TWI769747B - 計算自動化機器之安全範圍的方法及控制機器人的裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種計算自動化機器(機器人)之安全範圍。利用輪廓球體模擬機器人區段。接著將各個輪廓球體擴大為安全球體，以計算出機器人的安全範圍，其中擴大的程度是由侵入安全範圍的物件(例如人)的速率決定。

Description

計算自動化機器之安全範圍的方法及控制機器人的裝置
本發明涉及一種計算自動化機器之安全範圍的方法及裝置。
圖1顯示一個作為例子的機器人140，此機器人具有一個底座120、3個關節130、3個可以經由3個關節130移動的手臂段135、以及一個延伸段125。延伸段125可以容納物件。圖1中元件符號110代表機器人的理論最大工作範圍，亦稱為機器人的危險範圍或危險區。這個例子的危險範圍110相當於一個球體，這個球體將機器人140的3個關節130的每一種關節角度的組合能夠達到的範圍都包含在內。安全範圍是一個與機器(機器人)的危險範圍必須保持的距離。
規範DIN EN ISO 13855及ISO/TS 15066對於自動化機器安全範圍有一般性的規定，但是並未明確說明應如何計算出安全範圍。雖然規範ISO/TS 15066的距離方程式的一般積分形式涵蓋所有的應用情況，但並不適於在實務上直接應用，因為計算安全範圍所需的部分數據通常無法得知，而且計算工作非常繁瑣。
規範DIN EN ISO 13855利用以下的方程式計算安全距離S：S=(K x T)+C
其中K代表規定的機器速率，T代表從安全範圍被侵入到機器停機的持續時間，C代表此處應忽視的感測器的一個常數。這個規範僅適用於靜態危險範圍(例如圖1中元件符號115標示的範圍)，也就是適用於典型的工具機，在運轉期間這種機器所在的位置是固定不變的。因此以下的方程式並不能應用在運轉期間危險範圍會移動的工業用機器人。
以圖1為例，靜態安全範圍115相當於一個球體，這個球體包含位於自身之中心區的機器人工作範圍球體110，也就是危險範圍。靜態安全範圍115的優點是提供很高的安全性。但是以球體模擬的安全範圍115的一個缺點是其尺寸(也就是延伸範圍)會佔用工業廠房很大的空間。元件符號150代表一個光柵/光簾，元件符號100代表光柵的監控面。如果一個物件穿過監控面，光柵就會發出一個訊號。除了光柵外，實務上也可以使用其他的監控裝置，例如地面掃描器。
另一個缺點是，實際上很少真的需要這麼大的安全範圍，因為機器人通常是在特定的路徑上移動，因此根本不會到達危險範圍110的某些區域。如圖2所示，將機器人路徑180(從點A到點B)考慮進去，可以將需要注意的危險範圍110縮小到危險範圍111，以及將安全範圍115縮小到安全範圍116。這種作法應加入機器人的軸監控作為安全函數。
除了前面描述的模擬方法外，之後又有一些能夠模擬出更精確的安全範圍的方法被提出。例如，可以利用機器人輪廓、機器人運動學(有時亦稱為姿態)、機器人程式(設定機器人路徑的程式)，自動計算出局部時間(以機器人程式的一個時間點為準)危險範圍。然後從這個局部時間危險範圍向外垂直(也就是從危險範圍的每一個點朝法線方向)繪出一個安全距離，這個安全距離 相當於從人侵入安全範圍的時間點到機器停機所移動的距離。但是這種方法在實務上很難被落實。因為危險範圍及安全範圍的3D模擬需要進行大量的計算工作，因此無法做到實時模擬。
本發明的目的是一種能夠自動且高效率的計算出工業用機器人的安全範圍的方法。此處所稱的效率涉及計算量及/或計算出的安全範圍的形狀及尺寸。
採用具有本發明之獨立專利請求項之特徵的方法即可達到上述目的。附屬專利請求項之標的為本發明的各種有利的實施方式。
本發明的基本構想是可以透過簡單的可參數標度區段模擬機器人輪廓及安全範圍，以提高計算效率。
本發明的特殊之處是透過計算各個安全區段(特別是安全球體)，以求出安全範圍。考量造成安全範圍被侵入之物件的速率，以標度各個安全球體的尺寸。利用這種可標度的安全球體可以簡單(有可能實時)且精確的計算出局部時間安全範圍及全時間安全範圍。根據這個計算結果決定機器人設備的定位，可以使廠房的生產空間獲得更有效的利用。
本發明的方法能夠自動計算機器人的安全範圍，這種方法包括以下的步驟：利用若干個包含機器人輪廓的輪廓球體模擬機器人的危險範圍；求出機器人在時間點t0的安全範圍，包含在時間點t的若干個安全球體，其中時間點t晚於安全範圍被物件侵入的時間點t0，對輪廓球體而言：輪廓球體在時間點t的位置相當於一個安全球體的位置，這個安全球體的半徑比相應的輪廓球體 的半徑大上一個數值，而且這個數值會隨時間點t及一事先給定的物件速率而改變。
此外，本發明還提出一種控制機器人的裝置。這種裝置具有以下的特徵：具有一個輸入端，用於接收感測器因發現安全範圍被物件侵入而發出的訊號，一個根據接收到的訊號控制機器人路徑的控制裝置，以及一個計算安全範圍用的安全範圍計算裝置：利用若干個包含機器人輪廓的輪廓球體模擬機器人的危險範圍；求出機器人在時間點t0的安全範圍，包含在時間點t的若干個安全球體，其中時間點t晚於安全範圍被物件侵入的時間點t0，對輪廓球體而言：輪廓球體在時間點t的位置相當於一個安全球體的位置，這個安全球體的半徑比相應的輪廓球體的半徑大上一個數值，而且這個數值會隨時間點t及一事先給定的物件速率而改變。
此外，本發明的方法還可以增加一個求出機器人路徑的步驟，其中計算出的機器人在時間點t0的安全範圍是一個局部時間安全範圍，這個安全範圍是將各個安全球體會聚在一起計算而得，包含計算出的機器人路徑在每一個連續的時間點ti(i是大於0的整數)的M個相應的安全球體的所有輪廓球體。
此外，本發明的方法還可以增加一個求出全時間安全範圍的步驟，這個安全範圍是由將機器人的若干個局部時間安全範圍會聚在一起求出的機器人路徑計算而得，這些局部時間安全範圍是由機器人路徑或機器人路徑段的所有時間點t0計算而得。
例如，如果一個輪廓球體從時間點tj到局部時間安全範圍的計算結束一直處於停止狀態，則從時間點tj開始數值保持不變。
根據一種有利的實施方式，計算機器人在時間點t0的安全範圍的步驟包含：求出一包含各個輪廓球體之路徑的機器人路徑，其中機器人路徑跟蹤一反應移動及/或止動移動，以及根據求得的機器人路徑求出各個輪廓球體在時間點t的位置。
此外，如果因安全開關啟動而得知安全範圍被侵入，則機器人路徑可以跟蹤一反應移動及/或止動移動，如果不是因安全開關啟動而得知安全範圍被侵入，則機器人路徑可以跟蹤機器人正常運轉時的一個移動。
在執行本發明的方法時，模擬機器人的危險範圍包含計算機器人的兩個關節之間的輪廓球體的理想數量的步驟，此時一個相當於兩個輪廓球體之間相交的圓的直徑大致等於機器人手臂的寬度。
此外，本發明的方法還可以利用安全感測器測得物件在時間點t0的位置，以得知安全範圍被侵入，並依據測得的物件位置控制機器人路徑。
例如，機器人路徑測定時間點tx(x是大於0的整數)的順序及輪廓球體的相應位置，並在時間點tx的每一個時間點重新測定機器人的安全範圍，以根據重新測定的安全範圍得知安全範圍被侵入。
另一個可以增加的步驟是控制感測器的定向，使其與計算出的安全範圍一致。
物件可以是人。在這種情況下，本發明的方法增加的步驟是將人的頭部及/或人的一隻手或雙手視為分離的人體區段進行測定，以得知是否有任何一個人體區段侵入任何一個安全球體的安全範圍。
另一個步驟是將計算出的安全範圍儲存為各個安全球體的位置及尺寸，用以呈現計算出的安全範圍。
本發明還提出一種控制機器人的裝置，包括：一個輸入端，用於接收感測器因發現物件侵入安全範圍而發出的訊號，一個根據接收到的訊號控制機器人路徑的控制裝置，以及一個計算安全範圍用的安全範圍計算裝置：利用若干個包含機器人輪廓的輪廓球體模擬機器人的危險範圍；求出機器人在時間點t0的安全範圍，包含在時間點t的若干個安全球體，其中：(a)時間點t晚於安全範圍被物件侵入的時間點t0，(b)對輪廓球體而言：輪廓球體在時間點t的位置相當於一個安全球體的位置，這個安全球體的半徑比相應的輪廓球體的半徑大上一個數值，而且這個數值會隨時間點t及一事先給定的物件速率而改變。
此外，本發明的裝置還可以包括一個用於控制感測器之定向的感測器控制器，其中感測器可以測得物件的位置及/或移動。
1:正常移動/機器人路徑/路徑
2:反應移動/反應路徑/路徑
3:止動移動/止動路徑/路徑
4,4a-4h:輪廓球體
5,7d:半徑
6,6a-6h:安全球體
8:機器人/機器人輪廓
8a,8b,8c,8d:輪廓球體
8a:機器人底座
8b,8c:機器人軀幹
9,115,116:安全範圍
100:監控面
110,111:危險範圍/球體/機器人工作範圍
120:底座
125:延伸段
130:關節
135:手臂段
140:機器人
180,900,1120:機器人路徑
810,820,830:模組
910:碰撞段落
940:局部安全段落
1110:機器人
1130:3D邊緣點數量
以下配合圖形及對於圖形的描述，對未在前面說明的本發明的細節、優點及特徵做進一步的說明。其中：
圖1：一個機器人及其危險範圍與靜態安全範圍示意圖。
圖2：一個機器人及其根據機器人路徑縮小的危險範圍與靜態安全範圍示意圖。
圖3：一個機器人及其危險範圍示意圖。
圖4：與機器人的正常移動、反應移動、止動移動相應的機器人路徑示意圖。
圖5：一個輪廓球體的機器人路徑示意圖。
圖6：將輪廓球體的半徑擴大，以計算安全球體的示意圖。
圖7：一個機器人區段的安全範圍計算示意圖。
圖8：顯示本發明的一種實施方式達到的面積縮減量與機器人速率的關係。
圖9：比較本發明的實施方式及先前技術求出的不同的機器人速率下的4個安全範圍。
圖10：顯示計算出的安全範圍及相應的輪廓球體路徑。
圖11：一個表示計算出的安全範圍的3D邊緣點群組。
圖12：顯示除了球體外，其他可以使用的區段形式。
圖13：以示意方式顯示如何計算將機器人包覆住的輪廓球體的數量。
圖14：以示意方式顯示如何根據機器人手臂長度計算輪廓球體的數量。
圖15：一個描述安全範圍計算的方塊圖。
圖16：一個計算局部安全區段(安全球體)的例子。
圖17：各個輪廓球體的路徑示意圖。
圖18：一個計算總安全區段及無所不包的安全區段的例子。
圖19：將不同的運轉模式及其安全功能整合在一張表中。
圖20：以示意方式顯示利用圓或球體模擬人體區段。
圖21：以分開呈現頭部及雙手的方式模擬人體區段的示意圖。
圖22：顯示一個總協作區段的例子。
圖23：顯示一個使用本發明的方法計算安全範圍的系統的方塊圖。
圖24：一個計算安全範圍的方法的流程圖。
本文所稱的"機器人"是指任何一種可移動的自動化機器。機器人可以具有一或多隻手臂，其中每隻手臂可以有一或多個關節，而且每一隻手臂 都可以具有一或多個可透過關節移動的手臂段。此外，機器人可以具有一個基座(例如底座)，以支撐一或多隻彼此獨立或協同工作的手臂。手臂的移動是其所有手臂段之移動的總合。手臂段是跟著關節角度的改變而移動。在運轉期間，基座(以及機器人)可能是靜態的，也可能沿著一個移動路徑移動。例如，工業上使用的在路徑上移動的機器人，或是可以自由移動的機器人。此外，機器人的一隻(或多隻)手臂可以有一個延伸段，例如爪子、工具或其他類似構造，這個延伸段可以抓取物件或對物件進行加工。基座及/或延伸段均屬於機器人構件，因此在計算安全範圍時也要被考慮進去。這也適用於可能在機器人路徑上被機器人(例如延伸段)移動的物件。本發明的適用範圍並不限於特定形式的自動化機器，也就是說本發明適用於任意形狀及功能的自動化機器。例如，機器人也可以沒有手臂，機器人的任一部分也可以在路徑或其他支撐物上移動。機器人構件的移動(位置及移動期間的定向)被稱為機器人運動學。對機器人手臂而言，這大致相當於關節角度。
本發明的方法是以若干數量的基本區段分段模擬機器人的輪廓。基本區段可以有不同的尺寸。然後透過的擴大基本區段，與機器人路徑一致並考量侵入安全範圍的物件速率，計算出安全範圍。換句話說：安全範圍是本身是由安全區段會聚而成(不同於直接以模擬的危險範圍進行計算)。
以這種方式可以有效率的計算出局部時間及全時間安全範圍。局部時間安全範圍是在一特定的時間點t0，也就是安全範圍被侵入的時間點，計算出的安全範圍。全時間安全範圍是由所有可能的局部時間安全範圍會聚而成的安全範圍。這些局部時間安全範圍是在機器人路徑上每一個時間點t0計算 出的安全範圍。全時間安全範圍則是考量(模擬)機器人路徑上安全範圍被侵入的要一個時間點計算出的安全範圍。
本發明的一種有利的實施方式是由以下(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)等特徵組合而成。這些特徵可以轉換成計算步驟，或是透過適當的構件落實在裝置中。
(a)利用輪廓球體模擬機器人的危險範圍
首先以多個球體來描繪機器人。圖3顯示一個這種描繪方式。接著以若干數量的輪廓球體8a,8b,8c,8d,...描繪機器人輪廓8，這些輪廓球體將整個模擬的機器人輪廓包含(包覆)在內。每一個輪廓球體的半徑rkonturkugel不一定相同。圖中的符號M代表輪廓球體的數量。每一個輪廓球體都代表一部分的危險範圍。在一個時間點t的全部數量(M個)輪廓球體就是機器人在這個時間點的姿勢的整個危險範圍。機器人的姿勢是由各個關節130的關節角度所定義。當機器人運轉時，機器人的姿勢通常會隨著時間改變。為達到求出安全範圍的目的，不必計算危險範圍(也就是輪廓球體會聚而成的範圍)。
由於機器人輪廓僅需要簡單的計，因此利用球形區段描繪機器人輪廓是很實用的作法。另一個原因是只需要球體的位置(例如球體的中心點的位置)及球體的半徑就可以描繪一個球體。透過各個球體的不同大小的半徑可靈活有效的達到參數化及機器人輪廓描繪的目的。由M個球體會聚定義出的危險範圍(參見圖3)明顯小於危險範圍110，這對於計算出的安全範圍的形狀及尺寸有很大的影響。
(b)安全範圍被侵入的時間點t 0
如前面所述，機器人通常是執行預編程序的移動。在正常運轉狀態下，機器人的移動相當於第一"正常"(一般)機器人路徑。如果發現安全範圍被侵入，則可以改變機器人路徑。這個機器人的移動是由一個反應移動及一個止動移動組成。圖4以示意方式顯示一個與機器人路徑相應的機器人區段或模擬機器人區段的輪廓球體的正常移動1、反應移動2、止動移動3。
在機器人路徑上，安全範圍在一任意時間點t0被侵入。從時間點t0開始測定(計算)剩餘的機器人移動，例如根據機器人及系統數據表測定(計算)剩餘的機器人移動。所謂安全範圍被侵入是指物件(例如一個人)進入(侵入)當前的安全範圍。利用本發明的方法或是其他的方法都可以求出特定機器人路徑之運轉的當前的安全範圍。可以透過一或數個感測器測得安全範圍被侵入，例如透過按下安全按鈕或透過一或數個移動或圖像感測器。
一般而言，可以預先設定計算反應移動2及/或止動移動的程序，而且可以與不同參數有關聯，例如機器人與物件的相對位置及/或機器人的速率及/或物件的速率。根據輪廓球特有的路徑1，計算每一個輪廓球體的反應移動2及止動移動3。
(c)輪廓球體的路徑
例如，當安全範圍被侵入後，可以用輪廓球體(4a至4h)在時間點ta至th的位置表示輪廓球體4的路徑(2，3)
如圖5所示，在從(逐步)計算出的反應路徑2及止步路徑3求出的路徑點上，將最切的輪廓球體4(在時間點t0且具有一已知半徑的輪廓球體)複製 到位置4a至4h。換句話說，圖5顯示代表一相應的機器人區段的輪廓球體4(具有半徑5)在各反應路徑時間點或止動路徑時間點ta至th(相應於輪廓球體4a至4h的位置)的危險範圍。對輪廓球體4a至4h及接下來相應的安全範圍的計算而言，機器人路徑的時間分辨率(相鄰時間點的距離)是可以配置的。為機器人路徑的不連續的時間點計算出的安全範圍近似從一個連續的移動路徑得出的安全範圍。
圖5是用來說明要計算的安全範圍模型。輪廓球體的複製並非一定必須以計算方式進行。輪廓球體4a至4h的位置決定了要計算的安全球體的位置，然後這些安全球體再會聚成一個安全範圍。
(d)擴大輪廓球體
如圖5所示，輪廓球體4在每一個時間點ta至th的移動路徑就是一個具有半徑5的輪廓球體。如圖6所示，根據本發明的方法將半徑5擴大，擴大量(Term)為rexp=△t *νM，以便將相應的機全球體包含在內。圖6顯示輪廓球體4在時間點td在移動路徑3上為輪廓球體4d。輪廓球體4d擴大為半徑7d的安全球體6d。經擴大而成的安全球體6d的中心點與其所屬的輪廓球體4d的中心點相同，但半徑為r安全球體=r輪廓球體+rexp=r輪廓球體+△t *νM。符號r輪廓球體代表輪廓球體的半徑5。速率νM是侵入安全範圍的物件的速率。例如，這個速率實際上可以是人的速率。人的速率(或一般所稱的物件速率)可以是規範規定的常數，例如νM=1600mm/s。本發明的適用範圍不限於任一特定速率vm。這個速率可以是固定的速率(例如規範規定的速率)，也可以是估計的速率(例如根據物件的種類估計的速率，例如人、機器人、車輛、或其他類似物件的速率)、及/或測量的速率 (例如在時間點t0測得的速率)。符號△t代表輪廓球體4d在其反應路徑或止動路徑上的時間點t與時間點t0之間的時間差，也就是△t=t-t0。
換句話說，輪廓球體4d在時間點t(在本例中為td)經過計算被擴大為安全球體6d。其中對輪廓球體4而言，在時間點t，輪廓球體4d與安全球6d在同一位置，但是安全球體6d的半徑7d比輪廓球體4d的大上一個數值rexp，而且rexp會隨時間點t(相對於時間點t0)及一事先給定的物件速率vm而改變。
(e)輪廓球體的在一預定移動路徑上的安全範圍
接著將相應的輪廓球體4的移動路徑在各個時間(tiε{ta,tb,...,th})的安全球體6a-6h會聚成一個機器人區段(以輪廓球體4模擬的區段)的安全範圍9。這個步驟顯示在圖7中。因此輪廓球體4在各個位置(移動路徑的時間點)都會形成相應的安全球體6a-6h。對反應路徑及止動路徑的每一個近似的時間點ti都計算出一個安全球體。
機器人8在機器人路徑1的任一時間點t0的整個安全範圍是由所有的機器人區段(以M個輪廓球體8a,8b,8c,8d,...的模擬)的安全範圍會聚而成。換句話說：輪廓球體4的安全範圍9只是機器人的安全範圍的一部分。這個機器人的安全範圍的專業用語稱為”動態安全範圍”或”局部時間安全範圍”，因為它涉及在時間點t0被侵人的安全範圍。在實際應用上，重點並不在於是否要先將輪廓球體移動路徑的時間點的安全球體會聚成相應的輪廓球體的安全範圍，然後再將局部時間安全範圍內的所有輪廓球體會聚在一起，或是把上述過程反過來做。本發明的方法可用任意順序進行計算工作，只要局部時間安全範圍是由各個安全球體會聚而成即可，包含一個機器人路徑或機器人路徑在每一個連續 的時間點ti(i是大於0的整數)的M個相應的安全球體的所有輪廓球體8a,8b,8c,8d。例如，此處所稱的機器人路徑是直到機器人停下來為止的反應路徑及/或止動路徑，或是在時間點t0之後的一個其他的路徑。也可以僅對機器人路徑的一部分(區段)進行安全範圍的計算。一般而言，機器人路徑相當於機器人的關節角度連續的時間點ti(i是大於0的整數)產生的結果。換句話說，計算機器人在一個時間點的安全範圍的步驟包括測定包含各個輪廓球體的路徑的機器人路徑，其中機器人路徑跟隨一反應移動及/或止動移動，以及根據測得的機器人路徑測定各個輪廓球體在時間點t的位置。
會聚所有動態安全範圍形成”靜態”或”全時間”安全範圍，也就是一個覆蓋整個機器人路徑的安全範圍。計算全時間安全範圍的一個步驟包括求出由機器人8的若干個局部時間安全範圍會聚成的機器人路徑，這是由整個機器人路徑或機器人路徑的一個區段在所有時間點t0的安全範圍計算而得。此處所稱的整個機器人路徑相當於一個在時間點t0之前及之後的機器人路徑。但是本發明也容許僅計算整個機器人路徑的一個區段的總安全範圍。
換句話說，局部安全範圍涉及安全範圍被侵入之時間點(以及涉及隨之而來的機器人路徑)。總安全範圍則是涉及機器人在運轉過程中的機器人路徑。
例如，可以利用光柵監控總安全範圍。通常光柵沒有能力在路徑的每一個時間點監控另一個範圍。也可以利用其他的監控裝置(移動感測器，照相機，光掃描器或其他類似裝置)監控隨著時間改變的範圍。
(f)輪廓球體的靜止狀態
根據一種有利的實施方式，如果一個輪廓球體從時間點tj到局部時間安全範圍的計算工作結束(也就是到機器人路徑或機器人路徑區段的終端)均處於靜止狀態，則其大小自時間點tj開始保持不變。
自輪廓球體不再移動的時間點開始，也就是輪廓球體的絕對速率(平移及旋轉)一直到機器完全停止都是0，相應的安全球體就的半徑不會再擴大。特徵(d)的方程式不再適用於這個輪廓球體。這造成的結果是，靜止的構件不會把安全範圍擴大，因此可能發生碰撞。就安全技術而言，這個效應與規範一致。對於機器人而言，這可能導致以下的效應：在整個機器人程序都處於靜止狀態的機器人底座(基座)8a不會將安全範圍擴大，因此rexp的數值為0。如果機器人軀幹(8b，8c)比機器人手臂更早進入靜止模式，則機器人軀幹從這個時間點開始不再擴大其安全範圍，而機器人手臂則會繼續擴大其安全範圍。
換句話說，如果一個輪廓球體處於靜止狀態，而且一直到機器人達到完全靜止狀態的時間點也都處於靜止狀態，則這個輪廓球體的大小保持不變。
前面提及的特徵(a)及特徵(d)的組合可以提供一種非常特別的安全範圍計算方式，因為僅需將半徑的和計算出來，就可以求出反應路徑點或止動路徑點的輪廓球體的整個安全範圍(參見圖7)。這個計算可以毫無困難的以實時計算的方式進行。
特徵(d)本身的一個優點是可以明確的根據方向及速率計算移動過快的輪廓球體的安全距離。反之以先前技術計算出的安全範圍通常在所有方向的安全距離都是一樣大。
由於機器人可能以極快的速率移動，因此特徵(b)具有很大的優點。在安全範圍被侵入後，如果未考慮或僅是簡化的考慮危險範圍的移動，這可能導致形成部分不夠安全的安全範圍。
所有特徵(a)至(f)的組合求出的安全範圍比先前技術計算出的安全範圍明顯小很多。第一次分析發現，在低速範圍安全範圍縮小約0-35%，在中速範圍，大約縮小45-65%，在高速範圍，大約縮小65-75%。這顯示於第8、9及10圖。圖8是比較按照本發明的實施方式(NeuA)及先前技術計算出的隨機器人速率變化的局部時間安全範圍的面積縮小程度。圖9是以4個機器人速率為例，比較按照本發明的實施方式(NeuA)及先前技術計算出隨機器人速率變化的局部時間安全範圍的面積縮小程度。圖10顯示按照本發明的實施方式(NeuA)及先前技術模擬的安全範圍的中間結果。在NeuA的安全範圍內可以看到各個碰撞球體(輪廓球體)的軌跡。
另一個優點來自於以球體的數量表示安全範圍。從數據量與結果精確性的關係來看，這種數據格式是非常有利的。此外，也可以將結果(安全範圍)換算成其他格式，例如換算成一個2D邊緣點數量(參見圖9)，或換算成一備3D邊緣點數量(參見圖11)。在圖11中，機器人1110在機器人路徑1120上移動。根據機器人路徑1120計算出的全時間3D安全範圍有一個由3D邊緣點數量1130定義的邊界。
根據本發明的一種實施方式產生一種數據格式(數據結構)。機器人的安全範圍(局部時間及/或全時間)以電子方式被偖存在這種數據格式中。利用若干數量的球體定義安全範圍，每一個球體都是以其位置(例如中心點)及尺寸(例如半徑)標示。位置可以被定義在任意一個座標系內，例如相對於機器人 區段及/或輪球體。透過各個球體儲存安全範圍的優點是儲存效率比較高，因為儲存成3D外殼的點通常比儲存成各個球體要麻煩。此外，在發生碰撞時，可以辨識出各個發生碰撞的球體，並以這些球體進行進一步的計算，而不是用複雜許多的外殼進行計算。
計算安全範圍的方法可以包含一個儲存安全球體的位置及尺寸的步驟，這些偖存的內容描述求出的安全範圍。此外，本發明的方法還可以包含一個減少已儲存(需儲存)的安全球體的數量的步驟，其作法是如果一個球體整個被包含在另一個球體內，則不儲存這個球體。這個步驟也有助於減少需儲存的數據量。本發明的方法還可以包含另一個減少已儲存(需儲存)的安全範圍的安全球體數量的步驟，其作法是如果一個球體整個被包含在複數個球體的外殼內，則不儲存這個球體。可以將複數個球體限制為2個球體、或最多3個、4個、或更多個球體。
本發明應用於工業機器人及輕巧型機器人是很有利的，例如用於工業製造。其他的應用領域包括人-機器人協作環境、無人駕駛運輸系統(FTS)、自動駕駛(自動駕駛汽車)等。
一般而言：本發明的安全範圍計算方法可以應用於任何一種運動學裝置(汽車也是一種運動學裝置，只是其關節連接方程式不同於前面描述的機器人8)。
前面描述的實施方式顯示了一個具體的例子。本發明可以有不同的實施方式。一般而言，本發明是用於計算機器人的安全範圍，其中是以若干數量的安全球體模擬機器人。安全球體相當於在機器人路徑的一個點將一個 機器人區段包覆住的輪廓球體的位置。這種模組化的表述方式可用於計算安全範圍被侵入後的動態安全範圍。
本發明的安全範圍計算方法可用於計算任何一種安全範圍，例如局部時間或全時間安全範圍，或是計算從安全範圍被侵人後，部分機器人輪廓球體及/或部分機器人路徑的部分安全範圍。本發明亦可用於計算複數個機器人的安全範圍。
以輪廓球體模擬機器人輪廓是一種很好的模擬方式。但是除了球體外，原則上也可以用其他基本形狀模擬機器人輪廓。圖12(c)部分的上方顯示一個作為基本區段的球體。此處以一個半徑r及高度2h的圓柱體描繪一個機器人區段(例如機器人手臂的一部分)，其中這個圓柱體被一個半徑R的輪廓球體包覆住。在圖12中，輪廓球體被稱為碰撞區段(KS)。相同的圓柱形機器人區段在(b)部分是由一個長方體形的KS來模擬，在(a)部分是由一個圓柱體形的KS來模擬。從圖12可以看出，長方體有3個參數(a，b，c)，圓柱體有兩個參數(r，h)，因此這兩種基本形狀在計算及儲存上都比較複雜。此外，要找出以這些比較複雜的基本形狀模擬的安全範圍的邊緣點也比較麻煩。但是另一方面，球體以外形狀的碰撞區段(也就是說非球體形狀的碰撞區段)可能可以更好的模擬機器人的形狀，因而更精確的呈現機器人輪廓，例如若使用(a)部分，就是以圓柱形KS模擬大致上為圓柱形的機器人區段。因此一種可能的實施方式是一部分機器人區段被模擬為球體，另一部分機器人區段被模擬為圓柱體或其他形狀的KS。另外一些可能的實施方式是所有機器人區段全部是以一種不同於球體的KS形狀來模擬，例如圓柱體或長方體。未來隨著數據處理系統及電腦的計算效能提升，這些實施方式可能會變得更為有利。
為了更精確的計算出安全範圍，一種有利的方式是KS將機器人區段完全包覆住。但是在一些其他的實施方式中，KS只將機器人區段大部分包覆住，也就是說僅是大致包覆住，但並非完全包覆住。
在圖12的(c)部分中，KS球體的體積Vkugel=4/3πR3。機器人區段是一個體積為Vzylinder=πr2．2h的圓柱體，其中r2=R2-h2。因此根據KS可以將圓柱體的體積表示為：Vzylinder=π．(R2-h2)．2h=2πR2h-2πh3 Vzylinder=2πR2-6πh2
其中Vzylinder是Vzylinder的一個微分(d/dh)。當
Figure 110110121-A0305-02-0019-5
。因此
Figure 110110121-A0305-02-0019-7
。
這樣就可以形成圓柱體形狀的機器人區段，其中圓柱體(高度2h，圓柱半徑r)整個位於一個半徑為R的球體內。
圖13顯示一個以若干個輪廓球體(碰撞區段)模擬的機器人手臂。機器人手臂有兩個關節Ga及Gb，其中關節Ga是由碰撞區段KS0模擬，關節Gb是由碰撞區段KSn模擬。在兩個關節之間有其他的碰撞區段(KS)，在本例中有3個KS。本發明對於如何將機器人分割成機器人區段及碰撞區段並無任何限制。一般而言，KS最好是盡可能將機器人緊密的包覆住。但是在某些應用場合最好是盡可能使用最小數量的KS。球體狀的KS非常靈活，因此可以支持任意的優化條件，此等優化條件同時將所需的KS數量及KS的尺寸考慮進去。
圖14顯示一個將KS配置轉換為機器人手臂的例子。在這個轉換中，模擬機器人的一個危險範圍包含計算機器人的兩個關節Ga及Gb之間的輪廓球體的數量(n+1)的步驟，其中一個相當於兩個輪廓球體之間的相交的圓的直徑 大‧‧‧致等於機器人手臂的寬度(或是包含機器人手臂的整個輪廓)，也就是說InterKS1KS2=機器人手臂寬度。
本發明對於計算安全範圍被侵入後的安全範圍特別有利。這個計算可能會隨著安全範圍被侵入後的機器人路徑路線而變化。安全範圍被侵入後的機器人路徑也可能隨著安全範圍被侵入的方式而變化。本發明的基本構想是，利用基本區段模擬機器人輪廓，其中這些基本區段構成各個碰撞區段的基礎。碰撞區段的尺寸會隨著估計或測得的造成安全範圍被侵入的物件的速率而改變。這個構想是很靈活的，可以跟許多具體的應用範圍適配。
圖15顯示如何以3個功能模組計算安全範圍。
可以在第一模組810中計算與機器人有關的碰撞區段。在這個模組中，整個機器人運動構造被分割成碰撞區段(KS)，並被模擬。如前面所述，首先是選擇KS的基本形狀(例如球體)。並非一定要選擇基本形狀，也可以簡單的設定所有的KS都是球體狀，因為球體對於實時計算特別有利。另一方面，如果對於計算速率的要求不高，或是硬體的計算效能很好，也可以選擇使用複數種基本形狀(參見圖12)。這個選擇可以用於模擬機器人所有的KS(也就是說一個選擇適用於所有的KS)，或是每一個機器人區段都選擇一次(根據機器人區段的形狀選擇)。這樣做可以縮小機器人區段與KS的體積差異，或是以複數的參數優化成本曲線。
但是如前面所述，在實際應用上，球體狀基本區段是最有利的。從安全範圍被侵入的時間點開始，物件/人就可能到達機器人的某一個可能的輪廓點，並可能與這個輪廓點發生碰撞。在大多數的情況下，人的移動(路徑，速率)是不知的。因此有一個規範將人的移動速率定為1.6m/s。如果人非常 靠近機器人，規範將人的手的移動速率定為2m/s。但這只是一個例子，這個規範規定的速率並不會對本發明造成任何限制。
因此必須假設人可能從所有想得到的方向移動到輪廓點。這個移動是直線形的，因為從安全技術的角度來看，直線形的移動是最快的移動方式，也就是說，這是人最快到達機器人的方式。因此環繞輪廓點形成一個球體，這個球體的半徑直接取決於自安全範圍被侵入後經過的時間。
由於一個包覆體並非僅由一個輪廓點構成，而是理論上是由無數個輪廓點構成，因此至少必須觀察若干個適當分佈(適當的分辨率)在輪廓上的輪廓點，以便能夠可靠的求出安全範圍。這使得包覆體(輪廓球體，一般稱為碰撞區段)的擴大並非僅標度擴大的包覆體，而是同時標度棱角倒圓(前提是包覆體具有棱角)。球體的形狀是特別有利的，因為球體沒有棱角。反之圓柱體及長方體都有棱角，這些棱角在模擬擴大時都必須被倒圓。
即使可以將帶有倒圓的棱角的長方體或圓柱體表示在一個數據結構中，計算這個擴大的包覆體的演算法仍然是很複雜。尤其是計算由個別擴大的KS會聚成的安全範圍將是一件很困難的工作，因為必須求出整個局部時間或全時間安全範圍的會聚結果(包覆體)。因此一種有利的方式是能夠快速的確認一個KS是否的另一個或另外好幾個KS的一部分，以便接下來的計算/儲存工作不必讀取這個多餘的KS，因而達到使計算/儲存工作的目的。反之：標度一個球體，然後將球體的棱角倒圓，會產生另一個球體。此外，安全區段的計算只是一個簡單的半徑相加的工作。
換句話說：球體狀的KS對於進一步處理由各個擴大的安全球體會聚成的球體會聚體特別有利。要計算邊緣點數量(例如圖9或圖11顯示的情況) 並不需要所有的安全球體。有一些比較小的球體位於比較大的球體內。要計算邊緣點數量(安全範圍)僅需最大佔用空間即可。因此接下來計算邊緣點數量時，不再需要將代表一個(或多個)較大球體之子空間的球體考慮進去。可以割捨這些較小的球體，也就是說不再需要儲存這些較小的球體，及/或接下來的計算不再考慮這些較小的球體。這個安全球體縮減步驟有助於進一步加快計算速率，以及減少所需的儲存空間。
以上的過程對局部時間安全範圍及全時間安全範圍的計算都是一樣的。檢驗一個球體是否是另一個球體的一部分是一件很容易的工作，只需測定兩個球體的中心點的距離(一個向量的數值部分)，如果符合球體1的半徑+中心點距離<球體2的半徑的條件，則球體1是球體2的一部分。這種簡單的計算方式不適用於其他
基本形狀的KS。
接著是計算碰撞區段的數量(參見圖13及圖14)。如果這個數量是經過優化計算而得(例如以成本曲線為基礎進行優化)，則可以將這個數量稱為”理數量”。
模組1是利用若干個碰撞區段為機器人提供一個機器人模型，這些碰撞球體將機器人整個或大部分包含在內，也就是說將機器人包覆住。
第二模組820是用於計算與路線有關的安全區段。如前面所述，這些安全區段可以包含單一的安全球體(安全區段)、局部安全區段、以及全時間安全區段。
子模組822用於計算局部安全區段(LSS)，這種局部安全區段相當於前面提及的安全球體。子模組824用於計算總安全區段(GSS)，這種總安全區 段相當於前面提及的局部時間安全範圍(對於一個安全球體)。子模組826用於計算無所不包的安全區段(USS)，這種無所不包的安全區段相當於全時間安全範圍。
一個機器人是由碰撞區段KS0→KSn組成。這些KS(每一個這種KS)都是在機器人路徑Gt0→Gtk上移動。一個在時間點Lt0的局部安全區段LSSKSn(Lt0)相當於碰撞區段910KSn((Gtx))。對這個區段的半徑R下式成立：RLSSKSn(Lt0)=RKSn(Gtx)。一個在時間點Lt1的局部安全區段LSSKSn(Lt1)的半徑為RLSSKSn(Lt1)=RKSn(Gtx)+Sm(Lt1)，其中Sm(Lt1)代表一個人在t0及t1之間能夠移動的距離。一個在時間點Ltm的局部安全區段LSSKSn(Ltm)的半徑為RLSSKSn(Ltm)=RKSn(Gtx)+Sm(Ltm)，其中Sm(Ltm)代表一個人在t0及tm之間能夠移動的距離。和圖中其他的LSS一樣，局部安全區段(LSS)940也是以虛線表示。每一個LSS的中心點都位於機器人路徑900上。Sr代表反應路徑的開端，Ss代表止動路徑的開端。以粗的虛線顯示的範圍990相當於一個在全時間點Gtx的總安全區段GSSKSn(Gtx)，安全範圍被侵入就是發生在這個總安全區段上。
每一個碰撞區段KSn在全時間點Gtx都有一個總安全區段GSSKSn(Gtx)。此處的總安全區段相當於前面描述的一個安全球體的局部時間安全範圍，並包含複數個局部時間Lt0→Ltm的局部安全區段LSSKSn(Lt0)→LSSKSn(Ltm)。在時間點Gtx
的機器人安全區段RSS(Gtx)包含碰撞區段KS0→KSn的所有總安全區段，也就是GSSKS0(Gtx)→GSSKSn(Gtx)。
圖17顯示一個機器人手臂的複數個碰撞區段(KS)。每一個KS都在個自的路徑上移動，這些KS的路徑共同構成機器人路徑。圖18顯示每一個碰 撞區段KSn都有一個，無所不包的安全區段USSKSn，其中USSKSn是由在全時間點Gt0→Gtk的無所不包的安全區段GSSKSn(Gt0)→GSSKSn(Gtk)所組成。為簡化圖面起見，圖18僅顯示兩個全時間點Gtk及Gtb的總安全區段。
以將相應的機器人無所不包的安全區段RUSS描述為包含：
1.碰撞區段KS0→KSn的所有無所不包的安全區段，也就是說：USSKS0→USSKSn SSKS0→RSSKS0
2.或是，與此相等的，Gt0→Gtk之間所有的機器人安全區段，也就是說：RSS(Gt0)→RSS(Gtk)
侵入安全範圍安全功能及機器人無所不包的安全區段RUSS假設機器人是一個盲系統，而且人可能從任何一個方向侵入，也就是說，人可以將機器人無所不包的安全區段RUSS作為靜態安全範圍使用(應用)。
第三模組830用於計算運轉模式安全區段，也就是說，在計算安全區段時將運轉模式及安全功能考慮進去。
圖19顯示可以在不同的運轉模式中被使用的安全功能一覽表，啟動各種安全功能的事件，安全功能產生的結果，以及安全功能是否是必要或是可以選擇使用的。圖19的表格區分4種運轉模式：1.安全額定監控停止(Safety-rated monitored stop,SRMS)，2.速率及分隔監控(Speed and separation monitoring,SSM)，3.手動導引(Hand Guiding,HG)，4.功率與力限制(Power and force limiting,PFL)。這些模式都是規範ISO/TS 15066定義的模式。本發明可以應用於其中一個或複數個模式。如前面所述，本發明亦可應用於規範及/或規範定義 的模式之外的場合。本發明可用於一或複數個機器人及/或物件。以下的例子僅是說明也可以應用本發明的例子，並不對本發明造成任何限制。
例如，前面描述的安全範圍被侵入可以是關於運轉模式SRMS及SSM的安全功能，如表格所示。當出現這種安全範圍被侵入的情況，也就是人進入危險範圍，其後果是必須將機器人停下來。這可以透過反應移動及止動移動來執行。但是一般而言(例如在另一種運轉模式中)，當安全範圍被侵入時，可以使機器人仍然在正常的路徑上移動，但是降低機器人的速率、功率及/或力。
在SSM模式中，一種可能發生的事件是，人相對於機器人的位置使機器人在碰撞到人之前無法停下來。可以透過對安全範圍監控獲知這個情況。在這種情況下，可以將機器人的速率降低到零，並改變機器人路徑。在PFL模式中，當偵測到接觸(碰撞)，將會將機器人停住。
在SSM模式中，辨識人體重心的安全功能是透過感測器偵測人的位置。這可以區分為兩種情況：連續及不連續。在連續的情況中，機器人安全區段RSS(Gtx)相當於動態安全範圍。這些範圍與Gt0到Gtk的機器人路徑聯結，而且會有規律的(在一個循環時間內)被更新。人可以在機器人附近工作，但必須待在機器人安全區段之外。在不連續的情況中，可以定義複數個協作範圍。機器人會根據人在這些範圍內的位置(或是人相對於這些範圍的位置)決定適當的速率。透過GSS的協助可以計算出機器人協作區段ROS(Gtx)。例如，可以透過擴大相應的機器人安全區段，求出機器人協作區段。
有時候，例如使用地面掃描器(2D感測器)時，一種有利的方式是另外計算手臂在所有方向的活動距離的安全範圍。圖20的例子是檢驗在時間點Gtx，人體
區段MS(Gtx)的所有的點的RSS(Gtx)。此處是以一個半徑RMS的圓模擬人體區段，其中RMS=肩寬+手臂活動距離(至少)。
如果是使用3D感應器，由於可以確實的測得人的頭部及雙手，因此可以將人體區段MS(Gtx)分割成3個區段HS1(Gtx)、HS2(Gtx)及HS3(Gtx)，如圖21所示。這種計算方法是檢驗在時間點Gtx，HS1(Gtx)、HS2(Gtx)及HS3(Gtx)的所有的點的RSS(Gtx)。
換句話說，模組830的目的是針對在所有不同運轉模式中必要的安全功能進一步調整安全區段。
機器人運轉模式”安全額定監控停止”(SRMS)及”速率及分隔監控”(SSM)之間的區別對於局部時間(以及全時間)安全範圍的計算沒有任何影響。更確切的說，這兩種模式定義了(在模組820)計算的安全範圍(作為基本構件)與上層安全系統的聯結，以及在必要時進一步調整這些安全範圍的可能方式。可以利用感測器偵測人的位置。如果人的位置侵入安全範圍的一部分，則可以調整後續的機器人路徑，以使安全範圍後縮，這樣人就不會侵入安全範圍。可以直接求出被人侵入的局部時間安全範圍的球體及相應的路徑區段。換句話說，可以控制機器人，也就是執行以下的步驟：在時間點t0，透過安全感測器測出物件位置，因而獲知安全範圍被侵入，並考量測得的物件位置控制機器人路徑。
圖22以示意方式顯示以接觸辨識及監控力的方式運作的運轉模式(PFL)。前面提及的安全功能及運轉模式是假定人與機器人之間不准或心應發生碰撞。在運轉模式PFL及受限制的框架條件中，例如ISO規範15066規定的最大力及/或最大力矩，允許機器人與人體的特定部位發生接觸。這表示可以將計算出的安全範圍(例如GSSKSn(Gtx))縮小，而且可以換算成容許的力。換句話說，FPL模式允許發生接觸，但前提是不能超過極限力。
例如，一種應用情況是假定最大容許力Fmax小於或等於極限力。可以直接套用規範規定的極限力，及/或根據經驗以多個試體進行試驗求出極限值。可以用彈簧模擬人體。根據虎克定律，彈簧的彈力與其伸長量(移動量)x成正比，也就是F=kx。人體的彈簧常數k是根據經驗設定的(也就是說是一預先規定的值)。
在碰撞期間，機器人的動能△Ekin等於位能Epot，也就是說下式成立：△Ekin=1/2(1/(m R -1+m H -1)(v R -v H )2及Epot=1/2 kx 2
其中m H 代表人體質量，mR代表機器人質量，v H 代表人的速率，v R 代表機器人的速率。
從方程式△Ekin=Epot可以推導出：
Figure 110110121-A0305-02-0027-1
如前面所述，v H 可以是預先規定的，也可以是測量而得。從最大力Fmax(小於等於極限力)可以按下式計算容許速率v R ：
Figure 110110121-A0305-02-0028-2
換句話說，PFL運轉模式允許人與機器人發生碰撞，但是碰撞力不能大於Fmax。由此可以計算出容許速率v R ，機器人在時間點tx與人發生碰撞時的容許速率。與其他運轉模式不同的是，在PFL中，這個容許速率大於0，而且從t0到tx的時間短於從t0到停下來的時間。此時是沿著一條較短的路徑計算機器人的安全範圍，因此可以縮小安全範圍。計算方式如前面所述。
換句話說，以一種應用情況為例，計算安全範圍的方法包含的一個測定機器人路徑的步驟。機器人路徑止於時間點tx，此時機器人的速率為v R (而且v R >0)，而且這個速率v R 是根據一個預先規定的最大力計算而得，也就是機器人可能作用在人體上的最大力。以另一種應用情況為例，機器人路徑(止動路徑)止於機器人進入止動模式(此時v R =0)的時候。
圖22顯示一個碰撞區段KSn在時間點Gtx的一個總協作區段GOSKsn。總協作區段是根據安全範圍GSSKSn求得。在這個例子中(PFL)，安全範圍GSSKSn是在機器人達到容許速率的時間點tx求得的安全範圍。在另一個例子中(例如SSM)，安全範圍GSSKSn是在機器人速率等於0的時間點求得的安全範圍。
可以用不同的方式應用求得的安全範圍。
根據一種實施式，如果因安全開關啟動而得知安全範圍被侵入，則機器人路徑跟蹤反應移動及/或止動移動。如果不是因安全開關啟動而得知安全範圍被侵入，則機器人路徑跟蹤機器人正常運轉時的一個移動。這種實施方式只是許多可能的應用方式中的一種，且相當於與規範DIN ISO 13850定義的以”Stop 0”到”Stop 1”命名的安全範圍被侵入的方式對應的不同操作方式。一 般而言，可以從時間點t0開始根據安全範圍被侵入的方求出機器人路徑，並將求得的路徑用於計算局部時間或全時間安全範圍。
機器人路徑決定時日點tx(其中x是大於0的整數)的順序及輪廓求理的位置。可以在任何一個時間點tx重新測定機器人的安全範圍。這樣就可以根據新測得的安全範圍獲知全範圍被侵入。
只要求出機器人的安全範圍，就可以調整一或複數個感應器的方向，使其與求得之安全範圍的方向一致。最好是在測定新計算出的安全範圍的位置/尺寸後，進行這個調整工作。此處的“感應器”包含的範圍很廣。例如，光柵、光簾、運動感應器、照相機(圖像感應器)、或其他種類的感應器等都是可能的感應器。安全按鈕也是一種感應器。所使用的感應器及安全範圍的模擬可以是2D或3D的感應器及安全範圍的模擬。例如，一種實施方式是利用複數個圓呈現一個2D安全範圍。圓是球體在平面上的投影。透過如前面提及的3D球體(安全球體)在一個平面(例如地面/廠房的地面)上的投影可以求得一個2D安全範圍。
物件可以是人，同時本發明的方法也可以包含以下的步驟：將一個人的頭部及/或單手或雙手視為分離的人體區段進行測定，以及測定是否有任何一個人體區段侵入任何一個安全球體的安全範圍。
物件也可以是人以外的任何物件。例如，物可以是另一個機器人，或是複數個另外的機器人。前面描述的計算安全範圍的方法亦可用於計算閉鎖範圍。
物件也可以是車輛，例如自動駕駛的汽車。本發明並不限於一定要將人模擬成由頭部及雙手的人體區段所構成。也可以將整個人模擬成一個 人體區段，或是將人模擬成由複數個不同或相同的人體區段所構成。人體區段也可以是球體狀的。
圖23顯示一個應用於計算機器人2310的安全範圍的系統。執行這個計算工作的裝置2340包括：一個輸入端，用於接收感應器2330發出的安全範圍被物件侵入的訊號；一個控制裝置，可以根據接收到的訊號(例如發送到機器人控制2320的訊號)控制機器人路徑；一個安全範圍計算裝置，用於計算安全範圍，包括：以若干個包含機器人輪廓的輪廓球體模擬機器人的危險範圍；求出機器人在時間點t的安全範圍，其中：(a)時間點t晚於物件侵入安全範圍的時間點t0，(b)對輪廓球體而言：輪廓球體在時間點t的位置相當於一個安全球體的位置，這個安全球體的半徑比相應的輪廓球體的半徑大上一個數值，而且這個數值會隨時間點t及一事先給定的物件速率而改變。
裝置2340可以是由一或複數個處理器執行工作。
此外，裝置2340也可以包括一個感應器控制裝置，其作用是控制感應器的方向，其中感應器可以偵測物件的位置及/或移動。
圖24將本發明的方法再整理一次。在步驟2410測定機器人區段。在步驟2420為機器人區段測定相應的碰撞區段。在步驟2430測定一個安全範圍。在步驟2440測定機器人路徑，及/或在步驟2450測定感應器的位置及或方向。
1:正常移動/機器人路徑/路徑
6,6a-6h:安全球體
9:安全範圍

Claims (14)

  1. 一種自動計算機器人的安全範圍的方法，包括以下的步驟：利用M個包含機器人輪廓的輪廓球體(8a，8b，8c，8d)模擬機器人(8)的危險範圍；求出機器人(8)在物件侵入安全範圍的時間點t0的安全範圍，包含在時間點t的若干個安全球體(6d)，其中- 時間點t晚於時間點t0，- 對輪廓球體(4)而言：輪廓球體(4d)在時間點t的位置相當於一個安全球體(6d)的位置，安全球體(6d)的半徑(7d)比相應的輪廓球體(4d)的半徑(5)大上一個數值，而且這個數值會隨時間點t及一事先給定的物件速率而改變。
  2. 如請求項1的方法，進一步增加一個求出機器人路徑的步驟，其中計算出的機器人(8)在時間點t0的安全範圍是一個局部時間安全範圍，這個安全範圍是將各個安全球體會聚在一起計算而得，包含計算出的機器人路徑在每一個連續的時間點ti(i是大於0的整數)的M個相應的安全球體的所有輪廓球體(8a，8b，8c，8d)。
  3. 如請求項2的方法，另外增加一個求出全時間安全範圍的步驟，其中全時間安全範圍是由將機器人(8)的若干個局部時間安全範圍會聚在一起求出的機器人路徑計算而得，局部時間安全範圍是由機器人路徑或機器人路徑段的所有時間點t0計算而得。
  4. 如請求項2或請求項3的方法，其中如果一個輪廓球體從時間點tj到局部時間安全範圍的計算結束一直處於停止狀態，則從時間點tj開始數值保持不變。
  5. 如請求項1至3中任一項的方法，其中計算機器人在時間點t0的安全範圍的步驟包含：求出一包含各個輪廓球體之路徑的機器人路徑，其中機器人路徑跟蹤一反應移動及/或止動移動；根據求得的機器人路徑求出各個輪廓球體在時間點t的位置。
  6. 如請求項5的方法，其中如果因安全開關啟動而得知安全範圍被侵入，則機器人路徑可以跟蹤一反應移動及/或止動移動，如果不是因安全開關啟動而得知安全範圍被侵入，則機器人路徑可以跟蹤機器人正常運轉時的一個移動。
  7. 如請求項1至3中任一項的方法，其中模擬機器人的危險範圍包含計算機器人的兩個關節之間的輪廓球體的理想數量的步驟，此時一個相當於兩個輪廓球體之間相交的圓的直徑大致等於機器人手臂的寬度。
  8. 如請求項1至3中任一項的方法，包括以下的步驟：利用安全感測器測得物件在時間點t0的位置，以得知安全範圍被侵入， 依據測得的物件位置控制機器人路徑。
  9. 如請求項8的方法，其中機器人路徑測定時間點tx(x是大於0的整數)的順序及輪廓球體的相應位置，在時間點tx的每一個時間點重新測定機器人的安全範圍，根據重新測定的安全範圍得知安全範圍被侵入。
  10. 如請求項9的方法，包括以下的步驟：控制感測器的定向，使其與計算出的安全範圍一致。
  11. 如請求項1至3中任一項的方法，其中物件是人，包括以下的步驟：將人的頭部及/或人的一隻手或雙手視為分離的人體區段進行測定，計算出是否有任何一個人體區段侵入任何一個安全球體的安全範圍。
  12. 如請求項1至3中任一項的方法，包括以下的步驟：將計算出的安全範圍儲存為各個安全球體的位置及尺寸，用以呈現計算出的安全範圍。
  13. 一種控制機器人的裝置，包括：一個輸入端，用於接收感測器因發現物件侵入安全範圍而發出的訊號，一個根據接收到的訊號控制機器人路徑的控制裝置， 一個計算安全範圍用的安全範圍計算裝置：包括：利用若干個包含機器人輪廓的輪廓球體模擬機器人的危險範圍；求出機器人在時間點t0的安全範圍，包含在時間點t的若干個安全球體，其中：- 時間點t晚於安全範圍被物件侵入的時間點t0，- 對輪廓球體而言：輪廓球體在時間點t的位置相當於一個安全球體的位置，這個安全球體的半徑比相應的輪廓球體的半徑大上一個數值，而且這個數值會隨時間點t及一事先給定的物件速率而改變。
  14. 如請求項13的裝置，另外包括：一個用於控制感測器之定向的感測器控制器，其中感測器可以測得物件的位置及/或移動。
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