CS205271B1

CS205271B1 - Proportional sensing element

Info

Publication number: CS205271B1
Application number: CS568079A
Authority: CS
Inventors: Vaclav Chalupa; Vladimir Marik; Jaromir Volf
Original assignee: Vaclav Chalupa; Vladimir Marik; Jaromir Volf
Priority date: 1979-08-20
Filing date: 1979-08-20
Publication date: 1981-05-29

Description

Vynález se týká proporcionálního taktilního čidla, pracujícího na bázi polovodivého elastického materiálu, které splňuje požadavky na taktilni čidlo robota.The present invention relates to a proportional tactile sensor operating on the basis of a semiconductive elastic material that meets the requirements of a tactile robot sensor.

V současném období vyvstává stále naléhavěji problém, jak nahradit určité druhy činnoa tí člověka automatickým strojem - robotem. Nezbytnou podmínkou správné interakce robota s okolním prostředím je schopnost robota získávat informaci o okolním prostředí prostřednictvím čidel. Čidla vnímacího podsystému robota mohou být různého druhu: vizuální - televizní kamera, akustická - mikrofon, tepelná, taktilni, tj. hmatová, dotyková a jiné.Nowadays, the problem of how to replace certain kinds of human activities with an automatic machine - a robot - is increasingly urgent. A prerequisite for the correct interaction of the robot with the environment is the ability of the robot to obtain environmental information through sensors. The sensors of the robot perception subsystem can be of various kinds: visual - television camera, acoustic - microphone, thermal, tactile, ie tactile, touch and other.

Z důvodu levnosti a jednoduchosti realizace i z důvodu nenahraditelnosti pro činnost robota za speciálních podmínek, například v neosvětleném prostředí, hrají ve vnímaclm podsystému robota důležitou roli taktilni čidla a systémy zpracováni taktilni informace z těch to čidel.Because of the cheapness and ease of implementation and irreplaceability of the robot under special conditions, such as in an unlit environment, tactile sensors and tactile information processing systems play an important role in the robot's perceptual subsystem.

Ukazuje se zcela jednoznačně, že fektorem, limitujícím další úspěšný výzkum v oblasti taktilních systémů, jsou právě taktilni čidla. A přitom zvláště proporcionální taktilni čidla, tj. spojité převodníky tlaku na elektrický signál, prakticky nejsou k dispozici. Taktilni čidla pro roboty musí totiž vyhovovat kromě samozřejmých požadavků na přesnost a spolehlivost také následujícím požadavkům.It is quite clear that tactile sensors are the fector limiting further successful research in the field of tactile systems. Yet, particularly proportional tactile sensors, i.e. continuous pressure-to-electrical signal transducers, are virtually unavailable. In fact, tactile sensors for robots must meet the following requirements in addition to the obvious accuracy and reliability requirements.

a) Malé rozměry, protože čidla se umísťují přímo na povrch aktivní úchopné hlavice a nesmějí překážet v činnosti této hlavice.(a) Small in size, as the sensors are placed directly on the surface of the active gripping head and must not interfere with the operation of that head.

b) Nízká váha, protože čidla ovlivňují dynamické charakteristiky servosystémů výkonného orgánu robota.b) Low weight because the sensors influence the dynamic characteristics of the robot's servo organs.

¹ c) Velká mechanická odolnost, aby nedocházelo k poškození čidel v průběhu činnosti robota. ¹ c) High mechanical resistance to prevent damage to the sensors during robot operation.

Proporcionální taktilní čidla jsou zatím ve fázi základního výzkumu a řeší se dosud výhradně bud jako polovodičové tenzometry,nebo na bázi polovodivých elastických materiálů.Proportional tactile sensors are still in the basic research phase and are solved solely as semiconductor strain gauges or based on semiconductive elastic materials.

Polovodičová tenzometrická čidla pro průmyslové užití jsou spíše konstruována pro snímání tlaků v kapalinách a plynech a nevyhovují požadavkům na taktilní čidla robotů z hlediska rozměrů a váhy.Rather, semiconductor strain gauge sensors for industrial use are designed for sensing pressures in liquids and gases and do not meet the requirements for tactile robot sensors in terms of size and weight.

Polovodivých elastických materiálů se zatím využívá jen experimentálně v několika laboratořích, a to především jako plošných snímačů taktilní informace a nikoliv jako jednotlivých čidel. Hovoří se o tzv. simulaci integrovaného chováni kůže. Povrch úchopné hlavice je pokryt polovodivým elastickým materiálem, umístěným mezi vodivé fólie - elektrody. Při jakémkoliv kontaktu úchopné hlavice s objektem okolního prostředí je tento dotyk indikován celkovou změnou odporu polovodivého elastického materiálu.Semi-conductive elastic materials have so far been used only experimentally in several laboratories, mainly as surface sensors of tactile information and not as individual sensors. This is called simulation of integrated skin behavior. The surface of the gripping head is covered with a semiconductive elastic material placed between the conductive foils - electrodes. In any contact of the grip head with the environmental object, this contact is indicated by an overall change in resistance of the semiconductive elastic material.

Uvedené nedostatky odstraňuje podle vynálezu proporcionální taktilní čidlo, sestávající z polovodivého elastického materiálu, uloženého mezi dvěma elektrodami. Jeho podstata spočívá v tom, že jedna z elektrod je tvořena přítlačným kolíkem, jehož spodní konec je izolovaně uložen ve vrtáni základní desky, v kterémžto vrtání je proti čelu spodního konce tohoto přítlačného kolíku uložen polovodivý elastický materiál a druhá snímací elektroda.According to the invention, these proportions are eliminated by a proportional tactile sensor consisting of a semiconducting elastic material interposed between two electrodes. It consists in that one of the electrodes is formed by a pin, the lower end of which is insulated in the bore of the base plate, in which the semiconducting elastic material and the other sensing electrode are mounted against the lower end face of the pin.

Podle vynálezu je účelné, jestliže horní konec přítlačného kolíku je posuvně uložen ve vodicí desce, spojené se základní deskou spojovacím pouzdrem. Na přítlačném kolíku je proti spodní straně vodicí desky upevněna zarážka.According to the invention, it is expedient if the upper end of the pin is slidably mounted in a guide plate connected to the base plate by a connecting sleeve. A stop is fixed to the press pin against the underside of the guide plate.

Vynález využívá polovodivého elastického materiálu velmi malých rozměrů jako fyzikálního základu jednoho proporcionálního taktilního čidla. Nevýhodou polovodivého elastického materiálu je to, že materiál musí být stlačován mezi dvěma přesně planparalelními vodivými deskami - elektrodami - tak, aby došlo k rovnoměrnému rozloženi tlaku - v opačném případě v relativně malé oblasti s vyšším tlakem prudce klesne odpor ve srovnání s okolím a všechen proud proteče právě touto malou oblasti, přičemž se materiál bu3 zničí, nebo měření je znehodnoceno.The invention utilizes a semi-conductive elastic material of very small dimensions as the physical basis of a proportional tactile sensor. The disadvantage of the semiconductive elastic material is that the material must be compressed between two exactly planar conductive plates - electrodes - so that the pressure is evenly distributed - otherwise, in a relatively small area with higher pressure, the resistance drops sharply compared to the environment and all current it flows through this small area, whereby the material is either destroyed or the measurement is devalued.

Vynález je blíže objasněn na příkladu provedení pomocí výkresu.The invention is illustrated in more detail by way of example with reference to the drawing.

Uspořádání proporcionálního taktilního čidla zajišluje stlačování polovodivého elastického materiálu přesně planparelními vodivými deskami. Základní funkční částí proporcionálního taktilního čidla podle vynálezu je přítlačný kolík £ se zarážkou £ a krytkou £ z nevod!·? vého materiálu. Přítlačný kolík £ volně prochází otvorem ve vodicí desce £ z nevodivého materiálu a má možnost vnořovat se do základní desky £ z nevodivého materiálu až po vlisovanou snímací elektrodu £. Vodicí deska 2 a základní deska £ jsou navzájem umístěny paralelně, přičemž přítlačný kolík £ se pohybuje kolmo k oběma deskám a stlačuje polovodivý elastický materiál £ mezi svojí čelní ploškou a snímací elektrodou £. Zarážka £, například nákružek na přítlačném kolíku £, zabraňuje vypadnutí kolíku z otvorů ve vodicí desce j2 a základní desce £. Jako napájecí elektrodu je možné použít přítlačný kolik £, přičemž napájecí napětí je možné přivádět na přítlačný kolík £ v prostoru mezi vodicí deskou 2 a základní deskou £. Potom je nezbytné, aby přítlačný kolík £ byl v nezapouzdřeném prostoru chráněn krytkou 6 z nevodivého materiálu. Celé čidlo může být zapouzdřeno například v tenkostěnném spojovacím pouzdru 8, čímž lze fixovat přesně planparalelní vzájemnou polohu vodicí desky £ a základní desky £.The proportional tactile sensor arrangement ensures that the semiconductive elastic material is compressed by exactly planar conductive plates. The basic functional part of the proportional tactile sensor according to the invention is a pressure pin 6 with a stop 6 and a cover 8 of a non-water conductor. material. The thrust pin 8 freely passes through an opening in the non-conductive material guide plate 4 and has the possibility to sink into the non-conductive material base plate 6 up to the pressed-in sensing electrode 6. The guide plate 2 and the base plate 4 are arranged parallel to each other, the pressure pin 4 moving perpendicular to both plates and compressing the semiconductive elastic material 8 between its face and the sensing electrode 6. A stopper 8, for example a collar on the pin 6, prevents the pin from falling out of the holes in the guide plate 12 and the base plate 6. A thrust pin 6 may be used as the supply electrode, and the supply voltage may be applied to the thrust pin 6 in the space between the guide plate 2 and the base plate 6. Thereafter, it is necessary that the pin 6 be protected in a non-encapsulated space by a cover 6 of a non-conductive material. The entire sensor can be encapsulated, for example, in a thin-walled connection sleeve 8, whereby the planar parallel position of the guide plate 6 and the base plate 6 can be fixed exactly.

Plocha elastického polovodivého materiálu £ je poněkud menši než průřez přítlačného kolíku £ - tím je dána možnost, aby se materiál při tlakové deformaci nalézal pouze v prostoru mezi přítlačným kolíkem £ a snímací elektrodou £. Při experimentech se totiž ukázalo, že při stejné ploše polovodivého elastického materiálu,jako je průřez přítlačného kolíkuj., se deformovaný materiál vtlačuje mezi přítlačný kolik J_ a základní desku J a blokuje tak volný axiální pohyb přítlačného kolíku i·The area of the elastic semiconductive material 6 is somewhat smaller than the cross-section of the pressing pin 6, thus allowing the material to be located only in the space between the pressing pin 8 and the sensing electrode 6 under pressure deformation. Indeed, it has been shown in experiments that, with the same area of semiconductive elastic material as the cross-section of the thrust pin, the deformed material is pressed between the thrust pin 1 and the base plate J and thus blocks the free axial movement of the thrust pin i.

V klidovém stavu, tj. bez působení vnější síly na krytku £,je polovodivý elastický materiál £ mírně předstlačen a svojí pružností přitlačuje zarážku 2 k vodicí desce 2. Působí-li na krytku 6 přítlačného kolíku J. objekt vnějšího prostředí silou ve směru osy přítlačného koliku J_, dochází k další pružné deformaci polovodivého elastického materiálu %.· Teto deformace je doprovázena úměrným snížením elektrického odporu polovodivého elastického materiálu 2, neboli snížením odporu mezi přítlačným kolikem J, a snímací elektrodou 4· Při zmenšeni působící síly se zmenší deformace polovodivého elastického materiálu £ a opět se odpor zvýší. Při úplném odstranění působící síly se čidlo vrátí pružností polovodivého elastického materiálu 2 do klidového stavu. Odpor mezi přítlačným kolíkem i a snímací elektrodou 4 je obecně spojitou funkcí axiální síly s určitou hysterezí, určenou charakteristikou polovodivého elastického materiálu £.In the rest state, i.e. without exerting an external force on the cap 6, the semiconductive elastic material 6 is slightly pre-pressed and by its resilience presses the stopper 2 against the guide plate 2. When the cap 6 of the pin is applied This deformation is accompanied by a proportional decrease in the electrical resistance of the semiconductive elastic material 2, or a decrease in resistance between the pressing pin J, and the sensing electrode 4. And again the resistance increases. Upon complete removal of the applied force, the sensor returns to the rest state by resilience of the semiconductive elastic material 2. The resistance between the pin 1 and the sensing electrode 4 is generally a continuous function of the axial force with a certain hysteresis determined by the characteristic of the semiconductive elastic material 6.

Jako polovodivého elastického materiálu lze použít například silikonovou gumu polymeru, dotovaného grafitem,nebo jiných polovodivých elastických materiálů s obdobnými vlastnostmi.As a semiconductive elastic material, for example, a silicone rubber of a graphite doped polymer or other semiconductive elastic materials with similar properties can be used.

Konstrukce proporcionálního taktilního čidla podle vynálezu dává možnost vyrábět jednoduše taktilní čidla různých rozměrů, odolná vůči nárazům a chvění, vhodná pro použití u průmyslových manipulátprů a robotů. Konstrukce čidla podle vynálezu umožňuje efektivně využít relativně drahý polovodivý elastický materiál. Taktilní čidlo podle vynálezu je zatím jediným taktilním čidlem, které vyhovuje náročným požadavkům robotiky.The design of the proportional tactile sensor according to the invention gives the possibility to produce simply tactile sensors of various sizes, shock and vibration resistant, suitable for use in industrial manipulators and robots. The design of the sensor according to the invention makes it possible to efficiently utilize a relatively expensive semiconductive elastic material. The tactile sensor of the present invention is the only tactile sensor to meet the demanding requirements of robotics.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Proportional tactile sensor, consisting of a semiconductive elastic material placed between two electrodes, characterized in that one of the electrodes is formed by a pin (1), the lower end of which is insulated in the bore of the base plate (3), in which the bore is a semiconductive elastic material (5) and a second sensing electrode (4) are positioned opposite the lower end face of the thrust pin (1).

A sensor according to claim 1, characterized in that the upper end of the pin (1) is slidably mounted in a guide plate (2) connected to the base plate (3) by a connecting sleeve (8), with the pin (1) opposite a stop (7) is fastened to the underside of the guide plate (2).