DE102007020131A1 - Taktiler Flächensensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen taktilen Flächensensor (10) zum Einsatz in technischen Handhabungssystemen. Der Flächensensor (10) weist mehrere elektrische Widerstandsleitungen (12, 13) an oder in einem elektrisch nicht-leitenden und elastischen Grundkörper (16) auf. Die Leitungen (12, 13) werden von Partikelbahnen (20) aus elektrisch leitenden Partikeln in einem elektrisch nicht-leitenden und elastisch verformbaren Leitungskörper (24) gebildet.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen taktilen Flächensensor mit mehreren elektrischen Widerstandsleitungen.
- Unter einem taktilen Flächensensor versteht man einen Sensor, der, ähnlich der menschlichen Haut, in der Lage ist, Kräfte, Berührungen und Auslenkungen zu messen. Die Übertragung der Fähigkeit der taktilen Perzeption auf technische Systeme ist für die Anwendung in automatisierten Greifern und Roboterhänden bisher nicht zufriedenstellend gelöst. Die bekannten taktilen Flächensensoren können die für Greifer und Roboterhände zu erfüllenden Ansprüche an die Robustheit, Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Auflösung nicht befriedigend erfüllen.
- Eine Ausprägung eines bekannten taktilen Flächensensors ist der piezoresistive Flächensensor. Taktile Flächensensoren auf piezoresistiver Basis sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Bei einer dieser Ausführungen wird ein leitfähiges Material verwendet, dessen elektrischer Widerstand sich unter Druckausübung verändert. Alternativ werden Ausführungen eingesetzt, bei denen sich zwischen dem Widerstandsmaterial und den entsprechenden Elektroden Abstandshalter befinden. Wird Druck auf den Flächensensor ausgeübt, kann das flexible Widerstandsmaterial zwischen den Abstandshaltern die Elektroden kontaktieren. Der elektrische Widerstand ergibt sich aus der Kontaktfläche, die wiederum der Kraft entspricht. Der Vorteil der auf Widerstandsänderung basierenden Flächensensoren ist, dass sie unabhängig von elektrischen oder magnetischen Störfeldern und von Lichteinwirkung sind.
- Durch die strikte Trennung der Taxel bei den bekannten technischen Ansätzen ist die technische Komplexität relativ groß. Insbesondere die hohe Anzahl von Leitungen führt dazu, dass derartige technische Ansätze bei begrenztem Bauraum nicht eingesetzt werden können, z. B. für "Finger" von Roboterhänden. Flächensensoren, die auf der Ausbildung von leitfähigen Strukturen in der Sensormatrix durch die Einwirkung von äußerem Druck basieren, weisen im Allgemeinen ein anisotropes Sensorverhalten auf. Wird der Sensor mit Kräften beaufschlagt, die neben einer zur Sensoroberfläche senkrechten Komponente auch eine tangentiale Kraftkomponente aufweisen, treten im Sensormaterial Scherkräfte auf, die die Ausbildung von leitfähigen Strukturen im Sensormaterial beeinträchtigen. Hierdurch werden die Messergebnisse verfälscht.
- Hinzu tritt, dass bei piezoresistiven Sensoren, die auf einer Kombination aus einem wenig elastischen Leiter und einer elastischen Sensormatrix basieren, auf Grund der unterschiedlichen Elastizitätmoduli im Grenzbereich zwischen Leiter und Sensormatrix eine starke Dehnung im elastischen Material auftritt. Die leitfähigen Strukturen im elastischen Material werden durch diese Dehnung unterbrochen, wodurch sich um den Leiter eine nur wenig leitfähige Schicht ausbildet. Diese Effekte in der Grenzschicht haben eine unzureichende Empfindlichkeit und eine geringe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse zur Folge.
- Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen taktilen Flächensensor mit einfachem Aufbau und hoher Genauigkeit zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch einen taktilen Flächensensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Der erfindungsgemäße taktile Flächensensor weist mehrere elektrische Widerstandsleitungen an oder in einem elektrisch nicht-leitenden und elastischen Grundkörper auf. Die Leitungen werden von Partikelbahnen aus elektrisch leitenden Partikeln in einem elektrisch nicht-leitenden und elastisch verformbaren bzw. dehnbaren Leitungskörper gebildet. Die Leitungen werden also dadurch gebildet, dass elektrisch leitende Partikel oder Füllstoffe in einem elektrisch nicht-leitenden elastischen Leitungskörper möglichst gleichmäßig und homogen verteilt sind. Die Partikel sind vorzugsweise sogenannte Nano-Partikel aus Graphit, Ruß oder Metall, oder leitend beschichtete Partikel aus nicht-leitendem Material, z. B. leitend beschichtete Glas-Partikel bzw. -Kugeln.
- Der Leitungskörper kann von dem Grundkörper selbst gebildet werden. Alternativ kann der Leitungskörper jedoch von dem Grundkörper separat ausgebildet sein. Die Widerstandsleitungen sind auf die Oberfläche des elastischen Grundkörpers aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt oder verschweißt, in die Oberfläche des Grundkörpers eingelassen oder aber in den Grundkörper vollständig umschlossen eingegossen.
- Die Herstellung des Flächensensors kann durch eine schichtweise Herstellung, durch die Verwendung von Lithografietechniken oder aber durch 3D-Druck realisiert werden. Alternativ zur direkten Einbettung der Widerstandsleitungen ist ein Aufbringen derselben auf eine dünne elastische Folie denkbar, die den Grundkörper bildet.
- Um die erforderlichen Dehnungen und Stauchungen der Widerstandsleitungen zu ermöglichen, werden diese in den elastischen oder sich gelartig verhaltenden Grundkörper aufgebracht oder eingebracht. Die Leitungen sind mechanisch dauerhaft und stabil mit dem Grundkörper über die gesamte Länge der Leitungen mit dem Grundkörper verbunden. Bei Ausübung von Druck auf den Flächensensor werden die Leitungen gedehnt. Dadurch werden die elektrisch leitfähigen, durch die Partikel gebildeten Strukturen nach und nach unterbrochen, so dass sich der elektrische Widerstand erheblich erhöht. Diese Widerstandsänderung kann elektronisch ausgewertet und klassifiziert werden.
- Der erfindungsgemäße Flächensensor macht sich die beim Stand der Technik nachteilige hohe Empfindlichkeit von piezoresistiven Materialien im Bezug auf Dehnung zu Nutze. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Umstand genutzt, dass bei von außen auf den Flächensensor aufgebrachtem Druck die von den Partikeln gebildeten elektrisch leitfähigen Strukturen durch die Dehnung der Leitungen nach und nach gestört bzw. unterbrochen werden. Mit der Dehnung ändert sich also die Leitfähigkeit bzw. der Widerstand der Leitung jeweils erheblich. Der Messraum wird vorliegend nicht auf einen Taxel begrenzt, sondern erstreckt sich jeweils auf die gesamte elastische Widerstandsleitung.
- Nach Vornahme einer Kalibrierung oder mittels lernender Kalibrierungsverfahren steht ein einsatzbereiter taktiler Flächensensor zur Verfügung, der genaue Sensorinformationen über die Größe der Druckkraft, die Größe der Druckflächen sowie über die Richtung der Druckkraft liefern kann.
- Vorzugsweise besteht der Leitungskörper aus einem von dem Grundkörper-Material verschiedenen Material, beispielsweise aus Silikon, einem Thermoplast oder einem Gel. Der Leitungskörper kann über die Auswahl eines geeigneten Materials bezüglich seiner mechanischen Eigenschaften optimal gestaltet werden. Das Gleiche gilt auch für den elastischen Grundkörper.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die elektrisch leitenden Partikel eine derartige Partikel-Dichte in dem Leitungskörper auf, dass der spezifische elektrische Leitungs-Widerstand im entspannten Zustand mindestens 1 kΩ/cm und höchstens 1 MΩ/cm beträgt. Bei einer derartigen Partikel-Dichte weist die Widerstandsleitung ein relativ einfaches und zeitlich konstantes Widerstandsverhalten über einen weiten Dehnungsbereich auf.
- Vorzugsweise kreuzen sich die Leitungen in dem Grundkörper in mehr als zwei Orientierungen nicht-berührend. Auf diese Weise kann neben der Kontaktkraft und der Kontaktfläche auch die Richtung der Kontaktkraft ermittelt werden.
- Vorzugsweise sind die Partikelbahnen bzw. die Leitungen in ihrer Längsrichtung vorgespannt. Durch die Vorspannung der Leitungen kann auch eine Entlastung, d. h. eine Stauchung der Leitung, z. B. durch Scherkräfte, detektiert werden. Auf diese Weise können auftretende Scherkräfte gezielt nachgewiesen werden. Dies ist für die Handhabung von druckempfindlichen Objekten, z. B. für die automatisierte Handhabung von Obst, von großem Vorteil, da der mit dem taktilen Flächensensor ausgestaltete Greifer keine unnötig hohen Druckkräfte auf die druckempfindlichen Objekte aufbringt.
- Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 einen taktilen Flächensensor im unbelasteten Zustand, und -
2 den taktilen Flächensensor der1 bei Aufbringung einer flächigen Druckkraft. - In den
1 und2 ist ein taktiler Flächensensor10 mit mehreren elektrischen Widerstandsleitungen12 ,13 ,12' ,13' dargestellt. Der Flächensensor10 ist als künstliche taktile Haut für den Endeffektor eines Roboters, insbesondere einer Roboterhand, einsetzbar. - Der Flächensensor
10 besteht im Wesentlichen aus einem elektrisch nichtleitenden und elastischen Grundkörper16 , auf den eine Vielzahl von elektrischen Widerstandsleitungen12 ,13 fixiert ist. Im vorliegenden Fall sind die Leitungen12 ,13 auf die Oberflächen des Grundkörpers16 aufgeklebt oder mit ihr über die gesamte Leitungslänge verschweißt. - Der Grundkörper
16 besteht aus einem elektrisch nicht-leitenden Kunststoff, beispielsweise aus Silikon oder einem Thermoplast. - Die Widerstandsleitungen
12 ,13 werden jeweils von Partikelbahnen20 , bestehend aus einer Vielzahl von Nano-Partikeln22 , gebildet, die in einem elektrisch nicht-leitenden und elastisch verformbaren und in Längsrichtung vorgespannten Leitungskörper24 möglichst homogen verteilt sind. - Der Leitungskörper
24 besteht aus Silikon, kann jedoch auch aus einem anderen elektrisch nicht-leitenden Material bestehen, beispielsweise aus Thermoplast oder einem Gel. - Die Partikel
22 der Partikelbahnen20 sind Ruß-Partikel, können jedoch alternativ oder ergänzend auch Graphit-Partikel oder Metall-Partikel oder durch Beschichtung leitfähige, nichtleitende Partikel wie Glaskugeln oder ähnliches sein. Die Partikelgröße der Partikel22 liegt im Bereich von 1 nm bis 10 μm. Die Partikeldichte der Partikelbahnen20 ist derart bemessen, dass der spezifische elektrische Leitungs-Widerstand zwischen 1 kΩ und 10 kΩ liegt. - Der taktile Flächensensor
10 weist mehrere nicht dargestellte Ebenen mit zueinander parallelen Leitungen12 ,13 auf. Die Leitungen12 ,13 der verschiedenen Ebenen in dem Grundkörper kreuzen sich daher nicht-berührend in mehreren Orientierungen. - In der
2 ist die Einwirkung einer Druckkraft30 auf den Flächensensor10 dargestellt. Durch die Druckkraft30 wird der Grundkörper16 verformt. - Hierdurch werden die längselastischen Leitungen
12' ,13' im Bereich der Verformung in der Länge gedehnt. Durch die Partikel in den Leitungen12 ,13 werden kleine leitfähige Strukturen gebildet, die bei der Dehnung der Leitungen12' ,13' teilweise auseinanderbrechen und den elektrischen Widerstand der Leitungen12' ,13' deutlich erhöhen. - Diese Widerstands-Änderungen werden durch eine entsprechende angeschlossene Auswerteschaltung ausgewertet. Dies ermöglicht genaue Rückschlüsse auf die Größe der einwirkenden Druckkraft
30 , die Einleitungsfläche32 der eingeleiteten Druckkraft30 sowie die Einleitungsrichtung der Druckkraft. - Der Einsatz des beschriebenen taktilen Flächensensors
10 ist insbesondere dort vorteilhaft, wo ein hohes Maß an Feinfühligkeit auf kleinem Raum benötigt wird, beispielsweise bei automatisierten Greifern und in Roboter-Händen. Der Flächensensor10 ist preiswert herstellbar und ermöglicht ferner Anwendungen im Bereich der Automatisierungstechnik, der Automobil- und der Automobil-Zulieferindustrie sowie der Medizintechnik.
Claims (10)
- Taktiler Flächensensor (
10 ) mit mehreren elektrischen Widerstandsleitungen (12 ,13 ) an oder in einem elektrisch nichtleitenden und elastischen Grundkörper (16 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (12 ,13 ) von Partikelbahnen (20 ) aus elektrisch leitenden Partikeln (22 ) in einem elektrisch nicht-leitenden und elastisch verformbaren Leitungskörper (24 ) gebildet sind. - Taktiler Flächensensor (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (22 ) eine derartige Partikeldichte in dem Leitungskörper (24 ) aufweisen, dass der spezifische elektrische Leitungswiderstand mindestens 1,0 kΩ/cm und höchstens 1 MΩ/cm beträgt. - Taktiler Flächensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskörper (
24 ) aus einem von dem Grundkörper-Material verschiedenen Material besteht. - Taktiler Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leitungen (
12 ,13 ) in dem Grundkörper (16 ) in mehr als zwei Orientierungen nicht-berührend kreuzen. - Taktiler Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (
12 ,13 ) in ihrer Längsrichtung vorgespannt sind. - Taktiler Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (
22 ) Ruß-Partikel sind. - Taktiler Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (
22 ) Graphit-Partikel sind. - Taktiler Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (
22 ) Nano-Partikel sind. - Taktiler Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskörper (
24 ) aus Silikon besteht. - Taktiler Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskörper (
24 ) aus einem Thermoplast oder aus einem Gel besteht.
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