DE102020113409A1

DE102020113409A1 - Verfahren zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems

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Publication number: DE102020113409A1
Application number: DE102020113409.6A
Authority: DE
Inventors: Harsimran Singh
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-11-19
Anticipated expiration: 2040-05-19
Also published as: DE102020113409B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit haptischem Feedback in dem Master-System, das aus dem Slave-System stammt, wobei beide Systeme bidirektional über einen Telekommunikationskanal kommunizieren, der zeitveränderliche Kommunikationsverzögerungen in mindestens einer Richtung und in der Regel in beiden Richtungen aufweist. Erfindungsgemäß ist zum Erhöhen der Transparenz in einem Teleoperationssystem mit zeitverzögerter Kommunikation zwischen dem Master-System und dem Slave-System vorgesehen, dass der aktuelle Gradient der Funktion der verzögerten Kraft, die zeitverzögert von dem Slave-System an das Master-System kommuniziert wird, dividiert durch den aktuellen Positionsfehler (Differenz aus aktueller Master-Vorrichtungsposition und Slave-Manipulatorposition) invertiert werden muss, wenn der Wert des aktuellen Gradienten negativ ist. Das heißt:- Wenn der Positionsfehler zunimmt und gleichzeitigt die Kraft zunimmt, dann bleibt der Gradient zum Berechnen der auf die Master-Vorrichtung wirkenden Kraft unverändert.- Wenn der Positionsfehler zunimmt und gleichzeitig die Kraft abnimmt, dann bleibt der Gradient zum Berechnen der auf die Master-Vorrichtung wirkenden Kraft unverändert.- Wenn der Positionsfehler abnimmt, aber die Kraft zunimmt, dann wird der Gradient zum Berechnen der auf die Master-Vorrichtung wirkenden Kraft invertiert (d.h. mit -1 multipliziert).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit haptischem Feedback in dem Master-System, das aus dem Slave-System stammt, wobei beide Systeme bidirektional über einen Telekommunikationskanal kommunizieren, der zeitveränderliche Kommunikationsverzögerungen in mindestens einer Richtung und in der Regel in beiden Richtungen aufweist.
Zum Überwinden einer Instabilität in zeitverzögerten bilateralen Teleoperationssystemen wurden aufgrund seiner nützlichen Eigenschaften zahlreiche Untersuchungen auf der Grundlage des Passivitätssatzes durchgeführt, der z.B. lediglich Eingabe-/Ausgabeinformationen unabhängig von Systemparametern verwendet, eine ausreichende Bedingung für Stabilität ist und allgemein auf lineare und nichtlineare System anwendbar ist. Basierend auf dem Passivitätskriterium in [1] wird der Time-Domain Passivity Approach (TDPA, dt. Zeitbereich-Passivitätsansatz) vorgeschlagen, um die erzeugte Energie zu detektieren und durch eine adaptive Dämpfung zu dissipieren. Der TDPA hat im Bereich der Haptik und Telerobotik Aufmerksamkeit erlangt, da lediglich die zum Erfüllen der Zeitbereichspassivität erforderliche Energiemenge dissipiert wird, wodurch der TDPA im Vergleich zu anderen passivitätsbasierten Ansätzen eine höhere Transparenz bietet.
Jeder stabilitätssichernde Ansatz hat einige Schwächen und verzichtet zum Aufrechterhalten der Stabilität auf Transparenz. Der TDPA zeigt beispielsweise einen Positionsdrift auf der Slave-Seite und ein Zittern der von dem Bediener gespürten Feedback-Kraft. Es wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, um den Positionsdrift zwischen der von dem Master vorgegebenen und der tatsächlichen Slave-Position [2], [3], [4] zu beseitigen. Vergleichsweise wurde wenig daran gearbeitet, die hochfrequenten Vibrationen zu beseitigen, die zu Fehlinformationen bezüglich der Fernumgebung führen können, wodurch die jeweiligen Aufgaben gefährdet werden. Zum Verringern der Vibration wurde ein virtueller Massen- und Federfilter (VMS) auf der Master-Seite vorgeschlagen [5], jedoch mussten die Parameter des VMS richtig eingestellt werden und waren abhängig von der Anwendung und dem Teleoperations-Setup. Ein weiterer Nachteil ist, dass der VMS dazu neigt, der verzögerten Feedback-Kraft zu folgen (siehe 1 und 2). Daher kann es bei einem Teleoperations-Setup, das von zeitveränderlichen Kommunikationsverzögerungen betroffen ist, vorkommen, dass der Benutzer einen Kraftanstieg spürt, obwohl er/sie dazu tendiert, sich aus der Umgebung zu bewegen (2). Dieser Effekt tritt auch bei der Verwendung anderer stabilitätssichernder Steuerungsansätze für zeitverzögerte Teleoperationen auf.
In DE 10 2014 004 115 B3 , US 7 027 905 B2 und US 6 144 884 sind Teleoperationssysteme ohne Verbesserung von deren Leistung/Transparenz offenbart. Die OBG-Steuerung ist keine Stabilitätssteuerung, sie wird jedoch zur Verbesserung der Leistung/Transparenz des Systems mit Zeitverzögerung verwendet. DE 10 2011 114 116 B4 , US 2006/0290311 A1 , US 2005/0231480 A1 beschreiben zudem jeweils Teleoperationssysteme zur Fernsteuerung eines Slaves mittels eines Masters mit einer verzögerten Datenübertragung.
Obwohl zahlreiche Untersuchungen durchgeführt wurden, um ein zeitverzögertes Teleoperationssystem zu stabilisieren, bietet keine der Untersuchungen eine Lösung zur Verbesserung der Intuitivität und Transparenz. Sämtliche Stabilisierungsansätze, die für Teleoperations-Setups mit einer zeitveränderlichen Kommunikationsverzögerung implementiert wurden, weisen einen Kraftanstieg auf, obwohl der Benutzer dazu tendiert, sich aus der Fernumgebung zu entfernen, was zu Fehlinterpretationen der Umgebungseigenschaft führen kann. Dementsprechend gibt es nach dem Stand der Technik keine Steuerungsansätze, die der Erwartung des Benutzers an das Kraftprofil bei zeitverzögerter Kommunikation entsprechen.
Dementsprechend gibt es nach dem Stand der Technik keine Steuerungsansätze, die der Erwartung des Benutzers an das Kraftprofil bei zeitverzögerter Kommunikation entsprechen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit hinsichtlich des haptischen Feedbacks erhöhtem Komfort für den Benutzer bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mittels eines Verfahrens zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit haptischem Feedback in dem Master-System, das aus dem Slave-System stammt,

- wobei das Master-System eine manuell bedienbare Master-Vorrichtung zum Steuern der Position eines Slave-Manipulators des Slave-Systems aufweist, mit welcher der Manipulator zu einem Zielobjekt verschoben wird,
- wobei sich das Slave-System entfernt von dem Master-System befindet und beide Systeme bidirektional über einen Telekommunikationskanal kommunizieren, der eine zeitveränderliche Kommunikationsverzögerung in mindestens einer Richtung aufweist, und
- wobei das Slave-System den Manipulator basierend auf dem Master-Vorrichtungspositionssignal steuert, nachdem dieses über den Telekommunikationskanal übertragen worden ist, und
- wobei das Master-System eine Master-Steuerung zum Steuern der Master-Vorrichtung aufweist, um haptisches Feedback basierend auf dem verzögerten Kraftsignal des Slave-Systems zu erzeugen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- durch manuelles Betätigen der Master-Vorrichtung sendet das Master-System über den Telekommunikationskanal ein Positionssignal, das eine aktuelle Master-Vorrichtungsposition repräsentiert, an das Slave-System als Steuerbefehl für die Slave-Steuerung zum Verschieben des Manipulators des Slave-Systems entsprechend der aktuellen Master-Position,
- das Slave-System empfängt den Steuerbefehl des Master-Systems und sendet über den Telekommunikationskanal und aufgrund dessen Verzögerung ein Feedback-Signal, das die Slave-Manipulatorposition und die Größe der von dem Slave-System erzeugten Kräfte repräsentiert, an das Master-System, wenn der Manipulator bei Verschiebung das Zielobjekt oder ein potentielles Hindernis berührt,
- das Master-System empfängt das Feedback-Signal von dem Slave-System und wandelt es in Größe und Richtung der Kraft um, die auf die Master-Vorrichtung und durch die Master-Vorrichtung auf die Bedienperson wirkt, welche die Master-Vorrichtung manuell bedient,
- das Positionssignal, das die aktuelle Master-Position des Master-Systems repräsentiert und das die von der Slave-Steuerung erzeugte Kraft, die auf den Slave-Manipulator wirkt, repräsentiert, und das verzögerte Positionssignal, das die verzögerte Kraft und die verzögerte Slave-Position des Slave-Systems repräsentiert, werden in eine Auswerteeinheit eingespeist, um den Gradienten gemäß der folgenden Gleichung auszuwerten (als Änderungsrate der Kraft geteilt durch die Änderungsrate des Fehlers): $g r a d i e n t = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{x}}_{m} - {\dot{x}}_{s d}} = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{e}}_{m}}$
wobei
- - ƒ̇_sd die Änderungsrate der durch das Slave-System erzeugten verzögerten Kraft ist,
- - ẋ _mdie Änderungsrate der aktuellen Master-Position ist,
- - ẋ _sd die Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, und
- - ė_m die Änderungsrate der Differenz zwischen der Änderungsrate der aktuellen Master-Position und der Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist,
- - das verzögerte Kraftsignal des Slave-Systems, das die verzögerte Kraft repräsentiert, modifiziert wird und das modifizierte Kraftsignal in das Master-System eingespeist wird, wobei die Modifikation wie folgt ist:
- wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Druckpfads positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei µ = 1,
- - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Freigabepfads positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
  wobei $μ= \frac{| {\dot{f}}_{s d} (n) | {\dot{e}}_{m} (n)}{| {\dot{e}}_{m} (n) | f_{s d} (n)} + \frac{f_{μ} (n - 1)}{f_{s d} (n)},$
  - wenn bei f_sd(n) = 0 der Wert des Gradienten der Funktion positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
  wobei µ = 0.

Die vorliegende Erfindung liefert einen modellfreien Steuerungsansatz, der die Erwartungen des Benutzers an das Kraftprofil bei zeitverzögerter Kommunikation erfüllt. Dementsprechend wird in dieser Hinsicht die Teleoperation transparenter. Erfindungsgemäß wird der Gradient wie folgt verwendet:

- Wenn der Positionsfehler zunimmt und gleichzeitigt die Kraft zunimmt, dann bleibt der Gradient zum Berechnen der auf die Master-Vorrichtung wirkenden Kraft unverändert.
- Wenn der Positionsfehler zunimmt und gleichzeitig die Kraft abnimmt, dann bleibt der Gradient zum Berechnen der auf die Master-Vorrichtung wirkenden Kraft unverändert.
- Wenn der Positionsfehler abnimmt, aber die Kraft zunimmt, dann wird der Gradient zum Berechnen der auf die Master-Vorrichtung wirkenden Kraft invertier (d.h. mit -1 multipliziert).

Dabei ist n die aktuelle Abtastzeit und n-1 die vorherige Abtastzeit.
Modifizierter Freigabepfad
Die vorstehend beschriebene Aufgabe gemäß einer Variante der Erfindung wird mittels eines Verfahrens zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit haptischem Feedback in dem Master-System, das aus dem Slave-System stammt, gelöst

- wobei das Master-System eine manuell bedienbare Master-Vorrichtung zum Steuern der Position eines Slave-Manipulators des Slave-Systems aufweist, mit welcher der Manipulator zu einem Zielobjekt verschoben wird,
- wobei sich das Slave-System entfernt von dem Master-System befindet und beide Systeme bidirektional über einen Telekommunikationskanal kommunizieren, der eine zeitveränderliche Kommunikationsverzögerung in mindestens einer Richtung aufweist, und
- wobei das Slave-System den Manipulator basierend auf dem Master-Vorrichtungspositionssignal steuert, nachdem dieses über den Telekommunikationskanal übertragen worden ist, und
- wobei das Master-System eine Master-Steuerung zum Steuern der Master-Vorrichtung aufweist, um haptisches Feedback basierend auf dem verzögerten Kraftsignal des Slave-Systems zu erzeugen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- durch manuelles Betätigen der Master-Vorrichtung sendet das Master-System über den Telekommunikationskanal ein Positionssignal, das eine aktuelle Master-Vorrichtungsposition repräsentiert, an das Slave-System als Steuerbefehl für die Slave-Steuerung zum Verschieben des Manipulators des Slave-Systems entsprechend der aktuellen Master-Position,
- das Slave-System empfängt den Steuerbefehl des Master-Systems und sendet über den Telekommunikationskanal und aufgrund dessen Verzögerung ein Feedback-Signal, das die Slave-Manipulatorposition und die Größe der von dem Slave-System erzeugten Kräfte repräsentiert, an das Master-System, wenn der Manipulator bei Verschiebung das Zielobjekt oder ein potentielles Hindernis berührt,
- das Master-System empfängt das Feedback-Signal von dem Slave-System und wandelt es in Größe und Richtung der Kraft um, die auf die Master-Vorrichtung und durch die Master-Vorrichtung auf die Bedienperson wirkt, welche die Master-Vorrichtung manuell bedient,
- das Positionssignal, das die aktuelle Master-Position des Master-Systems repräsentiert und die von der Slave-Steuerung erzeugte Kraft, die auf den Slave-Manipulator wirkt, repräsentiert, und das verzögerte Positionssignal, das die verzögerte Kraft und die verzögerte Slave-Position des Slave-Systems repräsentiert, werden in eine Auswerteeinheit eingespeist, um den Gradienten gemäß der folgenden Gleichung auszuwerten: $g r a d i e n t = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{x}}_{m} - {\dot{x}}_{s d}} = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{e}}_{m}}$
wobei
- - ƒ̇_sd die Änderungsrate der durch das Slave-System erzeugten verzögerten Kraft ist,
- - ẋ _mdie Änderungsrate der aktuellen Master-Position ist,
- - ẋ _sd die Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, und
- - ė_m die Änderungsrate der Differenz zwischen der Änderungsrate der aktuellen Master-Position und der Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist,
- das verzögerte Kraftsignal des Slave-Systems, das die verzögerte Kraft repräsentiert, modifiziert wird und das modifizierte Kraftsignal in das Master-System eingespeist wird, wobei die Modifikation wie folgt ist:
- wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Druckpfads positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei µ = 1,
- - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Freigabepfads positiv oder negativ ist und wenn |f_µ(n-1)| ≤ |f_sd(n)| ist, dann wird die Kraft basierend auf der lokalen virtuellen Kopplung berechnet, die an jeder Abtastung mittels der folgenden Gleichung berechnet wird: $f_{μ} = μ f_{s d}$
  wobei $μ = \frac{e_{m} (n) f_{μ} (n - 1)}{f_{s d} (n) e_{m} (n - 1)},$
  - wenn der Wert des Gradienten der Funktion positiv oder negativ ist und wenn |fµ(n-1)| > |fsd(n)| ist, wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
  wobei µ = 1
  - - wenn bei f_sd(n) = 0 der Wert des Gradienten der Funktion positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
    wobei µ = 0.

Modifizierter Druckpfad
Die vorstehend beschriebene Aufgabe gemäß einer Variante der Erfindung wird mittels eines Verfahrens zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit haptischem Feedback in dem Master-System, das aus dem Slave-System stammt, gelöst

- wobei das Master-System eine manuell bedienbare Master-Vorrichtung zum Steuern der Position eines Slave-Manipulators des Slave-Systems aufweist, mit welcher der Manipulator zu einem Zielobjekt verschoben wird,
- wobei sich das Slave-System entfernt von dem Master-System befindet und beide Systeme bidirektional über einen Telekommunikationskanal kommunizieren, der eine zeitveränderliche Kommunikationsverzögerung in mindestens einer Richtung aufweist, und
- wobei das Slave-System den Manipulator basierend auf dem Master-Vorrichtungspositionssignal steuert, nachdem dieses über den Telekommunikationskanal übertragen worden ist, und
- wobei das Master-System eine Master-Steuerung zum Steuern der Master-Vorrichtung aufweist, um haptisches Feedback basierend auf dem verzögerten Kraftsignal des Slave-Systems zu erzeugen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- durch manuelles Betätigen der Master-Vorrichtung sendet das Master-System über den Telekommunikationskanal ein Positionssignal, das eine aktuelle Master-Vorrichtungsposition repräsentiert, an das Slave-System als Steuerbefehl für die Slave-Steuerung zum Verschieben des Manipulators des Slave-Systems entsprechend der aktuellen Master-Position,
- das Slave-System empfängt den Steuerbefehl des Master-Systems und sendet über den Telekommunikationskanal und aufgrund dessen Verzögerung ein Feedback-Signal, das die Slave-Manipulatorposition und die Größe der von dem Slave-System erzeugten Kräfte repräsentiert, an das Master-System, wenn der Manipulator bei Verschiebung das Zielobjekt oder ein potentielles Hindernis berührt,
- das Master-System empfängt das Feedback-Signal von dem Slave-System und wandelt es in Größe und Richtung der Kraft um, die auf die Master-Vorrichtung und durch die Master-Vorrichtung auf die Bedienperson wirkt, welche die Master-Vorrichtung manuell bedient,
- das Positionssignal, das die aktuelle Master-Position des Master-Systems repräsentiert und die von der Slave-Steuerung erzeugte Kraft, die auf den Slave-Manipulator wirkt, repräsentiert, und das verzögerte Positionssignal, das die verzögerte Kraft und die verzögerte Slave-Position des Slave-Systems repräsentiert, werden in eine Auswerteeinheit eingespeist, um den Gradienten gemäß der folgenden Gleichung auszuwerten: $g r a d i e n t = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{x}}_{m} - {\dot{x}}_{s d}} = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{e}}_{m}}$
wobei
- - ƒ̇_sd die Änderungsrate der durch das Slave-System erzeugten verzögerten Kraft ist,
- - ẋ _mdie Änderungsrate der aktuellen Master-Position ist,
- - ẋ _sd die Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, und
- - ė_m die Änderungsrate der Differenz zwischen der Änderungsrate der aktuellen Master-Position und der Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist,
- das verzögerte Kraftsignal des Slave-Systems, das die verzögerte Kraft repräsentiert, modifiziert wird und das modifizierte Kraftsignal in das Master-System eingespeist wird, wobei die Modifikation wie folgt ist:
- - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Druckpfads positiv ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
  wobei $μ= \frac{f_{μ} (n - 1) + {\dot{f}}_{s d} (n)}{f_{s d} (n)},$
  - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Druckpfads negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
  wobei $μ= \frac{f_{μ} (n - 1) + {\dot{f}}_{s d} (n)}{f_{s d} (n)},$
  - - wenn an jeglichem Punkt der Wert während des Druckpfads |f_µ(n)| > |f_sd(n)| ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
    wobei µ = 1,
    - - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Freigabepfads positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
      wobei $μ = \frac{| {\dot{f}}_{s d} (n) | {\dot{e}}_{m} (n)}{| {\dot{e}}_{m} (n) | f_{s d} (n)} + \frac{f_{μ} (n - 1)}{f_{s d} (n)},$
      - - wenn bei f_sd(n) = 0 der Wert des Gradienten der Funktion positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
        wobei µ = 0, mit n als aktuelle Abtastzeit und n-1 als vorherige Abtastzeit.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner mittels eines Verfahrens zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit haptischem Feedback in dem Master-System, das aus dem Slave-System stammt, gelöst

- wobei das Master-System eine manuell bedienbare Master-Vorrichtung zum Steuern der Position eines Slave-Manipulators des Slave-Systems aufweist, mit welcher der Manipulator zu einem Zielobjekt verschoben wird,
- wobei sich das Slave-System entfernt von dem Master-System befindet und beide Systeme bidirektional über einen Telekommunikationskanal kommunizieren, der eine zeitveränderliche Kommunikationsverzögerung in mindestens einer Richtung aufweist, und
- wobei das Slave-System den Manipulator basierend auf dem Master-Vorrichtungspositionssignal steuert, nachdem dieses über den Telekommunikationskanal übertragen worden ist, und
- wobei das Master-System eine Master-Steuerung zum Steuern der Master-Vorrichtung aufweist, um haptisches Feedback basierend auf dem verzögerten Kraftsignal des Slave-Systems zu erzeugen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- durch manuelles Betätigen der Master-Vorrichtung sendet das Master-System über den Telekommunikationskanal ein Positionssignal, das eine aktuelle Master-Vorrichtungsposition repräsentiert, an das Slave-System als Steuerbefehl für die Slave-Steuerung zum Verschieben des Manipulators des Slave-Systems entsprechend der aktuellen Master-Position,
- das Slave-System empfängt den Steuerbefehl des Master-Systems und sendet über den Telekommunikationskanal und aufgrund dessen Verzögerung ein Feedback-Signal, das die Slave-Manipulatorposition und die Größe der von dem Slave-System erzeugten Kräfte repräsentiert, an das Master-System, wenn der Manipulator bei Verschiebung das Zielobjekt oder ein potentielles Hindernis berührt,
- das Master-System empfängt das Feedback-Signal von dem Slave-System und wandelt es in Größe und Richtung der Kraft um, die auf die Master-Vorrichtung und durch die Master-Vorrichtung auf die Bedienperson wirkt, welche die Master-Vorrichtung manuell bedient,
- das Positionssignal, das die aktuelle Master-Position des Master-Systems repräsentiert und die von der Slave-Steuerung erzeugte Kraft, die auf den Slave-Manipulator wirkt, repräsentiert, und das verzögerte Positionssignal, das die verzögerte Kraft und die verzögerte Slave-Position des Slave-Systems repräsentiert, werden in eine Auswerteeinheit eingespeist, um den Gradienten der folgenden Gleichung 1 auszuwerten: (Die folgende Gleichung ist die die Steigung/der Gradient des Fehler-Kraft-Graphen. Es sei darauf hingewiesen, dass ḟ_sd, ẋ _m, ẋ _sd und ė_m oberhalb alle einen Punkt aufweisen, der für die Änderungsrate steht.) $g r a d i e n t = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{x}}_{m} - {\dot{x}}_{s d}} = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{e}}_{m}}$
wobei
- - ƒ̇_sd die Änderungsrate der durch das Slave-System erzeugten verzögerten Kraft ist,
- - ẋ _mdie Änderungsrate der aktuellen Master-Position ist,
- - x _sd die Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, und
- - ė_m die Änderungsrate der Differenz zwischen der Änderungsrate der aktuellen Master-Position und der Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist,
- das verzögerte Kraftsignal des Slave-Systems, das die verzögerte Kraft repräsentiert, modifiziert wird und das modifizierte Kraftsignal in das Master-System eingespeist wird, wobei die Modifikation wie folgt ist:
- - wenn der Wert des Gradienten der Funktion null beträgt, dann wird der Wert des Gradienten beibehalten und nicht geändert und dafür verwendet, die Kraft mittels der nachfolgenden Gleichung 2 zu berechnen,
- - wenn der Wert des Gradienten der Funktion positiv ist, dann wird der Wert des Gradienten beibehalten und nicht geändert und dafür verwendet, die Kraft mittels der nachfolgenden Gleichung 2 zu berechnen, und
- - wenn der Wert des Gradienten der Funktion negativ ist, dann wird der Gradient mit der gleichen Größe aber einem positiven Vorzeichen ausgewählt, um die modifizierte Kraft mittels der nachfolgenden Gleichung 2 zu berechnen $f_{μ} = μ f_{s d}$
  wobei $μ = \frac{| {\dot{f}}_{s d} (n) | {\dot{e}}_{m} (n)}{| {\dot{e}}_{m} (n) | f_{s d} (n)} + \frac{f_{m} (n - 1)}{f_{s d} (n)}$
  mit n als aktuelle Abtastzeit und n-1 als vorherige Abtastzeit.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Master-Vorrichtungsposition mittels einer stabilitätssichernden Steuerung basierend auf dem modifizierten Kraftsignal stabilisiert und die Slave-Manipulatorposition wird mittels der stabilitätssichernden Steuerung basierend auf dem Master-Vorrichtungspositionssignal stabilisiert.
In der Regel ist die stabilitätssichernde Steuerung des Master-Systems Teil dessen Master-Positionssteuerung und die stabilitätssichernde Steuerung des Slave-Systems ist Teil dessen Slave-Manipulatorpositionssteuerung.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme der Zeichnungen ausführlich beschrieben, in denen

1 den Graphen des Feedback-Drehmoments in Abhängigkeit von dem Positionsfehler ohne verzögerte Telekommunikation zeigt,
2 den Graphen des Feedback-Drehmoments in Abhängigkeit von dem Positionsfehler für eine verzögerte Telekommunikation mit 200 ms Umlauf-Kommunikationsverzögerung zeigt,
3 die experimentellen Ergebnisse zeigt, die wiederum den Vergleich zwischen f_µ und ƒ̇_sd für 500 ms Verzögerung zeigen, wobei erkennbar ist, das f_µ während des Freigabepfads 0 vor ƒ̇_sd erreicht,
4 eine schematische Veranschaulichung mit Darstellung der auftretenden OBG-Kraftsprünge während des Übergangs von dem Freigabepfad zum Druckpfad zeigt,
5 schematisch den reibungslosen Kraftübergang mit modifizierter OBG während des Übergangs aus dem Freigabepfad zum Druckpfad zeigt,
6 ein Blockdiagramm der vorgeschlagenen OGB-Steuerung im Kombination mit dem TDPA als ein Beispiel für eine stabilitätssichernde Steuerung für sowohl das Master-System als auch das Slave-System zeigt, und
7 eine schematische Veranschaulichung mit Darstellung der auftretenden OBG-Kräfte während des Druckpfads und des Freigabepfads zeigt.

Der Pfad auf dem Fehler-Kraft-Graphen, wenn der Benutzer den Manipulator derart steuert, dass er auf die Umgebung (z.B. Ziel oder Hindernis) drückt, wird als Druckpfad bezeichnet (1 und 2). Hier gilt: $\dot{e} (n) > 0 {und f}_{sd} (n) > 0 ODER \dot{e} (n) < 0 {und f}_{sd} (n) < 0,$
wobei e der Änderungsratenfehler zwischen der Master-Vorrichtungsposition und der Slave-Manipulatorposition (in rad/Sekunde) ist und f_sd die Slave-Feedback-Kraft (in N) ist. Der Pfad auf dem Fehler-Drehmoment-Graphen, wenn der Benutzer den Manipulator derart steuert, dass er aus der Umgebung zurückgezogen wird, wird als Freigabepfad bezeichnet (1 und 2), wobei $\dot{e} (n) \leq 0 {und f}_{sd} (n) > 0 ODER \dot{e} (n) \geq 0 {und f}_{sd} (n) < 0.$
Für ein ideales Teleoperationssystem soll der Manipulator die zunehmende Kraft während des Druckpfads spüren, d.h., wenn der Benutzer auf die Umgebung drückt, und eine abnehmende Kraft während des Freigabepfads spüren, d.h. wenn der Manipulator aus der Umgebung zurückgezogen wird. 1 zeigt die Master-Position em (Fehler = x_m - x_sd) in Abhängigkeit von der Slave-Feedback-Kraft (fsd), bei welcher der Benutzer die Master-Vorrichtung manövriert, um in einem verzögerungsfreien Kommunikationskanal Kontakt mit der Umgebung herzustellen. Hier ist x_m die Master-Vorrichtungsposition und x_sd die Manipulatorposition. In dieser Situation ist die Zeitableitung des Positionsfehlers und die Zeitableitung der Feedback-Kraft immer positiv, d.h., dass die Feedback-Kraft und der Fehler immer einen positiven Gradienten aufweisen. $\frac{{\dot{f}}_{s d} (n)}{{\dot{e}}_{m} (n)} \geq 0$
Die obige Bedingung gilt jedoch nicht für einen Kommunikationskanal mit einer Zeitverzögerung. Um dies zu zeigen, wird ein Position-Kraft-Graph eines Teleoperationssystems mit einer PD-Steuerung an der Slave-Seite und einer Umlauf-Kommunikationszeitverzögerung von 200 ms betrachtet. Um den Effekt der Zeitverzögerung zu berücksichtigen, steuert der Benutzer den Manipulator, um (1) einen Einzelkontakt mit der Umgebung herzustellen und den Manipulator zurückzubewegen. In 2 ist der Fehler-Drehmoment-Graph dargestellt, wobei ƒ̇_sd im Vergleich zu 1 eine erhebliche Verzögerung aufweist. Es ist offensichtlich, dass obwohl der Manipulator derart gesteuert wird, dass er sich zurückbewegt, d.h. e_m sinkt, die Kraft weiterhin eine Zeit lang zunimmt bevor sie abnimmt. Dies wird in 2 mit einer gestrichelten Ellipse dargestellt, bei der die in Gl. (1) dargestellte Bedingung nicht mehr gültig ist und stattdessen für kurze Zeit gilt: $\frac{{\dot{f}}_{s d} (n)}{{\dot{e}}_{m} (n)} < 0$
Der hervorgehobene Bereich wäre bei größeren Zeitverzögerungen größer, die nicht nur das System instabil machen, sondern auch der Grund für nicht intuitives Feedback an den Benutzer sind. Für eine verzögerungsfreie Teleoperation spürt der Benutzer, dass die Kraft beim Drücken in die Umgebung zunimmt und beim Zurückziehen abnimmt (siehe Gl. (1)). Bei einem zeitverzögerten Fall hingegen spürt der Benutzer, dass die Kraft eine Zeit lang zunimmt, obwohl sich der Benutzer aus der Umgebung zurückzieht. Dieser Effekt ist für den Benutzer verwirrend und verschlimmert sich mit zunehmender Zeitverzögerung.
Zum Bestimmen des Zustands (Drücken, wenn in Kontakt, Freigeben, wenn noch in Kontakt, nicht in Kontakt) wird eine Beobachterauswerteeinheit beispielsweise in das Master-System (d.h. auf dem Fehler-Kraft-Graphen) eingeführt. Basierend auf diesem Beobachter wird eine Steuerung (OBG) vorgeschlagen, die sicherstellt, dass die Kraft während des Druckpfads gleich ƒ̇_sd ist und die Kraft während des Freigabepfads der in Gl. (1) beschriebenen Relation folgt. Die adaptiven Verstärkungen der Steuerung können wie folgt berechnet werden: $= {\begin{matrix} \begin{array}{l} D r ü c k e n \\ 1 \\ F r e i g a b e \end{array} \\ \frac{| {\dot{f}}_{s d} (n) |}{| {\dot{e}}_{m} (n) |} . \frac{{\dot{e}}_{m} (n)}{f_{s d} (n)} + \frac{f_{μ} (n - 1)}{f_{s d} (n)}, \\ \begin{array}{l} f_{s d} (n) = 0 (K e i n K o n t a k t) \\ 0 \end{array} \end{matrix}$
mit

n = aktueller Abtastwert
n -1 = vorheriger Abtastwert.

In Gl. (3) ist erkennbar, dass während des Druckpfads die Größe der Kraft (|f_µ|) nach der Gradientensteuerung gleich der Größe der verzögerten Feedback-Kraft (|f_sd|) ist und während des Freigabepfads |f_µ| ≤ |f_sd| gilt.
Da |f_µ| ≤ |f_sd|, gilt daher ∀|f_µ| → 0, ∃ |f_sd| ≥ 0. Dies impliziert, dass f_µ 0 erreichen und das Vorzeichen vor ƒ̇_sd ändern würde (d.h. die Kraft, mit welcher der Manipulator auf die Umgebung wirkt), was zu einer Verfälschung der Krafttransparenz führen würde. Um dies zu vermeiden wird die folgende Logik in die Steuerung integriert, wobei, wenn f_µ 0 erreicht, muss f_µ 0 bleiben und darf das Vorzeichen nicht ändern, bis ƒ̇_sd auch 0 erreicht. $f_{μ} (n) = {\begin{matrix} 0, & w e n n f_{μ} (n) < 0 und f_{s d} (n) > 0 \\ 0, & w e n n f_{μ} (n) > 0 und f_{s d} (n) < 0 \end{matrix}$
Freigabepfadprobleme und Lösung:
Als Ergebnis der Gleichung 4 gibt es eine Totzone, in welcher der Benutzer das Gefühl hat, keinen Kontakt zu haben (Kraft, f_µ = 0), obwohl der Slave mit der Fernumgebung in Kontakt ist, wie in 3 gezeigt.
Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine lokale virtuelle Kopplung abhängig von e_m auf der Master-Seite während des Freigabepfads vorgesehen. Die Steifigkeitszunahme dieser Kopplung ist f_µ(n-1)/e_m(n-1) und wird an jeder Abtastung des Freigabepfads berechnet. Die Steuerung wird basierend auf der berechneten Steifigkeit der lokalen Kopplung modifiziert, wodurch sichergestellt wird, dass die Kraft während des Freigabepfads graduell auf 0 sinkt, wenn e_m = 0, so dass µ wie folgt ist: $\begin{array}{l} = {\begin{array}{l} \begin{array}{l} D r ü c k e n \\ 1 \\ F r e i g a b e \end{array} \\ \frac{e_{m} (n) f_{μ} (n - 1)}{f_{s d} (n) e_{m} (n - 1)}, \\ 1, \\ \begin{array}{l} f_{s d} (n) = 0 \\ 0 \end{array} \end{array} & \begin{array}{l} i f | f_{μ} (n - 1) | \leq | f_{s d} (n) | \\ i f | f_{μ} (n) | > | f_{s d} (n) | \end{array} \end{array}$
Druckpfadprobleme und Lösung:
Es ist ferner anzumerken, dass der Benutzer während des Übergangs von dem Freigabepfad zum Druckpfad, während einer In-Kontakt-Manipulationsaufgabe, bei welcher der Slave-Roboter mit der Fernumgebung in Kontakt ist und Vor- und Zurückbewegungen in verschiedenen Freiheitgraden durchführt, gewisse Kraftsprünge erfahren könnte. Das liegt daran, dass während des Freigabepfads |f_µ(n)| <= |f_sd(n)| während des Freigabepfads, wobei während des Druckpfads |f_µ(n)| = |f_sd(n)| während des Druckpfads (siehe Gleichung 5). Wenn es also eine vom Benutzer befohlene Vor- und Zurückbewegung gibt, dann führt dies zu diskontinuierlichen Kraftsprüngen. Dies kann aus der schematischen Abbildung aus 4 beobachtet werden, in welcher der Übergang aus dem Freigabe- in die Druckzustand bewirkt, dass f_µ(n) zu f_sd(n) springt (Zustände d bis f), aufgrund von µ = 1 während dem Druckpfad (siehe Gleichung 5).
Um dem entgegenzuwirken, wird die OBG einer anderen bevorzugten Ausführungsform derart modifiziert, dass sie die Kraft während jeder Abtastung des Druckpfads schrittweise erhöht oder senkt, so dass ḟµ̇(n) = ḟ_sd(n), solange |f_µ(n)| < |f_sd(n)|, andernfalls gilt f_µ(n) = f_sd(n). Die schematische Abbildung aus 5 zeigt einen reibungslosen Kraftübergang anstelle des zuvor beobachteten Kraftsprungs. Dies liegt daran, dass |ḟ_sd(n)| zwischen den Zuständen e bis f gleich |ḟµ̇(n)| zwischen den Zuständen d bis g ist.
Dementsprechend gilt wie folgt:
$\begin{array}{r} \begin{matrix} D r ü c k e n \end{matrix} \\ {\begin{array}{l} \frac{f_{μ} (n - 1) + {\dot{f}}_{s d} (n)}{f_{s d} (n)} \\ \frac{f_{μ} (n - 1) - {\dot{f}}_{s d} (n)}{f_{s d} (n)}, w e n n (f_{s d} (n) > 0 u n d {\dot{f}}_{s d} (n) < 0) O R w e n n (f_{s d} (n) < 0 u n d {\dot{f}}_{s d} (n) > 0) \\ 1, wenn | f_{μ} (n) | \geq | f_{s d} (n) | \\ \overset{F r e i g a b e}{\frac{| {\dot{f}}_{s d} (n) |}{| {\dot{e}}_{m} (n) |}} \cdot \frac{{\dot{e}}_{m} (n)}{f_{s d} (n)} + \frac{f_{m} (n - 1)}{f_{s d} (n)} \\ f_{s d} (n) = 0 (k e i n K o n t a k t) \\ 0 \end{array} \end{array}$
Bevorzugte Version der OBG:
Somit ist die bevorzugte Version der OBG die Kombination des modifizierten Freigabepads aus Gleichung 5 und des modifizierten Druckpfads aus Gleichung 6. Sie wird in Form eines wie folgt aufgeführten Algorithmus beschrieben:
Der vorstehend beschriebene Steueransatz kann mit jeder stabilitätssichernden Steuerung gekoppelt werden, um sicherzustellen, dass das ganze System stabil ist und die Feedback-Kraft intuitiver und transparenter ist. 6 zeigt beispielsweise das Blockdiagramm für den TDPA (ein Beispiel für die Stabilitätssicherung) in Kombination mit der vorgeschlagenen OBG-Steuerung. Hier stellt der TDPA sicher, dass das Gesamtsystem stabil ist und die OBG-Steuerung stellt sicher, dass die Feedback-Kraft intuitiver und transparenter ist. Die Erfindung weist jedoch nicht zwingend das Merkmal auf, dass sowohl das Master-System als auch das Slave-System mit stabilitätssichernden Lösungsansätzen für zeitverzögerte Teleoperationen ausgestattet sein sollten.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene OBG-Steuerung kann nicht nur bei zeitverzögerten Teleoperationen eingesetzt werden, sondern auch für Haptik oder andere kontinuierliche und diskrete Netzwerke, bei denen eine Zeitverzögerung zu einer Destabilisierung des Systems führt. Der vorgeschlagene OBG-Ansatz bietet die Flexibilität, dass er jedem System ohne jegliche Systeminformationen und unabhängig von der Dynamik des Systems hinzugefügt werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann im Bereich Teleoperation eingesetzt werden, darunter Telenavigation von Weltraum-Rovern und Telemanipulation von Roboterarmen im Weltraum, in der Industrie oder in anderen gefährlichen Umgebungen, in minimal-invasiver Roboterchirurgie oder in haptischen Simulatoren zu Trainingszwecken.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 7, die schematisch den Graphen des Feedback-Drehmoments in Abhängigkeit von einem Positionsfehler für eine zeitverzögerte Teleoperation zeigt, kurz beschrieben. Es geht hervor, dass der Gradient von f_sd/em ₍x_m-x_sd) innerhalb des Abschnitts A positiv ist und in Abschnitt B negativ wird, um im darauffolgenden Abschnitt C wieder positiv zu werden.
Ein negativer Gradient bedeutet, dass $(f_{2} - f_{1}) / (e_{m 2} - e_{m 1})$
negativ ist mit

f₁ =: vorherige verzögerte Kraft
e_m1 =: vorheriger Positionsfehler
f₂ =: aktuelle verzögerte Kraft
e_m2 =: aktueller Positionsfehler

Um zu verhindern, dass der Gradient negativ ist, muss die aktuelle verzögerte Kraft f₂ zu f_µ modifiziert werden, so dass sich die folgende Gleichung ergibt: $\frac{| f_{2} - f_{1} |}{| e_{m 2} - e_{m 1} |} = \frac{f_{μ} - f_{1}}{e_{m 2} - e_{m 1}}$
Durch das Umstellen dieser Gleichung entsteht die folgende Gleichung: $f_{μ} - f_{1} = \frac{| f_{2} - f_{1} |}{| e_{m 2} - e_{m 1} |} (e_{m 2} - e_{m})$
Was jedoch als Kraft von dem Slave-System über den zeitverzögerten Telekommunikationskanal geliefert wird, ist fsd, so dass berücksichtigt werden muss, wie f_µ basierend auf f₂ wie folgt berechnet werden kann: $f_{μ} = μ f_{2}$
Im Vergleich zu den vorstehend beschriebenen Gleichungen muss µ wie folgt bestimmt werden: $μ = \frac{| f_{2} - f_{1} |}{| e_{m 2} - e_{m 1} |} \cdot \frac{e_{m 2} - e_{m 1}}{f_{2}} + \frac{f_{1}}{f_{2}},$
so dass $f_{μ} = \frac{| f_{2} - f_{1} |}{| e_{m 2} - e_{m 1} |} (e_{m 2} - e_{m 1}) + f_{1} .$
REFERENZEN

[1] Blake Hannaford und Jee-Hwan Ryu. „Time domain passivity control of haptic interfaces." In: IEEE Transactions on Robotics and Automation, 18(1): 1-10, 2002.
[2] Michael Panzirsch, Jee-Hwan Ryu und Manuel Ferre. „Reducing the conservatism of the time domain passivity approach through consideration of energy reflection in delayed coupled network systems." In: Mechatronics, 2018.
[3] Andre Coelho, Harsimran Singh, Tin Muskardin, Ribin Balachandran und Konstantin Kondak. „Smooth position-drift compensation for time domain passivity approach based teleoperation." In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2018.
[4] Vinay Chawda, Ha Van Quang, Marcia K. O'Malley und Jee-Hwan Ryu. „Compensating position drift in time domain passivity approach based teleoperation." In: IEEE Haptics Symposium (HAPTICS): 195-202, 2014.
[5] Jee-Hwan Ryu, Jordi Artigas und Carsten Preusche. „A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay." In: Mechatronics, 20(7): 812-823, 2010.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014004115 B3 [0004]
US 7027905 B2 [0004]
US 6144884 [0004]
DE 102011114116 B4 [0004]
US 2006/0290311 A1 [0004]
US 2005/0231480 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Blake Hannaford und Jee-Hwan Ryu. „Time domain passivity control of haptic interfaces.“ In: IEEE Transactions on Robotics and Automation, 18(1): 1-10, 2002 [0038]
Michael Panzirsch, Jee-Hwan Ryu und Manuel Ferre. „Reducing the conservatism of the time domain passivity approach through consideration of energy reflection in delayed coupled network systems.“ In: Mechatronics, 2018 [0038]
Andre Coelho, Harsimran Singh, Tin Muskardin, Ribin Balachandran und Konstantin Kondak. „Smooth position-drift compensation for time domain passivity approach based teleoperation.“ In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2018 [0038]
Vinay Chawda, Ha Van Quang, Marcia K. O'Malley und Jee-Hwan Ryu. „Compensating position drift in time domain passivity approach based teleoperation.“ In: IEEE Haptics Symposium (HAPTICS): 195-202, 2014 [0038]
Jee-Hwan Ryu, Jordi Artigas und Carsten Preusche. „A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay.“ In: Mechatronics, 20(7): 812-823, 2010 [0038]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit haptischem Feedback in dem Master-System, das aus dem Slave-System stammt, - wobei das Master-System eine manuell bedienbare Master-Vorrichtung zum Steuern der Position eines Slave-Manipulators des Slave-Systems aufweist, mit welcher der Manipulator zu einem Zielobjekt verschoben wird, - wobei sich das Slave-System entfernt von dem Master-System befindet und beide Systeme bidirektional über einen Telekommunikationskanal kommunizieren, der eine zeitveränderliche Kommunikationsverzögerung in mindestens einer Richtung aufweist, - wobei das Slave-System den Manipulator basierend auf dem Master-Vorrichtungspositionssignal steuert, nachdem dieses über den Telekommunikationskanal übertragen worden ist, und - wobei das Master-System eine Master-Steuerung zum Steuern der Master-Vorrichtung aufweist, um haptisches Feedback basierend auf dem verzögerten Kraftsignal des Slave-Systems zu erzeugen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - durch manuelles Betätigen der Master-Vorrichtung sendet das Master-System über den Telekommunikationskanal ein Positionssignal, das eine aktuelle Master-Vorrichtungsposition repräsentiert, an das Slave-System als Steuerbefehl für die Slave-Steuerung zum Verschieben des Manipulators des Slave-Systems entsprechend der aktuellen Master-Position, - das Slave-System empfängt den Steuerbefehl des Master-Systems und sendet über den Telekommunikationskanal und aufgrund dessen Verzögerung ein Feedback-Signal, das die Slave-Manipulatorposition und die Größe der von dem Slave-System erzeugten Kräfte repräsentiert, an das Master-System, wenn der Manipulator bei Verschiebung das Zielobjekt oder ein potentielles Hindernis berührt, - das Master-System empfängt das Feedback-Signal von dem Slave-System und wandelt es in Größe und Richtung der Kraft um, die auf die Master-Vorrichtung und durch die Master-Vorrichtung auf die Bedienperson wirkt, welche die Master-Vorrichtung manuell bedient, - das Positionssignal, das die aktuelle Master-Position des Master-Systems repräsentiert und das die von der Slave-Steuerung erzeugte Kraft, die auf den Slave-Manipulator wirkt, repräsentiert, und das verzögerte Positionssignal, das die verzögerte Kraft und die verzögerte Slave-Position des Slave-Systems repräsentiert, werden in eine Auswerteeinheit eingespeist, um den Gradienten der folgenden Gleichung auszuwerten: $g r a d i e n t = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{x}}_{m} - {\dot{x}}_{s d}} = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{e}}_{m}}$
wobei - ḟ_sd die Änderungsrate des durch das Slave-System erzeugten verzögerten Kraft ist, - ẋ _mdie Änderungsraste der aktuellen Master-Position ist, - x _sd die Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, und - ė_m die Änderungsrate der Differenz zwischen der aktuellen Master-Position und der Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, - das verzögerte Kraftsignal des Slave-Systems, das die verzögerte Kraft repräsentiert, modifiziert wird und das modifizierte Kraftsignal in das Master-System eingespeist wird, wobei die Modifikation wie folgt ist: - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Druckpfads positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei µ = 1, - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Freigabepfads positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei $μ = \frac{| {\dot{f}}_{s d} (n) | {\dot{e}}_{m} (n)}{| {\dot{e}}_{m} (n) | f_{s d} (n)} + \frac{f_{μ} (n - 1)}{f_{s d} (n)},$
- wenn bei f_sd(n) = 0 der Wert des Gradienten der Funktion positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei µ = 0, mit n als die aktuelle Abtastzeit und n-1 als die vorherige Abtastzeit.
Verfahren zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit haptischem Feedback in dem Master-System, das aus dem Slave-System stammt, - wobei das Master-System eine manuell bedienbare Master-Vorrichtung zum Steuern der Position eines Slave-Manipulators des Slave-Systems aufweist, mit welcher der Manipulator zu einem Zielobjekt verschoben wird, - wobei sich das Slave-System entfernt von dem Master-System befindet und beide Systeme bidirektional über einen Telekommunikationskanal kommunizieren, der eine zeitveränderliche Kommunikationsverzögerung in mindestens einer Richtung aufweist, und - wobei das Slave-System den Manipulator basierend auf dem Master-Vorrichtungspositionssignal steuert, nachdem dieses über den Telekommunikationskanal übertragen worden ist, und - wobei das Master-System eine Master-Steuerung zum Steuern der Master-Vorrichtung aufweist, um haptisches Feedback basierend auf dem verzögerten Kraftsignal des Slave-Systems zu erzeugen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - durch manuelles Betätigen der Master-Vorrichtung sendet das Master-System über den Telekommunikationskanal ein Positionssignal, das eine aktuelle Master-Vorrichtungsposition repräsentiert, an das Slave-System als Steuerbefehl für die Slave-Steuerung zum Verschieben des Manipulators des Slave-Systems entsprechend der aktuellen Master-Position, - das Slave-System empfängt den Steuerbefehl des Master-Systems und sendet über den Telekommunikationskanal und aufgrund dessen Verzögerung ein Feedback-Signal, das die Slave-Manipulatorposition und die Größe der von dem Slave-System erzeugten Kräfte repräsentiert, an das Master-System, wenn der Manipulator bei Verschiebung das Zielobjekt oder ein potentielles Hindernis berührt, - das Master-System empfängt das Feedback-Signal von dem Slave-System und wandelt es in Größe und Richtung der Kraft um, die auf die Master-Vorrichtung und durch die Master-Vorrichtung auf die Bedienperson wirkt, welche die Master-Vorrichtung manuell bedient, - das Positionssignal, das die aktuelle Master-Position des Master-Systems repräsentiert und die von der Slave-Steuerung erzeugte Kraft, die auf den Slave-Manipulator wirkt, repräsentiert, und das verzögerte Positionssignal, das die verzögerte Kraft und die verzögerte Slave-Position des Slave-Systems repräsentiert, werden in eine Auswerteeinheit eingespeist, um den Gradienten gemäß der folgenden Gleichung auszuwerten: $g r a d i e n t = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{x}}_{m} - {\dot{x}}_{s d}} = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{e}}_{m}}$
wobei - ƒ̇_sd die Änderungsrate der durch das Slave-System erzeugten verzögerten Kraft ist, - ẋ _mdie Änderungsrate der aktuellen Master-Position ist, - ẋ _sd die Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, und - ė_m die Änderungsrate der Differenz zwischen der Änderungsrate der aktuellen Master-Position und der Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, - das verzögerte Kraftsignal des Slave-Systems, das die verzögerte Kraft repräsentiert, modifiziert wird und das modifizierte Kraftsignal in das Master-System eingespeist wird, wobei die Modifikation wie folgt ist: - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Druckpfads positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei µ = 1, - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Freigabepfads positiv oder negativ ist und wenn |f_µ(n-1)| ≤ |f_sd(n)|, dann wird die Kraft basierend auf der lokalen virtuellen Kopplung berechnet, die an jeder Abtastung mittels der folgenden Gleichung berechnet wird: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei $μ = \frac{e_{m} (n) f_{μ} (n - 1)}{f_{s d} (n) e_{m} (n - 1)},$
- wenn der Wert des Gradienten der Funktion positiv oder negativ ist und wenn |fµ(n-1)| > |fsd(n)|, wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei µ = 1 - wenn bei f_sd(n) = 0 der Wert des Gradienten der Funktion positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei µ = 0, mit n als die aktuelle Abtastzeit und n-1 als die vorherige Abtastzeit.
Verfahren zum Steuern eines Slave-Systems mittels eines Master-Systems mit haptischem Feedback in dem Master-System, das aus dem Slave-System stammt, gelöst - wobei das Master-System eine manuell bedienbare Master-Vorrichtung zum Steuern der Position eines Slave-Manipulators des Slave-Systems aufweist, mit welcher der Manipulator zu einem Zielobjekt verschoben wird, - wobei sich das Slave-System entfernt von dem Master-System befindet und beide Systeme bidirektional über einen Telekommunikationskanal kommunizieren, der eine zeitveränderliche Kommunikationsverzögerung in mindestens einer Richtung aufweist, und - wobei das Slave-System den Manipulator basierend auf dem Master-Vorrichtungspositionssignal steuert, nachdem dieses über den Telekommunikationskanal übertragen worden ist, und - wobei das Master-System eine Master-Steuerung zum Steuern der Master-Vorrichtung aufweist, um haptisches Feedback basierend auf dem verzögerten Kraftsignal des Slave-Systems zu erzeugen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - durch manuelles Betätigen der Master-Vorrichtung sendet das Master-System über den Telekommunikationskanal ein Positionssignal, das eine aktuelle Master-Vorrichtungsposition repräsentiert, an das Slave-System als Steuerbefehl für die Slave-Steuerung zum Verschieben des Manipulators des Slave-Systems entsprechend der aktuellen Master-Position, - das Slave-System empfängt den Steuerbefehl des Master-Systems und sendet über den Telekommunikationskanal und aufgrund dessen Verzögerung ein Feedback-Signal, das die Slave-Manipulatorposition und die Größe der von dem Slave-System erzeugten Kräfte repräsentiert, an das Master-System, wenn der Manipulator bei Verschiebung das Zielobjekt oder ein potentielles Hindernis berührt, - das Master-System empfängt das Feedback-Signal von dem Slave-System und wandelt es in Größe und Richtung der Kraft um, die auf die Master-Vorrichtung und durch die Master-Vorrichtung auf die Bedienperson wirkt, welche die Master-Vorrichtung manuell bedient, - das Positionssignal, das die aktuelle Master-Position des Master-Systems repräsentiert und die von der Slave-Steuerung erzeugte Kraft, die auf den Slave-Manipulator wirkt, repräsentiert, und das verzögerte Positionssignal, das die verzögerte Kraft und die verzögerte Slave-Position des Slave-Systems repräsentiert, werden in eine Auswerteeinheit eingespeist, um den Gradienten gemäß der folgenden Gleichung auszuwerten: $g r a d i e n t = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{x}}_{m} - {\dot{x}}_{s d}} = \frac{{\dot{f}}_{s d}}{{\dot{e}}_{m}}$
wobei - ƒ̇_sd die Änderungsrate der durch das Slave-System erzeugten verzögerten Kraft ist, - ẋ _mdie Änderungsrate der aktuellen Master-Position ist, - ẋ _sd die Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, und - ė_m die Änderungsrate der Differenz zwischen der Änderungsrate der aktuellen Master-Position und der Änderungsrate der verzögerten Slave-Position ist, - das verzögerte Kraftsignal des Slave-Systems, das die verzögerte Kraft repräsentiert, modifiziert wird und das modifizierte Kraftsignal in das Master-System eingespeist wird, wobei die Modifikation wie folgt ist: - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Druckpfads positiv ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei $μ = \frac{f_{μ} (n - 1) + {\dot{f}}_{s d} (n)}{f_{s d} (n)},$
- wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Druckpfads negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei $μ = \frac{f_{μ} (n - 1) + {\dot{f}}_{s d} (n)}{f_{s d} (n)},$
- wenn an jeglichem Punkt der Wert während des Druckpfads |f_µ(n)| > |f_sd(n) |, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei µ = 1, - wenn der Wert des Gradienten der Funktion während des Freigabepfads positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei $μ = \frac{| {\dot{f}}_{s d} (n) | {\dot{e}}_{m} (n)}{| {\dot{e}}_{m} (n) | f_{s d} (n)} + \frac{f_{μ} (n - 1)}{f_{s d} (n)},$
- wenn bei f_sd(n) = 0 der Wert des Gradienten der Funktion positiv oder negativ ist, dann wird die Kraft basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $f_{μ} = μ f_{s d}$
wobei µ = 0, mit n als aktuelle Abtastzeit und n-1 als vorherige Abtastzeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Master-Vorrichtungsposition, basierend auf dem modifizierten Kraftsignal, mittels einer stabilitätssichernden Steuerung stabilisiert wird und die Slave-Manipulatorposition, basierend auf dem Master-Vorrichtungspositionssignal, mittels einer stabilitätssichernden Steuerung stabilisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die stabilitätssichernde Steuerung des Master-Systems Teil dessen Master-Positioniersteuerung ist und die stabilitätssichernde Steuerung des Slave-Systems Teil dessen Slave-Manipulator-Positioniersteuerung ist.