Integrated Circuitry to Detect Slippage Inspired by Human Skin and Artificial Retinas

This paper presents a bioinspired integrated tactile coprocessor that is able to generate a warning in the case of slippage via the data provided by a tactile sensor. Some implementations use different layers of piezoresistive and piezoelectric materials to build upon the raw sensor and obtain the static (pressure) as well as the dynamic (slippage) information. In this paper, a simple raw sensor is used, and a circuitry is implemented, which is able to extract the dynamic information from a single piezoresistive layer. The circuitry was inspired by structures found in human skin and retina, as they are biological systems made up of a dense network of receptors. It is largely based on an artificial retina , which is able to detect motion by using relatively simple spatial temporal dynamics. The circuitry was adapted to respond in the bandwidth of microvibrations produced by early slippage, resembling human skin. Experimental measurements from a chip implemented in a 0.35-mum four-metal two-poly standard CMOS process are presented to show both the performance of the building blocks included in each processing node and the operation of the whole system as a detector of early slippage.Ministerio de Economía y Competitividad TEC2006-12376-C02-01Gobierno de España TEC2006- 1572

Three Realizations and Comparison of Hardware for Piezoresistive Tactile Sensors

Tactile sensors are basically arrays of force sensors that are intended to emulate the skin in applications such as assistive robotics. Local electronics are usually implemented to reduce errors and interference caused by long wires. Realizations based on standard microcontrollers, Programmable Systems on Chip (PSoCs) and Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been proposed by the authors for the case of piezoresistive tactile sensors. The solution employing FPGAs is especially relevant since their performance is closer to that of Application Specific Integrated Circuits (ASICs) than that of the other devices. This paper presents an implementation of such an idea for a specific sensor. For the purpose of comparison, the circuitry based on the other devices is also made for the same sensor. This paper discusses the implementation issues, provides details regarding the design of the hardware based on the three devices and compares them.This work has been partially funded by the Spanish Government under contracts TEC2006-12376 and TEC2009-14446

Three Realizations and Comparison of Hardware for Piezoresistive Tactile Sensors

Tactile sensors are basically arrays of force sensors that are intended to emulate the skin in applications such as assistive robotics. Local electronics are usually implemented to reduce errors and interference caused by long wires. Realizations based on standard microcontrollers, Programmable Systems on Chip (PSoCs) and Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been proposed by the authors for the case of piezoresistive tactile sensors. The solution employing FPGAs is especially relevant since their performance is closer to that of Application Specific Integrated Circuits (ASICs) than that of the other devices. This paper presents an implementation of such an idea for a specific sensor. For the purpose of comparison, the circuitry based on the other devices is also made for the same sensor. This paper discusses the implementation issues, provides details regarding the design of the hardware based on the three devices and compares them

Integrated circuitry to detect slippage inspired by human skin and artificial retinas

This paper presents a bioinspired integrated tactile coprocessor that is able to generate a warning in the case of slippage via the data provided by a tactile sensor. Some implementations use different layers of piezoresistive and piezoelectric materials to build upon the raw sensor and obtain the static (pressure) as well as the dynamic (slippage) information. In this paper, a simple raw sensor is used, and a circuitry is implemented, which is able to extract the dynamic information from a single piezoresistive layer. The circuitry was inspired by structures found in human skin and retina, as they are biological systems made up of a dense network of receptors. It is largely based on an artificial retina, which is able to detect motion by using relatively simple spatial temporal dynamics. The circuitry was adapted to respond in the bandwidth of microvibrations produced by early slippage, resembling human skin. Experimental measurements from a chip implemented in a 0.35-μmu four-metal two-poly standard CMOS process are presented to show both the performance of the building blocks included in each processing node and the operation of the whole system as a detector of early slippage. © 2009 IEEE.Peer Reviewe

Survey of Visual and Force/Tactile Control of Robots for Physical Interaction in Spain

Sensors provide robotic systems with the information required to perceive the changes that happen in unstructured environments and modify their actions accordingly. The robotic controllers which process and analyze this sensory information are usually based on three types of sensors (visual, force/torque and tactile) which identify the most widespread robotic control strategies: visual servoing control, force control and tactile control. This paper presents a detailed review on the sensor architectures, algorithmic techniques and applications which have been developed by Spanish researchers in order to implement these mono-sensor and multi-sensor controllers which combine several sensors

Methods and Sensors for Slip Detection in Robotics: A Survey

The perception of slip is one of the distinctive abilities of human tactile sensing. The sense of touch allows recognizing a wide set of properties of a grasped object, such as shape, weight and dimension. Based on such properties, the applied force can be accordingly regulated avoiding slip of the grasped object. Despite the great importance of tactile sensing for humans, mechatronic hands (robotic manipulators, prosthetic hands etc.) are rarely endowed with tactile feedback. The necessity to grasp objects relying on robust slip prevention algorithms is not yet corresponded in existing artificial manipulators, which are relegated to structured environments then. Numerous approaches regarding the problem of slip detection and correction have been developed especially in the last decade, resorting to a number of sensor typologies. However, no impact on the industrial market has been achieved. This paper reviews the sensors and methods so far proposed for slip prevention in artificial tactile perception, starting from more classical techniques until the latest solutions tested on robotic systems. The strengths and weaknesses of each described technique are discussed, also in relation to the sensing technologies employed. The result is a summary exploring the whole state of art and providing a perspective towards the future research directions in the sector

Aportaciones al hardware para sensores táctiles inteligentes basados en FPGAs

En esta tesis doctoral se presentan distintas soluciones para la adquisición de datos provenientes de matrices de sensores resistivos, y en concreto de sensores táctiles piezorresistivos. Los circuitos propuestos reducen el hardware de acondicionamiento y adquisición clásico, implementado una conexión directa entre el sensor y el dispositivo digital (FPGA) que recibe los datos. El objetivo es la adquisición en paralelo y con bajo coste y consumo de área de grandes cantidades de datos provenientes de los sensores matriciales, aprovechando las capacidades de las FPGAs para llevar a cabo medidas simultáneas de varios sensores. Dependiendo del tipo de direccionamiento que pueda ser empleado, dos soluciones son propuestas. En el caso donde el número de unidades sensoriales de la matriz no sea excesivamente alto y el direccionamiento pueda ser realizado sin compartir conexionado, el valor de resistencia de los distintos elementos de la matriz se obtiene a partir del tiempo de descarga de una red RC o integrador pasivo que incluye al sensor. Por otro lado, para matrices con un gran número de elementos o donde el direccionamiento de los mismos haga uso de conexiones compartidas, el uso de un circuito integrador activo reduce la diafonía entre los elementos medidos simultáneamente. El análisis y caracterización de los circuitos propuestos para un rango de resistencias de un sensor táctil piezorresistivo da lugar a una resolución efectiva en la conversión analógico-digital de 10 bits y 8 bits para los circuitos de conexión directa basados en el integrador pasivo y activo, respectivamente. En cuanto a la exactitud en la medida del valor de resistencia, se alcanzan errores relativos del 0,066% (integrador pasivo) y del 0,77% (integrador activo), empleando una novedosa técnica de calibración que hace uso de un único elemento de referencia. Por último, se propone una arquitectura para un sistema táctil basada en los circuitos anteriormente citados. Dos implementaciones se han desarrollado: un prototipo para caracterización y pruebas de laboratorio, y otro para un demostrador en una mano robótica comercial (mano de Barrett). Con estas realizaciones se comprueba que el sistema táctil es capaz de realizar el refresco del conjunto de sensores con una tasa lo suficientemente alta para aplicaciones que requieran una rápida respuesta dinámica (por ejemplo, detección de deslizamiento de objetos en tareas de manipulación con manos robóticas). Además, el paralelismo de las FPGAs no sólo se explota en la adquisición de datos, sino que el pre-procesado que puede realizarse en el sensor inteligente resultante tiene un gran potencial. Como ejemplo, en este trabajo se extraen los momentos geométricos y la elipse asociados a las imágenes táctiles adquiridas por cada uno de los sensores que conforman el sistema

Propuesta y Evaluación de Algoritmos para la Corrección de Errores en Sensores Táctiles

Los sensores táctiles suelen ser matrices de unidades detectoras denominadas tácteles, utilizados habitualmente en robótica para proporcionar capacidades de percepción en aplicaciones que requieren de contacto físico con objetos. Así, es posible determinar su forma, tamaño, textura o dureza permitiendo a los robots interactuar de forma autónoma y con seguridad en un entorno que puede mostrar condiciones cambiantes. Sin embargo, la necesidad de cubrir grandes áreas de contacto de manera flexible y con bajo coste, lleva a utilizar sensores que presentan errores de histéresis, no linealidad, deriva o dispersión. Esto provoca una escasa presencia efectiva de estos sensores en las plataformas robóticas existentes en la actualidad. En esta tesis, en primer lugar, se estudia el efecto de estos errores sobre la información de control derivada de las imágenes táctiles obtenidas como respuesta de un sensor al contacto con un objeto, y que se utiliza en tareas de manipulación robótica. Se realiza el estudio sobre dos sensores táctiles piezo-resistivos, uno flexible de bajo coste y propenso a errores, y otro comercial con menores limitaciones. En segundo lugar, a nivel de táctel, se exploran y proponen algoritmos de corrección de las no linealidades de histéresis complejas mostradas por el sensor de bajo coste, que permitan obtener medidas precisas y fiables de la presión ejercida sobre su superficie. Se analizan tres métodos utilizados por otro tipo de sensores y actuadores: el modelo generalizado de Prandtl-Ishlinskii, un modelo modificado del método clásico de Prandtl-Ishlinskii y un modelo basado en polinomios que aproximan las curvas externas de los bucles de histéresis. Además, como aportación principal de esta tesis, se propone un nuevo algoritmo de modelado denominado ELAM. Este método se basa en la determinación por algoritmos de aproximación de unos puntos intermedios en las curvas y la aplicación de distintas estrategias de mapeo lineal de las curvas externas a las internas del bucle de histéresis medido experimentalmente. El análisis de las medidas y pruebas realizadas, muestra que los errores a nivel de matriz tienen una influencia sobre los parámetros de control similar a otras fuentes admitidas como la dispersión y la resolución limitada. La información extraída del contacto del objeto con un sensor de bajo coste es suficientemente buena en términos de distribución espacial y orientación como para ser utilizada en aplicaciones robóticas, pero no lo es sobre la fuerza de contacto, por lo que en aplicaciones que necesiten una alta precisión en la medida de la presión ejercida, será necesario compensar los errores del sensor. En este sentido, se demuestra que el método ELAM propuesto en esta tesis, consigue un modelo con un ajuste mucho más preciso a los datos experimentales que los otros métodos evaluados. Además, se trata de un método flexible, simple de implementar en dispositivos como FPGAs para aplicaciones en tiempo real, con pocos parámetros de control, apropiado para ciclos de histéresis complejos de otros tipos de sensores o actuadores y que permite corregir los errores de histéresis, no linealidad y dispersión en la respuesta de los sensores táctiles