ITTO20070779A1 - Disposizione di sensori tattili e sistema sensoriale corrispondente - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Disposizione dì sensori tattili e sistema sensoriale corrispondente"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda una disposizione di sensori tattili del tipo definito nel preambolo della rivendicazione 1.

Sensori tattili ''skin-like<1>' sono noti per applicazioni nell'ambito della robotica umanoide, ove sono applicati sulla parte rigida esterna del corpo (guscio) di un robot per fornire informazioni sul contatto tra il robot e l'ambiente. In particolare, tali sensori consentono di rivelare la pressione esercitata da un oggetto, dall'ambiente o dall'uomo sulle aree ricoperte del robot e permettono di determinare la forma di un oggetto a contatto con il robot medesimo.

Disposizioni sensoriali aventi strutture geometriche appropriate possono essere applicate anche su superfici curve del guscio di un robot, conformandosi ad esse, lasciando scoperta solo una minima parte del robot, essenzialmente i giunti di articolazione .

E’ naturalmente desiderabile avere una estesa superficie di contatto "sensibile" ad alta risoluzione, ottenibile predisponendo una disposizione di sensori quanto più possibile ravvicinata, senza aumentare eccessivamente la complessità del relativo controllo elettronico.

JP 2006-287520 descrive una rete di comunicazione per pelle artificiale, basata sul collegamento di patch modulari, ciascuna comprendente almeno un sensore tattile ed una unità a microcontrollore, in modo da ottenere una rete logica di sensori in grado di inviare le informazioni tattili acquisite da qualunque nodo ad un elaboratore centrale di controllo del robot. Ogni nodo è connesso fisicamente con almeno un altro nodo e al massimo con quattro nodi. A livello fisico la rete è connessa completamente. A livello logico si utilizzano tecniche usate in ambito di reti di elaboratori {Dynamic Source Routing Protocol) per ricostruire la topologia della rete.

Vantaggiosamente, si possono collegare tra loro innumerevoli patch senza attenzione alla topologia della rete, che sarà ricreata a posteriori.

Tuttavia, questa soluzione presenta l'inconveniente che ogni patch è molto complessa dal punto di vista dei componenti elettronici necessari, per cui il relativo costo è elevato ed il consumo energetico non trascurabile. Inoltre, devono essere realizzati fisicamente molti collegamenti fra i vari nodi, e ciò rende il routing dei dati particolarmente complesso.

JP 2002-352370 descrive la realizzazione di un "nastro" di sensori tattili disposti su un film, atti a trasmettere in modo wireless i dati di pressione rivelati. In questo caso non vi sono strutture a patch comprendenti più sensori, ma tutti i sensori sono collegati tra loro in modo da poter essere alimentati, attraverso le piste di alimentazione presenti sul film. La comunicazione invece è realizzata via radio.

Svantaggiosamente, l'ambiente attorno al robot è tipicamente molto rumoroso a causa delle interferenze elettromagnetiche provenienti dai motori del robot, e ciò rende difficile la comunicazione radio delle informazioni, il cui numero è elevato, mentre la banda radio di cui si dispone è limitata.

L'articolo di T. Hoshi e H. Shinoda, "Robot Skin Base on Touch-Area-Sensitive Tactile Element", pubblicato in<11>Proceedings of thè 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Orlando, Florida nel maggio 2006, descrive un sistema di sensori tattili in cui l'elemento sensibile è utilizzato come trasduttore e mezzo di comunicazione. Ogni elemento sensore è collegato con gli altri elementi sensori attraverso un microcircuito di comunicazione, il cui ruolo è condizionare il segnale di misura proveniente dall'elemento tattile e inviarlo ad un elaboratore esterno. Ciascun elemento tattile è utilizzato sia come trasduttore che come collegamento elettrico tra i vari microcircuiti di comunicazione, il che agevola il routing dei segnali. Svantaggiosamente, la realizzazione di questa struttura è particolarmente complessa {è infatti necessaria la gestione della commutazione tra condizione di rilevamento e condizione di trasmissione dati) e la risoluzione spaziale piuttosto ridotta.

L’articolo di Y. Ohmura, Y. Kuniyoshi ed A. Nagakubo "Comformatale and Scalatale Tactile Sensor Skin for Curverd Surfaces", pubblicato in "Proceedings of thè 2006 IEEE International Conference on Robotìcs and Automation", Orlando, Florida nel mag gio 2006 descrive un sensore tattile ottico formato da coppie LED-fotorivelatore realizzate su un substrato flessibile, atte a rilevare la variazione di rifrazione della luce emessa dal LED in funzione della deformazione meccanica subita dallo strato dì contatto del sensore.

Più elementi sensoriali sono ricavati su fogli di circuito stampato flessibile e la loro disposizione presenta una geometria particolare in grado di poter ricoprire superfici tridimensionali, quindi curve. Nel complesso, ogni foglio è di forma rettangolare e dimensione di 120x200 mm, sui quali sono disposti 32 elementi sensoriali. I fogli possono essere liberamente piegati e tagliati, e collegati fra loro. Ogni foglio è equipaggiato con un microcontrollore atto a gestire l'acquisizione dei dati di misura dagli elementi sensoriali ed ai bordi di estremità sono presenti rispettivi terminali di contatto per la connessione tra fogli contigui.

Da un punto di vista dell’architettura circuitale, ciascun foglio è atto a collezionare 32 dati di pressione a 8 bit. I vari fogli sono tra loro collegati attraverso un bus di comunicazione seriale controllato da un microcontrollore master disposto su una scheda elettronica che ne gestisce 1<1>assegnazìone ai differenti fogli al fine di raccogliere in successione tutti i dati rilevati. A loro volta i microcontrollori master sono collegati tra loro e ad un elaboratore centrale di controllo del robot attraverso una rete LIN.

Ciascun terminale di contatto dei singoli fogli può essere visto come una porta di ingresso o uscita dei dati, con lo svantaggio di poter costituire con il bus di comunicazione seriale anelli di trasmissione che determinano riflessioni elettriche sul bus che vengono amplificate dal fatto che il bus non ha una terminazione, portando alla degradazione delle prestazioni del bus.

Benché 1 'utilizzo di un circuito stampato flessibile in qualità di substrato riduca il problema del routing dei dati, in virtù del fatto che i collegamenti sono realizzati attraverso il substrato medesimo, la risoluzione spaziale raggiungibile è piuttosto bassa, essendo impossibile secondo l'architettura proposta aumentare la densità raggiunta di 32 sensori in un area di 120x200 mm, a causa delle grandi dimensioni dei componenti costituenti il sensore, dell'aumento di collegamenti elettrici che sarebbero richiesti tra essi e, non ultimo, della richiesta di corrente di alimentazione elevata.

Inoltre, la particolare realizzazione tecnologica degli elementi sensori non permette una lettura contemporanea dei dati di misura degli stessi, poiché il microcontrollore opera la raccolta dei dati dai vari fogli in successione per limitare il consumo energetico del dispositivo. Questo fa sì che non si possa avere una misura media dei dati provenienti dai sensori, se non con una postelaborazione degli stessi.

La presente invenzione si prefigge quindi lo scopo di fornire una soluzione soddisfacente ai problemi in precedenza esposti, evitando gli inconvenienti della tecnica nota.

In particolare, la presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una disposizione di sensori tattili applicabile a superfici estese arbitrariamente curve, con dispositivi sensori (trasduttori) di dimensioni ridotte per raggiungere una elevata risoluzione, la quale limiti al massimo l'ingombro dell'architettura elettronica di con-trollo nell'installazione su robot ed il consumo di energia. Ulteriore scopo è di fornire una disposizione di sensori tattili che presenti un ampio range di sensibilità per la rivelazione di contatti sia lievi che pesanti, ossia pari al peso corporeo totale del robot, nonché sia resistente ad impatti e forze di taglio che il corpo del robot può subire ,

Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad una disposizione di sensori tattili avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

Modi particolari di realizzazione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di utilizzare moduli sensoriali comprendenti disposizioni di sensori su substrati flessibili di area triangolare che hanno la proprietà di conformarsi agevolmente a superfici curve. Ciascuna disposizione sensoriale comprende una pluralità di dispositivi sensori/trasduttori di pressione per il rilevamento del contatto con un oggetto o ambiente esterno, ed un associato microcircuito atto a trattare una corrispondente pluralità di segnali di misura analogici generati dai dispositivi sensori/trasduttori ed indicativi della presenza, assenza e intensità di contatto con l'oggetto od ambiente esterno.

Un bus seriale collega ciascun microcircuito ad un circuito microcontrollore disposto a bordo di una scheda master collocabile all'interno della parte del robot da ricoprire.

Un sistema sensoriale completo comprende una molteplicità di circuiti microcontrollori, ciascuno atto a collegarsi con una pluralità di associate disposizioni modulari di sensori per acquisire le misure di contatto. I circuiti microcontrollori sono collegati in rete tra loro e ad un elaboratore centrale attraverso un bus di comunicazione CAN, al fine di permettere la collezione di tutte le misure acquisite e la loro elaborazione per il riconoscimento dell'ambiente intorno al robot.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è una rappresentazione di un modulo sensoriale oggetto dell'invenzione;

la figura 2 è una rappresentazione schematica di un singolo dispositivo sensore del modulo di figura 1;

la figura 3 è una rappresentazione di una insieme di moduli sensoriali accoppiati secondo l'invenzione ;

la figura 4 è una rappresentazione schematica della architettura di controllo di un sistema sensoriale comprendente una pluralità di moduli sensoriali secondo l'invenzione; e

la figura 5 è uno schema a blocchi circuitale dell'architettura di controllo del sistema sensoriale di figura 4.

In figura 1 è mostrato una disposizione di sensori tattili modulare 10 oggetto dell'invenzione .

Essa comprende un substrato in forma di scheda circuitale flessibile 12, recante una pluralità di dispositivi sensori (trasduttori) tattili 14 rivolti verso una prima superficie ed una elettronica di acquisizione e condizionamento dei segnali disposta in corrispondenza della superficie opposta ed includente un microcircuito 16 e un insieme di porte di ingresso/uscita.

Più specificamente, l'insieme di porte 18 comprende una porta terminale di connessione di ingresso 18' ed almeno una porta terminale di connessione di uscita 18'', tutte le porte essendo disposte in prossimità dei bordi del substrato destinati all'affiancamento con altri moduli analoghi. Ciascuna porta include una pluralità di piazzole conduttive di contatto dimensionate per collegare tra loro, ed al microcircuito 16, una linea di alimentazione (tensione di alimentazione e massa), una linea di clock ed un bus B seriale di comunicazione di dati {I2C o SPI), nella forma di attuazione preferita comprendente 4 canali di comunicazione paralleli.

Il microcircuito è, ad esempio, un chip AD7142 della Analog Device.

Nella rappresentazione di figura la disposizione sensoriale presenta una forma triangolare, attualmente preferita in virtù della sua facile conformità alla piegatura intorno a più assi, e i dispositivi sensori sono disposti reciprocamente equispaziati .

Ciascun dispositivo sensore è di tipo capacitivo noto e comprende un elettrodo circolare 20 ed un elettrodo anulare 22 concentrico, tra i quali si stabilisce un campo elettrico confinato in uno strato 24 di materiale dielettrico di rivestimento morbido, a sua volta ricoperto da un tessuto conduttivo collegato a massa, svolgente funzione di piano di massa.

Il microcircuito 16 comprende mezzi 30 generatori di un segnale di eccitazione del sensore, ad esempio un segnale di tensione ad onda quadra alla frequenza di 250KHz, applicato agli elettrodi circolari 20 dei dispositivi sensori, ed un circuito convertitore analogico-digitale 32 atto ad acquisire i segnali di tensione che si stabiliscono agli elettrodi anulari 22 e fornire dati di misure analogiche dì contatto (capacitive) sul bus di comunicazione B.

Nel funzionamento, quando un oggetto 0 preme sopra un dispositivo sensore, esso determina la diminuzione della distanza del piano di massa rispetto agli elettrodi 20 e 22, modificando le linee di flusso del campo elettrico tra gli elettrodi per cui aumenta il valore di capacità nominale del sensore .

Con la predisposizione di 12 dispositivi sensori per ciascun modulo il microcircuito è atto a fornire dati a 16 bit indicativi di 12 misure di capacità .

Un sistema sensoriale completo secondo 1<1>invenzione è formato dal collegamento di una pluralità di disposizioni modulari di sensori del tipo come sopra descritto, affiancate e giustapposte ai lati in modo tale da presentare in relazione affacciata rispettive porte terminali di connessione di ingresso ed uscita 18', 18<11>. Un siffatto sistema è illustrato in figura 3.

Con riferimento alle figure 3, 4 e 5 è mostrata una architettura di controllo del sistema sensoriale di figura 3.

E<1>prevista una molteplicità di circuiti microcontrollori 40, ciascuno dei quali è alloggiato a bordo di una rispettiva scheda circuitale master 42 del tipo a circuito stampato tradizionale, installabile all'interno della parte del robot da rivestire, e collegato ad un insieme di microcircuiti 16 (ad esempio, in numero di 16, per cui ciascun microcontrollore è atto ad acquisire contemporaneamente 196 misure) attraverso un cavo o piattina 44 (ad esempio, un cosiddetto fiat-cable) includente le linee di alimentazione, di clock ed il bus di comunicazione seriale B e relativi percorsi di comunicazione tra porte di ingresso ed uscita del moduli sensoriali.

Ciascun circuito microcontrollore ha la funzione di programmare le singole disposizioni sensoriali modulari ad esso associate, di leggere le misure da esse acquisite e di inviare tali misure ad una unità di elaborazione, eventualmente dopo una pre-elaborazione locale dei dati, ad esempio per una loro compressione.

I circuiti microcontrollorì 40 sono collegati in rete ad un elaboratore centrale attraverso un bus di comunicazione CAN al quale si affacciano tramite rispettivi moduli ricetrasmettitori, al fine di permettere la collezione di tutti i dati rilevati e la loro elaborazione completa.

Vantaggiosamente, i singoli moduli di disposizione sensoriale, qui rappresentati in forma triangolare, sono realizzati su un circuito stampato flessibile preventivamente collegati tra loro, cosicché si possa avvolgere un foglio contenente i suddetti moduli sulla porzione di guscio di robot da ricoprire dopo aver effettuato una semplice operazione dì configurazione del foglio mediante taglio ed asportazione dei moduli in eccesso. La stessa operazione di taglio può essere agevolata da una fustellatura prevista in corrispondenza dei bordi di moduli adiacenti ove non è realizzata una connessione elettrica.

La dimensione dei moduli triangolari può essere differente in sede di fabbricazione, in funzione della curvatura delle superfici che si intende ricoprire e della risoluzione che si vuole ottenere.

Praticamente, è possibile progettare il rivestimento di una superficie curva data calcolando la relativa griglia di triangoli per applicazione di un procedimento di triangolazione, quindi distendere la griglia di triangoli così calcolata su una superficie piana e progettare il relativo layout di routing dei segnali tra moduli adiacenti, assegnando ad ogni modulo una porta di comunicazione di ingresso ed una pluralità di porte di comunicazione di uscita. Dimensioni realizzabili attraverso le tecnologie attuali sono comprese tra un minimo di 20mm ed un massimo di 100mm di lato.

E<1>possibile modificare ed adattare le dimensioni delle disposizioni sensoriali, e quindi la loro risoluzione, via software, ossia logicamente e non fisicamente, semplicemente calcolando misure medie di pressione da dispositivi sensori appartenenti a partì di moduli o insiemi di moduli differenti .

Vantaggiosamente, la disposizione sensoriale oggetto dell'invenzione consente di impiegare due differenti modi di lettura delle condizioni di pressione attraverso il microcircuito 16, rispettivamente per leggere separatamente ed in successione le singole misure provenienti da tutti i dispositivi sensori {in un tempo complessivo di circa 18ms con 12 dispositivi sensori), oppure per determinare una misura media correlata alla somma di tutti i segnali di misura dei dispositivi sensori {possibile in un tempo assai più breve, dell'ordine di 1,5ms) .

In questo modo è possibile produrre un rivestimento sensibile di un robot che consenta di dare una prima informazione di contatto molto rapidamente, anche se con una risoluzione spaziale minore, e successivamente, nel momento in cui è stata individuata una area dì contatto, aumentare solo in tale area la risoluzione spaziale, perdendo in risoluzione temporale, commutando semplicemente il modo di funzionamento in lettura del microcircuito 16.

Ulteriore vantaggio della soluzione oggetto dell'invenzione risiede nel ridotto consumo energetico di ogni disposizione sensoriale,(dell'ordine di circa ImA), e dei microcontrollori (compresa tra 10 e 50mA). A differenza di altre soluzioni note che adottano un microcontrollore per ogni elemento sensibile, e quindi prevedono un assorbimento medio di circa 10 mA per misura, con la soluzione proposta si limita convenientemente l'assorbimento medio ad un valore di circa 0,lmA per ogni misura.

Inoltre, la disposizione sensoriale secondo 1<1>invenzione rende possibile configurare la topologia del sistema sensoriale complessivo a posteriori, attraverso l'utilizzo di collegamenti tra lìnee di bus di comunicazione e microcircuiti mediante strip per la selezione del bus di comunicazione e il relativo indirizzo di dato di ogni modulo sensoriale. Infatti, l'assegnazione di un indirizzo ad un modulo sensoriale avviene collegando predeterminati terminali del microcircuito a massa o alla tensione di alimentazione. Questo collegamento potrebbe essere fatto a posteriori in modo automatizzato, per esempio mediante saldatura di un ponticello di collegamento o simile contatto, evitando in tal modo di dover disegnare fogli ad-hoc per ogni parte di un robot da ricoprire.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della pre-sente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI l. Disposizione sensoriale tattile, comprendente: un substrato planare flessibile (12) atto a formare il rivestimento del corpo di un robot, recante una pluralità di dispositivi sensori di pressione (14), ed associati mezzi di acquisizione di segnali (16), predisposti per acquisire da detta pluralità di dispositivi sensori (14) segnali elettrici indicativi del contatto con un oggetto (0) o ambiente esterno, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di acquisizione di segnali (16) sono affacciati su un bus di comunicazione seriale (B) comune ad una pluralità di disposizioni associate, in modo tale da rendere disponibili i segnali acquisiti da detta pluralità di disposizioni ad una unità di elaborazione a microcontrollore esterna (40), e dal fatto che la disposizione sensoriale comprende una unica porta di collegamento di ingresso (18') del bus di comunicazione ed almeno una porta di collegamento di uscita (18'') del bus di comunicazione, atte a definire un percorso ramificato del bus di comunicazione (B) attraverso detta pluralità di disposizioni associate.
2. 2. Disposizione secondo la rivendicazione 1, in cui detti dispositivi sensori (14) comprendono ciascuno una disposizione dì elettrodi affacciati (20, 22) , tra i quali si stabilisce un campo elettrico suscettibile di essere modificato al contatto di un oggetto (O) per conseguente deformazione di detta disposizione (20, 22).
3. 3. Disposizione secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di acquisizione di segnali comprendono un microcircuito (16) includente mezzi di eccitazione (30) di un campo elettrico, atti a fornire un segnale elettrico di eccitazione ad un elettrodo (20) di ciascun dispositivo sensore (14), e mezzi di lettura (32) di un corrispondente segnale di tensione correlato alla distribuzione di campo elettrico indotta dal segnale di eccitazione ed eventualmente modificata dalla deformazione della disposizione di elettrodi (20, 22).
4. 4. Disposizione secondo la rivendicazione 3, in cui detto microcircuito (16) è disposto sulla superficie di detto substrato planare (12) opposta alla superfìcie recante i dispositivi sensori (14).
5. 5. Disposizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il substrato planare flessibile (12) presenta un'area triangolare.
6. 6. Disposizione secondo la rivendicazione 5, in cui i dispositivi sensori (14) sono disposti tra loro equispaziati su detta area.
7. 7. Disposizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto bus di comunicazione (B) comprende una pluralità di canali di trasmissione di dati di misura, una linea di alimentazione ed una linea dì segnale di temporìzzazione .
8. 8. Disposizione secondo la rivendicazione 7, in cui le porte di collegamento di ingresso (18') e di uscita (18<11>} comprendono piazzole di connessione atte ad instradare detti canali di trasmissione di dati di misura, detta linea di alimentazione e detta linea di segnale di temporizzazione.
9. 9. Disposizione secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto microcircuito (16) è predisposto per lettura in successione dei dati di misura acquisiti da ogni dispositivo sensore (14).
10. 10. Disposizione secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto microcircuito (16) è predisposto per lettura di un dato medio di misura acquisito dalla pluralità di dispositivi sensori (14).
11. 11. Sistema sensoriale per un robot, caratterizzato dal fatto che comprende una pluralità di disposizioni sensoriali (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 10, collegate ad almeno una unità di elaborazione a microcontrollore (40) associata ad un predefinito insieme di disposizioni sensoriali (10) ed affacciata ad un bus dì raccolta e trasferimento dati accessibile da un elaboratore centrale di controllo del robot.