Contribution to artificial tactile sensors for object contour recognition using coupled technical vibrissae - Eckhardt, Stefan (2019)
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.