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Die Erfindung betrifft ein System zum Absichern einer Maschine.
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Das primäre Ziel der Sicherheitstechnik ist, Personen vor Gefahrenquellen zu schützen, wie sie beispielsweise Maschinen im industriellen Umfeld darstellen. Die Maschine wird mit Hilfe von Sensoren überwacht, und wenn demnach eine Situation vorliegt, in der eine Person gefährlich nahe an die Maschine zu gelangen droht, wird eine geeignete Absicherungsmaßnahme ergriffen.
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Herkömmlich werden vor allem optoelektronische Sensoren wie Lichtgitter oder Laserscanner für eine sicherheitstechnische Überwachung eingesetzt. In jüngerer Zeit treten 3D-Kameras hinzu. Ein gängiges Absicherungskonzept sieht vor, dass Schutzfelder konfiguriert werden, die während des Betriebs der Maschine vom Bedienpersonal nicht betreten werden dürfen. Erkennt der Sensor einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so löst er einen sicherheitsgerichteten Halt der Maschine aus. Andere Eingriffe in das Schutzfeld, beispielsweise durch statische Maschinenteile, können vorab als zulässig eingelernt werden. Oft sind den Schutzfeldern Warnfelder vorgelagert, wo Eingriffe zunächst nur zu einer Warnung führen, um den Schutzfeldeingriff und damit die Absicherung noch rechtzeitig zu verhindern und so die Verfügbarkeit der Anlage zu erhöhen. Es sind auch Alternativen zu Schutzfeldern bekannt, etwa darauf zu achten, dass zwischen Maschine und Person ein von der Relativbewegung abhängiger Mindestabstand eingehalten ist („speed and separation“).
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In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm IEC61496 oder EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung oder speziell Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile.
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In der sicherheitstechnischen Überwachung von Robotern, speziell Leichtbaurobotern, besteht ein zunehmender Wunsch nach engerer Zusammenarbeit mit Personen (MRK, Mensch-Roboter-Kollaboration). Relevante Normen in diesem Zusammenhang sind beispielsweise die ISO 10218 für Industrieroboter oder die ISO 15066 für kollaborierende Roboter (ISO 15066). In der MRK sollten Schutzfelder und Sicherheitsabstände möglichst klein und eventuell sogar situationsangepasst konfiguriert werden, natürlich unter der Vorgabe, dass die Sicherheit gewährleistet bleibt. Die Normen ISO 13854, ISO 13855, ISO 13857 befassen sich mit der Festlegung von Sicherheitsabständen.
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Es ist aber aufgrund der Komplexität und fehlender Angaben ausgesprochen schwierig, die Systemreaktionszeit und den Anhalte- oder Nachlaufweg eines Roboters zu bewerten, da hier zahlreiche Sensoren, Schnittstellen, Feldbusse und Steuerungen mit individuellen Verzögerungen zusammenarbeiten und diese Wege in beträchtlichem Maße von der genauen Trajektorie des Roboters sowie von der Nutzlast, der Geschwindigkeit und den verwendeten Achsen abhängen. Man behilft sich deshalb mit Worst-Case-Angaben des Roboterherstellers, wobei für die Nachlaufwege selbst solche Angaben häufig fehlen, da der Nachlaufweg von der bewegten Masse und damit der Nutzlast abhängt.
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Folglich werden die bekannten Verzögerungen der Komponenten auf dem Signalpfad mit sehr konservativen Schätzungen für die nicht bekannten Verzögerungen aufsummiert und mit einer maximalen Geschwindigkeit des Roboterarms multipliziert, dann wird ein Nachlaufweg für die ungünstigste Last und womöglich noch ein Sicherheitszuschlag für die Unsicherheit der Schätzungen hinzugerechnet. Daraus resultieren extrem lange Anhaltezeiten und -wege und damit Sicherheitsdimensionierungen, die zwar ihre Schutzfunktion verlässlich erfüllen, eine enge Kollaboration zwischen Mensch und Maschine aber nahezu ausschließen.
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Um eine größere Nähe zwischen dem Roboter und dem kollaborierenden Menschen zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die für eine sicherheitsgerichtete Reaktion relevanten Reaktionszeiten minimiert werden oder wenn die Gefahr einer Berührung nicht nur durch konventionelle Abschaltung vermieden wird, sondern der Roboter die Gefahrensituation durch ein Verlangsamen seiner Geschwindigkeit oder durch ein aktives Ausweichen entschärft. Das alles hilft aber nur weiter, wenn dies auch Eingang in die Sicherheitsbetrachtung findet, was bei dem geschilderten und üblichen konservativen Vorgehen nicht der Fall ist.
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Es wäre daher ausgesprochen hilfreich, das Bewegungsverhalten einer abzusichernden Maschine genau zu kennen und für die Risikobewertung, die Auslegung und Validierung einer Sicherheitsanwendung zu nutzen. Bei Robotern beispielsweise sind herkömmlich die Gelenke mit Drehgebern versehen. Es bedarf dann jedoch der Überwachung jeder Achse durch einen eigenen Drehgeber sowie eines Robotermodels, um aus solchen Sensorinformationen das Bewegungsverhalten abzuleiten. Es ist auch bekannt, den Kollisionsdruck beziehungsweise die Kollisionskraft durch taktile Messungen zu bestimmen. Damit lässt sich aber jeweils nur ein einziger Raumpunkt aus einer Richtung prüfen, und die Aufzeichnung einer vollständigen Bremsbewegung bedarf zahlreicher Einzelmessungen. Bekannt ist weiterhin der Ansatz, in sehr aufwändigen Messreihen Stoppzeiten aus dem Abspulverhalten von Seilzügen zu bestimmen. Trotz des Aufwands erlaubt dies nicht mehr als die skalare Stoppzeitmessung, Informationen über die Bewegungsbahn lassen sich so nicht gewinnen. Es gibt daher im Stand der Technik keine Möglichkeit, mit vertretbarem Aufwand das Bewegungsverhalten der Maschine zu erfassen.
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Die
DE 10 2015 106 227 B3 offenbart ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln von Motoren eines Roboters, das die Vorhersage eines Bremsweges aus Sicherheitsgründen umfasst. In der
WO 2012/042470 A1 wird eine Sicherheitsvorrichtung für einen Roboter beschrieben, welche die Roboterbewegungen diversitär mit Encodern und Inertialsensoren überwacht. Damit wird sichergestellt, dass bei dem Roboter Plan und Wirklichkeit hinsichtlich seiner Bewegungen übereinstimmt. In beiden Fällen müssen sämtliche Achsen berücksichtigt werden. Für die Sicherheitstechnik reicht auch eine Modellierung des Bremswegs nicht aus, denn die Sicherheitsdimensionierung darf sich nicht an einer Erwartung ausrichten, sondern muss die tatsächliche Roboterbewegung berücksichtigen. Man müsste also doch wieder auf andere Weise validieren oder das Modell in eine Worst-Case-Fehlerbetrachtung einbetten und verliert dadurch den möglichen Vorteil. Mit der Beobachtung der Umgebung des Roboters befassen sich diese Schriften nicht.
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Aus der
DE 10 2007 007 576 B4 ist ein Verfahren zum Sichern eines Arbeitsraums bekannt, der mit einer 3D-Kamera beobachtet wird, um eine Abweichung von einem Soll-Zustand zu erkennen. Dazu werden die Bewegungen von Mensch und Roboter modelliert und in einer Überprüfungsphase in sicherer Technik überwacht, ob sich der Roboter wie programmiert bewegt. Letzteres geschieht aber erneut durch Erfassung und Auswertung der Achsstellungen des Robotersystems. Die
DE 10 2007 576 B4 gibt auch nicht an, welches Ausmaß eine Abweichung annehmen muss, um sicherheitskritisch zu sein, und wie diese Abweichung festlegende Sicherheitsabstände für eine engere Mensch-Maschine-Kooperation geringer werden könnten.
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In der
DE 10 2004 043 514 A1 wird ein Verfahren zum Steuern einer sicherheitsrelevanten Funktion einer Maschine beschrieben, das auf der Erfassung einer über der Maschine montierten Kamera basiert. Dabei wird ein die Maschine umgebender Gefahrenbereich dynamisch an die Bewegungen der Maschine und einer in der Nähe erfassten Person angepasst. Allerdings bleibt offen, wie der Gefahrenbereich konkret dimensioniert werden muss. Da nicht bekannt ist, wie sich die Maschine nach Auslösen einer sicherheitsrelevanten Funktion verhalten wird, wären folglich wieder Worst-Case-Annahmen für den Übergang in einen sicheren Zustand zugrunde zu legen.
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In der
US 8 989 897 B2 wird ein kinematisches Modell eines Roboters durch verschiedene auf dem Roboter montierte Sensoren kalibriert. Das sorgt dafür, dass der Roboter sein internes, lokales Koordinatensystem mit der Außenwelt abgeglichen hat. Das kinematische Modell selbst hängt mit den für die Kalibrierung benutzten Sensoren nicht zusammen, und die
US 8 989 897 B2 trägt zu keiner Verbesserung einer Absicherung des Roboters bei.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Auslegung einer sicherheitstechnischen Überwachung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein System zum Absichern und Verfolgen der Bewegung einer automatisiert arbeitenden Maschine nach Anspruch 1 gelöst. Dazu weist das System mehrere kurzreichweitigen RF-Sender-Empfänger-Satelliten auf, die im Umgebungsbereich der Maschine verteilt angeordnet sind. Ferner sind RF-Tags an wenigstens einem bewegten Teil der Maschine angeordnet. Eine Steuer- und Auswertungseinheit ist mit den RF-Sender-Empfänger-Satelliten verbunden und wertet deren Signale aus, um die Bewegung und Position der Tags und damit die Bewegung und Position des bewegten Teils der Maschine zu bestimmen.
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Die Erfindung geht erfindungsgemäß von dem Grundgedanken aus, die Bewegung und Position nach Art eines GPS (global positioning system) zu bestimmen, indem die stationären RF-Sender-Empfänger-Satelliten die Signale der mitbewegten RF-Tags erfassen und lesen und daraus die Bewegung oder Teilbewegung der Maschine ermittelt wird. Es handelt sich somit quasi um ein „Micro-GPS“ nur im unmittelbaren Bewegungsbereich der Maschine.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass das Verhalten der Maschine und die Verzögerungen auf den Signalwegen nach Erkennen einer gefährlichen Situation präzise bestimmbar werden. Durch Zugriff auf die vollständige Bewegungsgleichung r(t) durch das „Micro-GPS“ lassen sich auch andere physikalische Bewegungsparameter wie die Geschwindigkeit oder Beschleunigung ableiten. Bei bekannter Masse resultieren weitere Größen wie Impuls oder kinetische Energie, die relevant werden, sobald nicht jegliche Kollision vermieden werden soll, sondern nur solche, die eine Verletzung einer Person oder Beschädigung der Maschine nach sich ziehen könnten. Die Kraft, die auf eine Person, auf Körperteile oder auch andere Gegenstände bei einer möglichen Kollision wirkt, kann bei bekannten Eingangsgrößen ebenfalls bestimmt werden. Außerdem beeinflussen diese Größen Bremswege und Ausweichmanöver.
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Da diese Größen nicht mehr konservativ geschätzt, sondern präzise gemessen werden, kann eine Sicherheitsanwendung mit optimierten Sicherheitsabständen ausgelegt werden, die eine deutlich größere Nähe von Mensch und Gefährdungsbereichen an der Maschine ermöglichen. Unter Umständen wird sogar eine Echtzeit-Risikobewertung möglich. Die Konfiguration, Optimierung und Verifikation der eingesetzten Sicherheitstechnik wird vereinfacht und verbessert. Eine Überdimensionierung der Sicherheitsabstände mit herkömmlicher konservativer Abschaltung des Systems zum Ausgleich unbekannter Verzögerungen und Bewegungen ist nicht mehr erforderlich, da dies durch direkte Messung bestimmt wird.
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Zugleich ist der Ansatz konzeptionell einfach und das Verfahren dementsprechend praktisch ohne Vorwissen durchführbar. Insbesondere die initiale Kalibrierung ist denkbar einfach, denn sie läuft selbstständig. Nach Einschalten des Systems kommunizieren die RF-Sender-Empfänger-Satelliten miteinander und können so in kürzester Zeit ihre relativen Positionen bestimmen, wodurch automatisch eine Kalibrierung erfolgt ist. Dann können die RF-Sender-Empfänger-Satelliten die Signale der RF-Tags erfassen und somit die Bewegung der Maschine erfasst werden.
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Es bedarf keiner teuren Ausrüstung, sondern lediglich der Verteilung der RF-Sender-Empfänger-Satelliten und der Anbringung der RF-Tags an dem bewegten Teil der Maschine, so dass das System kostengünstig und äußerst flexibel ist.
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Das erfindungsgemäße System kann vorteilhaft auch dazu eingesetzt werden, die Roboterbewegungen zu Inspektionszwecken zu verfolgen.
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Die RF-Tags werden vorzugsweise an oder in der Nähe von einem gefahrbringenden Maschinenteil angebracht, wie etwa einer Werkzeugspitze. Damit wird die Flexibilität genutzt, die RF-Tags überall anbringen zu können, z.B. wenn es sich um einen Roboter mit vielen Achsen handelt.
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Vorteilhafterweise wird eine sicherheitsgerichtete Reaktion der Maschine ausgelöst und anhand der darauf folgenden Bewegung eine Reaktionszeit, ein Nachlaufweg der Maschine und/oder eine physikalische Größe bestimmt, wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft oder Energie. Das sind wichtige Informationen für die Auslegung von Schutzfeldern oder Sicherheitsabständen. Sie können erfindungsgemäß durch präzises Messen der tatsächlichen Bewegung bestimmt, statt nur konservativ abgeschätzt werden. Das ermöglicht engeren Kontakt zu der Maschine und eine bessere Verfügbarkeit. Die Reaktionszeit ist die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt des Signals für die sicherheitsgerichtete Reaktion und einer daraufhin plötzlich auftretenden Beschleunigung. Die sicherheitsgerichtete Abschaltung muss jedoch nicht zwingend in den Stillstand führen, sondern allgemein in einen sicheren Zustand, wozu je nach Anwendung auch ein Ausweichen in der Bewegung oder ein Absenken der Geschwindigkeit auf einen unbedenklichen Wert zählt.
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Vorzugsweise wird zum Optimieren von Sicherheitsabständen zur Charakterisierung einer gefährlichen Situation die Bewegung der Maschine in mindestens einer Brems- und/oder Ausweichsituation ausgewertet. Es werden also künstlich Situationen hergestellt, in denen die Maschine in den sicheren Zustand übergeht, bevorzugt mehrfach und/oder in verschiedenen Situationen. Damit lässt sich einerseits verifizieren, dass die Maschine tatsächlich den sicheren Zustand in einer Weise erreicht, in der mit den gewählten Sicherheitsabständen keine Kollision auftritt, oder jedenfalls nur mit so kleinen Energien, dass es unbedenklich ist. Andererseits können auch benötigte Sicherheitsabstände abgeleitet werden, oder es wird festgestellt, dass bereits gewählte Sicherheitsabstände noch zu großzügig sind und weiter optimiert werden können.
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Vorzugsweise werden anhand der während des Verbringens der Maschine in einen sicheren Zustand bestimmten Bewegung oder daraus abgeleiteter Größen sicherheitstechnisch relevante Messgrößen validiert. In diesem Szenario gibt es also bereits eine Sicherheitsauslegung, die mittels erfindungsgemäßer Überwachung einer Maschine oder auch auf andere Weise aufgefunden wurde. Die an der Maschine mitbewegten RF-Tags und die Auswertung von deren Signalen wird genutzt, um diese Sicherheitsauslegung zu validieren, insbesondere sicherzustellen, dass sie den relevanten Normen und einer gewünschten Sicherheitsstufe entspricht.
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Vorzugsweise werden mit einem Sensor Objekte in einer Umgebung der Maschine erfasst, und die Maschine wird in einen sicheren Zustand überführt, wenn eine gefährliche Situation zwischen Objekt und Maschine erkannt wird. Die Erkennung der gefährlichen Situation erfolgt prinzipiell wie üblich, etwa durch Schutzfelder oder Speed-and-Separation-Monitoring, und dafür werden auch übliche, an sich bekannte Sensoren eingesetzt, etwa Laserscanner, Lichtgitter, Sicherheitskameras, Ultraschallsensoren oder Trittmatten. Die Sicherheitsauslegung, d. h. die Dimensionierung von Schutzfeldern oder der Sicherheitsabständen für Speed-and-Separation-Überwachung erfolgt dabei anhand der tatsächlichen Bewegung der Maschine und den aus der Überwachung dieser Bewegung gewonnenen Informationen, wie Reaktions- bzw. Stoppzeiten, Nachlaufwege oder anderen physikalischen Größen. Es ist auch denkbar, dynamisch im Betrieb die erkannte beziehungsweise prognostizierte Eigenbewegung zu nutzen, um Gefahren zu erkennen.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine schematische Ansicht eines Roboters mit einem erfindungsgemäßen System zum Bestimmen der Eigenbewegung des Roboters.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer automatisiert arbeitenden Maschine, hier ein Roboter 10. Der Roboter 10 dient als Beispiel einer automatisiert arbeitenden und potentiell gefahrbringenden Maschine, aber andere sicherheitstechnisch zu überwachende Maschinen wie Förderer, Pressen sind ebenso denkbar.
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Im Umgebungsbereich des Roboters 10 sind mehrere kurzreichweitige RF-Sender-Empfänger-Satelliten 12 stationär verteilt angeordnet. Diese RF-Sender-Empfänger-Satelliten 12 sind RF-Sende-Empfangsgeräte, die so angeordnet sind, dass sie RF-Tags 14, an wenigstens einem bewegten Teil des Roboters 10, z.B. dem Roboterarm 16 angeordnet sind, drahtlos ansprechen und auslesen können. Die RF-Tags 14 können ebenfalls dazu geeignet sein, Signale senden und empfangen zu können. Eine Steuer- und Auswertungseinheit 18, die z.B. im oder am Roboter gelegen ist, ist mit den RF-Sender-Empfänger-Satelliten 12 verbunden und wertet deren Signale aus, um dadurch die Bewegung und Position der RF-Tags 14 und damit letztendlich die Bewegung und Position des Roboters 10, bzw. der bewegten Teile 16 des Roboters zu bestimmen. Die RF-Sender-Empfänger-Satelliten 12 können z.B. Sende-Empfangsgeräte sein, die feststellen können, aus welcher Richtung die empfangenen Signale kommen, und die so im Verbund die RF-Tags 14 lokalisieren und über die Zeit verfolgen und die Bewegungsbahnen ri(t) für die i=1...n RF-Tags 14 aufnehmen können.
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Die RF-Tags 14 können sehr einfach an jedem interessierenden beweglichen Maschinenteil angebracht werden, wie Gelenken, exponierten Punkten. Es ist unerheblich, wie komplex sich beispielsweise eine Roboterbewegung am Ort eines RF-Tags 14 aus verschiedenen Achsen zusammensetzt, da die RF-Tags 14 in jedem Fall die resultierende Bewegung erfahren. Aus den Bewegungsbahnen ri(t) für die i=1...n RF-Tags 14 lassen sich in Kenntnis oder nach Messung der bewegten Massen auch weitere physikalische Größen wie der Impuls, die kinetische Energie oder auch die Kraft beziehungsweise der Kraftübertrag bei einer Kollision ableiten. In einigen Sicherheitsanwendungen sind unschädliche Berührungen erlaubt, beispielsweise bei Kleinrobotern in einer Mensch-Maschine-Kooperation (MRK). Dort kann anhand solcher Größen bestimmt werden, welche Berührungen noch zugelassen werden beziehungsweise direkt gemessen werden, ob Grenzen noch eingehalten sind.
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Der Arbeitsbereich des Roboters 10 und ggf. der Roboter 10 selbst kann zusätzlich von einem externen Sensor 20 sicherheitstechnisch überwacht werden. Diese externe Überwachung ist optional, die Erfindung bezieht sich zunächst nur auf die Positions- und Bewegungsbestimmung durch die am Roboter 12 mitbewegten RF-Tags und deren Erfassung durch die RF-Sender-Empfänger-Satelliten 12, während der oder die externen Sensoren 20 für eine zusätzliche Überwachung insbesondere auf Gefährdungssituationen durch z.B. in den Arbeitsbereich eintretenden Personen, vorgesehen ist. Der Sensor 20 weist einen sicheren Ausgang auf (OSSD, Output Signal Switching Device), über den der Sensor 20 mit der Steuer-und Auswerteeinheit 18 verbunden ist. Erkennt der externe Sensor 20 eine Gefahrensituation in Form eines Objekts, das dem Roboter 10 in gefährlicher Weise nahe kommt, so wird ein sicherheitsgerichtetes Absicherungssignal an die Steuer- und Auswerteeinheit 18 ausgegeben, woraufhin der Roboter 10 in einen sicheren Zustand versetzt wird. Bei der Sicherheitsauslegung, also der Konfiguration des externen Sensors 20 im Hinblick darauf, was eine gefährliche Situation ist, wird die in der Steuer- und Auswertungseinheit 18 bestimmte Eigenbewegung des Roboters 10 genutzt. Insbesondere werden Schutzfelder oder Sicherheitsabstände validiert und/oder optimiert. Dazu kann auch eine Kommunikationsverbindung zwischen der Steuer- und Auswertungseinheit 18 und dem externen Sensor 20 bestehen, oder die Steuer- und Auswertungseinheit 18 ist mindestens teilweise in dem externen Sensor 20 implementiert.
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Der Sensor 20 steht rein beispielhaft für eine Vielzahl von möglichen Sicherheitskonzepten. Es sind beliebige andere Sensoren und Kombinationen von Sensoren, auch Sensoren des Roboters 10 selbst oder deren Einbeziehung, als Teil des Sicherheitskonzepts möglich. Im kompaktesten Fall ist der externe Sensor 20 eine Sicherheitskamera 12 oder ein den Arbeitsbereich abscannender Sicherheitslaserscanner.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015106227 B3 [0010]
- WO 2012/042470 A1 [0010]
- DE 102007007576 B4 [0011]
- DE 102007576 B4 [0011]
- DE 102004043514 A1 [0012]
- US 8989897 B2 [0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 10218 [0005]
- ISO 15066 [0005]
- Normen ISO 13854 [0005]
- ISO 13855 [0005]
- ISO 13857 [0005]
