Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



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Die Kombination von Andruck- und Gleitsensorik

Um auch einsetzendes Gleiten zu detektieren, ist noch ein weiterer Sensortyp nötig. Wie in Kapitel 2 gezeigt wird, sind die Kraft- und Positionssensoren zwar in der Lage, rasche Veränderungen in der Andruckkraft zu registrieren, doch reicht die damit erreichbare Reaktionsgeschwindigkeit möglicherweise nicht aus, um das Entgleiten eines Gegenstands zu vermeiden.

Stattdessen dient die   menschliche Haut, die mit Hilfe der Furchen des Fingerabdrucks Rutschbewegungen detektiert, als Vorbild für einen Gleitsensor. Dazu wird der in Abb. 1.3 gezeigte Aufbau verwendet. Die Basis bildet die im letzten Abschnitt beschriebene Fingerkuppe, die um eine Polsterschicht und eine Gummihülle mit Noppen ergänzt wurde. Die Innenseite der Hülle ist mit piezoelektrischer Folie beklebt, die Schwingungen im akustischen Bereich gut überträgt. Die Eigenschaften und die Beschaltung dieser Folie sind Thema von Kapitels 3.

  
Figure: Design einer Fingerkuppe für die TUM-Hand: (a) Aufbau der Kuppe in Schichten: Aluträger, Kraft- und Positionssensoren, Polsterung, Gleitsensor und Noppenhaut. (b) Frontalansicht des Aluträgers mit den Achsen der Positionsempfindlichkeit der Sensoren; die Form des Aluträgers ist den Freiheitsgraden des Fingers angepaßt.

Die Wirkungsweise der Schichtanordnung ist in Abb. 1.4 illustriert. Ein Stempel, der die Noppen berührt und tangential zur Hautoberfläche bewegt wird, bewirkt eine Auslenkung der Noppen innerhalb der Berührungsfläche. Beim Gleiten lösen sich Noppen am Rand dieser Fläche und schwingen in ihre Gleichgewichtslage zurück. Der Foliensensor an der Innenseite der Hülle registriert diese Schwingungen wie eine   Mikrofonmembran; die Membran wird lokal gedehnt, wenn eine Noppe ausgelenkt wird. Das plötzliche Zurückschwingen ist für die Membran als charakteristischer Puls "`hörbar"', der seinen stärksten Frequenzanteil im Bereich 1kHz hat (mechanische Resonanz der Noppen).

  
Figure 1.4: Schichtanordnung in einer Fingerkuppe: (a) Beim Gleiten eines Stempels über die Noppenschicht schwingen die Noppen wie Saiten beim Ablösen des Stempels in ihrer Eigenfrequenz nach; der Piezo-Folien-Sensor (PFS) wirkt wie ein Mikrofon und überträgt diese Schwingungen als Ladungspulse. Dieses Verhalten ist von der absoluten Kraftmessung unabhängig. (b) Beim statischen Andruck wird der PFS nur leicht gedehnt, er reagiert nur schwach; das Polster verbreitert das Andruckprofil, wodurch sich der Schwerpunkt aber nicht ändert; Die Halbleiter-Folie des Kraft- und Positions-Sensors (FPSR) wird auf die Elektroden gedrückt und mißt den Andruck durch Widerstandsänderung.

Wird der Stempel jedoch mit konstanter Kraft senkrecht auf den Sensor gedrückt, wie in Abb. 1.4(b) gezeigt, dann dehnt sich die Membran über einen großen Bereich und reagiert nur schwach. Das Andruckprofil wird von der Polsterung leicht verbreitert und an den darunterliegenden Kraftsensor weitergegeben.



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