DE102022118180B3 - Control method for the teleactuator, actuator system and robot - Google Patents

Control method for the teleactuator, actuator system and robot Download PDF

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Thomas Hulin
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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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  • [17] US 7 027 965 B2 [17] U.S. 7,027,965 B2
  • [18] DE 10 2020 115 294 A1 [18] DE 10 2020 115 294 A1

Weiterer relevanter Stand der Technik zu der vorliegenden Erfindung ist in DE 10 2021 107 532 A1 , DE 10 2020 113 409 B4 , DE 10 2020 107 612 B3 , DE 10 2015 209 773 B3 , DE 10 2009 017 104 B4 und US 2022 / 0 184 803 A1 beschrieben.Further prior art relevant to the present invention can be found in DE 10 2021 107 532 A1 , DE 10 2020 113 409 B4 , DE 10 2020 107 612 B3 , DE 10 2015 209 773 B3 , DE 10 2009 017 104 B4 and U.S. 2022/0 184 803 A1 described.

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 claim 1, an actuator system according to claim 13 and a robot according to claim 15.

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.
The control method according to the invention is a control method for teleactuating to control an actuator system. In particular, it is a control procedure for telerobotics. The control method is preferably designed to control an actuator system. The actuator system has a real actuator in a real environment, and a model actuator and a model environment having, in particular a virtual, model of the real actuator in the real environment. The model actuator can, in particular, involve the modeling of a single element or multiple elements of the real actuator. It is possible, for example, that the model actuator is a modeling of the end effector of the real actuator or a modeling of the entire real actuator. The control procedure consists of the following steps:
  • - 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.
The actuator system according to the invention is in particular an actuator system for teleactuation. The actuator system has a real actuator in a real environment, and a model actuator and a model environment having, in particular a virtual, model of the real actuator in the real environment. The model actuator can in particular involve the modeling of a single element or multiple elements of the real actuator. It is possible, for example, that the model actuator is a modeling of the end effector of the real actuator or a modeling of the entire real actuator. The actuator system is designed for:
  • - 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.
Show it:
  • 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 1-6 eine der Hintergrund des vorliegenden Regelungsverfahrens (1-4) sowie bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens ( 5-6) beschrieben. Insbesondere können die Beschreibungen zum erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens (5-6) entsprechend im Rahmen eines erfindungsgemäßen Aktuatorsystems und/oder eines erfindungsgemäßen Roboters umgesetzt werden.In the practice paper described below, the 1-6 one of the background of the present regulatory procedure ( 1-4 ) and preferred embodiments of the control method according to the invention ( 5-6 ) described. In particular, the descriptions of the control method according to the invention ( 5-6 ) are implemented accordingly within the framework of an actuator system according to the invention and/or a robot according to the invention.

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 1-6) ist wie folgt aufgebaut: In Abschnitt I (vgl. oben) wurde der Hintergrund zum erfindungsgemäßen Regelungsverfahren, insbesondere im Rahmen der vorliegenden Praxisabhandlung (unter Bezugnahme auf die 1-6) beschrieben. In Abschnitt II werden die Prinzipien der konventionellen TDPA, der TDPA-HD und die Nachteile des Standes der Technik als Basis für die vorliegende Erfindung vorgestellt. Bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens, insbesondere eine Integration des TDPA-HD in den MATM-Rahmen werden in Abschnitt III vorgestellt.This practice paper (with reference to the 1-6 ) is structured as follows: In Section I (cf. above), the background to the control method according to the invention, in particular in the context of the present practice paper (with reference to the 1-6 ) described. In Section II, the principles of conventional TDPA, TDPA-HD and the disadvantages of the prior art are presented as the basis for the present invention. Preferred embodiments of the control method according to the invention, in particular an integration of the TDPA-HD into the MATM frame, are presented in Section III.

II. GRUNDLAGEN UND PROBLEMSTELLUNGII. PRINCIPLES AND PROBLEM DEFINITION

Der Steuerkreis eines Standard-Teleoperationsaufbaus ist in 1 dargestellt. Dabei steuert ein menschlicher Bediener über ein Eingabegerät einen Roboter in einer fernen Umgebung (Umg.). Ein Kopplungsregler (Strg.) mit FederDämpfer-Charakteristik sorgt für die Positionsfolge der beiden Geräte. Dazu wird aus der Positionsdifferenz der Geräte eine Kraft (Fc) berechnet. Diese Kraft wird lokal am Roboter aufgebracht und auf dem Eingabegerät angezeigt (Force Feedback, FF). Die Positions- und Geschwindigkeitsreferenz des Eingabegeräts vI und des FF werden im Kommunikationskanal (CC) um die Zeitverzögerungen Tf bzw. Tb verzögert. Der Time Doman Passivity Approach (TDPA) dient der Stabilisierung des geschlossenen Regelkreises trotz Kommunikationsverzögerung. Dazu beobachtet er mit Passivitätsbeobachtern (PO) die vom CC eingebrachte Energie (die zu Instabilität führen kann) und führt überschüssige Energie über Passivitätsregler (PC) mit variabler Dämpfung α und β ab. Dazu dämpft der Impedanztyp PC β die Kraftrückmeldung, während der Admittanztyp PC α den Geschwindigkeitsbefehl anpasst.The control circuit of a standard teleoperation setup is in 1 shown. A human operator uses an input device to control a robot in a remote environment (environment). A coupling controller (Ctrl.) with spring-damper characteristics ensures that the two devices follow each other's positions. For this purpose, a force (F c ) is calculated from the difference in position of the devices. This force is applied locally to the robot and displayed on the input device (Force Feedback, FF). The position and velocity references of the input device v I and FF are delayed in the communication channel (CC) by time delays Tf and Tb , respectively. The Time Doman Passivity Approach (TDPA) is used to stabilize the closed control loop despite communication delays. To do this, he uses passivity observers (PO) to observe the energy introduced by the CC (which can lead to instability) and dissipates excess energy via passivity controllers (PC) with variable damping α and β. To do this, the PC β impedance type dampens the force feedback, while the PC α admittance type adjusts the velocity command.

2 zeigt die Netzwerkdarstellung des in 1 beschriebenen Teleoperationssystems. Dieses Diagramm besteht aus 1- und 2-Port-Subsystemen, die über Port-Schnittstellen verbunden sind, an denen eine Kraft (force u) und ein Fluss (velocity u) gemessen werden können. Somit kann an jedem Port i ein Leistungsfluss Pi berechnet werden als P'(k) = Fi(k)vi(k) in jedem Zeitschritt k. Hinsichtlich des Vorzeichens der Leistung Pi kann festgestellt werden, ob die jeweilige Leistung in der Richtung von links nach rechts ( P L 2 R i )

Figure DE102022118180B3_0001
oder von rechts nach links ( P R 2 L i )
Figure DE102022118180B3_0002
fließt. Durch diskrete Zeitintegration lassen sich die Energien E L 2 R i  und  E R 2 L i
Figure DE102022118180B3_0003
berechnen. Damit kann die Energieerzeugung des CC in jeder Energieflussrichtung bestimmt und für die Passivitätsregelung berücksichtigt werden. 2 shows the network representation of the in 1 described teleoperation system. This diagram consists of 1 and 2 port subsystems connected via port interfaces where a force (force u) and a flow (velocity u) can be measured. Thus, at each port i, a power flow P i can be calculated as P'(k)=F i (k)v i (k) at each time step k. With regard to the sign of the power P i it can be determined whether the respective power in the direction from left to right ( P L 2 R i )
Figure DE102022118180B3_0001
or from right to left ( P R 2 L i )
Figure DE102022118180B3_0002
flows. Through discrete time integration, the energies can be E L 2 R i and E R 2 L i
Figure DE102022118180B3_0003
calculate. This means that the energy generation of the CC can be determined in every energy flow direction and taken into account for the passivity control.

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 E L 2 R 3
    Figure DE102022118180B3_0004
    des Bedieners ermittelt wird) und
  • • der Zeit t3 = t2 +Tf, zu der der Energieeintrag E L 2 R 3
    Figure DE102022118180B3_0005
    bezogen auf Fc(ti) auf der fernen Seite ankommt.
As previously discussed, even the performance (force feedback quality and position tracking) of the conventional TDPA critically degrades with increasing deceleration. With such passivity-based approaches, the problem arises from the large time difference between
  • • 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 E L 2 R 3
    Figure DE102022118180B3_0004
    of the operator is determined) and
  • • the time t 3 = t 2 +Tf at which the energy input E L 2 R 3
    Figure DE102022118180B3_0005
    relative to F c (ti) arrives on the far side.

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 5 und die Netzwerkdarstellung in 4 erläutern die Funktionsweise des TDPA-HD. Im Gegensatz zum konventionellen TDPA wird hier die von einem Kraft-Momenten-Sensor gemessene Kraft Fe am Endeffektor des Roboters zur Passivitätsüberwachung und -steuerung eingesetzt. So folgt der Roboter perfekt in freier Bewegung (wenn Fe = 0), hält aber bei einem Kontakt mit der Umgebung (t1) an, bis der Bediener den Kontakt (t2) wahrgenommen hat und die gewünschte Eingangs-/Interaktionsleistung E L 2 R 3

Figure DE102022118180B3_0006
auf der fernen Seite bei t3 angekommen ist. Dies führt zum einen zu sehr sicheren Interaktionen und der Vermeidung von harten Stößen. Darüber hinaus zeigt die Positionsverfolgung des Roboters eine sehr hohe Leistung in der freien Bewegung, da der Admittanztyp PC2 in diesen kraftlosen Phasen keine Energie abführen muss. Andererseits kann der TDPA-HD nicht verhindern, dass der Roboter erst nach f3 - t1 = tf + tb (Time-to-Interact tTI = t3 - t1) eine gewünschte Interaktion mit der Umgebung beginnt. Im TDPA-HD begrenzt der PC2 die Ausgangsenergie an Port 6 gemäß dem Energieeintrag E L 2 R 3 ( t T ƒ )
Figure DE102022118180B3_0007
in Energieflussrichtung L2R. Dabei wird E L 2 R 3
Figure DE102022118180B3_0008
aus der Eingabegerätegeschwindigkeit vI und der verzögert gemessenen Kraft FE,del auf der Bedienerseite beobachtet.This problem has been immensely reduced by the TDPA-HD for high delay telemanipulation [5]. The signal flow diagram in 5 and the network representation in 4 explain how the TDPA-HD works. In contrast to the conventional TDPA, the force F e measured by a force-torque sensor on the robot's end effector is used here for passivity monitoring and control. Thus, the robot follows perfectly in free motion (when F e = 0), but stops upon contact with the environment (t 1 ) until the operator has perceived the contact (t 2 ) and the desired input/interaction performance E L 2 R 3
Figure DE102022118180B3_0006
arrived at t 3 on the far side. On the one hand, this leads to very safe interactions and the avoidance of hard impacts. In addition, the position tracking of the robot shows a very high performance in free movement, since the PC2 admittance type does not have to dissipate any energy in these powerless phases. On the other hand, the TDPA-HD cannot prevent the robot from starting a desired interaction with the environment only after f 3 - t 1 = t f + t b (time-to-interact t TI = t 3 - t 1 ). In the TDPA-HD, the PC2 limits the output energy at port 6 according to the energy input E L 2 R 3 ( t T ƒ )
Figure DE102022118180B3_0007
in the energy flow direction L2R. In doing so E L 2 R 3
Figure DE102022118180B3_0008
observed from the input device speed v I and the delayed measured force F E,del on the operator side.

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 5). Die Position bzw. Geschwindigkeit des Eingabegeräts bleibt die Bewegungsreferenz für den roboterseitigen Kopplungsregler (Strg.), während die Kraftrückmeldung an den menschlichen Bediener durch die im VR dargestellte Interaktionskraft fVR ersetzt wird. Der Passivitätsbeobachter POL und die Passivitätsreglerdämpfung β dienen der passiven Interaktion mit dem VR. Vorliegend wird das grundlegende Konzept der modellerweiterten Energieflussreferenz vorgestellt. Möglich ist weitergehend eine Fusion von fVR und fE als Kraftrückmeldung und andere Stabilitätskontrollmechanismen für die VR-Interaktion [11], [12], auf die hier nicht näher eingegangen wird.Therefore, the interaction with a virtual model (VR) of the robot environment on the operator side is integrated into the control loop of the TDPA-HD (see signal flow diagram of 5 ). The position or speed of the input device remains the motion reference for the robot-side coupling controller (Ctrl), while the force feedback to the human operator is replaced by the interaction force f VR represented in VR. The passivity observer PO L and the passivity controller damping β are used for passive interaction with the VR. The basic concept of the model-extended energy flow reference is presented here. A further possibility is a fusion of f VR and f E as force feedback and other stability control mechanisms for the VR interaction [11], [12], which will not be discussed in detail here.

Wie in der jeweiligen Netzwerkdarstellung in 6 veranschaulicht, wird der Energieeintrag in den VR E L 2 R 3

Figure DE102022118180B3_0009
für die lokale 1-Port-Passivitätssteuerung der Interaktion mit der VR und als Energieeintragsreferenz für PC2 in L2R-Richtung verwendet.As in the respective network representation in 6 illustrated, the energy input into the VR E L 2 R 3
Figure DE102022118180B3_0009
used for 1-port local passivity control of interaction with the VR and as energy input reference for PC2 in L2R direction.

Lokale 1-Port-Passivitätssteuerung von PC1:

  • Insbesondere miss der Passivitätsbeobachter an Port 3 die Eingangs- ( E L 2 R 3 )
    Figure DE102022118180B3_0010
    und Ausgangsenergie E R 2 L 3
    Figure DE102022118180B3_0011
    des VR I-Port-Teilsystems. Die beobachtete Energie W o b s P C 1 ,
    Figure DE102022118180B3_0012
    die von PCI abgeführt werden muss, wird vorzugsweise berechnet als: W o b s P C 1 ( k ) = E L 2 R 3 ( k ) E R 2 L 3 ( k ) + W d i s s P C 1 ( k 1 ) ,
    Figure DE102022118180B3_0013
    W P C 1 d i s s ,
    Figure DE102022118180B3_0014
    unter Berücksichtigung der Energie die bereits von PCI abgeführt wurde. Insbesondere wirkt dann der Impedanztyp PCI so, dass F I ( k ) = F V R ( k ) + β ( k ) v I ( k ) ,
    Figure DE102022118180B3_0015
    β ( k ) = { W o b s P C 1 ( k ) T s v I ( k ) 2 if  W o b s P C 1 ( k ) < 0 0 if  W o b s P C 1 ( k ) 0,
    Figure DE102022118180B3_0016
    mit Abtastzeit Ts.
Local 1-port passivity control from PC1:
  • In particular, the passivity observer on port 3 measures the input ( E L 2 R 3 )
    Figure DE102022118180B3_0010
    and output energy E R 2 L 3
    Figure DE102022118180B3_0011
    of the VR I-Port subsystem. The observed energy W O b s P C 1 ,
    Figure DE102022118180B3_0012
    which must be paid by PCI is preferably calculated as: W O b s P C 1 ( k ) = E L 2 R 3 ( k ) E R 2 L 3 ( k ) + W i.e i s s P C 1 ( k 1 ) ,
    Figure DE102022118180B3_0013
    W P C 1 i.e i s s ,
    Figure DE102022118180B3_0014
    taking into account the energy already dissipated by PCI. In particular, the impedance type PCI then acts in such a way that f I ( k ) = f V R ( k ) + β ( k ) v I ( k ) ,
    Figure DE102022118180B3_0015
    β ( k ) = { W O b s P C 1 ( k ) T s v I ( k ) 2 if W O b s P C 1 ( k ) < 0 0 if W O b s P C 1 ( k ) 0,
    Figure DE102022118180B3_0016
    with sampling time T s .

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 4 nicht passiv gestaltet werden müssen. Die Schaltung mit Operator und VR kann auch mit optimalen Steuerungstheorien [11] entworfen werden, die ohne die konservative 1-Port-Passivitätssteuerung von PC1 auskommen. Die Energie, die der Operator bewusst in die VR einbringt, kann dann immer noch als Eingangsenergiereferenz auf die Roboterseite angewendet werden.Since the rendered VR force F VR is displayed on the input device instead of the measured force F E , the control circuit of the robot and the input device is an open circuit. This means that the circuits of 4 do not have to be passive. The circuit with operator and VR can also be designed with optimal control theories [11]. fen that do without the conservative 1-port passivity control of PC1. The energy that the operator consciously puts into the VR can then still be applied to the robot side as an input energy reference.

Fernpassivitätssteuerung von PC2:

  • Insbesondere wird die beobachtete Energie W o b s P C 2 ,
    Figure DE102022118180B3_0017
    die von PC2 abgeführt werden muss, berechnet als: W o b s P C 2 ( k ) = E L 2 R 3 ( k ) E L 2 R 5 ( k ) + W d i s s P C 2 ( k 1 ) ,
    Figure DE102022118180B3_0018
    unter Berücksichtigung der Energie W P C 2 d i s s ,
    Figure DE102022118180B3_0019
    die bereits von PC2 abgeführt wurde.
Remote passivity control of PC2:
  • In particular, the observed energy W O b s P C 2 ,
    Figure DE102022118180B3_0017
    which must be dissipated by PC2, calculated as: W O b s P C 2 ( k ) = E L 2 R 3 ( k ) E L 2 R 5 ( k ) + W i.e i s s P C 2 ( k 1 ) ,
    Figure DE102022118180B3_0018
    considering the energy W P C 2 i.e i s s ,
    Figure DE102022118180B3_0019
    which has already been discharged by PC2.

Je nach Wahl des Referenzsignal kann E L 2 R 3 ( k )

Figure DE102022118180B3_0020
hierbei das jeweilige gewählte Referenzsignal repräsentierten. Dann wirkt der Impedanztyp-PC1 so, dass v R ' ( k ) = v I , d e l ( k ) + β ( k ) F E ( k )
Figure DE102022118180B3_0021
β ( k ) = { W o b s P C 2 ( k ) T s F E ( k ) 2 if  W o b s P C 2 ( k ) < 0 0 if  W o b s P C 2 ( k ) 0,
Figure DE102022118180B3_0022
mit Abtastzeit Ts.Depending on the choice of reference signal can E L 2 R 3 ( k )
Figure DE102022118180B3_0020
here represent the respective selected reference signal. Then the impedance type PC1 acts so that v R ' ( k ) = v I , i.e e l ( k ) + β ( k ) f E ( k )
Figure DE102022118180B3_0021
β ( k ) = { W O b s P C 2 ( k ) T s f E ( k ) 2 if W O b s P C 2 ( k ) < 0 0 if W O b s P C 2 ( k ) 0,
Figure DE102022118180B3_0022
with sampling time T s .

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 E L 2 R 3 ( k T ƒ )

Figure DE102022118180B3_0023
von Port 3 (gemäß FVR(k - Tf) ≈ FE(k). Der PC2 wird also keine Energie abführen. Falls der Kontakt auf der Roboterseite unerwartet stattfindet (Kontakt mit einem unbekannten Objekt, das in VR nicht modelliert ist), wird die Leistungsaufnahme an Port 3 ( E ˙ L 2 R 3 ( k T ƒ ) = 0 )
Figure DE102022118180B3_0024
gleich Null ( E ˙ L 2 R 3 ( k T ƒ ) = 0 ) .
Figure DE102022118180B3_0025
Dann dämpft PC2 die Referenzgeschwindigkeit vollständig ab, so dass der Roboter vor dem Kontakt stillsteht. Man beachte, dass in dem präsentierten Open-Loop-Aufbau PC2 für die Stabilisierung der verzögerten Kopplung nicht erforderlich ist, sondern nur zum Gewährleisten der Sicherheit in Interaktionen angewendet wird.In contact situations, there will be power at port 5 due to the measured force feedback. If the contact area was modeled in VR (expected contact), PC2 will receive corresponding input power E L 2 R 3 ( k T ƒ )
Figure DE102022118180B3_0023
from port 3 (according to F VR (k - T f ) ≈ F E (k). So the PC2 will not dissipate any energy. In case the contact on the robot side happens unexpectedly (contact with an unknown object not modeled in VR) , the power consumption at port 3 ( E ˙ L 2 R 3 ( k T ƒ ) = 0 )
Figure DE102022118180B3_0024
equals zero ( E ˙ L 2 R 3 ( k T ƒ ) = 0 ) .
Figure DE102022118180B3_0025
Then PC2 dampens the reference speed completely so that the robot stands still before the contact. Note that in the presented open-loop setup, PC2 is not required for the stabilization of the delayed coupling, but is applied only to ensure safety in interactions.

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 w R l d e l

Figure DE102022118180B3_0026
(Port 5) und der Robotereferenzpose w R R r e f
Figure DE102022118180B3_0027
(Port 6) nach Passivitätskontrolle als: Δ R d r i f t ( k ) = I R W d e l ( k ) W R R r e f ( k ) .
Figure DE102022118180B3_0028
The control mechanism of PC2 (velocity reference damping) results in a position drift in the reference pose x R' with respect to the input device pose x I . Similar to the telenavigation structure in [14], this positional drift in the position of the input device in the VR must be taken into account. The drift ΔR drift is calculated from the delayed input device pose w R l i.e e l
Figure DE102022118180B3_0026
(port 5) and the robot reference pose w R R right e f
Figure DE102022118180B3_0027
(Port 6) after passivity check as: Δ R i.e right i f t ( k ) = I R W i.e e l ( k ) W R R right e f ( k ) .
Figure DE102022118180B3_0028

Daher ist die Pose w R I '

Figure DE102022118180B3_0029
des Eingabegeräts im VR: w R I ' ( k ) = w R I ( k ) Δ R d r i f t d e l ( k ) Δ R i n i t d e l ( k ) ,
Figure DE102022118180B3_0030
mit der Differenz Δ R i n i t ( k )
Figure DE102022118180B3_0031
aus initialem Eingabegerät w R I i n i t
Figure DE102022118180B3_0032
(Port 5) und Roboterbasis w R R i n i t
Figure DE102022118180B3_0033
(Port 8): Δ R i n i t ( k ) = I R W i n i t , d e l ( k ) w R R i n i t ( k ) .
Figure DE102022118180B3_0034
Hence the pose w R I '
Figure DE102022118180B3_0029
of the input device in VR: w R I ' ( k ) = w R I ( k ) Δ R i.e right i f t i.e e l ( k ) Δ R i n i t i.e e l ( k ) ,
Figure DE102022118180B3_0030
with the difference Δ R i n i t ( k )
Figure DE102022118180B3_0031
from initial input device w R I i n i t
Figure DE102022118180B3_0032
(Port 5) and robot base w R R i n i t
Figure DE102022118180B3_0033
(port 8): Δ R i n i t ( k ) = I R W i n i t , i.e e l ( k ) w R R i n i t ( k ) .
Figure DE102022118180B3_0034

Die Position w p I '

Figure DE102022118180B3_0035
des Eingabegeräts im VR wird entsprechend berechnet: w p I ' ( k ) = w p I ( k ) + Δ p d r i f t d e l ( k ) + Δ p i n i t d e l ( k ) ,
Figure DE102022118180B3_0036
mit Δ p d r i f t ( k ) = w p R r e f ( k ) w p I d e l ( k )
Figure DE102022118180B3_0037
und Δ p i n i t ( k ) = w p R i n i t ( k ) w p I i n i t , d e l ( k ) .
Figure DE102022118180B3_0038
The position w p I '
Figure DE102022118180B3_0035
of the input device in VR is calculated accordingly: w p I ' ( k ) = w p I ( k ) + Δ p i.e right i f t i.e e l ( k ) + Δ p i n i t i.e e l ( k ) ,
Figure DE102022118180B3_0036
with Δ p i.e right i f t ( k ) = w p R right e f ( k ) w p I i.e e l ( k )
Figure DE102022118180B3_0037
and Δ p i n i t ( k ) = w p R i n i t ( k ) w p I i n i t , i.e e l ( k ) .
Figure DE102022118180B3_0038

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.

7 zeigt eine Netzwerkdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens im Rahmen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuatorsystems 10 für die Teleaktuierung, wobei die Darstellung auf der Netzwerkdarstellung aus 6 basiert. Das Aktuatorsystems 10 weist eine Operatorseite 11 und eine Roboterseite 13 auf, die über einen verzögerungs- und/ verlustbehafteten Übertragungskanal 20 miteinander verbunden sind. Die Elemente des Aktuatorsystems 10 sind signalübertragend, insbesondere energie- und/oder leistungsübertragend, über Ports 30i - 30ix miteinander verbunden. 7 shows a network representation of a further embodiment of a control method according to the invention within the scope of an embodiment of an actuator system 10 according to the invention for tele-actuation, the representation being based on the network representation 6 based. The actuator system 10 has an operator side 11 and a robot side 13, which has a delay and / lossy transmission supply channel 20 are connected to each other. The elements of the actuator system 10 are connected to one another via ports 30 i - 30 ix to transmit signals, in particular to transmit energy and/or power.

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 actuator system 10 has an input device 14 via which an operator 12 can command movement commands. A first passivity controller 16 is connected to the input device 14 in a signal-transmitting manner. A virtual model 18 embodied as a VR is in turn connected to the passivity controller 16 .

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 model 18 is a modeling of the environment 28 of the robot 26, in particular a telerobot, which is used to identify or predict whether the robot 26 will come into contact with the environment 28 as a result of the movement command. In the simplest case, this can be represented in particular by a boolean 1/0. In the event of an expected contact, an energy E 1 is transmitted to the robot side 13, which the robot 26 may apply to the environment 28. A coupling controller 24 is connected in a signal-transmitting manner to the robot 26 .

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 robot side 13, by adjusting one or more signals on the robot side 13, it is ensured that no more energy than E 1 is applied to the environment.

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 VR 18 from left to right. In particular, E 2 flows from right to left out of VR 18 and is ignored. The direction of power flow can be determined by the sign of the power.

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 robot side 13 is ensured by eradication/dissipation, for example by reducing the setpoint speed at port 5/6 and/or by reducing the force commanded to the robot 26 at port 8 (not shown here) that the energy , which flows in the direction of the environment 28, does not exceed E 1,del , ie the delayed energy E 1 .

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 robot side 13 is preferably determined from E 3,del and E 1,del , for example the maximum value of both energies and/or a weighted sum can be selected.

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 operator 12 can preferably specify the energy E 1 intuitively via force feedback from F VR on the input device 14 . Alternatively or additionally, a purely visual specification is possible.

Mit dem Übertragungskanal 20 ist ein zweiter Passivitätsregler 22 signalübertragend verbunden.A second passivity regulator 22 is connected to the transmission channel 20 in a signal-transmitting manner.

Claims (15)

Regelungsverfahren für die Teleaktuierung, insbesondere für die Telerobotik, zur Steuerung eines Aktuatorsystems, wobei das Aktuatorsystem aufweist: - einen Realaktuator in einer Realumgebung, und - ein, einen Modelaktuator und eine Modelumgebung aufweisendes, insbesondere virtuelles, Model des Realaktuators in der Realumgebung; wobei das Regelungsverfahren die Schritte aufweist: - 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.Control method for teleactuation, in particular for telerobotics, for controlling an actuator system, the actuator system having: - a real actuator in a real environment, and - a, a model actuator and a model environment having, in particular virtual, model of the real actuator in the real environment; wherein the regulation method comprises the steps: - 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. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Referenzsignal um eine Referenzenergie E1 und/oder eine Referenzleistung handelt.regulatory procedure claim 1 , characterized in that the reference signal is a reference energy E 1 and/or a reference power. Regelungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung eine Energieübertragung zwischen Realaktuator und Realumgebung mit einer Energie von maximal E1, insbesondere von E1 erfolgt.regulatory procedure claim 2 , characterized in that 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 of E 1 . Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Steuerungssignal um eine Eingabegeschwindigkeit vI und/oder eine Kraft handelt.Regulatory procedure according to one of Claims 1 - 3 , characterized in that the control signal is an input speed v I and/or a force. Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anpassen des Steuerungssignals ein teilweises oder vollständiges Eleminieren des Steuerungssignal bei Feststellen einer erfassten Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung, die nicht der erfassten Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung entspricht, insbesondere bei Feststellen einer erfassten Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung bei gleichzeitig fehlender Erfassung einer Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung, erfolgt.Regulatory procedure according to one of Claims 1 - 4 , characterized in that when adjusting the control signal, a partial or complete elimination of the control signal upon detection of a detected interaction of the real actuator with the real environment that does not correspond to the detected interaction of the model actuator with the model environment, in particular upon detection of a detected interaction of the real actuator with the real environment at the same time missing Detection of an interaction of the model actuator with the model environment takes place. Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anpassen des Steuerungssignals ein unverändertes Weiterleiten des Steuerungssignal bei fehlender Erfassung einer Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung erfolgt.Regulatory procedure according to one of Claims 1 - 5 , characterized in that when the control signal is adapted, the control signal is forwarded unchanged if no interaction of the real actuator with the real environment is detected. Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch ein Ermitteln des Referenzsignals aus einer vom Model erfassten Modelinteraktionskraft FVR und einer bereitgestellten Eingabegeschwindigkeit vI.Regulatory procedure according to one of Claims 1 - 6 , characterized by determining the reference signal from a model interaction force F VR detected by the model and a provided input speed v I . Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch ein Regeln, insbesondere mittels Tilgung und/oder Dissipation, des an den Realaktuator kommandieren Steuerungssignals derart, dass eine vom Realaktuator auf die Realumgebung abgegebene Energie ≤ der Referenzenergie E1, insbesondere der verzögerten Referenzenergie E1,del, ist.Regulatory procedure according to one of Claims 1 - 7 , characterized by regulating, in particular by means of cancellation and/or dissipation, of the control signal commanded to the real actuator in such a way that energy emitted by the real actuator to the real environment is ≤ the reference energy E 1 , in particular the delayed reference energy E 1,del . Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-8, gekennzeichnet durch ein Regeln, insbesondere mittels Tilgung und/oder Dissipation, des an den Realaktuator kommandieren Steuerungssignals anhand der Referenzenergie E1, insbesondere der verzögerte Referenzenergie E1,del, und einer erfassten Aktuatorenergie E3, insbesondere erfassten verzögerten Aktuatorenergie E3,del, zwischen Realaktuator und Realumgebung.Regulatory procedure according to one of Claims 1 - 8th , characterized by regulating, in particular by means of cancellation and/or dissipation, of the control signal commanded to the real actuator using 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. Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorsystem ferner ein, vorzugsweise ein Eingabegerät aufweisendes, Steuerungsgerät zur Steuerung des Realaktuators und/oder des Modelaktuators aufweist.Regulatory procedure according to one of Claims 1 - 9 , characterized in that the actuator system also has a control device, preferably having an input device, for controlling the real actuator and/or the model actuator. Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch ein Anpassen, vorzugsweise Resetten, des Referenzsignals, insbesondere der Referenzenergie E1, und/oder einer erfassten Aktuatorenergie E3 bei fehlender Erfassung einer Interaktion des Modelaktuators mit der Modelumgebung sowie fehlender Erfassung einer Interaktion des Realaktuators mit der Realumgebung.Regulatory procedure according to one of Claims 1 - 10 , characterized by adjusting, preferably resetting, the reference signal, in particular the reference energy E 1 , and/or a detected actuator energy E 3 in the absence of detection of an interaction of the model actuator with the model environment and failure to detect an interaction of the real actuator with the real environment. Regelungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anpassen des Referenzsignals insbesondere der Referenzenergie E1, und/oder der erfassten Aktuatorenergie E3, ein Nullsetzen der Referenzenergie E1 und/oder der Aktuatorenergie E3, oder ein Gleichsetzen der Referenzenergie E1 und der Aktuatorenergie E3, oder ein Annähern der Referenzenergie E1 und der Aktuatorenergie E3 erfolgt.regulatory procedure claim 11 , characterized in that when the reference signal is adjusted, 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, or the reference energy E 1 and the actuator energy E 3 , or an approximation of the reference energy E 1 and the actuator energy E 3 takes place. Aktuatorsystem, insbesondere für die Teleaktuierung, mit - einen Realaktuator in einer Realumgebung, und - ein, einen Modelaktuator und eine Modelumgebung aufweisendes, insbesondere virtuelles, Model des Realaktuators in der Realumgebung, wobei das Aktuatorsystem ausgeführt ist 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.Actuator system, especially for teleactuation, with - 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, in particular a virtual one, the actuator system being designed for: - 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. Aktuatorsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorsystem eingerichtet ist zur Ausführung des Regelungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1-12.actuator system Claim 13 , characterized in that the actuator system is set up to carry out the control method according to one of Claims 1 - 12 . Roboter, insbesondere Teleroboter, mit einem Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 13-14 und/oder eingerichtet zur Ausführung des Regelungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1-12.Robots, in particular telerobots, with an actuator system according to one of Claims 13 - 14 and/or set up to carry out the control method according to one of Claims 1 - 12 .
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