WO1997005461A1 - Taktiler, optoelektronischer drucksensor - Google Patents

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WO1997005461A1
WO1997005461A1 PCT/EP1996/001810 EP9601810W WO9705461A1 WO 1997005461 A1 WO1997005461 A1 WO 1997005461A1 EP 9601810 W EP9601810 W EP 9601810W WO 9705461 A1 WO9705461 A1 WO 9705461A1
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WO
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pressure sensor
light
pressure
tactile
ccd chip
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PCT/EP1996/001810
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Rainer Wolf
Lothar Gamer
Harald Fischer
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G01L5/226—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping
    • G01L5/228—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping using tactile array force sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/247—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet using distributed sensing elements, e.g. microcapsules
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B17/28—Surgical forceps
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic pressure sensor.
  • a pressure sensor consists of a tactile part that responds to pressure being exerted on its pressure-sensitive surface by a change in light intensity. This change in light intensity is directed to an image acquisition device and recorded via a light transmission path.
  • a data processing system connected to the image capture device controls it and reads out the data relevant to intensity. The effect of pressure on the pressure-sensitive surface can then be represented, or corresponding control commands can be sent to connected operating devices or sensing devices.
  • Such pressure sensors can be used for many purposes. So they come into question as a touch device in robot technology. A surface can be felt with them. In medicine, tissue parts or organs can be touched with such sensors.
  • the Interlink print array is used, for example, in laparoscopic forceps to record the print data.
  • the sensor is based on a semiconducting polymer, which changes its resistance when external pressure is applied. These pressure data, which are only suitable for dynamic pressure detection, are returned to a tactile system after being graphically displayed on a PC monitor (see Fischer, H. et al., "Measurements of the Gripping Force of Surgical Forceps with FSRTM Sensors", Internal Report, Research Center KA, HIT, 1994).
  • the semiconducting polymer has the disadvantageous property that it is subject to rapid aging when operated frequently, has a very high creep behavior and is therefore unsuitable for static pressure measurement, as a result of which the conclusion about the pressure exerted is incorrect.
  • DE 32 36 435 C2 describes a fiber optic sensor in which light is passed through a tube, the clear width of which is dependent on the pressure and determines the intensity of the light reaching a light receiver. In principle, however, this sensor cannot be used to build an array out of one layer.
  • ROBOT SENSORS Volume 2 Tactile and Non-Vision, edited by Prof. A. Pugh, describes a pressure-intensity transmission principle that enables the construction of tactile sensors with a small design and high resolution for installation in the fingers of a robot gripper , Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo, 1986 in the article "An Experimental Very High Resolution Tactile Sensor Array” on pages 179 to 188 of DH Mott et al. described.
  • Figure 1 on page 181 shows the principle of converting the pressure intensity into light intensity.
  • the tactile part consists of a transparent acrylic plate, on which, separated by an air cushion, a film in the form of a flexible membrane is placed. Light is radiated into the side of the acrylic plate, which passes through the plate when unloaded, is reflected on the side walls and emerges on the opposite end. However, if the membrane is exposed to any If the acrylic plate is pressed in one place, there is a diffuse reflection there due to the changed conditions in the refractive index and light radiates from there through the side walls.
  • the image of the light diffusely reflected by the tactile sensor is directed via optical means onto the entry surface of a CCD chip with upstream optics and processed further in a connected data processing system to display the video signals / images or to generate control signals for the robot gripper. Furthermore, the CCD camera is controlled and operated by the data processing system. Only video images are generated, which are generated by a lens optics necessarily connected upstream. A statement about the applied force cannot be made with this system.
  • the video images generally generated with CCD chips must subsequently be evaluated using complex image recognition methods, since huge amounts of data are available, for example, because of the 486,923 pixels.
  • PC evaluation units huge amounts of data, such as occur when moving in serial interfaces, can be processed. Due to the hardware used in the CCIR standard (international television standard), there is no data reduction whatsoever. In the event of later evaluation, this must be done using complex software programs. The entire system is fast as a video unit, but the data evaluation between the intensity measurement of the light distribution on the CCD chip requires a lot of time. Standard CCD evaluations only provide visual images without assignment of the pressure applied to the sensor or the light intensity as a voltage signal. They are usually used for the visual recognition of objects (textures, borders).
  • the invention has for its object to static and dynamic pressure distributions on bodies or objects with high resolution in a small area absolutely and dynamically.
  • a pressure sensor is to be developed. It should be able to graphically display the "tact" on a monitor. Such a sensor should also be suitable for controlling actuators.
  • Claim 3 characterizes a structural protective measure which isolates the optoelectronic interface from external influences.
  • the two claims 4 and 5 identify designs of the optoelectronic sensor which is expedient for one or the other type of application.
  • FIG. 4 of the drawing shows the interaction of the system blocks in the block diagram.
  • Claim 7 characterizes a very specifically tailored hardware configuration with which the CCD chip is clocked.
  • a deteriorating physical property like. in the case of semiconducting polymers, elastomers, ELs and optical waveguides are not to be expected. Due to the small number of measurement data provided by the microprocessor via the serial interface, the pre-calibration (reference measurement) can be carried out in the unloaded state of the tactile sensor. For this purpose, the intensity of the light generated by the electroluminescent film, which still emerges on the other side of the perforated rubber body, is measured. This can actually be done after every complete relief of the perforated body an idle calibration is carried out, ie the highest radiation at the light exit surface is equated with the zero load on the elastomeric, cylindrical body.
  • a vertically exerted pressure on the side covered with the electroluminescent film reduces the clear cross-sections of the holes up to full closure, which would then reach the top, quantifiable pressure load on the elastomer.
  • the measuring range can be expanded or reduced by selecting an elastomer with a corresponding modulus of elasticity.
  • the numbers here relate to a very specific CCD type.
  • Another type of CCD with more or fewer pixels on the light-sensitive entrance surface can be of interest for other applications. This is achieved: on the one hand by the data reduction using the concept of line integration and on the other hand by the software-based combination of the measured values into 64 clusters by means of a fast computing algorithm in the microprocessor. If only one field were read out at a time, the data could be further reduced by a factor of 2.
  • the decisive advantage, however, is the time, you only need half of it.
  • the tactile sensor of the optoelectronic sensor constructed according to the invention has the advantage in its light irradiation due to the flexible, electroluminescent film.
  • the object to be tested cannot influence the measurement result by any shadow formation.
  • the design of the optoelectronic pressure sensor is completely shielded from external contamination.
  • FIG. 1 the tactile sensor
  • FIG. 2 the tactile sensor installed in a pair of pliers
  • FIG. 4 block diagram for signal and data processing.
  • the pressure sensor described below is designed for use in minimally invasive surgery and is to be installed at the end of an endoscopic laparoscopic forceps for palpatory examination of tissue.
  • the surgeon can no longer use his instinct when using today's gripping pliers because tactile sensations about the mechanical structure of the instruments are not transmitted sensitively enough. For this reason, he subconsciously tries to get information about the tissue to be examined via the receptors of the joints and muscles. But these are more or less sensations of position. Also done a visual check. He presses the tissue until it becomes whitish and is therefore always at the upper limit.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of the tactile, opto-electronic sensor
  • FIG. 2 shows the installation of the same in the grasping forceps, the movable jaw part 10 of which is designed for parallel gripping, in such a way that the tactile part is only pressed vertically in the direction of the bores 2 can be.
  • Force limitation in the grip of the pliers ensures a pre-calibration by always uniform and defined compression of the jaw parts.
  • the tactile part consists of the cylindrical, opaque elastomer (silicone rubber) 1 with the symmetrical arrangement of 64 bores 2.
  • the bores 2 are the same and each have a clear width of 0.35 mm.
  • the bores 2 are colimator bores which only allow vertical light passage. For the sake of clarity, only a few bores 2 are indicated in FIGS. 1 and 2.
  • the flexible, electroluminescent film 3 lies directly on the upper side (FIG. 1) of the elastomer 1. It is 0.17mm thick and lies together with the free end of the elastomer 1 under the soft covering 9, which is also made of silicone rubber. The electrical connections on the film 3 are not shown. When a voltage is applied, the film illuminates the bores 2 and radiates through them into the light directly adjacent to the other side of the elastomer 1.
  • An optical waveguide 4 ends at each bore 2 and has at least the cross section of the bore 2, but at most 0.5 mm. The optical waveguide ends are held immovably in the holding body 5 and are pressed against the elastomer 1, so that the light is coupled in directly.
  • the bores 2 retain their greatest clear width. The highest light intensity is then coupled into the optical waveguide 4. If it is pressed in the direction provided - not laterally or at an angle, since the bores 2 are then curved - the diameter of the bores 2 decreases and the light emerging from the bores 2 becomes less intense.
  • the elastomer 1 is contained in the shaft 6 in such a way that it cannot deflect outwards in the radial direction, so the change in volume is compensated for at the expense of the clear width of the bores 2.
  • the pressure can only be measured quantitatively until the complete optical closure of the bores 2 by the pressure begins.
  • FIG. 3 shows schematically how the optical fibers 4 end on the CCD chip 7.
  • these ends are in turn held in the holding body 8 and thus lie directly on the light entry surface of the CCD chip 7.
  • the light entry surface of the bundle 12 of light guides 4 is similar to the light exit surface and the ends are distributed accordingly, since only then can a local assignment of the light intensity to the pressure acting be established.
  • This optoelectronic interface is sealed off from external influences by a hermetically sealed housing 13.
  • the bundle 12 is flexible, so that the optoelectronic interface in the form of the CCD chip can be kept away from the pliers.
  • the evaluation method developed for this application relates essentially to the data reduction and the processing speed of the signals read by the CCD chip 7.
  • the center of the evaluation is the microcontroller, which enables a maximum pixel frequency of 250 kHz to control the CCD chip 7.
  • the entire timing is controlled by software and is therefore very flexible.
  • the clock pulses are set in level by the external driver stage 15.
  • the charge quantities generated in the CCD chip 7 are converted into voltage signals in a subsequent FET voltage stage. These highly temperature-dependent sensor signals are then stabilized in the analog branch by the CDS system 16. These are staggered, fast sample & hold elements that filter out interference components in conjunction with a downstream differential amplifier. The now stabilized signal voltage reaches the integrator 17, which adds up the individual signal voltages of all pixels from one line of the CCD chip 7.
  • the A / D converter 18 samples eight times per line 19.
  • a simple difference formation results in the values which correspond to the light quantity fed in through the eight optical waveguides 4 per line 19. This results in a data reduction from 817 pixel signals to only eight sum signals per line.
  • optical fibers 4 optical fibers, optical fiber

Abstract

Die Erfindung schlägt einen taktilen, optoelektronischen Drucksensor vor, bei dem die durch Druckeinwirkung am Meßgeber abhängige Lichtintensität erfaßt und mittels eines CCD-Chips aufgenommen wird. Die lichtintensitätsproportionalen Signale werden aus dem CCD-Chip ausgelesen und in einem Signal- und Datenverarbeitungssystem verarbeitet und für eine Darstellung der aktuellen Berührdrucksituation oder aber eine Ansteuerung eines Aktors aufgrund des Datensatzes aufbereitet.

Description

TaktHer, optoelektronischer Drucksensor
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.
Das Druckarray der Firma Interlink 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 papersfrom the 2nd IFAC Symposium, Pergamon 1989, 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 0.6pF bei d/d = 10% und bei einer Schichtdicke von 30μm 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 lichte 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. Figur 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 Reflektion 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 CCD-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, die durch eine notwendigerweise vorgeschaltete Linsenoptik erzeugt wird. 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 l 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. Figur 4 der Zeichnung zeigt im Blockschaltbild das Zusammenwirken der Systemblöcke.
Anspruch 7 kennzeichnet eine ganz spezifisch zugeschnittene Hardware-Konfiguration, mit der das 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 elektroluminiszenten 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 elektroluminiszenten 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 der ganz enormen Datenreduzierung des steuernden und treibenden Mikroprozessors um den Faktor 817x596 = 486 923 Pixel/64 digi¬ tale Meßwerte nach Zusammenfassung der 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¬ nischen Sensors hat den Vorteil in seiner Lichteinstrahlung durch die flexible, elektroluminiszente 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:
Figur 1 den taktilen Sensor,
Figur 2 den taktilen Sensor in eine Zange eingebaut,
Figur 3 optoelektronische Schnittstelle
Figur 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 10mm. Figur l zeigt die schematische Darstellung des taktilen, opto¬ elektronischen Sensors, Figur 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 0,35mm. Die Boh¬ rungen 2 sind Kolimatorbohrungen, die nur senkrechten Licht¬ durchgang erlauben. In den Figuren 1 und 2 sind der Übersicht halber nur wenige Bohrungen 2 angedeutet.
Auf der oberen Seite (Figur 1) des Elastomers 1 liegt die fle¬ xible, elektroluminiszente Folie 3 unmittelbar auf. Sie ist 0.17mm 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 0.5mm 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.
Figur 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.
Das CCD-Chip wird modifiziert betrieben (nicht nach CCIR=intern. Fernsehnorm) , wie in Figur 4 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 Mikrocontrolier dar, der eine maximale Pixel-Frequenz von 250kHz zum Ansteuern des CCD- Chips 7 ermöglicht. Der gesamte Zeitablauf ist softwaremäßig gesteuert und damit hier noch sehr flexibel gestaltet. Die Taktimpulse werden durch die externe Treiberstufe 15 im Pegel um gesetzt.
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 Störkomponeneten 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. Bezugszeicheniiste
1 zylindrischer Körper, gummiartiger Körper, Elastomer
2 Bohrung
3 elektroluminiszente 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 Mikrocontrolier, Mikroprozessor, PC
15 Treiberstufe
16 CDS-Sytem
17 Integrator
18 A/D-Wandler
19 Zeile

Claims

Patentansprüche:
1. Taktiler, optoelektronischer Drucksensor mit einem licht¬ durchlässigen, zylindrischen Körper (l) , der aus einem Ela¬ stomer besteht, mehrere, axial verlaufende Bohrungen (2) aufweist, und dessen erste Stirnwandung mit einer elektro- luminiszenten Leuchtfolie (3) , die Licht in die Bohrungen (2) richtet, sowie mit einer weichen Kappe (9) versehen ist, über welcher der Zylinder (1) in seiner axialen Richtung druckbeaufschlagbar ist, mit einem sich in der axialen Richtung an die weiche Kappe (9) anschließenden, den Körper (1) radial festummandelnden, 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 Boh¬ rungen (2) verlassende Licht einer Bilderfassungseinrichtung
(7) 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 (7) zugeführt wird und die Bilderfassungseinrichtung ein CCD-Chip ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronische Schnittstelle, bestehend aus dem Ende der Lichtzuführung (12) und dem CCD-Chip (7) , zum Schutz ge¬ gen Fremdlicht und Umweltseinflüsse mit einem lichtun¬ durchlässigen Gehäuse (13) umgeben ist.
4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der taktile Sensor am Ende des Rohrs (6) und ein Teil der LichtZuführung (12) in dem Rohr (6) gefaßt sind, so daß der Drucksensor als Druckstabsensor verwendet werden kann.
5. Optoelektronischer Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor in den Schaft (6) eines medizinischen Zan¬ geninstruments eingebaut ist, so daß die druckempfindliche Fläche in Richtung Schaftachse ausgerichtet ist, und ein be¬ wegliches Maulteil (10) mit einer Auflagefläche, die pa¬ rallel zur druckempfindlichen Fläche liegt, von der druck¬ empfindlichen Fläche weg oder auf sie zu bewegt werden kann, womit dazwischenliegendes Gewebe betastet werden kann.
6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Datenverarbeitungsanlage, die aus einer correlated double sampling (CDS-) Stufe (16) , einem nachfolgenden In¬ tegrator (17) und einem A/D-Wandler (18) sowie einem Mikro¬ prozessor (14) besteht, die in dem CCD-Chip (7) vorhandenen, ortsabhängigen, lichtintensitatsproportionalen, elektrischen Signale über eine Datenverarbeitungsanlage zu einer Druck¬ profildarstellung verarbeitet, und der Mikroprozessor (14) über eine Treiberstufe (15) das CCD-Chip (7) in 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.
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