Damit Roboter mit menschlichen Mitarbeitern koope- rieren können, ist es von entscheidender Bedeutung, dass Objekte, mit denen ein Roboter im Laufe einer Bewegung kollidieren könnte, zuverlässig erkannt werden und die Bewegung des Roboters rechtzeitig angehalten oder zumindest so weit verlangsamt wer- den kann, dass eine Verletzung eines Mitarbeiters durch die Bewegung des Roboters sicher ausgeschlos ^¬ sen werden kann. Die Anforderungen, die ein Robotersystem erfüllen muss, um in dieser Hinsicht als sicher zu gelten, sind in Normen wie ISO 13849- 1:2015, ISO 10218-1:2011 oder ISO 10218-2:2011 de ^¬ finiert und erfordern, dass eine Funktionsstörung eines zur Erfassung einer Annäherung des Roboters an Personen verwendeten Sensors sicher erkennbar sein muss, damit im Fehlerfall der Roboter angehal- ten werden kann.

Eine Möglichkeit zum Erkennen einer Funktionsstö ^¬ rung ist die Verwendung redundanter Sensoren. Wenn deren Erfassungsergebnisse nicht übereinstimmen, besteht Grund zur Annahme, dass wenigstens ein Sen ^¬ sor gestört ist, und der Roboter wird angehalten oder in einen sicheren Zustand versetzt, z.B. in einen Zustand mit reduzierter Geschwindigkeit.

Die notwendige Duplizität der Sensoren macht einen solchen Ansatz kostspielig, außerdem können sich Probleme bei der Unterbringung der Sensoren ergeben, da doppelte Verkabelung benötigt wird und eine doppelt ausgeführte Hardware synchronisiert werden muss. Je weiter diese doppelt ausgeführten Sensoren voneinander entfernt sind, umso größer ist die Ge ^¬ fahr, dass unterschiedliche Erfassungsergebnisse der Sensoren nicht auf eine Störung zurückzuführen sind sondern auf die unvollständige Überlappung der von den Sensoren überwachten Raumbereiche.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein

Abstandsmesssystem und -verfahren anzugeben, die die erforderliche sichere Störungserkennung auf einfachem und kostengünstigem Wege ermöglichen.

Die Aufgabe wird zum einen gelöst, indem ein Ab ^¬ standsmesssystem mit einem ein frequenzveränderliches Abtastsignal , insbesondere Radarsignal, emit ^¬ tierenden Sender, einem Empfänger und einer Auswerteeinheit zum Berechnen eines Abstands zu einem das Abtastsignal reflektierenden Objekt anhand einer Differenz zwischen den Frequenzen des emittierten und des empfangenen Abtast Signals neben einem ers ^¬ ten Betriebsmodus, in dem die Änderungsrate der Frequenz des AbtastSignals einen ersten endlichen Wert aufweist, noch einen zweiten Betriebsmodus un ^¬ terstützt, in dem die Änderungsrate der Frequenz einen zweiten endlichen Wert aufweist, und die Aus ^¬ werteeinheit eingerichtet ist, einen ersten Abstand anhand einer im ersten Betriebsmodus ermittelten Frequenzdifferenz zu berechnen, einen zweiten Abstand anhand einer im zweiten Betriebsmodus ermit ^¬ telten Frequenzdifferenz zu berechnen und die Über- einstimmung zwischen erstem und zweitem Abstand zu beurteilen .

Bei dem erfindungsgemäßen Abstandsmesssystem können zwar redundante Komponenten verwendet werden; erforderlich ist dies jedoch nicht, denn da die Funktion des Systems nur dann als korrekt beurteilt wird, wenn sich die Frequenzdifferenz in erwarteter Weise ändert, das Versagen einer nicht redundanten Komponente eine solche Änderung aber allenfalls verhindern kann, kann auch ohne physikalische Redundanz eine Störung sicher erkannt werden.

Die Aufgabe wird zum anderen gelöst durch ein Ab- standsmessverfahren mit den Schritten:

a) Aussenden eines mit einer ersten Änderungsrate frequenzveränderlichen AbtastSignals ;

b) Empfangen des von einem überwachten Objekt reflektierten AbtastSignals und Berechnen eines ers- ten Abstands des Objekts anhand einer Differenz zwischen den Frequenzen des ausgesendeten und des empfangenen AbtastSignals ;

c) Aussenden eines mit einer zweiten Änderungsra ^¬ te frequenzveränderlichen AbtastSignals ;

d) Empfangen des von dem überwachten Objekt reflektierten AbtastSignals und Berechnen eines zwei ^¬ ten Abstands des Objekts anhand einer Differenz zwischen den Frequenzen des ausgesendeten und des empfangenen AbtastSignals ;

e) Beurteilen der Übereinstimmung zwischen erstem und zweitem Abstand.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Ergebnis der Beurteilung weiter zu verarbeiten. Eine besteht darin, dass die Auswerteeinheit ein Fehlersignal ausgibt, wenn sie die Übereinstimmung als unzu ^¬ reichend beurteilt. Dann kann die Steuereinheit ei ^¬ nes Robotersystems bei Empfang des Fehlersignals jede potentiell gefährliche Bewegung stoppen oder in einen sicheren Roboter-Betriebsmodus wechseln, z.B. „power force limiting" mit angemessenen nied ^¬ rigen Geschwindigkeiten. Außerdem kann über eine geeignete Benutzerschnittstelle die Fehlermeldung einem Benutzer zur Kenntnis gebracht werden, damit die Ursache des Fehlers gesucht und ggf. behoben werden kann. Anstelle eines Fehlersignals kann die Auswerteein ^¬ heit im Falle unzureichender Übereinstimmung ein vom ermittelten ersten und zweiten Abstand unabhängiges, fiktives Abstandsmessergebnis ausgeben, das niedrig genug ist, um die Steuereinheit des Robo- tersystems zu einem sofortigen Stopp jeder Bewegung oder zu einem sicheren Stopp zu veranlassen.

Um bei Auftreten einer Störung deren zeitnahe Erfassung sicherzustellen, sollte eine Umschaltung zwischen erstem und zweitem Betriebsmodus perio ^¬ disch stattfinden, ohne einen Benutzereingriff zu erfordern .

Solange die Frequenz des AbtastSignals sich mit konstanter Änderungsrate ändert, ist die Differenz zwischen den Frequenzen des emittierten und des empfangenen Abtast Signals ein Maß für die Laufzeit des AbtastSignals und damit für den vom Sender zum überwachten Objekt und zurück zum Empfänger zurück- gelegten Weg. Zeiten, an denen die Änderungsrate variiert, etwa weil eine Grenze des Frequenzbe ^¬ reichs des AbtastSignals erreicht ist, sind für ei ^¬ ne Abstandsmessung nicht geeignet. Um diese Zeiten zu minimieren, sollte, wenn die Frequenz des Ab- tastsignals in beiden Betriebsmodi zwischen einer unteren und einer oberen Grenzfrequenz variiert, eine Umschaltung zwischen den Betriebsmodi spätes- tens bei Erreichen einer der Grenzfrequenzen erfolgen, gegebenenfalls auch schon vorher.

Die gemeinsame Grenzfrequenz kann die obere Grenzfrequenz des ersten Betriebsmodus und die untere Grenzfrequenz des zweiten Betriebsmodus sein; in diesem Fall findet beim Übergang vom ersten zum zweiten Betriebsmodus weder ein Frequenzsprung statt noch ändert sich die Richtung der Frequenzänderung .

Bevorzugt ist allerdings, dass die beiden Betriebs ^¬ modi beide Grenzfrequenzen gemeinsam haben. Dann findet beim Übergang von einem Betriebsmodus zum anderen entweder ein Frequenzsprung von einer Grenzfrequenz zur anderen statt, oder die Änderungsrate ändert nicht nur ihren Betrag, sondern auch ihr Vorzeichen.

Als Nebenprodukt von zu verschiedenen Zeiten wiederholten Messungen des Abstands zu einem überwachten Objekt kann die Geschwindigkeit des Objekts re ^¬ lativ zu Sender und Empfänger abgeschätzt werden. Wenn diese von Null verschieden ist, dann ändert sich der Abstand zwischen zwei Messungen, und dies sollte bei der Beurteilung der Übereinstimmung berücksichtigt werden.

Im einfachsten Fall kann die maximale Abweichung zwischen erstem und zweitem Abstand, bei der die Übereinstimmung noch als ausreichend beurteilt wird, proportional zu einem bekannten Zeitabstand zwischen zwei Messungen vorgegeben werden. Alternativ kann anhand der bekannten Geschwindigkeit, des ersten Abstands zum Zeitpunkt seiner Messung und des Zeitabstandes zwischen den Messungen im ersten und zweiten Betriebsmodus ein erster Abstand zum Zeitpunkt der Messung des zweiten Abstands extrapo- liert werden und die Übereinstimmung anhand des ge ^¬ messenen zweiten und des extrapolierten ersten Ab- stands beurteilt werden. In der Praxis kann ein Abtastsignal von diversen Objekten gleichzeitig reflektiert werden. Wenn sich deren Abstände von einer Messung zur anderen ändern, kann es vorkommen, dass ein gegebener spektraler Anteil des reflektierten AbtastSignals in aufeinanderfolgenden Messungen von verschiedenen Objekten herrührt. Um in einem solchen Fall Fehlzuordnungen zu vermeiden, ist es hilfreich, wenn in Schritt d) unter von verschiedenen Objekten herrührenden reflektierten Signalen nur dann eines als von dem überwachten Objekt herrührend identifiziert wird, wenn das Stärkenverhältnis dieses einen Sig ^¬ nals zum in Schritt c) gesendeten Abtastsignal mit dem Stärkenverhältnis des in Schritt b) empfangenen zum in Schritt a) gesendeten Abtastsignal als über- einstimmend beurteilt werden kann.

Bei der Auswertung eines reflektierten Abtastsignals kann das reflektierte Abtastsignal mit dem ge ^¬ sendeten Abtastsignal insbesondere additiv oder multiplikativ überlagert werden, um ein niederfrequentes Schwebungssignal zu erhalten, dessen Fre ^¬ quenz einen Rückschluss auf den Abstand eines re ^¬ flektierenden Objekts zulässt. Um die Zeitabstände zwischen einer Messung im ersten Betriebsmodus und einer Messung im zweiten Betriebsmodus möglichst klein zu machen, sollte die Frequenz des AbtastSignals in Schritt a) und in Schritt c) jeweils genau einmal von einer ersten zu einer zweiten Intervallgrenze durchgestimmt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Robo ^¬ tersystems ;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines in dem Robotersystem verwendeten Abstandsmesssystems;

Fig. 3 ein Eingangssignal eines spannungsgesteu ^¬ erten Oszillators des Abstandsmesssys ^¬ tems ;

Fig. 4 das Eingangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators gemäß einer alternativen Ausgestaltung; und

Fig. 5a, b Beispiele von Spektren eines reflektierten Abtastsignals .

Fig. 1 zeigt schematisch und lediglich exemplarisch ein erfindungsgemäßes Robotersystem. Ein Roboterarm 1 umfasst wenigstens zwei Armelemente 2, 3, die über - vorzugsweise jeweils in zwei Freiheitsgraden - durch Motoren schwenkbare Gelenke 4, 5, 6 mit ei ^¬ ner Basis 7, untereinander bzw. mit einem Werkzeug 8, z.B. einem Greifer, verbunden sind. Sender- Empfängereinheiten 9 eines Abstandsmesssystems kön ^¬ nen an beliebigen Stellen des Roboterarms 1 angebracht sein; Fig. 1 zeigt eine solche Sender- Empfängereinheit 9 am Gelenk 6 zwischen dem dista ^¬ len Armelement 3 und dem Werkzeug 8; weitere Sen ^¬ der-Empfängereinheiten 9 können, wie in der Fig. 1 gestrichelt angedeutet, entlang des Armelements 3 verteilt sein. Das Gelenk 5 und das proximale Arm ^¬ element 2 können, obwohl in der Fig. nicht dargestellt, in entsprechender Weise mit Sender- Empfängereinheiten 9 bestückt sein, um den Roboter- arm 1 auf seiner gesamten Länge auf mögliche Kolli ^¬ sionen mit einem Objekt zu überwachen. Ebenso sind weitere Orte für die Anbringung von Sender- Empfängereinheiten 9 denkbar, beispielsweise an der Basis 7 oder in der Umgebung des Robotersystems.

Eine Steuereinheit 10 steuert die Motoren der Ge ^¬ lenke 4, 5, 6, um den Werkzeughalter bzw. ein von ihm geführtes Werkzeug 8 gemäß einem vorgegebenen Arbeitsprogramm zu bewegen. Eine Auswerteeinheit 11 ist mit der (oder den) Sender-Empfängereinheit (en) 9 verbunden, um das Eindringen eines Fremdkörpers, insbesondere eines Körperteils 12 einer Person, das durch Kontakt mit dem Roboterarm 1 oder dem von ihm geführten Werkzeug verletzt werden könnte, in einem kritischen Umkreis des Roboterarms 1 zu erfassen und ggf. eine Betriebsunterbrechung des Robotersys ^¬ tems auszulösen. Steuereinheit 10 und Auswerteeinheit 11 können auf einem gleichen Mikroprozessor implementiert sein.

Grundsätzlich kann die Auswerteeinheit 11 Signale einer beliebigen Zahl von Sender-Empfängereinheiten 9 in jeweils gleicher Weise verarbeiten. Es genügt daher, wenn im Folgenden nur das Zusammenwirken der Auswerteeinheit 11 mit einer einzigen Sender- Empfängereinheit 9 im Detail beschrieben wird.

Der kritische Umkreis einer Sender-Empfängereinheit 9 kann statisch definiert sein als eine Kugel oder ein Kugelsektor von vorgegebenem Radius, deren Mittelpunkt die Sender-Empfängereinheit 9 ist. Im Fal ^¬ le einer am Gelenk 4 oder der Basis 7 angebrachten Sender-Empfängereinheit 9 kann dieser Radius die Reichweite des Roboterarms 1 sein.

Er kann auch größer sein, um eine unten näher erläuterte Mindestreaktionszeit zur Verfügung zu ha- ben. Denn der Roboterarm kann sich zwar nicht außerhalb seiner Reichweite bewegen, ein Mensch könnte jedoch plötzlich in den der Reichweite entsprechenden Raum eingreifen und mit dem Roboter kolli- dieren, wenn der kritische Umkreis auf die Reich ^¬ weite beschränkt wird.

Im Falle einer beweglichen Sender-Empfängereinheit 9 kann der Radius proportional zu einer maximalen Geschwindigkeit der Sender-Empfängereinheit 9 fest ^¬ gelegt sein, so dass bei Eindringen eines Fremdkörpers in den kritischen Umkreis eine Mindestreakti ^¬ onszeit zur Verfügung steht, um den Roboterarm 1 zum Stehen zu bringen.

Denkbar ist aber auch, dass die Auswerteeinheit 11 von der Steuereinheit 10 über die gemäß dem vorge ^¬ gebenen Arbeitsprogramm bevorstehende Bewegung der Sender-Empfängereinheit 9 informiert wird, um den kritischen Umkreis dynamisch an diese Bewegung anzupassen, indem z.B. in Richtung der Bewegung die Entfernung, die ein Fremdkörper nicht unterschreiten darf, größer gewählt wird als in einer von der Bewegungsrichtung abweichenden Richtung.

Um z.B. vom Gelenk 6 aus alle Raumrichtungen in gleicher Weise zu überwachen, sind in der Praxis mehrere Sender, die jeweils ein Abtastsignal von dem Gelenk 6 aus in einen begrenzten Raumwinkel emittieren und deren Raumwinkel aneinander angrenzen bzw. sich auch teilweise überlappen könnten, sowie den Sendern zugeordnete, aus den betreffenden Raumwinkeln reflektierte Signale auffangende Emp ^¬ fänger erforderlich. Als Sender-Empfängereinheit 9 kann sowohl ein einzelnes Paar von Sender und Empfänger als auch eine Mehrzahl solcher Paare aufge- fasst werden. Fig. 2 zeigt ein exemplarisches Blockschaltbild des Abstandsmesssystems . Ein Sender 13 der Sender- Empfängereinheit 9, z.B. ein Radar- oder Ultra ^¬ schallsender, bezieht von einem spannungsgesteuerten Oszillator 14 ein elektrisches Hochfrequenzsig ^¬ nal, das die Frequenz des von dem Sender 13 auszu ^¬ sendenden AbtastSignals vorgibt. Die Ausgangsfre ^¬ quenz f des Oszillators 14 hängt mit einer angeleg ^¬ ten Steuerspannung U gemäß f=f0+U ( f1-f0 ) zusammen, wobei U der Einfachheit halber auf das Werteinter ^¬ vall [0,1] normiert angenommen ist und f0,fl die Grenzfrequenzen des Betriebs darstellen.

Im hier gezeigten Beispiel sind zum Erzeugen der Steuerspannung U zwei Rampengeneratoren 15, 16 vorgesehen. In einem ersten Betriebsmodus des Abstandsmesssystems ist der Rampengenerator 15, in einem zweiten Betriebsmodus der Rampengenerator 16 über einen von einer Betriebsmodus-Auswahleinheit 18 betätigten Schalter 17 mit dem Steuereingang des Oszillators 14 verbunden.

Die Rampengeneratoren 15, 16 umfassen hier jeweils in an sich bekannter Weise einen Frequenzteiler 19, der das Ausgangssignal eines festfrequenten Oszil ^¬ lators 21, typischerweise eines Quarzoszillators, um einen programmierbaren Faktor dl5 bzw. dl6 herunterteilt, und einen Zähler 20, der Perioden eines Ausgangssignals des Frequenzteilers 19 zählt und folglich ein Ausgangssignal in Form einer linear von 0 bis 1 ansteigenden und bei Erreichen von 1 auf 0 zurückspringenden Rampe liefert, deren Anstiegsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zu den Teilerfaktoren dl5, dl6 des Frequenzteilers 19 ist.

Es kann ein zweiter Schalter 22 zwischen den fest- frequenten Oszillator 21 und die Rampengeneratoren 15, 16 eingefügt sein, um jeweils nur denjenigen Rampengenerator 15, 16 mit dem Taktsignal des Os ^¬ zillators 21 zu beaufschlagen, der auch ausgangs- seitig mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 14 verbunden ist, und so den Zähler des jeweils nicht genutzten Rampengenerators 15 oder 16 anzuhalten.

Die mehreren Rampengeneratoren 15, 16 und Schalter 17, 22 können durch einen einzigen Rampengenerator ersetzt sein, wobei die Betriebsmodus-

Auswahleinheit 18 zwischen den Betriebsmodi wech ^¬ selt, indem sie, anstatt die Schalter 17, 22 zu be ^¬ tätigen, den Teilerfaktor des Frequenzteilers 19 zwischen dl5 und dl6 anforderungsgemäß statisch o- der dynamisch anpasst. Bei Bedarf können weitere Betriebsmodi mit weiteren Teilerfaktoren vorgesehen sein .

Eine Umschaltung zwischen den Betriebsmodi findet nur dann, optional immer dann, statt, wenn die am Oszillator anliegende Steuerspannung den Wert U=l erreicht. Zeitgleich mit der Umschaltung geht die SteuerSpannung auf U=0 zurück, sei es, weil der Ausgangspegel des nun in Betrieb befindlichen Ram ^¬ pengenerators 15 oder 16 zuvor durch den Schalter 22 auf 0 festgehalten worden ist, oder weil die Steuereinheit 18 beim Umschalten die Zähler der Rampengeneratoren 15, 16 zurücksetzt. So wird eine Steuerspannung U erhalten, in der sich wie in Fig. 3 gezeigt Rampen mit je nach Betriebsmodus unter ^¬ schiedlichen Anstiegsgeschwindigkeiten abwechseln.

Alternativ kann vorgesehen werden, dass wenn die am Oszillator anliegende Steuerspannung den Wert U=l erreicht, eine Umschaltung vom ersten in den zweiten Betriebsmodus stattfindet, dass im zweiten Be ^¬ triebsmodus eine absteigende Rampe erzeugt wird, und dass bei Erreichen von U=0 in den ersten Be- triebsmodus zurückgeschaltet wird. Den resultieren ^¬ den Verlauf der Steuerspannung zeigt Fig. 4.

Ein von einem Objekt wie etwa dem Körperteil 12 zu ^¬ rückgeworfenes Echo des vom Sender 13 ausgestrahl ^¬ ten AbtastSignals wird nach einer zum Abstand zwi ^¬ schen Sender-Empfängereinheit 9 und Objekt propor ^¬ tionalen Laufzeit Ät von einem Empfänger 23 aufgefangen. Um das aufgefangene mit dem gleichzeitig vom Sender 13 ausgestrahlten Abtastsignal zu überlagern, ist hier eine Addierschaltung 24 vorgesehen; die Frequenzen der beiden AbtastSignale unterscheiden sich, wie in Fig. 3 anhand einer gestrichelten Kurve veranschaulicht, um einen zur Stei ^¬ gung der Rampe und der Laufzeit Ät proportionalen Wert Äf . Ihre additive Überlagerung ergibt eine Schwebung, d.h. es wird ein Ausgangssignal erhal ^¬ ten, dessen Amplitude mit der Frequenz Äf variiert, die der Differenz zwischen den Frequenzen des ausgestrahlten und des empfangenen AbtastSignals ent ^¬ spricht .

Alternativ könnte ein Signal, dessen Spektrum einen solchen Differenzfrequenzanteil enthält, auch durch Multiplikation oder weitere mathematische Verknüp ^¬ fung von ausgestrahltem und empfangenem Abtastsignal erhalten werden.

Um dieses Signal mit der Frequenz Äf zu extrahie ^¬ ren, genügt ein der Addierschaltung 24 nachgeschaltetes Tiefpassfilter 25, welches nur Frequenzen unterhalb der tiefsten Frequenz fO des Senders 13 durchläset .

Eine Recheneinheit 26 ist vorgesehen, um das tief- passgefilterte Signal in seine einzelnen Spektral ^¬ anteile zu zerlegen. Der Einfachheit halber wird zunächst der Fall betrachtet, dass in dem Raumwin- kel, in den der Sender 13 abstrahlt bzw. aus dem der Empfänger 23 empfängt, nur ein einziges reflektierendes Objekt vorhanden ist. Das von diesem Ob ^¬ jekt zurückgeworfene Echo ist gegenüber dem ausge- strahlten Abtastsignal um Ät verzögert, und wenn die Änderungsrate der Frequenz f des AbtastSignals im ersten Betriebsmodus (df/dt)i und im zweiten Be ^¬ triebsmodus (df/dt)2 beträgt, dann muss, damit der ermittelte Abstand des Objekts

c Af dt

in beiden Betriebsmodi derselbe ist, der Frequenz ^¬ unterschied zwischen aufgefangenem und ausgestrahltem Abtastsignal , d.h. die Schwebungsfrequenz Äf am Ausgang der Addierschaltung 24, im ersten Betriebs- modus (df/dt)iÄt und im zweiten Betriebsmodus (df/dt)2Ät betragen, d.h. es muss

gelten. Ist dies nicht der Fall, dann liegt eine Störung des Abstandsmesssystems vor.

Dabei ist es ohne Belang, ob die Störung in nur ei ^¬ nem Betriebsmodus oder in beiden auftritt . Selbst wenn in einem Betriebsmodus die Abstandsmessung ein korrektes Ergebnis liefern sollte, kann nicht si ^¬ cher beurteilt werden, welcher der Modi dies ist, so dass keiner der berechneten Werte des Abstands r vertrauenswürdig ist. Einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zufolge reagiert die Recheneinheit 26 auf das Vorliegen eines Fehlers durch Ausgabe einer Fehlermeldung an die Steuereinheit 10, woraufhin diese die Bewegung des Roboterarms 1 stoppt bzw. den Roboterarm 1 in einen sicheren Zustand über- führt und ggf. die Fehlermeldung an eine Leitwarte weitergibt, um eine Behebung des Fehlers zu veran ^¬ lassen .

Falls eine solche Fehlermeldung in einem Kommunika ^¬ tionsprotokoll zwischen Abstandsmesssystem und Steuereinheit 10 nicht vorgesehen ist, kann die Re ^¬ cheneinheit 26 behelfsweise ein Abstandsmessergeb- nis an die Steuereinheit 10 ausgeben, das keinem der im ersten oder zweiten Betriebsmodus nach Formel (1) erhaltenen Abstandsmesswerte entsprechen muss, aber so niedrig ist, dass es die Steuereinheit 10 auch bei ordnungsgemäßem Funktionieren zu einem sofortigen Stopp der Bewegung des Roboterarms 1 oder zu einem Überführen in einen sicheren Zustand veranlassen würde. Dieses behelfsweise ausge ^¬ gebene Messergebnis kann zweckmäßigerweise der kleinste mit dem Abstandsmesssystem sicher messbare Abstand sein.

In der Praxis ist mit der Möglichkeit zu rechnen, dass das Objekt sich relativ zu Sender 13 und Empfänger 23 bewegt. Im einfachsten Fall kann dem Rechnung getragen werden, indem eine maximal zu erwartende Geschwindigkeit des Objekts angenommen, eine maximale Wegstrecke als Produkt dieser Ge ^¬ schwindigkeit mit dem Zeitabstand zwischen einer Abstandsmessung im ersten Betriebsmodus und einer Abstandsmessung im zweiten Betriebsmodus berechnet und die Ergebnisse der beiden Messungen als übereinstimmend angenommen werden, wenn sie um nicht mehr als diese maximale Wegstrecke voneinander ab ^¬ weichen .

Um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass zwei Messungen fälschlicherweise als übereinstimmend be ^¬ urteilt werden, sollte der Zeitabstand zwischen den Messungen möglichst klein sein; deswegen wechseln sich erster und zweiter Betriebsmodus vorzugsweise wie in Fig. 3 gezeigt jedes Mal ab, wenn die Steu ^¬ erspannung genau eine Rampe vollständig durchlaufen hat und an deren Ende den Wert U=l erreicht .

In einer weiteren Ausführungsvariante wird die Ab ^¬ standsmessung im ersten Betriebsmodus aus einer Anzahl von gleichartigen ersten Frequenzrampen, Rampen mit derselben ersten Steigung, ermittelt, indem deren Abstandsmessergebnisse überlagert bzw. auf ^¬ summiert oder gemittelt werden. Ebenso wird in die ^¬ ser Variante die Abstandsmessung im zweiten Betriebsmodus aus einer Anzahl von gleichartigen zweiten Frequenzrampen, Rampen mit derselben zweiten Steigung, ermittelt, indem deren Abstandsmess ^¬ ergebnisse überlagert bzw. aufsummiert oder gemit ^¬ telt werden. Diese Variante berücksichtigt, dass sich manchmal erst nach einigen gleichartigen Frequenzrampen, deren Abstandsmessergebnisse überla ^¬ gert bzw. summiert werden, sich ein deutliches Sig ^¬ nal von Reflektionen von einem oder mehreren Objekten einstellt.

So kann z.B. als maximal zu erwartende Geschwindig ^¬ keit einer Person oder ihrer Extremitäten ein Wert von 5 m/s angenommen werden. In der Normenliteratur wird angenommen, dass die Gehgeschwindigkeit 1.6 m/s beträgt und die Geschwindigkeit, mit der Arme ausgestreckt werden, 2 m/s. Der Zeitabstand zwi ^¬ schen zwei Messungen wird 100 ms oder sogar deutlich weniger betragen. Als Beispiel, wie ein Kriterium ermittelt wird, ob zwei Messungen als überein ^¬ stimmend beurteilt werden, werde von einem Zeitab ^¬ stand zwischen zwei Messungen von 100 ms und einer maximal zu erwartenden Geschwindigkeit von 5 m/s ausgegangen. Wenn der Zeitabstand zwischen zwei Messungen 100 ms beträgt, dann werden die Messungen als übereinstimmend beurteilt, wenn sich ihre Er- gebnisse um nicht mehr als 5 m/s * 100 ms = 0,5 m unterscheiden .

Ein bevorzugter Weg, um eine Fehlbeurteilung der Übereinstimmung zu vermeiden, ist, anhand von vergangenen Abstandsmessungen die Geschwindigkeit eines Objekts abzuschätzen, anhand dieser Geschwindigkeit das Ergebnis einer vergangenen Abstandsmes ^¬ sung zu extrapolieren und Übereinstimmung anzunehmen, wenn sich das Extrapolationsergebnis vom Er ^¬ gebnis einer aktuellen Abstandsmessung um nicht mehr als einen vorgegebenen zulässigen Fehler ε unterscheidet .

Wenn z.B. vorangegangene Abstandsmessungen ergeben haben, dass sich ein Objekt mit einer Geschwindig ^¬ keit von 2 m/s nähert, das Ergebnis einer vergange ^¬ nen Messung 1 m ergeben hat und der Zeitabstand zwischen zwei Messungen 100 ms beträgt, dann ergibt die Extrapolation der vergangenen Messung einen Abstand von I m - 2m/s * 100 ms = 0,8 m, und Überein ^¬ stimmung mit einem aktuellen Messergebnis wird angenommen, wenn letzteres im Intervall [0,8-ε, 0,8+ε] liegt.

Änderungen des Abstands zwischen der Sender- Empfängereinheit 9 und einem Objekt können sowohl auf eine Bewegung des Objekts als auch auf eine Be ^¬ wegung der Sender-Empfängereinheit 9 relativ zur ortsfesten Basis 7 zurückzuführen sein. Einer bevorzugten Weiterbildung zufolge signalisiert deswe ^¬ gen die Steuereinheit 10 fortlaufend der Rechenein ^¬ heit 26, in welcher Richtung und wie schnell sie die Sender-Empfängereinheit 9 bewegt. So kann die Recheneinheit 26 Geschwindigkeitsänderungen der Sender-Empfängereinheit 9 bei der Extrapolation ei ^¬ ner vergangenen Abstandsmessung berücksichtigen und zu einem präziseren Extrapolationsergebnis gelan- gen. Wenn also beim obigen Zahlenbeispiel die ge ^¬ messene Geschwindigkeit auf Bewegungen sowohl des Objekts als auch der Sender-Empfängereinheit 9 zu ^¬ rückgeht und die von der Steuereinheit 10 gemeldete Geschwindigkeit der Sender-Empfängereinheit 9 um 1 m/s zunimmt, dann ergeben sich daraus eine neue An ^¬ näherungsgeschwindigkeit von 3 m/s und ein extrapo ^¬ lierter Abstand von 0,7 m, so dass Übereinstimmung mit einem aktuellen Messergebnis angenommen wird, wenn letzteres im Intervall [0,7-ε, 0,7+ε] liegt.

Die Umgebung des Roboterarms 1 wird regelmäßig di ^¬ verse durch das Entfernungsmesssystem detektierbare Objekte enthalten, darunter neben dem bereits erwähnten Körperteil 12, dessen Bewegung durch die Recheneinheit 26 nicht vorhersehbar ist, auch Ob ^¬ jekte 27, die sich nicht aus eigener Kraft bewegen, aber von einer Person oder vom Roboterarm 1 ergriffen und bewegt werden können, völlig unbewegliche Objekte wie etwa eine Unterlage 28, auf der die Ba ^¬ sis 7 montiert ist, und Objekte, die zwar beweglich sind, deren Lage relativ zur Sender- Empfängereinheit 9 der Recheneinheit 26 a priori bekannt sein kann, darunter insbesondere die gegeneinander beweglichen Teile des Roboterarms 1 selbst, deren Position der Recheneinheit 26 von der Steuereinheit 10 gemeldet werden kann. Ein Hinter ^¬ grundsignalsimulator 29 der Recheneinheit 26 ist vorgesehen, um anhand der bekannten Stellung des Roboterarms 1 und bekannter Echos der völlig unbe ^¬ weglichen Objekte 28 einen auf diese Objekte zu ^¬ rückzuführenden Beitrag zum empfangenen Abtastsignal zu berechnen. Indem in einer Differenzeinheit 30 dieser Beitrag vom empfangenen Abtastsignal sub ^¬ trahiert wird, wird ein hintergrundbereinigtes Ab ^¬ tastsignal erhalten, das ausschließlich auf Beiträ ^¬ ge der aus eigener Kraft beweglichen Objekte 12 o- der der durch Fremdeinwirkung beweglichen Objekte 27 zurückzuführen ist.

Um in einer Umgebung, die mehrere das Abtastsignal reflektierende Objekte enthält, die Geschwindigkeit eines Objekts 12 oder 27 relativ zur Sender- Empfängereinheit 9 erfassen zu können, ist es not ^¬ wendig, Beiträge der verschieden Objekte zu nachei ^¬ nander vom Empfänger 23 aufgefangenen Abtastsignalen unterscheiden und einem Objekt zuordnen zu können. Eine Unterscheidung der Beiträge verschiedener Objekte erfolgt in der Recheneinheit 26 auf der Grundlage einer Spektralanalyse des empfangenen o- der des untergrundbereinigten AbtastSignals . Fig. 5a und b zeigen exemplarisch zu verschiedenen Zeiten erhaltene Spektren von untergrundbereinigten AbtastSignalen, die Beiträge von zwei Objekten 12, 27 enthalten. Die Spektren enthalten zwei jeweils um ein Intensitätsmaximum zentrierte Bänder B12, B27, von denen jedes auf ein Objekt zurückgeführt werden kann.

Eine Zuordnung, welches dieser Bänder von welchem Objekt herrührt, ist allein anhand ihrer Frequenz nicht möglich, da die Bänder im Spektrum die Plätze tauschen können, wenn sich die Sender- Empfängereinheit 9 vom einen Objekt 12 fort und zum anderen 27 hinbewegt. Die Reflektivität der Objekte 12, 27 ändert sich jedoch weder, wenn die Objekte 12, 27 sich bewegen, noch wenn eine Umschaltung zwischen erstem und zweitem Betriebsmodus stattfindet. Dass eine solche Bewegung zwischen den Zeit ^¬ punkten der Fig. 5a und b stattgefunden hat und dass das niedrigerfrequente Band B12 in Fig. 5a und das höherfrequente Band B12 ^y in Fig. 5b auf dassel ^¬ be Objekt zurückzuführen sind, kann aus einem Vergleich der Intensitäten oder auch anhand von Korre- lationen von Merkmalen im Verlauf beider Intensitäten der Bänder B12, B27 geschlossen werden.

Bezugszeichen

1 Roboterarm

2 Armelement

3 Armelement

4 Gelenk

5 Gelenk

6 Gelenk

7 Basis

8 Werkzeug

9 Sender-Empfängereinheit

10 Steuereinheit

11 Auswerteeinheit

12 Körperteil

13 Sender

14 spannungsgesteuerter Oszillator

15 Rampengenerator

16 Rampengenerator

17 Schalter

18 Betriebsmodus-Auswahleinheit

19 Frequenzteiler

20 Zähler

21 festfrequenter Oszillator

22 Schalter

23 Empfänger

24 Addierschaltung

25 Tiefpassfilter

26 Recheneinheit

27 Objekt

28 Unterlage

29 Hintergrundsignalsimulator

30 Differenzeinheit