CN103528604B - 用于运行传感器***的方法以及传感器*** - Google Patents

Abstract

用于运行传感器***的方法以及传感器***。本发明涉及一种用于运行具有至少一个电容的传感器元件（10）的传感器***的方法，所述传感器元件能够安置在机器（100）或机器部件的表面处，其中传感器元件（10）处的电场线在身体或物体接近和/或接触时改变，并且其中所述至少一个传感器元件（10）与控制设备（20）连接，控制设备（20）基于所述至少一个传感器元件（10）的场线的所检测的改变触发机器（100）或机器部件处的安全功能。根据本发明规定：至少一个传感器元件（10）除了满足所述安全功能以外具有操作功能，从所述至少一个传感器元件（10）的位置以及场线的改变的时间变化曲线中推断出操作功能，并且所述安全功能在所述传感器***的基本状态下优先于所述操作功能。

Description

用于运行传感器***的方法以及传感器***

技术领域

本发明涉及根据两个独立权利要求的前序部分的用于运行传感器***的方法以及传感器***。

背景技术

从申请人的DE 10 2009 029 021A1中已知这样的用于运行传感器***的方法以及传感器***。该传感器***包括至少一个电容的传感器元件，该传感器元件的由其生成的场线在身体或物体接近时改变，其中该改变可以借助于控制设备来检测和分析。该已知的传感器***尤其是在操纵机器人以及类似机器或设备的情况下用于在人接近或物体（未预料到地）接近运动的机器部件、例如机器人手臂时将操纵设备切换到安全模式，在该安全模式情况下有关机器组件的运动被停止。由此尤其是可以避免或至少最小化在操纵设备与人碰撞时的损伤或对物体或操纵设备的损坏。已知的传感器***优选地包括多个平面的传感器元件，所述传感器元件例如以传感器皮肤的方式布置到操纵设备的整个表面之上并且以电路技术彼此连接。

操纵设备与共同的工作空间中的人协作的应用在未来将越来越重要。这样的应用例如在产品制造中得出，例如在安装时、在焊接或上漆时、在所谓的服务机器人（例如用于取送服务）、清洁机器人、检查机器人的领域中、在人周围的自主车辆的领域中、在紧贴人工作（例如用于血管造影和肿瘤治疗）的医学机器人的领域中或者其他应用。这样的机器的合作能力基本上基于两个基本功能，即在人周围可靠地运动以及与人直观交互。在交互能力方面，所述机器通常利用传统操作元件来实现，所述操作元件如按键、开关、键盘、旋转和滑动调节器、操纵杆、计算机鼠标和触摸屏。已知的还有：语音识别***，其对所讲出的命令作出反应；以及光学***，其识别操作者的运动（例如以手势的形式）。为了引导机器人，此外已知不同的交互技术，这样的例如有通过传统操作元件的间接操作、或者操作者利用其自己的手移动机器人手臂的直接操作（通过测量电机电流、通过驱动调节装置、或者通过机器人手臂的关节中的附加力矩传感器来检测操作者意图）。

发明内容

从所示的现有技术出发，本发明所基于的任务是，将根据相应独立权利要求的前序部分的用于运行传感器***的方法以及传感器***改进为，使得其适于既可以用作用于避免机器或机器组件与人或物体碰撞的安全***又可以用作用于机器与操作者之间的交互的***。

在具有权利要求1的特征的用于运行传感器***的方法中，该任务通过如下方式来解决：传感器元件除了安全功能以外具有操作功能，从至少一个传感器元件的位置以及场线的改变的时间变化曲线中推断出操作功能，以及安全功能在传感器***的基本状态下优先于操作功能。换言之，这意味着，传感器***的同一传感器元件可以通过不同的方式用作用于安全功能的触发器以及用作用于操作功能的开关元件。在此，出于安全原因规定：安全功能在传感器***的基本状态下优先于操作功能。这意味着，例如不允许紧邻运动的机器或运动的机器人实施手势。如果操作者尝试这样做，则安全功能将机器或机器人可靠地制动到静止状态。在此之后操作者才能利用手势调用所期望的功能。由此尤其是可以可靠地避免人受伤或对机器或物体的损坏。

根据本发明的用于运行传感器***的方法以及传感器***的优选扩展方案在相应的属权利要求中予以详述。由至少两个在权利要求书、说明书和/或附图中公开的特征构成的组合落入本发明的范围中。在此，在方法技术方面公开的特征应当视作为在装置技术方面公开和要求保护的，并且在装置技术方面公开的特征同时应视作为在方法技术方面公开和要求保护的。

为了简化机器或例如机器人的操作可以规定：安全功能可以通过操控安全开关被暂时设置为不工作。由此意味着，通过有意地按下安全开关将机器或机器人直接切换到操作模式，其中人或物体向传感器元件的接近不被分级为安全相关的，从而例如机器或机器人的运动不被停止。在该运行状态下，操作者负责机器或机器人***的安全运行。在此，安全开关优选地被构造为使得该安全开关在其未***作者操控或按下时被切换回该安全开关的原来的开关状态，其中机器或机器人的传感器元件处于其安全模式下。

本发明的另一有利的构型规定：安全功能根据身体或物体相对于机器或机器部件的的所检测到的距离具有3个不同的开关状态，在称为近范围的第一开关状态下，该第一开关状态被分配给身体或物体相对于机器或机器部件的小距离（例如小于20m），安全功能的运动完全被停止，在被称为中等范围的第二开关状态下，该第二开关状态被分配给身体或物体相对于机器或机器部件的中等距离（例如在20m至40cm之间），安全功能的运动被限制到安全的速度V1，并且在被称为远范围的第三开关状态下，该第三开关状态被分配给身体或物体相对于机器或机器部件的大距离（例如大于40cm），安全功能的运动被限制到安全的速度V2，该速度V2可以大于速度V1。在此意味着下面的内容：在近范围中，安全功能负责可靠的停止，使得机器或机器部件的运动不再对操作者构成危险，并且操作者可以直接在传感器元件前实施任意手势。在中等范围中，仅能实施这样的手势，在所述手势情况下手不能接近运动的机器或机器部件小于例如20cm的最小距离。该开关状态例如可以用于无接触地用手引导机器人，其方式是，机器人将其位置调节为，使得该机器人相对于手的距离和取向总是保持相同。在远范围中，不存在对实施手势的限制。

在简化的构型中可以取消中等范围，使得仅仅存在将近范围与远范围分开的例如为20cm的开关阈值。

根据本发明方法的另一有利构型规定：操作功能具有多个操作模式，其中第一操作模式涉及通过传感器***学***均”信号变化曲线，该“平均”信号变化曲线在附带公差值的情况下也使得能够识别与该“平均”手势偏离、但显然应当通过控制设备触发相同功能的手势。一旦学***均信号变化曲线与手势的当前检测到的信号变化曲线相比较。如果发现一致，则推断出特定的手势，该手势导致机器或机器人的控制设备触发特定的动作、例如拧紧过程等等。

在一个有利的构型中，根据本发明的传感器***的特点是，在操作模式下多个传感器元件构成操作区，其中传感器元件的由控制设备检测到的输入值可以借助于计算单元来分析。

在此，特别有利的是，构成操作区的传感器元件是所有布置在机器或机器部件处的传感器元件的子集，并且所述传感器元件的子集可以选自传感器元件的全集。在此意味着如下内容：机器或机器部件被用多个传感器元件覆盖。例如，5x5个并排布置的传感器元件的矩阵构成操作区。该操作区可以在机器表面的任意位置处通过由控制设备相应地控制相应传感器元件来配置。这意味着，例如有关操作区要么可以被构造在机器手臂处，要么可以构造在载体元件的区域中。借助于本发明的这样的构型，传感器***的操作区可以自由地与非常不同的机器或机器组件以及应用相匹配，而不必为此涉及附加的基于硬件的装置。将传感器元件分配给操作区可以纯粹基于软件来进行。

根据本发明可以规定：至少一个传感器元件在操作模式下充当数字开关或例如滑动调节器形式的模拟开关。这意味着，在操作模式下，例如在传感器元件处超过特定阈值时，控制设备开启或关闭特定的机器元件，而与阈值被超过什么值无关。但是可替代于此地，也可以将传感器元件的所检测的测量值的绝对高度用于例如转换成相应的速度信号以用于运行机器元件，使得传感器信号的高度对应于特定的模拟值（针对机器组件的速度）。

为了向操作者提供关于例如由该操作者实施的手势是否已经被传感器***正确地检测或解释的反馈，可以在本发明的另一构型中规定：设置至少一个光学、声学或其他的显示元件，借助于所述显示元件，控制设备在操作模式下输出信号。例如，该显示元件可以存在于电机中，该电机通过相应的光学显示用信号向操作者通知所检测到的手势或特定的操作意图作为反馈。可替代于此地，例如可以通过声学信号向操作者通知：控制设备已经无疑地识别出特定的手势或者手势未被识别。其他类型的元件、例如LED也可以用于对操作者的这样的反馈。

此外，特别优选的是，至少一个在操作模式下起作用的传感器元件在机器或机器组件处被光学标记。由此可以用信号向操作者通知：操作者应当在哪个位置处例如实施手势，以便该手势可以尽可能简单和单义地被传感器***识别。例如可以设想，借助于照明来进行这样的标记，所述照明仅能在机器的操作模式下被识别。但是也可以使用印刷的标记等等，以便操作者识别在其上方能够进行例如手势的输入的传感器元件的区域。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节从下面对优选实施例的描述以及根据附图来得出。

图1示出了操纵机器人在通过操作者递交物品时的示意图；

图2示出了交互***的原理构造，其中由24个传感器元件构造的操作区用于识别手势；以及

图3示出了阐明用于检测按键按下的虚拟操作元件的示例性工作方式的图示。

在图中给相同的元件或具有相同功能的元件配备相同的附图标记。

具体实施方式

在图1示出了操纵机器人100形式的机器。操纵机器人100包括机座101，该机座101支承可以以第一轴102旋转地置放的机器人手臂103。机器人手臂103具有3个手臂片段104至106，这些手臂片段又被置放为可以在所示双箭头方向上分别以轴107至109摆动。手臂片段106支承用于抓取物品1的抓取机构110。这样的迄今为止所述的操纵机器人100适于在机器手臂103的作用范围内的任意位置处接纳物品1以及在同样任意的第二位置处交出该物品1。

操纵机器人100的至少一些区域被未具体示出的具有传感器元件10的传感器皮肤覆盖，所述传感器元件分别被构成为电容的传感器元件10。这些传感器元件10构成传感器***。传感器元件10优选地分别被相同地构成，但是它们也可以被不同地构成或具有不同的大小。关于这样的传感器元件的原理构造，可参阅申请人的DE 10 2009 029 021 A1，该文件就此而言将成为本申请的组成部分。

传感器元件10与操纵机器人10的控制设备20连接。在操纵机器人10的控制设备20中，传感器元件10在操纵机器人100处的相应位置被存储。例如，根据本发明，传感器元件10中的几个被用于通过这几个传感器元件可以进行功能的控制或操纵机器人100的操作。为此，在操纵机器人100的表面处生成多个虚拟操作区11至14，其中被分配给各个操作区11至14的传感器元件10例如可以通过未示出的输入单元从全部布置在操纵机器人100处的传感器元件10中作为这些传感器元件的子集被自由分配。在此，下面所述的操作区11至14将仅仅示出可能的变型方案，其数目和构成可以高度变化。

第一操作区11在侧面布置在机器人手臂103的第三手臂片段106的区域中，并且充当数字开关元件，使得在例如操作者30的手接近时，抓取设备110被打开或被闭合。操作区12布置在机器人手臂103的第二片段105处，并且示例性地包括6个传感器元件10，这些传感器元件10用于对操纵机器人100的运行进行流程控制，使得在例如操作者30的手接近操作区12中的特定传感器元件10时，操纵机器人100起动或处理所存储的运行程序。操作区13布置在机器人手臂103的第一片段104处，并且用作用于引导机器人手臂103的虚拟接近面。尤其是当在机器人手臂103处的第一手臂片段104的与图1的符号平面平行相对的侧上布置相同的操作区13时，可以通过例如手接近该操作区13或另一操作区13而导致：机器人手臂103以第一轴102在期望的方向上旋转，以便例如学习机器人手臂103的特定的运动流程。最后，操作区14布置在机座101处，该操作区14以虚拟键盘的形式用于数据输入，并且包括多个并排和相叠布置的传感器元件10。

为了为操作者30表示操作区11至14，可以规定：通过相应的标记或光学辅助手段来显示操作区11至14。

操作区11至14中的在图1中所示的传感器元件10与图1中未示出的传感器元件作用相同，并且分布在操纵机器人100的表面之上的未布置在操作区11至14中的传感器元件10在操纵机器人100的运行期间在所谓的安全模式下在操纵机器人100与人或物体发生威胁性碰撞时停止操纵机器人100的运动，以便避免受伤或损坏。为此，控制设备20分析由各个传感器元件10生成的输入信号。除了传感器元件10的与安全相关的功能以外，这些传感器元件10还如上所述那样在操作区11至14中用于与操作者30进行交互（操作模式）。

安全模式优先于操作模式。这意味着，例如在通过传感器10识别到操作者30接近操纵机器人100时，首先将机器人手臂103的速度限制到安全值，使得排除对运动的机器人手臂103的接触。然后，布置在操作区11至14内的传感器元件10准备好识别操作者30的手势。如果机器人在任何时间收到驶向物体或人、低于预设的安全距离、或者超过与该距离相对应的最大速度的命令，则由于安全模式的优先级而阻止该命令的实施。

由操作者30人工地按下与操纵机器人100的控制设备20连接的可选的安全开关15导致：人或物体的接近被分级为与安全无关的，而手势的识别继续为活跃的。在该运行状态下，操作者负责机器人***的安全运行。

只要安全开关15被按下，则控制设备20就将操纵机器人100或其传感器元件10从安全模式切换到操作模式，在操作模式情况下尤其是布置在操作区11至14内的传感器元件10用于识别操作者30的手势或输入。也可以规定：在操作者30接近传感器元件10时，控制设备20首先切换到如下模式：在该模式情况下操作区11至14区域中的传感器元件10用于识别例如手势，而同时操纵机器人100的运动相对于正常运行以降低的速度进行。在操作者30进一步接近传感器元件10时——其中例如低于例如为10cm的某个最小距离，控制设备20将操纵机器人100切换到安全模式，其中操纵机器人100或其机器人手臂103的任何运动都被停止。

为了向操作者30提供关于由其通过操作区11至14所进行的输入的反馈，可以设置光学、声学或其他显示单元16，所述显示单元16在例如操作者30的特定手势被正确识别（或未被识别）时或者在例如手势应当重复时从控制设备20获得相应的信号。

在图2中示出由24个传感器元件10构成的操作区18。这些传感器元件10以4x6矩阵的形式布置在操作区18中并且与作为计算单元的一部分的中央单元19连接。这样构造的操作区18检测操作者30的手势。为此，传感器元件10中的每个都提供测量值D_i，该测量值D_i随着操作者30的手指相对于相应传感器元件10的距离而变化。中央单元19对所有传感器元件10的测量值D_i进行周期性的询问和制备，并且通过接口输出所述测量值。具有与中央单元19连接的集成软件交互模块27的控制计算机25作为时间序列读入所有传感器元件10的测量值D_i，并且示例性地以如下方式对其进行分析：

－预处理测量值D_i；

－例如借助于相关函数识别数据中的所学习的模式；

－根据操作元件和手势对模式进行分类；

－将所识别的手势分配给命令；以及

－在步骤28中实施命令（例如通过调用函数、输出信号）。

在图3中示例性地示出了具有6个并排布置的传感器元件10的虚拟操作元件的工作方式。在此情况下，操作元件用于检测按键按下。在此，操作者30的食指在所示箭头的X方向上引导。在6个传感器元件10之下示出的图根据手指的X位置示意性地示出了所有6个传感器元件10的测量变化曲线。每个传感器元件10都具有类似于高斯曲线的特性，其中相邻传感器元件10的高斯曲线通常重叠。从6个测量值D₁至D₆中，可以借助于内插函数导出操作者30的手指的X位置。在此，手指位置的分辨率不与传感器10的宽度或手指的宽度绑定。

如果存在相邻的传感器元件10，则也可以通过内插在传感器元件10内检测不同的手指位置。该测量原理转用于平面布置的传感器元件10，以便检测两个空间方向（即与图3的符号平面平行以及垂直）上的手指位置。以类似方式也可以根据特征性的传感器数据检测操作者30的手指的距离，使得可以确定操作者30的手指的空间位置。

如果应借助于传感器元件10识别手势，则将所述手势按照传感器元件10的输入信号变换成传感器数据的时间序列。图2中所示的控制计算机25的任务是进行逆变换，即识别传感器数据的时间序列中的手势。此外，布置在控制设备25中的模块27具有两种运行方式“设置”和“实施”。在运行方式“设置”中，虚拟操作元件（操作区11至14）在操纵机器人10投入运行以前由操作者30来设置。这例如以下列步骤来执行：

a.例如通过粘接或者以界定操作区11至14的LED的形式使操纵机器人100的表面上的操作元件（操作区11至14）可视化。

b.“显示”操作者30在操作元件处的手势。在此，手势被存储为特征性的传感器数据的时间序列。

c.学习手势：所存储的传感器数据被减少到特征性的特征。利用所述特征来训练有学习能力的分类器。分类器具有分类能力，也就是可以再次识别所有学习到的手势并且单独地进行分配。在模拟手势的情况下，分类器能够确定手势的模拟值（例如操作者30的手与传感器元件10之间的距离）。

d.将手势与功能相关联：操作者30给每个学习到的手势分配应在识别出所述手势时自动实施的功能或功能序列。这例如可以是控制计算机25上的功能流程或者通过通信接口发送到***单元的命令。

在运行方式“实施”中，传感器元件10的测量值持续地周期性地被读入并且特征性的特征被计算。之前学习到的分类器持续地检查：所学到的手势是否已被实施。如果是，则控制设备20触发与之相关联的功能的实施。

迄今为止所述的用于运行由传感器10构成的传感器***的方法可以以多种多样的方式来改动或修改，而不偏离本发明思想。这样的传感器***的使用尤其是不一定限于在操纵机器人10处的使用，而是也可以在其他机器或机器组件处应用。

Claims (11)

1.一种用于运行具有至少一个电容的传感器元件（10）的传感器***的方法，所述传感器元件能安置在机器（100）或机器部件的表面处，其中传感器元件（10）处的电场线在身体或物体接近和/或接触时改变，并且其中所述至少一个电容的传感器元件（10）与控制设备（20）连接，所述控制设备（20）基于所述至少一个电容的传感器元件（10）的所检测的电场线的改变触发机器（100）或机器部件处的安全功能，

其特征在于，

所述至少一个电容的传感器元件（10）除了所述安全功能之外具有操作功能，从所述至少一个电容的传感器元件（10）的位置以及电场线的改变的时间变化曲线中推断出操作功能，并且所述安全功能在所述传感器***的基本状态下优先于所述操作功能。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述安全功能能够通过操控安全开关（15）被暂时设置为不工作。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

所述安全功能根据身体或物体相对于机器（100）或机器部件的所检测到的距离具有至少两个不同的开关状态，在被分配给身体或物体相对于机器（100）或机器部件的一距离范围的每个开关状态下，安全功能可靠地限制最大速度，并且同时实现所述操作功能。

4.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

所述操作功能具有多个操作模式，其中第一操作模式涉及通过所述传感器***学习手势，并且其中第二操作模式涉及通过机器（100）或机器部件实施在第一操作模式下学习到的手势。

5.一种传感器***，该传感器***具有至少一个能安置在机器（100）或机器部件的表面处的电容的传感器元件（10），所述传感器元件与控制设备（20）连接，

其特征在于，

控制设备（20）被构造为将机器（100）或机器部件切换到安全模式或操作模式下，其中在基本设定中控制设备（20）将机器（100）或机器部件切换到安全模式下，并且其中所述传感器***被设置成执行根据权利要求1至4之一所述的方法。

6.根据权利要求5所述的传感器***，

其特征在于，

在操作模式下多个传感器元件（10）构成操作区（11至14，18），其中所述传感器元件的由所述控制设备（20）检测到的输入值能够借助于计算单元（19，25，27）来分析以用于识别手势。

7.根据权利要求6所述的传感器***，

其特征在于，

构成所述操作区（11至14，18）的传感器元件（10）是所有布置在机器（100）或机器部件处的传感器元件（10）的子集，并且所述传感器元件（10）的子集通过分配从传感器元件（10）的全集中形成。

8.根据权利要求5至7之一所述的传感器***，

其特征在于，

所述至少一个电容的传感器元件（10）在操作模式下充当数字开关或者模拟输入元件。

9.根据权利要求5至7之一所述的传感器***，

其特征在于，

设置至少一个光学、声学或其他的显示单元（16），借助于所述显示单元（16）控制设备（20）在操作模式下输出信号。

10.根据权利要求5至7之一所述的传感器***，

其特征在于，

至少一个在操作模式下起作用的传感器元件（10）在机器（100）或机器组件处被光学标记。

11.根据权利要求8所述的传感器***，

其特征在于，

所述模拟输入元件是滑动调节器。