DE102020121561B3 - Control method for a bilateral teleoperation system, controller, teleoperation system and use of the controller and / or the teleoperation system - Google Patents

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Abstract

Steuerungsverfahren für ein zeitverzögertes bilaterales Teleoperationssystem, das Verfahren umfassend die Schritte:- Definition einer virtuellen zeitverzögerten Slave-Referenzposition auf der Masterseite, welche über eine masterseitige virtuelle Federeinrichtung mit einer virtuellen Federsteifigkeit mit der Masterposition zur Kraft- und Positionsrückkopplung verbunden ist,- Definition einer virtuellen zeitverzögerten Master-Referenzposition auf der Slaveseite, welche über eine slaveseitige virtuelle Federeinrichtung mit einer virtuellen Federsteifigkeit mit der Slaveposition verbunden ist,- Vorgeben der einzunehmenden Position über die Eingabeeinrichtung auf der Masterseite, Übertragen der einzunehmenden Position über den Vorwärtskommunikationskanal auf die Slaveseite und Vorgeben der übertragenen Position als Master-Referenzposition auf der Slaveseite,- Übertragen der mit der Robotereinrichtung erreichten Slaveposition an die Masterseite über den Rückkommunikationskanal und selektives Vorgeben der Slaveposition über eine Steuerung als Position der Slave-Referenz auf der Masterseite,- wobei die Steuerung die erreichte Slaveposition selektiv nur so lange als Position für die Slave-Referenz auf der Masterseite weitergibt, wie sichergestellt werden kann, dass das bilaterale Teleoperationssystem asymptotisch stabil ist.Control method for a time-delayed bilateral teleoperation system, the method comprising the steps: - definition of a virtual time-delayed slave reference position on the master side, which is connected via a master-side virtual spring device with a virtual spring stiffness to the master position for force and position feedback, - definition of a virtual time-delayed master reference position on the slave side, which is connected to the slave position via a virtual spring device on the slave side with a virtual spring stiffness, - specification of the position to be assumed via the input device on the master side, transmission of the position to be assumed over the forward communication channel to the slave side and specification of the transmitted position Position as master reference position on the slave side, - Transfer of the slave position reached with the robot device to the master side via the return communication channel and selective Specifying the slave position via a controller as the position of the slave reference on the master side, - whereby the controller selectively only passes on the slave position reached as the position for the slave reference on the master side as long as it can be ensured that the bilateral teleoperation system is asymptotically stable is.

Description

Das Verfahren der Teleoperation ist ein entscheidendes Werkzeug für das Durchführen von Robotikaufgaben in entfernten Szenarien. Bei der Teleoperation wird auf einer Primärseite bzw. auch Masterseite eine einzunehmende räumliche Position für eine sich entfernt auf einer Sekundär- bzw. Slaveseite befindliche Robotereinrichtung vorgegeben. Beispielsweise kann es sich bei der Robotereinrichtung um eine Handhabungseinrichtung in Form eines elektrisch und/oder pneumatisch angetriebenen Greifarms handeln, welche eine Raumposition bzw. eine Stellungsposition einnehmen soll. Die einzunehmende Position wird dabei über die Primärseite bzw. die Masterseite vorgegeben. Die Master- und Slaveseite sind dabei zueinander lokal beabstandet und lediglich über einen Hin- und Rückkommunikationskanal zur Datenkommunikation miteinander verbunden. Die Master- und Slaveseite bilden insoweit einen Regelkreis, dass die einzunehmende Position von der Masterseite an die Slaveseite über den Vorwärtskommunikationskanal übertragen wird und der Robotereinrichtung die übertragene Masterposition als einzunehmende Position über entsprechende Motorsteuerungen vorgegeben wird. Die durch die Robotereinrichtung erreichte Position wird mittels entsprechender Sensoreinrichtungen ermittelt bzw. abgetastet und über den Rückkommunikationskanal wieder an die Masterseite zurückgemeldet und als Wert für die weitere Steuerung der Robotereinrichtung berücksichtigt.The procedure of teleoperation is a crucial tool for performing robotic tasks in remote scenarios. In teleoperation, a spatial position to be assumed for a remote robot device located on a secondary or slave side is specified on a primary side or also a master side. For example, the robot device can be a handling device in the form of an electrically and / or pneumatically driven gripper arm, which is intended to assume a spatial position or a positional position. The position to be taken is specified via the primary page or the master page. The master and slave sides are locally spaced from one another and are only connected to one another via an outward and return communication channel for data communication. The master and slave side form a control loop to the extent that the position to be assumed is transmitted from the master side to the slave side via the forward communication channel and the transferred master position is specified as the position to be assumed by appropriate motor controls for the robot device. The position reached by the robot device is determined or scanned by means of appropriate sensor devices and reported back to the master side via the feedback channel and taken into account as a value for the further control of the robot device.

Durch das Hinzufügen eines menschlichen Bedieners zu dem zuvor beschriebenen Regelkreis anstelle eines vollständig autonomen Teleoperationssystems können viele der Aufgabenanforderungen, insbesondere in den Bereichen der Wahrnehmung und Kognition, umgangen werden. Der menschliche Bediener kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Eingabevorrichtung auf der Primär- bzw. Masterseite eine durch die Robotereinrichtung auf der Sekündär- bzw. Slaveseite einzunehmende Position auswählen und vorgeben. Hierbei wird die Stabilität des verwendeten Teleoperationssystems und insbesondere des verwendeten Steuerungsverfahrens sehr relevant, da Zustands- und Steuerungsvariablen zwischen entfernten Orten und Einsatzorten (Entfernung zwischen der Master- und Slaveseite) ausgetauscht werden müssen. Hierbei sind in dem Regelungssystem zwingend Zeitverzögerungen und Paketverluste im Regelkreis zu berücksichtigen, welche durch die gewählten Kommunikationskanäle auftreten. Hierzu müssen zusätzliche Techniken angewandt werden, um zu verhindern, dass die Zeitverzögerungen oder Paketverluste das System destabilisieren.By adding a human operator to the previously described control loop instead of a fully autonomous teleoperation system, many of the task requirements, particularly in the areas of perception and cognition, can be bypassed. The human operator can, for example, use a corresponding input device on the primary or master side to select and specify a position to be assumed by the robot device on the secondary or slave side. The stability of the teleoperation system used and in particular of the control method used are very relevant here, since status and control variables must be exchanged between remote locations and locations (distance between the master and slave side). Time delays and packet losses in the control loop that occur due to the selected communication channels must be taken into account in the control system. To do this, additional techniques must be used to prevent the time delays or packet losses from destabilizing the system.

In den letzten Jahrzehnten wurden in zahlreichen Arbeiten neue Ansätze zur Lösung des obengenannten Problems vorgeschlagen. Daneben zeichnen sich auf Passivität basierende Verfahren wie Wellenvariablen [1], [2], Energiespeicher [3] und der „Time Domain Passivity Approach“ (TDPA, dt. Passivitätsansatz im Zeitbereich) [4] durch ihre Robustheit und ihre wertvollen Eigenschaften aus. Beispielsweise sind die vorbeschriebenen Ansätze auf lineare und nichtlineare Systeme anwendbar, sie sind eine ausreichende Bedingung für Stabilität, und sie verwenden nur Input-/Output-Informationen unabhängig von Systemparametern. Neben der Teleoperation wurden diese Ansätze erfolgreich auf eine Reihe anderer Anwendungen angewandt, darunter die Steuerung einer Reihe von elastischen Aktuatoren [5], [6], die Multi-Rate-Steuerung [7], [8], die hierarchische Ganzkörpersteuerung [9], [10] und die explizite Kraftsteuerung [11], [12], um nur einige zu nennen.In recent decades, numerous papers have proposed new approaches to solving the above-mentioned problem. In addition, procedures based on passivity such as wave variables [ 1 ], [ 2 ], Energy storage [ 3 ] and the "Time Domain Passivity Approach" (TDPA, German passivity approach in the time domain) [ 4th ] are characterized by their robustness and their valuable properties. For example, the approaches described above are applicable to linear and non-linear systems, they are a sufficient condition for stability, and they only use input / output information regardless of system parameters. In addition to teleoperation, these approaches have been successfully applied to a number of other applications, including the control of a number of elastic actuators [ 5 ], [ 6th ], the multi-rate control [ 7th ], [ 8th ], the hierarchical whole-body control [ 9 ], [ 10 ] and the explicit force control [ 11 ], [ 12th ], to name just a few.

Die wichtigste Voraussetzung für eine bilaterale Teleoperation ist die Stabilität des Systems bzw. des Steuerungsverfahrens, die bei den meisten Steuerungsansätzen auf Kosten der reduzierten Leistung erreicht wird, z. B. durch einen verbleibenden und gewünschten Positionsabstand zwischen Master- und Slave-Roboter. Hinsichtlich der zeitverzögerten Positionssynchronisierung wurde eine Reihe von Ansätzen vorgeschlagen. In [13] schlug die „Passive-Set-Position Modulation“ (PSPM, dt. Passivsatzpositionsmodulation) vor, die von einem virtuellen Dämpfer abgeleitete Energie in einem virtuellen Energiespeicher zu speichern und sie später in das System einzubringen, ohne die zeitkontinuierliche Passivitätsbedingung zu verletzen. Die Auswirkungen der Abtastwerte werden jedoch teilweise ignoriert und können eine Instabilität des Systems verursachen, wenn die Passivitätsbedingung von Colgate [14] nicht erfüllt ist. Eine Lösung für dieses Problem wurde in [3] vorgeschlagen. Dennoch besteht nach wie vor die Notwendigkeit, in den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen Vorbewegungen durchzuführen, um den Energiespeicher mehrfach zu „laden“, was die physische und psychische Belastung der über das Teleoperationssystem zu realisierenden Aufgabe erhöhen kann. In [15] wurde ein wellenvariabler Ansatz eingeführt, um die Positionssynchronisierung von zwei Agenten zu ermöglichen. Dennoch ergeben sich Probleme hinsichtlich der Transparenz der Aufgabe [16], die neben dem Dämpfen der Energie anhand eines Worst-Case-Szenarios auch unter Wellenreflexionsproblemen leidet.The most important prerequisite for bilateral teleoperation is the stability of the system or the control method, which is achieved in most control approaches at the expense of reduced performance, e.g. B. by a remaining and desired position distance between the master and slave robots. A number of approaches have been proposed with regard to time-delayed position synchronization. In [ 13th ] proposed the "Passive-Set-Position Modulation" (PSPM, dt. Passive-sentence position modulation) to store the energy derived from a virtual damper in a virtual energy storage device and to bring it into the system later without violating the continuous passivity condition. However, the effects of the samples are partially ignored and can cause instability of the system if the passivity condition of Colgate [ 14th ] is not fulfilled. A solution to this problem was found in [ 3 ] suggested. Nevertheless, there is still the need to carry out forward movements in the systems known from the prior art in order to “charge” the energy store several times, which can increase the physical and psychological stress of the task to be carried out via the teleoperation system. In [ 15th ] a wave-variable approach was introduced to enable position synchronization of two agents. Nevertheless, problems arise with regard to the transparency of the task [ 16 ], which in addition to attenuating the energy using a worst-case scenario, also suffers from wave reflection problems.

Darüber hinaus wurde in [17] ein auf der TDPA basierender Ansatz vorgeschlagen, um eine Positions-Positions-Teleoperationsarchitektur zu passivieren. Obwohl die Passivität auf adaptive Weise sichergestellt wird, was ein Vorteil gegenüber wellenvariablen Verfahren [18] ist, leidet dieser Ansatz jedoch unter einer Positionsdrift zwischen der Master- und Slaveseite. Um dieses Problem anzugehen, wurden zwei Arten von Lösungen vorgeschlagen. Addon-Driftkompensatoren für TDPA wurden in [19], [20], [21] vorgeschlagen und in [22] auf Multi-Degree of Freedom-Telemanipulation erweitert. Ungeachtet dessen hängt die Driftkompensation vom Vorhandensein sogenannter Passivitätslücken ab, die bei hohen Verzögerungen selten sind. Andererseits wurde in [23] eine Modifikation der TDPA anhand der r-Passivität vorgeschlagen, die nicht unter einer Positionsdrift leidet. Da der Ansatz jedoch auf der leistungsbasierten TDPA basiert, begrenzt sein Konservatismus die zulässige Kraftrückkopplung und damit die übertragene Impedanz zwischen der Master- und Slaveseite. In diesem Fall geht die Positionssynchronisierung auf Kosten einer weiter zunehmenden Diskrepanz zwischen der Impedanz der lokalen (Masterseite) und der entfernten Aufgabe (Slaveseite).In addition, in [ 17th ] proposed an approach based on the TDPA to passivate a position-position teleoperation architecture. Although passivity is ensured in an adaptive manner, which is an advantage over wave-variable methods [ 18th ], this approach suffers from a positional drift between the master and slave sides. To address this problem, two types of solutions have been proposed. Add-on drift compensators for TDPA have been used in [ 19th ], [ 20th ], [ 21 ] suggested and in [ 22nd ] extended to multi-degree of freedom telemanipulation. Regardless of this, the drift compensation depends on the existence of so-called passivity gaps, which are rare with high delays. On the other hand, in [ 23 ] proposed a modification of the TDPA based on r-passivity that does not suffer from positional drift. However, since the approach is based on the power-based TDPA, its conservatism limits the permissible force feedback and thus the transmitted impedance between the master and slave side. In this case, the position synchronization is at the expense of a further increasing discrepancy between the impedance of the local (master side) and the remote task (slave side).

Die DE 10 2020 113 409 A1 beschreibt 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. Aus der DE 10 2014 004 115 B3 ist ein weiteres Verfahren für die Steuerung eines Master-Slave Systems bekannt geworden.the DE 10 2020 113 409 A1 describes a method for controlling a slave system by means of a master system with haptic feedback in the master system, which originates from the slave system, wherein both systems communicate bidirectionally via a telecommunication channel, the time-varying communication delays in at least one direction and in the Usually has in both directions. From the DE 10 2014 004 115 B3 Another method for controlling a master-slave system has become known.

Aus der DE 20 2019 001 448 U1 ist ein Aktuatorsystem, insbesondere für die Teleaktuierung, mit einem ersten Aktuator, insbesondere zur Bedienung durch einen Benutzer, einem zweiten Aktuator, insbesondere zur Ausführung einer Bewegung des Benutzers, einem Übertragungskanal zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator und einem Regler bekannt, wobei der Regler ausgebildet ist, so dass durch den Regler die Energie des ersten Aktuators messbar ist als Soll-Energie, wobei der Übertragungskanal ausgebildet ist die Soll-Energie an den zweiten Aktuator zu übertragen und der Regler ausgebildet ist in Abhängigkeit der übertragenen Soll-Energie die Dämpfung des zweiten Aktuators zu regeln.From the DE 20 2019 001 448 U1 an actuator system, in particular for teleactuation, with a first actuator, in particular for operation by a user, a second actuator, in particular for executing a movement of the user, a transmission channel between the first actuator and the second actuator and a controller is known, the Controller is designed so that the controller can measure the energy of the first actuator as target energy, wherein the transmission channel is designed to transmit the target energy to the second actuator and the controller is designed as a function of the transmitted target energy, the damping of the second actuator.

Die DE 10 2016 105 682 A1 beschreibt ein geregeltes haptisches System sowie ein Verfahren zum Betreiben eines geregelten haptischen Systems umfassen das Messen einer Kontaktkraft mithilfe eines ersten Kraftsensors und dem anschließenden Erzeugen eines ersten Kraftsignals, welches optional verstärkt werden kann, und an eine Regelungseinheit gesendet wird, welche daraufhin einen Aktuator regelt, um eine skalierte Kraft an einer haptischen Bedieneinheit zu erzeugen, die der gemessenen Kontaktkraft entgegenwirkt.the DE 10 2016 105 682 A1 describes a regulated haptic system as well as a method for operating a regulated haptic system comprise the measurement of a contact force with the aid of a first force sensor and the subsequent generation of a first force signal, which can optionally be amplified and which is sent to a control unit, which then controls an actuator, to generate a scaled force on a haptic control unit that counteracts the measured contact force.

Die DE 10 2015 100 694 A1 offenbart ein Teleoperationssystem umfassend: einen Slave, der eine Antriebseinheit aufweist, die einen greifenden Endeffektor antreibt, wobei eine kinematische Koordinate des Endeffektors und eine Greifkraft Feffektor bestimmbar ist mit einer Kamera, die vorzugsweise im Slave integriert ist, und die auf den Endeffektor ausgerichtet ist, einen Master, der mit dem Slave entfernt verbunden ist, mit mindestens einer Bedieneinheit, auf die ein Benutzer eine Greifkraft FG ausüben kann, wobei die Greifkraft an den Slave übertragen wird, und mit einem visuellen Nutzerinterface, das das Bild der Kamera darstellt, wobei gilt, dass FG linear abhängig von der kinematischen Koordinate und Feffektor ist.the DE 10 2015 100 694 A1 discloses a teleoperation system comprising: a slave having a drive unit that drives a gripping end effector, a kinematic coordinate of the end effector and a gripping force Feffektor being determinable with a camera which is preferably integrated in the slave and which is aligned with the end effector, a master, which is remotely connected to the slave, with at least one operating unit on which a user can exert a gripping force FG, the gripping force being transmitted to the slave, and with a visual user interface that displays the image of the camera, where the following applies that FG is linearly dependent on the kinematic coordinate and Feffector.

Aus der EP 3 538 328 B1 ist ein System und ein Verfahren zum Anweisen eines Roboters bekannt. Das System umfasst eine immersive haptische Schnittstelle, so dass eine Bedienerinteraktion mit einem Master-Roboterarm von einem Slave-Roboterarm reflektiert wird, der zur Interaktion mit einem Werkstück angeordnet ist. Die Interaktion des Slave-Roboterarms wird als haptisches Feedback an den Bediener auf den Master-Roboterarm zurückgespiegelt. Das dynamische System wird kontinuierlich vorwärts simuliert und neue Befehle für den Master-Roboterarm und den Slave-Roboterarm berechnet.From the EP 3 538 328 B1 a system and method for instructing a robot is known. The system includes an immersive haptic interface so that operator interaction with a master robotic arm is reflected from a slave robotic arm that is arranged to interact with a workpiece. The interaction of the slave robot arm is reflected back to the master robot arm as haptic feedback to the operator. The dynamic system is continuously simulated forwards and new commands are calculated for the master robot arm and the slave robot arm.

Die vorbeschriebenen Ansätze und Verfahren des Stands der Technik weisen einen oder mehrere der folgenden Nachteile auf:

  1. (i) Die Ansätze und Verfahren können lediglich Systeme mit geringer Zeitverzögerung und/oder bekannter konstanter Zeitverzögerung stabilisieren.
  2. (ii) Die ausreichenden Stabilitätsbedingungen der Teleoperationssysteme müssen im Frequenzbereich dargestellt werden, was Systemparameter erfordert, die in vielen praktischen Implementierungen möglicherweise nicht verfügbar sind.
  3. (iii) Die Verfahren führen zur einer Positionsdrift zwischen der vom Master befohlenen und der durch die Robotereinrichtung eingenommenen Slaveposition.
  4. (iv) Es kommt zu einer Diskrepanz zwischen der Impedanz der lokalen (Masterseite) und der entfernten Umgebung (Slaveseite).
The prior art approaches and methods described above have one or more of the following disadvantages:
  1. (i) The approaches and methods can only stabilize systems with a small time delay and / or known constant time delay.
  2. (ii) The sufficient stability conditions of the teleoperation systems must be represented in the frequency domain, which requires system parameters that may not be available in many practical implementations.
  3. (iii) The methods lead to a position drift between the slave position commanded by the master and the slave position assumed by the robot device.
  4. (iv) There is a discrepancy between the impedance of the local (master side) and the remote environment (slave side).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme und Verfahren dahingehend zu verbessern die Steuerung der zeitverzögerten Teleoperationssysteme dahingehend zu verbessern, dass es keine Energieverluste oder -einträge aufgrund der Zeitverzögerung auftreten um ein stabiles System bzw. Verfahren vorzugeben.The present invention is based on the object of improving the systems and methods known from the prior art to the effect of controlling the time-delayed To improve teleoperation systems in such a way that there are no energy losses or inputs due to the time delay in order to specify a stable system or method.

Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Verfahrens gemäß Anspruch 1, des Controllers für ein bilaterales Teleoperationssystem gemäß Anspruch 5, des bilateralen Teleoperationssystems gemäß Anspruch 6 und die Verwendung gemäß Anspruch 7.According to the invention, the object is achieved by the features of the method according to claim 1, the controller for a bilateral teleoperation system according to claim 5, the bilateral teleoperation system according to claim 6 and the use according to claim 7.

Das zeitverzögerte bilaterale Teleoperationssystem umfasst eine Masterseite mit einer haptischen Eingabeeinrichtung zur Vorgabe einer einzunehmenden Position xm und eine Slaveseite mit einer Robotereinrichtung zur Einnahme der auf der Masterseite vorgegeben Position xm, wobei die Masterseite mit der Slaveseite für den Datenaustausch über einen zeitverzögerten Hin- und Rückkommunikationskanal verbunden sind.The time-delayed bilateral teleoperation system comprises a master side with a haptic input device for specifying a position to be taken x m and a slave side with a robot device for taking the position x m specified on the master side, the master side with the slave side for data exchange via a time-delayed back and forth Return communication channel are connected.

Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren für das zeitverzögerte bilaterale Teleoperationssystem umfasst die Schritte:

  • - Definition einer virtuellen zeitverzögerten Slave-Referenzposition x̃s auf der Masterseite, welche über eine masterseitige virtuelle Federeinrichtung mit einer virtuellen Federsteifigkeit km mit der Masterposition xm zur Kraft- und Positionsrückkopplung verbunden ist,
  • - Definition einer virtuellen zeitverzögerten Master-Referenzposition xmd auf der Slaveseite, welche über eine slaveseitige virtuelle Federeinrichtung mit einer virtuellen Federsteifigkeit ks mit der Slaveposition xs verbunden ist,
  • - Vorgeben der einzunehmenden Position xm über die Eingabeeinrichtung auf der Masterseite, Übertragen der einzunehmenden Position xm über den Vorwärtskommunikationskanal auf die Slaveseite und Vorgeben der übertragenen Position xm als Master-Referenzposition xmd auf der Slaveseite,
  • - Übertragen der mit der Robotereinrichtung erreichten Slaveposition xs an die Masterseite über den Rückkommunikationskanal und selektives Vorgeben der Slaveposition xs über eine Steuerung als Slave Referenzposition x̃s auf der Masterseite,
  • - wobei die Steuerung die erreichte Slaveposition xs selektiv nur so lange als Slave-Referenzposition x̃s auf der Masterseite weitergibt, wie sichergestellt werden kann, dass das bilaterale Teleoperationssystem asymptotisch stabil ist.
The control method according to the invention for the time-delayed bilateral teleoperation system comprises the steps:
  • - Definition of a virtual time-delayed slave reference position x̃ s on the master side, which is connected via a master-side virtual spring device with a virtual spring stiffness k m to the master position x m for force and position feedback,
  • - Definition of a virtual time-delayed master reference position x md on the slave side, which is connected to the slave position x s via a slave-side virtual spring device with a virtual spring stiffness k s ,
  • - Specifying the position x m to be assumed via the input device on the master side, transferring the position x m to be assumed via the forward communication channel to the slave side and specifying the transferred position x m as the master reference position x md on the slave side,
  • - Transfer of the slave position x s reached with the robot device to the master side via the return communication channel and selective specification of the slave position x s via a controller as slave reference position x̃ s on the master side,
  • - whereby the controller selectively passes on the reached slave position x s as slave reference position x̃ s on the master side only as long as it can be ensured that the bilateral teleoperation system is asymptotically stable.

In dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren können die Parameter bzw. Variablen für beispielsweise die Positionen (x) und für die Federsteifigkeiten (k) eindimensional, aber auch mehrdimensional, sein. Die Dimensionalität beispielsweise der Masterposition kann bevorzugt durch die Gelenkfreiheitsgrade der Eingabeeinrichtung und die der Slaveposition durch die Freiheitsgrade der Robotereinrichtung auf der Slaveseite bestimmt sein. Erfindungsgemäß kann es auch vorgesehen sein, dass sich die Dimension der Freiheitsgrade und damit die der Variablen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Master- und Slaveseite voneinander unterscheidet, wobei bevorzugt in dem erfindungsgemäßen Verfahren über ein Mapping lediglich ausgewählte Variablen der auf der Masterseite zur Verfügung stehenden Variablen mit ausgewählten Variablen der Slaveseite verbunden werden. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, master- und/oder slaveseitig zur Reduktion der Freiheitsgrade mehrere Werte zu mitteln und den Mittelwert mit Variablen der gegenüberliegenden Steuerungsseite zu koppeln.In the method according to the invention described above, the parameters or variables for, for example, the positions (x) and for the spring stiffnesses (k) can be one-dimensional, but also multidimensional. The dimensionality of the master position, for example, can preferably be determined by the joint degrees of freedom of the input device and that of the slave position by the degrees of freedom of the robot device on the slave side. According to the invention, it can also be provided that the dimensions of the degrees of freedom and thus those of the variables of the method according to the invention differ from one another on the master and slave side, whereby preferably only selected variables of the variables available on the master side are mapped in the method according to the invention connected to selected variables on the slave side. In particular, provision can also be made to average several values on the master and / or slave side in order to reduce the degrees of freedom and to couple the average value with variables on the opposite control side.

Alternativ kann auch vorgesehen werden, die Zuordnung der Variablen umzuschalten. Beispielsweise kann auf der Masterseite eine Eingabeeinrichtung mit einem Freiheitsgrad mit einer Robotereinrichtung mit mehreren Freiheitsgraden über das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren verbunden werden, wobei über den menschlichen Bediener festlegbar ist, für welche der mehreren Freiheitsgrade der Robotereinrichtung über die Eingabeeinrichtung die einzunehmende Position vorgegeben werden soll. So kann auch durch Umschalten über eine Eingabeeinrichtung mit einem Freiheitsgrad die einzunehmende Position nacheinander für alle Freiheitsgrade der Robotereinrichtung mit mehreren Freiheitsgraden vorgegeben werden.Alternatively, provision can also be made to switch the assignment of the variables. For example, on the master side, an input device with one degree of freedom can be connected to a robot device with several degrees of freedom via the control method according to the invention, whereby the human operator can determine for which of the several degrees of freedom of the robot device the position to be assumed is to be specified via the input device. Thus, by switching over an input device with one degree of freedom, the position to be assumed can be specified one after the other for all degrees of freedom of the robot device with several degrees of freedom.

Die erfindungsgemäße Robotereinrichtung, wie beispielsweise eine Handhabungseinrichtung, wird aus einer Aneinanderreihung bzw. beliebige Kombination von Gelenken und Segmenten aufgebaut, der resultierende Körper erstreckt sich von einem ersten Befestigungsende zu einem gegenüberliegendem Effektorende. Die Robotereinrichtung kann über das erste Befestigungsende mit einer ortsfesten oder alternativ mit einer mobilen Struktur, insbesondere mit einer mobilen Plattform, verbunden bzw. an dieser befestigt werden. An dem Effektorende kann ein sogenannter Endeffektor, wie beispielsweise eine Greifeinrichtung, angeordnet werden.The robot device according to the invention, such as a handling device, is constructed from a series or any combination of joints and segments, the resulting body extends from a first fastening end to an opposite end effector. The robot device can be connected or fastened to a stationary or alternatively to a mobile structure, in particular to a mobile platform, via the first fastening end. A so-called end effector, such as a gripping device, can be arranged at the end effector.

Die Robotereinrichtung kann sowohl aktiv angetriebene als auch nicht angetriebene passive Gelenke umfassen.The robotic device can comprise both actively driven and non-driven passive joints.

Unter dem Begriff der Eingabeeinrichtung wird eine Einrichtung verstanden, welche wiederum aus Segmenten und Gelenken gebildet ist, wie insbesondere eine haptische Eingabeeinrichtung, wie beispielsweise ein Joystick, wobei bevorzugt ein menschlicher Bediener durch Aufbringung von Kräften die Ausrichtung bzw. Konfiguration der Eingabeeinrichtung über Veränderung der Gelenkstellungen beeinflussen kann. Die Veränderungen der Gelenkstellungen können dabei insbesondere über Sensoreinrichtungen gemessen und an entsprechende Auswertungseinrichtungen zur Ermittlung der vorgegebenen einzunehmenden Position xm weitergegeben werden. Über entsprechende Stelleinrichtungen in den Gelenken der Eingabeeinrichtung kann wiederum eine Kraftrückkopplung an den menschlichen Bediener durch die virtuelle zeitverzögerte Slave-Referenzposition x̃s auf der Masterseite ausgegeben werden. Dabei ist die virtuelle zeitverzögerte Slave-Referenz Position x̃s auf der Masterseite über eine masterseitige virtuelle Federeinrichtung mit einer virtuellen Federsteifigkeit km mit der Masterposition xm zur Kraftrückkopplung gekoppelt. Über die Federsteifigkeit km lässt sich dabei die Stärke der Kraftrückkopplung einstellen. Die Federsteifigkeit sollte dabei zumindest so groß gewählt werden, die Steifigkeit der Eingabeeinrichtung sowie zumindest die auftretenden Reibungskräfte zu überwinden.The term input device is understood to mean a device which is in turn formed from segments and joints, such as in particular a haptic input device such as a joystick, whereby a human operator preferably adjusts the alignment or configuration of the input device by applying forces by changing the joint positions can affect. The changes in the joint positions can be measured, in particular, by means of sensor devices and passed on to corresponding evaluation devices for determining the predetermined position x m to be assumed. A force feedback to the human operator through the virtual time-delayed slave reference position x̃ s on the master side can in turn be output via corresponding actuating devices in the joints of the input device. The virtual time-delayed slave reference position x̃ s on the master side is coupled to the master position x m for force feedback via a master-side virtual spring device with a virtual spring stiffness k m. The strength of the force feedback can be adjusted via the spring stiffness k m. The spring stiffness should be selected to be at least large enough to overcome the stiffness of the input device and at least the frictional forces that occur.

Um keine Energie aufgrund der Zeitverzögerung zwischen der Master- und Slaveseite einzuspeisen, wird erfindungsgemäß vorgesehen, die Masterposition und die verzögerte Slave-Referenzposition auf der Masterseite zu entkoppeln, in dem Sinne, dass die Masterposition nicht direkt der verzögerten Slave-Referenzposition folgt, die Slaveposition jedoch der verzögerten Referenzposition des Masters folgt. Die 1 zeigt zur Verdeutlichung des erfindungsgemäß vorgesehenen Steuerungsverfahrens ein mechanisches Modell, welches die Prinzipien der Modellierung als mechanische Elemente wiedergibt. Insbesondere ist die erfindungsgemäß vorgesehene Steuerung, welche die Slaveposition nur so lange als Referenz-Slaveposition weitergibt, als Getriebe mit Kupplung dargestellt.In order not to feed in any energy due to the time delay between the master and slave side, the invention provides for the master position and the delayed slave reference position on the master side to be decoupled, in the sense that the master position does not directly follow the delayed slave reference position, the slave position however, it follows the delayed reference position of the master. the 1 shows a mechanical model to illustrate the control method provided according to the invention, which reproduces the principles of modeling as mechanical elements. In particular, the control provided according to the invention, which only forwards the slave position as a reference slave position as long as it is, is shown as a transmission with a clutch.

Auf der Masterseite wird erfindungsgemäß eine neue lokale Slave-Referenzposition eingeführt, welche die neue Referenz der Slaveposition für den Master bildet. Die Position der neu eingeführten Slave-Referenz wird durch die verzögerte Slaveposition beeinflusst. Folglich hat die Slaveposition über die neu eingeführte virtuelle Slave-Referenzposition einen indirekten Einfluss auf die Masterposition, während die Masterposition einen direkten Einfluss auf die Slaveposition hat. Eine erfindungsgemäße Steuerung, die auf der Masterseite implementiert ist, ist so ausgelegt, dass die verzögerte Slave-Referenz auf der Masterseite nur so lange der Slaveposition folgt, wie sichergestellt ist, dass das System asymptotisch stabil ist und daher mit der Zeit konvergiert. Unter der Annahme, dass der Slave eine stabile Trajektorie nach der Steuerung aufweist, wird der Slave aufgrund der Stabilität des offenen Regelkreises auch in Bezug auf die Referenzposition des Masters konvergieren.According to the invention, a new local slave reference position is introduced on the master side, which forms the new reference of the slave position for the master. The position of the newly introduced slave reference is influenced by the delayed slave position. As a result, the slave position has an indirect influence on the master position via the newly introduced virtual slave reference position, while the master position has a direct influence on the slave position. A control according to the invention that is implemented on the master side is designed so that the delayed slave reference on the master side only follows the slave position as long as it is ensured that the system is asymptotically stable and therefore converges over time. Assuming that the slave has a stable trajectory after the control, the slave will also converge with respect to the reference position of the master due to the stability of the open control loop.

Bei dem erfindungsgemäßen bilateralen Teleoperationssystem gemäß 2 sind die Master- und die lokale Slave-Referenz-Dynamik gegeben durch: m m x ¨ m ( t ) + b m x ˙ m ( t ) + α x ˙ m ( t ) + k m e ˜ m ( t ) = 0

Figure DE102020121561B3_0001
wobei xm (t) die bevorzugt durch den menschlichen Bediener an der Eingabeeinrichtung vorgegebene Verschiebung ist, wobei der Vektor der über die Gelenke der Eingabevorrichtung vorgegebenen Verschiebungen xm (t) die durch den Bediener vorgegebene Position xm darstellt. Mit mm als Masse der Eingabeeinrichtung, wobei bm der Viskositätskoeffizient des Masters ist, α das lokale adaptive Dämpfungselement auf der Master-Seite ist, mit km als diskrete virtuelle Federkopplung zwischen Master und der Slave-Referenz auf der Masterseite, und ẽm(t) = xm(t) - x̃s(t) der Positionsfehler zwischen der Master- und Slave-Referenzposition ist, wobei sich die vorherige Beziehung bei Verwendung eines diskreten Zeitindexes schreiben lässt, als: ẽm(k) = xm(k) - x̃s(k), mit t = k * TS mit TS als Abtastrate der Positionsdetektion, mit k = 1,2,3,...,n ∈ N*. Unter der Annahme, dass die lokale Servorate des Masters mit der Aktualisierungsrate von x̃s(k) schnell genug ist, kann die Mastersteuerung (km(xm(k) - x̃s(k)) als kontinuierlich angesehen werden [13]. Die virtuelle Federsteifigkeit km und/oder ks kann anhand von [14] passiv parametrisiert werden, im Hinblick auf die Parameter der Steuerung, die Abtastfrequenz und die inhärente physikalische Dämpfung der Vorrichtung, wodurch der Effekt der Diskretisierung eliminiert und die Stabilität gewährleistet wird. Dies weist den Vorteil auf, dass das Gesetz der Schaltsteuerung in diskreter Zeit definierbar ist.In the bilateral teleoperation system according to the invention according to FIG 2 the master and local slave reference dynamics are given by: m m x ¨ m ( t ) + b m x ˙ m ( t ) + α x ˙ m ( t ) + k m e ˜ m ( t ) = 0
Figure DE102020121561B3_0001
where x m (t) is the displacement preferably specified by the human operator at the input device, the vector of the displacements x m (t) specified via the joints of the input device representing the position x m specified by the operator. With m m as the mass of the input device, where b m is the viscosity coefficient of the master, α is the local adaptive damping element on the master side, with k m as a discrete virtual spring coupling between the master and the slave reference on the master side, and ẽ m (t) = x m (t) - x̃ s (t) is the position error between the master and slave reference position, whereby the previous relationship using a discrete time index can be written as: ẽ m (k) = x m (k) - x̃ s (k), with t = k * T S with T S as the sampling rate of the position detection, with k = 1,2,3, ..., n ∈ N *. Assuming that the local servo rate of the master is fast enough with the update rate of x̃ s (k), the master control (k m (x m (k) - x̃ s (k)) can be viewed as continuous [13]. The virtual spring stiffness k m and / or k s can be passively parameterized on the basis of [14] with regard to the parameters of the control, the sampling frequency and the inherent physical damping of the device, whereby the effect of discretization is eliminated and stability is ensured. This has the advantage that the law of switching control can be defined in discrete time.

Die Steuerung der Slave-Referenzposition wird in Abhängigkeit der nachfolgenden Beziehungen (2) definiert werden, um das Teleoperationssystem zu stabilisieren. Das Schalten zwischen den drei Fällen erfolgt so, dass die Slave-Referenz auf der Masterseite die verzögerte Slaveposition auf der Slaveseite so genau wie möglich imitiert, ohne das Teleoperationssystem instabil werden zu lassen: x ˜ s ( k ) = { F a l l ( i ) : x ˜ s ( k 1 ) ,                für  | e ˜ m ( k ) | < | e m ( k ) |                 & & | e ˜ m ( k ) | > | e ˜ m ( k 1 ) | α = 0 F a l l ( i i ) : x ˜ s ( k 1 ) + x m ( k ) x m ( k 1 ) ,                für  | e ˜ m ( k ) | < | e m ( k ) |                 & & | e ˜ m ( k ) | | e ˜ m ( k 1 ) | α = adaptiv eingestellt basierend auf generativer Energie F a l l ( i i i ) : x s ( k T b ) ,                für  | e ˜ m ( k ) | | e m ( k ) | α = 0

Figure DE102020121561B3_0002
wobei ẽm(k) = xm(k) - xs(k - Tb) der um Tb verzögerte Positionsfehler zwischen der aktuellen Masterposition xm und der Slaveposition xs ist.The control of the slave reference position is dependent on the following relationships ( 2 ) to stabilize the teleoperation system. Switching between the three cases takes place in such a way that the slave reference on the master side imitates the delayed slave position on the slave side as precisely as possible without making the teleoperation system unstable: x ˜ s ( k ) = { F. a l l ( i ) : x ˜ s ( k - 1 ) , for | e ˜ m ( k ) | < | e m ( k ) | & & | e ˜ m ( k ) | > | e ˜ m ( k - 1 ) | α = 0 F. a l l ( i i ) : x ˜ s ( k - 1 ) + x m ( k ) - x m ( k - 1 ) , for | e ˜ m ( k ) | < | e m ( k ) | & & | e ˜ m ( k ) | | e ˜ m ( k - 1 ) | α = adaptively set based on generative energy F. a l l ( i i i ) : x s ( k - T b ) , for | e ˜ m ( k ) | | e m ( k ) | α = 0
Figure DE102020121561B3_0002
where ẽ m (k) = x m (k) - x s (k - T b ) is the position error delayed by T b between the current master position x m and the slave position x s .

Fall(i):Case (i):

Das Verfahren erkennt, ob der menschliche Bediener Energie in das Master-Slave-Referenz-Subsystem einleitet, indem er die Koppelfeder km durch Bewegen der Master-Vorrichtung, |ẽm(k)| > |ẽm(k - 1)| (3a), ausfährt. Es erkennt auch, ob die verzögerte Slaveposition versucht, neben dem Master, |ẽm(k)|<|em(k)|, Energie einzuspeisen. In beiden Fällen hält die Steuerung die Slave-Referenzposition auf ihrer vorherigen Position |x̃s(k)| = |x̃s(k-1)|. Das bedeutet, dass die potentiellen Energiegrenzen der Koppelfeder, wenn überhaupt, nur vom Bediener durch Bewegen der Master-Vorrichtung erhöht werden.The method detects whether the human operator is introducing energy into the master-slave reference subsystem by activating the coupling spring k m by moving the master device, | ẽ m (k) | > | ẽ m (k - 1) | ( 3a) , extends. It also detects whether the delayed slave position is trying to feed in energy in addition to the master, | ẽ m (k) | <| e m (k) |. In both cases, the controller keeps the slave reference position at its previous position | x̃ s (k) | = | x̃ s (k-1) |. This means that the potential energy limits of the coupling spring are only increased, if at all, by the operator by moving the master device.

Fall(ii):Case (ii):

Das Verfahren erkennt, ob es einen Abstand zwischen der verzögerten Slaveposition und der Slave-Referenzposition, |ẽm(k)| < |em(k)|, gibt oder nicht, während der Master seine vorherige Position hält oder sich auf die verzögerte Slaveposition, | |ẽm(k)| ≤ |ẽm(k-1)| (3b, 3c), zubewegt. Dies löst die Steuerung aus, die die Slave-Referenzposition um die gleiche Größenordnung und in die gleiche Richtung wie die Masterposition verschiebt. Mit anderen Worten wird in dem Fall (ii) eine gesättigte Feder mit einer konstanten Streckung zwischen dem Master und der Slave-Referenz eingeführt (siehe 3c). Es wird eine gesättigte bzw. konstante Kraft auf die masterseitige Eingabeeinrichtung in Richtung der Slaveposition ausgeübt, bis die Referenz-Slaveposition die verzögerten Slaveposition, lẽm(k)| = |em(k)|, erreicht. Die zuvor beschriebene rückstellende Kraft stellt bei der Benutzung der Eingabeeinrichtung eine haptische Rückmeldung in Form einer Kraftrückmeldung für den menschlichen Bediener der Vorrichtung dar.The procedure detects whether there is a distance between the delayed slave position and the slave reference position, | ẽ m (k) | <| e m (k) |, gives or not while the master holds its previous position or moves to the delayed slave position, | | ẽ m (k) | ≤ | ẽ m (k-1) | ( 3b , 3c ), moved to. This triggers the controller, which moves the slave reference position by the same order of magnitude and in the same direction as the master position. In other words, in case (ii) a saturated spring with a constant extension between the master and the slave reference is introduced (see 3c ). A saturated or constant force is exerted on the master-side input device in the direction of the slave position until the reference slave position exceeds the delayed slave position, lẽ m (k) | = | e m (k) |, reached. When the input device is used, the restoring force described above represents haptic feedback in the form of force feedback for the human operator of the device.

Die Einführung einer gesättigten Feder ist notwendig, damit die Masterposition die Slave-Referenzposition erreicht, die wiederum der verzögerten Slaveposition folgt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der „Time Domain Passivity Approach“ (TDPA) als Werkzeug verwendet, um über den Passivitätsbeobachter (PO, engl. Passivity Observer) die zusätzliche Energie, die dem Master-Slave-Referenz-Subsystem aufgrund der gesättigten Feder zugeführt wird, zu überwachen und über den Passivitätscontroller (PC) abzuführen. Das Master-Slave-Referenz-Subsystem kann analog zu einem Ein-Port-System betrachtet werden, bei dem der PO zu einem bestimmten Zeitpunkt negativ sein kann oder nicht, je nach den Betriebsbedingungen und den Besonderheiten der Dynamik des Ein-Port-Elements. Unter der Annahme einer anfänglichen Energiespeicherung von Null werden die leistungskonjugierten Variablen ƒmc(k) und ẋm(k) zur Überwachung des Energieflusses verwendet: E b e o b ( k ) = E b e o b ( k 1 ) + [ ƒ m c ( k ) x ˙ m ( k ) + α ( k 1 ) x ˙ m ( k 1 ) 2 ] T s

Figure DE102020121561B3_0003
wobei ƒmc(k) die Kraftausgabe der Master-Steuerung ist, ẋm(k) die Geschwindigkeit der Master-Vorrichtung und TS die Abtastzeit. Wenn Ebeob(k) ≥ 0 für jedes k, dann bedeutet dies, dass der Ein-Port dissipativ ist. Wenn zu irgendeinem Zeitpunkt Ebeob(k) < 0, dann erzeugt der Ein-Port Energie und die Menge der erzeugten Energie ist -Ebeob(k), was zur Instabilität des Systems beitragen kann. Der Passivitätscontroller (PC) hat die Form eines zeitveränderlichen Elements a(k) in einer Reihenschaltung mit Impedanzkausalität, um nur die erforderliche Energiemenge zu dissipieren [4]. α ( k ) = { E b e o b ( k ) T s x ˙ m ( k ) 2 , w e n n   E b e o b ( k ) < 0 0, w e n n   E b e o b ( k ) 0
Figure DE102020121561B3_0004
The introduction of a saturated spring is necessary so that the master position reaches the slave reference position, which in turn follows the delayed slave position. In a preferred embodiment, the “Time Domain Passivity Approach” (TDPA) is used as a tool to use the Passivity Observer (PO) to obtain the additional energy that is supplied to the master-slave reference subsystem due to the saturated spring , to be monitored and discharged via the passivity controller (PC). The master-slave reference subsystem can be viewed analogously to a one-port system, in which the PO may or may not be negative at a certain point in time, depending on the operating conditions and the peculiarities of the dynamics of the one-port element. Assuming an initial energy storage of zero, the power conjugate variables ƒ mc (k) and ẋ m (k) are used to monitor the energy flow: E. b e O b ( k ) = E. b e O b ( k - 1 ) + [ ƒ m c ( k ) x ˙ m ( k ) + α ( k - 1 ) x ˙ m ( k - 1 ) 2 ] T s
Figure DE102020121561B3_0003
where ƒ mc (k) is the force output of the master controller, ẋ m (k) is the speed of the master device, and T S is the sampling time. If E obs (k) ≥ 0 for every k, then it means that the one-port is dissipative. If at any point in time E obs (k) <0, then the one-port is generating energy and the amount of energy produced is -E obs (k), which can contribute to the instability of the system. The passivity controller (PC) has the form of a time-varying element a (k) connected in series with impedance causality in order to dissipate only the required amount of energy [4]. α ( k ) = { - E. b e O b ( k ) T s x ˙ m ( k ) 2 , w e n n E. b e O b ( k ) < 0 0, w e n n E. b e O b ( k ) 0
Figure DE102020121561B3_0004

Unter Verwendung der vorbeschriebenen Beziehung wird durch die Wirkung der gesättigten Feder keine zusätzliche Energie in das Master-Proxy-Subsystem eingespeist.Using the above-described relationship, no additional energy is fed into the master proxy subsystem by the action of the saturated spring.

Fall(iii):Case (iii):

Das Verfahren stellt fest, ob die Bedingung |ẽm(k)| ≥ |em(k)|. Wenn dies zutrifft, dann ermöglicht die Steuerung lẽm(k)| = |em(k)|, indem sie die Referenz-Slaveposition gleich der verzögerten Slaveposition wählt |x̃s(k)| = |xs(k-Tb)|. In diesem Zustand hält |xs(k)| entweder seine vorherige Position oder bewegt sich auf den Master zu (3d).The procedure determines whether the condition | ẽ m (k) | ≥ | e m (k) |. If so, then the control enables lẽ m (k) | = | e m (k) | by choosing the reference slave position equal to the delayed slave position | x̃ s (k) | = | x s (kT b ) |. In this state, | x s (k) | holds either its previous position or moving towards the master ( 3d ).

Das durch Gleichung (1) beschriebene Master-Proxy-Subsystem ist asymptotisch stabil unter Verwendung der in Gleichung (2) beschriebenen Gesetze der Schaltsteuerung. Die Slave-Steuerung folgt unter Verwendung einer stabilen Trajektorie-Slave-Steuerung der verzögerten Master-Referenz, und daher konvergieren die Positionen von Master, lokalem Proxy und Slave. Der menschliche Bediener speist Energie in die Master-Proxy-Kopplung ein, während er mit dem Master-Roboter interagiert. Wenn der Bediener jedoch den Master-Roboter freigibt, verringert die vorgeschlagene Steuerung die Energie monoton aufgrund der Dissipation durch die inhärente physikalische Dämpfung des Master-Roboters und das adaptive Dämpfungselement des Passivitätskontrollers (PC).The master proxy subsystem described by equation (1) is asymptotically stable using the laws of switching control described in equation (2). The slave control follows the delayed master reference using a stable trajectory slave control, and therefore the positions of the master, local proxy and slave converge. The human operator feeds energy into the master-proxy coupling while interacting with the master robot. However, if the operator releases the master robot, the proposed control monotonically reduces the energy due to the dissipation from the inherent physical damping of the master robot and the adaptive damping element of the passivity controller (PC).

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 ein experimenteller beispielhafter Aufbau zur Vorstellung der Erfindung und Nachweis der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens beschrieben.In the following, with reference to the 4th until 6th an experimental exemplary setup for presenting the invention and demonstrating the effectiveness of the control method according to the invention is described.

Die 4 zeigt zwei Rotationsvorrichtungen, die jeweils einen Freiheitsgrad aufweisen und als Beispiel eines erfindungsgemäßen Teleoperationssystems verwendet werden. Beide Rotationsvorrichtungen weisen eine Abtastrate ƒs = 1 kHz mit der zugehörigen Abtastzeit T s = 1 ƒ s = 1

Figure DE102020121561B3_0005
ms auf. Es wurde eine Positions-Positions-Steuerarchitektur mit einer Kopplungsverstärkung von km = 1,5 N/mm, bm = 0,01 Ns/mm auf der Master-Seite und ks = 1,5 N/mm, bs = 0,01 Ns/mm auf der Slave-Seite implementiert. Die Verstärkungen waren so abgestimmt, dass bei keiner Verzögerung die durch die Diskretisierung erzeugte Energie abgebaut wurde und der Teleoperator daher passiv war.the 4th Figure 3 shows two rotating devices, each with one degree of freedom, used as an example of a teleoperation system according to the invention. Both rotary devices have a sampling rate ƒ s = 1 kHz with the associated sampling time T s = 1 ƒ s = 1
Figure DE102020121561B3_0005
ms on. A position-position control architecture was used with a coupling gain of k m = 1.5 N / mm, b m = 0.01 Ns / mm on the master side and k s = 1.5 N / mm, b s = 0.01 Ns / mm implemented on the slave side. The amplifications were coordinated in such a way that the energy generated by the discretization was not dissipated in the event of any delay and the teleoperator was therefore passive.

Experimentelle Ergebnisse:Experimental results:

Die Experimente für die vorgeschlagene Steuerung wurden so durchgeführt, dass der menschliche Bediener die Rotationsvorrichtung auf der Masterseite als erfindungsgemäße Eingabeeinrichtung nutzt und so manövriert, dass die Robotereinrichtung auf Slaveseite gebildet durch die zweite Rotationsvorrichtung mit einer harten Wand (über 150 N/mm) in Kontakt kommt, die sich bei 0,85 rad befindet. Selbst für eine gute abgestimmte Kopplungssteuerung würde eine solche Interaktion bei Einführung einer „großen“ Zeitverzögerung instabil werden. Dies ist aus 5 ersichtlich, wo das System instabil wird, wenn der Bediener den Master stört und freigibt, und zwar bei einer Hin- und Rücklaufzeit als modellierte zeitliche Verzögerung der Kommunikationskanäle von 200 ms.The experiments for the proposed control were carried out in such a way that the human operator uses the rotary device on the master side as an input device according to the invention and maneuvers so that the robot device on the slave side, formed by the second rotary device, comes into contact with a hard wall (over 150 N / mm) which is located at 0.85 rad. Even for a well-coordinated coupling control, such an interaction would become unstable if a “large” time delay were introduced. This is over 5 shows where the system becomes unstable if the operator disrupts and releases the master, with a return time as a modeled time delay of the communication channels of 200 ms.

Das Experiment wurde durch die Implementierung des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens wiederholt, wobei der menschliche Bediener 4 Kontakte mit der harten Wand als einzunehmende Position für die slaveseitige Rotationsvorrichtung vorgegeben hat. Die 6 zeigt die Positionsverläufe für die Masterposition (Master), die zeitlich verzögerte Slaveposition (Slave verz.) und die Slavereferenzposition (Slave proxy) an, die zeitliche Verzögerung der modellierten Kommunikationskanäle zwischen der Master- und Slaveseite in den 6 a) und b) ist auf Trt = 200 ms und für die 6 c) und d) auf Trt = 1000 ms gewählt. Für Trt = 200 ms sind die verzögerte Slaveposition und die Referenz-Slaveposition nahezu identisch und es gibt keine Positionsdrift zwischen Master und Slaveseite. 6b zeigt, dass der Master und der Slave ähnliche Drehmomentwerte aufweisen, wenn der Benutzer mit der harten Wand in Kontakt kommt. Selbst bei höheren Verzögerungen von Trt = 1000 ms bleibt die Interaktion stabil, aber die Slave-Referenzposition auf der Masterseite folgt nicht genau der verzögerten Slaveposition, wie in 6c zu sehen ist. Es gibt einige Fälle, in denen die Slave-Referenz seine vorherige Position beibehält, während er die verzögerte Slaveposition ignoriert (t = 20-22 s, 24-25,5 s, 28,5-30 s). Eine Positionsdrift zwischen Master und Slaveseite ist jedoch nicht vorhanden, und die erzeugten Master- und Slave-Drehmomente sind nahezu identisch, wenn der menschliche Bediener eine Position vorgibt, bei welcher die slaveseitige Rotationsvorrichtung in Kontakt mit der harten Wand kommt. Dies zeigt weiter, dass der Passivitätscontroller (PC) nicht triggert, wenn der Bediener eine einzunehmende Position vorgibt, in welcher die slaveseitige Rotationsvorrichtung mit einer statischen Umgebung, wie beispielsweise einer harten Wand, kollidiert, wodurch die Transparenz erhöht wird.The experiment was repeated by implementing the control method according to the invention, the human operator having specified 4 contacts with the hard wall as the position to be assumed for the slave-side rotating device. the 6th shows the position progressions for the master position (master), the time-delayed slave position (slave delay) and the slave reference position (slave proxy), the time delay of the modeled communication channels between the master and slave side in the 6 a) and b) is on Trt = 200 ms and for the 6 c) and d ) selected to Trt = 1000 ms. For T rt = 200 ms, the delayed slave position and the reference slave position are almost identical and there is no position drift between the master and the slave side. 6b shows that the master and slave have similar torque values when the user comes into contact with the hard wall. Even with higher delays of T rt = 1000 ms, the interaction remains stable, but the slave reference position on the master side does not exactly follow the delayed slave position, as in 6c you can see. There are some cases where the slave reference keeps its previous position while ignoring the delayed slave position (t = 20-22 s, 24-25.5 s, 28.5-30 s). However, there is no positional drift between the master and slave side, and the master and slave torques generated are almost identical if the human operator specifies a position at which the slave-side rotary device comes into contact with the hard wall. This further shows that the passivity controller (PC) does not trigger when the operator specifies a position to be assumed in which the slave-side rotating device collides with a static environment, such as a hard wall, which increases transparency.

Referenzen:Credentials:

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Claims (7)

Steuerungsverfahren für ein zeitverzögertes bilaterales Teleoperationssystem, umfassend eine Masterseite (m) mit einer haptischen Eingabeeinrichtung zur Vorgabe einer einzunehmenden Position xm und eine Slaveseite (s) mit einer Robotereinrichtung zur Einnahme der auf der Masterseite vorgegeben Position xm, wobei die Masterseite mit der Slaveseite für den Datenaustausch über einen zeitverzögerten Hin- und Rückkommunikationskanal (f, b) verbunden sind, das Verfahren umfassend die Schritte: - Definition einer virtuellen zeitverzögerten Slave-Referenzposition x̃s auf der Masterseite, welche über eine masterseitige virtuelle Federeinrichtung mit einer virtuellen Federsteifigkeit km mit der Masterposition xm zur Kraft- und Positionsrückkopplung verbunden ist, - Definition einer virtuellen zeitverzögerten Master-Referenzposition xmd auf der Slaveseite, welche über eine slaveseitige virtuelle Federeinrichtung mit einer virtuellen Federsteifigkeit ks mit der Slaveposition xs verbunden ist, - Vorgeben der einzunehmenden Position xm über die Eingabeeinrichtung auf der Masterseite, Übertragen der einzunehmenden Position xm über den Vorwärtskommunikationskanal auf die Slaveseite und Vorgeben der übertragenen Position xm als Master-Referenzposition x̃m auf der Slaveseite, - Übertragen der mit der Robotereinrichtung erreichten Slaveposition xs an die Masterseite über den Rückkommunikationskanal und selektives Vorgeben der Slaveposition xs über eine Steuerung als Position x̃s der Slave-Referenz auf der Masterseite, - wobei die Steuerung die erreichte Slaveposition xs selektiv nur so lange als Position x̃s für die Slave-Referenz auf der Masterseite weitergibt, wie sichergestellt werden kann, dass das bilaterale Teleoperationssystem asymptotisch stabil ist, gekennzeichnet durch das Vorgeben der Position x̃s für die Slave-Referenz in Abhängigkeit der folgenden Beziehung: x ˜ s ( k ) = { F a l l ( i ) : x ˜ s ( k 1 ) ,                für  | e ˜ m ( k ) | < | e m ( k ) |                 & & | e ˜ m ( k ) | > | e ˜ m ( k 1 ) | α = 0 F a l l ( i i ) : x ˜ s ( k 1 ) + x m ( k ) x m ( k 1 ) ,                für  | e ˜ m ( k ) | < | e m ( k ) |                 & & | e ˜ m ( k ) | | e ˜ m ( k 1 ) | α = adaptiv eingestellt basierend auf generativer Energie F a l l ( i i i ) : x s ( k T b ) ,                für  | e ˜ m ( k ) | | e m ( k ) | α = 0                                                                                            ,
Figure DE102020121561B3_0006
wobei ẽm(k) = xm(k) - xs(k - Tb) der um Tb verzögerte Positionsfehler zwischen der aktuellen Masterposition xm(k) und der verzögerten Slaveposition xs(k - Tb) darstellt, mit Tb als Zeitverzögerung des Rückkommunikationskanals (b), mit t = k * TS, wobei k = 1, 2, 3,..., n e N* und mit TS als Abtastrate der Positionsdetektion.
Control method for a time-delayed bilateral teleoperation system, comprising a master side (m) with a haptic input device for specifying a position to be assumed x m and a slave side (s) with a robot device for assuming the position x m specified on the master side, the master side with the slave side for data exchange via a time-delayed forward and return communication channel (f, b), the method comprising the steps: - definition of a virtual time-delayed slave reference position x̃ s on the master side, which via a master-side virtual spring device with a virtual spring stiffness k m is connected to the master position x m for force and position feedback, Definition of a virtual time-delayed master reference position x md on the slave side, which is connected to the slave position x s via a slave-side virtual spring device with a virtual spring stiffness k s , - specification of the position x m to be taken via the input device on the master side, transfer of the position to be taken Position x m via the forward communication channel on the slave side and specification of the transferred position x m as master reference position x̃ m on the slave side, - transmission of the slave position x s reached with the robot device to the master side via the return communication channel and selective specification of the slave position x s via a control as position x̃ s of the slave reference on the master side, - whereby the control only passes on the reached slave position x s selectively as position x̃ s for the slave reference on the master side as long as it can be ensured that the bilateral teleoperation system asymptoti sch is stable, characterized by the specification of the position x̃ s for the slave reference depending on the following relationship: x ˜ s ( k ) = { F. a l l ( i ) : x ˜ s ( k - 1 ) , for | e ˜ m ( k ) | < | e m ( k ) | & & | e ˜ m ( k ) | > | e ˜ m ( k - 1 ) | α = 0 F. a l l ( i i ) : x ˜ s ( k - 1 ) + x m ( k ) - x m ( k - 1 ) , for | e ˜ m ( k ) | < | e m ( k ) | & & | e ˜ m ( k ) | | e ˜ m ( k - 1 ) | α = adaptively set based on generative energy F. a l l ( i i i ) : x s ( k - T b ) , for | e ˜ m ( k ) | | e m ( k ) | α = 0 ,
Figure DE102020121561B3_0006
where ẽ m (k) = x m (k) - x s (k - T b ) represents the position error delayed by T b between the current master position x m (k) and the delayed slave position x s (k - T b ), with T b as the time delay of the return communication channel (b), with t = k * T S , where k = 1, 2, 3, ..., ne N * and with T S as the sampling rate of the position detection.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das passive Parametrisieren der virtuellen Federsteifigkeit der masterseitigen Federeinrichtung km und/oder der virtuellen Federsteifigkeit der slaveseitigen Federeinrichtung ks im Hinblick auf die Parameter der Steuerung, die Abtastfrequenz und die inhärente physikalische Dämpfung des bilateralen Teleoperationssystems.Procedure according to Claim 1 , characterized by the passive parameterization of the virtual spring stiffness of the master-side spring device k m and / or the virtual spring stiffness of the slave-side spring device k s with regard to the parameters of the control, the sampling frequency and the inherent physical damping of the bilateral teleoperation system. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Vorgeben des Parameters α im Fall (ii) als zeitveränderliches Element a(k) mit Impedanzkausalität anhand der Gleichung: α ( k ) = { E b e o b ( k ) T s x ˙ m ( k ) 2 , w e n n   E b e o b ( k ) < 0 0, w e n n   E b e o b ( k ) 0 ,
Figure DE102020121561B3_0007
mit E b e o b ( k ) = E b e o b ( k 1 ) + [ ƒ m c ( k ) x ˙ m ( k ) + α ( k 1 ) x ˙ m ( k 1 ) 2 ] T s   ,
Figure DE102020121561B3_0008
mit fmc als Kraftausgabe der Mastersteuerung.
Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized by the specification of the parameter α in case (ii) as a time-variable element a (k) with impedance causality based on the equation: α ( k ) = { - E. b e O b ( k ) T s x ˙ m ( k ) 2 , w e n n E. b e O b ( k ) < 0 0, w e n n E. b e O b ( k ) 0 ,
Figure DE102020121561B3_0007
with E. b e O b ( k ) = E. b e O b ( k - 1 ) + [ ƒ m c ( k ) x ˙ m ( k ) + α ( k - 1 ) x ˙ m ( k - 1 ) 2 ] T s ,
Figure DE102020121561B3_0008
with f mc as the power output of the master control.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Vorgeben der einzunehmenden Position xm über die Eingabeeinrichtung durch einen menschlichen Bediener.Method according to one of the preceding claims, characterized by the specification of the position x m to be assumed by a human operator via the input device. Controller für ein zeitverzögertes Teleoperationssystem, umfassend mindestens eine Datenverarbeitungseinheit, wobei die Datenverarbeitungseinheit zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 konfiguriert ist.Controller for a time-delayed teleoperation system, comprising at least one data processing unit, the data processing unit for carrying out the method according to one of the Claims 1 until 4th configured. Bilaterales Teleoperationssystem, umfassend eine Masterseite (m) mit einer haptischen Eingabeeinrichtung zur Vorgabe einer einzunehmenden Position xm; eine Slaveseite (s) mit einer Robotereinrichtung zur Einnahme der auf der Masterseite vorgegeben Position xm; mindestens einen Hin- und Rückkommunikationskanal (f, b) zum Datenaustausch zwischen der Master- und Slaveseite; und mindestens einen Controller gemäß Anspruch 5.Bilateral teleoperation system, comprising a master page (m) with a haptic input device for specifying a position x m to be assumed; a slave side (s) with a robot device for taking up the position x m specified on the master side; at least one outward and return communication channel (f, b) for data exchange between the master and slave side; and at least one controller according to Claim 5 . Verwendung eines Controllers gemäß Anspruch 5 oder eines Teleoperationssystems gemäß Anspruch 6 zur Durchführung des Steuerungsverfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.Use of a controller according to Claim 5 or a teleoperation system according to Claim 6 to carry out the control method according to one of the Claims 1 until 4th .
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