本發(fā)明涉及一種用于為設(shè)備中的操縱裝置自動(dòng)測(cè)定作用區(qū)域的方法和裝置。

背景技術(shù)：

所謂的“緊急停止”是工藝設(shè)備中的重要的和規(guī)定的安全要求。

在此，通常在引起設(shè)備部件的停車以及阻止帶來(lái)危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)的緊急停止(emergency stop)和引起關(guān)斷、即斷開(kāi)設(shè)備部件的供應(yīng)電壓以及阻止設(shè)備中的電壓導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)的緊急關(guān)閉(emergency switching off)之間進(jìn)行區(qū)分。在接下來(lái)的描述中僅涉及緊急停止，在其中進(jìn)行的是，盡可能快速地停止運(yùn)動(dòng)。

用于緊急停止的要求在各種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。因此存在根據(jù)DIN EN ISO 13850的要求“機(jī)器的安全-緊急停止-設(shè)計(jì)原則”，其例如也詳細(xì)陳列為形狀、顏色、可操作性和操縱裝置的安裝或者用于緊急停止的控制裝置、例如按鍵、手柄或開(kāi)關(guān)。

與該主題相關(guān)的另外的標(biāo)準(zhǔn)是具有名稱為“機(jī)器的安全-機(jī)器的電設(shè)備”的DIN EN 60204-1。規(guī)則的目的在于，避免帶來(lái)危險(xiǎn)的情況和其風(fēng)險(xiǎn)，并且考慮在設(shè)計(jì)期間的安全措施。此外，應(yīng)當(dāng)由此減輕保養(yǎng)和維修措施，以便使得機(jī)器變得更可靠并且能夠更容易操作。

在上述標(biāo)準(zhǔn)中要求的是，必須能容易并且快速地聯(lián)系到緊急停止操縱裝置。此外，使用該操縱裝置的前提是，其存在足夠多的數(shù)量，危險(xiǎn)位置從其操縱位置能清楚看到，并且用于操縱裝置的對(duì)應(yīng)的子區(qū)域的分配是明確的。

因此重要的要求在于，激活用于緊急停止的操縱裝置以解決明顯的安全性情況。也就是說(shuō)，其必須原本就清楚的是，停止哪個(gè)裝置、哪個(gè)設(shè)備部件或哪臺(tái)機(jī)器。當(dāng)不能夠明確地發(fā)現(xiàn)機(jī)器或設(shè)備部件的界限的時(shí)候(例如通過(guò)合適的標(biāo)記)，就期望解決所有的安全相關(guān)的情況，其位于開(kāi)動(dòng)操縱裝置的人員的直接的視野中。另外，操縱裝置的操縱對(duì)設(shè)備的不位于人員的視野中的機(jī)器應(yīng)當(dāng)不具有另外的有可能的負(fù)面影響。

接下來(lái)將要討論操作區(qū)域(操縱裝置)，對(duì)此涉及設(shè)備中的大量的位置，其幾乎都分配給確定的操縱裝置，并且對(duì)于其而言適用于上述條件。

用于在設(shè)備中轉(zhuǎn)化由標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)的要求的、適用的安全方案現(xiàn)在僅在明確地確定了設(shè)備和機(jī)器的布局之后才生成。因此，首先計(jì)劃有關(guān)在設(shè)備中的設(shè)備部件的地域定位的信息以及各個(gè)設(shè)備部件相互的有效關(guān)系。

迄今為止，通常手動(dòng)地生成該方案。然后就確定并且歸檔這樣生成的方案。

在現(xiàn)代的靈活的設(shè)備中、如其特別在未來(lái)(信息物理系統(tǒng)(Cyberphysical Systems)，工業(yè)4.0行動(dòng)，見(jiàn)下面)越來(lái)越頻繁地能夠發(fā)現(xiàn)的那樣，設(shè)備的布局應(yīng)當(dāng)是能動(dòng)態(tài)改變的，其匹配設(shè)備的負(fù)荷、當(dāng)前生產(chǎn)的產(chǎn)品或其它的因素。在這樣的環(huán)境中經(jīng)常不能夠?qū)崿F(xiàn)的是，預(yù)先處理所要求的完整的安全方案。

該問(wèn)題由于應(yīng)用分散的構(gòu)造還進(jìn)一步地激化，例如將每個(gè)單獨(dú)的機(jī)器作為信息物理系統(tǒng)處理，即信息的軟件技術(shù)的構(gòu)件與機(jī)械的和電子的經(jīng)由例如互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施而通信的部件的連接。信息物理系統(tǒng)的特征在于其高復(fù)雜度。信息物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案由嵌入系統(tǒng)通過(guò)有線的或無(wú)線的通信網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生。因此，在這樣的環(huán)境中幾乎不能實(shí)現(xiàn)的是，提前建立安全方案。該問(wèn)題在分散的環(huán)境中還會(huì)加劇，例如僅僅利用有限的關(guān)于該環(huán)境中的相應(yīng)的聯(lián)系的知識(shí)來(lái)將每個(gè)機(jī)器/每個(gè)設(shè)備部件作為信息物理系統(tǒng)處理。

生產(chǎn)工藝的設(shè)備或工廠由大量相互影響的、部分自給自足的機(jī)器組成。在現(xiàn)代的生產(chǎn)設(shè)備中應(yīng)當(dāng)能動(dòng)態(tài)地布置這些機(jī)器，特別還能夠?qū)崿F(xiàn)的是，在其中改變相應(yīng)的地域的使用區(qū)域。因此非常重要的是，將這樣的新式設(shè)備的用于所期望的改造的工程花費(fèi)減少到最小，并且特別地避免手動(dòng)規(guī)劃的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的因此在于提出一種方法和裝置，能夠在上述條件下自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)用于操縱裝置、接下來(lái)也稱為緊急停止按鈕的作用區(qū)域的計(jì)算。

該目的通過(guò)用于測(cè)定從工業(yè)設(shè)備中的操作區(qū)域能看到的作用區(qū)域的方法實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備由各個(gè)相互有效連接的、在空間中分布的設(shè)備部件組成，該方法利用用于包括了設(shè)備的空間的三維的第一模型，并且利用在考慮到相應(yīng)的設(shè)備部件的透明性的情況下的、用于每個(gè)設(shè)備部件的外部邊界的三維的第二模型，以及用于設(shè)備部件在空間和/或設(shè)備的模型中的空間定向的信息，該方法具有下述步驟：

a)測(cè)定操作區(qū)域之中的能實(shí)現(xiàn)的第一站點(diǎn)，

b)借助于射線追蹤算法，在空間的第一模型和設(shè)備部件的第二模型以及關(guān)于設(shè)備部件的定向的信息的基礎(chǔ)上，測(cè)定從第一站點(diǎn)能看到的設(shè)備部件，

c)確定在操作區(qū)域(AA)中是否考慮到足夠多的站點(diǎn)，并且進(jìn)一步執(zhí)行步驟e)或者測(cè)定能實(shí)現(xiàn)的另外的站點(diǎn)，

d)對(duì)于另外的站點(diǎn)執(zhí)行步驟b)，

e)通過(guò)評(píng)估來(lái)自于步驟b)的結(jié)果來(lái)測(cè)定從操作區(qū)域能看到的設(shè)備部件。

通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法能夠以有利的方式自動(dòng)地確定緊急停止按鈕的所謂的作用區(qū)域。在此，作用區(qū)域被理解為能由相應(yīng)的緊急停止按鈕轉(zhuǎn)換到緊急停止?fàn)顟B(tài)中的設(shè)備部件。在此，設(shè)備部件能夠是單個(gè)機(jī)器或者大量的機(jī)器或裝置。在一個(gè)設(shè)備中采用多于一個(gè)的緊急停止按鈕時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)的是，各個(gè)緊急停止按鈕的相應(yīng)的作用區(qū)域相互重疊，即機(jī)器能夠通過(guò)2個(gè)或更多不同的緊急停止按鈕停止。這在圖1中示意性地示出。緊急停止按鈕B12…B18對(duì)位于相應(yīng)的作用區(qū)域21…24中的設(shè)備部件31…36有影響。在此，設(shè)備部件31，33，34在兩個(gè)作用區(qū)域中并且設(shè)備部件32在三個(gè)作用區(qū)域中。同樣能夠?qū)崿F(xiàn)的是，多個(gè)緊急停止按鈕B12…B13作用于相同的作用區(qū)域。

在此緊急停止按鈕導(dǎo)致的是，分別位于作用區(qū)域中的設(shè)備部件立即并且沒(méi)有另外的干涉地由操作人員轉(zhuǎn)換到安全的狀態(tài)(例如根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn))中。

各個(gè)設(shè)備部件轉(zhuǎn)換到安全的狀態(tài)中是已知的。在此，對(duì)于各個(gè)設(shè)備部件而言也已經(jīng)確定的是，在可能的情況下還需要哪些輔助機(jī)構(gòu)和裝置，以便將相關(guān)的設(shè)備部件轉(zhuǎn)換到例如對(duì)于氣壓、電流需求或類似的要求的安全的狀態(tài)中。

對(duì)于每個(gè)設(shè)備部件設(shè)置有輪廓或草圖的簡(jiǎn)單的三維(3D)的模型。在此足夠生成靜態(tài)的模型，其不要求設(shè)備部件的可能的運(yùn)動(dòng)同樣在模型中模仿。在此，機(jī)器的透明的部件是重要的，或者能夠出于其它的原因利用或通過(guò)留空部被看到，其在此必須也如此被模型化。

此外，需要設(shè)備所在的空間的模型。在此如也在設(shè)備部件的模型中那樣，重要的是關(guān)于空間之中的阻礙視線的情況的信息，例如柱子、拐角或墻壁。此外有利的是，相應(yīng)的機(jī)器具有用于其在空間中的特有的定向/方位的信息。

在本發(fā)明的一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中，每個(gè)設(shè)備部件都能夠訪問(wèn)其特有的3D模型并且也具有足夠的計(jì)算能力，以便對(duì)此在當(dāng)?shù)貙?shí)施必要的計(jì)算。在此要注意的是，機(jī)器在該情況中也能夠僅在其已知的環(huán)境之中執(zhí)行計(jì)算。

此外，對(duì)于分散的解決方案必要的是，子設(shè)備能夠與(設(shè)備中的)其它的子設(shè)備通信，以便交換相應(yīng)的計(jì)算的中間結(jié)果和結(jié)果。

此外，對(duì)于計(jì)算而言的出發(fā)點(diǎn)是，緊急停止按鈕的潛在的使用者停留在相應(yīng)的按鈕的確定鄰近的環(huán)境中(操作區(qū)域)，就其而言相關(guān)的設(shè)備部件必須是至少部分能看到的。

附圖說(shuō)明

接下來(lái)通過(guò)附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明。在此示出：

圖1示出設(shè)備部件和作用區(qū)域(sphere of action)的模型的實(shí)例，

圖2示出由四個(gè)設(shè)備部件組成的設(shè)備的示例性的布置，

圖3示出具有觀察者的視角的示例性的設(shè)備，

圖4至圖6示出用于各個(gè)設(shè)備部件的方法的結(jié)果，并且

圖7至圖9示出第二實(shí)施例中的結(jié)果。

具體實(shí)施方式

圖2示出了設(shè)備部件M1，…M4布置成整體的設(shè)備。操作人員P具有描述為操作區(qū)域AA的行動(dòng)區(qū)域。各個(gè)設(shè)備部件根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)裝配有必要的緊急停止按鈕B1至B5。在此重要的是，如下地安裝按鈕，即操作人員P在其操作區(qū)域AA之中能看到緊急停止按鈕中的至少一個(gè)，也就是說(shuō)其不會(huì)由其它的設(shè)備部件所遮蓋。在圖2的情況中，設(shè)備部件M1上的緊急停止按鈕B1位于操作人員P的可見(jiàn)范圍中，而按鈕B2由設(shè)備部件M1所遮蓋。

圖3通過(guò)箭頭表示的是，設(shè)備部件M1的哪些區(qū)域位于從行動(dòng)區(qū)域AA中的這些位置出發(fā)的操作人員P1，P2的視野中。在此能識(shí)別的是，另外的設(shè)備部件M2和M4同樣位于視野中。與此相反，設(shè)備部件M3完全由其它的設(shè)備部件所遮蓋。

具體地，在具有分散的解決方案的第一實(shí)施方式中執(zhí)行下述步驟：

1.將緊急停止按鈕B1安裝在設(shè)備部件M1上。

2.設(shè)備部件M1(對(duì)于操作人員P能夠定位的、已經(jīng)證實(shí)的操作區(qū)域AA，activation area)在設(shè)備中借助于Raytracing方法(也稱為射線追蹤，其對(duì)于3-D圖形的計(jì)算而言是已經(jīng)已知的和成熟的)計(jì)算哪些另外的設(shè)備部件就站點(diǎn)P上的操作人員而言是可見(jiàn)的。也就是說(shuō)，借助于在模擬發(fā)送射線的基礎(chǔ)上的、用于遮蓋計(jì)算(Verdeckungsberechnung)或者測(cè)定三維對(duì)象的能見(jiàn)度的算法,就空間中的確定的點(diǎn)而言,設(shè)備中的區(qū)域哪些不由設(shè)備部件M1所遮蓋。

3.M1發(fā)送測(cè)定的信息(例如應(yīng)用的射線的向量、即起始坐標(biāo)和方向)給所有其它相關(guān)的設(shè)備部件M2至Mn。這些射線向量標(biāo)記為源于操作按鈕B1的源。

4.因?yàn)樵O(shè)備部件Mx(x＝2至n)知道其特有的位置并且能訪問(wèn)設(shè)備空間的3D模型，所以其現(xiàn)在計(jì)算是否碰到相應(yīng)的射線。

Mx標(biāo)記了作為“由Mx遮蔽的”和“源自操作按鈕B1的”射線，并且發(fā)送附加的信息給除了M1以外的所有其它的設(shè)備部件。

5.對(duì)于Mx+1執(zhí)行步驟4直到x+1＝n。

6.每個(gè)設(shè)備部件現(xiàn)在都能夠在從其它設(shè)備部件得到的信息的基礎(chǔ)上計(jì)算其就操作區(qū)域AA而言是否是可見(jiàn)的，或者是否通過(guò)其它的設(shè)備部件所遮蓋(或者遮蔽)。

該計(jì)算例如能夠通過(guò)應(yīng)用大量的“由Mx遮蔽并且從操作區(qū)域AA出發(fā)的”射線、扣除識(shí)別為“由My遮蔽的”射線，其中y＝2至n，沒(méi)有x。作為結(jié)果得到了大量的射線，其在Mx處證實(shí)沒(méi)有由其它的設(shè)備部件遮蔽。

當(dāng)現(xiàn)在結(jié)果得出了足夠大量的射入的射線或者識(shí)別足夠大的面積作為“可見(jiàn)的”的時(shí)候，將Mx看作為“就操作區(qū)域AA而言可見(jiàn)的”并且相應(yīng)地將其報(bào)告給M1。

用于限定何時(shí)將對(duì)象識(shí)別為可見(jiàn)的、所謂的參數(shù)能夠根據(jù)本地的規(guī)則而調(diào)整。例如能夠要求的是，一旦對(duì)象的多于10％的外表面是可見(jiàn)的，那么就將對(duì)象識(shí)別為可見(jiàn)的。

7.對(duì)于所有的操作區(qū)域或者緊急停止按鈕重復(fù)步驟1至6。

必要的計(jì)算也能夠在可能的情況下部分地轉(zhuǎn)移到另外的計(jì)算單元上。當(dāng)設(shè)備部件本身不能提供必要的計(jì)算能力的時(shí)候，這是特別有利的。

在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中在中心機(jī)構(gòu)中執(zhí)行計(jì)算。

對(duì)于每個(gè)緊急停止按鈕B1…Bm執(zhí)行下述步驟：

1a.選擇緊急停止按鈕Bx周圍的地域的操作區(qū)域(Activation Area，AA)。當(dāng)觀察需要確認(rèn)緊急停止按鈕的情況的時(shí)候，操作人員P1，P2預(yù)計(jì)停留在該操作區(qū)域AA中。操作人員到緊急停止按鈕的最大距離能夠預(yù)設(shè)置，或與例如來(lái)自國(guó)家規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)設(shè)相匹配。該操作區(qū)域不包含人員不能出現(xiàn)的區(qū)域。

1b.確定操作人員(平均的)眼睛高度和最大視距。

1c.就操作區(qū)域的每個(gè)(足夠多的)點(diǎn)而言，系統(tǒng)在應(yīng)用事先確定的3D模型和例如射線追蹤方法或其它已知的用于遮蓋計(jì)算的算法的條件下計(jì)算直接的視線/視軸(Blickachse)。

1d.為每個(gè)設(shè)備部件M1至Mn執(zhí)行下述步驟：

計(jì)算視軸碰到的面(可見(jiàn)面)。射線追蹤：合并碰到設(shè)備部件的射線。

當(dāng)可見(jiàn)面(射線追蹤：射線的數(shù)量)超過(guò)設(shè)備部件模型的表面的(預(yù)先)確定的部分的時(shí)候，該設(shè)備部件標(biāo)記為“可見(jiàn)的”，并且基于設(shè)備部件的、對(duì)于轉(zhuǎn)變到安全狀態(tài)中而言必需的機(jī)構(gòu)或功能標(biāo)記為“必要的”。

1e.結(jié)果：為緊急停止按鈕Bx計(jì)算所有數(shù)量的標(biāo)記為“可見(jiàn)的”設(shè)備部件作為激活區(qū)域。不允許關(guān)斷所需要的輔助功能。

2.結(jié)果：為每個(gè)緊急停止按鈕計(jì)算作用區(qū)域。同樣計(jì)算不允許關(guān)斷的子設(shè)備的、在可能情況下需要的預(yù)備的數(shù)量。

3.一旦為每個(gè)緊急停止按鈕執(zhí)行計(jì)算，那么就在系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化結(jié)果，例如通過(guò)添加調(diào)用合適的安全功能到用于激活緊急停止按鈕的結(jié)果控制功能(事件處理器)。

圖7示出了相互影響的設(shè)備部件M1…M5的結(jié)構(gòu)。設(shè)備部件M2的操作區(qū)域(即當(dāng)觀察需要確認(rèn)操作緊急停止按鈕的緊急情況的時(shí)候，操作人員P能夠理論上停留的面)表示為AA。在設(shè)備部件上分別安裝緊急停止按鈕Ba…B7。

圖8示出了就點(diǎn)P1和P2而言從操作區(qū)域中示例性地測(cè)試的方式，即射線V根據(jù)射線追蹤方法借助于中心機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

隨后在圖9中示出計(jì)算的結(jié)果。特別清楚的是，兩個(gè)緊急停止按鈕B1或B5中的一個(gè)的操作包括分別作為作用區(qū)域的兩個(gè)設(shè)備部件M1和M2。

在另一個(gè)有利的實(shí)施方式中以中心和非中心的混合的方式實(shí)施計(jì)算。在此，例如用于設(shè)備部件處的子集的下級(jí)的系統(tǒng)能夠負(fù)責(zé)。

根據(jù)本發(fā)明的方法能夠?qū)崿F(xiàn)緊急停止按鈕的作用區(qū)域的自動(dòng)化的計(jì)算。

利用非集中的方式不需要另外的中心的上級(jí)的系統(tǒng)或協(xié)調(diào)器。這特別有利地用于在新式的信息物理系統(tǒng)中使用。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)布局改變?cè)谟?jì)算階段期間發(fā)生的時(shí)候，也能夠?qū)υO(shè)備的較小的布局改變起反應(yīng)。為了盡可能小地保持計(jì)算花費(fèi)，能夠提出以下方式，以便將重新計(jì)算限制到必要的設(shè)備部件上。

設(shè)備由具有緊急停止按鈕B1至Bm的設(shè)備部件M1至Mn組成。作用區(qū)域的計(jì)算仍在進(jìn)行又或者已經(jīng)結(jié)束?，F(xiàn)在應(yīng)當(dāng)改變?cè)O(shè)備部件Ma的位置。

當(dāng)計(jì)算仍在進(jìn)行的時(shí)候，那么就將其臨時(shí)中斷。現(xiàn)在(由執(zhí)行或控制計(jì)算的上級(jí)的系統(tǒng))進(jìn)行的是，改變了位置的設(shè)備部件本身由一種光發(fā)射的區(qū)域環(huán)繞?，F(xiàn)在借助于射線追蹤或其它的表示方法計(jì)算，其它的設(shè)備部件由這些光射線碰到，類似于上述方法。當(dāng)碰到設(shè)備部件Mb的時(shí)候，那么繼續(xù)進(jìn)行的是，該設(shè)備部件就設(shè)備部件Ma而言是可見(jiàn)的并且反之亦然。當(dāng)Mb是作用區(qū)域的一部分的時(shí)候，那么就消除該作用區(qū)域并且為緊急停止按鈕的列表添加緊急停止按鈕，對(duì)于其而言必須重新執(zhí)行作用區(qū)域的計(jì)算。當(dāng)設(shè)備部件Ma具有緊急停止按鈕的時(shí)候，其就必須也添加到列表。

有利的，通過(guò)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的值的手動(dòng)的覆蓋。

特別地，操作者能夠限定的是，一個(gè)設(shè)備部件或大量的設(shè)備部件是與剩余的設(shè)備分開(kāi)的。在該情況中通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)確定的是，操作區(qū)域AA被限制到這些設(shè)備部件上并且不被應(yīng)用，以便擴(kuò)大一些操作區(qū)域。

在此也能夠?qū)崿F(xiàn)的是，設(shè)備部件由操作者限定為與剩余的設(shè)備明確地分離。在該情況中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)設(shè)將操作區(qū)域限制到相應(yīng)的設(shè)備部件上。

在另一個(gè)有利的實(shí)施方式中應(yīng)用所述系統(tǒng)，以便如下地檢查用于設(shè)備的現(xiàn)有的安全方案，即是否遵守由標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)的要求。

附圖標(biāo)記列表

AA 操作區(qū)域(Activation Area)

B1，…Bx 操作元件，緊急停止按鈕

M1…M4 設(shè)備部件

P，P1，P2 操作人員

V 向量

21…24 作用區(qū)域(Sphere of Action)

31…36 設(shè)備部件

41…44 具有影響