WO2021204836A1 - Vorrichtung zur überwachung mindestens eines in einem überwachungsbereich angeordneten sicherheitsbereichs - Google Patents

Vorrichtung zur überwachung mindestens eines in einem überwachungsbereich angeordneten sicherheitsbereichs Download PDF

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WO2021204836A1
WO2021204836A1 PCT/EP2021/058995 EP2021058995W WO2021204836A1 WO 2021204836 A1 WO2021204836 A1 WO 2021204836A1 EP 2021058995 W EP2021058995 W EP 2021058995W WO 2021204836 A1 WO2021204836 A1 WO 2021204836A1
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area
monitoring
light source
source units
lighting unit
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PCT/EP2021/058995
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Christian Vogel
Christoph Walter
Norbert Elkmann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1674—Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B25J9/1676—Avoiding collision or forbidden zones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40196—Projecting light on floor to delimit danger zone around robot

Definitions

  • the present invention relates to a device for monitoring at least one security area arranged in a monitoring area.
  • the present invention also relates to a method for monitoring at least one security area arranged in a monitoring area using the device according to the invention.
  • a risk of injury to people who are in a work area of the automated systems or machines, for example robots.
  • safety areas are typically defined. These safety areas can include, for example, the collision area or danger area, which represents the area that poses a potential danger to people (injury, Death) due to the movement of the machine (e.g. the robot) or due to the process execution (e.g. workpiece machining) of the machine (e.g. the robot).
  • the safety areas can also be protected by light barriers and / or laser scanners.
  • a light beam is deflected or interrupted when a person penetrates, which leads to the system or machine (eg the robot) being switched off.
  • time-of-flight sensors e.g. ToF cameras
  • stereo camera systems or light section methods are used for this purpose in order to determine the 3D coordinates of the environment or the objects that have penetrated.
  • a device and a method which combine a time-of-flight camera with a light cutting system in order to detect objects in three dimensions and to monitor safety areas.
  • a time-of-flight camera with a light cutting system in order to detect objects in three dimensions and to monitor safety areas.
  • such systems are heavily dependent on the surface properties and the distances of the objects.
  • large amounts of data arise that may have to be processed in a computationally complex manner.
  • the invention is therefore based on the object of providing a device for monitoring at least one security area, with which it is possible to cover a desired security area as completely as possible monitor and adapt this security area as flexibly as possible.
  • a device for monitoring at least one security area arranged in a monitoring area comprising a lighting unit, at least one detection unit and an evaluation unit.
  • the lighting unit comprises a plurality of light source units, each of which can emit a bundle of light rays and which are arranged such that the bundles of light rays emitted by them run through the monitoring area and map at least one static or dynamic pattern consisting of several pixels onto at least one monitoring surface , wherein each of the emitted light beams impinging on the monitoring surface generates a pixel of the at least one pattern and the intensity and / or wavelength of the light beam is modulated with a predetermined frequency in time and / or space.
  • the at least one security area comprises at least one main security area defined by the emitted light beam.
  • the at least one acquisition unit is set up to acquire images of the at least one monitoring surface in synchronization with the specified frequency.
  • the evaluation unit is set up to create an actual image of the at least one monitoring surface from sequential images recorded by the at least one detection unit and to compare it with a target image of the at least one monitoring surface determined for the at least one detection unit.
  • the device according to the invention can be used to register the intrusion of a person and / or an object into the at least one security area, so that monitoring of the at least one security area is achieved. If a person and / or an object penetrates the at least one security area, one or more of the images of the at least one monitoring surface recorded by the at least one detection unit will change, resulting in a change in the actual image of the at least one monitoring surface . As a result, the actual image of the at least one monitoring surface and the target image of the at least one monitoring surface no longer match, which can be registered and / or detected and / or displayed by the evaluation unit. In this way, an intrusion of a person and / or an object into the at least one security area can ultimately be registered, so that monitoring of the at least one security area is achieved.
  • the target image serves as a (virtual) reference image and defines the positions of the pixels created by the light beam on the monitoring surface, at which the pixels generated by the light beam in the injury-free case - i.e. in the event that no foreign object or person is in the Has penetrated the security area - must be visible to the registration unit.
  • the beam path of at least one of the emitted light beam bundles is interrupted, so that this at least one light beam bundle can no longer strike the monitoring surface.
  • this change in the pattern then leads to a change in one or more of the images of the at least one monitoring surface recorded by the at least one detection unit.
  • This secondary security area can be, for example, an area between the pattern depicted on the monitoring surface and the detection unit. If a person and / or an object penetrates this area, this also leads to a change in one or more the images of the at least one monitoring surface captured by the at least one acquisition unit.
  • the present invention thus provides a device with which it is possible to monitor at least one security area that is part of a monitoring area or is arranged in a monitoring area.
  • a monitoring area is understood to mean a three-dimensional space or area that could be monitored completely or partially by the device.
  • the monitoring area represents the largest possible monitorable area or the largest possible safety area. Part or several parts of this monitoring area can be defined as a safety area or several safety areas and then monitored with the device.
  • the monitoring area is preferably a three-dimensional area.
  • the device according to the invention advantageously does not require any depth information or 3D coordinates of the objects that have penetrated (into the security area) in order to monitor the penetration of one or more such objects into the at least one security area.
  • the functional principle of the device according to the invention is based on the fact that interruptions in the light beams are detected. This advantage results from the comparison of the target image and the actual image, which can be carried out by the evaluation unit. No 3D information (e.g. 3D coordinates, depth information) about the penetrated object is necessary for this.
  • the at least one security area is ultimately understood to mean the area in which the device registers when a person or an object intrudes into this area.
  • the at least one security area represents at least a subsection of the monitoring area and can be defined (and also flexibly adapted) by the user of the device. This definition of the at least one security area can take place through the specific use of the lighting unit and the at least one detection unit.
  • the at least one security area thus comprises at least one main security area which is defined by the emitted light beam will.
  • the bundles of light rays running through the monitored area can be the outer boundary of the main security area, so that the bundles of light rays represent a type of light curtain that delimits the main security area. Within this light curtain would then be a section of the main security area through which no bundles of light rays or only partial sections of bundles of light rays run.
  • the at least one security area can also include at least one secondary security area.
  • This secondary security area can be, for example, an area between the pattern shown on the monitoring surface and the detection unit.
  • the at least one security area preferably consists of the at least one main security area, i.e. the at least one security area has no other areas besides the at least one main security area.
  • the at least one main security area is then the at least one security area. This can be achieved, for example, in that the at least one detection unit is arranged within the at least one security area.
  • exactly one bundle of light rays can be emitted by each of the light source units, which then hits the monitoring surface, each of the emitted bundles of light rays striking the monitoring surface generating exactly one pixel of the at least one pattern.
  • each of the pixels of the pattern is ultimately generated by exactly one of the light source units.
  • the desired security area is ultimately generated by only switching on certain of the light source units (activated) so that the desired main security area is ultimately defined by the resulting bundles of light rays and a corresponding pattern is mapped on the monitoring surface by the resulting pixels will.
  • Light source units that are not required to generate the desired security area are, however, deactivated.
  • the light source units can be arranged in the form of a matrix, with only one or more - but not all - of these light source units then being switched on, so that the light source units penetrate a desired area or the corresponding light beam bundles pass through it.
  • a safety area can be generated in the desired position and in the desired shape and size in the monitored area, which can also be flexibly and dynamically adapted.
  • a very flexible arrangement and also a very flexible variation of the safety area are possible, please include. This means that the security area can be flexibly adapted to changing conditions.
  • the adaptation of the at least one safety area can, for example, be carried out as a function of machine states (e.g. robot movement, start of process, end of process) or on the basis of external signals (manual switching, signals from machines or system components, e.g. conveyor belt) or time-controlled.
  • machine states e.g. robot movement, start of process, end of process
  • external signals e.g. conveyor belt
  • time-controlled time-controlled.
  • the advantage of this dynamic adaptation of the security areas is that the security areas can be permanently and optimally adapted to the respective situation.
  • the at least one safety area can be designed at any point in time in such a way that the distance to the danger to be protected is minimal. This means that a large part of the monitoring area can be made available to people at all times. This increases the flexibility of the people and reduces unnecessary shutdowns of the system or machine (e.g. robots).
  • the light source units switched on (activated) to generate a safety area each emit a bundle of light rays, the intensity and / or wavelength of the bundle of light rays being temporally and / or spatially modulated with a predetermined frequency.
  • the specified frequency can be, for example, 200 Hz.
  • the recording frequency of the at least one detection unit is synchronized to this frequency so that the pixels imaged by the light beam can be easily recognized in the image recorded by the detection unit and the corresponding actual image for this detection unit can be determined with it.
  • each of the light source units only has to generate one pixel of a pattern, very simple and inexpensive as well as cost-saving light source units, e.g. LEDs, can be used. As a result, they can also be distributed over a large area - for example in the form of a matrix - without incurring high costs. In this way, unwanted gaps - such as unsupervised areas between light cones or light pyramids in the case of projectors used as light sources - can be avoided in the security area. In other words, areas that should actually be monitored but cannot be traversed by the light beam can be avoided or at least reduced in size.
  • a Gaussian beam is, for example, a light beam within the meaning of the present invention.
  • a bundle of light rays can also be so pronounced that the light rays run parallel to one another.
  • the at least one monitoring surface is understood to mean at least one surface on which the pattern is created by the light beam is mapped.
  • the at least one monitoring surface can be one of several boundary surfaces of the at least one security area.
  • the at least one monitoring surface can be, for example, the surface of a floor, the surface of a wall, the surface of stairs, the surface of objects, e.g. the surface of tables, the surface of workbenches, the surface of partition walls, the surface of conveyor belts, the surface of pallets, etc., or a combination of several or all of these surfaces.
  • the at least one monitoring surface can also include sections on which the at least one pattern is not mapped or no pattern is mapped. These are, for example, sections in which automated systems or robots are arranged, i.e. areas in which no monitoring is necessary.
  • the at least one pattern is at least one pattern consisting of a plurality of pixels, which is static or dynamic.
  • the at least one pattern can, for example, comprise points, lines, areas, structures or combinations thereof or be built up thereon.
  • the shape of the pixels can, for example, be rectangular, square, round or hexagonal or honeycomb-shaped.
  • a dynamic pattern is understood to mean a pattern that varies over time.
  • a static pattern is understood to mean a pattern that does not vary over time.
  • the fact that the lighting unit is set up in such a way that the at least one pattern is imaged as modulated light with a predetermined frequency on the monitoring surface also contributes to the fact that the at least one safety area can be changed without great effort.
  • the present invention thus provides a device for monitoring at least one security area, with which it is possible to monitor a desired security area as seamlessly as possible and to adapt this security area as flexibly as possible.
  • the device according to the invention can be used, for example, for securing specific areas of work or work can be used.
  • the device according to the invention can be used, for example, in combination with a safety device that switches off a machine, a system or a robot when the device according to the invention registers that a person and / or an object is in the min least has penetrated a security area. It is also conceivable that an additional or alternative (eg visual and / or auditory) alarm is triggered when the device according to the invention registers that a person and / or an object has entered the at least one security area.
  • a safety device that switches off a machine, a system or a robot when the device according to the invention registers that a person and / or an object is in the min least has penetrated a security area.
  • an additional or alternative (eg visual and / or auditory) alarm is triggered when the device according to the invention registers that a person and / or an object has entered the at least one security area.
  • the device according to the invention can, however, not only be used to secure certain areas in which, for example, dangerous machines are arranged, but instead also for interaction with systems, machines or robots.
  • a defined function can also be called up when the device according to the invention registers that a person and / or an object has entered the at least one security area.
  • This defined function can be, for example, starting or ending a process (movement, milling, drilling, etc.). This ultimately results in a possibility of operating or controlling a system, a machine or a robot.
  • the light source units are preferably LEDs.
  • the emitted bundles of light rays can be convergent, collimated or divergent bundles of light rays.
  • the emitted light beams are preferably convergent or collimated light beams.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the beam axes of the light beam bundles emitted (by the light source units) are at least partially parallel to one another.
  • partially parallel means that the beam axes of several of the emitted light beams, but not all of the emitted Light beams, are parallel to each other.
  • this can mean that the orthogonal projections of the beam axes of all Lichtstrah lenbündel on at least one plane perpendicular to the main plane of extent of the lighting unit in the said plane run parallel to one another.
  • the light source units can be arranged such that the beam axes of a plurality of light beam bundles emitted by the light source units are parallel to one another, the beam axes of all the light beam bundles emitted by the light source units preferably not being parallel to one another. Furthermore, it is possible for the light source units to be arranged in such a way that the beam axes of all of the light beam bundles emitted by the light source units are parallel to one another.
  • the light source units in the lighting unit are arranged in several groups, preferably in at least 5 groups, particularly preferably in at least 10 groups, so that the bundles of light rays emitted by a group of light source units each run parallel to one another, with all bundles of light rays , which are each emitted by a group of the light source units, are preferably arranged in a single plane.
  • the lighting unit preferably has a plurality of lighting modules or consists of these.
  • the shape of the lighting modules is preferably rectangular, particularly preferably square. It is also possible for the lighting modules to have a hexagonal shape.
  • the lighting unit can be assembled in a simple manner from individual lighting modules.
  • the advantage of the shapes described is that an area can be efficiently divided into areas of a certain shape without the lighting unit having sections without light source units.
  • the lighting modules can preferably each comprise only one light source unit, several few light source units, preferably 2 to 500 light source units, particularly preferably 10 to 100 light source units, or a large number of light source units, preferably 1000 to 100,000 light source units, particularly preferably 10,000 to 50,000 light source units.
  • the light source units can be arranged one-dimensionally, two-dimensionally or three-dimensionally within a lighting module.
  • the lighting unit preferably contains or consists of several lighting modules, each of the several lighting modules comprising several light source units, preferably 2 to 100,000 light source units, particularly preferably 10 to 50,000 light source units, very particularly preferably 100 to 10,000 light source units, in particular 1000 to 5000 light source units.
  • the lighting unit has at least 2, preferably at least 4, particularly preferably at least 25, very particularly preferably at least 100, in particular at least 2500 light source units.
  • the light source units each include a light source, in particular a light-emitting diode, and each include a beam shaping element.
  • the beam shaping element serves to shape a convergent, collimated or divergent light beam which each of the light source units emits.
  • the beam-shaping element can for its part comprise a reflective surface (for example a mirror) and / or a lens.
  • the lens can in particular be designed in the form of a free-form optics.
  • the light source units are arranged in the form of a two-dimensional arrangement, in particular in the form of a two-dimensional matrix or in the form of a (two-dimensional) honeycomb pattern.
  • all of the light source units are arranged essentially in a plane which corresponds to a main extension plane of the lighting unit.
  • the light source units can be arranged in such a way that the bundles of light beams emitted thereby could cover the entire monitored area or also a certain part of the monitored area (essentially without gaps).
  • the light source units can preferably be aligned such that the beam axes of the emitted light beam bundles run perpendicular to the main extension plane of the lighting unit.
  • the light source units can be arranged in such a way that they generate a (essentially) uninterrupted light curtain. This means that the lighting unit along an axis of the main extension plane has only a small number of rows in which the light source units are arranged, for example 1 to 5 rows, while it has a much larger number of rows along the right axis perpendicular thereto has, for example, 50 to 200 rows.
  • a pixel of the pattern shown can preferably be rectangular, in particular square, or have other shapes, such as, for example, that of a circle or hexagon.
  • a square pixel can (on the monitoring surface) preferably have a size of 0.5 cm 2 to 15 cm 2 , particularly preferably 1 cm 2 to 10 cm 2 .
  • the distance between the individual pixels can be adapted to the specific security requirements. For example, if a human hand is to be recognized, a smaller pixel spacing is selected than in a case in which a human torso or a similarly large mobile robot is to be recognized, in which a correspondingly large spacing is sufficient.
  • the wavelength of the Lichtstrah lenbündel emitted is in the visible or non-visible range, in particular in the infrared range.
  • the wavelength of the light beam emitted (by the light source units) is preferably in the range from 300 nm to 1 mm, particularly preferably in the range from 780 nm to 1 mm.
  • all beam axes of the light beam bundles emitted by the lighting unit also run parallel to one another.
  • the light source units are preferably arranged in the lighting unit in such a way that the beam axes of the emitted light beam bundles run along the intersection axes of two sets of planes. Points of intersection of the cut axes of the two sets of planes with the plane of extent of the lighting unit form a regular grid, this grid preferably having a rectangular or hexagonal basic shape. Furthermore, it is preferred if the planes of a first plane of the two sets of planes are parallel to one another and the planes of a second set of planes of the two sets of planes are not parallel to one another.
  • This arrangement requires that the orthogonal projections of the beam axes of the light beam onto a first plane, which is orthogonal to the main extension plane of the lighting unit, run parallel to one another, for example perpendicular to the main extension plane.
  • the orthogonal projections of the beam axes of the light beam on a second plane, wel che extends perpendicular to the first plane and perpendicular to the main plane of extent of the lighting unit, do not run parallel to each other.
  • This embodiment has the advantage that the section of the monitoring surface on which the pattern is mapped can have a different size, i.e. a larger or smaller surface area, than the lighting unit and / or can be arranged laterally offset to it.
  • the lighting unit and the at least one detection unit are set up to create images of the monitoring surface in a defined sequence.
  • the evaluation unit is designed to determine the target image as a virtual target image with a known position and orientation for the at least one detection unit and with a known shape, position and size of the security area.
  • the evaluation unit can also be designed to create the target image on the basis of an environment model.
  • This environment model can contain 3D information on the position and alignment of projection surfaces, the robot kinematics, intrinsic and extrinsic parameters for the detection units and lighting units, and / or the security areas to be monitored.
  • the target image preferably defines the image positions at which light beam bundles are expected by the detection unit in an interruption-free and error-free case.
  • the target image can also be so pronounced that a specific code is defined for each image position at which a light beam is expected.
  • the evaluation unit can be set up to determine (or create) the actual image on the basis of two or more successive images of the monitoring surface, with each light beam being either activated or deactivated at the time of image capture.
  • the evaluation unit can furthermore be designed to determine the actual image in such a way that a code is determined for each image position in the actual image at which a light beam is detected, which, for example, is dependent on the activation or deactivation of the corresponding Light beam is defined.
  • the code "0-1-1" could be generated for an imaged light beam if the corresponding light beam in the first image deactivates the three recorded successive images was and was activated in the two subsequent images of the three recorded successive images.
  • adjacent light beams have different codes from one another.
  • the actual image can be determined by adding and / or subtracting the successive images of the monitoring surface and penetration into the security area can be determined by adding and / or subtracting the actual image and the virtual target image .
  • the device according to the invention can preferably be designed in such a way that penetration into the security area is determined by the fact that the code of a light beam in the target image does not match the corresponding code in the actual image.
  • the use of a code also has the advantage that highly dynamic changes in external light (e.g. flash light or sudden shadow) can be detected by the device. Such disruptions would lead to a change in the code in the actual image and thus differ from the codes expected in the target image. In this way, adverse system behavior (e.g. the non-detection of an intrusion into the security area) can be prevented.
  • highly dynamic changes in external light e.g. flash light or sudden shadow
  • the pattern imaged by the lighting unit represents at least one linear delimitation of the security area on the monitoring surface.
  • the pattern can preferably be changed over time and / or with regard to its shape and / or with regard to its mode of representation.
  • the evaluation unit is preferably known at any point in time with what shape and size and at what position in the monitoring area with respect to a world coordinate system the safety area is located.
  • This internal model also contains a geometric representation of the surfaces of the monitoring area, which can be used as a monitoring surface for mapping the pattern.
  • the pattern to be mapped is generated on the basis of the internal model and, on the other hand, a virtual reference image (target image) is generated for each of the at least one acquisition unit.
  • the virtual reference image thus defines pixel positions at which the respective detection units must see light beams on the monitoring surface.
  • the present invention also relates to a method for monitoring at least one three-dimensional security area using a device according to the invention.
  • a preferred variant of the method according to the invention is characterized in that several or all of the light source units (6) each emit a bundle of light rays (8) and the emitted bundles of light rays (8) run through the monitoring area (1) and at least one static or dynamic, image a pattern (9) consisting of several pixels onto at least one monitoring surface, each of the emitted light beams (8) impinging on the monitoring surface generating one pixel of the at least one pattern (9) and the intensity and / or wavelength of the light beam (8) is temporally and / or spatially modulated with a predetermined frequency, and / or the at least one acquisition unit (4) records images of the at least one monitoring surface in synchronization with the specified frequency, and / or the evaluation unit (7) records an actual image of the at least one from temporally successive images recorded by the at least one acquisition unit (4) creates a monitoring surface and compares it with a target image of the at least one monitoring surface determined for the at least one detection unit (4).
  • no depth information or 3D coordinates of the objects that have penetrated (into the security area) are required in the method according to the invention in order to monitor the penetration of one or more such objects into the at least one security area.
  • the principle of the method according to the invention is based on the fact that interruptions in the light beams are detected. This advantage results from the comparison of the target image and the actual image, which is carried out by the evaluation unit. No 3D information (e.g. 3D coordinates, depth information) about the penetrated object is required for this.
  • the evaluation unit determines the target image as a virtual target image with a known position and orientation for the at least one detection unit and with a known shape, position and size of the security area.
  • the evaluation unit can create the target image on the basis of an environment model.
  • This environment model can contain 3D information on the position and alignment of projection surfaces, the robot kinematics, intrinsic and extrinsic parameters for the detection units and lighting units, and / or the security areas to be monitored.
  • the target image preferably defines the image positions at which light beam bundles are expected by the detection unit in an interruption-free and error-free case.
  • the target image can also be so pronounced that for a specific code is defined for each image position at which a light beam is expected.
  • the actual image can preferably be determined (or created) on the basis of two or more successive images of the monitoring surface, each light beam being able to be either activated or deactivated at the time of the image acquisition.
  • a code For each image position in the actual image at which a light beam is captured, a code can be determined that is defined, for example, depending on the activation or deactivation of the corresponding light beam.
  • the code "0-1-1" could be generated for an imaged bundle of light rays in the actual image if the corresponding bundle of light rays was deactivated in the first image of the three consecutive images recorded and in the two subsequent images of the three consecutive images recorded was activated.
  • adjacent light beams have different codes from one another.
  • the actual image is determined by adding and / or subtracting the successive images of the monitoring surface and penetration into the security area is determined by adding and / or subtracting the actual image and the virtual target image .
  • penetration into the security area is determined by the fact that the code of a light beam in the target image does not match the corresponding code in the actual image.
  • the use of a code also has the advantage that highly dynamic changes in external light (eg flash light or sudden shadow) can be detected by the device. Such disruptions would lead to a change in the code in the actual image and thus differ from the expected ones Differentiate between codes in the target image. In this way, adverse system behavior (for example the non-detection of an intrusion into the security area) can be prevented.
  • highly dynamic changes in external light eg flash light or sudden shadow
  • Fig. 1 (a) shows a prior art device.
  • Fig. 1 (b) shows another prior art device.
  • Fig. 2 (a) shows a perspective view of an exemplary embodiment of a device according to the invention for monitoring a security area.
  • Fig. 2 (b) shows the exemplary embodiment of the Vorrich device according to the invention from Fig. 2 (a) in a different representation and in a different operating setting.
  • FIG. 3 (a) shows a perspective illustration of a further exemplary embodiment of a device according to the invention for monitoring a security area.
  • FIG. 3 (b) shows a perspective illustration of a further exemplary embodiment of a device according to the invention for monitoring a security area.
  • Fig. 4 (a) shows a side view of a system for processing a workpiece with a further embodiment of a lighting unit according to the invention.
  • Fig. 4 (b) shows a side view of a system for processing a workpiece with a further embodiment of a lighting unit according to the invention.
  • Fig. 4 (c) shows a plan view of a system for machining a workpiece with a further embodiment of a lighting unit according to the invention.
  • Fig. 5 (a) shows a side view of a further embodiment of an inventive lighting unit in the x-z plane.
  • Fig. 5 (b) shows a side view of a further embodiment of an inventive lighting unit in the y-z plane.
  • Fig. 5 (c) shows a side view of a further embodiment of a lighting unit according to the invention in the x-y plane.
  • Fig. 1 (a) shows a device as it is known from the prior art.
  • the device comprises a projector 40 and a camera 50.
  • the projector 40 projects a pattern onto the surface of a floor, which here serves as a monitoring surface, for example .
  • a camera 50 captures the pattern.
  • Both a projector viewing area 41, which corresponds to the projection volume that is traversed by the light emitted by the projector to the projection surface, and a camera viewing area 51 have the shape of a pyramid, shown as triangles in FIG. 1 (a) are shown with thin lines.
  • the device shown in Fig. 1 (a) is able to detect a double pyramid-like surveillance area 1, which corresponds to the room, traverses the light emitted by the projector 40, reflected from the surveillance surface and detected by the camera 50 will.
  • the monitoring area 1 can include one or more security areas 2 that are monitored by the device. A person or an object which penetrates the security area 2, leads to a discrepancy between the actual image and the target image.
  • FIG. 1 (b) a combination of several devices according to FIG. 1 (a) is shown, which are combined in the prior art, for example, to enlarge a monitoring area.
  • Each of the devices has a projector 40-a, 40-b and a camera 50-a, 50-b.
  • a monitoring area 1-a, 1-b results for each of the two devices, as was described in the example shown in FIG. 1 (a).
  • an area 30 which lies between the two double-pyramid-shaped overgrowth areas 1-a, 1-b is not monitored.
  • An object or person who penetrates into the area 30 is therefore not detected by the cameras 50-a, 50-b, since there is no change in the imaged pattern.
  • the position, shape and size of a possible safety area can only be selected to a very limited extent due to the double-pyramid shape of the monitoring area, which results from the use of the projectors.
  • a device which comprises a lighting unit 3, a detection unit 4 and an evaluation unit 7.
  • the direction of extent of the lighting unit 3 along the x-axis is very much greater than its extent along the y-axis. Consequently, the main plane of extent of the monitoring area 1 is the xz plane.
  • the monitoring area includes a safety area 2, the main extension plane of which is also the xz plane.
  • the security area 2 thus corresponds to a kind of light curtain.
  • the security area 2 only comprises the main security area defined by the emitted light beam, ie the main security area corresponds to the security area 2 here
  • Lighting unit are activated and emit light beams, whereas the rest of the light source units in the outer areas of the lighting unit are deactivated and thus do not emit light beams.
  • FIG. 2 (b) the device according to the invention from FIG. 2 (a) is shown in a different illustration and in a different operating setting.
  • the lighting unit 3 is shown transparent here, so that the individual light source units 6 can be seen.
  • all of the light source units are now activated in the operating setting in FIG. 2 (b).
  • the lighting unit 3 is essentially formed in a plane opposite the surface of a floor, which here serves as a monitoring surface as an example.
  • the light source units 6 are arranged at regular intervals in the lighting unit 3 and emit (for example collimated) light beams 8, the beam axes of which run parallel to one another and perpendicular to the plane of extent of the lighting unit 3.
  • the light beams 8 form a pattern consisting of pixels onto the monitoring surface.
  • Each of the light source units 6 emits exactly one light beam 8, each of the light beam generates exactly one pixel of the pattern.
  • the lighting unit 3 can image a pattern, which is intensity-modulated, for example, with a frequency of 200 Hz, by emitting light beam bundles 8 onto the monitoring surface.
  • the detection unit 4, which is synchronized with the lighting unit 3 and the temporal modulation of the pattern, is set up to record an image of the monitoring surface with the area on which the pattern is or can be imaged in a defined sequence.
  • the current position of the pixels generated by the light beams 8 on the monitoring surface is extracted. The extracted positions are then available in the form of an actual image.
  • the actual image is then compared with a target image.
  • the target image is created on the basis of an internal model of the security area 2.
  • the target image serves as a virtual reference image and defines the positions of the pixels generated by the light beam 8 on the monitoring surface, at which the pixels generated by the light beam 8 are not injured - that is, in the event that no foreign object or person is in the security area 2 has penetrated - to see for the detection unit 4 must be.
  • the fact that a virtual reference image is generated on the basis of the internal model of security area 2 has the advantage of being able to carry out a simple and, above all, quick comparison between the actual image and the target image. Another advantage is that reference images do not have to be recorded by the acquisition unit (or by other devices or methods) either at the beginning of the monitoring process or during the monitoring process.
  • FIG. 3 (a) shows a further exemplary embodiment of the device according to the invention.
  • the device comprises a lighting unit 3, a detection unit 4 and an evaluation unit 7.
  • the direction of extent of the lighting unit 3 is along the x-axis similar in size to the extent along the y-axis.
  • the result is an areally formed lighting unit along the x-y plane, which comprises a plurality of light source units.
  • the light source units can be arranged at regular intervals in the lighting unit 3 and emit (e.g.
  • the monitoring surface is the surface of a floor on which a machine 11 (e.g. a robot) is arranged.
  • the monitored area 1 results as the maximum area that can be monitored by the device.
  • the light source units are activated. These now emit bundles of light rays that image a pattern 9 consisting of several pixels on the monitoring surface, which ultimately marks a kind of linear delimitation of the main security area on the monitoring surface.
  • the light beam bundles here form a type of light curtain which extends from the lighting unit 3 down to the monitoring surface and runs along the pattern 9 around the machine 11. This light curtain ultimately represents the outer boundary of the main security area, which is defined in this way by the emitted light beams.
  • the main security area here thus includes both the area through which the light beams pass, ie the area of the light curtain as well as the area delimited by the light curtain.
  • the pattern imaged by the lighting unit here represents a linear delimitation of the main security area on the monitoring surface.
  • the surveillance area 1 includes a security area 2. Due to the arrangement of the detection unit 4, the security area 2 only includes the main security area defined by the emitted light beam, that is, the main security area corresponds to the security area 2. The position of the security area 2 is ultimately determined by the fact that only certain of the light source units are activated and emit light beams, whereas the rest of the light source units of the lighting unit are deactivated and thus do not emit any light beams.
  • the device no longer registers when an object moves in the safety area within this limitation, i.e. without entering the limitation area. For example, a movement of a robot arm of the machine 11 is not registered and would not lead to an alarm or a shutdown of the machine. Nevertheless, due to the gapless light curtain, any intrusion (from outside) into the security area would still be registered by the device.
  • the shape, position and size of the safety area can be dynamically changed or adapted at any point in time.
  • active light source units can optionally be deactivated and inactive light source units optionally activated in order to be able to achieve the new shape, position and size of the security area.
  • the individual light source units of the lighting unit can be activated and deactivated at a high activation rate, for example 1 kHz.
  • precisely all of the light source units are activated that are required to form the desired security area. In this way, the security can be dynamically adapted to the movement of the machine 11 at any time, so that the safety area has the required position, shape and size at all times.
  • the lighting unit 3 shows a further possible embodiment of a device according to the invention with a lighting unit 3, a detection unit 4 and an evaluation unit 7.
  • the lighting unit 3 has ten rectangular lighting modules 5, with an area in the middle of the lighting unit 3, for example the work area of a robot located there, is released in a size of about two lighting modules. Due to the lack of lighting modules 5 in the center of the lighting unit 3, the center of the room which is surrounded by the security area 2 is not detected, since no monitoring is required in this area either.
  • the lighting modules each comprise a large number of individual light source units, some of which can then be activated to depict the linear pattern 9, with the remaining light source units remaining inactive.
  • the safety area can be dynamically adapted, e.g. depending on the current robot configuration.
  • Fig. 4 (a) shows a possible application of a Vorrich device according to the invention in a system 10. Shown is a side view of the system 10 with egg nem fixed machine part 25 and a movably arranged or movable machine part 15 and an attached to be processed Workpiece 20.
  • the movable machine part 15 can be moved ent long of the stationary machine part 25. The movement of the movable machine part 15 must be monitored for safety reasons.
  • a further embodiment of a device according to the invention is provided for this purpose.
  • the detection unit and evaluation unit of the device are not shown in Fig. 4 (a) for the sake of clarity.
  • the lighting unit 3 is attached to the upper edge of the movable Ma machine part 15 and can have individual rows side by side angeord designated light source units.
  • the lighting unit may have several rows of light source units, in particular 2 to 5 rows.
  • the light source units are aligned in such a way that at a corresponding distance, for example 50 cm, on the Surface of the floor below the machine a line-shaped pattern is formed, which has a seamless sequence of pixels.
  • the line-shaped pattern shows the delimitation of the safety area on the floor surface.
  • FIG. 4 (b) shows a side view of a further system 10 which is similar to the system 10 from FIG. 4 (a).
  • another lighting unit 3 is attached to the lower edge of the movable machine part.
  • FIG. 4 (c) shows a top view of a system 10, which can be the system 10 from FIG. 4 (a) or the system 10 from FIG. 4 (b).
  • Fig. 5 (a) shows a side view of a further embodiment of a lighting unit 3 used in the device according to the invention in the x-z plane.
  • the light source units 6 are arranged in the lighting unit 3 at a regular distance dl along the x-axis and the orthogonal projections of the beam axes of all light beam bundles 8 on the x-z plane are essentially parallel to one another.
  • FIG. 5 (b) shows the lighting unit from FIG. 5 (a) in the y-z plane.
  • the light source units 6 are arranged at a regular distance d2 in the lighting unit 3 along the y-axis, the distance d2 being smaller than the distance dl, i.e. d2 ⁇ dl.
  • the orthogonal projections of the Strahlach sen all light beams 8 on the y-z plane are not parallel to each other.
  • FIG. 5 (c) shows the lighting unit 3 from FIGS. 5 (a) and 5 (b) in the xy plane.
  • the part of the figure drawn in thin lines represents the spatial arrangement of the light source units 6 in the lighting unit 3 in the xy plane.
  • the part of the figure drawn in thick lines represents the area of the monitoring surface on which the pixels of the entire area are covered the light source units generated pattern are mapped. Because the orthogonal projections of the beam axes on the zy plane do not run parallel to one another, the extension of the mentioned area on the monitoring surface along the y-axis is greater than the extension of the lighting unit 3 in the same dimension.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung mindestens eines in einem Überwachungsbereich angeordneten Sicherheitsbereichs. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Überwachung mindestens eines in einem Überwachungsbereich angeordneten Sicherheitsbereichs unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

Vorrichtung zur Überwachung mindestens eines in einem Überwachungsbe reich angeordneten Sicherheitsbereichs
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung mindes- tens eines in einem Überwachungsbereich angeordneten Sicherheitsbereichs.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Überwa chung mindestens eines in einem Überwachungsbereich angeordneten Sicher heitsbereichs unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Arbeitsräumen in denen Personen und automatisierte Anlagen oder Ma schinen (z.B. Roboter) gemeinsam arbeiten, besteht Verletzungsgefahr für Personen, die sich in einem Arbeitsbereich der automatisierten Anlagen oder Maschinen, beispielsweise Robotern, aufhalten. Um den Menschen vor Ge fahren (z.B. einer Kollision mit einem Roboter) zu schützen, werden typischer- weise Sicherheitsbereiche definiert. Diese Sicherheitsbereiche können bei spielsweise den Kollisionsraum bzw. Gefahrenraum umfassen, weicher den Bereich darstellt, der für den Menschen eine potentielle Gefahr (Verletzung, Tod) aufgrund der Bewegung der Maschine (z.B. des Roboters) oder aufgrund der Prozessdurchführung (z.B. Werkstückbearbeitung) der Maschine (z.B. des Roboters) darstellt. Die Sicherheitsbereiche können z.B. neben trennenden Schutzeinrichtungen (z.B. Schutzzäunen) zusätzlich durch Lichtschranken und/oder Laserscanner abgesichert werden. In diesem Fall wird durch ein Ein dringen einer Person ein Lichtstrahl abgelenkt bzw. unterbrochen, was zu ei ner Abschaltung der Anlage bzw. der Maschine (z.B. des Roboters) führt.
Bei anderen bekannten sensorischen Überwachungslösungen werden übli cherweise optische, bildverarbeitende Systeme, beispielsweise Multi-Kame- rasysteme oder Stereo-Kameras, eingesetzt. In der EP 2 095 008 Bl wird bei spielsweise ein System zur Überwachung dreidimensionaler Sicherheitsberei che unter Verwendung eines Stereokamerasystems präsentiert. Wird das Ein dringen einer Person oder eines fremden Objektes in einen vorher definierten Sicherheitsbereich festgestellt, führt dies wiederum zu einer Abschaltung der Anlage. Ein Nachteil dieses Verfahrens bzw. dieser Vorrichtung ist, dass der Sicherheitsbereich nicht dynamisch anpassbar ist.
Ein weiterer Nachteil bestehender Systeme liegt darin, dass die Vorrichtung oder das Verfahren Tiefeninformationen zur Überwachung der Sicherheitsbe reiche erfordert. Hierfür werden beispielsweise Time-of-Flight Sensoren (z.B. ToF-Kameras) oder Stereokamerasysteme oder auch Lichtschnittverfahren eingesetzt um 3D-Koordinaten der Umgebung bzw. der eingedrungenen Ob jekte zu bestimmen.
In der DE 10 2016 110514 Al wird beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren präsentiert, welches eine Time-of-Flight Kamera mit einem Licht schnittsystem kombiniert, um Objekte dreidimensional zu erfassen und Si cherheitsbereiche zu überwachen. Derartige Systeme sind jedoch stark von den Oberflächeneigenschaften und den Entfernungen der Objekte abhängig. Darüber hinaus entstehen große Datenmengen, die unter Umständen rechen aufwendig verarbeitet werden müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwa chung mindestens eines Sicherheitsbereichs bereitzustellen, mit welcher es möglich ist, einen gewünschten Sicherheitsbereich möglichst lückenlos zu überwachen und diesen Sicherheitsbereich möglichst flexibel anzupassen.
Diese Aufgabe wird bezüglich einer Vorrichtung zur Überwachung mindestens eines in einem Überwachungsbereich angeordneten Sicherheitsbereichs ge mäß Patentanspruch 1 und bezüglich eines Verfahrens zur Überwachung min destens eines in einem Überwachungsbereich angeordneten Sicherheitsbe reich gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche stel len dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung zur Überwachung mindestens eines in einem Überwachungsbereich angeordneten Sicherheitsbereichs be reitgestellt, wobei die Vorrichtung eine Beleuchtungseinheit, mindestens eine Erfassungseinheit und eine Auswertungseinheit umfasst. Die Beleuchtungsein heit umfasst eine Mehrzahl von Lichtquelleneinheiten, die jeweils ein Licht strahlenbündel emittieren können und die so angeordnet sind, dass die von ihnen emittierten Lichtstrahlenbündel durch den Überwachungsbereich ver laufen und mindestens ein statisches oder dynamisches, aus mehreren Pixeln bestehendes Muster auf mindestens eine Überwachungsoberfläche abbilden, wobei jedes der emittierten und auf die Überwachungsoberfläche auftreffen den Lichtstrahlenbündel jeweils einen Pixel des mindestens einen Musters er zeugt und wobei die Intensität und/oder Wellenlänge der Lichtstrahlenbündel mit einer vorgegebenen Frequenz zeitlich und/oder örtlich moduliert ist. Der mindestens eine Sicherheitsbereich umfasst mindestens einen durch die emit tierten Lichtstrahlenbündel definierten Hauptsicherheitsbereich. Die mindes tens eine Erfassungseinheit ist dazu eingerichtet, Abbilder der mindestens ei nen Überwachungsoberfläche in Synchronisation mit der vorgegebenen Fre quenz zu erfassen. Die Auswertungseinheit ist dazu eingerichtet, aus zeitlich aufeinanderfolgenden, von der mindestens einen Erfassungseinheit aufge nommenen Abbildern ein Ist-Abbild der mindestens einen Überwachungs oberfläche zu erstellen und mit einem für die mindestens eine Erfassungsein heit bestimmten Soll-Abbild der mindestens einen Überwachungsoberfläche zu vergleichen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein Eindringen einer Person und/oder eines Objekts in den mindestens einen Sicherheitsbereich registriert werden, sodass eine Überwachung des mindestens einen Sicherheitsbereichs erreicht wird. Dringt eine Person und/oder ein Objekt in den mindestens ei nen Sicherheitsbereich ein, kommt es zu einer Veränderung eines oder meh rere der von der mindestens einen Erfassungseinheit erfassten Abbilder der mindestens einen Überwachungsoberfläche, woraus eine Veränderung des Ist-Abbildes der mindestens einen Überwachungsoberfläche resultiert. In der Folge stimmen das Ist-Abbild der mindestens einen Überwachungsoberfläche und das Soll-Abbild der mindestens einen Überwachungsoberfläche nicht mehr überein, was durch die Auswertungseinheit registriert und/oder detek- tiert und/oder angezeigt werden kann. Auf diese Weise kann letztlich ein Ein dringen einer Person und/oder eines Objekts in den mindestens einen Sicher heitsbereich registriert werden, sodass eine Überwachung des mindestens ei nen Sicherheitsbereichs erreicht wird.
Das Soll-Abbild dient hierbei als (virtuelles) Referenzbild und definiert die Po sitionen der durch Lichtstrahlenbündel auf der Überwachungsoberfläche er zeugten Pixel, an denen die durch die Lichtstrahlenbündel erzeugten Pixel im verletzungsfreien Fall - d.h. im Fall, dass kein fremdes Objekt oder Mensch in den Sicherheitsbereich eingedrungen ist - für die Erfassungseinheit zu sehen sein müssen.
Beispielsweise wird durch ein Eindringen einer Person und/oder eines Objekts in den Hauptsicherheitsbereich der Strahlengang mindestens eines der emit tierten Lichtstrahlenbündel unterbrochen, wodurch dieses mindestens eine Lichtstrahlenbündel nicht mehr auf die Überwachungsoberfläche treffen kann. In der Folge kommt es zu einer Veränderung des auf der Überwachungs oberfläche abgebildeten Musters (zumindest in einem Pixel). Diese Verände rung des Musters führt dann zu einer Veränderung eines oder mehrere der von der mindestens einen Erfassungseinheit erfassten Abbilder der mindes tens einen Überwachungsoberfläche.
Beispielsweise ist es auch möglich, dass eine Person und/oder ein Objekt in ei nen Nebensicherheitsbereich eindringt, der außerhalb des Hauptsicherheits bereichs liegt. Bei diesem Nebensicherheitsbereich kann es sich z.B. um einen Bereich zwischen dem auf der Überwachungsoberfläche abgebildeten Muster und der Erfassungseinheit handeln. Dringt eine Person und/oder ein Objekt in diesen Bereich ein, führt dies auch zu einer Veränderung eines oder mehrere der von der mindestens einen Erfassungseinheit erfassten Abbilder der min destens einen Überwachungsoberfläche.
Mit der vorliegenden Erfindung wird somit eine Vorrichtung bereitgestellt, mit der es möglich ist, mindestens einen Sicherheitsbereich zu überwachen, der Teil eines Überwachungsbereichs ist bzw. in einem Überwachungsbereich an geordnet ist. Unter einem Überwachungsbereich wird dabei ein dreidimensio naler Raum bzw. Bereich verstanden, der vollständig oder teilweise durch die Vorrichtung überwacht werden könnte. Mit anderen Worten stellt der Über wachungsbereich den größtmöglich überwachbaren Bereich bzw. den größt möglichen Sicherheitsbereich dar. Ein Teil oder mehrere Teile dieses Überwa chungsbereichs können als ein Sicherheitsbereich oder mehrere Sicherheits bereiche definiert und dann mit der Vorrichtung überwacht werden. Der Überwachungsbereich ist vorzugsweise ein dreidimensionaler Bereich.
Vorteilhafterweise benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung keine Tiefenin formationen bzw. 3D-Koordinaten der (in den Sicherheitsbereich) eingedrun genen Objekte, um das Eindringen eines oder mehrere solcher Objekte in den mindestens einen Sicherheitsbereich zu überwachen. Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung basiert darauf, dass Unterbrechungen der Lichtstrahlen detektiert werden. Dieser Vorteil ergibt sich aus dem Ver gleich von Soll-Abbild und Ist-Abbild, der von der Auswertungseinheit durch geführt werden kann. Dafür sind keine 3D-lnformationen (z.B. 3D-Koordina- ten, Tiefeninformationen) zum eingedrungenen Objekt notwendig.
Unter dem mindestens einen Sicherheitsbereich wird letztlich der Bereich ver standen, bei dem durch die Vorrichtung registriert wird, wenn eine Person o- der ein Objekt in diesen Bereich eindringt. Der mindestens eine Sicherheitsbe reich stellt mindestens einen Unterabschnitt des Überwachungsbereichs dar und kann vom Benutzer der Vorrichtung festgelegt (und auch flexibel ange passt) werden. Dieses Festlegen des mindestens einen Sicherheitsbereichs kann dabei durch die spezifische Verwendung der Beleuchtungseinheit und der mindestens einen Erfassungseinheit erfolgen.
So umfasst der mindestens eine Sicherheitsbereich mindestens einen Hauptsi cherheitsbereich, der durch die emittierten Lichtstrahlenbündel definiert wird. Beispielsweise können die durch den Überwachungsbereich verlaufen den Lichtstrahlenbündel die äußere Begrenzung des Hauptsicherheitsbereichs sein, sodass die Lichtstrahlenbündel eine Art Lichtvorhang darstellen, durch die der Hauptsicherheitsbereich begrenzt wird. Innerhalb dieses Lichtvor hangs wäre dann ein Abschnitt des Hauptsicherheitsbereichs durch den keine Lichtstrahlenbündel verlaufen oder nur in Teilabschnitten Lichtstrahlenbündel verlaufen. In einer alternativen Variante wäre es auch möglich, dass durch den gesamten Hauptsicherheitsbereich Lichtstrahlenbündel verlaufen, sodass der Hauptsicherheitsbereich letztlich der Bereich ist, durch den die emittierten Lichtstrahlenbündel verlaufen.
Zusätzlich zum mindestens einen Hauptsicherheitsbereich kann der mindes tens eine Sicherheitsbereich auch mindestens einen Nebensicherheitsbereich umfassen. Bei diesem Nebensicherheitsbereich kann es sich z.B. um einen Be reich zwischen dem auf der Überwachungsoberfläche abgebildeten Muster und der Erfassungseinheit handeln.
Vorzugsweise besteht der mindestens eine Sicherheitsbereich aus dem min destens einen Hauptsicherheitsbereich, d.h. der mindestens eine Sicherheits bereich weist neben dem mindestens einen Hauptsicherheitsbereich keine weiteren Bereiche auf. Mit anderen Worten handelt es sich dann bei dem mindestens einen Hauptsicherheitsbereich um den mindestens einen Sicher heitsbereich. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die min destens eine Erfassungseinheit innerhalb des mindestens einen Sicherheitsbe reichs angeordnet ist.
Erfindungsgemäß kann durch jede der Lichtquelleneinheiten genau ein Licht strahlenbündel emittiert werden, welches dann auf die Überwachungsober fläche trifft, wobei jedes der emittierten und auf die Überwachungsoberfläche auftreffenden Lichtstrahlenbündel jeweils genau einen Pixel des mindestens einen Musters erzeugt. Mit anderen Worten wird letztlich jedes der Pixel des Musters durch jeweils genau eine der Lichtquelleneinheiten erzeugt. Durch eine entsprechende Anordnung und Einstellung bzw. Ansteuerung der Licht quelleneinheiten können somit letztlich beliebige Muster und auch beliebige Sicherheitsbereiche erzeugt werden. Insbesondere kann dadurch der Sicher heitsbereich auf die notwendige bzw. gewünschte Größe und Form angepasst werden. Die Erzeugung des gewünschten Sicherheitsbereichs erfolgt letztlich dadurch, dass nur bestimmte der Lichtquelleneinheiten eingeschaltet (akti viert) werden, so dass letztlich durch die so resultierenden Lichtstrahlenbün del der gewünschte Hauptsicherheitsbereich definiert wird und zudem durch die so resultierenden Pixel ein entsprechendes Muster auf der Überwachungs oberfläche abgebildet wird. Lichtquelleneinheiten, die zur Erzeugung des ge wünschten Sicherheitsbereichs nicht benötigt werden, werden hingegen de aktiviert. Beispielsweise können die Lichtquelleneinheiten matrixförmig ange ordnet werden, wobei dann je nach Bedarf nur eine oder mehrere - aber nicht alle - dieser Lichtquelleneinheiten eingeschaltet werden, so dass dann ein gewünschter Bereich mit den Lichtquelleneinheiten durchstrahlt bzw. von den entsprechenden Lichtstrahlenbündeln passiert wird. Somit kann ein Si cherheitsbereich an der gewünschten Position sowie in der gewünschten Form und Größe im Überwachungsbereich erzeugt werden, der zudem auch noch flexibel und dynamisch anpassbar ist. In der Folge sind eine sehr flexible Anordnung und auch eine sehr flexible Variation des Sicherheitsbereichs mög lich. Somit kann der Sicherheitsbereich flexibel an sich ändernde Bedingungen angepasst werden.
Die Anpassung des mindestens einen Sicherheitsbereichs kann beispielsweise in Abhängigkeit von Maschinenzuständen (z.B. Roboterbewegung, Prozessbe ginn, Prozessende) oder aufgrund äußerer Signale (manuelle Schaltung, Sig nale von Maschinen oder Anlagenkomponenten, z.B. Förderband) oder zeit lich gesteuert, durchgeführt werden. Der Vorteil dieser dynamischen Anpas sung der Sicherheitsbereiche liegt darin, dass die Sicherheitsbereiche perma nent an die jeweilige Situation optimal angepasst werden können. Beispiels weise kann der mindestens eine Sicherheitsbereich zu jedem Zeitpunkt derart gestaltet werden, dass der Abstand zur abzusichernden Gefahr minimal ist. Somit kann permanent ein Großteil des Überwachungsbereichs für den Men schen zur Verfügung gestellt werden. Dies erhöht die Flexibilität des Men schen und verringert unnötige Abschaltungen der Anlage oder Maschine (z.B. Roboter). Die Gefahr eines unbeabsichtigten Eindringens von Personen in den Sicherheitsbereich, wie dies z.B. bei sehr großen und starren Sicherheitsberei chen vorkommt, kann so verringert werden, was zu einer Erhöhung der Ver fügbarkeit der Maschine (z.B. des Roboters) oder Anlage führt. Die zur Erzeugung eines Sicherheitsbereiches eingeschalteten (aktivierten) Lichtquelleneinheiten emittieren jeweils ein Lichtstrahlenbündel, wobei die Intensität und/oder Wellenlänge der Lichtstrahlenbündel mit einer vorgege benen Frequenz zeitlich und/oder örtlich moduliert ist. Die vorgegebene Fre quenz kann dabei beispielsweise 200 Hz betragen. Die Aufnahmefrequenz der mindestens einen Erfassungseinheit ist auf diese Frequenz synchronisiert, so dass die durch die Lichtstrahlenbündel abgebildeten Pixel im von der Erfas sungseinheit aufgenommenen Abbild einfach erkannt werden können und so mit das entsprechende Ist-Abbild für diese Erfassungseinheit bestimmt wer den kann.
Dadurch, dass jede der Lichtquelleneinheiten nur ein Pixel eines Musters er zeugen muss, können sehr einfache und kostengünstige sowie auch kosten sparende Lichtquelleneinheiten, z.B. LEDs, verwendet werden. In der Folge können, ohne dass hohe Kosten verursacht werden, auch dann auch über eine große Fläche verteilt - beispielsweise in Form einer Matrix - angeordnet wer den können. Auf diese Weise können ungewollte Lücken - wie z.B. unüber- wachte Bereiche zwischen Lichtkegeln oder Lichtpyramiden im Falle von als Lichtquellen eingesetzten Projektoren - im Sicherheitsbereich vermieden wer den. Mit anderen Worten können solche Bereiche, die eigentlich überwacht werden sollten, aber nicht von den Lichtstrahlenbündeln durchquert werden können, vermieden oder zumindest verkleinert werden.
Der Begriff Lichtstrahlenbündel wird hier im Sinne der Wellenoptik verwen det, um eine sprachliche Unterscheidung zu dem Konzept eines Lichtstrahls im Sinne der geometrischen Optik herzustellen. Das heißt insbesondere, dass ein Lichtstrahlenbündel eine Ausdehnung orthogonal zur Ausbreitungsrichtung sowie eine Strahldivergenz aufweist. Ein gaußsches Strahlenbündel, häufig auch als Gauß-Strahl bezeichnet, ist beispielsweise ein Lichtstrahlenbündel im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Ein Lichtstrahlenbündel kann auch derart ausgeprägt sein, dass die Lichtstrah len parallel zueinander verlaufen.
Unter der mindestens einen Überwachungsoberfläche wird mindestens eine Oberfläche verstanden, auf welcher das Muster durch die Lichtstrahlenbündel abgebildet wird. Die mindestens eine Überwachungsoberfläche kann eine von mehreren Begrenzungsflächen des mindestens einen Sicherheitsbereichs sein. Bei der mindestens einen Überwachungsoberfläche kann es sich beispiels weise um die Oberfläche eines Fußbodens, um die Oberfläche einer Wand, um die Oberfläche von Treppenstufen, um die Oberfläche von Objekten, z.B. die Oberfläche von Tischen, die Oberfläche von Werkbänken, die Oberfläche von Trennwänden, die Oberfläche von Förderbändern, die Oberfläche von Pa letten, etc., oder um eine Kombination mehrerer oder aller dieser Oberflä chen handeln. Die mindestens eine Überwachungsoberfläche kann neben Ab schnitten, auf denen das mindestens eine Muster abgebildet ist, auch Ab schnitte umfassen, auf denen das mindestens eine Muster nicht abgebildet o- der kein Muster abgebildet ist. Das sind beispielsweise Abschnitte in denen automatisiert arbeitende Anlagen oder Roboter angeordnet sind, also gerade Bereiche in denen keine Überwachung notwendig ist.
Bei dem mindestens einen Muster handelt es sich um mindestens ein aus mehreren Pixeln bestehendes Muster, welches statisch oder dynamisch ist. Das mindestens eine Muster kann beispielsweise Punkte, Linien, Flächen, Strukturen oder Kombinationen hiervon umfassen oder darauf aufgebaut sein. Die Form der Pixel kann beispielsweise rechteckig, quadratisch, rund o- der hexagonal bzw. wabenförmig sind. Unter einem dynamischen Muster wird dabei ein Muster verstanden, das mit der Zeit variiert. Unter einem statischen Muster wird ein Muster verstanden, das nicht mit der Zeit variiert.
Dass die Beleuchtungseinheit derart eingerichtet ist, dass das mindestens eine Muster als moduliertes Licht mit vorgegebener Frequenz auf der Überwa chungsoberfläche abgebildet wird, trägt ebenfalls dazu bei, dass der mindes tens eine Sicherheitsbereich ohne großen Aufwand verändert werden kann.
Durch die vorliegende Erfindung wird somit eine Vorrichtung zur Überwa chung mindestens eines Sicherheitsbereichs bereitgestellt, mit welcher es möglich ist, einen gewünschten Sicherheitsbereich möglichst lückenlos zu überwachen und diesen Sicherheitsbereich möglichst flexibel anzupassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Beispiel für die Sicherung be- stimmter Werk- oder Arbeitsbereiche verwendet werden. Hierbei kann die er findungsgemäße Vorrichtung beispielsweise in Kombination mit einer Sicher heitsvorrichtung verwendet werden, die eine Abschaltung einer Maschine, ei ner Anlage oder eines Roboters vornimmt, wenn durch die erfindungsgemäße Vorrichtung registriert wird, dass eine Person und/oder ein Objekt in den min destens einen Sicherheitsbereich eingedrungen ist. Denkbar ist auch, dass zu sätzlich oder alternativ ein (z.B. visueller und/oder auditiver) Alarm ausgelöst wird, wenn durch die erfindungsgemäße Vorrichtung registriert wird, dass eine Person und/oder ein Objekt in den mindestens einen Sicherheitsbereich eingedrungen ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber nicht nur Sicherung bestimmter Bereiche, in denen z.B. gefährliche Maschinen angeordnet sind, eingesetzt werden, sondern stattdessen auch zur Interaktion mit Anlagen, Maschinen o- der Robotern. So kann beispielsweise auch eine definierte Funktion aufgeru fen werden, wenn durch die erfindungsgemäße Vorrichtung registriert wird, dass eine Person und/oder ein Objekt in den mindestens einen Sicherheitsbe reich eingedrungen ist. Bei dieser definierten Funktion kann es sich z.B. um das Starten oder Beenden eines Prozesses (Bewegung, Fräsen, Bohren, etc.) handeln. Hieraus ergibt sich letztlich eine Möglichkeit zur Bedienung oder Steuerung einer Anlage, einer Maschine oder eines Roboters.
Bei den Lichtquelleneinheiten handelt es sich vorzugsweise um LEDs.
Bei den emittierten Lichtstrahlenbündeln kann es sich um konvergente, kolli- mierte oder divergente Lichtstrahlenbündel handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei den emittierten Lichtstrahlenbündeln um konvergente oder kolli- mierte Lichtstrahlenbündel.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeich net sich dadurch aus, dass die Strahlachsen der (von den Lichtquelleneinhei ten) emittierten Lichtstrahlenbündel zumindest teilweise parallel zueinander sind.
Der Ausdruck teilweise parallel bedeutet hierbei, dass die Strahlachsen meh rerer der emittierten Lichtstrahlenbündel, aber nicht aller der emittierten Lichtstrahlenbündel, parallel zueinander sind. Beispielsweise kann dies bedeu ten, dass die Orthogonal-Projektionen der Strahlachsen sämtlicher Lichtstrah lenbündel auf mindestens eine zur Haupterstreckungsebene der Beleuch tungseinheit senkrechte Ebene in der besagten Ebene parallel zueinander ver laufen.
Beispielsweise können die Lichtquelleneinheiten so angeordnet sein, dass die Strahlachsen mehrerer von den Lichtquelleneinheiten emittierten Lichtstrah lenbündel parallel zueinander sind, wobei vorzugsweise nicht die Strahlachsen aller der von den Lichtquelleneinheiten emittierten Lichtstrahlenbündel paral lel zueinander sind. Weiterhin ist es möglich, dass die Lichtquelleneinheiten so angeordnet sind, dass die Strahlachsen aller der von den Lichtquelleneinhei ten emittierten Lichtstrahlenbündel parallel zueinander sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Lichtquelleneinheiten in der Beleuchtungseinheit in mehreren Gruppen, bevorzugt in mindestens 5 Gruppen, besonders bevorzugt in mindestens 10 Gruppen, so angeordnet, dass die von einer Gruppe der Lichtquelleneinheiten emittierten Lichtstrah lenbündel jeweils parallel zueinander verlaufen, wobei alle Lichtstrahlenbün del, die jeweils von einer Gruppe der Lichtquelleneinheiten emittiert werden, vorzugsweise in einer einzigen Ebene angeordnet sind.
Aufgrund der zumindest teilweise parallel zueinander verlaufenden emittier ten Lichtstrahlenbündel können ungewünschte Lücken im Sicherheitsbereich noch besser und einfacher vermieden werden.
Vorzugsweise weist die Beleuchtungseinheit eine Mehrzahl von Beleuchtungs modulen auf oder besteht aus diesen. Die Form der Beleuchtungsmodule ist dabei bevorzugt rechteckig, besonders bevorzugt quadratisch. Ebenso ist es möglich, dass die Beleuchtungsmodule eine sechseckige Form aufweisen.
Aufgrund dieser Ausgestaltung kann die Beleuchtungseinheit auf einfache Weise aus einzelnen Beleuchtungsmodulen zusammengesetzt werden. Der Vorteil der beschriebenen Formen liegt dabei darin, dass eine Fläche effizient in Flächen bestimmter Form unterteilt werden kann, ohne dass die Beleuch tungseinheit Abschnitte ohne Lichtquelleneinheiten aufweist. Die Beleuchtungsmodule können vorzugsweise jeweils nur eine Lichtquelleneinheit, mehrere wenige Lichtquelleneinheiten, bevorzugt 2 bis 500 Lichtquel leneinheiten, besonders bevorzugt 10 bis 100 Lichtquelleneinheiten, oder eine Vielzahl an Lichtquelleneinheiten, bevorzugt 1000 bis 100000 Lichtquelleneinheiten, besonders bevorzugt 10000 bis 50000 Licht quelleneinheiten, umfassen.
Die Lichtquelleneinheiten können innerhalb eines Beleuchtungsmoduls eindi mensional angeordnet, zweidimensional angeordnet oder dreidimensional an geordnet sein.
Vorzugsweise enthält die Beleuchtungseinheit mehrere Beleuchtungsmodule oder besteht aus diesen, wobei jedes der mehreren Beleuchtungsmodule mehrere Lichtquelleneinheiten, bevorzugt 2 bis 100000 Lichtquelleneinheiten, besonders bevorzugt 10 bis 50000 Lichtquelleneinheiten, ganz besonders be vorzugt 100 bis 10000 Lichtquelleneinheiten, insbesondere 1000 bis 5000 Lichtquelleneinheiten, umfasst.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungs einheit mindestens 2, bevorzugt mindestens 4, besonders bevorzugt mindes ten 25, ganz besonders bevorzugt mindestens 100, insbesondere mindestens 2500 Lichtquelleneinheiten auf.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Lichtquelleneinheiten jeweils eine Licht quelle, insbesondere eine Leuchtdiode, und jeweils ein Strahlformungsele ment umfassen. Das Strahlformungselement dient dabei der Formung eines konvergenten, kollimierten oder divergenten Lichtstrahlenbündels, welches jede der Lichtquelleneinheiten aussendet. Das Strahlformungselement kann seinerseits hierfür eine reflektierende Fläche (z.B. einen Spiegel) und/oder Linse umfassen. Die Linse kann dabei insbesondere in Form einer Freiformop tik ausgestaltet sein. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Lichtquellen einheiten in Form einer zweidimensionalen Anordnung, insbesondere in Form einer zweidimensionalen Matrix oder in Form eines (zweidimensionalen) Wa benmusters, angeordnet. Vorzugsweise sind sämtliche der Lichtquelleneinhei ten im Wesentlichen in einer Ebene arrangiert, welche einer Haupterstre ckungsebene der Beleuchtungseinheit entspricht. Die Lichtquelleneinheiten können dabei so angeordnet sein, dass die damit emittierten Lichtstrahlen bündel den gesamten Überwachungsbereich oder auch einen bestimmten Teil des Überwachungsbereichs (im Wesentlichen lückenlos) abdecken könnten. Die Lichtquelleneinheiten können vorzugsweise so ausgerichtet sein, dass die Strahlachsen der emittierten Lichtstrahlenbündel senkrecht zu der Haupter streckungsebene der Beleuchtungseinheit verlaufen.
Die Lichtquelleneinheiten können so angeordnet sein, dass sie einen (im We sentlichen) lückenlosen Lichtvorhang erzeugen. Das heißt, dass die Beleuch tungseinheit entlang einer Achse der Haupterstreckungsebene nur eine ge ringe Anzahl von Reihen, in der die Lichtquelleneinheiten angeordnet sind, aufweist, beispielsweise 1 bis 5 Reihen, während sie entlang der dazu senk rechten Achse eine sehr viel größere Anzahl an Reihen aufweist, beispiels weise 50 bis 200 Reihen.
Ein Pixel des abgebildeten Musters kann vorzugsweise rechteckig, insbeson dere quadratisch, sein oder andere Formen aufweisen, wie beispielsweise die eines Kreises oder Sechsecks. Ein quadratischer Pixel kann (auf der Überwa chungsoberfläche) bevorzugt eine Größe von 0,5 cm2 bis 15 cm2, besonders bevorzugt von 1 cm2 bis 10 cm2, aufweisen.
Der Abstand der einzelnen Pixel kann dabei an die spezifischen Sicherheitsan forderungen angepasst werden. Sollen beispielsweise eine Hand eines Men schen erkannt werden können, wird ein geringer Abstand der Pixel gewählt, als in einem Fall in dem ein Rumpf eines Menschen oder ein ähnlich großer mobiler Roboter erkannt werden soll, in dem ein entsprechend großer Ab stand ausreicht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der (von den Lichtquelleneinheiten) emittierten Lichtstrah lenbündel im sichtbaren oder im nicht-sichtbaren Bereich, insbesondere im Infrarotbereich, liegt. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge der (von den Licht quelleneinheiten) emittierten Lichtstrahlenbündel im Bereich von 300 nm bis 1 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 780 nm bis 1 mm.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verlaufen zudem sämtliche Strahlachsen der von der Beleuchtungseinheit emittierten Licht strahlenbündel parallel zueinander.
Vorzugsweise sind die Lichtquelleneinheiten in der Beleuchtungseinheit so an geordnet, dass die Strahlachsen der emittierten Lichtstrahlenbündel entlang von Schnittachsen zweier Ebenenscharen verlaufen. Schnittpunkte der Schnit tachsen der zwei Ebenenscharen mit der Erstreckungsebene der Beleuch tungseinheit bilden ein regelmäßiges Gitter, wobei dieses Gitter vorzugsweise eine rechteckige oder sechseckige Grundform aufweist. Ferner ist es bevor zugt, wenn die Ebenen einer ersten Ebene der zwei Ebenenscharen parallel zueinander und die Ebenen einer zweiten Ebenenschar der zwei Ebenenscha ren nicht parallel zueinander sind.
Diese Anordnung bedingt, dass die Orthogonalprojektionen der Strahlachsen der Lichtstrahlenbündel auf eine erste Ebene, welche orthogonal zur Haupter streckungsebene der Beleuchtungseinheit ist, parallel zueinander verlaufen, beispielsweise senkrecht zur Haupterstreckungsebene. Die Orthogonalprojek tionen der Strahlachsen der Lichtstrahlenbündel auf eine zweite Ebene, wel che sich senkrecht zur ersten Ebene und senkrecht zur Haupterstreckungs ebene der Beleuchtungseinheit erstreckt, verlaufen nicht parallel zueinander.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Abschnitt der Überwachungs oberfläche, auf welchem das Muster abgebildet wird, eine andere Größe, also einen größeren oder kleineren Flächeninhalt, als die Beleuchtungseinheit ha ben kann und/oder seitlich versetzt zu dieser angeordnet sein kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Beleuchtungs einheit und die mindestens eine Erfassungseinheit dazu eingerichtet, in einer definierten Reihenfolge Abbilder der Überwachungsoberfläche zu erstellen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswertungseinheit dazu ausgebildet ist, das Soll-Abbild als virtuelles Soll-Ab bild mit für die mindestens eine Erfassungseinheit bekannter Position und Ausrichtung sowie bei bekannter Form, Position und Größe des Sicherheitsbe reichs zu bestimmen.
Die Auswertungseinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, dass Soll-Abbild auf Basis eines Umgebungsmodells zu erstellen. Dieses Umgebungsmodell kann dabei 3D-lnformationen zur Position und Ausrichtung von Projektionsflä chen, die Roboterkinematik, intrinsische und extrinsische Parameter zu den Erfassungseinheiten und Beleuchtungseinheiten, und/oder die zu überwa chenden Sicherheitsbereiche beinhalten.
Das Soll-Abbild definiert dabei vorzugsweise die Bildpositionen, an denen Lichtstrahlenbündel durch die Erfassungseinheit im unterbrechungs- und feh lerfreien Fall erwartet werden.
Das Soll-Abbild kann hierbei darüber hinaus derart ausgeprägt sein, dass für jede Bildposition, an der ein Lichtstrahlenbündel erwartet wird, ein spezifi scher Code definiert wird.
Die Auswertungseinheit kann dazu eingerichtet sein, das Ist-Abbild auf Basis von zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Abbildern der Überwachungsober fläche zu bestimmen (bzw. zu erstellen), wobei jedes Lichtstrahlenbündel zum Zeitpunkt der Bilderfassung entweder aktiviert oder deaktiviert sein kann.
Die Auswertungseinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, das Ist-Abbild der art zu bestimmen, dass für jede Bildposition im Ist -Abbild, an der ein Licht strahlenbündel erfasst wird, ein Code bestimmt wird, der z.B. in Abhängigkeit der Aktivierung bzw. Deaktivierung des entsprechenden Lichtstrahlenbündels definiert wird.
Beispielsweise könnte für ein abgebildetes Lichtstrahlenbündel der Code „0-1- 1" generiert werden, wenn das entsprechende Lichtstrahlenbündel im ersten Abbild der drei aufgenommenen aufeinanderfolgenden Abbilder deaktiviert war und in den zwei darauffolgenden Abbildern der drei aufgenommenen auf einanderfolgenden Abbilder aktiviert war.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen benachbarte Lichtstrahlen bündel voneinander verschiedene Codes.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Ist-Abbild durch Addition und/oder Sub traktion der aufeinanderfolgenden Abbilder der Überwachungsoberfläche be stimmbar ist und ein Eindringen in den Sicherheitsbereich durch Addition und/oder Subtraktion des Ist-Abbilds und des virtuellen Soll-Abbildes be stimmbar ist.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise so ausgebil det sein, dass ein Eindringen in den Sicherheitsbereich dadurch bestimmt wird, dass der Code eines Lichtstrahlenbündels im Soll-Abbild nicht mit dem entsprechenden Code im Ist-Abbild übereinstimmt.
Die Verwendung eines Codes hat weiterhin den Vorteil, dass hochdynamische Fremdlichtänderungen (z.B. Blitzlicht oder plötzlicher Schatten) von der Vor richtung detektiert werden können. Derartige Störungen würden zu einer Än derung des Codes im Ist-Abbild führen und sich damit von den erwarteten Codes im Soll-Abbild unterscheiden. Dadurch kann ein nachteiliges Systemver halten (z.B. die Nicht-Detektion eines Eindringens in den Sicherheitsbereich) verhindert werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform stellt das von der Be leuchtungseinheit abgebildete Muster mindestens eine linienförmige Begren zung des Sicherheitsbereichs auf der Überwachungsoberfläche dar.
Vorzugsweise ist das Muster zeitlich und/oder hinsichtlich seiner Form und/o der hinsichtlich seiner Darstellungsweise veränderbar.
Vorzugsweise ist der Auswertungseinheit zu jedem Zeitpunkt bekannt, mit welcher Form und Größe und an welcher Position im Überwachungsbereich bezüglich eines Weltkoordinatensystems sich der Sicherheitsbereich befindet. Dies ergibt sich daraus, dass der Sicherheitsbereich manuell oder programma tisch, zum Beispiel aufgrund einer aktuellen Roboterkonfiguration (z.B. Ge lenkstellungen, Gelenkgeschwindigkeiten, Traglast), in seiner Größe, Position und Form als ein internes Modell erstellt wird. Dieses interne Modell beinhal tet ebenso eine geometrische Repräsentation der Oberflächen des Überwa chungsbereichs, welche als Überwachungsoberfläche zur Abbildung des Mus ters genutzt werden können. Auf Grundlage des internen Modells wird zum einen das abzubildende Muster erzeugt und zum anderen für jede der min destens einen Erfassungseinheit ein virtuelles Referenzbild (Soll-Bild) gene riert. Das virtuelle Referenzbild definiert somit Pixelpositionen, an denen die jeweiligen Erfassungseinheiten Lichtstrahlenbündel auf der Überwachungs oberfläche sehen muss.
Dadurch, dass zu keinem Zeitpunkt ein reales Referenzbild von einer Erfas sungseinheit aufgenommen wird, sondern ein virtuelles Referenzbild erzeugt wird, ist es möglich einen schnellen Vergleich zwischen Ist- und Soll-Zustand des Sicherheitsbereichs durchzuführen und somit wird gleichzeitig eine ge ringe Rechenkapazität zur Auswertung der Bilddaten benötigt.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Überwachung mindestens eines dreidimensionalen Sicherheitsbereichs unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch ge kennzeichnet, dass mehrere oder alle der Lichtquelleneinheiten (6) jeweils ein Lichtstrah lenbündel (8) emittieren und die emittierten Lichtstrahlenbündel (8) durch den Überwachungsbereich (1) verlaufen und mindestens ein sta tisches oder dynamisches, aus mehreren Pixeln bestehendes Muster (9) auf mindestens eine Überwachungsoberfläche abbilden, wobei je des der emittierten und auf die Überwachungsoberfläche auftreffen den Lichtstrahlenbündel (8) jeweils einen Pixel des mindestens einen Musters (9) erzeugt und wobei die Intensität und/oder Wellenlänge der Lichtstrahlenbündel (8) mit einer vorgegebenen Frequenz zeitlich und/oder örtlich moduliert wird, und/oder die mindestens eine Erfassungseinheit (4) Abbilder der mindestens ei nen Überwachungsoberfläche in Synchronisation mit der vorgegebe nen Frequenz erfasst, und/oder die Auswertungseinheit (7) aus zeitlich aufeinanderfolgenden, von der mindestens einen Erfassungseinheit (4) aufgenommenen Abbildern ein Ist-Abbild der mindestens einen Überwachungsoberfläche erstellt und mit einem für die mindestens eine Erfassungseinheit (4) bestimmten Soll-Abbild der mindestens einen Überwachungsoberfläche vergleicht.
Vorteilhafterweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren keine Tiefenin formationen bzw. 3D-Koordinaten der (in den Sicherheitsbereich) eingedrun genen Objekte benötigt, um das Eindringen eines oder mehrere solcher Ob jekte in den mindestens einen Sicherheitsbereich zu überwachen. Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert darauf, dass Unterbrechungen der Lichtstrahlen detektiert werden. Dieser Vorteil ergibt sich aus dem Vergleich von Soll-Abbild und Ist-Abbild, der von der Auswertungseinheit durchgeführt wird. Dafür sind keine 3D-lnformationen (z.B. 3D-Koordinaten, Tiefeninforma tionen) zum eingedrungenen Objekt notwendig.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich net sich dadurch aus, dass die Auswertungseinheit das Soll-Abbild als virtuel les Soll-Abbild mit für die mindestens eine Erfassungseinheit bekannter Posi tion und Ausrichtung sowie bei bekannter Form, Position und Größe des Si cherheitsbereichs bestimmt.
Ferner kann die Auswertungseinheit das Soll-Abbild auf Basis eines Umge bungsmodells erstellen. Dieses Umgebungsmodell kann dabei 3D-lnformatio- nen zur Position und Ausrichtung von Projektionsflächen, die Roboterkinema tik, intrinsische und extrinsische Parameter zu den Erfassungseinheiten und Beleuchtungseinheiten, und/oder die zu überwachenden Sicherheitsbereiche beinhalten.
Das Soll-Abbild definiert dabei vorzugsweise die Bildpositionen, an denen Lichtstrahlenbündel durch die Erfassungseinheit im unterbrechungs- und feh lerfreien Fall erwartet werden.
Das Soll-Abbild kann hierbei darüber hinaus derart ausgeprägt sein, dass für jede Bildposition, an der ein Lichtstrahlenbündel erwartet wird, ein spezifi scher Code definiert wird.
Das Ist-Abbild kann vorzugsweise auf Basis von zwei oder mehr aufeinander folgenden Abbildern der Überwachungsoberfläche bestimmt (bzw. erstellt) werden, wobei jedes Lichtstrahlenbündel zum Zeitpunkt der Bilderfassung entweder aktiviert oder deaktiviert sein kann.
Für jede Bildposition im Ist-Abbild, an der ein Lichtstrahlenbündel erfasst wird, kann ein Code bestimmt werden, der z.B. in Abhängigkeit der Aktivierung bzw. Deaktivierung des entsprechenden Lichtstrahlenbündels definiert wird.
Beispielsweise könnte für ein abgebildetes Lichtstrahlenbündel im Ist-Abbild der Code „0-1-1" generiert werden, wenn das entsprechende Lichtstrahlen bündel im ersten Abbild der drei aufgenommenen aufeinanderfolgenden Ab bilder deaktiviert war und in den zwei darauffolgenden Abbildern der drei auf genommenen aufeinanderfolgenden Abbilder aktiviert war.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen benachbarte Lichtstrahlen bündel voneinander verschiedene Codes.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Ist-Abbild durch Addition und/oder Sub traktion der aufeinanderfolgenden Abbilder der Überwachungsoberfläche be stimmt wird und ein Eindringen in den Sicherheitsbereich durch Addition und/oder Subtraktion des Ist-Abbilds und des virtuellen Soll-Abbildes be stimmt wird.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Eindringen in den Sicherheitsbereich dadurch bestimmt wird, dass der Code eines Lichtstrahlenbündels im Soll-Ab bild nicht mit dem entsprechenden Code im Ist-Abbild übereinstimmt.
Die Verwendung eines Codes hat weiterhin den Vorteil, dass hochdynamische Fremdlichtänderungen (z.B. Blitzlicht oder plötzlicher Schatten) von der Vor richtung detektiert werden können. Derartige Störungen würden zu einer Än derung des Codes im Ist-Abbild führen und sich damit von den erwarteten Codes im Soll-Abbild unterscheiden. Dadurch kann ein nachteiliges Systemver halten (z.B. die Nicht-Detektion eines Eindringens in den Sicherheitsbereich) verhindert werden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche oder entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen dabei glei che oder entsprechende Merkmale, so dass deren Erläuterung gegebenenfalls nicht wiederholt wird. Die nachfolgenden Beispiele weisen eine Vielzahl zusätz licher Merkmale auf, welche die Erfindung weiterhin verbessern können. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können darüber hinaus unabhängig von den entsprechenden Beispielen realisiert werden und zwischen verschie denen Beispielen kombiniert werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Figuren und Beispielen gezeigten spezifischen Ausführungsform und Merkmale beschränkt.
Fig. 1(a) zeigt eine Vorrichtung gemäß dem Stand derTechnik.
Fig. 1(b) zeigt eine weitere Vorrichtung gemäß dem Stand derTechnik.
Fig. 2(a) zeigt eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausgestal tung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Sicher heitsbereichs.
Fig. 2(b) zeigt die beispielhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich tung aus Fig. 2(a) in einer anderen Darstellung und in einer anderen Betriebs einstellung.
Fig. 3(a) zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Sicherheitsbereichs.
Fig. 3(b) zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Sicherheitsbereichs. Fig. 4(a) zeigt eine Seitenansicht einer Anlage zur Bearbeitung eines Werk stücks mit einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuch tungseinheit.
Fig. 4(b) zeigt eine Seitenansicht einer Anlage zur Bearbeitung eines Werk stücks mit einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuch tungseinheit.
Fig. 4(c) zeigt eine Draufsicht einer Anlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsein heit.
Fig. 5(a) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung einer erfin dungsgemäßen Beleuchtungseinheit in der x-z Ebene.
Fig. 5(b) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung einer erfin dungsgemäßen Beleuchtungseinheit in der y-z Ebene.
Fig. 5(c) zeigt Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsge mäßen Beleuchtungseinheit in der x-y Ebene.
Fig. 1(a) zeigt eine Vorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist Die Vorrichtung umfasst einen Projektor 40 und eine Kamera 50. Der Projek tor 40 projiziert ein Muster auf die Oberfläche eines Bodens, die hier beispiel haft als Überwachungsoberfläche dient. Eine Kamera 50 erfasst das Muster. Sowohl ein Projektor-Sichtbereich 41, welcher dem Projektionsvolumen ent spricht, das von dem vom Projektor emittierten Licht bis zur Projektionsfläche durchquert wird, als auch ein Kamera-Sichtbereich 51 weisen die Form einer Pyramide auf, die in Fig. 1(a) als Dreiecke mit dünnen Linien dargestellt sind.
Somit ist die in Fig. 1(a) dargestellte Vorrichtung in der Lage einen doppelpy ramidenartigen Überwachungsbereich 1 zu erfassen, welcher dem Raum ent spricht, den Licht durchquert, das vom Projektor 40 emittiert, von der Über wachungsoberfläche reflektiert und von der Kamera 50 erfasst wird. Der Überwachungsbereich 1 kann ein oder mehrere Sicherheitsbereiche 2 umfas sen, die von der Vorrichtung überwacht werden. Ein Mensch oder Objekt, welches in den Sicherheitsbereich 2 eindringt, führt zu einer Abweichung zwi schen dem Ist-Abbild und dem Soll-Abbild.
In Fig. 1(b) ist eine Kombination mehrerer Vorrichtungen gemäß Fig. 1(a) dar gestellt, welche im Stand der Technik kombiniert werden, um beispielsweise einen Überwachungsbereich zu vergrößern. Jede der Vorrichtungen weist da bei einen Projektor 40-a, 40-b und eine Kamera 50-a, 50-b auf. Es ergibt sich für jede der beiden Vorrichtungen ein Überwachungsbereich 1-a, 1-b, wie er am in Fig. 1(a) dargestellten Beispiel beschrieben wurde.
Ein Bereich 30, weicher zwischen den beiden doppelpyramidenförmigen Überwachsungsbereichen 1-a, 1-b liegt, wird hingegen nicht überwacht. Ein Objekt oder Mensch, der in den Bereich 30 eindringt, wird somit nicht von den Kameras 50-a, 50-b erfasst, da es zu keiner Änderung des abgebildeten Musters kommt. Zudem ist die Position, Form und Größe eines möglichen Si cherheitsbereichs auch aufgrund der doppelpyramidenförmigen Form des Überwachungsbereichs, die aus der Verwendung der Projektoren resultiert, nur sehr eingeschränkt wählbar.
In Fig. 2(a) wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die eine Be leuchtungseinheit 3, eine Erfassungseinheit 4 und eine Auswertungseinheit 7 umfasst. Die Erstreckungsrichtung der Beleuchtungseinheit 3 entlang der x- Achse ist sehr viel größer als ihre Erstreckung entlang der y-Achse. Folglich ist die Haupterstreckungsebene des Überwachungsbereichs 1 die x-z-Ebene. Der Überwachungsbereich umfasst einen Sicherheitsbereich 2, dessen Haupter streckungsebene ebenfalls die x-z-Ebene ist. Der Sicherheitsbereich 2 ent spricht somit einer Art Lichtvorhang. Aufgrund der Anordnung der Erfassungs einheit 4 umfasst der Sicherheitsbereich 2 lediglich den durch die emittierten Lichtstrahlenbündel definierten Hauptsicherheitsbereich, d.h. der Hauptsi cherheitsbereich entspricht hier dem Sicherheitsbereich 2. Die Position des Si cherheitsbereichs 2 wird letztlich dadurch festgelegt, dass nur bestimmte der Lichtquelleneinheiten im mittleren Bereich der Beleuchtungseinheit aktiviert sind und Lichtstrahlenbündel emittieren, wohingegen die restlichen der Licht quelleneinheiten in den äußeren Bereichen der Beleuchtungseinheit deakti viert sind und somit keine Lichtstrahlenbündel emittieren. In Fig. 2(b) ist die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 2(a) in einer anderen Darstellung und in einer anderen Betriebseinstellung gezeigt. Die Beleuch tungseinheit 3 ist hier dursichtig dargestellt, sodass die einzelnen Lichtquel leneinheiten 6 erkennbar sind. Im Unterschied zu Fig. 2(a) sind in der Betriebs einstellung in Fig. 2(b) nun sämtliche der Lichtquelleneinheiten aktiviert. In der Folge erstreckt sich der Sicherheitsbereich nun über den gesamten Über wachungsbereich 1, d.h. der Sicherheitsbereich entspricht dem Überwa chungsbereich 1. Die Beleuchtungseinheit 3 ist im Wesentlichen in einer Ebene gegenüber der Oberfläche eines Bodens, welche hier beispielhaft als Überwachungsoberfläche dient, ausgebildet. Die Lichtquelleneinheiten 6 sind in regelmäßigen Abständen in der Beleuchtungseinheit 3 angeordnet und emittieren (z.B. kollimierte) Lichtstrahlenbündel 8, deren Strahlachsen parallel zueinander und senkrecht zur Erstreckungsebene der Beleuchtungseinheit 3 verlaufen. Die Lichtstrahlenbündel 8 bilden ein aus Pixeln bestehendes Muster auf die Überwachungsoberfläche ab. Jede der Lichtquelleneinheiten 6 emit tiert genau ein Lichtstrahlenbündel 8, wobei jedes der Lichtstrahlenbündel ge nau ein Pixel des Musters erzeugt.
Die Beleuchtungseinheit 3 kann ein Muster, welches beispielsweise mit einer Frequenz von 200 Hz intensitätsmoduliert ist, durch Aussendung von Licht strahlenbündeln 8 auf die Überwachungsoberfläche abbilden. Die Erfassungs einheit 4, welche mit der Beleuchtungseinheit 3 und der zeitlichen Modula tion des Musters synchronisiert ist, ist dazu eingerichtet, in einer definierten Reihenfolge ein Abbild der Überwachungsoberfläche mit dem Bereich, auf dem das Muster abgebildet wird bzw. werden kann, aufzunehmen. Auf Grundlage der Abbilder wird die aktuelle Position der durch die Lichtstrahlen bündel 8 auf der Überwachungsoberfläche erzeugten Pixel extrahiert. Die extrahierten Positionen liegen dann in Form eines Ist-Abbildes vor.
Das Ist-Abbild wird anschließend mit einem Soll-Abbild verglichen. Das Soll- Abbild wird auf Basis eines internen Modells des Sicherheitsbereichs 2 erstellt. Das Soll-Abbild dient als virtuelles Referenzbild und definiert die Positionen der durch Lichtstrahlenbündel 8 auf der Überwachungsoberfläche erzeugten Pixel, an denen die durch die Lichtstrahlenbündel 8 erzeugten Pixel im verlet zungsfreien Fall - d.h. im Fall, dass kein fremdes Objekt oder Mensch in den Sicherheitsbereich 2 eingedrungen ist - für die Erfassungseinheit 4 zu sehen sein müssen. Dass auf Grundlage des internen Modells des Sicherheitsbe reichs 2 ein virtuelles Referenzbild erzeugt wird, hat dabei den Vorteil, einen einfachen und vor allem schnellen Vergleich zwischen Ist-Abbild und Soll-Ab bild durchführen zu können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass weder zu Beginn des Überwachungsprozesses und auch nicht während des Überwa chungsprozesses Referenzbilder durch die Erfassungseinheit (oder durch an dere Vorrichtungen bzw. Verfahren) aufgenommen werden müssen.
Figur 3(a) zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der erfindungsgemä ßen Vorrichtung. Auch in diesem Fall umfasst die Vorrichtung eine Beleuch tungseinheit 3, eine Erfassungseinheit 4 und eine Auswertungseinheit 7. Im Unterschied zu der in Fig. 2(a) und Fig. 2(b) gezeigten Variante, ist die Erstre ckungsrichtung der Beleuchtungseinheit 3 entlang der x-Achse ähnlich groß wie die Erstreckung entlang der y-Achse. Es ergibt sich eine flächig entlang der x-y-Ebene ausgebildete Beleuchtungseinheit, die mehrere Lichtquelleinheiten umfasst. Die Lichtquelleneinheiten können in regelmäßigen Abständen in der Beleuchtungseinheit 3 angeordnet sein und (z.B. kollimierte) Lichtstrahlen bündel emittieren, deren Strahlachsen parallel zueinander und senkrecht zur Erstreckungsebene der Beleuchtungseinheit 3 verlaufen, wobei die Lichtstrah lenbündel dann auf eine unterhalb der Beleuchtungseinheit 3 angeordnete Überwachungsoberfläche treffen. Bei der Überwachungsoberfläche handelt es sich hierbei um die Oberfläche eines Bodens, auf welchem eine Maschine 11 (z.B. ein Roboter) angeordnet ist. Der Überwachungsbereich 1 ergibt sich als der maximale durch die Vorrichtung überwachbare Bereich.
In der in Fig. 3(a) gezeigten Vorrichtung sind nur einige der Lichtquelleneinhei ten aktiviert. Diese emittieren nun Lichtstrahlenbündel, die ein aus mehreren Pixeln bestehendes Muster 9 auf die Überwachungsoberfläche abbilden, wel che letztlich eine Art linienförmige Begrenzung des Hauptsicherheitsbereichs auf der Überwachungsoberfläche markiert. Die Lichtstrahlenbündel bilden hierbei eine Art Lichtvorhang, der sich von der Beleuchtungseinheit 3 bis nach unten zur Überwachungsoberfläche erstreckt und entlang des Musters 9 um die Maschine 11 herum verläuft. Dieser Lichtvorhang stellt letztlich die äußere Begrenzung des Hauptsicherheitsbereichs dar, der auf diese Weise durch die emittierten Lichtstrahlen definiert wird. Der Hauptsicherheitsbereich umfasst hier somit sowohl den Bereich, den die Lichtstrahlenbündel passieren, d.h. den Bereich des Lichtvorhangs, als auch den vom Lichtvorhang eingegrenzten Bereich. Mit anderen Worten stellt das von der Beleuchtungseinheit abgebil dete Muster hier eine linienförmige Begrenzung des Hauptsicherheitsbereichs auf der Überwachungsoberfläche dar.
In Fig. 3(a) umfasst der Überwachungsbereich 1 einen Sicherheitsbereich 2. Aufgrund der Anordnung der Erfassungseinheit 4 umfasst der Sicherheitsbe reich 2 lediglich den durch die emittierten Lichtstrahlenbündel definierten Hauptsicherheitsbereich, d.h. der Hauptsicherheitsbereich entspricht hier dem Sicherheitsbereich 2. Die Position des Sicherheitsbereichs 2 wird letztlich dadurch festgelegt, dass nur bestimmte der Lichtquelleneinheiten aktiviert sind und Lichtstrahlenbündel emittieren, wohingegen die restlichen der Licht quelleneinheiten der Beleuchtungseinheit deaktiviert sind und somit keine Lichtstrahlenbündel emittieren.
Dadurch, dass die Lichtstrahlenbündel den Überwachungsbereich 1 nur an der Begrenzung des Sicherheitsbereichs 2 passieren, wird durch Vorrichtung nicht mehr registriert, wenn sich ein Objekt im Sicherheitsbereich innerhalb dieser Begrenzung bewegt, d.h. ohne in den Begrenzungsbereich zu gelangen. Bei spielsweise wird somit eine Bewegung eines Roboterarms der Maschine 11 nicht registriert und würde nicht zu einem Alarm oder einer Abschaltung der Maschine führen. Trotzdem würde aufgrund des lückenlosen Lichtvorhangs immer noch jegliches Eindringen (von außen) in den Sicherheitsbereich durch die Vorrichtung registriert werden.
Die Form, Position und Größe des Sicherheitsbereichs kann dynamisch zu je dem Zeitpunkt geändert bzw. angepasst werden. Aktive Lichtquelleneinheiten können dafür gegebenenfalls deaktiviert und inaktive Lichtquelleneinheiten gegebenenfalls aktiviert werden, um die neue Form, Position und Größe des Sicherheitsbereichs erreichen zu können. Die einzelnen Lichtquelleneinheiten der Beleuchtungseinheit können hierfür mit einer hohen Ansteuerungsrate, beispielweise 1kHz, aktiviert und deaktiviert werden. Für die Überwachung ei nes Sicherheitsbereichs zu einem bestimmten Zeitpunkt werden dann genau all die Lichtquelleneinheiten aktiviert, die zur Ausbildung des gewünschten Si cherheitsbereichs benötigt werden. Auf diese Weise kann der Sicherheitsbe- reich zu jedem Zeitpunkt dynamisch an die Bewegung der Maschine 11 ange passt werden, so dass der Sicherheitsbereich zu jedem Zeitpunkt die erforder liche Position, Form und Größe aufweist.
Fig. 3(b) zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Beleuchtungseinheit 3, einer Erfassungseinheit 4 sowie einer Auswertungseinheit 7. Die Beleuchtungseinheit 3 weist zehn rechteckige Beleuchtungsmodule 5 auf, wobei in der Mitte der Beleuchtungseinheit 3 eine Fläche, beispielsweise der Arbeitsbereich eines dort befindlichen Roboters, in einer Größe von etwa zwei Beleuchtungsmodulen freigelassen ist. Aufgrund der fehlenden Beleuchtungsmodule 5 in der Mitte der Beleuchtungseinheit 3, wird die Mitte des Raumes, welcher von dem Sicherheitsbereich 2 umgeben wird, nicht erfasst, da in diesem Bereich auch keine Überwachung erforderlich ist. Die Beleuchtungsmodule umfassen jeweils eine Vielzahl einzelner Licht quelleneinheiten, von denen dann einige zur Abbildung des linienförmigen Musters 9 aktiviert werden können, wobei die restlichen Lichtquelleneinhei ten inaktiv bleiben. Auch hier kann der Sicherheitsbereich z.B. in Abhängigkeit der aktuellen Roboterkonfiguration dynamisch angepasst werden.
Fig. 4(a) zeigt eine mögliche Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrich tung in einer Anlage 10. Dargestellt ist eine Seitenansicht der Anlage 10 mit ei nem feststehenden Maschinenteil 25 und eines darauf beweglich angeordne ten bzw. beweglichen Maschinenteils 15 sowie eines angebrachten, zu bear beitenden Werkstücks 20. Der bewegliche Maschinenteil 15 kann dabei ent lang des feststehenden Maschinenteils 25 bewegt werden. Die Bewegung des beweglichen Maschinenteils 15 muss aus Sicherheitsgründen überwacht wer den. Zu diesem Zweck ist eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemä ßen Vorrichtung vorgesehen. Die Erfassungseinheit und Auswertungseinheit der Vorrichtung sind in Fig. 4(a) aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dar gestellt. Die Beleuchtungseinheit 3 ist am oberen Rand des beweglichen Ma schinenteils 15 angebracht und kann einzelne Reihen nebeneinander angeord neter Lichtquelleneinheiten aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die Be leuchtungseinheit mehrere Reihen von Lichtquelleneinheiten, insbesondere 2 bis 5 Reihen, aufweisen kann. Die Lichtquelleneinheiten sind derart ausgerich tet, dass in einem entsprechenden Abstand, beispielsweise 50 cm, auf der Oberfläche des Bodens unterhalb der Maschine ein linienförmiges Muster ab gebildet wird, welches eine lückenlose Aneinanderreihung von Pixeln auf weist. Das linienförmige Muster zeigt hierbei die Begrenzung des Sicherheits bereichs auf der Bodenoberfläche an.
Fig. 4(b) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Anlage 10, die der Anlage 10 aus Figur 4(a) ähnlich ist. Im Unterschied zu Figur 4(a) ist eine weitere Be leuchtungseinheit 3 am unteren Rand des beweglichen Maschinenteils ange bracht.
In Fig. 4(c) ist eine Draufsicht einer Anlage 10 gezeigt, bei der es sich um die Anlage 10 aus Fig. 4(a) oder um die Anlage 10 aus Fig. 4(b) handeln kann. Das linienförmige Muster 9, welches hier wie schon in Fig. 3(a) und Fig. 3(b) die Begrenzung des Sicherheitsbereichs auf der Oberfläche anzeigt, wird dabei von der Beleuchtungseinheit 3 auf die Oberfläche des Bodens, welche als Überwachungsoberfläche dient, abgebildet.
Fig. 5(a) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung einer in der er findungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Beleuchtungseinheit 3 in der x-z Ebene. Die Lichtquelleneinheiten 6 sind in der Beleuchtungseinheit 3 in einem regelmäßigen Abstand dl entlang der x-Achse angeordnet und die Orthogo nalprojektionen der Strahlachsen sämtlicher Lichtstrahlenbündel 8 auf die x-z Ebene sind im Wesentlichen parallel zueinander.
Fig. 5(b) zeigt die Beleuchtungseinheit aus Fig. 5(a) in der y-z Ebene. Die Licht quelleneinheiten 6 sind in einem regelmäßigen Abstand d2 in der Beleuch tungseinheit 3 entlang der y-Achse angeordnet, wobei der Abstand d2 kleiner als der Abstand dl ist, d.h. d2<dl. Die Orthogonalprojektionen der Strahlach sen sämtlicher Lichtstrahlenbündel 8 auf die y-z Ebene sind nicht parallel zuei nander.
Figur 5(c) zeigt die Beleuchtungseinheit 3 aus Fig. 5(a) und Fig. 5(b) in der x-y Ebene. Der in dünnen Linien gezeichnete Teil der Figur stellt die räumliche An ordnung der Lichtquelleneinheiten 6 in der Beleuchtungseinheit 3 in der x-y Ebene dar. Der in dicken Linien gezeichnete Teil der Figur stellt den Bereich der Überwachungsoberfläche dar, auf welchem die Pixel des gesamten durch die Lichtquelleneinheiten erzeugten Musters abgebildet sind. Dadurch, dass die Orthogonalprojektionen der Strahlachsen auf die z-y Ebene nicht parallel zueinander verlaufen, ist die Ausdehnung des genannten Bereichs auf der Überwachungsoberfläche entlang der y-Achse größer als die Ausdehnung der Beleuchtungseinheit 3 in derselben Dimension.
Bezugszeichenliste:
1 Überwachungsbereich
2 Sicherheitsbereich
3 Beleuchtungseinheit
4 Erfassungseinheit
5 Beleuchtungsmodul
6 Lichtquelleneinheit
7 Auswertungseinheit
8 Lichtstrahlenbündel
9 Muster
10 Anlage
11 Maschine
15 Bewegliches Maschinenteil
20 Werkstück
25 Feststehendes Maschinenteil
30 Nicht überwachter Bereich
40 Projektor
41 Projektor-Sichtbereich
50 Kamera
51 Kamera-Sichtbereich

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Überwachung mindestens eines in einem Überwa chungsbereich (1) angeordneten Sicherheitsbereichs (2), welche eine Beleuchtungseinheit (3), mindestens eine Erfassungseinheit (4) und eine Auswertungseinheit (7) umfasst, wobei die Beleuchtungseinheit (3) eine Mehrzahl von Lichtquellenein heiten (6) umfasst, die jeweils ein Lichtstrahlenbündel (8) emittieren können und die so angeordnet sind, dass die von ihnen emittierten Lichtstrahlenbündel (8) durch den Überwachungsbereich (1) verlaufen und mindestens ein statisches oder dynamisches, aus mehreren Pixeln bestehendes Muster (9) auf mindestens eine Überwachungsoberfläche abbilden, wobei jedes der emittierten und auf die Überwachungsober fläche auftreffenden Lichtstrahlenbündel (8) jeweils einen Pixel des mindestens einen Musters (9) erzeugt und wobei die Intensität und/o der Wellenlänge der Lichtstrahlenbündel (8) mit einer vorgegebenen Frequenz zeitlich und/oder örtlich moduliert ist, wobei der mindestens eine Sicherheitsbereich (2) mindestens einen durch die emittierten Lichtstrahlenbündel (8) definierten Hauptsicher heitsbereich umfasst, wobei die mindestens eine Erfassungseinheit (4) dazu eingerichtet ist Abbilder der mindestens einen Überwachungsoberfläche in Synchroni sation mit der vorgegebenen Frequenz zu erfassen, und wobei die Auswertungseinheit (7) dazu eingerichtet ist aus zeitlich auf einanderfolgenden, von der mindestens einen Erfassungseinheit (4) aufgenommenen Abbildern ein Ist-Abbild der mindestens einen Über wachungsoberfläche zu erstellen und mit einem für die mindestens eine Erfassungseinheit (4) bestimmten Soll-Abbild der mindestens ei nen Überwachungsoberfläche zu vergleichen.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlachsen der emittierten Lichtstrahlenbündel (8) zumindest teil weise im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei vorzugsweise sämtliche Strahlachsen der emittierten Lichtstrahlenbündel (8) im We sentlichen parallel zueinander verlaufen.
3. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (3) eine Mehrzahl von, bevorzugt rechteckigen, besonders bevorzugt quadratischen, Beleuch tungsmodulen (5) enthält oder aus diesen besteht.
4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (3) mindestens 2, bevor zugt mindestens 100, besonders bevorzugt mindestens 2500, Licht quelleneinheiten (6) aufweist.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelleneinheiten (6) jeweils eine Licht quelle, insbesondere eine Leuchtdiode, und jeweils ein Strahlfor mungselement umfassen.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelleneinheiten (6) in Form einer zwei dimensionalen Anordnung, insbesondere in Form einer zweidimensio nalen Matrix oder eines zweidimensionalen Wabenmusters, angeord net sind.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der emittierten Lichtstrahlen bündel (8) im sichtbaren oder im nicht-sichtbaren Bereich, insbeson dere im Infrarotbereich, liegt.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelleneinheiten (6) so angeordnet sind, dass die Strahlachsen der emittierten Lichtstrahlenbündel (8) entlang von Schnittachsen zweier Ebenenscharen verlaufen, wobei die Schnit- tachsen der zwei Ebenenscharen mit der Erstreckungsebene der Be leuchtungseinheit (3) ein regelmäßiges Gitter bilden, und wobei die Ebenen einer ersten Ebenenschar der zwei Ebenenscharen parallel zu einander sind und die Ebenen einer zweiten Ebenenschar der zwei Ebenenscharen nicht parallel zueinander sind.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (3) und die mindestens eine Erfassungseinheit (4) dazu ausgebildet sind, in einer definierten Reihenfolge Abbilder der Überwachungsoberfläche zu erstellen.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (7) dazu ausgebildet ist, das Soll-Abbild als virtuelles Soll-Abbild mit für die mindestens eine Er fassungseinheit (4) bekannter Position und Ausrichtung sowie bei be kannter Form, Position und Größe des mindestens einen Sicherheits bereichs (2) zu bestimmen.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Abbild durch Addition und/oder Subtrak tion der aufeinanderfolgenden Abbilder der Überwachungsoberfläche bestimmbar ist und ein Eindringen in den mindestens einen Sicher heitsbereich (2) durch Addition und/oder Subtraktion des Ist-Abbilds und des virtuellen Soll-Abbildes bestimmbar ist.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Beleuchtungseinheit (3) abgebildete Muster (9) mindestens eine linienförmige Begrenzung des mindestens einen Sicherheitsbereichs (2) auf der Überwachungsoberfläche dar stellt.
13. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster (9) zeitlich und/oder hinsichtlich sei ner Form und/oder hinsichtlich ihrer Darstellungsweise veränderbar ist.
14. Verfahren zur Überwachung mindestens eines in einem Überwa chungsbereich (1) angeordneten Sicherheitsbereichs (2) unter Verwen dung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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