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

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

Mejora de la medida de sensores resistivos en circuitos de interfaz directa

Los métodos tradicionales de calibración para la medida de resistencias mediante la utilización de un Circuito de Interfaz Directa, compuesto por un condensador y algunas resistencias de calibración, son una opción barata y simple. Sin embargo, en este artículo se muestra un método alternativo para este tipo de circuito que determina con mayor precisión el valor obtenido y simultáneamente extiende el rango de resistencias que pueden ser medidas. En este modelo la dependencia entre tiempo de descarga y valor de resistencia no es lineal sino potencialUniversidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tec

Prácticas de Electrónica Digital para un Laboratorio Remoto Basado en FPGA

Este trabajo presenta ejemplos de prácticas de Electrónica Digital propuestas como proyectos de diseño para FPGA que pueden ser depurados y/o testados indistintamente en el laboratorio del centro, o bien “on-line” haciendo uso del laboratorio remoto desarrollado por los autores. Esta opción se plantea no tanto como alternativa a la docencia presencial, que podría serlo, sino como complemento a dicha modalidad de docencia, y responde a la demanda creciente de acceder a los recursos del laboratorio fuera del horario docente oficial. La comunicación se completa con el análisis y valoración de la experiencia de uso que han hecho los estudiantesUniversidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Mejora de un laboratorio remoto de Electrónica Digital mediante el uso de una Raspberry Pi 4

Tras la puesta en marcha de una primera versión de un laboratorio remoto de Electrónica Digital, surgen nuevas necesidades y mejoras, sobre todo en términos de escalabilidad y de nuevos periféricos. En este trabajo se presenta una migración, del conjunto del laboratorio remoto, a una Raspberry Pi 4. Las características de este miniordenador hacen que pueda actuar como servidor de aplicación, además de realizar la monitorización y la emulación de los periféricos de la placa de desarrollo donde se verifican los diseños.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Adding Proximity Sensing Capability to Tactile Array Based on Off-the-Shelf FSR and PSoC

Tactile sensors have been incorporated into robots to help in many tasks, such as preventing damage to humans in collaborative works or assistance or in dexterous manipulation. Proximity sensors are also common in robotics and are proposed to implement pretouch in multimodal realizations. Many tactile sensors are based on off-the-shelf force-sensing resistors (FSRs). The parasitic capacitance associated with the electrodes of the FSR can be exploited to measure proximity. Moreover, it is possible to implement both force and proximity signal acquisition with a single chip. This article presents a multimodal proximity and tactile patch based on commercial FSR plus a programmable system on chip (PSoC). The ability to measure proximity is achieved without adding any extra element. Discussions about key design issues as well as results that show the performance of the sensor patch are presented. As proximity sensing array, the range is in the order of the size of the electrodes, and it depends on the properties of the object nearby, as expected. The best performance is observed for conductive objects. Therefore, this approach is especially interesting in human-robot interaction tasks, such as shaping robotic hands or grippers around the human body. Furthermore, dielectric objects are also detected, so it can also be used to implement pretouch in manipulation tasks