CH664831A5

CH664831A5 - Tastsensor.

Info

Publication number: CH664831A5
Application number: CH684/84A
Authority: CH
Inventors: Robert R Peterson; Dale W Schubert; Peter N Cholakis
Original assignee: Wright Barry Corp
Priority date: 1983-03-18
Filing date: 1984-02-13
Publication date: 1988-03-31
Also published as: US4492949A; JPS59175992A; FR2542659B1; CA1233865A; GB8404628D0; FR2542659A1; NL8400708A; GB2137022B; GB2137022A; DE3406093A1; IT8447679A0; IT1177555B

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tastsensor zum Wahrnehmen des Drucks, der von einem ihn berührenden Gegenstand ausgeübt wird.

Industrieroboter sind an sich bekannt. Derartige Roboter sollen den Menschen bei einer Vielzahl von Montagearbeiten ersetzen. Man hat festgestellt, dass es erforderlich ist, wenn derartige Roboter den Menschen bei immer schwierigeren und mit kleinen Teilen befassten Arbeiten wirkungsvoll ersetzen sollen, ein sensorisches Gerät für den Roboter zu entwickeln, das in seinen Funktionen den verschiedenen Sinnen gleichwertig ist, die dem Menschen von Haus aus eigen sind, z.B. Gesichtssinn, Hörsinn usw.

Für schwierige und mit kleinen Teilen befasste Montagearbeiten ist der Tastsinn von besonderer Bedeutung. Der Tastsinn kann Bedeutung haben für Nahmontage, wobei das Sehen durch Arme oder andere Gegenstände beeinträchtigt sein kann, und der Tastsinn kann Bedeutung haben für die sensorische Rückmeldung, die erforderlich ist für das feste Anfassen von schwierigen Gegenständen, die dabei aber nicht beschädigt werden dürfen. Der Tastsinn kann auch ein wertvolles Mittel darstellen, um zwischen Gegenständen von unterschiedlicher Grösse, Form und Masse zu unterscheiden. Aus diesem Grunde sind bereits verschiedenartige Tastsensoren zur Verwendung an Industrierobotern entwik-kelt worden.

Ein derartiger, von William D. Hillis und John Hollerback entworfener Tastsensor ist in der Arbeit «How smart robots are becoming smarter» von Paul Kunnucan beschrieben worden (High Technology Magazine, Sept./Okt., Seiten 32, 36, Technology Publishing Company). Dieser Tastsensor besitzt 256 druckempfindliche elektrische Schalter, die in einem Gittermuster von 16x16 Stück angeordnet sind.

Wenn ein Gegenstand den Sensor berührt, werden die zugehörigen Schalter getriggert, so dass ein Muster von elektrischen Signalen entsteht, das dem «Gefühlsschema» des den Sensor berührenden Gegenstands entspricht. Der Sensor von Hillis und Hollerback ist entstanden, indem ein Stück einer üblichen Strumpfhose zwischen eine obere Schicht, die aus einem Stück elektrisch nicht leitendem Silikonkautschuk, das längs sechzehn zueinander paralleler Geraden mit leitendem Graphit getränkt war, und eine untere Schicht gelegt wurde, die aus einer Schaltkarte mit sechzehn zueinander parallel laufenden leitenden Geraden auf der Karte gebildet war. Hillis und Hollerback richteten ihre obere und untere Schicht derart zueinander aus, dass die sechzehn zueinander parallelen leitenden Geraden der oberen Schicht senkrecht zu den sechzehn zueinander parallelen leitenden Geraden der unteren Schicht verliefen, wodurch sich ein sensorisches Muster ergab, das aus 256 übereinanderliegenden Kreuzungspunkten in einem 16 x 16-Gitter bestand. Die leitenden Geraden der oberen Schicht werden normalerweise von der Strumpfhose in Abstand von den leitenden Geraden der unteren Schicht gehalten. Wenn aber ein Gegenstand den Sensor berührt und einen erforderlichen Mindestdruck auf den Sensor ausübt, berühren die leitenden Geraden einander durch die Maschen der Strumpfhose hindurch an denjenigen Kreuzungspunkten, die unterhalb der druckbeaufschlagten Punkte gelegen sind, so dass an bestimmten Stellen ein Strom zwischen der oberen und der unteren Schicht zu fliessen vermag, woraus sich ein Muster von elektrischen Signalen ergibt, das dem «Gefühlsschema» des den Sensor berührenden Gegenstands entspricht.

Das gleiche Prinzip dürfte einer weiteren Veröffentlichung «Active touch sensing» von William Daniel Hillis zugrunde liegen (veröffentlicht von dem MIT Artificial Intelligence Laboratory als M.I.Memo 629). In dieser zweiten Veröffentlichung beschreibt Hillis unter anderem den Ersatz der

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Strumpfhose als Zwischenschicht durch eine andersartige Trennschicht, die aus nichtleitender Anstrichfarbe besteht. Diese nichtleitende Anstrichfarbe wird unmittelbar auf die Unterseite der oberen Schicht in Form eines feinen Nebels gesprüht, so dass sie an dieser Schicht als eine Ansammlung von in gegenseitigem Abstand aufliegenden nichtleitenden Flecken haftet. Die leitenden Geraden der oberen Schicht haben dank der aufgesprühten Schicht von nichtleitender Farbe normalerweise Abstand von der leitenden Geraden der unteren Schicht. Wenn ein Gegenstand den Sensor berührt und einen erforderlichen Mindestdruck auf den Sensor ausübt, stellen die leitenden Geraden der oberen Schicht den Kontakt mit den leitenden Geraden der unteren Schicht durch die Zwischenräume, die zwischen benachbarten Flecken der nichtleitenden Anstrichfarbe verbleiben, an den Kreuzungspunkten her, die sich unter den druckbeaufschlagten Punkten befinden, wodurch ein Strom an ausgewählten Stellen zwischen der oberen und der unteren Schicht fliesst, so dass ein Muster von elektrischen Signalen entsteht, das dem «Gefühlsschema» des den Sensor berührenden Gegenstandes entspricht.

In der US-Patentschrift 4 208 648 wird ein weiterer Tastsensor beschrieben, der 256 in einem 16 x 16-Gitternetz angeordnete elektrische Schalter aufweist, so dass, wenn ein Gegenstand den Sensor berührt, die entsprechenden Schalter getriggert werden; dadurch entsteht ein Muster von elektrischen Signalen, das dem «Gefühlsschema» des den Sensor berührenden Gegenstands entspricht. Der Tastsensor nach der US-Patentschrift 4 208 648 unterscheidet sich in vielen Einzelheiten seines Aufbaus und seiner Arbeitsweise wesentlich von den zuvor erwähnten Sensoren. Insbesondere besitzt der in der US-Patentschrift 4 208 648 beschriebene Sensor drei getrennte Schichten, die übereinander angeordnet sind. Die obere Schicht besteht aus einem elastischen, elektrisch isolierenden Werkstoff, in dem ein erster Satz von sechzehn parallel zueinander verlaufenden leitenden Geraden angeordnet ist. Die untere Schicht besteht aus einem elastischen, elektrisch isolierenden Werkstoff, in dem ein zweiter Satz von sechzehn parallel zueinander verlaufenden leitenden Geraden angeordnet ist. Die untere Schicht ist gegenüber der oberen Schicht in der Weise angeordnet, dass der zweite Satz leitender Geraden rechtwinklig zu dem ersten Satz leitender Geraden verläuft, so dass sich eine sensorische Anordnung aus 256 übereinanderliegenden Kreuzungspunkten in einem 16 x 16-Gittermuster ergibt. Die Zwischenschicht besteht aus einem Kunstharzwerkstoff, der in seinem unbeanspruchten Zustand in gewissem Umfang elektrisch leitend ist und dessen Leitfähigkeit durch Komprimieren erhöht wird. Wenn ein Gegenstand einen erforderlichen Mindestdruck auf den Sensor ausübt, wird die Leitfähigkeit der Zwischenschicht an den unterhalb der druckbeaufschlagten Punkte liegenden Stellen verändert. Infolgedessen wird auch der zwischen dem ersten und dem zweiten Satz leitender Geraden fliessende Strom an den druckbeaufschlagten Stellen geändert, und es entsteht ein Muster von elektrischen Signalen, das dem «Gefühlsschema» des den Sensor berührenden Gegenstandes entspricht.

Nachteiligerweise zeigen die oben beschriebenen Tastsensoren mindestens einen der nachstehend aufgezählten Mängel: (1) nicht ausreichende Zuverlässigkeit, (2) geringe Haltbarkeit, (3) hohe Herstellungskosten, (4) beträchtliche Schwierigkeiten bei der Herstellung, (5) begrenzte Empfindlichkeit, (6) komplizierte «Übersprech»-Signale (wobei das Stromsignal durch die Zwischenschicht an Stellen hindurchtritt, die nicht an den druckbeaufschlagten Stellen liegen) und (7) eine nur begrenzt brauchbare Druck/Strom-Beziehung.

Bei diesem Sachverhalt liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Tastsensor zu entwickeln, der die oben angesprochenen Nachteile nicht oder zumindest nur in geringerem Umfang aufweist.

s Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Tastsensor gelöst, der durch die kennzeichnenden Merkmale aus dem Patentanspruch 1 festgelegt ist. Ausführungsformen davon gehen aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 hervor.

i« Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert, in der gleiche Gegenstände durch übereinstimmende Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

15 Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Teil der erfindungsgemässen Anordnung in der bevorzugten Ausfüh-rungsform;

Fig. 2 stellt einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1 dar;

Fig. 3 ist eine massstäbliche Darstellung der Querschnitts-20 form der leitenden Stäbe, die bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Figuren 1 und 2 verwendet werden;

Fig. 4 zeigt als Blockdiagramm eine im Rahmen der Erfindung benutzte elektronische Steuerschaltung, und die

Fig. 5 bis 8 stellen andere mögliche Ausführungsformen 25 der Erfindung dar.

Nach den Figuren 1 und 2 besteht der Tastsensor 2 allgemein aus drei übereinandergelegten getrennten Schichten : einer oberen Schicht 4, einer Zwischenschicht 6 und einer 30 unteren Schicht 8.

Die obere Schicht 4 besteht aus einem biegsamen, elektrisch isolierenden, abriebfesten Werkstoff. Vorzugsweise wird die obere Schicht 4 aus einem Polymermaterial, etwa einem Elastomer, beispielsweise einer Mischung aus Polybu-35 tadien und Naturkautschuk, hergestellt und hat eine Härte von etwa 50 bis 60 Shore A2-Härteeinheiten. Die Schicht 4 hat eine ebene Oberseite 10 und eine ebene Unterseite 12 mit einer Mehrzahl von zueinander parallel laufenden Nuten 14. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind sechzehn Nuten 40 14 vorgesehen.

In jeder Nut 14 ist mittels eines Klebers oder auf ähnliche Weise ein leitender Stab 18A, 18B, 18Cusw. befestigt. Die Stäbe 18A, 18B, 18Cusw. bestehen aus biegsamem, leitendem Werkstoff. Vorzugsweise sind die Stäbe 18A, 18B, 18C usw. aus einem Polymerelastomer, beispielsweise Chloropren, hergestellt, der einen Zusatz eines geeigneten leitenden Materials, z.B. Russ, erhalten hat. Die Stäbe 18A, 18B, 18C usw. sind so gefertigt, dass sie eine Härte zwischen etwa 70 und 80 Shore A2-Härteeinheiten besitzen.

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Die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18Cusw. haben eine solche Form erhalten, dass sie in ihrem Mittelteil (d.h. den Teilen der Stäbe, die neben der Zwischenschicht 6 verlaufen) jeweils ein Querschnittsprofil aufweisen, das im ganzen gesehen 55 dem Querschnittsprofil eines Schiffsrumpfs ähnelt. In seinen Einzelheiten ist das Querschnittsprofil der Mittelabschnitte der Stäbe 18A, 18B, 18C usw. in Fig. 3 wiedergegeben. Diese Figur zeigt, dass die Mittelabschnitte der leitenden Stäbe eine Doppelkrümmung nach einer vorgegebenen Funktion auf-60 weisen, und dass ein Abschnitt 19 nasenartig vorspringt. Die Nuten 14 und die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. sind so aneinander angepasst, dass die vorspringenden Nasenabschnitte 19 der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. bis unter die Unterseite 12 der oberen Schicht 4 reichen (vgl. Fig. 2). 65 Wie weiter unten im einzelnen besprochen werden soll, sind die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. an ihren Enden (d.h. an den Abschnitten der Stäbe, die über den Bereich der Zwischenschicht 6 nach draussen vorstehen) so ausgeführt, dass

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jedes im wesentlichen Rechteckquerschnitt besitzt, wie das in Fig. 1 bei 18'D, 18'E, 18'F usw. angedeutet ist.

Die untere Schicht 8 besteht aus einem starren elektrisch ifiûIiêfêftdenW erkstoff, etwa aus einem nichtleitenden Polymer oder einem der Werkstoffe, die üblicherweise für die Herstellung von Schaltungskartenunterlagen benutzt werden, beispielsweise aus harzgetränkten Glasfaserplatten. Die Schicht 8 besitzt eine ebene Oberseite 20 und eine ebene Unterseite 22 und ist mit einer Mehrzahl von flachen leitenden Kupferschienen 26A, 26B, 26C usw. versehen. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden sechzehn Schienen 26A, 26B, 26C usw. verwendet. Die Schienen 26A, 26B, 26C usw. werden an der Oberseite 20 der unteren Schicht 8 durch Aufkleben oder auf andere gleichwertige Weise befestigt. Die Schienen 26A, 26B, 26C usw. sind gegenüber der unteren Schicht 8 so ausgeführt, dass ein Endabschnitt jeder Schiene über das Ende der unteren Schicht 8 hinaus reicht, wie das in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist.

Auf der unteren Schicht 8 liegt ausserdem eine Mehrzahl von leitenden Stäben 28A, 28B, 28C usw. Die leitenden Stäbe 28 A, 28B, 28C usw. stimmen vorzugsweise genau überein mit den oben beschriebenen leitenden Stäben 18A, 18B, 18C usw., abgesehen davon, dass sie keine flachen vorstehenden Enden aufweisen, die den oben erwähnten vorstehenden Enden 18'D, 18'E, 18'Fusw. entsprächen. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind sechzehn Stäbe 28A, 28B, 28C usw. vorgesehen. Die Stäbe 28A, 28B, 28C usw. sind, wie in den Figuren 1 und 2 erkennbar, vorzugsweise mit einem Kleber oder einem ähnlich wirkenden Mittel befestigt, so dass die Stäbe 28A, 28B, 28C usw. in gutleitender Verbindung mit den Schienen 26A, 26B, 26C usw. stehen.

Die untere Schicht 8 ist gegenüber der oberen Schicht 4 so angeordnet, dass die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. rechtwinklig zu den leitenden Stäben 18A, 18B, 18Cusw. verlaufen, wodurch eine sensorische Gruppierung entsteht, die 256 übereinanderliegende Kreuzungspunkte in der Anordnung eines 16 x 16-Gittermusters aufweist. Vorzugsweise haben die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. gleichen gegenseitigen Abstand, und dasselbe gilt für die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw..

Die Zwischenschicht 6 ist als Kissen 30 aus nichtleitendem Elastomerwerkstoff, z.B. aus Polyurethan, ausgebildet und besitzt eine zwischen etwa 40 und 60 Shore A2-Härteein-heiten liegende Härte. Das Kissen 30 hat ebene Ober- und Unterseiten 32 und 34. Die Zwischenschicht 6 besitzt ferner eine Mehrzahl querverlaufender leitender Stifte 36. Die Stifte 36 erstrecken sich senkrecht zu der Hauptebene des Kissens 30 und reichen von der Oberseite 32 bis zur Unterseite 34 des Kissens. Die leitenden Stifte 36 bestehen aus einem elektrisch leitenden Elastomerwerkstoff. Die Stifte 36 sind vorzugsweise aus einem Material ausgewählter Leitfähigkeit hergestellt, z.B. einem Polymer wie etwa Chloropren mit einem Zusatz von Russ, um es leitfähig zu machen ; die Härte liegt zwischen etwa 50 und 60 Shore A2-Härteein-heiten. Wie die Figuren 1 und 2 erkennen lassen, befindet sich ein leitfähiger Stift 36 an jedem der erwähnten Kreuzungspunkte des Sensors, so dass jeweils einer der leitfähigen Stäbe 18A, 18B, 18C usw. der oberen Schicht 4 mit einem der leitfähigen Stäbe 28A, 28B, 28C usw. der unteren Schicht verbunden ist.

Wenn auf die Oberseite 10 des Sensors keine Kraft ausgeübt wird (vgl. Fig. 2), berühren nur die vorstehenden Nasenabschnitte der leitfähigen Stäbe 18A, 18B, 18Cusw. die leitfähigen Stifte 36, und nur die vorstehenden Nasenabschnitte der leitfähigen Stäbe 28A, 28B, 28C usw. berühren die leitfähigen Stifte 36. Wenn jedoch ein Gegenstand die Oberseite 10 des Sensors berührt und einen gewissen erforderlichen Mindestdruck auf den Sensor ausübt, werden die Schichten 4, 6 und 8 zusammengedrückt, so dass die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und die leitenden Stäbe

28A, 28B, 28C usw. an den druckbeaufschlagten Punkten näher zueinander geführt werden. Wenn die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. an den Druckbeaufschlagungspunkten gegeneinander geführt werden, besteht die Tendenz, die leitenden Stäbe in die weichere Zwischenschicht 6 hineinzudrücken, so dass sich die effektive Flächengrösse des Kontakts mit den an den Druckbeaufschlagungspunkten befindlichen Stiften 36 ver-grössert.. Der elektrische Kontaktwiderstand zwischen den leitenden Stäben und den leitenden Stiften unter den Druckbeaufschlagungspunkten tendiert zu einer entsprechenden Abnahme, so dass bei einer vorgegebenen, zwischen den Stäben 18A, 18B, 18C usw. und den Stäben 28A, 28B, 28C usw. liegenden Spannung der Stromfluss im umgekehrten Verhältnis zu dem Kontaktwiderstand zunehmen wird.

An jedem Kreuzungspunkt des Sensors wird demnach bei dem beschriebenen Aufbau ein druckempfindlicher Schalter gebildet. Werden diese Schalter in einen geeigneten elektrischen Kreis geschaltet, so können sie zusammen ein Muster von elektrischen Signalen liefern, das dem «Gefühlsschema» eines den Sensor berührenden Gegenstands entspricht.

Natürlich müssen die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. über ihre Länge betrachtet ausreichend biegsam sein, so dass die örtliche Druckeinwirkung an einem Kreuzungspunkt sich an benachbarten Kreuzungspunkten nicht wesentlich bemerkbar macht. Gleichzeitig müssen aber die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. ausreichend hart gegenüber den Teilen in der Zwischenschicht 6 sein, so dass sich unter der Druckeinwirkung die Schicht 6 verformt und nicht die leitenden Stäbe. Die (im einzelnen in Fig. 3 wiedergegebene) Querschnittsform, die für die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. gewählt wurde, führt dazu, dass die Druck/Strom-Beziehung des Sensors 2 nichtlinear und im wesentlichen logarithmisch ist, was zur Folge hat, dass sehr kleine Druckänderungen bei sehr geringen Belastungen ebenso deutlich wiedergegeben werden wie grosse Druckänderungen bei starker Belastung. Die Querschnittsform der Stäbe 18A, 18B, 18Cusw. und der Stäbe 28A, 28B, 28C usw. ähnelt dem Querschnittsprofil eines Schiffsrumpfs mit symmetrischen Doppelkrümmungen, wobei die Nasenabschnitte 19 die gewünschte Wirkung erzielen lassen. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die genaue Druck/Strom-Beziehung des Sensors 2 noch von einer Anzahl anderer Faktoren abhängt, z.B. von der Dicke der Schichten, der Zusammensetzung der Schichten und daneben von den relativen Härtewerten der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und 28A, 28B, 28C usw. und der leitenden Stifte 36. Durch auswählende Vorgaben der erwähnten Faktoren kann man einen Tastsensor mit der verlangten Empfindlichkeit entwickeln.

Um den Tastsensor 2 praktisch unbeeinflussbar durch bestimmte schädliche Einflüsse, z.B. Wasser und Öl, zu machen, werden die Ränder der oberen Schicht 4 und der unteren Schicht 8 vorzugsweise über den Rand der Zwischenschicht 6 hinaus geführt, so dass die beiden anderen Schichtenränder zusammengelegt und zu einer dichten Umrandung miteinander verbunden werden können. Insbesondere wird die obere Schicht 4 nach unten gebogen und in der in Fig. 2 gezeigten Weise aufeinandergeklebt. Gleichzeitig werden die vorstehenden Endabschnitte 18'A, 18'B, 18'Cusw. der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18Cusw. abwärtsgebogen (vgl. Fig. 1), so dass sie auf der Oberseite 20 der unteren Schicht 8 zum Rande des Sensors hin verlaufen, und diese vorspringenden Endabschnitte (die, wie oben erwähnt, im wesentlichen Rechteckquerschnitt haben) und Schienen 28A, 26B, 26C

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usw. ragen nach aussen über die abgedichteten Seitenränder des Sensors hinaus und lassen sich an eine geeignete elektrische Schaltung anschliessen.

Fig. 4 zeigt, wie die bevorzugte Ausführungsform des Tastsensors mit einer elektrischen Schaltung zur Verwendung in einem Industrieroboter verbunden werden kann. Diese Schaltung umfasst ganz allgemein einen Rechner 50, der an die Eingangsleitung eines Demultiplexers 52 mit sechzehn Ausgängen gelegt ist. Der Rechner 50 liegt ausserdem über eine (gestrichelt gezeichnete) Steuerleitung an dem Démultiplexer. Die sechzehn Ausgangsleitungen des Demultiplexers 52 sind mit den vorspringenden Endabschnitten der jeweils zugeordneten leitenden Stäben 18A, 18B, 18Cusw. des Sensors 2 verbunden. Die sechzehn vorspringenden Endabschnitte der Schienen 26A, 26B, 26C usw. des Sensors 2 werden an die zugeordneten sechzehn Eingangsleitungen eines Strom/Spannungs-Wandlers angeschlossen. Die sechzehn Ausgangsleitungen des Wandlers 54 werden an die zugeordneten sechzehn Eingangsleitungen eines Multiple-xers 56 gelegt. Die Ausgangsleitung des Multiplexers 56 ist an einen Analog/Digital-Wandler 58 geführt, und die (gestrichelt gezeichnete) Steuerleitung des Multiplexers 56 führt an den Rechner 50. Der Ausgang des Wandlers 58 liegt an dem Rechner 50. Der Ausgang des Rechners 50 steht mit einem Roboterrechner 60 in Verbindung, der seinerseits an einer Roboter-Manipulationssteuerung 62 liegt. Die Roboter-Manipulationssteuerung 62 steuert einen Arm oder ein sonstiges Zubehörteil des Roboters, das mit dem Tastsensor 2 zusammenarbeitet. Natürlich handelt es sich bei dem Rechner 50, dem Démultiplexer 52, dem Strom/Spannungs-Wandler 54, dem Multiplexer 56, dem Analog/Digital-Wandler 58, dem Roboterrechner 60 und der Roboter-Manipulationssteuerung 62 um an sich bekannte Geräte.

In einem typischen Fall ist der Sensor 2 an einem Roboter-Zusatzteil so angebracht, dass die starre untere Schicht 8 dem Zusatzteil zugewandt und an ihm befestigt ist, während die biegsame obere Schicht 4 nach aussen zeigt und einen zu behandelnden Gegenstand berühren kann.

Während des Betriebs des Roboters wird die Gegenwart eines Gegenstands auf dem Sensor 2 von der Steuerschaltung auf folgende Weise festgestellt: Der Rechner 50 sendet ein Signal an den Démultiplexer 52, um den leitenden Stab 18A zu speisen. Da der leitende Stab 18A durch leitende Stifte 36 an den übereinanderliegenden Kreuzungspunkten des Sensors mit jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. verbunden ist, ruft eine Einspeisung des leitenden Stabes 18A einen Strom in jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. hervor. Jedoch variiert der in den jeweiligen Leitungen 28A, 28B, 28C usw. fliessende Strom, wie oben beschrieben, je nach der Grösse des Drucks, der auf den Sensor an den Kreuzungspunkten des leitenden Stabes 18A mit den leitenden Stäben 28 A, 28B, 28C usw. ausgeübt wird. Der Wandler 54 nimmt den in den jeweiligen leitenden Stäben 28 A, 28B, 28C usw. fliessenden Strom über seine Verbindungen zu den Schienen 26A, 26B, 26C usw. auf und wandelt den in jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. fliessenden Strom in eine entsprechende Spannung um. Der Ausgang des Wandlers 54 gelangt dann zum Multiplexer 56. Der Rechner 50 verwendet den Multiplexer 56 als Verknüpfungseinrichtung, so dass dieser nacheinander den Ausgang von jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. abtasten und die Ausgangs-grössen dem Wandler 58 zuführen kann. Letzterer wandelt diese analogen Spannungsausgänge in Digitalsignale um, die automatisch dem Rechner 50 zugeleitet werden. Dann befiehlt der Rechner dem Démultiplexer 52, den leitenden Stab 18A abzuschalten und den leitenden Stab 18B zu speisen. Da der leitende Stab 18B durch die leitenden Stifte 36 an den übereinanderliegenden Kreuzungspunkten des

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Sensors mit jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. verbunden ist, wird durch Speisen des leitenden Stabes 18B in jedem der leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. ein Strom erzeugt. Jedoch ändert sich, wie bereits oben erwähnt, der in jeder der Leitungen 28A, 28B, 28C usw. fliessende Strom von einer zur anderen nach Massgabe der Druckkraft, die auf den Sensor an den Kreuzungspunkten des leitenden Stabes 18B mit den leitenden Stäben 28A, 28B, 28C usw. ausgeübt wird. Der Rechner nutzt dann in der obenbeschriebenen Weise die Schaltung, um nacheinander den Ausgang abzutasten, der von den leitenden Stäben 28A, 28B, 28C usw. geliefert wird, und um die Ausgangsgrösse dem Wandler 58 zuzuleiten. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig, bis der Rechner 50 die elektrischen Signale aller 256 Kreuzungspunkte auf dem Sensor abgetastet und die Digitalwerte so zusammengesetzt hat, dass sich ein Schluss hinsichtlich der Anwesenheit eines Gegenstandes auf dem Tastsensor ziehen lässt. Dann gibt der Rechner 50 diese Digitalinformation an den Roboterrechner 60 weiter, der automatisch nach Bedarf die Roboter-Manipulationssteuerung 62 betreibt.

Die hier beschriebene und gezeichnete bevorzugte Ausführungsform der Erfindung hat gegenüber dem Stande der Technik zahlreiche Vorteile.

Zunächst hat der angegebene Tastsensor einen grossen Empfindlichkeitsumfang. Die besondere Gestaltung der leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und 28 A, 28B, 28C usw. bewirkt, dass die Signalausgangsgrösse des Sensors sich logarithmisch mit den Berührungsdrücken ändert, so dass der Sensor in der Lage ist, kleinste Änderungen des Drucks bei sehr geringer Belastung ebenso wie starke Änderungen des Drucks bei sehr hoher Belastung festzustellen.

Zweitens arbeitet der angegebene Sensor verhältnismässig zuverlässig, ist dauerhaft, billig in der Fertigung und einfach herzustellen.

Drittens besitzt der angegebene Sensor eine Zwischenschicht, die leitend nur an den übereinanderliegenden Kreuzungspunkten des Sensors ist, so dass Signale zwischen den leitenden Stäben der oberen und der unteren Schicht nur an den Kreuzungspunkten passieren können.

Viertens ist der Tastsensor gegenüber seiner Umgebung vollständig abgeschlossen, so dass er unter den verschiedensten ungünstigen Arbeitsbedingungen eingesetzt werden kann.

Natürlich können an der bevorzugten Ausbildung des Erfindungsgegenstandes im Rahmen der Erfindung Abänderungen vorgenommen werden.

Beispielsweise können an dem Tastsensor 2 mehr oder weniger als sechzehn leitende Stäbe 18A, 18B, 18Cusw. und mehr oder weniger als sechzehn leitende Stäbe 28A, 28B, 28C usw. vorgesehen werden. Man kann die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. auch unter einem anderen als einem rechten Winkel gegenüber den leitenden Stäben 28 A, 28B, 28C usw. verlaufen lassen.

Wahlweise kann man die leitenden Stifte 36 mit einem von dem Kreisquerschnitt nach den Figuren 1 und 2 abweichenden Querschnitt versehen, ihnen beispielsweise einen quadratischen oder sonstigen willkürlichen Querschnitt geben; ebenso ist für die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und 28A, 28B, 28C usw. eine andere Querschnittsform denkbar, als sie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist, beispielsweise ist ein Dreiecksquerschnitt möglich.

Ausserdem braucht die untere Schicht 8 des Sensors nicht steif oder starr ausgebildet zu sein, sondern kann aus biegsamem Werkstoff bestehen, beispielsweise aus dem Material für die üblichen biegsamen Schaltkarten oder aus einem Werkstoff, der dem Werkstoff für die obere Schicht 4 ähnlich ist oder mit ihm übereinstimmt.

Offenbar lässt sich auch das Ankoppeln des Tastsensors 2

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an die elektrische Schaltung nach Fig. 4 abwandeln. Beispielsweise können die Ausgangsleitungen des Demultiplexers 52 an die Schienen 26A, 26B, 26C usw. und die Eingangsleitungen zum Wandler 54 an die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. geführt sein. Der Rechner kann auch so programmiert sein, dass er den Strom, der durch die Kreuzungspunkte des Sensors fliesst, in einer anderen als der angegebenen Reihenfolge abtastet. Schliesslich kann der Sensor 2 auch mit einer von der Schaltung nach Fig. 4 völlig abweichenden Schaltung verwendet werden.

Nach Fig. 5 ist der Werkstoff zwischen den Nuten in der oberen Schicht 4, wie mit 100 angedeutet, in Längsrichtung weiter nach unten geführt, so dass die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. normalerweise die in der Zwischenschicht 6 angeordneten Stifte 36 nicht berühren. Dadurch entsteht ein Sensor, der einen von Null verschiedenen Schwellendruck erfordert, bevor ein elektrisches Signal zwischen den leitenden Stäben 18A, 18B, 18Cusw. der oberen Schicht 4 und den leitenden Stäben 28A, 28B, 28C usw. der unteren Schicht 8 übergehen kann.

Andererseits kann auch, wie in Fig. 6 dargestellt, die in den Figuren 1 und 2 angegebene Zwischenschicht 6 gegen eine neue Zwischenschicht 6' ausgetauscht werden, die als einheitliche Platte aus einem leitenden Elastomerwerkstoff ausgeführt ist, beispielsweise einem Silikonkautschuk mit eingelagerten leitenden Teilchen, wie Kohlenstoff-, Silber-, Kupfer- oder ähnlichen Teilchen (vgl. US-Patentschrift 4 208 648).

Ferner können, wie in Fig. 7 gezeichnet, die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. so ausgeführt sein, dass sie über ihre gesamte Länge im wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben, und die leitenden Stifte 36 können so ausgebildet sein, dass ihre vorspringenden Enden Querschnittspro-file haben, die einem Schiffsrumpf ähneln, wie das oben im Zusammenhang mit den Stäben 18A, 18B, 18C usw. und den Stäben 28A, 28B, 28C usw. beschrieben worden ist. Natürlich s haben bei dieser Ausführungsform die Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und 28A, 28B, 28C usw. eine Härte, die niedriger ist als diejenige der Stifte 36, damit die Stäbe 18A, 18B, 18C usw. und 28A, 28B, 28C usw. unter der Einwirkung des Drucks auf die Oberseite des Sensors 2 verformt werden, während die io Stifte 36 im wesentlichen unverformt bleiben.

Ferner ist, wie Fig. 8 zeigt, vorgesehen, die Zwischenschicht 6 vollständig fortfallen zu lassen. In diesem Falle würden die leitenden Stäbe 18A, 18B, 18C usw. die leitenden Stäbe 28A, 28B, 28C usw. unmittelbar berühren, und wenn 15 eine der Stabgruppen oder beide Gruppen von Stäben aus verhältnismässig weichen Werkstoffen hergestellt würden, könnten die erforderlichen druckbedingten Änderungen des Oberflächenkontakts (und damit des elektrischen Kontaktwiderstands) an den betroffenen Kreuzungspunkten erreicht werden.

Schliesslich kann der Sensor auch so ausgeführt werden, dass nur die leitenden Stäbe der oberen Schicht eine Härte haben, die grösser ist als diejenige der Zwischenschicht, oder so, dass nur die leitenden Stäbe der unteren Schicht eine Härte haben, die grösser ist als diejenige der Zwischenschicht.

Es ist auch in Betracht zu ziehen, die Oberseite 10 der oberen Schicht 4 zu strukturieren oder stufenartig auszubilden, um die Griffigkeit zu erhöhen. Ausserdem braucht der Sensor keine ebenen Oberflächen zu besitzen, vielmehr kann jede der Flächen und der zugehörige Aufbau durch Kugel- oder Zylinderabschnitte gebildet werden.

25

B

2 Blatt Zeichnungen

Claims

664 831

1. Tastsensor zum Wahrnehmen des Drucks, der von einem ihn berührenden Gegenstand ausgeübt wird, gekennzeichnet durch einen Schichtaufbau, bestehend aus einer oberen Schicht (4) aus biegsamem, elektrisch isolierendem Werkstoff und einer ersten Mehrzahl biegsamer, leitender Stäbe ( 18A-C), die parallel zueinander angeordnet sind, und einer unteren Schicht (8) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und einer zweiten Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten leitenden Stäben (28A-C), wobei die untere Schicht gegenüber der oberen Schicht so angeordnet ist, dass die Stäbe aus der ersten Mehrzahl von Stäben unter einem Winkel zu den Stäben der zweiten Mehrzahl von Stäben verlaufen, so dass eine sensorische Gruppierung entsteht, die eine Vielzahl von übereinanderliegenden Kreuzungspunkten aufweist, die in einem Gittermuster angeordnet sind.

2. Tastsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen der oberen und der untern Schicht (4,8) eingebetteten Zwischenschicht (6) aus einem elastischen, elektrisch isolierenden Werkstoff und einer Vielzahl von quer zu der oberen, der unteren und der Zwischenschicht sich erstreckenden elektrisch leitenden Stiften (36), die aus einem elastischen Werkstoff bestehen und so angeordnet sind, dass sich jeweils ein leitender Stift (36) an jedem Kreuzungspunkt befindet, so dass jeweils einer der leitenden Stäbe der oberen Schicht mit jeweils einem der leitenden Stäbe der unteren Schicht elektrisch leitend verbunden ist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Tastsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle leitenden Stäbe aus biegsamem Werkstoff bestehen.

4. Tastsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Stäbe der oberen Schicht oder der unteren Schicht oder beider Schichten eine Härte besitzen, die grösser ist als die Härte der Zwischenschicht.

5. Tastsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der biegsame, elektrisch isolierende Werkstoff der oberen Schicht aus einem Polymer besteht, dass der elektrisch isolierende Werkstoff der unteren Schicht aus einem Polymer besteht, dass der elastische, elektrisch isolierende Werkstoff der Zwischenschicht aus einem Polymer besteht, und dass die leitenden Stifte (36) aus einem Polymer bestehen, dem ein leitender Werkstoff zugemischt ist.

6. Tastsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Stäbe aus Polymeren bestehen.

7. Tastsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der oberen Schicht und in der unteren Schicht je sechzehn leitende Stäbe angeordnet sind.

8. Tastsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten leitenden Stäbe ein Querschnittsprofil besitzen, das im wesentlichen der Querschnittsform eines Schiffsrumpfes entspricht (Fig. 3).

9. Tastsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten leitenden Stäbe und die zweiten leitenden Stäbe aus dem gleichen Werkstoff bestehen.

10. Tastsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der ersten leitenden Stäbe und der zweiten leitenden Stäbe grösser ist als die Härte der Zwischenschicht.

11. Tastsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der biegsame, elektrisch isolierende Werkstoff der oberen Schicht aus einem Polymer besteht, dass der elektrisch isolierende Werkstoff der unteren Schicht aus einem Polymer besteht, und dass die Zwischenschicht aus einem Polymer besteht, dem ein leitender Werkstoff zugemischt ist.

12. Tastsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der oberen Schicht und in der unteren Schicht jeweils sechzehn leitende Stäbe vorgesehen sind.