Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



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Tastsensorik für die Roboterhand

Die Sensorik des Roboterarms besteht bislang aus einem integralen Kraft- und Drehmomentsensor (engl. force/torque sensor, FTS) und einer Kamera, die beide am "`Handgelenk"' montiert sind. Mit Hilfe der Kamera lassen sich Bildverarbeitungsmethoden für Manipulationsaufgaben einsetzen. Der FTS ermöglicht gefügige Bewegungen des Roboters (etwa geführt von einem Menschen) und die Kontrolle der Nettokraft am Endeffektor. Experimente, die die Fähigkeiten dieser beiden Sensoren demonstrieren, wurden von Jörg Walter und Christof Dücker implementiert ([Wal96b] und [Düc95]). Die Zusammenstellung der Hardware und die Integration der Einzelkomponenten zu einem Gesamtsystem wurde im wesentlichen von Jörg Walter geleistet (siehe [Wal96a]).

Für Manipulationen von Objekten, die über das Greifen und Loslassen robuster Gegenstände, wie etwa runde hölzerne Spielsteine im Dame-Szenario ([Wal96a]), hinausgehen, ist die bisherige Sensorausstattung unzureichend. Zwar besitzen die Finger für jeden ihrer drei Freiheitsgrade einen Drucksensor, doch liefern diese Sensoren nicht die direkt am Finger angreifende Kraft, sondern den Rückstaudruck über einen langen Ölschlauch (eine genauere Erläuterung der damit verbundenen Schwierigkeiten befindet sich in Kapitel 5).

Die Entwicklung taktiler Sensoren wird an vielen Instituten erfolgreich vorangetrieben. Die dabei verfolgten Strategien dienen meist der Modellierung verschiedener Aspekte des menschlichen Fingers; sie lassen sich wie folgt charakterisieren:

  Taktile Sensoren als Kraftmeßgeräte:
Diese Idee ist weniger von biologischen Gegebenheiten motiviert als von der Tatsache, daß bei den meisten Greifexperimenten die Regelung der Andruckkraft wichtig ist. Ein FTS am Handgelenk reicht dazu nicht aus, da er nur die Summe aller Fingerkräfte liefert; die verwendete Meßmethode (Dehnungsmeßstreifen, siehe unten) erlaubt jedoch eine Miniaturisierung auf die Dimensionen einer Fingerkuppe (wie etwa in [Wöh94] gezeigt). Diese Technik liefert mathematisch äußerst leicht handhabbare Sensorinformation (Kräfte und Drehmomente in einem kartesischen Koordinatensystem).

Eine andere interessante Variante dieses Ansatzes wurde 1995 von Shinoda und anderen präsentiert (siehe [SMA95]). Ein kleiner Würfel (die sogenannte   Tensor-Zelle, engl. tensor cell) mit Drucksensoren auf drei zueinander senkrechten Flächen wird in elastisches Material eingebettet. Mit diesem Gerät wird der   Drucktensor am Ort des Würfels direkt gemessen. Die Eigenvektoren und -Werte des Tensors werden extrahiert und aus der Gestalt des so gewonnenen   Druckellipsoids auf die Geometrie des Auflagestempels an der Sensoroberfläche geschlossen. Mehrere Sensoren dieses Typs lassen sich in einen elastischen Träger einbetten, um die Detailauflösung zu verbessern. Der beschriebene Aufbau mit nur einer Tensor-Zelle unterscheidet bereits wirkungsvoll punktförmige, linienförmige und flächige Auflagestempel voneinander.

Taktile Sensoren als abbildende Elemente:
Vor allem der rasche Fortschritt in der Bildverarbeitung hat großes Interesse an dieser Methode geweckt. Sie besteht darin, taktile Sensoren gitterförmig anzuordnen und aus den Daten ein "`Tastbild"' zu erstellen. Statt Pixels (für picture elements) werden die Elemente Tacels oder Texels (tactile elements) genannt. Ein Beispiel eines 1616-Matrix-Sensors ist in [Meh94] vorgestellt worden.

In der vorliegenden Arbeit wird keine der beiden beschriebenen Techniken gewählt. Die Erste erschien zu Beginn der Arbeit als zu aufwendig und teuer. Die Zweite erfordert eine aufwendige Steuerelektronik und liefert naturgemäß schon für einen einzigen Sensor große Datenmengen. Da aber nicht nur ein experimenteller Sensor hergestellt, sondern die gesamte TUM-Hand mit taktiler Sensorik versehen werden sollte, wurde auch diese Methode schnell verworfen. Stattdessen wurde ein Kompromiß angestrebt, der eine gute Balance von Gesamtzahl der Sensoren und Datenmenge pro Sensor erreicht.

Da taktile Sensorik meist auf sehr kleinem Raum untergebracht werden muß, sind Sensoren auf   Folienbasis sehr verbreitet. Drei Typen haben sich bislang etabliert:

  Dehnungsmeßstreifen:
Es handelt sich hierbei um dünne Metallfolien, die ihren Durchgangswiderstand bei Verformung nach ändern. l ist dabei die Länge und A der Querschnitt des Streifens. Der Strom fließt senkrecht zur Querschnittsfläche. Die Streifen werden an einem Biegebalken außerhalb der neutralen Faser so angebracht, daß die Verformung annähernd linear mit der Krafteinwirkung auf den Balken geschieht. Die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands wird meist durch Differenzmessung zweier gleichartiger Streifen in einer Wien-Brücke kompensiert.

Diese Meßmethode liefert physikalische Größen (meist Kräfte oder Drehmomente) und ist äußerst robust. Sie erfordert allerdings eine sehr sorgfältige Herstellung der Biegebalken.

  Piezoelektrische Folie:

Diese Folie besteht aus einem Kopolymer von Polyvinylfluorid. Ähnlich wie traditionelle piezoelektrische Materialien (Quarz oder Keramik) wandelt sie mechanische Energie durch Ladungstrennung in elektrische und umgekehrt. Sie ist außerdem pyroelektrisch, reagiert also auch auf Temperaturänderungen. Die Folie besitzt einen sehr breiten Frequenzgang, der je nach Beschaltung Druckmessungen auch im akustischen Bereich erlaubt (siehe [AMP93]).

Um den piezoelektrischen Effekt zu verstärken, wird die Folie dünn ausgewalzt und auf beiden Seiten mit Elektroden bedampft oder bedruckt. Die Folien sind je nach Dicke als Ultraschall-, Infrarot- und als mechanische Sensoren verwendbar. Sie sind preiswert und robust und daher in der Robotik als Ersatz für Dehnungsmeßstreifen bekannt.

  Piezoresistive Folie:
Die Firma Interlink stellt eine Folie her, die auf einer Seite mit einer Halbleiter-Polymer-Tinte bedruckt ist.

Der statische Widerstand der Tinte sinkt mit steigendem mechanischen Druck annähernd exponentiell. Die Änderung des Widerstands ist sehr stark (1k bis 10M). Die Tinte zeigt allerdings auch die für Halbleiter typische Heißleitereigenschaft. Die Temperaturabhängigkeit der Folie ist bei normalen Experimentierbedingungen jedoch vernachlässigbar. Die Eigenschaften der Folie wurden in der Diplomarbeit von Mehler an der TU München ([Meh94]) untersucht.

Die DLR hat einen anthropomorphen Finger vorgestellt, dessen kegelstumpfförmige Außenflächen mit modifizierten Interlink-Sensoren bedeckt sind. Diese Sensoren sind in der Lage, den Schwerpunkt eines aufdrückenden Stempels und den Betrag der Auflagekraft zu messen (ähnlich dem x-y--Sensor von Interlink, siehe [Int90]). Durch die Verwendung von geätzten Folien als Elektroden sind diese Sensoren allerdings sehr teuer.

 

In dieser Arbeit werden Foliensensoren der letzten beiden Typen verwendet, um den statischen und den dynamischen Druck simultan zu messen. Dazu wurde eine Fingerkuppe entworfen, die nicht nennenswert größer ist als die bisher verwendeten Modelle eines menschlichen Zeigefingers. Die Fingerkuppensensoren liefern Informationen über den Andruckort und die Andruckkraft der Kontaktumgebung. Sie sind außerdem in der Lage, Gleiten oder Reiben zu detektieren.

Andruckort und Andruckkraft werden mit selbst hergestellten Sensoren gemessen, die in ihrer Bauweise dem sogenannten Interlink-Potentiometer (siehe [Int90]) nachempfunden sind. Diese Sensoren liefern trotz der geringen Zahl der Anschlüsse relativ viel Information (verglichen mit dem verkabelungsaufwendigen Matrix-Sensor).

Die hier verwendete Technik der Gleitdetektion ist stark von der Arbeit von Tremblay und Cutkosky ([TC93]) motiviert. Dort wird einsetzendes   Gleiten mittels Schwingungen von Noppen auf einer Gummihaut detektiert. Dazu sind an zwei Stellen der Hautinnenseite Beschleunigungsmesser so angebracht, daß Störsignale durch eine Differenzmessung wirksam abgekoppelt werden können. In dieser Arbeit wird dagegen an der Innenseite der Haut ein flächendeckendes "`Mikrofon"' (piezoelektrische Folie) angebracht, das die Schwingungen der Noppen im akustischen Bereich übertragen soll. Die Abkopplung von Störsignalen geschieht durch analoge Filterung.



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