DE102023101809B3 - Aktuatorsystem sowie Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem - Google Patents

Abstract

Aktuatorsystem (10) mit einem Aktuator, und einem Aktuatorregler (14) mit einer Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit zur Übertragung einer Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Kraft zur Steuerung des Aktuators, wobei der Aktuatorregler (14) ausgebildet ist zur Anpassung der Federsteifigkeit, anhand eines erfassten Energiewerts des Aktuatorsystems (10), wobei die Federsteifigkeit während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst wird, und wobei zur Anpassung der Federsteifigkeit zumindest ein Teil des erfassten Energiewerts verzögert berücksichtig wird. Ferner ein Verfahren zur Steifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem (10).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Aktuatorsystem sowie ein Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem.
• In der Robotik werden verschiedene Stabilisierungsverfahren eingesetzt. Die meisten Regler werden im Frequenzbereich ausgelegt und führen zu einer konstanten Reglerparametrierung (Steifigkeit, Dämpfung). Regler, die im Zeitbereich arbeiten, also zum Beispiel das Energieverhalten des Systems über die Laufzeit beobachten und spontan bei Bedarf Energie dissipieren um das System zu stabilisieren, führen meist zu höherer Performanz als Regler die im Frequenzbereich ausgelegt wurden. Jedoch geschieht die Regelung im Zeitbereich nicht vorausschauend, so dass bei Bedarf spontan Energie dissipiert werden muss. Dies geschieht meist durch eine Reduzierung der kommandierten Kraft oder Geschwindigkeit.
• Die vor Kurzem eingeführte energie-basierte Regelung in der Domäne der Federauslenkung (DDPA) führt zu einer vorausschauenden Dissipation und dadurch zu weniger abrupten Änderungen des Kraft- oder Geschwindigkeitskommandos. Das DDPA Regelungskonzept wurde bisher verwendet, um Passivität und somit Stabilität unter gewollt variablen Steifigkeiten zu garantieren. Dafür wird der Energieinhalt des Positionsreglers über die Zeit hinweg beobachtet. Je nach zur Verfügung stehender Energie wird die Steifigkeit während der Reduzierung der Federauslenkung so limitiert, dass insgesamt über die gesamte Phase der Federauslenkung hinweg keine Energie generiert wird.
• Eine Regelung im Zeitbereich führt im Gegensatz potentiell zu plötzlicher vollständiger Aufhebung der Positionskopplung.
• Dieser Ansatz zur energiebasierten Regelung in der Domäne der Federauslenkung kann auf Energien erweitert werden, die nicht in direktem Zusammenhang mit dem Energieinhalt des Positionsreglers stehen. So kann unter diesem Regelungsprinzip gemäß der Teleoperation eine lokale und eine verzögerte Energiequelle berücksichtigt werden, so dass die Passivitätsregelung von unter Zeitverzögerung gekoppelten Systemen vorausschauender und kontinuierlicher gestaltet werden kann.
• DE 20 2019 001 448 U1 lehrt ein Aktuatorsystem mit einem Regler, der ausgebildet ist in Abhängigkeit einer übertragenen Soll-Energie eine Dämpfung eines Roboteraktuators zu regeln.
• DE 10 2020 113 409 A1 lehrt eine Gradienten-basierte Methode für die Kräfteregulierung in der Teleoperation.
• DE 10 2021 111 413 B3 zeigt ein Aktuatorsystem sowie Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem aus dem Stand der Technik.
• Ansätze des Stands der Technik weisen insbesondere eine nachteilige Performance sowie ein nachteiliges Kopplungsverhalten auf.
• Weiterer relevanter Stand der Technik zu der vorliegenden Erfindung ist in DE 10 2020 121 561 B3 , DE 10 2020 115 294 A1 , DE 10 2016 004 841 B4 , US 2022 / 0 184 803 A1 und US 2015 / 0 202 775 A1 beschrieben.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein optimiertes Aktuatorsystem sowie ein optimiertes Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem zu schaffen, wobei insbesondere das Kopplungsverhalten und/oder die Performance verbessert ist.
• Die Lösung der Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß durch ein Aktuatorsystem gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem nach Anspruch 2.
• Bei dem erfindungsgemäßen Aktuatorsystem handelt es sich insbesondere um ein Roboteraktuatorsystem. Bevorzugt handelt es sich um ein Aktuatorsystem für die Teleaktuierung. Das Aktuatorsystem weist vorzugsweise einen Aktuator, insbesondere einen Roboteraktuator, auf. Bei dem Aktuator kann es sich beispielsweise um einen Slave in einer Master-Slave-Konfiguration handeln. Der Aktuator ist vorzugsweise ausgestaltet zur Ausführung einer Bewegung, die durch ein Positionskommando vorgegeben wurde. Möglich ist es bspw., dass das Positionskommando durch eine Benutzereingabe, insbesondere an einem Benutzeraktuator des Aktuatorsystem, erfolgt. Das Positionskommando, bspw. die Benutzereingabe, wird vorzugsweise über einen Benutzeraktuator des Aktuatorsystems erzeugt. Bei dem Benutzeraktuator kann es sich beispielsweise um einen Master in einer Master-Slave-Konfiguration handeln. Bevorzugt weist das Aktuatorsystem einen Übertragungskanal zur Übertragung des Positionskommandos an den Aktuator, insbesondere Roboteraktuator auf. Vorzugsweise ist der Übertragungskanal zwischen dem Aktuator, insbesondere Roboteraktuator, und dem Benutzeraktuator angeordnet. Der Übertragungskanal ist vorzugsweise zur Übertragung einer Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Kraft zur Steuerung des Aktuators ausgeführt. Der Übertragungskanal weist vorzugsweise eine Zeitverzögerung, insbesondere mit einer Übertragungszeit, auf. Das Aktuatorsystem weist einen, insbesondere virtuellen, Aktuatorregler mit einer Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit, K_K, auf. Bei der Feder kann es sich um eine virtuelle oder eine physische Feder handeln. Der Aktuatorregler ist insbesondere zur Umsetzung eines Positionskommandos ausgeführt. Vorzugsweise ist der Aktuatorregler zur Übertragung, insbesondere Umsetzung, einer Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Kraft zur Steuerung des Aktuators ausgeführt. Bei dem Aktuatorregler kann es sich bspw. um einen koppelnden Aktuatorregler handeln. Der Aktuatorregler ist ausgebildet zur Anpassung der Federsteifigkeit. Die Anpassung der Federsteifigkeit erfolgt insbesondere zur Umsetzung eines passiven und/oder stabilen Verhaltens des Aktuatorsystems. Der Aktuatorregler ist ausgeführt die Anpassung der Federsteifigkeit anhand eines, bspw. am Aktuatorregler, erfassten Energiewerts des Aktuatorsystems durchzuführen. Zur Anpassung der Federsteifigkeit wird zumindest ein Teil des erfassten Energiewerts verzögert, insbesondere zeitverzögert, berücksichtigt. Bevorzugt wird somit zur Anpassung der Federsteifigkeit eine, insbesondere zeitliche, Verzögerung des erfassten Energiewerts berücksichtigt. Bei der Anpassung der Federsteifigkeit wird insbesondere die Übertragungszeit des Aktuatorsystems, vorzugsweise des Übertragungskanals des Aktuatorsystems, einbezogen. Der erfasste Energiewert weist bspw. eine potentielle Energie und/oder eine dissipierte Energie des Aktuatorsystems auf, besteht vorzugsweise daraus. Bei dem Energiewert der potentiellen Energie handelt es sich insbesondere um einen Energieeintrag in den Aktuatorregler. Bei dem Energiewert der dissipierten Energie handelt es sich insbesondere um die Energie einer, vorzugsweise virtuellen, Dämpfung, z. B. in einem Reglerkreis des Aktuatorsystems. Es ist insbesondere möglich, dass der Aktuatorregler ausgeführt ist, den Energiewert kontinuierlich zu erfassen. Der Aktuatorregler kann bspw. zur Messung des Energiewerts ausgeführt sein. Die Federsteifigkeit, insbesondere der Verlauf der Federsteifigkeit, wird während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst. Bei der Anpassung über die Auslenkung hinweg erfolgt insbesondere zumindest eine teilweise kontinuierliche Anpassung. Die Anpassung der Federsteifigkeit erfolgt vorzugsweise bis zum Ende der Federauslenkung. Möglich ist es, alternativ oder zusätzlich, dass die Anpassung der Federsteifigkeit ab Beginn der Federauslenkung erfolgt. Durch das erfindungsgemäße Aktuatorsystem ist insbesondere vorteilhaft ein passives und/oder stabiles Verhalten umgesetzt.
• Vorzugsweise ist weiterhin durch das erfindungsgemäße Aktuatorsystem der Vorteil gegeben, dass die Anpassung, insbesondere Limitierung, der Federsteifigkeit einen gewünschten Wert, bspw. 0, nicht unterschreitet. Bevorzugt ist mit dem Aktuatorregler eine Energieüberwachungseinrichtung verbunden und/oder der Aktuatorregler weist eine Energieüberwachungseinrichtung auf. Die Energieüberwachungseinrichtung ist insbesondere ausgebildet zur Überwachung der Energien. Die Energieüberwachungseinrichtung kann bevorzugt eine Energiebeobachtungsvorrichtung aufweisen. Insbesondere wird durch die Energiebeobachtungsvorrichtung die Energie des Systems verwaltet, d.h. durch die Energiebeobachtungsvorrichtung wird vermerkt, wieviel Energie über den Benutzeraktuator und/oder den Roboteraktuator eingebracht wurde. Ferner wird durch die Energiebeobachtungsvorrichtung insbesondere sichergestellt, dass eine Information über die eingebrachte Energie und/oder eine Information über zusätzliche unerwünschte Energie, welche beispielweise durch die Zeitverzögerung eines Übertragungskanal verursacht wird, erfasst und/oder verarbeitet wird, wobei die Information insbesondere an mindestens einen, Passivitätsregler weitergeleitet und sodann durch diesen dissipiert wird, so dass stets die Passivität und damit die Stabilität des Aktuatorsystems gewährleistet ist.
• In bevorzugter Ausführung ist der Aktuatorregler zur Limitierung der Federsteifigkeit ausgeführt. Beispielsweise kann der Aktuatorregler zur Festlegung einer maximalen und/oder minimalen Federsteifigkeit ausgeführt sein. Besonders bevorzugt ist es, dass die Limitierung der Federsteifigkeit derart erfolgt, dass die Federsteifigkeit niemals 0 ist, insbesondere stets > 0 ist. Möglich ist es, dass zur Limitierung der Federsteifigkeit das Prinzip der Just-Noticeable-Difference (JND), vorzugsweise zur Festlegung des Minimalwerts, genutzt wird.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem handelt es sich bevorzugt um ein Verfahren zur Steifigkeitsanpassung in einem Roboteraktuatorsystem, vorzugsweise zur Teleaktuierung. Das Verfahren wird vorzugsweise mit einem Aktuatorsystem mit einem oder mehreren der Merkmale des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems ausgeführt.
• Das Verfahren weist den Schritt der Erfassung eines Energiewerte des Aktuatorsystems auf. Der erfasste Energiewert weist bspw. eine potentielle Energie und/oder eine dissipierte Energie des Aktuatorsystems auf, besteht vorzugsweise daraus. Bei dem Energiewert der potentiellen Energie handelt es sich insbesondere um einen Energieeintrag in einen Aktuatorregler des Aktuatorsystem. Bei dem Energiewert der dissipierten Energie handelt es sich insbesondere um die Energie einer, vorzugsweise virtuellen, Dämpfung, z. B. in einem Reglerkreis des Aktuatorsystems. Es ist bevorzugt, dass die Erfassung des Energiewerts mit einem Aktuatorregler des Aktuatorsystems erfolgt, wobei der Aktuatorregler insbesondere ausgeführt ist wie der Aktuatorregler des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems. Ein weiterer Schritt des Verfahrens besteht in der Anpassung einer Steifigkeit eines, insbesondere virtuellen, Aktuatorreglers des Aktuatorsystems. Der Aktuatorregler weist insbesondere mindestens eine, vorzugsweise virtuelle und/oder physische Feder auf. Der Aktuatorregler ist insbesondere ausgeführt wie der Aktuatorregler des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems. Die Anpassung der Steifigkeit erfolgt anhand des erfassten Energiewerts, insbesondere anhand der erfassten potentiellen Energie und/oder dissipierten Energie. Es ist bevorzugt, dass der erfasste Energiewert als Referenzwert für die Anpassung der Federsteifigkeit genutzt wird. Die Federsteifigkeit, insbesondere der Verlauf der Federsteifigkeit, wird während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst. Bei der Anpassung über die Auslenkung hinweg erfolgt insbesondere, zumindest teilweise kontinuierliche Anpassung. Die Anpassung der Federsteifigkeit erfolgt vorzugsweise bis zum Ende der Federauslenkung. Möglich ist es, alternativ oder zusätzlich, dass die Anpassung der Federsteifigkeit ab Beginn der Federauslenkung erfolgt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft ein passives und/oder stabiles Verhalten umgesetzt. Vorzugsweise ist weiterhin durch das erfindungsgemäße Verfahren der Vorteil gegeben, dass die Anpassung, insbesondere Limitierung, der Federsteifigkeit einen gewünschten Wert, bspw. 0, nicht unterschreitet. Zur Anpassung der Federsteifigkeit wird zumindest ein Teil des erfassten Energiewerts verzögert, insbesondere zeitverzögert, berücksichtigt. Bevorzugt wird somit zur Anpassung der Federsteifigkeit eine, insbesondere zeitliche, Verzögerung des erfassten Energiewerts berücksichtigt. Insbesondere wird eine Übertragungszeit des Aktuatorsystems, vorzugsweise eines Übertragungskanals des Aktuatorsystems, bei der Anpassung der Federsteifigkeit einbezogen.
• Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich insbesondere von der Lehre der DE 10 2021 111 413 A1 durch Nutzung einer Verzögerung der erfassten Energie, die sich Rahmen der Erfindung überraschend vorteilhaft herausgestellt hat.
• Insbesondere vorteilhaft an der vorliegenden Erfindung, bevorzugt dem erfindungsgemäßen Aktuatorsystem und/oder erfindungsgemäßen Verfahren, ist, dass die Energie, die im Sinne der Stabilität dissipiert werden muss, vorausschauend dissipiert werden kann, wobei hierzu vorzugsweise die Anpassung der Steifigkeit genutzt wird.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems weist der erfasste Energiewert eine Eingangsenergie des Aktuatorsystems und/oder eine Ausgangsenergie des Aktuatorsystems auf. Bei der Eingangsenergie handelt es sich insbesondere um eine vom Benutzeraktuator in den Aktuatorregler bevorzugt verzögert eingehende Energie und/oder um eine von dem Aktuator, bevorzugt Roboteraktuator, in den Aktuatorregler eingehende Energie. Bei der Ausgangsenergie handelt es sich insbesondere um eine aus dem Aktuatorregler bevorzugt verzögert zum Benutzeraktuator ausgehende, vorzugsweise darauf einwirkende, Energie und/oder um eine aus dem Aktuatorregler auf den Aktuator, bevorzugt Roboteraktuator, ausgehende, Energie.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems weist der erfasste Energiewert einen vordefinierten Anteil der Eingangsenergie und/oder der Ausgangsenergie auf.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems entspricht der vordefinierte Anteil µ-1, wobei µ ein Wert aus dem Intervall [0, 1], bevorzugt ein Wert aus dem Intervall (0, 0.5] ist.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems wird der vordefinierte Anteil während der Übertragung des Energiewerts variiert.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems weist der erfasste Energiewert eine gemessene Energie und/oder eine simulierte Energie auf. Mit anderen Worten weist der Energiewert eine reale und/oder virtuelle Energie auf.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems weist der erfasste Energiewert eine potentielle Energie und/oder eine dissipierte Energie des Aktuatorsystems auf.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei der Anpassung der Federsteifigkeit eine Limitierung der Federsteifigkeit.
• Beispielsweise kann eine maximale und/oder minimale Federsteifigkeit festgelegt werden. Besonders bevorzugt ist es, dass die Limitierung der Federsteifigkeit derart erfolgt, dass die Federsteifigkeit niemals 0 ist, insbesondere stets > 0 ist. Bei der zu limitierenden Federsteifigkeit handelt es sich insbesondere um eine Basisfedersteifigkeit. Möglich ist es, dass zur Limitierung der Federsteifigkeit das Prinzip der Just-Noticeable-Difference (JND), vorzugsweise zur Festlegung des Minimalwerts, genutzt wird.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems weist das Aktuatorsystem eine anpassbare, insbesondere physische und/oder virtuelle, Federsteifigkeit auf. Es ist bevorzugt, dass das Aktuatorsystem mindestens eine virtuelle und/oder physische Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit aufweist.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems erfolgt die Anpassung der Federsteifigkeit während der Verringerung der Auslenkung der Feder und/oder während der Erhöhung der Auslenkung der Feder.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems wird der erfasste Energiewert bei einer minimalen Auslenkung, insbesondere δ_min, der Feder auf einen Ausgangswert zurückgesetzt. Bei der minimalen Auslenkung handelt es sich insbesondere um eine Auslenkung von im Wesentlichen 0. Möglich ist es, dass es sich bei der minimalen Auslenkung, bspw. aufgrund von Messrauschen, um eine minimale Auslenkung bezogen auf eine Totzone, bspw. |δ| = δ_min, handelt. Der Ausgangswert ist vorzugsweise 0. Eine zunehmende Auslenkung wird auch Pushing-Phase und eine abnehmende Auslenkung Releasing-Phase genannt. Eine Ermittlung der entsprechenden Auslenkung ist durch eine Ableitung der Auslenkung möglich. Es ist bevorzugt, die Detektion der Pushing- und Releasing-Phase zu filtern. Die Filterung betrifft hierbei vorzugsweise einen Auslenkungswechsel der über einen vordefinierten Zeitraum vorliegt und/oder einen vordefinierten Schwellwert überschreitet.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems wird die Federsteifigkeit der Feder bei einer minimalen Auslenkung, insbesondere δ_min, der Feder auf eine Basissteifigkeit geändert. Bei der minimalen Auslenkung handelt es sich insbesondere um eine Auslenkung von im Wesentlichen 0. Möglich ist es, dass es sich bei der minimalen Auslenkung, bspw. aufgrund von Messrauschen, um eine minimale Auslenkung bezogen auf eine Totzone, bspw. |δ| = δ_min, handelt. Die Basissteifigkeit, K_des, entspricht vorzugsweise einer vordefinierten Federsteifigkeit. Die Basissteifigkeit ist vorzugsweise > 0. Eine zunehmende Auslenkung wird auch Pushing-Phase und eine abnehmende Auslenkung Releasing-Phase genannt. Es ist bevorzugt, die Detektion der Pushing- und Releasing-Phase zu filtern. Die Filterung betrifft hierbei vorzugsweise einen Auslenkungswechsel der über einen vordefinierten Zeitraum vorliegt und/oder einen vordefinierten Schwellwert überschreitet. Bevorzugt wird durch den Aktuatorregler die Umsetzung der Basissteifigkeit limitiert.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems erfolgt die Anpassung der Federsteifigkeit, über eine lineare oder eine nichtlineare Funktion. Diese Anpassung über eine lineare oder eine nichtlineare Funktion erfolgt vorzugsweise während der Releasing-Phase, insbesondere sobald die Releasing-Phase detektiert wurde. Bevorzugt erfolgt diese Anpassung sobald die Releasing-Phase detektiert wurde, insbesondere während der, vorzugsweise gesamten, Releasing-Phase.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems ergibt sich der erfasste Energiewert zu: $$\begin{array}{l}{E}_{st}^{*}\left(k\right)=E_{st}^{*}\left(k-1\right)+\left(1-\mathrm{\mu }\right)\left(E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}\right)-E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}-1\right)\right)+E_{R2L}^3\left(k\right)-E_{R2L}^3\left(k-1\right)\\ -P_{R2L,des}^{*}\left(k-1\right)T_S-P_{L2R,des}^{*}\left(k-1\right)T_S\end{array}$$

  

  wobei:
• $E_{st}^{*}\left(k\right)$
  
  die erfasste Energie zum Zeitschritt k,
• $E_{st}^{*}\left(k-1\right)$
  
  die erfasste Energie zum Zeitschritt k-1,
• T_f die Übertragungszeit von einer ersten Seite (16) des Aktuatorsystems (10), insbesondere der Seite eines Benutzeraktuators, zu einer zweiten Seite (18) des Aktuatorsystems (10), insbesondere der Seite des Aktuators des Aktuatorsystems (10),
• $E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}\right),$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k - T_f von der ersten Seite (16) des Aktuatorsystems (10) in Richtung des Aktuatorreglers (14), insbesondere an einem Port 1,
• $E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}-1\right),$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k - T_f - 1 von der ersten Seite (16) des Aktuatorsystems (10) in Richtung des Aktuatorreglers (14) insbesondere an einem Port 1,
• $E_{R2L}^3\left(k\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k von der zweiten Seite (18) in Richtung des Aktuatorreglers (14) insbesondere an einem Port 3,
• $E_{R2L}^3\left(k-1\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k-1 von der zweiten Seite (18) in Richtung des Aktuatorreglers (14) insbesondere an einem Port 3,
• $P_{R2L,des}^{*}\left(k-1\right)$
  
  eine, insbesondere festgelegte, maximal erlaubte Austrittsleistung zum Zeitschritt k-1 vom Aktuatorregler (14) in Richtung der ersten Seite (16), und
• $P_{L2R,des}^{*}\left(k-1\right)$
  
  eine, insbesondere festgelegte, maximal erlaubte Austrittsleistung zum Zeitschritt k-1 vom Aktuatorregler (14) in Richtung der zweiten Seite (18) ist.
• „L2R“ bezeichnet die Energie (E) bzw. Leistung (P) „von-links-nach-rechts“ und „R2L“ die die Energie (E) bzw. Leistung (P) „von-rechts nach links“. Diese Bezeichnungen geben die entsprechenden Flussrichtungen an.
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems gilt zumindest eins, insbesondere alle der folgenden:
• $E_{L2R}^1$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{L2R}^1,$
  
  $E_{L2R}^3$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{L2R}^3,$
  
  $E_{R2L}^1$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{R2L}^1,$
  
  und
• $E_{R2L}^3$
  
  ergibt sich aus der zeitdiskreten Integration der Leistung $P_{R2L}^3,$
  
  wobei:
  • $P_{L2R}^1$
    
    die Leistung zum entsprechenden Zeitschritt k von einer ersten Seite des Aktuatorsystems, insbesondere der Seite eines Benutzeraktuators, zu dem Aktuatorregler, insbesondere an einem Port 1,
  • $P_{R2L}^1$
    
    die Leistung zum entsprechenden Zeitschritt vom Aktuatorregler zu der ersten Seite insbesondere an einem Port 1,
  • $P_{L2R}^3$
    
    die Leistung zum entsprechenden Zeitschritt vom Aktuatorregler zu einer zweiten Seite des Aktuatorsystems, insbesondere der Seite des Aktuators des Aktuatorsystems, insbesondere an einem Port 3, und
  • $P_{R2L}^3$
    
    zum entsprechenden Zeitschritt von der zweiten Seite zum Aktuatorregler ist, insbesondere an einem Port 3.
• Die Leistung wird vorzugsweise ermittelt nach P_i = v_iF_i, mit der jeweiligen Geschwindigkeit v_i und der jeweiligen Kraft F_i gemäß der entsprechenden Flussrichtung, wobei die Leistung (P_i) nach Vorzeichen den Flussrichtungen zugewiesen wird, gem. L2R bzw. R2L. Bei der Geschwindigkeit v_i handelt es sich insbesondere um die des jeweiligen Aktuators oder die Ableitung des Positionskommandos und bei der Kraft F_i um die des Aktuatorreglers. Da P_i hier positiv definiert ist, werden insbesondere Leistungen mit negativen Vorzeichen einer Flussrichtung zugeordnet und dann als Absolutwert einbezogen, insbesondere also multipliziert mit -1.
• Die maximal erlaubte Austrittsleistung $P_{R2L,des}^{*}\left(k\right)$

  

  und/oder die maximal erlaubte Austrittsleistung $P_{L2R,des}^{*}\left(k\right)$

  

  ergeben sich insbesondere zu: $$P_{R2L,des}^{*}\left(k\right)=\{\begin{array}{c}{P}_{R2L}^2\left(k\right)+P_{exc}^{*}\frac{P_{R2L}^2\left(k\right)}{P_{out}^{act}\left(k\right)},falls\frac{E_{st}^{*}\left(k\right)}{T_S}<P_{out}^{act}\left(k\right)\\ P_{R2L}^1,falls\frac{E_{st}^{*}\left(k\right)}{T_S}>P_{out}^{act}\left(k\right),\end{array}$$

  

  und $${\text{P}}_{\text{L2R}\text{,des}}^{\text{*}}\left(\text{k}\right)=\{\begin{array}{c}{\text{P}}_{\text{L2R}}^{\text{3}}\left(\text{k}\right)+{\text{P}}_{\text{exc}}^{\text{*}}\frac{{\text{P}}_{\text{L2R}}^{\text{3}}\left(\text{k}\right)}{{\text{P}}_{\text{out}}^{\text{act}}\left(\text{k}\right)}\text{,falls}\frac{{\text{E}}_{\text{st}}^{\text{*}}\left(\text{k}\right)}{{\text{T}}_{\text{S}}}<{\text{P}}_{\text{out}}^{\text{act}}\left(\text{k}\right)\\ {\text{P}}_{\text{L2R}}^{\text{2}}\text{,falls}\frac{{\text{E}}_{\text{st}}^{\text{*}}\left(\text{k}\right)}{{\text{T}}_{\text{S}}}>{\text{P}}_{\text{out}}^{\text{act}}\left(\text{k}\right)\text{,}\end{array},$$

  

  mit $$P_{out}^{act}\left(k\right)=P_{R2L}^2\left(k\right)+P_{L2R}^3\left(k\right).$$

  
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems erfolgt bei der Anpassung der Federsteifigkeit (K_K) insbesondere eine Limitierung gemäß: $$\begin{array}{l}{K}_{lim}^{pol}\left(\delta \right)=\frac{K_{k1}-K_{zero}-\frac{3E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)}{{\delta }_{k1}^2}+\frac{3K_{zero}}{2}}{{\delta }_{k1}^d\left(1-\frac{3}{d+2}\right)}{\delta }^d\\ +\frac{E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)-\frac{a}{d+2}{\delta }_{k1}^{d+2}-\frac{K_{zero}}{2}{\delta }_{k1}^2}{\frac{1}{3}{\delta }_{k1}^3}\delta +K_{zero},\end{array}$$

  

  mit: $$a=\frac{K_{k1}-c-\frac{3E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)}{{\delta }_{k1}^2}+\frac{3c}{2}}{{\delta }_{k1}^d\left(1-\frac{3}{d+2}\right)},$$

  

  $$b=\frac{E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)-\frac{a}{d+2}{\delta }_{k1}^{d+2}-\frac{c}{2}{\delta }_{k1}^2}{\frac{1}{3}{\delta }_{k1}^3},$$

  

  $$c=K_{zero}.$$

  

  wobei:
• $E_{st}^{*}$
  
  die erfasste Energie;
• δ die Federauslenkung;
• k1 der Zeitpunkt der Berechnung von $K_{lim}^{pol}$
  
  und damit der Zeitpunkt, in dem K_k1 = K_c, $E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)=E_{st}^{*}\left(k1\right)$
  
  und ${\delta }_{k1}=\delta \left(k1\right)$
  
  erfasst werden;
• K_Zero eine Wunschsteifigkeit bei einer Federauslenkung von 0; und
• d ein beliebiger Exponent ist.
• K_zero ist insbesondere gleich K_min, wobei K_min die minimale Federsteifigkeit ist.
• * wird bei jeder Auslenkung berechnet.
• Vorzugsweise wird durch die nicht-lineare Funktion $K_{lim}^{pol}\left(\delta \right),$

  

  , die insbesondere bei jeder Auslenkung berechnet wird, sichergestellt, dass $E_{st}^{*}\left(k\right)\ge 0.$

  
• In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuatorsystems weist der Aktuator des Aktuatorsystems und/oder der Benutzeraktuator einen oder mehr als einen Freiheitsgrad auf.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 drei Graphen I.-III. zur Darstellung einer konstanten Federsteifigkeit in einem Aktuatorsystem,
• 2 ein Graph zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahrens zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem,
• 3 ein Netzwerkdiagramm zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Aktuatorsystems,
• 4 ein Signalflussdiagramm in Anlehnung an die Ausführung aus 3, und
• 5, 6a, 6b Graphen zur Darstellung experimenteller Ergebnisse bei der Durchführung von Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem.
• 1 zeigt drei Graphen I.-III. zur Darstellung eines Regelungskonzepts, wobei eine konstanten Federsteifigkeit eines Aktuatorreglers vorliegt.
• Graph I. der 1 zeigt hierbei die Federsteifigkeit (dargestellt durch Kurve 26a) eines Aktuatorreglers während der Änderung der absoluten Federauslenkung |δ|, wobei während der Erhöhung der Federauslenkung bis δ_max und der anschließenden Absenkung eine konstante Federsteifigkeit K_des des Aktuatorreglers vorliegt. K_des entspricht hierbei insbesondere einer Wunschsteifigkeit.
• Bei konstanter Federsteifigkeit K_des, gemäß 1, entspricht der am Aktuatorregler erfasste Energiewert E_pot, der insbesondere über den Leistungseintrag aus Geschwindigkeit multipliziert mit Kraft erfasst wird, der analytischen Energie $E_{an}=\frac{1}{2}K{\delta }^2.$

  
• Graph II. der 1 zeigt gemäß Graph I. den zeitlichen Verlauf der absoluten Federauslenkung |δ|.
• Graph III. der 1 zeigt gemäß Graph I. qualitativ den zeitlichen Verlauf des am Aktuatorregler erfassten Energiewert erfasste Energiewert E_pot(dargestellt durch Kurve 28a).
• Graphen I.-III. der 2 basieren auf Graphen I.-III. der 1, wobei jedoch durch eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere mittels eines erfindungsgemäßen Aktuatorsystems 10, eine Anpassung der Federsteifigkeit erfolgt. Die Federsteifigkeit ist durch Kurve 30a und die Anpassung der Federsteifigkeit durch Kurve 30b dargestellt. Insbesondere wird das Aktuatorsystem gemäß 3 zur Umsetzung der Situation aus 2 genutzt.
• Kurve 34 zeigt die analytische potenzielle Energie E_an = 0.5Kδ².
• Kurve 32 zeigt die erfasste Energie $E_{st}^{*}\text{. }{E}_{st}^{*}$

  

  entspricht insbesondere: $$\begin{array}{l}{E}_{st}^{*}\left(k\right)=E_{st}^{*}\left(k-1\right)+\left(1-\mathrm{\mu }\right)\left(E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}\right)-E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}-1\right)\right)+E_{R2L}^3\left(k\right)-E_{R2L}^3\left(k-1\right)\\ -P_{R2L,des}^{*}\left(k-1\right)T_S-P_{L2R,des}^{*}\left(k-1\right)T_S\end{array}$$

  

  wobei:
• $E_{st}^{*}\left(k\right)$
  
  die erfasste Energie zum Zeitschritt k,
• $E_{st}^{*}\left(k-1\right)$
  
  die erfasste Energie zum Zeitschritt k-1,
• T_f die Übertragungszeit von einer ersten Seite (16) des Aktuatorsystem (10), insbesondere der Seite eines Benutzeraktuators, zu einer zweiten Seite (18) des Aktuatorsystem (10), insbesondere der Seite des Aktuators des Aktuatorsystem (10),
• $E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}\right),$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k - T_f von der ersten Seite (16) des Aktuatorsystem (10) in Richtung des Aktuatorreglers (14), insbesondere an Port 1,
• $E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}-1\right),$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k - T_f - 1 von der ersten Seite (16) des Aktuatorsystem (10) in Richtung des Aktuatorreglers (14), insbesondere an Port 1,
• $E_{R2L}^3\left(k\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k von der zweiten Seite (18) in Richtung des Aktuatorreglers (14), insbesondere an Port 3,
• $E_{R2L}^3\left(k-1\right)$
  
  der Energiefluss zum Zeitschritt k-1 von der zweiten Seite (18) in Richtung des Aktuatorreglers (14), insbesondere an Port 3,
• $P_{R2L,des}^{*}\left(k-1\right)$
  
  eine, insbesondere festgelegte, maximal erlaubte Austrittsleistung zum Zeitschritt k-1 vom Aktuatorregler (14) in Richtung der ersten Seite (16), und
• $P_{L2R,des}^{*}\left(k-1\right)$
  
  eine, insbesondere festgelegte, maximal erlaubte Austrittsleistung zum Zeitschritt k-1 vom Aktuatorregler (14) in Richtung der zweiten Seite (18) ist.
• Die maximal erlaubte Austrittsleistung $P_{R2L,des}^{*}\left(k\right)$

  

  und/oder die maximal erlaubte Austrittsleistung $P_{L2R,des}^{*}\left(k\right)$

  

  ergeben sich insbesondere zu: $$P_{R2L,des}^{*}\left(k\right)=\{\begin{array}{c}{P}_{R2L}^1\left(k\right)+P_{exc}^{*}\frac{P_{R2L}^1\left(k\right)}{P_{out}^{act}\left(k\right)},falls\frac{E_{st}^{*}\left(k\right)}{T_S}<P_{out}^{act}\left(k\right)\\ P_{R2L}^1,falls\frac{E_{st}^{*}\left(k\right)}{T_S}>P_{out}^{act}\left(k\right),\end{array}$$

  

  und $${\text{P}}_{\text{L2R}\text{,des}}^{\text{*}}\left(\text{k}\right)=\{\begin{array}{c}{\text{P}}_{\text{L2R}}^{\text{3}}\left(\text{k}\right)+{\text{P}}_{\text{exc}}^{\text{*}}\frac{{\text{P}}_{\text{L2R}}^{\text{3}}\left(\text{k}\right)}{{\text{P}}_{\text{out}}^{\text{act}}\left(\text{k}\right)}\text{,falls}\frac{{\text{E}}_{\text{st}}^{\text{*}}\left(\text{k}\right)}{{\text{T}}_{\text{S}}}<{\text{P}}_{\text{out}}^{\text{act}}\left(\text{k}\right)\\ {\text{P}}_{\text{L2R}}^3\text{,falls}\frac{{\text{E}}_{\text{st}}^{\text{*}}\left(\text{k}\right)}{{\text{T}}_{\text{S}}}>{\text{P}}_{\text{out}}^{\text{act}}\left(\text{k}\right)\end{array},$$

  

  mit $$P_{out}^{act}\left(k\right)=P_{R2L}^1\left(k\right)+P_{L2R}^3\left(k\right).$$

  
• Bei der Anpassung der Federsteifigkeit (K_k) erfolgt insbesondere eine Limitierung gemäß: $$\begin{array}{l}{K}_{lim}^{pol}\left(\delta \right)=\frac{K_{k1}-K_{zero}-\frac{3E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)}{{\delta }_{k1}^2}+\frac{3K_{zero}}{2}}{{\delta }_{k1}^d\left(1-\frac{3}{d+2}\right)}{\delta }^d\\ +\frac{E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)-\frac{a}{d+2}{\delta }_{k1}^{d+2}-\frac{K_{zero}}{2}{\delta }_{k1}^2}{\frac{1}{3}{\delta }_{k1}^3}\delta +K_{zero},\end{array}$$

  

  mit: $$a=\frac{K_{k1}-c-\frac{3E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)}{{\delta }_{k1}^2}+\frac{3c}{2}}{{\delta }_{k1}^d\left(1-\frac{3}{d+2}\right)},$$

  

  $$b=\frac{E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)-\frac{a}{d+2}{\delta }_{k1}^{d+2}-\frac{c}{2}{\delta }_{k1}^2}{\frac{1}{3}{\delta }_{k1}^3},$$

  

  $$c=K_{zero}.$$

  

  wobei:
• $E_{st}^{*}$
  
  die erfasste Energie;
• δ die Federauslenkung;
• k1 der Zeitpunkt der Berechnung von $K_{lim}^{pol}$
  
  und damit der Zeitpunkt, in dem
• ${\text{K}}_{\text{k1}}={\text{K}}_{\text{act}},E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)=E_{st}^{*}\left(k1\right)$
  
  und ${\delta }_{k1}=\delta \left(k1\right)$
  
  erfasst werden;
• K_Zero eine Wunschsteifigkeit bei einer Federauslenkung von 0; und
• d ein beliebiger Exponent ist.
• K_zero ist insbesondere gleich K_min, wobei K_min die minimale Federsteifigkeit ist.
• Vorzugsweise wird durch die nicht-lineare Funktion $K_{lim}^{pol}\left(\delta \right),$

  

  die insbesondere bei jeder Auslenkung berechnet wird, sicherstellt, dass $E_{st}^{*}\left(k\right)\ge 0.$

  
• 3 zeigt ein Netzwerkdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Aktuatorsystems 10.
• Das Aktuatorsystems 10 weist einen Aktuatorregler 14 mit einer Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit auf. Bei dem Aktuatorregler 14 kann es sich um einen virtuellen oder physischen Aktuatorregler, bspw. eine reale Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit handeln.
• Der Aktuatorregler 14 ist zur Übertragung von Positionskommandos ausgeführt. Über einen ersten Port 11 (Port 1) und einen zweiten Port 12 (Port 2) mit dazwischen angeordnetem, insbesondere zeitverzögertem, Übertragungskanal 15, ist der Aktuatorregler 14 mit einer ersten Seite 16 verbunden. Auf der ersten Seite 16 kann bspw. ein Benutzeraktuator für Eingaben angeordnet sein, der vorzugsweise signalübertragend mit dem Aktuatorregler 14 verbunden ist. Über den dritten Port 13 (Port 3) ist der Aktuatorregler 14 mit einer zweiten Seite 18 verbunden. Auf der zweiten Seite 18 ist insbesondere ein Aktuator, vorzugsweise ein Roboteraktuator, angeordnet.
• „L2R“, dargestellt durch Pfeil 20, zeigt die Übertragung, insbesondere von Energie (E) bzw. Leistung (P) „von-links-nach-rechts“. „R2L“ dargestellt durch Pfeil 22, zeigt die Übertragung, insbesondere von Energie (E) bzw. Leistung (P) „von-rechts nach links“.
• Über die Multiplikation der Geschwindigkeit v_i(k) und der Kraft F_i(k) am Netzwerkport i, kann die Leistung P_i(k) am Port i berechnet werden. Über das Vorzeichen der Leistung P_i(k) = v_i(k)F_i(k) kann in jedem Zeitschritt k die Richtung des Leistungsflusses in L2R- oder R2L-Richtung bestimmt werden.
• Über eine zeitdiskrete Integration können aus den Leistungen die Energien bestimmt werden.
• Der erfasste Energiewert, insbesondere am Aktuatorregler 14, ergibt sich hierbei vorzugsweise gemäß der oben beschriebenen Formel: $$\begin{array}{l}{E}_{st}^{*}\left(k\right)=E_{st}^{*}\left(k-1\right)+\left(1-\mathrm{\mu }\right)\left(E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}\right)-E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}-1\right)\right)+E_{R2L}^3\left(k\right)-E_{R2L}^3\left(k-1\right)\\ -P_{R2L,des}^{*}\left(k-1\right)T_S-P_{L2R,des}^{*}\left(k-1\right)T_S\end{array}$$

  
• Die Energie $E_{st}^{*}\left(k\right)$

  

  kann hierbei insbesondere einem Energieeintrag in den Aktuatorregler 14 entsprechen. Alternativ oder zusätzlich kann in $E_{st}^{*}\left(k\right)$

  

  auch eine dissipierte Energie des Aktuatorsystem berücksichtigt werden.
• Basierend auf diesem erfassten Energiewert wird die Federsteifigkeit K des Aktuatorreglers 14, insbesondere kontinuierlich, angepasst, vorzugsweise limitiert.
• In einer Totzone, bspw. |δ| = δ_min, ist es insbesondere vorgesehen, im Sinne des physikalischen Zusammenhangs die erfasste Energie $E_{st}^{*}\left(k\right)$

  

  auf 0 (Null) zurückzusetzen. Zur selben Zeit ist es bevorzugt, dass auch K_lim auf K_des zurückgesetzt wird. Dies führt zu keinem Energieeintrag aufgrund der geringen Auslenkung δ.
• Alternativ oder zusätzlich zu der oben dargestellten Energieerfassung ist es auch möglich, zur Erfassung des Energiewerts, insbesondere $E_{st}^{*}\left(k\right),$

  

  zusätzlich oder ausschließlich, die Energie, die von einem Dämpfer im Aktuatorsystems 10 in der Zeit zwischen zwei solcher Resets (während einer Federauslenkung) dissipiert wurde, zu berücksichtigen.
• Bevorzugt ist mit dem Aktuatorregler 14 eine (nicht dargestellte) Energieüberwachungseinrichtung verbunden und/oder der Aktuatorregler 14 weist eine Energieüberwachungseinrichtung auf. Die Energieüberwachungseinrichtung ist insbesondere ausgebildet zur Überwachung der Energien. Die Energieüberwachungseinrichtung kann bevorzugt eine Energiebeobachtungsvorrichtung aufweisen. Insbesondere wird durch die Energiebeobachtungsvorrichtung die Energie des Systems verwaltet, d.h. durch die Energiebeobachtungsvorrichtung wird vermerkt, wieviel Energie von der ersten Seite 16, bspw. über einen Benutzeraktuator und/oder von der zweiten Seite 18, bspw. über einen Roboteraktuator eingebracht wurde. Ferner wird durch die Energiebeobachtungsvorrichtung insbesondere sichergestellt, dass eine Information über die eingebrachte Energie und/oder eine Information über zusätzliche unerwünschte Energie, welche beispielweise durch die Zeitverzögerung eines Übertragungskanal verursacht wird, erfasst und/oder verarbeitet wird, wobei die Information insbesondere an mindestens einen, (nicht dargestellten) Passivitätsregler weitergeleitet und sodann durch diesen ein entsprechender Energiebetrag dissipiert wird, so dass stets die Passivität und damit die Stabilität des Aktuatorsystems gewährleistet ist. Vorzugsweise ist auf zumindest einer Seite, insbesondere beidseitig, des Aktuatorreglers 14 ein Passivitätsregler vorgesehen.
• 4 zeigt ein Signalflussdiagramm gemäß der Ausführung aus 3, wobei jedoch die erste Seite 16 und die zweite Seite 18 hier nicht dargestellt sind. Diese Seiten 16, 18 können jedoch auch in 4 entsprechend umgesetzt werden.
• 5 und 6a-6b zeigen Graphen zur Darstellung experimenteller Ergebnisse bei der Durchführung von Verfahren zur Federsteifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem.
• 5 zeigt Experiment 1, das den Stand der Technik zeigt, wobei die Positionen X_I eines Eingabegeräts eines Aktuatorsystems und die Positionen x_R eines Roboteraktuators des Aktuatorsystems, die Kräfte F₁ am ersten Port 11 (Port 1) und F₂ zweiten Port 12 (Port 2) sowie die Energie E_PP dargestellt ist. E_PP zeigt die Summe von Energieein- und ausgängen an. Da E_PP bevorzugt größer Null ist, ist Passivität garantiert.
• 6a-6b zeigen Experimente mittels Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu sehen ist die Anpassung der Federsteifigkeit, wobei K_des die gewünschte, insbesondere konstante, Federsteifigkeit und K_act die angepasste Federsteifigkeit darstellt, und die erfasste, insbesondere potentielle Energie $E_{st}^{*}$

  

  sowie die analytische ermittelbare, insbesondere potentielle, Energie E^an ( 6b). Die Summe der Energieein- und ausgängen ist in 6a mit E_PP gezeigt.
• Insbesondere wurde für die Experimente µ adaptiv so ausgelegt, dass µ = 0.1 für Auslenkung δ <= 0.3 und µ = 0.6 für eine Auslenkung δ > 0.3. Im Vergleich von 5 und 6a ist zu erkennen, dass die Kraft F3 (Korrektur von F2) durch die Erfindung in 6a weniger Sprünge aufweist und kontinuierlicher verläuft. Die Abweichung von F3 und F2 resultiert in 6a aus der Anpassung von K_des zu K_act gemäß der Erfindung, wie insbesondere dargestellt in 6b.
• Bevorzugt ist es, gem. Darstellung der 6b, dass K_act im Wesentlichen K_lim entspricht, wobei K_lim = max(K_act, K_des) gilt.

Claims (11)

1. Aktuatorsystem (10), insbesondere Roboteraktuatorsystem, mit einem Aktuator, insbesondere zur Ausführung einer Bewegung vorgegeben durch ein Positionskommando, und einem, insbesondere virtuellen, Aktuatorregler (14) mit einer Feder mit anpassbarer Federsteifigkeit zur Übertragung einer Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Kraft zur Steuerung des Aktuators, wobei der Aktuatorregler (14) ausgebildet ist zur Anpassung der Federsteifigkeit, anhand eines erfassten Energiewerts des Aktuatorsystems (10), wobei die Federsteifigkeit während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst wird, und wobei zur Anpassung der Federsteifigkeit zumindest ein Teil des erfassten Energiewerts verzögert berücksichtigt wird.
2. Verfahren zur Steifigkeitsanpassung in einem Aktuatorsystem (10), insbesondere in einem Aktuatorsystem (10) nach Anspruch 1, mit den Schritten: - Erfassung eines Energiewerts des Aktuatorsystems (10), und - Anpassung einer Federsteifigkeit eines, insbesondere virtuellen, Aktuatorreglers (14) mit einer Feder des Aktuatorsystems (10) anhand des erfassten Energiewerts, wobei die Federsteifigkeit, insbesondere der Verlauf der Federsteifigkeit, während einer Auslenkung der Feder über die Auslenkung hinweg angepasst wird, und wobei zur Anpassung der Federsteifigkeit zumindest ein Teil des erfassten Energiewerts verzögert berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 und/oder Aktuatorsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Energiewert eine Eingangsenergie und/oder eine Ausgangsenergie aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3 und/oder Aktuatorsystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Energiewert einen vordefinierten Anteil der Eingangsenergie und/oder der Ausgangsenergie aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4 und/oder Aktuatorsystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vordefinierte Anteil µ-1 entspricht, wobei µ ein Wert aus dem Intervall [0, 1], bevorzugt ein Wert aus dem Intervall (0, 0.5] entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5 und/oder Aktuatorsystem (10) nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass der vordefinierte Anteil während der Übertragung des Energiewerts variiert werden kann.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6 und/oder Aktuatorsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Energiewert eine gemessene Energie und/oder eine simulierte Energie aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7 und/oder Aktuatorsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 3-7, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Energiewert eine potentielle Energie und/oder eine dissipierte Energie des Aktuatorsystem (10) aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-8 und/oder Aktuatorsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 3-8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erfasste Energiewert ergibt zu: $$\begin{array}{l}{E}_{st}^{*}\left(k\right)=E_{st}^{*}\left(k-1\right)+\left(1-\mathrm{\mu }\right)\left(E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}\right)-E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}-1\right)\right)+E_{R2L}^3\left(k\right)-E_{R2L}^3\left(k-1\right)\\ -P_{R2L,des}^{*}\left(k-1\right)T_S-P_{L2R,des}^{*}\left(k-1\right)T_S\end{array}$$

   

   wobei: $E_{st}^{*}\left(k\right)$

   

   die erfasste Energie zum Zeitschritt k, $E_{st}^{*}\left(k-1\right)$

   

   die erfasste Energie zum Zeitschritt k-1, T_f die Übertragungszeit von einer ersten Seite (16) des Aktuatorsystem (10), insbesondere der Seite eines Benutzeraktuators, zu einer zweiten Seite (18) des Aktuatorsystems (10), insbesondere der Seite des Aktuators des Aktuatorsystem (10), $E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}\right),$

   

   der Energiefluss zum Zeitschritt k - T_f von der ersten Seite (16) des Aktuatorsystems (10) in Richtung des Aktuatorreglers (14), insbesondere an einem Port 1, $E_{L2R}^1\left(k-T_{ƒ}-1\right),$

   

   der Energiefluss zum Zeitschritt k - T_f - 1 von der ersten Seite (16) des Aktuatorsystems (10) in Richtung des Aktuatorreglers (14), insbesondere an einem Port 1, $E_{R2L}^3\left(k\right)$

   

   der Energiefluss zum Zeitschritt k von der zweiten Seite (18) in Richtung des Aktuatorreglers (14), insbesondere an einem Port 3, $E_{R2L}^3\left(k-1\right)$

   

   der Energiefluss zum Zeitschritt k-1 von der zweiten Seite (18) in Richtung des Aktuatorreglers (14), insbesondere an einem Port 3, $P_{R2L,des}^{*}\left(k-1\right)$

   

   eine, insbesondere festgelegte, maximal erlaubte Austrittsleistung zum Zeitschritt k-1 vom Aktuatorregler (14) in Richtung der ersten Seite (16), und $P_{L2R,des}^{*}\left(k-1\right)$

   

   eine, insbesondere festgelegte, maximal erlaubte Austrittsleistung zum Zeitschritt k-1 vom Aktuatorregler (14) in Richtung der zweiten Seite (18) ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-9 und/oder Aktuatorsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 3-9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die maximal erlaubte Austrittsleistung $P_{R2L,des}^{*}\left(k\right)$

    

    und/oder die maximal erlaubte Austrittsleistung $P_{L2R,des}^{*}\left(k\right)$

    

    ergeben zu: $$P_{R2L,des}^{*}\left(k\right)=\{\begin{array}{c}{P}_{R2L}^1\left(k\right)+P_{exc}^{*}\frac{P_{R2L}^1\left(k\right)}{P_{out}^{act}\left(k\right)},falls\frac{E_{st}^{*}\left(k\right)}{T_S}<P_{out}^{act}\left(k\right)\\ P_{R2L}^1,falls\frac{E_{st}^{*}\left(k\right)}{T_S}>P_{out}^{act}\left(k\right),\end{array}$$

    

    und $${\text{P}}_{\text{L2R}\text{,des}}^{\text{*}}\left(\text{k}\right)=\{\begin{array}{c}{\text{P}}_{\text{L2R}}^{\text{3}}\left(\text{k}\right)+{\text{P}}_{\text{exc}}^{\text{*}}\frac{{\text{P}}_{\text{L2R}}^{\text{3}}\left(\text{k}\right)}{{\text{P}}_{\text{out}}^{\text{act}}\left(\text{k}\right)}\text{,falls}\frac{{\text{E}}_{\text{st}}^{\text{*}}\left(\text{k}\right)}{{\text{T}}_{\text{S}}}<{\text{P}}_{\text{out}}^{\text{act}}\left(\text{k}\right)\\ {\text{P}}_{\text{L2R}}^3\text{,falls}\frac{{\text{E}}_{\text{st}}^{\text{*}}\left(\text{k}\right)}{{\text{T}}_{\text{S}}}>{\text{P}}_{\text{out}}^{\text{act}}\left(\text{k}\right)\end{array},$$

    

    mit $$P_{out}^{act}\left(k\right)=P_{R2L}^1\left(k\right)+P_{L2R}^3\left(k\right).$$

    
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-10 und/oder Aktuatorsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 3-10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anpassung der Federsteifigkeit (K_k) eine Limitierung erfolgt gemäß: $$\begin{array}{l}{K}_{lim}^{pol}\left(\delta \right)=\frac{K_{k1}-K_{zero}-\frac{3E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)}{{\delta }_{k1}^2}+\frac{3K_{zero}}{2}}{{\delta }_{k1}^d\left(1-\frac{3}{d+2}\right)}{\delta }^d\\ +\frac{E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)-\frac{a}{d+2}{\delta }_{k1}^{d+2}-\frac{K_{zero}}{2}{\delta }_{k1}^2}{\frac{1}{3}{\delta }_{k1}^3}\delta +K_{zero},\end{array}$$

    

    mit: $$a=\frac{K_{k1}-c-\frac{3E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)}{{\delta }_{k1}^2}+\frac{3c}{2}}{{\delta }_{k1}^d\left(1-\frac{3}{d+2}\right)},$$

    

    $$b=\frac{E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)-\frac{a}{d+2}{\delta }_{k1}^{d+2}-\frac{c}{2}{\delta }_{k1}^2}{\frac{1}{3}{\delta }_{k1}^3},$$

    

    $$c=K_{zero}.$$

    

    wobei: $E_{st}^{*}$

    

    die erfasste Energie; δ die Federauslenkung; k1 der Zeitpunkt der Berechnung von $K_{lim}^{pol}$

    

    und damit der Zeitpunkt, in dem K_k1 = K_c, $E_{st}^{*}\left({\delta }_{k1}\right)=E_{st}^{*}\left(k1\right)$

    

    und ${\delta }_{k1}=\delta \left(k1\right)$

    

    $$

    

    erfasst werden; K_Zero eine Wunschsteifigkeit bei einer Federauslenkung von 0; und d ein beliebiger Exponent ist.

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