Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



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Diskussion und Ausblick

 

In dieser Arbeit wurde eine mit taktiler Sensorik ausgestattete Fingerkuppe vorgestellt sowie Hardware-Bausteine auf Microcontroller-Basis zur Abtastung der Sensoren. Das Sensorsystem wurde mit dem Ziel entwickelt, Manipulationsexperimente mit dem Roboter und der TUM-Hand zu ermöglichen.

Dazu wurden die Sensoren mit Hilfe der Bausteine MASS und BRAD unter anderem auf die Aspekte Wiederholgenauigkeit, Hysterese und Frequenzgang hin untersucht. Die Ergebnisse zeigen, daß die Elektronik zur Signalaufbereitung und zur Datenübertragung robust funktioniert und ohne weitere Modifikationen eingesetzt werden kann.

Die Sensoren sind prinzipiell für die geplanten Manipulationsaufgaben geeignet. Folgende Experimente sind für die Zukunft geplant:

Kraftregelung:
Die Handsteuerungssoftware besitzt komplexe Motorregler, die als Regelungsparameter eine von außen einwirkende Kraft mit aufnehmen können. Ein wichtiges Ziel ist die Implementation einer Betriebsart der Regler, in der die Kraftregelung aufgrund von Sensordaten der Fingerkuppen geschieht, da der Roboter dann auch in ungewohnten Situationen geeignet reagieren kann, zum Beispiel, wenn ein Gegenstand unerwartet schwer ist oder ein Mensch überraschend versucht, der Roboterhand einen Gegenstand zu entwenden.
Reflexsimulation:
Um schnell auf solche unerwarteten Situationen reagieren zu können, lassen sich die Gleitdetektoren verwenden. Die Flankendetektoren können dann als "`Alarmsignale"' aufgefaßt werden, die die Motorregler schlagartig auf anderes Verhalten umschalten. Das vom Reflex ausgelöste Verhalten soll dabei kontextabhängig sein: besteht die Absicht, ein Objekt abzugeben, dann wird der Reflex eine Entspannung der Finger auslösen. Besteht diese Absicht nicht, werden die Finger bei einsetzendem Gleiten den Griff fester schließen. Auch diese Technik zielt darauf ab, Manipulationen mit der Roboterhand zuverlässiger zu gestalten.
Taktiler Kortex:
Die Kraft- und Positionswerte liefern gemeinsam Daten, die zu einem Merkmalsvektor zusammengefaßt und einer Kohonen-Karte zugeführt werden können, die auf die Bestimmung des Andruckortes und der Andruckkraft trainiert wird (siehe [RMS91]). Die so erhaltenen Sensordaten können für Tastexploration verwendet werden, also beispielsweise für Objektlokalisierung und -Identifizierung.

Obwohl die Fingerkuppensensoren für die oben beschriebenen Ansätze im wesentlichen geeignet sind, haben sie entscheidende Schwächen:

Schlechte Wiederholgenauigkeit der Kraftsensoren:
Die Interlink-Polymerfolie zeigt im Bereich kleiner Kräfte unzuverlässiges Verhalten. Ein alternatives Fingerkuppen-Design soll durch mechanische Vorspannung einen stabileren Bereich der Kennlinie verwenden. Eine neue Signalaufbereitungselektronik mit einer Wheatstone-Brücke, die ähnlich funktioniert wie Verstärker für Dehnungsmeßstreifen, soll dann für die hohe Auflösung der Sensordaten sorgen.
Zu starre Gummihülle, unzuverlässige Gleitdetektion:
Die Daten, die von den vier Kraft- und Positionssensoren geliefert werden, werden sehr ungenau, sobald die Gummihülle aufgebracht wird. Außerdem ist der Gleitdetektor nicht auf der gesamten Oberfläche gleich empfindlich. Beim neuen Design wird auf die Hülle ganz verzichtet. Stattdessen sollen Lamellen aus PVDF-Folie in elastische Abformmasse eingearbeitet werden, um Gleitdetektion zu betreiben.
Komplizierter, empfindlicher Aufbau:
Die Montage einer Fingerkuppe ist mit etwa acht Arbeitsstunden sehr aufwendig. Die Sensoren sind relativ ungeschützt, so daß beispielsweise Hydrauliköl von den Fingern zwischen die Elektroden und die Polymerfolien laufen kann. Das neue Design soll im Aufbau einfacher und robuster, vor allem auch öldicht sein.

Statt des komplizierten Polyeders wird ein neuer Aluminiumträger hergestellt, der aus zwei Teilen besteht (siehe Abb. 10.1): einer quadratischen Basis, die in der Mitte ein Loch hat, und einem Stift mit einer kreisförmigen Ausweitung an der Unterseite. Eine Schraube hält die beiden Teile zusammen, so daß ein beweglicher "`Steuerknüppel"' entsteht. Zwischen die Basis und die Kreisfläche des Stifts wird eine Platine mit Elektrodenbahnen und ein quadratisches Stück Interlink-Folie gelegt. Platine und Folie haben ebenfalls in der Mitte ein Loch für die Verbindungsschraube.

Die Platine trägt vier kammförmige Elektroden, die das Quadrat in vier Sektoren aufteilen, und eine Elektrode, die zwischen die anderen greift, so daß vier Kraftsensoren entstehen. Diese Sensoren sind zwar nicht an die Freiheitsgrade der Finger angepaßt, doch lassen sie sich sehr viel einfacher aufbauen und abdichten als die bisher verwendeten.

  
Figure 10.1: Skizze einer robusteren Fingerkuppe: (a) Basis, die an das dritte Glied eines Fingers der TUM-Hand angebracht wird. (b) Platine mit Elektroden und Polymerfolie. (c) Stift mit Ausweitung, der mit einer Schraube auf den Sensor gedrückt wird.

Die Sensoren werden mit einer Federscheibe unter der Schraube vorgespannt, so daß zwei Drehmomente (um zwei Achsen, die senkrecht auf der Achse des Stifts stehen und durch den Ort der Federscheibe gehen) und eine Kraftkomponente (entlang der Achse des Stifts) gemessen werden können. Es wird keine Information über den Andruckort geliefert.

Um diese Information zu erhalten, ist ein Ansatz denkbar, der ähnlich der in [SMA95] beschriebenen Tensorzelle die Messung des Drucktensors innerhalb einer elastischen Umgebung anstrebt. Eine entsprechende Sensoranordnung hätte durch das flexible Design des Stifts genug Platz und wäre in der Lage, nicht nur den Andruckort zu bestimmen, sondern auch flächige, langgezogene und punktförmige Auflageprofile zu unterscheiden.

Die Realisierung eines so konstruierten Prototyps wird durch den flexiblen modularen Aufbau der Sensorstation erleichtert; es ist lediglich das Design einer neuen Signalaufbereitungsplatine notwendig.



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