Improving the mobility performance of autonomous unmanned ground vehicles by adding the ability to 'Sense/Feel' their local environment.

This paper follows on from earlier work detailed in output one and critically reviews the sensor technologies used in autonomous vehicles, including robots, to ascertain the physical properties of the environment including terrain sensing. The paper reports on a comprehensive study done in terrain types and how these could be determined and the appropriate sensor technologies that can be used. It also reports on work currently in progress in applying these sensor technologies and gives details of a prototype system built at Middlesex University on a reconfigurable mobility system, demonstrating the success of the proposed strategies. This full paper was subject to a blind refereed review process and presented at the 12th HCI International 2007, Beijing, China, incorporating 8 other international thematic conferences. The conference involved over 250 parallel sessions and was attended by 2000 delegates. The conference proceedings are published by Springer in a 17 volume paperback book edition in the Lecture Notes in Computer Science series (LNCS). These are available on-line through the LNCS Digital Library, readily accessible by all subscribing libraries around the world, published in the proceedings of the Second International Conference on Virtual Reality, ICVR 2007, held as Part of HCI International 2007, Beijing, China, July 22-27, 2007. It is also published as a collection of 81 papers in Lecture Notes in Computer Science Series by Springer

Validation of a Mechanical Model of the Active Scanning Process in the Rat Vibrissal System

The rat vibrissal system shows a sophisticated functionality in tactile discrimination, therefore it is analyzed in various works out of the perspective of neuroscience and bio-engineering. The present work focuses on the vibrissal system of rodents during tactile exploration in terms of mechanics. In this way, a mechanical model of the natural vibrissa is designed in order to determine the forces and moments at the base while the modeled vibrissa contacts a rough surface. The results of the mechanical simulation are compared to electrophysiological measurements of the afferent activity from vibrissal nerve in consequence of a contact between the vibrissa and real surface. This comparison gives information about the principal relation between mechanical and neuronal signals and furthermore about the electromechanical properties of the system.La sobresaliente capacidad de discriminación táctil del sistema vibrisal ha sido motivo de estudio en áreas de las neurociencias y bioingeniería. Este trabajo aborda los aspectos mecánicos de la exploración táctil efectuada a través del sistema vibrisal en roedores. Para ello se propone un modelo mecánico el cual permite predecir/determinar las fuerzas y momentos evocados en la base de la vibrisa durante el contacto activo con superficies rugosas. Asimismo, se realiza una validación electrofisiológica del modelo en base a registros de la actividad aferente del nervio vibrisal, evocados por el contacto activo. La estimación de estos parámetros mecánicos en el folículo vibrisal, no solo permite comprender los procesos que subyacen a la codificación neuronal, sino también aquellos relacionados a la transducción electromecánica del sistema.Fil: Scharff, Moritz. Pontificia Universidad Católica de Perú; Perú. Technische Universität Ilmenau; AlemaniaFil: Lucianna, Facundo Adrián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Pizá, Alvaro Gabriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Albarracin, Ana Lia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Alencastre Miranda, Jorge H.. Pontificia Universidad Católica de Perú; PerúFil: Farfan, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentin

Validation of a Mechanical Model of the Active Scanning Process in the Rat Vibrissal System

The rat vibrissal system shows a sophisticated functionality in tactile discrimination, therefore it is analyzed in various works out of the perspective of neuroscience and bio-engineering. The present work focuses on the vibrissal system of rodents during tactile exploration in terms of mechanics. In this way, a mechanical model of the natural vibrissa is designed in order to determine the forces and moments at the base while the modeled vibrissa contacts a rough surface. The results of the mechanical simulation are compared to electrophysiological measurements of the afferent activity from vibrissal nerve in consequence of a contact between the vibrissa and real surface. This comparison gives information about the principal relation between mechanical and neuronal signals and furthermore about the electromechanical properties of the system.La sobresaliente capacidad de discriminación táctil del sistema vibrisal ha sido motivo de estudio en áreas de las neurociencias y bioingeniería. Este trabajo aborda los aspectos mecánicos de la exploración táctil efectuada a través del sistema vibrisal en roedores. Para ello se propone un modelo mecánico el cual permite predecir/determinar las fuerzas y momentos evocados en la base de la vibrisa durante el contacto activo con superficies rugosas. Asimismo, se realiza una validación electrofisiológica del modelo en base a registros de la actividad aferente del nervio vibrisal, evocados por el contacto activo. La estimación de estos parámetros mecánicos en el folículo vibrisal, no solo permite comprender los procesos que subyacen a la codificación neuronal, sino también aquellos relacionados a la transducción electromecánica del sistema.Fil: Scharff, Moritz. Pontificia Universidad Católica de Perú; Perú. Technische Universität Ilmenau; AlemaniaFil: Lucianna, Facundo Adrián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Pizá, Alvaro Gabriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Albarracin, Ana Lia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Alencastre Miranda, Jorge H.. Pontificia Universidad Católica de Perú; PerúFil: Farfan, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentin

Effects of multi-point contacts during object contour scanning using a biologically-inspired tactile sensor

Vibrissae are an important tactile sense organ of many mammals, in particular rodents like rats and mice. For instance, these animals use them in order to detect different object features, e.g., object-distances and -shapes. In engineering, vibrissae have long been established as a natural paragon for developing tactile sensors. So far, having object shape scanning and reconstruction in mind, almost all mechanical vibrissa models are restricted to contact scenarios with a single discrete contact force. Here, we deal with the effect of multi-point contacts in a specific scanning scenario, where an artificial vibrissa is swept along partly concave object contours. The vibrissa is modeled as a cylindrical, one-sided clamped Euler-Bernoulli bending rod undergoing large deflections. The elasticae and the support reactions during scanning are theoretically calculated and measured in experiments, using a spring steel wire, attached to a force/torque-sensor. The experiments validate the simulation results and show that the assumption of a quasi-static scanning displacement is a satisfying approach. Beyond single- and two-point contacts, a distinction is made between tip and tangential contacts. It is shown that, in theory, these contact phases can be identified solely based on the support reactions, what is new in literature. In this way, multipoint contacts are reliably detected and filtered in order to discard incorrectly reconstructed contact points

Force sensing to reconstruct potential energy landscapes for cluttered large obstacle traversal

Visual sensing of environmental geometry allows robots to use artificial potential fields to avoid sparse obstacles. Yet robots must further traverse cluttered large obstacles for applications like search and rescue through rubble and planetary exploration across Martain rocks. Recent studies discovered that to traverse cluttered large obstacles, multi-legged insects and insect-inspired robots make strenuous transitions across locomotor modes with major changes in body orientation. When viewed on a potential energy landscape resulting from locomotor-obstacle physical interaction, these are barrier-crossing transitions across landscape basins. This potential energy landscape approach may provide a modeling framework for cluttered large obstacle traversal. Here, we take the next step toward this vision by testing whether force sensing allows the reconstruction of the potential energy landscape. We developed a cockroach-inspired, minimalistic robot capable of sensing obstacle contact forces and torques around its body as it propelled forward against a pair of cluttered grass-like beam obstacles. We performed measurements over many traverses with systematically varied body orientations. Despite the forces and torques not being fully conservative, they well-matched the potential energy landscape gradients and the landscape reconstructed from them well-matched ground truth. In addition, inspired by cockroach observations, we found that robot head oscillation during traversal further improved the accuracies of force sensing and landscape reconstruction. We still need to study how to reconstruct landscape during a single traverse, as in applications, robots have little chance to use multiple traverses to sample the environment systematically and how to find landscape saddles for least-effort transitions to traverse

Multifunctional Whisker Arrays for Distance Detection, Terrain Mapping, and Object Feature Extraction *

Abstract: Several species of animals use whiskers to accurately navigate and explore objects in the absence of vision. We have developed inexpensive arrays of artificial whiskers based on strain-gage and Flex Sensor technologies that can be used either in passive (“dragging”) mode, or in active (“whisking”) mode. In the present work we explore the range of functions that whisker arrays can serve on a rover. We demonstrate that when mounted on a rover, whisker arrays can (1) Detect obstacles and determine obstacle distance (2) Map terrain features (3) Determine ground and surface texture (4) Provide an estimate of rover speed (5) Identify “slip ” of the rover wheels, and (6) Perform 3dimensional extraction of object shape. We discuss the potential use of whisker arrays on planetary rovers and as an investigative tool for exploring the encoding of sensory information in the nervous system of animals. Index Terms – vibrissa, whisker, tactile, rat, somatosensory I

Biomimétoca Neuronal del Sistema Sensorial Periférico de las Vibrisas de la Rata

Este trabajo de tesis está basado en un importante know-how de procedimientos electrofisiológicos para el estudio del sistema vibrisal de la rata, los cuales incluyen estudios de conducción nerviosa para comprender los mecanismos fisiológicos del sistema y estudios conductuales. Estos estudios fueron dirigidos a una de las capacidades sensoriales más sobresalientes de la rata: la capacidad de discriminar objetos de diferentes texturas. Se pusieron en evidencia estrategias conductuales que permitirían a los roedores mejorar la percepción de la información táctil y la existencia de patrones temporales en los aferentes primarios relacionados a la rugosidad de las superficies palpadas.Estos hallazgos electrofisiológicos condujeron, naturalmente, a preguntas tales como: ¿qué característica física de la superficie de rozamiento está siendo codificada por el sistema vibrisal en determinadas condiciones?, ¿Cómo se trasmite esa información? y ¿todas las vibrisas transmiten de igual forma la información?Para comenzar a responder estas preguntas, fue necesario abordar el estudio de las características morfológicas relevantes de las superficies de rozamiento, desarrollar técnicas de procesamiento de la información de las señales electrofisiológicas, modelar el sistema y estudiar posibles diferencias funcionales entre las vibrisas. Así quedaron planteados los objetivos de la tesis.En el desarrollo de este trabajo de tesis se propuso una herramienta estadística, basada en la teoría de la información, que nos permitió cuantificar la información táctil presente en la actividad eléctrica de las fibras nerviosas que inervan las vibrisas; se modeló matemáticamente el comportamiento eléctrico del nervio vibrisal lo que permitió interpretar mejor el significado/motivo por el cual los potenciales evocados del registro se presentan con diferentes formas, amplitud y duración; se realizaron registros electrofisiológicos en la innervación de varias vibrisas en forma simultánea cuando estas eran estimuladas con superficies de diferente rugosidad para revelar y caracterizar los códigos neuronales involucrados en la integración sensorial. Además, se hizo un análisis de respuesta en frecuencia de varias vibrisas que demostró qué, aunque todos los senos foliculares son anatómicamente similares, funcionalmente son muy diferentes. Cada folículo está preparado para tener mayor sensibilidad para un estímulo de frecuencia específico, que a su vez está en sintonía con su vibrisa, cuya frecuencia de resonancia depende exclusivamente de sus características físicas.Por último, considerando los parámetros generales del proceso de transducción determinados en el transcurso de la tesis tales como linealidad, sensibilidad y capacidad de adaptación a diferentes modalidades del estímulo, se plantearon los criterios para una futura implementación en sistemas tecnológicos multisensoriales biomiméticos lo cual representa el mayor aporte de la tesis al conocimiento científico y tecnológico.Fil: Pizá, Alvaro Gabriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentin

Technische Biologie des Tasthaar-Sinnessystems als Gestaltungsgrundlage für taktile stiftführende Mechanosensoren

In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept des Reizleitungsapparates vorgestellt, welches die Aufbereitung und Systematisierung biologischen Wissens ermöglicht und sich für eine Anwendung auf technische Sensoren zur Identifikation des Optimierungspotentials und Entwicklung von Lösungsansätzen eignet. Am Beispiel taktiler stiftführender Sensoren wird dieses Konzept als methodische Leitlinie angewendet. Als Untersuchungsobjekt wird aufgrund seiner technisch relevanten Charakteristika das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren mit den peripheren Strukturen Haarschaft, Follikel-Sinus-Komplex und Mechanorezeptoren ausgewählt. Ziel der Untersuchungen dieses Sinnesorgans ist nicht die detaillierte Aufklärung aller funktionellen Zusammenhänge von der Peripherie bis zu der neuronalen Verarbeitungskette, sondern eine Abstraktion entscheidender Grundprinzipien, die den Ausgangspunkt für Lösungsansätze sensortechnischer Problemstellungen darstellen.Nature offers an inexhaustible array of phenomena with potential for technical application. A wide range of designs inspired by ideas from biology often fails because no transfer method from research to industrial implementation exists. This work introduces a concept for systematic analysis of function determining principles of biological sensor organs. The concept is based on comparative examination of biological sensor organs and technical sensor systems. Target-oriented evaluation and systematization of biological knowledge in the technological context is accomplished by using the so called stimulus-leading-apparatus concept. Furthermore, this concept can be applied to technical sensor systems to identify design strategies and optimization potential. The concept is tested on tactile sensors. Biological subject of study is the whisker system of mammals because of its technical relevance. Hair shaft, follicle-sinus-complex (FSC) and mechano receptors are the interesting peripheral structures of the whisker system. Aim of the study is not a detailed analysis of all functional correlations from periphery to neural processing but an abstraction of the essential principles which can initiate solutions for technical sensor problems. Therefore, the biological system is analyzed by means of technical methods and models. The whisker system periphery is examined as a beam with a compliant clamping featuring variable stiffness. Structural and mechanical parameters of the hair shaft are determined experimentally. Deductive methods of modeling are used to analyze the follicle-sinus-complex. A mechanical model reduced to basic principles is introduced. The reaction to external forces is studied and compared using static and even dynamic models. Finally, some ideas for optimizing technical tactile sensors are developed. Emphasis is on design concepts for the stimulus receiving structure and the realization of a compliant clamping with variable stiffness.Die Natur bietet ein unerschöpfliches Potential an Phänomenen mit technischer Relevanz. Oft scheitert die breite Anwendung von Ideen aus der Biologie am Fehlen einer effektiven Transfermethode zwischen Forschung und industrieller Anwendung. In der vorliegenden Arbeit wird basierend auf einer vergleichenden Betrachtung biologischer Sinnesorgane und technischer Sensorsysteme ein Konzept zur systematischen Analyse der funktionell entscheidenden Grundprinzipien biologischer Sinnesorgane dargestellt. Dieses Konzept des Reizleitungsapparates ermöglicht die Aufbereitung und Systematisierung biologischen Wissens und eignet sich für eine Anwendung auf technische Sensoren zur Identifikation des Optimierungspotentials und Entwicklung von Lösungsansätzen. Am Beispiel taktiler stiftführender Sensoren wird das Konzept zum Reizleitungsapparat als methodische Leitlinie angewandt. Als Untersuchungsobjekt wird aufgrund seiner technisch relevanten Charakteristika das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren mit den peripheren Strukturen Haarschaft, Follikel-Sinus-Komplex und Mechanorezeptoren ausgewählt. Ziel der Untersuchungen dieses Sinnesorgans ist nicht die detaillierte Aufklärung aller funktionellen Zusammenhänge von der Peripherie bis zu der neuronalen Verarbeitungskette, sondern eine Abstraktion entscheidender Grundprinzipien, die den Ausgangspunkt für Lösungsansätze sensortechnischer Problemstellungen darstellen. Daher erfolgt die Aufarbeitung der biologischen Kenntnisse unter Zuhilfenahme ingenieur-wissenschaftlicher Methoden und Modelle. Die Peripherie des Tasthaar-Sinnesorgans wird als Biegebalken mit nachgiebiger Lagerung interpretiert, deren Steifigkeit aktiv einstellbar ist. Während der Haarschaft bezüglich seiner Struktur und der mechanischen Eigenschaften mit verschiedenen experimentellen Methoden untersucht werden kann, muss bei der Analyse des Follikel-Sinus-Komplexes auf deduktive Methoden der Modellbildung zurückgegriffen werden. Es wird ein auf Grundprinzipien reduziertes mechanisches Modell vorgestellt und dessen Reaktion einerseits als statisches und andererseits als dynamisches System auf verschiedene Erregerkräfte analysiert. Abschließend werden Ansatzpunkte zur Optimierung taktiler stiftführender Sensoren entwickelt. Schwerpunkte liegen neben Gestaltungsvorschlägen für die reizaufnehmende Struktur auf der Umsetzung einer nachgiebigen und in ihrer Steifigkeit einstellbaren Lagerung