JP5110264B2 - 光電式防護装置 - Google Patents

Description

本発明は、次のような光電式防護装置に関する。即ち、一つ又は複数の監視装置で構成され、かつ、開口空間内に許容されない対象物がある場合にスイッチ信号を発生するための評価ユニットを有する光電式防護装置であって、前記監視装置がケーシング内で、前記開口空間を照らすための少なくとも一つの照明装置だけでなく撮像カメラも有し、かつ、前記撮像カメラが、前記開口空間の境界を決める壁面の少なくとも一つの結像を、分解能を有する受光体上に作り、前記受光体上の結像に基づいて対応する画像信号を前記評価ユニットに送る防護装置に関する。更に本発明は、そのような防護装置を作動させるための方法に関する。

この種の防護装置は、例えば入場を認められていない危険領域に人が入った時に処置が講じられるようにすることで負傷や損傷を防ぐなど、従来技術に従い様々な方法で使用されている。

この目的で使用される光電式防護装置は、それぞれの使用条件が多様であるために非常に多くの種類があり、単一光線による光シャッターから、複数光線の光格子、更には走査又はカメラによる解決手段に至るまで、多種多様なものがある。これら光電式防護装置全ての機能原理は、直線区間、面、或いは空間に光線を通過させ、この光線を後方で一つ又は複数の光感応性を有する受光体で検知することにある。その際一つ又は複数の光線内に対象物があると、光線は影響を受ける、即ち、遮断される、屈折される、弱められる、或いはこれらに類似の影響を受ける。そして、この影響を光感応性の受光体で検知する。受光体から送られた信号が後続の評価ユニットで処理され、これにより防護装置は対応する状態情報を出すことができる。

ここでの「光」の意味は、可視光に限られるものではない。「光」として解釈されるのは、電磁的光線全般、即ち、一般的に光電式センサ用に使用可能なＵＶ光線、ＩＲ光線、及び可視光線である。

従来技術における欠点は次のようなものである。即ち、公知の光電式防護装置は、開口空間に取り付けた際、その全体形状／大きさのために開口空間内に突出し、空間内の自由空間が制限される、ということである。特にカメラを使った防護装置では、監視装置とその後方にある壁面との間にデッドゾーンが生じ、そこにあるかも知れない対象物を防護装置が検知しないことがある。

従って、本発明の課題は、開口空間内に装備可能な光電式防護装置を提供することであり、その際自由空間が制限されるのは重要ではない範囲のみであり、開口空間全体内にあって所定の最小大きさ以上の任意の対象物を確実に検知することを保証することである。

この課題は、上記開口空間内にあって上記壁面に直接設けられた上記監視装置のケーシング形状を、上記開口空間に前記ケーシングがごく僅かしか突出しないように構成していること、及び上記照明装置が照らす空間角度だけでなく上記撮像カメラが捉える視野角も、上記開口空間全体内にある所定の寸法の対象物を確実に検知する角度であることにより、特に、監視装置の特別なケーシング全体形状により、及び中に配置した照明装置寸法だけでなく撮像カメラの寸法により解決する。

本発明の利点は、空間方向に向かって延伸する寸法が非常に小さいことにより、監視装置が開口空間を制限するのは重要でない範囲のみであるということが分かる。これは、コンパクトな装置又は機械では大抵障害と感じる開口空間の前後に監視装置を設ける必要がないこと、及び場合により監視装置を開口空間壁面内の凹みに収めるようにするために、開口空間領域で構造上の余分な追加的処置を必要としないことを意味している。加えて、本発明による監視装置は同時に、その照明装置を使って大きな空間角度を照明し、撮像カメラを使って大きな視野角を検知するようにして、開口空間全体をカバーする。これらの特徴、即ち、平らなケーシング全体形状と、大きな空間角度照明及び視野角の大きい撮像カメラが共に作用して、所定の最小大きさ以上の任意の対象物が開口空間のいずれの位置にあっても確実に検知することを保証する。

本発明による特に利点ある実施例では監視装置のケーシングを、監視装置の据え付け面を開口空間角部分における壁面に形状を合わせて装備できるように構成している。このため、開口空間に向かって見ると、監視装置の上方からの外観は三角形状をしている。この角部分における開口空間の角度が９０°である場合、本発明によれば、空間角度照明だけでなく撮像カメラの視野角も９０°より僅かに大きい、即ち、約９２°〜９５°である。これにより取り付け時の僅かな誤差を吸収でき、開口空間においてデッドゾーンが発生しない。

この角に設けた監視装置では、撮像カメラを、三角形状ケーシングで開口空間に向いた斜辺中央に配置すると好ましい。このようにすると、監視装置ケーシングで最も奥行きのある所を、最大構成部品、即ち、撮像カメラのために使用することが可能となる。

別の実施例では、監視装置を開口空間の平坦な壁面に設けている。この場合、照明装置が照らす空間角度だけでなく撮像カメラが検知する視野角も、開口空間の面で１８０°〜１８５°の角度となる。この配置を設けるのは、例えば、開口空間が幅と高さの比率に関し非常に異なった長さを有する場合である。この場合、大きい方の壁面中央範囲に監視装置を設けると、監視装置までの壁面の距離は大きく変わらない。これは、受光体上の光量密度だけでなく開口空間全体内の分解能も大きくは変わらないという利点がある。

更に発展させた防護装置の構成では、照明装置が照らし撮像カメラが検知する壁面を、その反射特性を変えた表面を有する構成で実施している。この態様を変えた表面が、分解能を有する受光体上で一つの強度基準となる。検知する対象物はその強度基準に該当する強度を通常は有さないため、撮像カメラの視野範囲に許容されない対象物が存在するのか、或いは開口空間の壁面が存在するのかを、評価ユニットにおいて比較的容易に区別することができる。

特に好ましい実施例では、照明装置が照らし撮像カメラが検知する壁面に、反射材料を張り付けている。これにより、壁面を撮像カメラ内で結像した際、光量密度が本質的に高められる。この処理により、余分な光線が障害となる時は勿論、別の環境要因により光線が減衰する時にも、光電式防護装置の確実な作動機能を確保することが可能になる。

本発明による別の実施例ではリフレクタに、反射強度が大きく異なる部分でできた光学的に読み取り可能な一次元又は二次元コードを設けている。このリフレクタのコードをリフレクタの画像と一緒に撮像カメラで検知し、画像信号と一緒に評価ユニットに送る。評価ユニットは、例えば、このリフレクタのコードを事前にティーチングして記憶させたバージョンと比較できるので、開口空間にある対象物により起きた実際の読み取り画像における変化を検知する状態にある。このようなコード化したリフレクタを使うことにより、防護装置はどの視野角範囲に対象物があるかを確認する状態にある。

本発明の利点ある構成においては、開口空間において隣接する二つの又は対向する二つの角に二つの監視装置を配置している。開口空間を異なった二つの視野方向から照明し観察する二つの監視装置を同時に使用することにより、対象物を検知するだけでなく、開口空間でその位置を決めることも可能である。この目的のために、それぞれの撮像カメラが出す画像信号を評価ユニットに送り、それに基づいてスイッチ信号を出力する。

二つの監視装置を同時に使用する場合、本発明によれば、開口空間内で事前に決めた位置にある特定の対象物を許容された対象物として認識するために、対象物の位置に関する情報を利用するようにしている。このようにすることで例えば、開口空間に許容されないものがあると捉えて機械を停止することなく、開口空間を通って危険な加工機にバー形状の材料を供給することができる。しかし同時に、認められたバー形状の材料の他に別の位置で、例えば人の腕や手のように危険なものを捉えると確実に検知する。

本発明による別の好ましい構成は、従属請求項に記載している。

以下では、本発明を、二つの実施例を使って図面を参照しながら説明する。

図１は、分離壁１内にあり壁面３，３'，３''により境界が決まる開口空間２を示している。分離壁１ないし開口空間２の背後には例えば、人を取り込むような危険な動きをする工作機、或いはごく一般的に、例えば、物を運ぶ大きなロボットが機械制御されて移動する危険領域がある。人が負傷する、又は装置が運転トラブルを起こすことを避けるために、許容できない対象物が開口空間２の中に存在するかどうかについて、開口空間２を監視することが不可欠である。図１で示すように、開口空間２の中に対象物４が存在すると、遅滞なく、例えば、アラーム信号を発する、危険な機械を停止する、或いはこれと同類の処理を行う。
この目的のために図１では、開口空間２の左上角に監視装置５を設けている。監視装置５は、図面の面で見た時に三角形断面をしたケーシングを有する。ケーシングがこのような形状をしていることにより、監視装置５を角領域で壁面３，３'に設けることができるため、開口空間２へはごく僅かしか突出しない。図１においては、監視装置５のケーシングの斜辺に、開口空間２を照明するための二つの照明装置６，６'が示されている。照明装置６，６'は、例えば、発光手段を備えた半導体光源である。しかしながら、本発明の意図するところでは、複数の光源を円形状、列形状、或いはマトリックス状に監視装置５のケーシングに配置することも同じく可能である。照明装置６，６'は全体として空間角度αで照射する。空間角度αは９０°より大きく、それにより壁面３''，３'''だけでなく、一部ではあるが隣接する二つの壁面３と３'を照らす。更に、監視装置５のケーシングには、撮像カメラが配置されている。撮像カメラの基本的な構成部品は、監視装置５のケーシング斜辺中央に配置された対物レンズ８、及び対物レンズの焦点面に位置し、かつ分解能を有する受光体９である。分解能を有する受光体９は、例えばＣＭＯＳ又はＣＣＤ技術で構成されており、マトリックス状又は一つまた複数の列形状で配置した複数の個別受光要素を有する。視野角βが９０°以上である対物レンズ８が、受光体９上に壁面３，３'，３''，３'''の像を作る。個々の受光要素を時間的にずらして読み取ると、どの視野角からどれだけの光量が撮像カメラに入射しているかの情報を与える画像信号が発生する。図１に示すように、視野角γ内で対象物により一つ又は複数の受光要素上で結像が変化すると、この変化が画像信号にも反映される。この監視装置５の画像信号が評価ユニット１１のデータ線１０を介して送られ、そこで評価される。このような方法により、許容されない対象物が開口空間内に存在する場合に、光電式防護装置が対応するスイッチ信号を作り出す状態にある。

図２の遠視側面外観図では、監視装置１２が開口空間２の上方中央に配置されている。監視装置１２のケーシング形状は非常に小さい構造高さｘとなっているので、同様に、監視装置１２は開口空間２にごく僅かしか突出しない。監視装置１２の中央には同じく、対物レンズ１３えお備えた撮像カメラが配置されている。図１の対物レンズ８と異なり、対物レンズ１３は１８０°よりも幾分大きな視野角φを有するため、図１に示した撮像カメラに似た形態で、壁面３，３''，３'''が同じく分解能を有する受光体上に結像する。ここでも、対物レンズ１３の近傍両側に、開口空間２を照らすための二つの照明装置１４，１４'が図示されている。この場合、二つの照明装置１４ないし１４'が、それぞれ９０°以上の空間角度σを照明しているため、壁面３，３''，３'''に切れ目のない照射域が確実にできる。図２においても、二つの照明装置１４，１４'のいずれも光源として代表的なものだけを示している。しかしながら、本発明の意図するところでは、このケーシング形状でも各照明装置１４ないし１４'を、円形状、列形状、又はマトリックス状で監視装置１２のケーシング内に配置した様々な光源を有するようにしてもよい。壁面３'に直接取り付けられた監視装置１２は、その小さい構造高さｘ及び大きな視野角φにより、開口空間２にあり所定の最小断面を有する対象物全てを検知する。また、例えば図２に示されているように、大きさｙの直径を有し壁面３'に直接当接する対象物１５でも、確実に監視装置１２により検知される。
本発明の特別な実施形態によれば、壁面３，３''，３'''には、種々の強度で反射するゾーンでできたコードを有するリフレクタ１６が張り付けられる。これについては、図２の壁面３で代表して図示している。この例において、リフレクタ１６は、反射の度合いが大きく変わる交互に設けた一連のゾーン１７及び１８より構成される。このため、リフレクタ１６を撮像カメラ内で結像した際、分解能を有する受光体における個々の受光要素に強度の異なる光量密度が生じる。その結果、受光要素の読み取り時に、この光量密度構造が画像信号の強度変化として現れる。この強度変化を有する監視装置１２の画像信号が、評価ユニット１１に送られる。それにより、評価ユニット１１は、事前にティーチング処理により記憶させたバージョンとリフレクタ１６のコードとを比較することが可能となり、開口空間内の対象物が引き起こす実際の読み取り画像における変化を検知する状態となる。この種のリフレクタを使用することにより、開口空間に対象物が存在することで生じる画像信号が大きく変わり、当然ながら、結果として、光電式防護装置の検知性能が本質的に信頼性のあるものとなる。

開口空間の角に監視装置を設けた開口空間の側面外観概略図。 開口空間の中央上肩に配置した監視装置を設けた開口空間の側面外観遠視図。

Claims (9)

1. 開口空間（２）内の壁面（３）に直接取り付けられる光電式防護装置であって、一つ又は複数の監視装置（５）で構成され、かつ、前記開口空間（２）内に許容されない対象物（４）がある場合にスイッチ信号を発生するための評価ユニット（１１）を有し、
   前記監視装置（５）が、前記開口空間（２）を照らすための少なくとも一つの照明装置（６）及び撮像カメラを有し、かつ、前記撮像カメラにより、前記開口空間（２）の境界を決める壁面（３）の少なくとも一つの結像を、空間分解能を有する受光体（９）上に生成可能であり、前記受光体上の結像に基づいて対応する画像信号を前記評価ユニット（１１）に送出できる光電式防護装置において、
   前記照明装置（６）及び前記撮像カメラがケーシング内に収容され、該ケーシングは、前記開口空間（２）の一つの角に配置できるように三角の断面を有する形状に構成されているため、前記開口空間（２）内に配置されたときに前記開口空間（２）にごく僅かしか突出しないこと、及び
   前記照明装置（６）が照らす空間角度及び前記撮像カメラが捉える視野角が、いずれも９０°より大きく、従って前記開口空間（２）全体内にある所定の寸法の対象物を確実に検知する角度であること、
   を特徴とする防護装置。
2. 請求項１に記載の防護装置であって、
   照明装置（６）が照らす空間角度及び撮像カメラが捉える視野角が、いずれも、９２°から９５°の範囲にあること、
   を特徴とする防護装置。
3. 請求項１又は２に記載の防護装置であって、前記ケーシングの断面により形成される三角の斜辺中央に上記撮像カメラを配置し、かつその両側に上記照明装置（６）を配置していること、
   を特徴とする防護装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の防護装置であって、上記撮像カメラが捉える上記開口空間の壁面（３）に反射特性を変えた表面を設けるための手段を備えることを特徴とする防護装置。
5. 請求項４に記載の防護装置であって、上記手段がリフレクタを含むことを特徴とする防護装置。
6. 請求項５に記載の防護装置であって、上記リフレクタが一次元又は二次元コードを有することを特徴とする防護装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の防護装置であって、上記開口空間で隣接又は対向する二つの角に配置される二つの監視装置を有することを特徴とする防護装置。
8. 請求項７に記載の防護装置であって、該防護装置からスイッチ信号を出力するために、上記二つの監視装置の画像信号を上記評価ユニットで互いに関係づけることができることを特徴とする防護装置。
9. 請求項８に記載の防護装置であって、上記二つの監視装置において上記撮像カメラの各視野角に比例した画像信号を、上記評価ユニット内において部分的に一つ又は複数のゾーンで非アクティブにすることができることを特徴とする防護装置。

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