DE10346905A1

DE10346905A1 - Verfahren und System zur taktilen Abtastung

Info

Publication number: DE10346905A1
Application number: DE10346905A
Authority: DE
Inventors: Makoto Higashihiroshima Kaneko; Ryuta Higashihiroshima Horie
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: US6990435B2; US20040125079A1; DE10346905B4

Abstract

Ein System zum Erfassen taktiler Information enthält Druckmess-Berührsensoren und eine Steuerung. Basierend auf der Summenausgangsgröße jeder der Berührsensor-Sensoreinheiten berechnet ein in der Steuerung (3) befindlicher Analysator die Berührkraft F¶i¶(t) in jedem Messpunkt. Eine automatische Verstärkungsregelung stellt die Spannungsamplitude A¶i¶(t) einer Sinuswelle mit einer Frequenz f¶i¶ ein, die an die Sensoreinheiten jedes Messpunkts gelegt wird, um die gemessene Spannungsamplitude an jedem Messpunkt an eine Sollspannung heranzuführen, und legt über ein Bandpassfilter an jede Sensoreinheit eine zusammengesetzte Sinuswelle y(t) an, welche Sinuswellen jeder Frequenz enthält, darunter die so eingestellte Spannungsamplitude A¶i¶(t). Dies ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl von Leitungen zwischen der Steuerung und den Berührsensoren, die zahlreiche Messpunkte umfassen, und es ermöglicht die Einstellung der Verstärkung der Berührsensoren, die durch Drucksensoren gebildet werden, auf einen vorbestimmten Bereich.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein automatisches Justierverfahren und ein automatisches Justiersystem zum Erfassen von taktiler Information, bei dem die Empfindlichkeit automatisch justiert werden kann in Abhängigkeit der Ausgangsgrößen von Drucksensoren oder Dehnungsmessern, die an Messstellen angebrachte Sensorelemente sind.
Stand der Technik
Die menschliche Haut besitzt zahlreiche Arten von Berührungs- oder Tastrezeptoren, die den Menschen in die Lage versetzen, Berührungen von leichten Berührungen bis hin zu kräftigen Schlägen voneinander zu unterscheiden. Pro Quadratzentimeter gibt es etwa 1500 taktile Meissner-Korpuskel und 750 Merkel-Zellen, das sind Tastscheiben in dem oberen Teil der Haut der Fingerspitze, außerdem gibt es etwa 75 Vater-Pacini-Körperchen und Ruffini-Kolben. Diese vier Arten von Tastrezeptoren, die unterschiedliche zeitliche und räumliche Ansprechverhalten haben, stellen einen großen Messbereich dar.
In einer Umgebung, die sich Menschen und Roboter teilen, wird es für angebracht gehalten, dass Roboter mit Tastsensoren ausgestattet sind, die kontinuierlich in einem geeigneten Bereich Messungen durchführen. Beispielsweise können hochempfindliche Berührsensoren erforderlich sein, wenn Roboter-Fingerspitzen dazu eingesetzt werden, empfindliche Aufgaben durchzuführen. Andererseits kann es zur Vermeidung von Gefahren erforderlich sein, dass Sensoren auch große Schlagkräfte messen können.
Forschungsarbeiten auf dem Gebiet von Roboter-Berührsensoren begannen etwa 1960 mit der Arbeit von H. Ernst und anderen. Seit jener Zeit wurden zahlreiche Berührsensoren vorgeschlagen, die aus verschiedenen Gesichtspunkten heraus entwickelt wurden, und diese Sensoren sind seitdem verbessert worden, beispielsweise in ihrer Empfindlichkeit, der Auflösung, der Linearität, der vereinfachten Verdrahtung, Lagerung und dergleichen. Ein im Stand der Technik weit verbreitetes Verfahren besteht darin, Berührsensoren in einer (M × N)-Matrix anzuordnen und von Sensor zu Sensor sequenziell durchzuschalten, um taktile Information (Tastinformation) an jedem Sensor-Messpunkt aufzunehmen, an welchem ein Berührsensor angeordnet ist. Ein Nachteil derartiger Berührsensoren besteht darin, dass man zahlreiche Drähte benötigt, um Information an den Messpunkten zu gewinnen. Zur Reduzierung der Anzahl von Drähten haben beispielsweise Shinoda und andere neue Arten von drahtlosen Abtastvorrichtungen vorgeschlagen, die von Spulen zur elektrischen Energieübertragung und zur Abtastung Gebrauch machen. Mit zahlreichen Resonanzkreisen, die in einem flexiblen Material untergebracht sind, können diese Sensoren unterscheiden, welcher Bereich berührt wird.
Ein Problem bei den herkömmlichen Berührsensoren besteht darin, dass die Sensorauflösung verschlechtert wird durch den Eingang eines über einem vorbestimmten Pegel liegenden starken Signals, was eine Sättigung mit sich bringt, oder durch eine Berührkraft, die sehr klein ist. Um diesen Nachteil zu überwinden, erfordern die Berührsensoren eine automatische Verstärkungsregelung (im Folgenden abgekürzt mit AGC, abgeleitet von automatic gain control), um die Verstärkung automatisch auf einen für eine Sensoreingangsgröße passenden Pegel einzustellen.
Aber auch bei dem Einsatz von Berührsensoren in einem umfangreichen Arbeitsbereich kann es, wenn die Berührkraft-Eingangsgröße der Sensor elemente nicht gleichmäßig ist, Teile geben, die in Sättigung gelangen, was die Auflösung verschlechtert. Um dies zu verhindern, sollte die Möglichkeit geschaffen werden, die Sensorelement-Verstärkung an jedem Messpunkt individuell einzustellen. Wenn verdrahtete Berührsensoren eingesetzt werden, sollte außerdem die Möglichkeit geboten werden, die Anzahl von Drähten zu reduzieren, die zwischen den Messpunkt-Sensorelementen und einem Regler verlaufen, mit dessen Hilfe die Tastinformation an jedem Messpunkt anhand der Ausgangsgrößen der Sensorelemente erfasst wird.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und eines Systems zum Erfassen taktiler Information, welches automatisch eine Verstärkung jedes Drucksensors (Sensorelements), das an jedem Messpunkt angeordnet ist, abhängig von der auf den Drucksensor einwirkenden Berührkraft einstellen kann.

Ein weiteres Ziel ist die Schaffung eines Verfahrens und eines Systems zum Erfassen taktiler Information, welches die Möglichkeit bietet, die Anzahl von Drähten zwischen dem Berührsensor und dem Regler zu reduzieren.

Um das obige Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erfassen taktiler Information über Berührkraft und dergleichen, die auf Messpunkte einwirkt, basierend auf Ausgangsgrößen von Brückenschaltungen aus an jedem Messpunkt angebrachten Drucksensoren, wobei das Verfahren aufweist:

– Erzeugen eines zusammengesetzten Sinuswellensignals, welches Sinuswellenkomponenten verschiedener Frequenzen enthält;
– Anlegen des zusammengesetzten Sinuswellensignals an jede Brückenschaltung über ein Bandpassfilter, um an jede Brückenschaltung ein Sinuswellensignal einer vorbestimmten einzelnen Frequenz anzulegen;
– Addieren der Ausgangsgrößen jeder Brückenschaltung, um eine Summen-Ausgangsgröße zu erhalten;
– Gewinnen von der auf jeden Messpunkt wirkenden Berührkraft und Berührrichtung zumindest der Berührkraft aus der Summenausgangsgröße unter Ausnutzung der Orthogonalität der trigonometrischen Funktion; und
– Vergleichen der an jedem Messpunkt gemessenen Spannungsamplitude mit einer für jeden Messpunkt voreingestellten Referenzspannung und Einstellen der Spannungsamplitude des Sinuswellensignals jeder Frequenz, welches an die Brückenschaltung jedes Messpunkts gelegt wird, um die Verstärkung der Brückenschaltung jedes Messpunkts so zu regeln, dass eine mögliche Differenz zwischen Mess- und Referenzspannungen verringert wird.

Das Ziel wird außerdem erreicht durch ein System zum Erfassen taktiler Information über Berührkraft und dergleichen, die auf Messpunkte einwirkt, wobei das obige Verfahren verwendet wird und das System die Merkmale des Anspruchs 2 aufweist.:

– einen Berührsensor, eine Steuerung, eine Signalausgangsleitung zum Zuführen der Summenausgangsgröße des Berührsensors zu der Steuerung, und eine Verstärkungsregelleitung zum Zuführen des zusammengesetzten Sinuswellensignals, welches von der Steuerung ausgegeben wird, zu dem Berührsensor;
– wobei der Berührsensor mehrere Sensoreinheiten und eine Addierschaltung zum Erzeugen der Summenausgangsgröße durch Aufaddieren der Ausgangsgröße jeder Sensoreinheit aufweist;
– wobei jeder Berührsensor eine Brückenschaltung enthält, bestehend aus mehreren Brückensensoren, die an einem Messpunkt angeordnet sind, und einem Bandpassfilter zum Anlegen eines Sinuswellensignals einer vorbestimmten einzelnen Frequenz, welches in dem zusammengesetzten Sinuswellensignal enthalten ist, an die Brückenschaltung;
– wobei die Steuerung aufweist: einen A/D-Wandler zur Analog-Digital-Umwandlung der über die Signalausgangsleitung gelieferten Summenausgangsgröße, einen Analysator, der aus dem von dem A/D-Wandler umgewandelten Summenausgangssignal von der Berührkraft und der Berührrichtung, die auf jeden Messpunkt einwirken, unter Ausnutzung der Orthogonalität der trigonometrischen Funktion zumindest die Berührkraft bildet, die auf jeden Messpunkt einwirkt, eine automatische Verstärkungsregelschaltung, welche die an jedem Messpunkt gemessene Spannungsamplitude mit einer Referenzspannung vergleicht, die für jeden Messpunkt eingestellt ist, und die Spannungsamplitude jedes eine bestimmte Frequenz aufweisenden Sinuswellensignals, welches an jedes Sensoreinheit des Berührsensors gelegt wird, so einstellt, dass eine mögliche Differenz zwischen Mess- und Referenzspannung verringert wird, und einen D/A-Wandler, der das zusammengesetzte Sinuswellensignal, welches die Sinuswellensignale jeder Frequenz enthält, mit der eingestellten Spannungsamplitude erzeugt und ausgibt.

Erfindungsgemäß wird ein System mit veränderlicher Empfindlichkeit zum Erfassen taktiler Information geschaffen, welches eine Schnittstelle mit einem Eingang und einem Ausgang zwischen dem Berührsensor und dem Regler schafft und die Möglichkeit bietet, die Verstärkung von mehreren Sensorelementen (Sensoreinheiten) individuell zu steuern.

Mit einer Schnittstelle mit einem Eingang und einem Ausgang zwischen dem Berührsensor und dem Regler ist es möglich, eine Messung an den Messpunkten gleichzeitig vorzunehmen und außerdem gleichzeitig die Verstärkung des Erfassungssignals von jedem Messpunkt zu justieren.

Außerdem ist eine einfache Signalverarbeitung durch den Analysator möglich, um die auf jeden Messpunkt einwirkende Kraft im Echtzeitbetrieb zu messen.

Darüber hinaus wird die Signalstärke der Signale von den Berührsensoren konstant innerhalb eines fixen Bereichs gehalten, was eine Sättigung des Be rührsensors und eine Verschlechterung der Sensorauflösung verhindert. Es wird stets eine passende Abtastung durchgeführt.

1 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Erfassen taktiler Information gemäß der Erfindung.
2 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung einer Sensoreinheit, die in dem System nach 1 verwendet wird.
3 zeigt ein Beispiel für die Systemkonfiguration nach 1, ausgestattet mit mehreren Sätzen von Berührsensoren.
4 ist ein Blockdiagramm einer Signalrückkopplungsschleife der i-ten Sensoreinheit, die in dem System nach 1 verwendet wird.
5A ist ein Blockdiagramm, welches die Verarbeitung des Analysators in dem in 1 gezeigten System veranschaulicht.
5B veranschaulicht die Bedeutung der von dem Analysator erhaltenen Phaseninformation.
5C veranschaulicht die Bedeutung der von dem Analysator erhaltenen Aufwärtsphase.
6 ist ein Blockdiagramm der Verarbeitung der in 1 gezeigten AGC.
7 zeigt Signalwellenformen, die von dem in 1 gezeigten D/A-Wandler ausgegeben werden.
8 zeigt eine Konfiguration eines Berührsensors eines Berührsensorsystems, welches in einem Test zum Bestätigen der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
9A ist eine grafische Darstellung einer Berührsensor-Signalwellenform, die ausgegeben wird, wenn keine automatische Verstärkungsregelung eingesetzt wird.
9B ist eine grafische Darstellung einer Berührsensor-Signalwellenform, die ausgegeben wird, wenn keine automatische Verstärkungsregelung eingesetzt wird.
9C ist eine grafische Darstellung einer Berührsensor-Signalwellenform, die ausgegeben wird, wenn keine automatische Verstärkungsregelung eingesetzt wird.
10A ist eine grafische Darstellung einer Berührsensor-Signalwellenform, die ausgegeben wird, wenn keine automatische Verstärkungsregelung eingesetzt wird.
10B ist eine grafische Darstellung einer Berührsensor-Signaleingabe des Berührsensors für den Fall nach 10A.
11A ist eine grafische Darstellung einer Signalwellenform-Ausgabe des Berührsensors, wenn von einer automatischen Verstärkungsregelung Gebrauch gemacht wird.
11B ist eine grafische Darstellung einer Berührsensor-Signaleingabe.
11C ist eine grafische Darstellung einer Berührsensor-Signalwellenform, die ausgegeben wird, wenn von der automatischen Verstärkungsregelung Gebrauch gemacht wird.
11D ist eine grafische Darstellung einer Berührsensor-Signaleingabe.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Einzelheiten eines Systems zum Erfassen von taktiler Information, bei dem die Empfindlichkeit automatisch justiert werden kann, wird jetzt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt den Gesamtaufbau des Systems zum Erfassen taktiler Information, und 2 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung eines Berührsensors, der in dem System eingesetzt wird. Das System zum Erfassen taktiler Information, 1, besitzt einen Berührsensor 2 vom Dehnungsmessstreifen- oder Drucksensor-Typ und eine Steuerung 3. Der Berührsensor 2 besitzt ein Sensorsubstrat 4, mehrere Sensoreinheiten 5i (i = 1, 2, 3 ...), die in Form einer Matrix auf einer Oberfläche des Sensorsubstrats 4 angeordnet sind, und eine Abtast- oder Detektorfläche 6a aus flexiblem Material 6, beispielsweise einem Polymer-Gel oder dergleichen, welches die Sensoreinheiten 5i bedeckt.
Jede Sensoreinheit 5 enthält eine Brückenschaltung 53 aus einem Paar Dehnungsmessstreifen oder Drucksensoren 51 und 52, die orthogonal an Punkten anliegen, die den Messpunkten der Detektorfläche 6a entspricht, einen Differenzverstärker 54, der aus dem Ausgangssignal der Brückenschaltung 53 ein Differenzsignal bildet, und ein Bandpassfilter (BPF) 55 zum Anlegen eines Eingangssignals mit einer spezifischen Wellenlänge an die Brückenschaltung 53. Der Berührsensor 2 enthält weiterhin eine Addierschaltung 56, welche die Ausgangssignale der Sensoreinheiten 5 (das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 54) kombiniert, und einen Verstärker 57, der ein von der Addierschaltung 56 gebildetes zusammengesetztes Signal verstärkt und ein Ausgangssignal des Verstärkers 57 über eine einzelne Signalausgangsleitung 58 an die Steuerung 3 liefert. Die Steuerung 3 enthält einen Analog-Digital-Wandler 7, einen Analysator 8, eine automatische Verstärkungsregelschaltung (im Folgenden als AGC bezeichnet) 9 und einen Digital-Analog-Wandler 10. Ein Verstärkungsstellsignal, welches von dem D/A-Wandler 10 ausgegeben wird, gelangt über eine einzelne Verstärkungsstellleitung 11 an jede der Sensoreinheiten 5 des Berührsensors 2.
Die Anzahl der Messpunkte lässt sich beispielsweise erhöhen, indem mehrere Gruppen von Berührsensoren 2 parallel zu der Steuerung 3 geschaltet werden, wie dies in 3 gezeigt ist. Das Erfassungssystem für taktile Information, 1, ist in der Lage, taktile Information oder Tastinformation (Berührungskraft im vorliegenden Beispiel) zu messen, um gleichzeitig die Verstärkung jeder der Sensoreinheiten 5 des Berührsensors 2 zu regeln. Zur Regelung der Verstärkung wird die Summe von Sinuswellen verschiedener Frequenzen (ein zusammengesetztes Sinuswellensignal) von dem Digital-Analog-Wandler 10 der Steuerung 3 als Verstärkungsstellsignal y(t) ausgegeben. Hierdurch wird über das Bandpassfilter 55 an jeder Sensoreinheit 5 an jedem Messpunkt ein Verstärkungsstellsignal, welches nur Sinuswellenkomponenten einer vorbestimmten Frequenz beinhaltet, der Brückenschaltung 53 aufgeprägt. Im Ergebnis wird die Verstärkung eingestellt, wie im Folgenden erläutert wird.
Eine Amplitude A_i des von der Brückenschaltung 53 der Sensoreinheit 5i ausgegebenen Signals V_i(t) ist proportional zur Stärke eines Eingangssignals der Sensoreinheit 5i, und jedes Ausgangssignal wird von der Addierschaltung 56 einer Multiplexbildung unterzogen. Dies macht kollektive Analog-Digital-Umsetzung von Ausgangsgrößen mehrerer Messpunkte durch den A/D-Wandler 7 der Steuerung 3 möglich. Unter Einsatz einer Konfiguration mit einem Eingang und einem Ausgang kann dadurch die Steuerung 3 mit Hilfe des D/A-Wandler 10 in einfacher Weise die Berührkraft und weitere derartige taktile Information an mehreren Messpunkten aufnehmen und die Verstärkung einstellen.
Im Folgenden werden die Verarbeitungsvorgänge des Analysators 8 und der AGC 9 der Steuerung 3 beschrieben. Damit Kraftinformation über die Messpunkte auf Echtzeitbasis berechnet werden kann, führt der Analysator 8 eine Fourier-Transformation und eine äquivalente Verarbeitung bezüglich eines Kanals "i" durch. Bei dem AGC 9 wird eine kontinuierliche Verstärkungsregelung ausgeübt, um ein Signal von der Sensoreinheit 5i des Berührsensors 2 auf einen Referenzwert (Sollwert) einzustellen. Die Funktion des AGC 9 besteht darin, ein Signal in einem fixen Bereich auszuprobieren und aufrechtzuerhalten, um auf diese Weise einen instabilen Zustand zu vermeiden, in welchem eine Messung nicht möglich ist. Wenn beispielsweise auf einen speziellen Messpunkt eine sehr große Berührkraft einwirkt, reduziert die AGC 9 die Amplitude A_i eine rSinuswelle, welche die Verstärkung der Sensoreinheit 5i einstellt, die sich an dem Messpunkt befindet. Auf diese Weise wird das Signal V_i(t), das von der Sensoreinheit 5i ausgegeben wird, in einem spezifischen Bereich gehalten. Wenn die auf einen Messpunkt einwirkende Berührkraft eine geringe Kraft darstellt, erhöht die AGC 9 die Amplitude A_i der betroffenen Sinuswelle, um dadurch auch das Signal V_i(t) von der Sensoreinheit 5i innerhalb des spezifizierten Bereichs zu halten und die Verstärkung zu erhöhen.
Die automatische Verstärkungsregelung dient bei CCD-Kameras und bei Mikrophonverstärkern und dergleichen dazu, die Signalstärke in einem fixen Bereich zu halten, wenn ein Eingangssignal unter oder über einen vorbestimmten Pegel gelangt. Im Fall der vorliegenden Erfindung wird hinsichtlich der Messung ein neues System 1 zum Erfassen taktiler Information realisiert, welches eine AGC-Funktion beinhaltet.
4 ist ein Blockdiagramm einer Signalrückkopplungsschleife der i-ten Sensoreinheit 5i. Dies zeigt einen Signalfluss zwischen dem Berührsensor 2 und der Steuerung 3. Damit die Verstärkung der Messpunkt-Sensoreinheit 5i gleichzeitig von der Seite der Steuerung 3 geregelt werden kann, wird von dem D/A-Wandler 10 die Summe der verschiedene Frequenzen aufweisenden Sinuswellen ausgegeben. Die zusammengesetzte Sinuswelle y(t) wird durch folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
A_i und f_i sind die i-te Spannungsamplitude bzw. Frequenz. Wie durch die obige Gleichung zum Ausdruck gebracht ist, wird das zusammengesetzte Sinuswellensignal y(t) der Brückenschaltung 53 jedes der Messpunkte aufgeprägt, weil aber das Bandpassfilter (BPF) 55 vorhanden ist, werden der Brückenschaltung nur diejenigen Sinuswellenkomponenten aufgeprägt, die eine vorbestimmte einzelne Frequenz f_i haben. Damit wird der Brückenschaltung 53 nur das Signal A_isin(2πf_it) aufgeprägt. Wenn die Drucksensoren 51 und 52 einer Kraft ausgesetzt werden, erhält man die Ausgangsspannung V_i(t) von der i-ten Sensoreinheit 5i gemäß folgender Gleichung (2):
G_i ist dabei die Verstärkung des Differenzverstärkers 54, Φ_i ist die Phasenabweichung bei der angelegten Frequenz, ΔR_i ist eine Widerstandsänderung der Drucksensoren 51 und 52 aufgrund der Berührkraft, und R ist der Ausgleichswiderstand der Brückenschaltung 53. Wie durch diese Gleichung dargestellt ist, kann, weil die Verstärkung G_i des Differenzverstärkers 54 fest ist, die Verstärkung der Sensoreinheit 5i von der Seite der Steuerung 3 geändert werden durch Ändern der an die Brückenschaltung 53 angelegten Spannungsamplitude A_i. Die von den Messpunkten ausgegebenen Signale V_i(t) werden von der Addierschaltung 56 einer Multiplexbildung unterzogen und können gleichzeitig von der Steuerung 3 gemessen werden. Die Gleichung (3) drückt das Signal V_input(t) aus, das in die Steuerung 3 eingegeben wird.
Dabei ist V_input|max die maximale Eingangsspannung des A/D-Wandlers 7. Die jedem der Messpunkte vermittelte Kraft wird von dem Analysator 8 berechnet, allerdings kann nicht eine Kraft berechnet werden, die die maximale Eingangsspannung übersteigt. Daher wird die AGC 9 dazu eingesetzt, in passender Weise die Verstärkung so einzustellen, dass die Stärke des Signals V_i(t) innerhalb eines festen Bereichs bleibt. Die Bildung einer Verstärkungsregelung ermöglicht, eine Signalsättigung zu verhindern, wenn eine auf die Sensoreinheit 5i einwirkende Kraft einen vorbestimmten Wert übersteigt, und wenn eine aufgebrachte Kraft gering ist, indem man die Auflösung erhöht durch Steigern der Verstärkung so weit, bis die Eingangsgröße in dem vorbestimmten Bereich liegt. Das heißt: Der Signalpegel lässt sich innerhalb eines festen Bereichs aufrecht erhalten, wodurch verhindert wird, dass das System in einen instabilen Zustand gelangt, in welchem eine Messung nicht möglich ist. Im Folgenden werden der Analysator 8 und die AGC 9 im Einzelnen beschrieben.
(Analysator)
Wie in den 4 und 5A gezeigt ist, enthält die Ausgangsgröße V_i(t) der Sensoreinheit 5i gemäß den Gleichungen (2) und (3) Frequenzkomponenten, die entsprechend der auf die Messpunkte einwirkenden Kraft amplitudenmoduliert sind. Deshalb lässt sich die auf die Messpunkte einwirkende Kraft durch Demodulation in folgender Weise halten: Eine auf jeden Messpunkt gegebene Frequenz (Trägerwelle) ist vorab bekannt, so dass es lediglich notwendig ist, eine Beziehung zwischen einer gegebenen Frequenz und einer Amplitude herzustellen. Die Gleichungen (4) und (5) zeigen, wie eine Korrelation zwischen der Sinuswelle und der Cosinuswelle in Bezug auf die durch Analog-Digital-Umwandlung des Ausgangssignals V_input erhaltene Ausgangsgröße V_sum(t) erhalten wird. Vx(t) = Vsum(t) × sin(2πfit) (4)
Wenn ein zugehöriges Tiefpassfilter (TPF) auf V_x(t) und V_y(t) angewendet wird, um X_i(t) und Y_i(t) zu erhalten, lässt sich eine zu der Frequenz gehörige Amplitude, das ist eine Berührkraft F_i(t), folgendermaßen erhalten:
Dabei ist d_i eine durch Kalibrieren bestimmte Konstante, und die Phaseninformation Phase_i(t) zeigt eine Berühr-Richtung, d.h., ob die Berührung von oberhalb oder von unterhalb der Sensoreinheit 5i erfolgt. Beispielsweise bedeutet in dem in 5B gezeigten Fall eine positive Größe Phase_i(t), dass die Berührung nach unten hin erfolgt, während im Fall der 5C das negative Signal Phase_i(t) eine nach aufwärts gerichtete Berührung bedeutet. Das Tiefpassfilter nutzt die Orthogoralität der trigonometrischen Funktion, um andere Frequenzen jenseits der Eckfrequenz Eck_cut Hz von Komponenten, die von der Frequenz f_i verschieden sind, zu sperren. Die Eckfrequenz f_cut bestimmt sich gemäß dem Skalenumfang der Eingangsgröße des Berührsensors 2 und muss folgende Bedingung erfüllen: 2fcut < fi, fn = πfi (8)
Der Wert der Frequenz f_i lässt sich erhöhen, wenn es erforderlich ist, Amplitude und hohe Frequenzen zu erfassen.
(Automatische Verstärkungsregelung)
Das Ziel der AGC 9 besteht darin, automatisch zu verhindern, dass der A/D-Wandler 7 und dergleichen in Sättigung gehen, und die Auflösung der taktilen Information einzustellen. Um dies anhand der 4 und 6 zu erläutern, führt die AGC 9 folgende Operation durch, um die Spannungsamplitude A_i(t), die an die Sensoreinheit 5i gelegt wird, auf einen passenden Wert einzustellen. Ei(t) = Ari(t) – Aio(t) (9)
Ai(t) = Ari(t) – ∆Wi(t) (11)
A_ri(t) ist die Spannungsamplitude, die an dem i-ten Messpunkt gemessen wird, A_io(t) ist ein Sollwert des i-ten Messpunkts, E_i(t) ist ein Fehler (eine Abweichung) in Bezug auf die i-te Sollspannung, ΔW_i(t) ist eine angelegte Spannungskorrekturgröße, und α ist eine kleine Konstante. In Bezug auf die Gleichung (10) wird mit Hilfe einer Integration das Sperren hoher Frequenzen bewirkt, um eine glatte, durchgängige Einstellung von Fehlern zu erreichen, die sich häufig ändern.
Der Speicher des D/A-Wandlers 10 wird überschrieben, um die Spannungsamplitude A_i(t) zu aktualisieren entsprechend dem angelegten Spannungskorrekturwert ΔW_i(t). Dem Digital-Analog-Wandler 10 kann ein Speicher zugeordnet sein für eine Hochgeschwindigkeits–Sinuswellenerzeugung, allerdings lässt sich die Zeit zum Beschreiben des Speichers nicht ignorieren. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, eine ideale Ausgangswellenform (b) auszugeben, wie sie in 7 gezeigt ist, ist die tatsächlich von dem D/A-Wandler 10 ausgegebene Wellenform eine Wellenform (a), die man erhält durch Multiplizieren der idealen Ausgangswellenform (b) mit einer Rechteckwelle (c). In 7 ist T_i die Speicher-Einschreibzeit des D/A-Wandlers 10, und T ist die Aktualisierungszeitspanne.
(Beispiele)
Wie in 8 gezeigt ist, wurde ein Berührsensor 2 hergestellt, indem 1 mm große Schnitte in einer Stahlplatte 21 gebildet wurden, um mehrere Zonen zu schaffen, wobei sich in jeder Zone eine Sensoreinheit 5 befand. Jede Sensoreinheit 5 enthielt eine Brückenschaltung 53 aus zwei Drucksensoren 51 und 52, die an einem Messpunkt festgemacht waren. Ein Ausgangssignal der Brückenschaltung 53 war temperaturkompensiert. Eine durch Software generierte zusammengesetzte Sinuswelle y(t) aus einem D/A-Wandler 10 einer Steuerung 3 wurde durch ein Analog-Ausgangssignal mit 30 kHz aktualisiert. Über ein Analog-BPF 55 wurde eine einzelne Sinuswelle an die Brückenschaltung 53 jedes Messpunkts gelegt, und zum Erhöhen des Qualitätsfaktors wurde ein BPF vom Sekundär-Bi-cut-Typ eingesetzt, damit nur eine einzige Sinuswelle an die Brückenschaltung 53 gelangte. Hinsichtlich des BPF 55 ist es aufgrund von Bauelementschwankungen schwierig, die Mittenfrequenz exakt auf einen Einstellwert zu bringen, so dass die Frequenz der von dem D/A-Wandler 10 ausgegebenen Sinuswelle mit der Mittenfrequenz des BPF 55 ausgerichtet wurde. Jeder Analog-BPF 55 war so ausgelegt, dass die gegenseitigen Störanteile um mindestens 100 dB gedämpft waren. Das Ausgangssignal von jedem Messpunkt wurde um etwa das Tausenfache von einem dieser Randverstärker 54 verstärkt. Damit die Signalausgangsgrößen von dem Berührsensor 2 von nur einer Leitung behandelt werden konnten, wurden die Ausgangssignale der Sensoreinheiten 5 von einer Addierschaltung 56 addiert, um ein amplitudenmoduliertes Frequenzmultiplex-Signal zu erzeugen. Die Signalausgangsgröße des Berührsensors 2 wurde von einem A/D-Wandler 7 mit 5 kHz abgetastet. Ein Digital-TPF mit einer Eckfrequenz von 50 Hz wurde von einem Analysator 8 verwendet, um eine Korrelation zwischen Sinuswelle und Cosinuswelle zu erreichen, wozu das Filter eine Butterworth-Kennlinie dritter Ordnung besaß. Damit bei dem Test τ/T einen Wert von etwa 1,0 hatte, wurde eine Verstärkungs-Aktualisierungszeitspanne T von 250 ms verwendet. Der Test wurde durchgeführt mit τ/T = 0,80. Die aktuelle Messung erfolgte in einer stabilen Periode im Anschluss an eine Speicher-Aktualisierung.
9 zeigt die Ergebnisse des für zwei Messpunkte vorgenommenen Tests ohne automatische Verstärkungsregelung. Der D/A-Wandler 10 legte Sinuswellen von 313 Hz und 604 Hz an die Sensoreinheiten (Druckmesser). Für die Messung wurde zunächst ein Messpunkt, dem die Sinuswelle von 604 Hz zugeführt wurde, berührt, woraufhin beide Messpunkte gleichzeitig berührt wurden. 9A zeigt die Wellenform des Ausgangssignals des Berührsensors 2, 9B und 9C zeigen Daten, die durch Verarbeitung des Analysators 8 gewonnen wurden. Diese Figuren zeigen Daten, die erhalten wurden, als die Sensoreinheit, der das Sinussignal mit 604 Hz zugeführt wurde, mit t = 0,9 bis 1,3 s berührt wurde, bzw. als beide Sensoreinheiten mit t = 1,5 bis 1,9 s berührt wurden. 9B zeigt eine kleine Ausgangsgröße, obwohl es keine Signaleingabe von 0,9 bis 1,2 s gab. Dies war wahrscheinlich auf den Umstand zurückzuführen, dass in dem BPF 55 bei der Mittenfrequenz von 604 Hr eine unzureichende Dämpfung bei der Frequenz von 313 Hz vorhanden war, als es eine hohe angelegte Spannung oder eine Versetzung der Eingangsgröße gab.
10A und 10B zeigen den Fall, dass keine automatische Verstärkungsregelung verwendet wurde und der eine fixe Verstärkung aufweisende Berührsensor 2 in Sättigung gelangte. 10A zeigt eine Signalausgangsgröße von einem einzigen Messpunkt, und 10B zeigt die von dem D/A-Wandler 10 an einen einzelnen Messpunkt gelieferte Spannung. 10A verdeutlicht, dass der A/D-Wandler 7 nach t = 3900 ms in Sättigung gelangte.
Bei Verwendung der automatischen Verstärkungsregelung ergab sich das in den 11A bis 11D dargestellte Bild. Diese Figuren zeigen die Ergebnisse für den Fall, dass die Verstärkung des Berührsensors 2 reduziert wurde, als die Berührkraft allmählich anstieg. 11C zeigt die Signalausgangsgröße von einem einzigen Messpunkt, und 11A und 11B zeigen teilweise vergrößerte Ansichten aus den 11C bzw. 11D. In 11A ist T die Verstärkungs-Aktualisierperiode der AGC 9, T_d ist die effektive Messzeit des Sensors, und T_i ist die Speicher-Neuschreibzeit des D/A-Wandlers 10. Berücksichtigt man die durch das BPF und das TPF eingebrachte Funktionsverzögerung, so wurde eine Messzeitspanne T_d nach T_i geschaffen, damit sich das System stabilisieren konnte. Aus den 11C und 11D ist ersichtlich, dass die Verstärkung der Sensoreinheit 5 gemäß dem Berührungsdruck abnimmt.

Claims

Verfahren zum Erfassen taktiler Information über Berührkraft und dergleichen, die auf Messpunkte einwirkt, basierend auf Ausgangsgrößen von Brückenschaltungen aus an jedem Messpunkt angebrachten Drucksensoren, umfassend die Schritte: – Erzeugen eines zusammengesetzten Sinuswellensignals, welches Sinuswellenkomponenten verschiedener Frequenzen enthält; – Anlegen des zusammengesetzten Sinuswellensignals an jede Brückenschaltung über ein Bandpassfilter, um an jede Brückenschaltung ein Sinuswellensignal einer vorbestimmten einzelnen Frequenz anzulegen; – Addieren der Ausgangsgrößen jeder Brückenschaltung, um eine Summen-Ausgangsgröße zu erhalten; – Gewinnen von der auf jeden Messpunkt wirkenden Berührkraft und Berührrichtung zumindest der Berührkraft aus der Summenausgangsgröße unter Ausnutzung der Orthogonalität der trigonometrischen Funktion; und – Vergleichen der an jedem Messpunkt gemessenen Spannungsamplitude mit einer für jeden Messpunkt voreingestellten Referenzspannung und Einstellen der Spannungsamplitude des Sinuswellensignals jeder Frequenz, welches an die Brückenschaltung jedes Messpunkts gelegt wird, um die Verstärkung der Brückenschaltung jedes Messpunkts so zu regeln, dass eine mögliche Differenz zwischen Mess- und Referenzspannungen verringert wird.
System zum Erfassen taktiler Information über Berührkraft an Messpunkten gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: einen Berührsensor, eine Steuerung, eine Signalausgangsleitung zum Zuführen der Summenausgangsgröße des Berührsensors zu der Steuerung, und eine Verstärkungsregelleitung zum Zuführen des zusammengesetzten Sinuswellensignals, welches von der Steuerung ausgegeben wird, zu dem Berührsensor; wobei der Berührsensor mehrere Sensoreinheiten und eine Addierschaltung zum Erzeugen der Summenausgangsgröße durch Aufaddieren der Ausgangsgröße jeder Sensoreinheit aufweist; wobei jeder Berührsensor eine Brückenschaltung enthält, bestehend aus mehreren Brückensensoren, die an einem Messpunkt angeordnet sind, und einem Bandpassfilter zum Anlegen eines Sinuswellensignals einer vorbestimmten einzelnen Frequenz, welches in dem zusammengesetzten Sinuswellensignal enthalten ist, an die Brückenschaltung; wobei die Steuerung aufweist: einen A/D-Wandler zur Analog-Digital-Umwandlung der über die Signalausgangsleitung gelieferten Summenausgangsgröße, einen Analysator, der aus dem von dem A/D-Wandler umgewandelten Summenausgangssignal von der Berührkraft und der Berührrichtung, die auf jeden Messpunkt einwirken, unter Ausnutzung der Orthogonalität der trigonometrischen Funktion zumindest die Berührkraft bildet, die auf jeden Messpunkt einwirkt, eine automatische Verstärkungsregelschaltung, welche die an jedem Messpunkt gemessene Spannungsamplitude mit einer Referenzspannung vergleicht, die für jeden Messpunkt eingestellt ist, und die Spannungsamplitude jedes eine bestimmte Frequenz aufweisenden Sinuswellensignals, welches an jedes Sensoreinheit des Berührsensors gelegt wird, so einstellt, dass eine mögliche Differenz zwischen Mess- und Referenzspannung verringert wird, und einen D/A-Wandler, der das zusammengesetzte Sinuswellensignal, welches die Sinuswellen signale jeder Frequenz enthält, mit der eingestellten Spannungsamplitude erzeugt und ausgibt.