DE102011010409B4

DE102011010409B4 - Artificial skin element

Info

Publication number: DE102011010409B4
Application number: DE201110010409
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Strohmayr Michael; Dipl.-Ing. Haslinger Robert
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2031-02-05
Also published as: DE102011010409A1

Abstract

Künstliches Hautelement für Roboter, bestehend aus einer Unterschicht (102), einer darüber beabstandet angeordneten, elastisch verformbaren Außenschicht (101), und einer Vielzahl von zwischen der Unter-(102) und Außenschicht (101) vereinzelt angeordneten, die Außen-(101) und Unterschicht (102) verbindenden, elastisch verformbaren Abstandshaltern (103), wobei – zwischen den Abstandshaltern (103) ein Strömungsvolumen (105) ausgebildet ist, das von einem Kühlmittel durchströmbar ist, – das Strömungsvolumen (105) eine Kühlmittelzuleitung (106) und eine Kühlmittelausleitung (107) aufweist, – im Strömungsvolumen (105) mindestens ein Kühlmittel-Strömungspfad zwischen Kühlmitteleinleitung (106) und Kühlmittelausleitung (107) ausgebildet ist, und – die Außenschicht (101) Poren aufweist, deren Durchlässigkeit für flüssiges Kühlmittel abhängig von der Temperatur der Außenschicht (101) ist.Artificial skin element for robots, consisting of a lower layer (102), an elastically deformable outer layer (101) spaced above it, and a large number of individual layers arranged between the lower (102) and outer layer (101), the outer (101) and elastically deformable spacers (103) connecting the lower layer (102), wherein - a flow volume (105) is formed between the spacers (103) through which a coolant can flow, - the flow volume (105) has a coolant supply line (106) and a Has coolant discharge (107), - at least one coolant flow path is formed between the coolant inlet (106) and coolant outlet (107) in the flow volume (105), and - the outer layer (101) has pores whose permeability to liquid coolant depends on the temperature of the Outer layer (101) is.

Description

Die Erfindung betrifft ein künstliches Hautelement für Roboter sowie einen Roboter mit einem ebensolchen künstlichen Hautelement.The invention relates to an artificial skin element for robots and to a robot with a similar artificial skin element.

Der Begriff künstliches Hautelement wird vorliegend weit gefasst verstanden. Er betrifft allgemein Schichten, die außen auf einem Roboter aufgebracht werden. Derartige Hautelemente werden in ihrer einfachsten Form beispielsweise dazu verwendet, um Roboter, insbesondere Roboterhände oder andere Roboter-Strukturbauteile mit einer dämpfenden Schicht zu umgeben, um negative Auswirkungen von Kollisionen (bspw. Verletzungen) zwischen Mensch und Roboter zu verringern. Bevorzugt werden diese künstlichen Hautelemente zusätzlich mit Sensoren ausgestattet, um den Roboter mit einem Empfindungsvermögen auszustatten. So kann durch Integration einer taktilen Sensorik in derartige Hautelemente, einem Roboter ein ähnliches taktiles Empfindungsvermögen gegeben werden, wie es die menschliche Haut ermöglicht. Beispiele einer solchen taktilen Sensorik finden sich bspw. in den Dokumenten: DE 10 2007 020 131 B4 und DE 10 2006 016 662 A1 der Anmelderin. Zusätzlich oder alternativ können Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, etc. in das Hautelement integriert werden, so dass sich das Empfindungsvermögen des künstlichen Hautelements dem Empfindungsvermögen der menschlichen Haut weiter nähert bzw. sogar über dieses hinausgeht. Solchermaßen ausgestattete Roboter ermöglichen bspw. eine Mensch-Roboter-Kooperation, bei der es dem Roboter möglich ist, Kollisionen bspw. mit dem Menschen zu erkennen und dadurch die physikalische Interaktion mit dem Menschen zu vereinfachen und sicherer zu gestalten.The term artificial skin element is understood broadly in the present case. It generally relates to layers that are applied externally on a robot. Such skin elements in their simplest form are used, for example, to surround robots, in particular robotic hands or other robot structural components, with a damping layer in order to reduce negative effects of collisions (for example injuries) between human and robot. Preferably, these artificial skin elements are additionally equipped with sensors to provide the robot with a sensation. Thus, by incorporating tactile sensing into such skin elements, a robot can be given a similar tactile sensibility as human skin allows. Examples of such tactile sensors can be found, for example, in the documents: DE 10 2007 020 131 B4 and DE 10 2006 016 662 A1 the applicant. Additionally or alternatively, temperature sensors, humidity sensors, etc. may be integrated into the skin element so that the sensibility of the artificial skin element further approaches or even exceeds the sensibility of the human skin. Such equipped robots allow, for example, a human-robot cooperation in which it is possible for the robot to detect collisions, for example with humans, thereby simplifying the physical interaction with humans and making them safer.

Bekannt ist weiterhin, dass Roboter bei Ihrem Betrieb im Inneren der Roboterstruktur, bspw. im Inneren einer Roboterhand, Abwärme bedingt durch elektrische Verluste in den erforderlichen Antrieben sowie der Elektronik und/oder durch mechanische Reibung erzeugen. Diese Abwärme kann durch ein aufwändiges internes Kühlsystem abgeführt werden. In den meisten Fällen wird die Abwärme jedoch über das Robotergehäuse- und Strukturbauelemente nach außen abgestrahlt. Diese Abstrahlung kann nur dann im ausreichenden Maße erfolgen, wenn die Oberfläche der entsprechenden Roboterbauteile direkt mit der Umgebungsatmosphäre in Kontakt ist. Wird auf die Oberfläche von Roboterbauteilen eine Schicht, wie die im Stand der Technik bekannten Hautelemente aufgebracht, so muss diese den Abtransport der im betroffenen Roboterbauteil erzeugten Wärme übernehmen. Da die zusätzliche Schicht bevorzugt als mechanischer Dämpfer und/oder als taktiler Signalgeber dienen soll, wird diese meist aus Polymermaterialien hergestellt. Polymere haben jedoch im Allgemeinen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und wirken daher wie eine Isolationsschicht. In Folge dessen kann eine ausreichende Kühlung über die Abstrahlung an der Oberfläche der Strukturbauteile des Roboters nicht mehr gewährleistet werden. Nachteilig an den bekannten künstlichen Hautelementen ist also, dass sie die Wärmeabstrahlung des Roboters an die Umgebung erheblich verringern, so dass es beim Betrieb zu Temperaturproblemen kommen kann. Dabei kann die Oberfläche der Hautelemente Temperaturen erreichen, die für eine etwaige Berührung durch einen Menschen zu hoch sind, und somit das entsprechende Roboterbauteil vor versehentlicher Berührung geschützt werden muss. Dies ist aber bei einer manuellen Steuerung eines entsprechenden Roboters, beispielsweise im impedanzgeregelten Modus, nicht möglich. Weiterhin kommt es in den Fällen, in denen Sensoren in die künstlichen Hautelemente integriert sind, zu einer weiteren Verschlechterung der Wärmeleitung in dem künstlichen Hautelement, verursacht durch die integrierten Sensoren selbst, so dass einerseits die Funktionsfähigkeit des Sensoren und andererseits die Funktionsfähigkeit der entsprechenden Roboterstruktur durch die dabei entstehenden hohen Temperaturen stark beeinträchtigt sein kann.It is also known that robots generate heat in their operation inside the robot structure, for example in the interior of a robot hand, due to electrical losses in the required drives as well as the electronics and / or by mechanical friction. This waste heat can be dissipated by a complex internal cooling system. In most cases, however, the waste heat is radiated to the outside via the robot housing and structural components. This radiation can only be done to a sufficient extent if the surface of the corresponding robot components is in direct contact with the ambient atmosphere. If a layer, such as the skin elements known in the prior art, is applied to the surface of robot components, then this must take over the removal of the heat generated in the relevant robot component. Since the additional layer should preferably serve as a mechanical damper and / or as a tactile signal generator, this is usually made of polymer materials. However, polymers generally have a very low thermal conductivity and thus act as an insulating layer. As a result, sufficient cooling via the radiation on the surface of the structural components of the robot can no longer be guaranteed. A disadvantage of the known artificial skin elements is that they significantly reduce the heat radiation of the robot to the environment, so that it can lead to temperature problems during operation. In this case, the surface of the skin elements can reach temperatures that are too high for any contact by a human, and thus the corresponding robot component must be protected against accidental contact. However, this is not possible with manual control of a corresponding robot, for example in impedance-controlled mode. Furthermore, in cases in which sensors are integrated in the artificial skin elements, further deterioration of the heat conduction in the artificial skin element caused by the integrated sensors themselves, so that on the one hand the functionality of the sensors and on the other hand, the functionality of the corresponding robot structure the resulting high temperatures can be severely impaired.

Aus der US 2002/0 144 565 A1 ist ein Roboter bekannt, der eine äußere Schutzschicht aufweist. Diese äußere Schutzschicht umfasst eine untere Schicht, eine mittlere Schicht und eine obere Schicht. Zwischen der mittleren und der oberen Schicht und zwischen der mittleren und der unteren Schicht sind Hohlräume angeordnet, durch die zur Temperierung des Roboters kalte oder warme Luft geleitet werden kann.From the US 2002/0144 565 A1 For example, a robot is known which has an outer protective layer. This outer protective layer comprises a lower layer, a middle layer and an upper layer. Between the middle and the upper layer and between the middle and the lower layer cavities are arranged, through which for controlling the temperature of the robot cold or warm air can be passed.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein künstliches Hautelement der vorgenannten Art anzugeben, das nach Aufbringung auf einem Roboter die Wärmeableitung gegenüber den bisherigen Hautelementen verbessert.The object of the present invention is to provide an artificial skin element of the aforementioned type, which improves the heat dissipation compared to the previous skin elements after application to a robot.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.

Die Aufgabe ist gelöst mit einem künstlichen Hautelement für Roboter, bestehend aus einer Unterschicht, einer darüber beabstandet angeordneten, elastisch verformbaren Außenschicht, und einer Vielzahl von zwischen der Unter- und Außenschicht vereinzelt angeordneten, die Außen- und Unterschicht verbindenden, elastisch verformbaren Abstandshaltern, wobei zwischen den Abstandshaltern ein Strömungsvolumen ausgebildet ist, das von einem Kühlmittel durchströmbar ist, das Strömungsvolumen eine Kühlmittelzuleitung und eine Kühlmittelausleitung aufweist, und im Strömungsvolumen mindestens ein Kühlmittel-Strömungspfad zwischen Kühlmitteleinleitung und Kühlmittelausleitung ausgebildet ist.The object is achieved with an artificial skin element for robots, consisting of an underlayer, an overlying spaced, elastically deformable outer layer, and a plurality of between the lower and outer layer sparsely arranged, the outer and lower layer connecting, elastically deformable spacers, wherein between the spacers, a flow volume is formed by a Coolant can be flowed through, the flow volume has a coolant supply line and a coolant outlet, and at least one coolant flow path between coolant inlet and coolant outlet is formed in the flow volume.

Das erfindungsgemäße Hautelement zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass die Außenschicht Poren aufweist, deren Durchlässigkeit für flüssiges Kühlmittel abhängig von einer Temperatur der Außenschicht ist.The skin element according to the invention is further distinguished by the fact that the outer layer has pores whose permeability to liquid coolant is dependent on a temperature of the outer layer.

Die Außenschicht ist also als eine Art Klimamembran ausgeführt, die Poren aufweist, die sich insbesondere temperaturabhängig öffnen oder schließen und daher ein künstliches „Schwitzen” erfolgt. Die Poren öffnen sich bspw. bei steigender Temperatur ab einer vorgegebenen Auslösetemperatur, so dass eine geringe Menge an Kühlmittel austreten und verdampfen kann. Dieses künstliche „Schwitzen” bewirkt eine zusätzliche Kühlung des Hautelements und ermöglicht damit eine noch effektivere zusätzliche Wärmeabfuhr sofern bspw. sehr hohe Temperaturen oberhalb der Auslösetemperatur erreicht werden sollten. Sinkt die Temperatur wieder unter die Auslösetemperatur, schließen sich die Poren bevorzugt wieder, so dass kein Kühlmittel mehr austreten kann. Diese Poren können in der Außenschicht gleich- oder ungleichverteilt angeordnet sein.The outer layer is thus designed as a kind of climate membrane which has pores, which in particular open or close depending on the temperature and therefore an artificial "sweating" takes place. The pores open, for example. With increasing temperature from a predetermined release temperature, so that a small amount of coolant can escape and evaporate. This artificial "sweating" causes additional cooling of the skin element and thus enables even more effective additional heat dissipation if, for example, very high temperatures above the triggering temperature should be achieved. If the temperature falls below the release temperature again, the pores preferably close again so that coolant can no longer escape. These pores can be arranged uniformly or unevenly distributed in the outer layer.

Das Hautelement wird nachstehend für eine Anwendung bei einem Roboter beschrieben, ohne jedoch den Gegenstand der Erfindung dadurch auf ein Hautelement für einen Roboter zu beschränken. Selbstverständlich kann das Hautelement auch auf andere Körper, wie eingangs beschrieben, aufgebracht werden, um im Inneren produzierte Wärme abzuführen.The skin element will be described below for use with a robot, but without thereby limiting the scope of the invention to a skin element for a robot. Of course, the skin element can also be applied to other bodies, as described above, to dissipate heat produced inside.

Das erfindungsgemäße Hautelement stellt insgesamt zunächst einmal eine dämpfende. kühlbare Schicht dar, die auf eine Oberfläche eines Roboters aufgebracht werden kann, um negative Auswirkungen von Kollisionen (bspw. Verletzungen) zwischen Mensch und Roboter zu verringern, d. h. eine mechanische Schutzfunktion zu erfüllen. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Hautelementes gegenüber dem Stand der Technik ist, dass durch das das Hautelement durchströmende Kühlmittel eine deutlich höhere Wärmeleistung abgeführt werden kann, als dies durch Abstrahlung oder Konvektion von Luft an der Oberfläche des Robotergehäuses möglich wäre. So kann durch das erfindungsgemäße Hautelement bei gleicher, innerhalb des Roboters erzeugter Wärmeleistung sogar die interne Betriebstemperatur im entsprechenden Roboterbauteil gesenkt werden. Durch die zusätzliche Masse des Kühlmittels, bspw. einer dünnen Flüssigkeitsschicht, wird zudem die Gesamtmasse des Roboters nicht wesentlich erhöht, so dass die vorliegende Erfindung sogar eine Gewichtsverringerung eines Roboters zur Folge hat, wenn man bspw. die vorliegende Lösung bspw. mit bekannten Roboterinnenkühlungen vergleicht.The skin element according to the invention first of all provides a cushioning effect. coolable layer that can be applied to a surface of a robot to reduce the negative impact of collisions (eg injuries) between human and robot, d. H. to fulfill a mechanical protective function. A significant advantage of the skin element according to the invention over the prior art is that a significantly higher heat output can be dissipated by the coolant flowing through the skin element, as would be possible by radiation or convection of air on the surface of the robot housing. Thus, even the internal operating temperature in the corresponding robot component can be lowered by the skin element according to the invention for the same, generated within the robot heat output. Due to the additional mass of the coolant, for example a thin liquid layer, the total mass of the robot is not substantially increased, so that the present invention even results in a weight reduction of a robot, if, for example, the present solution is compared, for example, with known robot internal cooling ,

Das erfindungsgemäße Hautelement umfasst eine Unterschicht, die bspw. mit einer äußeren starren Materialschicht eines Roboters/einer Roboterstruktur identisch sein kann. In diesem Fall sind die elastisch verformbaren Abstandshalter direkt auf der äußeren starren Materialschicht des Roboters, d. h. auf der Oberfläche des Roboters ohne ein darauf aufgebrachtes Hautelement, angeordnet.The skin element according to the invention comprises an underlayer which, for example, may be identical to an outer rigid material layer of a robot / a robot structure. In this case, the elastically deformable spacers are directly on the outer rigid material layer of the robot, i. H. on the surface of the robot without a skin element applied thereto.

In diesem Fall kann das Hautelement getrennt vom Roboter hergestellt werden und aufgrund seiner elastischen Verformbarkeit nachträglich, am Roboter angebracht werden. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit der Unterschicht, der Abstandshalter sowie der Außenschicht lässt sich in diesem Fall das Hautelement nahezu an jede dreidimensionale Oberfläche anpassen.In this case, the skin element can be manufactured separately from the robot and subsequently attached to the robot due to its elastic deformability. Due to the elastic deformability of the lower layer, the spacers and the outer layer, the skin element can be adapted to almost any three-dimensional surface in this case.

Die Unterschicht und/oder die Außenschicht bestehen bevorzugt aus einem Polymermaterial, beispielsweise einem Thermoplastmaterial, insbesondere aus einem Silikonmaterial und weisen bevorzugt eine Schichtdicke von < 15 mm, < 10 mm, < 5 mm, < 2 mm, < 1 mm, < 0,5 mm, < 0,1 mm, oder < 0,05 mm auf. In diesem Fall kann das Hautelement getrennt vom Roboter hergestellt werden und aufgrund seiner elastischen Verformbarkeit nachträglich am Roboter angebracht werden. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit der Unterschicht, der Abstandshalter sowie der Außenschicht lässt sich in diesem Fall das Hautelement nahezu an jede dreidimensionale Oberfläche anpassen. Die Schichtdicken der Unterschicht und der Außenschicht können natürlich nach Bedarf unterschiedlich gewählt werden. Die Abstandshalter bestehen ebenfalls bevorzugt aus einem Polymermaterial, insbesondere einem Thermoplastmaterial oder einem Silikonmaterial. Zur Einstellung eines vorbestimmten Verformungsverhaltens des Hautelements können je nach Anforderung die Unterschicht, die Außenschicht und die Abstandshalter aus gleichen oder unterschiedlichen elastischen Materialien bestehen. Das richtungsabhängige (anisotrope) Verformungsverhalten des Hautelements lässt sich weiterhin durch die Wahl der ersten Anordnung der ersten Abstandshalter auf die erste Oberfläche einstellen. Vorzugsweise weist die Anordnung der ersten Abstandshalter eine trapezförmige, ringförmige, elliptische oder rechteckige, insbesondere quadratische Geometrie auf. Natürlich sind je nach Anforderungen beliebige weitere erste Anordnungen realisierbar.The underlayer and / or the outer layer are preferably made of a polymer material, for example a thermoplastic material, in particular of a silicone material and preferably have a layer thickness of <15 mm, <10 mm, <5 mm, < 2 mm, <1 mm, <0.5 mm, <0.1 mm, or <0.05 mm. In this case, the skin element can be manufactured separately from the robot and be subsequently attached to the robot due to its elastic deformability. Due to the elastic deformability of the lower layer, the spacers and the outer layer, the skin element can be adapted to almost any three-dimensional surface in this case. Of course, the layer thicknesses of the underlayer and the outer layer may be selected differently as needed. The spacers are also preferably made of a polymeric material, in particular a thermoplastic material or a silicone material. To set a predetermined deformation behavior of the skin element, depending on the requirements, the lower layer, the outer layer and the spacers may consist of the same or different elastic materials. The direction-dependent (anisotropic) deformation behavior of the skin element can furthermore be set by selecting the first arrangement of the first spacers on the first surface. The arrangement of the first spacers preferably has a trapezoidal, annular, elliptical or rectangular, in particular square geometry. Of course, depending on the requirements any further first arrangements can be realized.

Das erfindungsgemäße Hautelement, d. h. der Schichtverbund aus Unterschicht und Außenschicht mit den dazwischen angeordneten ersten Abstandshaltern, weist bevorzugt eine (Hautelement-)Dicke von < 50 mm, < 25 mm, < 10 mm, < 5 mm, < 2 mm, < 1 mm, < 0,5 mm oder < 0,1 mm auf. Weiterhin beträgt der Abstand A zwischen Unterschicht und Außenschicht bevorzugt < 15 mm, < 10 mm, < 5 mm, < 3 mm, < 2 mm, < 1 mm, < 0,5 mm, < 0,2 mm. Natürlich hängt die Wahl der Schichtdicken der Unterschicht, der Außenschicht, des Abstandes A, und der Form und Masse der einzelnen Abstandshalter sowie der Abstand der Abstandshalter voneinander von der vorliegenden Aufgabenstellung ab, so dass deren Wahl nicht beliebig, aber von einem Fachmann einfach auswählbar ist.The skin element according to the invention, d. H. the layer composite of the lower layer and outer layer with the first spacers arranged therebetween preferably has a (skin element) thickness of <50 mm, <25 mm, <10 mm, <5 mm, <2 mm, <1 mm, <0.5 mm or <0.1 mm. Furthermore, the distance A between the lower layer and the outer layer is preferably <15 mm, <10 mm, <5 mm, <3 mm, <2 mm, <1 mm, <0.5 mm, <0.2 mm. Of course, the choice of the layer thicknesses of the lower layer, the outer layer, the distance A, and the shape and mass of the individual spacers and the distance of the spacers from each other depends on the present task, so that their choice is not arbitrary, but easily selectable by a person skilled in the art ,

Die Form und Anordnung der Abstandshalter definiert insbesondere den oder die Strömungspfade zwischen der Kühlmitteleinleitung und der Kühlmittelausleitung des Hautelements und somit auch Gebiete unterschiedliche Kühlleistung. So ist die Kühlleistung in den Bereichen am größten, die den größten Temperaturgradienten zwischen Kühlmittel im Inneren des Hautelements relativ zur Temperatur der äußeren Oberfläche der Unterschicht bzw. der Außenschicht aufweisen. Bevorzugt werden die Abstandshalter länglich ausgeführt, so dass sie Wände von Strömungskanälen ausbilden, die je nach Anforderungen gestaltet und geführt sein können.The shape and arrangement of the spacers defines, in particular, the flow path or paths between the coolant inlet and the coolant outlet of the skin element, and thus regions also have different cooling capacities. Thus, the cooling performance is greatest in the areas having the largest temperature gradient between the coolant inside the skin member relative to the temperature of the outer surface of the backsheet and the outer layer, respectively. Preferably, the spacers are made elongated so that they form walls of flow channels that can be designed and guided as required.

Als Kühlmittel kommen grundsätzlich alle gasförmigen oder flüssigen Medien in Betracht, welche das Material der Unterschicht, der Außenschicht und der Abstandshaltern nicht angreifen bzw. nicht nachteilig verändern. Bevorzugt werden flüssige Kühlmittel verwendet. Die Kühlung des Kühlmittels erfolgt durch eine passive oder aktive Kühlung. Entsprechende Einrichtungen zur aktiven oder passiven Kühlung sind bevorzugt am Roboter vorgesehen.In principle, all gaseous or liquid media which do not attack or adversely affect the material of the underlayer, the outer layer and the spacers can be considered as coolants. Preferably, liquid coolants are used. The coolant is cooled by passive or active cooling. Corresponding devices for active or passive cooling are preferably provided on the robot.

Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hautelements zeichnet sich dadurch aus, dass die Außenschicht im Vergleich zur Unterschicht eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere, dass die Wärmeleitfähigkeit der Außenschicht im Bereich von 0,01–1 W/(m K) und/oder Wärmeleitfähigkeit der Unterschicht im Bereich von 1–450 W/(m K), 1–200 W/(m K), 1–100 W/(m K), 1–50 W/(m K), oder 1–20 W/(m K) liegt. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der Außenschicht kann eine Berührungssicherheit (im Sinne eines Schutzes vor einer Berührung zu heißer Roboterteile) auch bei Ausfall der aktiven Kühlung zumindest über einen bestimmten Zeitraum aufrecht erhalten werden. Die Wärmeleitfähigkeit der Untersicht sollte so hoch wie möglich sein, damit die innerhalb der Roboterstruktur erzeugten Wärme effektiv über die Unterschicht auf das Kühlmittel übertragen werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit der Unterschicht kann bspw. durch Einbringen von stark wärmeleitenden Materialen während der Herstellung der Unterschicht (bspw. von Ag, Cu, Ag, Al, BN, A1203) erhöht werden.A preferred embodiment of the skin element according to the invention is characterized in that the outer layer compared to the lower layer has a lower thermal conductivity, in particular that the thermal conductivity of the outer layer in the range of 0.01-1 W / (m K) and / or thermal conductivity of the lower layer in the range of 1-450 W / (m K), 1-200 W / (m K), 1-100 W / (m K), 1-50 W / (m K), or 1-20 W / ( m K). Due to the low thermal conductivity of the outer layer, contact safety (in the sense of protection against contact with hot robot parts) can be maintained even if the active cooling fails, at least over a certain period of time. The heat conductivity of the soffit should be as high as possible so that the heat generated within the robot structure can be effectively transferred to the coolant through the underlayer. The thermal conductivity of the lower layer can be increased, for example, by introducing highly thermally conductive materials during the production of the lower layer (eg of Ag, Cu, Ag, Al, BN, Al 2 O 3).

Bevorzugt weist auch das Material, aus dem die Abstandshalter bestehen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die bevorzugt im Bereich von 1–450 W/(m K), 1–200 W/(m K), 1–100 W/(m K), 1–50 W/(m K), oder 1–20 W/(m K) liegt. Dies verbessert die Wärmeleitung von der zugrundeliegenden Roboteroberfläche, auf die das Hautelement aufgebracht ist, zum Kühlmittel, und damit die Kühlleistung des Hautelements.The material of which the spacers are made preferably also has a high thermal conductivity, preferably in the range of 1-450 W / (m K), 1-200 W / (m K), 1-100 W / (m K ), 1-50 W / (m K), or 1-20 W / (m K). This improves the heat conduction from the underlying robot surface to which the skin member is applied to the coolant, and thus the cooling performance of the skin member.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des Hautelements zeichnet sich dadurch aus, dass zur Ermittlung taktiler Reize zwischen der Unterschicht und der Außenschicht eine taktile Sensorik ausgebildet ist. Ein Beispiel eines Hautelements mit taktiler Sensorik ist dadurch realisiert, dass eine nichtleitende, elastisch verformbare Unterschicht mit einer ersten Oberfläche und eine nichtleitende elastisch verformbare Außenschicht mit einer zweiten Oberfläche vorhanden sind, wobei die erste und die zweite Oberfläche einander zugewandt und durch zwischen der ersten und zweiten Oberfläche ausgebildete, elastisch verformbare Abstandshalter voneinander beabstandet angeordnet und miteinander verbunden sind. Weiterhin sind eine oder mehrere elastisch verformbare, elektrisch leitende erste Leitungen, die auf oder an der ersten Oberfläche angeordnet/fixiert sind, und elastisch verformbare, elektrisch leitende zweite Leitungen, die auf oder an der zweiten Oberfläche angeordnet/fixiert sind, vorhanden, wobei sich erste und die zweite Leitungen an Kreuzungsstellen kreuzen. Bevorzugt sind die ersten/zweiten Leitungen in Bereichen der ersten/zweiten Oberfläche zwischen den Abstandshaltern angeordnet. Dies gilt insbesondere für die Kreuzungsstellen. Die ersten/zweiten Leitungen können jedoch auch in Abschnitten bzw. teilweise unterhalb der Abstandshalter verlaufen. Die Abstandshalter zwischen der Unterschicht und der Außenschicht sind bevorzugt als Gitterpunkte eines zweidimensionalen orthogonalen, insbesondere eines kartesischen Gitters angeordnet. Bevorzug sind dabei die ersten Leitungen zueinander parallel und die zweiten Leitungen zueinander parallel angeordnet, während die ersten und zweiten Leitungen zueinander orthogonal verlaufen. Natürlich sind beliebige weitere Anordnungen der Abstandshalter, beispielsweise mit konzentrischer, rechteckiger Geometrie, bei entsprechender Anordnung der ersten und zweiten Leitungen je nach Aufgabenstellung möglich. Weiterhin können die elastischen Abstandshalter selbst nahezu beliebige Formen annehmen, beispielsweise punktförmige, sternförmige, längliche, linienförmige, auch in sich geschlossene Formen, wie Kreise, Ellipsen etc.A particularly preferred refinement of the skin element is characterized in that tactile sensors are formed between the underlayer and the outer layer in order to determine tactile stimuli. An example of a tactile sensor skin member is realized by having a nonconductive elastically deformable underlayer having a first surface and a nonconductive elastically deformable outer layer having a second surface, the first and second surfaces facing each other and interposed between the first and second surfaces second surface formed, elastically deformable spacers spaced from each other and are connected to each other. Furthermore, there are one or more elastically deformable, electrically conductive first lines arranged / fixed on or on the first surface, and elastically deformable, electrically conductive second lines arranged / fixed on or at the second surface, wherein cross first and second lines at intersections. Preferably, the first / second leads are disposed in regions of the first / second surface between the spacers. This applies in particular to the intersections. However, the first / second lines can also run in sections or partially below the spacers. The spacers between the lower layer and the outer layer are preferably arranged as grid points of a two-dimensional orthogonal, in particular a Cartesian grid. Favor are the first lines parallel to each other and the second lines arranged parallel to each other, while the first and second lines are orthogonal to each other. Of course, any further arrangements of the spacers, for example, with concentric, rectangular geometry, with appropriate arrangement of the first and second lines depending on the task possible. Furthermore, the elastic spacers themselves can take on almost any shape, for example punctiform, star-shaped, oblong, line-shaped, even closed-in forms, such as circles, ellipses, etc.

Die flächige taktile Auflösung eines solchen taktil empfindlichen Hautelements bestimmt sich durch die Flächendichte der Kreuzungsstellen, insbesondere der zwischen den Abstandshaltern angeordneten Kreuzungsstellen. Jede Kreuzungsstelle stellt quasi eine taktile Sensorzelle, d. h. ein Taxel, dar. Ist die Flächendichte der Kreuzungsstellen in einem Flächenbereich groß, so ist die flächige taktile Auflösung des Hautelements für diesen Flächenbereich hoch. Ist die Flächendichte der Kreuzungsstellen in einem Flächenbereich klein, so ist die flächige taktile Auflösung des Hautelements für diesen Flächenbereich gering.The planar tactile resolution of such a tactile sensitive skin element is determined by the area density of the intersections, in particular of the intersections arranged between the spacers. Each intersection represents a tactile sensor cell, ie a taxel. If the area density of the crossing points in a surface area is large, then the areal tactile resolution of the skin element for this area area is high. If the area density of the crossing points in a surface area is small, then the areal tactile resolution of the skin element for this area area is low.

Bevorzugt sind die ersten und die zweiten Leitungen an den Kreuzungsstellen in einem mechanisch unbelasteten Zustand des Hautelements voneinander beabstandet. Der Begriff „mechanisch unbelasteter Zustand” meint, dass auf das Hautelement keine taktilen Reize (Kräfte) einwirken.Preferably, the first and the second lines are spaced apart at the intersection points in a mechanically unloaded state of the skin element. The term "mechanically unloaded state" means that act on the skin element no tactile stimuli (forces).

Durch eine auf das Hautelement aufgebrachte Kraft (taktiler Reiz) nähern sich die ersten und zweiten Leitungen an den Kreuzungsstellen einander an, was bei weiterer Annäherung bis zu ihrer Berührung, und bei noch weiterer Annäherung zu einer elastischen Verformung der ersten und zweiten Leitungen führen kann. Diese Annäherung der ersten und zweiten Leitungen an den Kreuzungsstellen hat kapazitive bzw. die elektrische Leitfähigkeit der ersten und zweiten Leitungen betreffende messbare Wirkungen, mittels denen die eingebrachten taktilen Reize in bekannter Weise ausgewertet werden können. Bei Verschwinden der aufgebrachten Kraft stellt sich der „mechanisch unbelastete Zustand” mit einer richtungsabhängig bekannten, beherrschbaren und bei der Auswertung der vorstehend angegebenen messbaren Wirkungen zu berücksichtigenden Hysterese ein.By a force applied to the skin element (tactile stimulus) approach the first and second lines at the intersection of each other, which may lead to further contact on their approach, and further approach to an elastic deformation of the first and second lines. This approximation of the first and second lines at the crossing points has capacitive or electrical conductivity of the first and second lines relevant measurable effects by means of which the introduced tactile stimuli can be evaluated in a known manner. When the applied force disappears, the "mechanically unloaded state" is established with a hysteresis which is known, manageable and must be taken into account in the evaluation of the abovementioned measurable effects.

In einer alternativen Ausgestaltung des Hautelements berühren sich die ersten und die zweiten Leitungen an den Kreuzungsstellen bereits im mechanisch unbelasteten Zustand des Hautelements. Durch das Aufbringen einer äußeren mechanischen Kraft (taktiler Reiz) auf das Hautelement werden die ersten und zweiten Leitungen an den jeweils betroffenen Kreuzungsstellen nun elastisch verformt, was jeweils betroffenen eine messbare Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der betroffenen Leitungen bewirkt.In an alternative embodiment of the skin element, the first and the second lines touch at the crossing points already in the mechanically unloaded state of the skin element. By applying an external mechanical force (tactile stimulus) on the skin element, the first and second lines are now elastically deformed at the respective intersection points concerned, which causes each affected a measurable change in the electrical conductivity of the affected lines.

Bevorzugt bestehen die ersten und die zweiten Leitungen aus einem elektrisch leitenden Polymermaterial, wie cis-Polyacetylen (PA), trans-Polyacetylen (PA) oder Poly-Para-Phenylen (PPP). Alternativ können die ersten und zweiten Leitungen jeweils aus einem nicht-leitenden und elastisch verformbaren Leitungskörper mit darin eingelagerten elektrisch leitenden Partikeln bestehen.Preferably, the first and second conduits are made of an electrically conductive polymer material such as cis-polyacetylene (PA), trans-polyacetylene (PA) or poly-para-phenylene (PPP). Alternatively, the first and second lines can each consist of a non-conductive and elastically deformable lead body with embedded therein electrically conductive particles.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Hautelements zeichnet sich dadurch aus, dass das Hautelement zumindest einen Temperatursensor aufweist. Bevorzugt werden die Messdaten des Temperatursensors zur Ansteuerung des Kühlmittelkreiskaufs durch das Hautelement genutzt.A preferred embodiment of the skin element is characterized in that the skin element has at least one temperature sensor. Preferably, the measurement data of the temperature sensor for controlling the Kühlmittelkreiskaufs be used by the skin element.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Roboter, der zumindest ein künstliches Hautelement gemäß der vorangegangenen Beschreibung aufweist.The invention further relates to a robot having at least one artificial skin element according to the preceding description.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which reference to the drawings - at least one embodiment is described in detail. Described and / or illustrated features form the subject of the invention, or independently of the claims, either alone or in any meaningful combination, and in particular may additionally be the subject of one or more separate applications. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Unterschicht, der Außenschicht und der dazwischen angeordneten Abstandshalter des Hautelements, und 1 a schematic representation of an embodiment of the lower layer, the outer layer and the spacers arranged therebetween of the skin element, and

2 eine schematische Darstellung eines Beispiels des erfindungsgemäßen Hautelements. 2 a schematic representation of an example of the skin element according to the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Unterschicht 102, der Außenschicht 101 und der dazwischen angeordneten Abstandshalter 103 des Hautelements. Die Unterschicht 102 besteht aus einem thermisch sehr gut leitfähigen Material. Zur Vergrößerung der effektiven thermisch aktiven Oberfläche sind die Abstandshalter 103 ebenfalls aus einem thermisch stark leitfähigen elastischen Material ausgeführt. Die Abstandshalter 103 sind weiterhin thermisch leitfähig mit der Unterschicht 102 verbunden. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the lower layer 102 , the outer layer 101 and the interposed spacer 103 of the skin element. The lower class 102 consists of a thermally very conductive material. To increase the effective thermally active surface are the spacers 103 also made of a thermally highly conductive elastic material. The spacers 103 are still thermally conductive with the lower layer 102 connected.

2 zeigt die schematische Darstellung ein mögliches Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hautelements. Es wird vorliegend davon ausgegangen, dass das dargestellte Hautelement mit der Unterschicht 102 auf einem Roboterbauteil (nicht dargestellt) aufgebracht ist, in dessen Inneren Wärme erzeugt wird, die vom Hautelement möglichst effektiv abgeführt werden soll. Weiterhin ist die Außenschicht 101 des Hautelements der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Zu erkennen ist die Unterschicht 102 auf der eine Vielzahl von Abstandshaltern 105, 108 aufgebracht sind. Die Abstandhalter 105 weisen bevorzugt eine einschalige hyperboloide Außenkontur auf. Nur der Abstandshalter 108 ist vorliegend länglich ausgebildet und teilt das Strömungsvolumen 105 in zwei miteinander über einen kleinen Strömungskanal, der am linken Bereich des Hautelements angeordnet ist, verbundene Strömungsbereiche. Das Kühlmittel wird über eine Kühlmittelzuleitung 106 in das Strömungsvolumen 105 zugeführt. Das Strömungsvolumen 105 ist vorliegend das gesamte von dem Kühlmittel durchströmbare Volumen zwischen der Unterschicht 102, der Außenschicht 101 (nicht dargestellt) und den Abstandshaltern 103. Es wird vorliegend seitlich von einen Rahmen 104 vollständig umfasst. Die Kühlmittelzuleitung 106 und die Kühlmittelausleitung 107 bezeichnen vorliegend die Ein- bzw. Auslassöffnung, durch die das Kühlmittel in bzw. aus dem Strömungsvolumen strömt. Natürlich kann das Hautelement mehrere Kühlmittelzu- und -ausleitungen verfügen. 2 shows the schematic representation of a possible embodiment of the skin element according to the invention. It is assumed in the present case that the illustrated skin element with the lower layer 102 is applied to a robot component (not shown), in the interior of which heat is generated, which is to be dissipated by the skin element as effectively as possible. Furthermore, the outer layer 101 the skin element of the sake of clarity not shown. To recognize the lower class 102 on the a variety of spacers 105 . 108 are applied. The spacers 105 preferably have a single-shell hyperbolic outer contour. Only the spacer 108 is presently elongate and divides the flow volume 105 in two flow regions connected to one another via a small flow channel, which is arranged on the left region of the skin element. The coolant is supplied via a coolant supply line 106 in the flow volume 105 fed. The flow volume 105 in the present case, the entire volume of coolant that can flow through between the underlayer 102 , the outer layer 101 (not shown) and the spacers 103 , It is presently side of a frame 104 completely includes. The coolant supply line 106 and the coolant outlet 107 In this case, the inlet or outlet opening through which the coolant flows into or out of the flow volume designate. Of course, the skin element may have multiple coolant inlets and outlets.

Das Kühlmittel, vorliegend ein flüssiges Kühlmittel, durchströmt zunächst den in der 2 oben angeordneten Strömungsbereich von rechts nach links (angedeutet durch die entsprechende Pfeilrichtung), strömt dann über den kleinen Strömungskanal an der linken Seite des Hautelements in den unteren Strömungsbereich, dort von links nach rechts, um schließlich über die Kühlmittelausleitung 107 in den Kühlmittelkreislauf zurückzugelangen.The coolant, in this case a liquid coolant, first flows through the in the 2 Flow region arranged from the top to the right (indicated by the corresponding arrow direction) then flows via the small flow channel on the left side of the skin element into the lower flow region, there from left to right, finally via the coolant outlet 107 to get back into the coolant circuit.

Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Unterschicht 102, wie auch der Abstandshalter 103, 108 kann vom Kühlmittel im Roboterbauteil entstehende Wärme effektiv abgeführt werden. Im Verlauf der vorliegenden Durchströmung des Hautelements wird das Kühlmittel nach seinem Eintritt in das Strömungsvolumen 105 bis zu seinem Verlassen immer wärmer, das ist durch die unterschiedlich kontrastierten Strömungspfeile gekennzeichnet.Due to the high thermal conductivity of the lower layer 102 as well as the spacer 103 . 108 can heat dissipated by the coolant in the robot component heat effectively. In the course of the present flow through the skin element, the coolant is after its entry into the flow volume 105 getting warmer and warmer until it leaves, is characterized by differently contrasting flow arrows.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des dargestellten Hautelements sind zwischen Unterschicht 102 und Außenschicht 101 taktile Sensoren und zumindest ein Temperatursensor zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur angeordnet. Ein Beispiel für eine solche taktile Sensorik ist der vorstehenden Beschreibung zu entnehmen, auf die an dieser Stelle verwiesen wird.In a particularly preferred embodiment of the illustrated skin element are between lower layer 102 and outer layer 101 arranged tactile sensors and at least one temperature sensor for detecting the coolant temperature. An example of such a tactile sensor system can be taken from the above description, to which reference is made at this point.

Claims

Artificial skin element for robots, consisting of an underlayer ( 102 ), a spaced-apart, elastically deformable outer layer ( 101 ), and a multitude of between the sub ( 102 ) and outer layer ( 101 ) isolated, the outside ( 101 ) and sublayer ( 102 ), elastically deformable spacers ( 103 ), whereby - between the spacers ( 103 ) a flow volume ( 105 ) is formed, which can be flowed through by a coolant, - the flow volume ( 105 ) a coolant supply line ( 106 ) and a coolant outlet ( 107 ), - in the flow volume ( 105 ) at least one coolant flow path between coolant inlet ( 106 ) and coolant discharge ( 107 ), and - the outer layer ( 101 ) Has pores whose permeability to liquid coolant depends on the temperature of the outer layer ( 101 ).

Artificial skin element according to claim 1, characterized in that an active or passive cooling for cooling the coolant is present.

Artificial skin element according to claim 1 or 2, characterized in that the outer layer ( 101 ) compared to the lower layer ( 102 ) has a lower thermal conductivity, in particular that the thermal conductivity of the outer layer ( 101 ) in the range of 0.01-1 W / (m K) and / or the thermal conductivity of the lower layer ( 102 ) in the range of 1-450 W / (m K), 1-200 W / (m K), 1-100 W / (m K), 1-50 W / (m K), or 1-20 W / (m K) is located.

Artificial skin element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the outer layer ( 101 ) and the spacers ( 103 ) consist of a polymer material.

Artificial skin element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the lower layer ( 102 ) is elastically deformable and consists of a polymer material.

Artificial skin element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the spacers ( 103 ) has a thermal conductivity in the range of 1-450 W / (m K), 1-200 W / (m K), 1-100 W / (m K), 1-50 W / (m K), or 1-20 W / (m K).

Artificial skin element according to one of claims 1 to 6, characterized in that for determining tactile stimuli between the lower layer ( 102 ) and the outer layer ( 101 ) A tactile sensor is formed.

Artificial skin element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the skin element has at least one temperature sensor.

Robot with at least one artificial skin element according to one of claims 1 to 8.