DE102015209773B3 - A method for continuously synchronizing a pose of a manipulator and an input device - Google Patents

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Tobias Reichl
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Christian Meißner
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Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Manipulatorsystem und ein Verfahren zur kontinuierlichen Synchronisation der Pose eines Manipulators 100 und einer Eingabevorrichtung 200, wobei die Eingabevorrichtung 200 zur Steuerung des Manipulators 100 eingerichtet ist, und das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Bestimmen 12 einer Abweichung der Pose der Eingabevorrichtung und des Manipulators; Erfassen 13 einer kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung; Bestimmen 15 zumindest eines Korrekturterms; Bestimmen 16 einer neuen Pose des Manipulators aus einer Kombination der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung und des Korrekturterms; und Bewegen 17 des Manipulators in die zuvor bestimmte neue Pose, sodass die Abweichung zumindest verkleinert wird.The present invention comprises a manipulator system and method for continuously synchronizing the pose of a manipulator 100 and an input device 200, wherein the input device 200 is arranged to control the manipulator 100, and the method comprises the steps of: determining 12 a deviation of the pose of the input device and the manipulator; Detecting 13 a commanded change of the pose of the input device; Determining 15 at least one correction term; Determining 16 a new pose of the manipulator from a combination of the commanded change in the pose of the input device and the correction term; and moving 17 the manipulator into the previously determined new pose, so that the deviation is at least reduced.

Description

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Manipulatorsystem zur kontinuierlichen Synchronisation einer Pose eines Manipulators und einer Pose einer Eingabevorrichtung, wobei die Eingabevorrichtung zur Steuerung des Manipulators eingerichtet ist. Das Verfahren und das Manipulatorsystem können beispielsweise in der Telemanipulation eingesetzt werden.The invention relates to a method and a manipulator system for the continuous synchronization of a pose of a manipulator and a pose of an input device, wherein the input device is arranged to control the manipulator. The method and the manipulator system can be used, for example, in telemanipulation.

2. Hintergrund2. Background

Für viele Anwendungen in der Robotik, insbesondere im Bereich der Telemanipulation, werden Eingabevorrichtungen benötigt, die translatorische oder rotatorische Änderungen einer Pose eines Manipulators kommandieren können. Bei der Telemanipulation werden typischerweise Bewegungen eines Eingabepunktes der Eingabevorrichtung erfasst und in entsprechende translatorische und/oder rotatorische Bewegungen eines Manipulators konvertiert.For many applications in robotics, especially in the field of telemanipulation, input devices are needed that can command translational or rotational changes to a pose of a manipulator. In telemanipulation, movements of an input point of the input device are typically detected and converted into corresponding translatory and / or rotational movements of a manipulator.

Der Eingabepunkt der Eingabevorrichtung bildet den Ursprung eines Eingabekoordinatensystems. Wird der Eingabepunkt der Eingabevorrichtung bewegt, so ändern sich die Position des Eingabepunktes und/oder die Orientierung des Eingabekoordinatensystems. Die Position des Eingabepunktes und die Orientierung des Eingabekoordinatensystems bestimmen die Pose der Eingabevorrichtung. Die Position ist durch Angaben bezüglich aller drei translatorischen Freiheitsgrade bestimmt und bestimmt den Ort eines Punktes im Raum. Die Orientierung ist durch Angaben bezüglich aller drei rotatorischen Freiheitsgrade bestimmt und bestimmt die Drehung eines Koordinatensystems im Raum. Analog ist dem Manipulator ebenfalls ein Bezugspunkt zugeordnet. Dieser Bezugspunkt kann beispielsweise der Tool-Center-Point (TCP) sein. Der Bezugspunkt des Manipulators bildet typischerweise den Ursprung eines Ausgabekoordinatensystems. Die Position des Bezugspunktes und die Orientierung des Ausgabekoordinatensystems bestimmen die Pose des Manipulators.The input point of the input device forms the origin of an input coordinate system. When the input point of the input device is moved, the position of the input point and / or the orientation of the input coordinate system change. The position of the input point and the orientation of the input coordinate system determine the pose of the input device. The position is determined by information regarding all three translatory degrees of freedom and determines the location of a point in space. The orientation is determined by information regarding all three rotational degrees of freedom and determines the rotation of a coordinate system in space. Analogously, the manipulator is also assigned a reference point. This reference point can be, for example, the Tool Center Point (TCP). The reference point of the manipulator typically forms the origin of an output coordinate system. The position of the reference point and the orientation of the output coordinate system determine the pose of the manipulator.

Zur Steuerung des Manipulators ist die Eingabevorrichtung mit dem Manipulator verbunden, so dass zumindest Daten zwischen der Eingabevorrichtung und dem Manipulator ausgetauscht werden können. Der Datenaustausch kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Eingabevorrichtung und Manipulator können dabei räumlich voneinander getrennt sein. Telemanipulationssysteme kommen insbesondere dort zum Einsatz, wo für einen Bediener ein direktes Eingreifen unmöglich oder mit Gefahren verbunden ist, oder in Bereichen wo besonders akkurate und sichere Bewegungen ausgeführt werden müssen. Dies ist beispielsweise in der Nukleartechnik, in der Raumfahrttechnik oder der Medizintechnik der Fall.To control the manipulator, the input device is connected to the manipulator, so that at least data can be exchanged between the input device and the manipulator. The data exchange can be wired or wireless. Input device and manipulator can be spatially separated from each other. Telemanipulation systems are particularly useful where direct intervention is impossible or dangerous for an operator or in areas where particularly accurate and safe movements are required. This is the case, for example, in nuclear technology, in space technology or in medical technology.

Ein Manipulator ist gemäß DIN EN ISO 8373 ein automatisch gesteuerter, frei programmierbaren Mehrzweck-Manipulator, der in drei oder mehr Achsen programmierbar ist und zur Verwendung beispielsweise in der Automatisierungstechnik entweder an einem festen Ort oder beweglich angeordnet sein kann. Ein Manipulator führt Endeffektoren, wie Greifer oder Werkzeuge, oder Werkstücke. Solche Manipulatoren werden beispielsweise im Bereich der Medizintechnik eingesetzt, wie etwa in der minimalinvasiven Chirurgie. Dort kann der Manipulator zum Beispiel ein laparoskopisches Instrument führen und sehr kleine Strukturen präzise bearbeiten, oder durch Halten und Führen eines Endoskops die minimalinvasive Bildgebung ermöglichen.According to DIN EN ISO 8373, a manipulator is an automatically controlled, freely programmable multipurpose manipulator which can be programmed in three or more axes and can be arranged for use, for example, in automation technology, either at a fixed location or in a movable manner. A manipulator carries end effectors, such as grippers or tools, or workpieces. Such manipulators are used for example in the field of medical technology, such as in minimally invasive surgery. There, the manipulator can, for example, perform a laparoscopic instrument and precisely process very small structures, or enable minimally invasive imaging by holding and guiding an endoscope.

Abhängig von der Anwendung kann es notwendig sein, zu bestimmten Zeitpunkten oder aufgrund von Ereignissen, wie zum Beispiel aufgrund eines Signals eines Totmannschalters oder des Verlassens des Arbeitsraums des Manipulators, eine Benutzereingabe nicht mehr unmittelbar in eine Manipulatorbewegung umzusetzen. Wird während dieses ausgekoppelten Zustandes die Eingabevorrichtung oder ein Arm des Manipulators bewegt, so sind die Pose der Eingabevorrichtung und die entsprechende Pose des Manipulators nicht mehr synchron, d. h. die von der Eingabevorrichtung kommandierte Pose des Manipulators unterscheidet sich von der tatsächlichen Pose des Manipulators. Ebenso kann eine externe Krafteinwirkung auf den Manipulator im eingekoppelten Zustand zu einer asynchronen Pose des Manipulators führen.Depending on the application, it may be necessary at certain times or due to events such as a dead man's switch signal or leaving the working space of the manipulator to no longer translate user input directly into manipulator motion. If the input device or an arm of the manipulator is moved during this decoupled state, the pose of the input device and the corresponding pose of the manipulator are out of sync, d. H. the manipulator's pose commanded by the input device is different from the actual pose of the manipulator. Likewise, an external force acting on the manipulator in the coupled state can lead to an asynchronous pose of the manipulator.

Stimmen die Pose der Eingabevorrichtung und die entsprechende Pose des Manipulators nicht überein, liegt also eine Abweichung vor, wird unter Umständen eine Eingabe an der Eingabevorrichtung (Master) nicht wie erwartet vom Manipulator (Slave) umgesetzt. Beispielsweise kann eine Abweichung in der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators und des Eingabekoordinatensystems der Eingabevorrichtung dazu führen, dass eine Drehung, welche der Bediener um die x-Achse kommandieren möchte, tatsächlich als Drehung um die y-Achse kommandiert wird. Ein entsprechendes Umdenken des Bedieners wäre notwendig, um den gewohnten Drehachsen der Eingabevorrichtung, die aufgrund der Abweichung abweichenden Drehachsen des Manipulators zuzuordnen und so die gewünschte Änderung der Pose am Manipulator richtig zu kommandieren. Dieses Umdenken ist jedoch äußerst fehleranfällig und daher unerwünscht.If the pose of the input device and the corresponding pose of the manipulator do not match, ie if there is a deviation, an input on the input device (master) may not be converted as expected by the manipulator (slave). For example, a deviation in the orientation of the output coordinate system of the manipulator and the input coordinate system of the input device may cause a rotation that the operator would command about the x-axis actually commanded as a rotation about the y-axis. A corresponding rethinking of the operator would be necessary to the usual axes of rotation of the input device, which deviates due to the deviation To assign rotary axes of the manipulator and so command the desired change in the pose on the manipulator properly. However, this rethinking is extremely prone to error and therefore undesirable.

Bei bekannten Verfahren zur Synchronisation der Pose einer Eingabevorrichtung und eines Manipulators muss die Pose der Eingabevorrichtung nach der Ermittlung der Abweichung in einem ausgekoppelten Zustand korrigiert werden, beispielsweise durch manuelles Bewegen der Eingabevorrichtung bis zur korrekten Pose. Gemäß diesem bekannten Verfahren ist ein Steuern des Manipulators mittels der Eingabevorrichtung während der Synchronisation nicht möglich, wodurch Arbeitsabläufe verzögert werden. Bei anderen Verfahren werden aktive Eingabevorrichtungen benötigt, die sich selbstständig auf die korrekte Pose einstellen.In known methods for synchronizing the pose of an input device and a manipulator, the pose of the input device must be corrected after detecting the deviation in a decoupled state, for example by manually moving the input device to the correct pose. According to this known method, controlling the manipulator by means of the input device during the synchronization is not possible, which delays work processes. Other methods require active input devices that self-adjust to the correct pose.

Beispielsweise offenbart die US 2014/0 236 565 A1 eine Roboterlehr-vorrichtung und ein -verfahren, die ein virtuelles Bild eines Roboters nutzen. Die US 9,052,710 B1 offenbart ein System zur Verfolgung menschlicher Gesten, die zur Steuerung eines Manipulators genutzt werden. Weiterhin sind aus DE 10 2005 047 489 A1 ein Verfahren und ein entsprechendes System zur Programmierung von Arbeits- und Bewegungsabläufen von Robotern zur Automatisierung mit mindestens einem beweglichen Aktor und mit mindestens einer Bewegungssteuerung oder einer Antriebsregelung für den Aktor bekannt. Die DE 10 2011 014 299 A1 offenbart Verfahren und Mittel zum Steuern einer Automatisierungseinrichtung, insbesondere eines Roboters, wobei zunächst ein virtuelles Modell der realen Automatisierungseinrichtung eingerichtet wird und das Modell ein virtuelles Erfassungsmittel aufweist. Zudem sind aus EP 2 483 039 B1 ein System und ein Verfahren zur synchronen Nachahmung der Bewegung einer Hand oder eines anderen Endelements durch einen Roboter bekannt.For example, the US 2014/0 236 565 A1 a robotic teaching apparatus and method using a virtual image of a robot. The US 9,052,710 B1 discloses a system for tracking human gestures used to control a manipulator. Furthermore are out DE 10 2005 047 489 A1 a method and a corresponding system for programming operations and movements of robots for automation with at least one movable actuator and with at least one motion control or a drive control for the actuator known. The DE 10 2011 014 299 A1 discloses methods and means for controlling an automation device, in particular a robot, wherein initially a virtual model of the real automation device is set up and the model has a virtual detection means. In addition are out EP 2 483 039 B1 a system and method for synchronously mimicking the movement of a hand or other end element by a robot.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei auftretenden Abweichungen in der Pose des Manipulators und der Pose der Eingabevorrichtung, diese Abweichungen kontinuierlich während der Steuerung des Manipulators zu synchronisieren. Somit können die oben beschriebenen Nachteile ausgeräumt werden.It is therefore an object of the present invention, in the event of deviations in the pose of the manipulator and the pose of the input device, to continuously synchronize these deviations during the control of the manipulator. Thus, the disadvantages described above can be eliminated.

3. Ausführliche Beschreibung der Erfindung3. Detailed description of the invention

Die oben genannten Aufgaben werden gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur kontinuierlichen Synchronisation einer Pose eines Manipulators und einer Pose der Eingabevorrichtung gemäß Anspruch 1, sowie durch ein entsprechendes Manipulatorsystem nach Anspruch 14.The above objects are achieved by a method according to the invention for the continuous synchronization of a pose of a manipulator and a pose of the input device according to claim 1, and by a corresponding manipulator system according to claim 14.

Insbesondere werden die oben genannten Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Synchronisation der Pose eines Manipulators und einer Eingabevorrichtung, wobei die Eingabevorrichtung zur Steuerung des Manipulators eingerichtet ist, und das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

  • a) Bestimmen der Abweichung in der Pose des Manipulators und der Eingabevorrichtung zu einem ersten Zeitpunkt tk;
  • b) Erfassen einer kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung, und Konvertieren der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in eine kommandierte Änderung der Pose des Manipulators;
  • c) Bestimmen zumindest eines Korrekturterms, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in der Richtung der Abweichung verläuft, wobei der Korrekturterm so bestimmt wird, dass der Korrekturterm in Richtung der genannten zumindest einen Komponente verläuft;
  • d) Bestimmen einer neuen Pose des Manipulators, wobei sich die neue Pose des Manipulators aus der Kombination der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung und des zuvor bestimmten Korrekturterms ergibt, wobei sich die Abweichung zumindest verringert; und
  • e) Bewegen des Manipulators in die zuvor bestimmte, neue Pose des Manipulators, sodass die neue Pose bis zu einem zweiten Zeitpunkt tk+1 erreicht wird.
In particular, the above-mentioned objects are achieved by a method for continuously synchronizing the pose of a manipulator and an input device, wherein the input device is arranged to control the manipulator, and the method comprises the following method steps:
  • a) determining the deviation in the pose of the manipulator and the input device at a first time t k ;
  • b) detecting a commanded change in the pose of the input device, and converting the commanded change in the pose of the input device into a commanded change in the pose of the manipulator;
  • c) determining at least one correction term when at least one component of the commanded change in pose of the input device is in the direction of the deviation, the correction term being determined such that the correction term extends toward said at least one component;
  • d) determining a new pose of the manipulator, wherein the new pose of the manipulator results from the combination of the commanded change of the pose of the input device and the previously determined correction term, wherein the deviation is at least reduced; and
  • e) moving the manipulator into the previously determined, new pose of the manipulator so that the new pose is reached until a second time t k + 1 .

Das Bestimmen der Abweichung in Verfahrensschritt a) kann beispielsweise durch einen Vergleich der absoluten Pose der Eingabevorrichtung und der absoluten Pose des Manipulators erfolgen. Dabei wird vorzugsweise ein gemeinsames Referenzsystem genutzt und der Betrag und die Richtung der Abweichung in der Position von Eingabepunkt und Bezugspunkt und der Orientierung von Eingabekoordinatensystem und Ausgabekoordinatensystem bestimmt.The determination of the deviation in method step a) can take place, for example, by a comparison of the absolute pose of the input device and the absolute pose of the manipulator. In this case, it is preferable to use a common reference system and to determine the amount and the direction of the deviation in the position of the input point and reference point and the orientation of the input coordinate system and the output coordinate system.

Beispielsweise wird die Abweichung bestimmt, indem die Posen (Orientierung und Position) der Eingabevorrichtung (Master) T M / M und des Manipulators (Slave) T S / S zueinander in Bezug gebracht werden. Zu diesem Zweck werden die Posen T M / M und T S / S in ein gemeinsames Referenzsystem transformiert. Die dazu notwendigen Transformationen werden mit MTR und STR bezeichnet. Im trivialen Fall sind diese gleich der Einheitsmatrix. Die Pose des Manipulators und die Pose der Eingabevorrichtung im gemeinsamen Referenzsystem ergeben sich somit zu:

Figure DE102015209773B3_0002
For example, the deviation is determined by the poses (orientation and position) of the input device (master) TM / M and the manipulator (slave) TS / S related to each other. For this purpose, the poses TM / M and TS / S transformed into a common reference system. The necessary transformations are denoted by M T R and S T R. In the trivial case these are equal to the unit matrix. The pose of the manipulator and the pose of the input device in the common reference system thus result in:
Figure DE102015209773B3_0002

Wobei RM, RS die Orientierung des Eingabekoordinatensystems (Index M) bzw. des Ausgabekoordinatensystems (Index S) und p →M, p →S entsprechend die Position des Eingabepunktes bzw. des Bezugspunktes bezeichnet. Folglich kann die Abweichung in der Translation p →r bestimmt werden: p →r = p →S – p →M Wherein R M , R S denotes the orientation of the input coordinate system (index M) or the output coordinate system (index S) and p → M , p → S corresponding to the position of the input point or the reference point. Consequently, the deviation in the translation p → r can be determined: p → r = p → S - p → M

Die Abweichung in der Orientierung Rr bestimmt sich beispielsweise zu: Rr = RS –1·RM The deviation in the orientation R r is determined, for example, by: R r = R s -1 .R M

Ein gemeinsames Referenzsystem ist vorteilhaft, da so die Bestimmung der Abweichung beschleunigt werden kann. Besonders bevorzugt liegt das Bestimmen der Abweichung lediglich im Abrufen und/oder Verwenden bereits bekannter Abweichungsdaten. Zur Ausführung des Verfahrens genügt es, dass dem Manipulatorsystem die Abweichung bekannt ist; eine explizite Berechnung ist in diesem Fall nicht erforderlich. Insbesondere kann die Abweichung in der Pose eine translatorische Abweichung zwischen Bezugspunkt und Eingabepunkt in zumindest einem der drei translatorischen Freiheitsgrade, und/oder eine rotatorische Abweichung zwischen Ausgabekoordinatensystem des Manipulators und Eingabekoordinatensystem der Eingabevorrichtung in zumindest einem der drei rotatorischen Freiheitsgrade sein.A common reference system is advantageous because it allows the determination of the deviation to be accelerated. Particularly preferably, the determination of the deviation is merely in retrieving and / or using already known deviation data. For carrying out the method, it is sufficient that the deviation is known to the manipulator system; an explicit calculation is not required in this case. In particular, the deviation in the pose may be a translational deviation between reference point and input point in at least one of the three translatory degrees of freedom, and / or a rotational deviation between output manipulator system of the manipulator and input coordinate system of the input device in at least one of the three rotational degrees of freedom.

Der Eingabepunkt ist ein Punkt, der der Eingabevorrichtung zugeordnet ist. Wird die Eingabevorrichtung beispielsweise durch einen Bediener bewegt, so wird auch der Eingabepunkt bewegt, wobei sich die Position des Eingabepunktes und/oder die Orientierung des Eingabekoordinatensystems ändern. Folglich ändert sich die Pose der Eingabevorrichtung, welche durch die Position des Eingabepunktes und die Orientierung des Eingabekoordinatensystems bestimmt ist. Der Eingabepunkt ist der Ursprung des Eingabekoordinatensystems. Die so kommandierte Änderung der Pose der Eingabevorrichtung wird vom Manipulatorsystem erfasst, und in eine entsprechende Änderung der Pose des Manipulators konvertiert. Zur Bestimmung der Pose des Manipulators ist dem Manipulator ein Bezugspunkt zugeordnet, der den Ursprung eines Ausgabekoordinatensystems bildet. Die Position des Bezugspunktes und die Orientierung des Ausgabekoordinatensystems bestimmen die Pose des Manipulators. Typischerweise ist der Bezugspunkt der Tool Center Point (TCP), der Handwurzelpunkt des Manipulators (HWP), oder ein anderer, für die Bewegung des Manipulators charakteristischer Punkt. Wird der Manipulator entsprechend der kommandierten Änderung der Pose des Manipulators bewegt, so kann der Bediener den Manipulator mittels der Eingabevorrichtung steuern. Eingabevorrichtungen sind bekannt und können unter anderem beispielsweise 6D Mäuse, haptische Eingabevorrichtungen, wie beispielsweise die Omega-Eingabevorrichtungen von Force Dimension, oder sensitive Manipulatoren, wie beispielsweise LBR iiwa der KUKA AG umfassen.The entry point is a point associated with the input device. If the input device is moved, for example, by an operator, the input point is also moved, with the position of the input point and / or the orientation of the input coordinate system changing. Consequently, the pose of the input device, which is determined by the position of the input point and the orientation of the input coordinate system, changes. The entry point is the origin of the input coordinate system. The thus commanded change in the pose of the input device is detected by the manipulator system, and converted into a corresponding change in the pose of the manipulator. To determine the pose of the manipulator, the manipulator is assigned a reference point, which forms the origin of an output coordinate system. The position of the reference point and the orientation of the output coordinate system determine the pose of the manipulator. Typically, the reference point is the Tool Center Point (TCP), the wrist-man point of the manipulator (HWP), or another point characteristic of manipulator motion. When the manipulator is moved in accordance with the commanded change in pose of the manipulator, the operator can control the manipulator by means of the input device. Input devices are known and may include, for example, 6D mice, haptic input devices, such as Force Dimension omega input devices, or sensitive manipulators, such as KUKA AG's LBR iiwa.

Um die zuvor bestimmte Abweichung zu korrigieren und so die Pose der Eingabevorrichtung und die Pose des Manipulators zu synchronisieren, ist es vorteilhaft einen Korrekturterm zu bestimmen, mittels dessen die bestehende Abweichung während des Ausführens von Bewegungen gemäß der kommandierten Änderung der Pose des Manipulators, respektive den kommandierten Änderungen der Pose der Eingabevorrichtung, verringert oder sogar eliminiert werden kann. Somit kann die Abweichung synchronisiert werden, während der Manipulator bereits mittels der Eingabevorrichtung gesteuert wird. Dies erfolgt für den Bediener quasi unmerklich, so dass die Synchronisation quasi von allein in Laufe der Benutzung erfolgt.In order to correct the previously determined deviation and thus to synchronize the pose of the input device and the pose of the manipulator, it is advantageous to determine a correction term by which the existing deviation during the execution of movements according to the commanded change of the pose of the manipulator, respectively Commanded changes in the pose of the input device, can be reduced or even eliminated. Thus, the deviation can be synchronized while the manipulator is already being controlled by the input device. This is done almost imperceptibly for the operator, so that the synchronization takes place quasi by itself in the course of use.

Vorzugsweise wird der Korrekturterm dann bestimmt, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in der Richtung (translatorische Richtung und Drehsinn) der Abweichung verläuft. Dabei kann sich die kommandierte Änderung der Pose der Eingabevorrichtung aus einer rotatorischen und einer translatorischen Änderung zusammensetzen. Die rotatorische Änderung kann mittels dreier Komponenten bestimmt werden, welche durch die drei rotatorischen Freiheitsgrade eindeutig bestimmbar sind. Die translatorische Änderung kann ebenso mittels dreier Komponenten bestimmt werden, welche durch die drei translatorischen Freiheitsgrade eindeutig bestimmenbar sind. Somit entsprechen die Komponenten der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung, beispielsweise in einem kartesischen Referenzsystem, den translatorischen Achsen x, y und z und den Rotationen um eben diese Achsen, die beispielsweise durch die Winkel α, β, γ beschrieben werden. Wird zur Beschreibung der kommandierten Änderung ein anderes Koordinatensystem oder eine andere Darstellung gewählt, so können die Komponenten auch in diesem Koordinatensystem oder dieser Darstellung beschrieben werden.Preferably, the correction term is determined when at least one component of the commanded change in the pose of the input device is in the direction (translational direction and direction of rotation) of the deviation. In this case, the commanded change in the pose of the input device can be composed of a rotational and a translatory change. The rotational change can be determined by means of three components, which can be determined unambiguously by the three rotational degrees of freedom. The translational change can also be determined by means of three components, which can be determined unambiguously by the three translatory degrees of freedom. Thus, the components of the commanded change correspond to the pose of the input device, for example in one Cartesian reference system, the translational axes x, y and z and the rotations about these same axes, which are described for example by the angle α, β, γ. If a different coordinate system or another representation is selected to describe the commanded change, the components can also be described in this coordinate system or in this representation.

Die Richtung der Abweichung kann ebenfalls entsprechend der Komponenten beschrieben werden, und umfasst demgemäß sowohl die Richtung einer Translation und den Drehsinn einer Rotation. Eine Komponente verläuft genau dann in Richtung der Abweichung, wenn diese in positiver oder negativer Richtung der Abweichung verläuft, also gleichgerichtet oder entgegengesetzt ist. Die Abweichung weist in positiver Richtung vom Eingabepunkt zum Bezugspunkt, bzw. von einer Orientierung des Eingabekoordinatensystems zu einer Orientierung des Ausgabekoordinatensystems.The direction of the deviation may also be described according to the components, and accordingly includes both the direction of translation and the sense of rotation. A component runs in the direction of the deviation if and only if it runs in the positive or negative direction of the deviation, ie it is rectified or opposite. The deviation points in the positive direction from the input point to the reference point, or from an orientation of the input coordinate system to an orientation of the output coordinate system.

Die Bestimmung eines Korrekturterms, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in der Richtung der Abweichung verläuft, ist vorteilhaft, da nur in diesem Fall ein Korrekturterm gemäß dem bevorzugten Verfahren benötigt wird. Da die Steuerung des Manipulators mittels der Eingabevorrichtung typischerweise ein Echtzeiterfordernis aufweist, ist die Berechnung des Korrekturterms zeitkritisch. Wird der Korrekturterm nur berechnet, wenn er benötigt wird, so kann Rechenzeit eingespart werden. Das Manipulatorsystem kann folglich effizient und schnell arbeiten.The determination of a correction term when at least one component of the commanded change in the pose of the input device is in the direction of the deviation is advantageous since only in this case a correction term according to the preferred method is needed. Since the control of the manipulator by means of the input device typically has a real-time requirement, the calculation of the correction term is time-critical. If the correction term is calculated only when it is needed, then calculation time can be saved. The manipulator system can thus operate efficiently and quickly.

Da der Korrekturterm in Richtung der genannten zumindest einen Komponente der Änderung der kommandierten Pose der Eingabevorrichtung verläuft, also in deren positiver oder negativer Richtung, beeinflusst der Korrekturterm die neue Pose des Manipulators, welche in Verfahrensschritt d) bestimmt wird, so dass sich die Abweichung zumindest verringert.Since the correction term runs in the direction of said at least one component of the change in the commanded pose of the input device, ie in its positive or negative direction, the correction term influences the new pose of the manipulator, which is determined in method step d), so that the deviation is at least reduced.

In einem veranschaulichenden, eindimensionalen Beispiel sei die Position des Bezugspunktes (entspricht hier der Pose des Manipulators) um 5 Einheiten in positiver Richtung gegenüber der Position des Eingabepunktes (entspricht hier der Pose der Eingabevorrichtung) verschoben. Die Abweichung beträgt folglich +5. Wird nun eine Änderung der Position des Eingabepunktes kommandiert, welche beispielsweise 3 Einheiten in positiver Richtung (+3) beträgt, so wird ein Korrekturterm bestimmt. Im genannten Beispiel sei die Skalierung des Manipulatorsystems 1:1, so dass beim Konvertieren der kommandierten Änderung der Position des Eingabepunktes in eine kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes, eine kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes von +3 in positiver Richtung bestimmt würde. Ohne einen Korrekturterm würde diese kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes umgesetzt, sodass nach dem Bewegen des Bezugspunktes des Manipulators die Abweichung noch immer +5 betrüge. Wird nun ein Korrekturterm bestimmt, welcher die Abweichung zumindest verringert, so könnte dieser beispielsweise 2 Einheiten in negativer Richtung (–2) betragen. Bei der Bestimmung einer neuen Position des Bezugspunktes des Manipulators durch die Kombination der kommandierten Änderung der Position des Eingabepunktes und des zuvor bestimmten Korrekturterms, ergäbe sich beispielsweise eine neue Position die 1 Einheit in positiver Richtung von der ursprünglichen Pose des Bezugspunktes entfernt läge. Da der Eingabepunkt jedoch um 3 Einheiten in positiver Richtung, der Bezugspunkt hingegen nur um 1 Einheit in positiver Richtung bewegt würde, ergäbe sich eine neue, verringerte Abweichung von +3 (+5 – 2 = +3).In an illustrative, one-dimensional example, the position of the reference point (corresponding to the pose of the manipulator) is shifted by 5 units in the positive direction relative to the position of the input point (corresponds to the pose of the input device). The deviation is therefore +5. If a change of the position of the input point is now commanded, which for example amounts to 3 units in the positive direction (+3), then a correction term is determined. In the example mentioned, the scaling of the manipulator system is 1: 1, so that when converting the commanded change of the position of the input point into a commanded change in the position of the reference point, a commanded change of the position of the reference point would be determined by +3 in the positive direction. Without a correction term, this commanded change in the position of the reference point would be implemented so that after moving the reference point of the manipulator, the deviation would still be +5. If a correction term is then determined which at least reduces the deviation, this could be, for example, 2 units in the negative direction (-2). In determining a new position of the reference point of the manipulator through the combination of the commanded change of the position of the input point and the previously determined correction term, for example, a new position would be the unit in the positive direction away from the original pose of the reference point. However, since the input point would be moved by 3 units in the positive direction, the reference point would only move by 1 unit in the positive direction, would result in a new, reduced deviation of +3 (+5 - 2 = +3).

Wie im vereinfachten Beispiel gezeigt, kann die Abweichung mit dem beschriebenen Verfahren während der Steuerung des Manipulators verringert werden. Dies ist vorteilhaft, da so Abweichungen sukzessive ausgeglichen werden können, bis die Pose der Eingabevorrichtung und die Pose des Manipulators wieder synchron sind. Diese Synchronisierung erfolgt ohne bewusstes Korrigieren des Bedieners und kann somit im Hintergrund und quasi unbemerkt ablaufen. Die Steuerung des Manipulators kann dabei ohne größere Beeinträchtigungen erfolgen, auch wenn die Pose der Eingabevorrichtung und die Pose des Manipulators zunächst nicht synchron sind.As shown in the simplified example, the deviation can be reduced with the described method during the manipulation of the manipulator. This is advantageous, as it allows deviations to be compensated successively until the pose of the input device and the pose of the manipulator are synchronized again. This synchronization takes place without deliberately correcting the operator and can therefore take place in the background and virtually unnoticed. The control of the manipulator can be done without major adverse effects, even if the pose of the input device and the pose of the manipulator are initially out of sync.

Vorzugsweise wird eine kommandierte Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in eine kommandierte Änderung der Pose des Manipulators mittels eines Skalierungsfaktors „f” konvertiert und der Skalierungsfaktor ist vorzugsweise 0 < f ≤ 1. Eine Skalierung der Konvertierung der Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in eine Änderung der Pose des Manipulators, ermöglicht in einem ersten Fall, kleine Bewegungen des Eingabepunktes/Eingabekoordinatensystems der Eingabevorrichtung in große Bewegungen des Bezugspunktes/Ausgabekoordinatensystems des Manipulators zu konvertieren. Umgekehrt können in einem zweiten Fall, große Bewegungen des Eingabepunktes/Eingabekoordinatensystems der Eingabevorrichtung in kleine Bewegungen des Bezugspunktes/Ausgabekoordinatensystems des Manipulators konvertiert werden.Preferably, a commanded change in the pose of the input device is converted to a commanded change in pose of the manipulator by means of a scaling factor "f" and the scaling factor is preferably 0 <f ≤ 1. Scaling the conversion of the pose of the input device to a change in pose of the manipulator, in a first case allows to convert small movements of the input / input coordinate system of the input device into large movements of the reference point / output coordinate system of the manipulator. Conversely, in a second case, large movements of the input point / input coordinate system of the input device may be converted into small movements of the reference point / output coordinate system of the manipulator.

Im ersten Fall können beispielsweise durch die Eingabevorrichtung große Manipulatoren gesteuert werden. Dies ermöglicht das Bewegen großer Gegenstände oder Werkzeuge mittels des Manipulators über weite Strecken. Gemäß dem zweiten Fall wird der Skalierungsfaktor f vorzugsweise im Bereich 0 < f ≤ 1 gewählt, so dass beispielsweise Bewegungen an der Eingabevorrichtung in kleine Bewegungen des Manipulators umgesetzt werden. Eine solche Anwendung findet sich beispielsweise in der minimal invasiven Chirurgie. Die Bewegungen des Eingabepunktes der Eingabevorrichtung können so in sehr kleine, präzise Bewegungen des Manipulators konvertiert werden. In the first case, for example, large manipulators can be controlled by the input device. This allows moving large objects or tools by means of the manipulator over long distances. According to the second case, the scaling factor f is preferably selected in the range 0 <f ≦ 1, so that, for example, movements on the input device are converted into small movements of the manipulator. Such an application is found, for example, in minimally invasive surgery. The movements of the input point of the input device can thus be converted into very small, precise movements of the manipulator.

Vorzugsweise wird der Korrekturterm so bestimmt, dass, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in positiver Richtung der Abweichung verläuft, der Manipulator in der entsprechenden Komponente um einen translatorischen und/oder rotatorischen Betrag weniger weit bewegt wird, als von der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung, welche in eine kommandierte Änderung der Pose des Manipulators konvertiert wird, kommandiert ist.Preferably, the correction term is determined such that when at least one component of the commanded change in the pose of the input device is in the positive direction of the deviation, the manipulator in the corresponding component is moved less by a translational and / or rotational amount than commanded Change the pose of the input device, which is converted into a commanded change in the pose of the manipulator commanded.

Wird der Korrekturterm so gewählt, so kann die Eingabevorrichtung den Manipulator während der Bewegung des Manipulators einholen. Dies führt zumindest zu einer Verringerung der Abweichung und vorzugsweise bei wiederholter kommandierter Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in positiver Richtung der Abweichung zu einer vollständigen Eliminierung der Abweichung und somit zur Synchronisation. Insbesondere kann die Abweichung bereits bei der ersten kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in positiver Richtung der Abweichung vollständig synchronisiert sein. Vorzugsweise wird der Manipulator in der Richtung der kommandierten Änderung um einen translatorischen und/oder rotatorischen Betrag weniger weit bewegt als kommandiert, bis die Eingabevorrichtung den Manipulator eingeholt hat. Somit wird zwar die vollständige Synchronisation verzögert, jedoch erfährt der Bediener eine unmittelbare Rückmeldung, in Form einer Bewegung des Manipulators, auf seine Eingabe an der Eingabevorrichtung. Dadurch wird die Steuerung des Manipulatorsystems vereinfacht. Insbesondere wird ein Übersteuern durch den Bediener vermieden, da dieser eine unmittelbare Rückmeldung erfährt.If the correction term is selected, the input device can catch up with the manipulator during the movement of the manipulator. This leads at least to a reduction of the deviation and preferably in the case of repeated commanded change of the pose of the input device in the positive direction of the deviation to a complete elimination of the deviation and thus to synchronization. In particular, the deviation may already be completely synchronized in the positive direction of the deviation during the first commanded change in the pose of the input device. Preferably, the manipulator is moved in the direction of the commanded change by a translatory and / or rotational amount less than commanded until the input device has overtaken the manipulator. Thus, while the full synchronization is delayed, the operator experiences immediate feedback, in the form of movement of the manipulator, to his input on the input device. This simplifies the control of the manipulator system. In particular, an override is avoided by the operator, as this experiences an immediate feedback.

Die Rückmeldung erfährt der Bediener vorzugsweise durch direkten Sichtkontakt auf den Manipulator. Ist die Skalierung so klein gewählt, dass eine direkte visuelle Rückmeldung nicht möglich ist, oder ist eine direkte visuelle Rückmeldung beispielsweise aufgrund der räumlichen Trennung von Eingabevorrichtung und Manipulator nicht möglich, so wird vorzugsweise eine Anzeigevorrichtung verwendet, um die Rückmeldung an den Bediener auszugeben. Eine solche Anzeigevorrichtung kann ein Display umfassen, auf welchem zumindest ein Teil des Manipulators, insbesondere der Bezugspunkt und/oder das Ausgabekoordinatensystem des Manipulators abgebildet wird. Die Abbildung des Bezugspunkts und/oder des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators kann eine schematische Darstellung umfassen oder auf realen Bilddaten beruhen. Andere Rückmeldungssysteme, wie beispielsweise eine haptische Rückmeldung sind ebenfalls möglich.The feedback is preferably experienced by the operator by direct visual contact with the manipulator. If the scaling chosen so small that a direct visual feedback is not possible, or a direct visual feedback, for example due to the spatial separation of input device and manipulator is not possible, a display device is preferably used to output the feedback to the operator. Such a display device may comprise a display on which at least a part of the manipulator, in particular the reference point and / or the output coordinate system of the manipulator is imaged. The image of the reference point and / or the output coordinate system of the manipulator may comprise a schematic representation or be based on real image data. Other feedback systems, such as haptic feedback, are also possible.

Vorzugsweise wird der Korrekturterm so bestimmt, dass, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in negativer Richtung der Abweichung verläuft, der Manipulator in der entsprechenden Komponente um einen translatorischen und/oder rotatorischen Betrag weiter bewegt wird, als von der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung, welche in eine kommandierte Änderung der Pose des Manipulators konvertiert wird, kommandiert ist. Eine entsprechende Bestimmung des Korrekturterms ermöglicht die Verringerung der Abweichung auch dann, wenn die Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in negativer Richtung der Abweichung verläuft, da der Manipulator die Eingabevorrichtung zumindest teilweise einholen kann. Dies ist vorteilhaft, da so eine sehr schnelle Synchronisation erreicht werden kann. Jedoch gilt es zu beachten, dass der Manipulator eine weitere Bewegung ausführt, als durch den Bediener kommandiert, so dass potentielle Gefahren entstehen können. Diese können beispielsweise eine Kollision mit in der Umgebung befindlichen Strukturen oder Personen sein. In diesem Fall wird vorzugsweise die Bewegung des Manipulators zusätzlich überwacht, um eine sichere Bewegung zu gewährleisten. Die Überwachung umfasst beispielsweise eine Kollisionsüberwachung, eine Arbeitsraumüberwachung eine Singularitätenüberwachung und/oder andere Überwachungsmechanismen.Preferably, the correction term is determined such that, if at least one component of the commanded change in the pose of the input device is in the negative direction of the deviation, the manipulator in the corresponding component is further moved by a translational and / or rotational amount than the commanded change the pose of the input device, which is converted into a commanded change in the pose of the manipulator, is commanded. A corresponding determination of the correction term makes it possible to reduce the deviation even if the change in the pose of the input device is in the negative direction of the deviation, since the manipulator can at least partially catch up with the input device. This is advantageous, since such a very fast synchronization can be achieved. However, it should be noted that the manipulator performs another movement than commanded by the operator so that potential hazards may arise. These may be, for example, a collision with surrounding structures or persons. In this case, preferably, the movement of the manipulator is additionally monitored in order to ensure a safe movement. The monitoring includes, for example, a collision monitoring, a workspace monitoring a singularity monitoring and / or other monitoring mechanisms.

Vorzugsweise umfasst der Korrekturterm einen translatorischen und/oder rotatorischen Korrekturterm. Die Bereitstellung eines translatorischen und/oder rotatorischen Korrekturterms ist vorteilhaft, da der Korrekturterm spezifisch berechnet werden kann. Wird beispielsweise lediglich ein rotatorischer Korrekturterm benötigt, so kann die Bestimmung des translatorischen Korrekturterms weggelassen werden, und so Rechenzeit eingespart werden. Dies gilt auch umgekehrt. Gemäß Verfahrensschritt d) wird die neue Pose des Manipulators aus der Kombination des Korrekturterms und der kommandierten Änderung bestimmt.The correction term preferably comprises a translatory and / or rotational correction term. The provision of a translatory and / or rotational correction term is advantageous since the correction term can be calculated specifically. If, for example, only one rotational correction term is required, the determination of the translatory correction term can be omitted, thus saving computing time. This also applies vice versa. According to method step d), the new pose of the manipulator is determined from the combination of the correction term and the commanded change.

Vorzugsweise ist der Eingabevorrichtung ein Eingabepunkt zugeordnet, wobei der Eingabepunkt der Ursprung eines Eingabekoordinatensystems ist, und wobei die Position des Eingabepunktes und die Orientierung des Eingabekoordinatensystems die Pose der Eingabevorrichtung bestimmen, und wobei dem Manipulator ein Bezugspunkt zugeordnet ist, wobei der Bezugspunkt der Ursprung eines Ausgabekoordinatensystems ist, und wobei die Position des Bezugspunktes und die Orientierung des Ausgabekoordinatensystems die Pose des Manipulators bestimmen. Folglich umfasst eine Änderung der Pose der Eingabevorrichtung bzw. des Manipulators eine Änderung der Position des Eingabepunktes bzw. des Bezugspunktes und eine Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems bzw. des Ausgabekoordinatensystems. Preferably, the input device is associated with an input point, wherein the input point is the origin of an input coordinate system, and wherein the position of the input point and the orientation of the input coordinate system determine the pose of the input device, and wherein the manipulator is assigned a reference point, the reference point being the origin of an output coordinate system and the position of the reference point and the orientation of the output coordinate system determine the pose of the manipulator. Thus, changing the pose of the input device or manipulator includes changing the position of the input point or datum point and changing the orientation of the input coordinate system or the output coordinate system.

Vorzugsweise ist die neue Position des Bezugspunktes des Manipulators, gemäß der neuen Pose des Manipulators, die Vektorsumme der ursprünglichen Position des Bezugspunktes zum Zeitpunkt tk, gemäß der ursprünglichen Pose des Manipulators, des translatorischen Korrekturterms und der kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes des Manipulators. Somit ergibt sich die neue Position des Bezugspunktes

Figure DE102015209773B3_0003
zu:
Figure DE102015209773B3_0004
Preferably, the new position of the reference point of the manipulator, according to the new pose of the manipulator, is the vector sum of the original position of the reference point at time t k , according to the original pose of the manipulator, the translational correction term and the commanded change of the position of the reference point of the manipulator. This results in the new position of the reference point
Figure DE102015209773B3_0003
to:
Figure DE102015209773B3_0004

Wobei die

Figure DE102015209773B3_0005
ursprüngliche Position des Bezugspunktes ist,
Figure DE102015209773B3_0006
der Korrekturterm ist und
Figure DE102015209773B3_0007
die kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes ist.Where the
Figure DE102015209773B3_0005
original position of the reference point,
Figure DE102015209773B3_0006
the correction term is and
Figure DE102015209773B3_0007
the commanded change is the position of the reference point.

Die Berücksichtigung der kommandierten Änderung der Position des Bezugspunktes des Manipulators ermöglicht die Einbeziehung von Skalierungsfaktoren in die Synchronisation. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da sich der Skalierungsfaktor „f” während des Bedienens des Manipulatorsystems ändern kann. So ist es beispielsweise möglich, dass der Bediener etwa, um schnell an eine bestimmte Position gelangen zu können, eine größere Skalierung wählt und diese dann für präzises Arbeiten verkleinert.The consideration of the commanded change of the position of the reference point of the manipulator allows the inclusion of scaling factors in the synchronization. This is particularly advantageous because the scaling factor "f" may change during operation of the manipulator system. It is thus possible, for example, for the operator, in order to be able to reach a specific position quickly, to select a larger scale and then to reduce it for precise work.

Vorzugsweise sind die jeweiligen Komponenten des translatorischen Korrekturterms gleich den entsprechenden Komponenten der kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes mit umgekehrtem Vorzeichen, wenn die entsprechende Komponente der kommandierten Änderung der Position des Bezugspunktes in positiver Richtung der entsprechenden Komponente der Abweichung verläuft, und vorzugsweise sind die jeweiligen Komponenten des translatorischen Korrekturterms gleich Null, wenn die jeweilige Komponente der kommandierten Änderung der Position des Bezugspunktes in negativer Richtung der entsprechenden Komponente der Abweichung verläuft.Preferably, the respective components of the translational correction term are equal to the corresponding components of the commanded change in the position of the reference point of opposite sign when the corresponding component of the commanded change in the position of the reference point is in the positive direction of the corresponding component of the deviation, and preferably the respective components of the translational correction term equals zero when the respective component of the commanded change in the position of the reference point is in the negative direction of the corresponding component of the deviation.

In einem kartesischen Koordinatensystem kann der translatorische Korrekturterm

Figure DE102015209773B3_0008
beispielsweise in seinen einzelnen Komponenten i ∊ {x, y, z} bezogen auf die kommandierte Änderung der Position des Eingabepunktes
Figure DE102015209773B3_0009
wie folgt bestimmt werden:
Figure DE102015209773B3_0010
In a Cartesian coordinate system, the translatory correction term
Figure DE102015209773B3_0008
For example, in its individual components i ε {x, y, z} with respect to the commanded change in the position of the input point
Figure DE102015209773B3_0009
be determined as follows:
Figure DE102015209773B3_0010

Gemäß der beispielhaften Formel wird eine kommandierte Bewegung des Bezugspunktes des Manipulators solange durch den Korrekturterm kompensiert, bis die Abweichung synchronisiert ist, wenn die kommandierte Bewegung des Eingabepunktes der Eingabevorrichtung in positiver Richtung der Abweichung verläuft. Verläuft die kommandierte Bewegung des Eingabepunktes in negativer Richtung der Abweichung, so ist der Korrekturterm in dieser Komponente gleich Null und die Abweichung wird nicht verringert. Somit kann ein einfaches, robustes und effizientes Synchronisationsverfahren für die Translation geschaffen werden. Da der Bezugspunkt des Manipulators in diesem Fall nicht oder gemäß der kommandierten Bewegung bewegt wird, sind diese Bestimmung des Korrekturterms und die resultierende Bewegung des Manipulators sicher.According to the exemplary formula, a commanded movement of the reference point of the manipulator is compensated by the correction term until the deviation is synchronized when the commanded movement of the input point of the input device is in the positive direction of the deviation. If the commanded movement of the input point runs in the negative direction of the deviation, then the correction term in this component is equal to zero and the deviation is not reduced. Thus, a simple, robust and efficient synchronization method for the translation can be created. Since the reference point of the manipulator is not moved in this case or according to the commanded movement, this determination of the correction term and the resulting movement of the manipulator are safe.

Vorzugsweise ist die neuen Orientierung

Figure DE102015209773B3_0011
des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators, gemäß der neuen Pose des Manipulators, das Matrixprodukt der ursprünglichen Orientierung
Figure DE102015209773B3_0012
des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators zum Zeitpunkt tk, gemäß der ursprünglichen Pose des Manipulators, des rotatorischen Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0013
und der kommandierte Änderung der Orientierung
Figure DE102015209773B3_0014
des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators. Somit ergibt sich die neue Orientierung des Ausgabekoordinatensystems
Figure DE102015209773B3_0015
beispielsweise zu:
Figure DE102015209773B3_0016
Preferably, the new orientation
Figure DE102015209773B3_0011
the output coordinate system of the manipulator, according to the new pose of the manipulator, the matrix product of the original orientation
Figure DE102015209773B3_0012
the output coordinate system of the manipulator at time t k , according to the original pose of the manipulator, the rotational correction term
Figure DE102015209773B3_0013
and the commanded change of orientation
Figure DE102015209773B3_0014
the output coordinate system of the manipulator. This results in the new orientation of the output coordinate system
Figure DE102015209773B3_0015
for example:
Figure DE102015209773B3_0016

Die Berücksichtigung der kommandierten Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems ermöglicht die Einbeziehung von Skalierungsfaktoren in die Synchronisation. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn sich der Skalierungsfaktor „f” während des Bedienens des Manipulatorsystems, wie oben beschrieben, ändern kann. The consideration of the commanded change of the orientation of the output coordinate system allows the inclusion of scaling factors in the synchronization. This is particularly advantageous if the scaling factor "f" can change during operation of the manipulator system as described above.

Vorzugsweise sind die jeweiligen Drehwinkel des rotatorischen Korrekturterms

Figure DE102015209773B3_0017
um die Koordinatenachsen eines Bezugskoordinatensystems, gleich den jeweiligen Drehwinkeln der kommandierte Änderung
Figure DE102015209773B3_0018
der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators mit umgekehrtem Drehsinn, wenn die entsprechenden Drehwinkel der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0019
der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems den gleichen Drehsinn des entsprechenden Drehwinkels der Abweichung Rr aufweisen, und vorzugsweise sind die jeweiligen Drehwinkel des rotatorischen Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0020
gleich null, wenn die entsprechenden Drehwinkel der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0021
der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems den entgegengesetzten Drehsinn des entsprechenden Drehwinkels der Abweichung Rr aufweisen.Preferably, the respective rotational angles of the rotational correction term
Figure DE102015209773B3_0017
around the coordinate axes of a reference coordinate system, equal to the respective rotation angles of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0018
the orientation of the output coordinate system of the manipulator with reverse rotation when the corresponding rotation angle of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0019
the orientation of the output coordinate system have the same direction of rotation of the corresponding rotation angle of the deviation R r , and preferably, the respective rotation angle of the rotational correction term
Figure DE102015209773B3_0020
equal to zero, if the corresponding rotation angle of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0021
the orientation of the output coordinate system have the opposite direction of rotation of the corresponding rotation angle of the deviation R r .

Analog zur beispielhaften Bestimmung des translatorischen Korrekturterms, wird vorzugsweise bei der Bestimmung des rotatorischen Korrekturterms eine kommandierte Bewegung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators solange durch den Korrekturterm kompensiert, bis die Abweichung eliminiert ist, wenn die kommandierte Bewegung des Eingabekoordinatensystems des Eingabepunktes im Drehsinn der Abweichung verläuft. Verläuft die kommandierte Bewegung des Eingabekoordinatensystems des Eingabepunktes entgegen des Drehsinns der Abweichung, so ist der Korrekturterm in dieser Komponente gleich Null und die Abweichung wird nicht verringert. Somit kann ein einfaches, robustes und effizientes Synchronisationsverfahren für die Rotation geschaffen werden. Da das Ausgabekoordinatensystem des Manipulators in diesem Fall nicht oder gemäß der kommandierten Bewegung bewegt wird, sind diese Bestimmungen des Korrekturterms und die resultierende Bewegung des Manipulators sicher.Analogously to the exemplary determination of the translatory correction term, in the determination of the rotational correction term, a commanded movement of the output coordinate system of the manipulator is compensated by the correction term until the deviation is eliminated when the commanded movement of the input coordinate system of the input point is in the direction of rotation of the deviation. If the commanded movement of the input coordinate system of the input point runs contrary to the direction of rotation of the deviation, the correction term in this component is equal to zero and the deviation is not reduced. Thus, a simple, robust and efficient synchronization method for the rotation can be created. Since the output coordinate system of the manipulator is not moved in this case or according to the commanded movement, these determinations of the correction term and the resulting movement of the manipulator are safe.

Vorzugsweise wird der resultierende Drehwinkel

Figure DE102015209773B3_0022
des rotatorischen Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0023
derart skaliert, dass der Drehwinkel φΔ der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators in die zuvor bestimmte, neue Orientierung
Figure DE102015209773B3_0024
kleiner oder gleich dem Drehwinkel
Figure DE102015209773B3_0025
der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0026
der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems ist, d. h.
Figure DE102015209773B3_0027
Somit kann sichergestellt werden, dass die tatsächlich ausgeführte Drehung bei der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators in die neue Orientierung nicht größer ist, als die kommandierte Änderung der Orientierung, d. h. als der kommandierte Winkel des Ausgabekoordinatensystems. So kann beispielsweise vermieden werden, dass der Drehwinkel der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems umschlägt, und so die Abweichung entgegen des ursprünglichen kommandierten Drehsinns synchronisiert. Folglich kann mit der Skalierung des Drehwinkels der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems ein sicheres Synchronisationsverfahren bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen, wie beispielsweise der minimal invasiven Chirurgie, vorteilhaft.Preferably, the resulting angle of rotation becomes
Figure DE102015209773B3_0022
of the rotational correction term
Figure DE102015209773B3_0023
scaled such that the rotation angle φ Δ of the movement of the output coordinate system of the manipulator in the previously determined, new orientation
Figure DE102015209773B3_0024
less than or equal to the angle of rotation
Figure DE102015209773B3_0025
the commanded change
Figure DE102015209773B3_0026
the orientation of the output coordinate system, ie
Figure DE102015209773B3_0027
Thus, it can be ensured that the actual rotation performed during the movement of the output coordinate system of the manipulator into the new orientation is not greater than the commanded change of the orientation, ie as the commanded angle of the output coordinate system. For example, it can be avoided that the rotation angle of the movement of the output coordinate system turns over, and thus synchronized the deviation against the original commanded sense of rotation. Consequently, with the scaling of the rotation angle of the movement of the output coordinate system, a secure synchronization method can be provided. This is particularly advantageous in safety-critical applications, such as minimally invasive surgery.

Vorzugsweise wird der Korrekturterm

Figure DE102015209773B3_0028
gemäß der nachstehenden Formel bestimmt:
Figure DE102015209773B3_0029
wobei die Matrizen
Figure DE102015209773B3_0030
Rotationsmatrizen sind, die einer um den Faktor m skalierten Rotation um die Rotationsachen
Figure DE102015209773B3_0031
entsprechen, wobei die Matrizen
Figure DE102015209773B3_0032
einen Drehwinkel
Figure DE102015209773B3_0033
aufweisen und wobei der Drehwinkel
Figure DE102015209773B3_0034
sich zu
Figure DE102015209773B3_0035
berechnet, wobei
Figure DE102015209773B3_0036
der Drehwinkel der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0037
der Orientierung des Eingabekoordinatensystems der Eingabevorrichtung ist, und der Drehwinkel φ ~r sich zu φ ~r = m·φ ~r, berechnet, wobei der Drehwinkel φ ~r das Produkt des kleineren der beiden Winkel von
Figure DE102015209773B3_0038
und dem Betrag des Skalarprodukts der Rotationsachen
Figure DE102015209773B3_0039
ist:
Figure DE102015209773B3_0040
und wobei φr der Drehwinkel der Abweichung Rr ist. Vorzugsweise berechnet sich der Faktor m dabei zu:
Figure DE102015209773B3_0041
Preferably, the correction term
Figure DE102015209773B3_0028
determined according to the formula below:
Figure DE102015209773B3_0029
where the matrices
Figure DE102015209773B3_0030
Rotation matrices are those of a rotation scaled by the factor m rotation
Figure DE102015209773B3_0031
match, with the matrices
Figure DE102015209773B3_0032
a rotation angle
Figure DE102015209773B3_0033
and wherein the angle of rotation
Figure DE102015209773B3_0034
to
Figure DE102015209773B3_0035
calculated, where
Figure DE102015209773B3_0036
the angle of rotation of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0037
the orientation of the input coordinate system of the input device is, and the rotation angle φ ~ r to φ ~ r = m · φ ~ r , calculated, wherein the rotation angle φ ~ r, the product of the smaller of the two angles of
Figure DE102015209773B3_0038
and the magnitude of the dot product of the rotation matters
Figure DE102015209773B3_0039
is:
Figure DE102015209773B3_0040
and where φ r is the rotation angle of the deviation R r . Preferably, the factor m is calculated to be:
Figure DE102015209773B3_0041

Die beschriebene Berechnung stellt sicher, dass die tatsächlich ausgeführte Drehung bei der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems in die neue Orientierung nicht größer ist, als die kommandierte Änderung der Orientierung. Die Berechnung des rotatorischen Korrekturterms in der Rotationsmatrix-Darstellung ist vorteilhaft, da diese Berechnung schnell durchgeführt werden kann, wodurch Rechenzeit und Rechenkapazität eingespart werden können. Dies ist insbesondere für Echtzeit-Anforderungen vorteilhaft. The described calculation ensures that the actual rotation performed when the output coordinate system moves to the new orientation is not greater than the commanded change in orientation. The calculation of the rotational correction term in the rotation matrix representation is advantageous because this calculation can be carried out quickly, whereby computing time and computing capacity can be saved. This is particularly advantageous for real-time requirements.

Vorzugsweise ist der Bezugspunkt der Tool Center Point (TCP) des Manipulators. Die Wahl des TCP als Bezugspunkt des Manipulators ermöglicht eine einfache Konvertierung der kommandierten Änderungen des Eingabepunktes, da die Pose des Endeffektors des Manipulators über den TCP beschrieben wird. Der TCP ist ein gedachter Referenzpunkt, der sich an geeigneter Stelle am Endeffektor des Manipulators befindet und typischerweise das Tool- oder Werkzeugkoordinatensystem definiert. Um zu beschreiben, welche Pose der Endeffektor einnehmen soll, genügt es, die Position des TCP und die Orientierung eines, dem TCP zugeordneten, Koordinatensystems im Raum zu definieren. Sind Bezugspunkt und TCP identisch, entfallen weitere Umrechnungen der Pose in andere Koordinatensysteme, um den Manipulator, respektive den Endeffektor mittels der Eingabevorrichtung zu steuern.Preferably, the reference point is the tool center point (TCP) of the manipulator. The choice of the TCP as the reference point of the manipulator allows a simple conversion of the commanded changes of the input point, since the pose of the end effector of the manipulator is described via the TCP. The TCP is an imaginary reference point that is located at a suitable location on the end effector of the manipulator and typically defines the tool or tool coordinate system. To describe which pose the end effector should occupy, it is sufficient to define the position of the TCP and the orientation of a coordinate system assigned to the TCP in space. If the reference point and TCP are identical, further conversions of the pose to other coordinate systems are unnecessary in order to control the manipulator or the end effector by means of the input device.

Insbesondere werden die oben genannten Aufgaben auch gelöst durch ein Manipulatorsystem umfassend zumindest einen Manipulator und eine mit dem Manipulator verbundene Eingabevorrichtung, wobei das Manipulatorsystem dazu eingerichtet ist ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen. Vorzugsweise umfasst das Manipulatorsystem eine Anzeigevorrichtung, wobei die Anzeigevorrichtung dazu eingerichtet ist, eine Änderung der Pose des Manipulators anzuzeigen.In particular, the abovementioned objects are also achieved by a manipulator system comprising at least one manipulator and an input device connected to the manipulator, wherein the manipulator system is configured to carry out a method according to the claims 1 to 13. Preferably, the manipulator system comprises a display device, wherein the display device is adapted to display a change in the pose of the manipulator.

Die Anzeigevorrichtung ermöglicht eine Rückmeldung der Pose des Manipulators an den Bediener. Ist die Skalierung so klein gewählt, dass eine direkte visuelle Rückmeldung nicht möglich ist, kann die Anzeigevorrichtung die Rückmeldung entsprechend skalieren. Ebenso ermöglich die Anzeigevorrichtung eine visuelle Rückmeldung auch wenn Eingabevorrichtung und Manipulator räumlich getrennt sind. Eine solche Anzeigevorrichtung kann ein Display umfassen, auf welchem zumindest ein Teil des Manipulators, insbesondere der Bezugspunkt und/oder das Ausgabekoordinatensystem des Manipulators abgebildet wird. Die Abbildung des Bezugspunkts des Manipulators kann eine schematische Darstellung umfassen oder auf realen Bilddaten beruhen. Andere Rückmeldungssysteme, wie beispielsweise eine haptische Rückmeldung sind ebenfalls vorstellbar.The display device allows a feedback of the pose of the manipulator to the operator. If the scaling chosen so small that a direct visual feedback is not possible, the display device can scale the feedback accordingly. Likewise, the display device allows visual feedback even when the input device and manipulator are spatially separated. Such a display device may comprise a display on which at least a part of the manipulator, in particular the reference point and / or the output coordinate system of the manipulator is imaged. The image of the reference point of the manipulator may comprise a schematic representation or be based on real image data. Other feedback systems, such as haptic feedback, are also conceivable.

4. Beschreibung der Figuren4. Description of the figures

im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt:In the following, preferred embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the figures. Showing:

1 eine schematische Darstellung eines Manipulatorsystems; 1 a schematic representation of a manipulator system;

2 ein Ablaufschema des Verfahrens zur Synchronisation; 2 a flowchart of the method for synchronization;

3A–C exemplarisch die Bestimmung einer neuen Position des Bezugspunktes des Manipulators; 3A C by way of example the determination of a new position of the reference point of the manipulator;

4A–C exemplarisch eine weitere Bestimmung einer neuen Position des Bezugspunktes des Manipulators; 4A C by way of example a further determination of a new position of the reference point of the manipulator;

5A–C exemplarisch die Bestimmung einer neuen Orientierung Ausgabekoordinatensystems des Manipulators; und 5A -C by way of example the determination of a new orientation of the output coordinate system of the manipulator; and

6A–C exemplarisch eine weitere Bestimmung einer neuen Orientierung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators. 6A C by way of example a further determination of a new orientation of the output coordinate system of the manipulator.

1 zeigt ein Manipulatorsystem 1, welches eine Eingabevorrichtung 200 mit einem Eingabepunkt 210 und einem Eingabekoordinatensystem 210k und einen Manipulator 100 mit einem Bezugspunkt 110 und einem Ausgabekoordinatensystem 110k umfasst. Die Eingabevorrichtung 200 ist mit dem Manipulator 100 verbunden und dazu eingerichtet den Manipulator 100 zu steuern. Vorzugsweise ist die Eingabevorrichtung 200 ein sensitiver Manipulator, welcher Änderungen der Pose der Eingabevorrichtung 200 erfassen kann. Durch die Änderung der Pose der Eingabevorrichtung 200 kann der Manipulator 100 beispielsweise derart gesteuert werden, dass der Bezugspunkt 110 auf der Bewegungsbahn 111, welche durch den Bediener über die Eingabevorrichtung 200 vorgegeben wird, bewegt wird. Eine Anzeigevorrichtung 300 gibt dem Bediener Rückmeldung bezüglich der Pose des Manipulators 100. Dazu nimmt beispielsweise eine Kamera 310 reale Bilddaten des Manipulators 100 auf und sendet diese an die Anzeigevorrichtung 300, auf welcher die Bilddaten angezeigt werden. 1 shows a manipulator system 1 which is an input device 200 with an entry point 210 and an input coordinate system 210k and a manipulator 100 with a reference point 110 and an output coordinate system 110k includes. The input device 200 is with the manipulator 100 connected and set up the manipulator 100 to control. Preferably, the input device is 200 a sensitive manipulator, which changes the pose of the input device 200 can capture. By changing the pose of the input device 200 can the manipulator 100 For example, be controlled such that the reference point 110 on the trajectory 111 which is indicated by the operator via the input device 200 is given, is moved. A display device 300 gives to the operator Feedback regarding the pose of the manipulator 100 , For example, take a camera 310 real image data of the manipulator 100 and sends them to the display device 300 on which the image data is displayed.

2 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens 10 zum kontinuierlichen Synchronisieren. Nach dem Start des Verfahrens wird zunächst im Verfahrensschritt 11 überprüft, ob eine Abweichung p →r, Rr in der Pose des Manipulators 100 und der Eingabevorrichtung 200 zu einem ersten Zeitpunkt tk vorliegt. Diese Abweichung kann in Schritt 12 in Betrag und Richtung (translatorische Richtung und Drehsinn) bestimmt werden. In einem Verfahrensschritt 13 wird eine kommandierte Änderung

Figure DE102015209773B3_0042
der Pose der Eingabevorrichtung 200 erfasst, und in eine kommandierte Änderung
Figure DE102015209773B3_0043
Figure DE102015209773B3_0044
der Pose des Manipulators 100 konvertiert. In Verfahrensschritt 14 wird überprüft, ob zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0045
der Pose der Eingabevorrichtung 200 in der Richtung der Abweichung p →r, Rr verläuft. Ist dies der Fall, so wird in einem Verfahrensschritt 15 zumindest ein Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0046
bestimmt, wobei der Korrekturterm
Figure DE102015209773B3_0047
so bestimmt wird, dass der Korrekturterm
Figure DE102015209773B3_0048
in Richtung der genannten zumindest einen Komponente verläuft. In Verfahrensschritt 16 wird eine neuen Pose
Figure DE102015209773B3_0049
des Manipulators 100 bestimmt, wobei die neue Pose
Figure DE102015209773B3_0050
des Manipulators 100 sich aus der Kombination der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0051
der Pose der Eingabevorrichtung 200 und des zuvor bestimmten Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0052
ergibt, wobei sich die Abweichung p →r, Rr zumindest verringert. In Verfahrensschritt 17 wird der Manipulator 100 in die zuvor bestimmte, neue Pose
Figure DE102015209773B3_0053
des Manipulators 100 bewegt, sodass die neue Pose
Figure DE102015209773B3_0054
bis zu einem zweiten Zeitpunkt tk+1 erreicht wird. 2 shows a flowchart of a method 10 for continuous synchronization. After the start of the process, first in the process step 11 Check if a deviation p → r , R r in the pose of the manipulator 100 and the input device 200 is present at a first time t k . This deviation may be in step 12 in amount and direction (translatory direction and direction of rotation) are determined. In one process step 13 becomes a commanded change
Figure DE102015209773B3_0042
the pose of the input device 200 captured, and in a commanded change
Figure DE102015209773B3_0043
Figure DE102015209773B3_0044
the pose of the manipulator 100 converted. In process step 14 it checks whether at least one component of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0045
the pose of the input device 200 in the direction of deviation p → r , R r . If this is the case, then in one process step 15 at least one correction term
Figure DE102015209773B3_0046
determined, the correction term
Figure DE102015209773B3_0047
is determined so that the correction term
Figure DE102015209773B3_0048
extends in the direction of said at least one component. In process step 16 will be a new pose
Figure DE102015209773B3_0049
of the manipulator 100 determined, taking the new pose
Figure DE102015209773B3_0050
of the manipulator 100 arising from the combination of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0051
the pose of the input device 200 and the previously determined correction term
Figure DE102015209773B3_0052
results, with the deviation p → r , R r at least reduced. In process step 17 becomes the manipulator 100 into the previously determined, new pose
Figure DE102015209773B3_0053
of the manipulator 100 moves, leaving the new pose
Figure DE102015209773B3_0054
until a second time t k + 1 is reached.

Die 3A–C zeigen exemplarisch die Bestimmung einer neuen Position des Bezugspunktes 110, als Teil einer Pose des Manipulators 100. Dabei zeigt 3A die Abweichung 211 zwischen Eingabepunkt 210 und dem Bezugspunkt 110. Die Abweichung 211 zum Zeitpunkt tk bestimmt sich in x-Richtung zu pr,x = 2 und in y-Richtung zu pr,y = 1. Die Abweichung 211 ist als Pfeil mit geschlossener Spitze dargestellt. Wie in einem ersten Fall in 3B dargestellt, wird zunächst eine Änderung pM,Δ des Eingabepunktes 210, welcher durch ein X dargestellt wird, zwei (2) Einheiten in x-Richtung kommandiert. Der Bezugspunkt 110 wird durch einen kleinen Kreis dargestellt, und wird aufgrund der resultierenden Bewegung pΔ von einer Position ps,k zum Zeitpunkt tk in eine neue Position ps,k+1 zum Zeitpunkt tk+1 bewegt. Die resultierende Bewegung pΔ ergibt sich aus der kommandierten Änderung der Position pS,Δ, des Bezugspunktes 110 und dem Korrekturterm pr,Δ. Wie sich zeigt, weist die kommandierte Änderung der Position des Eingabepunktes pM,Δ in positive Richtung der Abweichung pr,x. Folglich wird der Korrekturterm pr,Δ so bestimmt, dass der Bezugspunkt um einen translatorischen Betrag weniger weit bewegt wird, als durch die kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes pS,Δ = 2 kommandiert. Im dargestellten Fall wird der Korrekturterm zu pr,Δ = –1 bestimmt. Die Kombination des Korrekturterms mit der kommandierten Änderung der Position des Bezugspunktes pS,Δ = 2 ergibt eine resultierende Bewegung pΔ = 1.The 3A C show by way of example the determination of a new position of the reference point 110 , as part of a pose of the manipulator 100 , It shows 3A the deviation 211 between input point 210 and the reference point 110 , The deviation 211 at time t k is determined in the x direction to p r, x = 2 and in the y direction to p r, y = 1. The deviation 211 is shown as an arrow with closed tip. As in a first case in 3B initially, a change p M, Δ of the input point is shown 210 , which is represented by an X, commands two (2) units in the x-direction. The reference point 110 is represented by a small circle, and is moved to a new position p s, k + 1 at time t k + 1 due to the resulting movement p Δ from a position p s, k at time t k . The resulting motion p Δ results from the commanded change of the position p S, Δ , of the reference point 110 and the correction term p r, Δ . As it turns out, the commanded change of the position of the input point p M, Δ in the positive direction of the deviation p r, x . Consequently, the correction term p r, Δ is determined so that the reference point is moved by a translational amount less than commanded by the commanded change in the position of the reference point p S, Δ = 2. In the case shown, the correction term is determined to be p r, Δ = -1. The combination of the correction term with the commanded change in the position of the reference point p S, Δ = 2 results in a resulting movement p Δ = 1.

Wie in 3C dargestellt, wird in einem zweiten Fall zunächst eine Änderung des Eingabepunktes p'M,Δ, welcher durch ein X dargestellt wird, eine Einheit in negativer x-Richtung (–1) kommandiert. Der Bezugspunkt wird durch einen kleinen Kreis dargestellt, und wird aufgrund der resultierenden Bewegung p'Δ von einer Position p's,k zum Zeitpunkt tk in eine neue Position p's,k+1 zum Zeitpunkt t'k+1 bewegt. Die resultierende Bewegung p'Δ ergibt sich aus der kommandierten Änderung der Position p'S,Δ, des Bezugspunktes 110 und dem Korrekturterm p'r,Δ. Wie sich zeigt, weist die kommandierte Änderung der Position des Eingabepunktes p'M,Δ in die negative Richtung der Abweichung p'r,x. Folglich wird der Korrekturterm p'r,Δ so bestimmt, dass der Bezugspunkt um einen translatorischen Betrag weiter bewegt wird, als durch die kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes p'S,Δ = –1 kommandiert. Im dargestellten Fall wird der Korrekturterm zu pr,Δ = –1 bestimmt. Die Kombination des Korrekturterms mit der kommandierten Änderung der Position des Bezugspunktes pS,Δ = –1 ergibt eine resultierende Bewegung pΔ = –2.As in 3C is shown, in a second case, a change of the input point p ' M, Δ , which is represented by an X, a unit in the negative x-direction (-1) commanded. The reference point is represented by a small circle, and is moved to a new position p ' s, k + 1 at time t' k + 1 due to the resulting movement p ' Δ from a position p' s, k at time t k . The resulting motion p ' Δ results from the commanded change of the position p' S, Δ , of the reference point 110 and the correction term p ' r, Δ . As it turns out, the commanded change of the position of the input point p ' M, Δ in the negative direction of the deviation p' r, x . Consequently, the correction term p ' r, Δ is determined such that the reference point is moved further by a translatory amount than commanded by the commanded change in the position of the reference point p' S, Δ = -1. In the case shown, the correction term is determined to be p r, Δ = -1. The combination of the correction term with the commanded change of the position of the reference point p S, Δ = -1 results in a resulting motion p Δ = -2.

Die 4A–C zeigen exemplarisch die Bestimmung einer weiteren neuen Position des Bezugspunktes 110, gemäß der oben beschriebenen beispielhaften Formel:

Figure DE102015209773B3_0055
The 4A C show by way of example the determination of a further new position of the reference point 110 according to the exemplary formula described above:
Figure DE102015209773B3_0055

Dabei zeigt 4A die Abweichung zwischen Eingabepunkt 210 und dem Bezugspunkt 110. Die Abweichung 211 zum Zeitpunkt tk bestimmt sich in x-Richtung zu pr,x = 2 und in y-Richtung zu pr,y = 1. Wie in 4B dargestellt, wird in einem ersten Fall zunächst eine Änderung des Eingabepunktes pM,Δ, welcher durch ein X dargestellt wird, zwei Einheiten in positiver x-Richtung (+2) kommandiert. Der Bezugspunkt 110 wird durch einen kleinen Kreis dargestellt. Wie sich zeigt, weist die kommandierte Änderung der Position des Eingabepunktes 210 pM,Δ in positiver Richtung der Abweichung pr,x. Folglich wird der Korrekturterm pr,Δ so bestimmt, dass der Bezugspunkt 110 erst dann bewegt wird, wenn die Abweichung in der x-Achse synchronisiert ist. Da die kommandierte Änderung der Position des Eingabepunktes pM,Δ = 2 gerade der Abweichung entspricht, wird der Eingabepunkt 110 nicht bewegt. Die Abweichung pr,x in x-Richtung ist zum Zeitpunkt tk+1 synchronisiert.It shows 4A the deviation between input point 210 and the reference point 110 , The deviation 211 at time t k is determined in the x direction to p r, x = 2 and in the y direction to p r, y = 1. As in 4B In a first case, a change in the input point p M, Δ , which is represented by an X, is commanded to two units in the positive x direction (+ 2). The reference point 110 becomes represented by a small circle. As it turns out, the commanded change points the position of the entry point 210 p M, Δ in the positive direction of the deviation p r, x . Consequently, the correction term p r, Δ is determined so that the reference point 110 is moved only when the deviation in the x-axis is synchronized. Since the commanded change in position of the input point P M, Δ = 2 just corresponding to the deviation of the input point is 110 not moved. The deviation p r, x in the x direction is synchronized at time t k + 1 .

Wie in 4C dargestellt, wird zunächst eine Änderung des Eingabepunktes p'M,Δ, welche durch ein X dargestellt wird in eine Einheit in negativer x-Richtung (–1) kommandiert. Der Bezugspunkt 110 wird durch einen kleinen Kreis dargestellt. Wie sich zeigt, weist die kommandierte Änderung der Position des Eingabepunktes p'M,Δ in negativer Richtung der Abweichung pr,x. Folglich kann, gemäß dieses Beispiels, die Abweichung nicht kompensiert werden, so dass der der Korrekturterm zu pr,Δ = 0 bestimmt wird. Der Bezugspunkt 110 wird gemäß der kommandierten Änderung der Position des Bezugspunktes pS,Δ = –1 bewegt.As in 4C 1, a change of the input point p ' M, Δ , which is represented by an X, is first commanded into a unit in the negative x-direction (-1). The reference point 110 is represented by a small circle. As it turns out, the commanded change of the position of the input point p ' M, Δ in the negative direction of the deviation p r, x . Accordingly, the deviation can, according to this example, not be compensated, so that the correction term to p r, Δ is determined = 0th The reference point 110 is moved according to the commanded change in the position of the reference point p S, Δ = -1.

Die 5A–C zeigen exemplarisch die Bestimmung einer neuen Orientierung des Ausgabekoordinatensystem 110k des Manipulators 100, als Teil einer Pose des Manipulators 100. Dabei zeigt 5A die Abweichung Rr zwischen dem Eingabekoordinatensystem 210k der Eingabevorrichtung 200 und dem Ausgabekoordinatensystem 110k. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird nur eine Achse des Eingabekoordinatensystems 210k und des Ausgabekoordinatensystems 110k in den 5A–C dargestellt. Die Abweichung zum Zeitpunkt tk bestimmt sich zu Rr = 60°. Wie in 5B dargestellt, wird in einem ersten beispielhaften Fall zunächst eine Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems 210k RM,Δ, welches durch eine mit einem X gegenzeichnete Achse dargestellt wird um 45° im Uhrzeigersinn kommandiert. Das Ausgabekoordinatensystem 110k wird durch eine mit einem kleinen Kreis gekennzeichnete Achse dargestellt, und wird aufgrund der resultierenden Bewegung RΔ von einer Orientierung Rs,k zum Zeitpunkt tk in eine neue Orientierung Rs,k+1 zum Zeitpunkt tk+1 im Uhrzeigersinn bewegt. Die resultierende Bewegung RΔ ergibt sich aus der kommandierten Änderung der Orientierung RS,Δ des Ausgabekoordinatensystems 110k und dem Korrekturterm Rr,Δ. Wie sich zeigt, weist die kommandierte Änderung des Eingabekoordinatensystems 210k RM,Δ in den Drehsinn der Abweichung Rr. Folglich wird der Korrekturterm Rr,Δ so bestimmt, dass das Ausgabekoordinatensystem 110k um einen rotatorischen Betrag weniger weit bewegt wird als durch die kommandierte Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystem RS,Δ = 45° kommandiert. Im dargestellten Fall wird der Korrekturterm beispielsweise zu Rr,Δ = –30° bestimmt. Die Kombination des Korrekturterms mit der kommandierten Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems RS,Δ = 60° ergibt eine resultierende Bewegung RΔ = 15°. Die Abweichung zum Zeitpunkt tk+1 beträgt folglich 15°.The 5A C show by way of example the determination of a new orientation of the output coordinate system 110k of the manipulator 100 , as part of a pose of the manipulator 100 , It shows 5A the deviation R r between the input coordinate system 210k the input device 200 and the output coordinate system 110k , For clarity, only one axis of the input coordinate system will be used 210k and the output coordinate system 110k in the 5A -C shown. The deviation at time t k is determined to be R r = 60 °. As in 5B In a first exemplary case, a change in the orientation of the input coordinate system is first shown 210k R M, Δ , which is represented by an axis marked with an X, is commanded by 45 ° clockwise. The output coordinate system 110k is represented by an axis marked with a small circle, and due to the resulting movement R Δ is moved from an orientation R s, k at time t k to a new orientation R s, k + 1 at time t k + 1 in the clockwise direction. The resulting movement R Δ results from the commanded change of the orientation R S, Δ of the output coordinate system 110k and the correction term R r, Δ . As it turns out, the commanded change of the input coordinate system indicates 210k R M, Δ in the direction of rotation of the deviation R r . Consequently, the correction term R r, Δ is determined so that the output coordinate system 110k is less far moved by a rotational amount than commanded by the commanded change in the orientation of the output coordinate system R S, Δ = 45 °. In the case shown, the correction term is determined, for example, as R r, Δ = -30 °. The combination of the correction term with the commanded change in the orientation of the output coordinate system R S, Δ = 60 ° gives a resulting movement R Δ = 15 °. The deviation at time t k + 1 is therefore 15 °.

Wie in 3C dargestellt, wird in einem zweiten beispielhaften Fall zunächst eine Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems R'M,Δ, welches durch eine mit einem X gekennzeichnete Achse dargestellt wird, um 60° entgegen dem Uhrzeigersinn kommandiert. Das Ausgabekoordinatensystem, welches durch eine mit einem kleinen Kreis gekennzeichnete Achse dargestellt wird, wird aufgrund der resultierenden Bewegung R'Δ von einer Orientierung R's,k zum Zeitpunkt tk in eine neue Orientierung R's,k+1 zum Zeitpunkt t'k+1 bewegt. Die resultierende Bewegung R'Δ ergibt sich aus der kommandierten Änderung der Orientierung R'S,Δ, des Ausgabekoordinatensystems 110k und dem Korrekturterm R'r,Δ. Wie sich zeigt, weist die kommandierte Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems R'M,Δ in die negative Richtung der Abweichung R'r. Folglich wird der Korrekturterm R'r,Δ so bestimmt, dass das Ausgabekoordinatensystem 110k um einen rotatorischen Betrag weiter bewegt wird als durch die kommandierte Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems R'S,Δ = –60° kommandiert. Im dargestellten Fall wird der Korrekturterm beispielsweise zu Rr,Δ = –45° bestimmt. Die Kombination des Korrekturterms mit der kommandierten Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems RS,Δ = –60° ergibt eine resultierende Bewegung RΔ = –105°. Die Abweichung zum Zeitpunkt t'k+1 beträgt folglich 15°.As in 3C In a second exemplary case, a change in the orientation of the input coordinate system R ' M, Δ , which is represented by an axis designated by an X, is first commanded by 60 ° in the counterclockwise direction. The output coordinate system represented by an axis indicated by a small circle becomes a new orientation R ' s, k + 1 at time t' due to the resulting movement R ' Δ from an orientation R' s, k at time t k. k + 1 moves. The resulting movement R ' Δ results from the commanded change of the orientation R' S, Δ , of the output coordinate system 110k and the correction term R ' r, Δ . As it turns out, the commanded change of the orientation of the input coordinate system R ' M, Δ points in the negative direction of the deviation R' r . Consequently, the correction term R ' r, Δ is determined so that the output coordinate system 110k is further moved by a rotational amount than commanded by the commanded change in the orientation of the output coordinate system R ' S, Δ = -60 °. In the case shown, the correction term is determined, for example, as R r, Δ = -45 °. The combination of the correction term with the commanded change in the orientation of the output coordinate system R S, Δ = -60 ° gives a resulting motion R Δ = -105 °. The deviation at time t ' k + 1 is therefore 15 °.

Die 6A–C zeigen exemplarisch die Bestimmung einer weiteren neuen Orientierung des Ausgabekoordinatensystems 110k, analog zum Verfahren, welches im Zusammenhang mit den 4A–C für die Position beschrieben wurde. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird nur eine Achse des Eingabekoordinatensystems 210k und des Ausgabekoordinatensystems 110k in den 6A–C dargestellt. Dabei zeigt 6A die Abweichung zwischen Eingabekoordinatensystem 210k und dem Ausgabekoordinatensystem 110k. Die Abweichung zum Zeitpunkt tk bestimmt sich zu Rr = 60°. Wie in 6B dargestellt, wird in einem ersten beispielhaften Fall zunächst eine Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems RM,Δ, welches durch eine mit einem X gekennzeichnete Achse dargestellt wird um 45° im Uhrzeigersinn kommandiert. Das Ausgabekoordinatensystem 100k wird durch eine, mit einem kleinen Kreis gekennzeichnete Achse dargestellt. Wie sich zeigt, weist die kommandierte Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems RM,Δ in positiver Richtung der Abweichung Rr. Folglich wird der Korrekturterm Rr,Δ so bestimmt, dass das Ausgabekoordinatensystem 110k erst dann bewegt wird, wenn die Abweichung synchronisiert ist. Da die kommandierte Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems RM,Δ = 45° geringer ist, als die Abweichung, wird das Ausgabekoordinatensystem 110k nicht bewegt. Die Abweichung Rr ist zum Zeitpunkt tk+1 teilweise synchronisiert. Es verbleibt eine Abweichung von 15°.The 6A C show by way of example the determination of a further new orientation of the output coordinate system 110k , analogous to the method, which in connection with the 4A -C for the position has been described. For clarity, only one axis of the input coordinate system will be used 210k and the output coordinate system 110k in the 6A -C shown. It shows 6A the deviation between input coordinate system 210k and the output coordinate system 110k , The deviation at time t k is determined to be R r = 60 °. As in 6B In a first exemplary case, a change in the orientation of the input coordinate system R M, Δ , which is represented by an axis marked by an X, is first commanded by 45 ° in the clockwise direction. The output coordinate system 100k is represented by an axis marked with a small circle. As it turns out, the commanded change of the orientation of the input coordinate system R M, Δ in the positive direction of the deviation R r . Consequently, the correction term R r, Δ is determined so that the output coordinate system 110k is only moved when the deviation is synchronized. Since the commanded change of the orientation of the input coordinate system R M, Δ = 45 ° is smaller than the deviation, the output coordinate system becomes 110k not moved. The deviation R r is partially synchronized at time t k + 1 . There remains a deviation of 15 °.

Wie in 6C dargestellt, wird in einem zweiten beispielhaften Fall, zunächst eine Änderung des Eingabekoordinatensystems R'M,Δ, welches durch eine mit einem X gekennzeichnete Achse dargestellt wird um 45° entgegen des Uhrzeigersinns kommandiert. Das Ausgabekoordinatensystem 110k wird durch eine, mit einem kleinen Kreis gekennzeichnete Achse dargestellt. Wie sich zeigt, weist die kommandierte Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems R'M,Δ entgegen des Drehsinns der Abweichung Rr. Folglich kann gemäß dieser Ausführungsform die Abweichung nicht kompensiert werden, so dass der der Korrekturterm zu Rr,Δ = 0 bestimmt wird. Somit wird das Ausgabekoordinatensystem 110k gemäß der kommandierten Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems RS,Δ = 45° entgegen des Uhrzeigersinns bewegt.As in 6C 1, in a second exemplary case, a change of the input coordinate system R ' M, Δ , represented by an axis marked X, is first commanded by 45 ° in the counterclockwise direction. The output coordinate system 110k is represented by an axis marked with a small circle. As it turns out, the commanded change of the orientation of the input coordinate system R ' M, Δ counter to the direction of rotation of the deviation R r . Consequently, according to this embodiment, the deviation can not be compensated, so that the correction term is determined to be R r, Δ = 0. Thus, the output coordinate system becomes 110k according to the commanded change in the orientation of the output coordinate system R S, Δ = 45 ° counterclockwise moves.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Manipulatorsystemmanipulator system
1010
Verfahrenmethod
1111
Prüfen, ob Abweichung vorliegtCheck for deviation
1212
Bestimmen der AbweichungDetermine the deviation
1313
Erfassen einer kommandierten ÄnderungCapture a commanded change
1414
Richtungsprüfungcheck the direction
1515
Bestimmen eines KorrekturtermsDetermining a correction term
1616
Bestimmen einer neuen Pose des BezugspunktesDetermine a new pose of the reference point
1717
Bewegen des BezugspunktesMoving the reference point
100100
Manipulatormanipulator
110110
Bezugspunkt des ManipulatorsReference point of the manipulator
110k110k
Ausgabekoordinatensystems des BezugspunktesOutput coordinate system of the reference point
111111
Bewegungsbahn des ManipulatorsTrajectory of the manipulator
200200
Eingabevorrichtunginput device
210210
Eingabepunkt der EingabevorrichtungInput point of the input device
210k210k
Eingabekoordinatensystem des EingabepunktesInput coordinate system of the input point
211211
Pfeil, AbweichungArrow, deviation
300300
Anzeigevorrichtungdisplay device
310310
Kameracamera
pr, Rr p r , R r
Abweichung (Position, Orientierung)Deviation (position, orientation)
p, R p , R
Kommandierte Änderung der Pose des EingabepunktesCommanded change of the pose of the entry point
p, R p , R
Kommandierte Änderung der Pose des BezugspunktesCommanded change of the pose of the reference point
p, R p , R
Korrekturterm (Position, Orientierung)Correction term (position, orientation)
ps,k, Rs,k p s, k , R s, k
Ursprüngliche Pose des BezugspunktesOriginal pose of the reference point
ps,k+1, Rs,k+1 p s, k + 1 , R s, k + 1
Neue Pose des BezugspunktesNew pose of the reference point
tk t k
Erster ZeitpunktFirst time
tk+1; t'k+1 tk + 1 ; t'k + 1
Zweiter ZeitpunktSecond time
ff
Skalierungsfaktorscaling factor
φ φ
Drehwinkel des KorrekturtermsRotation angle of the correction term
φΔ φ Δ
Drehwinkel der BewegungRotation angle of movement
φ φsΔ
Drehwinkel der kommandierten Änderung der OrientierungAngle of rotation of the commanded change of orientation
er, e e r , e
Rotationsachsenrotational axes
mm
Faktorfactor

Claims (15)

Verfahren (10) zur kontinuierlichen Synchronisation der Pose eines Manipulators (100) und der Pose einer Eingabevorrichtung (200), wobei die Eingabevorrichtung (200) zur Steuerung des Manipulators (100) eingerichtet ist, und das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a) Bestimmen (12) der Abweichung (p →r ‚Rr) in der Pose des Manipulators (100) und der Pose der Eingabevorrichtung (200) zu einem ersten Zeitpunkt tk; b) Erfassen (13) einer kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0056
der Pose der Eingabevorrichtung (200), und konvertieren der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0057
der Pose der Eingabevorrichtung (210) in eine kommandierte Änderung
Figure DE102015209773B3_0058
der Pose des Manipulators (100); c) Bestimmen (15) zumindest eines Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0059
wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0060
der Pose der Eingabevorrichtung (100) in der Richtung der Abweichung (p →r ‚Rr) verläuft, wobei der Korrekturterm
Figure DE102015209773B3_0061
so bestimmt wird, dass der Korrekturterm
Figure DE102015209773B3_0062
in Richtung der genannten zumindest einen Komponente verläuft; d) Bestimmen (16) einer neuen Pose
Figure DE102015209773B3_0063
des Manipulators (100), wobei sich die neue Pose
Figure DE102015209773B3_0064
des Manipulators (100) aus der Kombination der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0065
der Pose der Eingabevorrichtung (200) und des zuvor bestimmten Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0066
ergibt, wobei sich die Abweichung (p →r ‚Rr) zumindest verringert; und e) Bewegen (17) des Manipulators (100) in die zuvor bestimmte, neue Pose
Figure DE102015209773B3_0067
des Manipulators (100), sodass die neue Pose
Figure DE102015209773B3_0068
bis zu einem zweiten Zeitpunkt tk+1 erreicht wird.
Procedure ( 10 ) for continuously synchronizing the pose of a manipulator ( 100 ) and the pose of an input device ( 200 ), wherein the input device ( 200 ) for controlling the manipulator ( 100 ), and the method comprises the following method steps: a) determining ( 12 ) of the deviation (p → r , R r ) in the pose of the manipulator ( 100 ) and the pose of the input device ( 200 ) at a first time t k ; b) Capture ( 13 ) a commanded change
Figure DE102015209773B3_0056
the pose of the input device ( 200 ), and convert the commanded change
Figure DE102015209773B3_0057
the pose of the input device ( 210 ) into a commanded change
Figure DE102015209773B3_0058
the pose of the manipulator ( 100 ); c) determining ( 15 ) at least one correction term
Figure DE102015209773B3_0059
if at least one component of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0060
the pose of the input device ( 100 ) in the direction of the deviation (p → r , R r ), the correction term
Figure DE102015209773B3_0061
is determined so that the correction term
Figure DE102015209773B3_0062
extends in the direction of said at least one component; d) determining ( 16 ) a new pose
Figure DE102015209773B3_0063
of the manipulator ( 100 ), being the new pose
Figure DE102015209773B3_0064
of the manipulator ( 100 ) from the combination of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0065
the pose of the input device ( 200 ) and the previously determined correction term
Figure DE102015209773B3_0066
yields, wherein the deviation (p → r , R r ) at least decreases; and e) moving ( 17 ) of the manipulator ( 100 ) in the previously determined, new pose
Figure DE102015209773B3_0067
of the manipulator ( 100 ), so the new pose
Figure DE102015209773B3_0068
until a second time t k + 1 is reached.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine kommandierte Änderung
Figure DE102015209773B3_0069
der Pose der Eingabevorrichtung (200) in eine kommandierte Änderung
Figure DE102015209773B3_0070
der Pose des Manipulators (100) mittels eines Skalierungsfaktors (f) konvertiert wird und der Skalierungsfaktor vorzugsweise 0 < f ≤ 1 ist.
The method of claim 1, wherein a commanded change
Figure DE102015209773B3_0069
the pose of the input device ( 200 ) into a commanded change
Figure DE102015209773B3_0070
the pose of the manipulator ( 100 ) is converted by means of a scaling factor (f) and the scaling factor is preferably 0 <f ≦ 1.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Korrekturterm
Figure DE102015209773B3_0071
so bestimmt wird, dass, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0072
der Pose der Eingabevorrichtung (200) in positiver Richtung der Abweichung (p →r ‚Rr) verläuft, der Manipulator (100) in der entsprechenden Komponente um einen translatorischen und/oder rotatorischen Betrag weniger weit bewegt wird, als von der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0073
der Pose der Eingabevorrichtung (200), welche in eine kommandierte Änderung
Figure DE102015209773B3_0074
der Pose des Manipulators (100) konvertiert wird, kommandiert ist.
Method according to one of the preceding claims, wherein the correction term
Figure DE102015209773B3_0071
is determined so that, if at least one component of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0072
the pose of the input device ( 200 ) in the positive direction of the deviation (p → r , R r ), the manipulator ( 100 ) is moved less by a translatory and / or rotational amount in the corresponding component than by the commanded change
Figure DE102015209773B3_0073
the pose of the input device ( 200 ), which in a commanded change
Figure DE102015209773B3_0074
the pose of the manipulator ( 100 ) is commanded.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Korrekturterm
Figure DE102015209773B3_0075
so bestimmt wird, dass, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0076
der Pose der Eingabevorrichtung (200) in negativer Richtung der Abweichung (p →r ‚Rr) verläuft, der Manipulator (100) in der entsprechenden Komponente um einen translatorischen und/oder rotatorischen Betrag weiter bewegt wird, als von der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0077
der Pose der Eingabevorrichtung (200), welche in eine kommandierte Änderung
Figure DE102015209773B3_0078
der Pose des Manipulators (100) konvertiert wird, kommandiert ist.
Method according to one of the preceding claims, wherein the correction term
Figure DE102015209773B3_0075
is determined so that, if at least one component of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0076
the pose of the input device ( 200 ) in the negative direction of the deviation (p → r , R r ), the manipulator ( 100 ) is moved further in the corresponding component by a translatory and / or rotational amount than by the commanded change
Figure DE102015209773B3_0077
the pose of the input device ( 200 ), which in a commanded change
Figure DE102015209773B3_0078
the pose of the manipulator ( 100 ) is commanded.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Korrekturterm einen translatorischen
Figure DE102015209773B3_0079
und/oder rotatorischen
Figure DE102015209773B3_0080
Korrekturterm umfasst.
Method according to one of the preceding claims, wherein the correction term is a translatory
Figure DE102015209773B3_0079
and / or rotational
Figure DE102015209773B3_0080
Correction term includes.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Eingabevorrichtung (200) ein Eingabepunkt (210) zugeordnet ist, und wobei der Eingabepunkt (210) der Ursprung eines Eingabekoordinatensystems (210k) ist, und wobei die Position des Eingabepunktes (210) und die Orientierung des Eingabekoordinatensystems (210k) die Pose der Eingabevorrichtung (200) bestimmen, und wobei dem Manipulator (100) ein Bezugspunkt (110) zugeordnet ist, wobei der Bezugspunkt (110) der Ursprung eines Ausgabekoordinatensystems (110k) ist, und wobei die Position des Bezugspunktes (110) und die Orientierung des Ausgabekoordinatensystems (110k) die Pose des Manipulators (100) bestimmen.Method according to one of the preceding claims, wherein the input device ( 200 ) an input point ( 210 ) and the input point ( 210 ) the origin of an input coordinate system ( 210k ), and wherein the position of the input point ( 210 ) and the orientation of the input coordinate system ( 210k ) the pose of the input device ( 200 ), and wherein the manipulator ( 100 ) a reference point ( 110 ), the reference point ( 110 ) the origin of an output coordinate system ( 110k ), and wherein the position of the reference point ( 110 ) and the orientation of the output coordinate system ( 110k ) the pose of the manipulator ( 100 ). Verfahren nach Anspruch 6, wobei die neue Position
Figure DE102015209773B3_0081
des Bezugspunktes (110) des Manipulators (100), gemäß der neuen Pose des Manipulators (100), die Vektorsumme der ursprünglichen Position
Figure DE102015209773B3_0082
des Bezugspunktes (100) zum Zeitpunkt tk, gemäß der ursprünglichen Pose des Manipulators (100), des translatorischen Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0083
und der kommandierten Änderung der Position
Figure DE102015209773B3_0084
des Bezugspunktes (110) des Manipulators (100) ist.
Method according to claim 6, wherein the new position
Figure DE102015209773B3_0081
the reference point ( 110 ) of the manipulator ( 100 ), according to the new pose of the manipulator ( 100 ), the vector sum of the original position
Figure DE102015209773B3_0082
the reference point ( 100 ) at the time t k , according to the original pose of the manipulator ( 100 ), the translatory correction term
Figure DE102015209773B3_0083
and the commanded change of position
Figure DE102015209773B3_0084
the reference point ( 110 ) of the manipulator ( 100 ).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die jeweiligen Komponenten
Figure DE102015209773B3_0085
des translatorischen Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0086
gleich den entsprechenden Komponenten der kommandierte Änderung
Figure DE102015209773B3_0087
der Position des Bezugspunktes (110) des Manipulators (100) mit umgekehrtem Vorzeichen sind, wenn die entsprechende Komponente der kommandierten Änderung (
Figure DE102015209773B3_0088
der Position des Bezugspunktes (110) in positiver Richtung der entsprechenden Komponente der Abweichung (p →r) verläuft, und vorzugsweise gleich Null sind, wenn die jeweilige Komponente der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0089
der Position des Bezugspunktes (110) in negativer Richtung der entsprechenden Komponente der Abweichung (p →r) verläuft.
Method according to one of claims 6 or 7, wherein the respective components
Figure DE102015209773B3_0085
of the translatory correction term
Figure DE102015209773B3_0086
equal to the corresponding components of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0087
the position of the reference point ( 110 ) of the manipulator ( 100 ) with the opposite sign, if the corresponding component of the commanded change (
Figure DE102015209773B3_0088
the position of the reference point ( 110 ) is in the positive direction of the corresponding component of the deviation (p → r ), and preferably equal to zero, if the respective component of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0089
the position of the reference point ( 110 ) in the negative direction of the corresponding component of the deviation (p → r ).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die neue Orientierung (
Figure DE102015209773B3_0090
des Ausgabekoordinatensystems (210k) des Manipulators (100), gemäß der neuen Pose des Manipulators (100), das Matrixprodukt der ursprünglichen Orientierung
Figure DE102015209773B3_0091
des Ausgabekoordinatensystems (210k) des Manipulators (100) zum Zeitpunkt tk, gemäß der ursprünglichen Pose des Manipulators (100), des rotatorischen Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0092
und der kommandierten Änderung der Orientierung
Figure DE102015209773B3_0093
des Ausgabekoordinatensystems (110k) des Manipulators (100) ist.
Method according to one of claims 6 to 8, wherein the new orientation (
Figure DE102015209773B3_0090
the output coordinate system ( 210k ) of the manipulator ( 100 ), according to the new pose of the manipulator ( 100 ), the matrix product of the original orientation
Figure DE102015209773B3_0091
the output coordinate system ( 210k ) of the manipulator ( 100 ) at the time t k , according to the original pose of the manipulator ( 100 ), the rotational correction term
Figure DE102015209773B3_0092
and the commanded change of orientation
Figure DE102015209773B3_0093
the output coordinate system ( 110k ) of the manipulator ( 100 ).
Verfahren nach einem Ansprüche 6 bis 9, wobei die jeweiligen Drehwinkel des rotatorischen Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0094
um die Koordinatenachsen eines Bezugskoordinatensystems, gleich den jeweiligen Drehwinkeln der kommandierte Änderung
Figure DE102015209773B3_0095
der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems (110k) des Manipulators (100) mit umgekehrtem Drehsinn sind, wenn die entsprechenden Drehwinkel der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0096
der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems (110k) den gleichen Drehsinn des entsprechenden Drehwinkels der Abweichung (Rr ) aufweisen, und vorzugsweise gleich null sind, wenn die entsprechenden Drehwinkel der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0097
der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems (110k) den entgegengesetzten Drehsinn des entsprechenden Drehwinkels der Abweichung (Rr) aufweisen.
Method according to one of claims 6 to 9, wherein the respective rotational angles of the rotational correction term
Figure DE102015209773B3_0094
around the coordinate axes of a reference coordinate system, equal to the respective rotation angles of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0095
the orientation of the output coordinate system ( 110k ) of the manipulator ( 100 ) with reversed rotation are when the corresponding rotation angle of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0096
the orientation of the output coordinate system ( 110k ) have the same direction of rotation of the corresponding angle of rotation of the deviation (R r ), and are preferably equal to zero, if the corresponding rotation angle of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0097
the orientation of the output coordinate system ( 110k ) Have the opposite sense of rotation of the corresponding rotating angle of deviation (R r).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der resultierende Drehwinkel
Figure DE102015209773B3_0098
des rotatorischen Korrekturterms
Figure DE102015209773B3_0099
derart skaliert wird, dass der Drehwinkel (φΔ) der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems (110k) des Manipulators (100) in die zuvor bestimmte, neue Orientierung
Figure DE102015209773B3_0100
des Ausgabekoordinatensystems (110k) des Manipulators (100) kleiner oder gleich dem Drehwinkel
Figure DE102015209773B3_0101
der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0102
der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems (110k) ist
Figure DE102015209773B3_0103
Method according to one of the preceding claims, wherein the resulting angle of rotation
Figure DE102015209773B3_0098
of the rotational correction term
Figure DE102015209773B3_0099
is scaled such that the rotation angle (φ Δ ) of the movement of the output coordinate system ( 110k ) of the manipulator ( 100 ) in the previously determined, new orientation
Figure DE102015209773B3_0100
the output coordinate system ( 110k ) of the manipulator ( 100 ) less than or equal to the angle of rotation
Figure DE102015209773B3_0101
the commanded change
Figure DE102015209773B3_0102
the orientation of the output coordinate system ( 110k )
Figure DE102015209773B3_0103
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der rotatorische Korrekturterm
Figure DE102015209773B3_0104
sich gemäß der nachstehenden Formel bestimmt:
Figure DE102015209773B3_0105
wobei die Matrizen
Figure DE102015209773B3_0106
Rotationsmatrizen sind, die einer um den Faktor (m) skalierten Rotation
Figure DE102015209773B3_0107
um die Rotationsachen
Figure DE102015209773B3_0108
entsprechen, und wobei die Matrizen
Figure DE102015209773B3_0109
die Drehwinkel
Figure DE102015209773B3_0110
aufweisen, und wobei der Drehwinkel
Figure DE102015209773B3_0111
sich zu
Figure DE102015209773B3_0112
berechnet, wobei
Figure DE102015209773B3_0113
der Drehwinkel der kommandierten Änderung
Figure DE102015209773B3_0114
der Orientierung des Eingabekoordinatensystems (210k) der Eingabevorrichtung (200) ist, und der Drehwinkel (φ ~r) sich zu φ ~r = m·φ ~r, berechnet, wobei der Drehwinkel (φ ~r) das Produkt des kleineren der beiden Winkel von
Figure DE102015209773B3_0115
und dem Betrag des Skalarprodukts der Rotationsachen
Figure DE102015209773B3_0116
ist:
Figure DE102015209773B3_0117
und wobei φr der Drehwinkel der Abweichung (Rr) ist.
Method according to one of the preceding claims, wherein the rotational correction term
Figure DE102015209773B3_0104
determined according to the formula below:
Figure DE102015209773B3_0105
where the matrices
Figure DE102015209773B3_0106
Rotation matrices are those of a rotation scaled by the factor (m)
Figure DE102015209773B3_0107
to the rotation things
Figure DE102015209773B3_0108
match, and where the matrices
Figure DE102015209773B3_0109
the rotation angle
Figure DE102015209773B3_0110
and wherein the angle of rotation
Figure DE102015209773B3_0111
to
Figure DE102015209773B3_0112
calculated, where
Figure DE102015209773B3_0113
the angle of rotation of the commanded change
Figure DE102015209773B3_0114
the orientation of the input coordinate system ( 210k ) of the input device ( 200 ), and the angle of rotation (φ ~ r ) is calculated to be φ ~ r = m · φ ~ r , where the angle of rotation (φ ~ r ) is the product of the smaller of the two angles of
Figure DE102015209773B3_0115
and the magnitude of the dot product of the rotation matters
Figure DE102015209773B3_0116
is:
Figure DE102015209773B3_0117
and where φ r is the rotation angle of the deviation (R r ).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bezugspunkt (110) der Tool Center Point (TCP) des Manipulators (100) ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the reference point ( 110 ) the tool center point (TCP) of the manipulator ( 100 ). Manipulatorsystem (1), umfassend zumindest einen Manipulator (100) und eine mit dem Manipulator (100) verbundene Eingabevorrichtung (200), wobei das Manipulatorsystem dazu eingerichtet ist ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.Manipulator system ( 1 ) comprising at least one manipulator ( 100 ) and one with the manipulator ( 100 ) connected input device ( 200 ), wherein the manipulator system is adapted to carry out a method according to claims 1 to 13. Manipulatorsystem (1) nach Anspruch 14, wobei das Manipulatorsystem (100) eine Anzeigevorrichtung (300) umfasst, welche Anzeigevorrichtung (300) dazu eingerichtet ist, eine Änderung der Pose des Manipulators (100) anzuzeigen.Manipulator system ( 1 ) according to claim 14, wherein the manipulator system ( 100 ) a display device ( 300 ), which display device ( 300 ) is adapted to change the pose of the manipulator ( 100 ).
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