DE102022118180B3 - Control method for the teleactuator, actuator system and robot - Google Patents
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Abstract
Regelungsverfahren für die Teleaktuierung zur Steuerung eines Aktuatorsystems, wobei das Aktuatorsystem aufweist: einen Realaktuator in einer Realumgebung, und ein, einen Modelaktuator und eine Modelumgebung aufweisendes Model des Realaktuators in der Realumgebung. Das Regelungsverfahren weist die Schritte auf: Kommandieren eines Steuerungssignals an den Realaktuator zur Steuerung des Realaktuators, Erfassen einer Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung, Erfassen einer Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung,- Ermitteln eines Referenzsignals aus der erfassten Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung, und Anpassen des Steuerungssignals basierend auf dem Referenzsignal. Ferner ein Aktuatorsystem und ein Roboter.Control method for tele-actuating for controlling an actuator system, the actuator system having: a real actuator in a real environment, and a model of the real actuator in the real environment having a model actuator and a model environment. The control method has the steps: commanding a control signal to the real actuator for controlling the real actuator, detecting an interaction of the real actuator with the real environment, detecting an interaction of the model actuator with the model environment, - determining a reference signal from the detected interaction of the model actuator with the model environment, and adjusting the control signal based on the reference signal. Also an actuator system and a robot.
Description
Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für die Teleaktuierung zur Steuerung eines Aktuatorsystems, ein Aktuatorsystem und einen Roboter.The invention relates to a control method for teleactuating to control an actuator system, an actuator system and a robot.
Gekoppelte aktuierte Systeme bestehen aus einem ersten Aktuator, der über einen Übertragungskanal mit einem zweiten Aktuator verbunden ist. Bewegungen des ersten Aktuators sollen dabei mittels des Übertragungskanals an den zweiten Aktuator übermittelt werden. Erster Aktuator und zweiter Aktuator können in einer Master-Slave-Konfiguration gesteuert werden, so dass eine Bewegung, welche beispielsweise durch einen Bediener auf den ersten Aktuator aufgebracht wird, mittels dem Übertragungskanal an den Aktuator übertragen werden, der die Bewegung des Bedieners ausführt. Der erste Aktuator dient hierbei als Master und der zweite Aktuator als Slave. Solche gekoppelte Aktuatorsysteme finden Anwendungen insbesondere in der Robotik wie beispielsweise in der Medizinrobotik. Somit ist es nicht mehr erforderlich, dass der Operator am Ort der Operation ist. Vielmehr werden die Bewegungen des Operators vom ersten Aktuator erfasst und sodann mittels des Übertragungskanals an den zweiten Aktuator übermittelt, welcher die Bewegungen des Operators ausführt zur Durchführung der Operation an einem Patienten. Bei dem ersten Aktuator kann es sich um ein Eingabegerät und/oder bei dem zweiten Aktuator um einen Roboter handeln.Coupled actuated systems consist of a first actuator connected to a second actuator via a transmission channel. Movements of the first actuator are to be transmitted to the second actuator by means of the transmission channel. The first actuator and the second actuator can be controlled in a master-slave configuration, so that a movement applied to the first actuator, for example by an operator, is transmitted via the transmission channel to the actuator that executes the operator's movement. The first actuator serves as the master and the second actuator as a slave. Such coupled actuator systems are used in particular in robotics, for example in medical robotics. Thus, it is no longer necessary for the operator to be at the site of the operation. Rather, the movements of the operator are recorded by the first actuator and then transmitted by means of the transmission channel to the second actuator, which carries out the movements of the operator to carry out the operation on a patient. The first actuator can be an input device and/or the second actuator can be a robot.
Reelle Übertragungskanäle weisen jedoch eine gewisse Latenz oder eine variable Zeitverzögerung oder Paketverlust bei der Übertragung auf. Diese Zeitverzögerung kann unter Umständen zu einer Instabilität des Systems führen. Interaktionskräfte müssen jedoch exakt übertragen werden. Hierzu ist aus dem Stand der Technik der „Time-domain passivity approach“ (TDPA), bspw. aus Referenzen [16], [17] bekannt, wodurch die Stabilität bzw. Passivität des Aktuatorsystems erreicht wird durch eine Dissipation überschüssiger Energie.However, real transmission channels exhibit a certain latency or a variable time delay or packet loss during transmission. This time delay can sometimes lead to system instability. However, interaction forces must be transferred exactly. For this purpose, the “time-domain passivity approach” (TDPA) is known from the prior art, e.g. from references [16], [17], whereby the stability or passivity of the actuator system is achieved by dissipating excess energy.
Referenz [18] beschreibt einen weiteren Ansatz mit gleichem Passivitätsregler wie in [16], [17], wobei jedoch eine andere Referenzenergie auf der OperatorSeite verwendet wird.Reference [18] describes another approach with the same passivity controller as in [16], [17], but using a different reference energy on the operator side.
Bisherige Ansätze zur kraftreflektierenden Teleoperation haben z. B. den Nachteil, dass sie bei hohen Kommunikationslatenzen eine stark verzögerte Reaktion des Roboters aufweisen. So kommt es bspw. dazu, dass die Kraftreflektion bei einigen Ansätzen sehr intransparent wird. D. h., dass die reflektierten, also am Eingabegerät dargestellten, Kräfte durch den Operator schwer zu interpretieren werden, da z. B. hohe zusätzliche Dämpfungskräfte durch den Regler eingebracht werden um das System zu stabilisieren. Im Fall des konventionellen passivitätsbasierten Regelansatzes TDPA (vgl. [16], [17]) bewegt sich der Roboter unter hohen Kommunikationslatenzen langsamer und insbesondere weniger, also kürzere Strecken, als das Eingabegerät. Im Fall des Ansatzes aus [18] besteht ein Nachteil darin, dass der Roboter erst sehr spät auf einen vom menschlichen Operator kommandierten Kontakt reagiert. D. h., dass der Roboter bei Detektion eines Kontakts stehen bleibt, bis der Operator eine Interaktionskraft ausgeübt hat.Previous approaches to force-reflecting teleoperation have z. B. the disadvantage that they have a greatly delayed reaction of the robot with high communication latencies. For example, the force reflection in some approaches is very opaque. This means that the forces reflected, i.e. displayed on the input device, are difficult for the operator to interpret, since e.g. B. high additional damping forces are introduced by the controller to stabilize the system. In the case of the conventional passivity-based control approach TDPA (cf. [16], [17]), the robot moves slower and, in particular, less, i.e. shorter, distances than the input device under high communication latencies. In the case of the approach from [18], there is a disadvantage in that the robot only reacts very late to a contact commanded by the human operator. That is, upon detection of contact, the robot remains stationary until the operator has exerted an interaction force.
Stand der Technik zu der vorliegenden ErfindungPrior art to the present invention
Referenzen:Credentials:
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DE 10 2020 115 294 A1 DE 10 2020 115 294 A1
Weiterer relevanter Stand der Technik zu der vorliegenden Erfindung ist in
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelungsverfahren für die Teleaktuierung zur Steuerung eines Aktuatorsystems, ein Aktuatorsystem und einen Roboter zu schaffen, wobei die Steuerung des Aktuatorsystems verbessert, insbesondere beschleunigt, ist.The object of the invention is to create a control method for teleactuating to control an actuator system, an actuator system and a robot, the control of the actuator system being improved, in particular accelerated.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Regelungsverfahren für die Teleaktuierung zur Steuerung eines Aktuatorsystems gemäß Anspruch 1, ein Aktuatorsystem gemäß Anspruch 13 und einen Roboter gemäß Anspruch 15.The object is achieved according to the invention by a control method for teleactuating for controlling an actuator system according to
Bei dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren handelt es sich um ein Regelungsverfahren für die Teleaktuierung zur Steuerung eines Aktuatorsystems. Insbesondere handelt es sich um ein Regelungsverfahren für die Telerobotik. Das Regelungsverfahren ist vorzugsweise zur Regelung eines Aktuatorsystems ausgeführt. Das Aktuatorsystem weist einen Realaktuator in einer Realumgebung, und ein, einen Modelaktuator und eine Modelumgebung aufweisendes, insbesondere virtuelles, Model des Realaktuators in der Realumgebung auf. Bei dem Modelaktuator kann es sich insbesondere um die Modellierung eines einzigen Elements oder mehrerer Elemente des Realaktuator handeln. Möglich ist es bspw., dass es sich bei dem Modelaktuator um eine Modellierung des Endeffektors des Realaktuators oder um eine Modellierung des gesamten Realaktuators handelt. Das Regelungsverfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Kommandieren eines Steuerungssignals an den Realaktuator zur Steuerung des Realaktuators,
- - Erfassen einer Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung,
- - Erfassen einer Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung,
- - Ermitteln eines, insbesondere energie- und/oder leistungsbasierten, Referenzsignals aus der erfassten Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung, und
- - Anpassen, insbesondere Beschränken, des Steuerungssignals basierend auf dem Referenzsignal.
- - commanding a control signal to the real actuator to control the real actuator,
- - detecting an interaction of the real actuator with the real environment,
- - detecting an interaction of the model actuator with the model environment,
- - Determining a reference signal, in particular based on energy and/or power, from the detected interaction of the model actuator with the model environment, and
- - Adapting, in particular limiting, the control signal based on the reference signal.
Die Schritte werden vorzugsweise in der vorstehenden Reihenfolge ausgeführt. Bevorzugt ist es, dass das Erfassen der Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung mittels mindestens eines Sensors erfolgt. Der mindestens eine Sensor ist in der Umgebung des Realaktuators angeordnet und/oder mit dem Realaktuator verbunden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Sensor um einen Kraft-Momenten-Sensor oder einen visuellen Sensor. Das Anpassen des Steuerungssignals basierend auf dem Referenzsignal erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, insbesondere wertekontinuierlich und zeitkontinuierlich. Besonders bevorzugt erfolgt die Anpassen des Steuerungssignals basierend auf dem Referenzsignal kontinuierlich im Regeltakt des Reglers. Das Anpassen des Steuerungssignals basierend auf dem Referenzsignal umfasst vorzugsweise ein Dissipieren und/oder Tilgen des Steuerungssignals. Bei dem Realaktuator kann es sich vorzugsweise um einen Roboter, insbesondere einen Teleroboter, handeln. Bei dem Model handelte es sich insbesondere um ein 3D-Modell und/oder eine Punktewolke. Bei der Realumgebung handelt es sich bspw. um ein Objekt oder mehrere Objekte. Beim Ermitteln des Referenzsignals erfolgt insbesondere ein Berechnen des Referenzsignals. Es ist bevorzugt, dass das Steuerungssignal von einem Benutzer vorgegeben wird.The steps are preferably performed in the above order. It is preferred that the interaction of the real actuator with the real environment is detected by means of at least one sensor. The at least one sensor is arranged in the vicinity of the real actuator and/or connected to the real actuator. The at least one sensor is preferably a force-torque sensor or a visual sensor. The adjustment of the control signal based on the reference signal preferably takes place continuously, in particular continuously in terms of values and in terms of time. The adjustment of the control signal based on the reference signal particularly preferably takes place continuously in the control cycle of the controller. Adjusting the control signal based on the reference signal preferably includes dissipating and/or canceling the control signal. The real actuator can preferably be a robot, in particular a tele-robot. The model was in particular a 3D model and/or a point cloud. The real environment is, for example, an object or multiple objects. When the reference signal is determined, the reference signal is in particular calculated. It is preferred that the control signal is specified by a user.
In bevorzugter Ausführung handelt es sich bei dem Referenzsignal um eine Referenzenergie E1 und/oder eine Referenzleistung. Bei dem Steuerungssignal kann es sich insbesondere um ein energie- und/oder leistungsbasiertes Signal handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem Steuerungssignal um eine Steuerungsenergie und/oder eine Steuerungsleistung.In a preferred embodiment, the reference signal is a reference energy E 1 and/or a reference power. The control signal can in particular be an energy and/or power-based signal. In particular, the control signal is control energy and/or control power.
In bevorzugter Ausführung erfolgt bei einer Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung eine Energieübertragung zwischen Realaktuator und Realumgebung mit einer Energie von maximal E1, insbesondere von E1. Bevorzugt ist es, dass eine Energieübertragung zwischen Realaktuator und Realumgebung mit einer Energie von exakt E1 erfolgt.In a preferred embodiment, when the real actuator interacts with the real environment, energy is transferred between the real actuator and the real environment with a maximum energy of E 1 , in particular E 1 . It is preferred that energy is transmitted between the real actuator and the real environment with an energy of exactly E 1 .
In bevorzugter Ausführung handelt es sich bei dem Steuerungssignal um eine Eingabegeschwindigkeit vI und/oder eine Kraft.In a preferred embodiment, the control signal is an input speed v I and/or a force.
In bevorzugter Ausführung erfolgt beim Anpassen des Steuerungssignals ein Eleminieren des Steuerungssignal sofern festgestellt wurde, dass die erfasste Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung nicht der erfassten Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung entspricht. Insbesondere erfolgt beim Anpassen des Steuerungssignals ein Eleminieren des Steuerungssignal sofern eine Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung erfasst wurde, jedoch gleichzeitig keine Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung erfasst wurde. Eleminieren des Steuerungssignal meint insbesondere ein teilweises oder vollständiges Beschränken, insbesondere Dissipieren und/oder Tilgen des Steuerungssignals. Vorzugsweise meint das Eleminieren ein Auf-Null-Setzen des Steuerungssignals. Insbesondere wird beim Eleminieren eine Leistung und/oder Energie des Steuerungssignal gleich Null gesetzt.In a preferred embodiment, when the control signal is adjusted, the control signal is eliminated if it has been determined that the recorded interaction of the real actuator with the real environment does not correspond to the recorded interaction of the model actuator with the model environment. In particular, when adjusting the control signal, the control signal is eliminated if an interaction of the real actuator with the real environment was detected, but no interaction of the model actuator with the model environment was detected at the same time. Eliminating the control signal means in particular a partial or complete restriction, in particular dissipation and/or cancellation of the control signal. Eliminating preferably means setting the control signal to zero. In particular, a power and/or energy of the control signal is set equal to zero during the elimination.
In bevorzugter Ausführung erfolgt beim Anpassen des Steuerungssignals ein unverändertes Weiterleiten des Steuerungssignal sofern keine Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung erfasst wurde.In a preferred embodiment, when the control signal is adapted, the control signal is forwarded unchanged if no interaction of the real actuator with the real environment was detected.
In bevorzugter Ausführung erfolgt das Ermitteln des Referenzsignals aus einer vom Model erfassten Modelinteraktionskraft FVR und einer bereitgestellten Eingabegeschwindigkeit vI.In a preferred embodiment, the reference signal is determined from a model interaction force F VR detected by the model and a provided input speed v I .
In bevorzugter Ausführung erfolgt ein Regeln, insbesondere mittels Tilgung und/oder Dissipation, des an den Realaktuator kommandieren Steuerungssignals derart, dass eine vom Realaktuator auf die Realumgebung abgegebene Energie kleiner oder gleich der Referenzenergie E1, insbesondere der verzögerten Referenzenergie E1,del, ist. Bevorzugt ist es hierbei, dass die Tilgung und/oder Dissipation auf Realaktuatorseite, insbesondere auf Roboterseite, erfolgt.In a preferred embodiment, the control signal commanded to the real actuator is regulated, in particular by means of cancellation and/or dissipation, in such a way that an energy emitted by the real actuator to the real environment is less than or equal to the reference energy E 1 , in particular the delayed reference energy E 1,del . It is preferred here that the eradication and/or dissipation takes place on the real actuator side, in particular on the robot side.
In bevorzugter Ausführung erfolgt ein Regeln, insbesondere mittels Tilgung und/oder Dissipation, des an den Realaktuator kommandierten Steuerungssignals anhand der Referenzenergie E1, insbesondere der verzögerten Referenzenergie E1,del, und einer erfassten Aktuatorenergie E3, insbesondere erfassten verzögerten Aktuatorenergie E3,del, zwischen Realaktuator und Realumgebung. Bevorzugt ist es hierbei, dass die Tilgung und/oder Dissipation auf Realaktuatorseite, insbesondere auf Roboterseite, erfolgt. Vorzugsweise wird bei diesem Regeln das kommandierte Steuerungssignals auf einen Maximalwert aus Referenzenergie E1 und Aktuatorenergie E3 oder eine gewichtete Summe der Referenzenergie E1 und der Aktuatorenergie E3 geregelt.In a preferred embodiment, the control signal commanded to the real actuator is regulated, in particular by means of cancellation and/or dissipation, based on the reference energy E 1 , in particular the delayed reference energy E 1,del , and a detected actuator energy E 3 , in particular detected delayed actuator energy E 3 , del , between real actuator and real environment. It is preferred here that the eradication and/or dissipation takes place on the real actuator side, in particular on the robot side. In this regulation, the commanded control signal is preferably regulated to a maximum value from reference energy E 1 and actuator energy E 3 or a weighted sum of reference energy E 1 and actuator energy E 3 .
In bevorzugter Ausführung weist das Aktuatorsystem ferner ein, vorzugsweise ein Eingabegerät aufweisendes, Steuerungsgerät zur Steuerung des Realaktuators und/oder des Modelaktuators auf. Es ist bevorzugt, dass mit dem Steuerungsgerät zumindest das Steuerungssignal eingegeben wird. Möglich ist es insbesondere, dass das Steuerungsgerät aus einem Eingabegerät besteht. Vorzugsweise handelt es sich um ein haptisches Eingabegerät und/oder um ein Eingabegerät zur Telemanipulation.In a preferred embodiment, the actuator system also has a control device, preferably having an input device, for controlling the real actuator and/or the model actuator. It is preferable that at least the control signal is inputted with the control device. Possible it is in particular that the control device consists of an input device. It is preferably a haptic input device and/or an input device for telemanipulation.
In bevorzugter Ausführung ist das Steuerungsgerät ausgebildet zur Übermittlung der erfassten Interaktion zwischen Modelaktuator und Modelumgebung. Insbesondere kann das Steuerungsgerät ausgeführt sein zur Wiedergabe, vorzugsweise als Kraft, der Interaktion zwischen Modelaktuator und Modelumgebung, insbesondere an einen Benutzer. Bei dem Steuerungsgerät handelt es sich insbesondere um ein Force-Feeback-Steuerungsgerät.In a preferred embodiment, the control device is designed to transmit the detected interaction between the model actuator and the model environment. In particular, the control device can be designed to reproduce, preferably as a force, the interaction between the model actuator and the model environment, in particular to a user. The control device is in particular a force feedback control device.
In bevorzugter Ausführung erfolgt ein Anpassen, des Referenzsignals, insbesondere der Referenzenergie E1, und/oder einer erfassten Aktuatorenergie E3, sofern keine Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung und keine Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung erfasst wurde. Insbesondere erfolgt beim Anpassen des Referenzsignals ein Resetten bzw. Zurücksetzen des Referenzsignals. Es ist bevorzugt, dass das Anpassen auf Realaktuatorseite, insbesondere auf Roboterseite, vorzugsweise mittels Tilgung und/oder Dissipation, erfolgt. Das Resetten bzw. Zurücksetzen des Referenzsignals erfolgt insbesondere sofern keine Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung und keine Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung erfasst wurde und/oder das sofern die Position des Eingabegeräts der Position des Realaktuators entspricht.In a preferred embodiment, the reference signal, in particular the reference energy E 1 , and/or a detected actuator energy E 3 is adjusted if no interaction of the model actuator with the model environment and no interaction of the real actuator with the real environment was detected. In particular, when the reference signal is adjusted, the reference signal is reset. It is preferred that the adaptation takes place on the real actuator side, in particular on the robot side, preferably by means of cancellation and/or dissipation. The reset or resetting of the reference signal takes place in particular if no interaction of the model actuator with the model environment and no interaction of the real actuator with the real environment was detected and/or if the position of the input device corresponds to the position of the real actuator.
In bevorzugter Ausführung erfolgt beim Anpassen des Referenzsignals insbesondere der Referenzenergie E1, und/oder der erfassten Aktuatorenergie E3, ein Nullsetzen der Referenzenergie E1 und/oder der Aktuatorenergie E3. Alternativ erfolgt beim Anpassen des Referenzsignals insbesondere ein Gleichsetzen der Referenzenergie E1 und der Aktuatorenergie E3, oder ein Annähern der Referenzenergie E1 und der Aktuatorenergie E3. Das Nullsetzen der Referenzsignals erfolgt insbesondere sofern keine Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung und keine Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung erfasst wurde und/oder das sofern die Position des Eingabegeräts der Position des Realaktuators entspricht.In a preferred embodiment, when the reference signal is adapted, in particular the reference energy E 1 and/or the detected actuator energy E 3 , the reference energy E 1 and/or the actuator energy E 3 is set to zero. Alternatively, when the reference signal is adapted, the reference energy E 1 and the actuator energy E 3 are in particular equated, or the reference energy E 1 and the actuator energy E 3 are brought closer together. The reference signal is set to zero in particular if no interaction of the model actuator with the model environment and no interaction of the real actuator with the real environment was detected and/or if the position of the input device corresponds to the position of the real actuator.
In bevorzugter Ausführung weist das Aktuatorsystem ferner einen, insbesondere zeitverzögerten und/oder verlustbehafteten, Übertragungskanal zwischen dem Realaktuator und dem Steuerungsaktuator, vorzugsweise zur Übertragung des Steuerungssignals, auf. Sofern im Rahmen der Erfindung, z. B. oben, ein verzögertes Signal, wie bspw. eine verzögerte Energie, definiert ist, handelt es sich insbesondere um ein durch den zeitverzögerten und/oder verlustbehafteten, Übertragungskanal übertragenes Signal.In a preferred embodiment, the actuator system also has a transmission channel, in particular a time-delayed and/or lossy transmission channel, between the real actuator and the control actuator, preferably for transmitting the control signal. If within the scope of the invention, e.g. B. above, a delayed signal, such as a delayed energy, is defined, it is in particular a signal transmitted through the time-delayed and/or lossy transmission channel.
Insbesondere kann vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Regelungsverfahren umgesetzt sein, dass der Benutzer bzw. Operator ein virtuelles, ggf, vereinfachtes Modell des Roboters in dieser virtuellen Umgebung steuert, während die Bewegung des Eingabegeräts sowohl an den virtuellen als auch an den entfernten Realaktuator, insbesondere Roboter, kommandiert wird. Vorzugsweise spürt der Operator die Interaktionskräfte zwischen virtuellem Aktuator, insbesondere virtuellem Roboter, und der virtuellen Umgebung am Eingabegerät. Aus der Geschwindigkeit des Eingabegeräts und der aufgebrachten Kraft kann insbesondere die mechanische Leistung bestimmt werden, die der Operator willentlich auf die Umgebung überträgt. Vorzugsweise wird diese Leistung und /oder Energie im Gegensatz zum Stand der Technik mit dem Bewegungskommando an den Realaktuator, insbesondere Roboter, geschickt, so dass dieser direkt eine Leistung in der Umgebung aufbringen darf. Wenn bspw. ein unerwarteter, insbesondere unmodellierter, Kontakt auftritt, wird der Realaktuator, insbesondere Roboter, weiterhin keine Kraft ohne ,Freigabe‘ durch den Operator aufbringen können. Im Stand der Technik bspw. muss eine vom Realaktuator, insbesondere Roboter, gemessene Kraft erst an den Operator geschickt werden. Der Operator muss z. B. eine Leistung gegen diese Kraft aufbringen und diese Leistung wird dann wieder an den Realaktuator, insbesondere Roboter, geschickt, so dass dieser eine Kraft, die insbesondere maximal zu dieser Leistung führt, in seiner Umgebung aufbringen darf. Insbesondere soll das Model, bspw. die virtuelle Umgebung, so implementiert sein, dass die Interaktionskraft derjenigen in der realen Umgebung bestmöglich entspricht. Das Model, insbesondere, virtuelle Umgebung kann vorzugsweise adaptiv gestaltet sein, damit Veränderungen der realen Umgebung berücksichtigt werden können. Beispielsweise können so neu in die Umgebung platzierte Objekte mitmodelliert werden.In particular, the control method according to the invention can advantageously be implemented in such a way that the user or operator controls a virtual, possibly simplified model of the robot in this virtual environment, while the movement of the input device is transmitted to both the virtual and the remote real actuator, in particular robots. is commanded. The operator preferably feels the interaction forces between the virtual actuator, in particular the virtual robot, and the virtual environment on the input device. From the speed of the input device and the force applied, the mechanical power that the operator intentionally transmits to the environment can be determined. In contrast to the prior art, this power and/or energy is preferably sent to the real actuator, in particular a robot, with the movement command, so that it can directly apply power to the environment. If, for example, an unexpected, especially unmodeled, contact occurs, the real actuator, especially the robot, will still not be able to apply any force without 'release' by the operator. In the prior art, for example, a force measured by the real actuator, in particular a robot, must first be sent to the operator. The operator must e.g. B. apply a power against this force and this power is then sent back to the real actuator, in particular the robot, so that it can apply a force that leads to a maximum of this power in particular in its environment. In particular, the model, e.g. the virtual environment, should be implemented in such a way that the interaction power corresponds to that in the real environment as best as possible. The model, in particular the virtual environment, can preferably be designed to be adaptive so that changes in the real environment can be taken into account. For example, objects newly placed in the environment can be modeled as well.
Bei dem erfindungsgemäßen Aktuatorsystem handelt es sich insbesondere um ein Aktuatorsystem für die Teleaktuierung. Das Aktuatorsystem weist einen Realaktuator in einer Realumgebung, und ein, einen Modelaktuator und eine Modelumgebung aufweisendes, insbesondere virtuelles, Model des Realaktuators in der Realumgebung auf. Bei dem Modelaktuator kann es sich insbesondere um die Modellierung eines einzigen Elements oder mehrere Elemente des Realaktuator handeln. Möglich ist es bspw., dass es sich bei dem Modelaktuator um eine Modellierung des Endeffektors des Realaktuators oder um eine Modellierung des gesamten Realaktuators handelt. Das Aktuatorsystem ist ausgeführt zum:
- - Kommandieren eines Steuerungssignals an den Realaktuator zur Steuerung des Realaktuators,
- - Erfassen einer Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung,
- - Erfassen einer Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung,
- - Ermitteln eines, insbesondere energie- und/oder leistungsbasierten, Referenzsignals aus der erfassten Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung, und
- - Anpassen, insbesondere Beschränken, des Steuerungssignals basierend auf dem Referenzsignal.
- - commanding a control signal to the real actuator to control the real actuator,
- - detecting an interaction of the real actuator with the real environment,
- - detecting an interaction of the model actuator with the model environment,
- - Determining a reference signal, in particular based on energy and/or power, from the detected interaction of the model actuator with the model environment, and
- - Adapting, in particular limiting, the control signal based on the reference signal.
Bei dem erfindungsgemäßen Aktuatorsystem handelt es sich insbesondere um ein geregeltes Übertragungssystem für die Teleaktuierung. Insbesondere handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Aktuatorsystem um einen Regler. The actuator system according to the invention is, in particular, a regulated transmission system for teleactuating. In particular, the actuator system according to the invention is a controller.
Bevorzugt ist es, dass das erfindungsgemäße Aktuatorsystem ausgeführt ist zur Durchführung eines oder mehrerer Schritte des erfindungsgemäßen Regelungsverfahren. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Aktuatorsystem eines oder mehrere Merkmale des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens auf.It is preferred that the actuator system according to the invention is designed to carry out one or more steps of the control method according to the invention. The actuator system according to the invention preferably has one or more features of the control method according to the invention.
Bei dem erfindungsgemäßen Roboter handelt es sich insbesondere um einen Teleroboter. Der Roboter weist ein erfindungsgemäßes Aktuatorsystem auf und/oder der Roboter ist eingerichtet zur Ausführung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens.The robot according to the invention is in particular a telescopic robot. The robot has an actuator system according to the invention and/or the robot is set up to carry out the control method according to the invention.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments with reference to the attached drawings.
Es zeigen:
-
1 Signalflussdiagramm eines herkömmlichen Regelungsverfahren gemäß TDPA, -
2 Netzwerkdarstellung des Regelungsverfahrens TDPA, -
3 Signalflussdiagramm eines herkömmlichen Regelungsverfahren gemäß TDPA-HD, -
4 Netzwerkdarstellung des Regelungsverfahrens TDPA-HD, -
5 Signalflussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens, -
6 Netzwerkdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens, und -
7 Netzwerkdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens.
-
1 Signal flow diagram of a conventional control method according to TDPA, -
2 Network representation of the TDPA control procedure, -
3 Signal flow diagram of a conventional control method according to TDPA-HD, -
4 Network representation of the control method TDPA-HD, -
5 Signal flow diagram of an embodiment of a control method according to the invention, -
6 Network representation of an embodiment of a control method according to the invention, and -
7 Network representation of a further embodiment of a control method according to the invention.
In der nachfolgend beschriebenen Praxisabhandlung wird anhand der
I. EINLEITUNGI. INTRODUCTION
Jüngste Pläne der großen Raumfahrtagenturen sehen eine planmäßige Erkundung mit Hilfe von mobilen Robotern vor [I]. Allerdings sind die Fähigkeiten autonomer Roboter noch begrenzt und vor allem die Sensorfunktionen nicht ganz robust. Als Ausweichlösung [2], und um die Fähigkeiten der Roboter zu erweitern, werden Astronauten in einer Raumsonde im Orbit mit einer Teleoperationsschnittstelle ausgestattet, um Roboter-Rover und Manipulatoren zu steuern [3], [4]. In solchen Szenarien wird die Verzögerung bei der Kommunikation zwischen Roboter und haptischer Schnittstelle die Roundtrip-Verzögerung von etwa 800 ms bei einer geostationären Verbindung von der Erde zur ISS übersteigen.Recent plans by the major space agencies envisage scheduled exploration using mobile robots [I]. However, the capabilities of autonomous robots are still limited and, above all, the sensor functions are not entirely robust. As a workaround [2], and to extend the capabilities of the robots, astronauts in an orbiting spacecraft are equipped with a teleoperation interface to control robotic rovers and manipulators [3], [4]. In such scenarios, the delay in communication between the robot and the haptic interface will exceed the round-trip delay of around 800 ms in a geostationary connection from Earth to the ISS.
Um insbesondere Manipulationsaufgaben mit Kontakten sicher ausführen zu können, ist die Anzeige von Kraftrückmeldungen auf dem Eingabegerät von größter Wichtigkeit. Neben der Kraftinformation für den Astronauten selbst ermöglicht die Übertragung von Interaktionskräften darüber hinaus die Vermeidung von harten Stößen auf die Umgebung [5] (CITE Science), wie später noch näher erläutert wird. Die verzögerte Kommunikation stellt ein aktives Element dar, das durch Energieinjektion zu Instabilität führen kann. Es wurden verschiedene Steuerungsansätze entwickelt, darunter die Wellenvariablenmethode [6] und der Time Domain Passivity Approach (TDPA, [7]) oder Kriterien nach Llewellyn [8]. Die Transparenz des Teleoperationsaufbaus (d.h. das Gefühl des Eintauchens des Bedieners in die Umgebung des Roboters) wird jedoch mit zunehmender Verzögerung stark reduziert. Bei einigen Ansätzen ist die Qualität der Positionsverfolgung reduziert [6], während bei den meisten Ansätzen auch die Qualität der Kraftrückmeldung stark gedämpft ist oder unter einer zu hohen Dämpfung leidet (Position-Position-Architekturen [8], [9]). Frequenzdomänen-basierte Ansätze wie das Raisbeck-, Llewellyn- oder Routh-Hurwitz-Kriterium verwenden keine adaptive, sondern eine konstante Dämpfung, was zu einer meist sehr konservativen Parametrisierung und damit zu einer schwachen Leistung führt. Aber auch die Leistung des konventionellen TDPA [7] als eines der gängigsten unter ihnen verschlechtert sich mit zunehmender Verzögerung stark.In order to be able to safely carry out manipulation tasks with contacts in particular, the display of force feedback on the input device is of the utmost importance. In addition to the force information for the astronauts themselves, the transmission of interaction forces also makes it possible to avoid hard impacts on the environment [5] (CITE Science), as will be explained in more detail later. The delayed communication represents an active element that can cause instability through energy injection. Various control approaches have been developed, including the wave variable method [6] and the Time Domain Passivity Approach (TDPA, [7]) or Llewellyn criteria [8]. However, the transparency of the teleoperation setup (i.e. the operator's sense of immersion in the robot's environment) is greatly reduced as the delay increases. In some approaches, the quality of position tracking is reduced [6], while in most approaches, the quality of force feedback is also heavily damped or suffers from excessive damping (position-position architectures [8], [9]). Frequency-domain-based approaches such as the Raisbeck, Llewellyn or Routh-Hurwitz criterion do not use adaptive but constant damping, which usually leads to very conservative parameterization and thus poor performance. But the performance of the conventional TDPA [7], one of the most common among them, deteriorates sharply with increasing delay.
In [5] ist ein Steuerungskonzept gemäß TDPA-HD für hohe Verzögerungen vorgeschlagen, das unabhängig von der Kommunikationsverzögerung eine hohe Positionsverfolgungsgenauigkeit und sichere Interaktionen erreicht. Obwohl in [5] die erfolgreiche Durchführung einer Reihe verschiedener Anwendungen von der Probenentnahme und -einbringung bis hin zu wartungsbezogenen Aufgaben bei einer Verzögerung von etwa 3s (Erde-Mond-Kommunikation) vorgestellt wurde, wurde die Qualität der Kraftrückmeldung durch die Steuerungsmethode beeinflusst. Darüber hinaus wird die Zeit, bis eine Kraft auf die Umgebung ausgeübt werden kann (time-to-interact), durch den Steuerungsansatz erhöht.In [5] a control concept according to TDPA-HD for high delays is proposed, which achieves high position tracking accuracy and secure interactions regardless of the communication delay. Although [5] presented the successful performance of a number of different applications from sample collection and injection to maintenance-related tasks at a delay of around 3s (Earth-Moon communication), the quality of the force feedback was affected by the control method. In addition, the time until a force can be applied to the environment (time-to-interact) is increased by the control approach.
Um die Qualität der Kraftrückmeldung zu erhöhen und die Time-to-Interact zu verringern, wird eine Kombination aus TDPA-HD und dem modellerweiterten Telemanipulationskonzept (MATM, [10]) vorgenommen. Das MATM sieht im Allgemeinen die Integration eines lokalen (bedienerseitigen) und eines fernen (roboterseitigen) virtuellen Modells der Roboterumgebung vor. Das lokale Modell unterstützt u.a. visuelle oder haptische Augmentierungen, während das ferne Modell gemeinsame Steuerungsfunktionalitäten bereitstellt. Dabei wird ein lokales Modell, das ein bekanntes Modell oder eine in der fernen Umgebung gescannte Punktwolke sein kann, zum Bestimmen einer Referenzenergie für die Interaktionsbegrenzung des Roboters mit der Umgebung verwendet. Die Satellitenwartung, die z.B. im DLR AI-In-Orbit-Factory 4.0-Projekt untersucht wird, stellt eine potenzielle Anwendung dar, die Interaktionen mit strukturierten oder bekannten Umgebungen bei hoher Kommunikationsverzögerung erfordert. Daher interagiert der Bediener mit dem lokalen VR-(Virtual-Reality)-Modell und nimmt eine gerenderte Kraft wahr, so dass die (Referenz)-Energie, die der Bediener auf die modellierte Umgebung ausübt, beobachtet werden kann. Diese Referenzenergie kann sofort auf die ferne Umgebung angewendet werden, während Auswirkungen auf unerwünschte Interaktionen noch verhindert werden.In order to increase the quality of the force feedback and reduce the time-to-interact, a combination of TDPA-HD and the model-extended telemanipulation concept (MATM, [10]) is undertaken. The MATM generally provides for the integration of a local (operator-side) and a remote (robot-side) virtual model of the robot's environment. The local model supports, among other things, visual or haptic augmentations, while the remote model provides common control functionalities. A local model, which can be a known model or a point cloud scanned in the distant environment, is used to determine a reference energy for the robot's interaction boundary with the environment. Satellite maintenance, e.g. investigated in the DLR AI-In-Orbit-Factory 4.0 project, represents a potential application that requires interactions with structured or known environments at high communication delay. Therefore, the operator interacts with the local VR (Virtual Reality) model and perceives a rendered force so that the (reference) energy that the operator exerts on the modeled environment can be observed. This reference energy can be immediately applied to the distant environment while still preventing effects on unwanted interactions.
Die vorliegende Praxisabhandlung (unter Bezugnahme auf die
II. GRUNDLAGEN UND PROBLEMSTELLUNGII. PRINCIPLES AND PROBLEM DEFINITION
Der Steuerkreis eines Standard-Teleoperationsaufbaus ist in
Wie bereits erörtert, nimmt selbst die Leistung (Kraftrückmeldungsqualität und Positionsfolge) des herkömmlichen TDPA mit zunehmender Verzögerung kritisch ab. Bei solchen passivitätsbasierten Ansätzen ergibt sich das Problem aus der großen Zeitverschiebung zwischen
- • der Zeit t1, zu der dem Roboter von der Fernkopplungssteuerung eine Kraft Fc befohlen wird,
- • der Zeit t2 = t1 + Tb, zu der diese Kraft (des jeweiligen Zeitschritts) am Eingabegerät angezeigt wird (woraus der Energieeintrag
- • der Zeit t3 = t2 +Tf, zu der der Energieeintrag
- • the time t 1 at which the robot is commanded a force Fc by the remote coupling controller,
- • the time t 2 = t 1 + T b , at which this force (of the respective time step) is displayed on the input device (from which the energy input
- • the time t 3 = t 2 +Tf at which the energy input
Vereinfacht gesagt, wird beim konventionellen TDPA [7] die vom Bediener befohlene Geschwindigkeit durch den Passivitätsregler PCR bei t = [t1, t3] stark gedämpft, da der fernen Seite nicht mitgeteilt wurde, mit welcher Kraft der Roboter mit der Umgebung interagieren darf. Mit zunehmender Verzögerung nimmt die Leistung des konventionellen TDPA deutlich ab, zumal die berechneten Reglerkräfte Fc (die auch bei freier Bewegung vorhanden sind) für die Passivitätsregelung berücksichtigt werden.Put simply, in the conventional TDPA [7] the operator commanded velocity is heavily dampened by the passivity controller PC R at t = [t 1 , t 3 ] since the far side has not been told with what force the robot is interacting with the environment may. With increasing deceleration, the performance of the conventional TDPA decreases significantly, especially since the calculated controller forces F c (which are also present with free movement) are taken into account for the passivity control.
Dieses Problem wurde durch den TDPA-HD für die Telemanipulation mit hoher Verzögerung immens reduziert [5]. Das Signalflussdiagramm in
III. ANSATZVORSCHLAGIII. PROPOSED APPROACH
Nachfolgend werden im Rahmen des skizzierten vorgeschlagenen Ansatzes bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens beschrieben. Das Hauptaugenmerk des vorgeschlagenen Ansatzes liegt auf der Verringerung der Time-to-Interact tTI unter Beibehaltung der Sicherheitsaspekte des TDPA-HD im Falle unerwarteter Kollisionen.In the following, preferred embodiments of the control method according to the invention are described within the scope of the proposed approach outlined. The main focus of the proposed approach is to reduce the time-to-interact t TI while maintaining the safety aspects of the TDPA-HD in case of unexpected collisions.
A. KonzeptbeschreibungA. Concept Description
Daher wird die Interaktion mit einem virtuellen Modell (VR) der Roboterumgebung auf der Bedienerseite in den Regelkreis des TDPA-HD integriert (vgl. Signalflussdiagramm von
Wie in der jeweiligen Netzwerkdarstellung in
Lokale 1-Port-Passivitätssteuerung von PC1:
- Insbesondere miss der Passivitätsbeobachter an
Port 3 die Eingangs-
- In particular, the passivity observer on port 3 measures the input
Da am Eingabegerät statt der gemessenen Kraft FE die gerenderte VR-Kraft FVR angezeigt wird, stellt der Steuerkreis von Roboter und Eingabegerät einen offenen Kreis dar. Das bedeutet, dass die Schaltungen von
Fernpassivitätssteuerung von PC2:
- Insbesondere wird die beobachtete Energie
- In particular, the observed energy
Je nach Wahl des Referenzsignal kann
B. EffektanalyseB. Effect analysis
Analog zur Kraftrückmeldung von FE im TDPA-HD ist die Kraft FVR in Situationen der freien Bewegung gleich Null, was zu einer Leistungsaufnahme von Null während der freien Bewegung führt. Daher führt der CC während der freien Bewegung keine Energie ein, und der PC2 braucht die Geschwindigkeitsreferenz nicht zu dämpfen. Somit wird Positionsdrift während der freien Bewegung vermieden.Analogous to the force feedback of F E in the TDPA-HD, the force F VR is zero in free motion situations, resulting in zero power consumption during free motion. Therefore, the CC does not introduce energy during free movement and the PC2 does not need to dampen the velocity reference. This avoids position drift during free movement.
In Kontaktsituationen ergibt sich aufgrund der gemessenen Kraftrückmeldung eine Leistung an Port 5. Falls die Kontaktfläche in VR modelliert wurde (erwarteter Kontakt), erhält der PC2 eine entsprechende Eingangsleistung
Der Steuerungsmechanismus von PC2 (Dämpfung der Geschwindigkeitsreferenz) führt zu einer Positionsdrift in der Referenzpose xR' in Bezug auf die Eingabegerätepose xI. Analog zum Telenavigationsaufbau in [14] muss diese Positionsdrift in der Position des Eingabegeräts im VR berücksichtigt werden. Der Drift ΔRdrife wird berechnet aus der verzögerten Eingabegerätepose
Daher ist die Pose
Die Position
Die vorstehenden Ausführungen bzgl. des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens können entsprechend im Rahmen eines erfindungsgemäßen Aktuatorsystems und/oder eines erfindungsgemäßen Roboters umgesetzt werden.The above statements regarding the control method according to the invention can be correspondingly implemented within the framework of an actuator system according to the invention and/or a robot according to the invention.
Das Aktuatorsystems 10 weist ein Eingabegerät 14 auf, über das ein Operator 12 Bewegungskommandos kommandieren kann. Mit dem Eingabegerät 14 ist ein erster Passivitätsregler 16 signalübertragend verbunden. Mit dem Passivitätsregler 16 wiederum ist ein virtuelles Model 18 ausgeführt als VR verbunden.The
Bei dem Model 18 handelt es sich um eine Modellierung der Umgebung 28 des Roboters 26, insbesondere Teleroboters, über welches erkannt bzw. vorhergesagt wird, ob der Roboter 26 durch das Bewegungskommando in einen Kontakt mit der Umgebung 28 kommen wird. Im einfachsten Fall kann dies insbesondere durch ein boolean 1/0 dargestellt werden. Im Falle eines erwarteten Kontakts wird an die Roboterseite 13 eine Energie E1 übertragen, die der Roboter 26 gegen die Umgebung 28 aufbringen darf. Mit dem Roboter 26 ist ein Kopplungsregler 24 signalübertragen verbunden.The
Auf Roboterseite 13 wird durch Anpassung eines oder mehrerer Signale auf der Roboterseite 13 sichergestellt, dass nicht mehr Energie als E1 gegen die Umgebung aufgebracht wird.On the
Bevorzugt ist es, dass sich die gewünschte Energie E1 aus vI und FVR berechnet. Vorzugsweise ist hierbei E1 nur die Energie, die von links nach rechts in die VR 18 einfließt. Insbesondere fließt E2 von rechts nach links aus der VR 18 und wird nicht berücksichtigt. Die Richtung des Leistungsflusses kann durch das Vorzeichen der Leistung bestimmt werden.It is preferred that the desired energy E 1 is calculated from v I and F VR . Preferably, E 1 is just the energy flowing into
Es ist bevorzugt, dass auf Roboterseite 13 durch Tilgung/Dissipation, z.B. über eine Reduzierung der Sollgeschwindigkeit an Port 5/6 und/oder durch Reduzierung der an den Roboter 26 kommandierten Kraft bei Port 8 (hier nicht dargestellt) sichergestellt wird, dass die Energie, die Richtung Umgebung 28 fließt, E1,del, also die verzögerte Energie E1 nicht übersteigt.It is preferred that on the
Vorzugsweise wird die Energie, die auf Roboterseite 13 dissipiert werden muss, aus E3,del und E1,del bestimmt, z.B. kann der Maximalwert von beiden Energien und/oder eine gewichtete Summe gewählt werden.The energy that has to be dissipated on the
Es ist bevorzugt, dass ein Energie-Reset von E1 auf E3 oder E3 auf E1 vollzogen wird, um eine ungleichmäßige Energieakkumulation zu verhindern.It is preferable that an energy reset is made from E 1 to E 3 or E 3 to E 1 to prevent uneven energy accumulation.
Vorzugsweise kann der Operator 12 die Energie E1 intuitiv über Force-Feedback von FVR am Eingabegerät 14 vorgeben. Alternativ oder zusätzlich ist eine rein visuelle Vorgabe möglich.The
Mit dem Übertragungskanal 20 ist ein zweiter Passivitätsregler 22 signalübertragend verbunden.A
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