DE102010023914A1

DE102010023914A1 - Method and device for controlling a governor

Info

Publication number: DE102010023914A1
Application number: DE201010023914
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2011-09-08
Also published as: WO2011107278A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung eines Statthalters durch einen Nutzer. Ein solcher Statthalter ist insbesondere ein Roboter oder ein virtuelles Wesen. Dabei wird der Statthalter gesteuert durch Signale von Sensoren, die an dem Nutzer angebracht sind oder sich in dessen Umgebung befinden, und Positionen und Bewegungen des Nutzers aufnehmen können. Weiterhin befinden sich an dem Statthalter oder in dessen Umgebung weitere Sensoren, die seine Lage und Bewegungen aufnehmen können. Signale dieser Sensoren dienen dazu, Bewegungsabläufe bei dem Nutzer zu steuern. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die genannten Sensoren Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente zumindest von einem Körperteil des Nutzers erfassen und Teile des Statthalters entsprechend bewegt werden können. Die Erfindung lässt sich beispielsweise verwenden bei Teleoperationen.The present invention relates to the control of a governor by a user. Such a governor is in particular a robot or a virtual being. The governor is controlled by signals from sensors that are attached to the user or are in his vicinity and can record the user's positions and movements. Furthermore, there are further sensors on the governor or in his vicinity that can record his position and movements. Signals from these sensors are used to control the user's motion sequences. The solution according to the invention is characterized in that said sensors can detect postures, positions, movements, forces and / or torques of at least one part of the user's body and parts of the governor can be moved accordingly. The invention can be used, for example, in teleoperations.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung eines Statthalters durch einen Nutzer. Ein entsprechender Nutzer kann ein Mensch oder ein sonstiges Lebewesen sein. Der zu steuernde Statthalter kann eine reale Maschine, eine virtuelle Maschine oder ein sonstiges virtuelles Lebewesen sein. Eine bevorzugte Maschine ist ein realer bzw. virtueller Roboter.The present invention relates to the control of a governor by a user. A corresponding user can be a human or another living being. The governor to be controlled may be a real machine, a virtual machine, or some other virtual creature. A preferred machine is a real or virtual robot.

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Bewegungssimulation. Simulatoren sind beispielsweise bekannt als Flugsimulatoren für die Pilotenausbildung oder für den Einsatz in Spielhallen. Dabei werden verschiedene Bewegungen auf einen menschlichen Körper ausgeübt bei gleichzeitiger Anzeige einer simulierten Umgebung. Es ist auch möglich, dass durch geeignete Mittel auch passende Geräusche generiert und dem menschlichen Körper als Schall- und/oder Körperwellen zugeführt werden.This invention relates to the field of motion simulation. Simulators are known, for example, as flight simulators for pilot training or for use in gaming halls. Different movements are applied to a human body while displaying a simulated environment. It is also possible that by suitable means also suitable noises are generated and supplied to the human body as sound and / or body waves.

Weiterhin bekannt ist das Gebiet der „Virtual Reality”, wobei menschlichen Sinnesorganen bestimmte optische, akustische und/oder haptische Reize oder auch Gerüche simuliert werden, wodurch ein Mensch angeregt wird, bestimmte Handlungen oder Bewegungen auszuführen.Also known is the field of "virtual reality", whereby human sensory organs are simulated certain optical, acoustic and / or haptic stimuli or odors, whereby a person is stimulated to perform certain actions or movements.

Außerdem sind Roboter bekannt, die aufgrund von Steuersignalen unterschiedlichste Bewegungen ausführen können. Je nachdem, wie viele Gelenke mit zugehörigen Achsen und Aktuatoren ein solcher Roboter aufweist, können sie ganz bestimmte Tätigkeiten unterstützen oder erledigen, wie im Rahmen eines Produktionsprozesses, bei der Reinigung eines Haushalts oder dergleichen. Insbesondere dann, wenn die Feinmotorik im Bereich der „Hände” bei Robotern optimiert ist, können sie sich auch entsprechend genau bewegen. Zur Koordination derartiger Roboterbewegungen sind außerdem Sensoren und Kontrolleinheiten bekannt, die diese Bewegungen steuern oder regeln.In addition, robots are known that can perform a variety of movements due to control signals. Depending on how many joints with associated axes and actuators such a robot, they can support or perform very specific activities, such as in the context of a production process, in the cleaning of a household or the like. In particular, when the fine motor skills in the field of "hands" in robots is optimized, they can also move accordingly accurately. In order to coordinate such robot movements, sensors and control units are also known which control or regulate these movements.

Weiterhin sind sogenannte Exoskelette bekannt. Sie sind vergleichbar mit Orthesen, die für die Unterstützung einzelner Gliedmaßen, wie für eine Hand oder ein Kniegelenk, geeignet sein können. Ein derartiges Exoskelett ist beispielsweise beschrieben in DE 10 2007 035 401 A1 . Je nach Ähnlichkeit zum menschlichen Körper unterscheidet man anthropomorphe und nicht-anthropomorphe Exoskelette.Furthermore, so-called exoskeletons are known. They are similar to orthoses that may be suitable for supporting individual limbs, such as a hand or knee joint. Such an exoskeleton is described for example in DE 10 2007 035 401 A1 , Depending on the similarity to the human body, a distinction is made between anthropomorphic and non-anthropomorphic exoskeletons.

Exoskelette können Bewegungen des Trägers unterstützen bzw. verstärken, indem am Exoskelett Gelenke durch Servomotoren aktiv angetrieben werden. Diese werden angesteuert aufgrund von Sensorsignalen, die ein Maß sind für Bewegungen, die der Träger durchführt oder durchführen will. Solche Signale können beispielsweise erzeugt werden aufgrund von Elektroden, die auf der Haut angebracht sind und elektrische Impulse von Muskeln empfangen, aufgrund gemessener Abstände, Kräfte und Drehmomente zwischen Nutzer und Exoskelett, und/oder aufgrund von Positionen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräften und Drehmomenten der Aktuatoren des Exoskeletts.Exoskeletons can support or enhance movements of the wearer by actively driving joints on the exoskeleton by servomotors. These are controlled on the basis of sensor signals, which are a measure of movements that the carrier wants to perform or perform. Such signals may be generated, for example, due to electrodes attached to the skin and receiving electrical impulses from muscles due to measured distances, forces and torques between the user and the exoskeleton, and / or due to positions, speeds, accelerations, forces, and torques Actuators of the exoskeleton.

Exoskelette, die eine Art robotischen Anzug darstellen, sind bekannt von der Firma Raytheon Company (www.raytheon.com; letzter Abruf Juni 2010). Diese sind im Wesentlichen ein tragbarer Roboter, die die Kraft, die Ausdauer und die Wendigkeit des Nutzers verstärken. Sie beinhalten eine Kombination von Sensoren, Aktuatoren und Reglern und ermöglichen es dem Nutzer beispielsweise, einen Menschen auf dem Rücken zu tragen oder schwere Lasten mehrere Hundert Mal zu heben ohne zu ermüden. Andererseits ist dieser Anzug wendig genug, dass sein Nutzer Fußball spielen, eine Treppe steigen kann und dergleichen.Exoskeletons, which are a type of robotic suit, are known by Raytheon Company (www.raytheon.com, last accessed June 2010). These are essentially a portable robot that reinforces the power, endurance and maneuverability of the user. They include a combination of sensors, actuators and controls, allowing the user to carry a human on his back or lift heavy loads hundreds of times without getting tired. On the other hand, this suit is agile enough that its users can play football, climb a staircase and the like.

Aus dem Artikel „Development of Teleoperation Master System with a Kinesthetic Sensation of Presence”, Hitoshi Hasunuma et al., ICAT '99 (siehe http://www.vrsj.org/ic-at/papers/99053.pdf; letzter Abruf Juni 2010) , ist bekannt, einen Roboter durch die natürliche Verwendung der Arme eines Nutzers und unter bilateraler haptischer Kontrolle zu steuern. Der Nutzer spürt also die Kräfte, die auf den Roboter wirken und kann ihn steuern. Dabei werden nur die Bewegungen der Arme, der Hände und die Haltung des Kopfes des Nutzers auf den Roboter übertragen. Dazu wird für die Arme ein Exoskelett mit 7 Freiheitsgraden (7 dof, dof = degrees of freedom) verwendet und für die Hände ein anderer exoskelletaler Aufbau. Sicht, Gehör und schnelle Bewegungen des Körperschwerpunkts werden auch vom Roboter an den Nutzer übertragen. Ein Kraft-Feedback erfolgt auf Hände und Arme.From the article "Development of Teleoperation Master System with a Kinetic Sensation of Presence", Hitoshi Hasunuma et al., ICAT '99 (see http://www.vrsj.org/ic-at/papers/99053.pdf, last accessed June 2010) It is known to control a robot by the natural use of a user's arms and under bilateral haptic control. The user therefore feels the forces acting on the robot and can control it. Only the movements of the arms, the hands and the posture of the user's head are transferred to the robot. For this purpose, an exoskeleton with 7 degrees of freedom (dof = dof = degrees of freedom) is used for the arms and a different exoskeletal structure for the hands. Vision, hearing and rapid movements of the body's center of gravity are also transmitted from the robot to the user. A force feedback is on hands and arms.

Die Bewegung des Roboters wird in dem genannten Artikel mittels einer Computermaus gesteuert, durch welche der Nutzer die Bewegungsrichtung des Roboters vorgibt. Die Beingelenke und sein Gleichgewicht werden vom Roboter autonom gesteuert.The movement of the robot is controlled in said article by means of a computer mouse, by which the user specifies the direction of movement of the robot. The leg joints and their balance are controlled autonomously by the robot.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerung eines Statthalters, wie einer Maschine oder eines virtuellen Wesens, zu ermöglichen, bei der der Statthalter wesentliche Bewegungen nachvollzieht, die von einem Nutzer vorgegeben werden.It is thus the object of the present invention to allow control of a governor, such as a machine or a virtual being, in which the governor understands essential movements dictated by a user.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach dem Hauptanspruch sowie durch die Vorrichtung nach dem ersten Vorrichtungsanspruch. Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben.This object is achieved by the method according to the main claim and by the device according to the first device claim. The subclaims indicate advantageous embodiments.

Erfindungsgemäß werden Signale von Nutzer-Sensoren erfasst und ausgewertet, deren Signale ein Maß für Positionen, Haltungen und/oder Bewegungen einzelner Körperteile des Nutzers und/oder ein Maß für die auf sie wirkenden Kräfte oder Drehmomente sind. Derartige Sensoren können beispielsweise in direktem oder indirektem Kontakt mit dem Nutzer-Körper sein und als Dehnungsstreifen, elektrische Sensoren für Muskelimpulse oder dergleichen ausgebildet sein. Ferner sind auch Sensoren möglich, die sich in einigem Abstand vom Nutzer befinden und seine Positionen und/oder Bewegungen optisch, akustisch, kapazitiv oder dergleichen erfassen. According to the invention, signals are detected and evaluated by user sensors whose signals are a measure of positions, postures and / or movements of individual body parts of the user and / or a measure of the forces or torques acting on them. Such sensors may, for example, be in direct or indirect contact with the user body and be designed as stretch marks, electrical sensors for muscle impulses or the like. Furthermore, sensors are also possible which are located at some distance from the user and detect their positions and / or movements visually, acoustically, capacitively or the like.

Die Nutzer-Sensor-Signale dienen zur Ansteuerung von Statthalter-Aktuatoren, die einen Statthalter entsprechend in eine vorgegebene Position bringen oder bewegen. Ein solcher Statthalter kann insbesondere eine reale Maschine, eine virtuelle Maschine oder ein sonstiges virtuelles Lebewesen sein. Eine bevorzugte Maschine ist ein realer bzw. virtueller Roboter. Eine solche Position kann beispielsweise ein Sitzen, Liegen Stehen oder dergleichen sein. Eine Bewegung kann Gehen, Laufen usw. sein. Passende Aktuatoren können Elektromotoren, aber auch hydraulische oder pneumatische Elemente enthalten. Die Nutzer-Sensor-Signale können auch erfasst und aufbereitet und zur Ansteuerung von Nutzer-Aktuatoren genutzt werden. Dieses dient insbesondere bei Verwendung eines Exoskeletts zur Reduktion der vom Nutzer empfundenen Gewichtskräfte und dynamischer Kräfte, welche das Exoskelett auf den Nutzer ausübt.The user sensor signals are used to control governor actuators that move or move a governor into a predetermined position accordingly. Such a governor may be, in particular, a real machine, a virtual machine or another virtual creature. A preferred machine is a real or virtual robot. Such a position may be, for example, sitting, lying or the like. A movement can be walking, running, etc. Appropriate actuators may include electric motors, but also hydraulic or pneumatic elements. The user sensor signals can also be detected and processed and used to control user actuators. This serves in particular when using an exoskeleton to reduce the user perceived weight forces and dynamic forces exerted by the exoskeleton on the user.

Weiterhin gibt es Statthalter-Sensoren, die Positionen und Bewegungen des Statthalters und/oder die auf ihn von außen oder durch sich selbst wirkenden Kräfte, Drehmomente oder Verformungen erfassen. Diese Sensoren können grundsätzlich ähnlich gestaltet und angeordnet sein wie Nutzer-Sensoren. Deren Signale werden erfasst und derart aufbereitet, dass sie zur Ansteuerung von Nutzer-Aktuatoren dienen, die den Nutzer bzw. einzelne seiner Körperteile entsprechend beeinflussen. Eine solche Beeinflussung kann einerseits die Veranlassung einer Haltung oder Bewegung unter Anwendung von Kräften und Drehmomenten sein. Es ist aber auch möglich, dass auf den Nutzer solche Kräfte, Drehmomente oder Verformungen ausgeübt werden, die vergleichbar sind mit einer haptischen Rückkopplung beim Berühren eines Gegenstandes. Die Statthalter-Sensor-Signale können auch erfasst und aufbereitet und zur Ansteuerung von Statthalter-Aktuatoren genutzt werden. Dies dient insbesondere dazu, den Nutzer das Gewicht und die dynamischen Kräfte des Statthalters nicht spüren zu lassen.There are also governor sensors that detect the positions and movements of the governor and / or on him from the outside or by themselves acting forces, torques or deformations. These sensors can basically be designed and arranged similar to user sensors. Their signals are detected and processed in such a way that they serve to control user actuators that influence the user or individual parts of his body accordingly. Such an influence can on the one hand be the cause of a posture or movement by the application of forces and torques. But it is also possible that the user such forces, torques or deformations are exercised, which are comparable to a haptic feedback when touching an object. The governor sensor signals can also be recorded and processed and used to control governor actuators. This serves in particular to make the user not feel the weight and the dynamic forces of the governor.

Damit der Nutzer den Statthalter auf einfache Weise steuern kann, ist weiterhin vorgesehen, dass die Nutzer-Sensoren die Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente von mindestens einem Körperteil erfassen, wie einem Bein, einem Arm, einer Hand, einem Fuß oder dergleichen, und ein Teil, also Bein, Arm, Hand, Fuß oder dergleichen, des Statthalters entsprechend bewegt wird. Dabei können das steuernde Körperteil und das gesteuerte Teil gleichartig sein, wie Arm-Arm, Bein-Bein und dergleichen. Denkbar ist jedoch auch, dass sie ungleichartig sind, so dass beispielsweise eine Nutzer-Hand ein Statthalter-Bein steuert.So that the user can control the governor in a simple manner, it is further provided that the user sensors detect the positions, positions, movements, forces and / or torques of at least one body part, such as a leg, an arm, a hand, a foot or the like, and a part, ie leg, arm, hand, foot or the like, the governor is moved accordingly. In this case, the controlling body part and the controlled part may be similar, such as arm-arm, leg-leg and the like. However, it is also conceivable that they are dissimilar, so that, for example, a user's hand controls a governor's leg.

Die Verwendung eines Exoskeletts ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn darin passende Aktuatoren und/oder Sensoren enthalten sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Nutzer und der Statthalter baugleiche Exoskelette tragen bzw. verwenden.The use of an exoskeleton is particularly advantageous if suitable actuators and / or sensors are contained therein. It is particularly advantageous if the user and the governor wear or use identical exoskeletons.

Für eine optimale Bewegungssimulation ist es notwendig, dass der Nutzer auch als Ganzes bewegt oder in eine bestimmte Position gebracht werden kann. Eine solche Bewegung kann translatorisch – wie vor/zurück, rechts/links, hoch/runter – oder rotatorisch sein. Dafür ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung ein passender Bewegungssimulator vorgesehen. Dieser kann beispielsweise ausgestaltet sein als (a) Kardanische Aufhängung im Verbund mit einer Translationseinheit, (b) Stewart-Bewegungsplattform, (c) Mehrachsenindustrieroboter oder (d) sphärischer Bewegungssimulator, wie er beispielsweise beschrieben ist in dem Artikel „Novel 3-DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace”; Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (siehe http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf; letzter Abruf Juni 2010) , im Verbund mit einer Translationseinheit, oder durch andere bekannte Bewegungssimulatoren.For an optimal motion simulation it is necessary that the user can be moved as a whole or placed in a certain position. Such a movement can be translational - like forward / backward, right / left, up / down - or rotatory. For a suitable motion simulator is provided in one embodiment of the invention. This may be configured, for example, as (a) gimbals in conjunction with a translational unit, (b) stewart motion platform, (c) multi-axis industrial robots, or (d) spherical motion simulator as described, for example, in the article "Novel 3-DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace"; Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (see http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf, last accessed June 2010) , in conjunction with a translational unit, or by other known motion simulators.

Bei der Ansteuerung des Bewegungssimulators kann ein Motion-Cueing Prozess angewendet werden. Dieser ermöglicht es, die Pose des Roboters auf den Nutzer derart zu übertragen, dass der Arbeitsraum des Bewegungssimulators nicht verlassen, aber dennoch ein realistischer Gesamteindruck für den Nutzer erzeugt wird. Weiterhin kann bei der Ansteuerung des Bewegungssimulators vorgesehen sein, dass die Raumlage und die Position – sowie ggf. deren Ableitungen, wie Geschwindigkeiten und Beschleunigungen – des Statthalters auf den Nutzer abgebildet werden.When controlling the motion simulator, a motion-cueing process can be used. This makes it possible to transmit the pose of the robot to the user in such a way that the working space of the motion simulator is not left, but nevertheless a realistic overall impression is generated for the user. Furthermore, it can be provided in the control of the motion simulator that the spatial position and the position - and possibly their derivatives, such as speeds and accelerations - the governor are mapped to the user.

Wenn der Statthalter als realer Roboter, oder sonstige reale Maschine, gestaltet ist, sind verschiedene Teleoperationen möglich. Dafür kann der Nutzer einen Roboter beispielsweise in einer lebensgefährlichen Umgebung steuern, wie in einem radioaktiven Raum, bei einem Kampfeinsatz oder dergleichen. Aufgabe eines solchen Systems ist also, die Anwendbarkeit von realen Robotern auf Gebiete und Probleme zu erweitern, in denen sie autonom oder semi-autonom, nicht oder nur beschränkt handeln können. Dieses umfasst zum Beispiel die Fortbewegung eines Roboters in Wüstensand, Sümpfen, Wäldern, komplexen Situationen in Gebäuden, Interaktion mit empfindlichen Lebewesen, usw. Komplexe Bewegungen, wie Robben, Nahkampf, Rollen Springen, usw. sind möglich. Ein Großteil der Steuerung, der Wahrnehmung, der Interpretation der Daten und auch der Entscheidungen, werden nun direkt und in Echtzeit durch den Nutzer, wie einen Menschen, erbracht. Da der Roboter seinen Zustand, wie Bewegungen, Kräfte, Drehmomente, usw., über die genannten Sensoren und Aktuatoren an den Nutzer überträgt, kann dieser durch seine Körpersteuerung, die gegebenenfalls durch ein Exoskelett unterstützt wird, den Roboter angemessen steuern. Zusätzliche Informationen kann der Nutzer erhalten aufgrund von optischen, akustischen oder sonstigen Eindrücken, die mittels passender Sensoren im Bereich des Roboters aufgenommen und entsprechend aufbereitet an den Nutzer geleitet werden.If the governor is designed as a real robot, or other real machine, various teleoperations are possible. For this, the user can control a robot, for example, in a life-threatening environment, such as in a radioactive space, in a combat mission or the like. The task of such a system is thus to extend the applicability of real robots to areas and problems in which they are autonomous or semi-autonomous, not or only able to act in a limited way. This includes, for example, locomotion of a robot in desert sand, swamps, forests, complex situations in buildings, interaction with sensitive creatures, etc. Complex movements such as seals, close combat, jumping, etc. are possible. Much of the control, perception, interpretation of the data, as well as the decisions, are now made directly and in real time by the user, such as a human being. Since the robot transmits its state, such as movements, forces, torques, etc., to the user via said sensors and actuators, it can adequately control the robot through its body control, which is possibly assisted by an exoskeleton. Additional information can be obtained by the user on the basis of optical, acoustic or other impressions, which are recorded by means of suitable sensors in the area of the robot and processed accordingly to the user.

Im Bereich der Teleoperation sind verschiedene Techniken bekannt, wie aus dem Springer Handbook of Robotics, Spinger, 2008 , um kinematisch gleiche, kinematisch ähnliche und kinematisch unterschiedliche Roboter zu verwenden, um durch einen Nutzer zumindest einen der Roboter (Master) zu verwenden, um den anderen Roboter (Slave) zu steuern. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Master-Roboter dafür bevorzugterweise als Exoskelett ausgebildet. Die Zahl der Freiheitsgrade der Roboter darf im Allgemeinen unterschiedlich sein. Man unterscheidet unilaterale und bilaterale Methoden, wobei bei ersteren vom Master nur Steuersignale an den Slave geschickt werden, und bei letzterem auch Signale vom Slave an den Master. Letzteres ermöglicht die Erzeugung einer Kraftrückkopplung an den Nutzer. Er kann dadurch die Umgebung oder den Bewegungszustand des Slave durch den Master erfahren. Je realistischer der Eindruck des Nutzers von der Umgebung des Slave ist, desto höher ist die „Transparenz” der teleoperativen Verbindung. Dabei spielt auch die Art der Kontrolle und der Kommunikation eine Rolle. Durch bilaterale Teleoperation vermittelt können auch mehrere Nutzer haptisch interagieren oder unter Verwendung mehrerer Master und eines gemeinsamen Slave mit der Umgebung interagieren. Besonders Slave und Slave-Umgebung können simuliert, also virtuell ausgebildet sein.In the field of teleoperation, various techniques are known, as from the Springer Handbook of Robotics, Spinger, 2008 to use kinematically similar, kinematically similar and kinematically different robots to use by a user at least one of the robots (master) to control the other robot (slave). In the context of the present invention, the master robot is preferably designed as an exoskeleton for this purpose. The number of degrees of freedom of the robots may generally be different. A distinction is made between unilateral and bilateral methods, whereby in the former only control signals are sent from the master to the slave, and in the latter also signals from the slave to the master. The latter allows the generation of a force feedback to the user. He can thereby learn the environment or the state of motion of the slave through the master. The more realistic the user's impression of the slave's environment is, the higher the "transparency" of the tele-operative connection. The type of control and communication also play a role here. Mediated by bilateral teleoperation, multiple users can interact haptically or interact with the environment using multiple masters and a shared slave. Especially slave and slave environment can be simulated, so be virtual.

Wichtig ist weiterhin, den Nutzer von der Empfindung der unmittelbaren Eigenschaften des Master und Slave Roboters zu befreien. So sollte er vorzugsweise nicht deren Gewichtskräfte, Trägheitskräfte und Scheinkräfte sowie sonstige aufgrund von Bewegungen und Beschleunigungen verursachte dynamische Kräfte spüren. Ggf. soll auch das Körpergewicht des Nutzers oder von Teilen des Nutzers durch die Roboter getragen werden. Beides, die (teilweise) Isolation des Nutzers von Master- und Slaveeigenschaften, als auch das (teilweise) Abnehmen seines Körpergewichts durch den Roboter, ist durch sogenannte Schwerkraftkompensation (gravity compensation) etabliert.It is also important to free the user from the sensation of the immediate properties of the master and slave robot. So he should preferably not feel their weight forces, inertial forces and apparent forces as well as other caused by movements and accelerations dynamic forces. Possibly. The body weight of the user or of parts of the user should also be borne by the robots. Both, the (partial) isolation of the user of master and slave properties, as well as the (partial) removal of his body weight by the robot, is established by so-called gravity compensation.

Methoden zur Teleoperation verwenden gemeinhin auch die Skalierung der Distanzen und Kräfte. Dies ist besonders bei nicht identischen Master und Slave Robotern wichtig. Das heißt, dass ein Nutzer am Master auch größere oder kleiner Kräfte und andere Distanzen (auch Winkeldistanzen) erfahren kann als am Slave vorliegen.Teleoperation methods commonly also use the scaling of distances and forces. This is especially important for non-identical master and slave robots. This means that a user can also experience larger or smaller forces and other distances (also angular distances) at the master than at the slave.

Methoden der Kraftrückkopplung werden prinzipiell mit verschiedensten Kontrollstrategien realisiert. So unterschiedet man unter anderem Position-Position, Position-Kraft und Kraft-Positions Methoden (Master → Slave Konvention). Position-Kraft Kontrolle bedeutet hier, dass die Ist-Position des Masters an den Slave übertragen wird, welche diese als Sollgröße benutzt um seine Position einzunehmen. Die vom Slave gemessenen Kräfte und/oder Drehmomente werden dann an den Master übertragen, dort als Sollkräfte verwendet und durch Aktuatoren dem Nutzer vermittelt. Die Methoden können ausschließlich mit Aktuatorsensoren (Winkel, Winkelgeschwindigkeit, Drehmoment) oder auch mit zusätzlichen Kraft- und Drehmomentsensoren realisiert werden.Methods of force feedback are realized in principle with a variety of control strategies. So one differentiates among other things position position, position force and force position methods (master → slave convention). Position-force control here means that the actual position of the master is transmitted to the slave, which uses it as a setpoint to take his position. The forces and / or torques measured by the slave are then transmitted to the master, where they are used as desired forces and transmitted to the user by actuators. The methods can only be realized with actuator sensors (angle, angular velocity, torque) or with additional force and torque sensors.

Für den Nutzer wird die Erfindung dann einfach anwendbar, wenn er die Realität oder die virtuelle Realität durch den Statthalter gemäß ihrer Gesetze steuert. Das heißt, dass er sich daran gewöhnen muss.For the user, the invention then becomes easily applicable if it controls the reality or the virtual reality by the governor according to their laws. That means he has to get used to it.

Eine Aufgabe des Nutzers wäre dann beispielsweise das Gleichgewicht des Statthalters zu regulieren. Der Statthalter wird aber üblicherweise eine andere Geometrie und Körperdynamik haben als der Nutzer. Wird die Körperdynamik des Statthalters aber durch die Verwendung eines Bewegungssimulators auf den Nutzer übertragen, merkt dieser z. B. anhand einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung des Kopfes nach vorne, dass der Statthalter beginnt, umzufallen. Das muss er durch geeignete Maßnahmen ausgleichen, wie Gewichtsverlagerung des Statthalters, unter Verwendung seiner eigenen Beine, welche die Beine des Statthalters steuern, bis die Beschleunigung aufhört. Dabei fühlt der Nutzer mit seinen Füßen den Boden auf der Seite des Statthalters, ohne selbst auf einem zu stehen, vermittelt durch die bilaterale teleoperative Verbindung und die Füße des Nutzer-Exoskeletts. Der Benutzer kann im Exoskelett im Bewegungssimulator niemals selbst umfallen, solange sein Statthalter nicht umfällt.A task of the user would then be to regulate, for example, the balance of the governor. The governor will usually have a different geometry and body dynamics than the user. If the body dynamics of the governor but transferred by the use of a motion simulator to the user, this notes z. B. by a uniformly accelerated movement of the head forward, that the governor begins to fall over. He must compensate for this with appropriate measures, such as shifting the governor's weight, using his own legs, which control the legs of the governor until the acceleration stops. The user feels the ground on the governor's side with his feet without standing on one side, mediated by the bilateral teleoperative connection and the feet of the user exoskeleton. The user can never fall over himself in the exoskeleton in the movement simulator, as long as his governor does not fall over.

Um die Anpassung zu erleichtern, können auch dynamische und statische Kräfte des Statthalters an den Nutzer weiter gereicht werden. Allgemein kann, um den Eindruck des Nutzers zu optimieren, eine beliebige lineare oder nicht-lineare Transformation zwischen den Parameterräumen des Statthalters und des Nutzers erfolgen. Dies kann genutzt werden, um die Gewöhnung zu beschleunigen oder die Anpassung zu verbessern.In order to facilitate the adaptation dynamic and static forces of the Governor to the user passed. In general, to optimize the user's impression, any linear or non-linear transformation between the parameter spaces of the governor and the user can be made. This can be used to speed up habituation or improve customization.

Die Regelung des Exoskeletts und des Bewegungssimulators kann durch die Anwendung bewährter Konzepte und Techniken der Kinematik von Maschinen und Robotern sowie der Teleoperation bewirkt werden. Die Simulation von virtuellen Welten nach physikalischem Vorbild hat weite Verbreitung in Computerspielen, der wissenschaftlichen Simulation und dem Film gefunden. Die gleiche Hardware und Software kann zur effizienten Simulation der nötigen Steuersignale und auch zur Bildberechnung verwendet werden.The regulation of the exoskeleton and the motion simulator can be effected by applying proven concepts and techniques of machine and robot kinematics as well as teleoperation. The simulation of virtual worlds based on physical models has found widespread use in computer games, scientific simulation and film. The same hardware and software can be used for efficient simulation of the necessary control signals and also for image calculation.

Der Statthalter kann auch als virtuelles Wesen gestaltet sein, wie als virtueller Roboter oder als virtuelles Lebewesen in einem Videospiel oder dergleichen. Dann kann die Erfindung dem Nutzer dazu dienen, bestimmte Bewegungsabläufe in Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungen zu üben, die ebenfalls virtuell dargestellt werden können.The governor may also be designed as a virtual being, such as a virtual robot or as a virtual creature in a video game or the like. Then, the invention can serve the user to practice certain movements depending on different environments, which can also be displayed virtually.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung erlaubt es, dass der Nutzer vorgegebene Beeinflussungen erfährt. Dabei kann es sich um Bewegungsabläufe oder um sonstige haptische Eindrücke handeln. Somit kann der Nutzer quasi einen haptischen Film erleben, der mithilfe von geeigneten Ausgabemitteln für optische, akustische und sonstige Signale entsprechend ergänzt werden kann.Another embodiment of the invention allows the user to experience predetermined influences. These can be movement sequences or other haptic impressions. Thus, the user can experience a kind of haptic film, which can be supplemented accordingly by means of suitable output means for optical, acoustic and other signals.

Bei der Interaktion zwischen dem Nutzer und dem Roboter kann es zu Zeitverzögerungen kommen, die insbesondere durch die Reaktionszeiten von Sensoren und Aktuatoren, Rechengeschwindigkeit von Steuereinheiten sowie Laufzeiten der verschiedenen Signale verursacht werden kann. Diese Zeitverzögerungen können weitestgehend kompensiert werden, wenn zeitliche Ableitungen der von den Sensoren gemessenen Größen ausgewertet werden. Da eine derartige Abschätzung jedoch insbesondere dann zu Problemen führen kann, wenn der Roboter in Kontakt mit einem Gegenstand seiner Umgebung tritt, sind bei einer Weiterbildung der Erfindung Sensoren, wie beispielsweise Ultraschallwandler vorgesehen, die nach Art einer Parkhilfe die Entfernung zu dem Gegenstand schnell erkennen lassen. Durch die Verwendung dieser Daten zur Kontaktvorhersage kann der Eindruck eines Kontaktes und ein realitätsnahes Feedback rechtzeitig beim Nutzer erzeugt werden.In the interaction between the user and the robot can lead to time delays, which can be caused in particular by the response times of sensors and actuators, computing speed of control units and transit times of the various signals. These time delays can be largely compensated if time derivatives of the quantities measured by the sensors are evaluated. However, since such an estimation can lead to problems in particular when the robot comes into contact with an object of its environment, in a further development of the invention sensors, such as ultrasound transducers, for example, are provided, which quickly detect the distance to the object in the manner of a parking aid , By using this data for contact prediction, the impression of a contact and a realistic feedback can be generated in time for the user.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass dem Nutzer eine Bewegung in teilweiser oder vollständiger Schwerelosigkeit simuliert wird. Dazu ist die Nutzung der Master-Einheit in einer Flüssigkeit, unter Verwendung geeigneter Atemmittel und ggf. einem (auch flüssigkeitsbefüllten) Anzug, vorgesehen, so dass das Gewicht des Nutzers schon durch den Auftrieb der Flüssigkeit zumindest teilweise aufgehoben wird. Diese Situation ist der Schwerelosigkeit im Weltraum sehr ähnlich, unterscheidet sich jedoch bezüglich der hohen Dämpfung jeder Bewegung durch die Flüssigkeit. Um diese Dämpfung zumindest teilweise zu kompensieren, werden die Aktuatoren, die seinen Körper bzw. einzelne seiner Körperteile bewegen, entsprechend angesteuert um Bewegungen zu unterstützen.A further embodiment of the invention provides that the user is simulated a movement in partial or complete weightlessness. For this purpose, the use of the master unit in a liquid, using suitable breathing means and possibly a (liquid-filled) suit, provided so that the weight of the user is already canceled by the buoyancy of the liquid at least partially. This situation is very similar to weightlessness in space, but differs in the high damping of any movement through the fluid. To compensate for this attenuation at least partially, the actuators that move his body or individual parts of his body, driven accordingly to support movements.

Dadurch kann zum Beispiel eine Unter-Wasser-Bewegung mit skalierter Dämpfung oder eine Bewegung im Weltraum ohne Dämpfung oder dergleichen simuliert werden. Die Transparenz der Teleoperation mit realen oder virtuellen Maschinen, realen oder virtuellen Robotern oder virtuellen Lebewesen in Situationen im Weltraum oder unter Wasser oder dergleichen kann so verbessert werden.Thereby, for example, sub-water motion with scaled damping or motion in space without damping or the like can be simulated. The transparency of the teleoperation with real or virtual machines, real or virtual robots or virtual beings in situations in space or under water or the like can thus be improved.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Nutzer im Master (Nutzer-Seite) einen anderen Nutzer im Slave (Statthalter-Seite) beeinflusst. Beide Nutzer sind dabei bevorzugterweise Menschen. Bevorzugt ist hier der Master als Exoskelett mit Rototranslator und der Slave als frei bewegliches Exoskelett ausgelegt. Die Master und Slave sind durch eine bilaterale haptische Verbindung aller oder einiger Körperteile und andere Signale, wie akustisch oder dergleichen, miteinander verbunden. Der Grad der Beeinflussung des Masters durch den Slave und umgekehrt wird durch die Steuereinheit, unter Vorgaben der Master und/oder Slave Seite gesteuert. Hierdurch wird es möglich einen Nutzer eines frei beweglichen Exoskeletts auf der Slave-Seite aus der Ferne zu begleiten und zu unterstützen oder auch die Kontrolle über dessen Exoskelett ganz oder teilweise zu übernehmen. Diese Ausgestaltung ist besonders für zu Trainingszwecken bei sportlichen Übungen oder sonstigen Aufgaben mit hohem körperlichem Anteil interessant.A further embodiment of the invention provides that the user in the master (user side) influences another user in the slave (governor side). Both users are preferably humans. Preferably, the master is designed here as an exoskeleton with rototranslator and the slave as a freely movable exoskeleton. The master and slave are interconnected by a bilateral haptic connection of all or some body parts and other signals, such as acoustic or the like. The degree of influence of the master by the slave and vice versa is controlled by the control unit, under default of the master and / or slave side. This makes it possible to accompany a user of a freely movable exoskeleton on the slave side from a distance and to support or to take over the control of the exoskeleton in whole or in part. This embodiment is especially for Training purposes in sports exercises or other tasks with high physical interest.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Nutzer in jeweils eigenen Nutzereinheiten über eine gemeinsame Steuereinheit mit demselben Statthalter interagieren. Beide Nutzer erfahren so den Zustand des Statthalters und können ihn im Allgemeinen kooperativ, aber zu einem unterschiedlichen Grad beeinflussen. Die Nutzer können im Allgemeinen unterschiedliche Funktionen und Körperteile des Statthalters beeinflussen. Die Nutzer können sich so Aufgaben der Regelung des Statthalters teilen, gemeinsam bewältigen oder aber auch nur beobachtend und beratend teilhaben. Diese Ausgestaltung ist besonders zu Trainingszwecken bei sportlichen Übungen oder sonstigen Aufgaben mit hohem körperlichem Anteil interessant.A further embodiment of the invention provides that several users interact in their own user units via a common control unit with the same governor. Both users thus experience the state of the governor and can generally influence him cooperatively but to a different degree. Users can generally influence different functions and body parts of the governor. The users can thus share tasks of governing the governor, coping with them, or even participating in an observational and advisory role. This embodiment is particularly interesting for training purposes in sports exercises or other tasks with a high physical share.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigenFurther features and advantages of the invention are explained below with reference to preferred embodiments. Show

1 Ein System zur Steuerung eines Roboters mit Hilfe eines Exoskeletts 1 A system for controlling a robot with the aid of an exoskeleton

2 Eine Seitenansicht eines Nutzers im Exoskelett 2 A side view of a user in the exoskeleton

3 Einen Rototranslator 3 A rototranslator

4 Den Nutzer mit Exoskelett im Rototranslator. 4 The user with exoskeleton in the rototranslator.

1 zeigt symbolisch ein System, das es einem Nutzer 10 ermöglicht, einen Roboter 110 zu steuern. Der Nutzer 10 ist bevorzugterweise ein Mensch mit einem entsprechenden Körper, der einen Rumpf 12 sowie Arme 14, Beine 16, Füße 17 und einen Kopf 18 umfasst. An dem Körper des Nutzers 10 ist ein Nutzer-Exoskelett 20 angebracht, das schraffiert gezeichnet ist. Dieses befindet sich insbesondere an den Armen 14, am Rumpf 12, am Rücken 13 (siehe 2), an den Beinen 16 und an den Füßen 17, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel keinen Boden berühren sondern ausschließlich am Nutzer-Exoskelett 20 Halt finden. Dieses ist dabei derart gestaltet, dass es die genannten Körperteile teilweise oder vollständig derart umschließt, dass es Bewegungen des Körpers erfassen und auch beeinflussen kann. Um den Kopf 18 herum befindet sich ein Helm 22, der in der bevorzugten Ausführung Teil des Exoskeletts 20 ist und in dem eine optische Anzeigeeinheit 24 und eine akustische Wiedergabeeinheit 26 enthalten sind. Die optische Anzeigeeinheit 24 erzeugt für das rechte und das linke Auge unterschiedliche Anzeigen, wie mittels LCD Anzeigen, Projektionseinrichtungen oder dergleichen, und kann somit einen Stereoeffekt ermöglichen. Die akustische Wiedergabeeinheit 26 umfasst bevorzugterweise zwei Kopfhörer bzw. Lautsprecher, die für den Nutzer 10 einen Raumklang ermöglichen können. Weiterhin ist ein Mikrofon 28 vorgesehen, über das der Nutzer 10 akustische Signale, wie insbesondere Sprache, eingeben kann. 1 symbolically shows a system that it is a user 10 allows a robot 110 to control. The user 10 Preferably, a human with a corresponding body is a torso 12 as well as arms 14 , Legs 16 , Feet 17 and a head 18 includes. On the body of the user 10 is a user exoskeleton 20 attached, which is hatched drawn. This is especially on the arms 14 , on the hull 12 , on the back 13 (please refer 2 ), on the legs 16 and on the feet 17 which in the preferred embodiment do not touch ground, but exclusively on the user exoskeleton 20 Stop. This is designed such that it partially or completely encloses the body parts mentioned in such a way that it can detect and also influence movements of the body. To the head 18 There is a helmet around 22 which in the preferred embodiment is part of the exoskeleton 20 is and in which a visual display unit 24 and an acoustic reproduction unit 26 are included. The optical display unit 24 For example, for the right and left eyes, it produces different displays, such as LCD displays, projection devices, or the like, and thus can provide a stereo effect. The acoustic playback unit 26 preferably includes two headphones or speakers that are for the user 10 to enable a surround sound. There is also a microphone 28 provided by the user 10 acoustic signals, in particular speech, can enter.

Der Roboter 110 ist hier als Humanoidroboter ausgebildet, der im Wesentlichen aus einem Roboter-Exoskelett mit entsprechenden Körperteilen, wie Roboter-Rumpf 112, Roboter-Armen 114, Roboter-Beinen 116, Roboter-Füßen 117 und Roboter-Kopf 118 besteht. Das Roboter-Exoskelett ist bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weitgehend mechanisch baugleich mit dem Nutzer-Exoskelett 20. Das Roboter-Exoskelett ist verbunden mit einem Nutzraum, der in verschiedene Kammern untergliedert ist, die grob bezeichnet werden können als Rumpf-Nutzraum 130, Arme-Nutzraum 132, Beine-Nutzraum 134 und Kopf-Nutzraum 136. In diesen Nutzräumen können Betriebsstoffe, Aggregate, Werkzeuge sowie Mittel zur Steuerung, zur Energieversorgung und dergleichen untergebracht werden.The robot 110 is here designed as a humanoid robot, consisting essentially of a robot exoskeleton with corresponding body parts, such as the robot body 112 , Robot arms 114 , Robot legs 116 , Robot feet 117 and robot head 118 consists. The robot exoskeleton is largely mechanically identical to the user exoskeleton in this preferred embodiment 20 , The robot exoskeleton is connected to a work space which is subdivided into different chambers, which can be roughly designated as the trunk work space 130 , Arms usable space 132 , Legs-work space 134 and head-work space 136 , In these utility rooms supplies, units, tools and means for control, energy supply and the like can be accommodated.

Der Roboterkopf 118 enthält ein Kamerasystem 122, das bevorzugterweise aus zwei Einzelkameras besteht, die an den Stellen angebracht sind, wo sich üblicherweise die Augen befinden. Damit ist es möglich, Stereobilder aufzunehmen. Im Mundbereich befindet sich ein Lautsprecher 124, der akustische Signale in das Umfeld des Roboters 110 abgeben kann. Im Ohrenbereich befindet sich ein Mikrofonsystem 126, das Geräusche aus der Umgebung aufnehmen kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Mikrofonsystem als Kunstkopf-Stereomikrofon ausgebildet ist. Im Nasenbereich befinden sich Geruchssensoren 128, die olfaktorische Signale aus der Umgebung aufnehmen können. Dafür arbeiten diese Sensoren 128 chemisch, optisch und/oder dergleichen.The robot head 118 contains a camera system 122 , which preferably consists of two individual cameras, which are attached to the places where the eyes are usually located. This makes it possible to record stereo images. In the mouth area is a speaker 124 , the acoustic signals in the environment of the robot 110 can deliver. In the ear area is a microphone system 126 that can pick up sounds from the environment. It is particularly advantageous if the microphone system is designed as a dummy head stereomicrophone. The nose area contains odor sensors 128 that can absorb olfactory signals from the environment. These sensors work for this 128 chemically, optically and / or the like.

Der Nutzer 10 und der Roboter 110 sind über eine elektronische Steuerung miteinander verbunden, die in 1, 2 nur symbolisch angedeutet ist und insbesondere ein elektronisches Steuergerät 30 enthält. Dieses empfängt unter anderem über eine erste Sensorleitung 32 Signale von Sensoren, die auf Seiten des Nutzers 10 vorhanden sind und in 1 gemeinsam durch die Referenz NS angedeutet sind. Zu diesen Nutzersensoren NS gehören insbesondere das Mikrofon 28 sowie nicht dargestellte Nutzer-Körpersensoren, die Bewegungen, Raumlage, Kräfte und/oder Drehmomente des Nutzers 10 bzw. seiner Körperteile aufnehmen können. Zu diesen Körperteilen gehören neben Rumpf 12, Rücken 13, Armen 14, Beinen 16, Füßen 17 und Kopf 18 auch sonstige Körperteile, wie insbesondere die Hände, die Finger und dergleichen. Diese Nutzer-Körpersensoren können zumindest teilweise in dem Exoskelett 20 enthalten sein. Denkbar ist auch, dass sie zwischen dem Körper und dem Exoskelett 20 oder an anderen Stellen angeordnet sind. Diese Sensoren können auf verschiedenste Weise gestaltet sein, wie als Drucksensoren, Dehnungsmessstreifen, Stromsensoren in Elektromoren oder dergleichen.The user 10 and the robot 110 are interconnected via an electronic control, which in 1 . 2 only symbolically indicated and in particular an electronic control unit 30 contains. This receives, inter alia, via a first sensor line 32 Signals from sensors on the part of the user 10 are present and in 1 are indicated together by the reference NS. These user sensors NS include in particular the microphone 28 and not shown user body sensors, the movements, spatial position, forces and / or torques of the user 10 or his body parts. These body parts are next to the trunk 12 , Move 13 , Poor 14 , Legs 16 , Feet 17 and head 18 Other parts of the body, in particular the hands, fingers and the like. These user body sensors may be at least partially in the exoskeleton 20 be included. It is also conceivable that they are between the body and the exoskeleton 20 or elsewhere. These sensors can be designed in many different ways, such as pressure sensors, strain gauges, current sensors in electric motors or the like.

Das Steuergerät 30 empfängt außerdem über eine zweite Sensorleitung 33 Signale von Sensoren, die auf Seiten des Roboters 110 vorhanden sind. Diese sind in 1 mit RS angedeutet und umfassen insbesondere das Kamerasystem 122, das Mikrofonsystem 126, die Geruchssensoren 128 sowie nicht dargestellte Roboter-Körpersensoren, die Bewegungen des Roboters 110 aufnehmen und ähnlich angeordnet und gestaltet sein können, wie die oben beschriebenen Nutzer-Körpersensoren.The control unit 30 also receives via a second sensor line 33 Signals from sensors on the side of the robot 110 available. These are in 1 indicated by RS and include in particular the camera system 122 , the microphone system 126 , the smell sensors 128 as well as not shown robot body sensors, the movements of the robot 110 and similarly arranged and configured as the above-described user body sensors.

Das elektronische Steuergerät 30 gibt verschiedene Signale aus. Dazu gehören zunächst alle Signale, die auf Seiten des Nutzers 10 Nutzer-Ausgabeeinheiten ND über eine erste Wiedergabeleitung 34 ansteuern, wie die optische Anzeigeeinheit 24 oder die akustische Wiedergabeeinheit 26. Außerdem werden auf Seiten des Nutzers 10 über eine Steuerleitung 36 erste Signale abgegeben, die hier nicht dargestellte Nutzer-Aktuatoren NA ansteuern können. Diese können zumindest teilweise Teil des Exoskeletts 20 sein und können derart gestaltet sein, dass sie Druck und Verformungen an verschiedenen Körperteilen des Nutzers ausüben können. Sie können auch derart angeordnet und gestaltet sein, dass Bewegungen von Nutzer-Körperteilen veranlasst oder gehemmt werden können. Dafür sind zum Beispiel Stellmotoren, hydraulische oder pneumatische Elemente oder dergleichen denkbar. Die Verwendung von hydraulischen und pneumatischen Elementen bietet die Möglichkeit, die verwendeten Flüssigkeiten bzw. Gase zu temperieren und dadurch dem Nutzer, ggf. auch über andere Mittel, zusätzlich eine Temperatur-Rückmeldung zu geben. Da bei der bevorzugten Ausführung auch der Helm 22 Teil des Exoskeletts 20 ist, kann auch die Haltung des Kopfes 18 erfasst und auch beeinflusst werden. The electronic control unit 30 outputs different signals. This includes, first of all, all the signals that are on the user's side 10 User output units ND via a first reproduction line 34 as the optical display unit 24 or the acoustic reproduction unit 26 , In addition, on the part of the user 10 via a control line 36 delivered first signals that can control the user actuators NA, not shown here. These can be at least partially part of the exoskeleton 20 and may be designed so that they can exert pressure and deformation on different parts of the user's body. They may also be arranged and designed so that movements of user body parts can be initiated or inhibited. For example servomotors, hydraulic or pneumatic elements or the like are conceivable. The use of hydraulic and pneumatic elements offers the possibility to temper the liquids or gases used and thereby give the user, if necessary also by other means, in addition a temperature feedback. As in the preferred embodiment, the helmet 22 Part of the exoskeleton 20 is, can also be the attitude of the head 18 recorded and also influenced.

Auch auf Seiten des Roboters 110 gibt das elektronische Steuergerät 30 verschiedene Signale aus. Dazu gehören die über eine zweite Wiedergabeleitung 35 abgegebenen Signale für die Roboter-Ausgabeeinheiten RD, wozu insbesondere das Lautsprechersystem 124 gehört. Auch weitere optische und/oder akustische Ausgabeeinheiten sind denkbar. Außerdem werden über eine zweite Steuerleitung 37 Steuersignale für Roboter-Aktuatoren RA abgegeben. Dazu gehören insbesondere Stellelemente innerhalb des Roboters 110, die Bewegungen von Roboter-Körperteilen veranlassen oder hemmen können.Also on the part of the robot 110 gives the electronic control unit 30 different signals. These include those via a second playback line 35 output signals for the robot output units RD, including in particular the speaker system 124 belongs. Further optical and / or acoustic output units are conceivable. In addition, via a second control line 37 Control signals for robot actuators RA issued. This includes in particular control elements within the robot 110 which can cause or inhibit movements of robot body parts.

2 zeigt symbolisch eine Seitenansicht des Nutzers 10 sowie weitere Elemente des Systems. Dabei ist gut zu erkennen, dass bei der bevorzugten Ausführung die Nutzer-Körperteile insbesondere hinten und an den Außenseiten von dem Exoskelett 20 umgeben sind. 2 symbolically shows a side view of the user 10 as well as other elements of the system. It can be clearly seen that in the preferred embodiment, the user body parts in particular at the back and on the outer sides of the exoskeleton 20 are surrounded.

Das elektronische Steuergerät 30 empfängt verschiedene Sensor-Signale von dem Exoskelett 20 und gibt auch verschiedene Stellsignale an zugehörige Aktuatoren ab, so dass der Nutzer-Körper entsprechend beeinflusst werden kann. An Stellen, an denen der Körper besonders sensibel reagiert, wie an Händen 10a, am Ellenbogen 10b oder an den Kniegelenken 10c, sind die Sensoren und Aktuatoren des Exoskeletts 20 entsprechend ausgelegt.The electronic control unit 30 receives various sensor signals from the exoskeleton 20 and also outputs various control signals to associated actuators, so that the user body can be influenced accordingly. In places where the body reacts particularly sensitively, as on hands 10a , at the elbow 10b or at the knee joints 10c , are the sensors and actuators of the exoskeleton 20 designed accordingly.

Außerdem sind an das Steuergerät 30 eine Nutzer-Kamera 38 und ein Nutzer-Bewegungssensor 39 angeschlossen. Diese nehmen optische und/oder akustische Signale aus der Umgebung des Nutzers 10 auf. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Kamera 38 derart angeordnet und ausgebildet, dass sie die Mimik des Nutzers erfassen kann.In addition, to the control unit 30 a user camera 38 and a user motion sensor 39 connected. These take optical and / or acoustic signals from the environment of the user 10 on. In the preferred embodiment, the camera is 38 arranged and designed so that it can capture the facial expressions of the user.

Das Ausführungsbeispiel dient dazu, dass ein wesentlicher Teil des Körpers von Nutzer 10 zur Steuerung des Roboters 110 verwendet werden kann, indem direkt oder indirekt am Nutzer-Körper Sensoren angeordnet sind, die möglichst viele Bewegungen oder sonstige Reaktionen erfassen können. Ergänzt wird das durch weitere Sensoren, wie Kamera 38 und Bewegungssensor 39, die im Bereich des Nutzers 10 angeordnet sind und ebenfalls dessen Bewegungen erfassen. Zusätzlich können weitere Signale aus dem Bereich des Nutzers 10 erfasst werden, wie beispielsweise mittels des Mikrofons 28, die in entsprechender Weise auf Seiten des Roboters 110 wiedergegeben werden können.The embodiment serves to be an essential part of the body of users 10 for controlling the robot 110 can be used by directly or indirectly on the user body sensors are arranged, which can detect as many movements or other reactions. This is supplemented by additional sensors, such as camera 38 and motion sensor 39 in the area of the user 10 are arranged and also detect its movements. In addition, other signals from the user's area 10 be detected, such as by means of the microphone 28 , in a similar way on the part of the robot 110 can be played back.

Das Ausführungsbeispiel dient jedoch nicht nur zur Steuerung des Roboters 110 durch den Nutzer 10, sondern umgekehrt sollen auch Signale auf Seiten des Roboters 110 dem Nutzer in geeigneter Weise zugeführt werden. Dazu gehören insbesondere die Einwirkungen auf den Nutzer-Körper durch Aktuatoren, die Teil des Exoskeletts 20 sein können. Ergänzt wird das durch akustische, optische, olfaktorische und/oder gustatorische Signale, die durch passende Sensoren im Bereich des Roboters 110 detektiert und über entsprechende Ausgabemittel dem Nutzer 10 zugeführt werden.However, the embodiment is not only for controlling the robot 110 by the user 10 but on the other hand should also be signals on the part of the robot 110 be supplied to the user in an appropriate manner. These include, in particular, the effects on the user's body by actuators, which are part of the exoskeleton 20 could be. This is complemented by acoustic, optical, olfactory and / or gustatory signals generated by suitable sensors in the area of the robot 110 detected and via appropriate output means the user 10 be supplied.

Die in 1 und 2 beschriebenen Mittel können jedoch dem Nutzer 10 keinen optimalen Eindruck über Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Roboters 110 vermitteln. Dafür ist zusätzlich ein Bewegungssimulator notwendig.In the 1 and 2 However, the means described can be used by the user 10 no optimal impression about position, speed and acceleration of the robot 110 convey. In addition, a motion simulator is necessary.

3 zeigt ein bevorzugtes Beispiel für einen geeigneten Bewegungssimulator. Dabei handelt es sich um einen Rototranslator 40, der einen ersten Teil 40a und einen zweiten Teil 40b enthält. Der erste Teil 40a ist eine Translationseinheit, die drei Freiheitsgrade ermöglicht und zwar aufgrund ihres kartesischen Aufbaus entlang der Achsen, x, y und z. Der zweite Teil 40b ist eine Rotationseinheit, die ebenfalls drei Freiheitsgrade ermöglicht und hier als kardanische Aufhängung gestaltet ist. Die bevorzugte Ausführung weist zur Vermeidung des so genannten gimbal-lock Effektes 4 Achsen 42, 44, 46 und 48 auf, an denen drehbare Elemente 43, 45, 47 und 49 befestigt sind. In der bevorzugten Ausführung haben die Elemente 43, 45, 47 eine ring-ähnliche Form und das vierte Element 49 ist nahezu halb-ringförmig. An dessen Unterseite befindet sich ein Befestigungspunkt 50, an dem der Nutzer 10 angeordnet werden kann. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das Exoskelett 20 oder eine Nutzerkapsel an dem Punkt 50 befestigt wird, oder auf ähnliche Weise. 3 shows a preferred example of a suitable motion simulator. It is a rototranslator 40 , the first part 40a and a second part 40b contains. The first part 40a is a translation unit that allows three degrees of freedom due to their Cartesian structure along the axes, x, y, and z. The second part 40b is a rotation unit, which also allows three degrees of freedom and is designed here as a gimbal. The preferred embodiment has to avoid the so-called gimbal-lock effect 4 axes 42 . 44 . 46 and 48 on which rotatable elements 43 . 45 . 47 and 49 are attached. In the preferred embodiment, the elements have 43 . 45 . 47 a ring-like shape and the fourth element 49 is almost semi-circular. At the bottom there is an attachment point 50 on which the user 10 can be arranged. This can happen, for example, that the exoskeleton 20 or a user capsule at the point 50 is attached, or in a similar way.

4 zeigt eine bevorzugte Ausführung einer solchen Befestigung. Dabei ist das Exoskelett 20, mit dem der Nutzer 10 fest verbunden ist, an dessen Rückenseite über ein Befestigungselement 52 und einen Befestigungsarm 54 an dem Punkt 50 befestigt. Das Befestigungselement 52 beinhaltet bevorzugterweise eine Hochfrequenz-Rotations-Translationseinheit, die bei entsprechender Ansteuerung durch das Steuergerät 30 geeignet ist, den Nutzer 10 schnell zu bewegen, wodurch beispielsweise ein Schütteln wie bei einer Autofahrt auf holpriger Strecke simuliert werden kann. 4 shows a preferred embodiment of such attachment. This is the exoskeleton 20 with which the user 10 is firmly connected to the back side via a fastener 52 and a fastening arm 54 at the point 50 attached. The fastener 52 preferably includes a high-frequency rotation translating unit, which, when appropriately controlled by the control unit 30 suitable to the user 10 To move quickly, which can be simulated, for example, a shaking as a car ride on bumpy track.

Der Rototranslator 40 wird ebenfalls durch das Steuergerät 30 angesteuert. Dafür ist eine Vielzahl von hier nicht dargestellten Aktuatoren vorhanden, die Bewegungen in alle möglichen Freiheitsgrade sowohl bei der Translationseinheit 40a als auch bei der Rotationseinheit 40b ermöglichen.The rototranslator 40 is also controlled by the controller 30 driven. For a variety of actuators, not shown here, the movements in all possible degrees of freedom both in the translation unit 40a as well as the rotation unit 40b enable.

Durch eine eins-zu-eins Übertragung der Posen des Roboters 110 auf den Nutzer 10 wird es ermöglicht, dass alle Körperbeschleunigungen des Roboters 110 für den Nutzer 10 erfahrbar werden. Dazu gehören auch lang anhaltende Körperbeschleunigungen, wie beim Laufen einer Kurve. Die eins-zu-eins Übertragung der Pose, besonders der translatorischen Beschleunigungen auf den Körperschwerpunkt des Roboters 110, findet ihre Grenze im verfügbaren Arbeitsraum des Rototranslators 40. Sollte beispielsweise der translatorische Arbeitsraum des Roboters 110 den translatorischen Arbeitsraum der Translationseinheit 40a übersteigen, kann die Pose nicht mehr eins-zu-eins übertragen werden. Dann werden die Aktuatoren des Rototranslators 40 durch das Steuergerät 30 derart angesteuert, dass ein Motion-Cueing Prozess realisiert wird. Dieser ermöglicht es, die Pose des Roboters 110 auf den Nutzer 10 derart zu übertragen, dass der Arbeitsraum des Rototranslators 40 nicht verlassen, aber dennoch ein realistischer Gesamteindruck für den Nutzer 10 erzeugt wird.Through a one-to-one transfer of poses of the robot 110 on the user 10 It will allow all the body accelerations of the robot 110 for the user 10 be experienced. This also includes long-lasting body acceleration, as when running a curve. The one-to-one transfer of the pose, especially the translational accelerations to the body center of gravity of the robot 110 , finds its limit in the available working space of the rototranslator 40 , For example, if the translatory workspace of the robot 110 the translational workspace of the translation unit 40a The pose can no longer be transmitted one-to-one. Then the actuators of the rototranslator 40 through the control unit 30 controlled such that a motion-cueing process is realized. This allows the pose of the robot 110 on the user 10 such that the working space of the rototranslator 40 not leave, but still a realistic overall impression for the user 10 is produced.

Eine zweite Anzeigeeinheit 56 ist im Sichtfeld des Nutzers 10 angeordnet, die zusätzlich oder stattdessen zu der ersten Anzeigeeinheit 24 verwendet werden kann. Die Anzeigeeinheit 56 kann insbesondere in solchen Fällen die erste Anzeigeeinheit 24 ersetzen, in denen mittels der Kamera 38 (2) die Mimik des Nutzers 10 möglichst vollständig erfasst werden soll. Die Anzeigeeinheit 56 kann gekrümmt, sphärisch oder flach sein und derart gestaltet sein, dass eine Wiedergabe von 2- und/oder 3-dimensionalen Bildern möglich ist. Im Bereich des Nutzers 10 können außerdem hier nicht dargestellte Lautsprecher für Raumklang vorgesehen sein.A second display unit 56 is in the user's field of vision 10 arranged in addition or instead to the first display unit 24 can be used. The display unit 56 In particular, in such cases, the first display unit 24 replace in which by means of the camera 38 ( 2 ) the facial expressions of the user 10 as completely as possible. The display unit 56 may be curved, spherical or flat and designed to allow 2 and / or 3-dimensional images to be reproduced. In the area of the user 10 can also be provided for surround sound speakers not shown here.

Durch die Befestigung des Nutzers 10 an dem Befestigungspunkt 50 können mittels des Rototranslators 40 verschiedene Bewegungen simuliert werden, die der Roboter 110 durchführt bzw. die ihm von seiner Umgebung zugefügt werden.By the attachment of the user 10 at the attachment point 50 can by means of the rototranslator 40 Various movements are simulated by the robot 110 or inflicted on him by his environment.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel befinden sich der Nutzer 10 und der Roboter 110 in örtlicher Distanz voneinander, wie in verschiedenen Räumen, verschiedenen Gebäuden oder dergleichen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest einzelne der Leitungen 32–37 drahtlos gestaltet sind. Dafür sind unterschiedliche Technologien geeignet, wie eine Übermittlung über elektromagnetische Wellen, optische, akustische Signale oder dergleichen. Außerdem können die Leitungen 32–37, die in den Figuren als einfache Leitungen dargestellt sind, in vielfacher Weise ausgeführt sein. Wichtig ist, dass Signale von Sensoren sowie Signale an Aktuatoren und Anzeigeeinheiten in geeigneter Weise über passende Kanäle übertragen werden. Es ist ebenfalls möglich, dass das in den Figuren als zentrale Einheit dargestellte Steuergerät 30 dezentral ausgeführt ist, so dass beispielsweise Teile der Steuerung direkt am Master, am Slave, an einzelnen Gelenken und/oder irgendwo sonst stattfinden können. Dafür können Leitungen innerhalb des Steuerungssystems drahtlos und/oder drahtgebunden sein.In the preferred embodiment, the user is located 10 and the robot 110 at a local distance from each other, such as in different rooms, different buildings or the like. It is particularly advantageous if at least some of the lines 32 - 37 are designed wirelessly. For this, different technologies are suitable, such as transmission via electromagnetic waves, optical, acoustic signals or the like. In addition, the lines can 32 - 37 , which are shown in the figures as simple lines, be executed in many ways. It is important that signals from sensors and signals to actuators and display units are transmitted in a suitable manner via suitable channels. It is also possible that the control unit shown in the figures as a central unit 30 is executed decentralized, so that, for example, parts of the control can take place directly on the master, on the slave, on individual joints and / or anywhere else. For this purpose, lines within the control system can be wireless and / or wired.

Zur möglichst genauen Steuerung des Roboters 110 ist eine Vielzahl von Körpersensoren am Nutzer 10 sowie in seiner Umgebung vorgesehen. Diese Sensoren können auf verschiedene Weise gestaltet sein. So sind Messungen von Winkeln und/oder Drehmomenten zwischen einzelnen Körperteilen, deren Positionen sowie Messungen von optischen, akustischen und/oder bio-elektrischen (Elektromyographie) Signalen denkbar. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn nicht nur Istwerte der Messungen ermittelt werden, sondern auch erste und zweite Ableitungen davon, um so eine Entwicklung entsprechender Werte für die nahe Zukunft abschätzen zu können. Die Körpersensoren können an verschiedenen Stellen angeordnet sein, wie direkt am Nutzer 10, innerhalb des Exoskeletts 20 und/oder dazwischen.For the most accurate control of the robot 110 is a variety of body sensors on the user 10 and in its surroundings. These sensors can be designed in various ways. Thus, measurements of angles and / or torques between individual body parts, their positions and measurements of optical, acoustic and / or bio-electrical (electromyography) signals are conceivable. It is particularly advantageous if not only actual values of the measurements are determined, but also first and second derivatives thereof, so as to be able to estimate a development of corresponding values for the near future. The body sensors may be located at various locations, such as directly at the user 10 , inside the exoskeleton 20 and / or in between.

Um den Körper des Nutzers 10 umfangreich beeinflussen zu können, ist dort eine Vielzahl von Aktuatoren vorgesehen. Diese können auf Stellgrößen einwirken wie Winkel, Positionen, Kräfte oder Drehmomente sowie deren zeitliche Ableitungen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Ansteuerung zumindest von einzelnen der Aktuatoren mittels eines Regelungsprozesses erfolgt. Dafür werden entsprechende Sensorsignale der Leitung 32 als Istwert im Steuergerät 30 ausgewertet, woraufhin die Ansteuerung der zugehörigen Aktuatoren einem vorgegebenen Sollwert angepasst wird.To the body of the user 10 To be able to influence extensively, a large number of actuators is provided there. These can affect manipulated variables such as angles, positions, forces or torques and their time derivatives. It is particularly advantageous if the control of at least one of the actuators by means of a control process takes place. For this purpose, corresponding sensor signals of the line 32 as actual value in the control unit 30 evaluated, whereupon the control of the associated actuators is adapted to a predetermined setpoint.

Auch die Ansteuerung des Rototranslators 40 kann anhand eines Regelungsverfahrens erfolgen, indem Istsignale entsprechender Sensoren in dem Steuergerät 30 empfangen und passend ausgewertet werden, wobei eine gewünschte Raumlage und Position eingestellt werden kann. Auch hierbei ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich zeitliche Ableitungen solcher Werte bestimmt werden. Also the control of the Rototranslators 40 can be done by a control method by actual signals corresponding sensors in the control unit 30 received and evaluated appropriately, with a desired spatial position and position can be adjusted. Here, too, it is advantageous if additional time derivatives of such values are determined.

Auch an dem Körper des Roboters 110 und in dessen Umgebung ist eine Vielzahl von Sensoren angeordnet. Dies kann in ähnlicher Weise erfolgen wie bei dem Nutzer 10. Diese Sensoren beschreiben auch die aktuelle Raumlage und Position sowie gegebenenfalls deren zeitliche Ableitungen.Also on the body of the robot 110 and in the vicinity of which a plurality of sensors are arranged. This can be done in a similar way to the user 10 , These sensors also describe the current spatial position and position and, if applicable, their time derivatives.

Das Steuergerät 30 steuert die Aktuatoren und Anzeigeeinheiten aufgrund der empfangenen Sensorsignale derart, dass eine bilaterale haptische Teleoperabilität ermöglicht wird. Außerdem können die Aktuatoren auf der Nutzerseite und des Roboters derart angesteuert werden, dass zusätzlich auch eine Schwerkraftkompensation und/oder Kompensation von dynamischen Kräften stattfindet.The control unit 30 controls the actuators and display units based on the received sensor signals such that a bilateral haptic teleoperability is made possible. In addition, the actuators on the user side and the robot can be controlled in such a way that additionally takes place a gravity compensation and / or compensation of dynamic forces.

Bei der Interaktion zwischen dem Nutzer 10 und dem Roboter 110 kann es zu Zeitverzögerungen kommen, die insbesondere durch die Reaktionszeiten von Sensoren und Aktuatoren, Rechengeschwindigkeit des Steuergerätes 30 sowie Laufzeiten der verschiedenen Signale verursacht werden kann. Diese Zeitverzögerungen können weitestgehend kompensiert werden, wenn zeitliche Ableitungen der von den Sensoren gemessenen Größen ausgewertet und daraus Werte in der Zukunft abgeschätzt werden. Da eine derartige Abschätzung jedoch insbesondere dann zu Problemen führen kann, wenn der Roboter 110 in Kontakt mit einem Gegenstand seiner Umgebung tritt, sind bei einer Weiterbildung des Ausführungsbeispiels Ultraschallwandler vorgesehen, die nach Arteiner Parkhilfe die Entfernung zu dem Gegenstand schnell erkennen lassen. Durch die Verwendung dieser Daten zur Kontaktvorhersage kann der Eindruck eines Kontaktes und ein realitätsnahes Feedback rechtzeitig beim Nutzer 10 erzeugt werden.In the interaction between the user 10 and the robot 110 There may be time delays, in particular due to the reaction times of sensors and actuators, computing speed of the control unit 30 as well as transit times of the various signals can be caused. These time delays can be largely compensated if time derivatives of the variables measured by the sensors are evaluated and values are estimated in the future. However, such an estimation can lead to problems, especially if the robot 110 comes in contact with an object of its environment, ultrasonic transducers are provided in a development of the embodiment, which can quickly recognize the distance to the subject after Arteiner parking assistance. By using this data for contact prediction, the impression of a contact and a realistic feedback can be timely with the user 10 be generated.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele erlauben also, dass der Nutzer 10 und der Roboter 110 die gleichen Haltungen einnehmen, wie Stehen, Sitzen, Liegen, Kopfstand, sowie gemeinsame Bewegungen durchführen, wie Gehen, Laufen, Springen, Salto, usw. Außerdem erhält der Nutzer 10 ein haptisches Feedback. Denn wenn er den Roboter 110 bewegt und dieser mit irgendeinem seiner Körperteile in Kontakt mit seiner Umgebung kommt, wird das von den entsprechenden Sensoren aufgenommen und über das Steuergerät 30 an den Nutzer 10 weiter gegeben.The described embodiments thus allow the user 10 and the robot 110 take the same postures, such as standing, sitting, lying, headstand, and perform joint movements, such as walking, running, jumping, somersault, etc. In addition, the user receives 10 a haptic feedback. Because if he's the robot 110 and this comes with any of its body parts in contact with its environment, this is recorded by the corresponding sensors and the control unit 30 to the user 10 passed on.

Die bevorzugte Ausführung hat außerdem den Vorteil, eine völlige, unbegrenzte Beweglichkeit in sechs Freiheitsgraden (6-dof Beweglichkeit) des Statthalters zu erreichen und dem Nutzer jederzeit komplettes realitätsnahes Kraft-Feedback zu vermitteln. Dadurch wird es dem Nutzer möglich, komplexe reale oder virtuelle Welten in ihrer Körperlichkeit und Beschaffenheit besser zu erfahren als bisher. Dabei sind verschiedene Teleoperationen möglich. Dafür kann der Nutzer 10 den Roboter 110 beispielsweise in einer lebensgefährlichen Umgebung steuern, wie in einem radioaktiven Raum, bei einem Kampfeinsatz oder dergleichen. Aufgabe eines solchen Systems ist also, die Anwendbarkeit von realen Robotern auf Gebiete und Probleme zu erweitern, in denen sie autonom oder semi-autonom nicht handeln können. Dieses umfasst zum Beispiel die Fortbewegung des Roboters 110 in Wüstensand, Sümpfen, Wäldern, komplexen Situationen in Gebäuden, Interaktion mit empfindlichen Lebewesen, usw. Komplexe Bewegungen, wie Robben, Nahkampf, Rollen Springen, usw. sind möglich. Ein Großteil der Steuerung, der Wahrnehmung, der Interpretation der Daten und auch der Entscheidungen, werden nun direkt und in Echtzeit durch den Nutzer 10, wie einen Menschen, erbracht.The preferred embodiment also has the advantage of achieving a complete, unlimited mobility in six degrees of freedom (6-dof mobility) of the governor and to provide the user at any time complete realistic power feedback. This makes it possible for the user to experience complex real or virtual worlds in their physicality and nature better than before. Different teleoperations are possible. For this the user can 10 the robot 110 for example, in a life-threatening environment such as in a radioactive space, in a combat mission or the like. The task of such a system is thus to extend the applicability of real robots to areas and problems in which they can not act autonomously or semi-autonomously. This includes, for example, the locomotion of the robot 110 in desert sands, swamps, forests, complex situations in buildings, interaction with sensitive creatures, etc. Complex movements such as seals, melee combat, jumping roles, etc. are possible. Much of the control, perception, interpretation of the data and even the decisions are now being made directly and in real time by the user 10 as a human.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können in vielfacher Weise abgewandelt werden. Dabei sind insbesondere denkbar:

– Das Nutzer-Exoskelett 20 und das Roboter-Exoskelett können verschieden oder baugleich sein. Insbesondere kann der Slave auch ein humanoider oder ein andersartiger Roboter allgemeiner Körperform sein.
– In dem Steuergerät 30 ist eine Speichereinheit vorhanden, die vorgegebene – beispielsweise berechnet, ausgehend von vorhandenen 3-dimensionalen Bewegungssequenzen – oder bereits vom Nutzer 10 oder von einem anderen Nutzer durchgeführte Positionen und/oder Bewegungsabläufe und/oder wirkende Kräfte und/oder andere wiederzugebende Sinneseindrücke speichert. Diese können dann nach Belieben umgesetzt werden. Dadurch kann der Nutzer 10 seine Körperkoordination trainieren oder einen haptischen Film erleben.
– Die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele können auch dazu verwendet werden, dass mehrere Nutzer über eine größere Distanz miteinander kommunizieren und interagieren können. Bei einer solchen Anwendung befindet sich im Bereich des Roboters 110 ein oder mehrere weitere Nutzer, von denen jeder ebenfalls ein Exoskelett oder dergleichen trägt und dadurch einen zweiten Roboter steuert, der sich im Bereich des Nutzers 10 befindet. Dadurch können beispielsweise Therapiemaßnahmen, Turnübungen oder dergleichen trainiert werden. Auch können die gesteuerten Roboter, unabhängig vom Aufenthaltsort und Anzahl der Nutzer, gemeinsam im gleichen Raum interagieren und die Nutzer so kommunizieren. Alternativ benutzen beide oder mehrere Nutzer jeweils ein Exoskelett oder dergleichen und steuern jeweils einen Statthalter in einer gemeinsamen virtuellen Realität. Dies erlaubt die haptische, akustische, visuelle, etc. Kommunikation.
– Anstelle des Rototranslators 40 können andere Mittel verwendet werden, die die notwendigen Translations- und Rotationsfreiheitsgrade abdecken. Dazu gehören insbesondere die Stewart-Bewegungsplattform, ein Mehrachsenindustrieroboter oder dergleichen. Weiterhin sind kugel-ähnliche Räume bekannt die reibungsarm gelagert und von außen gedreht werden können, wie aus US 6,629,896 B2 und US2,344,454 sowie dem Artikel „Novel 3-DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace”, Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (siehe http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf; letzter Abruf Juni 2010) . In einem solchen kugel-ähnlichen Raum, der drei Rotationsfreiheitsgrade hat, kann das Exoskelett 20 angebracht werden. Das Ganze kann auf einer Translationseinheit montiert werden, um insgesamt sechs Freiheitsgrade zu erhalten.
– Für einfache und preiswerte Systeme ist es ebenfalls möglich, die Anzahl der Freiheitsgrade zu reduzieren oder ihren Parameterraum einzuschränken. So kann ein kipp- und schwenkbarer Balken, montiert am Boden oder an der Decke eines Raumes, an dem das Exoskelett beweglich befestigt ist, ausreichen, um viele Bewegungen realitätsnah darzustellen. Bei einer kardanischen Aufhängung reichen auch zwei oder drei Achsen aus, sofern entsprechende Einschränkungen in Kauf genommen werden.
– Der körperlich vorhandene Roboter 110 in einer realen Umgebung kann ersetzt werden durch einen sonstigen Statthalter, wie ein virtuelles Modell eines Roboters oder eines Lebewesens in einer virtuellen Umgebung. Dabei entfallen also alle zugehörigen Roboter-Sensoren und Roboter-Aktuatoren; diese werden ersetzt durch eine entsprechende Simulation.

The described embodiments can be modified in many ways. In particular, it is conceivable:

- The user exoskeleton 20 and the robot exoskeleton may be different or identical. In particular, the slave may also be a humanoid or other robotic general body.
- In the control unit 30 a memory unit is present, the predetermined - calculated, for example, based on existing 3-dimensional motion sequences - or already by the user 10 or stored by other user positions and / or movements and / or forces and / or other senses to be reproduced. These can then be implemented as desired. This allows the user 10 train his body coordination or experience a haptic film.
The embodiments of the invention may also be used to allow multiple users to communicate and interact over a greater distance. In such an application is located in the area of the robot 110 one or more other users, each of which also carries an exoskeleton or the like and thereby controls a second robot located in the area of the user 10 located. As a result, for example, therapeutic measures, gymnastic exercises or the like can be trained. Also, the controlled robots, regardless of whereabouts and number of users, can work together in the same room interact and communicate with users. Alternatively, both or more users each use an exoskeleton or the like and each control a governor in a common virtual reality. This allows haptic, acoustic, visual, etc. communication.
- Instead of the rototranslator 40 For example, other means can be used which cover the necessary degrees of translational and rotational freedom. These include in particular the Stewart motion platform, a multi-axis industrial robot or the like. Furthermore, ball-like spaces are known which can be stored friction and rotated from the outside, as from US 6,629,896 B2 and US2,344,454 as well as the article "Novel 3-DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace," Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (see http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf; last accessed June 2010) , In such a sphere-like space, which has three rotational degrees of freedom, the exoskeleton 20 be attached. The whole can be mounted on a translation unit to obtain a total of six degrees of freedom.
- For simple and inexpensive systems it is also possible to reduce the number of degrees of freedom or to limit their parameter space. Thus, a tilting and pivoting bar, mounted on the floor or on the ceiling of a room where the exoskeleton is movably mounted, may be sufficient to represent many movements in a realistic manner. With a gimbal also two or three axles are sufficient, if appropriate restrictions are accepted.
- The physical robot 110 in a real environment can be replaced by another governor, such as a virtual model of a robot or a living being in a virtual environment. This eliminates all associated robot sensors and robot actuators; These are replaced by a corresponding simulation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Nutzeruser
10a10a: Nutzer-HändeUsers Hands
10b10b: Nutzer-EllenbogenUser elbow
10c10c: Nutzer-KniegelenkeUser knee joints
1212: Nutzer-RumpfUser-Hull
1313: Nutzer-RückenUser-back
1414: Nutzer-ArmeUser-arms
1616: Nutzer-BeineUser legs
1717: Nutzer-FüßeUser-feet
1818: Nutzer-KopfUser-head
2020: Nutzer-ExoskelettUser exoskeleton
2222: Helmhelmet
2424: optische Anzeigeeinheitoptical display unit
2626: akustische Wiedergabeeinheitacoustic playback unit
2828: Mikrofonmicrophone
3030: elektronisches Steuergerätelectronic control unit
3232: erste Sensorleitungfirst sensor line
3333: zweite Sensorleitungsecond sensor line
3434: erste Wiedergabeleitungfirst playback line
3535: zweite Wiedergabeleitungsecond playback line
3636: erste Steuerleitungfirst control line
3737: zweite Steuerleitungsecond control line
3838: Nutzer-KameraUsers Camera
3939: Nutzer-BewegungssensorUser-motion sensor
4040: RototranslatorRototranslator
40a40a: TranslationseinheitTranslation unit
40b40b: Rotationseinheitrotation unit
42, 44, 46, 4842, 44, 46, 48: Achsen der RotationseinheitAxes of the rotation unit
43, 45, 47, 4943, 45, 47, 49: Elemente der RotationseinheitElements of the rotation unit
5050: Befestigungspunktattachment point
5252: Befestigungselementfastener
5454: BefestigungsarmMounting Arm
5656: zweite Anzeigeeinheitsecond display unit
110110: Roboterrobot
112112: Roboter-RumpfRobot Hull
114114: Roboter-ArmeRobotic arms
116116: Roboter-BeineRobot legs
117117: Roboter-FüßeRobot Feet
118118: Roboter-KopfRobot Head
122122: Roboter-KamerasystemRobot camera system
124124: Roboter-LautsprechersystemRobot speaker system
126126: Roboter-MikrofonsystemRobot microphone system
128128: Roboter-GeruchssensorenRobot odor sensors
130130: Rumpf-NutzraumHull utility space
132132: Arme-NutzraumPoor work space
134134: Beine-NutzraumBeine-usable space
136136: Kopf-NutzraumCapita usable space
NSNS: Nutzer-SensorenUsers sensors
NDND: Nutzer-AusgabeeinheitenUser-output units
NAN / A: Nutzer-AktuatorenUser actuators
RSRS: Roboter-SensorenRobot sensors
RDRE: Roboter-AusgabeeinheitenRobot output units
RARA: Roboter-AktuatorenRobot actuators

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007035401 A1 [0005]
US 6629896 B2 [0068]
US 2344454 [0068]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

"Development of Teleoperation Master System with a Kinetic Sensation of Presence", Hitoshi Hasunuma et al., ICAT '99 (see http://www.vrsj.org/ic-at/papers/99053.pdf, last accessed June 2010) [0008]
"Novel 3-DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace"; Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (see http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf, last accessed June 2010) [0017]
Springer Handbook of Robotics, Spinger, 2008 [0020]
"Novel 3-DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace," Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (see http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf; last accessed June 2010) [0068]

Claims

Method for controlling a governor ( 110 ) by movements of the body of a user ( 10 ) wherein first signals from user sensors (NS) are detected and evaluated and based on the first signals governor actuators (RA) at the governor ( 110 ) are controlled such that at least some of its parts ( 112 . 114 . 116 . 118 ) of these postures, positions, movements, forces and / or torques as the body of the user ( 10 In addition, second signals from governor sensors (RS) are detected and evaluated and, based on these second signals, user actuators (NA) are controlled in such a way that at least individual body parts of the user (FIG. 10 ), characterized in that the user sensors (NS) positions, positions, movements, forces and / or torques of at least one body part ( 12 - 18 ) of the user ( 10 ) and parts ( 112 - 118 ) of the governor ( 110 ) are moved accordingly.

A method according to claim 1, characterized in that the user sensors (NS) positions, positions, movements, forces and / or torques of at least one leg ( 16 ) of the user ( 10 ) and that parts ( 114 . 116 ) of the governor ( 110 ) are moved accordingly.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the user sensors (NS) positions, positions, movements, forces and / or torques of at least one arm ( 14 ) and one leg ( 16 ) of the user ( 10 ) and that parts ( 114 . 116 ) of the governor ( 110 ) are moved accordingly.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least some of the body parts of the user ( 10 ) and / or the governor ( 110 ) with an exoskeleton ( 20 ) and that it contains at least one of the actuators (NA; RA) and / or at least one of the sensors (NS; RS).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that signals of the user sensors (NS) are detected and evaluated and used to control the user actuators (NA).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that signals of the governor sensors (RS) are detected and evaluated and used to control the governor actuators (RA).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the user actuators (NA) means for controlling a motion simulator ( 40 ) designed and arranged such that the user ( 10 ) is moved in the presence of corresponding control signals as a whole.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the governor ( 110 ) can be designed as a real machine, as a virtual machine, as a real robot, as a virtual robot and / or as a virtual model of a living being, with the associated governor sensors (RS) and governor actuators (RA) are designed accordingly.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the user actuators (NA) and / or user output units (ND) are controlled by stored signals, the predetermined influences on body parts or sensory impressions of the user ( 10 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that movements of the user ( 10 ) and / or the governor ( 110 ) are controlled in response to signals from sensor means which measure the distance between the user ( 10 ) and / or the governor ( 110 ) and objects of the respective environment.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the user actuators (NA) are controlled in such a way that the user ( 10 ), when in a liquid, is influenced to simulate movement as in partial or total weightlessness.

Method according to claim 11, characterized in that the attenuation of the movement of the user ( 10 ) is scaled in the user unit in the liquid.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that on the user side as well as on the governor side a user can influence a bilateral interaction.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that two or more user units and / or two or more governors ( 110 ) to be influenced.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least two Users ( 10 ), which together form a governor ( 110 ) with predetermined proportions.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that two or more users ( 10 ), the different governors ( 110 ) can control.

Device for controlling a governor ( 110 ) by movements of the body of a user ( 10 ) wherein user sensors (NS) are present, the signals from a control unit ( 30 ) are detected and evaluated and that, based on these user-sensor signals, governor actuators (RA) at the governor ( 110 ) such that at least some of its parts ( 112 . 114 . 116 . 118 ) of these postures, positions, movements, forces and / or torques as the body of the user ( 10 In addition, governor sensors (RS) are present whose signals from the control unit ( 30 ) are detected and evaluated and which, on the basis of these governor sensor signals, actuates user actuators (NA) in such a way that at least individual body parts of the user ( 10 ), characterized in that the user sensors (NS) positions, positions, movements, forces and / or torques of at least one body part ( 12 - 18 ) of the user ( 10 ) and parts ( 112 - 118 ) of the governor ( 110 ) are moved by the governor actuators (RA) accordingly.

Apparatus according to claim 17, characterized in that the user sensors (NS) are designed and arranged such that they have positions, positions, movements, forces and / or torques of at least one leg (FIG. 16 ) of the user ( 10 ) and that the control unit ( 30 ) controls the governor actuators (RA) in such a way that parts ( 114 . 116 ) of the governor ( 110 ) are moved accordingly.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the user sensors (NS) are designed and arranged such that they hold positions, positions, movements, forces and / or torques of at least one arm (FIG. 14 ) and one leg ( 16 ) of the user ( 10 ) and that the control unit ( 30 ) controls the governor actuators (RA) in such a way that parts ( 114 . 116 ) of the governor ( 110 ) are moved accordingly.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that an exoskeleton ( 12 ) is present, with the at least one of the body parts of the user ( 10 ) and / or the governor ( 110 ) and that it contains at least one of the actuators (NA, RA) and / or at least one of the sensors (NS, RS).

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the control unit ( 30 ) Detects and evaluates signals of the user sensors (NS) and uses them to control the user actuators (NA).

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the control unit ( 30 ) Detects and evaluates signals from the governor sensors (RS) and uses them to control the governor actuators (RA).

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the user actuators (NA) means for controlling a motion simulator ( 40 ) designed and arranged such that the user ( 10 ) is moved in the presence of corresponding control signals as a whole.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the governor ( 110 ) can be designed as a real machine, as a virtual machine, as a real robot, as a virtual robot and / or as a virtual model of a living being, with the associated governor sensors (RS) and governor actuators (RA) are designed accordingly.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the control unit ( 30 ) contains a memory in which signals can be stored, on the basis of which the user actuators (NA) and / or user output units (ND) can be controlled in such a way that they have predetermined influences on body parts or sensory impressions of the user (N). 10 ) cause.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the control unit ( 30 ) Movements of the user ( 10 ) and / or the governor ( 110 ) in response to signals from sensor means which measure the distance between the user ( 10 ) and / or the governor ( 110 ) and objects of the respective environment.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the control unit ( 30 ) controls the user actuators (NA) in such a way that the user ( 10 ), when in a liquid, is influenced to simulate movement as in partial or total weightlessness.

Apparatus according to claim 27, characterized in that the control unit ( 30 ) controls the user actuators (NA) in such a way that the attenuation of the movement of the user ( 10 ) is scaled in the user unit.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that both on the user side and on the governor side sensors (NS, RS), actuators (NA, RA) and / or output units (ND, RD) are designed such that a user can influence a bilateral interaction.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that two or more user units and / or two or more governors ( 110 ) available.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that means are present which enable at least two users ( 10 ) together a governor ( 110 ) can control each with predetermined proportions.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the control unit ( 30 ) is designed such that two or more users ( 10 ) different governors ( 110 ) can control.

Device according to one of the preceding device claims, characterized in that the governor ( 110 ) a usable space ( 130 . 132 . 134 . 136 ) which is adapted to receive control means, power supply means, supplies, aggregates, tools and / or the like.