Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



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Einleitung

Ein Mensch, der ein Glas Wasser in einer Hand hält, vollbringt unbewußt eine Leistung, die einen Roboter (und die mit dem Problem befaßten Forscher) vor große Herausforderungen stellt. Der Mensch reguliert die Haltekraft so schnell und präzise, daß das Glas möglichst locker gehalten wird und dem Griff dennoch nicht entgleiten kann. Dazu befinden sich in Haut und Muskeln Nervenzellen, die Berührungen mit Oberflächen registrieren und Kräfte messen können.

Um die Steuervorgänge bei solchen Manipulationsaufgaben besser zu verstehen, entwerfen Wissenschaftler Modelle, an denen verschiedene Algorithmen getestet und mit der Wirklichkeit verglichen werden können. Dazu dienen beispielsweise Roboterarme mit handähnlichen Manipulatoren, mit denen komplexe Greifbewegungen realisiert werden sollen.

Ein solcher Arm befindet sich im Robotiklabor der Arbeitsgruppe Neuroinformatik der Technischen Fakultät. Die Sensorik, die dem Menschen das Halten eines Wasserglases erlaubt, ist bisher an diesem Roboterarm nicht modelliert. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke und eröffnet damit die Möglichkeit zu interessanten Manipulationsexperimentengif.

Im Verlauf der Arbeit wird ein taktiles Sensorsystem vorgestellt, das aus Fingerkuppen für die vorhandene dreifingrige Roboterhand und zwei Hardware-Bausteinen besteht, die die große Menge der Sensorsignale digitalisieren und die Daten an einer Workstation bereitstellen.

Im ersten Teil wird die Entwicklung einer mit Tastsensoren ausgestatteten Fingerkuppe beschrieben, die das gleichzeitige Messen von Andruckkraft und -Schwerpunkt und die Detektion von Reiben oder Gleiten ermöglicht. Nach einer Darstellung anderer Arbeiten auf diesem Gebiet folgt die Beschreibung der verwendeten Roboterfinger und der Fingerkuppe. Die Eigenschaften der verwendeten Sensoren sowie die externe Beschaltung werden erläutert und die Kennlinien analysiert.

Neben der Auswahl der Sensoren und der Herstellung der Fingerkuppen ist der Entwurf eines Systems zur Datenaufnahme und zum Datentransfer zu einer Workstation notwendig. Dieses Problem wird in anderen Arbeiten zu taktiler Sensorik nicht in vollem Umfang behandelt, da diese sich meist nur mit den Sensoren selbst befassen, nicht aber mit der Integration dieser Sensoren in ein bestehendes Gesamtsystem. Diese Integration ist jedoch ein sehr wichtiger Bestandteil der vorliegenden Arbeit.

Im zweiten Teil wird daher ein modular aufgebautes System zur Datenaufnahme und zum Datentransport dargestellt, dessen Komponenten unabhängig voneinander einsetzbar und nicht auf einen Sensortyp spezialisiert sind. Eine nachträgliche Änderung der Sensorausstattung läßt die Infrastruktur also nahezu unberührt. Dadurch wird auch intensives Experimentieren an verschiedenen Sensorkonzepten weit über den Rahmen dieser Arbeit hinaus ermöglicht.

Die Aufgabenstellung dieser Arbeit geht im wesentlichen auf Jörg Walter zurück, der seit 1991 Publikationen über Sensorkonzepte untersucht hat, um für die TUM-Hand geeignete taktile Sensoren zu finden. Seine Initiative führte zum Einsatz der Sensoren von Interlink und AMP; dadurch hat sich die Phase des Sensordesigns stark verkürzt.

Im Hardware-Teil werden folgende Notationskonventionen benutzt:

Kurzschreibweise für Pin- oder Bitgruppen:
Diese Notation ist der mathematischen Notation für Intervalle beziehungsweise Mengen nachempfunden. Die sonst nebeneinander liegenden Punkte werden jedoch als Doppelpunkt geschrieben. Die Pingruppe {PB1, PB3, PB4, PB5} wird also mit PB[1,3:5] abgekürzt.
Boolsche Werte WAHR und FALSCH:
Diese werden gleichbedeutend mit TRUE beziehungsweise FALSE und den Spannungsintervallen 3.5 bis 5V bzw. 0 bis 1.5V verwendet. Meist werden sie jedoch mit HI und LO abgekürzt.
Boolsche Operatoren:
In Boolschen Termen wird der Operator NOT als vorangestellter Schrägstrich (/), AND als Multiplikationspunkt () und OR als Pluszeichen (+) geschrieben.

Das Literaturverzeichnis enthält neben den üblichen bibliographischen Angaben kurze Zusammenfassungen der Artikel.



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Markus Jankowski Jan Jockusch Lars Jansen Michael Jandrey Marjan Tomas , 1996-Dec-06