專利名稱：用于對機械部件進行環(huán)境監(jiān)測的傳感器系統(tǒng)以及用于控制和分析該傳感器系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)主權(quán)利要求和從屬權(quán)利要求的前序部分所述的一種用于對機械 部件進行環(huán)境監(jiān)測(UmfeldUberwachimg)、尤其是碰撞識別的傳感器系統(tǒng)以及一種用于控 制和分析該傳感器系統(tǒng)、尤其是用于在制造或裝配自動機的情況下監(jiān)測對機器或機器零件 的接近的方法。在這樣的制造或裝配自動機中，諸如該制造或裝配自動機的操作員或服務(wù)人員等 人的聚集可能導(dǎo)致與運動的機器或機器零件發(fā)生危及這些人和/或機器功能的碰撞。本身 公知的是，可以在及早識別這樣的接近的情況下或者甚至在接觸的情況下采取措施，以便 避免碰撞或者至少減小碰撞的能量。這常常是準(zhǔn)許人和機器同時在同一工作區(qū)中逗留的重 要前提條件。此外本身公知的是，為了自動識別接近和/或碰撞，利用不同的傳感器原理和傳 感器、例如光學(xué)傳感器、超聲波傳感器、或者電容性傳感器或者也利用通過壓電效應(yīng)的接觸 力檢測來對機器進行環(huán)境監(jiān)測。這樣的傳感器通?？梢杂糜谔厥馇闆r，以便例如監(jiān)測具有 限定的運動軌道的形狀簡單的機器零件，使得可以在識別出人的接近的情況下例如觸發(fā)機 器的驅(qū)動裝置或加工機組的安全的制動。另一方面，在危險機器零件的成形相對復(fù)雜的表面或者復(fù)雜軌道運動的情況下， 僅能以非常高的成本或者可能根本不能進行無間隙的傳感器環(huán)境監(jiān)測。因此，例如在機器 表面的棱邊或側(cè)凹處可能由于遮蔽而阻礙光學(xué)檢測，或者也可能不能將傳感器集成在過小 的安裝空間中。對于對操作員安全的機器而言，常常為了滿足安全標(biāo)準(zhǔn)而使用具有兩個彼此獨立 的擁有診斷功能的安全通道的安全設(shè)備，使得系統(tǒng)中的各個故障不導(dǎo)致安全性的缺失。一 個安全通道的故障被可靠地識別并被報告，而第二安全通道維持安全功能。在這樣的應(yīng)用 中，需要雙重的和獨立實施的傳感器監(jiān)測。未知的是，用于可靠地利用兩個可以與成形復(fù) 雜的表面靈活地相適應(yīng)的安全通道來布局機器的傳感器。還有一種也許可能的用于防止碰撞的方案是，在諸如裝配自動機的機器中，常常 使用護欄，使得通過強制性地將人同機器隔開來保證操作員的安全。那樣的話，在此可以例 如為了零件遞送而在護欄中存在安全的閘門。但是利用這樣的護欄不再能夠在制造或裝配 自動機處直接協(xié)作，因為在此人和機器不能同時使用同一工作區(qū)。具有類似效果的另一方案是所謂的雙手操作，其中機器僅在操作員的雙手分別操 作按鈕時才工作。在此，所述按鈕被布置在工作區(qū)之外距離遠得使得基本上排除運轉(zhuǎn)的機 器對操作員的威脅。因此在這樣的方案中，雖然人和機器原則上能夠使用同一工作區(qū)，但是 不是同時。例如不能由人和機器執(zhí)行共同的處理過程。從DE 20 2005 002 475 Ul中，專門針對工業(yè)機器人情況下的碰撞識別的應(yīng)用而 公知有一種泡沫材料覆蓋物，其中該泡沫材料覆蓋物裝備有識別接近的觸覺和電容性傳感 器。但是這樣的裝置在不同工業(yè)機器人上的安裝常常是費事的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的出發(fā)點是一種用于利用至少一個電容性傳感器元件對機械部件進行環(huán) 境檢測的、可以安裝在機器或機器零件的表面上的傳感器系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，所述至少一個 傳感器元件有利地由撓性的導(dǎo)電覆蓋層和電絕緣的覆蓋層的層構(gòu)造構(gòu)成，其中覆蓋層的導(dǎo) 電面被設(shè)置為在側(cè)面通過位于其之間的絕緣覆蓋層被間隔開，使得在導(dǎo)電面之間形成電場 線，所述電場線在改變場的身體例如人的接近和/或接觸的情況下以可測量的形式發(fā)生改 變。在此，另外的覆蓋層形成彈性的可壓縮層中的電場線，使得與傳感器元件的表面 垂直地作用的力由于該層的壓縮而導(dǎo)致可測量的電容變化。因此可以將本發(fā)明的任務(wù)看成是，應(yīng)實現(xiàn)人和運動的機器同時在相同工作區(qū)中的 對操作員安全的協(xié)作。之前所推薦的根據(jù)本發(fā)明的具有模塊化構(gòu)造的傳感器系統(tǒng)可以以相對低的成本 應(yīng)用于運動的機器零件，使得人的接近和/或與人的接觸被可靠地識別并且這些事件可以 在電信號輸出端處被報告。在此，可靠的識別意味著，傳感器元件的故障也可以在不危及 人的情況下被迅速診斷出。尤其是，利用根據(jù)本發(fā)明的撓性覆蓋層，也可以以簡單方式用該 傳感器系統(tǒng)無間隙地覆蓋機器上的成形復(fù)雜的表面。因此，如果該傳感器系統(tǒng)報告接近或接觸，則上級的安全控制可以觸發(fā)有效的保 護措施，例如可以接近或接觸的情況下進行運動暫?；蛘咴谕ㄟ^自診斷識別傳感器的故障 的情況下還進行機器的關(guān)閉和服務(wù)呼叫。具體而言，根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)被構(gòu)造為使得存在一種極性的中央的導(dǎo)電面 并且在所述傳感器元件的邊緣處或者在相鄰傳感器元件上存在另一極性的通過絕緣覆蓋 層包圍該中央的導(dǎo)電面的第二導(dǎo)電面，并且在所述面之間形成電場線。在此，所述覆蓋層 的層構(gòu)造可以有利地在上面的覆蓋層中由具有電場線構(gòu)型的導(dǎo)電面、位于其下的絕緣覆蓋 層、位于其下的作為屏蔽電極的導(dǎo)電面、以及接著位于其下的機器側(cè)的絕緣覆蓋層構(gòu)成?？商娲?，在上面的覆蓋層中，覆蓋層的層構(gòu)造也可以由下列項構(gòu)成用于在操作 員側(cè)的空間中形成電場線的導(dǎo)電面；位于其下的絕緣的覆蓋層；位于其下的作為屏蔽電極 的導(dǎo)電面；以及另一絕緣覆蓋層；具有至少一個電極的覆蓋層；可壓縮和導(dǎo)電的覆蓋層；另 一屏蔽電極；以及接著位于其下的機器側(cè)的絕緣覆蓋層，其中兩個或者更多電極之間的電 容可以通過來自外部的觸覺(taktilen)壓力而以可測量的方式被改變。通過所推薦的對接近和接觸或碰撞的分開識別，還存在兩個彼此獨立地工作的傳 感器通道，所述傳感器通道在出現(xiàn)故障的情況下由于其冗余性而保證特別高程度的安全 性。如果多個傳感器元件可以通過側(cè)面接觸或其它的連接而被互連，則根據(jù)本發(fā)明的 傳感器系統(tǒng)是特別有利的。在一個、多個或所有傳感器元件上可以通過簡單的方式在機器側(cè)安裝用于容納電 子測量電路部分的撓性的電路板，所述電路板可以彼此接觸或者連接并且可以連接到中央 電子分析設(shè)備上。導(dǎo)電的覆蓋層或面可以分別由撓性的導(dǎo)電的墊、優(yōu)選地由銅羊毛(Kupferviles)制成，并且電絕緣的覆蓋層由類似于紡織物的織物、優(yōu)選氈、塑料、或者泡沫材料構(gòu)成，并且 所述覆蓋層可以適應(yīng)于復(fù)雜的三維形狀并且優(yōu)選能夠通過機械地聯(lián)合(Verknilpfen)不 同地成形的基本元件或者也通過剪裁和粘貼而被施加在所述三維形狀上。利用根據(jù)本發(fā)明的用于控制和分析前述傳感器系統(tǒng)的方法，電子分析設(shè)備可以循 環(huán)地對所有傳感器元件進行尋址并且檢查是否已經(jīng)在至少一個傳感器元件處發(fā)生與參考 值相比顯著的電容改變，使得相應(yīng)地在輸出端處用信號通知機器或機器零件的環(huán)境中的接 近或碰撞。為此需要迅速地將所有傳感器元件的接近識別和碰撞識別的開關(guān)狀態(tài)傳輸給分 析設(shè)備。為了對線性鏈接的傳感器元件進行尋址，可以通過如下方式來利用傳感器元件的 順序沿著鏈在必要時通過多個傳感器元件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給分析設(shè)備。另外，每個傳感器元件都分別針對兩個分系統(tǒng)接近和碰撞識別而包含數(shù)據(jù)輸入端 和數(shù)據(jù)輸出端，其中第一傳感器元件的輸出端與電子分析設(shè)備相連接，并且每個傳感器元 件的輸入端都與接下來的傳感器元件的輸出端相連接。所有傳感器元件都獲得共同的用于 信息傳送的時鐘脈沖，使得所有傳感器元件的關(guān)于開關(guān)狀態(tài)的信息可以利用每個時鐘脈沖 分步地逐元件地被傳輸給電子分析設(shè)備。那么，每個傳感器元件也可以以另一較慢的循環(huán)經(jīng)歷自診斷，其中可以以本身公 知的方式給所述傳感器元件施加檢查電壓或者特征性的信號模式?？偟膩碚f，本發(fā)明得出以下優(yōu)點-可以對單獨成形的表面進行大范圍的、被實施為雙通道的監(jiān)測。-例如根據(jù)地毯塊(I^ppichfliesen)的原理，具有可機械或電地相互排列的傳感 器元件的傳感器系統(tǒng)的模塊化構(gòu)造是可能的。-具有幾種幾何基本形狀(例如方形、矩形、三角形)的傳感器元件的基本組使得 能夠?qū)崿F(xiàn)針對幾乎任意的表面的、復(fù)雜成形的傳感器表層的靈活構(gòu)造。-傳感器元件可以被施加在紡織物式的支承體上，其中可以使用靈活地適應(yīng)于機 器的表面形狀的任意材料、比如織物、氈、塑料、泡沫材料等等。-可以使用具有多層印制導(dǎo)線的可剪裁的膜，由此也可以在沒有特殊制造的情況 下無間隙地覆蓋復(fù)雜表面。-該傳感器系統(tǒng)可以迅速并且簡單地例如利用粘合材料或者作為多個傳感器元 件的復(fù)合體被應(yīng)用，該復(fù)合體用粘合帶保持在一起并且通過傳感器元件的連接而由基本元 件構(gòu)成，所述傳感器元件將借助對實施例的描述進一步予以闡述。由于由多個傳感器元件 構(gòu)成的傳感器表層可以例如出于服務(wù)或維護目的而被迅速地取下和安裝，因此僅僅產(chǎn)生少 的勞力成本并且存在小的機器停機時間。-出于這樣的服務(wù)和維護目的，高的安全標(biāo)準(zhǔn)由如下的兩個彼此獨立的同時作用 的傳感器系統(tǒng)來提供接近識別(非接觸式)和接觸力識別(觸覺式)。針對兩個系統(tǒng)都 有自診斷。-安全的運行可以通過傳感器系統(tǒng)的安全的自診斷來保證。對于兩個同時作用的 傳感器系統(tǒng)接近識別(非接觸式)和接觸力識別(觸覺式)也存在自診斷。-兩個傳感器系統(tǒng)(接近識別、接觸力識別)也可以單獨地實現(xiàn)，以便例如在合適 的應(yīng)用中實現(xiàn)成本優(yōu)勢。
_接近識別既對大間距處的快速運動(動態(tài)功能)作出反應(yīng)，也對物體在附近區(qū)域 中的靜態(tài)存在性作出反應(yīng)(靜態(tài)功能)。因此，由于大間距處的靜態(tài)物體(例如環(huán)境中的機 器零件)造成的錯誤觸發(fā)被避免。-通過針對所有傳感器元件(靜態(tài)和動態(tài)功能)統(tǒng)一的傳感器開關(guān)閾值而產(chǎn)生數(shù) 據(jù)應(yīng)用的低成本。


下面借助附圖的圖中所示出的實施例來闡述本發(fā)明。在此圖IA和IB以不同的視圖示出了用于形成電容性傳感器元件的撓性覆蓋物的第一 實施例。圖2以俯視圖形式示出了根據(jù)圖1的傳感器元件，其具有場力線和用于將多個傳 感器元件彼此結(jié)合的連接元件。圖3A、3B和3C示出了根據(jù)圖2的連接元件的布置的變型方案和傳感器元件上的 相應(yīng)電路板的布置的變型方案。圖4示出了具有用于形成電容性碰撞探測器的另一電極的傳感器元件的第二實 施例。圖5A、5B和5C示出了根據(jù)圖1的具有撓性覆蓋層并且具有用于適應(yīng)于不同表面 的切割線的實施例。圖6示出了具有不同幾何形狀的傳感器元件。圖7示出了具有連接成傳感器表層的多個幾何形狀不同的傳感器元件的傳感器 系統(tǒng)。圖8、8A、8B、8C示出了傳感器元件的不同覆蓋層的層式構(gòu)造。圖9A和9B示出了對傳感器元件的接近的示意圖。圖10示出了傳感器元件中的接近和接觸力傳感機構(gòu)的電路部分的原理圖。圖11示出了分別具有接近傳感機構(gòu)的多個傳感器元件和中央電子裝置的原理 圖。圖12示出了分別具有接觸力傳感機構(gòu)的多個傳感器元件和中央電子裝置的原理 圖。
具體實施例方式圖IA中示意性地示出了具有層式構(gòu)造的電容性傳感器元件1，該電容性傳感器 元件1由如下項構(gòu)成撓性的、例如類似于紡織物的導(dǎo)電的覆蓋層2(例如Cu-羊毛)；電 絕緣的、例如同樣為類似于紡織物的覆蓋層3(例如織物或者海綿狀橡膠(Moosgummi))； 作為屏蔽電極4的另一導(dǎo)電的覆蓋層；以及另一電絕緣的覆蓋層3，該覆蓋層3在此可 以例如通過粘貼而被施加在未示出的機器上。另外，可以辨認(rèn)出在覆蓋層2的等位面 (Potenzialf Iachen )6與7之間形成的電場線5。圖IB中以俯視圖以方形構(gòu)造示出了面6和7以及絕緣的覆蓋層3。在此，等位面 6是信號電極，并且等位面7是測量電極。圖2中以另一視圖示意性地示出了根據(jù)圖1A、B的傳感器元件1，其中在此還示意性地標(biāo)示出用于耦合另外的傳感器元件1的插8和插頭9。在此，等位面6與7之間的電容 例如通過電場中的接近的人體部位(例如機器操作員的手，其由箭頭10標(biāo)示出)而被改變 并且由此可以被檢測，并且可以導(dǎo)致信號通知或者直接的反應(yīng)、例如運動停止。在此，插座8和插頭9可以被布置在傳感器元件1的不同角處以用于任意地互連。 從圖3A中可以得知一種布置，其中電路板11利用插口 8和右下方的插頭9與電子分析電 子裝置的部分相連接；圖3B示出了具有右上方的插頭9的布置，并且圖3C示出了具有左上 方的插頭9的布置。由此所有傳感器元件1的電路板11上的電路都可以通過用于能量和 數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娋€路與分析電子裝置相連接。因此為了將布線成本保持得低，可以通過串聯(lián)(例如按照鏈?zhǔn)酵負?對傳感器元 件1進行布線。因此，每個傳感器元件1都擁有插口 8和具有插頭9的連接線纜，利用所述 連接線纜可以建立到下一個傳感器元件1的連接。在此，到下一個傳感器元件1的連接線 纜可以根據(jù)需要被置入傳感器元件1的不同槽中。因此，在每個傳感器元件1中都集成有電子電路，所述電子電路優(yōu)選地被構(gòu)造在 作為電路板11的撓性支承體上。這些電路將所測量的電容轉(zhuǎn)換成電信號。并且將其傳輸 給后面將闡述的分析設(shè)備。此外，在此還可以集成有如下的電路部分所述電路部分允許用 于檢查傳感器元件1的所有與安全相關(guān)的功能的周期性自診斷。圖4示出了傳感器元件12的另一實施例，該傳感器元件12具有與到現(xiàn)在為止所 闡述的接近傳感機構(gòu)相比附加的、以通過接觸的碰撞傳感機構(gòu)形式的功能。為此在覆蓋層 13中插入另外的電極。在此，覆蓋層13中的電極之間的電容充當(dāng)測量參數(shù)，使得在傳感器 元件12與物體碰撞的情況下，覆蓋層13的電極與附加的電極14之間的彈性的絕緣覆蓋層 5被擠壓并且由此覆蓋層13的電極之間的電容減小。該變化被檢測并且可以作為碰撞在信 號輸出端處被報告。因此，傳感器元件1和12是用于優(yōu)選檢測人和機器的接近和/或碰撞時的接觸力 的柔軟的可彎曲的測量元件，其中兩個基本功能可以單獨地或者一起被實現(xiàn)。這樣的傳感 器元件1和12可以以幾種如下的幾何基本形狀(方形、矩形、三角形)來實施所述幾何基 本形狀可以相互排列，以便由此可以無間隙地覆蓋幾乎任意形狀的表面。多個相互排列的 傳感器元件1和12形成后面將進一步描述的傳感器表層，所述傳感器表層可以像外套那樣 套在要防護的機器零件上。在此，傳感器表層片段也可以由多個可以彼此相對移動的傳感 器表層片段構(gòu)成。例如，對6軸機器人的防護需要將傳感器表層分成6個機械上分開的片 段，所述片段分別完全覆蓋一個軸。在機器運動期間，各個傳感器表層片段本身不變型，但 是可以相對于彼此移動或扭轉(zhuǎn)。從圖5A、5B和5C中可以得知傳感器元件1或12的實施方式，其允許用于將相應(yīng)傳 感器1或12的形狀與機器表面相適應(yīng)的切割線15的例子。由此可以通過連接多個傳感器 元件1或12來形成所謂的傳感器表層，所述傳感器表層可以覆蓋任意三維的表面結(jié)構(gòu)。那 么，為了覆蓋這樣的較大的表面，可以將多個傳感器元件1或12分步地放置、例如以鏈的形 式被布置到表面上，并且在狹窄位置處、在邊緣處、或者在彎曲的面上，所需的傳感器元件1 或12以適應(yīng)的形式被分配。傳感器表層的具體的構(gòu)造可能性在后面根據(jù)圖6和圖7來描 述。接著，傳感器元件1和12例如通過利用紡織物粘合帶進行覆蓋表面的貼覆而被彼此固定。之后，總復(fù)合體可以被從表面取下，并且所有的傳感器元件1或12都可以利用其 插口 8和插頭9電連接成鏈。在此，為了跨越較大的距離，也可以使用延長線纜。之前所描述的該復(fù)合體現(xiàn)在形成所謂的傳感器表層。該傳感器表層被放置到機器 表面上，并且利用粘合帶或者也通過套上定制的人造革頂蓋來進行固定。該復(fù)合體可以例 如出于服務(wù)和維護目的容易地被安裝和拆除。最后，該傳感器表層與后面將闡述的分析單 元相連接。圖6中示出了具有不同幾何形狀、比如方形、矩形或三角形的傳感器元件1或12 的實施例，其中在此還可以辨認(rèn)出穿孔31，所述穿孔31為了鏈接傳感器元件1或12而適于 讓例如粘扣帶(Klettband)穿過。圖7示例性地示出了作為具有借助于粘扣帶32并被鏈接 的傳感器元件1或2的傳感器表層的這樣的布置。由此多個傳感器元件1或12通過可松 開的連接、例如也根據(jù)繩/孔原理(Kodel-zloch-Prinzip)(類似于鞋帶穿過傳感器元件的 邊緣處的孔的繩)利用粘扣帶、利用按扣、或者利用粘合帶機械地彼此連接成傳感器表層。 傳感器表層的所有的傳感器元件1或12都利用線纜電串聯(lián)，并且通過第一傳感器元件1或 12與后面將進一步描述的中央單元連接。借助圖8，將作為圖4的改進方案的另一實施例來闡述用于近接識別和碰撞識別 的具有撓性的類似于紡織物的覆蓋層的電容性傳感器元件12的層式構(gòu)造，其中所述覆蓋 層中一些是導(dǎo)電的，而其它的是絕緣的。在此，下面所闡述的所示覆蓋層可以通過成面的粘 合而被連接成大約9mm厚的層堆疊。作為最上面的覆蓋層，彈性的絕緣覆蓋層41用于在操作員側(cè)的電無源化、用于屏 蔽環(huán)境影響、以及充當(dāng)光學(xué)封閉物。接著是作為結(jié)構(gòu)化的銅-羊毛(Kupfer-Vlies)的導(dǎo)電的覆蓋層42，其中根據(jù)圖 8A，等位面A充當(dāng)作為接近傳感器的傳感器元件1的測量電容的發(fā)送面，并且等位面B充當(dāng) 所述測量電容的接收面。處于其下的是絕緣覆蓋層43，所述絕緣覆蓋層43防止覆蓋層42與后面的覆蓋層 44之間的電接觸。覆蓋層44是整面的等位面，其用于對相鄰的在此未示出的傳感器元件進行電容 測量，并且尤其是用于將近場傳感器作用方向向操作員側(cè)限制；阻隔機器側(cè)方向的電場； 阻隔從機器側(cè)到近場傳感器中的散射；阻隔從操作員側(cè)到接觸力傳感器的散射；以及將接 觸力傳感器的電場限制于下面將進一步闡述的覆蓋層47。然后接著又是絕緣覆蓋層45，其防止覆蓋層44與覆蓋層46之間的電接觸。導(dǎo)電的覆蓋層46再次是根據(jù)圖8的結(jié)構(gòu)化的銅_羊毛，其中等位面4被構(gòu)造成用 于作為接觸力傳感器的傳感器元件12的測量電容的相同的測量電容D/El、D/E2、D/E3和 D/E4。在此，4個相同的測量電容D/E1、D/E2、D/E3和D/E4分別覆蓋傳感器元件12的面積 的四分之一。處于其之下的是例如由海綿狀橡膠制成的厚度為大約1. 7mm的作為力/行程轉(zhuǎn)換 器的覆蓋層47 接觸力壓縮該海綿狀橡膠，并且由此覆蓋層46與覆蓋層48之間的間距減 小，并且由此覆蓋層46的電極之間的電容改變。覆蓋層47的海綿狀橡膠附加地充當(dāng)用于 提高被動安全性的機械緩沖器。導(dǎo)電的覆蓋層48再次是結(jié)構(gòu)化的銅_羊毛，并且處于地電勢。根據(jù)圖8C的結(jié)構(gòu)化部F僅僅用于改善傳感器元件1彎曲時的機械延展性和可鍛性，并且用于將作為接觸力 傳感器的傳感器元件1的電場限制于覆蓋層47。接著作為覆蓋層49的再次是作為機械緩沖器的海綿狀橡膠(例如具有大約5mm 的厚度)，其用于提高被動安全性，用于在海綿狀橡膠的空腔中容納例如兩個在此未示出的 電路板，其中可以布置用于接近傳感機構(gòu)的電路板和用于接觸力傳感機構(gòu)的電路板。因此， 每個傳感器元件1都可以在所述電路板上包含用于接近傳感機構(gòu)的微控制_控制以及與之 分開的用于接觸力傳感機構(gòu)的微控制器-控制。另外，覆蓋層49用于在機器側(cè)的電無源 化。因此，傳感器元件1的控制也被緊湊地集成在撓性的支承體中，其中相應(yīng)的電路 部分將要測量的電容轉(zhuǎn)換成電信號并且將所述電信號傳輸給中央電子裝置。此外，可以存 在如下的電路部分所述電路部分允許用于檢查傳感器元件1的所有與安全相關(guān)的功能的 循環(huán)的自診斷。所有的控制都通過下面將進一步闡述的用于能量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娋€路與中央電 子裝置相連接。為了將布線成本保持得低并且使得能夠?qū)鞲衅髟?進行單義的尋址， 所述傳感器元件1優(yōu)選地通過串聯(lián)、例如以鏈?zhǔn)酵負鋪聿季€，其中傳感器元件1的地址例如 從其在鏈中的位置得出?，F(xiàn)在將借助圖9A和9B闡述傳感器Ii如何借助具有開放的場空間的電容器的電 容改變來檢測人體部分50或其它物體的接近。可利用來作為測量電容的是傳感器元件1 i的覆蓋層42中的兩個等位面A和B (參 見圖8A)；所述等位面形成測量電容Cii，其中在此，等位面C(參見圖8B的覆蓋層44)處于 地電勢。測量電容Cii的兩個等位面也可以分布到根據(jù)圖9B的兩個相鄰的傳感器元件Ii 和Ij上，其中所得出的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)較大的檢測區(qū)域并且也可以在傳感器元件Ii與 Ij之間的間隙處執(zhí)行檢測。那么，左邊的傳感器元件Ii中的等位面由等位面A(覆蓋層42) 或者C (覆蓋層44)或者二者的電互連構(gòu)成；右邊傳感器元件Ij中的相應(yīng)等位面是面B (覆 蓋層42)并且其形成測量電容Ci j。在初始化具有傳感器元件Ii和Ij的傳感器系統(tǒng)時確定要監(jiān)測測量電容Cij之 中的哪些。要監(jiān)測的測量電容Cij被測量并且被一次性地存儲為初始值Cij0。在運行期 間，要監(jiān)測的測量電容Cij周期性地以恒定的時間幀(Zeitraster)、通常ΙΟΟΗζ-ΙΟΟΟΗζ被 測量。通過分析這些數(shù)據(jù)，可以導(dǎo)出關(guān)于接近的信息。下面描述兩種優(yōu)選的方法，這些方法可以彼此補充并且因此二者可以同時使用。 如果所述方法至少之一識別出接近，則接近被報告。a)靜態(tài)的接近識別如果對于至少一個測量電容Cij有下列情況成立，則接近被識別I (Cij-CijO)/CijO > Tstat ；Cij 當(dāng)前的電容測量值CijO 在初始化時所存儲的測量值Tstat 可應(yīng)用的閾值，單位％。也就是說，如果至少一個電容測量值Cij同其初始化值的偏離大于Tstat，則接近 被識別，其中Tstat的典型的取值范圍是10% -50%。b)動態(tài)的近接識別
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如果對于至少一個測量電容Cij有下列情況成立，則接近被識別d(Cij/CijO)/dt > Tdyn ；dt 觀測時間段；Tdyn 可應(yīng)用的閾值，單位％ /s也就是說，如果至少一個電容測量值Cij在任意的時間段dt內(nèi)具有大于 (Tdyn*dt)的改變，則接近被識別，其中dt的典型的取值范圍是0. Is-Is并且Tdyn的典型 的取值范圍是10% /s-100% /s。Tdyn和Tstat在系統(tǒng)應(yīng)用中被確定。通?？梢葬槍δK式構(gòu)造的傳感器表層的所有的傳感器元件1或li、lj使用統(tǒng)一 的數(shù)據(jù)，其中在特殊情況下也可以規(guī)定為各個傳感器元件1 ；li，lj個別地確定極限值。由于電容改變在接近的情況下不成比例地增加，因此動態(tài)接近識別在大速度的情 況下造成大的操作距離，并且在小速度的情況下造成小的操作距離。這迎合了如下物理定 律在大速度的情況下需要較大的制動行程。因此通過動態(tài)功能有利于無碰撞的運行。同時避免了在低速度的情況下的錯誤觸發(fā)，因為慢的電容改變不會導(dǎo)致超過閾值 Tdyn。因此，傳感器表層附近的合乎規(guī)定地慢速運轉(zhuǎn)的機器零件不導(dǎo)致錯誤觸發(fā)。靜態(tài)接近識別也在低速度的情況下防止對身體部分的擠壓，因為在低于通過 Tstat所確定的最小間距的情況下總是進行安全的機器停止。碰撞識別時的運行方式如下。作為接觸力傳感器的傳感器元件1的測量電容由根據(jù)圖8 ；8A;8B，8C的結(jié)構(gòu)D和E 構(gòu)成。圖8B中所示的、結(jié)構(gòu)E到多個相同單結(jié)構(gòu)(E1-E4)的劃分以及對電容(⑶E1，⑶E2， ⑶E3，⑶E4)的連續(xù)測量提高了靈敏度并且使得能夠更精確地定位傳感器元件1上的施力 位置，但是不是強制性必須的。通過接到地電勢上的等位面C(覆蓋層44)和F(覆蓋層48)向外朝著兩側(cè)屏蔽測 量電容的場空間，使得由于外場造成干擾被阻擋。與由傳感器元件1構(gòu)成的傳感器表層的機械接觸主要造成柔軟的海綿狀橡膠層 壓入覆蓋層47和49中。由此等位面F移近得更接近測量電容D/E，并且減小所述測量電 容，使得可以從所測量的值反映出關(guān)于機械接觸的信息。為此可以使用不同的方法。一種 優(yōu)選的非常簡單的方法在于如果測量電容有如下表現(xiàn)，則報告接觸對于所有的i = 1. . . n(n 傳感器元件上的測量單元的數(shù)目)有⑶Ei > CT在此，可應(yīng)用的閾值CT被調(diào)節(jié)為使得實現(xiàn)安全的運行。根據(jù)下面的圖闡述具有傳感器元件1的傳感器系統(tǒng)的電運行方式。圖10示出了傳感器元件1的框圖，其中具有等位面A、B、C的接近傳感機構(gòu)52和 具有等位面C、D、E、F的接觸力傳感機構(gòu)53彼此獨立地工作，也就是說，一個系統(tǒng)的任意組 件的干擾例如故障、短路、或者中斷不導(dǎo)致各另一系統(tǒng)的故障。兩個系統(tǒng)的唯一電連接是通 過地線GNDN/GNDK而存在的。在右側(cè)示出了供電和信號線54，其中UN、GNDN是具有調(diào)制上的、從中央單元到傳 感器元件1的信息傳輸?shù)墓ぷ麟妷?；Nin、Nout是用于從傳感器元件1到中央單元的信息 傳輸?shù)臄?shù)字信號線。用于接觸力傳感機構(gòu)53的供電和信號線54被類似地構(gòu)造，其中Kin、 Kout具有與接近傳感機構(gòu)52的NiruNout相同的功能。因此，每個傳感器元件1都包含用于接近傳感機構(gòu)52的控制裝置和用于接觸力傳 感機構(gòu)53的控制裝置。二者在僅僅通過其地線GNDN和GNDK相連接。兩個控制裝置的連接線在分開的插頭上被引出，以便在線纜故障的情況下避免兩個系統(tǒng)同時發(fā)生故障。在根據(jù)圖11的框圖中示出了連續(xù)編號的從1至η或li、lj至In的傳感器元件 12，所述傳感器元件12應(yīng)形成具有接近傳感機構(gòu)52的傳感器表層。另外，存在分開的中 央電子裝置55，并且示出了傳感器元件li、lj至In和中央電子裝置55之間的在供電和信 號線54方面的電連接。在此，中央電子裝置55具有主機功能并且傳感器元件li、lj至In 具有從機功能。中央電子裝置55通過端子UBN和GNDN獲得工作電壓，并且提供4個浮置 (potentialfrei)的開關(guān)輸出端、即作為二倍冗余的開關(guān)輸出端的SN1、SN2，其用于用信 號通知“接近被識別”;以及作為二倍冗余的開關(guān)輸出端的EN1、EN2，其用于用信號通知“系 統(tǒng)故障被識別”。傳感器元件li、lj至In通過三芯線纜彼此串聯(lián)并且與中央電子裝置55相連接。 在端子GNDN和UN處，中央電子裝置55給所有傳感器元件li、1 j至In的接近識別控制裝 置提供供電電壓。到傳感器元件li、lj至In的信號傳輸被調(diào)制到該供電電壓上。利用該 信號傳輸，中央電子裝置55出于改變內(nèi)部參數(shù)或者詢問值的目的而給傳感器元件li、lj至 In中的所有控制發(fā)送指令。通過預(yù)先給定的地址可以有目的地起動各個傳感器元件li、lj 至In，其中傳感器元件li、lj至In的各自的地址例如可以從其在鏈中的位置得出。從傳感器元件li、lj至In到中央電子單元55的例如關(guān)于測量值、狀態(tài)信息或者 故障信息的信息流可以根據(jù)斗鏈原理(Eimerkettenprinzip)進行、也就是說通過經(jīng)由傳 感器元件In-I至1的傳送進行，為此設(shè)置有通信端子Nin和Nout。圖12示出了與根據(jù)圖11的布置類似的、用于在中央電子裝置56中分析接觸傳感 機構(gòu)53的布置。所述功能相應(yīng)于根據(jù)圖13的接近識別，其中標(biāo)號被改變(SKI、SK2替代 SN1、SN2，EK1、EK2 替代 Em、EN2，UBK 替代 UBN，GNDK 替代 GNDN，KiruKout 替代 Nin、Nout)。在根據(jù)圖11和12的布置的情況下，相應(yīng)的中央電子裝置55或56可以以與檢查 循環(huán)重疊的較慢的循環(huán)(例如IHz)來在每個傳感器元件li、lj至In執(zhí)行自診斷。在此， 給傳感器元件li、lj至In施加檢查電壓并且其反應(yīng)被相應(yīng)的中央電子裝置55或56測量。 在此，檢查策略可以被選擇為使得相應(yīng)的傳感器元件li、lj至In的故障可以單義地作為錯 誤被識別。一旦至少一個傳感器元件li、lj至In被識別為有故障的，則中央電子裝置55 或56就在輸出端EW/EN2 (接近識別)或KN1/KN2 (接觸力識別)處報告該錯誤。關(guān)于到現(xiàn)在為止所述的實施例，還可能的替代方案或改進方案是_僅僅被用于接近識別、沒有接觸力識別的傳感器元件li、lj至In可以在可能時 僅僅由具有相應(yīng)的所屬的控制的覆蓋層41(可選)、42、43、44和49 (參見圖10)構(gòu)成。-僅僅被用于接觸力識別、沒有接近識別的傳感器元件li、lj至In可以僅僅由具 有所屬控制的覆蓋層41 (可選)和44-49構(gòu)成。-可選地，可以安裝另外的獨立的安全系統(tǒng)。-中央電子裝置55、56和傳感器元件li、lj至In之間的信息傳輸可以基于其它公 知和合適的技術(shù)鑒于物理層次(例如通過無線傳輸、模擬/數(shù)字，串行/并行)、數(shù)據(jù)協(xié)議、 網(wǎng)絡(luò)拓撲(例如環(huán)形、星形、樹形拓撲)以及用于識別和消除傳輸故障的方法來進行。-針對大的傳感器表層可以以級聯(lián)的形式使用多個所述系統(tǒng)，其方式是，由上級控 制來負責(zé)進行多個中央電子裝置55、56的協(xié)調(diào)。-為了應(yīng)用或系統(tǒng)診斷，可以將可用來讀取或改變內(nèi)部狀態(tài)的附加的接口、顯示元件或操作元件連接到該傳感器系統(tǒng)中。_利用另外的功能性覆蓋層，可以擴展傳感器表層的功能范圍。因此，可以用不導(dǎo) 電的紡織物蓋住例如傳感器元件li、lj至In的外側(cè)，所述紡織物保護所述傳感器元件免受 灰塵、臟污、和水分的損害。_為了進一步簡化安裝，傳感器元件li、lj至In的供電可以通過非接觸式的能量 傳輸進行。例如可以讓連續(xù)的、被施加有交流電的激勵導(dǎo)線在所有傳感器元件下方穿過，使 得每個傳感器元件中的接收線圈從交變磁場中獲得供電能量。-在傳感器元件li、lj至In中可以并入引起所覆蓋的機器零件的散熱的結(jié)構(gòu)(例 如孔、通風(fēng)通道、或者冷卻盤管)。-相鄰傳感器元件li、lj至In的機械聯(lián)合可以利用公知的和合適的技術(shù)、例如以 固定的柵格(例如繩/孔眼原理、卡鎖裝置、彈簧夾、按扣)或者在沒有柵格情況下(粘扣 帶、粘合)進行。-作為導(dǎo)電的、可延展的覆蓋層，可以使用另外的公知和合適的材料、例如導(dǎo)電的 聚合物、具有導(dǎo)電涂層的膜或者由導(dǎo)電纖維制成的材料、網(wǎng)或織物。_為了進一步提到延展性，可以以不同方式切割或折疊所述層。
權(quán)利要求
1.一種具有至少一個電容性傳感器元件(1 ；12)的對機械部件進行環(huán)境監(jiān)測的傳感器 系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)能夠被安裝在機器或機器零件的表面上，其特征在于，所述至少一個 傳感器元件(1 ;12;li，lj，ln)由撓性的導(dǎo)電的和電絕緣的覆蓋層(2，3，4;13，14)的層構(gòu) 造來構(gòu)成，其中覆蓋層(2，42)的導(dǎo)電的等位面(6，7 ；D，E)被設(shè)置為在側(cè)面通過位于其之間 的絕緣的覆蓋層(3 ；41，43，45)間隔開，使得在導(dǎo)電的等位面(6，7 ;D，Ε)之間形成電場線 (5)，所述電場線(5)在身體或物體的接近和/或接觸的情況下以可測量的方式被改變。
2 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，存在一種極性的處于中央的導(dǎo)電 的等位面(7)，并且在該傳感器元件(1 ；12 ；li，lj，ln)上或者在相鄰的傳感器元件(1 ；12 ； li, Ij, In)上，在傳感器元件(1 ；12 ；li，lj，ln)的邊緣處存在另一極性的通過絕緣覆蓋層 (3 ；41 ；43 ；45)包圍所述處于中央的導(dǎo)電的等位面(7)的第二導(dǎo)電的等位面(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，覆蓋層(2，3)的層構(gòu)造在上面 的覆蓋層(2)中由導(dǎo)電面(6，7)、位于其下的絕緣的覆蓋層(3)、位于其下的作為屏蔽電極 的導(dǎo)電面(4)、以及接著位于其下的機器側(cè)的絕緣的覆蓋層(3)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，傳感器元件(12)中的覆蓋層 (2，3，4，13，14;41至49)的層構(gòu)造在上面的覆蓋層中由下列項構(gòu)成導(dǎo)電面；位于其下的 絕緣的覆蓋層；位于其下的作為屏蔽電極的導(dǎo)電面；另一絕緣的覆蓋層；作為第二電極的 導(dǎo)電的覆蓋層；以及接著位于其下的機器側(cè)的絕緣的覆蓋層，其中所述屏蔽電極與第二電 極之間的電容能夠通過來自外部的觸覺壓力以可測量的方式被改變。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，多個傳感器元件(1；12 ； li, Ij, In)能過通過側(cè)面接觸或其它的連接、比如插口⑶或插頭(9)而被互連。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，在一個、多個或所有傳感器 元件(1 ；12 ；li，lj，ln)上在機器側(cè)安裝用于容納電子測量電路部分的撓性的電路板(11)， 所述電路板(11)能夠彼此接觸或者連接并且能夠連接到中央電子分析設(shè)備(20)上。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，導(dǎo)電的覆蓋層(2，4;13; 44,48)或等位面(6，7)分別由撓性的導(dǎo)電的墊、優(yōu)選地由銅羊毛構(gòu)成，并且電絕緣的覆蓋 層(3;14;41，43，45)由類似于紡織物的織物、優(yōu)選地由氈、塑料、或者泡沫材料構(gòu)成，并且 覆蓋層(2，3，4;13，14;41-48)能夠被剪裁并且能夠與復(fù)雜的三維形狀相適應(yīng)和相聯(lián)合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，覆蓋層(2,3,4；13,14 ；41-48)能 夠被剪裁并且能夠彼此粘合。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，給僅僅用于接觸力測量的 傳感器元件(1 ；12 ；li, Ij, In)配備有彈性的覆蓋層(47)，所述彈性的覆蓋層(47)能夠被 壓縮使得間距改變導(dǎo)致電容改變。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，傳感器元件(1；12 ；Ii ； Ij ；In)分別具有作為從機系統(tǒng)的接近傳感機構(gòu)(52)和/或接觸力傳感機構(gòu)(53)，所述接 近傳感機構(gòu)(52)和/或接觸力傳感機構(gòu)(53)的測量值能夠并行地或者彼此獨立地分別在 共同的(30)或單獨的作為主機系統(tǒng)的中央電子裝置(55，56)中被處理。
11.一種用于控制和分析根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的傳感器系統(tǒng)的方法，其特征在 于，電子分析設(shè)備(20)循環(huán)地對所有傳感器元件(1 ；12 ；li, Ij, In)進行尋址并且檢查是 否已經(jīng)在至少一個傳感器元件(1 ；12 ；li, Ij, In)處發(fā)生了與參考值相比顯著的電容改變，使得分別在輸出端(27，28，29)處用信號通知機器或機器零件的環(huán)境中的接近或碰撞。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，為了對線性鏈接的傳感器元件(1；12 ； li, Ij, In)進行尋址，通過沿著鏈通過多個傳感器元件(1 ；12 ；li，lj，ln)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給分 析設(shè)備來利用這些傳感器元件(1 ；12 ；li, Ij, In)的順序。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，每個傳感器元件(1;12)以另一 較慢的循環(huán)經(jīng)歷自診斷，其中給這些傳感器元件(1 ；12)施加檢查電壓或者特征性的信號 模式。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13之一所述的方法，其特征在于，通過如下方式執(zhí)行靜態(tài)和動 態(tài)接近識別通過循環(huán)地測量兩個導(dǎo)電的等位面之間的電容的接近識別、以及當(dāng)前的測量 值與一個或多個參考值的比較在系統(tǒng)初始化的情況下被測量或者從所測量的電容變化曲 線中作為在時間上經(jīng)過濾的值而被確定，其中超過和/或低于一個或多個參考值預(yù)先設(shè)定 的閾值被判定為接近，其中參考值能夠作為恒定值被存儲在系統(tǒng)中。
15.一種根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的傳感器系統(tǒng)或用于控制和分析所述傳感器系統(tǒng) 的方法的應(yīng)用，其特征在于，至少一個傳感器系統(tǒng)被用于制造或裝配自動機，所述制造或裝 配自動機與操作員或服務(wù)人員位于共同的工作區(qū)中并且其對所述制造或裝配自動機的機 器或機器零件的接近和/或碰撞被檢測并且被用于輸出警告或停止信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對機械部件進行環(huán)境監(jiān)測的傳感器系統(tǒng)以及用于控制和分析該傳感器系統(tǒng)的方法。提出有具有至少一個電容性傳感器元件(1；12)的對機械部件進行環(huán)境監(jiān)測的傳感器系統(tǒng)以及分析方法，所述傳感器系統(tǒng)能夠被安裝在機器或機器零件的表面上，其中所述至少一個傳感器元件(1；12)由撓性的導(dǎo)電和電絕緣的覆蓋層(2，3，4；13，14)的層構(gòu)造構(gòu)成，其中覆蓋層(2)的導(dǎo)電的等位面(6，7；D，E)被布置為在側(cè)面通過位于其之間的絕緣的覆蓋層(3)被間隔開，使得在導(dǎo)電的等位面(6，7；D，E)之間形成電場線(5)，所述電場線(5)在身體或物體的接近和/或接觸的情況下以可測量的形式改變。
文檔編號G01L1/14GK102003612SQ201010267759
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者J·弗蘭根 申請人:羅伯特.博世有限公司