CN212674344U - 用于电容式检测的传感装置、机器人覆盖设备及机器人 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及用于电容式检测的传感装置、机器人覆盖设备及机器人，所述用于电容式检测的传感装置包括被布置成插入具有非平坦表面的机器人壳体中或被布置在机器人壳体上的电路，所述电路包括的柔性基板具有：‑由介电材料形成的绝缘层，以及，‑导电材料的检测层，其施加在绝缘层上并且包括被称为电容式电极的多个电极。

Description

用于电容式检测的传感装置、机器人覆盖设备及机器人
技术领域
在本文中，本实用新型描述了一种用于电容式检测系统并且适于装配在机器人保护壳体中的柔性电路。
本实用新型的领域涉及机器人技术，更具体地涉及工业机器人技术、医疗机器人技术或服务机器人技术，并且更具体地涉及协作机器人也称为协同机器人的领域，并且更具体地涉及SCARA机器人(SCARA代表“选择性顺应性装配/关节式机器手臂”)的领域。
背景技术
工业或家用机器人、特别是协作机器人(协同机器人)通常包括主体，在该主体上附接有具有工具或工具保持器的功能头，并且能够在环境中执行一个或更多个任务。
为了在包括人和/或物体的环境中或者与人协作使用或移动机器人或协作机器人(例如机械臂或SCARA机器人)，有必要提供检测位于其环境中的这些人和物体的能力，目的是避免事故风险。用于提供这种检测能力的最新解决方案包括为机器人装配电容式传感器，该电容式传感器对一定范围内的物体的接近或与该物体的接触敏感。
一种方法是将电容式传感器分布在机器人的不同部件上或部件周围，重点是装备移动部件。
电容式传感器能够位于保护壳体或盖内。那些传感器被放置在框架上并且围绕机器人提供了不同的益处。保护壳体隐藏并且限制机器人的不同功能元件，例如电线、电机、框架等。保护壳体还提供美学益处和一些基本安全性，其中壳体通常被设计成没有引向外部的锐角。机器人壳体还需要围绕包括不同面积和不同曲率的非明显形状结构。
因此，这些壳体具有它们自己的一组要求。在许多情况下，在决定改造具有检测能力的机器人之前，已经对它们进行了设计和安装。
为了受益于壳体的保护和外观，需要将电容式传感器放置在壳体后面并且调整以适合它们的形状。为了优化深度和方向性的检测范围，期望通过覆盖尽可能多的壳体表面来最大化传感区域。
这样的要求将需要满足工业约束并且将需要同时是性能好、可扩展、成本有效并且可靠的。
本实用新型的目的是提供针对这些目的之一的解决方案。
本实用新型的目的还有提供能够适合覆盖机器人、并且尤其是 SCARA机器人的非平坦形状的壳体的柔性电路和电容式检测传感器。
本实用新型的目的还有提供针对柔性电路和电容式检测传感器的设计，以使其是性能好、可扩展、成本有效、可靠的，并且易于安装在这些壳体上。
实用新型内容
这些目的通过用于电容式检测的传感装置来实现，该传感装置包括被布置成插入具有非平坦表面的机器人壳体中或机器人壳体上的电路，所述电路包括的柔性基板具有：
-由介电材料形成的绝缘层，以及，
-导电材料的检测层，其施加在绝缘层上并且包括被称为电容式电极的多个电极。
已知的电容式检测系统包括至少一个电极，该系统具有使该电极极化的电子装置和测量存在于该电极与物体和/或以不同电势极化的另一电极之间的电容关系的电子装置。
在本申请中，“物体”表示可以位于机器人的环境内的任何物体或人。
“机器人”是指任何机器人系统，尤其是机械臂、轮式车辆，例如配备有臂或操纵系统的卡车，或者人型机器人或装有运动构件例如肢体的机器人。
本实用新型提出了一种用于电容式检测的传感装置，该传感装置包括具有多个电极并且被插入具有非平坦表面的机器人壳体中或机器人壳体上的电路。根据本实用新型的电路使得可以制造具有电容式检测功能的机器人，或者向原本未配备电容式检测能力的机器人添加电容式检测功能。无需修改现有机器人的架构并且可以容易地替换或维护用于维修机器人的电容式检测传感系统。在任何情况下，本实用新型的装置使得提供或添加成本有效、时间有效、可靠并且性能良好的电容式检测功能。
本实用新型的电路能够用批量生产方法预先生产。
由该电路构成的多电极系统能够装配在非平坦表面机器人壳体上。覆盖能够最大化并且需要非常少的装配步骤。利用多个电极对机器人壳体的覆盖进行优化的能力提供了集成的电容式检测系统，其同时提供了壳体的不同侧被覆盖时的方向性，并且提供了空间分辨率，其中多个电极使得能够相对于机器人或机器人的一部分检测物体。
根据实施例，柔性基板可以包括适于围绕相应方向弯曲的多个子区域。
柔性基板能够首先被成形为机器人覆盖壳体的尺寸。这能够通过在执行电路制造工艺步骤之前或之后从柔性基板的片材进行切割来执行。然而，由于能够使用标准制造工具，因此前者与批量生产更兼容。本实用新型的若干电路能够使用相同的材料片制成，然后切割成一定尺寸并且分离。因此，本实用新型的电路的并行制造是可能的。
然后，柔性基板的每个子区域能够围绕相应的方向弯曲，以便配合非平坦表面。因此，电路的柔性基板能够配合覆盖壳体并且能够被应用在该覆盖壳体的不同侧面附近或与该盖壳体的不同侧面接触。鉴于本实用新型，仅通过施加包含电路和电极的单个基板，就能够一次覆盖机器人壳体的多个侧面。该方法意味着相对于壳体的对准的要求非常少，并且对于电极之间的彼此调节没有要求。
根据实施例，柔性基板的多个子区域可被布置成配合机器人壳体的内表面。
电容式检测传感装置能够隐藏在机器人壳体的后面，并且受益于机器人壳体的保护。电容式检测传感装置能够映射机器人壳体的形状，即使它不是平坦的。
根据实施例，柔性基板可以至少包括至少部分地分隔两个子区域的凹口。
这些凹口提供了若干优点。首先，它们允许柔性基板绕过出现在机器人壳体的内表面上的任何突起、壁或隔板。其次，它们为每个子区域提供了更大的灵活性，通过与柔性基板的其它相邻子区域脱离，每个子区域能够更自由地弯曲。
根据实施例，柔性基板可以包括被布置为围绕相同方向弯曲的多个子区域。
这对应于对于机器人壳体围绕相同方向呈现弯曲的配置。
根据实施例，柔性基板可以包括被布置为围绕一个方向折叠的至少一个子区域。
由于这些区域，柔性基板适于覆盖在不同侧之间呈现出具有低曲率半径的锐角的壳体。折叠的角度能够是例如大约90度。然后，具有折叠子区域的柔性基板可以至少部分地接触其间具有锐角的壳体的侧面，以便最大化柔性基板子区域与相应的壳体侧面之间的接近度。根据优选实施例，在柔性基板中形成凹口的位置处进行折叠，并且优选地将两个相邻区域分隔开以使它们相对自由地移动。
根据实施例，柔性基板可以包括基本上对应于一个电容式电极的表面的至少一个子区域。
由于每个子区域通常与机器人壳体的相应侧关联，电容式电极可以定位在相应侧上并且面向不同方向，从而允许检测方向上的方向性。
根据实施例，柔性基板可以包括被布置为在分隔两个电容式电极的区域中相对于彼此弯曲或折叠的至少两个子区域。
然后，例如，电极可以在它们的最终位置覆盖机器人壳体的不同侧。
根据实施例，本实用新型的电容式检测传感装置还可以包括被配置成测量关于与电容式电极中的至少一个发生电容式耦合的信号的测量电子器件。
该电容式耦合例如可以对应于检测层的所述电容式电极与接触或接近的附近物体之间的电极-物体电容。
根据实施例，测量电子器件可以包括电流检测器，例如电荷放大器的跨阻抗。电流检测器能够是实现运算放大器的电路，在该运算放大器的输出端与其反相输入端之间具有包括电容式部件的反馈阻抗，一个或多个电容式电极连接至所述运算放大器的反相输入端。测量电子器件例如能够利用具有反馈电容的电荷放大器。具有运算放大器的电路能够以任何形式并且尤其是模拟或数字形式来制造，使得可以执行运算放大器功能。可以回想到，运算放大器是本领域技术人员公知的部件模型，其具有具有理想无限阻抗的非反相输入端和反相输入端，并且在输出端处生成与施加至输入端的电势差相对应的以理想无限增益被放大的信号。
根据本实用新型的电容式检测传感装置还能够包括具有电路的测量电子器件，该电路实现用于将电荷转换为电信号或数字信号(开关电容等) 的电路。
在一些实施例中，测量电子器件能够专用于每个测量电极。可替代地后附加地，本实用新型的传感装置能够包括对若干或所有电容式电极通用的测量电子器件。在这种情况下，测量电子器件还能够包括轮询装置，以能够依次单独或成组地探测电容式电极。这样的轮询装置例如能够包括用于将电荷放大器顺序连接至电容式电极中的每个电容式电极的开关。
根据实施例，测量电子器件可以包括用于将交流电压施加至所述电容式电极中的至少一个电容式电极的装置。
能够以非限制性的方式，通过将这些电极电连接至该电势，或者通过直接或经由电子元件和/或迹线或连接线和/或任何其它电耦接(电场、感应)装置使这些电极经受该电势或经受产生该电势的源，将交变电势或电压施加至电极上。
类似地，在本实用新型的上下文中，在电势下电极化电极能够意味着例如使这些电极经受电势或将电势施加至电极。
在本申请中，当两个交变电势各自包括在给定频率下相同或相似的交变分量时，这两个交变电势在该频率下是相同的。因此，在所述频率下相同的两个电势中的至少一个还能够包括具有与所述给定频率不同的频率的直流分量和/或交变分量。类似地，当两个交变电势在工作频率下不具有在该工作频率下相同或相似的交变分量时，这两个交变电势在工作频率下是不同的。
在本申请中，术语“接地电势”或“一般接地电势”表示电子器件、机器人或其环境的基准电势，其能够是例如电气地电势或接地电势。该接地电势能够对应于地电势，或者对应于与连接或不连接至地电势的另一电势。此外，应当注意，通常，与特定电势不直接电接触的物体(电浮动物体)倾向于通过在存在于其环境中的其他物体(例如大地)或电极的电势处的电容式耦合而被极化，如果这些物体与环境的那些物体(或电极)之间的交叠的表面面积足够大。
交变电势能够是正弦函数、平方函数、三角函数等，或者是非周期性的函数。
电极化装置能够有利地包括生成交变激励电压的振荡器。交变激励电势能够用于极化检测层的电容式电极中的全部或一些。根据本实用新型，本实用新型的电容式传感装置能够包括单个极化源或多个极化源。
根据本实用新型的装置能够包括由控制模块控制的至少一个可控开关，并且该可控开关：
-在第一位置中：将至少一个电极或电极组连接至接地电势；并且
-在第二位置中：将电极或电极组连接至交变激励电势。
根据本实用新型的装置能够包括由控制模块控制的至少一个可控开关，并且该可控开关：
-在第一位置中：将至少一个电极或电极组连接至测量电子器件和运算放大器的反相位置，以便获得测量信号。
-在第二位置中：至少将电极或电极组连接至交变激励电势或接地电势。
这种配置的优点是，当在第一位置时依次探测电容式电极或电容式电极组，并且当可控开关处在第二位置时使用相同的电容式电极或电容式电极组作为任何相邻电极的电保护。
根据实施例，根据本实用新型的装置能够包括具有至少一个解调装置的测量电子器件，该解调装置利用以下元件中的至少一个元件：
-同步解调器；
-振幅检测器；
-数字解调器。
通常，同步解调器能够包括乘法器和低通滤波器或由其表示，该乘法器执行测量信号与载波信号的乘法。载波信号能够是、或包括、或源自交变激励电压(或至少源自接地电势与激励电势之间的电势差)。
幅度检测器(或异步解调器)能够包括整流元件(例如二极管整流器)、选择器开关或二次检测器、以及低通滤波器或由其表示。幅度检测器使得可以获得源自电流检测器的调制测量信号的幅度。
解调装置还能够包括在解调之前放置的通带或抗混叠低通滤波器。
当然，解调装置能够以数字和/或模拟形式制造。它们尤其能够包括模数转换器和数字地执行同步解调、幅度检测或任何其他解调操作的微处理器和/或FPGA。
根据实施例，测量电子器件可以以交流电压为基准。
这样的实施例可以使得测量电子电路板能够对于电容式电极在电学上不可见，以避免泄漏电容。在实施例的一个示例中，实现运算放大器的测量电子器件能够由以保护电势为基准的电源来供电。该实施例尤其适合于所谓的自电容操作模式。
根据本实用新型的另一实施例，柔性电路在接地基准处极化，以便使测量电子器件以接地电势为基准。在一个示例中，实现运算放大器的测量电子器件能够由以接地为基准的电源供电。
根据实施例，测量电子器件能够至少部分地布置在柔性基板上。在这种情况下，测量电子器件可以包括安装或焊接在柔性基板上的电子器件。
根据实施例，测量电子器件可以包括与包括电容式电极的电路的柔性基板分隔开的印刷电路板。
根据实施例，测量电子印刷电路板能够包括一个或若干连接器以连接至另一测量电子印刷电路板和/或连接至包括电容式电极并且还包括连接器的柔性电路。
根据实施例，连接器能够是零插入力(ZIF)连接器类型的连接器。
根据实施例，针对包括电容式电极的柔性电路的至少一个连接器能够接收用于使电容式电极极化的交流电压。
根据实施例，针对包括电容式电极的柔性电路的至少一个连接器能够被设置成输出交流电压，以便连接至另一电容式电路或测量电子板。
根据其它实施例，测量电子印刷电路板适合于通过并行或串行通信与控制器板通信。
一个控制板能够与若干测量电子系统共享。一个机器人能够包括若干壳体。每个壳体能够包括一个或若干柔性电路。每个柔性电路能够连接至一个或若干测量电子板。每个测量电子板能够连接至一个或若干柔性电路。测量电子板能够连接至一个或若干控制器板。
根据实施例，控制器板以非穷举的方式实现以下功能中的至少一个功能：
-轮询或驱动每个测量电子系统
-分析从测量电子系统接收的测量数据，并且如果需要，则向机器人控制器或任何远程设备发送命令。
根据实施例，本实用新型的传感装置还可以包括施加在柔性基板的绝缘层上的导电材料的保护层，该保护层与检测层相对，并且包括至少一个电极，该电极被称为保护电极。
保护电极用于对检测层的电容式电极进行电保护，以避免泄漏电容或与例如机器人的内部部件的寄生耦合。保护电极通常在与面向它的用于测量的电容式电极相同的电压下极化。根据实施例，该电压可以是交流电压或接地电势。
在优选实施例中，用于使检测层的电容式电极极化的极化装置可以用于使保护电极极化。
在被称为自电容检测的第一操作模式中，检测层的至少一个电容式电极在交流电压下极化。通过将电容式电极连接至检测电子装置，能够测量该电容式电极与接近或接触的物体之间的电容。与所关注的电容式电极相邻的电容式电极也优选地在相同的交变电势下极化。在这样的配置中，周围的电极充当提供测量的电极的电保护。在这种情况下，位于电容式电极下方的保护电极也可以在相同的交变电势下极化，以便同样充当有源电保护。
在被称为互电容检测的第二操作模式中，检测层的至少两个电容式电极在不同电势下极化。一个电极在交流电压下极化，而第二电极在接地电势下极化。在这种模式中，在处于交变电势的极化后的电极与物体之间的电容与由两个电容式电极形成的电容被同时“看到”。根据一些实施例，至少一个电容式电极和/或保护电极能够在交流电压下或者接地电势下被适当地极化以充当电保护并且避免泄漏电容。
根据电容式检测传感装置的操作模式，能够将不同的极化方案应用于电容式电极，并且如果适用，还能够应用于保护电极。
由于保护层的保护电极，从电容式电极的角度看，电容式电极不受位于保护电极后面的物体的干扰。这样的物体能够是机器人的任何部分并且通常处于与电容式电极的工作电势不同的电势。
在一种配置中，一层导电层能够覆盖柔性基板的背面的整个表面，以形成绝缘层。然后，检测层的所有电容式电极都受该单个保护电极保护。在其它配置中，形成保护层的导电层被图案化，使得一个保护电极能够与检测层的一个相应电容式电极相关联并且对其进行保护。保护电极表面通常与电容式电极表面尺寸上相同，或者优选地大于电容式电极表面。
根据实施例，柔性基板可以是印刷电路板(PCB)，或者可以使用印刷电路板制成。
柔性基板可以是、或者可以使用已知与批量生产方法兼容的其它已知柔性电路来制造。因此，它们可以用于制造柔性电路和本实用新型的多个电极的集成。
在特定实施例中，柔性基板可以是由绝缘材料的平板构成的印刷电路板(PCB)，其中利用已知方法将铜箔沉积在一个面或两个面上。应用连续的光刻和化学蚀刻工艺步骤以在铜箔中生成形成电路的不同元件的图案，例如：
-电极，尤其是电容式电极和保护电极，
-导线，也称为迹线，
-用于连接的焊盘，
-过孔，用于在铜层之间传递连接，以及，
-特征，例如用于电磁屏蔽或其他目的的固体导电区域。
在另一实施例中，铜层沉积和图案化也能够通过添加工艺来进行。
PCB的印刷电路表面可以具有保护铜免受腐蚀的涂层。
FR-4玻璃环氧树脂是用于制造绝缘基板的最常用材料。它是用环氧树脂浸渍的织造玻璃纤维布。在本实用新型的优选实施例中，PCB厚度是200微米到350微米。
在本实用新型的其它实施例中，柔性绝缘基板能够由诸如但不排他地为PET、Kapton(聚酰亚胺箔)或Pyralux(聚酰亚胺-含氟聚合物复合箔) 的材料制成。
PCB制造也适合于制造双侧电路板。由于双侧电路的可用性，保护电极能够集成到同一柔性绝缘基板上并且与电容式电极同时制造。
根据实施例，电容式电极可以通过电线或线缆连接。该连接可以在同一柔性基板上的电极之间或者在不同柔性基板上的电极之间进行。
根据实施例，柔性基板可以包括在导电材料层中制成并且连接至电容式电极的至少一个导电迹线。
通过在电极与生成电势的源或在该电势下极化的元件之间形成电连接、或者与在接地基准处和元件的连接，导电迹线(或连接线)允许向电极施加交变电势或基准电势，例如接地电势。这些元件能够是例如电容式检测传感装置的另一点。导电迹线还允许将电容式电极连接至电子器件以测量电容。
根据实施例，导电迹线可以连接不同的电容式电极或一个电容式电极的不同部分。
根据实施例，导电迹线可以将电容式电极连接至连接器。
根据实施例，柔性基板可以包括通过常规PCB技术制成的过孔或通孔。这些过孔或通孔使得两个导电层的导电迹线之间的电连接成为可能，或者对于两个层具有一个通用的连接区域。过孔和/或通孔还可以用于将电势带到检测层或保护层中的一个，并且将该电势施加并分配至其他层。通常，那些过孔或通孔在其壁上施加有导电层。
通孔还能够用于使附接螺钉穿过所述通孔，以将电路固定至机器人壳体。附接螺钉能够由非导电材料制成。更方便的是，它们能够导电并且在接触施加在通孔上的导电层时会被极化。该导电层在保护电极的电势下极化，从而使螺钉对于电容式电极在电学上不可见。
根据实施例，柔性基板可以包括连接区域，连接电容式电极(和/或保护电极)的至少一个导电迹线引向该连接区域。
连接区域尤其可以具有来自所引向的电容式电极和/或保护电极的若干导电迹线。这样的配置具有将导电迹线的全部或大部分带到一个集中位置的优点。优选地，位于检测层上的导电迹线和位于保护层上的导电迹线均引向相同的连接区域。
根据实施例，连接区域可以位于在电路中形成的开口附近或内部。电路中的此开口能够配合测量电子电路板，然后能够通过公知的技术将该测量电子电路板安装在机器人壳体上。
根据实施例，连接区域可以包括利用柔性基板制成的突出部或者由该突出部形成。
根据实施例，可以经由使用通孔将测量电子电路板直接安装在柔性电路上。
根据实施例，连接区域可以位于电路的边缘处并且电子电路板可以安装在该边缘附近或部分穿过该边缘。
根据实施例，传感装置还可以包括具有电连接器的电路板，该电连接器被布置成与连接区域协作以便连接所述电路板和所述连接区域。
根据实施例，可以在柔性基板中提供开口以便释放柔性基板中的能够从柔性基板的其他部分自由移动的部分。自由移动的部分形成突出部，在该突出部上使连接至电容式电极并且如果需要的话连接至保护电极的导电迹线形成连接区域。通常，能够使用ZIF型连接器将导线连接器连接至该突出部。
根据另一方面，本实用新型涉及机器人覆盖设备，包括机器人壳体和本实用新型的被布置在所述机器人壳体中以便至少部分地覆盖所述机器人壳体的内表面的传感装置。
优选地，机器人壳体的内表面被柔性电路部分或完全覆盖。机器人覆盖设备能够包括连接至电路并且能够安装在机器人壳体上的电子测量电路。
根据一些实施例，机器人覆盖设备可以包括导电材料的保护层。
该保护层可以不同于柔性基板。它可以例如包括涂覆或沉积在机器人壳体的内表面上的材料层。
机器人壳体包括要安装至机器人框架和/或机器人的其他壳体的装置。测量电子电路包括将被连接至与其他机器人壳体相关联的其他测量电子电路以及极化装置的装置，例如导线连接器。极化装置能够与每个机器人壳体相关联或者由若干机器人壳体共享。机器人壳体还可以包括要连接至控制器的装置。
根据另一方面，本实用新型涉及配备有本实用新型的机器人覆盖设备的机器人。
机器人能够是例如移动车辆上的机器人、移动机器人、自动导引车辆(AGV)、人型机器人、工业机器人、多关节机器人、机械臂。
更具体地，机器人能够是SCARA类型的机器人。
附图说明
参照附图可以更好地理解根据本实用新型的实施例的方法，附图仅出于说明性目的给出，而不意味着限制性的。根据下文给出的描述，本实用新型的其它方面、目标和优点将变得明显。
图1示出了以自电容模式操作的电容式检测装置的操作原理的示例。
图2示出了以互电容模式或发射器/接收器模式操作的电容式检测装置的操作原理的示例。
图3示出了接纳本实用新型的电容式检测传感装置的示意性非平坦机器人壳体。
图4A和图4B示出了能够在本实用新型的实现中实现的柔性电路的示意图。
图5A和图5B示出了根据本实用新型的柔性电路的实施例的示例。
图5C示出了根据本实用新型的柔性电路的另一实施例的示例。
图6是图5A的柔性电路的不同表示。
图7是配备有本实用新型的柔性电路的示例的机器人壳体的示意图。
图8是配备有本实用新型的电容式检测传感装置的SCARA类型机器人的示例。
具体实施方式
应当理解，下文中描述的实施例绝不是限制性的。特别地，能够设想本实用新型的变型仅包括对与其他描述的特征分离的下文描述的特征的选择，如果特征的这种选择足以赋予技术优势或者将本实用新型与现有技术的状态区分开，则能够预设所述变型。如果仅结构细节的一部分足以赋予技术优势或者将本实用新型与现有技术区分开，这种选择包括至少一个特征、优选地为功能性的特征，而没有结构细节或仅具有所述结构细节的一部分。
特别地，能够组合所有描述的变型和实施例，如果从技术观点来看不反对这种组合。
在附图中，若干附图中共同的元件保留相同的附图标记。
图1是根据本实用新型的可能实施例的电容式检测装置的操作原理的示意性表示。
在所示的示例中，电容式检测装置100被配置成检测其周围的一个或若干个物体102。
电容式检测装置100基于自电容检测。这意味着测量出现在电极104 或测量电极与物体102之间的被称为电极-物体电容Ceo的电容。
电容式检测装置100包括多个测量电极104。
电容式检测装置100可以优选地包括一个或更多个保护电极106，目的是电保护测量电极104免受从测量电极看去的保护电极后面的任何物体的影响。
电容式检测装置100包括电子测量装置110。在优选实施例中，电子测量装置110包括跨阻抗放大器或电荷放大器112，其包括运算放大器 (OA)114和反馈电容116，该反馈电容将OA 114的输出端连接至其反相输入端“-”。
在图1中描述的具体示例中，OA 114的反相输入端“-”意味着通过轮询方案连接至各测量电极104，例如，能够顺序地探测多个测量电极104 中的每个测量电极104或测量电极组的开关118。
在图1的示例中，交变电势即工作电势Ve使OA 114的非反相输入端“+”极化。不同于基准电势M的该交变电势至少在工作频率下用于经由OA 114使测量电极104极化。例如，工作电势Ve能够通过以电势M 为基准的振荡器120来传送。在图1所示的相同示例中，一个或若干个保护电极106在工作电势Ve下极化。该保护电极或那些保护电极通过减少寄生电容或来自环境的耦合的影响而用作测量电极104的电保护。在一个特定设置中，开关118被布置成在工作电势Ve下极化不被电子测量装置 110询问的一个或若干个测量电极，以便它们能够用作保护电极。
在非限制性示例中，工作电势Ve是正弦函数：
Ve＝E.cos(wt)
在这些条件下，电荷放大器112并且更具体地是运算放大器OA 114 在其输出端处生成电势Vs，其振幅是连接至该运算放大器的反向输入端“-”的测量电极104与接近或接触该测量电极104的物体102之间的耦合电容Ceo的函数。
电容式检测装置100还包括同步解调模块122，以执行对由OA 114 提供的信号Vs和载波信号V1的同步解调，该载波信号V1具有与激励电势信号Ve相同的频率并且优选地具有相同的相位。
在非限制性示例中：V1＝cos(wt)。
同步解调器122提供表示电容Ceo并且因此表示物体102的不存在或存在、和/或表示物体102的距离的信号Vu。
如图1未示出，能够在解调器122之后使用模数转换器。然后，能够通过并行线通信或串行线通信将数字数据发送至另一电路板或控制器。当然，至少对于一些部分，电子测量装置110和解调器122也能够数字地完成。特别地，能够利用FPGA或在微处理器上运行的软件代码段来执行同步解调器122，其中模数转换器刚好在数字解调器之前使用。
图2是根据本实用新型的可能实施例的电容式检测装置的操作原理的另一示意性表示。
在该电容式检测装置200中，通过测量在不同电势下极化的两个电容式电极、即测量电极104与激励电极108之间的电容Cer的变化来执行物体102的电容式检测。在图2描述的非限制性示例中，激励电极108被极化成由以电势M为基准的振荡器120传送的工作电势Ve。测量电极104 在基准电势M下极化。继续图2的特定示例，电容式检测装置200包括电子测量装置110。在优选实施例中，电子测量装置110如前所述包括跨阻抗放大器或电荷放大器112，其包括运算放大器(OA)114和反馈电容 116，该反馈电容将OA 114的输出端连接至其反相输入端“-”。OA 114 的非反相输入端“+”在电势M下极化。然后该电势被施加至与OA114 的反相输入端“-”连接的测量电极104。由于电极104与108之间的电势差，电容Cer由检测电子单元125测量。基准电势M能够是例如接地电势。物体102通常在接地电势或基准电势M下极化。当物体102接近时，其与测量电极104产生电容Ceo，该电容Ceo与电极104和108之间的电容Cer并联，并且改变所测量的电容的值，从而使得能够检测物体102、和/或检测其距离。在这种配置中，电容式检测通常被称为互电容检测。
在其它实施例中，如图2所示的电容式测量装置可以旨在测量电极 104与激励电极108之间的距离或耦合，其中所述测量电极和激励电极能够彼此相对移动。如前所述，激励电极108被极化成工作电势Ve，并且测量电极104在基准电势M下极化。电子器件测量两个电极之间的电容 Cer。
在其它实施例中，如图2所示的电容式测量装置可以旨在测量被极化成工作电势Ve的测量电极104与物体102之间的距离或耦合。在这种情况下，测量电极104仍可以在基准电势M下极化。电子器件测量两个电极之间的电容Cer。
这两个最新的实施例使得能够检测、和/或测量特定物体或电极的距离。在这些配置中，电容式检测被称为发射器/接收器电容检测。
在以下描述中，为了清楚起见并且不限制功能或设计，元件组110-122 被称为检测电子单元124或检测电子单元125。
图3示出了用于保护机器人的功能元件例如电机、框架、铰接件、电线、电缆等的机器人壳体或盖的示例。机器人壳体或盖给出了机器人的整体形状和外观。它们也能够被保护层或吸震层覆盖。在一些实施例中，它们能够支撑附接至它们的其他壳体或盖。
机器人壳体或盖的形式通常在设计阶段设定并且需要配合机器人的总体要求。它们优选地由刚性或半刚性塑料或热固性材料通过诸如注塑、热成型、热固化、三维印刷等工艺制成。能够考虑任何其它合适的材料或技术。
图3的图示不代表任何实际的机器人。该图示用于展示这些壳体的一些特定特征。例如，这些壳体通常具有不平坦的表面和不明显的几何基本形状。这些壳体沿不同的方向延伸，以便至少部分地在机器人部件的若干侧面上延伸。然而，通常要求它们不具有会造成损害的或简单地不美观的锐角。取决于要被覆盖和保护的机器人元件，壳体的不同部分需要围绕不同的方向并且以不同的角度弯曲。
此外，机器人壳体或盖将具有附接至机器人框架或相邻壳体或盖的装置。这些装置能够实现为出现在壳体上或壳体中的托架、突起部或孔。
在本实用新型的一些实施例中，机器人被改装并且其现有的壳体配备有本实用新型的电容式检测传感器。在不同的实施例中，用专门制造以容置本实用新型的电容式检测传感器的壳体来代替现有的机器人壳体。在其他实施例中，配备有本实用新型的电容式检测传感器的壳体被安装在机器人的现有壳体上。
图4A和图4B是本实用新型的电容式检测传感装置的电路的示例的示意性表示。
在图4A中，柔性基板在其表面之一上包含电容式电极104、108，该表面被称为检测层。在自电容模式中，如图1中所示的自电容式模式，仅使用测量电极104。在相互检测模式或发射器/接收器检测模式中，如图2 中所示，电容式电极分布在测量电极104与可能的激励电极108之间。在特定情况下，保护电极106也能够在检测层上、在与电容式电极104、108相同的平面中制成。保护电极能够用于将一些电容式电极与环境、尤其是机器人和/或电气装置的部分屏蔽开，并且提供电磁屏蔽。
图4A和图4B的电路包括中心层201，该中心层是优选地由介电材料形成的绝缘层。
在本实用新型的优选实施例中，电路是由绝缘材料(例如FR-4玻璃环氧树脂)的平板构成的印刷电路板(PCB)，在该印刷电路板上制作电容式电极。
如图4B所示，PCB能够在两个铜层之间具有绝缘材料。图4B的电路的导电底层包含保护电极106。在一些实施例中，不同层上的导体与过孔或通孔(图4B中未示出)连接。
在图5A中，示出了本实用新型的电容式检测传感装置的电路501的示意图。
电路501在柔性基板201上制成并且包括多个电极104。为了简单起见，仅示出了测量电极104。在另一实施例中，电容式电极104和108能够在柔性基板上制成以实现在图2中描述的检测模式中操作的电容式检测传感器。
柔性基板被成形为配合图3所示的机器人壳体301的形状。在该特定实施例中，使用四个电极104，目的是覆盖机器人壳体301中限定的四个子区域的每个子区域。进一步，图6中显示了这4个子区域A-D。能够看出，子区域A-C表示机器人壳体301的弯曲侧，而子区域D表示平坦区域。
电路501包括导电迹线505，以将电极104连接至连接区域502。根据需要，它们能够用于将电极极化成工作电势并且承载来自电极的电容式测量信号。方便地，将导电迹线505带到电路的相同区域502，以便通过使用诸如ZIF型连接器之类的连接器进行连接、或者将电子电路板直接安装和连接在电路501上来促进连接。
图5B中示出了连接器或电子电路板的安装的示例。
在所示的实施例中，连接区域502在柔性基板201中呈开口的形式，其中所有导电迹线505会聚到在开口中延伸并且使得能够连接电子电路板510或外部连接器的突出部512。
在该配置中，电路501能够以非常少且容易的步骤安装在机器人壳体 301上。例如，由于使用了紧固装置(例如，示例螺纹或螺钉)和如图5A 所示的预制孔503，可能仅需要将电路501连接至机器人壳体301。紧固装置可以包括应用在电路和/或机器人壳体的表面上、或者通过双面胶带应用的胶。它们可以是不同方法的组合。
在不同的配置中，放置在连接区域502处的电路可以直接焊接至导电迹线或焊接至能够形成在导电迹线的端部处的导电焊盘。
图5C示出了其中柔性基板201具有在一侧延伸的突出部512的另一实施例。然后，该突出部可以用作连接区域，以连接至安装在柔性基板 201的一侧上的电路。在特定示例中，电路可以安装在与柔性基板201相邻的第二柔性基板的上方或下方，从而实现电容式电极覆盖的优化，特别是不通过在柔性基板中制成开口来实现。
通常，在柔性基板中制成的柔性突出部512适合于提供高度和位置灵活性，并且使得与电路的连接容易。
电子电路板510可以包含图1的检测电子单元124或图2的检测电子单元125的部分或全部。通过使用能够连接不同测量电子板和至少一个控制器板的连接器和电线，将用于驱动轮询部件118、极化电势和电容式检测信号的所有命令信号引向电子电路板并且从电子电路板引出。
在本实用新型的优选实施例中，在电路中实施凹口504以便为每个子区域提供更大的灵活性。
回到图6，示出了处于其工作位置的电路501的图示，意味着其位于机器人壳体301中或该机器人壳体上。具有其相应电极104的若干子区域 A-D被成形并且弯曲以配合机器人壳体301的形状。还示出了轴线 601-603，电路围绕所述轴线在若干子区域处弯曲。一旦如图6所示成形并就位，电路501就适于在多个方向上检测和辨别物体。如图所示，凹口 504能够增加电路501的子区域之间的分离度和独立性，并且提供用于使相应子区域弯曲的更好的灵活性和范围。
如图6未示出，电路501还能够在对应于凹口504的轴线处折叠。然后，能够使用本实用新型的电容式检测传感装置覆盖具有锐角或接近锐角的机器人壳体。
图7示出了本实用新型的实施例并且示出了容置本实用新型的电路的机器人覆盖设备701。在该示例中，电路501被施加至机器人壳体301 表面或至少被带到该表面附近。最终元件形成配备的机器人壳体701。检测电子单元124、125在图7中未示出，但是可以是配备的机器人壳体701 的部分。
图8示出了设备800，其是SCARA类型的机器人。该设备包括安装在固定的垂直部分804上的移动部件801和802。在该特定示例中，元件 801还适于承载功能头805，在该功能头上能够安装工具或工具载体。
如图8所示，若干个配备的壳体或机器人覆盖设备701a和701b安装在SCARA机器人的可移动部件801上。配备的壳体的配置、数目的选择、以及它们相应的位置仅是为了说明示例而不是限制示例。在该实施例中，分别包括例如图7中所示的壳体301和电路501的2个配备的壳体701a 和701b足以覆盖机器人的移动部件801并且在若干方向上以适当的空间分辨率提供电容式检测。电路和SCARA机械人被配置成通过有线或无线通信装置(这里未示出)与控制器806建立通信。
尽管已经结合大量实施例描述了本实用新型，但是显然，许多替代方案、修改和变型对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。因此，本实用新型旨在包含在本实用新型的精神和范围内的所有这样的替代方案、修改、等同物和变型。

Claims (24)

1.一种用于电容式检测的传感装置，其特征在于，所述传感装置包括被布置成插入具有非平坦表面的机器人壳体中或被布置在所述机器人壳体上的电路，所述电路包括柔性基板，所述柔性基板具有：
-由介电材料形成的绝缘层，以及，
-导电材料的检测层，其施加在所述绝缘层上并且包括被称为电容式电极的多个电极。
2.根据权利要求1所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述柔性基板包括适于围绕相应方向弯曲的多个子区域。
3.根据权利要求2所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述多个子区域被布置成配合所述机器人壳体的内表面。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述柔性基板至少包括至少部分地分隔两个子区域的凹口。
5.根据权利要求2至3中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，其包括被布置成围绕相同方向弯曲的多个子区域。
6.根据权利要求2至3中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述柔性基板包括被布置成围绕一个方向折叠的至少一个子区域。
7.根据权利要求2至3中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述柔性基板包括对应于一个电容式电极的表面的至少一个子区域。
8.根据权利要求2至3中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述柔性基板包括被布置成在分隔两个电容式电极的区域中相对于彼此弯曲或折叠的至少两个子区域。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，还包括被配置成测量关于与所述电容式电极中的至少一个发生电容式耦合的信号的测量电子器件。
10.根据权利要求9所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述测量电子器件包括用于将交流电压施加至所述电容式电极中的至少一个的装置。
11.根据权利要求10所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述测量电子器件以所述交流电压为基准。
12.根据权利要求9所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述测量电子器件至少部分地被布置在柔性基板上。
13.根据权利要求9所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述测量电子器件包括与所述柔性基板分隔开的印刷电路板。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，其还包括导电材料的保护层，所述保护层施加在柔性基板的与检测层相对的绝缘层上，并且包括被称为保护电极的至少一个电极。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述柔性基板是印刷电路板。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述柔性基板包括在导电材料层中制成并且连接至电容式电极的至少一个导电迹线。
17.根据权利要求16所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述柔性基板包括连接区域，连接电容式电极的至少一个导电迹线引向所述连接区域。
18.根据权利要求17所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述连接区域位于柔性基板的开口附近或内部。
19.根据权利要求17所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述连接区域包括利用柔性基板制成的突出部或由所述突出部形成。
20.根据权利要求17所述的用于电容式检测的传感装置，其还包括具有电连接器的电路板，所述电连接器被布置成与连接区域协作以便连接所述电路板和所述连接区域。
21.一种机器人覆盖设备，其特征在于，所述机器人覆盖设备包括机器人壳体和根据前述权利要求中任一项所述的用于电容式检测的传感装置，其中，所述传感装置被布置在所述机器人壳体中以便至少部分地覆盖所述机器人壳体的内表面。
22.根据权利要求21所述的机器人覆盖设备，其中，所述机器人壳体包括导电材料的保护层。
23.一种配备有根据权利要求22所述的机器人覆盖设备的机器人。
24.根据权利要求23所述的机器人，其为SCARA类型。
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