DE102021111413B3 - Aktuatorsystem sowie Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem - Google Patents

Abstract

Ein Aktuatorsystem (10) mit einem Aktuator, und einem Aktuatorregler (14) mit einer Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit zur Übertragung einer Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Kraft zur Steuerung des Aktuators, wobei der Aktuatorregler (14) ausgebildet ist zur Anpassung der Federsteifigkeit, anhand eines am Aktuatorreglers (14) erfassten Energiewerts einer potentiellen Energie und/oder einer dissipierten Energie des Aktuatorsystem (10), und wobei die Federsteifigkeit während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst wird. Ferner ein Verfahren zur Steifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem (10) mit den Schritten: Erfassung eines Energiewerte einer potentiellen Energie und/oder einer dissipierten Energie des Aktuatorsystems (10), und Anpassung einer Federsteifigkeit eines Aktuatorreglers (14) mit einer Feder des Aktuatorsystems (10) anhand des erfassten Energiewerts, wobei die Federsteifigkeit, während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Aktuatorsystem sowie ein Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem.
• Aktuatorsysteme in Robotern, insbesondere zukünftiger Robotergenerationen, können mit mechanisch nachgiebigen Gelenken ausgestaltet sein, so bspw. DLR David, DLR Clash-Hand. Hierdurch können diese Robotersysteme robuster ausgestaltet werden. In diesen Gelenken ist z.B. die Federsteifigkeit variabel gestaltet und kann über Regler angepasst werden.
• Alternativ können auch in aktuellen Aktuatorsystemen von Robotern mit Impedanzregelung, die virtuellen Steifigkeiten des Reglers angepasst werden. In der Tele-Operation (Fernsteuerung) von Robotern kann hierzu z.B. die Armsteifigkeit des Bedieners über Elektromyographie gemessen und die Steifigkeit des gesteuerten Roboterarms entsprechend angepasst werden.
• Entscheidend ist bei solchen Aktuatorsystemen, dass Stabilität bzw. Passivität des Aktuatorsystems erhalten wird. Die Passivitätsproblematik wird jedoch im Stand der Technik teils mathematisch nicht korrekt oder physikalisch nicht sinnvoll behandelt.
• Es existieren Ansätze, bei denen die durch einen Dämpfer dissipierte Energie berücksichtigt wird, welche dann über eine Steifigkeitsanpassung wieder induziert werden darf. Dies ist mathematisch korrekt, jedoch physikalisch höchstens nachvollziehbar, wenn der Energiespeicher Null gesetzt wird, sobald das Aktuatorsystem des Roboters im Stillstand und/oder die Federauslenkung Null ist. Es ist hierbei jedoch nicht gewährleistet, dass ein Reglereingriff die Kraft nicht über längere Zeit so stark reduziert, so dass eine Steifigkeit von Null wirkt und die Roboterposition nicht korrekt eingestellt werden kann.
• DE 20 2019 001 448 U1 lehrt ein Aktuatorsystem mit einem Regler, der ausgebildet ist in Abhängigkeit einer übertragenen Soll-Energie eine Dämpfung eines Roboteraktuators zu regeln.
• DE 10 2020 113 409 A1 lehrt eine Gradienten-basierte Methode für die Kräfteregulierung in der Teleoperation.
• Weiterer relevanter Stand der Technik zu der vorliegenden Erfindung ist in DE 10 2020 121 561 B3 , DE 10 2020 103 857 A1 , DE 10 2017 005 581 B4 , DE 10 2016 004 841 B4 , DE 10 2013 204 588 A1 und DE 10 2009 000 261 A1 beschrieben.
• Nachteilig an Ansätzen des Stands der Technik ist, dass diese keine Passivität und/der Stabilität des Aktuatorsystems bei variabler Impedanz, insbesondere Federsteifigkeit, ermöglichen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Aktuatorsystem sowie ein Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem zu schaffen, wobei ein passives und/oder stabiles Verhalten des Aktuatorsystems umgesetzt ist.
• Die Lösung der Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß durch ein Aktuatorsystem gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem nach Anspruch 3.
• Bei dem erfindungsgemäßen Aktuatorsystem handelt es sich insbesondere um ein Roboteraktuatorsystem. Bevorzugt handelt es sich um ein Aktuatorsystem für die Teleaktuierung. Das Aktuatorsystem weist vorzugsweise einen Aktuator, insbesondere einen Roboteraktuator, auf. Bei dem Aktuator kann es sich beispielsweise um einen Slave in einer Master-Slave-Konfiguration handeln. Der Aktuator ist vorzugsweise ausgestaltet zur Ausführung einer Bewegung, die durch ein Positionskommando vorgegeben wurde. Möglich ist es bspw., dass das Positionskommando durch eine Benutzereingabe, insbesondere an einem Benutzeraktuator des Aktuatorsystem, erfolgt. Das Positionskommando, bspw. die Benutzereingabe, wird vorzugsweise über einen Benutzeraktuator des Aktuatorsystems erzeugt. Bei dem Benutzeraktuator kann es sich beispielsweise um einen Master in einer Master-Slave-Konfiguration handeln. Das Aktuatorsystem weist einen, insbesondere virtuellen, Aktuatorregler mit einer Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit, K_K, auf. Bei der Feder kann es sich um eine virtuelle oder eine physische Feder handeln. Der Aktuatorregler ist insbesondere zur Umsetzung eines Positionskommandos ausgeführt. Vorzugsweise ist der Aktuatorregler zur Übertragung, insbesondere Umsetzung, einer Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Kraft zur Steuerung des Aktuators ausgeführt. Bei dem Aktuatorregler kann es sich bspw. um einen koppelnden Aktuatorregler handeln. Der Aktuatorregler ist ausgebildet zur Anpassung der Federsteifigkeit. Die Anpassung der Federsteifigkeit erfolgt insbesondere zur Umsetzung eines passiven und/oder stabilen Verhaltens des Aktuatorsystems. Der Aktuatorregler ist ausgeführt die Anpassung der Federsteifigkeit anhand eines am Aktuatorregler erfassten Energiewerts einer potentiellen Energie und/oder einer dissipierten Energie des Aktuatorsystem durchzuführen. Bei dem Energiewert der potentiellen Energie handelt es sich insbesondere um einen Energieeintrag in den Aktuatorregler. Bei dem Energiewert der dissipierten Energie handelt es sich insbesondere um die Energie einer, vorzugsweise virtuellen, Dämpfung, z. B. in einem Reglerkreis des Aktuatorsystems. Es ist insbesondere möglich, dass der Aktuatorregler ausgeführt ist, den Energiewert kontinuierlich zu erfassen. Der Aktuatorregler kann bspw. zur Messung des Energiewerts ausgeführt sein. Die Federsteifigkeit, insbesondere der Verlauf der Federsteifigkeit, wird während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst. Bei der Anpassung über die Auslenkung hinweg erfolgt insbesondere zumindest teilweise kontinuierliche Anpassung. Die Anpassung der Federsteifigkeit erfolgt vorzugsweise bis zum Ende der Federauslenkung. Möglich ist es, alternativ oder zusätzlich, dass die Anpassung der Federsteifigkeit ab Beginn der Federauslenkung erfolgt. Durch das erfindungsgemäße Aktuatorsystem ist insbesondere vorteilhaft ein passives und/oder stabiles Verhalten umgesetzt. Vorzugsweise ist weiterhin durch das erfindungsgemäße Aktuatorsystem der Vorteil gegeben, dass die Anpassung, insbesondere Limitierung, der Federsteifigkeit einen gewünschten Wert, bspw. 0, nicht unterschreitet.
• In bevorzugter Ausführung ist der Aktuatorregler zur Limitierung der Federsteifigkeit ausgeführt. Beispielsweise kann der Aktuatorregler zur Festlegung einer maximalen und/oder minimalen Federsteifigkeit ausgeführt sein. Besonders bevorzugt ist es, dass die Limitierung der Federsteifigkeit derart erfolgt, dass die Federsteifigkeit niemals 0 ist, insbesondere stets > 0 ist. Möglich ist es, dass zur Limitierung der Federsteifigkeit das Prinzip der Just-Noticeable-Difference (JND), vorzugsweise zur Festlegung des Minimalwerts, genutzt wird.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem handelt es sich bevorzugt um ein Verfahren zur Steifigkeitsanpassung in einem Roboteraktuatorsystem, vorzugsweise zur Teleaktuierung. Das Verfahren wird vorzugsweise mit einem Aktuatorsystem mit einem oder mehrere der Merkmale des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems ausgeführt.
• Das Verfahren weist den Schritt der Erfassung eines Energiewerte einer potentiellen Energie und/oder einer dissipierten Energie des Aktuatorsystems auf. Bei dem Energiewert der potentiellen Energie handelt es sich insbesondere um einen Energieeintrag in einen Aktuatorregler des Aktuatorsystem. Bei dem Energiewert der dissipierten Energie handelt es sich insbesondere um die Energie einer, vorzugsweise virtuellen, Dämpfung, z. B. in einem Reglerkreis des Aktuatorsystems. Es ist bevorzugt, dass die Erfassung des Energiewerts mit einem Aktuatorregler des Aktuatorsystem erfolgt, wobei der Aktuatorregler insbesondere ausgeführt ist wie der Aktuatorregler des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems. Ein weiterer Schritt des Verfahrens besteht in der Anpassung einer Steifigkeit eines, insbesondere virtuellen, Aktuatorreglers des Aktuatorsystems. Der Aktuatorregler weist insbesondere mindestens eine, vorzugsweise virtuelle und/oder physische Feder auf. Der Aktuatorregler ist insbesondere ausgeführt wie der Aktuatorregler des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems. Die Anpassung der Steifigkeit erfolgt anhand des erfassten Energiewerts, insbesondere anhand der erfassten potentiellen Energie und/oder dissipierten Energie. Es ist bevorzugt, dass der erfasste Energiewert als Referenzwert für die Anpassung der Federsteifigkeit genutzt wird. Die Federsteifigkeit, insbesondere der Verlauf der Federsteifigkeit, wird während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst. Bei der Anpassung über die Auslenkung hinweg erfolgt insbesondere, zumindest teilweise kontinuierliche Anpassung. Die Anpassung der Federsteifigkeit erfolgt vorzugsweise bis zum Ende der Federauslenkung. Möglich ist es, alternativ oder zusätzlich, dass die Anpassung der Federsteifigkeit ab Beginn der Federauslenkung erfolgt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft ein passives und/oder stabiles Verhalten umgesetzt. Vorzugsweise ist weiterhin durch das erfindungsgemäße Verfahren der Vorteil gegeben, dass die Anpassung, insbesondere Limitierung, der Federsteifigkeit einen gewünschten Wert, bspw. 0, nicht unterschreitet.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei der Anpassung der Federsteifigkeit eine Limitierung der Federsteifigkeit. Beispielsweise kann einer maximalen und/oder minimalen Federsteifigkeit festgelegt werden. Besonders bevorzugt ist es, dass die Limitierung der Federsteifigkeit derart erfolgt, dass die Federsteifigkeit niemals 0 ist, insbesondere stets > 0 ist. Bei der zu limitierenden Federsteifigkeit handelt es sich insbesondere um eine Basisfedersteifigkeit. Möglich ist es, dass zur Limitierung der Federsteifigkeit das Prinzip der Just-Noticeable-Difference (JND), vorzugsweise zur Festlegung des Minimalwerts, genutzt wird.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems weist das Aktuatorsystem eine anpassbare, insbesondere physische und/oder virtuelle, Federsteifigkeit auf. Es ist bevorzugt, dass das Aktuatorsystem mindestens eine virtuelle und/oder physische Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit aufweist.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems erfolgt die Anpassung der Federsteifigkeit während der Verringerung der Auslenkung der Feder und/oder während der Erhöhung der Auslenkung der Feder.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems wird der erfasste Energiewert bei einer minimalen Auslenkung, insbesondere 5min, der Feder auf einen Ausgangswert zurückgesetzt. Bei der minimalen Auslenkung handelt es sich insbesondere um eine Auslenkung von im Wesentlichen 0. Möglich ist es, dass es sich bei der minimalen Auslenkung, bspw. aufgrund von Messrauschen, um eine minimale Auslenkung bezogen auf eine Totzone, bspw. |δ| = 5min, handelt. Der Ausgangswert ist vorzugsweise 0. Eine zunehmende Auslenkung wird auch Pushing-Phase und eine abnehmende Auslenkung Releasing-Phase genannt. Eine Ermittlung der entsprechenden Auslenkung ist durch eine Ableitung der Auslenkung möglich. Es ist bevorzugt, die Detektion der Pushing- und Releasing-Phase zu filtern. Die Filterung betrifft hierbei vorzugsweise eine Auslenkungswechsel der über einen vordefinierten Zeitraum vorliegt und/oder einen vordefinierten Schwellwert überschreitet.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems wird die Federsteifigkeit der Feder bei einer minimalen Auslenkung, insbesondere 5min, der Feder auf eine Basissteifigkeit geändert wird. Bei der minimalen Auslenkung handelt es sich insbesondere um eine Auslenkung von im Wesentlichen 0. Möglich ist es, dass es sich bei der minimalen Auslenkung, bspw. aufgrund von Messrauschen, um eine minimale Auslenkung bezogen auf eine Totzone, bspw. |δ| = 5min, handelt. Die Basissteifigkeit, K_des, entspricht vorzugsweise einer vordefinierten Federsteifigkeit. Die Basissteifigkeit ist vorzugsweise > 0. Eine zunehmende Auslenkung wird auch Pushing-Phase und eine abnehmende Auslenkung Releasing-Phase genannt. Es ist bevorzugt, die Detektion der Pushing- und Releasing-Phase zu filtern. Die Filterung betrifft hierbei vorzugsweise eine Auslenkungswechsel der über einen vordefinierten Zeitraum vorliegt und/oder einen vordefinierten Schwellwert überschreitet. Bevorzugt wird durch den Aktuatorregler die Umsetzung der Basissteifigkeit limitiert.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems wird die Basissteifigkeit anhand der Steifigkeit eines Körperteils eines Bedieners des Aktuatorsystems festgelegt. Bevorzugt erfolgt eine Erfassung der Steifigkeit des Körperteils und somit die Festlegung der Basissteifigkeit mittels EMG und/oder Ultraschall des Körperteils. Bei dem Körperteil handelt es sich insbesondere um ein zur Interaktion genutztes Körperteil eines Bedieners oder um ein nicht zur Interaktion genutzte Körperteil. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Körperteil um den Arm eines Bedieners.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems erfolgt die Anpassung der Federsteifigkeit, über eine lineare oder eine nichtlineare Funktion. Diese Anpassung über eine lineare oder eine nichtlineare Funktion erfolgt vorzugsweise während der Releasing-Phase, insbesondere sobald die Releasing-Phase detektiert wurde. Bevorzugt erfolgt diese Anpassung sobald die Releasing-Phase detektiert wurde, insbesondere während der, vorzugsweise gesamten, Releasing-Phase.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems erfolgt die Anpassung der Federsteifigkeit (K_K) gemäß: $$K_k=a{\delta }^d\left(k\right)+b\delta \left(k\right)+c,$$

  

  mit: $$b=\frac{E_{pot}\left(k\right)-\frac{a}{d+2}{\delta }^{d+2}\left(k\right)-\frac{c}{2}{\delta }^2\left(k\right)}{\frac{1}{3}{\delta }^3\left(k\right)},$$

  

  $$a=\frac{K\left(k\right)-c-\frac{3E_{pot}\left(k\right)}{{\delta }_k^2}-\frac{3c}{2}}{{\delta }_k^d\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)},$$

  

  und $$c=\frac{2\left(K_k-\frac{K_k-\frac{3E_{pot}{}_{\left(k\right)}}{{\delta }_k^2}}{\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)}-\frac{E_{pot.k}}{\frac{1}{3}{\delta }_k^2}+3\frac{K\left(k\right)-\frac{3E_{pot\left(k\right)}}{{\delta }_k^2}}{\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)\left(d+2\right)}\right)}{\frac{3}{\left(d-1\right)}-1-\frac{5}{\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)}},$$

  

  wobei:
• E_pot(k) die erfasste potentielle Energie zum Zeitschritt k, δ(k) die Federauslenkung zum Zeitschritt k, und d ein beliebiger Exponent ist. d ist insbesondere > 1.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems ergibt sich die erfasste potentielle Energie (E_pot) zu: $$E_{pot}\left(k\right)=E_{L2R}^1\left(k\right)+E_{R2L}^2\left(k\right)-E_{L2R}^2\left(k\right)-E_{R2L}^1\left(k\right),$$

  

  wobei:
• E_pot(k) die potentielle Energie zum Zeitschritt k,
• $E_{L2R}^1\left(k\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k von einer ersten Seite des Aktuatorsystem, insbesondere der Seite eines Benutzeraktuators, zu dem Aktuatorregler,
• $E_{R2L}^1\left(k\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler zu der ersten Seite,
• $E_{L2R}^2\left(k\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler zu einer zweiten Seite des Aktuatorsystem, insbesondere der Seite des Aktuators des Aktuatorsystem, und
• $E_{R2L}^2\left(k\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k von der zweiten Seite zum Aktuatorregler ist.
• „L2R“ bezeichnet die Energie (E) bzw. Leistung (P) „von-links-nach-rechts“ und „R2L“ die die Energie (E) bzw. Leistung (P) „von-rechts nach links“. Diese Bezeichnungen geben die entsprechenden Flussrichtungen an.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems gilt zumindest eins, insbesondere alle der folgenden:
• $E_{L2R}^1\left(k\right)$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{L2R}^1\left(k\right),$
  
  $E_{L2R}^2\left(k\right)$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{L2R}^2\left(k\right),$
  
  $E_{R2L}^1\left(k\right)$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{R2L}^1\left(k\right),$
  
  und
• $E_{R2L}^2\left(k\right)$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{R2L}^2\left(k\right),$
  
wobei:
• $P_{L2R}^1\left(k\right)$
  
  die Leistung zum Zeitschritt k von einer ersten Seite des Aktuatorsystems, insbesondere der Seite eines Benutzeraktuators, zu dem Aktuatorregler,
• $P_{R2L}^1\left(k\right)$
  
  die Leistung zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler zu der ersten Seite,
• $P_{L2R}^2\left(k\right)$
  
  die Leistung zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler zu einer zweiten Seite des Aktuatorsystems, insbesondere der Seite des Aktuators des Aktuatorsystems, und
• $P_{R2L}^2\left(k\right)$
  
  zum Zeitschritt k von der zweiten Seite zum Aktuatorregler ist. Die Leistung wird vorzugsweise ermittelt wird nach

P_i (k) = v_i(k)F_i(k) , mit der jeweiligen Geschwindigkeit v_i(k) und der jeweiligen Kraft F_i(k) gemäß der entsprechenden Flussrichtung, wobei die Leistung (P_i) nach Vorzeichen den Flussrichtungen zugewiesen wird, gem. L2R bzw. R2L. Bei der Geschwindigkeit v_i(k) handelt es sich insbesondere um die des jeweiligen Aktuators oder die Ableitung des Positionskommandos und bei der Kraft F_i(k) um die des Aktuatorreglers. Da P_i hier positiv definiert ist, werden insbesondere Leistungen mit negativen Vorzeichen einer Flussrichtung zugeordnet und dann als absolut Wert einbezogen, insbesondere also multipliziert mit -1.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems weist der Aktuator des Aktuatorsystems und/oder der Benutzeraktuator einen oder mehr als einen Freiheitsgrad aufweist.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 drei Graphen I.-III. zur Darstellung einer konstanten Federsteifigkeit in einem Aktuatorsystem,
• 2 drei Graphen I.-III. zur Darstellung einer variablen Federsteifigkeit in einem Aktuatorsystem,
• 3 drei Graphen I.-III. zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahrens zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem,
• 4a ein Graph zur Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahrens zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem,
• 5 ein Netzwerkdiagramm zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Aktuatorsystems,
• 6 ein Signalflussdiagramm in Anlehnung an die Ausführung aus 5, und
• 7a-7c Graphen zur Darstellung experimenteller Ergebnisse bei der Durchführung von Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem.
• 1 zeigt drei Graphen I.-III. zur Darstellung eines Regelungskonzepts, wobei eine konstanten Federsteifigkeit eines Aktuatorreglers vorliegt.
• Graph I. der 1 zeigt hierbei die Federsteifigkeit (dargestellt durch Kurve 26a) eines Aktuatorreglers während der Änderung der absoluten Federauslenkung 151, wobei während der Erhöhung der Federauslenkung bis δ_max und der anschließenden Absenkung eine konstante Federsteifigkeit K_des des Aktuatorreglers vorliegt. K_des entspricht hierbei insbesondere einer Wunschsteifigkeit.
• Bei konstanter Federsteifigkeit K_des, gem. , entspricht der am Aktuatorregler erfasste Energiewert E_pot, der insbesondere über den Leistungseintrag aus Geschwindigkeit multipliziert mit Kraft erfasst wird, der analytischen Energie $E_{an}=\frac{1}{2}K{\delta }^2$

  

  entspricht.
• Die Federsteifigkeit K_des dieser Ausführungsform sowie zumindest einer, insbesondere aller, hier gezeigten Ausführungsformen kann z. B. an eine über ein EMG und/oder Ultraschall an einem Bediener gemessen Federsteifigkeit angepasst werden. Vorzugsweise wird K_des über eine gemessene Federsteifigkeit eines Bedienerarm angepasst, entspricht dieser Federsteifigkeit insbesondere.
• Graph II. der 1 zeigt gemäß Graph I. den zeitlichen Verlauf der absoluten Federauslenkung |δ|.
• Graph III. der 1 zeigt gemäß Graph I. qualitativ den zeitlichen Verlauf des am Aktuatorregler erfassten Energiewert erfasste Energiewert E_pot(dargestellt durch Kurve 28a).
• Graphen I.-III. der 2 basieren auf Graphen I.-III. der 1, wobei jedoch im Gegensatz zur Ausführung aus 1 eine Anpassung der Federsteifigkeit vorliegt. Dargestellt ist eine Situation, in der während Erhöhung und Reduzierung der absoluten Federauslenkung |δ| ebenfalls die Federsteifigkeit K_des erhöht wird. Hierdurch kommt es dazu (siehe Bereich 24) die erfasste Energie negativ wird und das System nicht mehr passiv und/oder stabil ist.
• Graphen I.-III. der 3 basieren auf Graphen I.-III. der 2, wobei jedoch durch eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere mittels eines erfindungsgemäßen Aktuatorsystems 10, eine Anpassung der Federsteifigkeit erfolgt. Diese Anpassung der Federsteifigkeit (dargestellt durch Kurve 26b) sowie die entsprechend resultierende erfasste Energie (dargestellt durch Kurve 28b) sind in Graphen I. und III. der 3 gestrichelt dargestellt. Die Ausführung gem. Graphen I. und III. der 2 sind mit durchgezogener Linie gezeigt: Federsteifigkeit, dargestellt durch Kurve 26a, und erfasste Energie, dargestellt durch Kurve 28a.
• Dargestellt wird der Gradient der Federsteifigkeit, Federsteifigkeit K über δ, so angepasst, dass durch die angepasste, insbesondere limitierte Federsteifigkeit (K_lim) die gemessene Energie Epot positiv bleibt und das Aktuatorsystems somit passiv und/oder stabil ist.
• Die Anpassung des Gradienten kann auf verschiedene Weise geschehen. Der Gadient kann vorzugsweise einer linearen oder nichtlinearen Kurve folgen.
• Die Anpassung der Federsteifigkeit kann bspw. auch derart erfolgen, dass eine Federsteifigkeit (K_Zero)gewählt, insbesondere frei gewählt, wird. Bevorzugt sollte diese Federsteifigkeit (K_Zero), jedoch nicht zu niedrig sein, um eine finale Nihilierung der Federauslenkung durch den Aktuatorregler zu ermöglichen. K_Zero ist hierbei insbesondere eine Wunschsteifigkeit bei einer Federauslenkung von 0.
• 4 stellt an einem Graphen (basierend auf Graph I. der 1-3) eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die angepasste, insbesondere limitierte Federsteifigkeit (K_lim), ist erneut durch Kurve 26b dargestellt.
• K_Zero wurde hierbei gleich der Federsteifigkeit bei Beginn der Federauslenkung gewählt.
• Bei komplexen K_des-Verläufen (bspw. 4) ist es möglich, dass ein linearer Gradientenverlauf in der Releasing-Phase (δ̇̇ <0) zu einer sehr niedrigen oder sogar negativen Federsteifigkeit K führen würde. Bei nichtlinearem Gradientenverlauf andererseits könnte die minimale Federsteifigkeit (K_min) zu niedrig liegen. Möglich ist es bspw., dass in diesen Fällen, schon während der Pressing-Phase (wenn (δ̇ > 0) die Federsteifigkeit so begrenzt wird, dass - je nach gewähltem Gradientenverlauf - die limitierte Federsteifigkeit K_lim nicht zu klein wird bzw. K_min sich nicht zu sehr von K_Zero unterscheidet. Hierbei könnte z.B. das Prinzip der Just-Noticeable-Difference (JND) verwendet werden, welches berücksichtigt, welche Änderungen vom Menschen wahrnehmbar sind.
• Eine bevorzugt mögliche Gleichung zur Kurve für die Anpassung der Federsteifigkeit (KK) ist: $$K_k=a{\delta }^d\left(k\right)+b\delta \left(k\right)+c,$$

  

  mit: $$b=\frac{E_{pot}\left(k\right)-\frac{a}{d+2}{\delta }^{d+2}\left(k\right)-\frac{c}{2}{\delta }^2\left(k\right)}{\frac{1}{3}{\delta }^3\left(k\right)},$$

  

  $$a=\frac{K\left(k\right)-c-\frac{3E_{pot}\left(k\right)}{{\delta }_k^2}-\frac{3c}{2}}{{\delta }_k^d\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)},$$

  

  und $$c=\frac{2\left(K_k-\frac{K_k-\frac{3E_{pot}\left(k\right)}{{\delta }_k^2}}{\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)}-\frac{E_{pot}\left(k\right)}{\frac{1}{3}{\delta }_k^2}+3\frac{K\left(k\right)-\frac{3E_{pot}\left(k\right)}{{\delta }_k^2}}{\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)\left(d+2\right)}\right)}{\frac{3}{\left(d-1\right)}-1-\frac{5}{\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)}},$$

  

  wobei:
• E_pot(k) die erfasste potentielle Energie zum Zeitschritt k, δ(k) die Federauslenkung zum Zeitschritt k, und d ein beliebiger Exponent ist. d ist insbesondere > 1.
• Bevorzugt ist es, zur Umsetzung einer absoluten Robustheit, eine Totzone bei 151 = δ_min vorzusehen. Zudem ist empfohlen, die Detektion der Pushing- und Releasing-Phase zu filtern.
• 5 zeigt ein Netzwerkdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Aktuatorsystems 10.
• Das Aktuatorsystems 10 weist einen Aktuatorregler 14 mit einer Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit auf. Bei dem Aktuatorregler 14 kann es sich um einen virtuellen oder physischen Aktuatorregler, bspw. eine reale Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit handeln.
• Der Aktuatorregler 14 ist zur Übertragung von Positionskommandos ausgeführt. Über den ersten Port 11 (Port 1) ist der Aktuatorregler 14 mit einer ersten Seite 16 verbunden. Auf der ersten Seite 16 kann bspw. ein Benutzeraktuator für Eingaben angeordnet sein, der vorzugsweise signalübertragend mit dem Aktuatorregler 14 verbunden ist. Über den zweiten Port 12 (Port 2) ist der Aktuatorregler 14 mit einer zweiten Seite 18 verbunden. Auf der zweiten Seite 18 ist insbesondere ein Aktuator, vorzugsweise ein Roboteraktuator, angeordnet.
• „L2R“, dargestellt durch Pfeil 20, zeigt die Übertragung, insbesondere von Energie (E) bzw. Leistung (P) „von-links-nach-rechts“. „R2L“ dargestellt durch Pfeil 22, zeigt die Übertragung, insbesondere von Energie (E) bzw. Leistung (P) „vonrechts nach links“.
• Über die Multiplikation der Geschwindigkeit v_i(k) und der Kraft F_i(k) am Netzwerkport i, kann die Leistung P_i(k) am Port i berechnet werden. Über das Vorzeichen der Leistung P_i(k) = v_i(k)F_i(k) kann in jedem Zeitschritt k die Richtung des Leistungsflusses in L2R- oder R2L-Richtung bestimmt werden.
• Über eine zeitdiskrete Integration können aus den Leistungen die Energien bestimmt werden.
• Gemäß der Ausführung aus 1 ergibt sich hierbei der erfasste Energiewert, insbesondere die erfasste potentielle Energie, am Aktuatorregler 14 durch: $$E_{pot}\left(k\right)=E_{L2R}^1\left(k\right)+E_{R2L}^2\left(k\right)-E_{L2R}^2\left(k\right)-E_{R2L}^1\left(k\right),$$

  

  wobei:
• E_pot(k) die potentielle Energie zum Zeitschritt k,
• $E_{L2R}^1\left(k\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k von einer ersten Seite des Aktuatorsystems, insbesondere der Seite eines Benutzeraktuators, zu dem Aktuatorregler,
• $E_{R2L}^1\left(k\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler zu der ersten Seite,
• $E_{L2R}^2\left(k\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler zu einer zweiten Seite des Aktuatorsystems, insbesondere der Seite des Aktuators des Aktuatorsystem, und
• $E_{R2L}^2\left(k\right)$
  
  \ der Energiefluss zum Zeitschritt k von der zweiten Seite zum Aktuatorregler ist.
• Hierbei gilt insbesondere:
• $E_{L2R}^1\left(k\right)$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{L2R}^1\left(k\right),$
  
  und/oder
• $E_{L2R}^2\left(k\right)$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{L2R}^2\left(k\right),$
  
  und/oder
• $E_{R2L}^1\left(k\right)$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{R2L}^1\left(k\right),$
  
  und/oder
• $E_{R2L}^2\left(k\right)$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{R2L}^2\left(k\right).$
  
• Die Energie E_pot(k) entspricht insbesondere einem Energieeintrag in den Aktuatorregler 14. Alternativ oder zusätzlich kann in E_pot(k) auch eine dissipierte Energie des Aktuatorsystem berücksichtigt werde.
• Basierend auf diesem erfassten Energiewert wird die Federsteifigkeit K des Aktuatorreglers 14, insbesondere kontinuierlich, angepasst, vorzugsweise limitiert.
• In einer Totzone, bspw. |δ| = δ_min, ist es insbesondere vorgesehen, im Sinne des physikalischen Zusammenhangs die erfasste Energie Epot auf 0 (Null) zurückzusetzen. Zur selben Zeit ist es bevorzugt, auch K_lim auf K_des zurückgesetzt werden. Dies führt zu keinem Energieeintrag aufgrund der geringen Auslenkung δ.
• Alternativ oder zusätzlich zu der oben dargestellten Energieerfassung ist es ist auch möglich, zur Erfassung des Energiewerts, insbesondere E_pot, zusätzlich oder ausschließlich, die von einem Dämpfer im Aktuatorsystems 10 in der Zeit zwischen zwei solcher Resets (während einer Federauslenkung) dissipiert wurde, zu berücksichtigen.
• 6 zeigt ein Signalflussdiagramm gemäß der Ausführung aus 5, wobei jedoch die erste Seite 16 und die zweite Seite 18 hier nicht dargestellt sind. Diese Seiten 16, 18 können jedoch auch in 6 entsprechend umgesetzt werden.
• 7a-7c zeigen Graphen zur Darstellung experimenteller Ergebnisse bei der Durchführung von Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem.
• Dargestellt sind eine oder mehrere Federauslenkungen, welche aus den Positionen X_I eines Eingabegeräts eines Aktuatorsystems und den Positionen X_R eines Roboteraktuators des Aktuatorsystems resultieren. Die angepasste Federsteifigkeit K_meas wurde über ein EMG am Menschen gemessen, der das Eingabegerät verwendet. K_meas entspricht hierbei K_des gem. der obenstehenden Ausführungen.
• 7a zeigt Experiment 1, das den Stand der Technik darstellt, wobei eine aktive Situation ohne Passivitätsregelung dargestellt ist, wenn K_meas im System direkt wirkt, so dass die erfasste Energie $E_{pot}^{obs}$

  

  negativ wird. Die Bezeichnung $E_{pot}^{obs}$

  

  entspricht hierbei insbesondere dem bisher verwendeten Epot. Die analytische ermittelbare Energie hingegen ist mit $E_{pot}^{an}$

  

  dargestellt.
• 7b zeigt Experiment 2, das mittels einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wurde, wobei in der Situation aus 7a, also einer während der Federauslenkung zunehmenden Federsteifigkeit, das System passiv bleibt, wenn die Federsteifigkeit zu K_allow angepasst wird. K_allow entspricht hierbei K_lim gem. der obenstehenden Ausführungen.
• 7c zeigt Experiment 3, das mittels einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wurde, wobei auch bei fast konstanter Steifigkeit, K_allow angepasst werden muss, so dass das System passiv bleibt.
• Die in den 7b und 7c farbig dargestellten Linien können, insbesondere gem. 7a, schwarz-weiß und gestrichelt oder gepunktet dargestellt werden. Hierbei ist es bevorzugt: X_I, K_allow, $E_{pot}^{an}$

  

  gestrichelt schwarz; X_R, K_allow, $E_{pot}^{obs}$

  

  durchgezogen schwarz; und K_meas gepunktete schwarz darzustellen. Die grünen Bereiche werden insbesondere farblos dargestellt (vgl. dritter senkrechter Bereich von links in 7a).

Claims (13)

1. Aktuatorsystem (10), insbesondere Roboteraktuatorsystem, mit einem Aktuator, insbesondere zur Ausführung einer Bewegung vorgegeben durch ein Positionskommando, und einem, insbesondere virtuellen, Aktuatorregler (14) mit einer Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit zur Übertragung einer Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Kraft zur Steuerung des Aktuators, wobei der Aktuatorregler (14) ausgebildet ist zur Anpassung der Federsteifigkeit, anhand eines am Aktuatorreglers (14) erfassten Energiewerts einer potentiellen Energie und/oder einer dissipierten Energie des Aktuatorsystem (10), und wobei die Federsteifigkeit während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst wird.
2. Aktuatorsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuatorregler zur Limitierung der Federsteifigkeit, ausgeführt ist.
3. Verfahren zur Steifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem (10), insbesondere in einem Aktuatorsystem (10) nach einem der Ansprüche 1-2, mit den Schritten: - Erfassung eines Energiewerts einer potentiellen Energie und/oder einer dissipierten Energie des Aktuatorsystems (10), und - Anpassung einer Federsteifigkeit eines, insbesondere virtuellen, Aktuatorreglers (14) mit einer Feder des Aktuatorsystems (10) anhand des erfassten Energiewerts, wobei die Federsteifigkeit, insbesondere der Verlauf der Federsteifigkeit, während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anpassung eine Limitierung der Federsteifigkeit erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorsystem eine anpassbarer, physische und/oder virtuelle, Federsteifigkeit aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Federsteifigkeit während der Verringerung der Auslenkung der Feder und/oder während der Erhöhung der Auslenkung der Feder erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Energiewert bei einer minimalen Auslenkung der Feder, insbesondere einer Auslenkung von 0, zurückgesetzt wird, insbesondere auf den Wert 0.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit der Feder bei einer minimalen Auslenkung der Feder, insbesondere einer Auslenkung von 0, auf einen vordefinierten Basissteifigkeit geändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basissteifigkeit festgelegt wird anhand der, insbesondere mittels EMG und/oder Ultraschall erfassten, Steifigkeit eines Körperteils eines Bedieners des Aktuatorsystems (10).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Federsteifigkeit, über eine lineare oder eine nichtlineare Funktion erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Federsteifigkeit (K_k) erfolgt gemäß: $$K_k=a{\delta }^d\left(k\right)+b\delta \left(k\right)+c,$$

    

    mit: $$b=\frac{E_{pot}\left(k\right)-\frac{a}{d+2}{\delta }^{d+2}\left(k\right)-\frac{c}{2}{\delta }^2\left(k\right)}{\frac{1}{3}{\delta }^3\left(k\right)},$$

    

    $$a=\frac{K\left(k\right)-c-\frac{3E_{pot}\left(k\right)}{{\delta }_k^2}-\frac{3c}{2}}{{\delta }_k^d\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)},$$

    

    und $$c=\frac{2\left(K_k-\frac{K_k-\frac{3E_{pot}\left(k\right)}{{\delta }_k^2}}{\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)}-\frac{E_{pot}\left(k\right)}{\frac{1}{3}{\delta }_k^2}+3\frac{K\left(k\right)-\frac{3E_{pot}\left(k\right)}{{\delta }_k^2}}{\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)\left(d+2\right)}\right)}{\frac{3}{\left(d-1\right)}-1-\frac{5}{\left(1-\frac{3}{\left(d+2\right)}\right)}},$$

    

    wobei: E_pot(k) die erfasste potentielle Energie zum Zeitschritt k, δ(k) die Federausklenkung zum Zeitschritt k, und d ein beliebiger Exponent ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erfasste potentielle Energie ergibt zu: $$E_{pot}\left(k\right)=E_{L2R}^1\left(k\right)+E_{R2L}^2\left(k\right)-E_{L2R}^2\left(k\right)-E_{R2L}^1\left(k\right),$$

    

    wobei: E_pot(k) die potentielle Energie zum Zeitschritt k, $E_{L2R}^1\left(k\right)$

    

    der Energiefluss zum Zeitschritt k von einer ersten Seite (16) des Aktuatorsystem (10), insbesondere der Seite eines Benutzeraktuators, zu dem Aktuatorregler (14), $E_{R2L}^1\left(k\right)$

    

    \ der Energiefluss zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler (14) zu der ersten Seite (16), $E_{L2R}^2\left(k\right)$

    

    der Energiefluss zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler (14) zu einer zweiten Seite (18) des Aktuatorsystem (10), insbesondere der Seite des Aktuators des Aktuatorsystem (10), und $E_{R2L}^2\left(k\right)$

    

    \ der Energiefluss zum Zeitschritt k von der zweiten Seite (18) zum Aktuatorregler (14) ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eines, insbesondere alle der folgenden gelten: $E_{L2R}^1\left(k\right)$

    

    ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{L2R}^1\left(k\right),$

    

    $E_{L2R}^2\left(k\right)$

    

    ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{L2R}^2\left(k\right),E_{R2L}^1\left(k\right)$

    

    ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $$P_{R2L}^1\left(k\right),$$

    

    und $$P_{R2L}^2\left(k\right),$$

    

    ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{R2L}^1\left(k\right),$

    

    wobei: $P_{L2R}^1\left(k\right)$

    

    die Leistung zum Zeitschritt k von einer ersten Seite (16) des Aktuatorsystem (10), insbesondere der Seite eines Benutzeraktuators, zu dem Aktuatorregler, $P_{R2L}^1\left(k\right)$

    

    die Leistung zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler (14) zu der ersten Seite (16), $P_{L2R}^2\left(k\right)$

    

    Leistung zum Zeitschritt k vom Aktuatorregler (14) zu einer zweiten Seite (18) des Aktuatorsystem, insbesondere der Seite des Aktuators des Aktuatorsystem, und $P_{R2L}^2\left(k\right)$

    

    zum Zeitschritt k von der zweiten Seite (18) zum Aktuatorregler (14) ist; wobei die Leistung vorzugsweise ermittelt wird nach P_i(k) = v_i(k)F_i(k) mit der jeweiligen Geschwindigkeit v_i(k) und der jeweiligen Kraft F_i(k) gemäß der entsprechenden Flussrichtung, und wobei insbesondere P_i gemäß dem Vorzeichen der entsprechenden Flussrichtung zugeordnet wird und sodann die Leistungen im Absolutwert berücksichtigt werden und somit positiv definiert sind.

Images