用于监测工作环境的方法和监测装置
阅读说明：本技术 用于监测工作环境的方法和监测装置 (Method and monitoring device for monitoring a working environment ) 是由 马蒂亚斯·弗兰克 赖纳·海尔曼 明·莱 亚历山大·施泰因 马克西米利安·沃尔特 于 2020-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于监测工作环境的方法和监测装置。一种用于利用监测装置监测可移动设备的工作环境的方法,其中,该工作环境包括工作区域和至少一个保护区域,其中,可移动设备在其正常运行中处于工作区域中。该方法包括：由使用者将多个凸多面体输入到监测装置中,该凸多面体对应于可移动设备在正常运行中所处于的区域；由监测装置确定凸多面体包,其中,该凸多面体包完全包围多个凸多面体；以及由监测装置通过计算凸多面体包与输入之差来确定至少一个保护区域。由于可以自主地对区域进行建模,因此简化了对可移动设备的位置的监测。(The invention relates to a method and a monitoring device for monitoring a working environment. A method for monitoring a working environment of a movable installation with a monitoring device, wherein the working environment comprises a working area and at least one protection area, wherein the movable installation is in the working area in its normal operation. The method comprises the following steps: inputting, by a user, a plurality of convex polyhedrons into the monitoring device, the convex polyhedrons corresponding to the zones in which the mobile equipment is located in normal operation; determining, by a monitoring device, a convex polyhedron package, wherein the convex polyhedron package completely encloses a plurality of convex polyhedrons; and determining, by the monitoring device, at least one protection zone by calculating a difference between the convex polyhedron package and the input. Monitoring of the position of the movable device is simplified since the region can be modeled autonomously.)
技术领域
本发明涉及一种通过监测装置监测可移动设备的工作环境的方法以及一种这样的监测装置。
背景技术
在工业环境中，通常会监测可移动设备(例如工业机器人)的运动。在此，这例如涉及阻止工业机器人离开规定的工作区域，以防发生事故。对于包括工作区域的工作环境的自主监测，对工作区域进行正确建模尤为重要。在此便存在对可以自主地正确建模的需要。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种利用监测装置监测可移动设备的工作环境的改进方法。另一个目的是提供一种用于监测可移动设备的工作环境的改进的监测装置。
根据第一方面，提出了一种用于利用监测装置监测可移动设备的工作环境的方法，其中，该工作环境包括工作区域和至少一个保护区域，该可移动设备在正常运行期间处于工作区域中。该方法包括：
由使用者将多个凸多面体输入到监测装置中，这些凸多面体对应于可移动设备在正常运行中所处于的区域；
由监测装置确定凸多面体包，其中，该凸多面体包完全包围多个凸多面体；以及
由监测装置通过计算凸多面体包与输入之差来确定至少一个保护区域。
基于所描述的根据第一方面的方法，可以自主地确定待监测的工作环境的凸多面体包和至少一个保护区域。自主在此尤其意旨由监测装置而不由人来执行。通过由监测装置对所提到的两个参数的这种自主确定，可以简化用于监测的监测装置的配置，因为使用者不必再手动确定凸多面体包或保护区域并将其输入监测装置。尤其简化了对工作环境的建模，由此能够简化监测过程。另外，所描述的方法使得用于监测的监测装置能够被更加灵活地使用，因为当使用者输入发生变化时，其能够以少量耗费重新定义凸多面体包和至少一个保护区域。
可移动设备尤其是具有至少一个可移动部件的设备。可移动设备例如是具有一个或多个可移动轴的机器、机器人、起重机和/或车辆。尤其地，可移动设备用于工业环境中。可移动设备也可以称为运动机构(Kinematik)。
当可移动设备正确地工作时，即在正常运行中，其移动尤其被限制在工作区域内。如果可移动设备至少部分地离开工作区域，那么例如可移动设备的行为可能是不正确的。
尤其地，工作环境是可由监测装置例如使用传感器来监测的区域。工作环境可以包括工作区域和保护区域。
为了引入由监测装置对工作环境的监测，可移动设备的使用者可以在监测装置中进行输入。为此，使用者可以使用例如监测装置的界面。可以通过监测装置的图形界面进行输入。也可以将CAD文件作为输入发送或输入至监测装置。
尤其地，输入包括多个凸多面体。各个凸多面体可以指示允许可移动设备在正常运行期间移动的区域。输入的凸多面体可以重叠。总体而言，整个凸多面体特别形成工作区域。
多面体尤其应理解为任何维度上的广义多面体。多面体优选是二维或三维多边形。这里的凸表示多面体的所有内角均小于180°。
整个凸多面体尤其对应于一个非凸的凹的工作区域。尤其地，如果该工作区域是凹多面体，则当前不能有效地检查一个多面体是否完全位于工作区域中。正是由于这个原因，对凸多面体包和保护区域的确定很重要，因为凸多面体包和保护区域是凸多面体，它们可以被有效地检查出是否离开或重叠。
监测装置可以是计算单元，例如计算机的处理器。它也可以是工业PC或可编程逻辑控制器(PLC)的一部分。
监测装置可以适合于基于使用者输入自主地确定多面体包。可以将多面体包视为包含输入的所有凸多面体的最小凸多面体。多面体包可以包裹或包围凸多面体。多面体包尤其是沿着工作区域的凸形区域延伸并且在工作区域的凹形区域中扩出保护区域。但是，在多面体包和工作区域之间也可以有较大的间距。
凸多面体包可以对应于工作区域和保护区域的总和。为了确定多面体包，监测装置可以使用文章“Optimal output-sensitive convex hull algorithm in two andthree dimensions(在二维和三维中最佳输出敏感凸包算法)”中的算法(TM Chan等人，“离散与计算几何”，16，1996年，第361-368页)或“The quickhull algorithm for convexhulls(凸包的快速包算法)”(C.Bradford Barber等人，ACM Transactions onMathematical Software(TOMS)，第22卷，第4期，1996年12月，第469-483页)。在特殊情况下，例如如果所有区域都是在轴上对齐的长方体，则也可以通过增加区域的长度来简单地确定包。但是，也可以使用其他已知的确定多面体包的算法。
所确定的多面体包可以被监测装置使用，以自主地确定至少一个保护区域。为此，监测装置可以计算输入的多面体包与凸多面体之差。保护区域尤其是在工作环境中不属于工作区域但属于多面体包的区域。可以使用文章“Boolean Operations on ArbitraryPolyhedral Meshes(任意多面体网格上的布尔运算)”(SamLandier，计算机辅助设计，Elsevier，2016年，第1-35页，10.1016/j.cad.2016.07.013,hal-01394537)中的算法。在特殊情况下，例如如果所有区域都是在轴上对齐的长方体，则可以更轻松地实现差的计算。但是，也可以使用其他已知的用于计算差的算法。
尤其地，通过确定多面体包和保护区域，可以实现对工作区域的完整特征化。尤其不直接对离开工作区域进行检查，而是能够根据确定的多面体包和保护区域像直接确定那样同样良好地对工作区域进行监测。由于可以自主配置凹形工作区域，因此可以简化对凹形工作区域的监测。
根据一个实施例，该方法还包括：
确定可移动设备是否完全处于所确定的多面体包内；以及
仅当确定可移动设备未完全位于确定的多面体包内时，才执行第一安全措施。
在监测的范畴中，监测装置可以确定可移动设备是否位于确定的多面体包内。在此，尤其确定可移动设备是否完全位于多面体包中。监测装置和/或可移动设备的各种传感器可以用于确定可移动设备相对于多面体包的位置。可移动设备(尤其是其可移动部件)可以配备有位置传感器，该位置传感器例如跟踪部件的GPS位置。确定位置的另一种方法是在多轴运动学系统(例如工业机器人)中获取所有轴位置，然后通过正向变换(Vorwaertstransformation)确定所有运动零件。监测装置还可以使用像机来监测可移动设备的位置，从而确定可移动设备是否完全被包含在多面体包中。
如果监测装置确定可移动设备至少部分地离开了多面体包，则这表示例如可移动设备发生故障和/或危险。在这种情况下，监测装置可以执行第一安全措施，以确保可移动设备及其周围环境的安全。第一种安全措施的示例将在下面更详细地说明。
根据另一个实施例，该方法还包括：
确定可移动设备是否至少部分地位于至少一个确定的保护区域内；以及
仅当确定可移动设备至少部分位于至少一个确定保护区域内时，才执行第二安全措施。
在监测的范畴中，监测装置可以确定可移动设备是全部还是部分位于确定的保护区域内。为了确定可移动设备相对于至少一个保护区域的位置，可以使用上面已经描述的监测装置和/或可移动设备的各种传感器。为了检查可移动设备是否至少部分与保护区域之一重叠，监测装置可以例如使用成对检查凸多面体的功能，例如在“Real-TimeCollision Detection(实时碰撞检测)”(Christer Ericson，Morgan Kaufmann，2005)中所描述的那样。
如果监测装置确定可移动设备至少部分地处于保护区域中，则这表示例如可移动设备发生故障和/或危险。在这种情况下，监测装置可以执行第二安全措施，以确保可移动设备及其周围环境的安全。第二安全措施的示例在下面更详细地说明。
根据另一实施例，凸多面体包以如下地方式包围多个凸多面体，即使得该凸多面体包的体积最小。例如，这意味着凸多面体包是包括所有凸多面体且同时是凸的的最小几何形状。
根据另一实施例，可移动设备是工业设施中的机器人。例如，该机器人用于产品制造。
根据另一实施例，由使用者输入的凸多面体中的至少一个对应于一转移区域，该转移区域实现了制成品在工作区域内部区域与工作区域外部之间的转移。
转移区域可以是可移动设备(尤其是可移动机器人手臂)将制造的产品或工件传递至下一个可移动设备或使用者的区域。转移区域也可以是使用者或另一个外部设备给予可移动设备一些东西的区域。换句话说，转移区域尤其是可移动设备与工作区域外部的“外部世界”之间的交互区域。
这样的转移区域通常是工作区域的向外伸出的突出部分，这使得工作区域具有凹形形状。在具有转移区域的工作区域的情况下，根据第一方面的方法是特别有利的。
当输入凸多面体时，使用者可以指定一个或多个多面体作为转移区域。处理单元可以存储这些信息，并在监测工作环境时将其考虑在内。
根据另一个实施例，该方法还包括：
确定使用者和/或外部设备是否从工作区域外部介入转移区域；
确定可移动设备是否至少部分地位于转移区域内；以及
仅当确定使用者和/或外部设备从工作区域外部介入转移区域并且可移动设备至少部分位于转移区域内时，才执行第三安全措施。
在监测的范畴中，监测装置可以确定可移动设备是部分还是全部位于转移区域内。此外，计算单元可以确定诸如外部设备或使用者之类的另一个外部对象是否部分位于转移区域中。
上面已经描述的传感器可以用于确定可移动设备和外部物体的位置。
如果监测装置确定可移动设备至少部分在转移区域中，而外部物体也在转移区域中，则这表示例如可移动设备的故障和/或危险。在这种情况下，监测装置可以执行第三安全措施，以确保可移动设备及其周围环境的安全。下面更详细地说明第三安全措施的示例。
根据另一个实施例，第一，第二和/或第三安全措施包括：
关闭可移动设备；
输出视觉警报；和/或
输出警报音。
通过关闭可移动设备，可以防止可移动设备伤害工作区域外的使用者，撞到工作区域外的障碍物等。通过输出警报，可以使使用者知晓可移动设备存在故障和/或危险。视觉警报和/或警报音还可以表征所识别的危险或所识别的错误，以便使用者可以正确地干预。
根据另一实施例，工作区域具有凹形形状。
根据第二方面，提供了一种用于监测可移动设备的工作环境的监测装置，其中，工作环境包括工作区域和至少一个保护区域，并且其中可移动设备在其正常运行中处于所述工作区域中。监测装置包括：
输入单元，用于由使用者输入多个凸多面体，其对应于可移动设备在其正常运行时所处于的区域；
包确定单元，用于确定凸多面体包，其中，该凸多面体包完全包围多个凸多面体；以及
保护区域确定单元，用于通过在凸多面体包和输入之间形成差来确定至少一个保护区域。
针对根据第一方面的方法描述的实施例和特征相应地适用于根据第二方面的监测装置。尤其地，第二方面的监测装置适合于执行根据第一方面或根据第一方面的实施例的方法。
各个单元，例如输入单元，包确定单元或保护区域确定单元，能够以硬件技术和/或软件技术实现。在以硬件技术实施的情况下，各个单元可以被设计为设备或设备的一部分，例如计算机或微处理器或车辆的控制计算机。在以软件技术实施的情况中，各个单元可以被设计为计算机程序产品、功能、例程、程序代码的一部分或可执行对象。
根据第三方面，提出了一种计算机程序产品，该计算机程序产品开始在程序控制的装置上执行如以上根据第一方面或根据第一方面的实施例所说明的方法。
计算机程序产品，例如计算机程序装置例如可以提供或供货作为诸如存储卡，U盘，CD-ROM，DVD的存储介质或从网络中的服务器下载文件的形式。例如，这可以在无线通信网络中通过与计算机程序产品或计算机程序装置传输相应的文件来完成。
本发明的其他可能的实施方式还包括以上或以下关于实施例描述的特征或实施例的未明确提及的组合。本领域技术人员还将增加各个方面作为对本发明的各个基本形式的改进或补充。
附图说明
本发明的其他有利的设计方案和方面是从属权利要求的主题和下面描述的本发明的实施例。下面，根据优选实施例并参照附图更详细地说明本发明。
图1示出了工作环境中的可移动设备的示例；
图2示出了工作区域的已知的建模；
图3示出了对工作区域进行数学上正确建模的示例；
图4示出了对转移区域进行数学上正确建模的示例；
图5示出了根据第一实施例的用于监测工作环境的方法；
图6示出了使用者输入的示例；
图7示出了确定的多面体包的示例；
图8示出了确定的工作环境的示例；
图9示出了根据第二实施例的用于监测工作环境的方法；
图10示出了根据实施例的监测装置。
具体实施方式
在附图中，除非另有说明，否则相同或具有相同功能的元件具有相同的附图标记。在图2、3、6、7和8中，多面体显示为二维形状，因为这更易于展示。但是，这些形状通常是三维多面体。但是，也不排除多个二维多面体(多边形)。
图1示出了工作环境1中的可移动设备2的实例。可移动设备2是用于制造产品(诸如汽车)的工业机器人。机器人2包括机器人臂10，该机器人臂是可移动的，以便在生产期间移动待加工的零件。
在正常运行中，机器人臂10的运动进而机器人2的运动被限制在工作环境1的工作区域4中。这意味着，机器人2仅在出现错误行为时才部分或完全离开工作区域4。
工作区域4由两个长方体形成：一个大长方体和一个放置在其前面的小长方体9，其形成一个转移区域。转移区域9用于将由机器人2处理的产品输出给使用者6。转移区域9是工作区域4内部与工作区域4外部之间的唯一接口。
为了确保机器人2正常工作而不伤及使用者6且不破坏工作区域4外部的环境，重要的是检查机器人2是否实际上完全留在工作区域4中。
为了使用监测装置进行监测，必须首先对工作区域4进行建模。图2示出了这种工作区域4的已知建模。
如图2所示，在该已知建模中，工作区域4通过两个多面体(长方体)7a，7b实现模型化，其中，长方体7b的不与长方体7a重叠的部分应是对监测区域9的建模。然后，监测每个可移动设备(机器人)2a、2b是位于第一长方体7a还是位于第二长方体7b中。然而，根据图2的建模和测试具有很多缺点。
机器人2a实际上部分地位于长方体7a外部并且部分地位于长方体7b外部，但是完全位于工作区域4内。然而，在这种情况下，监测装置将错误地识别机器人2a的错误行为。
即使在检查机器人2a、2b的所有角是否都位于长方体7a，7b中的情况下，监测也不可靠。实际上，尽管机器人2b的所有角都位于长方体7a，7b中，但是机器人2b并未完全位于工作区域4中。这在根据图2的检查的情况下将不会被识别。
因此，图2中已知的建模在数学上看是不正确的。
图3示出了对工作区域4的数学上正确的建模。在此，工作区域4由完全围绕实际工作区域4的多面体包8与保护区域5a，5b之差形成。与图2相反，工作区域的限定不是通过主体7a，7b的结合而是通过作差来实现的。
对保护区域5a，5b的手动确定和输入尤其在对突出的转移区域9进行建模时是费力的，对认知上的要求很高，因此容易出错。这例如在图4中示出，其中为了限定转移区域9需要四个保护区域5c-5f。
图5示出了根据第一实施例的用于监测工作环境的方法1。图5中的方法用于自主地获得根据图3的工作区域4的数学上正确的模型。所示出的方法基于在图10中示出并且包括输入单元11、包确定单元12和保护区域确定单元13的监测装置3来执行，该监测装置通过内部总线14彼此连接。
在步骤S1(图5)中，使用者6将多个凸多面体7c，7d，7e输入到监测装置3的输入单元11中。输入单元11是监测装置3的图形界面，使用者6可以使用该图形界面绘制多面体7c-7e。
这种使用者输入的实例在图6中示出。图6的输入包含三个多面体7c-7e，每个多面体具有凸形形状。多面体7c-7e之间有重叠。多面体7c-7e一起形成整个工作区域4。就是说，多面体7c-7e对应于机器人2处于正常运行中的区域。在如前所述的意义上，多面体7c形成了转移区域9。
监测装置3不能直接监测由图6的多面体7c-7e产生的凹形工作区域4，因为它是凹形的。因此，监测装置3自主地执行另外的方法步骤S2，S3，以便正确地对工作区域3建模并实现监测。
在图5的步骤S2中，监测装置3的包确定单元12确定凸多面体包8。在图7中示出了为多面体7c-7e确定的多面体包8。凸多面体包8完全包围凸多面体7c-7e。就是说，凸多面体包8由监测装置3如下地确定，即使得其包括三个多面体7c-7e并且同时是凸的。
为了确定多多面体包8，包确定单元12使用在“Optimal output-sensitiveconvex hull algorithm in two and three dimensions(二维和三维最佳输出敏感凸包算法)”一文中描述的算法(TM Chan等人，《离散与计算几何》，16，1996年，第361-368页)。
在图5的步骤S3中，监测装置3的保护区域确定单元13通过计算所确定的凸多面体包8与使用者输入之差来确定至少一个保护区域5g-5i。
如此确定的保护区域5g-5i可以在图8中看到。保护区域5g-5i和输入的凸多面体7c-7e(图6)一起形成凸多面体包8。
为了作差并确定保护区域，保护区域确定单元13应用了文章“BooleanOperations on Arbitrary Polyhedral Meshes(任意多面体网格上的布尔运算)”(SamLandier，计算机辅助设计，Elsevier，2016年，第1-35页，第10.1016页，10.1016/j.cad.2016.07.013，hal-01394537)中的算法。
通过确定多面体包8和保护区域7c-7e，实现了根据图3中的数学正确模型对工作区域4的完整的自主的特征化或建模。
根据所确定的工作区域4的模型，监测装置3可以以简单可靠的方式监测机器人2是否保留在工作区域4中。
机器人2的位置的这种监测例如可以根据图9的方法实现。图9的方法步骤S1-S3对应于已经参照图5描述的方法步骤S1-S3，因此不再赘述。
在图9的步骤S4中，监测装置3例如使用未示出的检查单元来确定机器人2是否完全位于多面体包8内。为此目的，监测装置3利用未示出的相机来监测机器人2。
如果在步骤S4中确定机器人2没有完全在多面体包8内部，则执行步骤S5，在该步骤中采取第一安全措施。在此，第一安全措施是关闭机器人2，从而防止其伤害使用者6。
如果在步骤S4中确定机器人2完全在多面体包8内，则执行步骤S6。在图9的步骤S6中，监测装置3例如借助于未示出的检查单元来确定机器人2是否至少部分地位于保护区域5g-5i内。为此，监测装置3利用未示出的相机来监测机器人2。
如果在步骤S6中确定机器人2至少部分地处于保护区域5g-5i之一内，则执行步骤S7，在该步骤中采取第二安全措施。第二安全措施涉及关闭机器人2，以防止其伤害使用者6。
如果在步骤S6中确定机器人2未部分地位于保护区域5g-5i中，则执行步骤S8和S9。在图9的步骤S8中，监测装置3例如借助于未示出的检查单元来确定机器人2是否至少部分地位于监测区域7c内。为此，监测装置3利用未示出的相机来监测机器人2。
在图9的步骤S9中，监测装置3例如借助于未示出的检查单元来确定外部设备(未示出)或使用者6是否至少部分地位于监测区域7c内。为此，监测装置3借助于未示出的相机来监测机器人2。
如果在步骤S8和S9中确定机器人2至少部分在监测区域9内并且外部设备和/或使用者也至少部分在监测区域9内，则执行步骤S10，其中，采取了第三项安全措施。在此，第三安全措施是关闭机器人2，以便防止其伤害使用者6。
为了能够可靠地监测机器人位置，可以重复执行步骤S4，S6，S8和S9。
当工作环境1改变时，使用者6可以在监测装置3中重新输入。在这种情况下，重新执行步骤S1-S10。
尽管已经基于实施例描述了本发明，但是可以以许多方式对其进行修改。步骤S4，S6，S8和S9也可以以不同的顺序或同时进行。使用者输入的凸多面体7c-7e的数量可以变化，它们彼此之间的形状和布置也可以变化。用于确定多面体包8和保护区域5g-5i的算法也可以与所描述的算法不同，只要它们实现相同的目的即可。可移动设备2也可以设计为车辆等。在同一工作区域4中，还可以有几个可移动设备2，它们在正常运行期间不会离开工作区域4。
参考标号列表
1 工作环境
2、2a、2b 可移动设备
3 监测装置
4 工作区域
5a-5i 保护区域
6 使用者
7a-7e 凸多面体
8 多面体包
9 转移区域
10 机械臂
11 输入单元
12 包确定单元
13 保护区域确定单元
14 内部总线
S1-S10 方法步骤。
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