DE19527957C1

DE19527957C1 - Taktiler, optoelektronischer Drucksensor

Info

Publication number: DE19527957C1
Application number: DE19527957A
Authority: DE
Inventors: Harald Fischer; Rainer Wolf; Lothar Gamer
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1995-07-29
Filing date: 1995-07-29
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2015-07-30
Also published as: US5965880A; EP0842405A1; WO1997005461A1; EP0842405B1; DE59607423D1

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Drucksensor. Ein solcher Drucksensor besteht aus einem taktilen Teil, der eine Druckausübung auf seine drucksensitive Fläche durch eine Lichtintensitätsänderung beantwortet. Diese Änderung der Lichtintensität wird über eine Lichtübertragungsstrecke auf eine Bilderfassungseinrichtung gelenkt und aufgenommen. Eine an die Bilderfassungseinrichtung angeschlossene Datenverarbei tungsanlage steuert diese und liest die intensitätsrelevanten Daten aus. Die Druckeinwirkung auf die drucksensitive Fläche läßt sich dann darstellen, oder es können entsprechende Steu erbefehle an angeschlossene Bedieneinrichtungen oder Empfin dungseinrichtungen geleitet werden.

Solche Drucksensoren können für vielerlei Zwecke eingesetzt werden. So kommen sie als Tasteinrichtung in der Robotertech nik in Frage. Es kann eine Oberfläche mit ihnen ertastet wer den. In der Medizin können mit solchen Sensoren Gewebepartien oder Organe betastet werden.

Ein Druckarray wird z. B. in einer laparo skopischen Faßzange verwendet, um die Druckdaten zu erfassen. Der Sensor basiert auf einem halbleitenden Polymer, das bei Beaufschlagung von äußerem Druck seinen Widerstand ändert. Diese nur für dynamische Druckerfassung geeigneten Druckdaten werden nach graphischer Darstellung auf einem PC-Monitor wie der auf ein taktiles System zurückgegeben (siehe Fischer, H. et al., "Messungen der Greifkräfte chirurgischer Zangen mit FSRTM-Sensoren", Interner Bericht, Forschungszentrum KA, HIT, 1994). Das halbleitende Polymer hat die nachteilige Eigen schaft, daß es bei häufiger Betätigung einer raschen Alterung unterliegt, mit sehr hohem Kriechverhalten behaftet ist und somit zur statischen Druckmessung ungeeignet ist, wodurch dann der Rückschluß auf den ausgeübten Druck falsch wird.

Sehr verbreitet sind taktile kapazitive Foliensensoren. Diese bestehen meist aus zwei gekreuzt aufeinandergelegten Kupfer streifen, die durch ein dielektrisches Elastomer voneinander getrennt sind und so eine Matrix aus Kondensatoren bilden (siehe J. Seekircher et al. "Improved tactile sensors", selec ted papers from the 2nd IFAC symposium, Pergamon 1988, p. 317-22). Der Druck auf den Sensor wird in eine Kapazitätsänderung transformiert. Eine solche Einrichtung ist gegen elektromagne tische Felder sehr störanfällig, da die Signalgröße aufgrund der sehr geringen Kapazitätsänderung von 0.6 pF bei d/d = 10% und bei einer Schichtdicke von 30 µm sehr gering ist und somit aufwendige Auswerteverfahren nötig sind.

In der DE 32 36 435 C2 wird ein faseroptischer Sensor be schrieben, bei dem Licht durch ein Rohr geleitet wird, dessen dichte Weite druckabhängig ist und die Intensität des zu einem Lichtempfänger gelangenden Lichts bestimmt. Mit diesem Sensor kann allerdings vom Prinzip her kein Array aus einer Schicht aufgebaut werden.

Ein Druck-Intensitäts-Übertragungsprinzip, das den Bau takti ler Sensoren mit kleiner Bauweise und hoher Auflösung für den Einbau in den Finger eines Robotergreifers ermöglicht, wird in ROBOT SENSORS Volume 2, Tactile and Non-Vision, edited by Prof. A. Pugh, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo, 1986 in dem Beitrag "An Experimental Very High Resolu tion Tactile Sensor Array" auf den Seiten 179 bis 188 von D.H. Mott et al. beschrieben. Fig. 1 auf Seite 181 zeigt das Prin zip der Umsetzung der Druck-Intensität in Licht-Intensität.

Der taktile Teil besteht aus einer durchsichtigen Akryl- Platte, auf die, durch ein Luftkissen getrennt, eine Folie in Form einer nachgiebigen Membran gelegt ist. In die Akryl- Platte wird seitlich Licht eingestrahlt, das im unbelasteten Zustand durch die Platte geht, an den Seitenwänden reflektiert wird und an der gegenüberliegenden Stirnseite austritt. Wird die Membran jedoch durch äußere Druckeinwirkung an irgend ei ner Stelle auf die Akryl-Platte gedrückt, dann kommt es dort zu einer diffusen Reflexion aufgrund der dort geänderten Ver hältnisse im Brechungsindex und Licht strahlt von dort aus durch die Seitenwände.

Das Bild des vom taktilen Sensor diffus reflektierten Lichts wird über optische Einrichtung auf die Eintrittsfläche eines CD-Chips mit vorgeschalteter Optik gelenkt und in einer ange schlossenen Datenverarbeitungsanlage zur Darstellung der Vi deosignale/-bilder oder zur Erzeugung von Steuersignalen für den Robotergreifer weiterverarbeitet. Des weiteren wird die CCD-Camera von der Datenverarbeitungsanlage gesteuert und be trieben. Es werden ausschließlich Videobilder erzeugt mit einer notwendigerweise vorgeschalteten Linsenoptik. Eine Aussage über die aufgebrachte Kraft kann mit diesem System nicht gemacht werden.

Die mit CCD-Chips in der Regel erzeugten Video-Bilder müssen in diesem Zusammenhang hinterher durch aufwendige Bilderken nungsverfahren ausgewertet werden, da wegen der beispielsweise 486 923 Pixel riesige Datenmengen vorliegen. Bei Verwendung von PC-Auswerteeinheiten können riesige Datenmengen, wie sie beim Verschieben in seriellen Schnittstellen vorkommen, zwar abgearbeitet werden. Durch die bei der CCIR-Norm (internatio nale Fernsehnorm) verwendete Hardware erfolgt keinerlei Daten reduktion. Bei späterer Auswertung muß dies durch aufwendige Software-Programme erfolgen. Das Gesamtsystem ist als Video- Einheit schnell, jedoch erfordert die Datenauswertung zwischen der Intensitätsmessung der Lichtverteilung auf dem CCD-Chip sehr viel Zeit. Standard CCD-Auswertungen liefern nur visuelle Bilder ohne Zuordnung des auf dem Sensor aufgebrachten Drucks bzw. der Lichtintensität als Spannungssignal. Sie dienen in der Regel zur visuellen Erkennung von Gegenständen (Texturen, Umrandungen).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, statische als auch dynamische Druckverteilungen an Körpern oder Gegenständen mit hoher Auflösung auf kleiner Fläche absolut und dynamisch zu messen. Hierzu soll ein Drucksensor entwickelt werden. Mit ihm soll das "Fingerspitzengefühl" graphisch auf einem Monitor dargestellt werden können. Ebenso soll ein solcher Sensor zur Ansteuerung von Aktoren geeignet sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen optoelektroni schen Drucksensor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Im Anspruch 2 sind verschiedene vorteilhafte Bauformen für die Lichtübertragungsstrecke gekennzeichnet. Anspruch 3 kennzeich net eine bauliche Schutzmaßnahme, die optoelektronische Schnittstelle von äußeren Einflüssen abschottet.

Die beiden Ansprüche 4 und 5 kennzeichnen Bauformen des opto elektronischen Sensors, die für die eine oder andere Ein satzart zweckmäßig ist.

Um die Datenflut beim Kommunizieren mit dem CCD-Chip optimal und zeitsparend zu beherrschen, wurde ein darauf abgestimmtes Signal- und Datenverarbeitungssystem eingesetzt, das im An spruch 6 gekennzeichnet ist.

Anspruch 7 kennzeichnet eine ganz spezifisch zugeschnittene Hardware-Konfiguration, mit der der CCD-Chip getaktet wird.

Eine nachlassende physikalische Eigenschaft wie bei halblei tenden Polymeren ist bei Elastomeren, EL′s und Lichtwellenlei tern nicht zu erwarten. Durch die geringe Anzahl von Meßdaten, die der Mikroprozessor über die serielle Schnittstelle zur Verfügung stellt, kann im unbelasteten Zustand des taktilen Sensors die Vorkalibrierung (Referenzmessung) erfolgen. Hierzu wird das von der elektrolumineszenten Folie erzeugte Licht, das noch an der andern Seite des perforierten Gummikörpers austritt, in seiner Intensität gemessen. Damit kann eigentlich nach jeder vollständigen Entlastung des perforierten Körpers eine Leerlaufkalibrierung erfolgen, d. h. höchste Abstrahlung an der Lichtaustrittsfläche wird der Nullbelastung des elasto meren, zylindrischen Körpers gleichgesetzt. Ein senkrecht aus geübter Druck auf die mit der elektrolumineszenten Folie abge deckten Seite verkleinert die lichten Querschnitte der Boh rungen bis hin zum vollen Verschluß, womit dann die oberste, quantitativ erfaßbare Druckbelastung auf den Elastomer er reicht wäre. Der Meßbereich kann erweitert oder verringert werden, indem ein Elastomer mit entsprechendem Elastizitätsmo dul ausgewählt wird.

Der Vorteil mit dem Signal- und Datenverarbeitungssystem ge genüber der üblichen Auswertung von CCD-Chips liegt in aber ganz enormen Datenreduzierung des steuernden und treibenden Mikroprozessors um den Faktor 817 × 596 = 486 923 Pixel/64 digi tale Meßwerte nach Zusammenfassung aber entsprechenden Zeilen. Die Zahlenangaben betreffen hier einen ganz bestimmten CCD- Typ. Für andere Anwendungen kann ein anderer CCD-Typ mit mehr oder weniger Pixel auf der lichtempfindlichen Eintrittsfläche interessant sein. Das wird erreicht: einerseits durch die Da tenreduktion über das Konzept der Zeilenintegration und ande rerseits durch die softwaremäßige Zusammenfassung der Meßwerte zu 64 Clustern durch einen schnellen Rechenalgorithmus im Mi kroprozessor. Würde immer nur ein Halbbild ausgelesen werden, könnte eine weitere Datenreduzierung um den Faktor 2 erfolgen. Der entscheidende Vorteil liegt aber in der Zeit, man benötigt dann nur noch die Hälfte davon.

Das liegt daran, daß im Unterschied zur Video-Auswertung von CCD-Chips keine optische Objekterkennung stattfindet, sondern nur eine Aussage über einen örtlichen verteilten Druck durch entsprechend örtlich verteilte Lichtintensität gemacht werden soll. Es sind also nur bestimmte Pixel, nämlich die lichtbe schienen von Interesse, die stets dunkelbleibenden interessie ren nicht. Zudem ist durch dieses Meßverfahren ein sonst übli ches, zusätzliches Linsensystem als Vorschaltoptik nicht mehr notwendig und kann daher entfallen.

Die so gewonnenen Daten können zur Darstellung auf einem Moni tor in Form eines Druckgebirges verwendet werden oder zur An steuerung eines taktilen Arrays, das das Druckprofil auf die Fingerspitzen des Bedieners überträgt. Mit diesem optoelektro nischen Drucksensor bekommt der Betreiber sein Gefühl wieder zurück, obwohl er den Gegenstand nicht unmittelbar betastet.

Der erfindungsgemäß aufgebaute taktile Sensor des optoelektro mischen Sensors hat den Vorteil in seiner Lichteinstrahlung durch die flexible, elektrolumineszente Folie. Das zu beta stende Objekt kann durch etwaige Schattenbildung das Meßergeb nis nicht beeinflussen. Insgesamt ist der optoelektronische Drucksensor durch seinen Aufbau gegen äußere Verschmutzung lückenlos abgeschirmt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrie ben. Es zeigt:

Fig. 1 den taktilen Sensor,

Fig. 2 den taktilen Sensor in eine Zange eingebaut,

Fig. 3 optoelektronische Schnittstelle,

Fig. 4 Blockschaltbild zur Signal- und Datenverarbeitung.

Der im folgenden beschriebene Drucksensor ist für den Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie konzipiert und soll am Ende einer endoskopisch eingesetzten, laparoskopischen Faßzange zur palpatorischen Untersuchung von Gewebe eingebaut werden. Der Chirurg kann sein Fingerspitzengefühl beim Verwenden der heu tigen Greifzange nicht mehr einsetzen, weil taktile Empfin dungen über den mechanischen Aufbau der Instrumente nicht em pfindlich genug übertragen werden. Er versucht deswegen unter bewußt, über die Rezeptoren der Gelenke und Muskeln Informa tion über das zu untersuchende Gewebe zu bekommen. Das sind aber dann mehr oder weniger Lageempfindungen. Zudem erfolgt eine visuelle Kontrolle. Hierbei drückt er das Gewebe bis es weißlich wird und liegt somit immer am oberen Grenzbereich.

Mit einem optoelektronischen Sensor, dessen taktiler Teil in das Maulteil eines zangenförmigen Instruments eingebaut ist, wird eine reproduzierbare und kalibrierte Meßeinheit zur di rekten Messung von statischen und dynamischen Druckprofilen auf sehr kleiner Fläche bereitgestellt. Darüber hinaus ist mit diesem Drucksensor Absolutdruckmessung jederzeit möglich.

Das distale Ende einer Faßzange für den endoskopischen Ge brauch ist in der Regel im Durchmesser nicht größer als 10 mm. Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung des taktilen, opto elektronischen Sensors, Fig. 2 den Einbau desselben in die Faßzange, deren bewegliches Maulteil 10 für paralleles Greifen konstruiert ist, und zwar so, daß auf den taktilen Teil nur senkrecht in Richtung der Bohrungen 2 gedrückt werden kann. Kraftbegrenzung im Griff der Zange sorgt für eine Vorkalibrie rung durch stets gleichmäßiges und definiertes Zusammendrücken der Maulteile.

Der taktile Teil besteht aus dem zylinderförmigen, lichtun durchlässigen Elastomer (Silikonkautschuk) 1 mit der symmetri schen Anordnung von 64 Bohrungen 2. Die Bohrungen 2 sind gleich und haben je eine lichte Weite von 0,35 mm. Die Boh rungen 2 sind Kolimatorbohrungen, die nur senkrechten Licht durchgang erlauben. In den Fig. 1 und 2 sind der Übersicht halber nur wenige Bohrungen 2 angedeutet.

Auf der oberen Seite (Fig. 1) des Elastomers 1 liegt die fle xible, elektrolumineszente Folie 3 unmittelbar auf. Sie ist 0.17 mm dick und liegt mitsamt dem freien Ende des Elastomers 1 unter der weichen Umhüllung 9 aus ebenfalls Silikonkautschuk. Die elektrischen Anschlüsse an der Folie 3 sind nicht einge zeichnet. Bei Anlegen einer Spannung leuchtet die Folie die Bohrungen 2 aus und strahlt durch diese hindurch in die unmit telbar an der andern Seite des Elastomers 1 anliegenden Licht wellenleiter 4. An jeder Bohrung 2 endet ein Lichtwellenleiter 4, der mindestens den Querschnitt der Bohrung 2, höchstens aber 0.5 mm hat. Die Lichtwellenleiterenden sind in dem Hal tekörper 5 unverrückbar gefaßt und werden an den Elastomer 1 gedrückt, so daß die Lichteinkopplung unmittelbar erfolgt.

Wird der Elastomer 1 nicht gedrückt, behalten die Bohrungen 2 ihre größte lichte Weite. Es wird dann die höchste Lichtinten sität in die Lichtwellenleiter 4 eingekoppelt. Wird er in vor gesehener Richtung gedrückt - nicht seitlich oder schräg, da dann die Bohrungen 2 gekrümmt werden - nimmt der Durchmesser der Bohrungen 2 ab und es wird das an den Bohrungen 2 austre tende Licht in seiner Intensität geringer. Der Elastomer 1 ist in dem Schaft 6 so gefaßt, daß er nicht nach außen in radialer Richtung ausweichen kann, also wird die Volumenänderung auf Kosten der lichten Weite der Bohrungen 2 kompensiert. Die Druckeinwirkung kann quantitativ nur solange erfaßt werden, bis der völlige optische Verschluß der Bohrungen 2 durch die Druckeinwirkung einsetzt.

Fig. 3 zeigt schematisch, wie die Lichtwellenleiter 4 auf dem CCD-Chip 7 enden. Hierzu sind diese Enden wiederum in dem Hal tekörper 8 gefaßt und liegen damit unmittelbar auf der Licht eintrittfläche des CCD-Chips 7 an. Wesentlich dabei ist ledig lich, daß die Lichteintrittsfläche des Bündels 12 aus Licht leitern 4 ähnlich der Lichtaustrittsfläche ist und die Enden entsprechend verteilt sind, da dann erst eine örtliche Zuord nung der Lichtintensität zum einwirkenden Druck hergestellt werden kann. Gegen Fremdeinflüsse ist diese optoelektronische Schnittstelle durch ein hermetisch abschließendes Gehäuse 13 abgeschottet. Das Bündel 12 ist flexibel, so daß die optoelek tronische Schnittstelle in Form des CCD-Chip von der Zange fern gehalten werden kann.

Der CCD-Chip wird modifiziert betrieben (nicht nach CCIR=intern. Fernsehnorm), wie in Fig. 4 blockmäßig schematisch darge stellt. Das für diesen Einsatz entwickelte Auswerteverfahren betrifft im wesentlichen die Datenreduzierung und die Verar beitungsgeschwindigkeit der vom CCD-Chip 7 ausgelesenen Si gnale.

Das Zentrum der Auswertung stellt der Mikrocontroller dar, der eine maximale Pixel-Frequenz von 250 kHz zum Ansteuern des CCD- Chips 7 ermöglicht. Der gesamte Zeitablaut ist softwaremäßig gesteuert und damit hier noch sehr flexibel gestaltet. Die Taktimpulse werden durch die externe Treiberstute 15 im Pegel umgesetzt.

Die im CCD-Chip 7 erzeugten Ladungsmengen werden in einer nachfolgenden FET-Spannungsstufe in Spannungssignale umgewan delt. Diese stark temperaturabhängigen Sensorsignale werden dann durch das CDS-System 16 im Analogzweig stabilisiert. Es handelt sich dabei um versetzt getaktete, schnelle Sample & Hold-Glieder, die in Verbindung mit einem nachgeschalteten Differenzverstärker Störkomponenten ausfiltern. Die jetzt stabilisierte Signalspannung gelangt in den Integrator 17, der die einzelnen Signalspannungen aller Pixel aus einer Zeile des CCD-Chip 7 aufsummiert.

Der A/D-Wandler 18 tastet achtmal pro Zeile 19 ab. Durch ein fache Differenzbildung ergeben sich die Werte, die der einge speisten Lichtmenge durch die acht Lichtwellenleiter 4 pro Zeile 19 entsprechen. Damit ist eine Datenreduktion von 817 Pixel-Signalen auf lediglich acht Summen-Signale pro Zeile er folgt.

Werden jetzt noch alle Zeilen 19 zusammengefaßt, die durch ihre Anordnung im vertikalen Beleuchtungsfeld eines Lichtwel lenleiters 4 liegen, erhält man nach Auslesen des kompletten Sensors mit seinen 486 923 Bildpunkten nur die 64 einzelnen Meßwerte, die den flächenmäßig integrierten Lichtmengen der 64 Sensorelemente entsprechen.

Bezugszeichenliste

1 zylindrischer Körper, gummiartiger Körper, Elastomer
2 Bohrung
3 elektrolumineszente Leuchtfolie
4 Lichtwellenleiter, Lichtleitfaser
5 Haltekörper
6 Rohr, Schaft
7 Bilderfassungseinrichtung, CCD-Chip
8 Haltekörper
9 Umhüllung, Kappe
10 bewegliches Maulteil
11 Zugstange
12 Lichtzuführung, Bündel, Lichtübertragungsstrecke
13 Gehäuse
14 Mikrocontroller, Mikroprozessor, PC
15 Treiberstufe
16 CDS-Sytem
17 Integrator
18 A/D-Wandler
19 Zeile

Claims

1. Taktiler, optoelektronischer Drucksensor mit einem licht durchlässigen, zylindrischen Körper (1), der aus einem Ela stomer besteht, mehrere, axial verlaufende Bohrungen (2) aufweist, und dessen erste Stirnwandung mit einer elektro lumineszenten Leuchtfolie (3), die Licht in die Bohrungen (2) richtet, sowie mit einer weichen Kappe (9) versehen ist, über welche der Körper (1) in seiner axialen Rich tung druckbeaufschlagbar ist, mit einem sich in der axialen Richtung an die weiche Kappe (9) anschließenden, den Körper (1) radial festummantelnden, sich über die zweite Stirnwandung hinaus erstreckenden Rohr (6) und mit einem, die zweite Stirnwandung in der axialen Richtung festlegenden Haltekörper (5), über den das die Bohrungen (2) verlassende Licht einer Bilderfassungsein richtung über eine Lichtzuführung (12) zuführbar ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Bohrungen (2) verlassende Licht über eine Stablin senoptik oder ein Bildleitfaserbündel oder ein Lichtleitfa serbündel, wobei beim letzteren jede Faser mindestens den Durchmesser der Bohrung (2) hat, der Bilderfassungseinrich tung zugeführt wird und die Bilderfassungseinrichtung ein CCD-Chip (7) ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Lichtzuführung (12) und den CCD-Chip (7) gebildete optoelektronische Schnittstelle zum Schutz gegen Fremdlicht und Umwelteinflüsse mit einem lichtundurchlässigen Gehäuse (13) umgeben ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Lichtzuführung (12) im Rohr (6) derart gefaßt ist, daß sich ein Druckstabsensor ergibt.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (6) durch den Schaft eines medizinischen Zangen instruments gebildet ist, dessen Druckempfindlichkeit in Richtung der Schaftachse liegt, daß ein bewegliches Maulteil (10) mit einer Auflagefläche, die parallel zur druckbeaufschlagbaren Fläche der weichen Kappe (9) verläuft, vorgesehen ist, und daß die Auflagefläche auf die Kappe zu- und von der Kappe wegbewegt werden kann, so daß dazwischenliegendes Gewebe betastbar ist.

6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Datenverarbeitungsanlage, die eine correlated double Sampling (CDS-) Stufe (16), einen nachfolgenden Integrator (17), einen A/D-Wandler (18) sowie einen Mikro prozessor (14) aufweist, die in dem CCD-Chip (7) vorhandenen, ortsabhängigen, lichtintensitätsproportionalen, elektrischen Signale zu einer Druckprofildarstellung verarbeitet, und daß der Mikroprozessor (14) über eine Treiberstufe (15) den CCD-Chip (7) mit vorgegebener Frequenz taktet.

7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberstufe (15) aus einer angepaßten Hardware-Konfi guration in ASIC-Technik (Application Specific Integrated Circuit) oder FPGA-Technik (Field Programmable Gate Array) besteht.