用于保護自動操作機器的設備和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于保護其中設置有自動操作機器的監(jiān)控區(qū)的設備，該設備具有用于對監(jiān)控區(qū)進行監(jiān)控的傳感器單元、用于限定至少一個第一保護區(qū)和至少一個第二保護區(qū)的配置單元、以及用于觸發(fā)與安全相關的功能的評估單元。
[0002]本發(fā)明還涉及用于保護其中設置有自動操作機器的監(jiān)控區(qū)的相應的方法。
【背景技術】
[0003]就以相當大的速度移動的現(xiàn)代工業(yè)機器人而言，碰撞通常既對機器人又對由機器人處理的工件造成嚴重的損壞。這可能導致造成重大損失的生產(chǎn)中斷。與自動操作的機器人相互作用的人的安全也具有最高優(yōu)先級。就現(xiàn)代工業(yè)機器人和具有移動的機器元件的其他機器而言，移動的機器元件的運動對人和其他物體構成了危險，因此，必須通過利用安全裝置來防止外來物與移動的機器元件之間的碰撞發(fā)生。為此，通常在無意的接觸發(fā)生之前足以使機器停止。
[0004]傳統(tǒng)上，自動操作機器周圍的危險區(qū)通過呈保護柵欄和保護門形式的機械屏障以及/或者利用光障、光柵和激光掃描器隔開。一旦有人打開保護門或中斷光柵或光障，則產(chǎn)生關閉信號，借助于該關閉信號來停止機器的有危險的工作移位。然而，這種安全裝置的安裝是相當昂貴的，并且安全裝置需要占用有危險的機器周圍的大量空間。另外，這種安全裝置在使對有危險的工作區(qū)的保護適應機器的不同操作狀況時不是很靈活。
[0005]為了避免所述缺點，利用相機系統(tǒng)以及適當?shù)膱D像處理來實現(xiàn)對自動操作機器的有危險的工作區(qū)的保護已經(jīng)努力了一段時間。由申請人以名稱SafetyEYE(安全眼)發(fā)布了一種這樣的系統(tǒng)。
[0006]EP 1 543 270 B1公開了這種系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有周期性地產(chǎn)生有危險的工作區(qū)的圖像的至少兩個相機。來自相機的圖像借助于至少兩種在算法上不同的方法進行分析，其中，機器的有危險的工作移位在所述兩種方法中的至少一種方法檢測到先前限定的保護區(qū)中有外來物的情況下停止。所述兩種分析方法中的每種方法都產(chǎn)生來自相機的圖像的3D信息，使得利用所述方法就可以確定物體在所限定的保護區(qū)中的位置。對于這種方法和設備的一大挑戰(zhàn)是，已復雜化的圖像處理必須被實施成從機器安全的相關標準一一特別是EN954-1(舊的)、EN ISO 13849_1、IEC 61508以及EN ISO 13855——的意義上而言是自動防故障的，使得這種設備實際上還可以用于保護有危險的機器。設備本身的故障可能不會導致機器的安全措施丟失。從這種意義上講，下文中的至少符合根據(jù)EN 954-1的種類3、根據(jù)IEC 61508的SIL 2以及/或者根據(jù)EN ISO 13849的性能水平PL (d)的設備因此才具有作為自動防故障裝置的資格。從EP 1 543 270 B1中已知的方法和對應的設備可以實現(xiàn)這一點，并且已經(jīng)在實際應用中得到證明。
[0007]在上述議題下日益出現(xiàn)的需求是人機交互的改進。此時的重點主要在于開發(fā)下述安全系統(tǒng):所述安全系統(tǒng)使人能夠緊鄰有危險的機器進行工作，而這沒有由于人存在于有危險的機器的緊鄰處而對人產(chǎn)生危險，而且機器也沒有由此而過于頻繁地無意關閉。例如，希望人在機器人工作的同時可以停留在機器人的基本上有危險的環(huán)境中，以便在現(xiàn)場監(jiān)控機器人的工作過程，或者以便同時加工工件或替代性地通過機器人加工工件。然而，必須進一步確保人不會被機器人的工作移位傷害到。
[0008]通過上述基于相機的安全系統(tǒng)，主要虛擬保護區(qū)必須限定在機器周圍。相機系統(tǒng)然后檢測外來物是否進入這種保護區(qū)，并且相機系統(tǒng)然后關閉機器或者使機器進入安全狀態(tài)。為了能夠保證足夠的安全性，為此保護區(qū)限定在機器周圍的相對較大的距離處。要被保持的安全距離基于標準EN ISO 13855:2010以及EN ISO 13857:2008。
[0009]用于計算最小距離的通用公式如下:
[0010]S = K.(t!+t2) +C+Zg
[0011]其中:S =從保護區(qū)開始測量至危險源的以mm為單位的最小距離；
[0012]K =以mm/s為單位待被檢測的物體接近危險區(qū)的接近速度(對于上述基于相機的安全系統(tǒng)而言，通常假定為K = 1600mm/s)；
[0013]t1 =安全系統(tǒng)的響應時間(對于上述基于相機的安全系統(tǒng)而言，通常假定為t 1 =0.34s)；
[0014]t2 =機器的響應時間(例如機器人，假定為0.7s)；
[0015]Zg=安全系統(tǒng)的測量公差的容限；
[0016]C=穿入深度。穿入深度被限定為在安全裝置被觸發(fā)之前主體部朝向危險區(qū)移動通過安全裝置的距離。
[0017]對于上述基于相機的安全系統(tǒng)的安全距離的示例性的實際計算將通過下述等式給出:
[0018]S = K.(t!+t2) +C+Zg
[0019]= 1600mm/s.(0.34s+0.7s)+850mm+316mm
[0020]= 2.83m
[0021]所述安全距離的量值通常由機器人在機器人不具有機械停止的情況下將要到達的最大工作區(qū)來確定。這意味著圍繞機器人的安全區(qū)相對較廣。考慮到大多數(shù)機器人實際上在實踐中僅僅很少使用其最大可能的工作區(qū)，從機器人的將要到達的最大工作區(qū)開始的3m的值看起來是寬松的或大的。因此，所需的安全水平確實可以被保證，但是這占用了很多空間。因而，這還將使得難以在相對較小的空間中安裝彼此鄰近的多個機器人，這將特別地在具有多個這種機器人的生產(chǎn)車間中被證明是不利的。因此，在原則上希望能夠限制虛擬保護區(qū)的空間范圍，而在一定程度上不會對要保證的安全性造成不利的影響。
[0022]DE 10 2007 007 576 A1提出了一種用于保護機器人的有危險的工作區(qū)的方法和設備，其中，產(chǎn)生工作區(qū)的3D圖像，并且運動學人體模型與存在于工作區(qū)內(nèi)的人相關聯(lián)。針對工作區(qū)的實際狀態(tài)是否偏離工作區(qū)的目標狀態(tài)來對3D圖像進行分析，其中，借助于運動學人體模型來將人的目標位置考慮在內(nèi)。所述方法和對應的設備應該使人機合作成為可能。由于目標-實際對比，因此機器人的工作區(qū)中的人無論如何都必須根據(jù)運動學人體模型的目標狀態(tài)來精確地移動。適當?shù)哪Ｐ惋@得很復雜，并且其限制了所有情況下的靈活性，這是由于在每種情況下適應新的操作狀況需要新的模型。另外，DE 10 2007 007 576 A1提出了將掃描器用作傳感器單元，該傳感器單元具有根據(jù)EN 954-1的種類3的單一容錯性。此外，提出了傳感器單元的功能的周期性檢查或連續(xù)檢查，并且機器人在檢查階段期間的移位應當利用與安全相關的技術一一例如通過機器人系統(tǒng)的軸向位置的冗余記錄和分析——來進行監(jiān)控。然而，DE 10 2007 007 576 A1不包括關于3D圖像的分析的信息，并且基礎模型能夠提供保護有危險的工作區(qū)所需的故障安全性。
[0023]EP 1 635 107 A1通過如下方式來解決限定非常小的保護區(qū)的問題:將用于限定危險區(qū)的評估單元聯(lián)接至機器的機器控制單元以及通過將評估單元設計成根據(jù)機器控制單元使用的用于機器的移位控制的控制信號來導出用于限定危險區(qū)所必需的參數(shù)。用于限定危險區(qū)所必需的參數(shù)還根據(jù)機器控制單元所用的參數(shù)(例如機器人臂的位置、移位速度以及移位方向)來確定。危險區(qū)因而動態(tài)地移動，即隨著機器人臂動態(tài)地移動。為此機器本身通過限定總是設置在危險區(qū)內(nèi)。危險區(qū)或保護區(qū)的這種動態(tài)限定在理想條件下將相對節(jié)省空間。然而，保護區(qū)的這種動態(tài)限定的實施不僅在實踐中很復雜，而且還需要高的計算成本。此外，這種緊密尺寸的保護區(qū)(在要被保護的機器的緊周圍)在實踐中是否可以保證所需的安全等級值得懷疑。另外，在EP 1 635 107 A1中公開的方法及相關的設備僅適于自動防故障的機器或機器人。這意味著機器控制單元本身應當配置為是自動防故障的且冗余的。然而，該方法和設備不適于非安全的機器人或機器。該方法和設備假定機器或機器人實際上也根據(jù)已編程的機器控制單元而移動。在任何情況下，機器或機器人的故障都不能夠通過基于相機的監(jiān)控傳感器進行檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]在此背景下，本發(fā)明的