CN105247268B

CN105247268B - 用于保护自动操作机器的设备和方法

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Publication number: CN105247268B
Application number: CN201480030370.8A
Authority: CN
Inventors: 约阿希姆·默克斯
Original assignee: Pilz GmbH and Co KG
Current assignee: Pilz GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: JP6491640B2; HK1221985A1; US20160040827A1; CN105247268A; DE102013104265A1; EP2989369B1; EP2989369A1; US10302251B2; WO2014173725A1; JP2016524544A

Abstract

一种用于保护包括自动操作机器(24)的监控区(14)的设备(10)，该设备(10)具有用于对监控区(14)进行监控的传感器单元(12)、用于限定至少第一保护区(30)和第二保护区(32)的配置单元(28)、以及用于启动与安全相关的功能的评估单元(26)，其中，第一保护区(30)与自动操作机器(24)相距第一距离(50)，并且第二保护区(32)与第一保护区(32)相比与自动操作机器(24)相距更大的第二距离(52)，并且其中，传感器单元(12)监控所述两个保护区(30、32)，并且评估单元(26)既评估自动操作机器(24)的机器元件是否进入第一保护区(30)又评估外来物是否进入第二保护区(32)，并且评估单元(26)设置成在所述事件中的至少一个事件发生的情况下启动与安全相关的功能。

Description

用于保护自动操作机器的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于保护其中设置有自动操作机器的监控区的设备，该设备具有用于对监控区进行监控的传感器单元、用于限定至少一个第一保护区和至少一个第二保护区的配置单元、以及用于触发与安全相关的功能的评估单元。

本发明还涉及用于保护其中设置有自动操作机器的监控区的相应的方法。

背景技术

就以相当大的速度移动的现代工业机器人而言，碰撞通常既对机器人又对由机器人处理的工件造成严重的损坏。这可能导致造成重大损失的生产中断。与自动操作的机器人相互作用的人的安全也具有最高优先级。就现代工业机器人和具有移动的机器元件的其他机器而言，移动的机器元件的运动对人和其他物体构成了危险，因此，必须通过利用安全装置来防止外来物与移动的机器元件之间的碰撞发生。为此，通常在无意的接触发生之前足以使机器停止。

传统上，自动操作机器周围的危险区通过呈保护栅栏和保护门形式的机械屏障以及/或者利用光障、光栅和激光扫描器隔开。一旦有人打开保护门或中断光栅或光障，则产生关闭信号，借助于该关闭信号来停止机器的有危险的工作移位。然而，这种安全装置的安装是相当昂贵的，并且安全装置需要占用有危险的机器周围的大量空间。另外，这种安全装置在使对有危险的工作区的保护适应机器的不同操作状况时不是很灵活。

为了避免所述缺点，利用相机***以及适当的图像处理来实现对自动操作机器的有危险的工作区的保护已经努力了一段时间。由申请人以名称SafetyEYE(安全眼)发布了一种这样的***。

EP 1 543 270 B1公开了这种***，该***具有周期性地产生有危险的工作区的图像的至少两个相机。来自相机的图像借助于至少两种在算法上不同的方法进行分析，其中，机器的有危险的工作移位在所述两种方法中的至少一种方法检测到先前限定的保护区中有外来物的情况下停止。所述两种分析方法中的每种方法都产生来自相机的图像的3D信息，使得利用所述方法就可以确定物体在所限定的保护区中的位置。对于这种方法和设备的一大挑战是，已复杂化的图像处理必须被实施成从机器安全的相关标准——特别是EN954-1(旧的)、EN ISO 13849-1、IEC 61508以及EN ISO 13855——的意义上而言是自动防故障的，使得这种设备实际上还可以用于保护有危险的机器。设备本身的故障可能不会导致机器的安全措施丢失。从这种意义上讲，下文中的至少符合根据EN 954-1的种类3、根据IEC 61508的SIL 2以及/或者根据EN ISO 13849的性能水平PL(d)的设备因此才具有作为自动防故障装置的资格。从EP 1 543 270 B1中已知的方法和对应的设备可以实现这一点，并且已经在实际应用中得到证明。

在上述议题下日益出现的需求是人机交互的改进。此时的重点主要在于开发下述安全***：所述安全***使人能够紧邻有危险的机器进行工作，而这没有由于人存在于有危险的机器的紧邻处而对人产生危险，而且机器也没有由此而过于频繁地无意关闭。例如，希望人在机器人工作的同时可以停留在机器人的基本上有危险的环境中，以便在现场监控机器人的工作过程，或者以便同时加工工件或替代性地通过机器人加工工件。然而，必须进一步确保人不会被机器人的工作移位伤害到。

通过上述基于相机的安全***，主要虚拟保护区必须限定在机器周围。相机***然后检测外来物是否进入这种保护区，并且相机***然后关闭机器或者使机器进入安全状态。为了能够保证足够的安全性，为此保护区限定在机器周围的相对较大的距离处。要被保持的安全距离基于标准EN ISO 13855:2010以及EN ISO 13857:2008。

用于计算最小距离的通用公式如下：

S＝K·(t₁+t₂)+C+Z_g

其中：S＝从保护区开始测量至危险源的以mm为单位的最小距离；

K＝以mm/s为单位待被检测的物体接近危险区的接近速度(对于上述基于相机的安全***而言，通常假定为K＝1600mm/s)；

t₁＝安全***的响应时间(对于上述基于相机的安全***而言，通常假定为t₁＝0.34s)；

t₂＝机器的响应时间(例如机器人，假定为0.7s)；

Z_g＝安全***的测量公差的容限；

C＝穿入深度。穿入深度被限定为在安全装置被触发之前主体部朝向危险区移动通过安全装置的距离。

对于上述基于相机的安全***的安全距离的示例性的实际计算将通过下述等式给出：

S＝K·(t₁+t₂)+C+Z_g

＝1600mm/s·(0.34s+0.7s)+850mm+316mm

＝2.83m

所述安全距离的量值通常由机器人在机器人不具有机械停止的情况下将要到达的最大工作区来确定。这意味着围绕机器人的安全区相对较广。考虑到大多数机器人实际上在实践中仅仅很少使用其最大可能的工作区，从机器人的将要到达的最大工作区开始的3m的值看起来是宽松的或大的。因此，所需的安全水平确实可以被保证，但是这占用了很多空间。因而，这还将使得难以在相对较小的空间中安装彼此邻近的多个机器人，这将特别地在具有多个这种机器人的生产车间中被证明是不利的。因此，在原则上希望能够限制虚拟保护区的空间范围，而在一定程度上不会对要保证的安全性造成不利的影响。

DE 10 2007 007 576 A1提出了一种用于保护机器人的有危险的工作区的方法和设备，其中，产生工作区的3D图像，并且运动学人体模型与存在于工作区内的人相关联。针对工作区的实际状态是否偏离工作区的目标状态来对3D图像进行分析，其中，借助于运动学人体模型来将人的目标位置考虑在内。所述方法和对应的设备应该使人机合作成为可能。由于目标-实际对比，因此机器人的工作区中的人无论如何都必须根据运动学人体模型的目标状态来精确地移动。适当的模型显得很复杂，并且其限制了所有情况下的灵活性，这是由于在每种情况下适应新的操作状况需要新的模型。另外，DE 10 2007 007 576 A1提出了将扫描器用作传感器单元，该传感器单元具有根据EN 954-1的种类3的单一容错性。此外，提出了传感器单元的功能的周期性检查或连续检查，并且机器人在检查阶段期间的移位应当利用与安全相关的技术——例如通过机器人***的轴向位置的冗余记录和分析——来进行监控。然而，DE 10 2007 007 576 A1不包括关于3D图像的分析的信息，并且基础模型能够提供保护有危险的工作区所需的故障安全性。

EP 1 635 107 A1通过如下方式来解决限定非常小的保护区的问题：将用于限定危险区的评估单元联接至机器的机器控制单元以及通过将评估单元设计成根据机器控制单元使用的用于机器的移位控制的控制信号来导出用于限定危险区所必需的参数。用于限定危险区所必需的参数还根据机器控制单元所用的参数(例如机器人臂的位置、移位速度以及移位方向)来确定。危险区因而动态地移动，即随着机器人臂动态地移动。为此机器本身通过限定总是设置在危险区内。危险区或保护区的这种动态限定在理想条件下将相对节省空间。然而，保护区的这种动态限定的实施不仅在实践中很复杂，而且还需要高的计算成本。此外，这种紧密尺寸的保护区(在要被保护的机器的紧周围)在实践中是否可以保证所需的安全等级值得怀疑。另外，在EP 1 635 107 A1中公开的方法及相关的设备仅适于自动防故障的机器或机器人。这意味着机器控制单元本身应当配置为是自动防故障的且冗余的。然而，该方法和设备不适于非安全的机器人或机器。该方法和设备假定机器或机器人实际上也根据已编程的机器控制单元而移动。在任何情况下，机器或机器人的故障都不能够通过基于相机的监控传感器进行检测。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提出一种上述类型的设备和方法，该设备和方法以非常简单且有效的方式使得人能够灵活地存在于自动操作机器的危险区中，其中，保证了机器的安全防护以及针对这种应用的必要的故障安全性。特别地，机器与要被建立的保护区之间的安全距离与迄今标准的安全距离计算相比能够被减小，而不会因此不利地影响人和机器的安全。

根据本发明的第一方面，通过上述类型的设备实现了所述目的，其中，第一保护区的内部界限与机器相距第一距离，并且与第一保护区相比，第二保护区的外部界限与机器相距更大的第二距离，并且其中，传感器单元监控所述两个保护区，并且其中，评估单元既评估机器的机器元件是否进入第一保护区又评估外来物是否进入第二保护区，并且评估单元配置成在所述事件中的至少一个事件发生的情况下触发与安全相关的功能。

根据本发明的另一方面，该目的通过上述类型的具有下述步骤的方法来实现：

提供用于对监控区进行监控的传感器单元；

限定至少一个虚拟的第一保护区和至少一个虚拟的第二保护区，其中，第一保护区与机器相距第一距离，并且与第一保护区相比，第二保护区与机器相距更大的第二距离；

通过传感器单元来监控所述两个保护区；

检测机器的机器元件是否进入第一保护区以及外来物是否进入第二保护区；以及

在检测到机器的机器元件进入第一保护区以及/或者外来物进入第二保护区的情况下触发与安全相关的功能。

特别有利的是，利用具有程序代码的计算机程序产品来实施新方法和新设备，该程序代码被设计成在评估单元上执行程序代码的情况下实施所述方法。因此，配置单元在所述优选示例性实施方式中以在评估单元中实施的软件模块的方式实施。将要理解的是，在这种情况下，用于对监控区进行监控的传感器单元的提供不是程序代码的绝对必要的部分。

特别地，新设备和新方法的特征在于，限定了间隔开的两个保护区。与对接近机器的工作区的外来物的检测主要基于利用所限定的保护区的其他常见的方法相比，在此对机器本身的保护区(第一保护区)进行监控，而其他保护区(第二保护区)用于检测接近机器的外来物(例如人)。新的设备因而在下面两方面对监控区进行监控，即：就是说从机器开始确定机器本身的部件是否从内部进入第一保护区，并且还可以说从机器的周围环境开始确定外来物是否从外部进入第二保护区。通过所述两方面的方式，因而还可以检测机器本身是否无意地离开其通常的工作区。在这种情况下，机器的部件——在此还被称为机器元件——如果进入第一保护区，那么然后通过评估单元来触发与安全相关的功能。

新设备的显著优点是，新设备特别地由于机器的额外的外部监控而还可以用于“非安全”的机器或机器人。其自身未被实施为从上述方面而言是冗余的并且是安全的自动操作机器现在可以通过该设备进行额外地保护。然而，当存在疑问时，更重要的是，机器的虚拟限定的保护区的距离——特别是机器的第二保护区的第二距离——与这种类型的已知的安全***相比可以减小。特别地对于具有邻近彼此设置的多个自动操作机器的生产线而言，由于这使得每个单独的机器的被保护的监控区总体上能够减小，因此使得机器能够彼此以相对较短的距离设置。这也简化了人机合作。如以上所解释的安全距离S的量值可以根据标准EN ISO 13855:2010以及EN ISO 13857:2008基于机器的最大可能的工作区来确定(在机器不包括机械停止的情况下)。然而，由于机器现在利用该设备来额外地监控，并且确定机器是否进入绕机器设置的第一保护区，因此第一保护区和第二保护区还可以设置为与机器相距更小的距离。

第一保护区优选地根据机器的实际规划的工作区来进行限定。与上述标准的安全距离计算相比，安全距离的减少因而基于除基于检测外来物的进入的外部保护区(第二保护区)之外还基于本部分中提及的第一保护区在机器的规划的工作区的边界处的限定。所述第一保护区的任务是监控机器遵从的规划的工作区。如果现在由于***故障或者甚至由于***的程序设计改变但未改变安全距离而造成的机器偏离所述规划的工作区，那么评估单元也将触发与安全相关的功能，这通常或者导致关闭机器或者使机器进入安全状态。

在此限定的两个保护区不会与EP 1 635 107 A1中所提出的第一级危险区和第二级危险区混淆。也就是说，EP 1 635 107 A1中所提出的危险区不用于监控机器本身，而是都与外部视野有关，以便检测外来物从外部朝向机器的接近。EP 1 635 107 A1中所限定的第一级危险区限定了危险相对较低的区域，外来物穿入该危险相对较低的区域会引起可听得见的或可观察到的警报信号的触发。更靠近机器的第二级危险区限定了更危险的区域，外来物穿入所述更危险的区域会导致机器完全停止。可以说，EP 1 635 107 A1使用在每种情况下仅集中于外部视野的两段式模型，但是不检查机器本身是否偏离机器本身的规划的工作区。

与从EP 1 635 107 A1已知的设备相比，根据本发明的设备因此还可以用于非安全的机器。所述两个保护区的限定还可以附带地以简单得多的方式且以与EP 1 635 107A1中的情况相比复杂程度小得多的方式来实现。

因此完全实现了上述目的。

在本发明的优选实施方式中，第一保护区根据机器的实际规划的工作区而定，而第二保护区根据第一保护区而定。第二距离与第一距离之间的差值对应于所限定的安全距离。

安全距离S因而没有如通常那样基于机器的最大到达距离(最大空间)来进行限定，而是基于机器的实际规划的工作区(操作空间)来进行限定。在上述示例的计算中，计算出S＝2.83m的安全距离。由于机器通过第一保护区的额外保护，所述安全距离S可以基于操作空间来进行限定，并且不像通常那样基于机器的最大空间进行限定。位于外部的第二保护区因而可以设置在与机器的中心点相距总距离处，该总距离对应于机器的规划的变位量以及安全距离S的总和。与通常的方法相比，所述实施导致机器的第二保护区的总距离减小下述差值：“机器的最大的工作区(最大空间)”-“机器的规划的工作区(操作空间)”。

第一距离为此被限定为机器与第一保护区的内部界限之间的距离。相比之下，所谓的第二距离被限定在机器与第二保护区的外部界限之间。内部界限被理解为相应保护区的在从机器观察时更靠近机器的部分，即：与相应的保护区的外部界限相比，内部界限在相应的点处与机器相距更小的距离。因此，外部界限被理解为相应保护区的在从机器观察时距机器更远的部分，即：与相应的保护区的内部界限相比，外部界限在相应的点处与机器相距更大的距离。相应的保护区因而在其内部界限与外部界限之间延伸。保护区的宽度和厚度——即各个保护区的内部界限与外部界限之间的距离——优选地根据***而定。这特别根据传感器的响应时间以及分析过程的响应时间而定。第二距离基于第二保护区的外部界限以及与此相反第一距离基于第一保护区的内部界限的原因在上述说明的背景下将是明显的。第二保护区用于“从外部”监控，这是第二保护区的外部界限特别重要的原因。第一保护区用于“从内部”监控，这是第一保护区的内部界限特别重要的原因。

在另一优选实施方式中，所限定的安全距离至少根据接近机器的外来物的估算接近速度、机器的关闭时间以及传感器单元的响应时间而定。

由于借助于第一保护区对机器进行的额外保护，因此第一保护区与第二保护区之间的安全距离的减小由于操作者距危险点有足够的距离而不会导致危险的情况。仅需要评估机器是否可能已经刚在其控制***中存在故障并且同时评估人是否正从外部进入第二保护区。如果所述事件被同时假定，那么安全距离将被既基于外来物(操作者)的接近速度又基于机器的停止距离来计算。然而，如果所述极端的情况可以被排除并且人不必周期性进入保护区(例如用以除去或输送材料)似乎总是明智的，则基于人的接近速度来确定安全距离的尺寸就足够了。

在本发明的另一实施方式中，配置单元包括用于限定第一保护区和/或第二保护区的输入模块。

这例如可以通过连接至设备的配置单元的输入面板或外部输入装置(例如电脑)来实现。以此方式，所述两个保护区可以被手动限定。由于第二保护区根据第一保护区而定，因此手动输入第一保护区几乎是足够的。实际上，这例如可以通过将参考标记定位在机器周围来实现，借助于此来限定第一保护区。由于第一保护区优选地根据机器的实际规划的工作区限定，因此参考标记在这种情况下定位在机器的实际规划的外部变位点处。简言之，这还可以由此保证机器的实际规划的最大变位(不要与机器的最大可能的变位混淆)被测量到，并且第一保护区然后以所述径向距离呈圆形的形式限定在机器周围。然而，将要理解的是，第一保护区还可以利用输入模块来精确地限定，使得第一保护区不以圆形的形式而是以对应于机器的实际规划的工作移位的任意模式形成在机器周围。在这种情况下，由于第二保护区的从属限定，因此第二保护区也将包括相同或类似的几何形状。

根据本发明的替代性实施方式，配置单元联接至控制机器的移位的机器控制单元，以便能够利用用于机器的移位控制的参数来限定第一保护区。

在所述实施方式中，机器控制单元因而直接递送用于限定第一保护区所需的参数。第一保护区的限定以及因而第二保护区的限定都可以在此基础上自动进行。这使得不仅能够以机器的实际规划的移位来更精确地限定保护区，还能够大大地减少设备的安装时间。另一优点是，机器移位的变化——即机器编程的变化——还自动地导致所述两个保护区的相应调整。在以上所述的所述两个保护区的手动限定的情况下，相比之下存在的可能是操作者在机器编程改变的情况下忘记相应地修改保护区。然而，这种情况也将通过新设备来进行安全防护。如果机器实际上在新编程的移位期间进入第一保护区，则与安全相关的功能将被立即触发，而不能够发生危险的碰撞。

根据本发明的另一实施方式，与安全相关的功能导致关闭机器，或者在检测到机器进入第一保护区的情况下，与安全相关的功能导致第二保护区的适应性调整，特别是所述第二距离的适应性调整。

在机器进入第一保护区的情况下，紧急关闭机器或紧急停止机器是常见的结果。替代性地，也可以在机器到第一保护区中的这种进入的情况下适当地改变第二保护区。在这种情况下，传感器装置检测机器进入到第一保护区中的穿入深度，评估单元对此进行评估并且然后根据检测且评估到的穿入深度来适当地修改第一保护区与第二保护区之间的安全距离。代替关闭机器，结果是机器可以在不发生安全损失的情况下保持操作。

根据另一实施方式，第一保护区和第二保护区配置为至少部分地围绕机器的虚拟的三维保护区。

所述两个保护区仅在机器具有360°的工作半径的情况下优选地完全围绕机器。另外，所述两个保护区仅在外部遮住机器的实际规划的工作区就足够了。如所提及的，保护区被优选地配置为虚拟的三维保护区。保护区因此也可以被称为保护空间。它们也可以完全遮在机器周围，即既向上又横向地遮在机器周围。从机器的中心点沿径向方向测量到的保护区的厚度在这种情况下优选地至少对应于能够检测到的穿入深度C。如已经提及到的，保护区的厚度应该根据***而定，并且因此还应该优选地根据传感器的响应时间和评估过程的响应时间而定。

根据另一优选实施方式，传感器单元包括多通道冗余式多视点相机***。

在EP 1 543 270 B1中公开了一种这样的相机***，EP 1 543 270 B1的公开内容在此通过参引完全并入本文。一种这样的相机***由申请人以名称SafetyEYE(安全眼)进行发布。

在另一实施方式中，传感器单元配置为确定表示至少一个外来物的空间位置的距离值，其中，距离值由渡越时间(transition time)测量法以及/或者通过两个相机图像的立体比较来确定。

在渡越时间测量过程期间，对信号特别是光信号至外来物以及外来物至信号的渡越时间进行测量。至外来物的距离可以通过已知的信号传播速度来确定。渡越时间测量过程是用于获得距离信息以及用于使得能够进行三维图像分析的非常便宜的选择。

用于确定距离信息的立体方法类似于人眼的操作，这是因为立体方法利用由于略微不同的观察角度而出现在至少两个相机图像中的所谓的不同来确定至物体的距离。将要理解的是，所述实施方式还包括三视点方法和设备，即所述实施方式不限于恰好使用两个相机或两个相机图像。由于冗余***相对于单个故障安全性是有利的，因此监控区的利用立体方法的三维监控特别适于优选使用。立体***可以最佳地使用现有的多个相机或图像获取单元。

将要理解的是，上述配置不仅与权利要求中所限定的设备有关，还与方法有关。因此，新方法具有与新设备相同或相似的配置。

在根据本发明的方法的第一实施方式中，第一保护区根据机器的实际规划的工作区而定，并且第二保护区根据第一保护区而定。

根据本发明的方法的另一实施方式，第二距离与第一距离之间的差值为限定的安全距离，所述限定的安全距离至少根据接近机器的外来物的估算接近速度、机器的关闭时间以及传感器单元的响应时间而定。

根据本发明的方法的另一实施方式，所述方法还包括以下步骤：借助于机器控制单元来控制机器的移位；利用用于机器的移位控制的参数来限定第一保护区。

在根据本发明的方法的另一实施方式中，所述方法包括以下过程步骤：在检测到机器进入到第一保护区的情况下，对第二保护区进行适应性调整，特别对第二距离进行适应性调整。

在根据本发明的方法的另一实施方式中，所述方法包括以下过程步骤：确定表示至少一个外来物的空间位置的距离值，其中，距离值通过渡越时间测量过程以及/或者通过两个相机图像的立体对比来确定。

将要理解的是，在不背离本发明的范围的情况下，上文所提到的以及还将在下文进行描述的特征不仅可以以分别陈述的组合的方式使用，而且还可以以其他组合的方式或其自身单独地使用。

附图说明

本发明的示例性实施方式在附图中示出并且在下面的描述中进行了详细地描述。在附图中：

图1示出了新设备的简化示图；

图2以框图的方式示出了新设备的简化示图；

图3示出了以一定角度从下方观察的可以在新设备中使用的相机***的立体图；

图4示出了用以说明根据第一实施方式的新设备和新方法的工作原理的简化示图；以及

图5示出了用以说明根据另一实施方式的新设备和新方法的工作原理的简化示图。

具体实施方式

在图1和图2中，新设备的优选示例性实施方式整体由附图标记10表示。

设备10包括至少一个传感器单元12，所述至少一个传感器单元12被设计成监控其中设置有自动操作的***或机器——在这种情况下为机器人24——的空间区域或监控区14的。为此，传感器单元12优选地包括朝向监控区14定向的相机***16。相机***16优选地配置为包括至少第一相机18和第二相机20的立体相机***的形式。相机18、20提供了要被保护的监控区14的两个略微相互偏移的图像。由于相机18、20相对于彼此偏移并且利用三角关系，从传感器单元12至监控区14中的物体的距离可以利用相机图像来确定。在上述EP1 543 270 B1中公开了此类型的优选的传感器单元。在另一示例性实施方式中，传感器单元12可以包括渡越时间相机。这意味着相机一方面产生要被监控的区域的2D图像。另外，该相机提供从渡越时间测量获得的距离信息。传感器单元12还可以被设计成作为3D扫描器进行操作以及/或者可以利用使得能够产生要被保护的监控区域的3D图像的不同的技术。

而且，在其他示例性实施方式中，成对的多个1D和/或2D传感器以及/或者所述多个1D和/或2D传感器作为一个整体可以形成提供监控区14的所需的3D图像的3D传感器单元。因而，将立体相机***16用作新设备10的传感器单元12不是绝对必要的但是优选的。

传感器单元12连接至控制器22。控制器22被设计成对由相机***16获得的监控区14的图像进行分析，并且根据该分析，在检测到危险情况的情况下使机器人24停止或进入安全状态。与图1中示出的不同，传感器单元12和控制器22还可以集成在共同的外壳中。控制器22优选地包括评估单元26和配置单元28(见图2)。评估单元26配置成对由相机***16记录的相机图像进行分析，并且在危险情况的情况下，评估单元26配置成触发与安全相关的功能，例如关闭机器人24。相比之下，如在下面利用图4和图5来详细描述的，配置单元28用于限定至少两个虚拟保护区30、32。

评估单元26和配置单元28中的任一者都可以实施为既基于软件又基于硬件的单独的单元。替代性地，所述两个单元26、28还可以在控制器22内实施为基于软件或基于硬件的共同的单元。图1中示出的传感器单元12、控制器22以及机器24之间的连接可以各自构造为有线连接或无线连接。可以可选地设置由附图标记34表示的光源以照亮监控区14。在本发明的一些示例性实施方式中，光源34可以用于产生光信号，通过该光信号的渡越时间可以确定到监控区14中的物体的距离。在当前优选的示例性实施方式中，然而，光源34仅用于监控区14的照明。如已经在上面提到的，优选地利用立体图像记录实现监控区14的3D记录。

此外，图1也示意性地示出了由附图标记36表示的输入模块。所述输入模块36可以用于设备10的安装和配置，特别是传感器单元12的安装和配置。如下面所详细描述的，所述输入模块36特别用于虚拟保护区30、32的配置和手动调节。输入模块36作为专用的输入面板可以适用于设备10。替代性地，输入模块还可以通过其上安装有适于设备10的安装和配置的软件的常规计算机来实现。

此外，应当提及的是，设备10还可以包括借助于总线或不同的通信媒介互相连接的多个评估单元26。而且，传感器单元12的一部分信号和数据处理性能可以位于评估单元26中。例如，利用相机18、20的立体图像进行的物体的位置确定可以在也实施评估单元26的计算机中执行。另外，传感器单元12不一定必须要位于单个外壳中。相反，出于本发明的目的，传感器单元12还可以分布在多个模块和/或壳体中，但优选的是尽可能紧凑地实施传感器单元12。

图3示出了如由申请人以名称SafetyEYE(安全眼)发布的传感器单元12的优选实施方式。根据所述实施方式，传感器单元12包括以大致平面板的形式构造的***本体38。所述板38在此具有大致菱形的覆盖区。总共三个相机单元40a、40b、40c设置在***本体38的四个“拐角”中的三个拐角中。由附图标记42表示的安装部可以用于将传感器单元12附接至壁、桅杆或类似物(在此未示出)。在此情况下，安装部42为具有使得***本体38能够绕至少两个相互正交的旋转轴线枢转的多个旋转接头44、46的安装臂。***本体还可以优选地绕与其正交的第三旋转轴线枢转。然而，在图3的视图中相关的旋转接头被遮挡。相机单元40a、40b、40c因而可以相对简单地朝向要被监控的监控区14定向。所述三个相机单元40a、40b、40c在***本体38上跨越呈三角形。由所述相机单元产生的相机图像因而相对于彼此略微偏移。相机单元40a、40b或者相机单元40a、40c各自形成相机对，其中，在所述示例性实施方式中，相机单元40a、40b彼此之间的距离以及相机单元40a、40c彼此之间的距离都完全相等且不变。所述两个距离各自形成了相机对40a、40b以及40a、40c的立体分析的基础宽度。而且，原则上相机对40b、40c也可以用于单独的立体分析。由于所述两个立体相机对40a、40b以及40a、40c没有沿着共同的直线设置，因此监控区14中的例如由于被其他物体遮挡而将不能够由单个相机对观察到的物体也可以被检测到。而且，利用三个相机单元40a、40b、40c确保了：至监控区14中的任何物体的距离都可以被确定。如果要使用仅两个相机单元，则可能不会确定至与基础宽度平行行进的长形轮廓的距离。

本发明的很重要的一点是对保护区30、32以及保护区30、32的功能的限定，这将在下文中利用图4和图5通过示例的方式来详细描述。设备10使得能够建立可以借助于传感器单元12进行监控的虚拟的三维保护区30、32。保护区30、32的限定优选地通过上述配置单元28进行。保护区30、32可以借助于优选地具有软件支持的配置单元28来或者手动地或者自动地建立。

在本方案中具有通过设备10建立的至少两个保护区，第一保护区30和第二保护区32。第一保护区30基本上用于监控机器24是否遵从机器24的实际规划的工作区48。所述第一保护区30与机器24相距第一距离50并且至少部分地围绕机器。如图4和图5中所示，第一距离50是从第一保护区50的面向机器24的内部界限51测量的。第二保护区32基本上用于监控外来物例如人是否从外部接近机器24。所述第二保护区32与机器24相距第二距离52，该第二距离52比第一保护区30距机器24的第一距离50大。因而，也就是说第二保护区32更向外。如图4和图5中所示，与第一距离50相比，第二距离52是从第二保护区52的远离机器24的外部界限53测量的。保护区30、32的外形以及因此保护区30、32的距离50、52可以根据应用可变地限定。如已经描述的，例如可以使用输入模块36(见图1)。

传感器单元12既监控保护区30又监控保护区32。在图3中所示的实施方式的情况下，由相机单元40a、40b、40c产生的相机图像因而覆盖所述两个保护区30、32。也就是说，保护区30、32因而位于监控区14内。利用评估单元26对相机图像进行分析，以便检测机器24的机器元件是否进入第一保护区30，以及/或者外来物是否从外部进入第二保护区32。如果所述事件中的一个事件发生，则评估单元26触发与安全相关的功能，由此使机器进入安全状态。

与迄今已知的这种类型的安全***相比，设备10因而不仅检测外来物是否从外部接近机器24的危险工作区48，而且检测机器24本身是否遵从其规划的工作区48。由于特别地迄今已知的安全***不执行检测机器24本身是否遵从其规划的工作区48的检查，因此方案在所述***中限定的保护空间(对应于第二保护区32)必须被限定在——与本方案中能够实现的保护区相比——距机器24更远的距离处。由于在所述***中，通常不对机器24本身是否遵从其规划的工作区48进行监控，因此安全距离(S＝K·(t₁+t₂)+C+Z_g)通常从机器24的机器理论上可以达到的最大可能的工作区进行测量。所述最大可能的工作区在图4中用附图标记48’表示。在没有机器24本身的额外的监控的情况下，保护区32因而将包括基于最大可能的工作区48’的额外的安全距离，额外的安全距离在图4中用附图标记54’表示并且根据上文的标准公式进行计算。因而，此时保护区32将不得不显著地更向外，即保护区32相比图4中所示的将与机器24相距更远的距离。

然而，由于在本方案中建立了监控机器24的工作区48的第二保护区30(被认为是第一保护区30)，因此保护区32的外部界限53距机器24的总距离(被认为是第二距离52)可以减小，而这不会导致安全性损失。由于新的传感器单元12现在可以检测机器24是否无意地离开其规划的工作区48，因此基于机器24的技术上最大可能的工作区48’确定安全距离54’的尺寸不再是必要的。所示的安全距离54实际上始终优选地是与所示的安全距离54’相同的安全距离，但是在本方案中，所示的安全距离54是从实际规划的工作区48开始测量的，而不是从机器24的理论上最大可能的工作区48’测量的。

新设备10因而使得能够减小第二安全区32的外边缘53与机器24之间的总距离。更精确地，所述距离减小量对应于机器24的理论上最大可能的工作区48’与机器24的实际规划的工作区48之间的差值。所述空间增量在图4中由d表示。

如已经提出的在根据本发明的设备10中在没有安全性损失的情况下的可能的距离减小量在特别是在其中安装有若干自动操作机器的生产车间中证明其自身是极其有利的。由于每个单独的机器的监控区可以总体减小，因此，这使得多个自动操作机器能够布置成在他们之间具有相对较小的间隔。

第二距离52与第一距离50之间的差值对应于在上文计算的安全距离S(54)。两个保护区优选地包括宽度56，该宽度56至少对应于上文的公式中的记录的穿入深度C。第一保护区30的宽度(沿径向方向测量的)优选地对应于机器24的理论上最大可能的工作区48’与机器24的实际规划的工作区48之间的差值。

代替安全区30、32的手动限定或者安全区30、32距机器24的距离50、52的手动限定的是，可以自动地执行安全区30、32的限定或者安全区30、32距机器24的距离50、52的限定。如图2中示意性地示出的，配置单元28为此可以联接至机器控制器58。这使得第一保护区30能够利用用于机器24的移位控制的参数而被指定。保护区30、32的形状可以出自例如如图5中所示的这些形状。在文中示出的示例中，机器24仅在由虚线表示的运动半径60内移动。未设想使机器24在所述运动半径60以外枢转。在运动半径60以外，第一保护区30和第二保护区32因此可以非常靠近机器24。所谓的第一距离50和第二距离52因此是可变的。如果机器24的移位被重新编程，那么在将配置单元28联接至机器控制单元48的情况下，这一定会自动地关于机器24的新的实际规划的工作区48对保护区30、32进行重新限定，而不需要由操作者重新编程。由于第二保护区32与第一保护区30之间的安全距离按标准预先确定，因此仅第一保护区30不得不在任何情况下适应机器24的新的规划的工作区48，这是因为第二保护区32的适应根据第一保护区30而自动发生。

将要理解的是，所述两个保护区30、32当然也可以根据应用而偏离圆形形状或半圆形形状。所述两个保护区30、32还可以例如是成角度的形状。然而，所述两个保护区30、32优选地各自呈三维空间的形式，其厚度至少对应于穿入深度C。

Claims

1.一种用于保护监控区(14)的设备(10)，在所述监控区(14)中设置有自动操作机器(24)，所述设备具有用于监控所述监控区(14)的传感器单元(12)、用于限定至少一个第一保护区(30)和至少一个第二保护区(32)的配置单元(28)、以及用于触发与安全相关的功能的评估单元(26)，

其中，所述第一保护区(30)与所述机器(24)相距第一距离(50)，并且所述第二保护区(32)与所述第一保护区(32)相比与所述机器(24)相距更大的第二距离(52)，并且

其中，所述传感器单元(12)监控所述第一保护区(30)和所述第二保护区(32)，

其中，所述传感器单元(12)包括朝向所述监控区(14)定向的相机***(16)，其中，由所述相机***(16)产生的相机图像覆盖所述第一保护区(30)和所述第二保护区(32)，并且其中，所述评估单元(26)对相机图像进行评估以检测所述机器(24)的机器元件是否进入所述第一保护区(30)以及外来物是否进入所述第二保护区(32)，并且所述评估单元(26)配置成在所述机器(24)的机器元件进入所述第一保护区(30)以及外来物进入所述第二保护区(32)中的至少一者发生的情况下触发所述与安全相关的功能。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一保护区(30)根据所述机器(24)的实际规划的工作区(48)而定。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第二保护区(32)根据所述第一保护区(30)而定，并且所述第二距离(52)与所述第一距离(50)之间的差值为限定的安全距离。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述限定的安全距离至少根据接近所述机器(24)的外来物的估算接近速度、所述机器(24)的关闭时间以及所述传感器单元(12)的响应时间而定。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述配置单元(28)包括用于限定所述第一保护区(30)和/或所述第二保护区(32)的输入模块(36)。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述机器(24)的运动由机器控制单元(58)控制，并且其中，所述配置单元(28)联接至所述机器控制单元(58)，以便利用用于所述机器(24)的运动控制的参数来限定所述第一保护区(30)。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述与安全相关的功能导致关闭所述机器(24)，或者在检测到所述机器(24)进入所述第一保护区(30)的情况下所述与安全相关的功能导致所述第二保护区(32)的适应性调整。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述与安全相关的功能导致关闭所述机器(24)，或者在检测到所述机器(24)进入所述第一保护区(30)的情况下所述与安全相关的功能导致所述第二距离(52)的适应性调整。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述第一保护区(30)和所述第二保护区(32)是至少部分地围绕所述机器(24)的虚拟的三维保护区。

10.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述相机***(16)是多通道冗余式多视点相机***。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述传感器单元(12)配置成用以确定表示至少一个外来物的空间位置的距离值，其中，所述距离值由渡越时间测量法以及/或者通过两个相机图像的立体比较来确定。

12.一种用于保护监控区(14)的方法，在所述监控区(14)中设置有自动操作机器(24)，所述方法包括下述步骤：

-提供用于监控所述监控区(14)的传感器单元(12)，其中，所述传感器单元(12)包括朝向所述监控区(14)定向的相机***(16)；

-限定至少虚拟的第一保护区(30)和虚拟的第二保护区(32)，其中，所述第一保护区(30)与所述机器(24)相距第一距离(50)，并且所述第二保护区(32)与所述第一保护区(30)相比与所述机器(24)相距更大的第二距离(52)；

-通过所述传感器单元(12)来监控所述第一保护区(30)和所述第二保护区(32)，其中，由所述相机***(16)产生的相机图像覆盖所述第一保护区(30)和所述第二保护区(32)；

-对所述相机图像进行评估以检测所述机器(24)的机器元件是否进入所述第一保护区(30)以及外来物是否进入所述第二保护区(32)；以及

-在检测到所述机器(24)的所述机器元件进入所述第一保护区(30)以及/或者外来物进入所述第二保护区(32)的情况下触发与安全相关的功能。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一保护区(30)根据所述机器(24)的实际规划的工作区(48)而定，并且其中，所述第二保护区(32)根据所述第一保护区(30)而定。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二距离(52)与所述第一距离(50)之间的差值为限定的安全距离，所述限定的安全距离至少根据接近所述机器(24)的外来物的估算接近速度、所述机器(24)的关闭时间以及所述传感器单元(12)的响应时间而定。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，还具有下述步骤：

借助于机器控制单元(58)来控制所述机器(24)的移位；

利用用于所述机器(24)的移位控制的参数来限定所述第一保护区(30)。