DE102006016662A1

DE102006016662A1 - Taktiler Flächensensor

Info

Publication number: DE102006016662A1
Application number: DE200610016662
Authority: DE
Inventors: Patrick van der Prof. Smagt
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-04-08
Filing date: 2006-04-08
Publication date: 2007-10-11

Abstract

Ein taktiler Flächensensor (10) zur Feststellung eines Tastortes und einer Tastkraft weist einen elektrischen Widerstandskörper (12) aus einem elektrisch resistiv leitenden Material und mehrere sich kreuzende elektrische Leitungen (21-25, 31-35) in oder an dem Widerstandskörper (12) auf, die mit dem Widerstandskörper (12) in elektrischem Kontakt stehen und sich nicht berühren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen taktilen Flächensensor zur Feststellung eines Tastortes und einer Tastkraft.
Unter taktilen Flächensensoren sind Sensoren zu verstehen, die, ähnlich der menschlichen Haut, in der Lage sind, Kräfte, Auslenkungen und Berührungen zu erfassen und zu quantifizieren. Taktile Flächensensoren werden insbesondere für Roboter benötigt und verwendet, insbesondere bei sog. Roboterhänden. Es wurde bereits eine Vielzahl verschiedener taktiler Flächensensoren entwickelt, die die in der Praxis wichtigen Ansprüche bzgl. ihrer Robustheit, Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Auflösung jedoch nicht oder nur unzureichend erfüllen können.
Ein technischer Ansatz für einen taktilen Flächensensor ist die Verwendung piezoresistiver Materialien, die ihren Widerstand bei einer Druckänderung ändern. Taktile Flächensensoren auf piezoresistiver Basis existieren in verschiedenen Ausführungen. Ein wichtiger Vorteil des Flächensensors mit piezoresistivem Prinzip ist seine Unempfindlichkeit gegenüber Lichteinwirkung, elektrischen und magnetischen Störfeldern. Ein Beispiel ist ein Flächensensor, der aus einem flächigen Widerstandskörper besteht, dem bei Nichtbetätigung beabstandete Elektroden zugeordnet sind. Bei Druckausübung berühren die Elektroden den Widerstandskörper, so dass durch Widerstands-Ermittlungen der Tastort und die Tastfläche bestimmt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen einfach aufgebauten taktilen Flächensensor zur Feststellung eines Tastortes, einer Tastkraft und einer Tastfläche zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Der erfindungsgemäße taktile Flächensensor weist einen elastischen flächigen Widerstandkörper aus einem elektrisch resistiv leistenden Material auf. In dem Widerstandskörper sind mehrere sich kreuzende elektrische Leitungen angeordnet, die mit dem Widerstandskörper in elektrischem Kontakt stehen, sich jedoch nicht berühren. Wird an einer Stelle Druck auf den elastischen Widerstandskörper ausgeübt, ändert sich sein spezifischer Widerstand an diesem Ort. Hierdurch ändert sich auch der elektrische Widerstand zwischen zwei sich an diesem Ort kreuzenden elektrischen Leitungen, sowie an den umliegenden Leitungen. Durch ständige Messung aller elektrischen Widerstände an allen Leitungskreuzungen kann auf relativ einfache Weise der Tastort, die Tastfläche und, über die Federkonstante des Widerstandskörper-Materials, auch die Tastkraft ermittelt werden. Die Herstellung und der Aufbau des Widerstandskörpers mit den elektrischen Leitungen ist relativ einfach. An die Genauigkeit der Leitungsverlegung in dem Widerstandskörper müssen bei der Herstellung keine extremen Anforderungen gestellt werden, da der Flächensensor problemlos vor Erstinbetriebnahme kalibriert werden kann.
Vorzugsweise sind die elektrischen Leitungen in den Widerstandskörper eingegossen. Hierdurch sind sie geschützt gegen mechanische Einwirkungen von außen. Der Abstand der Leitungen an den Kreuzungspunkten sollte möglichst groß sein, um eine möglichst große Differenzierung des an der Kreuzung ermittelten elektrischen Widerstandes zu ermöglichen. Andererseits sollte der Abstand der sich kreuzenden Leitungen nicht zu groß sein, um, insbesondere beim Verbiegen des gesamten Widerstandskörpers, zu hohe Zugspannungen in den Leitungen zu vermeiden.
Vorzugsweise sind die Leitungen in zwei Ebenen angeordnet, wobei die Leitungen einer Ebene jeweils alle parallel zueinander liegen. Es ist auch möglich, mehrere Schichten mit Leitungen vorzusehen, um eine bessere Differenzierung der Kontakte zu ermöglichen. Die Leitungen der beiden Ebenen kreuzen sich jeweils annähernd rechtwinklig. Eine derartige Anordnung der Leitungen in dem Widerstandskörper ist relativ einfach herstellbar.
In einer bevorzugten Gestaltung besteht der Widerstandskörper aus einer Mischung aus Russ und/oder Graphit mit Silikon und/oder Thermoplast. Der Russ bzw. das Graphit sind homogen in dem Widerstandskörper verteilt und definieren den spezifischen Widerstand des Widerstandskörpers. Das Silikon bzw. das Thermoplast bilden die elastische Grundsubstanz des Widerstandskörpers.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Leitungen Metalldrähte oder Kohlefaserdrähte. Die Metalldrähte weisen einen niedrigen elektrischen Widerstand und hohe mechanische Festigkeit, insbesondere hohe Zugfestigkeit auf. Dadurch werden Leitungsunterbrechungen vermieden und die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Flächensensors über lange Zeit erhalten.
Vorzugsweise ist ein Auswertemodul vorgesehen, das ein Widerstands-Meßmodul aufweist, das den elektrischen Widerstand aller Leitungs-Kreuzungen einzeln ermitteln kann. Die Leitungs-Kreuzungen werden in einer bestimmten Tastfrequenz jeweils einzeln bzgl. des elektrischen Widerstands der beiden sich kreuzenden Leitungen zueinander vermessen. Auf diese Weise regelmäßig, ein Widerstandsbild des gesamten Flächensensors ermittelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der taktile Flächensensor Teil einer Roboterhand.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
In der Figur ist ein taktiler Flächensensor 10 dargestellt, der aus einem elastischen Widerstandskörper 12 aus einem elektrisch resistiv leitenden Material, aus mehreren sich kreuzenden elektrischen Leitungen 21–25, 31–35 sowie einem Auswertemodul 40 besteht.
Der Widerstandskörper 12 besteht aus einem Thermoplast, in dem homogen verteilt Graphit eingelagert ist. Der Widerstandskörper 12 weist hierdurch einen über sein gesamtes Volumen konstanten spezifischen elektrischen Widerstand auf.
Die elektrischen Leitungen 21–25, 31–35 sind in zwei Ebenen in dem flächigen Widerstandskörper 12 verlegt. Die elektrischen Leitungen 21–25, 31–35 einer Ebene sind jeweils alle parallel zueinander angeordnet. Die elektrischen Leitungen 21–25, 31–35 der beiden Ebenen kreuzen sich annähernd senkrecht und bilden auf diese Weise Kreuzungen miteinander aus. Die Leitungen 21–25, 31–35 bestehen jeweils aus Metalldrähten.
Das Auswertemodul 40 weist ein Widerstandsmessmodul 42 auf, das den elektrischen Widerstand aller Leitungskreuzungen einzeln ermittelt. Hierzu wird an die beiden Leitungen der betreffenden Leitungs-Kreuzung eine Spannung angelegt, der zwischen diesen Leitungen fließende Strom gemessen und auf diese Weise der Widerstand zwischen den beiden sich kreuzenden Leitungen ermittelt. Auf diese Weise werden die Widerstände aller Leitungskreuzungen ermittelt. Hieraus ergibt sich ein Widerstandsbild für die gesamte Fläche des Flächensensors.
Nach einer Anlernphase zur Programmierung des Auswertemodules 40 kann mit Hilfe des Widerstandsbildes ein Tastort, eine Tastkaft und eine Tastfläche ermittelt werden.

Claims

Taktiler Flächensensor (10) zur Feststellung eines Tastortes und einer Tastkraft, mit einem elastischen Widerstandskörper (12) aus einem elektrisch resistiv leitenden Material, und mehreren sich kreuzenden elektrisch Leitungen (21–25, 31–35) in oder an dem Widerstandskörper (12), die mit dem Widerstandskörper (12) in elektrischem Kontakt stehen und sich nicht berühren.
Taktiler Flächensensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (21–25, 31–35) in den Widerstandskörper (12) eingegossen sind.
Taktiler Flächensensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (21–25, 31–35) jeweils in zwei Ebenen parallel zueinander angeordnet sind, wobei sich die Leitungen (21-25, 31–35) der beiden Ebenen jeweils rechtwinklig kreuzen.
Taktiler Flächensensor (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen in drei oder mehr Ebenen angeordnet sind, wobei sich die Leitungen der Ebenen kreuzen.
Taktiler Flächensensor (10) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskörper (12) aus einer Mischung aus Ruß und/oder Graphit mit Silikon und/oder Thermoplast besteht.
Taktiler Flächensensor (10) nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (21–25, 31–35) Metalldrähte oder Kohlefaserdrähte sind.
Taktiler Flächensensor (10) nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswertemodul (40) vorgesehen ist, das ein Widerstandsmessmodul (42) aufweist, das den elektrischen Widerstand aller Leitungs-Kreuzungen einzeln ermittelt.
Roboterhand mit einem taktilen Flächensensor (10) nach Anspruch 1.
Roboterhand nach Anspruch 8 mit den Merkmalen eines der Ansprüche 2–7.