DE202018103256U1

DE202018103256U1 - Halterung zur Befestigung eines Sensors

Info

Publication number: DE202018103256U1
Application number: DE202018103256.9U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2028-06-12

Abstract

Halterung (32) zur Befestigung eines Sensors (10), insbesondere einer 3D-Kamera, an der Decke (48), wobei die Halterung (32) ein Kugelgelenk (34, 36) mit einem Kugelelement (34) und einem Halteelement (36) aufweist, welches das Kugelelement (34) trägt und in dem das Kugelelement (34) um eine senkrechte Achse drehbar sowie gegen die senkrechte Achse kippbar gelagert ist und unter einer Spannung steht, die dem Drehen und Kippen entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelelement (34) als Doppelsphärenelement mit einem oberen ersten Teilkugelelement (40) und einem unteren zweiten Teilkugelelement (42) ausgestaltet ist, die flächig aufeinanderliegen, und dass ein Spannelement (52) vorgesehen ist, um die Spannung des Halteelements (36) werkzeuglos wahlweise zu verstärken oder zu vermindern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halterung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit einem Kugelgelenk zur Befestigung eines Sensors an der Decke, insbesondere einer 3D-Kamera.
Für die Überwachung werden neben herkömmlichen zweidimensionalen Kameras auch 3D-Sensoren eingesetzt. Dazu zählen zunächst 3D-Kameras in unterschiedlichen Technologien, beispielsweise Stereoskopie, Triangulation, Lichtlaufzeit oder Auswertung der Störung passiver zweidimensionaler Muster oder von projizierten Beleuchtungsmustern. Solche 3D-Sensoren nehmen im Gegensatz zu einer zweidimensionalen Kamera Bilder auf, die in ihren Pixeln einen Abstands- oder Tiefenwert enthalten. Diese tiefenaufgelösten oder dreidimensionalen Bilddaten werden auch als Tiefenkarte bezeichnet. Weiterhin bekannt sind in zwei oder allen drei Richtungen abtastende Laserscanner, die über die jeweiligen Abtastwinkel und die gemessene Entfernung ebenfalls dreidimensionale Bilddaten erfassen. Der im Vergleich zu einer zweidimensionalen Bilderfassung höhere Geräte- und Auswertungsaufwand zur Erzeugung von dreidimensionalen Bilddaten wird in vielen Anwendungen durch die Zusatzinformationen gerechtfertigt.
Ein spezielles Anwendungsgebiet ist die Sicherheitstechnik mit der Funktion, 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. In der Sicherheitstechnik beziehungsweise für den Personenschutz eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN 13849 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 Funktionstests, sichere Auswertung insbesondere durch redundante oder diversitärredundante Strukturen oder eine Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile.
Ein grundlegender Schritt bei der Einrichtung einer Sicherheitsanwendung ist die richtig justierte Montage der Sensoren. Eine 3D-Kamera wird vorzugsweise mit Blickrichtung nach unten an der Decke angebracht. Das Einrichten wird dabei vereinfacht, wenn auch der montierte Sensor noch eine gewisse Veränderung der Perspektive in seiner Halterung zulässt. Für eine flexible Drehung in allen Freiheitsgraden ist prinzipiell eine Kugelgelenkhalterung geeignet. Für die Montage insbesondere einer 3D-Kamera bestehen aber weitergehende Anforderungen, beispielsweise eine einfache Montage der vergleichsweise schweren Geräte und eine Justierbarkeit, die zugleich einigermaßen leichtgängig, trotzdem aber im Betrieb verlässlich fixiert ist.
Die DE 10 2006 050 235 B4 offenbart ein Kamerasystem zum Überwachen eines Raumbereichs. Das Kamerasystem wird mit Hilfe eines Montageteils an einer Wand, einem Mast oder dergleichen befestigt. Das Montageteil ist ein Montagearm mit mehreren Drehgelenken, die eine Verschwenkung des Kamerasystems um mindestens zwei zueinander orthogonale Drehachsen ermöglichen. an einem Montagearm mit mehreren Drehgelenken. Ein solcher mehrteiliger Montagearm ist relativ groß, und außerdem müssen die einzelnen Achsen nach der Ausrichtung fixiert werden, worauf das Dokument aber gar nicht eingeht.
Die EP 1 336 535 A1 offenbart eine drehbare Halterung für ein Mobiltelefon oder dergleichen in einem Fahrzeug. In der Halterung schnappt ein Kugelkopf in einen passenden Sockel ein, wobei anfangs noch Spiel in dem gegenseitigen Kontakt vorgesehen ist und Drehungen möglich sind. Anschließend werden Kugelkopf und Sockel durch Zug eines durch eine zentrale Achse der Halterung geführten Bandes, das in einer Rasterung fixiert wird, fest aneinandergedrückt, um die momentane Drehstellung festzuhalten. Diese Halterung ist für ein kleines, leichtes Alltagsgerät geeignet, bei dem es nur auf eine grobe Ausrichtung ankommt, zumal der Nutzer in einem bewegten Fahrzeug ganz andere Toleranzen ausgleichen muss. Für einen Sicherheitssensor, der auch keineswegs vorgesehen ist, wären aber die erforderliche Stabilität und Verlässlichkeit nicht gegeben.
Die CH 142467 A ist eines von zahlreichen Beispielen für ein Kugelgelenk zum Befestigen eines Fotoapparates auf einem Stativ. Hier sorgt eine Überwurfmutter dafür, dass Kugel und Gelenkpfanne gegeneinandergedrückt wird, und dazwischen ist eine Gummieinlage vorgesehen, um die Reibung zu erhöhen und die Drehstellung dadurch zusätzlich zu fixieren. Eine präzise und zugleich komfortable Ausrichtung sowie eine für eine Sicherheitsanwendung hinreichende Fixierung sind mit einem derart einfachen Aufbau nicht erreichbar.
Kugelgelenkhalterungen sind auch aus zahllosen weiteren Quellen bekannt, aber für ganz andere Geräte, Montagen oder Ausrichtungen konzipiert und geeignet. Es ist daher mit den herkömmlichen Lösungen nicht oder nur eingeschränkt möglich, ein leicht reproduzierbares Haltemoment für eine sichere Fixierung eines Sicherheitssensors zu erreichen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Halterung eines Sensors zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Halterung zur Befestigung eines Sensors an der Decke nach Anspruch 1 gelöst. Der Sensor, insbesondere eine 3D-Kamera, wird vorzugsweise an einer Deckenkonstruktion montiert und beobachtet dann seinen Überwachungsbereich aus der Vogelperspektive. Die optische Achse, die hier ohne einschränkende Bedeutung als Z-Achse bezeichnet ist, zeigt also im Wesentlichen nach unten. Der Halterung ermöglicht aber anfangs auch ein Verstellen der Perspektive durch Drehen beziehungsweise Verkippen, so dass die Blickrichtung des montierten Sensors nicht genau nach unten weisen muss. Im Übrigen ist die Halterung zwar für eine Deckenmontage konzipiert und besonders geeignet, kann aber auch anders angebracht werden.
Die Halterung weist ein Kugelgelenkt mit einem Kugelelement und einem Halteelement auf, in dem das Kugelelement gelagert ist. Das Halteelement ist mindestens mittelbar an der Decke fixiert, also entweder selbst an der Decke angebracht oder zumindest indirekt durch Halterungselemente fixiert, die ihrerseits an der Decke befestigt sind. Das Halteelement dient als Aufnahme für das Kugelelement und trägt das Kugelelement und den daran mindestens mittelbar fixierten Sensor. Das Kugelelement ist in dem Halteelement entsprechend der Kugelgeometrie in beiden Winkelfreiheitsgraden drehbar, somit um die Z-Achse drehbar und dagegen verkippbar. Das Halteelement steht unter einer Spannung, die dieser Drehung entgegenwirkt und somit die momentane Drehstellung festhält, und wird deshalb auch als Spannzange bezeichnet.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, durch die geometrische Gestaltung des Kugelgelenks und eine werkzeuglose Veränderung der Spannung des Halteelements sowohl eine vorübergehende Stabilisierung der aktuellen Drehstellung während der Ausrichtung des Sensors, als auch deren endgültige Fixierung für den Betrieb zu gewährleisten.
Dazu ist einerseits das Kugelelement als Doppelsphärenelement ausgestaltet. Es weist zwei Teilkugelelemente auf, wobei ein Teilkugelelement eine durch eine Ebene abgeschnittene Kugel ähnlich einer Halbkugel bezeichnet, wobei aber der Schnitt nicht notwendig in der Äquatorialebene vorgenommen ist, sondern dazu parallelversetzt sein kann. An dieser Schnittfläche liegen die Teilkugelelemente flächig aufeinander, vorzugsweise so, dass in einer Grundstellung der Halterung mit Ausrichtung nach unten die Z-Achse gerade senkrecht durch die Mittelpunkte der Schnittflächen verläuft. Das Doppelsphärenelement ermöglicht vorzugsweise eine Drehung um die Z-Achse um 360°, beschränkt aber die Kippbewegungen und erleichtert es, die jeweiligen Stellungen zu stabilisieren.
Außerdem ist ein Spannelement vorgesehen, welches die Spannung, unter der das Halteelement steht, wahlweise verstärkt oder vermindert. In einem Zustand geringer Spannung kann das Kugelelement in dem Halteelement verdreht werden, wobei eine Restspannung verbleibt, um die jeweiligen Drehstellungen schon während des Ausrichtens zu stabilisieren. Bei verstärkter Spannung ist ein Verdrehen jedenfalls unter den im Betrieb vorkommenden Kräften und Momenten nicht mehr möglich. Die Veränderung der Spannung ist werkzeuglos möglich.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Anwender dabei unterstützt wird, den Sensor auf einfache Weise auszurichten und anschließend eine sichere Fixierung vorzunehmen. Dabei stellt die Halterung sowohl in der Ausricht- als auch in der Betriebsphase ein angemessenes Haltemoment zur Verfügung, das anfangs Ausrichtbewegungen zulässt, ohne eine aktuelle Ausrichtposition durch zu viel Spiel sofort wieder zu verlieren, und nach der Montage ein ausreichendes Haltemoment gewährleistet, damit der Sensor im Betrieb seine Perspektive verlässlich einhält. Die Halterung bietet neben dem unmissverständlichen Justage- und Montagekonzept eine sehr kompakte Bauweise. Durch die werkzeuglose Handhabung des Spannelements ist eine manuelle Fixierung sehr einfach möglich. Das verlässliche Einhalten einer Ausrichtstellung ist insbesondere für vorteilhafte Ausführungsformen des Sensors als Sicherheitssensor im Sinne der einleitend genannten oder vergleichbarer Normen von Bedeutung. Verliert ein Sicherheitssensor seine vorgesehene Perspektive, so verringert sich zumindest seine Verfügbarkeit selbst dann, wenn die Sicherheit durch Eigenüberwachung nicht beeinträchtigt ist.
Vorzugsweise steht nur das zweite Teilkugelelement in Kontakt mit dem Haltelement. Das Kugelelement wird somit allein über das zweite Teilkugelelement getragen. Das hat den Vorteil, dass das Halteelement nicht an die etwas komplexere Doppelsphärengeometrie angepasst werden muss und somit einfach gestaltet sein kann.
Das erste Teilkugelelement weist vorzugsweise einen kleineren Radius auf als das zweite Teilkugelelement. Das zweite, untere Teilkugelelement bringt die Tragkraft und den größten Teil des Haltemoments gegen Verdrehungen aus der momentanen Ausrichtung auf.
Die Teilkugelelemente weisen bevorzugt einen gemeinsamen Mittelpunkt auf. Die Radien und die Höhe, auf der die Teilkugelelemente parallelversetzt gegen die Äquatorialebene abgeschnitten sind, sind dementsprechend aufeinander abgestimmt. So lässt sich das Doppelsphärenelement trotz der als Ganzes nicht mehr kugelförmigen Geometrie mit unterschiedlichen Teilkugelelementen weiterhin zumindest über einen gewissen Verkippungsbereich wie eine Kugel drehen. Die Drehung um die Symmetrieachse, also die Z-Achse, ist durch die Doppelsphärengeometrie ohnehin nicht beeinträchtigt.
Das erste Teilkugelelement weist bevorzugt die Geometrie eines Kugelstücks größer einer Halbkugel und/oder das zweite Teilkugelelement die Geometrie eines Kugelstücks kleiner einer Halbkugel auf. Das ermöglicht einen gemeinsamen Mittelpunkt trotz unterschiedlicher Radien. Der Versatz durch die unterschiedlichen Radien wird vorzugsweise durch unterschiedliche Höhen der Schnittebene der Teilkugelelemente gegenüber der Äquatorialebene einer Kugel ausgeglichen. Die beiden Teilkugelelemente haben neben der Drehbarkeit um die Z-Achse unterschiedliche Funktionen. Das erste Teilkugelelement verhindert in erster Linie Translationen auf der Z-Achse. Dazu ist vorzugsweise auf einer dem Haltelement gegenüberliegenden Seite des Kugelelements eine Aufnahme für das erste Teilkugelelement vorgesehen, die auf dessen Radius angepasst ist. Das zweite Teilkugelelement sorgt wesentlich für das Haltemoment, mit dem sich die Halterung einer Drehung widersetzt. Durch seine Geometrie begrenzt es in Kombination mit der Ausgestaltung des Halteelements den Winkelbereich, in dem Kippbewegungen möglich sind, beispielsweise auf höchstens 10°, höchstens 20° oder höchstens 30°.
Das Halteelement weist bevorzugt eine an die Geometrie einer Kugel angepasste innere Aufnahme für das zweite Teilkugelelement auf, insbesondere eine kegelförmige Aufnahme. Die Geometrie des Halteelements kann vergleichsweise einfach sein, wenn es nicht mit dem ganzen Doppelsphärenelement in Berührung kommt, sondern nur mit dem unteren zweiten Teilkugelelement. Es ist auch nicht erforderlich, eine etwas aufwändigere Hohlkugelgestalt mit großem Berührungsbereich zu schaffen. Vielmehr genügt eine bevorzugte Kegelform der Aufnahme, um die Dreh- und Kippbewegungen zuzulassen und zu stützen.
Das Halteelement weist bevorzugt mindestens einen radialen Schlitz auf. Vorzugsweise sind mehrere sternförmig angeordnete Schlitze vorgesehen. Ein Schlitz unterstützt es, variable Spannungen des Halteelements zu erzeugen, um einer Drehbewegung mehr oder weniger Widerstand entgegenzusetzen.
Das Spannelement weist bevorzugt eine ringförmige Geometrie auf und umgibt das Halteelement an dessen Außenumfang. Dadurch wird eine gleichmäßige, radiale Kraft auf das Halteelement ausgeübt, die sich besonders dafür eignet, unterschiedliche und wohldefinierte Haltemomente zu erzeugen.
Das Spannelement ist vorzugsweise als Exzenterspanner mit einem Spannhebel ausgestaltet. Das ist eine besonders geeignete Ausführungsform eines ringförmig das Halteelement umgebenden Spannelements. Der Spannhebel verändert die Spannung werkzeuglos, dabei wirkt jeweils eine definierte Kraft durch Umlegen des Spannhebels in die offene und die geschlossene Stellung.
Das Spannelement weist bevorzugt ein Einstellelement zum Vorgeben einer Rest- oder Vorspannung auf. Das Halteelement soll auch während des Ausrichtens und vor der Fixierung für den Betrieb unter einer gewissen Spannung stehen, damit eine probehalber im Rahmen der Justierung eingestellte Drehstellung erhalten bleibt. Das Einstellelement dient dazu, diese Restspannung definiert einzustellen, so dass einerseits ausreichende Stabilität gewahrt ist, zugleich aber ohne übermäßige Krafteinwirkung Ausrichtungen probiert und eingestellt werden können. Das Einstellelement weist insbesondere eine Stellschraube auf.
Das Spannelement ist bevorzugt zweiteilig ausgebildet, insbesondere aus zwei Halbringen, mit einem durch den Spannhebel aktuierten Verschluss und dem Einstellelement an den Verbindungsstellen. An der einen Verbindungsstelle befindet sich der Verschluss, der durch den Spannhebel geöffnet und geschlossen wird. An der gegenüberliegenden Verbindungsstelle ist das Einstellelement vorgesehen, welches eine veränderbare Lücke lassen kann und so die Restspannung variiert.
In vorteilhafter Weiterbildung wird eine Anordnung aus einer 3D-Kamera, insbesondere Stereokamera, mit einer erfindungsgemäßen Halterung gebildet. Eine 3D-Kamera kann jede bekannte Technik verwenden, wie ein Lichtlaufzeitprinzip mit direkter Laufzeitmessung von Lichtsignalen oder Phasenmessung oder eine Entfernungsschätzung aus Helligkeiten oder Fokuslagen (DFF, Depth from Focus, DFD, Depth from Defocus). Besonders bevorzugt nutzt die 3D-Kamera aber ein Triangulationsprinzip, bei dem zwei Kamerabilder einer bewegten Kamera oder einer Stereokamera untereinander korreliert werden, oder alternativ ein Beleuchtungsmuster mit einem Kamerabild korreliert wird, um so Disparitäten zu schätzen und daraus Abstände zu bestimmen.
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 dreidimensionale Darstellung einer 3D-Kamera und ihres Überwachungsbereich;
2 eine dreidimensionale Ansicht einer Halterung für eine 3D-Kamera;
3 eine weitere dreidimensionale Ansicht der Halterung gemäß 2 aus anderer Perspektive;
4 eine Schnittdarstellung der Halterung gemäß 2 und 3;
5 eine dreidimensionale Ansicht einer Halterung mit Fixierung des Spannhebels;
6 eine dreidimensionale Ansicht einer Halterung mit einer weiteren Ausführungsform eines Spannelements für eine Vorspannung; und
7 eine dreidimensionale Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Halteelements für eine Halterung.

1 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung den allgemeinen Aufbau einer Stereokamera 10 zur Aufnahme einer Tiefenkarte. Die Stereokamera 10 dient nur als ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor. Ebenso denkbar wären andere optoelektronische Sensoren, wie die einleitend genannten anderen 3D-Kameras mit Bestimmung der Lichtlaufzeit oder einer Auswertung der Störung passiver zweidimensionaler Muster oder mit Korrelation von Bild und projizierten Beleuchtungsmustern, aber auch 2D-Kameras und andere optoelektronische Sensoren wie Lichttaster oder Laserscanner.
Zur Erfassung eines Raumbereichs 12 sind zwei Kameramodule 14a, 14b in einem bekannten festen Abstand zueinander montiert und nehmen jeweils Bilder des Raumbereichs 12 auf. In jeder Kamera ist ein Bildsensor 16a, 16b vorgesehen, üblicherweise ein matrixförmiger Aufnahmechip, der ein rechteckiges Pixelbild aufnimmt, beispielsweise ein CCD- oder ein CMOS-Sensor. Den Bildsensoren 16a, 16b ist je ein Objektiv 18a, 18b mit einer abbildenden Optik zugeordnet, welche in der Praxis als jedes bekannte Abbildungsobjektiv realisiert sein können. Der maximale Sichtwinkel dieser Optiken ist in 1 durch gestrichelte Linien dargestellt, die jeweils eine Sichtpyramide 20a, 20b bilden.
Zwischen den beiden Bildsensoren 16a, 16b ist eine Beleuchtungseinheit 22 vorgesehen, um den Raumbereich 12 mit einem strukturierten Muster auszuleuchten. Die dargestellte Stereokamera ist demnach für aktive Stereoskopie ausgebildet, bei der das Muster auch einer an sich strukturlosen Szenerie überall auswertbare Kontraste aufprägt. Alternativ ist keine oder eine homogene Beleuchtung vorgesehen, um die natürlichen Objektstrukturen im Raumbereich 12 auszuwerten, was aber regelmäßig zu zusätzlichen Bildfehlern führt.
Mit den beiden Bildsensoren 16a, 16b und der Beleuchtungseinheit 22 ist eine Steuer- und Auswertungseinheit 24 verbunden. Die Steuer- und Auswertungseinheit 24 kann in verschiedenster Hardware implementiert sein, beispielsweise digitalen Bausteinen wie Mikroprozessoren, ASICs (Application Specific Integrated Circuit), FPGAs (Field Programmable Gate Array), GPUs (Graphics Processing Unit) oder Mischformen davon, die beliebig auf interne und externe Komponenten verteilbar sind, wobei externe Komponenten auch über Netzwerk oder eine Cloud eingebunden sein können, soweit Latenzen beherrscht oder toleriert werden können. Da das Erzeugen der Tiefenkarte und deren Auswertung sehr rechenintensiv sind, wird vorzugsweise eine zumindest teilweise parallele Architektur gebildet.
Die Steuer- und Auswertungseinheit 24 erzeugt mit Hilfe der Beleuchtungseinheit 22 das strukturierte Beleuchtungsmuster und empfängt Bilddaten der Bildsensoren 16a, 16b. Aus diesen Bilddaten berechnet sie mit Hilfe einer stereoskopischen Disparitätsschätzung die 3D-Bilddaten beziehungsweise die Tiefenkarte des Raumbereichs 12. Der gesamte erfassbare Raumbereich 12 oder auch Arbeitsbereich kann über eine Konfiguration eingeschränkt werden, beispielsweise um störende oder nicht notwendige Bereiche auszublenden.
Eine wichtige sicherheitstechnische Anwendung der Stereokamera 10 ist die Überwachung einer Maschine 26, die in der 1 durch einen Roboter symbolisiert ist. Dafür ist die Stereokamera 10 vorzugsweise fehlersicher im Sinne von Sicherheitsnormen wie den einleitend genannten ausgelegt. Die Maschine 26 kann auch wesentlich komplexer sein als gezeigt, aus vielen Teilen bestehen oder sogar eigentlich eine Anordnung mehrerer Maschinen sein, etwa mehrerer Roboter oder Roboterarme. Diese Maschine 26 soll durch die Stereokamera 10 abgesichert werden. Die Sicherheitsbewertung kann in der Steuer- und Auswertungseinheit 24 oder zumindest teilweise extern erfolgen und auf verschiedensten Kriterien beruhen, beispielsweise herkömmlichen Schutzfeldern, die auf Anwesenheit unzulässiger Objekte überwacht werden.
Kurz beschrieben wird aber nur stellvertretend eine Abstandsüberwachung beispielsweise für eine Mensch-Roboter-Kollaboration unter Berücksichtigung von DIN EN ISO 10218 beziehungsweise ISO/TS 15066, bei welcher die Stereokamera 10 die sichere Objektdetektion und einen daraus ermittelten kürzesten Abstand bereitstellt, der dann extern bewertet wird. Ausgangspunkt sind die Positionen der Maschinenteile der Maschine 26, jedenfalls soweit diese sicherheitsrelevant sind, beziehungsweise auf dieser Basis definierte Gefahrenstellen, die gegebenenfalls anhand von Reaktions- und Anhaltezeit oder anderen Kriterien erweitert sind sowie die von der Stereokamera 10 erfassten Objekte 28. Letzteres liegt beispielsweise nach entsprechenden Verarbeitungsschritten in der Steuer- und Auswertungseinheit 24 in Form einer 2D-Detektionskarte vor, deren Pixel an Positionen, in denen ein Objekt 28 einer Mindestgröße erfasst wurde, der dazu gemessene Entfernungswert eingetragen ist, und die sonst leer bleibt. Mit Hilfe dieser Objektdetektionen, die natürlich auch anders repräsentiert sein können, werden Abstände zwischen den Objekten 28 und der durch eine Gefahrenstelle repräsentierten Maschine 26 bestimmt.
Über eine sichere Schnittstelle 30 wird der kürzeste Abstand des einer jeweiligen Gefahrenstelle nächsten Objekts 28 ausgegeben, entweder direkt an die Maschine 26 oder an eine Zwischenstation wie eine sichere Steuerung. Eine an die sichere Schnittstelle 30 angeschlossene Steuerung, sei es eine übergeordnete Steuerung oder diejenige der Maschine 26, wertet den kürzesten Abstand aus. Im Gefährdungsfall wird eine sicherheitsgerichtete Reaktion eingeleitet, um beispielsweise die Maschine 26 anzuhalten, abzubremsen oder ausweichen zu lassen. Ob dies erforderlich ist, kann neben dem kürzesten Abstand von weiteren Bedingungen wie den Geschwindigkeiten oder der Beschaffenheit von Objekt 28 und Maschinenbereich 26 der drohenden Kollision abhängen.
Die 2 und 3 zeigen in dreidimensionaler Ansicht aus zwei Perspektiven und die 4 zeigt in einer Schnittansicht eine Halterung 32 zur Montage der Stereokamera 10. Die Halterung 32 ist für die Halterung an der Decke einschließlich beliebiger Deckenkonstruktionen in Vogelperspektive ausgelegt, da dies in der Regel den besten Überblick bietet und die Stereokamera 10 selbst auf diese Weise kein Hindernis bildet. Prinzipiell ist aber auch eine andere Montage beispielsweise an einer Wand oder sogar am Boden denkbar, ebenso wie die Halterung 32 auch für die Montage anderer Sensoren genutzt werden kann.
Die Halterung 32, die beispielhaft weiterhin als Halterung für eine Stereokamera 10 beschrieben wird, ermöglicht zugleich ein Einstellen der Orientierung der Stereokamera durch ein Kugelgelenk. Dabei sind alle rotatorischen Freiheitsgrade zugelassen. Aufgrund der Konstruktion sind aber Drehungen um die X- und Y-Achse nur in einem beschränkten Winkelbereich möglich, während Drehungen um die Z-Achse und auch um die im beschränkten Winkelbereich verkippte Z-Achse unbeschränkt möglich bleiben. Das Koordinatensystem, das hier ohne jede einschränkende Bedeutung genutzt wird und dessen zentrale Z-Achse entsprechend der Sichtrichtung der Stereokamera 10 in einer Grundstellung in Höhenrichtung verläuft, ist in 4 eingezeichnet.
Das eigentliche Kugelgelenk, das am besten in der Schnittdarstellung der 4 erkennbar ist, weist als drehbares Teil ein Kugelelement 34 auf, das in einem Halteelement 36 gelagert ist. Das Kugelelement 34 mündet unten in einem Montagebereich 38 für die Stereokamera 10, dessen kreisförmige oder präziser kreiszylindrische Form nur symbolhaft zu verstehen ist. Der Kugelbereich des Kugelelements 34 ist als doppelsphärisches Element mit einem oberen Teilkugelelement 40 und einem unteren Teilkugelelement 42 ausgestaltet. Die beiden Teilkugelelemente 40, 42 weisen eine Geometrie ähnlich einer Halbkugel auf, sind jedoch auf einer zur Äquatorialebene parallelversetzten Ebene abgeschnitten. Auf dieser Schnittebene liegen die beiden Teilkugelelemente 40, 42 flächig aufeinander. Das erste Teilkugelelement 40 hat einen kleineren Radius und einen größeren Anteil einer Kugel als eine Halbkugel, das zweite Teilkugelelement 42 umgekehrt den größeren Radius, aber nur einen kleineren Anteil einer Kugel als eine Halbkugel. Dadurch ist es möglich, dass die beiden Teilkugelelemente 40, 42 einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, der im Ursprung des eingezeichneten Koordinatensystems liegt und das Drehzentrum für die Drehbewegungen des Kugelgelenks 34, 36 bildet.
Nur das zweite, untere Teilkugelelement 42 steht vorzugsweise in Kontakt mit dem Haltelement 36. Es übernimmt aufgrund des größeren Radius' den Hauptteil des Haltemoments. Das obere, erste Teilkugelelement 40, das zugunsten einer kompakteren Bauform den kleineren Radius aufweist, verhindert ein Hochschieben des Kugelelements 34.
Das Haltelement 36 wirkt als Spannzange und umschließt den Außenumfang des zweiten Teilkugelelements 42. Es weist eine kegelförmige innere Aufnahme auf, die mit dem zweiten Teilkugelelement 42 in Kontakt steht. Eine zusätzliche kugelartige Rundung für eine größere Kontaktfläche oder eine Oberflächenanpassung beziehungsweise ein Zwischenmaterial für stärkere Reibung wären ebenfalls denkbar. Das Halteelement 36 weist mehrere sternförmige radiale Schlitze 44 auf, damit es bei von außen einwirkender radialer Kraft stärker zusammengedrückt wird. Das Haltelement 36 trägt das Kugelelement 34 und ist dazu in seinem oberen Bereich 46 an der Decke 48 befestigt, beispielsweise durch Schraubverbindungen 50. Anstelle eines einteiligen Haltelements 36, das selbst in der Decke 48 verschraubt wird, wäre auch eine mehrteilige Konstruktion denkbar.
Eine Klemmkraft, welche das Halteelement 36 zum Schließen und Klemmen des Kugelelements 34 Teils bringt, kann durch ein das Halteelement 36 ringförmig an dessen Außenumfang umgebendes Spannelement 52 aufgebracht werden, das hier beispielhaft als Exzenterspanner mit Spannhebel 54 und Verschluss 56 ausgebildet ist. Anstelle eines Exzenterspanners können auch andere Konstruktionen eingesetzt werden, die eine insbesondere radial nach innen wirkende variable Kraft auf das Haltelement 36 ausüben, wie beispielsweise eine Überwurfmutter, welche das Halteelement radial fixiert.
Je nachdem, ob sich der Spannhebel 54 und damit der Verschluss 56 in der geöffneten oder geschlossenen Stellung befindet, widersetzt sich das Kugelelement 34 einer Drehbewegung mit einem geringen oder starken Haltemoment. Das geringere Haltemoment dient dazu, die Drehstellung während der Ausrichtung verändern zu können, wobei ein gewisser Widerstand erhalten bleiben sollte, damit eine probeweise gewählte Einstellung nicht sofort verlorengeht. Das starke Haltemoment fixiert die Ausrichtung für den Betrieb. Der Anwender benötigt kein Werkzeug, um zwischen diesen Stellungen zu wechseln, und auch kein tiefergehendes Wissen über die Halterung 32. Es sollte lediglich darauf geachtet werden, dass der Spannhebel für den Betrieb vollständig anliegen muss und dass der Spannhebel ggf. schließlich gegen Lösen gesichert werden muss.
Es ist vorteilhaft, wenn die Rest- oder Vorspannung bei geöffnetem Spannhebel 54 veränderbar ist beziehungsweise definiert eingestellt werden kann. Dazu weist das Spannelement 52 vorzugsweise auf einer dem Verschluss 56 gegenüberliegenden Seite ein Einstellelement 58, 60 zum Einstellen der Restspannung auf. Das Spannelement 52 kann dazu zweiteilig ausgeführt sein, mit dem Verschluss 56 und dem Einstellelement 58, 60 als Verbindungsstelle zwischen zwei halbringförmigen Teilen.
Nach dem Zusammenbau, also mit dem Kugelelement 34 in dem Halteelement 36 und wenn das Spannelement 52 das Halteelement 36 umgibt, kann zum Einstellen der Restspannung bei geöffnetem Spannhebel 54 eine Stellschraube 58 mit einem definierten Anzugsmoment angezogen werden. Mithilfe eines Gewindestiftes 60 wird die Stellschraube 58 gekontert und dadurch gegen Lösen gesichert. Die Restspannung bewirkt vorzugsweise ein Haltemoment, das gerade geringfügig größer ist als das Lastmoment. Das ermöglicht dem Anwender, eine Justage vorzunehmen, bei der auch ohne manuelles Festhalten beispielsweise in Justierpausen das Kugelelement 34, insbesondere inklusive Stereokamera 10, positions- und orientierungstreu bleibt. Optional ist zu diesem Zweck an einer Stelle des Kraftflusses ein zusätzliches federndes Element vorgesehen, damit die Restspannung und damit das Justier-Haltemoment leichter eingestellt werden kann und es aufgrund von zeitabhängigen Setzerscheinungen an Pressflächen weniger stark absinkt.
Durch die Stellschraube 58 lässt sich auch erreichen, dass jede gefertigte Halterung näherungsweise das gleiche Haltemoment bei gleicher Hebelstellung besitzt. Insbesondere lässt sich die Rest- oder Vorspannung reproduzierbar derart einstellen, dass bei entsprechend ausgelegtem Exzenter beziehungsweise Spannelement 52 und vollständig anliegendem Spannhebel 54 eine ausreichende oder optimale Spannkraft erreicht wird, was wiederum ein ausreichendes oder optimales Haltemoment zur Folge hat.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Halterung 32 in einer dreidimensionalen Ansicht. Der Spannhebel 54 wird hier in seinem geschlossenen Zustand durch eine zusätzliche Fixierung 62 gehalten, beispielhaft in Form einer Augenschraube mit Kreuzgriffmutter. Über die Fixierung, also hier ein Gewinde, lässt sich eine größere Schließkraft aufbringen, und der Spannhebel 54 ist außerdem gegen ungewolltes Öffnen etwa durch Schock oder Vibration gesichert.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Halterung 32 in einer dreidimensionalen Ansicht mit einer Variation des Einstellelements 58, 60. Hier ist die Stellschraube 58 nicht wie bisher dem Verschluss 56 gegenüber direkt in die Lasche des Spannelements 52 geschraubt. Stattdessen wird die Vorspannung an dem Verschluss 56 über Stellschraube 58 und Mutter 64 aufgebracht. Eine Einstellung der Vorspannung in dieser Weise ist je nach konkreter Ausgestaltung der Halterung 32 genauer und besser reproduzierbar.
7 zeigt eine alternative Ausführungsform des Halteelements 36. In dieser Darstellung ist besser zu sehen, dass die Schlitze 44 sich bis hin zu dem oberen Bereich 46 ausdehnen können. Außerdem wird an diesem Beispiel veranschaulicht, dass eine unterschiedliche Anzahl von Schlitzen 44 und dementsprechend davon abgeteilten elastischen Fingern vorgesehen sein kann und diese Anzahl nicht wie bisher auf sechs Segmente festgelegt ist.
Erfindungsgemäß wird zusammenfassend eine justierbare Halterung 32 an Deckenkonstruktionen 48 von Industriehallen oder dergleichen montiert, um einen optoelektronischen Sensor und insbesondere eine Stereokamera 10 für eine Sicherheitsanwendung aufzunehmen. Die Stereokamera 10 beobachtet und sichert einen Raumbereich 12 aus der Vogelperspektive. Um die Stereokamera 10 auf örtliche geometrische Gegebenheiten anzupassen, stellt die Halterung 32 rotatorische Justierfreiheitsgrade bereit. Die so eingestellte Orientierung bleit über einen langen Zeitraum konstant, auch unter typischen industriellen Umwelteinflüssen, wie Temperaturänderungen, Änderungen der Luftfeuchte, mechanische Schwingungen und Schocks. Die erfindungsgemäße Halterung 36 kann einfach und sicher installiert und angewendet werden. Es ist Sorge dafür getragen, dass die Haltekräfte und -momente, welche die Orientierung fixieren, ausreichend groß sind und dass der Anwender in einfacher Art und Weise Kenntnis darüber erhält. Die justierbare Halterung 32 ist für eine Stereokamera 10 beschrieben, erlaubt aber auch die Befestigung und Ausrichtung anderer 3D-Kameras und optoelektronischer Sensoren, prinzipiell auch beliebiger Sensoren und sogar eines Peilsenders oder einer Beleuchtungsquelle, vor allem wenn diese vorteilhaft in der Vogelperspektive an einer Deckenkonstruktion angebracht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006050235 B4 [0005]
EP 1336535 A1 [0006]
CH 142467 A [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 10218 [0034]
ISO/TS 15066 [0034]

Claims

Halterung (32) zur Befestigung eines Sensors (10), insbesondere einer 3D-Kamera, an der Decke (48), wobei die Halterung (32) ein Kugelgelenk (34, 36) mit einem Kugelelement (34) und einem Halteelement (36) aufweist, welches das Kugelelement (34) trägt und in dem das Kugelelement (34) um eine senkrechte Achse drehbar sowie gegen die senkrechte Achse kippbar gelagert ist und unter einer Spannung steht, die dem Drehen und Kippen entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelelement (34) als Doppelsphärenelement mit einem oberen ersten Teilkugelelement (40) und einem unteren zweiten Teilkugelelement (42) ausgestaltet ist, die flächig aufeinanderliegen, und dass ein Spannelement (52) vorgesehen ist, um die Spannung des Halteelements (36) werkzeuglos wahlweise zu verstärken oder zu vermindern.
Halterung (32) nach Anspruch 1, wobei nur das zweite Teilkugelelement (42) in Kontakt mit dem Haltelement (36) steht.
Halterung (32) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Teilkugelelement (40) einen kleineren Radius aufweist als das zweite Teilkugelelement (42).
Halterung (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilkugelelemente (40, 42) einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen.
Halterung (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Teilkugelelement (40) die Geometrie eines Kugelstücks größer einer Halbkugel und/oder das zweite Teilkugelelement (42) die Geometrie eines Kugelstücks kleiner einer Halbkugel aufweist.
Halterung (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halteelement (36) eine an die Geometrie einer Kugel angepasste innere Aufnahme für das zweite Teilkugelelement (42) aufweist, insbesondere eine kegelförmige Aufnahme.
Halterung (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halteelement (36) mindestens einen radialen Schlitz (44) aufweist.
Halterung (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannelement (52) eine ringförmige Geometrie aufweist und das Halteelement (36) an dessen Außenumfang umgibt.
Halterung (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannelement (52) als Exzenterspanner mit einem Spannhebel (54) ausgestaltet ist.
Halterung (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannelement (52) ein Einstellelement (58, 60) zum Vorgeben einer Vorspannung aufweist, insbesondere mit einer Stellschraube (58).
Halterung (32) nach Anspruch 10, wobei das Spannelement (52) zweiteilig ausgebildet ist, mit einem durch den Spannhebel (54) aktuierten Verschluss (56) und dem Einstellelement (58, 60) an den Verbindungsstellen.
3D-Kamera (10), insbesondere Stereokamera, mit einer Halterung (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.