DE3621037A1

DE3621037A1 - Tastfuehler, insbesondere roboter

Info

Publication number: DE3621037A1
Application number: DE19863621037
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl Ing Capek; Miloslav Nevesely; Milan Lansky
Original assignee: Vysoka Skola Dopravy a Spojov
Current assignee: Vysoka Skola Dopravy a Spojov
Priority date: 1985-06-24
Filing date: 1986-06-24
Publication date: 1987-01-02
Also published as: SE460153B; SE8602736D0; CS462385A1; FR2583936A1; US4775961A; FR2583936B1; SE8602736L; JPS6255535A; CS267053B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastfühler für Roboter und andere Handhabungsgeräte.

Bekannte Tastfühler für Roboter enthalten entweder einen Kontaktschalter von relativ großen Abmessungen, oder Druck sonden, z. B. gemäß der DE-PS 25 56 700 oder Elemente, die mechanischen Druck in elektrische Signale verwandeln. Derartige kapazitiv oder induktiv arbeitende Sensoren sind z. B. aus den SU-PS 7 69 331 und 9 01 821 bekannt. Ein Sensor gemäß der US-PS 44 81 815 benutzt Widerstands änderungen und ein weiterer Sensor ein photoelektrisches Verfahren, vgl. DD-PS 24 38 221.

Die bekannten Sensoren haben eine Reihe von Nachteilen. Bei Druckintegralsonden müssen die erfaßten Gegenstände sauber sein, um ihre Kanäle nicht zu verstopfen. Bei induk tiven, kapazitiven und Kontaktsonden muß eine gewisse Kraft zum Verschieben eines Kerns bzw. zum Biegen oder Ziehen eines Tensometers und zum Erzeugen eines verläßlichen Kontaktdruckes aufgewandt werden. Bei Kapazitiv-Sonden besteht das Problem der Abschirmung der Elektroden und bei den photoelektrischen Verfahren muß die Lichtreflexion vom Gegenstand gesichert sein. Schließlich müssen bei elastomeren Materialien besondere Verstärker eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tastfühler für Industrie roboter, Handhabungsgeräte und andere Aggregate zu schaffen, der bei robustem einfachen Aufbau und kleinen Abmessungen ein hervorragendes Ansprechverhalten besitzt, das von äußeren Faktoren praktisch nicht beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kontaktabnehmer und/oder ein Kraftabnehmer aus einer Isolierplatte vorgesehen ist, die an einer Seite inter digitale Wandler für akustische Oberflächenwellen und an der anderen Seite einen Oszillator trägt und mit einer Erhebungen aufweisenden Membrane verbunden ist, die sich bei einem Kontaktabnehmer oberhalb der interdigitalen Wandler für die akustischen Oberflächenwellen befindet.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist, daß die interdigitalen Wandler der akustischen Oberflächen wellen eines Kraftabnehmers an der entgegengesetzten Seite als die integralen Wandler der akustischen Oberflächen wellen vorgesehen sind, mit denen die Isolierplatte ver sehen ist. Die interdigitalen Wandler für die akustischen Oberflächenwellen des Kraftabnehmers können auch an der selben Seite wie die interdigitalen Wandler der akustischen Oberflächenwellen der Isolierplatte orientiert sein, wobei Erhebungen der Membrane schmaler als der interdigitale Wandler der akustischen Oberflächenwellen des Kraftab nehmers sind.

Die Eingangsteile der interdigitalen Wandler der akusti schen Oberflächenwellen können in Reihe oder einzeln ge schaltet sein und an den Ausgängen werden Wechselsignale abgenommen. Paare von gegenüber bzw. gegeneinander ange ordneten interdigitalen Wandlern für die akustischen Ober flächenweilen bilden einen Resonator, der einen Bestandteil des Oszillators darstellt. Die Information über einen Kontakt wird durch Unterbrechung der akustischen Ober flächenwellen gegeben, die sich entlang der Oberfläche der Isolierplatte fortpflanzen und das Nullsignal dar stellen. Bei Anwendung eines Zusatzkraftabnehmers wird außer der Information über einen Kontakt durch Unterbrechen der akustischen Oberflächenwellen auch eine Information über die Andruckkraft gegeben. Diese Kraft wird z. B. durch das Durchbiegen der elastischen Isolierplatte mit den interdigitalen Wandlern aufgrund von Änderungen der Frequenz des Austrittssignals erfaßt. Der Oszillator ist mit Kompensationskreisen an der Isolierplatte ausgeführt, wodurch die Leiteranzahl herabgesetzt wird. Der Zusatz kraftabnehmer kann zweierlei Ausführungen haben. Die Iso lierplatte des Kraftabnehmers mit an ihr ausgeführten interdigitalen Wandlern der akustischen Oberflächenwellen wird entweder um 180° gegenüber dem Medium verdreht, damit ein Kontakt nicht von der Seite der interdigitalen Wandler zustandekommt oder die Isolierplatte des Kraftabnehmers mit den interdigitalen Wandlern der akustischen Oberflächen wellen wird so verdreht, daß der Kontakt von der Seite der interdigitalen Wandler erfolgt, wobei die Erhebung der Membrane in der Breite kleiner als die entsprechende Fläche der interdigitalen Wandler ist, so daß bei einem Kontakt nur ein Teil der akustischen Oberflächenwelle beeinträchtigt wird.

Ein Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Tastfühlers liegt darin, daß eine eindeutige Information über einen Kontakt, nämlich durch eine Unterbrechung des Austrittssignals, erhalten wird. Bei Verwendung von zusätzlichen Kraftab nehmern liegen auch Informationen über die Größe der vom Roboter über dem Tastfühler ausgeübten Kräfte vor. Der Fühler ist einfach und erlaubt eine Miniaturisation. Mehrere Meßelemente können zu Gruppen, zu einem Band oder einer Matrix kombiniert und zusammengebaut werden, was z. B. die Tastfunktion einer menschlichen Hand nachzuahmen er möglicht.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Tastfühlers anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Tastfühler im Querschnitt,

Fig. 2 eine Isolierplatte mit einer Reihe von Paaren interdigitaler Wandler für akustische Oberflächenwellen in Draufsicht,

Fig. 3 eine Gruppe vom Fühlern mit einem Kraftfühler im Schnitt,

Fig. 4 einen Querschnitt eines Tastfühlers, der sowohl als Kontaktfühler als auch als Kraft fühler arbeitet.

Der Tastfühler gemäß Fig. 1 enthält eine ebene Isolier platte 1, die an einer Seite mit interdigitalen Wandlern 6 für akustische Oberflächenwellen und an der anderen Seite mit einem Oszillator 7 versehen ist. Eine etwa napf förmige Membrane 2 mit einer Verdickung bzw. nach innen weisenden zentralen Erhebung 3 ist oberhalb der Isolier platte 1 vorgesehen. Diese Erhebung 3 ist der Isolierplatte 1 zugekehrt. Die Membrane ist durch Klammern 5 an der Isolierplatte 1 befestigt. Ein Spalt befindet sich zwischen der Erhebung 3 der Membrane 2 und der Oberfläche der Iso lierplatte 1.

Bei einer konkreten Ausführung des Tastfühlers wurde als Isolierplatte 1 eine Quarzplatte verwendet, an welcher an einer Seite der Oszillator 7 aufgetragen wurde, der im Bereich von Zehnern von Megahertz arbeitete. An der anderen Seite der Quarzplatte 1 wurden Paare interdigitaler Wandler 6 für akustische Oberflächenwellen aufgetragen. Der Oszillator 7 und wenigstens einer dieser Wandler 6 bilden zusammen einen Resonator, welcher die Fortpflanzung der akustischen Oberflächenwellen an der Oberfläche der Isolierplatte bewirkt.

Gemäß Fig. 2 sind auf der Isolierplatte 1 eine Reihe von Paaren interdigitaler Wandler 6 der akustischen Oberflächen wellen angeordnet, wobei ein Oszillator 7 entweder für jedes Wandler-Paar oder für eine Reihe von Wandlern 6 vorgesehen ist. Entsprechend kann auch eine Membrane 2 für jedes Wandler-Paar oder für mehrere Paare von Wandlern 6 vorgesehen werden. Alternativ können verschiedene Paare von Wandlern 6 mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten.

Falls auf eine Stelle der Membrane 2 mit einer Erhebung 3, die zwischen einem Paar von Wandlern 6 angeordnet ist, und deren Breite wenigstens der Breite des Wandlers 6 entspricht, eine Kraft einwirkt, berührt die Erhebung 3 die Oberfläche der Isolierplatte 1 und unterbricht die Fortpflanzung der durch den Oszillator 7 und die Wandler 6 erzeugten akustischen Oberflächenwellen, was sich als Nullsignal am Austritt des Oszillators 7 äußert, wodurch eine Information über einen Kontakt des Fühlers mit einem Gegenstand erhalten wird.

Falls der Tastfühler auch eine Information über die Kraft geben soll, welche auf die Membrane 2 ausgeübt wird, nachdem die Erhebung 3 der Membrane 2 die Oberfläche der Isolier platte 1 berührt hat, wird eine Membrane 2 mit einer Er hebung 3 eingesetzt, die eine kleinere Breite als die interdigitalen Wandler 6 aufweist, so daß nach einem Kontakt der Erhebung 3 mit der Oberfläche der Isolierplatte 1 der Resonanzkreis nicht vollkommen unterbrochen wird. Bei einem Ansteigen der auf die Membrane 2 wirkenden Kraft wird die Isolierplatte 1 durchgebogen, wodurch die Bahn für die akustischen Oberflächenwellen entlang der Oberfläche der Isolierplatte 1 verlängert wird, was sich als Änderung der Frequenz des Austrittssignals des Oszillators 7 äußert. In diesem Fall muß allerdings die Isolierplatte 1 geeignet abgestützt werden, um ihr Durchbiegen zu ermöglichen. Ein derartiger Tastfühler ist in Fig. 4 dargestellt.

Eine weitere Möglichkeit zum Erhalt einer Information über die auf die Membrane 2 einwirkende Kraft ist in Fig. 3 dargestellt. Dieser Fühler besteht aus drei geson derten Teilen, von denen der linke und rechte Teil Fühler elemente gemäß Fig. 1 oder 4 aufweisen, die allerdings um 180° verdreht sind, so daß die Kraft auf die Membrane 2 von unten einwirkt, während der mittlere Teil ein Kraft fühler 4 ist. Bei diesem Kraftfühler 4 sind interdigitale Wandler 6 für akustische Oberflächenwellen an der zur Membrane 2 entgegengesetzten Seite der Isolierplatte 1 vorgesehen. Eine auf die Membrane 2 wirkende Kraft verur sacht wieder ein Durchbiegen der Isolierplatte 1 und eine Änderung der Frequenz des Austrittssignals. Bei diesem Kraftfühler 4 ist kein Oszillator 7 dargestellt, er kann Schwingungen von benachbarten Oszillatoren 7 erhalten. Die drei Teile des in Fig. 3 dargestellten Fühlers sind voneinander getrennt dargestellt. Sie können allerdings dicht aneinandergereiht sein, allfällig können sie eine gemeinsame Isolierplatte 1 oder auch eine gemeinsame Mem brane 2 haben.

Verschiedene Elemente des erfindungsgemäßen Tastfühlers können zu verschiedenen Formationen zusammengestellt werden, wodurch ein sog. "Tastsehen" verwirklicht werden kann. Der erfindungsgemäße Tastfühler ermöglicht ferner eine weitgehende Miniaturisation. Der interdigitale Wandler 6 für die akustischen Oberflächenwellen ist ähnlich wie Filterelemente ausgeführt, die in der Nachrichtentechnik, z. B. in Fernsehempfängern, angewendet werden. Diese Wand ler 6 werden auf die Isolierplatte 1 in Form dünner Schichten aufgetragen, ähnlich wie Oszillatoren 7 mit den entsprechen den Kompensationskreisen.

Die Schaltanordnung der einzelnen Elemente kann je nach Bedarf verschieden ausgeführt werden.

Claims

1. Tastfühler für insbesondere Roboter, gekennzeichnet durch
eine Isolierplatte (1), die an einer Seite interdigitale Wandler (6) für akustische Oberflächenwellen und auf deren anderen Seite wenigstens einen Oszillator (7) trägt, wobei der Oszillator (7) und wenigstens ein Wandler (6) einen Resonanzkreis bilden, und
eine Membrane (2) mit einer der Isolierplatte (1) zuge kehrten Erhebung (3), die an einer Seite der Isolier platte (1) unter Ausbildung eines Spalts zwischen der Oberfläche der Isolierplatte (1) und der Erhebung (3) angeordnet ist.

2. Tastfühler nach Anspruch 1, der als Kontaktfühler arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (2) mit der Erhebung (3) an derselben Seite der Isolierplatte (1) wie die interdigitalen Wandler (6) angeordnet ist, wobei sich die Erhebung (3) der Membrane (2) zwischen einem Paar interdigitaler Wandler (6) befindet und ihre Breite wenigstens der Breite der interdigitalen Wandler (6) entspricht.

3. Tastfühler nach Anspruch 1, der sowohl als Kontakt fühler als auch als Kraftfühler arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Membrane (2) mit der Erhebung (3) an der selben Seite der Isolierplatte (1) wie die Wandler (6) befindet, wobei die Erhebung (3) der Membrane (2) zwischen einem Paar der Wandler (6) angeordnet ist und ihre Breite kleiner als die Breite der Wandler (6) ist.

4. Tastfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Paaren interdigitaler Wandler (6) für akustische Oberflächenwellen an der Oberfläche der Isolierplatte (1) angeordnet ist.

5. Tastfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Paar von Wandlern (6) ein Oszillator (7) vorgesehen ist.

6. Tastfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Reihe von Wandler-Paaren ein Oszillator (7) gemeinsam ist.

7. Tastfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wandler-Paar (6) eine Membrane (2) zugeordnet ist.

8. Tastfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer Reihe von Wandler-Paaren (6) eine gemeinsame Membrane (2) zugehört.

9. Tastfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Kraftfühler arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß sich die interdigitalen Wandler (6) akustischer Oberflächenwellen an der entgegengesetzten Seite der Isolierplatte (1) befinden als die Membrane (2).

10. Tastfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Paare von interdigitalen Wandlern (6) mit unter schiedlichen Frequenzen arbeiten.