DE102020122551A1 - Method for feedback of exogenous forces to a user using electrical muscle stimulation, controller for controlling a force feedback device, force feedback device and use of a controller or a force feedback device - Google Patents

Method for feedback of exogenous forces to a user using electrical muscle stimulation, controller for controlling a force feedback device, force feedback device and use of a controller or a force feedback device Download PDF

Info

Publication number
DE102020122551A1
DE102020122551A1 DE102020122551.2A DE102020122551A DE102020122551A1 DE 102020122551 A1 DE102020122551 A1 DE 102020122551A1 DE 102020122551 A DE102020122551 A DE 102020122551A DE 102020122551 A1 DE102020122551 A1 DE 102020122551A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
user
force
vector
muscle
stimulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020122551.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Marek Sierotowicz
Jean-Pascal Lutze
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority to DE102020122551.2A priority Critical patent/DE102020122551A1/en
Publication of DE102020122551A1 publication Critical patent/DE102020122551A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality

Abstract

Verfahren zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer mittels elektrischer Muskelstimulation über eine Kraftrückkopplungsvorrichtung mit einer Stimulationseinrichtung, einem Prozessor und einer Eingabeeinrichtung; das Verfahren umfassend die Schritte:a) Vorgeben einer einzunehmenden Position über die Eingabeeinrichtung durch den Nutzer als Aufgabenkoordinatenvektor p für eine Aktuationseinrichtung;b) Berechnen eines generalisierten Kraftvektors Fresals Kraftrückkopplung für den Nutzer aufgrund der vorgegebenen einzunehmenden Position p für die Aktuationseinrichtung;c) Transformieren des generalisierten Kraftvektors Fresin einem nutzerspezifischen Kraftmomentenvektor T im Gelenkraum des Nutzers;d) Zuordnen der gelenkbezogenen Kraftmomentenkomponenten Tides Kraftmomentenvektors T zu mindestens einem gelenkstellenden Muskel des Nutzers in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der gelenkbezogenen Kraftmomentenkomponenten Ti;e) Berechnen eines Stimulationsvektors s für die Muskeln des Nutzers; undf) Ausgeben einer Kraftrückkopplung an den Nutzer über eine elektrische Muskelstimulation durch Ausgabe der Stimulationsströme siüber die Stimulationseinrichtung, wobei die Verfahrensschritte b) bis e) durch den Prozessor durchgeführt werden.Method for feedback of exogenous forces to a user by means of electrical muscle stimulation via a force feedback device with a stimulation device, a processor and an input device; the method comprising the steps:a) specification of a position to be assumed via the input device by the user as a task coordinate vector p for an actuating device;b) calculation of a generalized force vector Fresals force feedback for the user on the basis of the specified position p to be assumed for the actuating device;c) transformation of the generalized force vector Fresin a user-specific force moment vector T in the joint space of the user;d) assigning the joint-related force moment components Tides force moment vector T to at least one joint-actuating muscle of the user depending on the sign of the joint-related force moment components Ti;e) calculating a stimulation vector s for the muscles of the user; andf) outputting force feedback to the user via electrical muscle stimulation by outputting the stimulation currents via the stimulation device, method steps b) to e) being carried out by the processor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer mittels elektrischer Muskelstimulation über eine Kraftrückkopplungsvorrichtung, eine Steuereinheit zur Steuerung einer Kraftrückkopplungsvorrichtung, eine Kraftrückkopplungsvorrichtung sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Steuereinheit oder einer erfindungsgemäßen Kraftrückkopplungsvorrichtung.The present invention relates to a method for feeding back exogenous forces to a user by means of electrical muscle stimulation via a force feedback device, a control unit for controlling a force feedback device, a force feedback device and the use of a control unit according to the invention or a force feedback device according to the invention.

Aus dem Stand der Technik sind bereits sowohl Verfahren als auch Vorrichtungen bekannt geworden, mittels derer an einen Nutzer von Vorrichtungen eine direkte Rückmeldung bei durchgeführten Aktivitäten erfolgt.Both methods and devices are already known from the prior art, by means of which direct feedback is given to a user of devices when activities are carried out.

Insbesondere ist es bekannt, Nutzern, beispielsweise bei Benutzung einer Eingabevorrichtung, eine unmittelbare Rückmeldung aufgrund von vorgegebenen Bewegungen an einem Eingabegerät, beispielsweise als unmittelbare Kraftrückkopplung, zu vermitteln. Derartige Systeme, beispielsweise in Form eines Joysticks zur Bedienung einer Computervorrichtung, weisen beispielsweise Aktuatoren zur Generierung einer Kraftrückmeldung auf.In particular, it is known to provide users, for example when using an input device, with direct feedback based on predefined movements on an input device, for example as direct force feedback. Such systems, for example in the form of a joystick for operating a computer device, have actuators for generating force feedback, for example.

Die vorgenannten Eingabevorrichtungen kommen insbesondere zur Simulation einer virtuellen Realität zum Einsatz, um den Nutzer ein haptisches Feedback seiner vorgenommenen Interaktionen in der virtuellen Realität mittels einer Kraftrückkopplung zu vermitteln. Dabei treten in der virtuellen Realität bei durch den Nutzer ausgelösten Aktionen virtuelle Kräfte auf, beispielsweise, wenn der Nutzer in der virtuellen Realität einen Gegenstand bewegt und/oder anhebt oder mit Gegenständen der virtuellen Realität kollidiert, diese rein virtuellen Kräfte werden als exogene Kräfte dem Nutzer als Feedback der virtuellen Realität ausgegeben.The aforementioned input devices are used in particular for simulating a virtual reality in order to provide the user with haptic feedback on the interactions he has carried out in the virtual reality by means of force feedback. Virtual forces occur in virtual reality when actions are triggered by the user, for example if the user moves and/or lifts an object in virtual reality or collides with objects in virtual reality; these purely virtual forces are presented to the user as exogenous forces output as virtual reality feedback.

Aus dem Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, einen Nutzer einer virtuellen Realität mittels einer elektrischen Muskelstimulation eine Rückmeldung im Hinblick auf ausgeführte Aktionen in der virtuellen Realität zu geben.It is also known from the prior art to give a user of a virtual reality feedback with regard to actions carried out in the virtual reality by means of electrical muscle stimulation.

Nachteilig an dem vorgenannten Stand der Technik ist, dass häufig an den Eingabeeinrichtungen, über welche der Nutzer die Interaktion mit der virtuellen Realität vornimmt, zusätzliche Stelleinrichtungen wie Aktuatoren vorgesehen werden müssen, mittels derer das haptische Feedback an den Nutzer ausgegeben werden kann. Hierdurch wird die Komplexität der Eingabeeinrichtungen als auch deren Gewicht deutlich erhöht. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Rückkopplung einer Nutzerinteraktion über elektrische Muskelstimulation sind bisher lediglich bei Anwendungen der Steuerung einer virtuellen Realität bzw. Simulation bekannt. Weiterhin werden auszugebende Rückkopplungen lediglich rein qualitativ und nicht quantitativ an den Nutzer durch die elektrische Muskelstimulation ausgegeben.A disadvantage of the aforementioned prior art is that additional control devices such as actuators, by means of which the haptic feedback can be output to the user, often have to be provided on the input devices via which the user interacts with the virtual reality. This significantly increases the complexity of the input devices and their weight. The devices known from the prior art for feedback of a user interaction via electrical muscle stimulation have so far only been known in applications for controlling a virtual reality or simulation. Furthermore, feedback to be output is only output qualitatively and not quantitatively to the user through the electrical muscle stimulation.

Ausgehend von den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik zur Rückkopplung von exogenen Kräften dahingehend zu verbessern, deren Aufbau und damit deren Gewicht deutlich zu verringern und gleichzeitig die quantitative Genauigkeit der an den Nutzer rückgekoppelten Kräfte zu erhöhen.Based on the aforementioned disadvantages of the prior art, it is the object of the present invention to improve the methods and devices from the prior art for feedback of exogenous forces in such a way that their structure and thus their weight are significantly reduced and at the same time the quantitative accuracy of the to increase the forces fed back to the user.

Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer nach Anspruch 1, einer Steuereinheit zur Steuerung einer Kraftrückkopplungsvorrichtung gemäß Anspruch 13 sowie einer Kraftrückkopplungsvorrichtung gemäß Anspruch 14 und der Verwendung einer Steuereinheit oder einer Kraftrückkopplungsvorrichtung gemäß Anspruch 15.According to the invention, the object is achieved by a method for feedback of exogenous forces to a user according to claim 1, a control unit for controlling a force feedback device according to claim 13 and a force feedback device according to claim 14 and the use of a control unit or a force feedback device according to claim 15.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer mittels elektrischer Muskelstimulation über eine Kraftrückkopplungsvorrichtung mit einer Stimulationsvorrichtung, einem Prozessor und einer Eingabeeinrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

  1. a) Vorgeben einer einzunehmenden Position über die Eingabeeinrichtung durch den Nutzer als Aufgabenkoordinatenvektor p für eine Aktuationseinrichtung;
  2. b) Berechnen eines generalisierten Kraftvektors Fres als Kraftrückkopplung für den Nutzer aufgrund der vorgegebenen einzunehmenden Position p für die Aktuationseinrichtung;
  3. c) Transformieren des generalisierten Kraftvektors Fres in einem nutzerspezifischen KraftmomentenvektorT im Gelenkraum q des Nutzers;
  4. d) Zuordnen der gelenkbezogenen Kraftmomentkomponenten Ti des Kaftmomentenvektors T zu mindestens einem gelenkstellenden Muskel des Nutzers in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der gelenkbezogenen Kraftmomentkomponenten Ti;
  5. e) Berechnen eines Stimulationsvektors s für die Muskeln des Nutzers; und
  6. f) Ausgeben einer Kraftrückkopplung an den Nutzer über eine elektrische Muskelstimulation durch Ausgabe der Stimulationsströme si über die Stimulationseinrichtung, wobei die Verfahrensschritte b) bis e) durch den Prozessor durchgeführt werden.
According to a first aspect, the present invention relates to a method for feeding back exogenous forces to a user by means of electrical muscle stimulation via a force feedback device with a stimulation device, a processor and an input device. The method according to the invention comprises the steps:
  1. a) Predetermining a position to be assumed via the input device by the user as a task coordinate vector p for an actuating device;
  2. b) calculating a generalized force vector Fres as force feedback for the user based on the predetermined position p to be assumed for the actuating device;
  3. c) transforming the generalized force vector Fres into a user-specific force moment vector T in joint space q of the user;
  4. d) assigning the joint-related force moment components T i of the force moment vector T to at least one joint-actuating muscle of the user depending on the sign of the joint-related force moment components T i ;
  5. e) calculating a stimulation vector s for the user's muscles; and
  6. f) Outputting force feedback to the user via electrical muscle stimulation by outputting the stimulation currents s i via the stimulation device, method steps b) to e) being carried out by the processor.

Unter dem Begriff der exogenen Kräfte werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jegliche Kräfte verstanden, welche innerhalb eines Kraftrückkopplungssystems einem Nutzer, welcher insbesondere eine Positionsänderung für ein System vorgibt, aufgrund der vorgenommenen Positionsänderungen vorgegeben werden sollen. Insbesondere kann es sich bei den exogenen Kräften beispielsweise um Reibungskräfte einer realen Handhabungsvorrichtung handeln, wenn über die Eingabevorrichtung eine einzunehmende Person durch den Nutzer für die Handhabungsvorrichtung vorgegeben wird und als Kraftrückkopplung an den Nutzer diesem die innerhalb der Handhabungsvorrichtung während der Einnahme der vorgegebenen Position auftretenden Kräfte ausgegeben werden.Within the scope of the present invention, the term exogenous forces is understood to mean any forces which are to be specified within a force feedback system to a user who in particular specifies a change in position for a system on the basis of the position changes made. In particular, the exogenous forces can be, for example, frictional forces of a real handling device if a person to be taken is specified by the user for the handling device via the input device and the forces occurring within the handling device while taking the given position as force feedback to the user be issued.

Weiterhin können die exogenen Kräfte jedoch auch beispielsweise Kräfte vermitteln, welche bei einem Kontakt der Handhabungsvorrichtung mit einem Gegenstand, insbesondere im Rahmen einer Kollision und/oder bei dauerhafter Aufbringung einer Kraft auf einen Gegenstand, beispielsweise in Form einer Greifvorrichtung, auftreten und an den Nutzer rückgegeben werden sollen.Furthermore, the exogenous forces can also convey forces, for example, which occur when the handling device comes into contact with an object, in particular in the context of a collision and/or when a force is permanently applied to an object, for example in the form of a gripping device, and are returned to the user should be.

Als gelenkstellende Muskeln werden die Muskelpaare verstanden, welche die Gelenkstellung und damit die Stellung der Gliedmaßen eines Nutzers bzw. des menschlichen Körpers des Nutzers bewirken.Joint adjusting muscles are understood to mean the muscle pairs that bring about the joint position and thus the position of the limbs of a user or of the user's human body.

Insbesondere wird dabei darunter das Muskelpaar des Agonisten und Antagonisten verstanden, jedoch kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrische Muskelstimulation grundsätzlich auf alle Muskeln des Nutzers aufgebracht werden, insbesondere bevorzugt auf diese, welche die Stellung der Gliedmaßen eines Nutzers beeinflussen können.In particular, this refers to the pair of muscles of the agonist and antagonist, but within the scope of the present invention, electrical muscle stimulation can basically be applied to all muscles of the user, particularly preferably to those that can influence the position of the limbs of a user.

Der Nutzer gibt über die Eingabeeinrichtung eine einzunehmende Position für eine Aktuationseinrichtung vor. Die einzunehmende Position wird dabei als Aufgabenkoordinatenvektor p in einem Aufgabenkoordinatensystem eingeführt. Weiterhin wird ein Gelenkraum q des Nutzers eingeführt, mit q R N G e l e n k e ,

Figure DE102020122551A1_0001
wobei qi die Gelenkwinkel bzw. Gelenkfreiheitsgrade des Nutzers und NGelenke die Anzahl der Gelenkfreiheitsgrade des Nutzers darstellen.The user uses the input device to specify a position to be assumed for an actuating device. The position to be taken is introduced as a task coordinate vector p in a task coordinate system. Furthermore, a joint space q of the user is introduced, with q R N G e l e n k e ,
Figure DE102020122551A1_0001
where q i represents the joint angle or joint degrees of freedom of the user and N joints represent the number of joint degrees of freedom of the user.

Der Kraftmomentenvektor T wird im Gelenkraum q des Nutzers definiert, mit q ∈ R N G e l e n k e ,

Figure DE102020122551A1_0002
der Kraftmomentvektor weist die gelenkbezogenen Kraftmomentkomponenten Ti auf welche den jeweiligen Gelenkfreiheitsgraden zugeordnet sind. Die Kraftmomentkomponenten Ti werden wiederum anhand ihres Vorzeichens mindestens einem Muskel des Nutzers zugeordnet, welcher geeignet ist die Gelenkstellung des Gelenkfreiheitsgrades zu beeinflussen. Üblicherweise wird die gelenkbezogene Kraftmomentenkomponente Ti wiederum auf mehrere Einzelmuskeln aufgeteilt, die gemeinsam die Gelenkstellung des jeweiligen Gelenkfreiheitsgrades beeinflussen können, die Kraftmomentenkomponente Ti wird damit wiederum selbst in die Anteile τi für die Einzelmuskeln aufgeteilt. Die Anteile τi können aus den geometrischen Verhältnissen und Abmessungen der Einzelmuskeln relativ zu dem Gelenk in die gelenkbezogene Kraftmomentenkomponente Ti umgerechnet werden.The force moment vector T is defined in the joint space q of the user, with q ∈ R N G e l e n k e ,
Figure DE102020122551A1_0002
the force moment vector has the joint-related force moment components T i which are assigned to the respective joint degrees of freedom. The force moment components T i are in turn assigned on the basis of their sign to at least one muscle of the user which is suitable for influencing the joint position of the degree of freedom of the joint. Usually, the joint-related force moment component T i is in turn divided among several individual muscles, which together can influence the joint position of the respective joint degree of freedom. The force moment component T i is thus in turn divided into the portions τ i for the individual muscles. The proportions τ i can be converted from the geometric relationships and dimensions of the individual muscles relative to the joint into the joint-related torque component T i .

Der generalisierte Kraftvektor Fres wird im Aufgabenraum spezifiziert.The generalized force vector Fres is specified in the task space.

Bei der Aktuationseinrichtung handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt um eine Handhabungseinrichtung, wie beispielsweise einen Roboterarm. Der Roboterarm kann an einem ersten Ende an einer statischen Befestigungsposition mittels entsprechender Befestigungsmittel befestigt werden. Alternativ kann der Roboterarm an dem vorgenannten Ende ebenfalls an eine mobile Plattform angebunden werden. An einem zweiten, dem ersten Befestigungsende gegenüberliegenden Ende, kann die Handhabungsvorrichtung insbesondere eine Manipulationseinrichtung, wie beispielsweise einen Greifer, aufweisen. Die Aktuationseinrichtung weist ebenfalls mindestens ein Gelenk mit mindestens einem Freiheitsgrad auf, wobei den jeweiligen Freiheitsgraden Stelleinrichtungen, beispielsweise in Form von Aktuatoren, zugeordnet sind, über welche die Aktuationseinrichtung eine vorgegebene Position einnehmen kann. Besonders bevorzugt weist die Aktuationseinrichtung die gleiche Anzahl an Freiheitsgraden wie die Eingabeeinrichtung auf.In the context of the present invention, the actuating device is preferably a handling device, such as a robot arm. The robotic arm can be attached at a first end to a static attachment position by means of appropriate attachment means. Alternatively, the robot arm can also be connected to a mobile platform at the aforementioned end. At a second end opposite the first fastening end, the handling device can in particular have a manipulation device, such as a gripper. The actuating device also has at least one joint with at least one degree of freedom, with the respective degrees of freedom being assigned adjusting devices, for example in the form of actuators, via which the actuating device can assume a predetermined position. The actuating device particularly preferably has the same number of degrees of freedom as the input device.

Erfindungsgemäß kann der Nutzer mittels der Eingabevorrichtung eine einzunehmende Position bzw. eine einzunehmende Positionsabfolge für die Aktuationseinrichtung insbesondere in Form der Handhabungsvorrichtung vorgeben.According to the invention, the user can use the input device to specify a position to be assumed or a position sequence to be assumed for the actuating device, in particular in the form of the handling device.

Bevorzugt weist die Eingabevorrichtung die gleiche Anzahl an Freiheitsgraden wie die Handhabungsvorrichtung bzw. Aktuationseinrichtung auf, derart, dass ein Nutzer über Einstellung der Gelenkfreiheitsgrade der Eingabeeinrichtung unmittelbar die Ausrichtung der Gelenkfreiheitsgrade der Handhabungsvorrichtung festlegen kann. Dies insbesondere in dem Fall, dass durch zeitliches Wiederholen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Positionsablauf über eine gewisse Zeitdauer kontinuierlich durch den Nutzer vorgegeben wird, welcher durch die Handhabungsvorrichtung kontinuierlich gefolgt wird, und wobei kontinuierlich für den Nutzer eine Kraftrückmeldung über die elektrische Stimulationseinrichtung zurückgegeben wird.The input device preferably has the same number of degrees of freedom as the handling device or actuating device, such that a user can directly set the alignment of the joint degrees of freedom of the handling device by setting the joint degrees of freedom of the input device. This is particularly the case when the user continuously specifies a position sequence over a certain period of time by repeating the method according to the invention, which is continuously followed by the handling device, and force feedback is continuously returned to the user via the electrical stimulation device.

Bevorzugt wird der generalisierte Kraftvektor Fres im Verfahrensschritt b) über die folgende Beziehung berechnet: F r e s T = F p T = K p p

Figure DE102020122551A1_0003
mit Kp als virtuelle Steifigkeitsmatrix und p als Aufgabenkoordinatenvektor.The generalized force vector Fres is preferably calculated in method step b) using the following relationship: f right e s T = f p T = K p p
Figure DE102020122551A1_0003
with K p as the virtual stiffness matrix and p as the task coordinate vector.

Die virtuelle Steifigkeitsmatrix Kp stellt in ihrem allgemeinsten Fall eine nicht physikalisch motivierte Steifigkeitsmatrix dar. Vielmehr vermittelt diese eine Stärke der Rückkopplung, welche an den Nutzer bei der Vornahme von Bewegungen der Eingabe bzw. bei der Einnahme von bestimmten Positionen der Eingabevorrichtung an den Nutzer ausgegeben werden soll. Die Steifigkeitsmatrix kann beispielsweise als Steifigkeitsmatrix einer durch die Körperbewegungen des Nutzers real anzusteuernder Aktuationseinrichtung, wie beispielsweisen einen Roboterarm, mit einer Manipulationseinrichtung darstellen, wobei bevorzugt die für die reale Aktuationseinrichtung ermittelten Einträge der Steifigkeitsmatrix durch die Multiplikation mindestens eines Skalierungsfaktors angepasst werden. Die Anpassung des Skalierungsfaktors kann dabei nutzer- und aufgabenspezifisch vorgegeben bzw. gewählt werden, um die Stärke der Kraftrückkopplung nutzer- und aufgabenspezifisch anzupassen.In its most general case, the virtual stiffness matrix K p represents a non-physically motivated stiffness matrix. Rather, it conveys a strength of the feedback that is output to the user when making movements of the input or when taking certain positions of the input device shall be. The stiffness matrix can be represented, for example, as a stiffness matrix of an actuator device to be controlled by the body movements of the user, such as a robot arm, with a manipulation device, with the entries of the stiffness matrix determined for the real actuator device preferably being adapted by multiplying at least one scaling factor. The adaptation of the scaling factor can be specified or selected in a user- and task-specific manner in order to adapt the strength of the force feedback in a user- and task-specific manner.

Besonders bevorzugt kann im Verfahrensschritt c) der Kraftmomentenvektor T über folgende Beziehung aus dem generalisierten Kraftvektor Fres berechnet werden: T r e s T = F r e s T J p q ( q )

Figure DE102020122551A1_0004
mit Jpq(q) als Jacobi-Matrix des Körpers des Nutzers.Particularly preferably, in method step c), the force moment vector T can be calculated from the generalized force vector F res using the following relationship: T right e s T = f right e s T J p q ( q )
Figure DE102020122551A1_0004
with J pq (q) as the Jacobian matrix of the user's body.

Bevorzugt kann bei der Berechnung des generalisierten Kraftvektors Fres zusätzlich ein Kraftvektor zur Berücksichtigung von dissipativen Kräften und/oder integrativen Kräften unter Nutzung der Berechnungsformel: F r e s T = F p T + F p ˙ T + F p ¯ T = K p p D p ˙ p ˙ I p ¯ p ¯ .

Figure DE102020122551A1_0005
genutzt werden.When calculating the generalized force vector F res , a force vector can preferably also be used to take into account dissipative forces and/or integrative forces using the calculation formula: f right e s T = f p T + f p ˙ T + f p ¯ T = K p p D p ˙ p ˙ I p ¯ p ¯ .
Figure DE102020122551A1_0005
be used.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann bei der Berechnung des generalisierten Kraftvektors Fres zusätzlich ein Kraftvektor Fextern zur Berücksichtigung von extern auf die Aktuationseinrichtung einwirkenden Kräften einbezogen werden, unter Nutzung folgender Berechnungsformel: F r e s T = F p T + F e x t e r n T = K p p + F e x t e r n T .

Figure DE102020122551A1_0006
According to a preferred development, when calculating the generalized force vector Fres, a force vector F external can also be included to take account of forces acting externally on the actuating device, using the following calculation formula: f right e s T = f p T + f e x t e right n T = K p p + f e x t e right n T .
Figure DE102020122551A1_0006

Bevorzugt kann im Verfahrensschritt d) nach der Zuordnung der gelenkbezogenen Kraftmomentkomponenten Ti zu mindestens einem gelenkstellenden Muskel des Nutzers eine in dem mindestens einen Muskel zu erzeugende Rückkopplungskraft Mi aufgrund der Kraftmomentenkomponente τi jedes Muskels berechnet werden.Preferably, in step d) after the assignment of the joint-related force moment components T i to at least one joint-actuating muscle of the user, a feedback force M i to be generated in the at least one muscle can be calculated on the basis of the force moment component τ i of each muscle.

Die Summe aller Kraftmomentenkomponenten τi der gelenkstellendenden Einzelmuskeln des Gelenks ergeben wiederum das erwünschte bzw. vorzugebende Gelenkkraftmoment TL. Die Kraftmomentenkomponenten τi lassen sich wiederum aus den Angriffspunkten und den Stellungen der jeweiligen Einzelmuskeln zu den zu stellenden Gelenken berechnen bzw. über die geometrischen Beziehungen aufteilen.The sum of all force moment components τ i of the joint-actuating individual muscles of the joint result in turn in the desired or to be specified joint force moment T L . The force moment components τ i can in turn be calculated from the points of application and the positions of the respective individual muscles in relation to the joints to be positioned or divided using the geometric relationships.

Bevorzugt können die in den Muskeln des Nutzers zu erzeugenden Kräfte Mi unter Berücksichtigung der jeweiligen Lage di des Muskelangriffspunktes in Bezug zu dem jeweiligen Gelenk über die folgende Beziehung berechnet werden: M i = τ i d i .

Figure DE102020122551A1_0007
The forces M i to be generated in the muscles of the user can preferably be calculated using the following relationship, taking into account the respective position d i of the point of application of the muscle in relation to the respective joint: M i = τ i i.e i .
Figure DE102020122551A1_0007

Mit di als Länge des Hebelarms des Muskels relativ zu dem jeweiligen Gelenk, wobei der Hebelarm von dem jeweiligen Gelenkwinkel und von der Elektrodenlage abhängig ist.With d i as the length of the lever arm of the muscle relative to the respective joint, the lever arm being dependent on the respective joint angle and the electrode position.

Die zu erzeugende Kraft innerhalb des Muskels kann bevorzugt unter Berücksichtigung der jeweiligen Elektrodenposition in Bezug auf die Muskelgruppe ermittelt werden. Die Elektrodenposition hat dabei einen Einfluss auf die Lage des Angriffspunktes der stimulierten Muskelgruppen und auf die Wirkung der Stimulationsströme auf die resultierende Muskelkraftausgabe.The force to be generated within the muscle can preferably be determined taking into account the respective electrode position in relation to the muscle group. The position of the electrodes has an influence on the position of the point of application of the stimulated muscle groups and on the effect of the stimulation currents on the resulting muscle power output.

Die an den Nutzer auszugebenden Simulationsströme können allgemein über die folgende Formel berechnet werden, mit ◦ als Symbol der Funktionsverkettung: s i = ƒ 1 ( M i ( τ i ) ) = ƒ 1 M i ( τ i ) .

Figure DE102020122551A1_0008
The simulation currents to be output to the user can generally be calculated using the following formula, with ◦ as a symbol for the chain of functions: s i = ƒ 1 ( M i ( τ i ) ) = ƒ 1 M i ( τ i ) .
Figure DE102020122551A1_0008

Bevorzugt kann der Wert des Simulationsstroms zwischen einer maximal zu erzeugenden Muskelkraft M i m a x

Figure DE102020122551A1_0009
mit zugehörigem Simulationsstrom s i m a x
Figure DE102020122551A1_0010
und einer minimal zu erzeugenden Muskelkraft M i m i n
Figure DE102020122551A1_0011
mit zugehörigem Simulationsstrom s i m i n
Figure DE102020122551A1_0012
anhand eines linearen Verlaufes abgebildet werden.The value of the simulation current can preferably be between a maximum muscle force to be generated M i m a x
Figure DE102020122551A1_0009
with associated simulation stream s i m a x
Figure DE102020122551A1_0010
and a minimum muscle power to be generated M i m i n
Figure DE102020122551A1_0011
with associated simulation stream s i m i n
Figure DE102020122551A1_0012
be mapped using a linear progression.

Im Verfahrensschritt a) kann bevorzugt die einzunehmende Position durch Verändern der Position einer Eingabevorrichtung durch den Nutzer und Detektieren der Positionsänderung der Eingabeeinrichtung über eine Sensoreinrichtung erfolgen.In method step a), the position to be taken can preferably be changed by changing the position of an input device by the user and Detecting the change in position of the input device via a sensor device.

Erfindungsgemäß kann es auch vorgesehen werden, das erfindungsgemäße Verfahren über eine Zeitdauer und mit einer Wiederholungsfrequenz wiederholt auszuführen, derart, dass in dem Verfahrensschritt a) anstatt einer einzelnen einzunehmenden Position alternativ eine einzunehmende Positionsabfolge über eine gewisse Zeitdauer und damit ein zu absolvierender Bewegungsablauf für die Aktuationseinrichtung durch den Nutzer vorgebbar ist, wobei dann die Verfahrensschritte a) bis f) des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer definierten Wiederholrate erneut über den Zeitablauf wiederholt ausgeführt werden.According to the invention, it can also be provided that the method according to the invention is carried out repeatedly over a period of time and with a repetition frequency such that in method step a) instead of an individual position to be assumed, a sequence of positions to be assumed over a certain period of time and thus a movement sequence to be completed for the actuating device can be specified by the user, in which case the method steps a) to f) of the method according to the invention are repeatedly carried out again over the course of time at a defined repetition rate.

Die Wiederholrate kann bevorzugt über den Bewegungsablauf veränderlich sein, insbesondere kann die Wiederholrate bei Vornahme von Bewegungen mit hohen Geschwindigkeiten erhöht werden.The repetition rate can preferably be variable over the course of the movement; in particular, the repetition rate can be increased when movements are carried out at high speeds.

Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise als Inertial Measurement Unit (IMU) oder als optische Body Tracking System ausgebildet werden, über welche/welches die Veränderung der Position, Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen zur Definition einer einzunehmenden Position bzw. einer nachzuverfolgenden Positionsabfolge vorgegeben werden kann.The sensor device can be designed, for example, as an inertial measurement unit (IMU) or as an optical body tracking system, which can be used to specify the change in position, speed and/or acceleration to define a position to be assumed or a position sequence to be tracked.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuerung einer Kraftrückkopplungsvorrichtung, welche eine Speichereinheit und mindestens einen Prozessor umfasst, wobei der Prozessor dazu angepasst ist, das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung auszuführen.According to a second aspect, the present invention relates to a control of a force feedback device, which comprises a memory unit and at least one processor, wherein the processor is adapted to carry out the inventive method according to the first aspect of the present invention.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Kraftrückkopplungsvorrichtung umfassend mindestens eine Stimulationseinrichtung, eine Steuereinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und mindestens eine Eingabeeinrichtung zur Vorgabe einer einzunehmenden Position für eine Aktuationseinrichtung.According to a third aspect of the present invention, this relates to a force feedback device comprising at least one stimulation device, a control unit according to the second aspect of the invention and at least one input device for specifying a position to be assumed for an actuating device.

Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Verwendung einer Steuereinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung oder einer Kraftrückkopplungsvorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.According to the fourth aspect of the present invention, this relates to the use of a control unit according to the second aspect of the invention or a force feedback device according to the third aspect of the invention for carrying out the method for feedback of exogenous forces to a user according to the first aspect of the invention.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die angefügten Figuren Details sowie Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.Details and examples of the present invention are described below with reference to the attached figures.

Es zeigen:

  • 1: die schematische Umsetzung einer Eingabevorrichtung sowie einer Kraftrückkopplungsvorrichtung für einen Nutzer;
  • 2: eine beispielhafte elektrische Schaltung einer Kraftrückkopplungsvorrichtung;
  • 3: schematisch die Umwandlung einer auf eine Aktuationseinrichtung einwirkende Kraft in gelenkbezogene Kraftmomente T1 bis T3;
  • 4: die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Modellierung der Körperanatomie des Nutzers zur Berechnung der rückzukoppelnden Muskelkräfte M1 und M2;
  • 5 die Abhängigkeit der Muskelkraft von dem angelegten Stimulationsstrom mit einer beispielhaft angenommenen linearen Approximation der Abhängigkeitsfunktion;
  • 6 die Umrechnung eines an den Nutzer rückzukoppelnden Kraftmomentes in einen Stimulationsstrom des Agonisten- bzw. Antagonistenmuskels.
Show it:
  • 1 : the schematic implementation of an input device and a force feedback device for a user;
  • 2 : an exemplary electrical circuit of a force feedback device;
  • 3 : schematically the conversion of a force acting on an actuating device into joint-related force moments T 1 to T 3 ;
  • 4 : the modeling of the user's body anatomy used within the scope of the present invention for calculating the muscle forces M 1 and M 2 to be fed back;
  • 5 the dependence of the muscular strength on the applied stimulation current with a linear approximation of the dependence function assumed as an example;
  • 6 the conversion of a moment of force to be fed back to the user into a stimulation current of the agonist or antagonist muscle.

Die 1 zeigt die schematische Umsetzung einer erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 3 in Kombination mit einer Kraftrückkopplungsvorrichtung 2 zur elektrischen Muskelstimulation.the 1 shows the schematic implementation of an input device 3 according to the invention in combination with a force feedback device 2 for electrical muscle stimulation.

Die Eingabevorrichtung 3 umfasst gemäß Ausführungsform der 1 drei Inertial Measurement Units IMU1, IMU2 und IMU3, wobei eine einzunehmende Position unmittelbar durch die Stellung der Extremitäten, in dem gezeigten Beispiel gemäß 1 insbesondere durch den rechten Arm sowie Torso eines Nutzers 1, vorgegeben wird. Die aktuell durch den Nutzer 1 eingenommene Position bzw. Körperstellung wird dabei mittels der IMU1 bis IMU3 fortlaufend oder zu gewissen Zeitpunkten detektiert und an einen Host PC über entsprechende Datenverbindungen weitergeleitet. Die Kraftrückkopplungsvorrichtung 2 ist gemäß 1 als elektrische Stimulationseinrichtung 21 in Form von vier elektrischen Elektroden zur Muskelstimulation im Bereich des Oberarms des Nutzers 1 ausgeführt. Die elektrische Stimulationseinrichtung 21 umfasst in der gezeigten Ausführungsform gemäß 1 zwei Stimulationskanäle Ch1 und Ch2, welche jeweils eine positive Muskelstimulationselektrode Ch1+ und Ch2+ sowie eine negative Elektrode Ch1- und Ch2- aufweisen. Die Signale der IMU1 bis IMU3 werden in dem Host PC über einen Prozessor 41 in einen Aufgabenkoordinaten p für eine Aktuationseinrichtung 6 (in 1 nicht dargestellt) umgerechnet. Der Prozessor 41 des Host PC führt weiterhin die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte b) bis f) aus. Die auszugebenden elektrischen Stimulationssignale werden dabei durch den Host PC über eine Bluetooth Schnittstelle an ein RN 41 Bluetooth Modul und über eine ESP32 Modul (ESP 32 Thing) an eine elektrische Stimulationseinrichtung 21 über ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) weitergegeben. Die elektrische Stimulationseinrichtung 21 verfügt in der beispielhaften Ausführungsform gemäß 1 eine Kontrolleinheit (control electronics) mit einem Elektrodeninterface zur Anbindung der Muskelstimulationselektroden (Ch1+, Chi-, Ch2+ und Ch2-). Das Elektrodeninterface ist wiederum an einen transkutanen elektrischen Muskelnervenstimulator (TENS muscle stimulator) angeschlossen, welcher elektrische Muskelstimulationssignale ausgibt.The input device 3 comprises according to the embodiment of FIG 1 three inertial measurement units IMU1, IMU2 and IMU3, with a position to be taken directly by the position of the extremities, in the example shown according to 1 in particular by the right arm and torso of a user 1 is specified. The position or body posture currently assumed by the user 1 is detected continuously or at specific times by means of the IMU1 to IMU3 and forwarded to a host PC via appropriate data connections. The force feedback device 2 is according to 1 designed as an electrical stimulation device 21 in the form of four electrical electrodes for muscle stimulation in the area of the upper arm of the user 1. In the embodiment shown, the electrical stimulation device 21 comprises according to FIG 1 two stimulation channels Ch1 and Ch2, each having a positive muscle stimulation electrode Ch1+ and Ch2+ and a negative electrode Ch1- and Ch2-. The signals of the IMU1 to IMU3 are converted in the host PC via a processor 41 into a task coordinate p for an actuation device 6 (in 1 not shown) converted. The processor 41 of the host PC continues to carry out method steps b) to f) according to the invention. The electrical stimulation signals to be output are transmitted by the host PC via a Bluetooth interface to an RN 41 Bluetooth module and via an ESP32 Passed module (ESP 32 Thing) to an electrical stimulation device 21 via a pulse width modulated signal (PWM). The electrical stimulation device 21 has, in the exemplary embodiment according to FIG 1 a control unit (control electronics) with an electrode interface for connecting the muscle stimulation electrodes (Ch1+, Chi-, Ch2+ and Ch2-). The electrode interface is in turn connected to a transcutaneous electrical muscle nerve stimulator (TENS muscle stimulator), which emits electrical muscle stimulation signals.

Die 2 zeigt weiterhin Bezug nehmend auf die beispielhafte Ausführungsform gemäß 1 die elektrische Verschaltung der beispielhaften elektrischen Stimulationseinrichtung 21 gemäß 1.the 2 12 continues to refer to the exemplary embodiment of FIG 1 the electrical wiring of the exemplary electrical stimulation device 21 according to FIG 1 .

3 zeigt schematisch die Umwandlung von auf eine Aktuationseinrichtung 6 einwirkende exogene Kräfte in nutzerspezifische gelenkzugehörige Kraftmomente T1 bis T3 zur Kraftrückkopplung an den Nutzer 1. Die Aktuationseinrichtung 6 ist gemäß 3 in Form eines humanoiden Roboters mit einem Torso sowie zugehörigen Armen ausgebildet. Auf die Aktuationseinrichtung 6 wirkt eine exogene Kraft F ein, beispielsweise handelt es sich um eine äußere Kraft, welche auf die Aktuationseinrichtung 6 aufgrund der Einnahme einer einzunehmenden Position durch Kollision mit einem Gegenstand einwirkt. Zur Kraftrückkopplung wird nunmehr erfindungsgemäß die exogene Kraft F in einen generalisierten Kraftvektor Fres umgewandelt. Weiterhin wird der generalisierte Kraftvektor Fres in einen benutzerspezifischen Kraftmomentvektor T im Gelenkraum des Nutzers 1 umgerechnet. Der Kraftmomentvektor T enthält dabei die im Rahmen der Kraftrückkopplung in den Gelenken aufzubringenden Kraftmomente, beispielsweise die Kraftmomente T1 bis T3. 3 shows schematically the conversion of exogenous forces acting on an actuation device 6 into user-specific joint-associated force moments T 1 to T 3 for force feedback to the user 1. The actuation device 6 is according to FIG 3 designed in the form of a humanoid robot with a torso and associated arms. An exogenous force F acts on the actuating device 6, for example it is an external force which acts on the actuating device 6 due to the assumption of a position to be assumed by collision with an object. According to the invention, the exogenous force F is now converted into a generalized force vector F res for force feedback. Furthermore, the generalized force vector Fres is converted into a user-specific force moment vector T in the joint space of the user 1 . The force moment vector T contains the force moments to be applied in the joints as part of the force feedback, for example the force moments T 1 to T 3 .

Die 4 verdeutlicht die erfindungsgemäß vorgenommene Idealisierung der Muskelanatomie des Nutzers 1 anhand des Beispiels eines Nutzerarms, wobei der Armbeugermuskel als M1 sowie der Armstreckermuskel mit M2 modelliert und bezeichnet wird. Der Abstand des Ansatzpunktes des Armbeugermuskels M1 relativ zu dem Unterarmgelenk wird als Abstand d1 und der Abstand des Armstreckermuskels M2 relativ zu dem vorgenannten Gelenk als Abstand d2 definiert. Die Summe der durch die Muskeln M1 und M2 erzeugten Kraftmomente ergibt das in dem Gelenk zugehörige Kraftmoment T2, wie ebenfalls in 3 dargestellt.the 4 12 illustrates the idealization of the muscle anatomy of the user 1 carried out according to the invention using the example of a user's arm, the arm flexor muscle being modeled and designated as M1 and the arm extensor muscle as M2. The distance of the attachment point of the arm flexor muscle M1 relative to the forearm joint is defined as distance d 1 and the distance of the arm extensor muscle M2 relative to the aforementioned joint is defined as distance d 2 . The sum of the moments of force generated by the muscles M1 and M2 gives the moment of force T 2 associated with the joint, as also in 3 shown.

Die 5 zeigt die Abhängigkeit einer generierten Muskelkraft Mi aufgrund eines auf den Nutzermuskel aufgebrachten Stimulationsstroms si. Der Verlauf zwischen dem Stimulationsstrom si und der Muskelkraft Mi verläuft dabei annähernd anhand des Verlaufes einer Sigmoidfunktion, welche über die durchgezogene Linie dargestellt ist. In dem Bereich zwischen einer minimal aufzubringenden Muskelkraft M i m i n

Figure DE102020122551A1_0013
und einer maximal aufzubringenden Muskelkraft M i m a x
Figure DE102020122551A1_0014
wird der Verlauf der Abhängigkeit des Stimulationsstroms si relativ zu der Muskelkraft Mi erfindungsgemäß vereinfacht als Gerade und damit eine lineare Abhängigkeit zwischen den beiden Größen angenommen, welche als gestrichelte Linie in 5 wiedergegeben ist.the 5 shows the dependency of a generated muscle force M i due to a stimulation current s i applied to the user muscle. The curve between the stimulation current s i and the muscle force M i runs approximately based on the curve of a sigmoid function, which is shown by the solid line. In the range between a minimum muscle force to be applied M i m i n
Figure DE102020122551A1_0013
and a maximum muscle force that can be applied M i m a x
Figure DE102020122551A1_0014
the course of the dependency of the stimulation current s i relative to the muscle force M i is simplified according to the invention as a straight line and thus a linear dependency between the two variables is assumed, which is shown as a dashed line in 5 is reproduced.

Die 6 verdeutlicht die erfindungsgemäß vorgenommene Zuordnung eines aufzubringenden gelenkzugeordneten Kraftmomentes Ti in Abhängigkeit von dessen Vorzeichen auf den Agonisten- bzw. Antagonistenmuskel als gelenkzugehöriges Kraftmoment Ti eines Nutzers 1 sowie die Abhängigkeit des über die elektrische Stimulationseinrichtung 21 an den Nutzer 1 ausgegebenen Stimulationsstrom si.the 6 clarifies the inventive assignment of a joint-associated moment of force T i to be applied as a function of its sign to the agonist or antagonist muscle as a joint-associated moment of force T i of a user 1 and the dependence of the stimulation current s i output to the user 1 via the electrical stimulation device 21.

Claims (15)

Verfahren zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer (1) mittels elektrischer Muskelstimulation über eine Kraftrückkopplungsvorrichtung (2) mit einer Stimulationseinrichtung (21), einem Prozessor (41) und einer Eingabeeinrichtung (3); das Verfahren umfassend die Schritte: a) Vorgeben einer einzunehmenden Position über die Eingabeeinrichtung (3) durch den Nutzer (1) als Aufgabenkoordinatenvektor p für eine Aktuationseinrichtung (6); b) Berechnen eines generalisierten Kraftvektors Fres als Kraftrückkopplung für den Nutzer (1) aufgrund der vorgegebenen einzunehmenden Position p für die Aktuationseinrichtung (6); c) Transformieren des generalisierten Kraftvektors Fres in einem nutzerspezifischen KraftmomentenvektorT im Gelenkraum des Nutzers (1); d) Zuordnen der gelenkbezogenen Kraftmomentenkomponenten Ti des Kraftmomentenvektors T zu mindestens einem gelenkstellenden Muskel des Nutzers (1) in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der gelenkbezogenen Kraftmomentenkomponenten Ti; e) Berechnen eines Stimulationsvektors s für die Muskeln des Nutzers (1); und f) Ausgeben einer Kraftrückkopplung an den Nutzer (1) über eine elektrische Muskelstimulation durch Ausgabe der Stimulationsströme si über die Stimulationseinrichtung (21), wobei die Verfahrensschritte b) bis e) durch den Prozessor (41) durchgeführt werden.Method for feedback of exogenous forces to a user (1) by means of electrical muscle stimulation via a force feedback device (2) with a stimulation device (21), a processor (41) and an input device (3); the method comprising the steps: a) specifying a position to be assumed via the input device (3) by the user (1) as a task coordinate vector p for an actuating device (6); b) calculating a generalized force vector Fres as force feedback for the user (1) on the basis of the predetermined position p to be assumed for the actuating device (6); c) transforming the generalized force vector Fres into a user-specific force moment vector T in the joint space of the user (1); d) assigning the joint-related force moment components T i of the force moment vector T to at least one joint-actuating muscle of the user (1) as a function of the sign of the joint-related force moment components T i ; e) calculating a stimulation vector s for the muscles of the user (1); and f) outputting force feedback to the user (1) via electrical muscle stimulation by outputting the stimulation currents s i via the stimulation device (21), method steps b) to e) being carried out by the processor (41). Verfahren nach Anspruch 1, wobei der generalisierte Kraftvektor Fres im Verfahrensschritt b) über die folgende Beziehung berechnet wird: F r e s T = F p T = K p p
Figure DE102020122551A1_0015
mit Kp als virtuelle Steifigkeitsmatrix und p als Aufgabenkoordinatenvektor.
procedure after claim 1 , where the generalized force vector Fres is calculated in method step b) using the following relationship: f right e s T = f p T = K p p
Figure DE102020122551A1_0015
with K p as the virtual stiffness matrix and p as the task coordinate vector.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt c) der Kraftmomentenvektor T über folgende Beziehung aus dem generalisierten Kraftvektor Fres berechnet wird: T r e s T = F r e s T J p q ( q )
Figure DE102020122551A1_0016
mit Jpq(q) als Jacobi-Matrix des Körpers des Nutzers (1).
Method according to one of the preceding claims, wherein in method step c) the force moment vector T is calculated from the generalized force vector F res using the following relationship: T right e s T = f right e s T J p q ( q )
Figure DE102020122551A1_0016
with J pq (q) as the Jacobian matrix of the user's body (1).
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei bei der Berechnung des generalisierten Kraftvektors Fres zusätzlich ein Kraftvektor zur Berücksichtigung von dissipativen Kräften und/oder integrativen Kräften berücksichtigt wird unter Nutzung der Berechnungsformel: F r e s T = F p T + F p ˙ T + F p ¯ T = K p p D p ˙ p ˙ I p ¯ p ¯ .
Figure DE102020122551A1_0017
Method according to one of the preceding claims, wherein in the calculation of the generalized force vector F res a force vector for considering dissipative forces and/or integrative forces is also taken into account using the calculation formula: f right e s T = f p T + f p ˙ T + f p ¯ T = K p p D p ˙ p ˙ I p ¯ p ¯ .
Figure DE102020122551A1_0017
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei bei der Berechnung des generalisierten Kraftvektors Fres zusätzlich ein Kraftvektor Fextern zur Berücksichtigung von extern einwirkenden Kräften einbezogen wird, unter Nutzung folgender Berechnungsformel: F r e s T = F p T + F e x t e r n T = K p p + F e x t e r n T .
Figure DE102020122551A1_0018
Method according to one of the preceding claims, wherein a force vector F external is also included in the calculation of the generalized force vector Fres to take account of externally acting forces, using the following calculation formula: f right e s T = f p T + f e x t e right n T = K p p + f e x t e right n T .
Figure DE102020122551A1_0018
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt d) nach der Zuordnung der gelenkbezogenen Kraftmomentenkomponenten Ti zu mindestens einem gelenkstellenden Muskel des Nutzers (1) eine in dem mindestens einem Muskel zu erzeugende Rückkopplungskraft Mi aufgrund der Kraftmomentenkomponente τi jedes Muskels berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in method step d) after the assignment of the joint-related force moment components T i to at least one joint-actuating muscle of the user (1), a feedback force M i to be generated in the at least one muscle is calculated on the basis of the force moment component τ i of each muscle . Verfahren nach Anspruch 6, wobei die in den Muskeln des Nutzers (1) zu erzeugenden Kräfte Mi unter Berücksichtigung des jeweiligen Abstandes di des Muskelangriffspunktes zu dem jeweiligen Gelenk über die folgende Beziehung berechnet werden: M i = τ i d i .
Figure DE102020122551A1_0019
procedure after claim 6 , whereby the forces M i to be generated in the muscles of the user (1) are calculated using the following relationship, taking into account the respective distance d i of the point of application of the muscle to the respective joint: M i = τ i i.e i .
Figure DE102020122551A1_0019
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die zu erzeugende Kraft unter Berücksichtigung der jeweiligen Elektrodenposition in Bezug auf die Muskelgruppe ermittelt wird, wobei in einer Kalibrierungsphase anhand der Messung der durch einen definierten Stimulationsstrom auf dem Nutzer stimulierten Bewegungen die Lagen der Muskelangriffspunkte und dadurch die Hebelarme di approximiert werden.Procedure according to one of Claims 6 or 7 , where the force to be generated is determined taking into account the respective electrode position in relation to the muscle group, with the positions of the muscle application points and thus the lever arms d i being approximated in a calibration phase based on the measurement of the movements stimulated by a defined stimulation current on the user. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die an den Nutzer (1) auszugebenden Simulationsströme si über die folgende Beziehung berechnet werden: s i = ƒ 1 ( M i ( τ i ) ) = ƒ 1 M i ( τ i ) .
Figure DE102020122551A1_0020
Method according to one of the preceding claims, wherein the simulation currents s i to be output to the user (1) are calculated via the following relationship: s i = ƒ 1 ( M i ( τ i ) ) = ƒ 1 M i ( τ i ) .
Figure DE102020122551A1_0020
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Wert des Simulationsstroms zwischen einer maximal zu erzeugenden Muskelkraft M i m a x
Figure DE102020122551A1_0021
mit zugehörigem Simulationsstrom s i m a x
Figure DE102020122551A1_0022
und einer minimal zu erzeugenden Muskelkraft M i m i n
Figure DE102020122551A1_0023
mit zugehörigem Simulationsstrom s i m i n
Figure DE102020122551A1_0024
anhand eines linearen Verlaufes abgebildet wird.
procedure after claim 9 , where the value of the simulation current is between a maximum muscle force to be generated M i m a x
Figure DE102020122551A1_0021
with associated simulation stream s i m a x
Figure DE102020122551A1_0022
and a minimum muscle power to be generated M i m i n
Figure DE102020122551A1_0023
with associated simulation stream s i m i n
Figure DE102020122551A1_0024
is mapped using a linear progression.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt a) die einzunehmende Position durch Verändern der Position einer Eingabeeinrichtung (3) durch den Nutzer (1) und Detektieren der Positionsänderung der Eingabeeinrichtung (3) über eine Sensoreinrichtung erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein in method step a) the position to be assumed takes place by changing the position of an input device (3) by the user (1) and detecting the change in position of the input device (3) via a sensor device. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Sensoreinrichtung mindestens eine Inertial Measurement Unit (IMU) umfasst.procedure after claim 11 , wherein the sensor device comprises at least one inertial measurement unit (IMU). Steuereinheit (4) zur Steuerung einer Kraftrückkopplungsvorrichtung (2), umfassend eine Speichereinheit (43) und mindestens einen Prozessor (41), wobei der Prozessor (41) angepasst ist, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.Control unit (4) for controlling a force feedback device (2), comprising a memory unit (43) and at least one processor (41), wherein the processor (41) is adapted to a method according to any one of Claims 1 until 12 to execute. Kraftrückkopplungsvorrichtung (2), umfassend: - mindestens eine Stimulationseinrichtung (21); - eine Steuereinheit (4) nach Anspruch 13 und - mindestens eine Eingabeeinrichtung (3) zur Vorgabe einer einzunehmenden Position für eine Aktuationseinrichtung (6).A force feedback device (2) comprising: - at least one stimulation device (21); - A control unit (4) after Claim 13 and - at least one input device (3) for specifying a position to be assumed for an actuating device (6). Verwendung einer Steuereinheit (4) nach Anspruch 13 oder einer Kraftrückkopplungsvorrichtung (2) nach Anspruch 14 zur Durchführung des Verfahrens zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.Using a control unit (4) according to Claim 13 or a force feedback device (2). Claim 14 for carrying out the method for feedback of exogenous forces to a user (1) according to one of Claims 1 until 12 .
DE102020122551.2A 2020-08-28 2020-08-28 Method for feedback of exogenous forces to a user using electrical muscle stimulation, controller for controlling a force feedback device, force feedback device and use of a controller or a force feedback device Pending DE102020122551A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020122551.2A DE102020122551A1 (en) 2020-08-28 2020-08-28 Method for feedback of exogenous forces to a user using electrical muscle stimulation, controller for controlling a force feedback device, force feedback device and use of a controller or a force feedback device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020122551.2A DE102020122551A1 (en) 2020-08-28 2020-08-28 Method for feedback of exogenous forces to a user using electrical muscle stimulation, controller for controlling a force feedback device, force feedback device and use of a controller or a force feedback device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020122551A1 true DE102020122551A1 (en) 2022-03-03

Family

ID=80221298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020122551.2A Pending DE102020122551A1 (en) 2020-08-28 2020-08-28 Method for feedback of exogenous forces to a user using electrical muscle stimulation, controller for controlling a force feedback device, force feedback device and use of a controller or a force feedback device

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020122551A1 (en)

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LOPES, Pedro [et al.]: Adding force feedback to mixed reality experiences and games using electrical muscle stimulation. In: Proceedings of the 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. 2018. S. 1-13.
PAMUNGKAS, D. S.; WARD, K.: Tele-operation of a robot arm with electro tactile feedback. In: 2013 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. IEEE, 2013. S. 704-709.

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Galambos Vibrotactile feedback for haptics and telemanipulation: Survey, concept and experiment
Freeman et al. Iterative learning control of FES applied to the upper extremity for rehabilitation
DE202017105598U1 (en) Deep reinforcement learning system for robotic manipulation
DE102013111210A1 (en) Method for controlling a robot gear
DE102014116845B4 (en) Method for determining a movement limit
DE202019102430U1 (en) Determination of an external power wind by torque sensors of a robot manipulator
DE112018001042T5 (en) Control system, control method and surgical arm system
DE112017003961B4 (en) Control for parallel link mechanism
DE102010052430B4 (en) Interactive human-robot system with a control algorithm for estimating human stiffness
EP2325725A1 (en) Method for producing an effect on virtual objects
Chen et al. An optimal washout filter design for a motion platform with senseless and angular scaling maneuvers
WO2008058783A1 (en) Integrated circuit for recognizing movements of persons
Dariush et al. Stability and a control strategy of a multilink musculoskeletal model with applications in FES
DE3932405C2 (en)
DE202019104109U1 (en) Force field around learned positions of a robot manipulator
DE102015102459B4 (en) Method and device for driving a simulator
DE102020122551A1 (en) Method for feedback of exogenous forces to a user using electrical muscle stimulation, controller for controlling a force feedback device, force feedback device and use of a controller or a force feedback device
Schearer et al. Evaluation of a semi-parametric model for high-dimensional FES control
EP3132331B1 (en) Haptic system and operating method
DE102020127532B3 (en) Control method for controlling the torque and / or the position of at least one elastic joint of a handling device, torque controller, position controller and use of the method for controlling the position and / or the torque of at least one elastic joint of a handling device
EP4061586B1 (en) Force measurement and force generation in redundant robot manipulators
Potkonjak et al. Human-like behavior of robot arms: general considerations and the handwriting task—part II: the robot arm in handwriting
Teixeira et al. Design of a fuzzy Takagi-Sugeno controller to vary the joint knee angle of paraplegic patients
Wolf et al. Developing a quasi-static controller for a paralyzed human arm: A simulation study
DE102022122173B4 (en) System and method for providing an object-related haptic effect

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication