CN103261844A - 对机械部件进行周围环境监控的传感器系统及激励和分析传感器系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对机械部件进行周围环境监控的传感器系统（100），其具有至少一个电容性传感器元件（10；10a；10b；10c），所述至少一个电容性传感器元件（10；10a；10b；10c）能够被安置在机器或者机器零件的表面上，其中所述至少一个传感器元件（10；10a；10b；10c）由柔性的、导电的和电绝缘的层（14、15、16、17；17a至17c、18；18a至18c、19；19a至19c、20；20a至20c）的层结构来构造，其中层的导电等势面侧向间隔地通过位于其间的绝缘层被布置，使得在导通的等势面之间形成如下电场线（1、2）：所述电场线（1、2）在接近和/或接触身体或者对象时以可测量的方式改变。根据本发明设置，传感器元件（10；10a；10b；10c）的层结构具有至少两个彼此分开工作的测量元件（21、22）。

Description

对机械部件进行周围环境监控的传感器系统及激励和分析传感器系统的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于对机械部件进行周围环境监控的传感器系统。此外，本发明还涉及一种用于激励（Ansteuerung）和分析根据本发明的传感器系统的方法。
背景技术
从本申请人的后公开的DE 10 2009 029 021 A1中公知一种根据权利要求1的前序部分所述的传感器系统。可安置在机器或者机器零件的表面上的传感器系统具有至少一个传感器元件，所述传感器元件由柔性的、导电的且电绝缘的层的层结构来构成。借助这样的传感器系统可以测量身体或者对象的接近和/或接触，以便例如停止具有传感器系统的装配机器人的运行。
此外本来还公知的是，为了进行自动接近识别和/或碰撞识别，利用不同的传感器原理和譬如光学传感器、超声波传感器或者电容性传感器之类的传感器、例如也利用通过压电效应的接触力检测来进行机器的周围环境监控。这种传感器通常可以被使用在特殊情况中，以便例如监控具有限定的运动轨迹的简单成型的机器零件，使得在识别出人的接近时例如可以触发机器的驱动装置或者加工机组的安全制动。
另一方面，在有危险的机器零件的复杂轨迹运动或者相对复杂成型的表面的情况下，常常只能以非常高的开销或可能甚至也不可能无缝地以传感器方式进行周围环境监控。这样，例如在机器表面的边缘和侧凹处可由于阴影而妨碍光学检测，或者在过小的结构空间处集成传感器也可失败。
针对操作员安全的（bedienersicher）机器，为了遵守安全标准常见的是使用具有两个彼此独立的带诊断功能的安全通道的安全装置，使得系统中的单个故障不引起安全损失。安全通道的失效被可靠地识别并且被报告，而第二安全通道维持安全功能。在这种应用中，需要双重并且独立地实施的传感器方式的监控。用于对机器进行安全造型的传感器并不公知，所述传感器具有可灵活地与复杂成型的表面适配的两个安全通道。
此外，从DE 20 2005 002 475 U1中公知一种特别针对在工业机器人中识别碰撞的应用而构造的泡沫材料盖，所述泡沫材料盖被装备有接近识别的、触觉的和电容性传感器。但是，将这种装置安置在不同的工业机器人上常常开销大。
发明内容
基于所示的现有技术，本发明所基于的任务是构造一种可简单地安置在机器或者机器零件的不同部件或表面上的传感器系统，该传感器系统同时能够实现遵守安全标准，这些安全标准的前提是具有诊断功能的彼此独立的安全通道。该任务在用于对机械部件进行周围环境监控的传感器系统方面利用权利要求1的特征来解决。在此，本发明所基于的思想是，构造带有柔性的、导电的和电绝缘的层的层结构的传感器元件，其中层的导电等势面（Potenzialflaeche）侧向间隔地通过位于其间的绝缘层被布置，使得在导通的等势面之间形成如下电场线：所述电场线在身体或者对象接近和/或接触时以可测量的方式改变，其中传感器元件的层结构具有至少两个彼此分开工作的测量元件。在此，由于层结构是柔性的，所以能够实现传感器元件或传感器系统与机器的运动部件或机器的复杂成型的表面简单适配或传感器元件或传感器系统在机器的运动部件或机器的复杂成型的表面上的简单安置，并且通过给每个传感器元件设置至少两个彼此分开工作的测量元件能够实现同时遵守安全标准。
根据本发明的用于对机械部件进行周围环境监控的传感器系统的有利的改进方案在从属权利要求中予以说明。由至少两个在权利要求书、说明书和/或附图中所公开的特征构成的所有组合均落入本发明的范围中。
特别优选本发明的一种扩展方案，其中传感器元件包括用于单独激励和分析至少两个测量元件的装置。由此确保了，即使在损害或损伤测量元件时也有相应另一测量元件此外还可以工作。
为了排除至少两个测量元件的测量值的相互损害，此外还设置，用于单独激励和分析的装置在时间上相继地激励至少两个测量元件。
为了能够实现机器的特别安全的运行和机器的对应于遵守安全标准的运行（该运行排除了危险、尤其是对人的危险），此外还设置，设置用于分析至少两个测量元件的测量信号的分析装置，并且分析装置与机器或者机器零件至少间接地有效连接（wirkverbinden）而且激励所述机器或者机器零件，使得只有当至少两个测量元件的信号在预给定的边界值之内时，机器或者机器零件才运行。
在传感器元件的能够实现包括多个传感器元件的传感器系统与机器或者机器零件的不同表面适配的构造上的扩展方案中建议，至少一个传感器元件具有带有三角形或者四边形的形状的基面，并且在存在多个传感器元件的情况下，多个传感器元件可彼此电和机械接触并且优选地构造传感皮肤（Sensorhaut）。
此外，当测量元件共同地被布置在至少一个层上并且在空间上彼此分开时，能够实现传感器元件的特别紧凑和简单的结构。
本发明也包括一种用于激励和分析根据本发明的传感器系统的方法。在这种情况下设置，在存在多个传感器元件的情况下设置至少一个电子分析装置，所述至少一个电子分析装置带有如下装置：所述装置循环地对传感器元件寻址和检查在至少一个传感器元件中是否已进行电容相对于参考值的显著改变，并且所述装置在时间上接连地对传感器元件的至少两个测量元件寻址。这样的方法特别安全且可靠地工作，因为避免了传感器元件的两个测量元件的测量值的相互影响。
当第一传感器元件的测量元件和另一传感器元件的另一测量元件在相同时刻被所述装置寻址时，能够实现对显现出来的碰撞特别快速且因此安全的检测。
当为了对线性链接的传感器元件进行寻址而通过数据沿着链路（Kette）经由多个传感器元件朝向所述装置被转发来利用传感器元件的顺序时，结构开销或为了测量元件的布线所需的开销可以被减小。
此外，还特别优选如下方法，在所述方法中在另一循环中每个传感器元件都经受自诊断，其中传感器元件被加载有测试电压或者特征信号模式（Signalmuster）。借助这样的方法尤其是可以安全地识别出对传感器元件的损伤，使得能够实现传感器系统的特别安全的运行。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节从以下对优选实施例的描述中以及依据附图得到。
所述附图：
在图1中以简化的俯视图示出了根据本发明的传感器系统的各个传感器元件，
在图2中以分解图示出了根据图1的传感器元件的结构，
在图3至图5中以俯视图示出了具有其他形状的相对于图1有变化的传感器元件，
在图6和图7中以透视图示出了在不同时刻激励根据图1的传感器元件的两个测量元件期间的该传感器元件，
在图8中以透视图示出了在使用彼此连接的传感器元件的情况下的传感皮肤的部分，
在图9中示出了用于阐述传感器元件的测量元件的激励的框图，
在图10中示出了用于示出包括多个传感器元件的传感器系统的框图，以及
在图11中示出了通过不同的中央单元激励传感器元件的不同测量元件的图示。
相同的部件或具有相同功能的部件在这些图中配备有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1和图2中示出了作为稍后还要详细阐明的传感器系统100的组成部分的传感器元件10。传感器系统100或传感器元件10在这种情况下用于对机械部件（例如对工业机器人的运动的机器人臂等）进行周围环境监控。
如尤其是依据图2可看得出来的那样，传感器元件10具有由多个彼此连接的柔性层构成的层结构。该层结构示例性地并且因而非限制性地包含基本层11、例如由厚度例如为5mm的橡胶或泡沫橡胶构成的基本层11。在基本层11之内构造有两个凹进部12、13，用于容纳在图1和图2中未示出的电子装置或电子部件。基本层11的下侧在此例如被布置到机械部件上。在基本层11的上侧上布置两个彼此分开的分别为三角形的接地面14、15。这两个接地面14、15示例性地由厚度为0.5mm的铜纤维网（Kupfervlies）构成。这两个接地面14、15在与基本层11对置的侧上被绝缘层16覆盖，该绝缘层16示例性地由厚度为1.5mm的泡沫橡胶构成。在绝缘层16的上侧上，该绝缘层16与总共四个（尤其是由铜构成的）构造导电等势面的电极面17至20连接。其中一个电极面17和19分别以具有两个等长的腿部的角部形式被构造，而这两个另外的电极面18和20分别三角形地被构造。此外，这两个电极面17和19作为发送电极来起作用，而这两个电极面18和20作为接收电极来起作用。与此相对，这两个接地面14和15作为屏蔽电极来起作用。还重要的是，电极面17至20分别彼此间隔地被布置。电极面17和18构造第一测量元件21，而两个另外的电极面19和20构造第二测量元件22。
如尤其是依据图6和图7可看得出来的那样，在将电压施加到第一测量元件21或施加到第二测量元件22上时，在相应的电极面17与18或19与20之间分别构造具有场线1或2的电场。换言之，这意味着，第一测量元件21和第二测量元件22分别构造电容性传感器，所述电容性传感器的场线1或2在接近物体或者接近人时、例如从小于30mm至60mm的距离起改变。场线1、2的改变导致这两个测量元件21或22的电容性改变，该电容性改变由传感器元件10来检测。
为了防止传感器元件10的这两个测量元件21、22的测量结果相互影响（该相互影响会由于同时存在的场线1、2而存在），根据本发明设置，这两个测量元件21、22在时间上接连地被激励。该情况在图6和图7中示出，其中在图6中示例性地利用场线1激活第一测量元件21，而另一测量元件22去活。与此相对，在图7中，第二测量元件22激活，使得构造场线2，而第一测量元件21去活。
在图1中所示的传感器元件10在俯视图中具有边长为示例性大约60mm的方形基面。在图3和图4中示出了修改过的传感器元件10a和10b，所述修改过的传感器元件10a和10b分别具有矩形的基面。在这种情况下，传感器元件10a示例性地具有为40mm和60mm的边长，而传感器元件10b具有为30mm和60mm的边长。在传感器元件10a和10b中，电极面17a、17b、18a、18b、19a、19b以及20a、20b分别矩形地或条状地被构造并且交替间隔地被布置在相应传感器元件10a、10b的上侧上。在图5中所示的传感器元件10c与此相对在俯视图中具有三角形形状，其中这两个短的腿部的边长示例性地分别为60mm。电极面17c和19c分别条状地被构造，而这两个另外的电极面18c和20c分别具有三角形形状。
在图8中示出了传感皮肤25的片段，该传感皮肤25包括多个在该实施例中分别方形地构造的传感器元件10。传感器元件10在这种情况下在其侧面上不仅以机械方式、例如以粘扣带（Klettband）形式而且以电学方式、例如以未示出的插接件形式彼此连接。在这种情况下重要的是，在电连接传感器元件10的情况下，相应的第一测量元件21以及相应的第二测量元件22彼此电连接。因此，连接以传感器元件10的线性链接形式进行。
自然在图8中所示的实施例的改动中可考虑或在实践中常见的是，不同成型的传感器元件10、10a、10b、10c彼此以机械方式和以电学方式连接，以便由此构造传感皮肤25，该传感皮肤25适配要监控的机器零件（例如工业机器人的臂）的形状，使得传感皮肤25例如可以围绕机器人臂来放置。为此同样设置，由传感皮肤25要监控的机器零件和传感皮肤25彼此连接，例如同样利用链元件彼此连接。这样的链元件能够实现将传感皮肤25快速安放到机器部件上或将传感皮肤25从机器部件取下。附加地，传感皮肤25可以用不导通的、例如纺织保护层来盖上，所述保护层阻止传感皮肤25受到湿气、污物和其他物理或化学干扰影响。场线1、2在此穿透保护层，使得传感器功能没有被损害。
传感器系统100除了具有迄今所描述的传感器元件10、10a、10b和10c之外，为了监控传感器元件10、10a、10b、10c的这两个测量元件21、22还具有两个中央单元50、60，所述中央单元50、60以下还将予以详细描述。此外，传感器系统100还包括用于应用和维护传感器系统100的计算机软件和配件材料、例如线缆、粘扣带和安装材料，以便将传感器系统100固定在要监控的部件上。待监控的部件、例如工业机器人的部分具有在图9中所示的控制装置30，在工业机器人的情况下，该控制装置30至少包括机器人控制装置31和安全控制装置32。此外，依据图9还可看得出来，传感器系统100不仅与机器人控制装置31有效连接而且与安全控制装置32有效连接。在图9中，以具有其两个测量元件21和22的唯一的传感器元件10为例示出了传感器系统100。可看得出来的是，这两个测量元件21、22的每个都分别关联有输入级33、34。输入级33、34在这种情况下尤其是传感器元件10的布置在凹进部12、13中的电子装置的组成部分。这两个输入级33、34与分析级35、36有效连接，所述分析级35、36是中央单元50、60的组成部分。这两个分析级35、36分别具有“通过（Go）/不通过（No Go）”输出端37，所述“通过（Go）/不通过（No Go）”输出端37与机器人控制装置31连接，而“错误（Err）/无错误（No Err）”输出端38与安全控制装置32有效连接。
如已经阐述的那样，每个传感器元件10的这两个测量元件21和22都在时间上接连地被激励。在这种情况下，检测电极面17、18或19、20的电容，并且与一个预给定的边界值或多个预给定的边界值进行比较。在电容的确定的改变速度的情况下，或者但是当电容低于或超过前面所提到的边界值时，由此推断出在传感器元件10与对象（例如人）之间的有碰撞危险的接近。在该情况下，在相应的测量元件21、22的相应的“通过/不通过”输出端37上产生“不通过”信号，该“不通过”信号作为输入值被输送给机器人控制装置31。于是，机器人控制装置31例如以减小搬运机器人的运动速度或者停住搬运机器人来起反应。为此有利的是，在传感器元件10的这两个测量元件21、22之一上产生相对应的信号。此外，这两个测量元件21、22如以下还要详细阐述的那样经受循环重复的自诊断，所述自诊断的结果被输出给相应的测量元件21、22的“错误/无错误”输出端38。如果在自诊断之内在第一测量元件21中或者在第二测量元件22中推断出测量元件21、22有故障，则在“错误/无错误”输出端38上产生相对应的信号并且所述相对应的信号作为输入信号被输送给安全电路32。通过示例性地同样停止或限制工业机器人的运行，安全控制装置32于是做出响应。因此对接近进行双通道的彼此独立的周围环境检验以及进行相对应的自诊断。
分析级35、36如已经阐明的那样是相应中央单元50或60的组成部分。在图10中，现在示出了如下情况，其中任意数目的传感器元件10以链的形式电地（以及机械地）彼此连接。尤其是也可看得出来的是，相应测量元件21或22的相应的输入级33、34彼此间连接。这两个中央单元50、60接连循环地询问传感器元件10的相应测量元件21、22，其中优选地设置，传感器元件10的每个都具有特定地址，依据所述特定地址可以将相应的传感器元件10关于其在传感皮肤25中的位置进行标识。这两个中央单元50、60通过连接39彼此连接或同步，使得对各个传感器元件10的查询或寻址通过中央单元50、60接连地进行。此外还可看得出来的是，这两个中央单元50、60分别相同地被构造并且具有电压供给装置40、用于可选地连接PC的串行接口41、作为用于机器人控制装置31的“通过或不通过”信号的输出端42、43、作为用于安全控制装置32的“错误或无错误”信号的输出端44、45、用于扬声器的端子47和输入端48，其与机器人控制装置31连接。
在图11中示出了通过中央单元50、60对传感器元件10的可能激励的时间过程：尤其是可看得出来的是，在示例性六个传感器元件10的情况下，其中一个中央单元50以第一传感器元件10开始接连地激励相应的第一测量元件21。与此相对，第二中央单元60在第一中央单元50激励第一测量元件10的第一测量元件21的时刻激励在其第二测量元件22上的第四传感器元件10。接着，激励第五传感器元件和第六传感器元件10并且随后激励前三个传感器元件10。换言之，这意味着，在同一时刻尽管两个中央单元50、60分别激励在其相应的测量元件21或22上的传感器元件10，但绝不同时激励在中央单元的同一传感器元件10上的两个测量元件21、22。
通过中央单元50、60对相应传感器元件10的寻址以电子方式通过移位寄存器来进行。在主程序循环的每个循环之后，每个传感器元件10都被读取一次并且被存储在微控制器的RAM区中。
所有传感器元件10、连接线缆和微控制器都经受循环的自诊断，以便在误动作时例如安全地切断工业机器人。中央单元50、60及其连接线缆通常固定地被装配在开关柜中，而传感器元件10及其连接线缆遭受例如机器人臂的运动和可能的碰撞。每个传感器元件10每秒多次地完全被自诊断检验。中断、对地的短接、对工作电压的短接、电子器件的失效以及其他故障被识别。在这种情况下，故障示例性地依据六个诊断准则来诊断。这些诊断准则例如可以在给传感器元件10加载有测试电压或者特征信号模式之后被产生，其中有利的是六个诊断准则之一做出响应，以便在自诊断时产生相对应的故障信号。
就此而言所描述的传感器系统100或传感器元件10、10a、10b、10c以及控制装置上的端子可以以多种方式和方法来有变化或修改，而不偏离本发明思想。这样尤其是可考虑，传感器元件10、10a、10b、10c具有其他尺寸（Masse）或者其他形状。同样，可考虑不同构造的电极面布局。此外还可考虑的是，不是模拟测量值或信号传输而是进行传感器元件10、10a、10b、10c到相应的中央单元50、60的数字信号传输。
不是由基本元件或彼此连接的各个传感器元件10、10a、10b、10c构成的传感皮肤25的模块结构，而是可以使用单片的制造方法，利用该单片的制造方法由一块制成完整的传感皮肤25（例如通过注射成型、制成为绳状物（Strangware））。此外，为了提高在传感器系统100运行时的安全性，所述传感器元件10、10a、10b、10c中的每个都可以代替两个彼此独立工作的测量元件21、22而具有更大数目的测量元件、例如三个或者四个测量元件。
该系统可以被使用在不同的应用领域中，例如在工业机器人或者维修机器人、移动平台、车辆（尤其是无人驾驶的车辆）上、在医疗技术中或者在娱乐业中。
除了安全功能之外，传感器系统10还可以承担其他或附加的周围环境监控功能。例如，可以通过如下方式进行机器人与其周围环境的交互或者手势识别（Gestenerkennung）：控制装置将传感器数据与关于传感器元件10、10a、10b、10c的空间布局的信息链接和利用所述信息来解释传感器数据。传感器数据的时间发展也可以为此提供有用信息。
在改动方案中，可以通过如下方式执行电容测量：发送运行和接收运行分布到两个或更多个传感器元件10、10a、10b、10c上。测量场的场线1、2接着在较大的基本距离上延伸，由此作用范围增大并且在传感器元件10、10a、10b、10c之间可能的间隙闭合。

Claims (11)

1.一种用于对机械部件进行周围环境监控的传感器系统（100），其具有至少一个电容性传感器元件（10；10a；10b；10c），所述至少一个电容性传感器元件（10；10a；10b；10c）能够被安置在机器或者机器零件的表面上，其中所述至少一个传感器元件（10；10a；10b；10c）由柔性的、导电的和电绝缘的层（14、15、16、17；17a至17c、18；18a至18c、19；19a至19c、20；20a至20c）的层结构来构造，其中层的导电等势面侧向间隔地通过位于其间的绝缘层被布置，使得在导通的等势面之间形成如下电场线（1、2）：所述电场线（1、2）在接近和/或接触身体或者对象时以可测量的方式改变，
其特征在于，
传感器元件（10；10a；10b；10c）的层结构具有至少两个彼此分开工作的测量元件（21、22）。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，
其特征在于，
传感器元件（10；10a；10b；10c）包括用于单独激励和分析所述至少两个测量元件（21、22）的装置（50、60）。
3.根据权利要求2所述的传感器系统，
其特征在于，
所述装置（50、60）在时间上相继地激励所述至少两个测量元件（21、22）。
4.根据权利要求1至3之一所述的传感器系统，
其特征在于，
设置用于分析所述至少两个测量元件（21、22）的测量信号的分析装置（35、36），并且所述分析装置（35、36）与机器或者机器零件至少间接地有效连接并且激励机器或者机器零件，使得只有当所述至少两个测量元件（21、22）的信号在预给定的边界值之内时，机器或者机器零件才运行。
5.根据权利要求1至4之一所述的传感器系统，
其特征在于，
所述至少一个传感器元件（10；10a；10b；10c）具有带有三角形或者四边形形状的基面，并且在存在多个传感器元件（10；10a；10b；10c）的情况下，所述多个传感器元件（10；10a；10b；10c）彼此能够以电方式和以机械方式接触并且优选地构造传感皮肤（25）。
6.根据权利要求1至5之一所述的传感器系统，
其特征在于，
所述至少两个测量元件（21、22）彼此电分开地被构造。
7.根据权利要求1至6之一所述的传感器系统，
其特征在于，
所述测量元件（21、22）共同地被布置在至少一个层上并且在空间上彼此分开。
8.一种用于激励和分析根据权利要求1至7之一所述的传感器系统的方法，
其特征在于，
在存在多个传感器元件（10；10a；10b；10c）的情况下，设置有带有如下装置（50、60）的至少一个电子分析装置：所述装置（50, 60）循环地对传感器元件（10；10a；10b；10c）进行寻址并且检查在所述至少一个传感器元件（10；10a；10b；10c）中是否已进行电容相对于参考值的显著改变，并且所述装置（50、60）在时间上接连地对传感器元件（10；10a；10b；10c）的至少两个测量元件（21、22）进行寻址。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
在相同时刻，第一传感器元件（10；10a；10b；10c）的测量元件（21、22）和另一传感器元件（10；10a；10b；10c）的另一测量元件（21、22）由所述装置（50、60）来寻址。
10.根据权利要求8或9所述的方法，
其特征在于，
为了对线性链接的传感器元件（10；10a；10b；10c）进行寻址，通过如下方式使用传感器元件（10；10a；10b；10c）的顺序：用于激活传感器元件（10；10a；10b；10c）的信息沿着该链路通过多个传感器元件（10；10a；10b；10c）被转发。
11.根据权利要求10所述的方法，
其特征在于，
在另一循环中，每个传感器元件（10；10a；10b；10c）都经受自诊断，其中传感器元件（10；10a；10b；10c）被加载有测试电压或者特征信号模式。
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