DE102022107130B4

DE102022107130B4 - Verfahren zur Stabilisierung eines haptischen Teleoperationssystems mit benutzerdefiniertem Haptik-Feedback-Regler

Info

Publication number: DE102022107130B4
Application number: DE102022107130.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Panzirsch; Ribin Radhakrishna Balachandran
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2023-02-23
Anticipated expiration: 2042-03-26
Also published as: DE102022107130A1

Abstract

Verfahren zur Stabilisierung eines haptischen Teleoperationssystems mit einem benutzerdefinierten Haptik-Feedback-Regler,- wobei das System aufweist- eine mit einer Haptik-Feedback-Regelung versehene Master-Vorrichtung mit einem mit einer Kraft Fhund einer Geschwindigkeit Vdmanuell bewegbaren Betätigungselement und- eine Slave-Vorrichtung mit einem Manipulator,- wobei die Master-Vorrichtung zur Steuerung der Slave-Vorrichtung über einen bidirektionalen Kommunikationskanal, bei dem bei der Übertragung von Kommunikationssignalen eine potenzielle Verzögerung besteht, in Kommunikationsverbindung steht,- wobei die Interaktionskraft Fhund die Geschwindigkeit Vd, mit denen das Betätigungselement manuell bewegt wird, ermittelt wird und- wobei die Haptik-Feedback-Regelung eine Feedback-Kraft Ffzur Einwirkung auf das Betätigungselement bereitstellt,- wobei bei dem Verfahren- zwischen der Master-Vorrichtung und der Slave-Vorrichtung eine passive Force-Feedback-Kopplung realisiert wird, bei der ein eine passive Kraft Fcrepräsentierendes Signal über den Kommunikationskanal an die Master-Vorrichtung gesendet, wobei diese Kraft auf das Betätigungselement der Master-Vorrichtung ausgeübt wird,- auf das Betätigungselement der Master-Vorrichtung eine Kraft Fpcrausgeübt wird, die- gleich der passiven Kraft Fcist, wenn der Absolutwert der passiven Kraft Fckleiner als der oder gleich dem Absolutwert der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft Ffist und die manuell in das Betätigungselement eingebrachte Leistung oder Energie als Produkt aus der Interaktionskraft Fhund der Geschwindigkeit Vdnegativ ist, oder- gleich der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft Ffist, wenn der Absolutwert der passiven Kraft Fcgrößer als der Absolutwert der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft Ffist und die manuell in das Betätigungselement eingebrachte Leistung oder Energie als Produkt aus der Interaktionskraft Fhund der Geschwindigkeit Vdnegativ ist, oder- gleich der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft Ffist, wenn die manuell in das Betätigungselement eingebrachte Leistung oder Energie als Produkt aus der Interaktionskraft Fhund der Geschwindigkeit Vdpositiv ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines haptischen Teleoperationssystems mit benutzerdefiniertem Haptik-Feedback-Regler.
Bei einem herkömmlichen Teleoperationssystem/Haptiksystem (wie in 1 dargestellt) bewegt ein menschlicher Bediener eine haptische Vorrichtung, die virtuell mit einem ferngesteuerten Roboter gekoppelt ist, welcher aufgrund der virtuellen Kopplung der Position der haptischen Vorrichtung folgt. Die Interaktion (falls vorhanden) zwischen dem ferngesteuerten Roboter und seiner Umgebung wird vom Bediener aufgrund des Force-Feedbacks durch die haptische Vorrichtung wahrgenommen. Die Feedback-Kräfte werden von dem Feedback-Regler geregelt. Im Fall einer so genannten Haptik-Anwendung können sich der ferngesteuerte Roboter und die Umgebung in einer virtuellen Welt befinden. Es könnte zu Verzögerungen im Kommunikationskanal kommen, der zur Übertragung von Informationen zwischen der Seite der haptischen Vorrichtung und der Seite des ferngesteuerten Roboters oder der virtuellen Welt verwendet wird.
In solchen Fällen ist die Sicherstellung der Stabilität des gesamten Systems mit der Force-Feedback-Schleife eine Notwendigkeit, um die Sicherheit des menschlichen Bedieners, der haptischen Vorrichtung, des ferngesteuerten Roboters und der vom Roboter gehandhabten Objekte zu gewährleisten. Stabilität ist eines der Leistungskriterien für ein gutes Teleoperationssystem.
Ein weiteres Kriterium ist Transparenz. Die Transparenz ist ein Maß dafür, wie gut der Bediener wahrnimmt, dass er direkt mit den Objekten in den Umgebungen des ferngesteuerten Roboters interagiert. Für ein System mit hoher Transparenz sollte der ferngesteuerte Roboter der Position der haptischen Vorrichtung perfekt folgen und der Bediener sollte die Kräfte der Interaktion zwischen dem ferngesteuerten Roboter und seiner Umgebung korrekt wahrnehmen können. Das Ziel eines jeden Regelungstechnikers im Forschungsbereich Teleoperation ist es, Stabilität zu gewährleisten und die bestmögliche Transparenz zu haben. Stabilität ist also eine Notwendigkeit, während Transparenz ein Leistungskriterium ist, das als Kompromiss für das Erreichen von Stabilität reduziert werden kann. Um die Transparenz von Teleoperationssystemen zu verbessern, können Feedback-Kräfte modifiziert werden. Der Nachweis der Stabilität und, viel wichtiger, die Gewährleistung der Stabilität in der echten Hardware für den praktischen Einsatz kann in vielen Fällen schwierig sein, insbesondere bei Zeitverzögerungen im Kommunikationskanal.
Der Stabilitätsbeweis in Systemen mit Zeitverzögerung ist für manche Force-Feedback Regelungsarchitekturen vergleichsweise einfach. Solche Standard-Regelungsarchitekturen sind

• positionsberechnetes Force-Feedback (Positionssignal wird von der haptischen Vorrichtung an den Roboter gesendet und die Kräfte der virtuellen Regelung werden als Feedback zurückgesendet), [1]
• Position-Position-Architektur (Positionssignale werden in beide Richtungen gesendet und es gibt auf jeder Seite lokale Regler, die sicherstellen, dass die haptische Vorrichtung und der Roboter einander folgen). [2]

Um diese Verfahren stabil zu machen, existieren bereits verschiedene Verfahren wie

• Wave Variable Transformation (WVT) [3]
• Energy Tanks (ET) [4]
• Time Domain Passivity Approach (TDPA) [5]
• Force Bounding Approach (FBA) [6]
• Kraftbegrenzungsansatz für positionsgemessene Force-Architektur [7]
• modellbasierte Verfahren [8]

Dennoch lassen sich bestimmte Herausforderungen erkennen, mit denen die Teleoperationsgemeinschaft konfrontiert ist. Im Fall komplexerer Force-Feedback-Regler kann die Gewährleistung der Stabilität schwierig, aber nicht zwangsläufig unmöglich sein.

• Zur Anwendung modellbasierter Verfahren [8] kann ein erheblicher Zeitaufwand erforderlich sein, um den richtigen Kandidaten für eine Lyapunov-Funktion zu finden.
• Für modellfreie energiebasierte Verfahren wie TDPA [5] ist es möglicherweise nicht einfach, das richtige 2-Port-Netzwerk für die Energieflussanalyse zu finden [9].
• Für Force-Bounding-Ansätze [6] wird die Kenntnis oder Schätzung der Systemparameter benötigt. Werden diese falsch geschätzt, kann dies die Systemleistung beeinträchtigen.

Im Stand der Technik sind ferner die in DE 10 2020 113 409 A1 , DE 20 2019 001 448 U1 , EP 3 538 328 B1 und EP 3 067 162 B1 beschriebenen Teleoperationssysteme bekannt.
Zweck der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen eines neuartigen Verfahrens zur Stabilisierung von Feedback-Reglern nach Wahl des Anwenders bei zeitverzögerter Teleoperation zur Erhöhung der Transparenz unter Beibehaltung der Stabilität.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren zur Stabilisierung eines haptischen Teleoperationssystems mit einem benutzerdefinierten Haptik-Feedback-Regler vor,

- wobei das System aufweist
- - eine mit einer Haptik-Feedback-Regelung versehene Master-Vorrichtung mit einem mit einer Kraft F_h und einer Geschwindigkeit V_d manuell bewegbaren Betätigungselement und
- - eine Slave-Vorrichtung mit einem Manipulator,
- - wobei die Master-Vorrichtung zur Steuerung der Slave-Vorrichtung über einen bidirektionalen Kommunikationskanal, bei dem bei der Übertragung von Kommunikationssignalen eine potenzielle Verzögerung besteht, in Kommunikationsverbindung steht,
- - wobei die Interaktionskraft Fh und die Geschwindigkeit Vd, mit denen das Betätigungselement manuell bewegt wird, ermittelt wird und
- - wobei die Haptik-Feedback-Regelung eine Feedback-Kraft Ff zur Einwirkung auf das Betätigungselement bereitstellt,
- wobei bei dem Verfahren
- - zwischen der Master-Vorrichtung und der Slave-Vorrichtung eine passive Force-Feedback-Kopplung realisiert wird, bei der ein eine passive Kraft Fc repräsentierendes Signal über den Kommunikationskanal an die Master-Vorrichtung gesendet, wobei diese Kraft auf das Betätigungselement der Master-Vorrichtung ausgeübt wird,
- - auf das Betätigungselement der Master-Vorrichtung eine Kraft Fpcr ausgeübt wird, die
- - gleich der passiven Kraft Fc ist, wenn der Absolutwert der passiven Kraft Fc kleiner als der oder gleich dem Absolutwert der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft Ff ist und die manuell in das Betätigungselement eingebrachte Leistung oder Energie als Produkt aus der Interaktionskraft Fh und der Geschwindigkeit Vd negativ ist, oder
- - gleich der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft Ff ist, wenn der Absolutwert der passiven Kraft Fc größer als der Absolutwert der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft Ff ist und die manuell in das Betätigungselement eingebrachte Leistung oder Energie als Produkt aus der Interaktionskraft Fh und der Geschwindigkeit Vd negativ ist, oder
- - gleich der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft Ff ist, wenn die manuell in das Betätigungselement eingebrachte Leistung oder Energie als Produkt aus der Interaktionskraft Fh und der Geschwindigkeit Vd positiv ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die gemäß den zuvor definierten Bedingungen gegebene Modifikation der Kraft F_pcr mit einer so geringen Frequenz, dass die Anwendung von elektronischen Dämpfungsmaßnahmen zur Reduzierung der Ausgangskraft vermieden werden kann. Dies hängt von der Wahl des Verfahrens ab, welches für die Realisierung der passiven Force-Feedback-Kopplung eingesetzt wird. Insoweit geeignet ist zum Beispiel das Verfahren aus [3].
Die Erfindung betrifft den Einsatz einer passiven Kopplungsreferenz (PCR), d. h. den Einsatz eines Verfahrens zur passiven Force-Feedback-Kopplung, welche zur Stabilisierung von nicht standardisierten, d.h. benutzerdefinierten und insoweit beliebigen, eine Feedback-Kraft F_f bereitstellenden Feedback-Reglern zur Erhöhung der Transparenz aber auch zur Beibehaltung der Stabilität verwendet wird. Dies geschieht durch Begrenzung der Feedback-Kräfte gemäß einer Kopplungsreferenzkraft, die durch eine Standardarchitektur erzeugt wird.
Dies geschieht durch die Begrenzung der dem Bedienelement auf Grund einer Standardarchitektur, nämlich auf Grund des benutzerdefinierten Feedback-Reglers, rückgemeldeten Kräfte auf eine passive Kopplungsreferenzkraft.
Wichtige Eigenschaften der Erfindung sind:

• Jede beliebige benutzerdefinierte Feedback-Regelung kann stabilisiert werden.
• Jedes beliebige Verfahren zur passiven Force-Feedback-Regelung kann zur Stabilisierung verwendet werden.
• Das Verfahren ist modellfrei. Es müssen keine Systemparameter wie Reibung geschätzt werden.
• Das Verfahren hängt nur von messbaren Variablen ab.
• Im Gegensatz zu den auf Lyapunov-Funktionen basierenden Stabilitätsverfahren gewährleistet die PCR auch Stabilität für aktive Umgebungen. In den Speicherfunktionen der Lyapunov-Stabilität wird der aus aktiven Umgebungen resultierende Leistungs- oder Energieeingang oft vernachlässigt. Das heißt, es ist nicht zulässig, dass die Umgebung Energie in das System einspeist. Dies ist bei der PCR nicht der Fall. Obwohl es Verfahren gibt, die auf Lyapunov-Funktionen für Stabilität (mit aktiven Umgebungen) basieren, kann es eine Herausforderung sein, die optimale Lösung zu finden.

Im Vergleich zu [7] bestehen folgende Unterschiede:

1. PCR kann auf beliebige Feedback-Regler angewendet werden. [7] wurde nur für gemessenes Force-Feedback entwickelt, was die Leistung erheblich verbessern kann, wie in den Experimenten gezeigt wurde.
2. [7] verwendet Dämpfungsinjektion, was die Leistung aufgrund von hochfrequenten Kraftschwankungen beeinträchtigt. PCR begrenzt die Kräfte, wodurch die Leistung verbessert wird.
3. In [7] wurde der Kommunikationskanal auf eine konservativere Weise berücksichtigt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Im Einzelnen zeigen dabei schematisch:

1 Ein Teleoperationssystem/Haptiksystem,
2 ein System S mit Eingang u, Zustand x, und Ausgang y,
3 ein Zweimassenmodell des Teleoperationssystems/Haptiksystems mit Feder-Dämpfer-Kopplung,
4 eine Darstellung des Teleoperationssystems,
5 eine Darstellung des Teleoperationssystems aufgeteilt in äquivalente Ketten,
6 eine Darstellung des Teleoperationssystems mit Blackbox am Feedback-Regler der haptischen Vorrichtung,
7 eine Darstellung eines benutzerdefinierten (und insoweit beliebigen) Feedback-Reglers mit erfindungsgemäßer PCR,
8 eine Detaildarstellung des mittleren Teils der 7,
9 eine Darstellung von Teleoperation mit Verzögerungen,
10 PCR in zeitverzögerter Teleoperation unter Verwendung bereits vorhandener Passivitätswerkzeuge,
11 ein Teleoperationssystem mit passiver P-Fc-Architektur,
12 ein Teleoperationssystem mit P-Fm-Feedback, PCR mit P-Fc-Architektur,
13 ein Teleoperationssystem mit explizitem Feedback-Regler-Feedback, PCR mit P-Fc-Architektur und
14a bis 14c Vergleiche der Force-Feedback-Leistung mit P-Fc (11), P-Fe (12) und P-EFC (13).

In den folgenden Abschnitten werden der Stand der Technik, die Nachteile der bestehenden Verfahren und Gründe, warum das vorgeschlagene Verfahren im Vergleich zu den bestehenden Verfahren erhebliche Vorteile aufweist, erläutert.
Definition von finite-gain L2 stability (theoretischer Hintergrund)
Um den theoretischen Hintergrund zu erläutern, kann mit der Definition der finite-gain L2 stability für ein dynamisches System mit Eingang u, Zustand x und Ausgang y begonnen werden, wie in 2 dargestellt.
Das System f(0,0) =h(0,0) =0 ist output strictly passive und finite-gain L2 stable, wenn es eine positive semidefinite Funktion S gibt, für deren zeitliche Ableitung Folgendes gilt: $\dot{S} - u^{T} y \leq - δ y^{T} y, δ > 0.$
Finite-gain L2 stability bedeutet, dass der Ausgang für jede begrenzte Eingabe begrenzt ist.
Physikalische Darstellung des Teleoperationssystems
Es wird ein physikalisches Analogon des Teleoperationssystems (aus 1) betrachtet, das durch zwei Massen M_d und M_r für die haptische Vorrichtung bzw. den ferngesteuerten Roboter dargestellt ist, wie in 3 gezeigt. Die Reibungen für die haptische Vorrichtung und den Roboter sind D_d bzw. D_r. Der menschliche Bediener übt eine Kraft F_h aus und die Interaktion von Roboter und Umgebung erzeugt eine Kraft F_e. Die beiden Massen sind durch eine Feder-Dämpfer-Kopplung mit der Federsteifigkeit K_p und der Dämpfung K_d verbunden. Es wird angenommen, dass die Kräfte der Kopplung, die auf die haptische Vorrichtung und den Roboter wirken, F_c und F_r sind.
Die Vorrichtung und der Roboter bewegen sich mit den Geschwindigkeiten V_d bzw. V_r, deren dynamischen Gleichungen gegeben sind durch: $M_{d} {\dot{V}}_{d} = F_{h} - F_{c} - D_{d} V_{d}, and M_{r} {\dot{V}}_{r} = F_{r} - F_{e} - D_{r} V_{r},$
Die auf den Roboter wirkende Kraft aus der Kopplung ist: $F_{r} = K_{p} (X_{d} - X_{r}) + K_{d} (V_{d} - V_{r}) .$
Um die finite-gain L2 stability dieses Systems zu zeigen, wird die Summe aus kinetischer und potenzieller Energie dieses Systems betrachtet: $S_{F_{e}} = \frac{1}{2} M_{d} V_{d}^{2} + \frac{1}{2} M_{r} V_{r}^{2} + \frac{1}{2} K_{p} {(X_{d} - X_{r})}^{2} .$
Wenn man die zeitliche Ableitung dieser Funktion nimmt und die Gleichungen (1) und (2) verwendet, erhält man: $\begin{matrix} {\dot{S}}_{F_{e}} = M_{d} V_{d} {\dot{V}}_{d} + M_{r} V_{r} {\dot{V}}_{r} + K_{p} (X_{d} - X_{r}) (V_{d} - V_{r}), \\ = V_{d} (F_{h} - F_{c} - D_{d} V_{d}) + V_{r} (F_{r} F_{e} - D_{r} V_{r}) \\ + (F_{r} - K_{d} (V_{d} - V_{r})) (V_{d} - V_{r}), \\ = V_{d} F_{h} - V_{r} F_{e} - D_{d} V_{d}^{2} - K_{d} {(V_{d} - V_{r})}^{2} \\ - V_{d} (F_{e} - F_{r}) \end{matrix}$
Dieses System ist output strictly passive und finite-gain L2 stable für Eingang (Fh,Fe) und Ausgänge (Vd,Vr), wenn F_c=F_r. Wie man sich vorstellen kann, sind zwei Massen, die durch eine Feder und einen Dämpfer verbunden sind, stabil, da so die gleiche Kraft auf beide Massen wirkt. Es kann erwartet werden, dass diese Idee in der Lage ist, einen beliebigen benutzerdefinierten Feedback-Regler für haptische Vorrichtungen bereitzustellen.
Darstellung des Teleoperationssystems
Die Darstellung der physikalischen Zweimassen-Teleoperationsdarstellung (aus 3) ist in 4 gezeigt.
Es ist zweckmäßig, das physikalische System als Port darzustellen, um die leistungsabhängigen Variablen für jeden der Ports zu identifizieren. Die mechanische Leistung eines Ports ist das Produkt seiner leistungsabhängigen Variablen. Zum Beispiel ist die Leistung, die von der haptischen Vorrichtung in den Kopplungsport eintritt F_c*V_d und der Leistungsfluss zwischen der Kopplung und dem Roboter ist Fr*Vr. Wie in Gleichung (4) gezeigt, ist das System, wenn Fc=Fr, OSP und finite-gain L2 stable.
Nun kann dieser elektrische Kreis in 2 separate elektrische Kreise aufgeteilt werden, ohne den Leistungsfluss zu beeinträchtigen. Diese Aufspaltung ist in 5 gezeigt. Es ist zu beachten, dass der Leistungsfluss zur Kopplung in der Nähe der haptischen Vorrichtung immer noch F_c*V_d ist und die Leistung in die Kopplung für den Roboter Fr*Vr ist. Das bedeutet, dass der elektrische Kreismit einem einzigen Port den beiden elektrischen Kreisen in 5 entspricht. Weitere Details hierzu können dem beigefügten Manuskript entnommen werden.
Es wird nun angenommen, dass die Kopplung auf der Seite der haptischen Vorrichtung durch eine Blackbox ersetzt wird, die einen beliebigen benutzerdefinierten Feedback-Regler zur Bereitstellung der Feedback-Kraft Ff an die haptische Vorrichtung haben kann. Dies ist in 6 dargestellt.
Es kann gezeigt werden, dass, wenn die von der Blackbox bereitgestellte Feedback-Kraft durch die Kraft Fc begrenzt ist, das System output strictly passive und finite gain L2 stable ist.
Passive Kopplungsreferenz (PCR)
Dies ist das Hauptmerkmal der Erfindung. Es kann gezeigt werden, dass das Gesamtsystem output strictly passive und finite gain L2 stable ist, wenn die von der Blackbox, d. h. einem beliebigen Feedback-Regler, erzeugte Kraft entsprechend der folgenden Gleichung begrenzt wird: $F_{p c r} = {\begin{array}{l} F_{ƒ} & if F_{h} V_{d} > 0, \\ F_{ƒ} & if | F_{c} | > | F_{ƒ} | and F_{h} V_{d} < 0, \\ F_{c} & if | F_{c} | \leq | F_{ƒ} | and F_{h} V_{d} < 0. \end{array}$
Ein System mit PCR-Block und modifizierter Kraft F_pcr ist in 7 gezeigt.
8 zeigt eine Detaildarstellung des Blocks PCR der 7 und der beiderseits dieses Blocks angedeuteten Komponenten.
Der Bediener übt eine Kraft F_h auf die (haptische) Master-Vorrichtung aus, die mittels eines Kraft-Drehmoment-Sensors (FTS) an der Schnittstelle zwischen dem Bediener und der haptischen Vorrichtung gemessen werden kann. Die Geschwindigkeit, mit der das Betätigungselement der Master-Vorrichtung manuell bewegt wird, ist V_d und ist bedingt durch die auf die Vorrichtung wirkenden Kräfte (physische Interaktionskraft F_h des Bedieners und die von der Steuerung vorgegebene virtuelle Kraft F_pcr). Die von dem Bediener auf die Master-Vorrichtung ausgeübte Kraft wird mittels des FTS an der Vorrichtung selbst gemessen, und die Geschwindigkeit, mit der sich die Master-Vorrichtung bewegt, wird mittels Positionsgebern in der Vorrichtung gemessen. Der Leistungsfluss zwischen dem Bediener und der Master-Vorrichtung ist F_hV_d. Dies wird durch das Signalflussdiagramm in 8 veranschaulicht.
Gemäß der Erfindung wird eine passive Kopplung zwischen der Master-Vorrichtung und der Slave-Vorrichtung z. B. durch eine passive Force-Feedback-Kopplung realisiert, bei der eine passive Kraft F_c an die Master-Vorrichtung gesendet wird, wobei das Leistungs- oder Energieverhalten dieser Kopplung als ein passives Referenzverhalten betrachtet werden kann. Hier eignen sich grundsätzlich mehrere Verfahren zur passiven Force-Feedback-Kopplung. Die (beliebige) Feedback-Kraft F_f, die von dem benutzerdefinierten (und in dieser Hinsicht beliebigen) Feedback-Regler erzeugt wird, wird dann so begrenzt, dass sie kleiner als der oder gleich dem Energie- und/oder Leistungsausgang der passiven Referenzkupplung ist.
Die Feedback-Kraft F_f ist die Kraft, die von dem benutzerdefinierten (und insoweit beliebigen) Feedback-Regler erzeugt wird. F_c ist die passive Kraft der Kopplungsreferenz. Von diesen zwei Kräften wird nur eine Kraft von dem PCR-Algorithmus ausgewählt. Diese Kraft, die auf das Betätigungselement der Master-Vorrichtung durch den Feedback-Regler gegeben wird, ist F_pcr, die entweder als F_c (passive Kopplungskraft) oder als F_f (Feedback-Kraft des Feedback-Reglers) durch das Auswahlkriterium bzw. den Algorithmus auf der Grundlage der Leistung, d.h. auf der Grundlage des Produkts aus F_h und V_d gewählt wird. Der Bediener muss nicht wissen (oder lernen), welche Feedback-Kraft angewendet wird. Der Bediener spürt dies als haptisches Feedback aufgrund der Feedback-Kraft F_pcr. Dies ist auch als Signalflussdiagramm in 8 dargestellt.
Verallgemeinerungen:

1. Es ist zu beachten, dass die Idee verallgemeinert werden kann, indem Fh durch Ff ersetzt wird, wenn kein Kraftsensor zur Messung von Fh vorhanden ist.
2. Der Mensch und die haptische Vorrichtung können beliebige Agenten sein (z. B. ein autonomes System mit Trajektoriengenerator) wie in [10].
3. Anstelle der Kraftbegrenzung kann auch eine Begrenzung des Leistungs- oder des Energieausgangs des Feedback-Reglers basierend auf der Passivität aus der Referenzkopplung berücksichtigt werden.
4. Der beliebige Feedback-Regler kann auch Feedback-Kräfte von künstlichen Agenten haben, wie im Fall von shared control.

Teleoperationssystem/Haptisches System mit Verzögerung
Im Folgenden wird gezeigt, wie Teleoperationssysteme mit Verzögerung als output strictly passive und finite-gain L2 stable nachgewiesen werden können. Dazu wird die Darstellung in 8 betrachtet. In dem Teleoperationssystem gibt es Verzögerungen zwischen der haptischen Vorrichtung und dem ferngesteuerten Roboter. Tf und Tb stellen die Verzögerungen im Vorwärts- und Rückwärtspfad dar. Wichtig ist nun, dass die Passivität dieses Teleoperationssystems gewährleistet wird. Wenn die Passivität des Teleoperationssystems beibehalten werden kann, stellen die restlichen Komponenten die L2 gain stability sicher.
Das Teleoperationssystem mit Verzögerung und stabilisiert durch PCR ist in 9 dargestellt.
Es wird gezeigt, wie die PCR mit einem beliebigen Feedback-Regler unter Verwendung eines Standard-Passivreglers wie z. B. dem in [1] als Referenz implementiert werden kann. Die grundlegende Architektur ist in 10 dargestellt. Die P-Fc-Architektur erzeugt eine passive Kraft Fp, die an die haptische Vorrichtung befohlen wird. Es ist zu beachten, dass, obwohl die P-Fc-Architektur zur Vorstellung der Idee verwendet wurde, auch andere Verfahren wie P-P verwendet werden können, wie im Manuskript gezeigt wird.
Position-Measured-Force-Architektur
Hier ist die gewünschte Feedback-Kraft Ff die Umgebungsinteraktionskraft Fe, die an die haptische Vorrichtung gesendet wird (11). Die Kraft Fe' ist die verzögerte Umgebungskraft Fe. Um dieses System OSP und finite-gain L2 stable zu machen, verwendet PCR die passive Kraft Fp, die von der in 10 dargestellten Referenzarchitektur erzeugt wird. Es ist zu beachten, dass der grüne Block aus 10 direkt in 11 verwendet wird, um das P-Fe-Feedback stabil zu machen.
Position-Explicit-Force-Controller-Architektur (P-EFC)
Hier wird die gewünschte Feedback-Kraft Ff durch den expliziten Kraftregler auf der Seite der haptischen Vorrichtung erzeugt, um die menschliche Kraft Fh mit Fe' gleichzusetzen (12). Um dieses System OSP und finite-gain L2 stable zu machen, verwendet PCR die passive Kraft Fp, die von der in 10 dargestellten bestehenden Architektur erzeugt wird. Es ist erneut zu beachten, dass der grüne Block aus 10 direkt in 12 verwendet wird, um die P-EFC-Architektur stabil zu machen.
Die Experimente wurden für drei verschiedene Verzögerungen (0, 200, 600 Millisekunden) zwischen der haptischen Vorrichtung und dem ferngesteuerten Roboter durchgeführt und die Leistungen wurden für drei verschiedene Steifigkeiten verglichen. 13 zeigt die Position und die Kräfte der haptischen Vorrichtung und des Roboters für mittlere Steifigkeit und 200 Millisekunden Verzögerung.
Es ist anzumerken, dass die Leistung bei P-EFC am besten ist, da der Mensch bei der freien Bewegung des ferngesteuerten Roboters nur sehr geringe Kräfte spürt und der Mensch bei Kontakten fast die gleichen Kräfte wie der Roboter spürt. Dies zeigt eine hohe Transparenz. Erst mit der erfindungsgemäßen PCR-Kraftbegrenzung wird das System stabil.
Die Erfindung kann für alle Arten von Telepräsenz-/Teleoperation-/Telerobotik-/Haptik-Systemen oder -Schnittstellen angewendet und implementiert werden, um die Sicherheit des menschlichen Bedieners sicherzustellen. Mögliche Anwendungsgebiete sind:

• Wartung & Reparatur in nuklearen Umgebungen
• Wartung & Reparatur in Erdölanlagen
• Wartung und Reparatur in der chemischen Industrie
• minimal-invasive Chirurgie und Telemedizin
• Wartung von Satelliten in der Umlaufbahn und Beseitigung von Weltraummüll
• virtuelle Montage auf Basis haptischer Vorrichtungen in z. B. der Automobil- oder Flugzeugindustrie
• virtuelles Training auf Basis von haptischen Vorrichtungen
• Gesundheitswesen und Heimrobotik
• Suche und Rettung in Katastrophengebieten
• Fernsteuerung von Flugzeugen und Drohnen
• Multi-Agenten-Robotersteuerung
• ferngesteuerte Flugroboter
• shared control für Roboter

Das Wesen der Erfindung lässt sich auch wie folgt beschreiben:

1. Verfahren für haptische Feedback-Stabilität in einem Teleoperationssystem, das aufweist
- - eine manuell betätigbare Master-Vorrichtung mit haptischer Feedback-Regelung und eine Slave-Vorrichtung mit einem Manipulator, wobei die Master-Vorrichtung zur Steuerung der Slave-Vorrichtung über einen bidirektionalen Kommunikationskanal wirksam mit der Slave-Vorrichtung verbunden ist, wobei eine potenzielle Verzögerung bei der Übertragung der Kommunikationssignale besteht,
- - wobei in dem Verfahren
  - - eine passive Kopplung zwischen der Master-Vorrichtung und der Slave-Vorrichtung realisiert wird z. B. durch eine passive Force-Feedback-Kopplung, bei der eine passive Kraft Fc über den Kommunikationskanal an die Master-Vorrichtung gesendet und auf den Master ausgeübt wird, wobei das Leistungs- oder Energieverhalten dieser Kopplung als ein passives Referenzverhalten betrachtet werden kann,
  - - eine beliebige Kraft Ff so begrenzt wird, dass der daraus resultierende Leistungs- und/oder Energieausgang kleiner als der oder gleich dem Energie- und/oder Leistungsausgang der passiven Referenzkopplung ist,
  - - eine Kraft Fpcr über die passive Referenzkopplung auf die Master-Vorrichtung ausgeübt wird und die beliebige Kraft Ff sein kann, die nach den folgenden Regeln auf die passive Kraft Fc begrenzt wird:
    - - Fpcr ist gleich Fc, sofern der Absolutwert von Fc kleiner als der oder gleich dem Absolutwert von Ff ist, wenn die Leistung, berechnet aus der Multiplikation der menschlichen Interaktionskraft Fh und der Geschwindigkeit vd der Master-Vorrichtung, negativ ist,
    - - andernfalls ist Fpcr gleich Ff: $F_{p c r} = {\begin{array}{l} F_{ƒ} & if F_{h} V_{d} > 0, \\ F_{ƒ} & if | F_{c} | > | F_{ƒ} | and F_{h} V_{d} < 0, \\ F_{c} & if | F_{c} | \leq | F_{ƒ} | and F_{h} V_{d} < 0. \end{array}$
2. Verfahren nach Punkt 1, wobei die Kraftbegrenzung keine hochfrequente Kraftmodifikation erzeugt, z. B. im niedrigen kHZ-Bereich (z. B. etwa 1 kHZ oder darunter) (so dass man die Anwendung einer Dämpfung zur Reduzierung der Ausgangskraft vermeiden kann).
3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, wobei die Koppelreferenzkraft Fc passiv ist, da der daraus resultierende Energie- und/oder Leistungsausgang der passiven Koppelungsreferenz kleiner als der oder gleich dem Energie-/Leistungseingang der Koppelungsreferenz ist.

Literaturverzeichnis

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Bezugszeichenliste

WVT: Wave Variable Transformation
ET: Energy Tanks
TDPA: Time Domain Passivity Approach
FBA: Force Bounding Approach
PCR: Passive Coupling Reference
OSP: Output Strictly Passive
EFC: Explicit Force Control

Claims

Verfahren zur Stabilisierung eines haptischen Teleoperationssystems mit einem benutzerdefinierten Haptik-Feedback-Regler, - wobei das System aufweist - eine mit einer Haptik-Feedback-Regelung versehene Master-Vorrichtung mit einem mit einer Kraft F_h und einer Geschwindigkeit V_d manuell bewegbaren Betätigungselement und - eine Slave-Vorrichtung mit einem Manipulator, - wobei die Master-Vorrichtung zur Steuerung der Slave-Vorrichtung über einen bidirektionalen Kommunikationskanal, bei dem bei der Übertragung von Kommunikationssignalen eine potenzielle Verzögerung besteht, in Kommunikationsverbindung steht, - wobei die Interaktionskraft F_h und die Geschwindigkeit V_d, mit denen das Betätigungselement manuell bewegt wird, ermittelt wird und - wobei die Haptik-Feedback-Regelung eine Feedback-Kraft F_f zur Einwirkung auf das Betätigungselement bereitstellt, - wobei bei dem Verfahren - zwischen der Master-Vorrichtung und der Slave-Vorrichtung eine passive Force-Feedback-Kopplung realisiert wird, bei der ein eine passive Kraft F_c repräsentierendes Signal über den Kommunikationskanal an die Master-Vorrichtung gesendet, wobei diese Kraft auf das Betätigungselement der Master-Vorrichtung ausgeübt wird, - auf das Betätigungselement der Master-Vorrichtung eine Kraft F_pcr ausgeübt wird, die - gleich der passiven Kraft F_c ist, wenn der Absolutwert der passiven Kraft F_c kleiner als der oder gleich dem Absolutwert der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft F_f ist und die manuell in das Betätigungselement eingebrachte Leistung oder Energie als Produkt aus der Interaktionskraft F_h und der Geschwindigkeit V_d negativ ist, oder - gleich der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft F_f ist, wenn der Absolutwert der passiven Kraft F_c größer als der Absolutwert der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft F_f ist und die manuell in das Betätigungselement eingebrachte Leistung oder Energie als Produkt aus der Interaktionskraft F_h und der Geschwindigkeit V_d negativ ist, oder - gleich der von der Haptik-Feedback-Regelung bereitgestellten Kraft F_f ist, wenn die manuell in das Betätigungselement eingebrachte Leistung oder Energie als Produkt aus der Interaktionskraft F_h und der Geschwindigkeit V_d positiv ist.