DE4243832A1 - Tastsensoranordnung - Google Patents

Tastsensoranordnung

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DE4243832A1
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Daimler Benz AG
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description

Die Erfindung betrifft eine Tastsensoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a Tastsensoranordnung according to the preamble of claim 1.

Derartige Tastsensoranordnungen sind insbesondere von Be deutung in der Robotik um einerseits den auf ein Objekt, z. Such Tastsensoranordnungen are of particular importance in loading robotics on the one hand to an object, for example. B. durch Handhabung mit einem Greifer, ausgeübten Druck quantitativ zu detektieren und anderseits aus der Druck verteilung bei flächiger Berührung auch Form und Lage ei nes Objekts erfassen zu können. detecting, by handling with a gripping pressure exerted quantitatively and can also detect the shape and position ei nes object from the pressure distribution in flat contact on the other.

Ein Überblick über bekannte Lösungen oder Lösungsansätze für Tastsensoranordnungen findet sich beispielsweise in "The International Journal of Robotics Research", Vol. 8, No. An overview of existing solutions or solutions for Tastsensoranordnungen found for example in "The International Journal of Robotics Research", Vol. 8, No. 1, S. 38-62, Feb. 1989. Unter anderem sind dort auch Tastsensoranordnungen mit Lichtleitfolien beschrieben, bei welchen eine Druckübertragungsfolie bei externer Druckein wirkung durch ein Objekt die Lichtleitfolie lokal berührt und an den Berührungsflächen deren Lichtleiteigenschaften stört. 1, pp 38-62, February 1989. Among other things, there are also described Tastsensoranordnungen with fiber optic film in which a pressure transmitting film at external Druckein effectively contacts the light guiding locally by an object and interferes with the contact surfaces of their light-guiding properties. An diesen Berührungsflächen gestreutes Licht tritt an der gegenüberliegenden Fläche der Lichtleitfolie aus und wird als ein Tastbild mit einer Kamera aufgenommen. scattered at these contact surfaces Light is emitted from the opposite surface of the light guiding sheet, and is received as a tactile image with a camera. Die Anordnung ist damit aber nur mit starken Einschränkun gen bezüglich der räumlichen Gegebenheiten einsetzbar und insbesondere in der Robotik bei Greifvorrichtungen kaum verwendbar. The arrangement is thus hardly usable only with strong Einschränkun gen regard to space use and especially in robotics at gripping devices.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Tast sensoranordnung anzugeben, die kompakt aufgebaut und viel seitig einsetzbar ist. The invention is therefore based on the object to provide a tactile sensor system which is compact in structure, and much reversible.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. The invention is described in the patent claim. 1 Die Un teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. The Un-claims contain advantageous embodiments and further developments of the invention.

Durch die Ausführung als dreilagige Folie ergibt sich eine flexible Sensoranordnung, die an weitgehend beliebige Kon turen anpaßbar ist und deren Platzbedarf vernachlässigbar ist. By the execution as a three-layer film results in a flexible sensor assembly structures to substantially any Kon is adaptable and their space requirement is negligible. Da die Sensoren mit bekannten Verfahren insbesondere aus der Mikroelektronik in kleinen Strukturen herstellbar sind, ist eine hohe Flächenauflösung erzielbar. Since the sensors can be produced by known methods from microelectronics, in particular in small structures, high surface resolution is achievable.

Als optoelektrische Sensoren kommen insbesondere Photolei ter, Phototransistoren oder photovoltaische Elemente in Betracht, wobei Sensoren aus organischem Material gegen über halbleiterkristallinem Material wie Silizium oder Verbindungshalbleitern den Vorteil einfacherer Folienverarbeitung besitzen. As opto-electric sensors in particular Photolei come ter, phototransistors or photovoltaic elements into consideration, wherein sensors of organic material opposite halbleiterkristallinem material such as silicon or compound semiconductors have the advantage of simpler processing film. Als organisches Material für Photoleiter käme beispielsweise Poly-N-Vinylkarbazol (PVK, n-leitend) und Trinitro-Fluoren (TNF, p-leitend) in Betracht. As the organic material for photoconductor poly-N-vinylcarbazole, for example, would be (PVK, n-type) and trinitro-fluorene (TNF, p-type) into consideration.

Photovoltaische Zellen aus organischem Material sind als Farbstoff-Photovoltaik-Zellen zur Solarenergiewandlung insbesondere auf gekrümmten Flächen bekannt. Photovoltaic cells of organic materials are known as dye-photovoltaic cells for solar energy conversion, in particular on curved surfaces. Gegenüber den organischen Photoleitern zeigen sie vorteilhafterweise eine höhere Konversionseffizienz und einstellbare Absorp tionsbande. Compared to organic photoconductors they advantageously show a higher conversion efficiency and adjustable Absorp tion bande. Durch den niederohmigen Quellwiderstand wird die Störsicherheit gegen Einstreuungen verbessert. Through the low source impedance, the noise immunity is improved against interference. Außer dem entfällt die bei organischen Photoleitern z. Besides the eliminates the situation with organic photoconductors z. T. be trächtliche Betriebsspannung. T. be trächtliche operating voltage.

Die in der Fläche der Sensorfolie getrennten Einzelsenso ren sind vorteilhafterweise individuell adressierbar. The separated in the area of ​​the sensor film Einzelsenso reindeer are advantageously individually addressable. Die Auslesung der Sensorsignale an eine Auswerteeinrichtung erfolgt bei hoher Sensorzahl vorzugsweise im Zeitmulti plex, wofür eine Matrixanordnung der Sensoren mit Zeilen- und Spaltenzuleitungen besonders günstig ist. The reading of the sensor signals to an evaluation device is carried out at a high number of sensors, preferably in the time multi-plex, for which a matrix array of sensors with row and column leads is particularly favorable.

Die Beleuchtung der Lichtleiterfolie erfolgt vorzugsweise mittels einer Array-Anordnung von Leuchtdioden oder Halb leiterlasern. The illumination of the light guide film is preferably performed using an array arrangement of light emitting diodes or semiconductor lasers. Gepulster Betrieb der Lichtquellen erlaubt zum einen, in den Impulspausen Dunkelstromeffekte der Sen soren zu detektiven und in den Sensorsignalen zu kompen sieren, und zum andern eine Steigerung der Beleuchtungs stärke ohne Erhöhung der thermischen Belastung. Pulsed operation of the light sources on the one hand allows to detective sensors in the interpulse periods dark current effects of Sen and Sieren to compen in the sensor signals, and on the other hand an increase of the illuminance without increasing the thermal load. Darüber hinaus kann durch Synchrongleichrichtung (Lock-in) der elektrischen Sensorsignale eine Erhöhung des Signal- Rausch-Abstands erzielt werden. Moreover, by synchronous rectification (lock-in) an increase in the signal-to-noise ratio can be obtained of the electrical sensor signals.

In Fig. 1 ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Tastsenso ranordnung als Querschnitt durch die einzelnen Folien schichten skizziert. In Fig. 1, the structure of the invention is Tastsenso ranordnung as a cross-section through the layers of individual films outlined. Eine Druckübertragungsfolie 1 , die beispielsweise aus Silikongummi besteht, zeigt eine glatte erste Oberfläche 11 und eine zweite Oberfläche 12 mit Re liefstruktur. A print transfer sheet 1, made for example of silicone rubber, has a smooth first surface 11 and a second surface 12 having relief structure. Die Druckübertragungsfolie liegt mit ihrer strukturierten Seite auf einer Lichtleitfolie 2 auf. The pressure transfer foil lies with its structured side up on a light guiding sheet. 2 Die Lichtleitfolie 2 ist mit Licht von einer vorzugsweise ge pulst betriebenen Lichtquellenanordnung 4 geflutet. The light guiding sheet 2 is provided with light from a preferably ge pulses powered light source arrangement 4 flooded. Durch Totalreflexion an den Oberflächen der Lichtleitfolie wird das Licht in dieser geführt. the light is guided in this by total internal reflection at the surfaces of the light guiding. Die Totalreflexion ist an Flächen, an denen die Druckübertragungsfolie die Ober fläche der Lichtleitfolie berührt, gestört und Licht wird an der Berührungsfläche gestreut und tritt auf der gegen überliegenden Seite aus der Lichtleitfolie aus. The total reflection at surfaces to which the pressure transmitting film, the upper surface of the light guiding touched, disturbed, and light is scattered at the contact surface and exits on the opposite side of the light guiding sheet out. An dieser gegenüberliegenden Seite der Lichtleitfolie 2 ist eine Sensorfolie 3 mit einer Mehrzahl in der Fläche der Sen sorfolie getrennter Einzelsensoren 31 angeordnet. At this opposite side of the light guiding film 2, a sensor 3 having a plurality in the area of the Sen sorfolie separate individual sensors 31 is arranged. Die Sen soren 31 können auf der Oberfläche der Folie angeordnet oder in diese eingebettet sein. The Sen sensors 31 may be disposed on the surface of the sheet or embedded therein. Zwischen Sensorfolie 3 und Lichtleitfolie 2 kann erforderlichenfalls eine die licht leitenden Eigenschaften der Folie 2 gewährleistende Zwi schenschicht eingefügt sein. Between the sensor 3 and the light guiding film 2 is a light-conductive properties of the film 2 ensuring end Zvi may if necessary be inserted rule layer. Ohne Druckeinwirkung auf die Druckübertragungsfolie 1 sind die Auflageflächen der Reli efstruktur, die im skizzierten Beispiel aus Halbkugeln be steht, minimal und die Lichtstreuung ist vernachlässigbar. Without the effect of pressure on the print transfer sheet 1, the bearing surfaces of the Reli efstruktur that is in the example shown in hemispheres be are minimal and the light scattering is negligible. Bei lokaler Druckeinwirkung F verformen sich die betroffe nen Halbkugelelemente der Druckübertragungsfolie 1 und bilden eine größere Auflagefläche auf der Lichtleitfolie, was zu verstärkter Lichtstreuung führt. For local application of pressure F, the concerned do hemisphere elements of the pressure transmission film 1 to deform and form a larger support surface on the light guiding sheet, which leads to increased light scattering. Die Intensität des gestreuten Lichts ist ein Maß für den lokal einwirkenden Druck. The intensity of the scattered light is a measure of the locally applied pressure. Das gestreute Licht trifft auf die gegenüberliegend in der Sensorfolie 3 angeordneten optoelektrischen Senso ren 31 , wobei im wesentlichen nur direkt gegenüberliegende Sensoren mit Licht beaufschlagt werden. The scattered light is incident on the oppositely disposed in the sensor film 3 optoelectric Senso ren 31, wherein substantially only directly opposite sensors acted upon by light. Auf die Sensoren einfallendes Streulicht führt zu entsprechenden elektri schen Sensorsignalen, die somit als ein Maß für den lokal auf die Druckübertragungsfolie einwirkenden Druck ausge wertet werden können. The sensors stray light leads to corresponding electrical rule sensor signals that evaluates thus be as a measure of the locally acting on the pressure transfer film printing can be.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte rechtwinklige Matrixanord nung von Sensoren, vorzugsweise organischen Dünnfilm- Solarzellen 32 , die mit Zeilenleitungen 33 und Spaltenlei tungen 34 als Dünnfilmleitungen kontaktiert sind. Fig. 2 shows an advantageous rectangular Matrixanord shows voltage sensors, preferably organic thin-film solar cells 32, the obligations to row lines 33 and 34 are contacted Spaltenlei as thin-film lines. Die Zei len-und Spaltenleitungen sind an den Kreuzungspunkten 35 gegeneinander isoliert. The Zei len-and column lines are insulated at the crossing points 35 to today. Das Rastermaß der Matrix betrage beispielsweise ca. 0,5 mm. The pitch of the matrix amounts to for example about 0.5 mm.

Eine Multiplex-Ausleseanordnung für die in Fig. 2 skiz zierte Matrixanordnung zeigt die Fig. 3. Die Auswahl eines individuellen Sensorelements erfolgt durch Auswahl einer Spalten-und einer Zeilenleitung in der Multiplexeranord nung 5 . A multiplexing arrangement for the readout skiz ed in Fig. 2 matrix arrangement is shown in FIG. 3. The selection of an individual sensor element by selection of a column and a row line in the Multiplexeranord voltage. 5 Der Photostrom Iph eines ausgewählten Sensorele ments wird beispielsweise in einem Strom-Spannungs-Wandler 7 in eine Ausgangsspannung umgesetzt, die als Spannungs wert U nm ein Maß für den Druck am Ort des Kreuzungspunkts von Spalte n und Zeile m ist. The photocurrent Iph a selected Sensorele ment is implemented for example in a current-voltage converter 7 into an output voltage, as the voltage value U n nm, a measure of the pressure at the location of the crossing point of row and column m.

Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft als Sensorflä che in Greifvorrichtungen, z. The invention is particularly advantageous as Sensorflä surface in gripping devices, eg. B. als "Sensorhaut" für die als "dexterous hand" bekannte Greifhand des MIT-Utah, in Greifhänden von Simulatoren und zur Oberflächenabtastung in der Automatisierungstechnik geeignet, und ermöglicht sowohl die Erkennung lokaler Druckmaxima als auch über die Flächenverteilung des detektierten Drucks die Erkennung von Lage und Form eines Objekts. B. as "sensor skin" for a "dexterous hand" known gripping hand of MIT Utah, suitable grasping hands of simulators and surface sampling in automation technology, and allows both the detection of local pressure maxima and over the surface distribution of the detected pressure detection the position and shape of an object.

Claims (13)

1. Tastsensoranordnung mit einer Lichtleitfolie und mit einer Druckübertragungsfolie, dadurch gekennzeichnet, daß an der der Druckübertragungsfolie ( 1 ) abgewandten Oberflä che der Lichtleitfolie ( 2 ) eine Sensorfolie ( 3 ) mit einer Mehrzahl in der Fläche getrennter optoelektrischer Senso ren ( 31 ) angeordnet ist. 1. Tastsensoranordnung with a light guiding and with a pressure transmitting film, characterized in that Oberflä at which the pressure transfer foil (1) facing away from surface of the light guiding sheet (2) ren a sensor sheet (3) having a plurality in the surface of separate opto-electrical Senso (31) is arranged ,
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als photovoltaische Zellen ausgeführt sind. 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the sensors are designed as photovoltaic cells.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als photoleitende Flächenelemente ausgeführt sind. 3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the sensors are constructed as photo-conductive surface elements.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als Dünnfilm-Elemente ausgeführt sind. 4. An arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sensors are designed as thin-film elements.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren aus organischem Material bestehen. 5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensors consist of organic material.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren individuell adressierbar sind. 6. An arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sensors are individually addressable.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren in Matrixanordnung in der Fläche der Sensorfolie verteilt sind. 7. An arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the sensors are distributed in a matrix arrangement in the area of ​​the sensor film.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslesung der elektrischen Sensor signale im Zeitmultiplex erfolgt. 8. An arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the reading of the electrical sensor signals in time multiplex.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lichtflutung der Lichtleitfolie eine oder mehrere Lichtquellen im Impulsbetrieb vorgesehen sind. 9. An arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that one or more light sources are provided in the pulse mode light to the light guiding flooding.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Auswerteeinrichtungen in den Impulspausen Dunkelstromeffekte der Sensoren detektieren und die Sen sorsignale bei Beleuchtung entsprechend korrigieren. 10. An arrangement according to claim 9, characterized in that the evaluation devices detect in the pulse pauses dark current effects of the sensors and the Sen sorsignale corrected accordingly when illuminated.
11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sensorsignale einer Synchrongleichrich tung (Lock-in) unterworfen werden. 11. An arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that the sensor signals of a synchronous rectifier tung be subjected (lock-in).
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn zeichnet durch ein Leuchtdioden-oder Halbleiterlaser-Array als Lichtquelle. 12. An arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized by a light-emitting diode or semiconductor laser array as a light source.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die der Lichtleitfolie zugewandte Oberfläche der Druckübertragungsfolie eine durch Druck re versibel deformierbare Reliefstruktur aufweist. 13. An arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the faces of the light guiding surface of the pressure-transmitting film has a re reversibly deformable by pressure relief structure.
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