Taktiler Sensor (eBook)

Verbesserung der menschenähnlichen Wahrnehmung in robotischen Touch-Systemen

Fouad Sabry (Autor)

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2025 | 1. Auflage
240 Seiten
Eine Milliarde Sachkundig [German] (Verlag)
978-0-00-071179-3 (ISBN)

Infos

Entdecken Sie die transformative Welt der taktilen Sensoren, eine wesentliche Facette der Robotikwissenschaft, die menschliche Berührung und künstliche Wahrnehmung verbindet. 'Tactile Sensor' bietet Fachleuten, Studenten und Robotik-Enthusiasten gleichermaßen eine einzigartige Reise und bietet eine Mischung aus Theorie und praktischen Einblicken in modernste haptische Technologie und Roboterwahrnehmung. Dieses Buch ist eine unschätzbare Ressource bei der Erforschung taktiler Sensoren und vermittelt den Lesern Wissen, das in verschiedenen Branchen anwendbar ist.

Kurzübersicht der Kapitel:

1: Taktiler Sensor: Eine Einführung in taktile Sensoren und ihre Rolle in Robotikanwendungen.

2: Sensor: Ein detaillierter Blick auf die Sensortechnologie im Hinblick auf die Berührungswahrnehmung.

3: Haptische Technologie: Entschlüsselung der Technologie hinter taktilem Feedback und Interaktion.

4: Dehnungsmessstreifen: Erkundung von Dehnungsmessstreifen und ihrer Integration in haptische Systeme.

5: Mechanorezeptor: Einblick in biologische Mechanorezeptoren und ihre technischen Parallelen.

6: Touchscreen: Eintauchen in die Touchscreen-Technologie und ihre Abhängigkeit von taktilen Sensoren.

7: Gleichzeitige Lokalisierung und Kartierung: Techniken für genaue Kartierung mithilfe taktiler Daten.

8: Pacinianisches Körperchen: Verständnis sensorischer Strukturen, die als Inspiration für die Entwicklung taktiler Sensoren dienen.

9: Sensorische Substitution: Wie taktile Sensoren eine Ersatzwahrnehmung in der Robotik ermöglichen.

10: Näherungssensor: Die Rolle von Näherungssensoren bei der Verbesserung taktiler Sensorsysteme.

11: Ultraschallwandler: Verwendung von Ultraschallwandlern für präzises taktiles Feedback.

12: Maschinenwahrnehmung: Wie taktile Sensoren die Maschinenwahrnehmung in der Robotik beeinflussen.

13: Taktile Unterscheidung: Techniken zur Verbesserung der taktilen Sensibilität eines Roboters.

14: Haptische Wahrnehmung: Verbindung zwischen physischer Berührung und digitaler Wahrnehmung bei Robotern.

15: Kapazitive Sensorik: Kapazitive Methoden zur Erkennung von Berührung und Druck.

16: Robotik: Ein umfassender Überblick über die Rolle taktiler Sensoren in Roboteranwendungen.

17: Somatosensorisches System: Aus der Biologie schöpfen, um die taktile Sensorik in Maschinen zu verbessern.

18: Affektive Haptik: Emotionale und soziale Aspekte der Berührung in der haptischen Technologie.

19: Robotersensorik: Grundprinzipien taktiler Sensoren in der Roboterwahrnehmung.

20: Softrobotik: Softrobotik und ihre Abhängigkeit von taktilen Sensorsystemen.

21: Künstliche Seitenlinie: Nachbildung der Seitenlinie der Natur für die taktile Robotersensorik.

Dieses Buch ist mehr als eine akademische Ressource - es ist eine Investition in das Verständnis der Zukunft der Robotik. Fachleute, Studenten und Hobbyisten werden in diesem Werk die Tiefe, Nützlichkeit und Inspiration finden, die sie brauchen, um ihr Verständnis der taktilen Sensorik in der sich entwickelnden Welt von heute zu verbessern.

Textauszug

Kapitel 3 : Haptische Technologie

Technologie, die durch Anwendung von Kräften, Vibrationen oder Bewegungen auf den Benutzer ein Berührungsgefühl erzeugen kann, wird als haptische Technologie bezeichnet. Kinästhetische Kommunikation und dreidimensionale Berührung sind weitere Bezeichnungen für diese Art von Technologie. Um die Fernsteuerung von Maschinen und Geräten (Telerobotik) zu verbessern, können diese Technologien genutzt werden, um virtuelle Objekte innerhalb einer Computersimulation zu konstruieren, virtuelle Objekte zu steuern und selbst virtuelle Gegenstände zu erstellen. Es besteht die Möglichkeit, dass haptische Geräte taktile Sensoren enthalten, die die Kräfte messen, die der Benutzer auf die Schnittstelle ausübt. "taktil, bezogen auf den Tastsinn" ist die Bedeutung des griechischen Begriffs haptikos, der sich vom Wort haptisch ableitet. Zum Beispiel sind Gamecontroller, Joysticks und Lenkräder Beispiele für einfache haptische Geräte, die häufig verwendet werden.

Die Konstruktion von gesteuerten haptischen virtuellen Objekten wird durch haptische Technologie ermöglicht, die es einfacher macht, die Funktionsweise des menschlichen Tastsinns zu untersuchen. Beim Menschen unterscheidet die Mehrzahl der Studien zwischen drei sensorischen Systemen, die mit dem Tastsinn zusammenhängen: dem kutanen, dem kinästhetischen und dem haptischen System. Der Begriff "taktile Wahrnehmung" bezieht sich auf alle Wahrnehmungen, für deren Vermittlung das kutane und kinästhetische Empfinden verantwortlich ist. Sowohl passive als auch aktive Formen des Tastsinns können unterschieden werden, und der Begriff "haptisch" wird typischerweise mit der Verwendung aktiver Berührung zum Zwecke der Kommunikation oder des Erkennens von Objekten in Verbindung gebracht.

Große Flugzeuge, die Servomechanismensysteme zur Bedienung von Steuerflächen nutzen, waren einer der ersten Orte, an denen haptische Technologie zum Einsatz kam. Das aerodynamische Flattern, auch Vibrationen genannt, war in der Steuerung der Piloten leichterer Flugzeuge zu spüren, die nicht über Servosysteme verfügten. Dies geschah, als sich das Flugzeug einem Strömungsabriss näherte. Hier wurde eine hilfreiche Warnung vor einem potenziell gefährlichen Flugzustand gegeben. Servosysteme sind in der Regel "unidirektional", was bedeutet, dass die externen Kräfte, die aerodynamisch auf die Steuerflächen ausgeübt werden, an den Steuerungen nicht erfasst werden. Infolgedessen ist dieses wesentliche sensorische Signal nicht vorhanden. Dieses Problem wird durch die Simulation der Normalkräfte gelöst, die durch den Einsatz von Federn und Gewichten fehlen. Um die Reaktion eines einfacheren Steuerungssystems zu simulieren, wird der Anstellwinkel gemessen, und wenn der kritische Strömungsabriss näher rückt, wird ein Stabschüttler in Betrieb genommen. Eine alternative Methode besteht darin, die vom Servo ausgeübte Kraft zu messen und das Signal dann an ein Servosystem zu senden, das sich an der Steuerung befindet. Diese Methode wird auch als Force Feedback bezeichnet. Beim Graben von gemischtem Material, wie z. B. riesigen Steinen, die in Schluff oder Ton eingebettet sind, wurde bei einigen Baggern experimentell Force Feedback eingeführt. Diese Funktion ist nützlich, da sie eine genauere Ausgrabung ermöglicht. Der Bediener ist in der Lage, Hindernisse zu "fühlen" und zu umfahren, die für ihn nicht sichtbar sind.

Paul Bach-y-Rita erfand in den 1960er Jahren ein System der visuellen Substitution. Das Gerät bestand aus einem 20x20 großen Array von Metallstäben, die angehoben und abgesenkt werden konnten, was zur Erzeugung von taktilen "Punkten" führte, die mit den Pixeln auf einem Bildschirm vergleichbar waren. Es war möglich, dass Personen, die auf einem Stuhl saßen, der mit dieser Ausrüstung ausgestattet war, Fotos anhand des Musters von Punkten erkennen konnten, die in ihren Rücken gestochen wurden.

Thomas D. Shannon erhielt im Jahr 1973 die erste Patentanmeldung für ein taktiles Telefon in den Vereinigten Staaten. Die Konstruktion eines frühen taktilen Mensch-Maschine-Kommunikationssystems wurde von A durchgeführt. In den frühen 1970er Jahren arbeitete Michael Noll bei Bell Telephone Laboratories, Inc. und erhielt 1975 ein Patent für seine Innovation.

1994 war das Jahr, in dem die Aura Interactor Weste entwickelt wurde. Die Weste ist ein Force-Feedback-Gerät, das getragen wird und ein Audiosignal analysiert. Die Weste verwendet eine elektromagnetische Aktuatortechnologie, um Bassschallwellen in Vibrationen umzuwandeln, die Aktivitäten wie Schläge oder Tritte reflektieren können. Bei der Weste handelt es sich um ein Force-Feedback-Gerät. Der Audiostream wird über einen Lautsprecher wiedergegeben, der in die Weste eingebaut ist, und die Weste kann an den Audioausgang eines Stereo-Soundsystems, eines Fernsehers oder eines Videokassettenrekorders angeschlossen werden.

PHANToM, was für Personal HAptic iNTerface Mechanism steht, war ein System, das im Jahr 1995 von Thomas Massie erfunden wurde. Um ein Objekt zu "fühlen", das auf einem Computerbildschirm angezeigt wurde, verwendete es fingerhutartige Gefäße, die sich am Ende der elektronischen Arme befanden. Diese Behälter ermöglichten es einer Person, ihre Finger in das Gerät zu stecken.

Im Jahr 1995 beschrieb der Norweger Geir Jensen ein haptisches Gerät für eine Armbanduhr, das als Tap-in bezeichnet wurde. Dieses Gerät hatte einen Hautklopfmechanismus. Bluetooth würde verwendet, um eine Verbindung zwischen der Armbanduhr und einem Mobiltelefon herzustellen. Der Träger wäre dann in der Lage, eingehende Anrufe mit einer Auswahl von Kurznachrichten zu beantworten, indem er auf bestimmte Frequenzmuster tippt.

Im Laufe des Jahres 2015 stellte Apple die Apple Watch vor. Dies geschieht durch die Übermittlung von Benachrichtigungen und Warnungen vom Mobiltelefon der Person, die die Uhr trägt, durch die Verwendung von Skin Tap Sensing.

Die Mechanorezeptoren in der Haut sind für die Fähigkeit des menschlichen Körpers verantwortlich, mechanische Belastungen zu erkennen. Obwohl es viele verschiedene Arten von Mechanorezeptoren gibt, werden diejenigen, die sich auf der Oberfläche des Fingerballens befinden, normalerweise in zwei verschiedene Gruppen eingeteilt. Es gibt zwei Arten des Handelns: schnell wirkend (FA) und langsam wirkend (SA). Auf der anderen Seite sind FA-Mechanorezeptoren empfindlich gegenüber geringeren Stressoren bei höheren Frequenzen, während SA-Mechanorezeptoren empfindlich gegenüber relativ großen Stämmen und bei niedrigen Frequenzen sind. Infolgedessen sind SA-Sensoren in der Regel in der Lage, Texturen mit Amplituden von mehr als 200 Mikrometern zu erkennen, während FA-Sensoren Texturen mit Amplituden von weniger als 200 Mikrometern erkennen und Texturen bis hinunter zu etwa 1 Mikrometer erkennen können. Es gibt jedoch einige Forschungsergebnisse, die darauf hindeuten, dass FA-Sensoren nur Texturen erkennen können, die kleiner als die Wellenlänge des Fingerabdrucks sind. FA-Mechanorezeptoren sind in der Lage, diese hohe Auflösung der Sensorik zu erreichen, indem sie Vibrationen erkennen, die durch Reibung und eine Wechselwirkung zwischen der Fingerabdrucktextur und der winzigen Oberflächentextur verursacht werden.

Dazu gehören "Stöße", "Stöße" und "Tippen" mit der Hand oder den Fingern. Haptisches Feedback, das häufig mit Haptik abgekürzt wird, ist eine Form von kontrollierten Vibrationen, die in vorgegebenen Frequenzen und Intervallen auftreten, um eine Empfindung zu erzeugen, die eine Handlung widerspiegelt, die in einem Videospiel stattfindet.

Vibrationen werden von der überwiegenden Mehrheit der elektronischen Geräte genutzt, die haptisches Feedback geben. Die meisten dieser Geräte verwenden auch einen Aktuator mit exzentrischer rotierender Masse (ERM), der aus einem unausgeglichenen Gewicht besteht, das mit einer Motorwelle verbunden ist. Das Schütteln wird durch die ungleichmäßige Masse verursacht, die sich um die Welle dreht, wodurch der Aktuator und das daran befestigte Gerät wackeln. Es gibt weitere piezoelektrische Aktuatoren, die zur Erzeugung von Schwingungen eingesetzt werden. Diese Aktuatoren bieten eine Bewegung, die noch genauer ist als die von LRAs, mit weniger Geräuschpegel und auf einer kleineren Plattform. Sie benötigen jedoch höhere Spannungen als sowohl ERMs als auch LRAs, um gut zu funktionieren.

Das Rumpeln vom Controller ist eine der beliebtesten Arten von haptischem Feedback, die jetzt in Videospielen zu finden ist. Das Motorrad-Videospiel Moto-Cross, manchmal auch als Fonz bezeichnet, war 1976 das erste Spiel, das haptisches Feedback implementierte. Diese Funktion führte dazu, dass der Lenker wackelte, wenn der Spieler in eine Kollision mit einem anderen Fahrzeug verwickelt war.

Die Bewegung eines Objekts, das der Benutzer in der Hand hält, kann durch Force-Feedback-Geräte durch den Einsatz von Motoren manipuliert werden. Das Drehen des Lenkrads in Videospielen und Simulatoren für das Autofahren, die die Kräfte imitieren, die beim Kurvenfahren eines echten Fahrzeugs auftreten, ist eine häufige Anwendung dieser Technologie unter Spielern. Servomotoren sind die Grundlage der Räder mit Direktantrieb, die erstmals 2013 auf den Markt kamen. Diese Räder sind die fortschrittlichste Art von Force-Feedback-Rennrädern, sowohl in Bezug auf ihre Festigkeit als auch auf ihre Wiedergabetreue.

Der Falcon war das erste 3D-Touch-Gerät von Novint für Endverbraucher und verfügte über ein hochauflösendes dreidimensionales Kraftfeedback. Es wurde im Jahr 2007 veröffentlicht. Die haptische Simulation von Objekten, Texturen, Rückstoß, Impuls und der physischen Präsenz vieler Objekte in Videospielen wurde dadurch ermöglicht.

Die Lufteinschlüsse, aus...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 24.1.2025
• Übersetzer: Daniel Hueber
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• ISBN-10: 0-00-071179-9 / 0000711799
• ISBN-13: 978-0-00-071179-3 / 9780000711793