheren Objektsensor in einem gemeinsamen Gehäuse integriert.The control and evaluation unit is integrated, for example, with the safe object sensor in a common housing.

Sicherheit ist gemäß vorliegender Erfindung Sicherheit im Sinne von Maschinensicherheit. Beispielsweise regelt die Norm EN/IEC 61496 die Anforderungen an einen sicheren Sensor bzw. eine sichere berührungslos wirkende Schutzeinrichtung (BWS) zur Absicherung von Gefahrenbereichen. Maschinensicherheit ist in der Norm EN13849 geregelt. Die Sicherheit wird beispielsweise durch einen zweikanaligen redundanten oder zweikanalig diversitären Aufbau einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Fehleraufdeckung und zur Funktionsprüfung gewährleistet. Der sichere Objektsensor oder Distanzsensor gemäß vorliegender Erfindung ist beispielsweise eigensicher ausgebildet und erkennt interne Fehler. Bei Entdeckung eines Fehlers wird beispielsweise ein Fehlersignal generiert. Weiter verfügt der sichere Objektsensor optional über eine Sensortestung.Safety according to the present invention is safety in the sense of machine safety. For example, the standard EN / IEC 61496 regulates the requirements for a safe sensor or a safe non-contact protective device (ESPE) for the protection of hazardous areas. Machine safety is regulated in the standard EN13849. The security is ensured, for example, by a two-channel redundant or two-channel diverse construction of a control and evaluation unit for fault detection and functional testing. The safe object sensor or distance sensor according to the present invention, for example, intrinsically safe and detects internal errors. When an error is detected, for example, an error signal is generated. Furthermore, the safe object sensor optionally has a sensor test.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine Geschwindigkeit der Maschine und ein Abstand der Maschine zu einem Segment, in dem ein Objekte detektiert ist, derart angepasst, dass eine Gefährdung des Objektes ausgeschlossen ist, wobei die Geschwindigkeit eine sichere Geschwindigkeit ist und der Abstand ein sicherer Abstand ist.In a further development of the invention, a speed of the machine and a distance of the machine to a segment in which an object is detected are adapted such that a hazard to the object is excluded, wherein the speed is a safe speed and the distance is a safe distance ,

Damit wird, falls es sich bei dem Objekt um eine Person handelt, eine Irritation vermieden, da die Maschine beispielsweise auf dem Weg in Richtung der Person die Geschwindigkeit verringert und vor der Person eine Ausweichbewegung durchführt. Falls eine Interaktion zwischen dem Objekt, beispielsweise dem Mensch oder einem Materialobjekt und der Maschine eine Interaktion gewünscht oder beabsichtigt ist, z. B. für das Einlegen eines Werkstücks, hält die Maschine möglichst nahe und in geeigneter Position am besetzten Segment an.In this way, if the object is a person, irritation is avoided since, for example, the machine reduces the speed on the way in the direction of the person and performs an evasive movement in front of the person. If an interaction between the object, for example the human or a material object and the machine, an interaction is desired or intended, for. As for the insertion of a workpiece, the machine stops as close as possible and in a suitable position on the occupied segment.

In Weiterbildung der Erfindung ist die sichere Steuer- und Auswerteeinheit eine sichere Sicherheitssteuerung. Dabei kann es sich um eine externe Sicherheitssteuerung handeln, die über eine Leitung mit dem sicheren Objektsensor verbunden ist. Bei der Sicherheitssteuerung handelt es sich um eine Sicherheitssteuerung gemäß der Maschinenrichtlinie, beispielsweise nach Kategorie 4 (EN ISO 13849), Sicherheits-Integritätslevel SIL3 (IEC 61508) oder SILCL3 (EN62061).In a further development of the invention, the safe control and evaluation unit is a safe safety control. This can be an external safety controller, which is connected via a line to the safe object sensor. The safety controller is a safety controller in accordance with the Machinery Directive, for example according to Category 4 (EN ISO 13849), Safety Integrity Level SIL3 (IEC 61508) or SILCL3 (EN62061).

Dadurch wird ein modulares System aus Sicherheitsteuerung und mindestens einem sicheren Objektsensor gebildet. Die Sicherheitssteuerung kann dabei je nach funktionaler Anforderung bzw. je nach Sicherheitslevel individuell ausgewählt werden.This forms a modular system of safety control and at least one safe object sensor. The safety control can be individually selected depending on the functional requirement or the security level.

In Weiterbildung der Erfindung sind die sichere Steuer- und Auswerteeinheit und der sichere Objektsensor über einen Feldbus mit Sicherheitsprotokoll verbunden. Über den Feldbus können eine Vielzahl von Daten quasi gleichzeitig übertragen werden. Dabei kann die sichere Information zu jedem Segment, ob dieses belegt oder frei ist, an die Sicherheitssteuerung übertragen werden. Bei dem Feldbus mit Sicherheitsprotokoll kann es sich um bekannte offene Feldbusse handeln oder auch um spezielle Firmenlösungen handeln.In a further development of the invention, the safe control and evaluation unit and the safe object sensor are connected via a fieldbus with security protocol. Via the fieldbus, a large number of data can be transmitted virtually simultaneously. In this case, the secure information about each segment, whether it is busy or free, can be transmitted to the safety controller. The fieldbus with safety protocol can be known open field buses or can also be special company solutions.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Segmente quadratisch, rechteckförmig, trapezförmig und/oder dreieckförmig einstellbar. Segmente mit diesen Formen lassen sich einfach aneinanderreihen, um eine nahezu beliebige größere Fläche modular zu bilden. Die Segmente weisen dabei optional auch dieselbe Größe auf. Jedoch ist es gemäß der Erfindung ausdrücklich auch vorgesehen, Segmente unterschiedlicher Größe zu verwenden. Dabei kann je nach Größe der Segmente eine beliebige Fläche fein abgedeckt werden, ohne jedoch die Anzahl der Segmente unnötig zu erhöhen. Soll beispielsweise eine rechteckige Fläche überwacht werden können einfach quadratische oder rechteckige Segmente verwendet werden. Mit Hilfe von trapezförmigen oder dreieckigen Segmenten lassen sich auch spitze Formen abdecken. Beispielsweise können fächerförmige Flächen je nach gewünschter Anwendung mit dreieckförmigen oder trapezförmigen Segmenten gebildet sein. Je nach gewünschter Fläche können auch Segmente mit unterschiedlichen Flächen kombiniert werden. Die Segmente liegen dabei vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene.In a further development of the invention, the segments are square, rectangular, trapezoidal and / or triangular adjustable. Segments with these shapes are easy to string together to form a virtually any larger area of modularity. Optionally, the segments also have the same size. However, it is expressly provided according to the invention to use segments of different sizes. Depending on the size of the segments, any surface can be finely covered without, however, unnecessarily increasing the number of segments. If, for example, a rectangular area is to be monitored, simply square or rectangular segments can be used. With the help of trapezoidal or triangular segments, even pointed shapes can be covered. For example, depending on the desired application, fan-shaped surfaces can be formed with triangular or trapezoidal segments. Depending on the desired surface, segments with different surfaces can also be combined. The segments are preferably in a common plane.

In Weiterbildung der Erfindung weisen die Segmente gleiche Formen auf. Dadurch wird die Auswertung weiter vereinfacht und für den Anwender ist die Anwendung weiter vereinfacht, da alle Flächen nur mit gleichartigen Segmentflächen gebildet werden.In a further development of the invention, the segments have the same shapes. As a result, the evaluation is further simplified and for the user, the application is further simplified, since all surfaces are formed only with similar segment areas.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Objektsensor ein Laserscanner. Ein Laserscanner sendet einen Lichtstrahl aus dessen Lichtlaufzeit ausgewertet wird, um eine Entfernung zu einem Objekt zu erfassen. Der Lichtstrahl wird dabei vorzugsweise über eine Lichtablenkeinheit nacheinander in verschiedenen Richtungen abgelenkt, um einen Überwachungsbereich abzudecken. Bei der Lichtablenkeinheit handelt es sich beispielsweise um einen Drehspiegel.According to a preferred embodiment, the object sensor is a laser scanner. A laser scanner emits a light beam whose light transit time is evaluated in order to detect a distance to an object. The light beam is thereby preferably deflected in different directions via a light deflection unit in order to cover a monitoring area. The light deflection unit is, for example, a rotating mirror.

Jedoch kann es sich bei dem Laserscanner auch um einen Laserscanner mit einer Vielzahl von Sende- und Empfangspaaren handeln, die statisch fest angeordnet sind und mit dem ein flächiger Bereich überwacht wird.However, the laser scanner can also be a laser scanner with a multiplicity of transmitting and receiving pairs, which are statically fixed and with which a flat area is monitored.

Weiter kann gemäß der Erfindung auch eine Kamera als sicherer Objektsensor, insbesondere eine Time-of-flight Kamera, vorgesehen sein, die es ebenso ermöglicht, die Lichtlaufzeit von empfangenem Licht auszuwerten und daraus eine Vielzahl von Entfernungspunkten zu berechnen.Furthermore, according to the invention, a camera may also be provided as a safe object sensor, in particular a time-of-flight camera, which also makes it possible to evaluate the light transit time of received light and to calculate a plurality of distance points therefrom.

Als Time-of-flight Sensorelement kann für die Kamera als auch für den Laserscanner mindestens eine sogenannte Einzelphotonenlawinendiode, welche auch unter der Bezeichnung ,single photon avalanche photodiode‘ kurz SPAD bekannt ist, verwendet werden. Andere gängige Bezeichnungen sind Silicon Photomultiplier‘ (SiPM), ,Geigermode Avalanche Photon Diode‘ oder ,Single Photon Counting Diode‘. Einzelphotonenlawinendioden sind in Standard CMOS-Technologie realisierbare photoempfindliche Detektoren, die ähnlich wie Avalanche Photodioden einfallende Photonen in Strompulse konvertieren. Im Gegensatz zu Avalanche Photodioden werden Einzelphotonenlawinendioden jedoch über einer Durchbruchsspannung betrieben. Damit löst bereits ein einzelnes einfallendes Photon einen Lawineneffekt aus, der als Strompuls detektiert werden kann. Aufgrund der hohen Sensitivität, nämlich einem Verstärkungsfaktor von 106 können bereits geringste Empfangsleistungen bis zu Einzelphotonen detektiert werden. As a time-of-flight sensor element, at least one so-called single-photon avalanche diode, which is also known by the name "single photon avalanche photodiode" or SPAD, can be used for the camera as well as for the laser scanner. Other common names are Silicon Photomultiplier '(SiPM),' Geigermode Avalanche Photon Diode 'or' Single Photon Counting Diode '. Single-photon avalanche diodes are standard photosensitive detectors using standard CMOS technology, which, like avalanche photodiodes, convert incident photons into current pulses. However, unlike avalanche photodiodes, single photon avalanche diodes operate over a breakdown voltage. Thus, even a single incident photon triggers an avalanche effect, which can be detected as a current pulse. Due to the high sensitivity, namely an amplification factor of 10 6 , even the lowest reception power can be detected down to single photons.

Eine Verwendung eines Lichtlaufzeitsensors, insbesondere die Verwendung von Einzelphotonenlawinendioden in Kombination mit Pulslasern, liefern Abstandsinformationen mit einer Genauigkeit von beispielsweise bis zu ca. einem Millimeter. Gleichzeitig erlaubt eine einfache Vorsatzoptik über eine Fokussierung die Realisierung von guter Ortsselektivität und Abgrenzung gegenüber Störlicht.Use of a light transit time sensor, in particular the use of single photon avalanche diodes in combination with pulsed lasers, provides distance information with an accuracy of, for example, up to about one millimeter. At the same time, a simple optical attachment via focusing allows the realization of good spatial selectivity and differentiation from stray light.

Zur Entfernungsmessung sind verschiedene Lichtlaufzeitverfahren mit einer entsprechenden Auswertung implementierbar.For distance measurement, different light transit time methods can be implemented with a corresponding evaluation.

Es kann ein Pulsverfahren vorgesehen sein. Beispielsweise sind ein oder mehrere Zeit-zu-Digital-Konverter (time-to-digital-converter) für das Pulsverfahren vorgesehen, in dem jedes Einzelphotonenereignis mit einem Zeitstempel versehen wird. Bei einem Nutzsignal treten daher mehrere Zeitstempel korreliert auf. Die Messwertgenerierung erfolgt statistisch. Hintergrundlicht erzeugt hingegen zufällig verteilte Zeitstempel.It may be provided a pulse method. For example, one or more time-to-digital converters are provided for the pulse method in which each single-photon event is time-stamped. For a useful signal, therefore, multiple timestamps occur correlated. The measured value is generated statistically. Background light, however, generates randomly distributed timestamps.

Weiter kann ein CW-Verfahren (Continuous Wave) bzw. das synonyme Dauerstrich-Verfahren eingesetzt werden, wobei ein zeitlich durchgängig moduliertes Lichtsignal eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren werden über ein Gating-Signal die Einzelphotonenevents in zwei Zähler verteilt und aus dem Verhältnis der Zählerstände eine Phase berechnet.Furthermore, a CW method (continuous wave) or the synonymous continuous wave method can be used, wherein a continuous light signal is used throughout. In this method, the single-photon events are distributed in two counters via a gating signal, and a phase is calculated from the ratio of the counter readings.

Weiter können analoge Signale eines Einzelphotonendiodenarrays ausgewertet werden. Diese werden mit einem Schwellwert verglichen, werden gesampelt oder werden mit statistischen Methoden ausgewertet.Furthermore, analog signals of a single photon diode array can be evaluated. These are compared with a threshold, sampled or evaluated using statistical methods.

Bei der Auswertung nach dem Lichtlaufzeitverfahren kann zusätzlich zum Abstandswert auch ein Amplitudenwert generiert werden, z. B. durch ein Histogramm der Zeitstempel, durch eine Zählrate oder durch eine Spannungsamplitude bei einer analogen Auswertung. Durch den Amplitudenwert kann eine Plausibilitätsprüfung, insbesondere bei sicherheitstechnischen Anwendungen, durchgeführt werden.In the evaluation according to the time of flight method, an amplitude value can be generated in addition to the distance value, for. B. by a histogram of the time stamp, by a count rate or by a voltage amplitude in an analog evaluation. The amplitude value can be used to carry out a plausibility check, in particular in safety-related applications.

In Weiterbildung der Erfindung sind mindestens zwei Objektsensoren, insbesondere zwei Laserscanner vorgesehen, welche jeweils identische Segmente aus unterschiedlichen Richtungen erfassen. Dadurch werden Objekte aus unterschiedlichen Richtungen erfasst und störende Abschattungen vermieden, wodurch mehr Segmente als frei klassifiziert werden können. Die Messwerte der Sensoren werden beispielsweise in einem gemeinsamen Koordinatenfeld zusammengeführt bzw. verrechnet. Die verschiedenen Objektsensoren erfassen dabei eine identische Fläche und identische Segmente. Die jeweilige Segmentinformation wird dabei logisch ,ODER‘ verknüpft. D. h. ein Segment wird als frei beurteilt wenn wenigstens einer der Sensoren dieses Segment als frei meldet. Dadurch sind dann auch entstehende Okklusionen beherrscht.In a development of the invention, at least two object sensors, in particular two laser scanners, are provided which each detect identical segments from different directions. This captures objects from different directions and avoids annoying shadowing, allowing more segments to be classified as free. The measured values of the sensors are combined or calculated, for example, in a common coordinate field. The different object sensors capture an identical area and identical segments. The respective segment information is logically OR'ed. Ie. a segment is judged to be free if at least one of the sensors reports this segment as free. As a result, resulting occlusions are also mastered.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Maschine ein Roboter. Ein Roboter der hier vorgesehenen Art weist beispielsweise einen vielgliedrigen Arm mit einem Werkzeug auf, um beispielsweise Handhabungsvorgänge durchzuführen oder bestimmte immer auf gleiche Art wiederholende Bewegungsabläufe durchzuführen. Diese Handhabungsaufgaben können in Interaktion mit anderen Robotern, Maschinen oder auch menschlichen Personen erfolgen. Dabei ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, das Bewegungsfeld des Roboters mit dem mindestens einen Objektsensor zu überwachen, und das Bewegungsfeld in einzelne Segmente zu unterteilen.In development of the invention, the machine is a robot. For example, a robot of the type provided herein has a multi-limbed arm with a tool to perform, for example, handling operations or to perform certain movements that are always repeated in the same manner. These handling tasks can take place in interaction with other robots, machines or even human persons. It is provided according to the invention to monitor the motion field of the robot with the at least one object sensor, and to divide the motion field into individual segments.

In einer bevorzugten alternativen Ausführungsform ist die Maschine ein Fahrzeug. Dabei kann es sich beispielsweise um ein autonomes führerloses Fahrzeug handeln, insbesondere ein führerloses Kleinfahrzeug, das beispielsweise Material zwischen Bearbeitungsstationen transportiert. Dabei ist an mindestens einer Seite oder an mindestens einer Ecke des Fahrzeugs ein Objektsensor angeordnet, um eine zur Fahrbahn parallele oder geneigte Fläche zu überwachen. Diese Fläche ist gemäß der Erfindung in Segmente unterteilt, die überwacht werden. Sind einzelne Segmente durch Objekte belegt, umfährt das Fahrzeug diese. Die Steuer- und Auswerteeinheit übernimmt die Aufgabe, eine Trajektorie bzw. Bahn für das Fahrzeug zu wählen, die die besetzten Segmente vermeidet, d. h. um die Hindernisse bzw. Objekte bzw. Menschen herumfährt. Dabei ist die Geschwindigkeit dem Abstand zwischen Fahrzeug und z. B. Mensch so angepasst, dass eine Gefährdung weiter ausgeschlossen bleibt, sowie eine Irritation der Menschen vermieden wird. Nur wenn entweder keine entsprechende Trajektorie zur Verfügung steht oder die Interaktion mit einem Menschen beabsichtigt ist, z. B. für das Beladen von Material, möglichst nahe an dem Segment und damit am Menschen anhält. Für die Berechnung der Trajektorie sind der Steuer- und Auswerteeinheit die eigene Relativposition bekannt, bzw. erhält die Steuer- und Auswerteeinheit fortlaufend Messwerte von den Antrieben, um fortlaufend ein Positionsmodell zu erstellen.In a preferred alternative embodiment, the engine is a vehicle. This may be, for example, an autonomous driverless vehicle, in particular a driverless small vehicle, for example, transporting material between processing stations. In this case, an object sensor is arranged on at least one side or at least one corner of the vehicle in order to monitor a plane parallel to the road or inclined surface. This area is divided according to the invention into segments which are monitored. If individual segments are occupied by objects, the vehicle drives around them. The control and evaluation unit takes over the task of selecting a trajectory or path for the vehicle, which avoids the occupied segments, ie drives around the obstacles or objects or people. The speed is the distance between the vehicle and z. B. human being adapted so that a threat is further excluded, as well as an irritation of the People is avoided. Only if either no corresponding trajectory is available or the interaction with a human is intended, for. B. for the loading of material, as close to the segment and thus stops on people. For the calculation of the trajectory, the control and evaluation unit is aware of its own relative position, or the control and evaluation unit continuously receives measured values from the drives in order to continuously create a position model.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Steuersignale für das Fahrzeug Lenk- oder Bremssignale.In a further development of the invention, the control signals for the vehicle steering or braking signals.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:

  • 1 eine Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung einer Maschine mit wenigstens einem sicheren Objektsensor;
  • 2 und 3 jeweils ein Fahrzeug mit einem Laserscanner.
The invention will be explained below with regard to further advantages and features with reference to the accompanying drawings with reference to embodiments. The figures of the drawing show in:
  • 1 a device for safety control of a machine with at least one safe object sensor;
  • 2 and 3 one vehicle each with a laser scanner.

In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.In the following figures, identical parts are provided with identical reference numerals.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Sicherheitssteuerung einer Maschine 2 mit wenigstens einem sicheren Objektsensor 3 zur Detektion von Objekten 4 und gleichzeitiger Überwachung mehrerer Segmente 5 einer Fläche 6, einer sicheren Steuer- und Auswerteeinheit 7 zur Auswertung der Signale des wenigstens einen Objektsensors 3 und zur Erzeugung von Steuersignalen für die Maschine 2, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit 7 ausgebildet ist, eine Trajektorie 13 für die Maschine 2 zu berechnen und die berechnete Trajektorie 13 auszuwählen, welche Segmente 5 meidet, in denen Objekte 4 detektiert sind und Segmente 4 wählt, in denen keine Objekte 4 detektiert sind. 1 shows a device 1 for the safety control of a machine 2 with at least one safe object sensor 3 for the detection of objects 4 and simultaneous monitoring of multiple segments 5 a surface 6 , a secure control and evaluation unit 7 for evaluating the signals of the at least one object sensor 3 and for generating control signals for the machine 2 , wherein the control and evaluation unit 7 is formed, a trajectory 13 for the machine 2 to calculate and the calculated trajectory 13 to select which segments 5 avoids, in which objects 4 are detected and segments 4 chooses, in which no objects 4 are detected.

Die Fläche 6 ist in eine Mehrzahl von kleineren Segmenten 5 aufgeteilt. Eine Detektion eines Objektes 4 in einem Segment 5 erzeugt ein segmentspezifisches Signal. Für jedes Segment 5 wird mindestens ein eigenes Signal erzeugt, um anzuzeigen, ob ein Objekt 4 detektiert wurde oder nicht. Dabei wird eine unmittelbare Detektion des Objektes 4 in dem Segment 5 erkannt und auch eine potentielle Detektion in dem Segment 5 beispielsweise durch eine Abschattung von Lichtstrahlen in der Nähe des Sensors 3 oder durch Objekte 4 in benachbarten Segmenten 5, so dass beispielsweise ein einziges Objekt 4 in zwei benachbarten Segmenten 5 detektiert wird.The area 6 is in a plurality of smaller segments 5 divided up. A detection of an object 4 in a segment 5 generates a segment-specific signal. For every segment 5 At least one separate signal is generated to indicate if an object 4 was detected or not. This is an immediate detection of the object 4 in the segment 5 detected and also a potential detection in the segment 5 for example, by a shadowing of light rays in the vicinity of the sensor 3 or by objects 4 in neighboring segments 5 so that, for example, a single object 4 in two adjacent segments 5 is detected.

Die dem Sensor 3 übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit 7 erhält also pro Segment 5 die Information, ob dieses Segment 5 definitiv leer, also sicher ist oder sich darin potentiell ein Objekt 4 beispielsweise ein Mensch befindet und damit nicht sicher ist.The sensor 3 higher-level control and evaluation unit 7 So receives per segment 5 the information, if this segment 5 definitely empty, so safe or potentially an object in it 4 For example, a human is located and therefore not sure.

Ausgehend von diesen Informationen zu den Segmenten 5 ist die Steuer- und Auswerteeinheit 7 ausgebildet, eine Trajektorie 13 also eine Bahn, Bahnkurve oder einen Pfad zu ermitteln die durch die Segmente 5 führt, die frei, also nicht belegt sind. Dadurch kommt es nicht zu einer Gefährdung der Objekte 4 in den Segmenten 5 mit den detektierten Objekten 4.Based on this information about the segments 5 is the control and evaluation unit 7 trained, a trajectory 13 that is, to find a path, trajectory, or path through the segments 5 leads, which are free, so not occupied. This does not endanger the objects 4 in the segments 5 with the detected objects 4 ,

Die sichere Steuer- und Auswerteeinheit 7 kennt die Position der Maschine 2 innerhalb der Segmente 5, bzw. die Trajektorie 13, beispielsweise aus einem gebildeten Modell aus fortlaufenden sicheren Messwerten der Antriebe der Maschine.The safe control and evaluation unit 7 knows the position of the machine 2 within the segments 5 , or the trajectory 13 For example, from a model formed from continuous safe measurements of the drives of the machine.

Die Steuer- und Auswerteeinheit 7 ist gemäß 1 mit dem sicheren Objektsensor 3 in einem gemeinsamen Gehäuse integriert.The control and evaluation unit 7 is according to 1 with the safe object sensor 3 integrated in a common housing.

Gemäß 2 sind die sichere Steuer- und Auswerteeinheit 7 und der sichere Objektsensor 3 über einen Feldbus 14 mit Sicherheitsprotokoll verbunden. Über den Feldbus 14 können eine Vielzahl von Daten quasi gleichzeitig übertragen werden. Dabei kann die sichere Information zu jedem Segment 5, ob dieses belegt oder frei ist, an die Sicherheitssteuerung 8 übertragen werden.According to 2 are the safe control and evaluation unit 7 and the safe object sensor 3 over a fieldbus 14 connected to security protocol. About the fieldbus 14 a multitude of data can be transmitted virtually simultaneously. This can be the secure information for each segment 5 whether it is occupied or free, to the safety controller 8th be transmitted.

Gemäß 1 und 2 sind die Segmente 5 rechteckförmig ausgebildet.According to 1 and 2 are the segments 5 rectangular shaped.

Gemäß 3 sind die Segmente 5 trapezförmig und dreieckig ausgebildet.According to 3 are the segments 5 trapezoidal and triangular.

Gemäß den Figuren sind die Segmente 5 aneinandergereiht, um eine nahezu beliebige größere Fläche 6 modular zu bilden. Gemäß 2 weisen die Segmente 5 dabei auch dieselbe Größe auf. Gemäß 1 und 3 sind Segmente 5 unterschiedlicher Größe vorgesehen. Gemäß 1 und 2 weisen die Segmente 5 gleiche Formen auf.According to the figures, the segments are 5 strung together to a nearly arbitrary larger area 6 modular form. According to 2 assign the segments 5 also the same size. According to 1 and 3 are segments 5 different size provided. According to 1 and 2 assign the segments 5 same forms.

Gemäß 2 und 3 ist der Objektsensor 3 ein Laserscanner 10. Ein Laserscanner 10 sendet einen Lichtstrahl aus dessen Lichtlaufzeit ausgewertet wird, um eine Entfernung zu einem Objekt 4 zu erfassen. Der Lichtstrahl wird dabei vorzugsweise über eine Lichtablenkeinheit nacheinander in verschiedenen Richtungen abgelenkt, um einen Überwachungsbereich abzudecken. Bei der Lichtablenkeinheit handelt es sich beispielsweise um einen Drehspiegel.According to 2 and 3 is the object sensor 3 a laser scanner 10 , A laser scanner 10 sends a beam of light whose light-time is evaluated to a distance to an object 4 capture. The light beam is thereby preferably deflected in different directions via a light deflection unit in order to cover a monitoring area. The light deflection unit is, for example, a rotating mirror.

Gemäß den 1 bis 3 ist die Maschine 2 ein Fahrzeug 11, insbesondere ein autonomes führerloses Fahrzeug 11, das beispielsweise Material zwischen Bearbeitungsstationen transportiert. Dabei ist an einer Seite ein Objektsensor 3 angeordnet, um eine zur Fahrbahn parallele oder geneigte Fläche 6 zu überwachen. Diese Fläche 6 ist gemäß den Figuren in Segmente 5 unterteilt, die überwacht werden. Sind einzelne Segmente 5 durch Objekte 4 belegt, umfährt das Fahrzeug 11 diese. Die Steuer- und Auswerteeinheit 7 übernimmt die Aufgabe, eine Trajektorie 13 bzw. Bahn für das Fahrzeug 11 zu wählen, die die besetzten Segmente 5 vermeidet, d. h. um die Hindernisse bzw. Objekte 4 bzw. Menschen herumfährt. Dabei ist die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Abstand zwischen Fahrzeug 11 und z. B. Mensch so angepasst, dass eine Gefährdung weiter ausgeschlossen bleibt, sowie eine Irritation des Menschen vermieden wird. Nur wenn entweder keine entsprechende Trajektorie 13 zur Verfügung steht oder die Interaktion mit einem Menschen beabsichtigt ist, z. B. für das Beladen von Material, hält das Fahrzeug möglichst nahe an dem Segment und damit am Menschen an. Für die Berechnung der Trajektorie 13 sind der Steuer- und Auswerteeinheit 7 die eigene Relativposition bekannt, bzw. erhält die Steuer- und Auswerteeinheit 7 fortlaufend Messwerte von den Antrieben, um fortlaufend ein Positionsmodell zu erstellen.According to the 1 to 3 is the machine 2 a vehicle 11 , in particular an autonomous driverless vehicle 11 which, for example, transports material between processing stations. In this case, an object sensor is on one side 3 arranged to be parallel to the road or inclined surface 6 to monitor. This area 6 is in segments according to the figures 5 divided, which are monitored. Are individual segments 5 through objects 4 occupied, the vehicle drives around 11 these. The control and evaluation unit 7 takes on the task, a trajectory 13 or track for the vehicle 11 to choose the occupied segments 5 avoids, ie the obstacles or objects 4 or people drive around. Here is the speed of the vehicle, the distance between the vehicle 11 and Z. B. man adapted so that a risk remains excluded, and an irritation of humans is avoided. Only if either no corresponding trajectory 13 is available or the interaction with a human intended, z. As for the loading of material, the vehicle stops as close to the segment and thus to the people. For the calculation of the trajectory 13 are the control and evaluation unit 7 the own relative position known, or receives the control and evaluation 7 continuous measurements from the drives to continuously create a position model.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtungcontraption
22
Maschinemachine
33
Objektsensorobject sensor
44
Objektobject
55
Segmentesegments
66
Flächearea
77
Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
88th
Sicherheitssteuerungsafety control
99
Feldbusfieldbus
1010
Laserscannerlaser scanner
1111
Fahrzeugvehicle
1212
fahrerloses Fahrzeugdriverless vehicle
1313
Trajektorietrajectory
1414
Feldbusfieldbus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2428862 B1 [0002]EP 2428862 B1 [0002]
  • DE 102005049159 A1 [0002]DE 102005049159 A1 [0002]

Claims (12)

Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung einer Maschine (2), mit wenigstens einem sicheren Objektsensor (3) zur Detektion von Objekten (4) und gleichzeitiger Überwachung mehrerer Segmente (5) einer Fläche (6), einer sicheren Steuer- und Auswerteeinheit (7) zur Auswertung der Signale des wenigstens einen Objektsensors (3) und zur Erzeugung von Steuersignalen für die Maschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (7) ausgebildet ist, eine Trajektorie (13) für die Maschine (2) zu berechnen und die berechnete Trajektorie (13) auszuwählen, welche Segmente (5) meidet in denen Objekte (4) detektiert sind und Segmente (5) wählt, in denen keine Objekte (4) detektiert sind.Device for safety control of a machine (2), with at least one safe object sensor (3) for detecting objects (4) and simultaneous monitoring of several segments (5) of a surface (6), a safe control and evaluation unit (7) for evaluating the Signals of the at least one object sensor (3) and for generating control signals for the machine (2), characterized in that the control and evaluation unit (7) is adapted to calculate a trajectory (13) for the machine (2) and the calculated trajectory (13), which avoids segments (5) in which objects (4) are detected and selects segments (5) in which no objects (4) are detected. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeit der Maschine (2) und ein Abstand der Maschine (2) zu einem Segment (5), in dem ein Objekt (4) detektiert ist, derart angepasst ist, dass eine Gefährdung des Objektes (4) ausgeschlossen ist, wobei die Geschwindigkeit eine sichere Geschwindigkeit ist und der Abstand ein sicherer Abstand ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that a speed of the machine (2) and a distance of the machine (2) to a segment (5), in which an object (4) is detected, adapted such that a Hazard of the object (4) is excluded, the speed is a safe speed and the distance is a safe distance. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sichere Steuer- und Auswerteeinheit (7) eine sichere Sicherheitssteuerung (8) ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the safe control and evaluation unit (7) is a safe safety control (8). Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sichere Steuer- und Auswerteeinheit (7) und der sichere Objektsensor (3) über einen Feldbus (9) mit Sicherheitsprotokoll verbunden sind.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the safe control and evaluation unit (7) and the safe object sensor (3) via a field bus (9) are connected to security protocol. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (5) quadratisch, rechteckförmig, trapezförmig und/oder dreieckförmig einstellbar sind.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the segments (5) are square, rectangular, trapezoidal and / or triangular adjustable. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (5) gleiche Formen aufweisen.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the segments (5) have the same shape. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektsensor (3) ein Laserscanner (10) ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the object sensor (3) is a laser scanner (10). Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Objektsensoren (3) vorgesehen sind, welche jeweils identische Segmente (5) aus unterschiedlichen Richtungen erfassen.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least two object sensors (3) are provided which each detect identical segments (5) from different directions. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (2) ein Roboter ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the machine (2) is a robot. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (2) ein Fahrzeug (11) ist.Device according to at least one of the preceding Claims 1 to 8th , characterized in that the machine (2) is a vehicle (11). Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (11) ein fahrerloses autonomes Fahrzeug (12) ist.Device after Claim 10 , characterized in that the vehicle (11) is a driverless autonomous vehicle (12). Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale für das Fahrzeug (11) Lenk- oder Bremssignale sind.Device after Claim 10 to 11 , characterized in that the control signals for the vehicle (11) are steering or braking signals.
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