Methods for Exploration, Manipulation and Safe Human-Robot-Interaction with Capacitive Tactile Proximity Sensors

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Björn Hein; Professor Dr.-Ing. Heinz Wörn
• Subject Area: Measurement Systems ; Image and Language Processing, Computer Graphics and Visualisation, Human Computer Interaction, Ubiquitous and Wearable Computing
• Term: from 2013 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 243587898

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts wurden insbesondere neue Verfahren und Anwendungsszenarien für taktile Näherungssensoren erforscht und evaluiert und auf Basis dieser Erfahrungswerte eine neue hoch flexible Generation von taktilen Näherungssensoren entwickelt. Zusammengefasst lassen sich die Ergebnisse und Forschungsbeiträge dieses Projekts in Softwaremethoden und Hardwareentwicklung unterteilen und umfassen insbesondere: Softwaremethoden: neuartige Exploration von Objekten unter kombinierter Ausnutzung der taktilen und der Näherungsmodalität. Hierbei soll erwähnt werden, dass die im Folgenden erreichten Ergebnisse insbesondere durch die abgestimmte Entwicklung von Softwareverfahren und Hardware möglich wurden: Vorausrichten eines Greifers in sechs Freiheitsgraden an leitenden und nicht-leitenden Objekten vor dem Greifen (Preshaping); aktive Kollisionsvermeidung und berührungslose Krümmungsverfolgung in sechs Freiheitsgraden; gekoppelt haptische und näherungsbasierte Exploration von Objekten; Multi-Objekt-Tracking und Kollisionsvorhersage; aktive Unterstützung in Teleoperationsszenarien mit Hilfe von Kraftrückkopplung von Näherungsinformationen; Hardwareentwicklung: im Rahmen der Konzeption und Entwicklung der Hardware wurden während des Projektverlaufs die Ideen durch eine Patentanmeldung geschützt. Die Hauptmerkmale der letzten Version TNS V3.1, die im Rahmen des Projektes entstanden sind: Modulare und vernetzbaren Sensorarchitektur; dynamisch konfigurierbare Wahl zwischen Ortsauflüsung und Messreichweite; Miniaturisierung der Sensorik für eine einfachere Integration, Notwendigkeit externer Verschaltung entfällt; vereinfachte kapazitiven Spektroskopie für die Materialerkennung; beidseitig-kapazitiven Messung für Erkennung von nicht-leitenden Materialien. Mehrere publikumswirksame Auftritte auf Messen und Innovationsveranstaltungen wurden durchgeführt. Aus Teilergebnissen entstanden bereits zwei Verbundforschungsprojekte, die unterschiedliche Aspekte der in diesem Projekt angedeuteten Applikationen weiterverfolgen.

Publications

• Methods for Safe Human-Robot-Interaction Using Capacitive Tactile Proximity Sensors, Intelligent Robots and Systems (IROS), 2013 IEEE/RSJ International Conference, 2013: S. 1149– 1154
  Escaida Navarro, S., M. Marufo, Y. Ding, S. Puls, D. Göger, B. Hein und H. Wörn
  
• 6D Proximity Servoing for Preshaping and Haptic Exploration using Capacitive Tactile Proximity Sensors, Intelligent Robots and Systems (IROS), 2014 IEEE/RSJ International Conference, 2014: S. 7–14
  Escaida Navarro, S., M. Schonert, B. Hein und H. Wörn
  
• A haptic display for tactile and kinesthetic feedback in a chai 3d palpation training scenario, 2015 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), Dez. 2015: S. 291–296
  Hergenhan, J., J. Rutschke, M. Uhl, S. Escaida Navarro, B. Hein und H. Wörn
  
• Capacitive Tactile Proximity Sensing: From Signal Processing to Applications in Manipulation and Safe Human-Robot Interaction, Soft Robotics, Verl, A., A. Albu-Schäffer, O. Brock und A. Raatz, Hrsg., Springer-Verlag
  Escaida Navarro, S., B. Hein und H. Wörn
  
• Telemanipulation with Force-based Display of Proximity Fields, Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ International Conference on, 2015: S. 4578–4574
  Escaida Navarro, S., F. Heger, F. Putze, T. Beyl, T. Schultz und B. Hein
  
• 3D Contour Following for a Cylindrical End-Effector Using Capacitive Proximity Sensors, Intelligent Robots and Systems (IROS), 2016 IEEE/RSJ International Conference, 2016
  Escaida Navarro, S., S. Koch und B. Hein
  
• A Versatile and Modular Capacitive Tactile Proximity Sensor, Haptics Symposium 2016, 2016: S. 290–206
  Alagi, H., S. Escaida Navarro, M. Mende und B. Hein
  
• Evaluation und Weiterentwicklung eines kapazitiven taktilen Näherungssensors, Diss., Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe, 2016
  Escaida Navarro, S.
  
• Flexible Spatial Resolution for Preshaping with a Modular Capacitive Tactile Proximity Sensor, See, Touch, and Hear: 2nd Workshop on multimodal sensor-based robot control for HRI and soft manipulation, Workshop at IROS 2016, 2016
  Escaida Navarro, S., H. Alagi, A. Heilig, M. Mende und B. Hein