Bio-inspired Tactile Sensing : Analysis of the inherent characteristics of a vibrissa-like tactile sensor
Tactile sensing is a fast-developing research area that is important, e.g., for autonomous robot systems in the context of path planning and navigation in uncertain terrains. One possibility for novel enhanced designs of tactile sensors is to analyze and adapt natural paragons. Rodents like rats have tactile sensory hairs, so-called vibrissae, on both sides of their muzzle. These hairs exhibit a sophisticated structure and geometrical shape. The slender, tapered, and inherent curved hair shaft is supported by a hair follicle that includes mechanoreceptors. Touching an object with their vibrissae, rats can recognize the shape of an object or determine properties of its surface texture by evaluating only the signals inside the hair follicle. The present work contributes to the overall goal to unfold the ability of natural vibrissa with view to applications in engineering like surface metrology or autonomous robots. The vibrissal system is described in detail, analyzed, and interpreted using the idea of a biomechatronic system and stimulus leading apparatus. The properties of a natural vibrissa contribute in a complex manner and in various ways to its functionality and determine its inherent characteristics. Therefore, properties of a natural vibrissa are systematically adapted to an artificial tactile sensor. Using this artificial vibrissa-like sensor, it is shown that three different kinds of information about the scanned object are present in the captured data: the overall object shape, a macroscopic, and a microscopic surface texture. The regarding information is encrypted in the signals at the base of the sensor and must be processed to recognize each type of information. To support this process, it is found that a larger distance to an object, around 80\% of the length of the sensor shaft, permits a good detectability of properties regarding the macroscopic surface texture. For a moderate distance, e.g., 60\% of the length of the sensor shaft, the detection of a microscopic surface texture works best. Finally, a closer distance, below 45\% of the length of the sensor shaft, is advantageous for a recognition of the overall shape. These characteristics -strongly depending on the distance- are closely related to the elasticity of the sensor shaft. For example, scanning a close object with distinct macroscopic surface texture, proper detection of the macroscopic surface texture is not possible because the bending induced curvature of the sensor shaft prevents contact between the sensor shaft and small shapes of macroscopic surface features like grooves and gaps. Therefore, the deformed sensor shaft fulfills the task of a morphological filter. The diameter of the sensor defines the limit between macroscopic and microscopic surface texture. Surface texture elements smaller than this limit belonging to the microscopic surface texture. Therefore, also the tip diameter is an inherent characteristic of the sensor. A further inherent characteristic is found while scanning a microscopic surface texture and retracting the sensor shape in the way that the concave side of the deformed elastica points in the displacement direction.\newpage This configuration and displacement cause an amplification of the recorded support reactions. Following these kinds of ideas, the inherent characteristics of the sensor system are analyzed in the present work.
Die Weiterentwicklung taktiler Sensoren gewinnt an Bedeutung bspw. durch eine verstärkte Anwendung taktiler Sensoren zur Navigation in unbekannten Umgebungen von autonomen mobilen Robotern. Eine Möglichkeit taktile Sensoren weiter zu entwickeln ist, sich -wie auch schon andere Entwicklungen zeigen- der Natur zu bedienen, Vorbilder zu identifizieren, diese fundamental zu analysieren und als wesentlich befundene Eigenschaften und Funktionstüchtigkeiten zu adaptieren. Ratten besitzen auffällige Tasthaare an beiden Seiten der Schnauze, sogenannte Vibrissen. Diese sind gekennzeichnet durch einen langen, schlanken und natürlich vorgekrümmten Haarschaft mit konischem Querschnittsverlauf. Der Haarschaft wird von einem Haarfollikel gehalten, der sich unter der Haut befindet und in dem überdies Mechanorezeptoren zur Reizdetektion zu finden sind. Während der Erkundung von unbekannten Umgebungen und Objekten setzen Ratten ihre Vibrissen ein, um bspw. die Form oder Textur eines Objektes zu bestimmen, indem die Vibrisse daran entlang bewegt wird. Die Informationsaufnahme wird im Haarfollikel durch die Mechanorezeptoren realisiert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum übergeordneten Ziel, die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten dieses komplexen und hochentwickelten Sensorsystems der Natur für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Die Eigenschaften einer Vibrisse sind synergetisch und beeinflussen ihre Funktionen in bedeutendem Maß. Deshalb wird das natürliche Vorbild detailliert analysiert und mit den Konzepten des biomechatronischen Systems und des Reizleitungsapparats beschrieben und auf dieser Basis ein Vibrissen-ähnlicher Sensor entworfen, um die inhärenten Eigenschaften eines solchen Sensorsystems zu untersuchen. Um die Funktionstüchtigkeit des entworfenen Protoyps, aufgebaut auf Basis der detaillierten Vorabanalyse, zu untersuchen, werden verschiedene Testobjekte, einschließlich verschiedener Oberflächenbeschaffenheiten, mit dem Sensor vermessen. Anhand der aufgezeichneten Messsignale zeigt sich, dass ein Objekt durch seine generelle Form sowie seine makroskopische und mikroskopische Oberflächenstruktur beschrieben werden kann. Die genannten Informationen überlagern sich in den gemessenen Signalen und müssen für eine weiterführende Auswertung extrahiert werden. Der Abstand zwischen Sensorlagerung und Objekt hat entscheidenden Einfluss. Makroskopische Oberflächenelemente lassen sich im Abstand von 80\% der Länge des Sensorschafts besonders gut detektieren. Ein mittlerer Abstand, ca. 60\% der Länge des Sensorschafts, unterstützt die Erfassung der Eigenschaften einer mikroskopischen Textur. Hingegen ist ein kleiner Abstand von 45\% der Sensorschaftlänge besonders geeignet zur Detektion der generellen Form des Objekts. Diese Effekte sind in enger Verbindung zur Elastizität des Sensorschafts zu interpretieren.\newpage Beispielsweise verhindert die starke Krümmung des Sensorschafts in Folge eines kleinen Objektabstandes eine Detektion von makroskopischen Oberflächenelementen wie Rillen und Stufen, da sich der Sensorschaft in dieser Konfiguration wie ein adaptiver morphologischer Filter auswirkt und damit eine inhärente Eigenschaft des Sensorsystems ist. Der Übergang zwischen der makroskopischen und mikroskopischen Oberflächenstruktur wird durch den Durchmesser der Spitze des Sensorschafts bestimmt. Oberflächenstrukturelemente, die kleiner als dieser Durchmesser sind, gehören zur mikroskopischen Oberflächenstruktur. Daraus folgt, dass auch der Durchmesser der Spitze eine inhärente Eigenschaft ist. Eine weitere inhärente Eigenschaft wird bei der Detektion einer mikroskopischen Oberflächenstruktur erkennbar. Wenn der, sich im Kontakt befindende, stark verformte, Sensorschaft so bewegt wird, dass die konkave Seite des Sensorschafts in Bewegungsrichtung zeigt, werden die erfassten Signale verstärkt - im Vergleich zur entgegengesetzten Bewegungsrichtung. Unter Berücksichtigung der genannten und weiterer Ideen, wird der durch eine natürliche Vibirsse inspirierte Sensor in der vorliegenden Arbeit untersucht.
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