DE19750671C2 - Sensor zur Messung von mechanischen Kräften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von mechanischen Kräften nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Sensor dieser Art ist aus DE-Z Markt & Technik Nr. 37, 14.9.1979 (S. 84, 85) bekannt. Dort ist eine einseitig beaufschlagbare Drucksensoranordnung mit einer Metallpartikel-Kautschuk-Kombination als Sensormaterial offenbart, wobei zwei nebeneinander liegende großflächige Sensoren vorgesehen sind, die jeweils über zwei gesonderte Zuleitungen kontaktiert sind. Die mäanderförmig ineinandergreifenden Elektroden und Gegenelektroden sollen dabei untereinander gleich ausgebildet sein.

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 des Patentanspruchs 1 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 Meßsignalverstärkung 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 sind als ein- oder zweidimensionale Sensorarrays angeordnet, 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, Oberflächenbeschaffenheit 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 von Sensoren zur Messung von mechanischen Kräften näher beschrieben.

Fig. 2 zeigt ein analoges Eingabegerät für Sollgrößen. Es besteht aus zwei oder mehreren Kraftsensoren. 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 aus einem eindimensionalen Sensorarray. 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.

Fig. 4 zeigt einen Kraftsensor für Robotergreifer. Es handelt sich hierbei um ein miniaturisiertes Sensorarray, 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. 4 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 aus einem Kraftsensor (18), 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 einem Kraftsensorarray, 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 (9)

1. Sensor zur Messung von mechanischen Kräften mit mehreren als ein- oder zweidimensionale Arrays (8) angeordneten Sensorzellen, wobei als Ausgangssignal die Änderung der elektrischen Eigenschaften von leitfähigen bzw. mit leitfähigen Partikeln leitfähig gemachtem, für alle Sensorzellen durchgängigem Sensormaterial (12; 24) unter Krafteinwirkung verwendet wird und die Sensorelektroden (14; 23) zur Messung der Änderung der elektrischen Eigenschaften lediglich auf einer Seite des Sensormaterials (12; 24) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ovalen oder kreisförmigen Sensorelektroden (23) von einer entsprechenden gemeinsamen Gegenelektrode umschlossen sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensormaterial (12; 24) ein vorzugsweise 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 die Sensorelektroden (23) über rückseitige Durchkontaktierungen mit einem Signalmultiplexer (16) verbunden sind.

4. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelektrodenfläche eine Epoxidplatine (2; 22) mit geätzten Sensorelektroden (23) verwendet wird.

5. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Sensorelektroden (23) eine nichtoxidierende, leitfähige Schicht (z. B. Gold) aufgebracht ist.

6. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelektroden (23) auf ein verformbares bzw. flexibles Material aufgebracht sind.

7. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Metallelektroden auf eine Folie aufgebracht sind, auf der das Sensormaterial (12; 24) befestigt ist.

8. Sensor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelektroden (23) direkt auf eine Ebene oder einen dreidimensionalen Körper aufgebracht sind.

9. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelektroden (23) aus leitfähigen Polymeren bestehen.