ITRM20100304A1 - Sensore per la misura di una forza esterna applicata a detto sensore. - Google Patents

Description

SENSORE PER LA MISURA DI UNA FORZA ESTERNA APPLICATA A

DETTO SENSORE

La presente invenzione riguarda il settore dei sensori, ed in particolare si riferisce ad un sensore in grado di comportarsi il più possibile come il tatto dell’uomo.

I campi di applicazione di un tale sensore riguardano prevalentemente la robotica industriale, la robotica antropomorfa, la robotica di servizio, la realtà virtuale, nonché l’intrattenimento e la prostetica.

Attualmente, esistono diversi dispositivi, ma nessuno di detti dispositivi à ̈ in grado di fornire contemporaneamente la maggior parte delle caratteristiche richieste da un sensore tattile.

Nel sensore descritto in EP0113223, la luce generata da una pluralità di sorgenti luminose raggiunge un ricevitore ottico, viaggiando all’interno di un materiale trasparente.

Lo svantaggio principale à ̈ che, per ottenere la misura completa di una forza, applicata al sensore, à ̈ necessario accendere le sorgenti luminose una alla volta, essendo previsto un singolo ricevitore, mediante una tecnica di interrogazione in multiplexing. Quindi, se le dimensioni del sensore aumentano tale misura diventa troppo lenta o addirittura impossibile a causa delle perdite nel materiale trasparente.

Inoltre, un ulteriore svantaggio à ̈ dovuto allo scattering che la luce subisce quando viaggia in detto materiale trasparente.

Infatti, come descritto da Akira Ishimaru, in “Wave propagation and scattering in random media†Academic press, New York, 1978, lo scattering à ̈ un fenomeno stocastico, difficile da modellare e ciò complica notevolmente la calibrazione del sensore e soprattutto la ripetibilità delle misure.

Infine, per il funzionamento, à ̈ fondamentale che la distanza tra dette sorgenti luminose e detto ricevitore sia fissa e nota. Ciò implica che il circuito elettronico comprendente le sorgenti luminose e il ricevitore sia realizzato con una forma rigida. Di conseguenza à ̈ esclusa la possibilità di realizzare detto circuito elettronico con una forma flessibile.

Anche la soluzione, proposta in JP6018216, prevede che la luce viaggi in un materiale trasparente, con i fenomeni di scattering che ne conseguono, e che il ricevitore deve essere posizionato ad una distanza fissa e nota rispetto alla sorgente luminosa. Pertanto, il sensore non à ̈ realizzabile in una versione flessibile.

Le soluzioni proposte in JP60195431 e JP61041938 sono tra loro molto simili, e prevedono un primo strato con sorgenti luminose, che illuminano una superficie riflettente attraverso dei piccoli fori, ricavati in un secondo strato dotato di ricevitori, posizionato a una diversa altezza dal primo strato. La luce riflessa viene misurata dai ricevitori di detto secondo strato che sono posizionati ai lati dei fori.

In entrambe le soluzioni proposte, l’allineamento tra le sorgenti luminose ed i fori à ̈ fondamentale e, quindi, à ̈ esclusa la realizzazione di una versione flessibile del sensore.

Nella soluzione proposta in JP61041938 la luce si propaga in un mezzo trasparente e quindi ha lo svantaggio di essere soggetta a fenomeni di scattering.

Inoltre, un ulteriore svantaggio à ̈ dato dal posizionamento dei ricevitori. Infatti, se detti ricevitori sono molto vicini tra loro, essi possono risentire della luce proveniente da più fori, creando problemi di accoppiamento tra i diversi punti di misura e quindi difficoltà aggiuntive in termini di ripetibilità della misura.

La soluzione proposta in WO00/073982 si basa esplicitamente su misure di luce diffusa e/o scatterata. Come già ampiamente detto in riferimento alle precedenti soluzioni sopra esposte, lo scattering à ̈ un fenomeno stocastico difficile da modellare e ciò rende complicata sia la calibrazione del sensore che la ripetibilità di misura da parte del sensore stesso.

L’invenzione presentata in WO86/003618 prevede un sensore con una sola sorgente luminosa che illumina un materiale trasparente. La luce, che fuoriesce da detto materiale trasparente, viene misurata tramite una matrice di elementi sensibili, posizionati al di sotto del materiale trasparente stesso, per ricostruire la forma di un oggetto che agisce sul sensore.

Tale invenzione presenta gli svantaggi dovuti al fenomeno dello scattering della luce nel materiale trasparente in cui la luce stessa si propaga.

Inoltre, per grandi dimensioni del sensore, la luce generata da detta sorgente luminosa potrebbe non essere sufficiente ad illuminare tutta la superficie del sensore, a causa di perdite nel materiale trasparente.

Il sensore descritto in WO86/003618 prevede una sola sorgente e una pluralità di ricevitori che vengono interrogati in multiplexing. In questo caso, come per la soluzione proposta in EP0113223, gli svantaggi sono legati alle perdite nel materiale trasparente e alla tecnica di multiplexing. Se le dimensioni del sensore aumentano la misura di una forza esterna diventa troppo lenta o addirittura impossibile a causa delle perdite nel materiale trasparente.

La soluzione proposta in WO09/013599 usa una matrice di ricevitori, con una pluralità di sorgenti luminose posizionate intorno a detta matrice di ricevitori e annegate in un materiale trasparente.

L’impiego di detto materiale trasparente comporta gli svantaggi dovuti allo scattering che complicano la calibrazione del sensore e diminuiscono la ripetibilità di misura.

Inoltre, la presenza di sorgenti luminose da disporre necessariamente solo intorno alla matrice dei ricevitori non permette di realizzare un sensore di grandi dimensioni. Infatti, all’aumentare delle dimensioni la radiazione luminosa potrebbe non essere sufficiente ad illuminare correttamente la matrice dei ricevitori a causa di perdite nel materiale trasparente o a causa di una occlusione della sorgente luminosa a seguito del contatto del sensore con un oggetto esterno.

Per concludere, gli svantaggi dei sensori sopra citati sono legati alla propagazione della luce in materiali trasparenti, che complica la calibrazione e la ripetibilità di misura del sensore stesso, a causa di fenomeni di diffusione e di scattering.

Nella maggior parte di detti sensori, la luce si propaga in uno strato di materiale trasparente, ed i ricevitori ottici sono fortemente accoppiati tra loro, i.e. ciascun ricevitore può ricevere radiazioni luminose provenienti da sorgenti diverse. Ciò rende difficile distinguere contatti singoli da contatti multipli, cioà ̈ rispettivamente casi in cui il sensore à ̈ a contatto con un singolo oggetto, avente una superficie estesa, e casi in cui il sensore à ̈ a contatto con una pluralità di oggetti.

Inoltre, va sottolineato che ciascuno di detti sensori stima solo la componente normale della forza, rispetto alla superficie del sensore stesso nel punto di contatto, o la pressione nel punto di contatto, o una mappa di pressione. Pertanto, nessuno dei suddetti sensori, oggetto delle invenzioni basate su tecnologia optoelettronica, ha come obiettivo quello di risolvere il problema della stima di tutte le componenti della forza di contatto tra il sensore e l’ambiente esterno.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di superare detti svantaggi, fornendo un sensore per la stima dell’intensità e/o della direzione di una forza esterna applicata a detto sensore.

Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un sensore che stimi il punto e/o l’area di contatto tra detto sensore ed un oggetto esterno.

Ancora un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un sensore in grado di distinguere un contatto singolo da un contatto multiplo.

Ciò à ̈ stato ottenuto prevedendo un sensore che implementi la maggior parte delle capacità tipiche del tatto umano.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un sensore che comprende:

- almeno un punto sensibile, comprendente una sorgente luminosa o emettitore ed un corrispondente ricevitore ottico; e

- un elemento deformabile elasticamente, avente una superficie inferiore riflettente ed una superficie superiore rivolta verso l’ambiente esterno, atto a disaccoppiare otticamente detti punti sensibili tra loro e ad assorbire la radiazione luminosa, emessa da detta sorgente luminosa e riflessa da detta superficie inferiore riflettente.

Ai fini della presente invenzione, per sorgente luminosa si intende un qualsiasi emettitore di onde elettromagnetiche visibili da un ricevitore, e pertanto non limitato alle radiazioni visibili all’occhio umano.

Secondo l’invenzione, la sorgente luminosa e il ricevitore di ciascun punto sensibile possono essere affiancati, oppure essere posizionati ad una distanza tale tra loro che risulti al massimo pari al 50% della somma delle dimensioni maggiori della sorgente luminosa e del ricevitore.

Ancora secondo l’invenzione, à ̈ possibile prevedere una pluralità di punti sensibili che sono preferibilmente disposti secondo una matrice.

Ancora secondo l’invenzione, i punti sensibili sono realizzati con tecnologia opto-elettronica e possono essere elementi discreti posizionati su un supporto oppure possono essere realizzati come un unico circuito elettronico integrato, i.e. con i punti sensibili integrati in un supporto. Detto supporto può essere realizzato con tecnologie di elettronica in silicio o tecnologie diverse, ad esempio substrati in arseniuro di gallio, elettronica organica e biologica.

Ulteriormente secondo l’invenzione, l’elemento deformabile elasticamente prevede sulla sua superficie inferiore una pluralità di celle, ciascuna delle quali à ̈ affacciata ad un rispettivo punto sensibile. Ciascuna cella à ̈ dotata di una superficie di fondo che à ̈ una porzione della superficie inferiore riflettente di detto elemento deformabile elasticamente.

Vantaggiosamente, dette celle sono definite mediante delle pareti aventi colore e spessore tali da isolare otticamente ciascun punto sensibile.

Preferibilmente, la superficie inferiore riflettente di detto elemento deformabile elasticamente può essere realizzata in silicone bianco.

Sempre secondo l’invenzione, il sensore può comprendere un ulteriore elemento, da interporre tra detti punti sensibili e detto elemento elasticamente deformabile, che coopera con detto elemento elasticamente deformabile per isolare otticamente detti punti sensibili e assorbire la radiazione luminosa, emessa da detta sorgente luminosa e riflessa da detta superficie inferiore riflettente. Detto ulteriore elemento à ̈ dotato di una apertura o finestra per ciascuno di detti punti sensibili per permettere il passaggio di punti sensibili.

A seconda dell’applicazione del sensore, detto ulteriore elemento può essere rigido, preferibilmente in resina, o flessibile, preferibilmente in silicone.

Infine secondo l’invenzione, detto elemento può essere di colore nero opaco.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma di realizzazione, con particolare riferimento alle figure allegate, in cui:

la figura 1 à ̈ una vista esplosa di una forma realizzativa del sensore, oggetto dell’invenzione, comprendente tre strati, un primo strato avente una matrice di punti sensibili, un secondo strato ed un terzo strato avente una pluralità di celle disposte sulla superficie inferiore;

la figura 2 Ã ̈ una vista in prospettiva di un dettaglio del terzo strato del sensore, relativo alle celle della sua superficie inferiore;

la figura 3 à ̈ una sezione trasversale del sensore quando non à ̈ sottoposto ad alcuna forza esterna;

la figura 4 à ̈ una sezione trasversale del sensore di fig. 3 che subisce una deformazione dovuta all’applicazione di una forza esterna;

la figura 5 mostra una variante del terzo strato del sensore per applicazioni di robotica antropomorfa;

le figure 6A-6R mostrano le entità delle deformazioni del sensore tramite le deformazioni delle singole celle del sensore, nel caso agisca su detto sensore solo una forza normale;

le figure 7A-7R mostrano le entità delle deformazioni del sensore tramite le deformazioni delle singole celle del sensore, nel caso agisca su detto sensore solo una forza tangenziale;

la figura 8 mostra schematicamente le celle di figura 3 numerate in un sistema di riferimento;

la figura 9 mostra le variazioni di tensione di un punto sensibile soggetto prima a variazioni positive e poi a variazioni negative;

le figure 10A-10B mostrano ciascuna i risultati sperimentali per la stima del punto di contatto tra la forza applicata ed il sensore ottenuti applicando due metodi di stima;

le figure 11-12 mostrano i risultati sperimentali di una calibrazione fatta per la superficie superiore del terzo strato del sensore, applicando su detto sensore solo forze dirette perpendicolarmente al sensore stesso;

le figure 13-16 mostrano i risultati sperimentali ottenuti con una calibrazione effettuata in corrispondenza della zona centrale del sensore, applicando su detto sensore forze con componenti perpendicolari e tangenziali al sensore stesso.

Con particolare riferimento alla figura 1, il sensore che si descrive comprende tre strati sovrapposti tra loro:

- un primo strato o strato sensibile 1 comprendente una matrice di punti sensibili 45, ciascuno dei quali comprende una sorgente luminosa o emettitore 4 ed un ricevitore ottico 5, affiancato a detta sorgente luminosa 4,

- un terzo strato 3 deformabile elasticamente, avente una superficie inferiore riflettente ed una superficie superiore rivolta verso l’ambiente esterno, atta a disaccoppiare otticamente detti punti sensibili 45 tra loro e ad assorbire la radiazione luminosa che emessa da ciascuna sorgente luminosa 4 à ̈ riflessa da detta superficie inferiore, e

- un secondo strato 2 rigido, interposto tra detti primo e terzo strato, che coopera con detto terzo strato 3 per disaccoppiare otticamente detti punti sensibili 45 tra loro e assorbire detta radiazione luminosa.

Come già detto, sebbene non mostrato nelle figure, non à ̈ necessario che la sorgente luminosa 4 e il ricevitore ottico 5 siano affiancati, ma à ̈ sufficiente che siano a una distanza tale tra loro che risulti al massimo pari al 50% della somma delle dimensioni maggiori della sorgente luminosa 4 e del ricevitore 5.

Nella forma realizzativa che si descrive, la matrice dei punti sensibili 45 Ã ̈ una matrice 4x4, e pertanto i punti sensibili 45 sono sedici, disposti su quattro righe e quattro colonne.

Come già detto, sebbene in tale forma realizzativa detti punti sensibili 45 siano realizzati come componenti discreti, à ̈ possibile prevedere che detti punti sensibili siano integrati nel primo strato 1.

Il secondo strato 2 rigido à ̈ dotato di una pluralità di aperture o finestre 20, in numero pari ai punti sensibili 45 del primo strato 1, per permettere il passaggio dei punti sensibili 45 quando detto secondo strato 2 viene sovrapposto al primo strato 1.

Con la sovrapposizione del secondo strato 2 sul primo strato 1, i punti sensibili 45 vengono otticamente isolati tra loro e non si influenzano reciprocamente in fase di misura dell’intensità della radiazione luminosa.

Per disaccoppiare otticamente due punti sensibili 45 vicini, ed assorbire la radiazione luminosa, detto secondo strato 2 deve avere colore e spessore adeguati.

A seconda dell’applicazione del sensore, viene selezionato il tipo di sorgente luminosa 4 e di ricevitore ottico 5, e quindi la lunghezza d’onda, ed il colore che il secondo strato 2 deve avere.

Di conseguenza à ̈ possibile stabilire lo spessore necessario per detto secondo strato.

Come già detto, a seconda del tipo di applicazione del sensore, il secondo strato 2 può essere flessibile, anziché rigido.

Il terzo strato 3 deformabile elasticamente à ̈ sovrapposto al secondo strato 2 in modo tale da coprire la matrice di punti sensibili 45 e costituisce l’interfaccia tra l’ambiente esterno ed il sensore.

Come mostrato in figura 2, la superficie inferiore del terzo strato 3 à ̈ suddivisa in una pluralità di celle 30 in modo tale che quando detto terzo strato 3 viene posizionato sul secondo strato 2 ciascuna cella 30 si trova in corrispondenza di un rispettivo punto sensibile 45 del primo strato 1.

In altre parole, la superficie 6 di fondo di ciascuna cella 30 Ã ̈ affacciata ad un rispettivo punto sensibile 45.

È evidente che dette celle 30 devono essere in numero pari ai punti sensibili 45 del primo strato 1 e che ciascuna di dette celle 30 ha una superficie di fondo 6 riflettente, essendo detta superficie 6 di fondo di ciascuna cella 30 una porzione della superficie inferiore riflettente del terzo strato 3.

È altrettanto evidente che dette celle 30 del terzo strato sono disposte secondo una matrice 4x4, e pertanto sedici celle sono disposte su quattro righe e quattro colonne.

Le celle 30 sono definite mediante delle pareti 7 che hanno il compito di garantire l’isolamento ottico tra le celle stesse, assorbendo la radiazione luminosa che raggiunge dette pareti.

Pertanto, una volta che la radiazione luminosa viene emessa da ciascuna sorgente luminosa 4, questa si propaga nella corrispondente cella 30 soprastante e va a colpire la superficie 6 di fondo di detta cella. Poiché detta superficie 6 à ̈ riflettente, tale radiazione luminosa viene riflessa e ricevuta dal ricevitore 5, che fornisce una misura dell’intensità della radiazione luminosa.

In pratica, la misura dell’intensità della radiazione, effettuata da parte del ricevitore 5, à ̈ funzione dell’intensità della radiazione luminosa che arriva su detto ricevitore, la quale intensità a sua volta dipende dalla distanza tra la superficie 6 di fondo di ciascuna delle celle 30 rispetto al punto sensibile 45.

Alla luce di quanto sopra esposto, Ã ̈ opportuno sottolineare che la radiazione luminosa riflessa dalla superficie 6 di fondo di una cella 30 non deve raggiungere la cella vicina. Pertanto, sia il secondo strato 2 che il terzo strato 3 devono assorbire la radiazione luminosa.

Inoltre, il secondo strato 2 ed il terzo strato 3 possono essere impiegati per fissare il fondo scala del sensore, i.e. per determinare la massima forza esterna rilevabile dal sensore. Maggiore à ̈ la distanza tra punti sensibili 45 e la superficie riflettente del terzo strato 3, maggiore à ̈ la massima forza esterna che il sensore può rilevare.

Quando sul sensore non à ̈ applicata alcuna forza esterna, i.e. non interagisce con l’ambiente esterno, la superficie 6 di fondo di ciascuna cella 30 à ̈ ad una distanza 8 iniziale prestabilita rispetto ai punti sensibili 45 (fig. 3).

Nel momento in cui una forza esterna 12 viene applicata sul sensore mediante un elemento 9 che va a contatto con il terzo strato 3, il sensore viene deformato (fig. 4).

Infatti, la forza esterna 12 provoca una deformazione della superficie inferiore riflettente del sensore e tale deformazione implica localmente una variazione della distanza 8 iniziale tra ciascun punto sensibile 45 e la superficie 6 di fondo della corrispondente cella.

La variazione di detta distanza 8 genera una variazione della radiazione luminosa riflessa da ciascuna superficie 6 di fondo della cella e di conseguenza una variazione dell’intensità misurata dal ricevitore del corrispondente punto sensibile 45 affacciato a detta superficie 6.

A seconda della direzione nello spazio della forza esterna 12 applicata al sensore, la superficie inferiore del terzo strato 3 può localmente avvicinarsi o allontanarsi ai punti sensibili 45.

Pertanto, la distanza 8 iniziale, tra ciascun punto sensibile 45 del primo strato 1 e la rispettiva superficie 6 di fondo della cella 30, può ridursi o aumentare.

La figura 5 mostra come la distanza di due celle 30 rispetto ai rispettivi punti sensibili 45 sia rispettivamente diminuita e aumentata rispetto alla distanza 8 iniziale, i.e. divenuta rispettivamente pari ad una prima distanza 10 ed a una seconda distanza 11, mentre la distanza di altre due celle 30 rispetto ai rispettivi punti sensibili 45 sia rimasta invariata, i.e. pari alla distanza 8 iniziale.

Utilizzando la misura della deformazione della superficie inferiore del terzo strato 3 in un numero discreto di punti (coincidenti con le superfici 6 di fondo di ciascuna cella 30 affacciate ai rispettivi punti sensibili 45 del primo strato 1) Ã ̈ possibile ricostruire, con tecniche di identificazione di tipo noto, la forza esterna 12 applicata sul sensore in tutte le direzioni dello spazio.

In particolare, i punti sensibili 45 che si sono avvicinati alla superficie inferiore riflettente del terzo strato 3 (tale avvicinamento identificato di seguito come †̃deformazione negativa’) forniscono una misura che contiene informazioni utili per stimare la componente della forza esterna 12 che agisce lungo la direzione normale rispetto alla superficie superiore del terzo strato 3 del sensore.

Invece, i punti sensibili 45 che si sono allontanati dalla superficie inferiore riflettente del terzo strato 3 (tale allontanamento identificato di seguito come †̃deformazione positiva’) forniscono una misura che contiene informazioni utili per stimare le componenti della forza esterna 12 che agisce lungo la direzione tangenziale rispetto alla superficie superiore del terzo strato 3 del sensore.

È evidente che la forma ed il materiale del terzo strato 3, i.e. lo strato di interfaccia tra il sensore e l’ambiente esterno, devono essere scelti in modo tale da garantire al sensore di subire deformazioni positive e/o negative in corrispondenza dei punti sensibili 45 in funzione di tutte le componenti della forza esterna 12 applicata su detto sensore.

La forma del terzo strato 3 à ̈ determinata in base al tipo di applicazione del sensore, e le dimensioni del terzo strato sono ottimizzate mediante l’utilizzo di modelli matematici che tengono conto delle proprietà meccaniche del materiale usato per la sua realizzazione.

La sensibilità del sensore dipende dall’entità delle deformazioni, sia positive che negative, e dalle corrispondenti variazioni della radiazione luminosa riflessa.

La scelta di un materiale con diverse proprietà meccaniche, come ad esempio l’elasticità, incide sull’entità delle deformazioni, a parità di forze esterne 12 applicate al sensore e di conseguenza sulla sensibilità e sul fondo scala del sensore stesso.

La radiazione luminosa riflessa dipende anche dalle proprietà ottiche del materiale utilizzato.

In particolare, à ̈ possibile aumentare o diminuire le variazioni di radiazione riflessa, a parità di forze esterne 12 applicate (e di conseguenza la sensibilità del sensore), cambiando le proprietà ottiche e meccaniche della superficie inferiore riflettente del terzo strato deformabile elasticamente.

In figura 5 Ã ̈ mostrata una variante del terzo strato 3 del sensore.

È preferibile che la sezione del terzo strato 3 sia assimilabile a quella di un dito umano in modo tale da essere impiegato in applicazioni di robotica antropomorfa così da rendere il sensore adatto all’integrazione in mani robotiche di dimensioni comparabili a quelle dell’uomo.

Tale sezione à ̈ formata da un rettangolo, avente come base C la lunghezza della superficie riflettente del sensore e come altezza una determinata altezza A, e da un segmento circolare superiore a detto rettangolo, delimitato da una corda di lunghezza pari a detta base C e di altezza B.

Una volta che il materiale del terzo strato 3 Ã ̈ stato scelto o selezionato, Ã ̈ possibile modellare detto terzo strato 3 con tecniche di modellazione di tipo noto, quali ad esempio le tecniche di modellazione agli elementi finiti.

Vediamo ora di analizzare i risultati ottenuti in termini di deformazione della superficie 6 di fondo riflettente di ciascuna cella 30, nel caso in cui sia stato selezionato il silicone come materiale per il terzo strato 3 e si à ̈ scelto di variare sia il parametro A che il parametro B nell’intervallo tra 0 e 2mm.

Tale analisi à ̈ stata condotta prima nel caso di una forza esterna 12 applicata solo in direzione perpendicolare al sensore e poi nel caso di una forza esterna applicata solo in direzione parallela al sensore.

Le figure 6A-6R mostrano le entità delle deformazioni di ciascuna cella 30, calcolate tramite il modello agli elementi finiti, nel caso agisca solo una forza normale al sensore.

Le figure 7A-7R mostrano le entità delle deformazioni di ciascuna cella 30, calcolate tramite il modello agli elementi finiti, nel caso agisca solo una forza tangenziale al sensore.

In ciascuna figura 6A-6R e 7A-7R, la superficie 6 di fondo di ciascuna cella 30 Ã ̈ rappresentata mediante un rispettivo elemento di una matrice 4x4.

In altre parole, ciascuna delle sedici celle 30 Ã ̈ un elemento della matrice 4x4 di ciascuna figura.

In particolare:

le matrici 4x4 mostrate nelle figure 6A-6D, indicano cosa succede alle sedici celle 30 del terzo strato 3 in quattro configurazioni diverse del terzo strato 3, all’aumentare del parametro B e con un parametro A costante prestabilito;

le matrici 4x4 mostrate nelle figure 6E-6H, indicano cosa succede alle sedici celle 30 del terzo strato 3, in quattro configurazioni diverse del terzo strato 3, all’aumentare del parametro B e con il parametro A costante, maggiore del parametro A scelto per le matrici 4x4 di figura 6A-6D;

le matrici 4x4 mostrate nelle figure 6I-6N, indicano cosa succede alle sedici celle 30 del terzo strato 3, in quattro configurazioni diverse del terzo strato 3, all’aumentare del parametro B e con il parametro A costante, maggiore del parametro A scelto per le matrici 4x4 di figura 6E-6H;

le matrici 4x4 mostrate nelle figure 6O-6R, indicano cosa succede alle sedici celle 30 del terzo strato 3, in quattro configurazioni diverse del terzo strato 3, all’aumentare del parametro B e con il parametro A costante, maggiore del parametro A scelto per le matrici 4x4 di figura 6I-6N.

Nel caso di forza esterna che agisce solo perpendicolarmente al sensore (fig. 6A-6R), le deformazioni sono solo in una direzione (deformazioni negative) e celle più scure indicano deformazioni maggiori a parità di forza, e quindi maggiore sensibilità del sensore nei punti corrispondenti a dette celle più scure.

In altre parole, ciascuna cella 30 ha un colore più o meno scuro a seconda se ha subito un abbassamento rispettivamente più o meno forte a causa della forza esterna 12 applicata sul sensore.

Nel caso in cui la forza esterna 12 agisce solo tangenzialmente al sensore (figg. 7A-7R), le deformazioni avvengono in entrambe le direzioni (deformazioni negative e positive).

Ciascuna matrice 4x4 mostrata nelle figure 7A-7R ha la prima e la seconda riga che mostrano una deformazione negativa, mentre la terza e la quarta riga mostrano una deformazione positiva. Per ciascuna matrice 4x4, le celle più scure indicano deformazioni in valore assoluto maggiori a parità di forza tangenziale applicata sul sensore.

Le celle 30 hanno un colore più o meno scuro a seconda se hanno subito una deformazione in valore assoluto più o meno forte a causa della forza esterna 12 applicata sul sensore.

Di conseguenza, la presenza di celle 30 più scure sulla prima e sulla seconda riga di ciascuna matrice 4x4 indica che dette celle hanno subito una deformazione negativa maggiore rispetto a quelle più chiare presenti sulle stesse righe.

La presenza di celle 30 più scure sulla terza e sulla quarta riga di ciascuna matrice 4x4 indica che dette celle hanno subito una deformazione positiva maggiore rispetto a quelle più chiare presenti sulle stesse righe.

Pertanto, sia in caso di deformazione positiva che di deformazione negativa, la presenza di celle 30 più scure sulla prima e seconda riga della matrice 4X4 contemporaneamente alla presenza di celle 30 più scure sulla terza e quarta riga di detta matrice indica una maggiore sensibilità del sensore ad una forza esterna tangenziale.

In particolare:

le matrici 4x4 mostrate nelle figure 7A-7D, indicano cosa succede alle sedici celle 30 del terzo strato 3 in quattro configurazioni diverse del terzo strato 3, all’aumentare del parametro B e con un parametro A costante prestabilito;

le matrici 4x4 mostrate nelle figure 7E-7H, indicano cosa succede alle sedici celle 30 del terzo strato 3, in quattro configurazioni diverse del terzo strato 3, all’aumentare del parametro B e con il parametro A costante, maggiore del parametro A scelto per le matrici 4x4 di figura 7A-7D;

le matrici 4x4 mostrate nelle figure 7I-7N, indicano cosa succede alle sedici celle 30 del terzo strato 3, in quattro configurazioni diverse del terzo strato 3, all’aumentare del parametro B e con il parametro A costante, maggiore del parametro A scelto per le matrici 4x4 di figura 7E-7H;

le matrici 4x4 mostrate nelle figure 7O-7R, indicano cosa succede alle sedici celle 30 del terzo strato 3, in quattro configurazioni diverse del terzo strato 3, all’aumentare del parametro B e con il parametro A costante, maggiore del parametro A scelto per le matrici 4x4 di figura 7I-7N.

Con riferimento alle figure 6A-6R e 7A-7R, si evince che all’aumentare delle dimensioni dei parametri A e B, il sensore diventa maggiormente sensibile alle componenti tangenziali della forza esterna 12 ad esso applicata, e viceversa, cioà ̈ una diminuzione di tali parametri A e B aumenta la sensibilità del sensore nei confronti di una forza esterna applicata lungo una direzione normale al sensore stesso.

Pertanto, la scelta dei parametri A e B dipende dal tipo di applicazione del sensore.

Nell’esempio che si à ̈ appena descritto, i valori dei parametri A e B sono stati scelti nel loro intervallo di variazione (0-2mm), in modo da ottenere una buona sensibilità a tutte le componenti della forza esterna 12.

In una variante (non mostrata nelle figure), per le applicazioni in cui à ̈ richiesto che il secondo strato 2 sia di materiale flessibile, detto secondo strato può essere realizzato di pezzo con il terzo strato 3, ottenendosi così un unico strato deformabile.

In una preferita forma realizzativa, il primo strato 1 Ã ̈ un circuito elettronico ed i punti sensibili 45 sono componenti optoelettronici di tipo commerciale.

Ciascuna sorgente luminosa 4 Ã ̈ un LED e ciascun ricevitore 5 Ã ̈ un fototransistor NPN.

Lo spettro di emissione del LED e lo spettro di sensitività del fototransistor NPN assumono il loro valore massimo alla stessa lunghezza d’onda, 850 nm. Sia il LED che il fototransistor hanno lo stesso contenitore standard di dimensioni 1.7 mm x 0.8 mm x 0.65 mm.

L’angolo massimo di emissione del LED coincide con l’angolo massimo di ricezione del fototransistor NPN ed entrambi sono ±80°.

L’estensione superficiale di ciascun punto sensibile 45, nel caso di emettitore affiancato al ricevitore ottico, à ̈ poco più di 1.7mm x 1.6mm, date le dimensioni dei contenitori.

Misure sperimentali hanno mostrato che per la realizzazione di un secondo strato 2 di colore nero opaco, occorre che il secondo strato abbia uno spessore di 500µm per disaccoppiare otticamente due punti sensibili 45 vicini ed assorbire la radiazione luminosa che raggiunge detto secondo strato 2, alla lunghezza d’onda a cui lavorano i LED e fototransistor.

Le dimensioni complessive del sensore sono circa 8.9mm x 9.3mm.

L’elettronica aggiuntiva necessaria per utilizzare il sensore à ̈ costituita solo da resistori.

In particolare, per ciascun fototransistor NPN à ̈ necessario prevedere un resistore collegato tra l’alimentazione e il collettore di detto fototransistor, mentre i LED possono essere collegati tutti in un’unica serie o a gruppi, in più di una serie, con l’aggiunta di un ulteriore resistore per fissare la corrente che circola per ciascuna serie.

Di conseguenza, la variazione di intensità luminosa che incide sul fototransistor NPN à ̈ funzione della variazione della tensione misurata sul collettore di detto fototransistor.

L’altezza di detto secondo strato 2 à ̈ circa pari all’altezza dei componenti optoelettronici, i.e. circa 0.65mm.

Le pareti 7 che separano le celle 30 hanno uno spessore almeno pari a 500 µm (come lo spessore del secondo strato 2) e sono realizzate in silicone nero, per garantire che due celle 30 contigue siano completamente disaccoppiate otticamente, assorbendo la radiazione luminosa che colpisce tali pareti.

La superficie 6 di fondo riflettente di ciascuna cella 30 à ̈ in silicone bianco per aumentare l’intensità della radiazione luminosa riflessa e di conseguenza la sensibilità. Infatti, a parità di forza esterna applicata e di deformazione, una superficie riflettente à ̈ in grado di riflettere una quantità di radiazione luminosa minore o maggiore a seconda del materiale con cui à ̈ realizzata detta superficie riflettente e della finitura di detta superficie riflettente.

In tale preferita forma realizzativa, la distanza 8 iniziale à ̈ pari a circa 800µm e pertanto il fondo scala del sensore à ̈ pari a 2N.

Misure sperimentali

In questa sezione vengono presentate alcune misure sperimentali effettuate con il sensore realizzato secondo la suddetta preferita forma realizzativa per mostrare i vantaggi raggiungibili.

Prima di tutto, viene fissato un sistema di riferimento rispetto al quale sono definite le posizioni dei punti sensibili 45 per il sensore realizzato.

La fig. 8 mostra schematicamente la posizione di ciascuna delle sedici celle 30 rispetto agli assi di riferimento.

La posizione del k-mo punto sensibile 45 può essere definita mediante una coppia di coordinate (xk, yk), che si riferiscono al centro della superficie fisicamente occupata dalla coppia emettitore/ricevitore.

Quando una forza esterna 12 à ̈ applicata al sensore, la distanza tra la superficie riflettente del terzo strato deformabile elasticamente e i punti sensibili 45 può subire variazioni locali sia positive che negative, come ampiamente ripetuto.

Tali variazioni implicano variazioni dell’intensità luminosa che incide sui ricevitori 5 e di conseguenza variazioni della tensione misurata sul collettore di ciascun fototransistor.

Indicando con ckle variazioni di tensione misurate dal singolo fototransistor, con ck>0 indichiamo un aumento della distanza tra il punto sensibile 45 e la superficie riflettente del terzo strato 3, mentre con ck<0 indichiamo una diminuzione della distanza tra il punto sensibile 45 e la superficie riflettente del terzo strato 3.

È evidente che ck=0 implica che non ci sono variazioni della distanza.

I punti sensibili 45 che presentano una misura ck≠0 forniscono informazioni utili alla stima delle componenti della forza esterna 12 applicata al sensore.

In particolare, i punti sensibili 45 che presentano una variazione di tensione ck<0 forniscono informazioni utili relativi non solo alla stima della forza esterna, ma anche alla stima del punto o dell’area di contatto tra la forza esterna ed il sensore, indipendentemente se detta forza esterna à ̈ normale o tangenziale a detto sensore.

Invece, i punti sensibili 45 che presentano una misura ck>0 forniscono informazioni utili alla stima delle componenti tangenziali della forza sterna 12 applicata al sensore.

Di conseguenza, le misure fornite dai fototransistor possono essere usate contemporaneamente per la stima del punto/area di contatto e delle componenti della forza esterna 12 che agisce sul sensore.

La fig. 9 riporta i campioni di una misura sperimentale delle variazioni di tensione ckper un punto sensibile 45 soggetto prima a variazioni positive e poi a variazioni negative.

Le misure ck<0 possono essere utilizzate per la stima del punto di contatto mediante diverse metodologie.

Vengono riportati qui i risultati sperimentali basati su due metodi di tipo noto.

Il primo metodo si basa sull’idea di approssimare la posizione del punto di contatto con le coordinate (xk, yk) del punto sensibile 45 corrispondente al valore minimo misurato di ck, ovvero

xˆ = x

<k>k = argmin ( ch)

yˆ<=>yk h = 1,.,16

dove<(x ˆ,y ˆ)>sono le coordinate stimate del punto di contatto.

Il vantaggio di tale primo metodo à ̈ sicuramente la sua semplicità, mentre lo svantaggio à ̈ che la posizione stimata à ̈ limitata ad un numero discreto di punti, coincidenti con la matrice di punti sensibili, e quindi la risoluzione della stima dipende dalla distanza relativa tra i punti sensibili 45.

Il secondo metodo proposto, utilizza le misure delle celle 30 che presentano ck<0 per stimare le coordinate del punto di contatto.

dove

Questo secondo metodo si basa sull’idea di stimare il baricentro dell’area di contatto individuata da tutte le celle con ck<0.

Esso consente la stima del punto di contatto superando le limitazioni del primo metodo in termini di risoluzione. Ovviamente, la scelta del metodo usato dipende dall’applicazione del sensore.

Le fig. 10A-10B mostrano i grafici di risultati sperimentali ottenuti con i due metodi proposti per la stima delle coordinate del punto di contatto.

La posizione x e la posizione y sull’asse delle ordinate dei grafici mostrati rispettivamente in fig.

10A e 10B indicano ciascuna una coordinata del punto di contatto rispetto al centro del sistema di riferimento di fig. 8.

I campioni sull’asse delle ascisse di tali grafici si riferiscono al numero delle misure effettuate da un sistema di acquisizione per la stima delle coordinate del punto di contatto, riportate sull’asse delle ordinate.

La stima delle componenti della forza esterna applicata al sensore utilizza tutte le celle che presentano un valore ck≠0.

Anche per la stima della forza esterna 12, le tecniche utilizzabili sono molteplici.

I risultati qui mostrati sono ottenuti usando un approccio basato sulle reti neurali per interpolare un numero di dati sperimentali sufficienti a modellare la relazione tra le forze esterne applicate al sensore con le variazioni ckmisurate dai fototransistor.

Per la calibrazione del sensore, detto sensore viene montato su un sensore campione costituito da una cella di carico a tre assi.

Vengono eseguiti diversi esperimenti acquisendo contemporaneamente le variazioni di tensione misurate dai fototransistor e le componenti della forza esterna 12 che agisce sul sensore e che à ̈ misurata dalla cella di carico.

I dati acquisiti devono essere sufficienti per addestrare la rete neurale e vengono organizzati in dati di ingresso alla rete neurale (variazioni di tensioni) e dati in uscita dalla rete neurale (componenti delle forze). Occorre precisare che la componente della forza esterna 12 perpendicolare alla superficie superiore del terzo strato del sensore dipende principalmente dalle misure ck<0 che coincidono sostanzialmente con i punti sensibili posizionati al di sotto dell’area di contatto.

Invece, le componenti della forza esterna 12 che agiscono tangenzialmente alla superficie superiore del terzo strato del sensore, dipendono principalmente dalle misure ck>0 che coincidono con i punti sensibili 45 limitrofi rispetto all’area di contatto.

Questo significa che la stima della componente normale della forza esterna 12 può essere accurata ovunque avvenga il contatto su tale superficie, mentre la stima delle componenti tangenziali peggiora quando il punto di contatto si allontana dalla zona centrale di detta superficie, in quanto priva di un certo numero di punti sensibili 45 limitrofi all’area di contatto.

A seconda dell’applicazione del sensore, à ̈ possibile quindi calibrare detta superficie del sensore se si vuole stimare solo la componente normale, mentre à ̈ possibile calibrare la zona centrale del sensore per stimare sia la componente normale che le componenti tangenziali della forza esterna.

Le figure 11 e 12 mostrano i risultati sperimentali di una calibrazione fatta per la superficie superiore del terzo strato del sensore, applicando su di esso solo forze dirette perpendicolarmente alla superficie del sensore.

Le forze sono state applicate mediante un elemento dotato di una punta avente forma sferica e dimensioni piccole rispetto alla superficie del sensore su cui sono applicate.

In particolare, la fig.11 mostra le posizioni del punto di contatto stimato, usando entrambi i metodi precedentemente descritti. Si può notare come l’esperimento sia stato effettuato coprendo tutta la superficie del sensore.

La figura 12 mostra i risultati della calibrazione riportando il paragone tra la forza normale misurata e quella stimata mediante un modello basato su rete neurale.

Le figure 13, 14, 15 e 16 mostrano i risultati sperimentali per una calibrazione effettuata per la zona centrale del sensore, applicando su di esso forze con componenti sia perpendicolari sia tangenziali alla superficie del sensore.

In particolare, la figura 13 mostra la stima della posizione di contatto con i due metodi proposti. Si può notare come in questo secondo caso la zona interessata all’applicazione delle forze à ̈ limitata ai quattro punti sensibili posizionati al centro del sensore.

Con riferimento al sistema di riferimento in figura 8, la componente tangenziale della forza che agisce lungo l’asse x à ̈ riportata in figura 14, mentre la componente tangenziale che agisce lungo l’asse y à ̈ riportata in fig. 15.

La fig. 16 riporta la componente normale della forza applicata al sensore.

Queste ultime tre figure riportano per tutte le componenti spaziali della forza esterna 12 applicata al sensore la misura sperimentale paragonata al valore stimato dal modello basato su rete neurale.

Queste ultime figure dimostrano come il sensore oggetto dell’invenzione riesce a risolvere il problema della stima di tutte le componenti della forza esterna applicata ad esso.

Vantaggiosamente, come già accennato, la radiazione luminosa emessa da una sorgente luminosa 4 si propaga in aria a differenza dei tradizionali sensori dove si propaga in un materiale trasparente. Ne consegue che non ci sono fenomeni stocastici (come lo scattering) e ciò da una parte semplifica la modellazione e di conseguenza la calibrazione del sensore e dall’altra parte garantisce misure precise e soprattutto ripetibili.

Un secondo vantaggio à ̈ che il sensore oggetto dell’invenzione permette di stimare la forza esterna 12 applicata al sensore stesso in tutte le direzioni dello spazio, sia in termini di componenti che agiscono parallelamente al sensore, indispensabile in certe applicazioni (ad esempio nel caso di manipolazione di oggetti), che in termini di componenti che agiscono perpendicolarmente al sensore.

Un terzo vantaggio à ̈ dato dal fatto che il sensore à ̈ in grado di fornire una mappa di pressione estesa alle sue dimensioni.

Un altro vantaggio à ̈ la possibilità di utilizzare le informazioni provenienti dai punti sensibili 45 che misurano una deformazione negativa, in quanto ciò permette la stima del punto o dell’area di contatto in maniera diretta.

Ancora un vantaggio à ̈ dato dal fatto che mediante i punti sensibili 45 à ̈ possibile ottenere una mappa di pressione che sia direttamente funzione delle deformazioni negative e positive delle singole celle 30 e della capacità da parte del sensore di stimare punti di contatto multipli.

Ulteriori vantaggi del sensore sono legati al fatto che à ̈ di semplice realizzazione e ciò permette anche di ridurre i costi. Infatti, la facile realizzazione mediante componenti commerciali rende semplice ed economica l’integrazione per applicazioni che richiedono strati sensibili di dimensioni molto diverse tra loro.

Ad esempio, il primo strato 1 può essere realizzato con un materiale flessibile (ad esempio poliammide nel caso sia realizzato mediante componenti elettronici) e quindi il sensore può essere facilmente conformabile a qualsiasi tipo di superficie.

Per i punti sensibili 45 possono essere usati ad esempio componenti optoelettronici commerciali e quindi a costi contenuti. Inoltre, tali punti sensibili 45 possono funzionare con basse potenze e con una elettronica di condizionamento aggiuntiva semplice, poco ingombrante e di conseguenza anch’essa a basso costo.

La presente invenzione à ̈ stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, ma à ̈ da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

In particolare, il lavoro che ha condotto a tale invenzione à ̈ stato finanziato dalla Comunità Europea nell’ambito del Seventh Framework Programme [FP7/2007-2013], progetto DEXMART - contratto n. 216239.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Sensore per misurare una forza esterna comprendente : - una pluralità di punti sensibili (45), ciascuno dei quali comprendeste una sorgente luminosa o emettitore (4) ed un corrispondente ricevitore ottico (5); e - un elemento (3) deformabile elasticamente, avente una superficie inferiore riflettente rivolta verso detti punti sensibili ed una superficie superiore rivolta verso l'ambiente esterno, atto a disaccoppiare otticamente detti punti ) e ad assorbire la radiazione luminosa emessa da ciascuna sorgente luminosa (4) e riflessa da detta superficie inferiore riflettente. caratterizzato dal fatto che detto elemento (3) deformabile elasticamente prevede sulla sua superficie inferiore una pluralità di celle (30) deformabili, ciascuna delle quali à ̈ affacciata ad un rispettivo punto sensibile (45), ciascuna cella (30) essendo dotata di una superficie di fondo (6), che à ̈ una porzione della superficie inferiore riflettente di detto elemento (3) deformabile elasticamente, ed essendo definita mediante delle pareti (7) deformabili, così che, quando una forza esterna à ̈ applicata su detto sensore, le pareti (7) e/o la superficie di fondo (6) delle celle (30) vengono deformate in modo tale che, dalla misura della deformazione della superficie inferiore del terzo strato (3) in un numero discreto di punti, coincidenti con le superfici (6) di fondo di ciascuna cella (30) affacciate ai rispettivi punti sensibili (45) del primo strato (1), sia ricostruita detta forza esterna in tutte le direzioni dello spazio.
2. 2. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna sorgente luminosa (4) Ã ̈ affiancata al corrispondente ricevitore ottico (5).
3. 3. Sensore secondo la rivendicazionie 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna sorgente luminosa (4) Ã ̈ ad una distanza dal corrispondente ricevitore ottico (5) tale da risultare al massimo pari al 50% della somma delle dimensioni maggiori della sorgente luminosa (4) e del ricevitore (5).
4. 4. Sensore secondo una qualsiasi_ delle_ rivendicazioni_ precedenti , caratterizzato dal fatto che detta pluralità di punti sensibili (45) à ̈ disposta secondo una matrice.
5. 5. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5 4, caratterizzato dal fatto che detti punti sensibili (45) sono posizionati su un supporto (1).
6. 6. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5 4 , caratterizzato dal fatto che detti punti sensibili (45) sono integrati in un supporto (1).
7. 7. Sensore secondo una qualsiasi _ delle_ rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette pareti (7) hanno colore e spessore tali da isolare otticamente ciascun punto sensibile (45) .
8. 8. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1- 7, caratterizzato dal fatto che detta superficie inferiore riflettente di detto elemento (3) deformabile elasticamente à ̈ realizzata in silicone bianco.
9. 9. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1- 8, caratterizzato dal fatto di comprendere un ulteriore elemento (2), da interporre tra detti punti sensibili (45) e detto elemento (3) elasticamente deformabile, che coopera con detto elemento (3) elasticamente deformabile per isolare otticamente detti punti sensibili (45) e assorbire la radiazione luminosa, emessa da detta sorgente luminosa (4) e riflessa da detta superficie inferiore riflettente; detto ulteriore elemento (2) essendo dotato di una apertura o finestra (20) per ciascuno di detti punti sensibili (45) per permettere il passaggio di punti sensibili (45).
10. 10. Sensore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto ulteriore elemento (2) Ã ̈ rigido, preferibilmente in resina, o flessibile, preferibilmente in silicone.
11. 11. Sensore secondo la rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che detto ulteriore elemento (2) Ã ̈ di colore nero opaco.