CN100549491C - 用于保护机控式操作设备的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对具有运动部件的机控式操作设备进行保护的装置，配有对操作设备作业空间内的物体进行探测的安全传感器，且配有能够与操作设备控制器协同工作并且根据安全传感器的信号对操作设备的与安全相关的功能进行控制的安全控制***；安全传感器包含非接触式接近传感器，因此通过接近传感器的探测范围，对操作设备作业空间的与安全相关的部分进行探测。本发明还涉及一种方法，即利用安全传感器分区探测操作设备作业空间内是否有人员和/或者物体存在的信息，并将其发送给安全控制***；同时还可将各区段操作设备运动部件的位置信息从操作设备发送给安全控制***；安全控制***可以与操作设备控制器协同工作，并根据各区段中的这两种信息对操作设备的与安全相关的功能进行控制。

Description

用于保护机控式操作设备的装置与方法
本发明涉及一种用于保护有运动部件的机控式操作设备的装置；并且还涉及一种用于保护具有运动部件的机控式操作设备的方法。
根据欧洲教学工具出版社(Europa Lehrmittel Verlag)1996年出版的第二版“生产自动化技术(Automatisierungstechnik in der Fertigung)”(ISBN3-8085-5152-6)一文中第317页至第318页上的定义，操作设备这一术语既可以指编有固定程序的机控式拾-放(Pick-and-Place)设备，例如用于给压机上料、装配批量生产的产品、或者用于对批量产品进行包装的设备；也可指具有多根轴线、可对其运动顺序及运动轨迹进行任意编程的通用型机械手，即所谓的工业机器人。
在许多工业领域中均会用到工业机器人。机器人可搬运沉重的部件、在有害健康的环境中工作，由于具有极高的重复精度，因此最适合于将其用来高速执行可重复的工艺流程，并且在维护阶段之前可一直保持工作状态。
为了保证处于这种操作设备附近的人员得到安全保护，职业保险联合会(Berufsgenossenschaft)已经颁布了明确而又严格的人身安全保护规范。在贯彻这些规范的过程中，现有技术水准下大多采用围绕着操作设备区域的隔离保护装置。可借助一种机械式栅栏将危险区隔离。这样就能阻止接近正在运转的机器***，因为隔离保护装置可将操作人员与设备分离开来。在工业领域中均使用此类安全***，因其能够最大程度地保证安全，且实现起来也较为容易。通向被隔离设备的入口必须有适当的构造，以阻止有人不经意接近机器。此处通常使用的是防护门，可借助一种开关将防护门的状态(敞开或者关闭)发送给紧急停机控制***，并且可以由此使机器的工作流程停止。作为防护栅栏的替代方案，还可使用通过光栅或者激光扫描器构成的光阑或光幕。它们可立即关闭机器，或者使其进入安全状态，例如当有物体阻断光束时，就会切换到极其缓慢的运动方式。
如果设备上装备有隔离保护装置，就必须让指定人员来验收配置的安全性是否合格。此外，栅栏尤其会使机器人在某些应用中的灵活性操作受到妨碍，因为当移动机器人的位置时，必须重新调整栅栏，且必须重新用安全开关来布线。这就会造成额外花费，并延长装调时间。这尤其适用于那些可以移动到不同位置进行灵活作业的设备、即可移动的机器人***，因为危险区也会随着工业机器手位置的移动而变化，所以必须重新配置隔离保护装置，且要重新进行验收。因此非常不利于灵活应用工业机器人***。
此外，隔离保护装置还会妨碍人机交流。在某些情况下，还有可能会因为操作舒适性的需要，而取消安全功能。这就会使得所有安全功能均丧失作用，从安全技术角度来看，这是一种不可接受的状况。
由DE 101 52 543公布了一种可对机器安全重要的功能进行控制的方法和装置，即由至少一个具有位置与时间分辨能力的传感器对监控区进行监控。利用该传感器来识别人的位置、运动方向和/或者运动速度。以安全界限或者安全区来限定危险区，并且规定与机器之间的安全距离。当有人进入危险区时，就会激活对安全重要的功能，例如紧急停机。根据情况由位置、运动方向和/或者运动速度来灵活确定安全界限的位置以及/或者安全区的扩大范围。使用摄像机或者激光扫描器作为具有位置和时间分辨能力的传感器。该传感器对包括机器人操作臂在内的整个作业区域进行监控。在分析单元中根据传感器信号算出位置、运动方向和/或者运动速度。在DE 101 52 543 A1中没有对具体应用方法进行详细说明，专业人士当然可以从中领会到这是相当复杂的实时图象处理方法，为此对分析单元运算能力以及硬件的要求和花费均非常高。需要使用专门的目标分类识别***对人和物体加以区别，并据此调整与安全相关的功能。对运算能力以及硬件的要求与花费也非常高。此外，DE 101 52 543所述的***并不适用于移动机器人，因为每次更换位置时，均必须重新对摄像机进行调整、设置，操作工的工作负担非常大。
因此本发明的任务就在于，在现有技术水准条件下，提供一种可对装卸机械、尤其是机器人周围的作业空间进行监控的装置与方法，从而摒弃迄今为止所使用的防护栅栏，但仍然最大程度地保持操作人员的工作安全性，且这种装置应当构造简单，并可适用于移动机器人***。
该任务在装置方面可通过本发明的保护装置来解决，并且在方法方面通过本发明的保护方法来解决。
本发明所述的安全传感器包括非接触式接近传感器，因此可通过接近传感器的探测范围对操作设备作业空间的安全相关部分进行探测。在本发明的一种优选设计方案中，安全传感器也可以由具有位置和时间分辨能力的传感器与非接触式接近传感器组合而成，或者由具有位置与时间分辨能力的传感器、非接触式接近传感器、机械式限位开关或接触垫组合而成。
接近传感器可以将其相应探测范围内是否存在物体的信息以及物体与相应传感器之间的距离信息发送给安全控制***。在按本发明的装置的另一种非常优选的设计方案中，如果物体处在相距接近传感器的某一个允许距离范围内，则接近传感器就不会将其探测范围内存在物体的信息发送给安全控制***。
因此迄今为止所使用的防护栅栏可以摒弃不用。但在加装按本发明的装置时，不必拆除既有的防护栅栏。如此可进一步提高安全性。
接近传感器可以是操作距离可灵活调节的接近开关，从而可将其关于监控范围内存在目标的信息以及目标与接近传感器的距离处于相应设置的操作距离内的信息发送给安全控制***。
在按本发明装置的一种特别优选的设计方案中，将作业空间的与安全相关的部分可以划分为若干扇形区段，其中每一个扇形区段均配有一个非接触式接近传感器或者具有位置和时间分辨能力的传感器作为扇形区段监控传感器，其探测范围正好对应于其所属的扇形区段。每一个分配给接近传感器的扇形区段均划分为至少两个具有不同安全等级(Sicherheitsrelevant)的区域，且该安全等级与到操作设备运动部件的距离相对应。
尤其优选在按本发明的装置中，每一个分配有接近传感器的扇形区段均划分为作业区、安全区和危险区，且当危险区内有人时，就会关闭操作设备；而当安全区内有人时，操作设备就会切换到低速安全运行模式。
接近传感器可以包括超声波传感器或者微波传感器。
操作设备可以是一种可任意编程的工业机器人。在这种实施方式中，可用非常有益的方式将安全传感器安装在机器人底座上，这样就可从底座开始，从内向外对机器人的作业空间进行监控。可以由机器人轴线上的位置传感器采集机器人操作臂的位置信息，并将其发送给安全控制***。
在一种按本发明的用于对具有运动部件的机控式操作设备进行保护的方法中，采用一种安全传感器来探测操作设备作业空间内的物体，且安全控制***与操作设备的控制器协同工作，并由安全控制***根据安全传感器的信号对操作设备的安全相关功能进行控制。由安全传感器采集操作设备作业空间内各区段中是否有人和/或者物体存在的信息，并将其发送给安全控制***。此外，还可将操作设备运动部件在各区段中的位置信息从操作设备发送给安全控制***，并且由安全控制***与操作设备控制器协同工作，并且由安全控制***根据这两种信息对各区段中操作设备的安全相关的功能进行控制。
尤其是操作设备可以是一种可任意编程的工业机器人，其作业空间可分为若干扇形区段，每一个扇形区段均可分为至少两个不同安全等级的区域，且该安全等级与到运动的机器人操作臂的距离相对应。由机器人轴线上的位置传感器采集机器人操作臂的位置信息，并将其发送给安全控制***。
此外，还可以将每一个扇形区段划分为作业区、安全区和危险区。
当安全传感顺识别出危险区中有人时，就会关闭机器人；而当安全区内有人时，机器人控制器就会使机器人进入低速安全运行模式。
在本发明的另一种变型方案中，当安全传感器识别出安全区内有人，且位置传感器同时识别出机器人操作臂正处在同一个安全区或者某一个相邻的安全区，则机器人控制器同样也会进行控制使机器人进入低速安全运行模式。
在按本发明的一种特别有益的设计方案中，可以适当选择性地安装安全传感装置，从而有针对性地监控所设定的范围，且不会出现固有干扰(即机器人操作臂自身触发机器人的与安全相关的功能)，也不会因机器人所操作的工件或者此类工件的上料装置而引起干扰。通过特定的传感器张角将监控区划分为若干扇形区段。可以借助窗口功能(通过电子处理模块实现)设定传感器的作用范围，其可将其中有机器人运动的区域或者其中机器人所操作的工件以及此类工件的上料装置所处的区域掩蔽。
除了可以规避某些区域之外，也可以在机器人进入传感器的探测区域时抑制传感器信号。可通过相应机器人轴线上的位置传感器例如位置开关来实现这一功能。在安全控制***中使各种传感器数据形成逻辑关系。
根据所测定的传感器数据，对位置数据进行分析之后，滤掉机器人所在的区域。为此将对机器人的位置传感器所发送的位置数据和所测定的传感器数据进行比较。此外，如果考虑建立机器人几何形状的数字模型，还可更加精确的区分真实干扰与固有干扰。
如果采用静态布置型式(工位的几何形状永远不变)，也可作为替代方案一次性采集环境数据，包括机器人所操作的工件或者此类工件的上料装置在内，并将所获取的数值作为基准值使用。在实际运行过程中，仅需考虑相对于基准值的变化。
总体而言，按本发明的装置的优点在于：可以利用掩蔽不同区域的方法，有选择性地灵活监控操作设备的待监控的作业空间。为此描述了一种通过传感器来实现的、对人员进行保护的安全装置，且该装置所涉及的是移动式或者静止式操作***，尤其是机器人。
利用本发明可实现一种安全传感器，利用该安全传感器就能以比较灵活、总体成本低廉的方式构建一种大大简化的便宜的安全保护装置，从而替代操作设备周围的机械式隔离保护装置。不必再以物理方式将操作人员和机器隔离开来。按本发明的安全传感器可允许有人停留在操作设备的安全区内，且机器可同时在危险区的另一部分内继续工作。因此除了所提及的优点之外，还可以将人的优点与机器的优点融会在同一个工序之中。当有人进入到危及其人身安全的区域中时，机器人就会关闭，或者说将其速度减慢到不必采取任何安全措施的最大允许速度。
按本发明的安全传感器包括能够可靠探测人员的普通传感器。也可以将不同的传感器组合在一起共同发挥作用，例如超声波传感器、激光扫描器、光幕、接触垫、雷达等等。作为另一实施方式尤其可以将基于不同物理原理的各种传感器组合在一起，它们对同一个安全区进行监控。采用这种冗余方式，可以进一步提高可靠性。
对安全传感器的输出信号进行适当处理，就可以将这些传感器兼容地应用于工业领域。如果按照本发明所述采用接近传感器，则信号处理电子处理模块就可将输出信号转换成与所探测的距离成正比的标准模拟电流或者电压信号。此外，还可以将安全传感器用作数字式开关，即它们可以在所定义的距离时触发。电子处理模块也可以将输出信号转换成标准数字信号。上述按本发明使用的接近传感器现今已经是随时可以买到的商品，且在工业自动化***中的应用中得到了证明。
用于探测人员的安全传感器将其信息发送给安全控制***，这种控制***可以是一种安全SPS(可编程控制器)。可以是与机器人控制器直接相连、且必要时甚至可以对上级紧急关机功能进行控制的冗余式安全控制***。
除了所述的非接触式接近传感器之外，也可以将其它类型的传感器或者其它安全装置例如接触垫与安全控制***相连。只要安全传感器发出信号，保存于安全控制***中的程序就会控制必要的动作。
用微波、即千兆赫范围内的电磁波来实现按本发明灵活的安全传感器所需的接近传感器，是一种估选的方案。电磁波以光速在空间中传播，且不易受到典型的环境因素如温度波动，压力波动，视野等等的干扰。此外，微波器件已在移动通讯和卫星领域广为使用，成本非常低廉，因此可以将其用来实现一种价廉物美且可靠的传感器来探测人员与障碍物。
基于微波的接近传感器以被称为FMCW(调频连续波)的原理工作，或者以“频率摆动”(frequency wobbling)原理工作。这种类型的微波传感器可生成频率线性变化的信号。这种变化具有连续性和周期性，即使某个所定义的频带增大、减小。频带的宽度和范围决定可实现的最大分辨率，即传感器的精度。
通过与传感器相连的天线发射这种信号。当遇到障碍物时，就会反射一部分功率并回到接收机。在此处将所接收信号的频率与当前发射信号的频率进行对比。反射波的频率不同于当前的发射波。发射信号与接收信号的频率之差与运行时间成正比，因此也与距离成正比。
差值信号的频谱中含有所求的传感器周围环境的距离信息。利用快速傅立叶变换法(FFT)对信号进行分析；所得出的传感器信号即表示所识别的目标与传感器之间的距离。
如果要使用基于微波的安全传感器来附加地识别从不同方向接近的目标，则还要使传感器信号附加地具有切向分辨率。有三种方法可以实现这一目的。
第一种方案与大气监测雷达相同，即将微波传感器固定在一个可摆动的装置上。利用角度传感器采集摆动角信号。采用这种方式可以使狭窄的天线主波束机械摆动，因此可沿切向扫描微波传感器的探测区域。当识别到目标时，就可通过角度传感器采集到目标所在方向的信号。
使主波束摆动的第二种方案是：通过可变移相网络对天线阵列的各个元件进行致动，以改变相位的方式，也就是通过电子方式使微波传感器的天线主波束摆动。这样就可用更加灵活的电子方式实现机械式的切向扫描。由于不存在摩擦，其扫描速度要明显快于以机械方式运动的天线。
第三种方案是：使用具有较宽主波束的多个传感器。通过划分扇形区段的方法，使反射信号对应于某一个传感器，由此可获得粗略的方向数据。对不同扇形区段的信号进行强度分析，就可以测定方向。
用超声波进行目标探测，从而实现按本发明灵活的安全传感器所需的接近传感器，是另一种优选的方案。这种方案基于声波遇到固体就会反射的已知效应。由于声音传播的速度是已知常数，因此可以根据运行时间算出距离。超声波传感器的张角大约为10°至40°，最好大约为12°至30°。利用超声波传感器，将被监测的区域划分为若干张角大约为10°至40°、最好大约为12°至30°的扇形区段。这种划分法可得到粗略的切向分辨率。
如果机器所操作的工件、此类工件的上料装置或者例如机器人操作臂本身处在被监控的区域内，为了不至于也将其一并识别，从而触发安全功能，需要考虑如何将其规避的方法。超声波传感器的控制器可以使探测范围具有窗口功能，即可以掩蔽某些区域，例如上面所提到的区域。
还有一种实施方式是将监控某一区域的超声波或者微波传感器与另一个基于不同物理原理对相同区域进行监控的传感器组合使用，例如PIR(被动红外)传感器或者超声波传感器)。这种冗余方式也可提高可靠性。
有关本发明的其它有益设计方案以及改进型式和其它优点，均在其余从属权利要求中加以说明。
以下将根据示出本发明的三种实施例的附图对本发明以及本发明优选的设计方案进行详细说明。
附图示出：
图1  一种按本发明的装置，其配有超声波传感器和激光扫描器，
图2  图1所示按本发明的装置的一种变型方案，以及
图3  图1所示按本发明的装置的方框图。
图1所示为一生产单元1的俯视图，其配有侧面限制机构3以及背面限制机构4。该背面限制机构4可以是一种栅栏，侧面限制机构3例如可以是车间地板上的简单的彩色线，或者是光栅。可以从正面6接近和进入生产单元。
在生产单元中安装有一个工业机器人8，其具有固定在机械手1 0上的装配工具。该装配工具例如可以是一把焊钳、钻孔器或者其它适合于机器人的已知工具。可以进入的生产单元内部构成了机器人8的作业空间40。
机器人8支承于底座12上，可以围绕垂直旋转轴线转动。底座12可以与生产单元1的地板固定连接在一起。也可以是一种可移动的机器人；底座为可移动的构造，机器人可以移动到生产单元1之内的不同位置，甚至可以移动到生产单元1之外的位置。
在作业空间40范围内，有一个通过危险区界线46所限定的危险区48。如果有人处在危险区46之内，则此人正好处于机器人操作臂的作用范围内，当机器人操作臂在其所编入程序的运动轨迹上进行运动的过程中，就存在与此人发生碰撞的巨大危险。
紧接于危险区外面的是安全区44，其特征为：如有人ME突然意外地从该安全区进入危险区，就会在此处与机器人操作臂发生碰撞。安全区界线42用来界定安全区以及其***的作业区。人停留在作业区40之内是不危险的，不存在任何危险。
机器人8利用其工具10对工件18进行处理，在工件上料装置16上-这里例如是输送带-从生产单元外部穿过作业区和安全区将工件输送给机器人，并在结束加工之后再将其送出。在背面4和机器人8之间有一个工具换装工位14，机器人操作臂必须经常靠近该工位来换装其工具。
当然这里所展示的生产单元配置仅视为示例，将依据该示例对本发明及其优点进行描述。当然也可以将本发明的技术原理用于任何其它以机器人或者拾-放(Pick-and-Place)设备组合而成的生产单元。
在机器人8的底座12上安装有基于超声波原理工作的八个非接触式接近传感器20，22，24，26，28，30，32，34，且都布置在朝向入口侧6的半圆内。通过棒状的扇形区段S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8确定每一个超声波接近传感器的探测范围，且该扇形区段的张角大约为30°。每一个超声波接近传感器均具有传感器电子机构，参见图3中的20a，22a，24a，26a，28a，30a，32a，34a，借助该电子处理模块可识别出传感器所属探测范围内是否存在目标，并可测定目标与传感器之间的距离。这种传感器电子机构可产生含有上述两种信息(即“目标存在与否”的二进制信号和“目标与传感器间距”的模拟信号)的、根据任意一种工业标准(例如0-10V，4-20mA)的标准输出信号。通过所述接近传感器所连接的一条传感器总线，将传感器信号发送给安全控制***，参见图3。
图3示出了功能模块的方框图，除了该功能模块以外，需要在图1中所示的？，用于使按本发明的装置以按本发明的方法进行工作。
此外，该传感器电子机构如此设计，使得它可掩蔽某些可确定的距离范围。也就是说，当有一个目标处在之前以此类方式所确定的掩蔽区域中时，传感器电子机构就不会通过传感器总线经由安全控制***来传递相应的信号。
在机器人8的底座12上朝向背面限制机构4还安装有一个扫描器36。该激光扫描器36用来对位于机器人8与背面限制机构4之间的、机器人8作业空间40的背面部分进行监控。激光扫描器36的探测范围大致处于Neuen？的半圆形区域中。激光扫描器36是一种具有位置和时间分辨能力的传感器。
如此选择所述接近传感器20，22，24，26，28，30，32，34与激光扫描器36的探测范围，也就是使得棒状扇形区段S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8的外侧限制线以及激光扫描器36的探测范围S9的半圆形界限组合地大致覆盖安全区域-界线42。
现在再来观察以上述方式通过超声波接近传感器20至34的探测范围所覆盖的安全区44这一部分。通过危险区域-界线46，将超声波接近传感器的每一个扇形区段划分为两个区域。例如将超声波接近传感器20的扇形区段S1划分为一个外部的安全区A和一个内部的危险区I。相应地适用于其它传感器。将传感器22的扇形区段S2划分为外部的安全区B和内部的危险区K；将传感器24的扇形区段S3划分为外部安全区C和内部危险区L；将传感器26的扇形区段S4划分为外部安全区D和内部危险区M；将传感器28的扇形区段S5划分为外部安全区E和内部危险区N；将传感器30的扇形区段S6划分为外部安全区F和内部危险区O；将传感器32的扇形区段S7划分为外部安全区G和内部危险区P；以及将传感器34的扇形区段S8划分为外部安全区H和内部危险区Q。
具有工具10的机器人操作臂分别相对于危险区I，K，L，M，N，O，P，Q的位置由安装于机器人操作臂上的或者其它机器人轴线上的位置传感器发送给安全控制***。
现在利用图1和图3的综览来解释按本发明的方法。在如图1所示的配置中，有一个人ME处在区域B之中，这里正好是传感器22的扇形区段S2中所属的外部安全区。机器人8的工具10位于区域P中，这里则是配属于传感器32扇形区段S7的危险区。安全控制***由机器人控制器获得关于工具10的位置数据，并且由机器人控制器从传感器电子机构组件20a至34a获得是否有相应物体处于超声波接近传感器所属的区域内的信息、以及该物体所在距离的信息。安全控制***根据由接近传感器22的传感器电子机构22a所发送给它的信号识别出有一个物体处在安全区B之中。安全控制***从机器人控制器获得机器人8的操作臂的工具10正处在区域P的信息。安全控制***根据所设置的程序得知，区域B和区域P相互间有足够的距离，即使区域B中所识别到的物体是一个人，目前也不会有与机器人操作臂和工具10发生碰撞的危险。安全控制***因此不会采取任何措施，机器人8可继续正常工作。
传感器32通过其传感器电子机构32a将关于在区域P中、即其所属危险区P中同样也有物体存在的信息发送给安全控制***，此物体就是通过二工件上料装置16送给机器人进行加工的工件18。由于在启动生产单元之前已执行示教操作，就已经将信息保存在安全控制***之中，即在区域P和区域G中所识别出来的物体就是通过输送带16送入用于加工的工件。因此当识别出区域P中有物体存在，安全控制***也不会采取措施。所述区域P的几何尺寸仅可容纳输送带16和工件18，没有人可容身的空间，不可能有人停留在P区内，因此机器人操作臂不会对人形成威胁。
如果有人ME从区域B穿过区域C、D、E进入区域F，传感器24，26，28和30就会识别出这一运动，并将信号发送给安全控制***。如果此人已进入区域F，且机器人操作臂继续使用工具10在区域P中工作，则安全控制***就会使机器人切换到低速安全运行模式，以防止此人突然从区域F进入可能会对其构成危险的区域O中而对其造成伤害。
如果有人ME从区域B继续进入区域K中，这里正是扇形区段2中的危险区-该危险区由传感器22负责监控，则传感器22就会将其危险区K中有目标的信息发送给安全控制***。因为该目标根据输入给安全控制***的程序有可能是一个人，但区域K离开目前机器人操作臂所在的区域P有足够远的距离，所以安全控制***只是使？切换到一种低速安全模式，以防止人在区域K中受伤。如果有人从区域K继续接近机器人操作臂和工具10，即穿过区域L、M和N向区域O移动，则安全控制***最迟可在识别出区域N中有目标时使机器人停止工作。
从上述方法中可以看出，利用按本发明的安全装置可以使生产单元的运作比传统的安全装置明显更加灵活。只有当确实有人处在具有工具10的机器人操作臂附近时，才会使机器人中止工作，或者使其低速运行。当机器人操作臂正在转动，且工具10例如从扇形区段P向区域L甚至区域K运动时，安全控制***就会作出相应的反应。如果采用的是传统的安全装置，则要通过一种固定的机械式栅栏来实现危险区界线46，这样就使得人员ME根本不可能在该区中进行工作，即使其处在远离机器人操作臂之处。
在图1与图3所示的装置中，所描述的接近传感器20，22，24，26，28，30，32，34均为超声波传感器。但使用微波传感器、或者将微波传感器与超声波传感器组合使用，也可以有同样好的效果。
如前所述，通过激光扫描器36予以全表面地覆盖机器人与背面限制机构4之间的背面空间。因为激光扫描器36具有位置和时间分辨能力，所以可通过相当复杂的信号处理装置-大致与图象处理算法的作用一样-在整个表面中算出在那里识别出的目标的位置，并将这些信息发送给安全控制***。激光扫描器的优点在于：仅需一台设备就可以完全覆盖相当大的范围。但缺点是购置激光扫描器的成本相当大，且所需的传感器分析算法和电子机构均显著更加复杂。在图1所示的装置中，同样也很好地可以通过其它八个指向背面的接近传感器来覆盖所述背面的空间。在图3中，除了已经讨论过的安全控制***之外，还示出了具有机器人控制器的机器人、通过用动作表示的箭头在安全控制***与机器人控制器之间的交互作用、以及通过机器人控制器与安全控制***之间的用位置表示的箭头标出的位置传感器发出的机器人操作臂位置信号；此外还示出与安全控制***相连的PC、与PC相连的用于显示生产单元内当前安全情况的监视器，以及一个标志有“配置”的配置工具。该配置工具用来通过PC对安全控制***进行配置，即进行编程和传输参数，该参数例如是传感器的探测阈值、灵敏度、位置分辨率或者是安全控制***的探测阈值等等。采用这种方式可以非常灵活地应用安全装置，并可适应于变化的环境条件，安全装置的物理构造如图1所示，其逻辑***构造如图3所示。当需要将机器人8安装在某一个新的工作位置上时，这种方法的优点显而易见。因为在移动机器人8及其底座12时，也会一并移动安全传感器20，22，24，26，28，30，32，34，36。在新的工作位置上仅需要对安全控制***进行适应性配置，并且机器人在短时间后就能继续工作，其安全性不会有任何折扣。而如果采用传统的***，则与此相反必须重新安装并调整机械式的防护栅栏，或者必须重新安装并调整机器人范围之外的监控摄像机，这非常繁琐。
此外，按本发明的装置与方法还适用于加工过程中有工艺光线(Prozess-licht)产生的应用情况，例如焊接作业所产生的紫外光辐射，通常情况下需要使用防护隔板。但根据经验来看，此类防护隔板可以省略不用。
最后图2以示意图形式描绘出安全区与危险区的几何形状并不局限于图1所示的圆形或者扇形。图1和2中相同的元件与部件均用相同的附图标记标出，但在图2中添加有一个撇号。在图2所示的安全装置的物理学布置中，安全区44-围绕机器人8-构成椭圆形。在机器人8-的右侧和左侧安装有两个上料装置16-，在机器人的后部安装有一个工具换装工位14-。机器人8-也安装有八个接近传感器，可以选用超声波或者微波传感器，并且标记为20-，22-，24-，26-，28-，30-，32-，34-。这些接近传感器也分别配有一个传感器分析电子机构，如图3所示，通过一传感器总线与安全控制***交互作用。安全传感器20-，22-，24-，26-，28-，30-，32-，34-的探测范围则通过其传感器电子机构和安全控制***进行如此调节，使得图2中所示的危险区48-被探测并覆盖，这些区域完全为不规则形状，且基本上在机器人8与送料装置1 6-或者说工具换装工位14-之间延伸。按本发明的装置能够通过利用传感器电子机构掩蔽相应探测区域而以简单、成本低廉的方式可靠地覆盖此类不规则的危险区域。

Claims (26)

1.对具有活动部件的机控式操作设备进行保护的装置，所述操作设备是可以任意编程的工业机器人，该装置设有一对操作设备作业空间内的物体进行探测的安全传感器，且设有一与操作设备控制器协同工作的、并且在此根据安全传感器的信号对与安全相关的操作设备功能进行控制的安全控制***；其特征在于，所述安全传感器包含非接触式接近传感器，以便通过接近传感器的探测范围，对操作设备作业空间的与安全相关的部件进行探测，所述传感器以弧形布置的径向取向方式安装在机器人底座上。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安全传感器包括一种由具有位置和时间分辨能力的传感器以及非接触式接近传感器的组合。
3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述安全传感器包括一种由具有位置和时间分辨能力的传感器、非接触式接近传感器、机械式限位开关或者接触垫的组合。
4.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述接近传感器(20，22，24，26，28，30，32，34，36)具有一种由不同物理作用原理的传感器的组合。
5.按照上述权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述接近传感器可将关于在其相应的探测范围内存在物体的信息以及关于物体与相应传感器之间的距离的信息发送给安全控制***。
6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于，如果物体处在相距接近传感器的一确定的允许距离范围内，接近传感器就不会将关于在其探测范围内存在物体的信息发送给安全控制***。
7.按照权利要求1至3中之一所述的装置，其特征在于，所述接近传感器是操作距离可变化调节的接近开关，该接近传感器将关于在其相应监控范围内以及在与接近传感器相距与所调节的操作距离相应的距离内存在物体的信息发送给安全控制***。
8.按照上述权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，将所述作业空间的与安全相关的部分划分为若干扇形区段，其中每一个扇形区段均配置一种非接触式的接近传感器、或者配置一种具有位置和时间分辨能力的传感器作为扇形区段监控传感器，其探测范围对应于其所配属的扇形区段。
9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，每个配置于一接近传感器的扇形区段均划分为至少两个具有不同安全等级的区域，其中该安全等级与到操作设备运动部件的距离相对应。
10.按照权利要求9所述的装置，其特征在于，每个配属于一接近传感器的扇形区段均划分为作业区、安全区和危险区，且当危险区内有人时，就会关闭所述操作设备；而当安全区内有人时，操作设备就会过渡到低速安全运行模式。
11.按照上述权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述接近传感器包括超声波传感器。
12.按照上述权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述接近传感器包括微波传感器。
13.按照权利要求11所述的装置，其特征在于，所述超声波传感器所具有的张角为10°至40°，从而将装卸机械作业空间的由超声波传感器所监控的部分划分为张角为10°至40°的扇形区段。
14.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，所述微波传感器根据FMCW(调频连续波)方法进行工作。
15.按照权利要求14所述的装置，其特征在于，可以机械摆动地安装微波传感器，且可以利用角度传感器来测定摆动角度，由此除了获得关于目标的距离信息之外，还获得关于目标所在方向的信息。
16.按照权利要求14所述的装置，其特征在于，可以通过变化的移相网络对微波传感器天线阵列的各个元件进行致动，即可以通过改变相位而使微波天线的主波束方向摆动，从而附加地获得关于目标距离的信息以及关于目标所在方向的信息。
17.按照权利要求14所述的装置，其特征在于，可以通过变化的移相网络对微波传感器天线阵列的各个元件进行致动，即可以通过改变相位而使微波天线的主瓣摆动，从而附加地获得关于目标距离的信息以及关于目标所在方向的信息。
18.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安全传感器安装在机器人底座上，这样就可从底座开始，从内向外对机器人的作业空间进行监控。
19.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，可以由机器人上的、尤其是机器人轴线上的位置传感器采集关于机器人操作臂的位置信息，并将该信息发送给安全控制***。
20.用于对具有运动部件的机控式操作设备进行保护的方法，所述操作设备是可以任意编程的工业机器人，其中采用一种安全传感器来探测操作设备作业空间内的物体，一安全控制***与操作设备控制器协同工作，并由安全控制***根据安全传感器的信号对操作设备的与安全相关的功能进行控制，其特征在于，由安全传感器分区地探测关于在操作设备作业空间内人员和/或者物体存在的信息，并将该信息发送给安全控制***；还分区段地将关于操作设备运动部件的位置的信息从操作设备发送给安全控制***；安全控制***与操作设备控制器协同工作，并根据这两种信息分区段地对操作设备的与安全相关的功能进行控制。
21.按照权利要求20所述的方法，其特征在于，所述操作设备的作业空间划分为扇形区段，每一个扇形区段均又划分为至少两个区域，该区域具有不同安全等级，且该安全等级与到运动的机器人操作臂的距离相对应；并由机器人轴线上的位置传感器采集关于机器人操作臂的位置信息，并将该信息发送给安全控制***。
22.按照权利要求21所述的方法，其特征在于，每一个扇形区段均被划分为作业区、安全区和危险区，且当安全传感器识别出在危险区内有人时，就会关闭机器人；而当安全区内有人时，机器人控制器就会控制机器人进入到低速安全运行模式中。
23.按照权利要求22所述的方法，其特征在于，当安全传感器识别出安全区内有人，且位置传感器同时识别出机器人操作臂正处在同一个安全区或者相邻的安全区，则机器人控制器就会控制机器人进入到低速安全运行模式中。
24.按照权利要求21至23中之一所述的方法，其特征在于，所述安全控制***对此进行抑制：由安全传感器将关于机器人操作臂所在的安全区或者危险区中的物体的信息发送给安全控制***。
25.按照权利要求21至23中之一所述的方法，其特征在于，所述安全控制***对此进行抑制：由安全传感器将关于机器人所操作的工件或者此类工件用的上料装置所在的安全区或者危险区中的物体的信息发送给安全控制***。
26.按照权利要求20至22中之一所述的方法，其特征为：使用按权利要求1所述的安全传感器。
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