DE10324627A1

DE10324627A1 - Arbeitsraumüberwachung für automatisiert arbeitende Maschinen

Info

Publication number: DE10324627A1
Application number: DE2003124627
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Baldauf; Sebastian Dipl.-Ing. Elgeti; Sven Dipl.-Ing. Horstmann; Steen Dr.-Ing. Kristensen; Jens Lehmann; Björn Rüscher; Andreas Dr.-Ing. Stopp
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2005-01-05

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung einer Umgebung einer automatisiert arbeitenden Maschine (1), bei dem eine erste zu überwachende Zone (10) auf das Eindringen von Objekten (9) überwacht und, wenn ein eindringendes Objekt (9) erfasst wird, ein Nothalt der Maschine (1) durchgeführt wird, beschrieben. Es wird ferner eine Ausdehnung einer zweiten zu überwachenden Zone (11) in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit wenigstens einer sich bewegenden Komponente (3) der Maschine (1) festgelegt, die zweite zu überwachende Zone (11) auf das Eindringen von Objekten (9) überwacht und, wenn ein eindringendes Objekt (9) erfasst wird, eine Schutzreaktion durchgeführt, durch die ein Eindringen des Objekts (9) in die erste zu überwachende Zone (10) vermieden wird.

Description

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Überwachung einer Umgebung einer automatisiert arbeitenden Maschine, bei dem eine erste zu überwachende Zone auf das Eindringen von Objekten überwacht und, wenn ein eindringendes Objekt erfasst wird, ein Nothalt der Maschine durchgeführt wird.
Beim praktischen Einsatz von automatisiert arbeitenden Maschinen oder Robotern hat die Sicherheit von Personen höchste Priorität. Personensicherheit ist vor allem bei mobilen, insbesondere autonom mobilen Maschinen gefordert. Aber auch die Sicherheit von im Wirkungsbereich der Maschine befindlichen Objekten muss gewährleistet sein, damit Kollisionen der Maschine mit diesen Objekten vermieden werden, die zu Beschädigungen sowohl der Maschine als auch der Objekte führen können. Aus diesen Gründen muss im Betrieb einer automatisiert arbeitenden Maschine deren Umgebung ständig überwacht werden. Hierzu werden beispielsweise Kameras oder auf Reflexion von Laserlicht oder Ultraschall basierende Abstandssensoren eingesetzt. Mit solchen Sensoren werden definierte Zonen der Umgebung der Maschine überwacht und in diese Zonen eintretende Objekte, bei denen es sich auch um Personen handeln kann, erfasst. Es ist bekannt, als Schutzreaktion einen Nothalt der Maschine herbeizuführen, sobald in einer solchen Zone ein eingetretenes Objekt erfasst wird.
Nachteilig an einem Nothalt der Maschine ist, dass die Maschine nach Erfolgen des Nothalts nur mit einem zeitraubenden und umständlichen Arbeitsaufwand erneut in Betrieb gesetzt werden kann. Ein Produktionsfluss wird dadurch gehemmt, kostspielige Verzögerungen in der Fertigung sind die Folge.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Absicherung der Umgebung einer automatisiert arbeitenden Maschine vorzustellen, das es der Maschine bei Erfassung eines Objekts in ihrer Umgebung erlaubt, derart zu reagieren, dass ein Notstopp nach Möglichkeit umgangen wird, ohne die Sicherheit herabzusetzen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es mit der zweiten Zone, die im Schritt (c) in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit wenigstens einer sich bewegenden Komponente der Maschine festgelegt wird, Objekte schon im Vorfeld zu registrieren, noch bevor diese in die erste Zone geraten, in der sie einen Nothalt bewirken. Die Maschine erhält dadurch die Möglichkeit, eine solche Schutzreaktion auszuwählen, die eine Gefährdung des Objekts bzw. durch das Objekt vermeidet, wobei nach den gegebenen Möglichkeiten ein Eindringen des Objekts in die erste Zone zu vermeiden versucht wird. Je höher die Geschwindigkeit der beweglichen Komponente, die beispielsweise ein Manipulatorarm eines stationär installierten Roboters sein kann, oder, sofern es sich um eine mobile Maschine handelt, der gesamten Maschine ist, desto stärker wird die zweite Zone in Richtung der Geschwindigkeit ausgedehnt, um Objekte schon frühzeitig zu erfassen. Es wird eine enorm gesteigerte Flexibilität der Maschine bezüglich ihrer Einsatzfähigkeit für verschiedenste, auch veränderliche Umgebungen erreicht, da der Eintritt eines Notstopps sofern möglich umgangen wird.
Die Schutzreaktionen der Maschine können in einem Katalog zusammengefasst sein, aus dem die betreffende Schutzreaktion ausgewählt wird. Beispielsweise kann eine optionale Schutzreaktion in einer Geschwindigkeitsreduktion und/oder einem Anhalten und/oder einer Ausweichbewegung, zu der auch eine Rückwärtsbewegung der Maschine zählt, der wenigstens einen Komponente bestehen.
Vorteilhafterweise wird der Schwerpunkt der zweiten zu überwachenden Zone der wenigstens einen bewegten Komponente in ihrer Bewegungsrichtung vorgelagert festgelegt. Auf diese Weise werden schon frühzeitig in die Zone eindringende Objekte registriert. Die Sicherheit wird dadurch erhöht, da die Schutzreaktion frühzeitig ausgelöst wird. Gleichzeitig wird keine Verarbeitungsleistung unnötig zur Überwachung von Raumbereichen aufgewandt, von denen keine Gefährdung ausgeht, weil bekannt ist, dass die Maschine in diese Raumbereiche nicht eindringen wird.
Vorzugsweise ist bei dem Verfahren eine dritte zu überwachende Zone vorgesehen. Wird ein Objekt in dieser dritten zu überwachenden Zone registriert, so wird daraufhin die Geschwindigkeit der wenigstens einen Komponente, also beispielsweise die Geschwindigkeit des Manipulatorarms oder der mobilen Maschine, reduziert. Alternativ oder zusätzlich zur Geschwindigkeitsreduktion kann ein akustisches oder visuelles Warnsignal abgegeben werden. Dabei kann die dritte zu überwachende Zone die erste zu überwachende Zone und/oder die zweite zu überwachende Zone umgeben, um gewissermaßen eine Vorwarnzone zu bilden, in der Objekte erfasst werden, noch bevor sie in die erste oder zweite zu überwachende Zone eindringen können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Objekt vorteilhaft als Person erkannt werden. Nach Erkennen des Objekts als Person kann eine Bewegung der Person verfolgt und auf grund dieser Bewegung ein geeignetes Ausweichmanöver für die Maschine geplant und ausgeführt werden. Dabei läßt sich eine Bewegungsabsicht der Person beispielsweise durch Erfassen ihrer Blickrichtung oder durch ein Tracking der Trajektorie erkennen. Ein solches Verfahren wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn die Aufgabe der Maschine darin besteht, mit Personen zu interagieren, indem sie der Person beispielsweise ein Werkstück übergibt oder von ihr entgegennimmt, da sich mit ihm zwischen gewollten und ungewollten Annäherungen der Person unterscheiden läßt.
Um der Person bei gewollten Annäherung ein Eindringen in die Zone zu erlauben, wird wenigstens ein Feld aus wenigstens einer der Zonen ausgeblendet. Bevorzugterweise wird das auszublendende Feld mit Polyedern maskiert.
Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit werden die Schutzreaktionen auch dann veranlasst, wenn die Überwachung der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Zone ausfällt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf einen Roboter und seine von ihm überwachte Arbeitsumgebung bei einer ungeplanten Annäherung an eine Person;
2 eine schematische Draufsicht auf den Roboter und seine von ihm überwachte Arbeitsumgebung bei einer erhöhten Geschwindigkeit des Roboters;
3 eine schematische Draufsicht auf den Roboter und seine von ihm überwachte Arbeitsumgebung bei Rechtsfahrt des Roboters;
4 eine schematische Draufsicht auf einen Roboter und seine von ihm überwachte Arbeitsumgebung und einer Person, deren Blickrichtung erfasst wird;
5 eine schematische Draufsicht auf den Roboter und seine Umgebung zu Beginn einer geplanten Annäherung an eine Person
6 eine Draufsicht auf den Roboter bei der Interaktion mit der Person; und
7 eine Draufsicht auf den Roboter nach der Interaktion.
Zur Erläuterung der Erfindung wird in den Figuren ein autonom fahrender Roboter 1 mit einem Fahrgestell 2 und einem an dem Fahrgestell montierten gelenkigen Arm 3 sowie einem Schwerpunkt 17 herangezogen. Im Folgenden wird jedoch offensichtlich werden, dass die Anwendung der Erfindung auf einen Roboter mit einer stationären Basis und in Bezug auf diese Basis beweglichen Teilen oder auf einen fahrbaren Roboter ohne Manipulatorarm lediglich eine Vereinfachung des nachfolgend beschriebenen Falls darstellt.
Das Fahrgestell 2 hat mehrere Räder 4, 5, von denen wenigstens bestimmte 5 unter der Kontrolle einer (nicht dargestellten) Steuerschaltung des Roboters lenkbar bzw. antreibbar sind. Die Steuerschaltung verfügt über ein Arbeitsprogramm, das für eine vom Roboter 1 zu erledigende Aufgabe wie etwa den Transport eines Werkstücks von einem Ort A zu einem Ort B auszuführende Bewegungen festlegt. Das Steuerprogramm definiert z. B. auch Bewegungen des Arms 3, die zum Aufnehmen eines Werkstücks oder zum Absetzen desselben durchzuführen sind. Aufnehmen und Absetzen des Werkstücks können z. B. darin bestehen, dass das Werkstück aus der Hand einer Person in Empfang genommen wird, oder einer Person angereicht wird; das Programm kann auch die Möglichkeit vorsehen, dass der Roboter an einem nicht vordefinierten Ort oder zu einem nicht vorde finierten Zeitpunkt auf Empfang eines Schlüsselreizes wie etwa eines Zurufs von seiten einer Person ein Werkstück in Empfang nimmt oder anreicht.
Der Roboter ist mit einer Sensorik zum Wahrnehmen seiner Umgebung ausgestattet, die ein oder mehrere Kameras, z. B. eine an einem Mast erhöht über dem Fahrgestell montierte katadioptrische Kamera 6 mit Rundumblick, am Arm 3 mit diesem bewegliche Sensoren 7, z. B. Laserscanner-Abstandssensoren, Ultraschallsensoren oder dgl. umfasst. Weitere Sensoren 7 können am Fahrgestell 2 vorgesehen sein. Generell sind alle Typen von Sensoren geeignet, die es der Steuerschaltung ermöglichen, durch Einzel- oder synoptische Verarbeitung der von ihnen gelieferten Daten nicht nur das Vorhandensein von Hindernissen in der Umgebung des Roboters 1, sondern auch Position und Entfernung einzelner Hindernisse zu ermitteln.
1 zeigt den Roboter 1, während er sich in Erledigung einer im Steuerprogramm beschriebenen Aufgabe auf einem autonom gewählten Kurs von einem Ausgangspunkt A zu einem Ziel B bewegt. Rings um den Roboter ist eine Mehrzahl von Zonen definiert, die sich mit dem Roboter bewegen und von dessen Sensorik überwacht werden.
Eine der ersten Zone entsprechende innerste Zone 10 stellt eine Schutzzone dar. Wenn die Steuerschaltung ein Objekt in dieser Schutzzone erfasst, so hat dies den sofortigen Nothalt des Roboters zur Folge. Bei dem hier als Beispiel betrachteten Roboter setzt sich die Schutzzone 10 aus einer fahrgestellbezogenen Zone 10a und einer armbezogenen Zone 10b zusammen, die durch die am Arm 3 montierten Sensoren 7 aufgespannt ist und sich, wenn der Arm 3 sich in Bezug auf das Fahrgestell 2 bewegt, mit dem Arm mitbewegt. Alternativ könnte auch die ganze Schutzzone 10 fahrgestellbezogen sein; in dem Fall sollte sie zweckmäßigerweise die gesamte Reichweite des Arms 3 einschließen, wie in 1 durch den strichpunktierten Umriss 10c angedeutet.
Um die Schutzzone 10 herum erstreckt sich eine Überwachungszone 11 mit Schwerpunkt 18, welche der zweiten Zone entspricht und deren Verletzung durch ein Objekt wie etwa eine Person 9 die Steuerschaltung dazu veranlasst, den Kurs des Roboters, soweit die Platzverhältnisse in der Umgebung dies zulassen, so zu ändern, dass das Objekt aus der Überwachungszone verschwindet, und einen neuen Kurs zum Ziel B zu ermitteln. Im Falle der 1 reagiert die Steuerschaltung auf die Erfassung der Person in der Überwachungszone 11, indem sie den Roboter 1 vom ursprünglichen Kurs 12 abweichend in die mit 13 bezeichnete Richtung lenkt. So wird ein Zusammenstoß mit der Person 9, die dem Roboter 1 den Rücken zukehrt, vermieden.
Schließlich ist noch eine der dritten Zone entsprechende Warnzone 14 zu erwähnen, die die Überwachungszone 11 umgibt. Diese ist – wie auch die Überwachungszone 11 – in der Fahrtrichtung 12 des Roboters ausgedehnter als quer zu oder entgegen dieser Richtung, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Zeit, die dem Roboter zum Reagieren auf die Erfassung einer Person zur Verfügung steht, in Fahrtrichtung wesentlich kürzer ist als in seitlicher Richtung oder entgegengesetzt zur Fahrtrichtung. Die Wirkung der Warnzone 14 ist, dass der Roboter bei Erfassung eines Objekts in der Warnzone die Geschwindigkeit aller seiner Bewegungen – sowohl der Fahrtbewegung als auch ggf. von Bewegungen seines Arms – im Vergleich zur bei freier Warnzone 14 gefahrenen Geschwindigkeit drosselt, um im Falle des Eindringens des Objekts in die Überwachungszone 11 mehr Zeit für Ausweichbewegungen zu haben.
Die Überwachungszone 11 hat die Eigenschaft, dass ihre Ausdehnung je nach Geschwindigkeit des Roboters 1 eingestellt wird. In 2 bewegt sich der Roboter 1 mit größerer Geschwindigkeit in Richtung des Kurses 12 als in 1. Aufgrunddessen wird die Überwachungszone 11 in Vorwärtsrichtung ausgedehnt, wie bei einem Vergleich der Überwachungszone 11 in 1 und 2 gesehen werden kann. Infolge der Ausdehnung der Überwachungszone 11 verschiebt sich ihr Schwerpunkt 18 nach vorne. Somit liegen die Schwerpunkte 17 und 18 des Roboters 1 und der zweiten Zone 11 weiter auseinander als in 1. Dies erlaubt es, Objekte schon frühzeitig zu erfassen und gibt der Steuerschaltung die bei erhöhter Geschwindigkeit des Roboters 1 benötigte längere Zeit zum Lenken des Roboters 1, um rechtzeitig Kollisionen zu vermeiden.
Beabsichtigt der Roboter beispielsweise eine Rechtsdrehung auszuführen, so werden die Überwachungszone 11 sowie die Warnzone 14 in entsprechender Weise nach rechts geschwenkt, wie in 3 zu sehen. In diesem Fall verschiebt sich der Schwerpunkt 18 in seitlicher Richtung. Die Verschwenkung der Überwachungszone 11 und der Warnzone 14 nach rechts erfolgt dabei noch bevor der Roboter 1 mit seiner beabsichtigten Rechtsdrehung beginnt, um zu sehen, ob ein für die Drehbewegung benötigter Raum frei von hinderlichen Objekten ist. Sollte dem nicht so sein, so reagiert der Roboter 1 auf die beschriebene Weise mit einer entsprechenden Schutzreaktion. Entsprechendes gilt für eine beabsichtigte Linksdrehung des Roboters 1.
Mit der Kamera 6 ist eine Mustererkennung möglich, die es erlaubt, eine Blickrichtung einer Person 9 zu erkennen. 4 zeigt den Fall einer bei hoher Geschwindigkeit des Roboters 1 in die Überwachungszone 11 eingedrungenen Person 9, deren Blickrichtung 19 durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Blickrichtung 19 wird von der Kamera 6 erfasst und von der Steuerschaltung anhand einer Mustererkennung als solche erkannt. Aus der Blickrichtung 19 schließt die Steuerschaltung auf eine beabsichtigte Bewegung der Person 9. Anhand dieser beabsichtigten Bewegung wird für die Maschine eine passende Ausweichbewegung und Bewegungsrichtung ausgewählt.
5 zeigt den Roboter 1 und die Person 9 in einer Situation, wo die Person 9 ein Werkstück 8 an den Roboter 1 überge ben will. Eine solche Situation kann sich ergeben, wenn der Roboter am Ort A gemäß seinem Arbeitsprogramm darauf wartet, dass ihm das Werkstück 8 angereicht wird, oder wenn er zu einem beliebigen Zeitpunkt einen in seinem Arbeitsprogramm definierten Schlüsselreiz wahrnimmt. Dieser Schlüsselreiz kann z. B. ein Zuruf durch die Person 9 sein, die Tatsache, dass die Steuerschaltung anhand eines von der Kamera 6 gelieferten Bildes die Person 9 als eine erkennt, der der Roboter 1 als Assistent zugeordnet ist, dass der auf die Greifhand am Ende des Arms 3 gerichtete Blick der Person 9 erkannt wird, etc. In einer solchen Situation „rechnet" der Roboter 1 mit einer Kontaktaufnahme von seiten der Person 9 und stellt sich darauf ein, indem die Steuerschaltung in seinem Überwachungsbereich 11 eine Entsicherungszone 15 ausspart, in die die Person 9 eindringen kann, ohne dass dies zu einem Ausweichen des Roboters 1 führt. Wenn dies geschehen ist, so zeigt der Roboter dies mit einem optischen oder akustischen Signal an, das der Person 9 deutlich macht, dass der Roboter 1 zum Kontakt bereit ist.
Die Entsicherungszone 15 überschneidet sich mit einer Stoppzone 16, die mit der Entsicherungszone 15 kongruent sein kann, die aber auch größer oder kleiner sein, z. B. die in 5 mit 15a bzw. 15b bezeichneten Grenzen haben kann. Sobald die Person 9 in die Stoppzone 16 eindringt, stellt der Roboter jegliche Bewegung ein. Da von ihm nun keine Gefahr mehr ausgeht, kann die Schutzzone 10 zeitweilig aufgehoben werden. Dies kann auf ihrer gesamten Ausdehnung geschehen, auf den Teil 10b beschränkt oder, wie in 6 gezeigt, nur in so weit, wie sich die Entsicherungszone 15 und die Schutzzone 10 überschneiden. In der Situation der 6 kann die Person 9 die Greifhand des Roboters berühren und das Werkstück 8 hineingeben. Die einzige Bewegung, die dem Roboter 1 in dieser Situation erlaubt ist, ist ein behutsames Schließen der Greifhand, sobald Kraftsensoren der Greifhand die Berührung des Werkstücks erfassen.
7 zeigt, wie sich die Person 9 nach erfolgter Übergabe des Werkstücks 8 an den Roboter 1 von diesem entfernt. Als nächstes wird der Roboter die Entsicherungszone 15 aufheben, dies mit einem optischen oder akustischen Signal anzeigen und seinen Weg fortsetzen.
Selbstverständlich kann eine Übergabe eines Werkstücks vom Roboter 1 an die Person 9 in analoger Weise ablaufen. Auch eine Übergabe von Werkstücken oder eine beliebige Art der Interaktion von zwei Robotern untereinander ist möglich, indem beide in der oben beschriebenen Weise vorgehen, um sich gegenseitig die Kontaktaufnahme zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zur Überwachung einer Umgebung einer automatisiert arbeitenden Maschine (1), mit den Schritten (a) Überwachen einer ersten zu überwachenden Zone (10) auf das Eindringen von Objekten (9); und (b) wenn im Schritt (a) ein eindringendes Objekt (9) erfasst wird, Durchführen eines Nothalts der Maschine (1); dadurch gekennzeichnet, dass es ferner folgende Schritte umfasst (c) Festlegen einer Ausdehnung einer zweiten zu überwachenden Zone (11) in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit wenigstens einer sich bewegenden Komponente (3) der Maschine (1); (d) Überwachen der zweiten zu überwachenden Zone (11) auf das Eindringen von Objekten (9); und (e) wenn im Schritt (d) ein eindringendes Objekt (9) erfasst wird, Durchführen einer Schutzreaktion, durch die ein Eindringen des Objekts (9) in die erste zu überwachende Zone (10) vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzreaktion aus einem Katalog optionaler Schutzreaktionen für die Maschine (1) ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalog eine Geschwindigkeitsreduktion und/oder ein Anhalten und/oder eine Ausweichbewegung wenigstens der einen Komponente (3) als optionale Schutzreaktion umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt der zweiten zu überwachenden Zone (11) der wenigstens einen bewegten Komponente (3) in ihrer Bewegungsrichtung vorgelagert festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (f) eine dritte zu überwachende Zone (14) auf das Eindringen von Objekten (9) überwacht wird; und (g) bei Erfassung des Eindringens eines Objekts (9) in die dritte Zone (14) die Geschwindigkeit der wenigstens einen Komponente (3) reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (f) eine dritte zu überwachende Zone (14) auf das Eindringen von Objekten (9) überwacht wird; und (h) bei Erfassung des Eindringens eines Objekts (9) in die dritte Zone (14) ein akustisches oder visuelles Warnsignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte zu überwachende Zone (14) die erste zu überwachende Zone (10) und/oder die zweite zu überwachende Zone (11) umgebend festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beurteilt wird, ob das Objekt (9) eine Person ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erkennen des Objekts (9) als Person eine Bewegung der Person verfolgt wird und eine als Schutzreaktion durchgeführte Ausweichbewegung anhand der Bewegung der Person (9) ausgewählt und ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine beabsichtigte Bewegung der Person (9) anhand ihrer Blickrichtung erkannt wird und eine als Schutzreaktion durchgeführte Ausweichbewegung anhand der beabsichtigten Bewegung der Person (9) ausgewählt und ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Feld (15) aus wenigstens einer der Zonen (10; 11; 14) ausgeblendet wird, um einer Person (9) ein Eindringen in die Zone (10; 11; 14) zu erlauben.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das auszublendende Feld (15) mit Polyedern maskiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzreaktion ausgelöst wird, wenn die Überwachung wenigstens einer der Zonen (10; 11; 14) ausfällt.
Maschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.