DE102012025641B3

DE102012025641B3 - Berührungssensor

Info

Publication number: DE102012025641B3
Application number: DE102012025641.8A
Authority: DE
Inventors: Simon Kielhöfer; Jens Reinecke; Maxime Chalon; Werner Friedl
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2032-02-29

Abstract

Berührungssensor zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft, mit einem elastischen, bei Berührung verformbaren Oberflächenelement (10), ein eine Rückseite (20) des Oberflächenelements (10) beleuchtendes Beleuchtungsmittel (16), ein von der Rückseite (20) reflektierende Strahlen (22) detektierendes Detektionselement (26) und eine mit dem Detektionselement (26) verbundene Auswerteeinrichtung (27) zur Auswertung von durch Verformung des Oberflächenelements (10) hervorgerufene Veränderungen der vom Detektionselement (26) detektierten Strahlen (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (20) des Oberflächenelements nicht gleichmäßig reflektierend ausgestaltet ist, sondern ein Muster aufweist, das auf das Detektionselement (26) abgebildet wird, wobei eine Verformung des Oberflächenelements (10) eine Veränderung des abgebildeten Musters hervorruft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Berührungssensor zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft. Zur Detektion von Berührungen sind kapazitive und resistive Berührungssensoren bekannt. Kapazitive Berührungssensoren, wie sie beispielsweise bei Touchscreens eingesetzt werden, detektieren eine Berührung, jedoch keine Kraft. Des Weiteren muss der berührende Gegenstand selbst elektrisch leitend sein. Auch bei resistiven Berührungssensoren besteht der Nacheil, dass diese nur eine Position nicht aber eine Kraft bestimmen können. Auch sind resistive Berührungssensoren im Vergleich zu kapazitiven Berührungssensoren unsensibler bzw. ungenauer. Zur Verbesserung der Genauigkeit muss bei bekannten Berührungssensoren die Anzahl der Texelpunkte möglichst hoch sein. Dies kann durch Erhöhen der Anzahl der Elektroden oder Widerstandsbahnen erzielt werden, wobei hierbei schnell die maximale Anzahl an Kanälen der handelsüblichen Auswerteelektroniken erreicht ist.
Berührungssensoren werden insbesondere auch bei Robotern zur Interaktion mit der Umgebung verwendet. Kapazitive oder resistive Berührungssensoren werden hierbei als ”Haut” des Roboters aufgebracht. Bei Robotern ist gefordert, dass durch den Kraftvektor eine Berührung erfasst wird und zusätzlich eine Multitouchfähigkeit besteht. Ferner besteht die Forderung, dass, wenn die Sensoren in einer Hand angeordnet sind, auch die Schwerkräfte erfasst werden, um das Gewicht eines Objekts abzuschätzen. Alternativ kann auch das Durchrutschen des Objekts in der Hand detektiert werden. Die Auswahl und Integration geeigneter Sensoroberflächenmaterialien ist hierbei äußerst schwierig. Zur Kraftmessung an der Haut eines Roboters ist es bekannt, druckempfindliche variable Widerstände einzusetzen.
US 2011/0254762 A1 beschreibt einen Berührungssensor, bei dem der Ort eines Objekts durch Laufzeittriangulation bestimmt wird. Hierzu weist der Berührungssensor mindestens einen Emitter und mehrere Detektionselemente auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen zuverlässigen Berührungssensor zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Berührungssensor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft mittels des erfindungsgemäßen Berührungssensors gemäß Anspruch 10.
Der erfindungsgemäße Berührungssensor zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft weist ein elastisches Oberflächenelement auf. Das Oberflächenelement wird durch die Berührung verformt. Insbesondere erfolgt ein Eindrücken eines eine dreidimensionale Kontur aufweisenden Oberflächenelements. Ferner ist ein Beleuchtungsmittel vorgesehen, das eine Rück- bzw. Innenseite des Oberflächenelements beleuchtet. Bei der Rückseite handelt es sich um die Seite, die der Vorderseite, an der die Berührung stattfindet, gegenüberliegt. Bei dem Beleuchtungsmittel kann es sich um ein Mittel handeln, das sichtbares Licht oder andere geeignete Strahlung abgibt. An der Rückseite des Oberflächenelements reflektierte Strahlung wird erfindungsgemäß durch ein Detektionselement des Berührungssensors detektiert. Mit dem Detektionselement ist eine insbesondere elektronische Auswerteeinrichtung verbunden. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung erfolgt ein Auswerten der Veränderungen der detektierten Strahlen aufgrund der Verformung des Oberflächenelements. Durch die Verformung des Oberflächenelements erfolgt ein Verformen der Rückseite des Oberflächenelements, so dass die Strahlen, die auf diesem Bereich der Rückseite auftreffen, in andere Richtungen reflektiert werden. Eine Verformung des Oberflächenelements bewirkt somit eine partielle Verschiebung der von dem Detektionselement detektierten Reflektionsstrahlen. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung kann diese Veränderung ermittelt und auf Basis der Veränderung ein Berührungsort und/oder eine Kraft bestimmt werden.
In bevorzugter Ausführungsform ist das Oberflächenelement sphärisch, insbesondere als Halbkugel ausgebildet. Bevorzugt ist es ferner, dass das Beleuchtungsmittel innerhalb eines durch das Oberflächenelement gebildeten, insbesondere hohlen Raums angeordnet ist. In besonderer Ausführungsform ist das Beleuchtungsmittel somit innerhalb des sphärisch ausgebildeten Oberflächenelements angeordnet. Ebenso ist es bevorzugt, dass auch das Detektionselement innerhalb des Oberflächenelements angeordnet ist, wobei vorzugsweise sowohl das Beleuchtungsmittel als auch das Detektionselement im Zentrum des durch das Oberflächenelements gebildeten Raums angeordnet sind. Bei einem sphärischen Oberflächenelement ist das Beleuchtungsmittel sowie das Detektionselement somit im Wesentlichen im Bereich des Mittelpunkts angeordnet. Hierdurch ist gewährleistet, dass die von der Beleuchtungseinrichtung abgegebene Strahlung bei unverformtem Oberflächenelement im Wesentlichen vollständig auf das Detektionselement reflektiert wird. Dies hat den Vorteil, dass bereits kleine Berührungen und hierdurch hervorgerufene kleine Änderungen der Form des Oberflächenelements detektiert werden können.
Erfindungsgemäß ist die Innen- bzw. Rückseite des Oberflächenelements nicht gleichmäßig reflektierend ausgestaltet, sondern mit einem Muster versehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Streifen- oder Flächenmuster handeln. Das Muster wird auf dem Detektionselement abgebildet. Insofern ist es möglich eine Veränderung des Musters, die durch Verformen des Oberflächenelements hervorgerufen wird, zu detektieren und aus der Veränderung wiederum mit Hilfe der Auswerteeinrichtung Rückschlüsse auf den Berührungsort und/oder eine Kraft zu zielen. In dieser Ausführungsform ist die Rückseite des Oberflächenelements vorzugsweise diffus reflektierend ausgebildet. Des Weiteren ist es bei dieser Ausführungsform bevorzugt zusätzlich eine Linse vorzusehen, durch die die reflektierten Strahlen auf das Detektionselement abgebildet werden. Als Beleuchtungsmittel können ein oder mehrere LED's vorgesehen sein. Bei dem Detektionselement handelt es sich in bevorzugter Ausführungsform um einen lichtempfindlichen Sensor, wie beispielsweise einen Kamerachip.
Des Weiteren kann innerhalb des durch das Oberflächenelement gebildeten Raums ein Drucksensor angeordnet sein. Durch die Messung des Drucks, der sich bei einer entsprechenden Verformung des Oberflächenelements erhöht, kann ebenfalls eine Kraftbestimmung erfolgen. Diese kann anstelle der durch das Detektionselement und die Auswerteeinrichtung ermittelten Kraft oder zur Verifizierung der ermittelten Kraft genutzt werden. Auch kann eine Kombination der durch den Drucksensor gemessenen Kraft und der durch die Auswerteeinrichtung und das Detektionselement ermittelten Kraft kombiniert werden, so dass die Genauigkeit erhöht wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Oberflächenelement mehrschichtig, insbesondere dreischichtig ausgebildet. Die unterschiedlichen Schichten, bei denen es sich insbesondere um Schichten aus Silikon oder Silikon-Verbundwerkstoffen handelt, sind vorzugsweise eingefärbt und weisen unterschiedliche Härten, insbesondere unterschiedliche Shorehärten auf. Ebenso ist es möglich, die Kraft einer bestimmten Farbe zuzuordnen. Dies ist dadurch möglich, dass durch Verformung der Schichten eine Veränderung der Farbdichte erfolgt. Dies bewirkt auch ein Verändern der Filtereigenschaften des durch diese Schicht hindurch dringenden Lichts. Werden nun beispielsweise drei Schichten unterschiedlicher Härte und unterschiedlicher Farbe von Licht durchdrungen, erfolgt mittels der Veränderung des Drucks von außen auf alle Schichten eine unterschiedliche Farbmischung.
Zur Bestimmung des Berührungsorts und/oder einer Kraft wird in einer ersten Ausführungsform die reflektierte Strahlung gemessen. Aufgrund einer Musterveränderung, insbesondere einer Musterverzerrung kann eine Verformung des Oberflächenelements ermittelt werden. Die Musterveränderung ist bei einem flächigen Detektionselement ebenfalls flächig. Durch Bestimmen des Zentrums kann ein Rückschluss auf den Berührungsort gezogen werden. Die Flächenausdehnung repräsentiert die Kraft der Berührung, da über die Kraft der Berührung eine umso stärkere Verformung des Oberflächenelements und somit eine Vergrößerung der Flächenausdehnung erfolgt.
Besonders geeignet ist der erfindungsgemäße Berührungssensor für die Verwendung bei Robotern, da mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Berührungssensors auf einfache Weise sowohl ein Berührungsort als auch eine Kraft detektiert werden können. Dies ist insbesondere auf kleinem Raum möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Berührungssensors, der nicht Teil der Erfindung ist und
2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Berührungssensors.
Der in 1 schematisch dargestellte Berührungssensor weist ein durch Berührung elastisch verformbares Oberflächenelement 10 auf. Die Verformung des Oberflächenelements erfolgt, wie beispielsweise in dem Bereich 12 dargestellt, durch einen eine Kraft in Richtung des Pfeils 14 auf das Oberflächenelement 10 ausübenden Gegenstand oder dergleichen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Oberflächenelement 10 als Halbkugel ausgebildet. Innerhalb des Oberflächenelements 10 ist ein, beispielsweise als LED ausgebildetes Beleuchtungsmittel 16 angeordnet. Von dem Beleuchtungsmittel 16 ausgehende Strahlen 18 werden an einer Rück- bzw. Innenseite 20 reflektiert. Die Reflektionsstrahlen 22 kreuzen sich im Brennpunkt 24 und treffen sodann, sofern sie in einem nicht verformten Bereich des Oberflächenelements 10 reflektiert werden, auf ein Detektionselement 26, wie beispielsweise einen CCD-Sensor bzw. einen Kamerachip. Strahlen 18a, die in einem verformten Bereich auf das Oberflächenelement 10 treffen, werden als Reflektionsstrahlen 22a von der verformten Rückseite 20 des Oberflächenelements 10 derart reflektiert, dass sie nicht mehr auf das Detektionselement 26 treffen.
Hierdurch ergibt sich der in 1 unterhalb des Detektionselements 26 schematisch dargestellte Strahlungsintensitäts-Verlauf. In einem Bereich 28 sinkt die Strahlungsintensität ab. Da es sich um einen flächigen Sensor handelt, erfolgt dies auch senkrecht zur Zeichenebene. Die hierdurch definierte Fläche 28 repräsentiert die Stärke der Kraft 14. Das Zentrum bzw. der Mittelpunkt 30 der Fläche 28 repräsentiert den Berührungsort. Die Bestimmung der Kraft und des Berührungspunkts erfolgt mit Hilfe einer Auswerteeinrichtung.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Innenfläche 20 reflektierend ausgebildet und wirkt insofern als Spiegel.
Bei der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind ähnliche und identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an der Rückseite 20 des Oberflächenelements 10 ein beispielsweise als Streifen ausgebildetes Muster 32 vorgesehen. Das Muster 32 wird über eine Linse 34 auf dem Detektionselement 26 abgebildet. Durch die Verformung bzw. Einbuchtung 12 in dem Oberflächenelement 10 erfolgt ein Verzerren des Musters auf dem Detektionselement 26. Dies kann über eine schematisch dargestellte Auswerteeinrichtung 27 zur Detektion der Kraft 14 sowie des Berührungsorts genutzt werden. Die Verzerrung weist wiederum eine detektierbare Fläche 28 sowie einen Mittelpunkt 30 auf, so dass hierdurch die Kraft sowie auch der Berührungsort ermittelt werden können.
In beiden Ausführungsformen ist es möglich, dass innerhalb des Raums 36, den das vorzugsweise sphärische Oberflächenelement 10 ausbildet, ein Drucksensor 38 angeordnet ist. Aufgrund der Einbuchtung 12 erfolgt eine Volumenverringerung bzw. eine Druckerhöhung innerhalb des Raums 36. Diese ist proportional zur Krafteinwirkung 14. Der Drucksensor 38 ist vorzugsweise mit der Auswerteeinrichtung 27 elektrisch verbunden.
Bei der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die Innenseite des Oberflächenelements 10 möglichst diffus reflektierend, um ein gutes Bild des Streifenmusters auf dem Kamerachip 26 abbilden zu können.
Sofern das Oberflächenelement 10 mehrere gefärbte Silikonschichten, insbesondere unterschiedlicher Härte aufweist, kann der Berührungssensor ähnlich wie in 2 dargestellt, aufgebaut sein. Anstelle des durch die Streifen hervorgerufenen Musters erfolgt das Abbilden eines durch die eingefärbten Schichten hervorgerufenen Musters auf dem Detektionselement 26. Ort und Größe der Kraftanleitung können über die Farbverschiebung ermittelt werden.

Claims

Berührungssensor zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft, mit einem elastischen, bei Berührung verformbaren Oberflächenelement (10), ein eine Rückseite (20) des Oberflächenelements (10) beleuchtendes Beleuchtungsmittel (16), ein von der Rückseite (20) reflektierende Strahlen (22) detektierendes Detektionselement (26) und eine mit dem Detektionselement (26) verbundene Auswerteeinrichtung (27) zur Auswertung von durch Verformung des Oberflächenelements (10) hervorgerufene Veränderungen der vom Detektionselement (26) detektierten Strahlen (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (20) des Oberflächenelements nicht gleichmäßig reflektierend ausgestaltet ist, sondern ein Muster aufweist, das auf das Detektionselement (26) abgebildet wird, wobei eine Verformung des Oberflächenelements (10) eine Veränderung des abgebildeten Musters hervorruft.
Berührungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenelement (10) sphärisch ausgebildet ist.
Berührungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsmittel (16) innerhalb eines durch das Oberflächenelement (10) gebildeten, insbesondere hohlen Raums (36) angeordnet ist.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsmittel (16) mindestens eine LED und/oder die Detektionseinrichtung mindestens einen lichtempfindlichen Sensor, insbesondere einen Kamerachip aufweist.
Berührungssensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Raums (36) ein Drucksensor (38) angeordnet ist.
Berührungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (38) mit der Auswerteeinrichtung (27) verbunden ist und insbesondere zur Kraftbestimmung und/oder Kraftverifizierung dient.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenelement (10) mehrere Schichten, insbesondere unterschiedlicher Farbe und unterschiedlicher Härte aufweist.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (20) diffus reflektierend ist.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine die von der Rückseite (20) des Oberflächenelements (10) reflektierte Strahlen (22) auf das Detektionselement (26) abbildende Linse (34) vorgesehen ist.
Verfahren zur Bestimmung eines Berührungsorts und/oder einer Kraft mittels eines Berührungssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Auswerteeinrichtung (27) einen durch die Verformung des Oberflächenelements (10) hervorgerufenen Musterveränderung ermittelt, dessen Zentrum (30) den Berührungsort auf dem Oberflächenelement (10) und dessen Flächenausdehnung (28) die Kraft der Berührung repräsentiert.