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Die Erfindung betrifft ein Manipulatorsystem mit einem Eingabemittel, das zur Ermittlung von Bewegungsabläufen eines Benutzers ausgebildet ist, mit einem Ausgabemittel, das zur Ausführung der am Eingabemittel vom Benutzer vorgegebenen Bewegungsabläufe ausgebildet ist, wobei das Eingabemittel wenigstens einen Sensor zur Erfassung eines Bewegungsablaufs sowie wenigstens ein Stellmittel zur Bereitstellung einer Kraftrückwirkung an den Benutzer umfasst, wobei das Ausgabemittel wenigstens ein Stellmittel zur Ausführung eines am Eingabemittel vorgegebenen Bewegungsablaufs sowie wenigstens einen Sensor zur Erfassung einer Position des Ausgabemittels aufweist, mit einer Steuereinrichtung, die zur Auswertung von Sensorsignalen der Sensoren und zur Bereitstellung von Steuersignalen an die Stellmittel ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Manipulatorsystems.
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Die
DE 692 23 854 T2 offenbart ein Geschwindigkeitsmodus-Robotersteuersystem, bei dem die Auslenkung eines Handsteuerelements aus einer Nullposition ein Robotersteuersignal zum Kommandieren einer Beschleunigung und/oder einer Geschwindigkeit eines Stellglieds erzeugt. Das System umfasst eine der Auslenkung des Handsteuerelements entgegenwirkende Krafterzeugungseinrichtung, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines kraftreflektierenden Rückkopplungssignals, welches eine Funktion des Widerstands gegen eine Bewegung ist, den das Stellglied erfährt, eine Einrichtung zum Ändern der vom Krafterzeuger erzeugten Kraft als Funktion des reflektierten Kraftrückführsignals, einen Umformer zum Erzeugen eines Auslenkungssignals, dessen Stärke eine Funktion der Auslenkung des Handsteuerelements aus der Nullposition ist, sowie eine Krafterzeugungseinrichtung mit einem Motor, der mit dem Handsteuerelement gekoppelt ist und dieses in die Nullposition drückt und eine Motorsteuereinrichtung, die auf das dem Motor zugeführte Auslenkungssignal anspricht und die Stärke des Drehmomentenausgangs des Motors steuert und die Erzeugung eines Motorsteuersignals durch die Motorsteuereinrichtung, um das Handsteuerelement mit einer Kraft in die Nullposition zu bewegen, welche der Auslenkung des Handsteuerelements aus der Nullposition proportional ist.
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Derartige Manipulatorsysteme können für eine Vielzahl von Bearbeitungs- und Handhabungszwecken eingesetzt werden. Die Einsatzgebiete erstrecken sich von der Handhabung von Gefahrstoffen, bei denen eine räumliche Trennung zwischen dem Eingabemittel und dem Ausgabemittel vorgesehen ist, bis hin zur Fernmanipulation von schweren Lasten oder empfindlichen und/oder miniaturisierten Gegenständen. Eine räumliche Trennung kann beispielsweise innerhalb eines gemeinsamen Raums, beispielsweise mittels einer Trennscheibe, verwirklicht sein, wobei der Benutzer direkten Einblick auf die Bewegungen des Ausgabemittels hat. Alternativ kann auch eine beliebige Beabstandung zwischen Eingabemittel und Ausgabemittel vorgesehen sein, wobei der Benutzer beispielsweise durch eine Echtzeit-Videoaufnahme des Ausgabemittels oder durch Anwendung virtueller Realität einen Überblick über die Situation des Ausgabemittels erhält. Das Ausgabemittel kann für eine Kraftverstärkung und/oder für eine Bewegungsvergrößerung oder alternativ für eine Kraftreduzierung und/oder Bewegungsverkleinerung der vom Benutzer am Eingabemittel vorgegebenen Bewegungsabläufe ausgebildet sein.
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In jedem Fall ist eine Kraftrückkopplung vom Ausgabemittel an das Eingabemittel vorgesehen, um dem Benutzer über die optische Kontrolle des Bearbeitungs- oder Handhabungsvorgangs hinaus noch zusätzliche Informationen bereitstellen zu können, die die Fernmanipulation von Arbeitsobjekten unterstützen und erleichtern.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Manipulatorsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Manipulatorsystems bereitzustellen, die eine vereinfachte Bedienung durch den Benutzer ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung für ein Manipulatorsystem der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass das Eingabemittel als mehrgliedrige Orthese zur Anbringung an einem Körperteil des Benutzers ausgebildet ist. Im Gegensatz zum obenstehend angegebenen Stand der Technik, bei dem ein Steuerknüppel zur Eingabe von Benutzerbewegungen dient, kann erfindungsgemäß mit Hilfe der Eingabemittel eine äußerst differenzierte und feinfühlige Eingabe von Bewegungsabläufen durch den Benutzer erfolgen. Ferner können auch komplexe Bewegungsabläufe in einfacher und intuitiver Weise vom Benutzer vorgegeben und auf das Ausgabemittel übertragen werden. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Orthese in Form eines externen Skeletts auf das zur Eingabe von Bewegungsabläufen ausgewählte Körperteil, beispielsweise auf eine Hand oder auf einen Fuß, aufgesetzt wird. Damit können die mit der Hand oder dem Fuß durchgeführten Bewegungsabläufe ermittelt und an die Steuereinrichtung weitergegeben werden. Ferner kann als Reaktion auf eine Einwirkung des Ausgabemittels auf Gegenstände in seiner Umgebung eine situationsabhängige Kraftrückkopplung über die Orthese an den Benutzer vorgenommen werden. Vorzugsweise ist die mehrgliedrige Orthese derart ausgebildet, dass sie kinematisch demjenigen Körperteil entspricht, das zur Eingabe von Bewegungsabläufen genutzt werden soll. So kann exemplarisch eine zur Abtastung von Handbewegungen ausgebildete Orthese ausgehend von einem Stammgliederteil, das zur Befestigung am Unterarm des Benutzers vorgesehen ist, eine oder mehrere Gliederketten umfassen, die jeweils zur Anbringung an den Fingern der Hand ausgebildet sind. Bevorzugt sind Gliederteile der entsprechenden Gliederketten mit Schwenkgelenken miteinander verbunden. Exemplarisch umfassen die Gliederketten jeweils drei Gliederteile, die in einer Reihe angeordnet sind und die zudem schwenkbeweglich mit dem Stammgliederteil verbunden sind, um damit die Beweglichkeit der Finger der menschlichen Hand nachzubilden und eine möglichst exakte Abtastung der einzelnen Fingerglieder zu ermöglichen. Somit erfolgt erfindungsgemäß eine Eingabe der Bewegungsabläufe durch ein unmittelbares Nachvollziehen von Bewegungsabläufen eines oder gegebenenfalls auch mehrerer Körperteile eines Benutzers, womit eine Vielzahl von Bearbeitungs- oder Handhabungsvorgängen präziser und für den Benutzer ermüdungsärmer durchgeführt werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn das Ausgabemittel in gleicher Weise wie das Eingabemittel aufgebaut ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Ausgabemittel in seiner Dimensionierung zumindest im Wesentlichen identisch mit dem Eingabemittel ist, so dass auch die Bewegungen des Ausgabemittels während der Ausführung der vom Benutzer vorgegebenen Bewegungsabläufe, insbesondere betragsmäßig, identisch mit den vorgegebenen Bewegungsabläufen sind. Alternativ kann das Ausgabemittel als, insbesondere maßstäbliche, Vergrößerung oder Verkleinerung des Eingabemittels ausgebildet sein. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn das Ausgabemittel dazu eingesetzt werden soll, Handhabungs- oder Bearbeitungsaufgaben auszuführen, die der Benutzer ohne ein derartiges Manipulatorsystem nicht oder nur mit erheblichen Anstrengungen ausführen könnte. Beispielhaft sind hierzu die Handhabung von schweren Gegenständen oder die Bearbeitung von mikroskopisch kleinen Strukturen zu nennen, bei denen jeweils sowohl eine Skalierung der Bewegungsabläufe als auch eine Skalierung der Benutzerkräfte vorgesehen werden kann. Dabei kann die Skalierung der Bewegungsabläufe mit dem gleichen oder einem abweichenden Maßstab wie die Skalierung der Benutzerkräfte erfolgen. Sofern beispielsweise ein kompakter, schwerer Gegenstand mit dem Manipulatorsystem bewegt werden soll, kann vorgesehen sein, die Bewegungsabläufe nicht zu skalieren, so dass ein vom Benutzer am Eingabemittel vorgegebener Bewegungsablauf in Betrag und Richtung identisch vom Ausgabemittel nachvollzogen wird, während eine Skalierung der Kräfte vorgenommen wird, so dass geringe Betätigungskräfte des Benutzers am Eingabemittel in hohe Betätigungskräfte des Ausgabemittels umgesetzt werden.
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Bevorzugt ist das Ausgabemittel zur Anbringung an einem Körpermodell ausgebildet, das dem zur Anbringung des Eingabemittels vorgesehenen Körperteil des Benutzers nachempfunden ist, insbesondere entspricht. Bei dem Körpermodell kann es sich um eine geometrische Nachahmung desjenigen Köperteils handeln, an das die als Eingabemittel dienende Orthese angebracht werden soll, beispielsweise um das Modell einer menschlichen Hand oder eines menschlichen Fußes. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Körpermodell zusätzlich zu seinen geometrischen Eigenschaften auch im Hinblick auf seine mechanischen Eigenschaften an das jeweilige Körperteil angelehnt, beispielsweise indem die im Körperteil vorhandenen Gelenke und/oder die Bewegungseigenschaften des Körperteils nachgebildet sind. Hiermit kann beispielsweise ein Einsatz des Manipulatorsystems zu Trainingszwecken im medizinischtherapeutischen Bereich durchgeführt werden. Wenn ein Patient Defizite bei der Kontrolle von Körperteilen, insbesondere Händen oder Füßen, aufweist und diese Kontrolle durch eine Trainingsmaßnahme wieder hergestellt werden kann, ist es vorgesehen, dass der Patient mit Hilfe des Eingabemittels Bewegungsabläufe vorgibt, die von dem Ausgabemittel nachvollzogen werden und dem Patient über die Kraftrückkopplung die Wechselwirkung mit einem Gegenstand übermittelt werden kann. Dabei kann je nach Trainingssituation eine Skalierung der Kraftrückkopplung vorgesehen sein, um beispielsweise in einer Frühphase des Trainings mit geringer Kraftrückkopplung und damit auch geringer Belastung des Patienten arbeiten zu können und in einer späteren Phase des Trainings eine höhere, insbesondere naturalistische, Belastung des Patienten einstellen zu können.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung für eine Kraftregelung der Stellmittel der Eingabemittel und/oder für eine Positionsregelung der Stellmittel der Ausgabemittel ausgebildet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Stellmittel der Eingabemittel von der Steuereinrichtung ausschließlich kraftgeregelt und/oder die Stellmittel der Ausgabemittel ausschließlich positionsgeregelt werden. Hierdurch ist eine einfache Regelung der jeweiligen Stellmittel möglich, so dass auch der Komplexitätsgrad der Software, die in der Steuereinrichtung zur Durchführung der Regelungsvorgänge benötigt wird, auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn mit Hilfe der Ausgabemittel eine Kraft- und/oder Wegverstärkung der am Eingabemittel vom Benutzer vorgegebenen Bewegungsabläufe vorgesehen ist, da hier eine umfassende Validierung der Software zur Vermeidung von Gefahrenzuständen erfolgen muss. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Software lediglich einen einzigen Regler für die jeweiligen Stellmittel benötigt, da dieser einfacher zu validieren ist, als dies bei einem komplexen Verbund mehrerer Regler der Fall wäre. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die einzelnen Gliederketten der Eingabemittel und/oder der Ausgabemittel jeweils separat geregelt werden.
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Hierbei ist vorzugsweise eine Positionsregelung für jede der Gliederketten der Ausgabemittel und/oder eine Kraftregelung für jede der Gliederketten der Eingabemittel vorgesehen.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausgabemittel und/oder die Eingabemittel eine Kraftmesseinrichtung zur Ermittlung einer von den Stellmittel ausgeübten Stellkraft aufweisen. Für die Durchführung der Kraftregelung ist den Stellmitteln wenigstens eine Kraftmesseinrichtung zugeordnet. Die Kraftmesseinrichtung dient bei den Eingabemitteln dazu, die von den Stellmitteln aufgebrachten Kräfte, die für die Kraftrückkopplung an den Benutzer bereitgestellt werden, zu erfassen und als Messsignal an die Steuereinrichtung bereitstellen. Bei Vorliegen einer Abweichung zwischen einem von der Steuereinrichtung ermittelten Sollwert für das Messsignal und einem von der Kraftmesseinrichtung ermittelten Istwert des Messsignals ist eine Anpassung der Kräfte der Stellmittel der Eingabemittel vorgesehen. Bei den Ausgabemitteln kann die Kraftmesseinrichtung dazu eingesetzt werden, die von den Stellmitteln aufgebrachten Kräfte als Messsignale an die Steuereinrichtung bereitzustellen, um die Sollwerte für die Kraftrückkopplung an den Eingabemitteln berechnen zu können.
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Für die Durchführung der Positionsregelung ist eine Erfassung der Position des Ausgabemittels, insbesondere der Stellung einer oder mehrerer Gliederketten des Ausgabemittels, erforderlich. Das oder die ermittelten Messsignale werden der Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt, um Abweichungen gegenüber Istwerten zu ermitteln und daraus resultierende Bewegungen der entsprechenden Stellmittel der Ausgabemittel einleiten zu können. Bevorzugt ist sowohl eine Erfassung der Position des Ausgabemittels als auch der Position des Eingabemittels vorgesehen, wobei die Position des Eingabemittels zur Ermittlung der Sollwerte für die Positionsregelung des Ausgabemittels dient und die am Ausgabemittel erfassten Positionen den Istwerten für die Positionsregelalgorithmus entsprechen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Eingabemittel und/oder das Ausgabemittel wenigstens eine Gliederkette aus mehreren schwenkbeweglich miteinander verbundenen Gliederteilen umfasst und dass die Stellmittel mit wenigstens einem der Gliederteile bewegungsgekoppelt sind. Hierdurch ist eine vorteilhafte Ermittlung von Bewegungsabläufen an einem Körperteil eines Benutzers möglich, da die Gliederketten vorzugsweise so gestaltet sind, dass sie zumindest im Wesentlichen die Freiheitsgrade der Bewegung der jeweils zueinander beweglichen Abschnitte eines Körperteils, beispielsweise der Fingerglieder, aufweisen. Ferner ist dadurch eine Kraftrückkopplung möglich, die für den Benutzer die tatsächliche Situation, in der sich das Ausgabemittel befindet, möglichst wirklichkeitsnah wiedergibt und somit einen vorteilhaften Informationsfluss an den Benutzer sicherstellt.
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Bevorzugt ist der Sensor des Eingabemittels, der zur Erfassung des Bewegungsablaufs ausgebildet ist, für eine berührungsfreie Erfassung des Eingabemittels, insbesondere als vom Eingabemittel beabstandet angeordnetes Kamerasystem, ausgebildet. Bei der Nutzung einer berührungslosen Erfassung des Bewegungsablaufs des Eingabemittels kann auf eine aufwendige Sensorik am Eingabemittel verzichtet werden. Dies bedeutet bei einer Orthese, die mehrere Gliederketten mit jeweils mehreren Gliederteilen umfasst, dass eine Vielzahl von Sensorleitungen, bei denen es sich beispielsweise um elektrische Leitungen handeln kann, vermieden werden kann, da keine Sensoren in den Schwenkgelenken angeordnet werden müssen. Vielmehr kann mit Hilfe eines Kamerasystems, das eine oder mehrere Kameras umfasst, sowie einer nachgeschalteten Bildverarbeitung des wenigstens einen Kamerabilds eine Erfassung der räumlichen Lage der Orthese und/oder eine Erfassung der Stellung bzw. der relativen Lage von Teilkomponenten der Orthese wie beispielsweise der Gliederteile von Gliederketten zueinander ermittelt werden, um eine Erfassung der Bewegungsabläufe, die vom Benutzer vollzogen werden, zu ermöglichen.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Kraftmesseinrichtung als Druckmesseinrichtung für pneumatische betreibbare Stellmittel und als Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung für elektrisch betreibbare Stellmittel ausgebildet ist. Hierdurch ist ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Kraftmesssensorik für das Manipulatorsystem gewährleistet.
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Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Verfahren zum Betreiben eines Manipulatorsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass das Manipulatorsystem ein Eingabemittel zur Erfassung einer Bewegungsanforderung eines Benutzers und ein Ausgabemittel für eine Ausführung der Bewegungsanforderung umfasst, wobei das Eingabemittel und das Ausgabemittel jeweils wenigstens ein Stellmittel zur Bereitstellung einer Stellbewegung und jeweils wenigstens einen Sensor zur Erfassung einer auf die Bewegungsanforderung bezogenen Informationen aufweisen, mit einer Steuereinrichtung, die zur Ansteuerung der Stellmittel ausgebildet ist. Für die Durchführung des Verfahrens sind die folgenden Schritte vorgesehen: Ermitteln einer Bewegungsanforderung, die von einem Benutzer in die Eingabemittel eingespeist wird, mit Hilfe des zugeordneten Sensors, Ermitteln einer räumlichen Lage der Ausgabemittel mit Hilfe des zugeordneten Sensors und Ermitteln einer Abweichung der räumlichen Lage der Ausgabemittel gegenüber der Bewegungsanforderung, Bereitstellen eines Steuersignals an die Stellmittel der Ausgabemittel anhand der ermittelten Abweichung, Ermitteln einer Abweichung zwischen der räumlichen Lage der Ausgabemittel und der Bewegungsanforderung und Bereitstellen eines Steuersignals an die Stellmittel der Eingabemittel anhand der ermittelten Abweichung zur Bereitstellung einer Kraftrückkopplung an den Benutzer, wobei eine Positionsregelung der Stellmittel der Ausgabemittel und eine Kraftregelung der Stellmittel der Eingabemittel vorgesehen ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ausgabemittel wenigstens einen Sensor zur Ermittlung einer Stellkraft des zugeordneten Stellmittels umfasst und die Steuereinrichtung die Kraftrückkopplung an die Stellmittel des Eingabemittels anhand der ermittelten Stellkraft vornimmt.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Erfassung des Bewegungsablaufs der Eingabemittel mit Hilfe einer berührungslosen Abtastung der Eingabemittel, insbesondere mit einem beabstandet von den Eingabemittel angeordneten Kamerasystem, erfolgt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Manipulatorsystems mit einem als Orthese ausgebildeten Eingabemittel und einem der Orthese nachempfundenen Ausgabemittel sowie einer verteilt ausgebildeten Steuereinrichtung und
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2 eine perspektivische Darstellung einer Orthese zur Verwendung für das Manipulatorsystem gemäß der 1.
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Ein in der 1 schematisch vereinfacht dargestelltes Manipulatorsystem 1 umfasst ein als Orthese ausgebildetes, in der 2 näher dargestelltes Eingabemittel 2, das zur Ermittlung von Bewegungsabläufen eines nicht dargestellten Benutzers, insbesondere zur Ermittlung von Bewegungen eines Körperteils, vorliegend der Hand des Benutzers, ausgebildet ist. Ferner umfasst das Manipulatorsystem 1 gemäß der 1 ein exemplarisch in der Art des Eingabemittels 2 ausgebildetes Ausgabemittel 3, das zur Ausführung der am Eingabemittel 2 vom Benutzer vorgegebenen Bewegungsabläufe ausgebildet ist. Exemplarisch ist das Ausgabemittel 3 in gleicher Weise wie das Eingabemittel 2 ausgebildet.
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Das Manipulatorsystem 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 4, die beispielhaft zur Ermittlung der räumlichen Lage und Stellung der Eingabemittel 2 und der Ausgabemittel 3 sowie zur Ansteuerung von Stellmitteln 5, 6 der Eingabemittel 2 und der Ausgabemittel 3 ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung 4 weist für die Eingabemittel 2 und die Ausgabemittel 3 jeweils einen als optische Kamera ausgebildeten Sensor 7, 8 auf. Jedem der Sensoren 7, 8 ist eine Bildverarbeitungseinheit 9, 10 zugeordnet, die dazu eingerichtet ist, aus dem aufgenommenen Bild des Eingabe- bzw. Ausgabemittels 2, 3 die jeweilige räumliche Lage und Position zu ermitteln. Ferner umfasst die Steuereinrichtung 4 jeweils den Eingabemitteln 2 und den Ausgabemitteln 3 zugeordnete Ansteuermittel 11, 12, die zur Bereitstellung von Energieströmen an die Stellmittel 5, 6 ausgebildet sind. Exemplarisch sind die Ansteuermittel 11, 12 als Ventileinrichtungen zur Bereitstellung von druckbeaufschlagtem Fluid an die Stellmittel 5, 6 ausgebildet.
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Das Eingabemittel 2 und das Ausgabemittel 3 sind exemplarisch durch eine in der 1 dargestellte Trennebene 13 voneinander getrennt. Diese Trennebene 13 symbolisiert, dass die Verbindung zwischen dem Eingabemittel 2 und dem Ausgabemittel 3 lediglich durch die Steuereinrichtung 4 hergestellt wird. In der Realität können die Eingabemittel 2 und die Ausgabemittel 3 baulich getrennt, in unterschiedlichen Gebäuden oder auf unterschiedlichen Kontinenten angeordnet sein. Die Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten der Steuereinrichtung 4 kann durch Kabelverbindungen oder drahtlose Verbindungen, insbesondere Funkverbindungen, gewährleistet werden.
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Vorliegend werden die als Ventilanordnungen ausgeführten Ansteuermittel 11, 12 von einer Zentralsteuerung 15 angesteuert und sind zur selektiven Bereitstellung von druckbeaufschlagtem Fluid, insbesondere Druckluft, an die jeweiligen Stellmittel 5, 6 ausgebildet. Jedem der nicht näher bezeichneten Ventile der Ansteuermittel 11, 12 ist ein Drucksensor 14 zugeordnet, der zur Ermittlung des Fluiddrucks in dem jeweils angesteuerten Stellmittel 5, 6 ausgebildet ist.
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Die in der 1 nur vereinfacht und schematisch dargestellten Eingabemittel 2 sind exemplarisch zur Anbringung an der menschlichen Hand und dem angrenzenden Unterarm ausgebildet. Dazu umfasst das Eingabemittel 2 ein Stammgliederteil 17 und mehrere gelenkig daran angebrachte Gliederketten 18 bis 21. Jede der Gliederketten 18 bis 21 umfasst ihrerseits mehrere durch Schwenkgelenke 22 schwenkbeweglich miteinander verbundene Gliederteile 23. Dabei sind die Dimensionierung der Gliederteile 23 und die Anordnung der Schwenkgelenke 22 so gewählt, dass das Eingabemittel 2 von oben auf den Handrücken eines nicht dargestellten Benutzers aufgesetzt werden kann. Anschließend werden das Stammgliederteil 16 und die Gliederketten 17 bis 21 mit ebenfalls nicht dargestellten Befestigungsmitteln an den einzelnen Gliedmaßen des Körperteils, exemplarisch also der Hand festgelegt. Dabei ist vorgesehen, dass jede der Gliederketten 17 bis 21 an einem Finger festgelegt wird und dass das Stammgliederteil 16 am Unterarm befestigt wird. Dadurch kann exemplarisch jeder Finger durch selektive Ansteuerung des jeweiligen Stellmittels 5 individuell mit einer Stellkraft beaufschlagt werden, um die gewünschte Kraftrückkopplung an den Benutzer zu gewährleisten.
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Exemplarisch ist das Ausgabemittel 3 in gleicher Weise wie das Eingabemittel 2 aufgebaut. Das Ausgabemittel 3 kann beispielsweise auf eine nicht dargestellte künstliche Hand, die insbesondere aus einem gummielastischen Material hergestellt ist und die in ihren Ausmaßen und Bewegungseigenschaften der menschlichen Hand zumindest angenähert ist, aufgesetzt und dort in gleicher Weise wie das Eingabemittel 2, das an der Hand des Benutzers festgelegt wird, an der künstlichen Hand befestigt werden.
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Aus der 2 ist beispielhaft der Aufbau eines Eingabemittels 2 bzw. eines Ausgabemittels 3 zu entnehmen. Das Eingabemittel 2 bzw. Ausgabemittel 3 umfasst das Stammgliederteil 16 und mehrere schwenkbeweglich am Stammgliederteil 16 angebrachte Gliederketten 17 bis 21. Jeder der Gliederketten 17 bis 21 ist wenigstens ein Stellmittel 5 bzw. 6 zugeordnet. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Gliederkette 17, die zur Festlegung am nicht dargestellten Daumen des Benutzers oder eines nicht dargestellten Handmodells ausgebildet ist, von zwei Stellmitteln 5 bzw. 6 ansteuerbar ist, um einerseits eine Krümmung der Gliederkette 17 in einer normal zu den Schwenkachsen 24 der Schwenkgelenke 22 ausgerichteten Bewegungsebene zu ermöglichen und andererseits eine Schwenkbewegung um eine Schwenkachse 25, die in der Bewegungsebene angeordnet ist, durchführen zu können. Die Gliederkette 18, die zur Festlegung am Zeigefinger des Benutzers oder des Handmodells ausgebildet ist, umfasst insgesamt drei Stellmittel 5, die zum einen wie bei der Gliederkette 17 eine Krümmungsbewegung in der normal zu den Schwenkachsen 24 der Schwenkgelenke 22 der Gliederkette 18 ausgerichteten Bewegungsebene und eine Schwenkbewegung um eine Schwenkachse 28, die in der Bewegungsebene liegt, ermöglichen und zum anderen eine zusätzliche Abwinklung der Gliederkette 18 mittels eines Kipphebels 29 bereitstellen können. Die Gliederketten 19 bis 21 werden jeweils von einem einzigen Stellmittel 5 angesteuert und sind jeweils für eine Krümmungsbewegung in einer Bewegungsebene normal zu den Schwenkachsen der jeweiligen Schwenkgelenke vorgesehen.
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Zum Betreiben des Manipulatorsystem 1 sind die folgenden Schritte vorgesehen: zunächst werden die Eingabemittel 2 an die Hand des nicht dargestellten Benutzers festgelegt. Ferner werden die Ausgabemittel 3 an einer nicht dargestellten künstlichen Hand angebracht, die ihrerseits exemplarisch an einem ebenfalls nicht dargestellten Arm eines Mehrachs-Industrieroboters festgelegt sein kann. Anschließend wird mit Hilfe der als Kameras ausgebildeten Sensoren 7 und 8 eine räumliche Lage und Stellung der Eingabemittel 2 und der Ausgabemittel 3 ermittelt. Dabei kann exemplarisch vorgesehen sein, dass die Ausgabemittel 3 in einem nachfolgenden Schritt exakt in die gleiche räumliche Lage und Stellung gebracht werden wie die Eingabemittel 2, insbesondere indem das Ausgabemittel 3 dem Eingabemittel 2 spiegelbildlich gegenüber liegt.
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Ausgehend von dieser Startposition kann der Benutzer nunmehr Bewegungen der einzelnen Finger und/oder der gesamten Hand vornehmen, die als Bewegungsabläufe vom Sensor 7 erfasst werden und von der Bildverarbeitungseinheit 9 in Sollwerte für die Lage und Stellung der jeweils korrespondierenden Gliederketten 17 bis 21 des Ausgabemittels 3 umgesetzt werden. Anhand dieser Sollwerte kann die Zentralsteuerung 15 in Kenntnis der tatsächlichen räumlichen Lage und Stellung der Ausgabemittel 3 eine Positionsregelung für die Gliederketten 17 bis 21 der Ausgabemittel 3 vorsehen. Bei einer freien Beweglichkeit der Ausgabemittel 3 kann der vom Benutzer an den Eingabemitteln 2 vorgegebene Bewegungsablauf in einen spiegelbildlichen Bewegungsablauf an den Ausgabemitteln 3 umgesetzt werden. Sofern jedoch die freie Beweglichkeit der Ausgabemittel 3 eingeschränkt sein sollte, beispielsweise durch ein Arbeitsobjekt, das im Bewegungsraum des Ausgabemittels 3 angeordnet ist, kann der Fall auftreten, dass die Beweglichkeit der Ausgabemittel 3 eingeschränkt wird.
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Nachstehend wird exemplarisch davon ausgegangen, dass der Benutzer an den Eingabemitteln 2 eine Greifbewegung vollzieht, bei der sämtliche Finger der Hand gekrümmt werden und dementsprechend auch sämtliche Gliederketten 17 bis 21 des Eingabemittels 2 gekrümmt werden. Sofern beim Ausgabemittel 3 im Rahmen dieser Greifbewegung das Arbeitsobjekt ergriffen wird und damit eine weitere Krümmung der Gliederketten 17 bis 21 verhindert, ergibt sich aufgrund der Positionsregelung, die insbesondere für jede der Gliederketten 17 bis 21 getrennt vorgenommen werden kann, für das Ausgabemittel 3 eine Abweichung zwischen dem von den Eingabemitteln 2 bestimmten Sollwert und dem von den Ausgabemitteln 3 nachvollzogenen Istwert. Aufgrund der Differenz zwischen Sollwert und Istwert findet exemplarisch eine zusätzliche Druckbeaufschlagung der Stellmittel 6 der Ausgabemittel 3 statt, da die Zentralsteuerung 15 im Rahmen der Positionsregelung für die Stellmittel 6 versucht, durch Druckerhöhung die Sollwert-Istwert-Abweichung zu reduzieren und die Ausgabemittel 3 in die gleiche Lage und Stellung wie die Eingabemittel 2 zu bringen.
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Der jeweils in den zugeordneten Stellmitteln 12 vorliegende Druck wird mit Hilfe der jeweiligen Drucksensoren 14 ermittelt. Dieser Druck dient der Zentralsteuerung 15 als Sollwert für die Druckbeaufschlagung der Stellmittel 5 der Eingabemittel 2, für die eine Kraftregelung, insbesondere in Form einer Druckregelung, in der Zentralsteuerung 15 abläuft. Sobald eine Abweichung zwischen den an den Stellmitteln 6 des Ausgabemittels 3 vorliegenden Druck-Sollwerten und den an den Stellmitteln 5 des Eingabemittels 2 vorliegenden Ist-Druckwerten vorliegt, führt die Zentralsteuerung 15 eine Anpassung der Ist-Druckwerte für die Stellmittel 5 durch. Dabei wird der Bewegungswiderstand, den die Ausgabemittel 3 bei der Greifbewegung des Arbeitsobjekts erfahren und der bei den Ausgabemitteln 3 aufgrund der Positionsregelung zu einer Druckerhöhung auf die Stellmittel 6 führt, als Kraftrückwirkung auf die Eingabemittel 2 zurückgeführt, da dort aufgrund der Kraftregelung, insbesondere der Druckregelung, eine spiegelbildliche Anpassung der Druckbeaufschlagung der Stellmittel 5 entsprechend der Druckbeaufschlagung der Stellmittel 6 erfolgt.
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Der Benutzer erfährt somit aufgrund der Kraftrückwirkung auf die Eingabemittel 2 vom Bewegungswiderstand, der bei den Ausgabemitteln 3 vorliegt und erhält somit die Illusion, dass er das von den Ausgabemitteln 3 ergriffene Arbeitsobjekt mit den Eingabemitteln 2 ergriffen hat. Diese Illusion wird kann insbesondere dadurch weiter verbessert werden, dass jede der Gliederketten 17 bis 21 der Eingabemittel 2 und der Ausgabemittel 3 jeweils einzeln geregelt wird.
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Durch die Kombination der Positionsregelung für die Ausgabemittel 3 und der Kraftregelung, insbesondere Druckregelung, für die Eingabemittel 2 unter Verwendung von Drucksensoren für die an den Stellmitteln 5, 6 vorliegenden Fluiddrücke und als Kameras ausgebildeten Sensoren 7, 8 kann eine zuverlässige Kraftrückkopplung von den Ausgabemitteln 3 an die Eingabemittel 2 vorgenommen werden. Diese Kraftrückkopplung basiert auf verhältnismäßig einfachen Regelalgorithmen, die bei Anwendungen mit hohen sicherheitstechnischen Anforderungen eine kostengünstige Validierung der Regelalgorithmen ermöglicht.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform des Manipulatorsystems sind die Stellmittel als elektrische Linearantriebe, beispielsweise als Spindelantriebe, ausgebildet. Die Ermittlung der Stellkraft erfolgt dann mit Hilfe einer Strom- und/oder Spannungsmessung der für die Stellmittel bereitgestellten elektrischen Energie. Auch bei dieser Ausführungsform sind eine Positionsregelung der Ausgabemittel und eine Kraftregelung der Eingabemittel vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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