Taktiler Sensor: 3 wichtige Faktoren, die damit zusammenhängen

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Bildquelle: Richard Greenhill und Hugo Elias von der Shadow Robot Company, Schattenhandbirne groß, CC BY-SA 3.0

Das Diskussionsthema: Taktiler Sensor und seine Funktion

Arten von Robotersensoren

Was ist ein Robotersensor?

Ein Roboter interagiert mit seiner Umgebung mithilfe verschiedener Sensoren, die physikalische Größen messen. Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der Transduktion, bei dem Energie von einem Typ in einen anderen umgewandelt wird. Eine Steuerung verarbeitet die erfassten Daten, um die Aktion des Roboters zu ermöglichen. Sensoren überwachen auch den Zustand eines Roboters.

taktiler Sensor
Sensoren in einem typischen Roboterarm Bildnachweis: Pixabay

Klassifikationen des Robotersensors

Die erste Art der Klassifizierung lautet wie folgt:

  • Propriozeptiv (PC): Sensoren, die dem Roboter ein Selbstgefühl vermitteln. Sie messen die Werte des Robotersystems, z. B. Gelenkwinkel, Radposition, Batteriestand usw.
  • Exterozeptiv (EC): Sensoren, die Informationen über den externen Zustand liefern, z. B. Beobachtungen der Umgebung und der darin enthaltenen Objekte.

Die zweite Art der Klassifizierung lautet wie folgt:

  • Aktiv (A): Sensoren, die Energie emittieren, beispielsweise radarbasiert.
  • Pessach (P): Sensoren, die passiv Energie empfangen, Beispielkamera.

Im Folgenden sind die Arten von Sensoren aufgeführt, die auf der typischen Verwendung basieren: -

Klasse

Taktiler Sensor und seine Funktion

Was bedeutet "taktil"?

  • Etwas, das durch Berührung wahrgenommen werden soll.
  • Etwas ist durch Berührung wahrnehmbar oder anscheinend greifbar.
  • Etwas, das mit dem Tastsinn verbunden ist.
  • Es ist gleichbedeutend mit fühlbar, berührbar, greifbar, haptisch, real, taktil, physisch, substanziell, visuell und texturiert.

Was ist ein taktiler Sensor?

Basierend auf dem physischen Kontakt mit der Umgebung misst ein taktiler Sensor Informationen. Die Architektur des Berührungssensors basiert auf der biologischen Wahrnehmung von Hautberührungen, die Empfindungen erkennen können, die sich aus verschiedenen mechanischen Stimulationen, Temperaturen und Schmerzen ergeben (obwohl die Wahrnehmung von Schmerzen bei künstlichen taktilen Sensoren etwas ungewöhnlich ist). In der Robotik, Sicherheitssystemen und Computerhardware werden taktile Sensoren eingesetzt.

SynTouch BioTac®
Bio-taktiler Sensor in der menschlichen Armprothese; Bildquelle: anonym, SynTouch BioTac®, CC BY 3.0

Das Sehen wird oft als die vielleicht bedeutendste sensorische Modalität des Menschen bezeichnet, die die Rolle der Berührung unterschätzt. Der Verlust der durch Berührung bereitgestellten Fähigkeiten führt natürlich zu verheerenden Beeinträchtigungen der Körperhaltung, der Fortbewegung und der Funktion der Gliedmaßen, zum Abrufen von Objekteigenschaften und zu jeglichem physischen Kontakt mit der Umgebung im Allgemeinen.

Psychophysikalische Experimente haben gezeigt, dass die menschlichen haptischen Berührungen reich an Texturen, Formen, Härte und Temperatur für Interaktionen, Entdeckung, Manipulation und Extraktion von Objekteigenschaften sind. Unzählige Arten von Rezeptoren, zum Beispiel Mechanorezeptor (Druck und Vibration), Thermorezeptor (Temperatur) und Nozizeptor (Schmerz und Schädigung), registrieren diese Informationen, die mit variabler Dichte verteilt sind und auf den Körper wirken und sich in den verschiedenen Bereichen der Haut befinden.

Menschliche Hände haben eine außergewöhnlich hohe Mechanorezeptordichte, einer der fortschrittlichsten Bereiche des Körpers für präzises taktiles Feedback.

Dieses Gebiet hat sich seit den 1970er Jahren weiterentwickelt und diese Systeme wurden nur minimal in Roboter eingebaut, obwohl die taktile Erfassung im vorzeitigen Zeitalter der Automatisierung vergleichsweise ignoriert wurde. Im Vergleich dazu wurden in den 1980er Jahren bedeutende Entwicklungen in der taktilen Sensortechnologie beobachtet, gefolgt von einem Rückgang der Produktionskosten.

Fortschritte wurden bei Sensormaterialien, Konstruktions- und Fertigungstechnologien sowie bei den Transduktionsmethoden für den Einbau in verschiedene Roboterplattformen erzielt. In dieser Zeit wurden verschiedene Typen wie kapazitive, piezoresistive, piezoelektrische, magnetische, induktive, optische und Dehnungsmessstreifen entwickelt, die die effiziente Herstellung bestimmter Geräte für Objektform, Textur, Kraft und Temperatur ermöglichen Erkennung.

Technologien für die taktile Wahrnehmung

Taktile Sensortechnologien werden durch Transduktion definiert, mit der Reize aus der Außenwelt korrekt in ein intelligentes Gerät übertragen werden. Diese in der Robotik verwendeten Sensortypen konzentrieren sich auf die in den folgenden Abschnitten aufgeführten Methoden der kapazitiven, piezoresistiven, optischen, magnetischen, binären und piezoelektrischen Transduktion.

Kapazitive Sensoren-

Durch Messen der Kapazitätsänderung von einer aufgebrachten Last über einen Kondensator vom Typ einer parallelen Platte arbeiten taktile Sensoren, die sich auf kapazitive Transduktion konzentrieren. Die Kapazität ist mit einem ähnlichen Plattenkondensatorabstand und -feld verbunden, das einen Elastomerabscheider verwendet, um die Durchsetzung sicherzustellen. Kapazitive Sensoren können in kleinen Größen hergestellt werden, so dass sie in kleinen Räumen wie Handflächen und Fingerspitzen in dichten Arrays aufgebaut und eingebaut werden können. In Bezug auf bessere Empfindlichkeit, Driftstabilität, Empfindlichkeit bei geringerer Temperatur, geringen Stromverbrauch und die Erfassung der natürlichen oder tangentialen Kraft bietet diese Technologie auch verschiedene Vorteile. Eine signifikante Hysterese ist eine der weniger Einschränkungen.

Piezoresistive Sensoren-

Wenn Kraft angewendet wird, testet diese Transduktionsmethode Änderungen im Widerstand einer Berührung. Piezoresistive Sensoren werden normalerweise aus piezoresistiver Tinte in leitfähigem Gummi hergestellt oder hergestellt und mit einem Muster versehen. Wenn kein Kontakt oder keine Spannung auf den Sensor einwirkt, wird ein maximaler Widerstandswert gebildet. Umgekehrt nimmt der Berührungswiderstand mit zunehmendem Druck oder Stress ab. Der umfangreiche Dynamikbereich, die Langlebigkeit, die angemessene Überlasttoleranz, der wirtschaftlich vergleichbare Preis und die Produktionskapazität in winzigen Größen sind die Vorteile dieser Technologie. Zu den Nachteilen zählen eine verringerte räumliche Auflösung, die Komplexität der individuellen Verkabelung mehrerer Sensorkomponenten, die Empfindlichkeit gegenüber Drift und Hysterese.

Optische Sensoren-

Optische Sensoren verwenden hochmoderne Vision-Sensoren und wandeln mechanische Berührungen, Reibungen oder Richtungsbewegungen in Lichtintensitäts- oder Brechungsindexänderungen um. Ein Nachteil ist, dass Lichtsender und Detektoren (z. B. CCD-Arrays) enthalten sein müssen, was zu einer größeren Größe führt.

Magnetsensoren-

Durch die Verwendung von Hall-Effekt-, magnetoresistiven oder magnetoelastischen Sensoren erfasst diese Technologie Änderungen des Magnetflusses, die durch eine aufgebrachte Kraft verursacht werden. Durch Messen von Spannungsschwankungen, die durch einen elektrischen Strom erzeugt werden, der durch ein in ein Magnetfeld getauchtes leitendes Material fließt, arbeiten Hall-Effekt-Sensoren. Der Hall-Effekt-Sensor wird auch zur Erfassung der multidirektionalen Ablenkung eines künstlichen Whiskers verwendet. Magnetoresis und magnetoelastische Sensoren erkennen Änderungen der Magnetfelder, die durch mechanische Beanspruchung hervorgerufen werden.

Bessere Empfindlichkeit, große Reichweite, kleine Hysterese, Linearität und Robustheit sind verschiedene Vorteile dieses Sensortyps. Sie sind jedoch anfällig für magnetische Störungen und Rauschen. Die physikalische Größe des Erfassungssystems und die Notwendigkeit, in nicht magnetischen Umgebungen zu arbeiten, schränken Anwendungen ein.

Binäre Sensoren-

Kontaktschalter, der ein diskretes Ein / Aus-Ereignis erkennen kann, das durch zu erkennende mechanische Kontakte ausgelöst wird. Die Einfachheit des Designs und der Entwicklung dieses Sensortyps hat es möglich gemacht, ihn in eine breite Palette von Robotersystemen zu integrieren. Es können Geräte kontaktiert werden, die über einen erforderlichen Binärcode hinausgehen. Der Hauptnachteil dieser Sensortechnologie ist die mangelnde Auflösung, die Anwendungen auf Probleme wie Berührungs- oder Kollisionserkennung beschränkt.

Piezoelektrische Sensoren-

Eine elektrische Kraft proportional zu der ausgeübten Kraft, dem Druck oder der ausgeübten Verformung wird von piezoelektrischen Sensoren erzeugt. Die Hauptnachteile dieser Sensortechnologie sind Einschränkungen bei dynamischen Messungen und der Temperaturanfälligkeit. Aufgrund ihrer höheren Empfindlichkeit kann jedoch eine hohe Frequenz. Reaktionen und verschiedene Arten je nach Anwendung, wie Kunststoff-, Kristall-, Keramik- und Polyvinylidenfluoride, sind ideal zur Messung von Schwingungen und werden häufig verwendet (PVDF).

Hydraulische Sensoren-

Dies ist eine Art Aktuator, der den Flüssigkeitsdruck in eine mechanische Bewegung umwandelt, die in der Hydrauliktechnologie verwendet wird. Neuere industrielle und medizinische Anwendungen erfordern hydraulische mikroskopische Servomechanismen auf Hydraulikbasis, die als Mikroaktuatoren bezeichnet werden, um Spannungen zu erfassen und die Festigkeit zu messen. Mikrohydraulische Strukturen wurden entwickelt, um einen präzisen und robusten Durchflusssensor mit geringer Leistung zu erzeugen. Dieser Sensor besteht aus einem biomimetischen haarähnlichen System und ermöglicht die Umwandlung des Durchflusses in Hydraulikdruck. Er bietet eine breite Palette von Messungen und eine hohe Empfindlichkeit.

Basierend auf der Mikrohydraulik-Sensortechnologie, Kraftsensor-Arrays nahe der menschlichen Fingerspitzen-Skala, können wir höhere Empfindlichkeiten erzielen. Diese kostengünstigen Kraftsensoren werden mit einer Stereolithographie-Technik hergestellt und bieten robuste Berührungsdaten und eine hohe räumliche Auflösung. Sie eignen sich ideal für die hautähnliche Erfassung.

Konstruktionskriterien des taktilen Sensors

Die menschliche Hand ist ein schönes Beispiel für ein Design mit einer Vielzahl von Sensoren, die verschiedene Berührungsformen unterstützen. Es wäre wünschenswert, ein künstliches Design zu erzielen, das die menschliche Hand nachahmen kann. Die von Dargahi und Najarian (2004) vorgestellten Standardrichtlinien für die Erstellung taktiler Sensoren unter Berücksichtigung der Einschränkungen und Möglichkeiten von Sensoren sind nachstehend zusammengefasst: 

Design

Bemerkenswert Anwendungen des taktilen Sensors

Die Entwicklung robuster, flexibler und anpassungsfähiger Roboter zur Untersuchung der Wahrnehmung und der sicheren Interaktion mit der Umwelt einschließlich des Menschen hat den verschiedenen Arten von taktilen Sensoren in der Robotik einen Stellenwert eingeräumt. Dies hat zur kontinuierlichen Entwicklung der taktilen Sensortechnologie in verschiedenen Roboterplattformen geführt, die sich bemühen, die Wahrnehmung von den Fingerspitzen über die Arme bis zum Oberkörper zu untersuchen / wiederherzustellen. Einige bemerkenswerte Anwendungen / Arbeiten mit taktilen Sensoren sind unten aufgeführt:

  • Verwendung von Roboter-Fingerspitzen mit piezoelektrischen Tastsensoren zur Erkennung von Objekteigenschaften wie Textur, Form und Härte bei Vorgängen wie Drücken, Gleiten, Drücken usw.
  • Design von Handprothesen mit taktilen Sensoren zur Nachahmung der natürlichen Bewegung und zur Erkennung von Kontakten.
  • iCub ist ein schönes Beispiel für einen neuen Humanoiden, der mit taktilen Sensoren auf der Körperoberfläche wie Fingern, Armen, Rumpf usw. ausgestattet ist, um Wahrnehmung und Interaktion zu untersuchen.
iCub
iCub-Roboter; Bildquelle: Niccol Caranti, ICub - Festival Economia 2018 2, CC BY-SA 4.0
  • PUMA Roboter, das zur Untersuchung von Wahrnehmungs- und Kontrollansätzen verwendet wird, ist mit einem planaren taktilen Sensorarray ausgestattet, um die Objektkante und -orientierung zu extrahieren. Diese Sorten verwenden taktile Bilder und geometrische Formen. Eine verwandte Technik, die sich auf geometrische Momente konzentrierte, war in der Lage, die Form verschiedener Objekte mithilfe eines KUKA-Arms mit planaren taktilen Sensoren zu untersuchen und zu identifizieren.
  • Die Implementierung von Explorationsverfahren zum Rollen und Einschließen für eine robuste Objekterkennung wurde unter Verwendung taktiler Fingerspitzen von Fünf-Finger-Roboterhänden durchgeführt.
  • Integration von Tastsensoren in biomimetische Roboter, um zu verstehen, wie Tastsensoren bei Tieren funktionieren. Demonstration der Reizwahrnehmung wie Textur, Kontaktentfernung, Richtung und Geschwindigkeit mithilfe von Whisker-Robotern.
  • Entwicklung künstlicher Antennen mit Druck- und Kraftsensoren zur Untersuchung des Verhaltens von Ameisen und Kakerlaken durch Modellierung des Kontakts.
  • Die Verwendung von taktilen Sensoren in der Unterwasserrobotik (künstliche Whisker zur Nachahmung der Wahrnehmungsfähigkeit von Dichtungen) zur Messung der Geschwindigkeit und zum Verständnis der Flüssigkeitsbewegung sowie der Winkel- und Nachlauferkennung wurde durchgeführt.

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