用于保障自動化工作的機器的設備和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于對設置有自動化工作的機器的監控區域進行保障的設備，所 述設備具有用于對監控區域進行監控的相機系統、用于限定監控區域內部的至少一個保護 區域的配置單元和用于觸發安全相關的功能的評估單元。
[0002] 本發明此外涉及一種用于對設置有自動化工作的機器的監控區域進行保障的相 應的方法。
【背景技術】
[0003] 在現代的以巨大的速度運動的工業機器人中，碰撞通常不僅在機器人上而且在由 其操縱的工件上導致嚴重的損傷。這會導致昂貴的生產中斷。與自動化工作的機器人相互 作用的人員的安全性也具有最高的優先級。在現代的工業機器人和具有運動的機器元件的 其它機器中，因此必須通過保護裝置防止在運動的器件元件和外物之間產生碰撞，其中所 述機器元件的運動對于人員和其它對象而言是危險。為此在發生不期望的接觸之前通常足 以使機器進入停止狀態。
[0004] 傳統上借助于呈護欄和保護門形式的機械的障礙物或者借助于擋光板、光柵和激 光掃描儀保障圍繞自動化工作的機器的危險區域。通常，擋光板、光柵和激光掃描儀也在與 首先提到的機械的障礙物的組合中使用。一旦人員打開保護門或者光柵或擋光板被中斷， 那么產生關斷信號，借助于關斷信號停止機器的危險的工作運動，或者使機器進入更安全 的狀態中。而這類保護裝置的安裝是相當耗費的并且保護裝置需要許多圍繞危險的機器的 空間。此外，當涉及將對危險的工作區域的保障匹配于機器的不同的運行情況時，這種保護 裝置的靈活性較小。
[0005] 特別地，在光電子傳感器如光柵、擋光板或者反射光探測器中，能夠引起機器或設 施的所不期望的關斷。在安全方面本來毫不令人擔憂的極小的部件或者干擾光盡管如此還 是會觸發關斷信號。這通常引起機器和設施可用性的不必要的限制，因為關斷也在從安全 方面來看毫無問題的情況下進行。因此致力于在光柵、擋光板或者反射光探測器中濾出干 擾物和干擾光。已知的技術是，光發送器發送比特編碼的光信號，所述光信號由接收器解碼 并且與目標值比較。在反射光探測器中此外使用偏振光。由此甚至鏡或者亮的對象仍被檢 測為輻射中斷部。
[0006] 從DE 202 12 769 Ul中已知另一個已知的技術。DE 202 12 769 Ul示出一種光 柵，所述光柵評估在出現射束軸的射束中斷方面預設的數量的多個檢測周期以產生對象確 定信號。這用于抑制瞬時的干擾。較小的、不重要的干擾物如昆蟲、花粉、鋸肩和鋸末應通過 所謂的多次分析壓制。這對應于時間濾波器，所述時間濾波器在所限定的時間內容忍保護 區域或其中一部分的中斷，因為假設干擾物僅暫時地出現。在此不利的是，在該時間中也未 檢測到"真實的"侵害，也就是說，這虛假地引起反應時間的延長從而導致較大的安全距離。 更糟糕的是，干擾物不僅暫時地出現，而且除此之外也存在更長的時間。在這種情況下，時 間濾波器不進行輔助，使得盡管如此光電子傳感器還是可能識別到侵害從而產生關斷信 號。
[0007] 為了避免在上文中提到的缺點，一段時間以來存在如下嘗試:借助于相機系統和 適當的圖像處理裝置實現對自動化工作的機器的危險的工作區域的保障。這種系統由申請 人以名稱"Safe tyEYE"銷售。在這種相機系統上特有的是，相對于標準的相機，即使出現故 障功能，仍始終必須確保帶來危險的機器或者設施的安全的狀態。在使用相機系統時也有 利的是，能夠對體而不是對各個線或面進行保障。也就是說，這種相機系統實現從所有側虛 擬地監控三維的保護區域。由此可行的是，重新提高安全性并且無間隙地進行監控。
[0008] EP 1 543 270 Bl描述了具有至少兩個相機的這種系統，所述相機循環地提供危 險的工作區域的圖像。相機的圖像借助于至少兩個在算法上不同的方法來分析，其中當這 兩個方法中的至少一個在之前所限定的保護區域中提供外物檢測時，停止機器的危險的工 作運動或者使其進入更安全的狀態中。這兩個分析方法中的每一個產生出自相機的圖像的 3D信息，使得借助于所述方法能夠確定對象在所限定的保護區域中的位置。關于這些方法 和設備的大的挑戰在于：就機器安全性的有關標準、尤其EN IS013849-1、IEC 61508、EN ISO 13855和IEC 61496而言必須以故障安全的方式實現總歸已經復雜的圖像處理，由此這 種設備實際上也能夠用于保障危險的機器。設備本身的失靈不允許引起機器保障的丟失。 因此，作為故障安全就此而言在下文中適用的是如下設備，所述設備至少實現根據IEC 61508的SIL 2和/或根據EN ISO 13849的性能等級PL(d)。這能夠由EP 1 5432 70 Bl中已 知的方法和相應的設備提供并且所述方法和設備在實際使用中已經被證實是可靠的。
[0009] 在最后提到的基于相機的安全系統中，限定圍繞機器的通常虛擬的保護區域。相 機系統因此檢測外物是否侵入到這個保護區域中從而隨后關斷機器或設施或者使其進入 更安全的狀態中。但是盡管如此在這些系統中還是存在如下問題:機器或設施的進入危險 的運動部分地在沒有明顯原因的情況下停止，這引起生產設施的停止狀態和生產中斷。這 例如能夠歸因于極小的部件，所述極小的部件侵入到虛擬的保護區域中，作為外物被檢測 到從而觸發安全相關的功能。這尤其在生產周期非常短并且互聯的生產線長的情況下是所 不期望的，所述生產線尤其存在于汽車工業中。
[0010] DE 102 51 584 Al提出這種基于相機的安全系統和相應的方法，其中應通過優化 的圖像處理提高安全性。為了進行對象檢測，將當前的相機圖像的圖像特征與所存儲的參 考背景的參考圖像特征進行比較。所提到的參考背景在該系統中必須在系統中的學習階段 或者所謂的示教過程中引用。根據所提出的方法，有利的參考背景僅在如下情況下存在:在 這兩個計算機單元中檢驗參考背景時一致獲得在參考背景內部不存在具有相同參考圖像 特征的相鄰的區的結果。該示教過程由此能夠是相對冗長和耗費的。在接下來對保護區域 進行圖像檢測時，相機圖像的圖像特征被區分為安全關鍵的和非安全關鍵的對象。安全關 鍵的對象包括操作人員、優選操作人員的手臂。非安全關鍵的對象例如形成設施或機器的 周圍環境中的靜態對象、尤其還有待通過所述靜態對象進行加工的部件。如果圖像特征與 參考背景的比較不引起一致的結果，那么由于安全原因同樣使工作機構停止運行，因為在 這種情況下不排除在保護區中存在安全關鍵的對象。也就是說，可能并不關鍵的、然而在參 考背景中未描繪的極小的部件也可能在該系統中引起機器或設施的所不期望的關斷。也就 是說，在上文中所描述的機器或者設施可用性的所不期望的局限性的問題即使通過該方法 也僅部分地解決。
【發明內容】
[0011] 在此背景下本發明的目的是，提出一種開始提出類型的設備和方法，所述設備和 方法相對于現有技術產生較少所不期望的關斷，由此有助于提高機器和設施可用性，但是 盡管如此還是確保了對于這種應用所需要的故障安全。
[0012] 根據本發明的第一方面，該目的通過根據開始提到類型的設備實現，其中相機系 統提供保護區域的相機圖像并且評估單元評估在保護區域中是否存在外物或者外物是否 侵入到該保護區域中，其中評估單元此外設立用于通過對相機圖像的分析將存在于保護區 域中的或者侵入到該保護區域中的外物分類，以便根據一個或多個用于焊接火花的特征性 的特征來確定外物是否是焊接火花，并且其中評估單元設立用于當識別外物不為焊接火花 時觸發安全相關的功能。
[0013] 根據本發明的另一個方面，該目的通過開始提出類型的方法實現，所述方法具有 下述步驟：
[0014] -借助于相機系統對監控區域進行監控，
[0015] -限定監控區域內部的至少一個保護區域，
[0016] -評估保護區域的相機系統的相機圖像，以便檢測在保護區域中是否存在外物或 者外物是否侵入到該保護區域中，
[0017] -通過分析相機圖像將外物分類，以便根據一個或多個用于焊接火花的特征性的 特征來確定外物是否是焊接火花，
[0018] -當識別外物不為焊接火花時，觸發安全相關的功能。
[0019] 尤其有利的是，新的方法和新的設備借助于具有程序代碼的計算機程序產品來實 現，所述程序代碼構成用于：當在設備的控制單元中執行所述程序代碼時，實施所提到的方 法。與之相應地，配置單元和實施單元在該優選的實施例中以軟件模塊的形式實現，所述軟 件模塊在設備的控制單元中執行。
[0020] 新的設備和新的方法尤其適合于監控汽車工程中、主要是白車身構造和車身構造 領域中的機器人設施。該汽車生產的領域通常是高自動化的并且特征在于，借助于相應的 焊接工具由機器人執行不同的焊接作業。在所謂的點焊過程中，由于焊接工具的磨損總是 反復引起火花飛濺。焊接火花從焊接部位沿著所有方向飛濺，或者作為單一的火花或者作 為火花云。在上文中提到類型的基于相機的安全系統中，這些也稱為瞬時干擾的焊接火花 引起所不期望的關斷從而引起機器的受限的可用性。然而本發明的發明人已認識到，這些 焊接火花由于其特征性的特征可相對簡單地檢測從而能夠濾出，而這不會引起系統安全性 方面的限制。
[0021] 在從現有技術中已知的基于相機的安全系統中通常不區分何種對象引起保護空 間侵害。這在安全方面的觀點下也是非常困難且令人產生疑問的，因為不能夠排除錯誤的 分類并且引起機器和設施的危險運動不被停止，盡管例如人已經位于危險區域中。但是本 發明選擇相反的途徑，即：首先所有被識別到的對象是保護區域侵害物。也就是說，這些對 象均被識別作為外物并且根據其特性來辨認其是安全相關的外物還是焊接火花。這在最壞 的情況下能夠引起，不阻止錯誤關斷。前提僅僅是外物具有如下特征性的特征，所述特征與 應被識別的對象(例如人)明確不同。
[0022] 然而發明人已認識到，這種區別在焊接火花中是完全可行。焊接火花具有非常特 征性的特征，所述特征可通過對相機圖像的分析明確地被檢測到。特別地，相對于人或者其 它危險的機器部件或者干擾物，焊接火花具有特征性的形狀和亮度及特征性的亮度曲線。 焊接火花在相機圖像中通常作為亮度拖尾可見，這與其高的速度和相機傳感器的慣性有 關。因此從這種焊接火花拖尾的形狀中可得到對焊接火花的速度和對其飛濺方向的推斷。 由于材料的強烈加熱，焊接火花在可見的波長范圍中具有劇烈的輝度，所述輝度可明顯地 與相機圖像的背景區分開來。特別地，借助于能夠高動態地將其周圍環境成像的相機技術， 定量地評估亮度是尤其好地可行的。根據在統計上對相機照片的評估，因此可在設備的評 估單元中以足夠的可靠性確定被檢查到的外物是否是焊接火花。根