DE102014221294A1

DE102014221294A1 - Sensorvorrichtung, greifvorrichtung und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102014221294A1
Application number: DE102014221294.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Rothacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-04-21
Also published as: WO2016062435A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sensorvorrichtung, insbesondere für eine Greifvorrichtung, mit mindestens einem Sensorfeld, welches mindestens zwei Drucksensoren aufweist, und mit einer über dem mindestens einen Sensorfeld angeordneten Elastomerschicht. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung eine Greifvorrichtung und ein Herstellungsverfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung, insbesondere für eine Greifvorrichtung, eine entsprechende Greifvorrichtung und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer entsprechenden Sensorvorrichtung.
Stand der Technik
Roboter werden heute z.B. als Produktionsassistenten eingesetzt. Es ist davon auszugehen, dass Roboter in Zukunft verstärkt auch als sog. Consumer-Homecare Roboter Verwendung finden werden.
Für solche Roboter ist eine flexible Greifersensorik unabdingbar zur Bewältigung vielfältiger bzw. unvorhergesehener Aufgaben. Derzeit werden bei Produktionsrobotern überwiegend Formschlußgreifer – teils mit Endlagensensor verwendet. Damit können jedoch nur spezifische oder wenige ähnliche Teile gegriffen werden.
Die DE 102010018966 A1 zeigt z.B. einen solchen Greifer für einen Roboter.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Greifvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 und ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Sensorvorrichtung, insbesondere für eine Greifvorrichtung, mit mindestens einem Sensorfeld, welches mindestens zwei Drucksensoren aufweist, und mit einer über dem mindestens einen Sensorfeld angeordneten Elastomerschicht, welche strukturiert ist und/oder mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur aufweist, welche in der Elastomerschicht über mindestens zwei der Drucksensoren, angeordnet ist.
Ferner ist vorgesehen:
Eine Greifvorrichtung, insbesondere für einen Roboter, mit mindestens zwei zueinander beweglich angeordneten Greifelementen, und mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung für mindestens eines der Greifelemente, wobei die Sensorvorrichtung der Oberfläche des entsprechenden Greifelements derart angepasst ausgebildet ist, dass diese in einer installierten Position formschlüssig auf der Oberfläche des entsprechenden Greifelements angeordnet ist.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, aufweisend Strukturieren einer Elastomerschicht und/oder Strukturieren mindestens einer starren Kraftverteilungsstruktur in der Elastomerschicht, und Anordnen der Elastomerschicht derart, dass die strukturierten Bereiche der Elastomerschicht über mindestens einem Sensorfeld einer Sensorfeldanordnung angeordnet sind.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass für Produktionsassistenten oder Homecare-Roboter eine dedizierte Drucksensorik den Enabler für die flexiblen Kraftschluß-Greifer darstellt. Weitere Enabler für flexibles dynamisches Greifen sind die Erkennung der Oberflächeneigenschaften, von Querkräften und von Schlupf.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, mit Hilfe eines Sensorfeldes eine Kraftmessung an prinzipiell der ganzen Oberfläche der Greifvorrichtung durchzuführen. Dies ermöglicht einen formschlüssigen Griff ohne Kraftüberschuss.
Dazu sieht die vorliegende Erfindung eine Elastomerschicht vor, die z.B. der Haut an den Fingerkuppen einer menschlichen Hand nachempfunden sein kann.
Dies führt dazu, dass bei einem Einwirken von Scherkräften auf die Oberfläche der Elastomerschicht die Strukturen bzw. die strukturierten Bereiche gekippt werden und auf die einzelnen Drucksensoren des Sensorfeldes unterschiedliche Kräfte ausgeübt werden, die ausgewertet werden können.
Alternativ oder zusätzlich zu der Strukturierung der Oberfläche der Elastomerschicht kann aber auch mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur in der Elastomerschicht vorgesehen sein, welche über mindestens zwei der Drucksensoren angeordnet ist. Diese werden bei einem Einwirken von Scherkräften auf die Oberfläche der Elastomerschicht ebenso, wie die Strukturen bzw. die strukturierten Bereiche, gekippt und üben eine Kraft auf die Drucksensoren aus, welche dadurch messbar wird.
Da die vorliegende Erfindung eine sehr flexible Anordnung der Sensorfelder auf z.B. einer Greifvorrichtung ermöglicht, können z.B. unterschiedliche dünnwandige Weingläser ohne vorherige Kenntnis der 3D-Form gegriffen werden.
Mit Hilfe der Elastomerschicht können ferner Rauheiten und somit Reibungskoeffizienten abgeschätzt und zur Verfeinerung des Greifens für fragile, nicht formschlüssig greifbare Objekte herangezogen werden.
Ferner können gewichtsveränderliche Objekte, z.B. ein Wasserglas während dem Einschenken, mit der Querkraft-Messung unter Vermeidung von Schlupf mittels dynamischer Greifkraftanpassung gegriffen werden.
Um einen einfachen Austausch der Sensorvorrichtung zu ermöglichen, wird diese flexibel mit einer Elastomerschicht aufgebaut. Hierdurch wird es möglich, die Sensorvorrichtung ähnlich wie einen Handschuh von der Greifvorrichtung abzuziehen und eine neue Sensorvorrichtung zu installieren.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform weist das mindestens eine Sensorfeld eine Signalverarbeitungseinrichtung, insbesondere einen A/D-Wandler oder eine Recheneinrichtung mit einem integrierten A/D-Wandler und/oder mit Datenverarbeitungsfunktionen und/oder mit Datenreduktionsfunktionen und/oder mit einem Sensor, welcher ausgebildet ist eine andere physikalische Größe als Druck, insbesondere eine Temperatur, zu erfassen, auf, wobei die Drucksensoren mit der Signalverarbeitungseinrichtung gekoppelt sind. Findet eine Signalerfassung durch einen A/D-Wandler direkt an dem Sensorfeld statt, können die aufbereiteten Sensorsignale störungsresistent digital weitergeleitet werden. Werden die Signale der Drucksensoren mit einer Recheneinrichtung erfasst, die zusätzlich zu dem A/D-Wandler auch Datenverarbeitungs- und Reduktionsfunktionen aufweist, kann die zu übertragende Datenmenge reduziert werden. Z.B. können von der Recheneinrichtung direkt die Ergebnisse der Datenauswertung weitergeleitet werden. Beispielsweise kann die Recheneinrichtung die Sensordaten auswerten und direkt einen Schätzwert für eine Rauheit oder einen Reibungskoeffizienten einer zu greifenden Oberfläche ausgeben. Schließlich kann die Recheneinrichtung auch weitere Sensoren aufweisen, die z.B. eine Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder dergleichen erfassen können. In einer Ausführungsform ist die Recheneinrichtung in der Greifvorrichtung installiert und elektrisch mit den Drucksensoren der Sensorvorrichtung gekoppelt.
In einer Ausführungsform ist für das mindestens eine Sensorfeld mindestens eine Kontakteinrichtung vorgesehen, welche ausgebildet ist, eine externe Kontaktierung der Komponenten des Sensorfelds herzustellen. Die Kontakteinrichtung kann z.B. als ein an einem Kabel oder einer flexiblen Leiterplatte angebrachter Stecker, als ein oder mehrere Kontaktfelder oder dergleichen ausgebildet sein. Dadurch wird eine einfache Kontaktierung der Drucksensoren bzw. der Recheneinrichtung möglich. In einer Ausführungsform weist die Kontakteinrichtung mindestens zwei elektrische Kontakte auf.
In einer Ausführungsform sind die Drucksensoren als piezoelektrische, insbesondere Polyvinylidenfluorid-basierte, Drucksensoren und/oder piezoresistive Drucksensoren und/oder optische Drucksensoren und/oder magnetische Drucksensoren und/oder induktive Drucksensoren und/oder kapazitive Drucksensoren und/oder resistive Drucksensoren und/oder dergleichen ausgebildet. Dadurch können die Drucksensoren an unterschiedliche Anforderungen einer Anwendung angepasst werden.
In einer Ausführungsform weisen die Drucksensoren in einer Aufsicht einen Durchmesser oder eine Kantenlänge von 0,1mm bis 5mm, insbesondere von 0,2mm, auf. Dies ermöglicht es die Drucksensoren flexibel an die jeweilige Aufgabe anzupassen und zu dimensionieren.
In einer Ausführungsform sind die Drucksensoren mindestens eines der Sensorfelder auf einer flexiblen Leitereinrichtung, insbesondere einer flexiblen Leiterplatte, angeordnet oder frei verkabelt. Dadurch können die Drucksensoren in ihrer Anordnung einer unebenen Form angepasst werden. So kann die Sensorvorrichtung z.B. auf eine Greifvorrichtung gespannt werden, die einer menschlichen Hand nachempfunden ist.
In einer Ausführungsform weist die Elastomerschicht ein flexibles und/oder elastisches Material, insbesondere Silikon und/oder Latex und/oder thermoplastisches Elastomer, auch TPE, und/oder Gummi oder dergleichen, auf. Dadurch kann eine Elastomerschicht bereitgestellt werden, die flexibel genug ist, sodass eine Verkippung der starren Kraftverteilungsstrukturen und damit eine differentielle Krafteinleitung auf die Drucksensoren möglich wird.
In einer Ausführungsform weist die Elastomerschicht auf der von dem mindestens einen Sensorfeld wegzeigenden Seite mindestens eine Struktur, insbesondere eine dreidimensionale Feinstruktur auf, welche zylindrische oder polygonale Noppen und/oder Ringe, insbesondere konzentrische Ringe, und/oder Ellipsoide, insbesondere konzentrische Ellipsoide, und/oder geschlossene Freiformen und/oder Polygone und/oder U-förmige Strukturen aufweist, wobei der Querschnitt der Struktur trapezoid und/oder glockenförmig und/oder sinusartig und/oder halbkreisartig und/oder polygonal ausgebildet ist. Die Struktur der Elastomerschicht ermöglicht es, auch Kräfte auf die Drucksensoren zu übertragen, die nicht senkrecht auf die Elastomerschicht wirken.
In einer Ausführungsform sind die starren Kraftverteilungsstrukturen derart ausgebildet, dass diese insbesondere in Erhöhungen der mindestens einen Struktur hineinragen. Dies ermöglicht eine bessere Kraftübertragung und damit eine bessere Erfassung der auf die Elastomerschicht wirkenden Kräfte. Dadurch wird auch eine bessere Bestimmung von Oberflächeneigenschaften des zu greifenden Objekts ermöglicht.
In einer Ausführungsform sind die starren Kraftverteilungsstrukturen in der Elastomerschicht insbesondere über drei der Drucksensoren angeordnet und weisen ein Bein für jeden der Drucksensoren auf. Alternativ weisen die starren Kraftverteilungsstrukturen eine Fläche auf, welche die Drucksensoren überspannt. Werden die starren Kraftverteilungsstrukturen jeweils lediglich über zwei der Drucksensoren platziert, können die starren Kraftverteilungsstrukturen in zwei unterschiedlichen Richtungen, die insbesondere orthogonal zueinander sind, angeordnet werden. Dies ermöglicht die effiziente differentielle Krafteinleitung auf die Drucksensoren und damit die Richtung und Betrag der wirkenden Kraft zu ermitteln.
In einer Ausführungsform weisen die starren Kraftverteilungsstrukturen eine Erhebung auf, welche aus der Ebene der Drucksensoren von den Drucksensoren weg orientiert ist. Dies verbessert die Krafteinleitung auf die starren Kraftverteilungsstrukturen.
In einer Ausführungsform weist die Greifvorrichtung mindestens einen Datenbus auf, wobei der Datenbus mit der Sensorvorrichtung elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, Sensordaten der Sensorvorrichtung zu übertragen. Dies ermöglicht es, die Komplexität der Verkabelung der Greifvorrichtung zu reduzieren.
In einer Ausführungsform wird beim Strukturieren die mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur mittels eines Photoresists auf einem haftungsverminderten elektrischen Leiter strukturiert und mittels Galvanisierens, insbesondere mehrlagig, erzeugt. Ferner wird nach dem Erzeugen der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur die Elastomerschicht auf dem elektrischen Leiter, insbesondere mittels Prägen und/oder Kompressionsmolden und/oder Spritzgießen und/oder Aufspritzen und/der Spincoaten, aufgebracht und nach dem Aufbringen, insbesondere mit einer Gegenform, strukturiert. Ferner wird nach dem Strukturieren der Elastomerschicht die Elastomerschicht mit der eingebetteten mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur von dem haftungsverminderten elektrischen Leiter gelöst und auf dem mindestens einen Sensorfeld angeordnet, insbesondere verklebt. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
In einer Ausführungsform wird beim Strukturieren der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur die Elastomerschicht derart, insbesondere mittels Spritzguss und/oder Kompressionsmolden und/oder Prägen und/oder 3D-Drucken, strukturiert, dass auf deren einer Seite mindestens eine Ausnehmung in Form der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur und auf deren anderen Seite eine vorgegebene Oberflächenstruktur entstehen. Ferner werden die Ausnehmungen mit einem Harz ausgegossen. Schließlich wird die Elastomerschicht mit der Oberflächenstruktur von dem Sensorfeld wegzeigend auf dem mindestens einem Sensorfeld aufgeklebt. Dies ermöglicht ebenfalls eine einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
In einer Ausführungsform wird beim Strukturieren der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur auf das Sensorfeld eine starre Schicht, insbesondere aus Kupfer oder Polymer, insbesondere mit einem elastischen Kleber, aufgeklebt, wobei die mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur in der starren Schicht, insbesondere mittels photolitographischen oder laserbasierten Verfahren, strukturiert wird. Ferner werden insbesondere weitere Schichten galvanotechnisch und/oder mittels photolithographischen Verfahren auf die mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur aufgebracht. Schließlich wird nach dem Strukturieren die Elastomerschicht auf dem mindestens einen Sensorfeld, insbesondere mittels Prägen und/oder Kompressionsmolden und/oder Spritzgießen und/oder Aufspritzen und/oder Spincoaten und/oder mittels einem Gießvorhangverfahren oder dergleichen, aufgebracht und nach dem Aufbringen, insbesondere mit einer Gegenform, strukturiert. Dies ermöglicht ebenfalls eine einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
In einer Ausführungsform weist das Herstellungsverfahren das Anordnen von mindestens zwei Sensorfeldanordnungen auf einer Form, welche einer Form einer Greifvorrichtung entspricht, auf welcher die mindestens eine Sensorfeldanordnung betrieben werden soll, und das Verbinden der mindestens zwei Sensorfeldanordnungen mit einem Elastomer, insbesondere durch ein Tauchverfahren, auf. Auf diese Art kann eine hautartige Sensorvorrichtung erzeugt werden, die ähnlich einem Handschuh auf die Greifvorrichtung aufgezogen werden kann und dadurch einfach ausgetauscht werden kann.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Greifvorrichtung;
3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; und
5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1.
Die Sensorvorrichtung 1 der 1 weist ein Sensorfeld 3 auf, welches zwei nebeneinander angeordnete Drucksensoren 4 aufweist. Über dem Sensorfeld 3 ist eine Elastomerschicht 5 angeordnet, welche eine wellenartige Struktur aufweist.
In einer weiteren Ausführung kann eine starre Kraftverteilungsstruktur in der Elastomerschicht 5 vorgesehen sein, welche in der Elastomerschicht 5 über den Drucksensoren 4 angeordnet ist. Diese starre Kraftverteilungsstruktur kann zusätzlich oder alternativ zu der wellenartigen Struktur vorgesehen werden.
Die wellenartige Struktur ist derart in der Elastomerschicht 5 angeordnet, dass bei einem senkrechten Druck auf die Elastomerschicht 5 die beiden Drucksensoren gleichmäßig belastet werden. Wird aber eine Kraft auf die Elastomerschicht 5 ausgeübt, die nicht senkrecht auf die Elastomerschicht 5 einwirkt, wird die wellenartige Struktur verkippt und es wirken unterschiedliche Kräfte auf die zwei Drucksensoren. Dies wird in Zusammenhang mit 4 näher erläutert.
Die Drucksensoren 4 sind als Polyvinylidenfluorid-basierte piezoelektrische Drucksensoren ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen können die Drucksensoren 4 aber z.B. auch als piezoresistive Drucksensoren 4, optische Drucksensoren 4, magnetische Drucksensoren 4, induktive Drucksensoren 4, kapazitive Drucksensoren 4, resistive Drucksensoren 4 oder dergleichen ausgebildet sein.
Die Elastomerschicht 5 ist aus einem flexiblen, elastischen Material aufgebaut. Beispielsweise kann die Elastomerschicht 5 aus Silikon, Latex, thermoplastischem Elastomer, auch TPE genannt, oder dergleichen aufgebaut sein.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Greifvorrichtung 2.
Die Greifvorrichtung 2 weist zwei fingerartige Greifelemente 16-1, 16-2 auf, die jeweils über zwei Gelenke 22-1, 22-3 und 22-2, 22-4 verfügen und mit einem Sockel 21 gekoppelt sind. An der Innenseite der oberen Enden der Greifelemente 16-1, 16-2 ist jeweils eine Sensorvorrichtung 1-1, 1-2 angeordnet.
In 2 weist die Greifvorrichtung 2 jeweils an der Spitze der Greifelemente 16-1, 16-2 eine Sensorvorrichtung 1 auf. Alternativ kann aber auch eine Sensorvorrichtung 1 vorgesehen werden, die die gesamte Greifvorrichtung 2 umschließt. Insbesondere bei Robotern, die als Haushaltshilfen eingesetzt werden sollen, ermöglicht dies, eine Greifvorrichtung 1 herzustellen, die einer menschlichen Hand ähnlich sieht. Dies unterstützt die Gewöhnung der Nutzer an die Roboter.
Die Greifvorrichtung 1 kann in weiteren Ausführungsformen einen Datenbus, z.B. einen seriellen CAN-Bus aufweisen. Über diesen Bus können die einzelnen Sensorvorrichtungen 1-1, 1-2 bzw. einzelne Signalverarbeitungseinrichtungen 7 der Sensorvorrichtungen 1-1, 1-2 mit einer zentralen Steuerung der Greifvorrichtung 2 oder eines Roboters, an welchem die Greifvorrichtung 2 eingesetzt wird, gekoppelt werden.
Zur Kopplung der Sensorvorrichtungen 1-1, 1-2 mit dem CAN-Bus können die Sensorvorrichtungen 1-1, 1-2 entweder mit einem Stecker versehen sein oder an vorgegebenen Stellen Kontaktflächen bzw. Kontaktpads aufweisen. Die Greifelemente 16-1, 16-2 bzw. die Greifvorrichtung 2 weist an den entsprechenden Stellen eine Buchse oder ebenfalls entsprechende Kontaktflächen bzw. Kontaktfedern auf.
Die Sensorvorrichtung 1 kann derart ausgebildet sein, dass sie auf der Oberfläche der Greifvorrichtung 2 haftet, also keine weitere Befestigung notwendig ist. Alternativ kann eine Haltevorrichtung vorgesehen sein, die die Sensorvorrichtung 1 auf der Greifvorrichtung 2 befestigt. Dazu können z.B. Druckknöpfe, Stecker und Buchsen, Klebepads, Klettverschlüsse oder dergleichen vorgesehen sein.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Verfahren sieht das Strukturieren S1 einer Elastomerschicht 5 und das Anordnen S2 der Elastomerschicht 5 derart vor, dass die strukturierten Bereiche der Elastomerschicht 5 über mindestens einem Sensorfeld 3, 3-1–3-4 einer Sensorfeldanordnung angeordnet sind.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann in der Elastomerschicht 5 ferner mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 strukturiert werden. Dies kann zusätzlich oder alternativ dem Strukturieren S1 der Elastomerschicht geschehen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird beim Strukturieren die mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 mittels eines Photoresists auf einem haftungsverminderten elektrischen Leiter aufgebracht oder dergleichen. Beispielsweise können daraufhin mittels Galvanisierens weitere Lagen auf der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 gebildet werden, um deren endgültige Form herzustellen.
Nach dem Erzeugen der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 – wenn diese vorgesehen wird – kann die Elastomerschicht 5 auf dem elektrischen Leiter aufgebracht werden. Dieses Aufbringen kann z.B. mittels Prägen und/oder Kompressionsmolden und/oder Spritzgießen und/oder Aufspritzen und/der Spincoaten durchgeführt werden. Nachfolgend oder gleichzeitig kann die Elastomerschicht 5 z.B. mit einer Gegenform strukturiert werden. Diese Gegenform kann z.B. aus Thermoplasten, wie PE, PVDF, oder Duroplaste, wie z.B. Silikon oder Latex, oder aus PTFE oder aus Metallformen, Keramikformen oder dergleichen, welche insbesondere eine haftvermindernde Beschichtung aufweisen, bestehen.
Nach diesen Schritten kann die starre Kraftverteilungsstruktur 6 in der Elastomerschicht 5 eingebettet bzw. von dieser umgeben sein, wenn diese vorgesehen wird. Nun kann die Elastomerschicht 5 mit der ggf. eingebetteten mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 von dem haftungsverminderten elektrischen Leiter gelöst werden und auf dem mindestens einen Sensorfeld 3, 3-1–3-4 z.B. verklebt werden. Der haftungsverminderte elektrische Leiter kann z.B. gebeiztes Edelstahlblech sein.
In einer alternativen Variante kann für die Herstellung der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 die Elastomerschicht 5 derart strukturiert werden, dass auf deren einer Seite mindestens eine Ausnehmung in Form der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 und auf deren anderen Seite eine vorgegebene Oberflächenstruktur entstehen. Das Strukturieren kann z.B. mittels Spritzguss, Kompressionsmolden, Prägen oder dergleichen geschehen. Anschließend können die Ausnehmungen mit einem Harz ausgegossen werden und das Harz ausgehärtet werden. Alternativ zu dem Harz kann auch ein Material mit einer geringeren Elastizität als die Elastizität der Elastomerschicht verwendet werden. Danach kann die Elastomerschicht 5 mit der Oberflächenstruktur von dem Sensorfeld 3, 3-1–3-4 wegzeigend auf dem mindestens einen Sensorfeld 3, 3-1–3-4 aufgeklebt werden.
Schließlich kann beim Strukturieren der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 auf das Sensorfeld 3, 3-1–3-4 eine starre Schicht z.B. aus Kupfer, Polymer oder dergleichen mit einem elastischen Kleber aufgeklebt werden. Um die Form der starren Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 in der starren Schicht herzustellen kann diese z.B. mittels photolitographischen oder laserbasierten Verfahren strukturiert werden. Ferner können weitere Schichten galvanotechnisch und/oder mittels photolithographischen Verfahren auf die mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 aufgebracht werden, wenn diese vorgesehen wird, um deren endgültige Form herzustellen. Anschließend kann die Elastomerschicht 5 auf dem mindestens einen Sensorfeld 3, 3-1–3-4 aufgebracht werden und nach dem Aufbringen mit einer Gegenform strukturiert werden. Dies kann auch ohne das vorherige Strukturieren der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur 6, 6-1–6-4 erfolgen. Um die Elastomerschicht 5 aufzubringen, kann z.B. Prägen, Kompressionsmolden, Spritzgießen, Aufspritzen, Spincoaten und/oder ein Gießvorhangverfahren oder dergleichen eingesetzt werden.
Um eine flächig ausgedehnte Sensorvorrichtung 1 herzustellen, werden mindestens zwei Sensorfeldanordnungen auf einer Form, welche einer Form einer Greifvorrichtung 2 ent- spricht, auf welcher die mindestens eine Sensorvorrichtung 1 betrieben werden soll, an den entsprechenden Stellen befestigt. Anschließend werden die mindestens zwei Sensorfeldanordnungen mit einem Elastomer z.B. durch ein Tauchverfahren verbunden. So kann z.B. eine handschuhförmige Sensorvorrichtung 1 hergestellt werden. Alternativ kann z.B. auch eine Art Fußsohle für ein Gehmaschine oder einen Laufroboter erzeugt werden.
4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1.
Die Sensorvorrichtung 1 der 4 weist zwei nebeneinander dargestellte Sensorfelder 3-1, 3-2 auf. Das linke Sensorfeld 3-1 wird von einem Objekt 20 senkrecht von oben belastet. Die Bewegung des Objekts 20 ist durch einen gepunkteten Pfeil dargestellt. Die resultierende senkrechte Kraft ist durch einen weißen Pfeil angedeutet.
Das rechte Sensorfeld 3-2 dagegen wird von dem Objekt 20 seitlich belastet, das Objekt 20 gleitet also mit einer vorgegeben Geschwindigkeit über das Sensorfeld 3-2. Die Bewegung des Objekts 20 ist durch einen gepunkteten Pfeil dargestellt. Die resultierende schräg auf das Sensorfeld 3-2 wirkende Kraft ist durch einen weißen Pfeil angedeutet.
Ferner weist das linke Sensorfeld 3-1 zwei Drucksensoren 4-1 und 4-2 auf, die nebeneinander angeordnet sind. Über den zwei Drucksensoren 4-1 und 4-2 liegt eine Elastomerschicht 5 in der eine starre Kraftverteilungsstruktur 6-1 eingebettet ist. Die starre Kraftverteilungsstruktur 6-1 weist zwei Beine 14-1 und 14-2 und eine Erhebung 15-1 auf. Ein Bein 14-1 erstreckt sich über den ersten Drucksensor 4-1 und das andere Bein erstreckt sich über den zweiten Drucksensor 4-2. Die Kraft, welche das Objekt 20 nach unten ausübt, wird über die Erhebung 15-1 auf die Beine 14-1, 14-2 übertragen, welche diese gleichmäßig auf die zwei Drucksensoren 4-1, 4-2 überträgt.
Das zweite Sensorfeld 3-2 ist analog zu dem ersten Sensorfeld 3-1 aufgebaut und weist zwei Drucksensoren 4-3, 4-4 auf, über welchen in der Elastomerschicht 5 eine weitere starre Kraftverteilungsstruktur 6-2 angeordnet ist. Es ist zu erkennen, dass die schräg bzw. lateral auf die starre Kraftverteilungsstruktur 6-2 wirkende Kraft dazu führt, dass diese verkippt wird. Daraus resultiert, dass das Bein 14-3 über dem linken der zwei Drucksensoren 4-3 nach oben gehoben wird und das Bein 14-4 über dem rechten der zwei Drucksensoren 4-4 nach unten gedrückt wird. Aus der Differenz der von den zwei Drucksensoren 4-3, 4-3 erfassten Druckwerte können die Richtung und der Betrag der durch das Objekt 20 ausgeübten Kraft berechnet werden. Dies kann z.B. mit Hilfe von Vektorrechnungen erfolgen.
Die zwei Sensorfelder 3-1–3-2 der 4 sind auf einer flexiblen Leiterplatte 12 angeordnet.
In 4 weist die Elastomerschicht 5 einen wellenförmigen Querschnitt auf. Der Querschnitt der Elastomerschicht 5 kann aber z.B. auch trapezoid, glockenförmig, sinusartig, halbkreisartig, polygonal oder dergleichen ausgebildet sein. Dabei kann in einer Aufsicht die Elastomerschicht 5 z.B. konzentrische Ringe aufweisen. Alternativ kann die Elastomerschicht 5 in einer Aufsicht z.B. zylindrische oder polygonale Noppen, Ellipsoide, geschlossene oder offene Freiformen, Polygone, U-förmige Strukturen oder dergleichen aufweisen.
In einer Ausführungsform, in welcher die starren Kraftverteilungsstrukturen 6-1, 6-2 in der Elastomerschicht 5 angeordnet sind, kann die Elastomerschicht auch unstrukturiert, also z.B. glatt, ausgebildet sein.
Die starren Kraftverteilungsstrukturen 6-1, 6-2 können beispielsweise aus Harz, Kupfer, Nickel oder dergleichen aufgebaut sein. Relevant ist, dass die starren Kraftverteilungsstrukturen 6-1, 6-2 gegenüber der Elastomerschicht 5 eine hohe Festigkeit aufweist.
Die Kraftverteilungsstrukturen 6-1, 6-2 können auch von den hier gezeigten Formen abweichende Formen aufweisen. Beispielsweise können die Kraftverteilungsstrukturen 6-1, 6-2 in der Schnittansicht eine dreieckige Form aufweisen. Weitere Formen sind ebenfalls möglich.
In 4 weisen die zwei Sensorfelder 3-1, 3-2 jeweils zwei Drucksensoren 4-1–4-4 auf. In solch einer Ausführungsform können die einzelnen Sensorfelder 3-1, 3-2 z.B. mit einem Winkelversatz von 90° angeordnet werden, um die Richtung der einwirkenden Kraft bestimmen zu können. Alternativ können auch drei Drucksensoren in jedem der Sensorfelder 3-1, 3-2 angeordnet werden. Dies wird in 5 näher erläutert.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1 mit zwei Sensorfeldern (nicht separat eingezeichnet) in einer Aufsicht.
Das erste der Sensorfelder besteht aus drei runden Drucksensoren 4-5–4-7. Über den Drucksensoren 4-5–4-7 ist eine Kraftverteilungsstruktur (nicht separat bezeichnet) bestehend aus drei Beinen 14-5–14-7 und einer Erhebung 15-3 angeordnet. Das zweite Sensorfeld ist analog aus drei Drucksensoren 4-8–4-10 aufgebaut und weist eine Kraftverteilungsstruktur (nicht separat bezeichnet) bestehend aus drei Beinen 14-8–14-10 und einer Erhebung 15-4 auf.
Die Drucksensoren 4-5–4-10 weisen in der Aufsicht einen Durchmesser von 0,2mm auf. Andere Durchmesser oder – bei nicht runden Drucksensoren - eine Kantenlänge von 0,1mm bis 5mm ist ebenfalls möglich.
Die einzelnen Drucksensoren 4-5–4-10 sind jeweils über eine Signalleitung 24-1–24-6 mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 7 gekoppelt. Die Signalverarbeitungseinrichtung 7 liest über einen A/D-Wandler 8 die Signale der Drucksensoren 14-5–14-10 ein und gibt diese an eine Datenverarbeitungsfunktion 9 weiter. Die Datenverarbeitungsfunktion 9 kann über einen Datenbus 17, welcher mittels eines Steckers 11 z.B. mit einem zentralen Steuerrechner eines Roboters gekoppelt werden kann, die Sensordaten 18 ausgeben. Ferner ist die Signalverarbeitungseinrichtung 7 über die Masseleitung 23 mit den einzelnen Drucksensoren 4-5–4-10 gekoppelt. Die Signalverarbeitungseinrichtung 7 weist ferner einen Temperatursensor 10 auf.
Bei einer Sensorvorrichtung 1, wie sie z.B. in einer Ausführungsform in 5 dargestellt ist, ergibt die Summe der gemessenen Kräfte der an einem Sensorfeld beteiligten Drucksensoren 4-5–4-7, 4-8–4-10 die orthogonale Kraft, die auf die beteiligten Drucksensoren 4-5–4-7, 4-8–4-10 wirkt. Aus der Differenz der einzelnen von den beteiligten Drucksensoren 4-5–4-7, 4-8–4-10 erfassten Kräften kann die Signalverarbeitungseinrichtung 7 den lateral wirkenden Kraftvektor sowie die Richtung der Lateralkraft berechnen. Aus Orthogonal- und Lateralkraft wiederum kann Betrag und Richtung der wirkenden Kraft ermittelt werden.
Wird mit einem solchen Sensorfeld eine Oberfläche planparallel überstrichen kann aus den Signalen der beteiligten Drucksensoren 4-5–4-7, 4-8–4-10 auf Texturen von Oberflächen sowie Gleitreibungskoeffizienten rückgeschlossen werden. Beim Anfahren auch auf Haftreibungskoeffizienten. Bei Ermittlung der letzteren werden sich beim Überschreiten der Haftgrenze plötzlich die Messwerte der an den beteiligten Drucksensoren 4-5–4-7, 4-8–4-10 eines Sensorfeldes annähern, wobei die Summe der gemessenen Kräfte gleich bleiben wird. Eine Schubkraft kann z.B. aus den Steuer- oder Messgrößen der jeweiligen Robotik-Aktoren ermittelt oder abgeschätzt werden.
Ferner kann die Signalverarbeitungseinrichtung 7 einen Nullabgleich oder eine Justage der beteiligten Drucksensoren 4-5–4-7, 4-8–4-10 immer dann durchführen, wenn gerade keine Berührung erfolgt oder eine Berührung mit bekannter Kraft vorliegt. Alternativ kann auch eine Messung mit differentieller Auswertung bzw. eine .Fuzzy" Auswertung der von den Drucksensoren 4-5–4-7, 4-8–4-10 erfassten Signale erfolgen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010018966 A1 [0004]

Claims

Sensorvorrichtung (1, 1-1, 1-2), insbesondere für eine Greifvorrichtung (2), mit mindestens einem Sensorfeld (3, 3-1–3-4), welches mindestens zwei Drucksensoren (4, 4-1–4-10) aufweist; und mit einer über dem mindestens einen Sensorfeld (3, 3-1–3-4) angeordneten Elastomerschicht (5), welche strukturiert ist und/oder mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) aufweist, welche in der Elastomerschicht (5) über mindestens zwei der Drucksensoren (4, 4-1–4-10) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mindestens eine Sensorfeld (3, 3-1–3-4) eine Signalverarbeitungseinrichtung (7), insbesondere einen A/D-Wandler (8) oder eine Recheneinrichtung mit einem integrierten A/D-Wandler (8) und/oder mit Datenverarbeitungsfunktionen (9) und/oder mit Datenreduktionsfunktionen und/oder mit einem Sensor (10), welcher ausgebildet ist eine andere physikalische Größe als Druck, insbesondere eine Temperatur, zu erfassen, aufweist, wobei die Drucksensoren (4, 4-1–4-10) mit der Signalverarbeitungseinrichtung (7) gekoppelt sind; und/oder wobei für das mindestens eine Sensorfeld (3, 3-1–3-4) mindestens eine Kontakteinrichtung (11) vorgesehen ist, welche ausgebildet ist, eine externe Kontaktierung der Komponenten des Sensorfelds (3, 3-1–3-4) herzustellen.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Drucksensoren (4, 4-1–4-10) als piezoelektrische, insbesondere Polyvinylidenfluorid-basierte, Drucksensoren (4, 4-1–4-10) und/oder piezoresistive Drucksensoren (4, 4-1–4-10) und/oder optische Drucksensoren (4, 4-1–4-10) und/oder magnetische Drucksensoren (4, 4-1–4-10) und/oder induktive Drucksensoren (4, 4-1–4-10) und/oder kapazitive Drucksensoren (4, 4-1–4-10) und/oder resistive Drucksensoren (4, 4-1–4-10) ausgebildet sind; und/oder wobei die Drucksensoren (4, 4-1–4-10) in einer Aufsicht einen Durchmesser oder eine Kantenlänge von 0,1mm bis 5mm, insbesondere von 0,2mm, aufweisen; und/oder wobei die Drucksensoren (4, 4-1–4-10) mindestens eines der Sensorfelder (3, 3-1–3-4) auf einer flexiblen Leitereinrichtung (12), insbesondere einer flexiblen Leiterplatte (12), angeordnet sind oder frei verkabelt sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elastomerschicht (5) ein flexibles und/oder elastisches Material, insbesondere Silikon und/oder Latex und/oder thermoplastisches Elastomer und/oder Gummi, aufweist; und/oder wobei die Elastomerschicht (5) auf der von den dem mindestens einen Sensorfeld (3, 3-1–3-4) wegzeigenden Seite mindestens eine Struktur (13), insbesondere eine dreidimensionale Feinstruktur (13) aufweist, welche zylindrische oder polygonale Noppen und/oder Ringe, insbesondere konzentrische Ringe, und/oder Ellipsoide, insbesondere konzentrische Ellipsoide, und/oder geschlossene Freiformen und/oder Polygone und/oder U-förmige Strukturen aufweist, wobei der Querschnitt der Struktur trapezoid und/oder glockenförmig und/oder sinusartig und/oder halbkreisartig und/oder polygonal ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die starren Kraftverteilungsstrukturen (6, 6-1–6-4) derart ausgebildet sind, dass diese insbesondere in Erhöhungen der mindestens einen Struktur (13) hineinragen; und/oder wobei die starren Kraftverteilungsstrukturen (6, 6-1–6-4) in der Elastomerschicht (5) insbesondere über drei der Drucksensoren (4, 4-1–4-10) angeordnet sind und ein Bein (14-1–14-10) für jeden der Drucksensoren (4, 4-1–4-10) aufweisen oder eine Fläche aufweisen, welche die Drucksensoren (4, 4-1–4-10) überspannt; und/oder wobei die starren Kraftverteilungsstrukturen (6, 6-1–6-4) eine Erhebung (15-1–15-4) aufweisen, welche aus der Ebene der Drucksensoren (4, 4-1–4-10) von den Drucksensoren (4, 4-1–4-10) weg orientiert ist.
Greifvorrichtung (2), insbesondere für einen Roboter, mit mindestens zwei zueinander beweglich angeordneten Greifelementen (16-1–16-2); und mit einer Sensorvorrichtung (1, 1-1, 1-2) nach einem der vorherigen Ansprüche für mindestens eines der Greifelemente (16-1–16-2); wobei die Sensorvorrichtung (1, 1-1, 1-2) der Oberfläche des entsprechenden Greifelements (16-1–16-2) derart angepasst ausgebildet ist, dass diese in einer installierten Position formschlüssig auf der Oberfläche des entsprechenden Greifelements (16-1–16-2) angeordnet ist.
Greifvorrichtung nach Anspruch 6, mit mindestens einem Datenbus (17); wobei der Datenbus (17) mit der Sensorvorrichtung (1, 1-1, 1-2) elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, Sensordaten der Sensorvorrichtung (1, 1-1, 1-2) zu übertragen.
Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung (1, 1-1, 1-2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend: Strukturieren (S1) einer Elastomerschicht (5) und/oder Strukturieren mindestens einer starren Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) in der Elastomerschicht (5); und Anordnen (S2) der Elastomerschicht (5) derart, dass die strukturierten Bereiche der Elastomerschicht (5) über mindestens einem Sensorfeld (3, 3-1–3-4) einer Sensorfeldanordnung angeordnet sind.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei beim Strukturieren die mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) mittels eines Photoresists auf einem haftungsverminderten elektrischen Leiter strukturiert wird und mittels Galvanisierens, insbesondere mehrlagig, erzeugt wird; und wobei nach dem Erzeugen der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) die Elastomerschicht (5) auf dem elektrischen Leiter, insbesondere mittels Prägen und/oder Kompressionsmolden und/oder Spritzgießen und/oder Aufspritzen und/der Spincoaten und/oder mittels einem Gießvorhangverfahren, aufgebracht wird und insbesondere nach dem Aufbringen, insbesondere mit einer Gegenform, strukturiert wird; und wobei nach dem Strukturieren der Elastomerschicht (5) die Elastomerschicht (5) mit der eingebetteten mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) von dem haftungsverminderten elektrischen Leiter gelöst wird und auf dem mindestens einen Sensorfeld (3, 3-1–3-4) angeordnet, insbesondere verklebt, wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei beim Strukturieren der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) die Elastomerschicht (5) derart, insbesondere mittels Spritzguss und/oder Kompressionsmolden und/oder Prägen und/oder 3D-Drucken, strukturiert wird, dass auf deren einer Seite mindestens eine Ausnehmung in Form der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) und auf deren anderen Seite eine vorgegebene Oberflächenstruktur entstehen; wobei die Ausnehmungen mit einem Harz ausgegossen werden; und wobei die Elastomerschicht (5) mit der Oberflächenstruktur von dem Sensorfeld (3, 3-1–3-4) wegzeigend auf dem mindestens einem Sensorfeld (3, 3-1–3-4) aufgeklebt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei beim Strukturieren der mindestens einen starren Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) auf das Sensorfeld (3, 3-1–3-4) eine starre Schicht, insbesondere aus einem metallischen Material oder Polymer, insbesondere mit einem elastischen Kleber, aufgeklebt wird; wobei die mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) in der starren Schicht, insbesondere mittels photolitographischen oder laserbasierten Verfahren, strukturiert wird; wobei insbesondere weitere Schichten galvanotechnisch und/oder mittels photolithographischen Verfahren auf die mindestens eine starre Kraftverteilungsstruktur (6, 6-1–6-4) aufgebracht werden; und wobei nach dem Strukturieren die Elastomerschicht (5) auf dem mindestens einen Sensorfeld (3, 3-1–3-4), insbesondere mittels Prägen und/oder Kompressionsmolden und/oder Spritzgießen und/oder Aufspritzen und/der Spincoaten und/oder mittels einem Gießvorhangverfahren, aufgebracht wird und insbesondere nach dem Aufbringen, insbesondere mit einer Gegenform, strukturiert wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner aufweisend: Anordnen von mindestens zwei Sensorfeldanordnungen auf einer Form, welche einer Form einer Greifvorrichtung (2) entspricht, auf welcher die mindestens eine Sensorvorrichtung (1, 1-1, 1-2) betrieben werden soll; und Verbinden der mindestens zwei Sensorfeldanordnungen mit einem Elastomer, insbesondere durch ein Tauchverfahren und/oder ein Gießverfahren und/oder ein Spritzverfahren und/oder ein Mold-Verfahren.