DE19750671A1 - Sensor zur Messung von mechanischen Kräften - Google Patents
Sensor zur Messung von mechanischen KräftenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Meßwertaufnehmer auf Basis antistatischer Schaumstoffe
zur Messung von mechanischen Kräften.
Zur Messung von Druckkräften sind Meßwertaufnehmer bekannt, die aus einer
piezoelektrischen Keramik bestehen, in der sich unter Krafteinwirkung Ladungen
verschieben. Diese Ladungsverschiebung stellt ein Maß für die ausgeübte Kraft auf den
Aufnehmer dar. Ebenfalls sind Sensoren aus Elastomeren bekannt, die mit Carbonfasern
angereichert sind und eine elektrische Widerstandsänderung infolge einer Kraftausübung
zeigen. Diese wird mit Elektroden von zwei Seiten des Sensormaterials gemessen.
Zur Messung von Dehnungen als Folge von Krafteinwirkungen werden sogenannte
Dehnungsmeßstreifen verwendet. Hierbei handelt es sich um Kunststoff-Folien, auf die
sehr dünne Leiterbahnen aufgebracht sind, welche unter Dehnung ihren Widerstand
ändern. Ähnlich diesen Dehnungsmeßstreifen sind auch Foliensensoren auf dem Markt,
die senkrecht auf ihre mäanderförmigen Metallbahnen ausgeübte Drücke messen
können.
Zur Messung von Gas- und Flüssigkeitsdrücken werden vorwiegend Sensoren auf
Silizium-Basis verwendet. Hierbei wird eine Silizium-Membran verformt, welche
dadurch ihren Widerstand ändert.
Zur ortsauflösenden Messung von Kräften werden üblicherweise obengenannte Sensoren
in einer ein- oder zweidimensionalen Matrix angeordnet.
Sensoren auf Siliziumbasis wie auch keramische Drucksensoren haben den Nachteil, daß
die verwendeten Sensormaterialien sehr spröde sind, was komplizierte
Schutzmechanismen für das Sensormaterial nötig macht.
Vor allem ist die Herstellung von Drucksensoren auf Silizium-Basis, welche in
Reinräumen hoher Güteklasse erfolgen muß, sehr aufwendig. Dies macht die Sensoren
relativ teuer.
Meist benötigen die obengenannten Aufnehmer eine komplizierte und teure
Auswertungs-Elektronik, was die Sensoren für Lowcost-Anwendungen uninteressant
macht. Zum Beispiel werden für Dehnungsmeßstreifen hochempfindliche Verstärker
benötigt, um diese sehr niederohmigen Sensoren auszuwerten.
Auch können mit den obengenannten Sensoren Konturen bzw. Objektoberflächen nicht
direkt gemessen werden, da ihr Sensormaterial praktisch nicht stauchbar ist.
Die obengenannten Sensoren lassen sich zudem nur schlecht zu Sensorarrays
zusammenfassen, da sie eine Kontaktierung von mindestens zwei Seiten des
Sensormaterials, meistens den beiden gegenüberliegenden, benötigen, um die Änderung
ihrer elektrischen Eigenschaften messen zu können. Da eine Anordnung mit einer
adaptierten Seite als aktive Meßfläche wegen der dadurch auftretenden
Elektrodenbelastung nur bedingt möglich ist und die meisten Sensormaterialien bei einer
punktuellen Belastung nicht nur lokal ihre elektrischen Eigenschaften ändern, muß ein
entsprechendes Sensorarray aus in sich abgeschlossenen Sensorzellen aufgebaut werden,
was den Aufbau solcher Sensorarrays sehr kompliziert und die Systemkosten in die
Höhe treibt. Zudem entsteht durch eine solche Anordnung eine inhomogene
Sensoroberfläche. Somit existieren immer "tote" Bereiche an den Nahtstellen der
einzelnen Zellenoberflächen, in denen der Sensor eine verminderte Empfindlichkeit
besitzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten, robusten Meßwert-Aufnehmer
vorzuschlagen, welcher eine kostengünstige Messung von Kräften und der damit
verbundenen Stauchung des Sensormaterials für eine Vielzahl von Anwendungen, sowie
einen einfachen und effizienten Aufbau von Sensorarrays ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Meßwertaufnehmer mit den
Merkmalen der Ansprüche 1 bis 11 gelöst.
Die Erfindung ermöglicht es, Kräfte ohne aufwendige Schutzmechanismen zu messen,
da das Sensormaterial durch Meßbereichsüberschreitungen nicht zerstört werden kann.
Die Erfindung ermöglicht weiterhin, als Sensorarray ausgeführt, die Erfassung von
Kraftprofilen sowie über die Stauchung des Sensormaterials die Erfassung der
Oberflächen und Konturen von Objekten.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoren ist sehr einfach und kostengünstig.
Als Ausgangsmaterial wurden handelsübliche antistatische Schaumstoffe verwendet, wie
sie beispielsweise bei der Verpackung von elektronischen Bauteilen Anwendung finden.
Die Verwendung von Schaumstoffen hat den Vorteil gegenüber Vollmaterialien, daß das
Ausgangssignal des Sensors, bedingt durch die größere Volumenänderung, einen
größeren Wertebereich überstreicht, womit auch empfindliche Messungen möglich sind,
ohne daß wie bei der sonst nötigen hohen Meßsignalverstarkung ein übermäßiges
Rauschen auftritt.
Dank des hochgradig stauchbaren Ausgangsmaterials der erfindungsgemäßen Sensoren
sind mit ihnen nicht nur Kräfte sondern auch Stauchungen je nach Ausführung bis in den
cm-Bereich meßbar, welche z. B. durch unebene Oberflächen verursacht werden.
Die Kraftsensoren können als ein- sowie als zweidimensionale Sensorarrays angeordnet
werden, wobei die Bauart der Sensoren für alle Sensorzellen des Arrays ein
durchgängiges Sensormaterial erlaubt und somit eine homogene Sensoroberfläche
ermöglicht. Dadurch ist es unter anderem möglich, Position, Größe, Form und Lage von
Körpern zu erfassen. Mit einem solchen Sensorarray kann eine flächenbezogene Kraft
auf einen Körper gemessen werden, was vor allem für Fühler in Robotergreifern, welche
die wirkende Kraft auf das zu greifende Objekt messen, von Bedeutung ist.
Mit diesen Sensorarrays ist es auch möglich, Oberflächenstrukturen und Konturen von
Objekten zu erfassen. Außerdem lassen sich die erfindungsgemäßen Sensoren auch voll
flexibel ausführen, so daß sie auf unebenen Flächen befestigt werden können.
Dank ihrer Robustheit können die Kraftsensoren auch als Endschalter in Maschinen
eingesetzt werden, da sie wesentlich stabiler als normale Mikroschalter sind und
zusätzlich aufgrund ihres analogen Ausgangssignals eine variable Schaltschwelle
ermöglichen.
Auch als Stoßstangen für mobile Servicefahrzeuge wie z. B. Reinigungsroboter sind
diese Sensorarrays geeignet. Sie bieten gegenüber gewöhnlichen Bumpern große
Robustheit, einen einfacheren Aufbau, sowie ein ortsauflösendes, analoges
Ausgangssignal, welches bei schwierigen Manövern zusätzliche Informationen über
eventuelle Hindernisse gibt. Außerdem lassen sich mit diesen Sensorarrays auch schwer
zu schützende Stellen an Maschinen, wie z. B. Roboterarme, überwachen. Zusätzlich
wirkt das Sensormaterial bei einer entsprechenden Schichtdicke als Knautschzone.
Ein weiteres Einsatzgebiet für eindimensionale Sensorarrays stellt die Sollwert-Eingabe
an Maschinen dar. Hierbei sind Eingaben mit variablen Eingabefeldern realisierbar, mit
denen verschiedene Sollgrößen an Maschinen einfach über größer/kleiner-Felder
eingestellt werden können. Die wirkende Kraft am Eingabefeld kann hierbei als
Änderungsfaktor genutzt werden, so daß bei starkem Druck auf das Eingabefeld die
Sollgröße schnell geändert, bei schwachem Druck hingegen nur langsam geändert wird.
Die beschriebenen Sensorarrays eignen sich auch zur Konturenerfassung von
Werkstücken in der Fertigung und bei der Qualitätskontrolle. Durch sie ist es teilweise
einfacher und billiger als mit Kameras möglich, Oberflächenbeschafferheit und
Konturen von Objekten zu erfassen, und das mit einem sehr geringen finanziellen
Aufwand.
Auch bei der Positionierung von Werkstücken können diese Sensorarrays hilfreich sein,
je nach Auflösung können mit ihnen auch noch geringste Positionsabweichungen
gemessen werden.
Auch sind Anwendungen in chirurgischen Instrumenten denkbar, wie sie z. B. in der
Endoskopie benutzt werden. Hier vermitteln sie dem operierenden Arzt Informationen
über die Festigkeit des Gewebes bei endoskopischen Eingriffen.
In der Reha-Technik finden diese Sensorarrays ebenfalls Verwendung. Eine Anwendung
als drucksensitive Schuhsohle ermöglicht es den Ärzten, die Belastung des Gehapparats
nach Knochenbrüchen und neu implantierten Hüftgelenken zu kontrollieren.
Eine weitere Anwendung aus der Reha-Technik stellt die Herstellung angepaßter
orthopädischer Schuhe dar. So kann der Fußabdruck eines Patienten mit einem
zweidimensionalen Drucksensor-Array erfaßt werden, wodurch eine voll
computergestützte Fertigung ermöglicht wird, was eine große Zeit- und Geldersparnis
bei der Herstellung dieser Hilfsmittel bedeutet.
Auch können mit diesen Sensorarrays taktile Prothesen und Implantate hergestellt
werden, welche ihren Trägern wieder zu einem Tastgefühl verhelfen würden.
Nachfolgend werden einige mögliche Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Sensoren
näher beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein analoges Eingabegerät für Sollgrößen. Es besteht erfindungsgemäß aus
zwei oder mehreren Kraftsensoren nach Anspruch 6. Diese Kraftsensoren, im folgenden
"Taste" genannt, sind mit einer Gummiabdeckung 4 geschützt und unter einem
LC-Display 5 angeordnet. Dieses LC-Display zeigt die momentane Funktion 6 der Taste
an (Softkey-Prinzip), sowie den momentanen Wert der Sollgröße 7, welcher mittels
eines Balkens dargestellt wird. Drückt der Benutzer nun die Taste, so wird die Sollgröße
je nach gemessener Kraft schneller oder langsamer vergrößert bzw. verkleinert. Anstatt
einzelner Kraftsensoren kann auch ein eindimensionales Sensorarray nach Anspruch 4
eingesetzt werden.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung als ortsauflösender Stoßstangen-Sensor für mobile
Serviceroboter. Er besteht erfindungsgemäß aus einem eindimensionalen Sensorarray
nach Anspruch 4. Dieses Sensorarray 8 wird rings um das Fahrzeug 9 herum
angebracht. Stößt nun der Roboter an ein Hindernis 10, so kann vom angeschlossenen
Computer 11 die Position des Hindernisses berechnet werden. Je nach Schubkraft des
Roboters sollte die Dicke des Sensormaterials so gewählt werden, daß es eine
ausreichende Knautschzone darstellt.
Die Elektroden, welche auf den Kunststoff aufgebracht werden, können auch aus
leitfähigen Elastomeren oder aus einer metallisierten Folie bestehen, wodurch eine
elastische sowie drucksensitive "Haut" entsteht, mit der auch unebene Flächen an
Fahrzeugen geschützt werden können (vgl. Anspruch 8ff).
Fig. 4 zeigt einen Kraftsensor für Robotergreifer. Es handelt sich hierbei
erfindungsgemäß um ein miniaturisiertes Sensorarray nach Anspruch 4, welches dazu
dient, die Kraft, welche auf das Objekt im Robotergreifer wirkt, zu messen, sowie die
Kontur und die Position des Gegenstandes zu erfassen. In Fig. 3 ist der grundsätzliche
Aufbau eines solchen Sensors dargestellt. Der Schaumstoff 12 wird auf eine
Epoxidplatine 13 mit geätzten und vergoldeten Elektroden 14 an den Rändern
aufgeklebt 15. Die Elektroden sind mit einem Analogmultiplexer 16 auf der
Rückseite der Epoxidplatine verbunden. Dieser Analogmultiplexer ist über ein Kabel mit
einer Auswertungselektronik, bestehend aus AD-Wandler und Microcontroller,
verbunden, welche das Sensorsignal linearisiert und in ein geeignetes Ausgabeformat
bringt. Um ein nachträgliches Einkleben des Sensors in einen vorhandenen Greifer zu
ermöglichen, wurde ein U-förmiges Epoxid-Stück 17 vorgesehen, welches höher als
der verwendete Analogmultiplexer-IC ist und diesen vor mechanischer Beschädigung
schützt sowie als Montagefläche des Sensors fungiert.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung als Endschalter mit variabler Auslöseschwelle. Dieser
besteht erfindungsgemäß aus einem Kraftsensor 18 nach Anspruch 3, der auf einer
Halterung 19 montiert und durch eine Gummihaube 20 geschützt ist. Der Ausgang
des Kraftsensors führt auf einen Schmitt-Trigger mit einstellbarer Triggerschwelle 21,
der ein digitales Ausgangssignal zur Verfügung stellt.
Fig. 6 zeigt eine Ausführung als zweidimensionales Array zur Lage- und
Konturenerfassung von Werkstücken. Dieser Sensor entspricht erfindungsgemäß einem
Kraftsensorarray nach Anspruch 4, welcher zur Lageerkennung aber auch zur Prüfung
von Werkstücken in der Produktion mit einer Apparatur wie z. B. einem Roboterarm auf
das Probestück gedrückt werden kann, um dessen Kontur aufzunehmen. Die erhaltenen
Daten können ähnlich wie Kamerabilder mit einem Bildanalyse-System weiterverarbeitet
werden. Das Sensorarray besteht im wesentlichen aus der Schaumstoffschicht 24 sowie
einer Grundplatte 22 aus Epoxid, auf welcher die vergoldeten Sensorelektroden 23
aufgebracht sind, welche über Durchkontaktierungen mit der sich auf der Rückseite
befindenden, als Signalmultiplexer geschalteten Transistormatrix verbunden sind.
Claims (11)
1. Sensor zur Messung von mechanischen Kräften, dadurch gekennzeichnet, daß als
Ausgangssignal die Änderung der elektrischen Eigenschaften von leitfähigen bzw.
mit leitfähigen Partikeln leitfähig gemachten Schaumstoffen unter Krafteinwirkung
verwendet wird.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensormaterial ein mit
Ruß oder Graphitpulver angereicherter Schaumstoff benutzt wird, der seinen
elektrischen Widerstand unter Krafteinwirkung ändert.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der
Änderung der elektrischen Eigenschaften die Elektroden lediglich auf einer Seite
des Sensormaterials angeordnet sind.
4. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Sensorzellen zu ein- oder zweidimensionalen Arrays zusammengesetzt sind
(vgl. Fig. 6f).
5. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Messung der Änderung elektrischer Eigenschaften ovale bzw. kreisförmige
Elektroden benutzt werden, die von einer entsprechenden gemeinsamen
Gegenelektrode umschlossen werden (vgl. Fig. 6).
6. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als
Elektrodenfläche eine Epoxidplatine (2) mit geätzten Elektroden (1) verwendet
wird (Fig. 1).
7. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die
Elektroden eine nichtoxidierende, leitfähige Schicht (z. B. Gold) aufgebracht wird.
8. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektroden auf ein verformbares bzw. flexibles Material aufgebracht werden.
9. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
Metallelektroden auf eine Folie aufgebracht werden, auf der das Sensormaterial
befestigt wird.
10. Sensor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden direkt
auf eine Ebene oder einen dreidimensionalen Körper aufgebracht werden.
11. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektroden aus leitfähigen Polymeren bestehen.
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