DE3406093A1 - Tastfuehler fuer eine roboter-greifvorrichtung oder aehnlichem - Google Patents

Tastfuehler fuer eine roboter-greifvorrichtung oder aehnlichem

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DE3406093A1 DE19843406093 DE3406093A DE3406093A1 DE 3406093 A1 DE3406093 A1 DE 3406093A1 DE 19843406093 DE19843406093 DE 19843406093 DE 3406093 A DE3406093 A DE 3406093A DE 3406093 A1 DE3406093 A1 DE 3406093A1
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Robert R Peterson
Dale W Schubert
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Description

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: Die Erfindung betrifft allgemein Industrieroboter und
speziell Tastfühler für die Verwendung in derartigen
; : Robotern.
Industrieroboter sind in der Fachwelt gut bekannt. Derartige Roboter dienen dazu, menschliche Arbeitskräfte bei vielfältigen Arbeiten zu ersetzen. Es wurde festgestellt, daß es erforderlich ist, für die Roboter
Fühlergeräte vorzusehen, die funktionsmäßig äquivalent den verschiedenen Sinnesorganen sind, mit denen menschliche Arbeiter naturgemäß ausgestattet sind, wie z.B. Sehen, Hören.usw., damit derartige Roboter in Verbin- } dung mit zunehmender Feinarbeit und detaillierterem
; Arbeiten effektiv menschliche Arbeitskräfte ersetzen
können.
Von besonderer Bedeutung in Verbindung mit einer Feinarbeit und detaillierteren Arbeiten ist der Tastsinn. Der Tastsinn kann wichtig sein für nah auszuführende
Arbeit oder dicht aufeinanderfolgende Arbeitsgänge,
bei denen die Sicht durch Arme oder andere Gegenstände behindert sein kann und ferner kann die Tastfähigkeit auch Wichtig sein, um eine Fühler-Rückkopplung zu realisieren, die zum Erfassen feiner Gegenstände erforderlich ist, ohne dabei die Gegenstände zu zerstören. Die Tastfähigkeit kann auch eine nützliche Einrichtung hinsichtlich einer Diskriminierung zwischen Gegenständen darstellen, die unterschiedliche Größe, Gestalt oder Gewicht haben. Es wurden daher verschiedene Tast-Fühler für die Verwendung in Verbindung mit Industrierobotern entwickelt.
Ein solcher Tastfühler, der von William D. Hillis und John Hollerback entwickelt wurde , ist in dem Artikel "How Smart Robots Are Becoming Smarter" von Paul Kunnucan, High Technology Magazine, Ausgabe Sept./Okt., pp. 32, 36, Technology Publishing Company beschrieben. Dieser Tastfühler umfaßt 256 druckempfindliche elektrische Schalter, die in einem 16x16 Gittermuster angeordnet sind. Wenn ein Gegenstand in Berührung mit dem Fühler gebracht wird, so werden geeignete Schalter getriggert, um dadurch ein Muster von elektrischen Signalen zu erzeugen, die dem "Gefühl" des Gegenstands, welcher den Fühler berührt, entspricht. Hillis und Hollerback konstruierten ihren-Tast-Fühler, indem sie ein Stück eines gewöhnlichen Panty-Schlauches (pantyhose ) zwischen eine obere Schicht, die ein Stück eines nicht-leitenden Siliciumgummis umfaßt, der entlang 16 parallel verlaufender Linien oder Zeilen mit leitfähigem Graphit imprägniert ist und einer Bodenschicht angeordnet haben, die aus einer gedruckten Leiterplatte besteht, welche 16 parallel verlaufende leitende Linien oder Zeilen aufweist. Hillis und Hollerback orientierten die obere und die untere Schicht relativ zueinander derart, daß die 16 parallel verlaufenden elektrisch leitenden Zeilen oder Linien in der oberen Schicht im rechten Winkel zu den 16 parallel verlaufenden leitenden Zeilen oder Linien in der Bodenschicht verlaufen, wodurch eine Fühleranordnung gebildet wird, die 256 übereinander lieg ende Schnittpunkte aufweist, die in Form eines 16 χ 16 Gittermusters angeordnet sind. Die leitenden Zeilen oder Linien der oberen Schicht sind normalerweise von den leitenden Zeilen oder Linien der Bodenschicht durch den Panty-Schlauch (pantyhose) getrennt. Wenn jedoch ein Gegenstand in Berührung mit diesem Fühler gelangt und einen erforderlichen minimalen Druck
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auf den Fühler ausübt, gelangen die elektrisch leitenden Linien oder Leiter über die Maschen des Panty-Schlauches an diesen Kreuzungsstellen miteinander in Berührung, die unterhalb der Druckstellen angeordnet sind, so daß dadurch die Möglichkeit geschaffen wird, daß Strom zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht an ausgewählten Stellen fließen kann, so daß also ein Muster von elektrischen Signalen erzeugt wird, welches dem "Fühlen" des Gegenstandes, der den Fühler berührt, entspricht.
Das gleiche Konzept ist in einer anderen Veröffentlichung erläutert mit dem Titel "Active Touch Sensing", von William Daniel Hillis, ausgegeben von MIT Artificial Intelligence Laboratory als A.I. Memo 629. In dieser zweiten Veröffentlichung beschreibt Hillis auch die Möglichkeit die Zwischenschicht aus Panty-Schlauch (pantyhose) durch eine alternative Trennschicht aus einer nicht-leitfähigen Farbe oder Anstrich zu ersetzen. Dieser nicht-leitfähige Anstrich wird direkt auf die Bodenseite der oberen Schicht als feiner Nebel aufgesprüht, so daß dieser Anstrich in Form einer Ansammlung nicht-gleitender einen Abstand zueinander aufweisender Punkte an dieser Schicht anhaftet. Die elektrisch leitenden Zeilen oder Linien der oberen Schicht sind normalerweise von den elektrisch leitenden Zeilen oder Linien der Bodenschicht durch die Sprühschicht aus nichtleitendem Anstrich getrennt. Wenn ein Gegenstand in Berührung mit dem Fühler gelangt und den erforderlichen minimalen Druck auf den Fühler ausübt, so gelangen die elektrischen Leitungen der oberen Schicht in Kontakt mit den elektrischen Leitungen der Bodenschicht und zwar über die Zwischenräume , die zwischen benachbarter Punkte des nicht-leitfähigen Anstrichs an den Kreuzungs-
punkten vorhanden sind, die unterhalb der Druckstellen gelegen sind, so daß dann Strom zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht an ausgewählten Stellen fließen kann und dadurch ein Muster von elektrischen Signalen gebildet wird, welches dem "Gefühl oder Fühlen" des Gegenstandes entspricht, der den Fühler berührt.
In der US-PS 4 208 648 ist ein weiterer Tastfühler beschrieben, der 256 druckempfindliche elektrische Schalter umfaßt, die in einem 16x16 Gitter-Muster angeordnet sind, so daß dann, wenn ein Gegenstand in Berührung mit dem Fühler gebracht wird, geeignete Schalter getriggert werden, um ein Muster an elektrischen Signalen zu erzeugen, die dem "Gefühl" des Gegenstandes entsprechen, der den Fühler berührt. Der Tastfühler nach der US-PS 4 208 648 unterscheidet sich merklich von den zuvor erläuterten Fühlern und zwar hinsichtlich einer Reihe von konstruktiven Merkmalen und hinsichtlich der Betriebsweise. Speziell umfaßt der Fühler nach der US-PS 4 208.648 drei eigene Schichten, die in einer Schichtenfolge (sandwich) angeordnet sind. Die obere Schicht besteht aus einem nachgiebigen, elektrisch isolierenden Material, in dem ein erster Satz von 16 parallel verlaufenden elektrischen Leitern angeordnet ist. Die Bodenschicht besteht aus einem nachgiebigen elektrisch isolierenden Material, in welchem ein zweiter Satz von 16 parallel verlaufenden elektrischen Leitern angeordnet ist. Die Bodenschicht ist relativ zur oberen Schicht so angeordnet, daß der zweite Satz der elektrischen Leiter im rechten Winkel zum ersten Satz der elektrischen Leiter verläuft, so daß dadurch eine Fühleranordnung gebildet wird, die 256 übereinanderliegender Kreuzungsstellen aufweist, die in Form eines 16 χ 16 Gittermusters angeordnet sind. Die Zwischenschicht be-
steht aus einem Kunststoffmaterial, welches in gewissem Ausmaß elektrisch leitend ist und zwar in seinem natürlichen spannungsfreien Zustand, wobei jedoch die Leitfähigkeit durch Druckeinfluß erhöht wird. Wenn ein Gegenstand einen erforderlichen Minimaldruck auf den Fühler ausübt, so ändert sich die Leitfähigkeit der Zwischenschicht an diesen Stellen, die unterhalb der Druckstellen gelegen sind. Als Folge wird auch der Strom geändert, der zwischen dem ersten und dem zweiten Satz der elektrischen Leiter fließt und zwar an den Stellen, die dem Druck ausgesetzt sind und es wird dabei ein Muster an elektrischen Signalen erzeugt, welches dem "Gefühl" des Gegenstandes entspricht, der den Fühler berührt.
Unglücklicherweise sind die Tastfühler, wie sie zuvor erläutert wurden, mit einer oder mit mehreren Einschränkungen behaftet, die da sind: (1) geringe Zuverlässigkeit, (2) geringe Haltbarkeit, (3) große Herstellungskosten, (4) besondere Schwierigkeit der Herstellung, (5) begrenzte Empfindlichkeit, (6) Komplizierung des Signal-"übersprechens" (dort, wo das Stromsignal durch die Zwischenschicht an den Stellen wandert, die nicht dort gelegen sind, wo sich die Druckstellen befinden) und (7) eine Druck/Strombeziehung begrenzter Auswertbarkeit .
Es 1st Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Form eines Tastfühlers zu schaffen, bei dem die zuvor aufgeführten Einschränkungen nicht mehr vorhanden sind oder vermindert sind.
Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch gelöst,
indem ein Tastfühler vorgesehen wird, der drei unterschiedliche Schichten aufweist, die in einer Schichtanordnung angeordnet sind. Die obere Schicht besteht aus einem flexiblen, elektrisch isolierenden Material/ und aus mehreren parallel verlaufenden flexiblen Leiterstäben. Die Bodenschicht besteht aus einem elektrisch isolierenden Material und mehreren parallel verlaufenden Leiterstäben, die sich im rechten Winkel zu den Leiterstäben der oberen Schicht erstrecken, so daß dadurch eine Fühleranordnung geschaffen wird, die mehrere übereinanderllegende Kreuzungsstellen oder Kreuzungspunkte aufweist, die in einem Gittermuster angeordnet sind. Die Zwischenschicht besteht aus einem nachgiebigen, elektrisch isolierenden Material, in welchem mehrere parallel verlaufende elektrisch leitende Stangen angeordnet sind, die sich senkrecht zu den Ebenen der drei Schichten erstrecken. Diese Stangen bestehen aus einem nachgiebigen leitenden Material. Jede leitende Stange ist an einer der zuvor erwähnten Fühler-Kreuzungsstellen angeordnet, um dadurch einen der leitenden Stäbe der oberen Schicht elektrisch mit einem der leitenden Stäbe der Bodenschicht zu koppeln . Die elektrisch leitenden Stäbe sind mit einem ausgewählten Querschnitt ausgeführt, damit Änderungen in der Größe des Druckes, der auf den Fühler ausgeübt wird, zu entsprechenden Änderungen in der Berührungsfläche führen und damit zu einer Änderung in dem elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den leitenden Stäben und denjenigen leitenden Stangen, die unterhalb der Druckstellen gelegen sind.
Als Folge dieser Konstruktion kann der Fühler sehr viel besser ein Muster von elektrischen Signalen liefern, welches unter Verwendung eines geeigneten Computers und einer geeigneten Computer-Software, zu einer merklich besseren Annäherung an das "Gefühl" eines Gegenstandes,
der den Fühler berührt, führt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine fragmentarische perspektivische Ansicht in teilweise gebrochener Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nach der vor
liegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II
in Fig. 1;
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Fig. 3 eine maßstäblich geänderte Darstellung der
Querschnittsgestalt der Leiterstäbe, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 zur Anwendung gelangen;
Fig. 4. ein Blockschaltbild einer elektronischen Steuerschaltung, welche in den Rahmen der Erfindung fällt; und
Fig. 5-8 alternative Ausführungsbeispiele nach der
vorliegenden Erfindung.
Gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt der Tastfühler 2 allgemein drei unterschiedliche Schichten, die in Schichtbauweise angeordnet sind, und zwar eine obere Schicht 4, eine Zwischenschicht 6, und eine Bodenschicht 8.
Die obere Schicht 4 besteht aus einem flexiblen, elektrisch isolierendem Material, welches gegen Abrieb widerstandsfähig ist. In bevorzugter Weise besteht die
obere Schicht 4 aus einem polymeren Material, wie beispielsweise einem Elastomer, einer Mischung aus Polybutadien und Naturgummi und besitzt eine Härte von ca. 50-60 Härtegraden auf der Shore A-2 Skala. Die Schicht 4 besitzt eine ebene obere Fläche 10 und eine ebene Bodenfläche 12, in der mehrere parallel verlaufende Nuten 14 eingebracht sind. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sechszehn Nuten 14 ausgebildet.
Jede der Nuten 14 enthält einen Leiterstab 18A , 18B 18C usw., die in den Nuten mit Hilfe eines Klebemittels oder eine äquivalenten Mittels befestigt sind. Die Stäbe 18a, 18B, 18G usw. sind aus einem flexiblen leitenden Material hergestellt. Bevorzugt werden die Stäbe 18A, 18B, 18C usw. aus einem polymeren Elastomer, z.B. Chloropren hergestellt, welches mit einem geeigneten leitenden Material wie z.B. schwarzem Kohlenstoff dotiert ist. Die Stäbe 18A, 18B, 18C usw. sind so ausgebildet, daß sie eine Härte von ca. 70 - 80 Härtegrade auf der Shore A-2 Skala haben.
Die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. sind so gestaltet, daß jeder an seinem Zwischenabschnitt (d.h. diejenigen Abschnitte der Stäbe, die sich nahe der Zwischenschicht 6 erstrecken) ein Querschnittsprofil besitzt, welches allgemein ähnlich dem Querschnittsprofil des "Rumpfes" eines Schiffes ist. Das Querschnittsprofil der Zwischenabschnitte der Stäbe 18A, 18B, 18C usw.
ist im einzelnen in Fig. 3 veranschaulicht. Gemäß Fig. 3 sind die Zwischenabschnitte der leitenden Stäbe mit einer doppelten Krümmung oder Kurve eines ausgewählten Funktionscharakters gestaltet und besitzen einen vorspringenden Nasenabschnitt 19. Die Nuten 14 und die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. sind relativ zueinan-
der so gestaltet, daß die vorspringenden Nasenabschnitte
19 der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. sich unter der Bodenfläche 12 der oberen Schicht 4 erstrecken (sh.
Fig. 2). Wie im folgenden noch näher erläutert werden soll, sind die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. an ihren Endabschnitten (d.h. an denjenigen Abschnitten der Stäbe, die über die Zone der Zwischenschicht 6 hinaus ragen) so gestaltet, daß jeder Stab einen im wesentli-10. chen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, wie dies in Fig. 1 bei 181D, 181E, 181F, usw. gezeigt ist.
Die Bodenschicht 8 besteht aus einem steifen, elektrisch isolierenden Material wie einem nicht-leitenden Polymer oder aus der Sorte eines Materials, welches typischerweise für die Herstellung von Leiterplatten-Substraten verwendet wird, z.B. kunststoffimprägnierten Fiberglasblättern. Die Schicht 8 besitzt eine ebene obere Fläche
20 und eine ebene Bodenfläche 22 und ist mit mehreren flachen leitenden Kupferleitern 26A, 26B, 26C usw. ausgestattet. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sechszehn Leiter 26A, 26B, 26C usw. vorgesehen. Die Leiter 26A, 26B, 26C usw. sind in bevorzugter Weise an der oberen Fläche 20 der Bodenschicht 8 durch ein Bindemittel oder ein äquivalentes Mittel in Lage gehalten. Die Leiter 26A, 26B, 26C usw. sind relativ zur Bodenschicht 8 so bemessen, daß ein Endabschnitt jedes Leiters sich über das Ende der Bodenschicht 8 hinaus erstreckt, wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.
,
Die Bodenschicht 8 ist ebenfalls mit mehreren leitenden Stäben 28A, 28B, 28C usw. ausgestattet, die auf dieser angeordnet sind. Die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. sind in bevorzugter Weise identisch mit den leitenden Stäben 18A, 18B, 18C usw., wie zuvor beschrieben, ausge-
-+e—
bildet und zwar mit der Ausnahme/ daß sie keine vorspringenden Endabschnitte entsprechend den vorspringenden Endabschnitten 181D, 181E, 181F usw. , wie zuvor dargelegt, aufweisen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sechszehn Stäbe 28A, 28B, 28C usw. vorgesehen. Die Stäbe 28A, 28B, 28C usw. sind gemäß der Darstellung nach den Fig. 1 und 2 mit Hilfe eines Klebemittels oder eines anderen äquivalenten Mittels in Lage gehalten, so daß die Stäbe 28A, 28B, 28C usw. einen guten elektrischen Kontakt mit den Leitern 26A, 26B, 26C usw. schließen können .
Die Bodenschicht 8 ist relativ zur oberen Schicht 4 so angeordnet, daß die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. sich in rechten Winkeln zu den leitenden Stäben 18A, 18b, 18c usw. erstrecken, so daß dadurch eine Fühleranordnung gebildet wird, die 256 übereinanderliegende Kreuzungsstellen aufweist, die in Form eines 16 χ 16 Gittermusters angeordnet sind. In bevorzugter Weise sind die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. in einheitlichem Abstand zueinander angeordnet, was auch für die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. gilt.
Die Zwischenschicht 6 besteht aus einem Kissen 30, welches aus einem nicht leitenden elastomeren Material hergestellt ist, wie beispielsweise aus Polyurethan und welches eine Härte von ca. 40 - 60 Härtegraden auf der Shore A-2 Skala hat. Das Kissen 30 besitzt eine ebene obere Fläche 32 und eine ebene Bodenfläche 34. Die Zwischenschicht 6 umfaßt auch mehrere sich quer erstreckende elektrisch leitende Stangen 36. Die Stangen 36 verlaufen senkrecht zur Hauptebene des Kissens 30 und verlaufen zwischen der oberen Fläche 32 und der unteren Fläche 34 und schneiden diese Flächen des
Kissens. Die leitenden Stangen 36 bestehen in bevorzugter Weise aus einem Material mit ausgewählter Leitfähigkeit wie z.B. aus einem Polymer wie Chloropren, welches mit schwarzem Kohlenstoff vermischt ist, um leitfähig zu sein und welches eine Härte von ca. 50 60 Härtegraden auf der Shore A-2 Skala hat. Nach den Fig. 1 und 2 ist eine leitende Stange 36 an jeder der zuvor erwähnten Kreuzungsstellen des Fühlers angeordnet, um dadurch einen der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. der oberen Schicht 4 mit einem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. der Bodenschicht 8 zu koppeln.
Wenn gemäß Fig. 2 keine Kraft auf die obere Fläche 10 des Fühlers ausgeübt wird, so berühren lediglich die vorspringenden Nasenabschnitte der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. die leitenden Stangen 36 und lediglich die vorspringenden Nasenabschnitte der leitenden Stäbe 28a, 28B, 28c usw. berühren die leitenden Stangen 36.
Wenn jedoch ein Gegenstand in Berührung mit der oberen Fläche 18 des Fühlers gebracht wird und einen bestimmten erforderlichen minimalen Druck auf den Fühler ausübt, so werden die Schichten 4, 6 und 8 zusammengedrückt, so daß sich die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. an den Druckstellen aneinander annähern. Wenn die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. an den Druckstellen aneinandergedrückt werden, so neigen die leitenden Stäbe dazu sich in die weichere Zwischenschicht 6 einzudrücken, wodurch die effektive Kontaktfläche mit den leitenden Stangen 36 vergrößert wird, die bei den Druckstellen gelegen sind. Als Ergebnis nimmt der elektrische Kontaktwiderstand ab, der zwischen den leitenden Stäben und denjenigen leitenden Stangen vorherrscht, die unterhalb der Druckstellen
gelegen sind, so daß für eine gegebene Spannung, die zwischen den Stäben 18A, 18B, 18C usw. und den Stäben 28A, 28B, 28C usw. angelegt wird, der Stromfluß in umgekehrter Beziehung zu den Änderungen des Kontaktwiderstandes zunimmt.
Aufgrund der zuvor erläuterten Konstruktion läßt sich erkennen, daß an jedem der Kreuzungsstellen des Fühlers ein druckempfindlicher Schalter ausgebildet wird. Wenn diese an eine geeignete elektrische Schaltung gekoppelt werden, so sind diese Schalter zusammengenommen dazu in der Lage, ein Schema an elektrischen Signalen zu erzeugen, welches dem "Fühlen" des den Fühler berührenden Gegenstandes entspricht.
Es sei darauf hingewiesen, daß die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. über ihre Länge hinweg ausreichend flexibel sein müssen, so daß das lokalisierte Aufbringen eines Druckes an einem Kreuzungspunkt nicht wesentlich bei benachbarten Kreuzungspunkten registriert wird. Gleichzeitig müssen die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. jedoch eine ausreichende Härte gegenüber den Komponenten in der Zwischenschicht 6 aufweisen, so daß es die Schicht 6 ist und nicht die leitenden Stäbe, welche sich bei dem Aufbringen von Druck deformiert. Die Querschnittsgeometrie für die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und für die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. (wie im einzelnen in Fig. 3 gezeigt) ist so gewählt, daß die Druck/Strombeziehung des Fühlers 2 ein nicht lineares Ansprechverhalten zeigt und zwar von im wesentlichen logarithmischer Form, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, genau feinste Druckveränderungen bei sehr geringen Lasten zu reflektieren als auch starke Veränderungen des Druckes bei sehr schweren
j*-
Lasten zu reflektieren. Es sei darauf hingewiesen, daß die Querschnittsgestalt der Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und der Stäbe 28A, 28B, 28C usw. ähnlich ist dem Querschnittsprofil eines Schiffsrumpfes und zwar mit symmetrisch angeordneten doppelten Krümmungen oder Kurven, die mit den Nasenabschnitten 19 zusammenwirken, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die genaue Druck/Strombeziehung des Fühlers 2 auch von einer Reihe anderer Faktoren abhängt, wie beispielsweise der Schichtdicke, den Schichtzusammensetzungen und auch von der relativen Härte der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und 28A, 28b, 28c usw. und der leitenden Stangen 36. Durch selektive Einstellung der zuvor erwähnten Faktoren ist es möglich, einen Tastfühler zu bilden, der die gewünschte Empfindlichkeit besitzt.
Um den Tastfühler 2 undurchlässig gegenüber Wirkungen wie bestimmten unwirtlichen Klimaeinflüssen wie z.B.
Wasser oder öl zu machen, wird bevorzugt, daß sich die Kanten oder Ecken der oberen Schicht 4 und der Bodenschicht 8 über die Kanten oder Ecken der Zwischenschicht 6 hinaus erstrecken, so daß diese beiden Schichten zusammengebracht werden können und miteinander verbunden werden können, um dadurch eine abgedichtete Zone oder Bereich zu schaffen. Ferner wird bevorzugt, daß die obere Schicht 4 nach unten gefaltet wird und an die Bodenschicht 8 in der in Fig. 2 gezeigten Weise gebunden wird. Um die Möglichkeit zu schaffen, daß der Fühler an eine geeignete elektrische Schaltung gekoppelt werden kann, werden gleichzeitig die vorspringenden Endabschnitte 181A, 181B, 181C usw. der Leiterstäbe 18A, 18B, 18C nach unten gebogen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, so daß sie entlang der oberen Fläche 20 der Bodenschicht 8 verlaufen und zwar zum Außenrand des Fühlers hin, wo-
■+4-
■/ft
bei sich diese vorspringenden Endabschnitte (die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben, wie dies zuvor dargelegt wurde) und die Leiter 26A, 26B, 26C usw. über die abgedichteten Seitenkanten des Fühlers hinaus erstrecken, so daß sie unmittelbar an eine geeignete elektrische Schaltung gekoppelt werden können.
Fig. 4 zeigt auf welche bevorzugte Weise der Tastfühler 2 an eine elektrische Schaltung für die Verwendung in Verbindung mit einem Industrieroboter gekoppelt werden kann. Diese Schaltung umfaßt allgemein einen Computer 50, der an die Eingangsleitung eines 16-Leitungs-Demultiplexers 52 gekoppelt ist. Der Computer 50 ist auch über eine Steuerleitung (strichliert gezeichnet) mit dem Demultiplexer 52 gekoppelt. Die 16 Ausgangsleitungen des Demultiplexers 52 sind jeweils an den 16 vorspringenden Endabschnitten der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18c usw. des Fühlers 2 befestigt. Die 16 vorspringenden Endabschnitte der Leiter 26A, 26B, 26C usw. des Fühlers 2 sind jeweils an den 16 Eingangsleitungen eines Strom/Spannungswandlers 54 befestigt. Die 16 Ausgangsleitungen des Wandlers 54 sind jeweils an den 16 Eingangsleitungen eines Multiplexers 56 befestigt. Die Ausgangsleitung des Multiplexers 56 ist mit einem Analog/Digitalwandler 58 gekoppelt und die Steuerleitung des Multiplexers 56 (strichliert gezeichnet) ist mit dem Computer 50 gekoppelt. Der Ausgang des Wandlers 58 ist mit dem Computer 50 verbunden. Der Ausgang des Computers 50 ist mit einem Roboter-Computer 60 gekoppelt, der selbst an Roboter-Manipulationssteuereinheiten 62 angeschlossen ist. Die Roboter-Manipulationssteuereinheiten 62 steuern den Arm oder ein anderes Roboterzubehör, welches in Zusammenarbeit mit dem Tast-
•if-
fühler 2 arbeitet. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Computer 50/ der Demultiplexer 52, der Strom/-Spannungswandler 54, der Multiplexer 56, der Analog/-Digitalwandler 58, der Roboter-Computer 60 und die Roboter-Manipulationssteuereinheiten 62 auf dem vorliegenden Gebiet gut bekannt sind.
In einem typischen Fall ist der Fühler 2 an einem Roboter-Zubehör montiert, so daß die steife Bodenschicht 8 zu dem Zubehör hinweist bzw. an diesen befestigt ist, während die flexible obere Schicht 4 nach außen zeigt in eine Lage, um einen Gegenstand, der gehandhabt werden soll, zu berühren.
Während des Betriebes des Roboters wird das Vorhandensein eines Gegenstandes am Fühler 2 durch die Steuerschaltung in der folgenden Weise bestimmt. Der Computer 50 sendet ein Signal an den Demultiplexer 52, um den leitenden Stab 18A,zu erregen. Da der leitende Stab 18A mit jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. gekoppelt ist und zwar über die leitenden Stangen 36 an den übereinanderliegenden Kreuzungsstellen oder Kreuzungspunkten des Fühlers, führt das Erregen des leitenden Stabes Ί8Α zum Entstehen eines Stromes in jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. Jedoch ändert sich, wie dies an früherer Stelle dargelegt wurde, der Strom, der in jedem der !Leitungen 28A, 28B 28C usw. fließt, abhängig von der Größe des Druckes, der auf den Fühler an den Kreuzungsstellen des leitenden Stabes 18A mit den leitenden Stäben 28A, 28B, 28C usw. aufgebracht wird. Der Wandler 54 empfängt den in jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. fließenden Strom und zwar aufgrund der Anschlüsse an die Leiter 26A, 26B, 26C usw. und wandelt den in jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. fließenden Strom in
eine entsprechende Spannung um. Die Ausgangsgröße des Wandlers 54 gelangt dann zum Multiplexer 56. Der Computer 50 verwendet den Multiplexer 56 als Torsteuermechanismus, um diesem zu ermöglichen aufeinanderfolgend von der Ausgangsgröße jedes leitenden Stabes 28A, 28B, 28C usw. eine Probe zu. entnehmen und um die Ausgangsgrößen dem Wandler 58 zuzuleiten. Letzterer wandelt diese analogen Ausgangsspannungen in digitale Signale um, die automatisch dem Computer 50 zugeleitet werden. Dann erteilt der Computer dem Demultiplexer 52 den Befehl, den leitenden Stab 18A zu entregen und den leitenden Stab 18B zu erregen. Da der leitende Stab 18B mit jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw.
über die leitenden Stangen 36 an den übereinanderliegenden Kreuzungsstellen des Fühlers gekoppelt ist, führt das Erregen des leitenden Stabes 18B zur Erhöhung des Stromes in jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. Wie jedoch bereits an früherer Stelle dargelegt wurde, ändert sich der in jedem der Leiter 28A, 28B, 28C usw. fließende Strom in Abhängigkeit von der Größe des Druckes, der auf den Fühler an den Kreuzungsstellen des leitenden Stabes 18B mit den leitenden Stäben 28A, 28B, 28C usw. ausgeübt wird. Der Computer verwendet dann die zuvor erläuterte Schaltungsanordnung, um aufeinanderfolgend eine Probe der Ausgangsgröße zu nehmen, die von den leitenden Stäben 28A, 28B, 28C usw. abgeleitet wurde, und um die Ausgangsgrößen dem Wandler 58 zuzuführen. Dieser Prozeß wird immer wiederholt, bis der Computer 50 Proben aller elektrischer Signale von allen 256 Kreuzungsstellen am Fühler genommen hat und die digitalen Daten koordiniert hat, um dann einen Schluß zu ziehen, der das Vorhandensein irgendeines Gegenstandes am Tastfühler betrifft. Der Computer 50 überträgt dann diese digitalen Informationen auf den
Roboter-Computer 60, der dann automatisch die Roboter-Manipulationssteuereinheiten 62 in der geforderten Weise einstellt.
5
Das erläuterte bevorzugte Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Als erstes besitzt der Tastfühler nach der Erfindung einen weiten Empfindlichkeitsbereich. Die einheitliche Geometrie der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und 28A, 28B, 28C usw. stellt sicher, daß das Ausgangssignal des Fühlers sich bei Kontaktdrücken logarithmisch ändert, so daß der Fühler im Stande ist, feinste Veränderungen des Druckes bei sehr geringen Lasten zu ermitteln als auch große Änderungen des Druckes bei sehr schweren Lasten zu ermitteln, zweitens ist der Tastfühler nach der vorliegenden Erfindung relativ zuverlässig, dauerhaft und läßt sich billig und einfach herstellen.
Drittens besitzt der Tastfühler nach der Erfindung eine Zwischenschicht, die nur an den Uberlagerungs-Kreuzungsstellen leitend ist, so daß Signale zwischen den leitenden Stäben der oberen Schicht und der Bodenschicht nur an den Kreuzungsstellen bzw. Kreuzungspunkten hindurchgelangen können.
Viertens ist der Tastfühler auch vollständig gegenüber der Umwelt abgedichtet, so daß er unter sehr verschiedenen Einflußbedingungen arbeiten kann.
Es ist natürlich möglich, das bevorzugte Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung abzuwandeln, ohne dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
So kann beispielsweise der Tastfühler 2 mit mehr oder mit weniger als 16 Leiterstäben, 18A, 18B7 18C usw. und mit mehr oder weniger als 16 Leiterstäben 28A, 28B, 28C usw. ausgeführt werden. Oder es können die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. in einem anderen Winkel als einem rechten Winkel zueinander angeordnet werden.
Es ist auch möglich die leitenden Stangen 36 mit einer Querschnittsgestalt auszuführen, die sich von der Kreisgestalt nach den Fig. 1 und 2 unterscheidet, die rechteckig ist oder eine andere willkürliche Gestalt hat; auf ähnliche Weise können die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und 28A, 28B, 28C usw. mit einer Querschnittsgestalt ausgeführt werden, die unterschiedlich ist zu derjenigen, die in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, und die beispielsweise dreieckförmig ist.
Darüber hinaus braucht die Bodenschicht 8 des Fühlers nicht.steif oder starr sein, sondern kann auch aus einem flexiblen Material bestehen, wie demjenigen, welches allgemein zur Herstellung flexibler Schaltkreisplatten oder Leiterplatten verwendet wird, oder kann aus einem Material bestehen, welches gleich oder ähnlich dem Material ist, aus welchem die obere Schicht 4 hergestellt ist.
Offensichtlich kann auch die Art und Weise, in welcher OQ der Tastfühler 2 an die in Fig. 4 gezeigte elektrische Schaltung gekoppelt ist, variiert werden. So können beispielsweise die Ausgangsleitungen vom Demultiplexer 52 an die Leiter 26A, 26B, 26C usw. gekoppelt werden, und es können die Eingangsleitungen zum Wandler 54 mit den leitenden Stäben 18A, 18B, 18C usw. gekoppelt werden. Auch kann der Computer 50 so programmiert werden,
daß er Proben des Stromes entnimmt, der durch die Kreuzungsstellen des Fühlers fließt, und zwar in einer Aufeinanderfolge , die von der erläuterten abweicht. Alternativ kann der Fühler 2 in Verbindung mit einer Schaltung verwendet werden, die vollkommen unterschiedlich gegenüber der Schaltung nach Fig. 4 aufgebaut ist.
Gemäß Fig. 5 kann das Zwischennutmaterial in der oberen Schicht 4 in Längsrichtung erweitert werden, wie dies bei 100 gezeigt ist, so daß die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. normalerweise nicht die Stangen 36 berühren, die in dem Zwischenteil 6 angeordnet sind. Diese Konstruktion führt dann zu einem Fühler, bei dem eine von Null abweichende Druckschwelle vorhanden ist, bevor ein elektrisches Signal zwischen den leitenden Stäben 18A, 18B, 18C usw. der oberen Schicht 4 und den leitenden Stäben 28A, 28B, 28C usw. der Bodenschicht 8 laufen kann.
Alternativ kann die Zwischenschicht 6 , die in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, gemäß Fig. 6 durch eine neue Zwischenschicht 6' ersetzt werden^ die aus einem einheitlichen Blatt aus einem elastomeren Material besteht, welches leitend ist, wie z.B. eine Siliciumgummischicht, die mit leitenden Teilchen wie beispielsweise Kohlenstoffteilchen, Silberteilchen, Kupferteilchen oder ähnlichen Teilchen imprägniert ist (sh. US-PS 4 208 648).
Auch können nach Fig. 7 die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. so ausgebildet werden, daß sie einen im wesentlichen reehteckformigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen und zwar über ihre gesamte Länge hinweg und ferner können die leitenden Stangen 36 so ausgebildet werden,
daß ihre vorspringenden Enden Querschnittsprofile ähnlich dem Rumpf eines Schiffes aufweisen, wie dies an früherer Stelle in Verbindung mit den Stäben 18A/ 18B, 18C usw. und den Stäben 28A, 28B, 28C usw. beschrieben wurde. Natürlich haben bei dieser Anordnung die Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und 28A, 28B, 28C usw. eine Härte, die geringer ist als die Härte der leitenden Stangen 36, damit sich die Stäbe 18A, 18B, 18C usw und 28A, 28B, 28C usw. beim Aufbringen eines Druckes auf die Fläche des Fühlers 2 deformieren, während die Stangen 36 dabei im wesentlichen nicht deformiert werden.
Es besteht schließlich auch die Möglichkeit, daß gemäß Fig. 8 die Zwischenschicht 6 vollständig weggelassen wird. In diesem Fall berühren die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. direkt und indem man einen oder beide Sätze der Stäbe aus relativ weichen Zusammensetzungen herstellt, können die erforderlichen Druckschwankungen des Flächenkontaktes bzw. der flächenmäßigen Berührung (und damit der elektrische Kontaktwiderstand) an den beeinflußten Kreuzungsstellen erreicht werden.
Schließlich kann der Fühler auch so ausgebildet werden, daß nur ddß leitenden Stäbe der oberen Schicht eine Härte aufweisen, die größer ist als diejenige der Zwischenschicht, oder so, daß nur die leitenden Stäbe der Bodenschicht eine Härte haben, die größer ist als diejenige der Zwischenschicht.
Es ist auch möglich, daß die obere Fläche 10 der oberen Schicht 4 mit einer Struktur oder einem Gefüge ausgeführt wird und eine profilartige Kontur aufweist (tread-
like), um die Traktion zu verbessern. Ferner braucht der Fühler auch nicht eben über seine gesamte Fläche hinweg ausgeführt sein, sondern es können jede seiner Flächen und deren zugeordnete Struktur aus Segmenten einer Kugel oder eines Zylinders bestehen.
Diese und weitere ähnliche Abwandlungen sind für einen Fachmann offensichtlich und fallen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.
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Claims (12)

  1. GRÜNECKER. KINKELDEY. STOCKMAIR & PARTNER
    PATENTANWÄLTE
    Et-MfVCAN PATENT ATTOHNgYS
    A GRÜNECKER. ow-hno
    DR H. KINKELOEY. on·«»
    DR W STOCKMAIR. o«.*«.«·««.nre·*
    DR K SCHUMANN, oufkh
    P H JAKOB, [nw
    OR G BEZOLO. tm. ohek
    W MEISTER. M.«l
    H HILGERS. ολ.«ο
    DR H MEYER-PLATH. ο«--««.
    10 BARRY WRIGHT CORPORATION One Newton Executive Park Newton Lower Falls, MA 02162 USA
    eOOO MÜNCHEN 22 MAXtMtUANSTRASSH 5*
    P 18529
    Tastfühler für eine Roboter-Greifvorrichtung oder ^ ähnlichem
    Patentansprüche
    \J IJ Tastfühler zum Fühlen des von einem mit dem Fühler in Berührung gelangenden Gegenstandes ausgeübten Druckes, 30 dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler in Schichtbauweise aufgebaut ist und folgendes enthält:
    a) eine obere Schicht (4) aus einem flexiblen, elektrisch
    isolierendem Material und einer ersten Anzahl flexibler 35 leitender Stäbe (18A, 18B, 18C usw.)/ die zueinander
    parallel verlaufen;
    b) eine Bodenschicht (8) aus einem elektrisch isolierenden Material und einer zweiten Anzahl leitender ; Stäbe (28A, 28B, 28C usw.)/ die zueinander parallel verlaufen, wobei die Bodenschicht (8) relativ zur
    oberen Schicht (4) derart angeordnet ist, daß die j
    Stäbe (18a, 18B, 18C usw.) entsprechend der ersten i
    Anzahl von Stäben sich in einem Winkel zu den Stäben (28A, 28B, 28C) usw) entsprechend der zweiten Anzahl von Stäben erstrecken und dadurch eine Fühleranordnung (2) gebildet ist, die mehrere überlagerungs-Kreuzungsstellen aufweist, die in einem Gittermuster angeordnet sind? und
    c) eine Zwischenschicht (6) aus einem nachgiebigen, elektrisch isolierendem Material und mit mehreren leitenden Stangen (36), die sich quer zu der oberen Schicht (4), der Bodenschicht (8) und der Zwischenschicht (6) erstrecken, wobei diese leitenden Stangen
    (36) aus einem nachgiebigen Material bestehen und so angeordnet sind, daß eine der leitenden Stangen (36) an jedem der Kreuzungsstellen gelegen ist, um elektrisch einen der leitenden Stäbe (18A, 18B, 18C usw.) der oberen Schicht (4) mit einem der leitenden Stäbe (28A, 28B, 28e usw.) der Bodenschicht (8) zu koppeln.
  2. 2. Tastfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Stäbe (18A, 18B, 18C usw.^ , 28Af 28B1 28C usw.) der oberen Schicht (4) und der Bodenschicht (8) alle ein Querschnittsprofil aufweisen, welches im wesentlichen dem Querschnittsprofil eines Schiffsrumpfes entspricht (gemäß Fig. 3).
  3. 3. Tastfühler nach Anspruch 1 oder 2, daaurch gekennzeichnet, daß die leitenden Stäbe (18A, 18B, 18C usw., 28A, 28B, 28C usw.) aus einem flexiblen Material bestehen.
  4. 4. Tastfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Stäbe (18A, 18B, 18C, usw., 28A, 28B, 28C usw.) von wenigstens der oberen Schicht (4) oder der Bodenschicht (8) eine Härte aufweisen, die größer ist als die Härte der Zwischenschicht (6).
  5. 5. Tastfühler nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible, elektrisch isolierende Material der oberen Schicht (4) aus einem Polymer besteht, das elektrisch isolierende Material der Bodenschicht (8) aus einem Polymer besteht und das nachgiebige , elektrisch isolierende Material der Zwischenschicht (6) aus einem Polymer besteht, und daß die leitenden Stangen (36) aus einem Polymer bestehen, welches mit einem leitenden Material vermischt ist.
  6. 6. Tastfühler nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Stäbe (18A, 18B, 18C usw., 28A, 28B, 28C usw.) aus Polymeren bestehen.
  7. 7. Tastfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet,
    daß sechszehn leitende Stäbe (18A, 18B, 18C usw.) in der oberen Schicht (4) und sechszehn leitende Stäbe (28A, 28B, 28C usw.) in der Bodenschicht (8) vorgesehen sind.
  8. 8. Tastfühler zum Fühlen eines in Berührung mit dem Fühler gelangenden Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler folgende Merkmale aufweist:
    a) eine obere Schicht (4) aus einem flexiblen, elektrisch isolierendem Material mit mehreren ersten leitenden Stäben (18A, 18B, 18C usw.)/ die parallel zueinander verlaufen, wobei die ersten leitenden Stäbe über ihre Längenausdehnung hinweg flexibel ausgebildet sind und ein Querschnittsprofil aufweisen, welches im wesentlichen dem Querschnittsprofil eines Schiffsrumpfes (gemäß Fig. 3) entspricht;
    b) eine Bodenschicht (8) aus einem elektrisch isolierenden Material mit mehreren zweiten leitenden Stäben (28A, 28b, 28c usw.), die parallel zueinander verlaufen, wobei die zweiten leitenden Stäbe ein Querschnittsprofil aufweisen, welches im wesentlichen dem Querschnittsprofil eines Schiffsrumpfes entspricht (gemäß Fig. 3) und wobei/die Bodenschicht (8) relativ zur oberen Schicht (4) derart angeordnet ist, daß die zweiten leitenden Stäbe (28A, 28B, 28C,usw.) sich in einem Winkel zu den ersten leitenden Stäben (18A, 18B, 18c, usw.) erstrecken und dadurch eine Fühleranordnung (2) gebildet wird, die mehrere Übereinanderliegende Kreuzungsstellen aufweist, die gemäß einem Gittermuster angeordnet sind; und c) eine Zwischenschicht (6) aus einem nachgiebigen Material, welches elektrisch leitfähig ist.
  9. 9. Tastfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten leitenden Stäbe (18A, 18B, 18C, usw.) und die zweiten leitenden Stäbe (28A, 28B, 28C usw.) aus dem gleichen Material bestehen.
  10. 10. Tastfühler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten leitenden Stäbe (18A, 18B, 18C, usw.) und die zweiten leitenden Stäbe (28A, 28B, 28C, usw.) eine Härte aufweisen, die größer ist als die Härte der Zwischenschicht (6).
    -δ-1
  11. 11. TastfUhler nach einem der Ansprüche ö-1G, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible, elektrisch isolierende Material der oberen Schicht (4) aus einem Polymer besteht, daß das elektrisch isolierende Material der Bodenschicht (8) aus einem Polymer besteht, und daß die Zwischenschicht (6) aus einem Polymer besteht, welches mit einem leitenden Material vermischt ist.
  12. 12. Taatfühler nacn einem der Ansprücne Ö-11,dadurch gekennzeichnet, daß sechszehn leitende Stäbe (18A, 18B, 18C, usw) in der oberen Schicht (4) und sechszehn leitende Stäbe (28A/28B, 28C, usw.) in der Bodenschicht (8) vorgesehen sind.
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