DE102017213829B4

DE102017213829B4 - Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung in einem schwerelosen Raum

Info

Publication number: DE102017213829B4
Application number: DE102017213829.7A
Authority: DE
Inventors: Jörn Vogel; Annette Hagengruber; Markus Grebenstein
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2037-08-09
Also published as: DE102017213829A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung (10), insbesondere eines Roboters, in einem schwerelosen Raum, insbesondere im Weltall, mit den Schritten:
- Aufbringen einer Kraft durch ein Körperteil (12a, 12b) eines Benutzers (14) gegen ein Widerstandselement (16a, 16b),
- Erfassen der Richtung, in der der Benutzer (14) seine Kraft gegen das Widerstandselement (16a, 16b) aufbringt, indem durch mehrere Myographie-Sensoren (18a, 18b), die am Unterarm (12a, 12b) des Benutzers (14) angebracht sind, detektiert wird, welche Muskeln an dem Aufbringen der Kraft gegen das Widerstandselement (16a, 16b) beteiligt sind,
- Erzeugen eines Eingabebefehls zum Steuern der Vorrichtung (10) in Abhängigkeit davon, in welche Richtung der Benutzer (14) die Kraft gegen das Widerstandselement (16a, 16b) aufbringt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung, insbesondere eines Roboters in einem schwerelosen Raum, insbesondere im Weltall.
Bemannte Weltraummissionen sind immer noch ein wichtiger Forschungsaspekt in der Raumfahrt. Beispielsweise wird die Raumstation ISS seit dem Jahr 2000 permanent mit Astronauten besetzt.
Die Astronauten nehmen dabei vielfältige Aufgaben in verschiedenen Forschungsbereichen wahr. Hierzu fällt unter anderem auch die Steuerung von diversen Apparaturen oder Vorrichtungen. Auch der Einsatz von robotischen Systemen zur Unterstützung der Astronauten nimmt immer größere Ausmaße an. In beiden Fällen ist ein Eingabegerät nötig, welches die gewünschten Befehle aufnimmt, um die technischen Geräte zu steuern.
Es ist hierzu aus dem Stand der Technik bekannt, ein Eingabegerät, wie beispielsweise eine Maus oder einen Joystick, zu verwenden. Problematisch hierbei ist, dass der Astronaut sich zur Zeit der Manipulation im Weltall und somit ständig in Schwerelosigkeit befindet. Um Kräfte mit einer Hand auf ein Eingabegerät auszuüben, beispielsweise um einen Joystick zu bewegen, muss der Astronaut sich entweder mit der anderen Hand festhalten oder mit einem Gurt fixiert werden. Es muss somit garantiert werden, dass der Anwender stets in Verbindung mit dem Eingabegerät ist, so dass eine kontinuierliche Steuerung des Gerätes gewährleistet werden kann. Durch den Verlust der Schwerkraft gibt es in der körperlichen Wahrnehmung des Astronauten kein „oben“ und „unten“. Daher muss sichergestellt werden, dass die Position des Anwenders zum Eingabegerät stets die gleiche ist, um beispielsweise Richtungsbefehle nach oben, unten, links und rechts eingeben zu können.
Ein Eingabegerät, das gemäß der obigen Beschreibung arbeitet, ist der raumfahrttaugliche Joystick des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Dieser wurde für Forschungszwecke in der Raumstation ISS eingesetzt und an einer Wand montiert. Der Joystick weist einen ergonomisch geformten Griff auf, der mit einer Hand umfasst wird. Hierbei kann er in zwei Freiheitsgraden bewegt werden (links, rechts, oben und unten). Weiterhin ist der Unterarm des Benutzers fixiert, so dass er mit dem Gerät verbunden ist und nicht während der Anwendung wegdriftet.
Nachteilig an der Verwendung eines Joysticks als Eingabegerät in der Schwerelosigkeit ist, dass dieser sehr unflexibel und nur ortsgebunden einsetzbar ist. Ein Joystick muss fest an der Wand montiert sein, um die gewünschte Kraftübertragung zu garantieren. Weiterhin muss der Astronaut direkt mit dem Joystick verbunden sein, beispielsweise durch eine Fixierung des Unterarms, damit die Bewegung der Hand auch direkt in den Joystick eingeleitet wird. Dies schränkt die Flexibilität des Systems und des Astronauten noch weiter ein.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Eingabegeräte in Form von Tablets, Touchscreens oder auch Tastaturen bekannt. Diese sind jedoch nur zur Eingabe von diskreten Signalen (an/aus) geeignet. Eine kontinuierliche Steuerung, wie sie zur Teleoperation eines Roboters sinnvoll ist, kann über diese Geräte nur schwer erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung, insbesondere eines Roboters, in einem schwerelosen Raum bereitzustellen, das eine vereinfachte Handhabung aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Vorrichtung, insbesondere ein Roboter, in einem schwerelosen Raum, beispielsweise im Weltall gesteuert.
Hierbei wird eine Kraft durch einen Körperteil eines Benutzers gegen ein Widerstandselement aufgebracht. Hierbei wird die Richtung, in der der Benutzer seine Kraft gegen das Widerstandselement aufbringt, erfasst, indem durch mehrere Myographie-Sensoren am Unterarm des Benutzers detektiert wird, welche Muskeln an dem Aufbringen der Kraft gegen das Widerstandselement beteiligt sind. Hierzu können myographische Verfahren verwendet werden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, um beispielsweise mit Hilfe von myographischen Sensoren Prothesen zu steuern. Grundlage einer solchen Steuerung ist, das durch die myographischen Sensoren erkannt wird, welche Muskeln an dem Aufbringen der Kraft gegen das Widerstandselement beteiligt sind, sodass basierend hierauf die Schlussfolgerung gezogen werden kann, in welche Richtung der Benutzer seine Kraft gegen das Widerstandselement aufbringt (beispielsweise nach oben, unten, rechts oder links).
Der Eingabebefehl zum Steuern der Vorrichtung wird in Abhängigkeit davon, in welche Richtung der Benutzer die Kraft gegen das Widerstandselement aufbringt erzeugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine sehr einfache Möglichkeit, einen Eingabebefehl in einem schwerelosen Raum zu erzeugen. Da die myographischen Sensoren direkt am Körper des Benutzers angebracht sind, ist ihre Orientierung relativ zum Benutzer festgelegt und kann somit durch die Schwerelosigkeit nicht verändert werden. Der Benutzer muss lediglich eine Kraft gegen ein beliebiges Widerstandselement aufbringen, um einen bestimmten Befehl zu erzeugen. Möchte er beispielsweise einen Befehl für eine Bewegung eines Roboters nach rechts erzeugen, so könnte er zum Beispiel sein Handgelenk gegen ein beliebiges Widerstandselement nach rechts drücken. Bei diesem Widerstandselement kann es sich um einen Handgriff, eine Wand, ein Möbelstück, etc. handeln. Wichtig ist, dass die Hand des Benutzers gegen einen Widerstand nach rechts gedrückt werden kann. Diese Bewegung nach rechts wird durch die myographischen Sensoren, die am Unterarm des Benutzers angebracht sein können, erfasst und in einen Eingabebefehl für eine Bewegung der Vorrichtung, beispielsweise eines Roboters, nach rechts umgerechnet.
Auf diese Weise ist die Erzeugung von Eingabebefehlen im schwerelosen Raum besonders einfach möglich.
Es ist bevorzugt, dass die Signale der myographischen Sensoren drahtlos an eine Steuervorrichtung einer Raumstation oder eines Raumfahrzeugs übermittelt werden. Hierdurch ist es möglich, dass sich der Benutzer besonders frei in der Raumstation bewegen kann und von jedem beliebigen Ort aus Eingabebefehle erzeugen kann, solange er die Möglichkeit hat, sein betreffendes Körperteil gegen ein Widerstandselement zu drücken.
Bei dem Widerstandselement kann es sich beispielsweise um mindestens einen Haltegriff handeln, an dem sich der Benutzer zum Aufbringen einer Kraft gegen den Haltegriff festhalten kann. Allerdings können an Stelle von Haltegriffen auch beliebige andere Gegenstände gemäß der obigen Beschreibung als Widerstandselemente verwendet werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die myographischen Sensoren an der Innenseite einer ringförmigen Haltevorrichtung angebracht sind, die über den Unterarm des Benutzers ziehbar ist. Alternativ können auch die myographischen Sensoren frei am Unterarm des Benutzers platziert werden, ohne dass eine Haltevorrichtung verwendet wird.
Bevorzugt sind die myographischen Sensoren elektromyographische Sensoren oder Drucksensoren, wie sie aus dem Stand der Technik bei myographischen Verfahren bekannt sind.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass mindestens vier verschiedene Eingabebefehle erzeugt werden, insbesondere für eine Bewegung nach oben, unten, rechts oder links. Dies erfolgt entsprechend durch ein Aufbringen einer Kraft gegen das Widerstandselement nach oben, unten, rechts oder links.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung mehrerer myographischer Sensoren zum Erzeugen eines Eingabebefehls für eine Vorrichtung, insbesondere einem Roboter in einem schwerelosen Raum. Durch die myographischen Sensoren wird die Richtung erfasst, in der der Benutzer seine Kraft gegen ein Widerstandselement aufbringt, indem durch mehrere myographie Sensoren am Unterarm des Benutzers detektiert wird, welche Muskeln an dem Aufbringen der Kraft gegen das Widerstandselement beteiligt sind. Hierdurch wird ein Eingabebefehl erzeugt, in Abhängigkeit davon in welche Richtung der Benutzer die Kraft gegen das Widerstandselement aufbringt.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Figur erläutert.
Die Figur zeigt eine Darstellung eines beispielhaften Systems, mit Hilfe dessen das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann.
Es soll beispielsweise ein Telemanipulationsroboter (10) durch einen Astronauten (14), der sich im schwerelosen Raum befindet, gesteuert werden. Dieser weist an seinen beiden Unterarmen (12a, 12b) jeweils myographische Sensoren (18a, 18b) auf. Diese sind jeweils an einer ringförmigen Haltevorrichtung angebracht, die über den Unterarm des Benutzers gezogen wird. Der Benutzer hält sich zur Erzeugung eines Eingabebefehls mit mindestens einer Hand an einem der Haltegriffe (16a, 16b) fest. Will der Benutzer beispielsweise einen Eingabebefehl für eine Bewegung nach rechts erzeugen, so könnte er mit einer Hand gegen einen der Haltegriffe (16a, 16b) nach rechts drücken. Die myographischen Sensoren (18a, 18b) würden erkennen, welche Muskeln an dieser Bewegung beteiligt sind, sodass detektiert werden kann in welche Richtung der Benutzer gegen das Widerstandselement (16a, 16b) drückt. Basierend hierauf kann ein Eingabebefehl zum Steuern der Vorrichtung erzeugt werden.
Hierdurch kann eine besonders flexible und kontinuierliche Steuerung einer Vorrichtung in einem schwerelosen Raum ermöglicht werden. Insbesondere wird kein weiteres Gerät benötigt, da der Astronaut EMG-Sensoren bereits am Körper trägt.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung (10), insbesondere eines Roboters, in einem schwerelosen Raum, insbesondere im Weltall, mit den Schritten: - Aufbringen einer Kraft durch ein Körperteil (12a, 12b) eines Benutzers (14) gegen ein Widerstandselement (16a, 16b), - Erfassen der Richtung, in der der Benutzer (14) seine Kraft gegen das Widerstandselement (16a, 16b) aufbringt, indem durch mehrere Myographie-Sensoren (18a, 18b), die am Unterarm (12a, 12b) des Benutzers (14) angebracht sind, detektiert wird, welche Muskeln an dem Aufbringen der Kraft gegen das Widerstandselement (16a, 16b) beteiligt sind, - Erzeugen eines Eingabebefehls zum Steuern der Vorrichtung (10) in Abhängigkeit davon, in welche Richtung der Benutzer (14) die Kraft gegen das Widerstandselement (16a, 16b) aufbringt.
Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Myographie-Sensoren (18a, 18b) drahtlos an eine Steuervorrichtung einer Raumstation oder eines Raumfahrzeugs übermittelt werden.
Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (16a, 16b) mindestens ein Haltegriff ist, an dem sich der Benutzer (14) zum Aufbringen einer Kraft gegen den Haltegriff (16a, 16b) festhalten kann.
Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Myographie-Sensoren (18a, 18b) an der Innenseite einer ringförmigen Haltevorrichtung angebracht sind, die über den Unterarm (12a, 12b) des Benutzers (14) ziehbar ist.
Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Myographie-Sensoren (12a, 12b) elektromyographische Sensoren oder Drucksensoren sind.
Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier verschiedene Eingabebefehle, insbesondere für eine Bewegung nach oben, unten, rechts und links durch ein entsprechendes Aufbringen einer Kraft nach oben, unten, rechts und links erzeugt werden.
Verwendung mehrerer Myographie-Sensoren (18a, 18b) zum Erzeugen eines Eingabebefehls für eine Vorrichtung, insbesondere einem Roboter in einem schwerelosen Raum, insbesondere im Weltall, indem durch die Myographie-Sensoren die Richtung erfasst wird, in der der Benutzer (14) seine Kraft gegen das Widerstandselement (16a, 16b) aufbringt, indem durch mehrere Myographie-Sensoren (18a, 18b) am Unterarm (12a, 12b) des Benutzers detektiert wird, welche Muskeln an dem Aufbringen der Kraft gegen das Widerstands-element (16a, 16b) beteiligt sind, indem weiterhin der Eingabebefehl für die Steuerung der Vorrichtung erzeugt wird in Abhängigkeit davon, in welche Richtung der Benutzer (14) die Kraft gegen das Widerstandselement (16a, 16b) aufbringt.