DE10252862B3 - Force measuring device using multi-layer sensor elements, e.g. for tactile skin for robot gripper, direct pressure measurement or orthopaedic diagnosis system - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen einer Kraft mittels eines mehrlagigen taktilen Aufbaus.The invention relates to a device for measuring a force using a multi-layer tactile structure.
Ein Prototyp eines mehrlagigen taktilen Sensors weist eine dünne PVDF(Polyvinyliden-Fluorid)-Folie auf, auf der eine dünne Gummischicht mit einer Noppenstruktur vorgesehen ist. Die beiden sensitiven Schichten sind durch eine weiche Schaumschicht voneinander getrennt, die ein Verbiegen der Noppen in eine lokale Dehnung der PVDF-Folie transformiert. Bei diesem Prototyp handelt es sich um einen kapazitiven Multikontaktsensor mit einem Freiheitsgrad (DOF) (Siehe J.Walter und H.Ritter, The Neuroinformatics Robot Laboratory, Technical Report SFB 360-TR-96-4, 5.25 bis 31, 26. September 1996).A prototype of a multi-layer tactile Sensor has a thin PVDF (polyvinylidene fluoride) film on which a thin rubber layer is provided with a knob structure. The two sensitive layers are separated from each other by a soft foam layer, the one Bending the nubs transformed into a local stretch of the PVDF film. This prototype is a capacitive multi-contact sensor with a degree of freedom (DOF) (See J.Walter and H.Ritter, The Neuroinformatics Robot Laboratory, Technical Report SFB 360-TR-96-4, 5.25 to 31, September 26, 1996).
In
In
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kaskadierbare Messeinrichtung zum Messen von Kräften mit bis zu drei Freiheitsgraden (DOF) anzugeben. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einer Einrichtung zum Messen einer Kraft mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.The object of the invention is a Cascadable measuring device for measuring forces with up to three degrees of freedom (DOF). According to the invention is this task with a device for measuring a force with solved the features of claim 1. Advantageous further developments are Subject of the claims 2 to 7.
Gemäß der Erfindung weist zum Messen mindestens
eines Freiheitsgrades einer Kraft mindestens ein Sensorelement oder
jedes Sensorelement einer Anordnung von Sensorelementen eine aus
drei dünnen
Materiallagen (
Hierbei hat die dreilagige Sensorfolie
als unterste Materiallage eine dünne,
biegsame und nicht elastische Folie (
In Weiterentwicklung der Erfindung ist zum Messen von zwei Freiheitsgraden einer Kraft eine der auf der Unter- oder Oberseite der dünnen biegsamen Folie aufgebrachten Spulen eines Sensorelements oder jedes Sensorelements der Anordnung von Sensorelementen elektrisch in zwei Spulenhälften aufgeteilt. Zum Messen von drei Freiheitsgraden einer Kraft ist sowohl die auf der Unterseite als auch die auf der Oberseite der dünnen biegsamen Folie aufgebrachte Spule eines Sensorelements oder jedes Sensorelements einer Anordnung von Sensorelementen elektrisch in zwei Spulenhälften aufgeteilt, wobei die Spulenhälften der einen Spule gegenüber denjenigen der anderen Spule um 90° gedreht sind.In further development of the invention is one of the measuring of two degrees of freedom of a force the bottom or top of the thin flexible film applied coils of a sensor element or each Sensor element of the arrangement of sensor elements electrically in two coil halves divided up. For measuring three degrees of freedom of a force both on the bottom and on the top of the thin flexible film applied coil of a sensor element or each sensor element an arrangement of sensor elements electrically divided into two coil halves, wherein the coil halves one coil versus those the other coil rotated 90 ° are.
Gegebenenfalls kann optional als oberste vierte Materiallage wiederum eine elastische Schicht mit ebener Oberfläche vorgesehen werden.If necessary, can optionally be used as top fourth layer of material with an elastic layer flat surface be provided.
Mittels einer auf die vorstehend beschriebene Weise aufgebauten Einrichtung kann zumindest ein Freiheitsgrad einer Kraft gemessen werden. Zum Messen von zwei bzw. drei Freiheitsgraden einer Kraft sind der Abmessung der dritten Schicht, d.h. etwa der Größe der auf der Unter- und/oder Oberseite der biegsamen Folie aufgebrachten Spulen entsprechend angepasste Noppen vorgesehen.By means of the above The device constructed in the manner described can have at least one degree of freedom a force can be measured. For measuring two or three degrees of freedom a force are the dimension of the third layer, i.e. about the Size of the on the bottom and / or top of the flexible film Coils provided with appropriately adapted knobs.
Aufgrund dieses Aufbaus kann eine erfindungsgemäß ausgeführte Sensorfolie auf ebenen Flächen, insbesondere jedoch auch auf zylindrisch gewölbten Flächen aufgebracht werden, da die Sensorfolie in relativ kleinen Biegeradien aufgebracht werden kann, ohne dass hierbei große Spannungen in dem Material auftreten, was sich negativ auf die jeweilige Messung auswirken würde. Darüber hinaus können mit einer Sensorfolie mit einer Vielzahl von einzelnen Sensorelementen sowohl die Normalkomponenten als auch die Tangentialkomponenten von Kräften gemessen werden, welche auf eine Ebene oder auch auf eine mehr oder weniger stark gewölbte Fläche einwirken.Due to this structure, a sensor film designed according to the invention can be on planar Surfaces, in particular, however, are also applied to cylindrically curved surfaces, since the sensor film can be applied in relatively small bending radii without large stresses occurring in the material, which would have a negative effect on the respective measurement. In addition, both the normal components and the tangential components of forces which act on a plane or on a more or less strongly curved surface can be measured with a sensor film with a large number of individual sensor elements.
Zum Messen einer relativen Kraftverteilung besteht gemäß der Erfindung die biegsame und elastische Schicht aus inkompressiblem Material, während diese Schicht zum Messen einer absoluten Kraft aus kompressiblem Material besteht.To measure a relative force distribution according to the invention the flexible and elastic layer of incompressible material, while this layer for measuring an absolute compressible force Material exists.
Ferner können gemäß der Erfindung eine Anzahl Sensorelemente wie Elemente einer Matrix in Zeilen nebeneinander und in Spalten untereinander angeordnet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Sensorelemente beispielsweise in den ungeradzahligen Zeilen gegenüber Sensorelementen in geradzahligen Zeilen etwa um die Breite einer Spulenhälfte gegeneinander versetzt und auf diese Weise ineinander verschachtelt angeordnet sein.Furthermore, according to the invention, a number Sensor elements like elements of a matrix in rows next to each other and arranged in columns one below the other. According to one preferred embodiment of the invention the sensor elements, for example, in the odd-numbered lines opposite sensor elements offset in even lines by approximately the width of one coil half and be nested in this way.
Aufgrund dieser verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten sind zahlreiche Variationen hinsichtlich der Anzahl an Sensorelementen gegeben, da grundsätzlich beliebig viele Sensorelemente in unterschiedlichen Anordnungen vorgesehen werden können, solange parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten nicht stören. Darüber hinaus besteht sowohl in der Art der Anordnung als auch in der Größe der Anordnung ein großer Spielraum, der von wenigen Millimetern bis einigen Metern reicht. Ferner steht durch die unterschiedliche Auslegung der Gesamtdicke der Sensorfolie und der Steifigkeit der elastischen Schicht auch ein großer Messbereich zur Verfügung.Because of these different arrangement options are numerous variations in the number of sensor elements given because basically any number of sensor elements provided in different arrangements can be as long as parasitic capacities and inductors do not bother. About that there is also both the type of arrangement and the size of the arrangement a large margin, which ranges from a few millimeters to a few meters. It also says due to the different design of the total thickness of the sensor film and the stiffness of the elastic layer also a large measuring range to disposal.
Die zahlreichen Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten reichen von einer taktilen "Haut" für einen Robotergreifer über direkte Druckmessungen bei Strömungselementen bis zu einem Einsatz in orthopädischen Diagnosesystemen.The numerous applications and uses range from a tactile "skin" to one Robot gripper over direct pressure measurements on flow elements up to use in orthopedic Diagnostic systems.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:The invention is explained below of the drawings explained in detail. Show it:
In
Über
der dünnen
biegsamen Folie
Als vierte Lage ist in
Über
die Steifigkeit oder über
die elektrischen Eigenschaften der dritten, dünnen elastischen, leitenden
oder ferromagnetischen Schicht kann die Empfindlichkeit des oder
der Sensorelemente eingestellt werden. Soll die relative Kraft gemessen
und anschließend
bestimmt werden, wird für
die dritte dünne
elastische Lage
In
In
In
Mit dem Spulenaufbau gemäß
Entsprechend der/n Anregung/en der
Sendespule
In
Die Betriebsfrequenz liegt so niedrig,
maximal bei einigen MHz, dass beispielsweise das Sensorarray in
Ferner zeichnet sich die in
Anhand von
Es soll wiederum, wie in Verbindung
mit
Die Betriebsfrequenz liegt so niedrig,
maximal bei einigen MHz, dass beispielsweise das Sensorarray in
Während
eines Messzyklus wird abwechselnd die in
Wie in dem Blockschaltbild von
Die so generierten vier Signale werden
Analogschaltern zugeführt,
welche so, wie in
Wird nun Druck in Normalrichtung
auf die Noppe
Ein tangentiales Aufbringen einer
Kraft führt dazu,
dass die Noppe
In
Bei einer Anordnung der Sensorelemente
in Form eines Arrays wie in
Statt eines gleichzeitigen Auslesens der Empfangsspulenspalten können diese natürlich auch durch Analogschalter gemultiplext werden, wodurch der elektronische Aufwand klein gehalten ist. Bei der Anregungsfrequenz von 2MHz ist ein Auslesetakt von 20kHz möglich. Dies stellt eine ausreichende Bandbreite dar, um auch die durch Rutschen eines Objekts auf einer Sensorfolie entstehenden Vibrationen messen zu können.Instead of reading out at the same time the receiving coil columns can this of course can also be multiplexed by analog switches, making the electronic Effort is kept small. At the excitation frequency of 2MHz a reading clock of 20kHz possible. This represents a sufficient bandwidth to cover the through Slipping of an object on a sensor film vibrations to be able to measure.
Bei einem Aufbau in Form beispielsweise des
Arrays in
Claims (7)
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|
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Effective date: 20140603 |