DE4243832A1 - Tastsensoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tastsensoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Tastsensoranordnungen sind insbesondere von Be­ deutung in der Robotik um einerseits den auf ein Objekt, z. 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.

Ein Überblick über bekannte Lösungen oder Lösungsansätze für Tastsensoranordnungen findet sich beispielsweise 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. An diesen Berührungsflächen gestreutes Licht tritt an der gegenüberliegenden Fläche der Lichtleitfolie aus und wird als ein Tastbild mit einer Kamera aufgenommen. Die Anordnung ist damit aber nur mit starken Einschränkun­ gen bezüglich der räumlichen Gegebenheiten einsetzbar und insbesondere in der Robotik bei Greifvorrichtungen kaum verwendbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Tast­ sensoranordnung anzugeben, die kompakt aufgebaut und viel­ seitig einsetzbar ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Durch die Ausführung als dreilagige Folie ergibt sich eine flexible Sensoranordnung, die an weitgehend beliebige Kon­ turen anpaßbar ist und deren Platzbedarf vernachlässigbar ist. Da die Sensoren mit bekannten Verfahren insbesondere aus der Mikroelektronik in kleinen Strukturen herstellbar sind, ist eine hohe Flächenauflösung erzielbar.

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. Als organisches Material für Photoleiter käme beispielsweise Poly-N-Vinylkarbazol (PVK, n-leitend) und Trinitro-Fluoren (TNF, p-leitend) in Betracht.

Photovoltaische Zellen aus organischem Material sind als Farbstoff-Photovoltaik-Zellen zur Solarenergiewandlung insbesondere auf gekrümmten Flächen bekannt. Gegenüber den organischen Photoleitern zeigen sie vorteilhafterweise eine höhere Konversionseffizienz und einstellbare Absorp­ tionsbande. Durch den niederohmigen Quellwiderstand wird die Störsicherheit gegen Einstreuungen verbessert. Außer­ dem entfällt die bei organischen Photoleitern z. T. be­ trächtliche Betriebsspannung.

Die in der Fläche der Sensorfolie getrennten Einzelsenso­ ren sind vorteilhafterweise individuell adressierbar. 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.

Die Beleuchtung der Lichtleiterfolie erfolgt vorzugsweise mittels einer Array-Anordnung von Leuchtdioden oder Halb­ leiterlasern. 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. Darüber­ hinaus kann durch Synchrongleichrichtung (Lock-in) der elektrischen Sensorsignale eine Erhöhung des Signal- Rausch-Abstands erzielt werden.

In Fig. 1 ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Tastsenso­ ranordnung als Querschnitt durch die einzelnen Folien­ schichten skizziert. Eine Druckübertragungsfolie 1, die beispielsweise aus Silikongummi besteht, zeigt eine glatte erste Oberfläche 11 und eine zweite Oberfläche 12 mit Re­ liefstruktur. Die Druckübertragungsfolie liegt mit ihrer strukturierten Seite auf einer Lichtleitfolie 2 auf. Die Lichtleitfolie 2 ist mit Licht von einer vorzugsweise ge­ pulst betriebenen Lichtquellenanordnung 4 geflutet. Durch Totalreflexion an den Oberflächen der Lichtleitfolie wird das Licht in dieser geführt. 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. An dieser gegenüberliegenden Seite der Lichtleitfolie 2 ist eine Sensorfolie 3 mit einer Mehrzahl in der Fläche der Sen­ sorfolie getrennter Einzelsensoren 31 angeordnet. Die Sen­ soren 31 können auf der Oberfläche der Folie angeordnet oder in diese eingebettet sein. Zwischen Sensorfolie 3 und Lichtleitfolie 2 kann erforderlichenfalls eine die licht­ leitenden Eigenschaften der Folie 2 gewährleistende Zwi­ schenschicht eingefügt sein. 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. 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. Die Intensität des gestreuten Lichts ist ein Maß für den lokal einwirkenden Druck. 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. 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.

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. Die Zei­ len-und Spaltenleitungen sind an den Kreuzungspunkten 35 gegeneinander isoliert. Das Rastermaß der Matrix betrage beispielsweise ca. 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. 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.

Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft als Sensorflä­ che in Greifvorrichtungen, z. 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.

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.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als photovoltaische Zellen ausgeführt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als photoleitende Flächenelemente ausgeführt sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als Dünnfilm-Elemente ausgeführt sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren aus organischem Material bestehen.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren individuell adressierbar sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren in Matrixanordnung in der Fläche der Sensorfolie verteilt sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslesung der elektrischen Sensor­ signale im Zeitmultiplex erfolgt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lichtflutung der Lichtleitfolie eine oder mehrere Lichtquellen im Impulsbetrieb vorgesehen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Auswerteeinrichtungen in den Impulspausen Dunkelstromeffekte der Sensoren detektieren und die Sen­ sorsignale bei Beleuchtung entsprechend korrigieren.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensorsignale einer Synchrongleichrich­ tung (Lock-in) unterworfen werden.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn­ zeichnet durch ein Leuchtdioden-oder Halbleiterlaser-Array als Lichtquelle.

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.