Elektrische Widerstands- und Kapazitätstomografie. Methoden zur Abstands- und Kraftmessung für kollaborierende Roboter

Sabrina Affortunati

Elektrische Widerstands- und Kapazitätstomografie. Methoden zur Abstands- und Kraftmessung für kollaborierende Roboter

Translated title of the contribution: Electrical Resistance and Capacitance Tomography. Distance and Force Measurement for Collaborative Robots

Sabrina Affortunati

Institute of Measurement Technology

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Abstract

Automated devices and robots have become indispensable in many areas, including industry, medicine, and even private life. For safe human-robot interaction, it should be possible to localize a permitted direct contact and determine the contact forces. Any unintentional contact between human and robot, no matter how small, should be avoided. In addition to detecting a contact that has already occurred, it is also necessary to monitor approaching actions. This makes it possible to anticipate potential collisions and initiate evasive maneuvers by the robot. The aim of this work is to develop a distributed sensor system that can simultaneously operate as a proximity sensor with an adjustable measuring range and as a spatially resolving force or pressure sensor. This is achieved by combining resistance and capacitance tomography. The sensor system consists of a suitably structured conductive polymer layer with attached electrodes. The system is designed as a multifunctional, single-layer artificial skin for robots. To localize an approaching object, the capacitance density distribution on the top layer of the sensor is estimated. The distance and position at which the object is approaching can then be calculated from the capacitance density distribution. Resistance tomography, on the other hand, is used to obtain spatially resolved force measurements, due to the piezoelectric properties of the polymer layer. The hardware developed in this thesis allows to perform electrical capacitance tomography and electrical resistance tomography simultaneously on a sensor system with 16 electrodes. For this purpose, the excitation signal for the capacitance tomography was added to the excitation signal for the resistance tomography. Lock-in amplifiers were used for the measurement. The reconstruction of the capacitance density and conductivity distribution was performed by Newton's one-step-method and Tikhonov regularizations of the inverse problems. Keywords: Force localization, distance measurement, impedance tomography.

Translated title of the contribution	Electrical Resistance and Capacitance Tomography. Distance and Force Measurement for Collaborative Robots
Original language	German (Austria)
Supervisors/Reviewers	Zagar, Bernhard, Supervisor
Publication status	Published - Mar 2024

Fields of science

202012 Electrical measurement technology

JKU Focus areas

Digital Transformation

Cite this

@phdthesis{c99cc7bad4be48f79044af86d4d3ec2d,

title = "Elektrische Widerstands- und Kapazit{\"a}tstomografie. Methoden zur Abstands- und Kraftmessung f{\"u}r kollaborierende Roboter",

abstract = "In vielen Bereichen wie der Industrie, der Medizin und auch dem privaten Umfeld sind automatisierte Ger{\"a}te und Roboter kaum mehr wegzudenken. F{\"u}r die sichere Mensch-Roboter-Interaktion sollte es m{\"o}glich sein, erlaubte direkte Ber{\"u}hrungen zu lokalisieren und Kontaktkr{\"a}fte zu bestimmen. Jeder noch so kleine unbeabsichtigte Kontakt zwischen Mensch und Roboter sollte hingegen vermieden werden. Dazu ist neben der Erkennung bereits erfolgter Ber{\"u}hrungen auch die {\"U}berwachung sich n{\"a}hernder Aktionen notwendig. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines verteilten Sensorsystems, welches gleichzeitig als N{\"a}herungssensor mit einstellbarem Messbereich und als ortsaufl{\"o}sender Kraft- beziehungsweise Drucksensor arbeiten kann. Dies wird durch die Kombination von Widerstands- und Kapazit{\"a}tstomografie erreicht. Das Sensorsystem besteht aus einer entsprechend strukturierten, leitf{\"a}higen Kunststoffschicht mit angebrachten Elektroden. Das System ist als multifunktionale, einschichtige, k{\"u}nstliche Haut f{\"u}r Roboter angedacht. Zur Lokalisierung eines sich n{\"a}hernden Objekts wird die Kapazit{\"a}tsdichteverteilung auf der Oberseite der Kunststoffschicht gesch{\"a}tzt. Aus dieser Kapazit{\"a}tsdichteverteilung kann in weiterer Folge der Abstand und der Ort der Ann{\"a}herung berechnet werden. Die Widerstandstomografie wird aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften der Schicht zur ortsaufgel{\"o}sten Kraftmessung verwendet. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Hardware erlaubt es dem Sensorsystem sowohl die elektrische Kapazit{\"a}tstomografie als auch die elektrische Widerstandstomografie zeitgleich durchzuf{\"u}hren. Dazu wird dem zur Widerstandstomografie notwendigen Anregesignal das zur Kapazit{\"a}tstomografie notwendige Anregesignal {\"u}berlagert. Zur Messung der Wechselspannungen werden Lock-In Verst{\"a}rker verwendet. Die Rekonstruktion der Kapazit{\"a}tsdichte- und Leitf{\"a}higkeitsverteilung erfolgt {\"u}ber das Newton Einschrittverfahren und den Tikhonov Regularisierungen der inversen Probleme. Schlagw{\"o}rter: Kraftlokalisierung, Abstandsmessung, Impedanztomografie.",

author = "Sabrina Affortunati",

year = "2024",

month = mar,

language = "Deutsch ({\"O}sterreich)",

}

TY - BOOK

T1 - Elektrische Widerstands- und Kapazitätstomografie. Methoden zur Abstands- und Kraftmessung für kollaborierende Roboter

AU - Affortunati, Sabrina

PY - 2024/3

Y1 - 2024/3

N2 - In vielen Bereichen wie der Industrie, der Medizin und auch dem privaten Umfeld sind automatisierte Geräte und Roboter kaum mehr wegzudenken. Für die sichere Mensch-Roboter-Interaktion sollte es möglich sein, erlaubte direkte Berührungen zu lokalisieren und Kontaktkräfte zu bestimmen. Jeder noch so kleine unbeabsichtigte Kontakt zwischen Mensch und Roboter sollte hingegen vermieden werden. Dazu ist neben der Erkennung bereits erfolgter Berührungen auch die Überwachung sich nähernder Aktionen notwendig. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines verteilten Sensorsystems, welches gleichzeitig als Näherungssensor mit einstellbarem Messbereich und als ortsauflösender Kraft- beziehungsweise Drucksensor arbeiten kann. Dies wird durch die Kombination von Widerstands- und Kapazitätstomografie erreicht. Das Sensorsystem besteht aus einer entsprechend strukturierten, leitfähigen Kunststoffschicht mit angebrachten Elektroden. Das System ist als multifunktionale, einschichtige, künstliche Haut für Roboter angedacht. Zur Lokalisierung eines sich nähernden Objekts wird die Kapazitätsdichteverteilung auf der Oberseite der Kunststoffschicht geschätzt. Aus dieser Kapazitätsdichteverteilung kann in weiterer Folge der Abstand und der Ort der Annäherung berechnet werden. Die Widerstandstomografie wird aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften der Schicht zur ortsaufgelösten Kraftmessung verwendet. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Hardware erlaubt es dem Sensorsystem sowohl die elektrische Kapazitätstomografie als auch die elektrische Widerstandstomografie zeitgleich durchzuführen. Dazu wird dem zur Widerstandstomografie notwendigen Anregesignal das zur Kapazitätstomografie notwendige Anregesignal überlagert. Zur Messung der Wechselspannungen werden Lock-In Verstärker verwendet. Die Rekonstruktion der Kapazitätsdichte- und Leitfähigkeitsverteilung erfolgt über das Newton Einschrittverfahren und den Tikhonov Regularisierungen der inversen Probleme. Schlagwörter: Kraftlokalisierung, Abstandsmessung, Impedanztomografie.

AB - In vielen Bereichen wie der Industrie, der Medizin und auch dem privaten Umfeld sind automatisierte Geräte und Roboter kaum mehr wegzudenken. Für die sichere Mensch-Roboter-Interaktion sollte es möglich sein, erlaubte direkte Berührungen zu lokalisieren und Kontaktkräfte zu bestimmen. Jeder noch so kleine unbeabsichtigte Kontakt zwischen Mensch und Roboter sollte hingegen vermieden werden. Dazu ist neben der Erkennung bereits erfolgter Berührungen auch die Überwachung sich nähernder Aktionen notwendig. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines verteilten Sensorsystems, welches gleichzeitig als Näherungssensor mit einstellbarem Messbereich und als ortsauflösender Kraft- beziehungsweise Drucksensor arbeiten kann. Dies wird durch die Kombination von Widerstands- und Kapazitätstomografie erreicht. Das Sensorsystem besteht aus einer entsprechend strukturierten, leitfähigen Kunststoffschicht mit angebrachten Elektroden. Das System ist als multifunktionale, einschichtige, künstliche Haut für Roboter angedacht. Zur Lokalisierung eines sich nähernden Objekts wird die Kapazitätsdichteverteilung auf der Oberseite der Kunststoffschicht geschätzt. Aus dieser Kapazitätsdichteverteilung kann in weiterer Folge der Abstand und der Ort der Annäherung berechnet werden. Die Widerstandstomografie wird aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften der Schicht zur ortsaufgelösten Kraftmessung verwendet. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Hardware erlaubt es dem Sensorsystem sowohl die elektrische Kapazitätstomografie als auch die elektrische Widerstandstomografie zeitgleich durchzuführen. Dazu wird dem zur Widerstandstomografie notwendigen Anregesignal das zur Kapazitätstomografie notwendige Anregesignal überlagert. Zur Messung der Wechselspannungen werden Lock-In Verstärker verwendet. Die Rekonstruktion der Kapazitätsdichte- und Leitfähigkeitsverteilung erfolgt über das Newton Einschrittverfahren und den Tikhonov Regularisierungen der inversen Probleme. Schlagwörter: Kraftlokalisierung, Abstandsmessung, Impedanztomografie.

UR - https://epub.jku.at/urn/urn:nbn:at:at-ubl:1-73701

M3 - Dissertation

ER -

Elektrische Widerstands- und Kapazitätstomografie. Methoden zur Abstands- und Kraftmessung für kollaborierende Roboter

Abstract

Fields of science

JKU Focus areas

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