[发明专利]用于使危险区域安全的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于防范自动化机器的危险工作区域的方法和设备。更具体地，本发明涉及记录该工作区域的相应的当前3-D图像并且对其进行评估以避免进入该工作区域的人面临危险的方法和设备。

背景技术

依照惯例，使用保护栏和防护门形式的机械屏障并且使用光屏障、光网格和激光扫描器来封闭自动化机器的危险区域。在人一打开防护门或中断光网格或光屏障时，生成切断信号并且使用该切断信号来停止机器的危险工作运动。然而，安装这样的保护设备是相当复杂的，并且该保护设备需要在危险机器周围的大量空间。另外，当该保护设备打算将对危险工作区域的防范适应于机器的不同操作情形时，这样的保护设备并不是很灵活。

为了避免这些缺点，一段时间以来付出了努力，以使用相机系统和适合的图像处理来防范自动化机器的危险工作区域。EP 1543270B1公开了具有至少两个相机的这样的系统，这些相机循环地提供危险工作区域的图像。使用至少两种在算法上不同的方法来分析来自相机的图像，并且如果这两种方法中的至少一种方法在事先定义的保护区中检测到外来对象，则停止该机器的危险工作运动。这两种分析方法中的每种分析方法根据相机的图像生成3-D信息，结果是能够使用该方法确定出对象在所定义的保护区中的位置。对这样的方法和设备的重大挑战是，本已很复杂的图像处理按照相关机器安全标准(特别是EN 954-1(已过期)、EN ISO 13849-1和IEC 61508)必须是故障安全(fail-safe)的，以允许这样的设备实际上被用于防范危险机器。设备本身的故障不能引起对失控机器的防范。因此，在下面认为至少实现了根据EN 954-1的类3、根据IEC 61508的SIL2和/或根据EN ISO 13849的性能水平PL(d)的设备是故障安全的。

从EP 1 543 270 B1获知的方法和对应的设备可以实现这一点并已在实际应用中证明了它们自身。然而，已知的设备至今为止仅能够检测出外来对象是否位于事先定义的保护区中，以基于此来减慢或停止危险的机器运动。用已知的设备可能不容易实现在人和机器附近的人机交互以及对变化操作情形和/或基于外来对象的类型的灵活适应。因此，期望进一步发展已知的方法和对应的设备，以使得特别是在机器人的危险工作区域内部能够实现人-机器人协作(人-机器人交互)。例如，人期望能够在机器人正操作时停留在机器人的基本危险工作区域中，以在原位监视机器人的加工过程或者与机器人同时或交替地加工工件。然而，仍必须确保机器人的工作运动不会使人受伤。

DE 10 2007 007 576 A1提出了用于防范机器人的危险工作区域的方法和设备，其中，创建了工作区域的3-D图像，并且将运动学(kinematized)人类模型分配给工作区域内部的人。对3-D图像进行分析，以确定工作区域的实际状态是否与工作区域的期望状态不同，在这种情况下使用运动学人类模型来考虑人的期望位置。此方法和对应的设备意在实现人-机器人协作。然而，由于期望的/实际的比较，机器人的工作区域中的人必须以与运动学人类模型中的期望状态准确对应的方式进行运动。对应的建模看起来都很复杂并且在任何情况下都限制灵活性，这是因为在每种情况下对新的操作情形的适应都需要新的建模。另外，尽管DE 10 2007 007 576 A1提出了使用扫描器作为传感器单元(其具有根据EN 954-1的类3的单个故障安全)，然而还提出了循环地或持续地检查传感器单元的功能性并且意在使用可靠的技术(例如通过冗余地检测并且评估机器人系统的轴向位置)来监视机器人在检查阶段中的运动。然而，DE 10 2007 007 576 A1未包含3-D图像的评估和底层建模能够提供用于防范危险工作区域所需要的故障安全的任何表示。

DE 10 2005 003 827 A1公开了用于人与机器人之间交互的类似设备和相应方法，其中，这里还提出了基于模型的方法。所描述的方法看起来计算量非常大并且复杂，并且因此怀疑以现代计算机性能是否能够实现预期目的所要求的故障安全和反应速度。

DE 10 2009 031 804 A1描述了用于检测并且跟踪对象的方法。DE 10 2006 048 166 A1描述了用于观察工业环境中的人的方法。在这两种情况下，提出人机交互作为可能的应用领域。然而，这些方法中的任何方法均未提供预期目的所要求的故障安全。