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Gebiet der Erfindung
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Vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Telemanipulation von Objekten mittels eines schwebeflugfähiges Flugobjekts mit einem Greifarm.
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Hintergrund und Stand der Technik
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Der Einsatz von Roboterarmen in der industriellen Produktion, in Handwerk und Gewerbe, für Dienstleistungen wie Lieferdienste und bei der Warensortierung ist aufgrund der damit erreichbaren Produktivitäts- und Effizienzsteigerungen durch höhere Präzision bei geringerem Zeitaufwand und geringen Standzeiten inzwischen weit verbreitet.
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Ein Roboterarm soll hierbei wie üblich als eine Konstruktion aus üblicherweise länglichen Elementen verstanden werden, die über Gelenke miteinander verbunden und mittels die Winkelstellung der Gelenke und/oder Länge der Elemente ändernde Kraftelemente gegeneinander beweglich sind. Um sinnvoll tätig werden zu können, ist ein Roboterarm an einem Punkt, üblicherweise einem Punkt nahe einem seiner Enden an einer Haltestruktur festgelegt und hat an seinem anderen Ende ein oder mehrere Effektoren und/oder Manipulatoren. Sofern einer dieser Effektoren/Manipulatoren ein Greifer wie beispielsweise eine Zange oder eine künstliche Hand ist, spricht man auch von einem Greifarm.
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Neben ortsfesten und verfahrbaren Haltestrukturen zur Befestigung von Roboter- bzw. Greifarmen ist es ebenfalls bekannt, diese an Fluggeräten zu montieren.
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Beispielsweise hat der japanische Hersteller ProDrone mit dem Modell PD6B-AW-ARM einen Multikopter, also ein unbemanntes schwebeflugfähiges Fluggerät mit zwei oder mehr, üblicherweise vier oder mehr, an Auslegerarmen befestigten Rotoren demonstriert, welcher mit zwei direkt unterhalb des Schwerpunkts angebrachten Greifarme zum Ergreifen und Halten von Objekten, wie beispielsweise Paketen oder anderen Waren ausgestattet ist.
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Ein Nachteil dieser Konstruktion ist, dass die Greifarme die durch die Propellerkreise der Rotoren definierte Zone nicht verlassen können. Somit können nur Objekte angeflogen und ergriffen werden, deren Umgebung oberhalb des Objekts ausreichend Raum für den Multikopter bietet. Das Ergreifen von Objekten in Wandhöhlen oder -einbuchtungen wie beispielsweise auf Fensterbänken ist damit nicht möglich.
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Die Greifarme einfach zu verlängern ist keine praktikable Lösung, denn eine Verlängerung der Greifarme erhöht zum einen deren Gewicht nachteilig, was Nutzlastzuladung verringert, und verursacht zum anderen Stabilitätsprobleme, da das im Falle einer horizontalen Stellung der schwereren verlängerten Arme verursachte Kippmoment, sogar ohne Nutzlast, die Kompensationsfähigkeiten dieses Multikopters an ihre Grenzen bringt oder gar übersteigt.
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Eine mögliche Lösung dieses Stabilitätsproblems schlägt die internationale Veröffentlichungsschrift
WO 2018/ 071 592 A2 vor in der Quadkopter, also Multikopter mit vier Rotoren, vorgestellt werden, die einen unterhalb des Schwerpunkts befestigten Greifarm aufweisen, wobei zur Reduzierung oder Eliminierung des Kippmoments bei aus der Vertikale verschwenktem Greifarm vorgeschlagen wird, entweder auf dem Greifer des Arms einen zusätzlichen Rotor zu installieren, der das Gewicht des Arms kompensieren kann oder alternativ den Quadrokopter mit einem verschiebbaren Gegengewicht auszustatten, etwa mittels eines über eine Teleskopstange befestigten Batteriepacks oder eines ausrollbaren Batteriepacks in der Art eines Patronengürtels.
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Dies adressiert zwar das Stabilitätsproblem, sodass auch ein längerer Greifarm einsetzbar ist. Als ein Nachteil des dortigen schwebeflugfähigen Fluggeräts verbleibt aber, dass mit einem verlängerten und damit schwereren Greifarm eine Reduktion der Nutzlast des Fluggeräts insgesamt und damit auch des maximalen Gewichts mit dem Greifarm greifbarer Objekte einhergeht. Zudem ist dort keine effektive Kontrolleinrichtung offenbart, die es einer das Fluggerät manuell oder semi-autonom steuernden Person erlauben würde, Objekte gezielt und präzise anzufliegen und zu ergreifen. Im Übrigen ist bei dem dortigen Fluggerät ein Greifen nach oben über die durch die Rotorebene hinaus praktisch kaum zu realisieren.
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Die Veröffentlichungsschrift
US 2014 / 0 231 594 A1 stellt ein Fluggerät unabhängig voneinander steuerbaren horizontalen Schub- und vertikalen Auftriebsaggregaten vor, welches mit einem an einem Rahmen des Fluggeräts befestigten Greifarm ausgestattet ist. Die Anbringung des Greifarms und ergonomische Steuerung der Freiheitsgrade des Fluggeräts inklusive des Greifarms werden hier offengelassen.
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In der Veröffentlichungsschrift
US 2019 / 0 061 933 A1 wird ein unbemanntes Fluggerät mit einer an zentraler Stelle des Fluggerät-Chassis angebrachten Strebe, welche einen horizontal orientierten Propeller und, am chassisfernen Ende, einen Endeffektor trägt offenbart. Darüber hinaus wird dort eine Verfahren zum automatisierten Anbringen von Sensoren an Zielpunkten vorgeschlagen.
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Die internationale Veröffentlichungsschrift
WO 2016/ 198 775 A1 zeigt ein schwebeflugfähiges Fluggerät, welches in einem Endbereich an der Unterseite seines Chassis einen mehrere Segmente umfassenden Manipulatorarm umfasst, dessen Reichweite einen Arbeitsbereich definiert. Das Fluggerät soll eine vorbestimmte Position einnehmen, bei der ein Zielobjekt innerhalb des Bearbeitungsbereichs liegt. Über eine per Kabel mit dem Fluggerät verbundene, am Boden befindliche Fernsteuerung mit einem 4-Wege Kontrolhebel kann das Fluggerät sowie der Manipulator durch einen Piloten manuell gesteuert werden. Es werden hierfür drei Steuermodi vorgesehen: ein manueller Steuermodus um das Fluggerät an einen Arbeitsort zu steuern, einen zweiten Modus, in dem das Fluggerät eine Position hält und der Pilot lediglich den Manipulatorarm steuert, und einen dritten Modus, in dem der Pilot den Arbeitsbereich verschieben kann und das Fluggerät die Stellung des Manipulatorarms und/oder seine Position entsprechend anpasst.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2016 200 920 A1 wird ein System und Verfahren zum Erfassen von Abgaseigenschaften am Auslass eines Schornsteins vorgestellt, welches ein Fluggerät mit einem au-ßerzentrisch am Fluggerät angebrachten Sensorträgerarm einsetzt.
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Die Druckschrift
US 2018 / 0 250 535 A1 offenbart unter anderem ein unbemanntes Rettungsfluggerät mit paarigen Greifarmen mittels derer es sich an Gebäuden verankern kann um zu rettenden Personen einen sicheren Übertritt zu erlauben.
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In der Veröffentlichungssschrift
US 2017 / 0 359 943 A1 wird ein autonomes Fluggerät zum versprühen von Spritzmitteln in der Landwirtschaft vorgeschlagen, welches hierzu eine außerzentrisch am Fluggerät angebrachte Sprüheinrichtung aufweist.
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Die Veröffentlichungsschrift
WO 2018/ 201 240 A1 stellt eine Anordnung zur Telemanipulation von Objekten umfassend einen Roboter mit Greifarm und Bilderfassungsmitteln, eine Videobrille als Anzeigemittel und Kontrollmittel in Form einer Fernsteuerung mit Beschleunigungssensor vor, bei der ein Operator Objekte identifizieren und mit dem Greifarm gezielt ergreifen kann. Allerdings haben die Bilderfassungsmittel dort einen deutlichen Versatz zu dem Befestigungspunkt des Greifarms, was das korrekte Ergreifen ohne aufwendige Bildkorrekturberechnungen sehr erschwert. Zudem erlaubt die Fernsteuerung nur eine sehr umständliche Steuerung des Greifarms und insbesondere des Greifers. Eine schnelle, intuitive und auf Wunsch auch direkte Kontrolle aller Freiheitsgrade des Greifarms und des Greifers ist damit nicht möglich.
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Daher besteht nach wie vor ein Bedarf an schwebeflugfähigen Fluggeräten und Kontrollanordnungen hierfür, welche es Benutzern erlauben, schwer zugängliche Objekte einfach und schnell anzufliegen und zu ergreifen.
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Technische Aufgabe
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Vorliegende Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, ein schwebeflugfähiges Fluggerät und eine Kontrollanordnung und - verfahren zu finden, welches einem Benutzer das Ergreifen schwer zu erreichender Objekte erleichtert.
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Lösung der Aufgabe
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 – 9 und ein Steuerverfahren unter Verwendung der Anordnung gemäß Anspruch 10.
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Die wesentliche Idee hinter der ersten Komponente der erfindungsgemäßen Anordnung, dem schwebeflugfähigen Fluggerät, ist die Verlagerung des Befestigungspunkts des Greifarms oder der Greifarme weg von einer zentralen Position, welche im Stand der Technik unterhalb des Schwerpunkts liegt, hin zu einem Punkt näher am Rand der Propellerkreiszone. Somit wird die Greifarmlänge, die nötig ist, um auch Gegenstände außerhalb der Propellerkreiszone zu ergreifen, vorteilhaft vermindert. Wird der Befestigungspunkt des Greifarms etwa um den halben Durchmesser der Propellerkreiszone in Richtung deren Rand lateral verlagert, muss der Greifarm nur etwas mehr als halb so lang sein, wie bei einer zentralen Anbringung.
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Dem sich aufdrängende Nachteil dieser Positionierung, ein potentielles Kippmoment, kann auf zwei Arten begegnet werden.
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Einmal kann das Fluggerät so konstruiert werden, dass sein Schwerpunkt nicht, wie üblich, mit einem durch die geometrische Form des Fluggeräts ausgezeichneten zentralen Punkt zusammenfällt, sondern vielmehr in Richtung des Befestigungspunktes des Greifarms verschoben ist oder, idealerweise, sogar lateral mit diesem zusammenfällt. „Lateral“ bedeutet hier nach Normalenprojektion auf die durch Roll- und Nickachse des Fluggeräts aufgespannte Ebene.
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Alternativ oder zusätzlich können auch auf der Seite des Fluggeräts, auf die hin der Greifarm vom geometrisch zentralen Punkt aus versetzt ist, im Folgenden als die Greifarmseite bezeichnet, stärkere Auftriebsmittel vorgesehen sein als auf der/den anderen Seiten. Ist das schwebeflugfähige Fluggerät etwa ein Multikopter, können auf der Greifarmseite leistungsstärkere Rotoren installiert sein. „Rotor“ bezieht sich hier und im Folgenden, sofern nicht explizit anders erwähnt, auf die Einheit aus (Elektro-)Motor und (eigentlichem) Rotor.
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Durch den lateralen Versatz des Greifarms kann die Greifarmlänge vorteilhaft reduziert und die Nutzlast des Greifarms wie des Fluggeräts erhöht werden. Aufwendige zusätzliche Auftriebsmittel an der Spitze des Greifarms, wie im Stand der Technik vorgeschlagen, erübrigen sich hierdurch.
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Das Potential des vorbeschriebenen schwebeflugfähigen Fluggeräts zum Auffinden, Ergreifen und Abtransportieren vom Boden aus nicht erreichbarer und auch aus der Luft nur schwer zugänglicher Gegenstände kann jedoch nicht ohne eine effektive und intuitive Steuerung realisiert werden. Erfindungsgemäß wird es daher im Rahmen einer Anordnung und eines Verfahren zur manuellen oder semi-autonomen Fernsteuerung oder der autonomen, insbesondere auf Teaching basierten, Steuerung des erfindungsgemäßen Fluggeräts eingesetzt.
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Hierbei kommen Kontrollmittel, erfindungsgemäß konkret ein Datenhandschuh, und Anzeigemittel zum Einsatz, welche mit dem erfindungsgemäßen Fluggerät in Datenkommunikation stehen, beispielsweise über Funk.
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Um einem Piloten/Benutzer des Fluggeräts den Einsatz für den oben angegebenen Zweck zu ermöglichen, ist es auch unabdingbar, dass dieser die Umgebung des Fluggeräts beobachten kann. Hierzu ist das Fluggerät erfindungsgemäß mit Umgebungserfassungsmitteln, etwa einer einzelnen oder einer Stereokamera, einer 3D-Tiefenkamera oder anderen elektromagnetischen und/oder akustischen Sensoren ausgestattet, welche auf dem Fluggerät bevorzugt an einem Punkt nahe dem Befestigungspunkt des Greifarms angeordnet ist.
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Die durch diese Umgebungserfassungsmittel, insbesondere durch Bilderfassungsmittel, aufgenommenen Daten (z.B. Bilddaten) werden, bevorzugt als Echtzeit-Videostream an das Anzeigemittel gesendet, mittels derer der Pilot/Benutzer die Daten zur Anzeige gebracht bekommt und sich so aus der Perspektive des Fluggeräts ein Bild von dessen Umgebung machen und dort potentiell zu ergreifende Objekte identifizieren kann.
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Um das Fluggerät, nachdem ein zu ergreifendes Objekt identifiziert ist, zu diesem zu steuern und dieses tatsächlich mit Hilfe des Greifarms zu erfassen, bieten sich grundsätzlich drei Steuerungsmodi-Klassen an - manuell, semi-autonom oder (voll-)autonom - welche auch gemischt eingesetzt werden können.
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Zum einen kann der Pilot über die Kontrollmittel direkt und unmittelbar die Bewegungen des Fluggeräts sowie des Greifarms steuern. Eine unmittelbare Steuerung jedes Rotors bedeutet aber nicht, dass für jeden Rotor ein eigenes Kontrollmittel/ein eigener Kontrollfreiheitsgrad eingesetzt werden muss, also etwa bei einem Quadcopter, auch Quadrotor genannt, vier getrennte Drehzahleingabemittel. Vielmehr ist, wie im Modelflug hinlänglich bekannt, auch eine Mischung der Freiheitsgrade in dem Sinne, dass mit einem Kontrollfreiheitsgrad, etwa einem Hebel oder einer Taste einer Fernbedienung, mehrere Rotoren gleichzeitig angesteuert werden können, um durch das Zusammenwirken der Rotoren eine gewisse gewünschte Flugbewegung, etwa eine Nick-, Gier oder eine Rollbewegung, zu erreichen, als eine unmittelbare Steuerung anzusehen. Im manuellen Steuerungsmodus würde der Pilot also die 6 Freiheitsgerade des Fluggeräts sowie die Freiheitsgerade des / der Greifarme einzeln mit seiner Fernbedienung steuern. Dies ist aufgrund der Menge an Freiheitsgeraden sehr aufwändig, komplex und fehleranfällig. Der Pilot müsste dazu gut ausgebildet und hoch konzentriert sein.
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Daher bietet es sich an, einzelne Freiheitsgerade in einem semi-autonomen Modus selbstständig steuern zulassen, d.h. eine Regelungseinheit des Fluggeräts mit einer, softwarebasierten, Assistenzfunktion übernehmen (auch teils) die Steuerung der Position, Lage, Geschwindigkeit sowie die Steuerung eines Abstandes und die Steuerung des Greifarms selbst. Der Abstand kann dabei absolut, relativ zum Boden, zur, sich möglicherweise relativ zum Boden bewegenden, Umgebung des Fluggeräts oder relativ zum Zielobjekt sein. Beim Greifarm kann die Steuerung die Winkel der Gelenke beinhalten, die angreifenden Kräfte, Geschwindigkeit oder die Position des TCP (Tool Center Points).
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Zum anderen kann die Steuerung auch voll autonom erfolgen, d.h. die zuvor beschriebenen Größen werden vollständig von der Regelungseinheit und der Assistenzfunktion gesteuert. Dabei kann die Steuerung auch in dem Sinne erfolgen, dass der Pilot dem Fluggerät über die Kontrollmittel lediglich Zielvorgaben bzw. Vorgaben hinsichtlich eines einzunehmenden Flugzustandes macht oder die Zielvorhaben der Steuerung nachsteuert, beispielsweise einen anzufliegenden Punkt im Raum und/oder ein anzufliegendes und mit dem Greifer zu erfassendes Objekt bezeichnet, oder einen Geradeausflug mit konstanter Geschwindigkeit oder einen Sinkflug mit vorgegebener Sinkrate vorgibt, woraufhin das Fluggerät selbsttätig sowohl die zur Ausführung nötigen Flugmanöver und/oder Greifarmbewegungen errechnet und die zur Durchführung der errechneten Flugmanöver/Greifarmbewegungen nötigen Aktionen bestimmt und durchführt.
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Mischformen dieser Steuerungsmodi sind ebenso denkbar. Weiterhin kann ein Teil der Größen und Freiheitsgrade in einem, und ein anderer Teil in einem anderen Steuerungsmodus betrieben werden. In manchen Ausführungen der Erfindung kann beispielsweise die Steuerung der Flugbewegungen des unbemannten Fluggeräts vollständig autonom erfolgen, d.h. der Pilot gibt nur Position oder Flugzustand vor, steuert aber den Greifarm manuell (direkte Steuerung aller Freiheitsgrade des Greifarms) oder nur teilweise (Steuerung der Position und des Öffnungszustands des Greifers durch Pilot, Bestimmung der hierfür nötigen Gelenkwinkel und ggf. Translationsfreiheitsgrade des Arms durch das Fluggerät).
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Im Rahmen der Erfindung, insbesondere als Sicherheitsfeature, kann auch ein Umschalten zwischen den beschriebenen Steuerungsmodi und/oder Mischformen möglich sein. Etwa kann während des Anflugs auf ein Zielgebiet eine manuelle oder nur semi-autonome Steuerung der Flugbewegungen durch den Piloten erfolgen, und bei Erreichen des Zielgebiets auf eine vollständig autonome Steuerung der Flugbewegungen und eine manuelle oder teilweise semi-autonome Steuerung des Greifarms durch den Piloten umgeschaltet werden.
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Während der Phasen semi-autonomer Steuerung der Flugbewegungen des Fluggeräts durch den Piloten kann der Greifarm vollständig autonom durch das Fluggerät gesteuert werden, etwa um als automatische Schwerpunktstrimmung bzw. Stabilisator zu dienen.
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Je nach verwendetem/en Kontrollmittel/n lassen sich die beschriebenen Steuerungsmodi unterschiedlich gut realisieren. Eine aus dem Modellflug bekannte Fernsteuerung mit mehreren Eingabehebeln und/oder Schiebern eignet sich grundsätzlich für alle Steuerungsmodi, ist jedoch wenig intuitiv und wenig ergonomisch. Dies trägt dazu bei, dass die Steuerung sehr anspruchsvoll ist.
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Eine Fernsteuerung kann aber auch bei einer vollständig autonomen Steuerung eingesetzt werden. Die Freiheitsgrade der Fernsteuerung würden dann nicht zur unmittelbaren oder mittelbaren (über ein Flugsteuersystem) Ansteuerung der Freiheitsgrade des Fluggeräts und Greifarms genutzt, sondern um eine Zielposition vorzugeben. Alternativ könnte die Steuerung auch dem Eingriff im Fehlerfall (Überwachung), der Erfüllung gesetzlicher Anforderungen, der Feinjustierung (Feintunning) und dem Teaching (Lehren und Lernen) dienen.
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Da er zur intuitiven und ergonomischen Steuerung des Greifarms besonders geeignetes ist, ist erfindungsgemäß als Kontrollmittel ein Datenhandschuh verwendet. Dies ist
ein Handschuh, bei welchem inertiale Messeinheiten (IMUs) die Bewegung und die Stellung eines Teils oder aller Freiheitsgrade der Hand eines Trägers des Handschuhs bestimmen. Zusätzlich können auch weitere Eingabemittel in den Datenhandschuh integriert sein, etwa Dehnungsmessstreifen, Schiebregler, Taster oder Schalter. Die Funktionalität bzw. Zahl der überwachten Freiheitsgrade kann auch durch weitere inertiale Messeinheiten (IMUs) an Unterarm, Oberarm und/oder der Schulter noch erhöht werden. Alle diese Freiheitsgrade sollen im Folgenden als (die) Freiheitsgrade des Datenhandschuhs bezeichnet werden. Der Begriff soll also nicht auf die unmittelbaren Freiheitsgrade nur der Hand selbst eingeschränkt verstanden werden, es sei denn dies wäre explizit erwähnt.
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Die Steuerung des Greifarms sowie des Fluggeräts mittels eines solchen Datenhandschuhs kann im manuellen, semi-autonomen oder voll autonomen Modus erfolgen. Im manuellen Modus würden die Stellungen der Einzelnen überwachten Freiheitsgrade des Datenhandschuhs unmittelbar in die Stellungen der Gelenke oder ggf. auch Translationsfreiheitsgrade des Greifarms umgesetzt werden. Von dem Begriff „unmittelbare Umsetzung“ soll sowohl eine 1-1 Umsetzung, bei der ein bestimmter Gelenkwinkel des Datenhandschuhs in einen Winkel eines Greifarmgelenks übertragen wird oder eine lineare Umsetzung mit einem gewissen Vielfachen, beispielsweise 1-2 (1 Grad eines Handschuhwinkels entspricht 2 Grad des zugeordneten Greifarmgelenks) oder 2-1, aber auch eine nicht-lineare Umsetzung, insbesondere eine (winkel-)geschwindigkeitsabhängige Nichtlinearität, etwa proportional der Winkelgeschwindigkeit des Kontrollwinkels, verstanden werden. Die Steuerung kann insbesondere auch unter Verwendung von Koordinaten-Transformationen (z.B. Denavit-Hartenberg-Transformation) mittels Rückwärts- und/oder Vorwärtstransformation erfolgen.
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Im semi-autonomen Modus kann über die Position der Hand als Ganzes die gewünschte Position des Greifers vorgegeben werden und nur das Öffnen oder Schließen des Greifers wird direkt, das heißt manuell gesteuert.
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Im voll autonomen Modus kann mittels des Datenhandschuhs ein virtueller Cursor im Raum bewegt und damit ein zu ergreifendes Objekt markiert werden. Die zur Ergreifung nötigen Bewegungen des Arms und des Greifers würde das Fluggerät dann selbsttätig errechnen und durchführen. Auch hier ist jedoch eine hybride Steuerung denkbar etwa dahingehend, dass zwar die Steuerung (der Position) des Greifers vollständig autonom erfolgt, dass Öffnen oder Schließen des Greifers aber unter der direkten Kontrolle des Piloten des erfindungsgemäßen Fluggeräts bleibt oder zumindest vor dem tatsächlichen Zugreifen noch eine Bestätigung des Piloten abgewartet wird, etwa um Sicherzustellen, dass das richtige von mehreren nahe beieinander befindlichen Objekten ergriffen wird.
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Mit dem Datenhandschuh ist jedoch ebenfalls eine Steuerung der Flugbewegungen des Fluggeräts in allen drei beschriebenen Steuerungsmodi möglich. Bei einer unmittelbaren Steuerung würde eine Zuordnung der Freiheitsgrade des Datenhandschuhs zu den Kontrollfreiheitsgraden des Fluggeräts erfolgen, gegebenenfalls mit einer oben beschriebenen, aus dem Flugmodellsport bekannten Mischung von Freiheitsgraden. Ähnlich würde bei einer semi-autonomen Steuerung vorgegangen, mit dem Unterschied, dass die Änderungen der Kontroll-Freiheitsgrade nicht direkt und unmittelbar in die zugeordneten, ggf. gemischten Freiheitsgrade des Fluggeräts umgesetzt werden, sondern eine Flugsteuerung zwischengeschaltet ist, welche die Eingaben des Piloten als Manöver-Anfragen versteht und die für die Umsetzung nötigen Änderungen der Freiheitsgrade des Fluggeräts bestimmt. Eine voll autonome Steuerung mittels Datenhandschuh kann, wie bei der Steuerung des Greifarms, die Verwendung eines virtuellen, durch den Piloten verschiebbaren Cursors erfolgen, der die gewünschte Position des Fluggeräts repräsentiert.
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Zur gleichzeitigen Steuerung des Fluggeräts und des Greifarms können ein Teil der Datenhandschuh-Freiheitsgrade dem einen und ein anderer Teil dem anderen Zweck zugeordnet sein. Die Freiheitsgrade der Hand können etwa dem Greifarm zugeordnet werden, wohingegen die Freiheitsgrade des Arms des Piloten, sofern vom Datenhandschuh überwacht, der Flugbewegungssteuerung zugeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch zwei Datenhandschuhe verwendet werden, von denen einer der Kontrolle des Greifarms und der andere der Kontrolle der Flugbewegungen dient.
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Als Anzeigemittel kann ein gewöhnlicher Bildschirm dienen, auf dem die von den Umgebungserfassungsmitteln erfassten Daten (z.B. Bilddaten), die gegebenenfalls durch die Steuerung des Fluggeräts weiterverarbeitet wurden, dem Piloten des Fluggeräts als Flugdaten angezeigt werden. Diese Flugdaten können Bilddaten (2D / 3D Bilder), Geschwindigkeit, Orientierung, Bewegungsrichtung, Anströmrichtung (Anstellwinkel und/oder Schiebewinkel), Höhe, Sinkrate, Richtung zu einem markierten Objekt und/oder zur Position des Piloten umfassen.
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Der Bildschirm kann ein separates Gerät oder aber in eine als Kontrollmittel dienende Fernsteuerung integriert sein.
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Ein berührungsempfindlicher Bildschirm kann in manchen Ausführungsformen der Erfindung als kombiniertes Anzeige- und Kontrollmittel eingesetzt werden.
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In anderen Ausführungsformen dient eine Video-Brille als Anzeigemittel. Der Pilot fühlt sich hierdurch an die Position des Fluggeräts versetzt und kann sich so noch besser auf dessen Steuerung konzentrieren.
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Durch das erfindungsgemäße System aus schwebeflugfähigem Fluggerät mit exzentrisch angeordnetem Greifarm, Kontroll- und Anzeigemittel ist eine ferngesteuerte „fliegende Hand“ geschaffen, die es einem Piloten erlaubt, direkt und intuitiv schwer zu erreichende Objekte aufzufinden, zu ergreifen und abzutransportieren. Dies kann bei Arbeiten an vom Boden aus nicht oder nur schwer erreichbaren Stellen, wie an Masten oder (Fels-)wänden oder auf Häuserdächern extrem nützlich sein.
Ein besonderer Vorteil ist hier die exzentrische Anbringung des Greifarms, aufgrund derer dieser kleiner und leichter ausfallen kann. Dies wirkt sich positiv auf Größe und (Abflug)Masse des ganzen Fluggeräts aus, wodurch auch relativ kleine unzugängliche Bereiche wie Einbuchtungen in Wänden oder enge Räume zwischen oder im Inneren von Gebäuden und/oder Vegetation angeflogen werden können.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung erweitert sich damit der Einsatzbereich von Flugrobotern von den bisher adressierten Anwendungen Luftbildaufnahmen, Vermessung und Transport hin zu komplexeren Aufgaben wie das Transportieren von kleineren Gegenständen und das Betätigen von Schaltern oder Türen in Gebäuden, die Reparatur hochliegender Anlagen oder auch als fliegender Erntehelfer um an Stellen von Bäumen zu gelangen, die auch per Leiter nur schlecht erreichbar sind. Auch die Unterstützung gehbehinderter oder alter Menschen ist denkbar.
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Weiterbildungen
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Vorteilhafte Weiterbildungen vorliegender Erfindung werden im Folgenden vorgestellt. Sie können einzeln oder in Kombination realisiert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
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Bei dem erfindungsgemäßen unbemannten Fluggerät fällt der Befestigungspunkt des exzentrisch angebrachten Greifarms besonders bevorzugt mit dem Schwerpunkt des Flugkörpers, also des Fluggeräts ohne Greifarm, zumindest lateral, also nach Normalenprojektion auf die Roll-Nick-Ebene, zusammen. Alternativ liegt bevorzugt der Schwerpunkt des Flugkörpers lateral zumindest auf der Verbindungslinie zwischen dem geometrisch zentralen Punkt und dem Befestigungspunkt des Greifarms.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Fluggerät um einen Multikopter, besonders bevorzugt um einen Quadro-, Hexa- oder Octocopter mit an den Enden von mit dem Rumpf des Flugkörpers verbundenen Trägerarmen befestigten Rotoren. Die Rotorkreise definieren in ihrer Gesamtheit eine Ausschluss- oder minimale Annährungszone, die dem Bereich entspricht, bis auf den sich der Multikopter einer vertikalen Wand höchstens nähern kann.
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Diese Zone hat einen Durchmesser, worunter hier die Erstreckung der Zone in der durch die Verbindung zwischen zentralem Punkt und Befestigungspunkt des Greifarms definierten Versatzrichtung verstanden wird. Bevorzugt beträgt das Verhältnis des Versatzes zum Durchmesser der Ausschlusszone zwischen 1:5 und 4:5, besonders bevorzugt zwischen 1:4 und 1:2.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist sind die Rotoren bzw. Rotoreinheiten auf der Lastseite, d.h. der Greifarmseite für eine höhere maximalen Auftriebskraft ausgelegt. D.h. die Auftriebskraft, welche die Rotoren maximal zu erzeugen im Stande sind und welche in etwa proportional zur maximalen Motorleistung der Rotoreinheit ist, für die Rotoren bzw. Rotoreinheiten größer, die näher am Befestigungspunkt des Greifarms liegen. Besonders bevorzugt ist es, die maximale Auftriebskraft invers proportional zur Gegenkraft aus Nutzlast (Payload) und Greifarm zu wählen.
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In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der Greifarm mit verschieblichen Gegengewichten ausgestattet. Etwa kann ein Gewicht an einer Teleskopstange vorhanden sein, welche stufenlos in die dem Greifarm entgegengesetzte Richtung ausfahrbar ist. Beim Schwenken und anderweitigem Bewegen des Greifarms würde durch die Steuerung des erfindungsgemäßen Fluggeräts das Gegengewicht automatisch soweit ausgefahren, dass der Schwerpunkt von Arm und Gegengewicht in vertikaler Richtung, also in Richtung des Gewichtskraftvektors, unter/über/bei dem Befestigungspunkt verbleibt. Hierdurch wird der negative Einfluss des Greifarms auf die Stabilität des Fluggeräts minimiert.
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Alternativ oder zusätzlich zu verschieblichen Gegen- oder Ausgleichsgewichten haben weitere bevorzugte Ausführungsformen des Fluggeräts einen zweiten Greifarm, dessen Befestigungspunkt am Flugkörper besonders bevorzugt den gleichen Versatz wie der erste aufweist, aber entgegengesetzt gerichtet ist. Der zweite Greifarm ist also besonders bevorzugt vom Befestigungspunkt des ersten Greifarms aus gesehen hinter dem zentralen Punkt befestigt. Der zweite Greifarm bewegt sich in einigen Ausführungsformen in Abhängigkeit zum ersten Greifarm und kann damit Gewichts- und Schwerpunktverlagerungen kompensieren.
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Der Greifarm des erfindungsgemäßen Fluggeräts hat bevorzugt ein Dreh-/Zylindergelenk, drei prismatische (Kipp-)Gelenke und einen Greifer.
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Unter Umgebungserfassungsmitteln ist Sensorik wie Videokameras, 3D Kameras (Tiefenkameras wie z.B. PMD), LiDar, Radar, Ultraschall und vergleichbare Messtechnologien zur Umgebungserfasung zu verstehen. Besonders bevorzugt sind Umgebungserfassungsmittel (Sensorik) der erfindungsgemäßen Anordnung auf dem Greifarm, etwa am oder unmittelbar über dem Greifer angebracht. Hierdurch ist eine größtmögliche Nähe der Umgebungserfassungsmittel zu den telemanipulierten Objekten erreicht. Da sich die Umgebungserfassungsmittel hierbei aber mit dem Greifarm mitbewegen, kann es zur Desorientierung des Piloten kommen. In anderen bevorzugten Ausführungsformen sind die Umgebungserfassungsmittel daher in der Nähe, etwa unmittelbar oberhalb des Befestigungspunktes des Greifarms angebracht und haben ein Sichtfeld, welches den üblichen Schwenkbereich des Greifarms zumindest zum Großteil umfasst. Um den gesamten Schwenkbereich des Greifarms einsehen zu können, können die Umgebungserfassungsmittel auch schwenkbar befestigt sein.
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Alternativ können auch bevorzugt Umgebungserfassungsmittel eingesetzt werden, die einen 360 Grad Rundumblick gewähren, wobei dem Piloten das komplette Panorama oder auch nur ein gewünschter Ausschnitt (virtueller Sichtbereich) angezeigt wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Telemanipulation verwendet bevorzugt eine Videobrille als Anzeigemittel und einen Datenhandschuh als Kontrollmittel. Das Anzeigemittel kann dabei in Abhängigkeit von den Eingaben durch das Kontrollmittel und je nach Ausführungsform ein Videobild, aber auch Kontraste, Abstände, Konturen, Temperaturen und vergleichbare Daten und die bereits erwähnten Größen anzeigen, um je nach Anwendungsbereich dem Benutzer ein bestmögliches Lagebild in Echtzeit zu geben.
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Der Datenhandschuh verfügt bevorzugt über steuerbare Kraftelemente mittels derer dem Piloten eine mechanische Rückmeldung einer vom Greifer auf ein ergriffenes Objekt ausgeübten Kraft vermittelt (Force-Feedback).
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Der bevorzugte Greifarm mit einem Dreh-/Zylindergelenk, drei prismatischen (Kipp-)Gelenken und einem Greifer ist etwa über Messung der Stellung der Mittelhand (1 Dreh- und ein Kippfreiheitgrad), der Phalangen der Finger (zwei Freiheitsgrade) und des Daumens (1 von 3 Freiheitsgraden genutzt) steuerbar.
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Der Datenhandschuh hat hierfür besonders bevorzugt jeweils drei IMUs (Inertial Measurement Units, IMUs) auf der Handwurzel, der Mittelhand und den Phalangen der Finger sowie einen Abstandssensor, besonders bevorzugt einen kapazitiven Abstandssensor zwischen Daumen und Zeigefinger. Weiterhin ist noch mehr bevorzugt als weiterer Kontrollfreiheitsgrad zusätzlich ein Schieberegler an der daumenzugewandten Seite des Zeigefingers vorhanden.
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Die IMUs sind dabei besonders bevorzugt vom Typ 6 DOF (Je Dreiachsen- Accelerometer und Gyroskop), 9 DOF (zusätzlich Dreiachsen- Magnetometer) oder 10 DOF (zusätzlich Luftdruck).
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Die Videobrille verfügt bevorzugt über eigene inertiale Messeinheiten (IMU), durch die die Stellung und Bewegung des Kopfes des Piloten bestimmbar sind. Diese Informationen werden besonders bevorzugt zum Schwenken des realen oder virtuellen Sichtbereichs des Piloten eingesetzt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung aus Fluggerät, Datenhandschuh und Videobrille fungiert als eine ferngesteuerte fliegende Hand des Piloten. Dieser sieht durch die Videobrille aus der Ich-Perspektive des Fluggeräts direkt die vom Greifarm ausgeführten Aktionen, wovon ihm auch über die im Greifarm vorhandenen Sensoren und die Kraftelemente des Handschuhs ein taktiles Feedback vermittelt wird.
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Ausführungsbeispiele
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Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren vorgestellten Ausführungsbeispielen. Diese sollen vorliegende Erfindung nur erläutern und in keiner Weise das in den unabhängigen Ansprüchen wiedergegebene allgemeine Prinzip der Erfindung einschränken.
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Es zeigen:
- 1: Eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluggeräts.
- 2: Eine Übersicht über das Zusammenwirken der Hardwarekomponenten der erfindungsgemäßen Anordnung.
- 3: Eine schematische Übersicht wesentlicher Hard- und Softwarekomponenten der erfindungsgemäßen Anordnung.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggeräts mit exzentrisch angebrachtem Greifarm.
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Das Fluggerät 1 ist ein Quadrokopter in H-Konfiguration mit einem Flugkörper 2 aus vier an den Enden zweier Trägerarme 21 angebrachten Rotoren bzw. Rotoreinheiten 22 bestehend aus eigentlichem Rotor und diesen antreibendem Elektromotor. Die Trägerarme 21 sind durch zwei parallel und beabstandet zueinander verlaufende, zusammen mit dem Gehäuse der Regelungseinheit 10 den Rumpf des Flugkörpers 2 bildende Längsverbinder 23 verbunden. An jedem Längsverbinder 23 greift mittig ein Landebein 25 mit Landekufe an. Im geometrisch zentralen Punkt C ist die Regelungseinheit 10 des Fluggeräts 1 angeordnet. Der Schwerpunkt CG1 ist in Richtung des Greifarms verlagert. Die Regelungseinheit 10 ist dementsprechend ausgelegt, dass Sie alle üblichen Fluglagen stabil regeln und auch Schwerpunktverlagerungen erkennen und kompensieren kann.
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Mittig an einem vorderen der beiden Trägerarme 21 ist einmal am Befestigungspunkt AP der Greifarm 3 sowie oberhalb davon als Umgebungserfassungsmittel 4, eine LiDar-Sensorik befestigt. Die Blickrichtung des Sensors 4 ist schwenkbar, um den Greifarm jederzeit im Erfassungsbereich halten zu können. Der Befestigungspunkt AP weist zum zentralen Punkt C den lateralen Versatz d auf.
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Die Rotorkreise der vier Rotoren 22 definieren die minimale Annäherungszone E für eine Annäherung des Multikopters 1 an eine vertikale Wand. In Richtung des Versatzes d hat die Zone E die Erstreckung bzw. den Durchmesser a. Das Verhältnis des Versatzes d zum Durchmesser a , also d/a, liegt hier bei ca. 1/3. Hierdurch kann der Greifarm 3 deutlich kürzer und damit leichter ausfallen, als dies bei zentraler Anbringung, d.h. ohne Versatz der Fall wäre, was die Nutzlast erhöht bzw. die für eine gewünschte Nutzlast nötige Abflugmasse des Multikopters 1 deutlich vermindert.
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Zusätzliche LiDar-Sensoren (Umgebungserfassungsmittel) 4' sind an den Landebeinen 25 sowie vom Befestigungspunkt BP aus auf der gegenüberliegenden Seite des zentralen Punktes C an einem der Längsverbinder 23 angebracht. Der Schwerpunkt des Fluggeräts ohne Greifarm fällt aufgrund der Positionierung der Kameras nicht exakt mit dem zentralen Punkt zusammen, liegt jedoch in dessen Nähe. Da das zusätzliche Gewicht des Greifarms über Befestigungspunkt AP am vorderen Träger 21 angreift, muss es vollständig durch die an diesem Träger befestigten Rotoren getragen werden. Daher sind diese Rotoren stärker ausgeführt als die am hinteren Träger 21 befestigten. Dies ist umso mehr nötig, als die ungleiche Lastverteilung bei horizontal nach vorne ausgestrecktem Greifarm 3 noch größer ausfällt.
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In 2 sind die Hardwarekomponenten einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sowie schematisch ihre Wechselwirkungen miteinander dargestellt.
Die Anordnung umfasst das unbemannte Fluggerät 1, hier einen Multikopter, mit Regelungseinheit 10, hier in Form des Quadkopters aus 1 dargestellt, jedoch im Grunde beliebig, solange es über einen exzentrisch angebrachten Greifarm verfügt, Kontrollmittel in Form eines Datenhandschuhs 100, Anzeigemittel in Form einer Videobrille 200 und eine Steuereinheit 300.
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Das Fluggerät 1 erfasst mit Hilfe seiner Sensorik kontinuierlich ein Umgebungsbild, ergänzt diese gegebenenfalls um Flug-, Steuer- und Assistenzdaten, und sendet diese ergänzten Daten als Videostream über die Steuereinheit 300 an die Videobrille 200, welche diese dann dem Piloten zur Anzeige bringt, wodurch der Pilot sich ein unmittelbares Bild der Umgebung des Fluggeräts machen kann. Nach der Identifizierung eines interessanten Objekts steuert der Pilot im semi-autonomen und manuellen Steuerungsmodus mittels Datenhandschuhs den Multikopter 1 auf das Objekt zu. Dies kann auch dem Teaching, dem Ein-Lernen des Fluggeräts, dienen. Im voll-autonomen Steuerungsmodus erfolgt die Steuerung ohne Eingabe des Piloten.
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Zur Steuerung manipuliert der Pilot die Kontrollfreiheitsgrade des Datenhandschuhs, welcher hier über jeweils 3 IMUs auf Handwurzel 110, Mittelhand 120 und Phalangen 130 die Freiheitsgrade Handwurzelstellung (1 Kipp und 1 Drehfreiheitsgrad), Mittelhandstellung und Phalangenstellung (jeweils ein Kippfreiheitsgrad) sowie über einen kapazitiven Sensor 140 den Abstand zwischen Daumen und Zeigefinger bestimmt. Ein Schieberegler 150 auf der daumenzugewandten Seite des Zeigefingers dient als weiteres Eingabemittel und kann zur Kontrolle eines Freiheitsgrades des Fluggeräts oder zur Interaktion mit den softwarebasierten Funktionen genutzt werden.
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Diese Änderungen werden wieder über eine Datenverbindung der Steuereinheit 300 mit der Regelungseinheit 10 des Fluggeräts 1 an dieses übertragen, welches diese je nach gewähltem Steuerungsmodus direkt in Änderungen der Freiheitsgrade des Greifarms umsetzt oder einen virtuellen Cursor verschiebt, mittels welchem der Pilot dem Fluggerät ein zu ergreifendes Objekt markieren kann. Dieser Cursor wird dem Piloten in dem Datenoverlay der Bilddaten angezeigt. Zusätzlich wird hier auch mittels einer weiteren Markierung angezeigt, was das Fluggerät aufgrund der Steuerungseingaben des Piloten zu unternehmen beabsichtigt. Angezeigt werden hierfür etwa eine anzufliegende Position sowie ein als zu ergreifen erkanntes Objekt.
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In 3 ist eine schematische Übersicht über die Hard- und Softwarekomponenten der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung aus 2 gezeigt.
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Das Fluggerät 1 verfügt über den Greifarm 3, die Sensorik zur Umgebungserfassung 4, 4', einen taktilen Sensor 5 für Feedbackinformationen wie Gewicht, Widerstände und Gegenkräfte eines ergriffenen Objekts sowie eine Regelungseinheit 10.
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Benutzerseitig sind die Videobrille 200, der Datenhandschuh 100 mit IMUs 110, 120, 130, kapazitivem Abstandsensor 140, Schieberegler 150 und Aktuatoren 160 zur Erzeugung von Vibrationen und/oder Wärme, und die Steuereinheit 300 vorhanden. Die Steuereinheit 300 und die Regelungseinheit 10 des Fluggeräts 1 stehen in Datenverbindung um Bilddaten vom Fluggerät über die Steuereinheit 300 an die Videobrille 200 und Steuer- und/oder Zielpositionsdaten vom Datenhandschuh 100 über die Steuereinheit 300 an das Fluggerät 1 zu senden.
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Als Softwarekomponente sind fluggeräteseitig eine Assistenzfunktion 11 und benutzerseitig eine Fokusfunktion 400 vorhanden, welche auf Datenverarbeitungsmitteln der Regelungseinheit 10 bzw. der Steuereinheit ausgeführt werden. Die Assistenzfunktion unterstützt den Benutzer/Piloten bei der manuellen, semi-autonomen und autonomen Steuerung des Fluggeräts indem einige Freiheitsgerade von dieser zusammen mit der Regelungseinheit 10 gesteuert werden, d.h. z.B. eine gewünschte, markierte Position selbsttätig angeflogen oder eine gegenwärtige Position oder ein Abstand zu einem sich bewegenden Objekt gehalten wird. Mit der Fokusfunktion kann der Benutzer dem Fluggerät 1 einen Punkt im Raum bestimmen oder ein Objekt markieren und das Fluggerät 1 anweisen, diesen Punkt bzw. dieses Objekt anzufliegen oder ein Objekt zu ergreifen oder diesem Objekt oder einem anderen Objekt zu folgen oder ein Objekt an einem Ort abzulegen. Es wird auch vorgeschlagen, dem Fluggerät per Teaching beizubringen, eine bestimmte Aktion in einem bestimmten Kontext automatisch auszuführen, etwa dass das Fluggerät, wenn der Pilot auf einen Lichtschalter zusteuert, diesen selbsttätig und ohne explizite Anweisung betätigt oder auch bei einer Tür selbsttätig die Klinke sucht, ergreift und betätigt um die Tür zu öffnen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluggerät, Multikopter
- 10
- Regelungseinheit
- 11
- Assistenzfunktion
- 2
- Flugkörper
- 3
- Greifarm
- 4, 4'
- LiDar Sensor als Umgebungserfassungsmittel
- 5
- Taktiler Sensor
- 100
- Kontrollmittel (Datenhandschuh)
- 110
- Handwurzel
- 120
- Mittelhand
- 130
- Phalangen
- 140
- Kapazitiver Sensor
- 150
- Schieberegler
- 160
- Aktuatoren (Vibrator, Heizelemente)
- 200
- Anzeigemittel (Videobrille)
- 300
- Steuereinheit
- 400
- Fokusfunktion
- C
- geometrisch zentraler Punkt
- CG1
- Flugkörperschwerpunkt
- BP
- Befestigungspunkt von 3 an 2
- X
- Rollachse
- Y
- Nickachse
- Z
- Gierachse
- XY
- Roll-Nick-Ebene
- TC
- Telekommandos
- TM
- Telemetriedaten
