Contribution to artificial tactile sensors for object contour recognition using coupled technical vibrissae

Abstract

Einige Säugetiere verfügen zur taktilen Umgebungserkundung über spezielle Tasthaare, die sog. Vibrissen. Die Verwendung dieses komplexen Sinnesorgans ermöglicht es bspw. Rat-ten Abstände und Orientierungen von Objekten sowie deren Konturen und Oberflächenbe-schaffenheiten auf Basis weniger Berührungen durch ihre Vibrissen zu detektieren. Vibrissen kommen meist in Gruppen an verschiedensten Körperstellen (z.B. im Gesichtsfeld oder den Extremitäten) der Tiere vor. In der Literatur beschränken sich die meisten mechanischen Vibrissenmodelle auf die Betrachtung einer einzelnen Vibrisse, die zumeist als eingespann-ter Biegebalken modelliert wird. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an und leistet einen Beitrag zur Untersuchung realitätsgetreuerer, elastisch gekoppelter Vibrissensysteme. Der Fokus liegt auf der Objektkonturabtastung und der theoretischen Erzeugung der Lager-reaktionen jeder einzelnen Vibrisse. Dabei werden das elastische Gewebe der Tiere, in das die Vibrissen eingebettet sind und die dadurch gegebene mechanische Beeinflussung der Vibris-sen untereinander berücksichtigt. Zunächst erfolgt die Modellierung einer einzelnen Vibrisse durch einen langen, schlanken Balken zylindrischer Form dessen Verformungen mithilfe der nicht-linearen Euler-Bernoulli Theorie beschrieben werden. Das Modell wird anschließend in verschiedenen Abstraktionsstufen zunächst um eine elastische Lagerung und anschließend um eine zweiten Vibrisse erweitert. Die Kopplung der Vibrissen wird durch verschiedene Federstrukturen realisiert. Für die Objektabtastung wird das Vibrissenmodell quasi-statisch und translatorisch an einer exemplarisch betrachteten, streng konvexen Objekt-Profilkontur vorbeigezogen. Während der Abtastung wird zwischen den Kontaktphasen des Spitzen- und Tangentialkontakts unterschieden. Darüber hinaus werden für den Fall der Objektabtastung mithilfe mehrerer Vibrissen verschiedene Szenarien abgeleitet, um zu berücksichtigen, welche und wie viele der Vibrissen sich gleichzeitig in Kontakt mit dem Objekt befinden. Basierend auf dieser Einteilung werden verschiedene Gleichungen zur Ermittlung der Fußpunktpositio-nen aller Vibrissen hergeleitet. Das mechanische Modell dient als Grundlage für die Durch-führung von Parameterstudien, in denen der Einfluss der Lager- bzw. Kopplungselastizität sowie des Objektabstandes auf die Lagerreaktionen der einzelnen Vibrissen untersucht wird. Dabei zeigt sich u. a., dass, im Gegensatz zum Objektabstand, eine Lagerelastizität in Ab-tastrichtung keinen Einfluss auf die Maximalwerte der Lagerreaktionen hat. Im Falle zweier gekoppelter Vibrissen können bestimmte Events, wie das Ablösen einer Vibrisse vom Objekt, in den Lagerreaktionen der jeweils anderen Vibrisse detektiert werden.

Some mammals exhibit special tactile hairs (vibrissae) for tactile exploration of their environment. This complex sensory organ enables, e.g., rats to detect distances and orientations of objects as well as their contours and surface textures. Vibrissae are located in groups at various parts of the animal’s body, e.g., in the snout region or at the extremities. In litera- ture, most mechanical vibrissa models are limited to the consideration of a single vibrissa, usually modelled as a clamped bending beam. The present work contributes to the inves- tigation of more realistic vibrissae systems, which are elastically coupled. The focus is on object contour scanning and a theoretical generation of the support reactions of each vibris- sa. In doing so, a mutual influence of the vibrissae is taken into account. Firstly, a single vibrissa is modeled as a long, slender, cylindrically shaped beam, whose deformations are described using nonlinear Euler-Bernoulli theory. The model is extended in different levels of abstraction. First, the model is adapted for an elastic support. Secondly, it is extended by a further vibrissa. The coupling of the vibrissae is realized by different structures of springs. For object scanning, the vibrissae model is swept along a strictly convex object profile con- tour quasi-statically and translationally. During the scanning process, a distinction is made between tip and tangential contacts. In addition, different scenarios are derived, respecting which and how many of the vibrissae are in contact with the object simultaneously. Based on this classification, the base positions of all vibrissae are determined during scanning. The mechanical model serves as a basis for parameter studies, which clarify the influence of the elasticities as well as the object distance on the support reactions of each individual vibrissa. The results shows that, in contrast to the object distance, a elastic support, which is aligned with the scanning direction has no influence on the maximum values of the support reactions. Due to the elastic coupling, the snap-off of one vibrissa from the object, can be detected in the support reactions of both coupled vibrissae.