DE202019001448U1 - Aktuatorsystem - Google Patents

Abstract

Aktuatorsystem, insbesondere für die Teleaktuierung, mit
einem ersten Aktuator, insbesondere zur Bedienung durch einen Benutzer,
einem zweiten Aktuator, insbesondere zur Ausführung einer Bewegung des Benutzers,
einem Übertragungskanal zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator zur Übertragung der Geschwindigkeit und Kraft des ersten Aktuators auf den zweiten Aktuator und andersherum und
einem Regler, wobei der Regler ausgebildet ist, so dass durch den Regler die Energie des ersten Aktuators messbar ist als Soll-Energie, wobei der Übertragungskanal ausgebildet ist die Soll-Energie an den zweiten Aktuator zu übertragen und der Regler ausgebildet ist in Abhängigkeit der übertragenen Soll-Energie die Dämpfung des zweiten Aktuators zu regeln.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aktuatorsystem, insbesondere für die Teleaktuierung.
• 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 dem 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 bei Teleoperationen. 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 ausführen zur Durchführung der Operation an einem Patienten.
• Reelle Übertragungskanäle weisen jedoch eine gewisse Latenz oder eine Zeitverzögerung 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) in B. Hannaford, J.-H. Ryu, Time-domain passivity control of haptic interfaces, Transactions on Robotics and Automation 18 (1) (2002) 1-10 bekannt, wodurch die Stabilität bzw. Passivität des Aktuatorsystems erreicht wird durch eine Dissipation überschüssiger Energie.
• Neben der Übertragung einer Bewegung oder Kraft von einem ersten Aktuator auf einen zweiten Aktuator soll ebenso eine Kraftkontrolle durch ein Force-Feedback-System gewährleistet sein, so dass ebenfalls vom zweiten Aktuator eine Kraft oder Bewegung auf den ersten Aktuator mittels dem Übertragungskanals rückübertragen wird. Hierdurch soll eine ausreichende Systemtransparenz geschaffen werden, so dass dem Bediener ausreichend Information über die durch den zweiten Aktuator ausgeführte Bewegung übermittelt werden können.
• Zum Erhalt der Passivität bzw. Stabilität des Aktuatorsystems werden bei bekannten Ansätzen wie beispielsweise dem vorstehend zitierten TDPA die Richtungsabhängigkeit des Energieflusses vom ersten Aktuator zum zweiten Aktuator bzw. vom zweiten Aktuator zum ersten Aktuator berücksichtigt und dabei üblicherweise eine Überkompensation zum Erhalt der Passivität durchgeführt. Dies führt zu großen Positionsfehlern in der Synchronisation der Bewegung des ersten Aktuators mit dem zweiten Aktuator und andersherum. Weiterhin wird durch die Überkompensation das Aktuatorsystem energieineffizient. Gleichzeitig treten durch die Kompensation Kraftsprünge auf, welche die Systemtransparenz deutlich reduzieren (siehe hierzu J.-H. Ryu, J. Artigas, C. Preusche, A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay, Mechatronics 20 (7) (2010) 812-823).
• Um die Stabilität des Systems mit den Zuständen x(t) im Rahmen des TDPA zu erfüllen, muss gelten: $$V\left(x\left(t\right)\right)-V\left(\mathbf{x}\left(0\right)\right)\le {\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}s\left(u\left(\tau \right),y\left(\tau \right)\right)d\tau ={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{y}^T\left(\tau \right)u\left(\tau \right)d\tau }}$$

  

  Solange der Energieanstieg (v(x(t))-V(x(0))) in dem System seit T=0 nicht größer ist als das Integral über die Energie mit der Supplyrate s und der Eingangsgröße u sowie der Ausgangsgröße y, dann hat das System selbst keine Energie generiert. Anders ausgedrückt ist das System bei Erfüllung der vorstehend genannten Bedingung passiv, so dass eine absolute Stabilität garantiert werden kann (T. Fjallbrant, Activity and stability of linear networks, IEEE Transactions on Circuit Theory 12 (1) (1965) 12-17).
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein energieeffizientes, stabiles Aktuatorsystem zu schaffen mit einer hohen Positionsgenauigkeit und einer verbesserten Systemtransparenz.
• Die Aufgabe wird gelöst durch das Aktuatorsystem gemäß Anspruch 1.
• Das erfindungsgemäße Aktuatorsystem, insbesondere für die Teleaktuierung, weist einen ersten Aktuator auf, insbesondere zur Bedienung durch einen Benutzer. Bei dem ersten Aktuator kann es sich beispielsweise um einen Master in einer Master-Slave-Konfiguration handeln. Weiterhin weist das Aktuatorsystem erfindungsgemäß einen zweiten Aktuator auf, insbesondere zur Ausführung einer Bewegung des Benutzers. Der zweite Aktuator fungiert hierbei als Slave in der Master-Slave-Konfiguration. Dabei sind der erste Aktuator und der zweite Aktuator mit einem Übertragungskanal miteinander verbunden zur Übertragung der Geschwindigkeit und Kraft des ersten Aktuators auf den zweiten Aktuator. Ebenso wird im Rahmen eines Force-Feedback Geschwindigkeit und Kraft des zweiten Aktuators mittels dem Übertragungskanal an den ersten Aktuator übertragen, wodurch eine Systemtransparenz geschaffen wird und der Benutzer des Aktuatorsystems vorzugsweise haptisch Informationen über die Bewegung des zweiten Aktuators erfährt. Weiterhin ist ein Regler vorgesehen, wobei durch den Regler die Energie des ersten Aktuators messbar ist als Sollenergie. Der Übertragungskanal ist ausgebildet die Sollenergie an den zweiten Aktuator zu übertragen und in Abhängigkeit der übertragenen Sollenergie die Dämpfung auf Seite des zweiten Aktuators zu regeln. Somit erfolgt die Dämpfung des zweiten Aktuators nach der Messung der Geschwindigkeit bzw. Kraft. Weiterhin wirkt die Dämpfung des Reglers auf die Kraft des zweiten Aktuators. Durch die Dämpfung wird die Stabilität des Aktuatorsystems gewährleistet, wodurch stets die Passivität des Aktuatorsystems sichergestellt ist. Gleichzeitig wird eine erhöhte Positionsgenauigkeit erreicht.
• Vorzugsweise ist der Regler ausgebildet, um die Energie des zweiten Aktuators zu messen als Sollenergie, wobei diese Sollenergie an den ersten Aktuator mittels dem Übertragungskanal übertragen wird, insbesondere im Rahmen eines Force-Feedback-Systems. Der Regler ist sodann ausgebildet in Abhängigkeit der übertragenen Sollenergie die Dämpfung des ersten Aktuators zu regeln. Somit erfolgt eine Dämpfung des ersten Aktuators, um eine exakte Rückkopplung der auf dem zweiten Aktuator wirkenden Kräfte zu gewährleisten. Hierdurch wird die Systemtransparenz erhöht, wobei stets sichergestellt wird, dass das System durch die Dämpfung stabil bleibt.
• Vorzugsweise weist der Übertragungskanal eine Verzögerung auf. Insbesondere bezeichnet T₁ die Übertragungszeit vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator, wobei T₂ die Übertragungszeit vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator bezeichnet.
• Vorzugsweise handelt es sich bei dem Übertragungskanal um eine analoge oder digitale Datenverbindung. Insbesondere kann es sich bei dem Übertragungskanal um eine kabelgebundene oder kabellose Datenübertragung handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Übertragungskanal um das Internet handeln. Mittels des Übertragungskanals werden Geschwindigkeitswerte und/oder Kraftwerte vom ersten Aktuator an den zweiten Aktuator übertragen und andersherum.
• Vorzugsweise weist der erste Aktuator und/oder der zweite Aktuator einen oder mehr als einen Freiheitsgrad auf. Hierdurch ist es möglich eine Vielzahl von Freiheitsgraden in der Bewegung aufzuweisen. Insbesondere ist der Regler ausgebildet die Geschwindigkeit und Kraft für jeden der Freiheitsgrade über den Übertragungskanal an den jeweils anderen Aktuator zu übertragen. Alternativ hierzu ist für jeden Freiheitsgrad ein separater Regler vorgesehen.
• Vorzugsweise sind der erste Aktuator und der zweite Aktuator derart ausgebildet, dass diese identische Freiheitsgrade aufweisen. Bevorzugt können hierbei der erste Aktuator und der zweite Aktuator identisch aufgebaut sein. Alternativ hierzu können jedoch auch der erste Aktuator und der zweite Aktuator unterschiedlich aufgebaut sein.
• Vorzugsweise wird die Leistung P_i am Port i (vergleiche 1) ermittelt gemäß $$P_i\left(k\right)=v_i\left(k\right)F_i\left(k\right)$$

  

  zu dem Sampling-Schritt k mit der Geschwindigkeit v_i(k) des Aktuators und der Kraft F_i(k) des Reglers, wobei die Energien E_i berechnet werden zu $$E_i^{L2R}\left(k\right)=T_s{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}_i^{L2R}\left(j\right)},$$

  

  
  und $$E_i^{R2L}\left(k\right)=T_s{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}_i^{R2L}\left(j\right)},$$

  
• Dabei bezeichnet „L2R“ die Leistung und Energie vom ersten Aktuator zum zweiten Aktuator („links-nach-rechts“) und „R2L“ die Leistung und Energie des zweiten Aktuators zum ersten Aktuator („rechts nach links“). Weiterhin beschreibt T_s die Sampling-Zeit.
• Vorzugsweise erfolgt die Dämpfung der Kraft, so dass insbesondere stets $$E_1^{L2R}\left(k\right)+E_5^{R2L}\left(k\right)\ge E_1^{R2L}\left(k\right)+E_5^{L2R}\left(k\right).$$

  

  erfüllt ist. Dabei bezeichnet $E_1^{L2R}$

  

  die Energie, die vom ersten Aktuator an den Regler übergeben wird, $E_1^{R2L}$

  

  die Energie, die vom Regler an den ersten Aktuator übergeben wird, $E_5^{R2L}$

  

  die Energie, die vom zweiten Aktuator an den Regler übergeben wird und $E_5^{L2R}$

  

  die Energie, die vom Regler an den zweiten Aktuator übergeben wird.
• Vorzugsweise weist der Regler eine Energieüberwachungseinrichtung auf, welcher insbesondere mit einem Positionsregler des Reglers verbunden ist und ausgebildet ist, um den Energiefluss ${\text{E}}_2^{\text{L2R}}\left(\text{k}\right)\text{ und }{E}_4^{R2L}\left(k\right)$

  

  zu überwachen. Dabei beschreibt ${\text{E}}_{\text{2}}^{\text{R2L}}$

  

  die Energie, die aus dem Übertragungskanal an die Dämpfung des ersten Aktuators übergeben wird. $E_4^{R2L}$

  

  beschreibt die Energie, die nach der Energieüberwachungseinrichtung an die Dämpfung des zweiten Aktuators übergeben wird. Dabei ergibt sich die in der Energieüberwachungseinrichtung gespeicherte Energie E_St zu $$E_{St}\left(k\right)=E_{St}\left(k-1\right)+P_2^{L2R}\left(k-T_1\right)T_s+P_4^{R2L}\left(k\right)T_s$$

  

  mit T₁ der Übertragungszeit vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator. Insbesondere handelt es sich bei der in der Energieüberwachungseinrichtung gespeicherten Energie E_St um die potentielle Energie des Systems. Somit erfolgt die Speicherung der Energie mittels der Energieüberwachungseinrichtung vor der Dämpfung der Kraft des zweiten Aktuators. Hierdurch ist ein besonders energieeffizientes System geschaffen.
• Vorzugsweise ergibt sich die aufgrund der Dämpfung dissipierte Energie W^PC1 zu $$\begin{array}{l}{W}^{PC1}\left(k\right)={\displaystyle \sum _{j=0}^{k-T_2}{P}^{R2L,des}\left(j\right)T_s-{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}_2^{R2L}\left(j\right)T_s}}\\ -W_{diss}^{PC1}\left(k-1\right)\end{array}$$

  

  mit T₂ der Übertragungszeit vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator über den Übertragungskanal. Dabei ergibt sich P^R2L,des(k) zu $$P^{R2L,des}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_{exc}^{R2L}\left(k\right).$$

  
• Dabei bezeichnet $P_3^{R2L}$

  

  die Leistung, die von der Energieüberwachungseinrichtung als Eintrittsleistung in den Übertragungskanal in Richtung des ersten Aktuators erfassbar ist. Weiterhin ergibt sich $P_{exc}^{R2L}\left(k\right)$

  

  zu $$P_{exc}^{R2L}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}{P}_{exc}\left(k\right)\frac{P_3^{R2L}\left(k\right)}{P_{out}^{act}\left(k\right)},& \text{if }{E}_{St}\left(k\right)<P_{out}^{act}\left(k\right)T_s\\ \mathrm{0,}& \text{if }{E}_{St}\left(k\right)>P_{out}^{act}\left(k\right)T_s\end{array}$$

  

  
  mit $$P_{exc}\left(k\right)=E_{St}\left(k\right)/T_s-P_{out}^{act}\left(k\right)$$

  

  
  und $$P_{out}^{act}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_4^{L2R}\left(k\right),$$

  

  wobei $P_4^{L2R}\left(k\right)$

  

  die Leistung bezeichnet, die vom Regler zum zweiten Aktuator übertragen wird.
• Vorzugsweise ergibt sich die aufgrund der Dämpfung dissipierte Energie W^PC2 am zweiten Aktuator zu $$\begin{array}{c}{W}^{PC2}\left(k\right)={\displaystyle \sum _{j=0}^k(P^{L2R,des}\left(j\right)-P_4^{L2R}\left(j\right))T_s}\\ -W_{diss}^{PC2}\left(k-1\right).\end{array}$$

  

  
  mit $$P^{R2L,des}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_{exc}^{R2L}\left(k\right),$$

  

  wobei $P_4^{L2R}\left(k\right)$

  

  die Leistung bezeichnet, die von der Energieüberwachungseinrichtung zum zweiten Aktuator übertragen wird und $P_{exc}^{L2R}\left(k\right)$

  

  ergibt zu $$P_{exc}^{L2R}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}{P}_{exc}\left(k\right)\frac{P_4^{L2R}\left(k\right)}{P_{out}^{act}\left(k\right)},& \text{if }{E}_{St}\left(k\right)<P_{out}^{act}\left(k\right)T_s\\ \mathrm{0,}& \text{if }{E}_{St}\left(k\right)>P_{out}^{act}\left(k\right)T_s\end{array},$$

  

  
  mit $$P_{exc}\left(k\right)=E_{St}\left(k\right)/T_s-P_{out}^{act}\left(k\right)$$

  

  
  und $$P_{out}^{act}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_4^{L2R}\left(k\right).$$

  
• Dabei bezeichnet $P_3^{R2L}$

  

  die Leistung, die von der Energieüberwachungseinrichtung als Eintrittsleistung in den Übertragungskanal in Richtung des ersten Aktuators erfassbar ist.
• Vorzugsweise ist das Aktuatorsystem angeordnet in der Reihenfolge: erster Aktuator, Passivitätsregler bzw. Dämpfung des ersten Aktuators, Übertragungskanal, Energieüberwachungseinrichtung, Passivitätsregler bzw. Dämpfung des zweiten Aktuators. So ist mit dem ersten Aktuator unmittelbar ein Passivitätsregler verbunden. Ebenso ist unmittelbar mit dem zweiten Aktuator ein Passivitätsregler verbunden. Weiterhin ist die Energieüberwachungseinrichtung bei einem Übertragungsweg vom ersten Aktuator zum zweiten Aktuator nach dem Übertragungskanal insbesondere am Ort des zweiten Aktuators angeordnet.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung des Aktuatorsystems in Form eines 2 Port Netzwerks.
• Das erfindungsgemäße Aktuatorsystem weist einen ersten Aktuator 10 auf sowie einen zweiten Aktuator 12. Der erste Aktuator 10 und der zweite Aktuator 12 sind mittels eines Übertragungskanals 14 miteinander verbunden. Der Übertragungskanal 14 weist dabei eine Zeitverzögerung auf, angedeutet durch die gestrichelte Linie 16. So beträgt die Übertragungszeit T₁ vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator und die Übertragungszeit T₂ vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator. Insbesondere können T₁ und T₂ gleich sein, können jedoch auch verschieden voneinander sein. Bei dem Übertragungskanal 14 kann es sich um eine kabelgebundene Datenübertragung und eine kabellose Datenübertragung handeln. Insbesondere kann die Übertragung vom ersten Aktuator 10 auf den zweiten Aktuator 12 und andersherum über das Internet oder eine andere Kommunikationsverbindung erfolgen.
• Eine Bewegung des ersten Aktuators (A1) 10, welche beispielsweise durch einen Benutzer auf den ersten Aktuator 10 aufgebracht wird, wird sodann mittels dem Übertragungskanal (CC) 14 an den zweiten Aktuator (A2) 12 übertragen, welcher sodann dieselbe Bewegung mit derselben Kraft und Geschwindigkeit und einer hohen Positionsgenauigkeit durchführen soll. Insbesondere können erster Aktuator 10 und zweiter Aktuator 12 in einer Master-Slave-Konfiguration vorliegen. Dabei sollen jedoch auch Kräfte und Bewegung, die auf den zweiten Aktuator 12 wirken, mittels dem Übertragungskanal 14 an den ersten Aktuator 10 übertragen werden, insbesondere im Rahmen eines Force-Feedback-Systems. Hierdurch wird eine hohe Systemtransparenz geschaffen, so dass ein Benutzer, welcher mit dem ersten Aktuator verbunden ist, Kräfte, die auf dem zweiten Aktuator 12 wirken, erfährt, sei es als haptisches Feedback, visuelles Feedback oder dergleichen.
• Aufgrund der Verzögerung 16 des Übertragungskanals 14 könnte das Aktuatorsystem instabil werden. Um die Stabilität bzw. Passivität des Aktuatorsystems zu gewährleisten ist ein Regler vorgesehen. Der Regler weist einen ersten Passivitätsregler (PC) 18 auf, durch den eine Dämpfung des ersten Aktuators 10 erfolgt. Weiterhin ist ein zweiter Passivitätsregler (PC) 20 vorgesehen, welcher eine Dämpfung auf den zweiten Aktuator 12 ausführt. Weiterhin ist ein Positionsregler 22 vorgesehen, welcher eine Positionskopplung zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator regelt. Mit dem Positionsregler 22 ist eine Energieüberwachungseinrichtung 23 verbunden zum überwachen der Energien. Die Energieüberwachungseinrichtung (E) 23 weist einen Energiespeicher auf. In der Figur ist die Energieüberwachungseinrichtung 23 als separates Element ausgebildet. Jedoch kann der Energieüberwachungseinrichtung 23 integraler Bestandteil des Positionsreglers 22 sein.
• Durch den Regler und insbesondere die Energieüberwachungseinrichtung 23 werden die Leistungen mit $$P_i\left(k\right)=v_i\left(k\right)F_i\left(k\right)$$

  

  ermittelt zu dem Sampling-Schritt k mit der Geschwindigkeit v_i(k) des Aktuators und der Kraft F_i(k) des Reglers. Dabei ergeben sich die Energien E_i zu $$E_i^{L2R}\left(k\right)=T_s{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}_i^{L2R}\left(j\right)},$$

  

  
  und $$E_i^{R2L}\left(k\right)=T_s{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}_i^{R2L}\left(j\right)},$$

  
• Dabei bezeichnet „L2R“ die Leistung P_i bzw. Energie E_i vom ersten Aktuator in Richtung des zweiten Aktuators und „R2L“ die Leistung mit der Energie des zweiten Aktuators zum ersten Aktuator entsprechend den Pfeilen 24. T_s beschreibt die Sampling-Zeit. i bezeichnet dabei den jeweiligen Port zwischen den einzelnen Elementen des Aktuatorsystems, so dass i=1, ..., 5.
• Dabei erfolgt die Dämpfung der Kraft des ersten Aktuators 10 und des zweiten Aktuators 12 durch die Passivitätsregler 18, 20, so dass stets $$E_1^{L2R}\left(k\right)+E_5^{R2L}\left(k\right)\ge E_1^{R2L}\left(k\right)+E_5^{L2R}\left(k\right).$$

  

  erfüllt ist. Hierdurch wird die Stabilität des Aktuatorsystems garantiert.
• In dem Energiespeicher der Energieüberwachungseinrichtung 23 wird die Energie $$E_{St}\left(k\right)=E_{St}\left(k-1\right)+P_2^{L2R}\left(k-T_1\right)T_s+P_4^{R2L}\left(k\right)T_s$$

  

  gespeichert mit T₁ der Übertragungszeit vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator. Dabei handelt es sich bei der gespeicherten Energie Est um potentielle Energie des Systems. Die gespeicherte Energie ergibt sich somit aus der gespeicherten Energie des vorherigen Sampling-Schritts der Leistung am Port 2, welche vom ersten Aktuator 10 zum zweiten Aktuator 12 übertragen wird, sowie die Leistung am Port 4, welche vom zweiten Aktuator 12 auf den ersten Aktuator 10 übertragen wird. Dies ist angedeutet durch die Pfeile 26 in der Figur.
• Nachfolgend erfolgt eine Dämpfung der Kraft des ersten Aktuators 10 und des zweiten Aktuators 12 mittels der Passivitätsregler (PC) 18, 20. Die durch den Passivitätsregler 18 zu dissipierende Energie ergibt sich zu $$\begin{array}{l}\begin{array}{r}\hfill W^{PC1}\left(k\right)={\displaystyle \sum _{j=0}^{k-T_2}{P}^{R2L,des}\left(j\right)T_s-{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}_2^{R2L}\left(j\right)T_s}}\\ \hfill \end{array}\\ -W_{diss}^{PC1}\left(k-1\right)\end{array}$$

  

  mit T₂ der Übertragungszeit vom zweiten Aktuator 10 auf den ersten Aktuator 12 über den Übertragungskanal 14. Dabei ergibt sich P^R2L,des(k) zu $$P^{R2L,des}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_{exc}^{R2L}\left(k\right)$$

  

  mit $P_3^{R2L}$

  

  der Leistung am Port 3, die vom zweiten Aktuator 12 auf den ersten Aktuator 10 übertragen wird und somit die Leistung beschreibt, die von der Energieüberwachungseinrichtung 23 als Eintrittsleistung in den Übertragungskanal 14 in Richtung des ersten Aktuators 10 erfassbar ist. $P_{exc}^{L2R}$

  

  hängt von der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie ab und ergibt sich zu $$P_{exc}^{R2L}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}{P}_{exc}\left(k\right)\frac{P_3^{R2L}\left(k\right)}{p_{out}^{act}\left(k\right)},& {\text{if E}}_{St}\left(k\right)<p_{out}^{act}\left(k\right)T_s\\ \mathrm{0,}& {\text{if E}}_{St}\left(k\right)>p_{out}^{act}\left(k\right)T_s\end{array}$$

  

  
  mit $$P_{exc}\left(k\right)=E_{St}\left(k\right)/T_s-p_{out}^{act}\left(k\right)$$

  

  
  und $$p_{out}^{act}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_4^{L2R}\left(k\right).$$

  
• Somit ergibt sich die durch den Passivitätsregler 18 zu dissipierende Energie in Abhängigkeit von der im Energiespeicher gespeicherten Energie. Hierbei wird lediglich eine Reduzierung der Kraft vorgenommen. Weiterhin erfolgt in jedem Fall die Kraftreduzierung nach der Messung der übertragenen Energie, so dass stets nur so viel Energie dissipiert wird, um die Stabilität des Aktuatorsystems zu gewährleisten. Hierdurch wird ein energieeffizientes System gewährleistet.
• Analog ergibt sich die durch den zweiten Passivitätsregler 20 zu dissipierende Energie zu $$\begin{array}{l}{W}^{PC2}\left(k\right)={\displaystyle \sum _{j=0}^k\left(P^{L2R,des}\left(j\right)-P_4^{L2R}\left(j\right)\right)T_s}\\ -W_{diss}^{PC2}\left(k-1\right).\end{array}$$

  

  
  mit $$P^{L2R,des}\left(k\right)=P_4^{L2R}\left(k\right)+P_{exc}^{L2R}\left(k\right),$$

  

  wobei $P_4^{L2R}\left(k\right)$

  

  die Leistung bezeichnet, die von der Energieüberwachungseinrichtung 23 zum zweiten Aktuator übertragen wird und $P_{exc}^{L2R}\left(k\right)$

  

  sich ergibt zu $$P_{exc}^{L2R}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}{P}_{exc}\left(k\right)\frac{P_4^{L2R}\left(k\right)}{p_{out}^{act}\left(k\right)},& {\text{if E}}_{St}\left(k\right)<p_{out}^{act}\left(k\right)T_s\\ \mathrm{0,}& {\text{if E}}_{St}\left(k\right)>p_{out}^{act}\left(k\right)T_s\end{array}$$

  

  
  mit $$P_{exc}\left(k\right)=E_{St}\left(k\right)/T_s-p_{out}^{act}\left(k\right)$$

  

  
  und $$P_{out}^{act}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_4^{L2R}\left(k\right).$$

  
• Somit ist ein neues Aktuatorsystem geschaffen, welches stets stabil ist und bei dem die Passivitätsregler 18, 20 derart angesteuert werden, dass lediglich einer erforderliche Energiedissipation bzw. Reduzierung der Kraft erfolgt. Hierdurch wird das System energieeffizient. Gleichzeitig sind nur geringfügige Korrekturen erforderlich zum Erhalt der Passivität, so dass der Benutzer, welcher mit dem ersten Aktuator verbunden ist, keine und nur geringe Kraftsprünge erfährt im Rahmen des Force-Feedback-Systems, wodurch die Systemtransparenz erhöht wird. Dies wird erreicht, in dem die Dämpfung der Passivitätsregler 18, 20 lediglich auf die Kraft des ersten Aktuators bzw. zweiten Aktuators 12 wirkt. Gleichzeitig wird dies erreicht, in dem die Dämpfung erst nach Messung der relevanten Energien durchgeführt wird, wodurch wie oben dargelegt auch nur solche Energie dissipiert wird, welche gerade zu einer Instabilität des Systems führend würde.

Claims (11)

1. Aktuatorsystem, insbesondere für die Teleaktuierung, mit einem ersten Aktuator, insbesondere zur Bedienung durch einen Benutzer, einem zweiten Aktuator, insbesondere zur Ausführung einer Bewegung des Benutzers, einem Übertragungskanal zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator zur Übertragung der Geschwindigkeit und Kraft des ersten Aktuators auf den zweiten Aktuator und andersherum und einem Regler, wobei der Regler ausgebildet ist, so dass durch den Regler die Energie des ersten Aktuators messbar ist als Soll-Energie, wobei der Übertragungskanal ausgebildet ist die Soll-Energie an den zweiten Aktuator zu übertragen und der Regler ausgebildet ist in Abhängigkeit der übertragenen Soll-Energie die Dämpfung des zweiten Aktuators zu regeln.
2. Aktuatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler ausgebildet ist, so dass durch den Regler die Energie des zweiten Aktuators messbar ist als Soll-Energie, die Soll-Energie an den ersten Aktuator mittels dem Übertragungskanal übertragen wird und der Regler ausgebildet ist in Abhängigkeit der übertragenen Soll-Energie die Dämpfung des ersten Aktuators zu regeln.
3. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungskanal eine Verzögerung aufweist.
4. Aktuatorsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Übertragungskanal um eine Datenverbindung und insbesondere dem Internet handelt.
5. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator und/oder der zweite Aktuator einen oder mehr als einen Freiheitsgrad aufweisen, wobei insbesondere die Geschwindigkeit und Kraft für jeden der Freiheitsgrade über den Übertragungskanal an den jeweils anderen Aktuator übertragen werden.
6. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator und der zweite Aktuator identische Freiheitsgrade aufweisen und insbesondere identisch aufgebaut sind.
7. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung P_i ermittelt wird nach P_i(k)=ν_i(k)F_i(k), zu dem Sampling-Schritt k, mit der Geschwindigkeit v_i(k) des Aktuators und der Kraft F_i(k) des Reglers, wobei die Energien E_i berechnet werden zu $$E_i^{L2R}\left(k\right)=T_s{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}_i^{L2R}\left(j\right)},$$

   

   und $$E_i^{R2L}\left(k\right)=T_s{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}_i^{R2L}\left(j\right),}$$

   

   wobei L2R die Leistung und Energie vom ersten Aktuator zum zweiten Aktuator bezeichnet, R2L die Leistung und Energie des zweiten Aktuators zum ersten Aktuator und T_s die Sampling-Zeit bezeichnet.
8. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Kraft erfolgt, so dass insbesondere stets $$E_1^{L2R}\left(k\right)+E_5^{R2L}\left(\text{k}\right)\ge E_1^{R2L}\left(k\right)+E_5^{L2R}\left(k\right).$$

   

   erfüllt ist.
9. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler eine Energieüberwachungseinrichtung aufweist, die den Energiefluss von ${\text{E}}_2^{\text{L2R}}\left(\text{k}\right){\text{ und E}}_{\text{4}}^{\text{R2L}}\left(\text{k}\right)$

   

   überwacht, wobei die in der Energieüberwachungseinrichtung gespeicherte Energie E_St sich ergibt zu $$E_{St}\left(k\right)=E_{St}\left(k-1\right)+P_2^{L2R}\left(k-T_1\right)+P_4^{R2L}\left(k\right)T_s$$

   

   wobei T₁ die Übertragungszeit vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator über den Übertragungskanal bezeichnet.
10. Aktuatorsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grund der Dämpfung Energie W^PC1 dissipiert wird, wobei sich die zu dissipierende Energie W^PC1 ergibt zu $$\begin{array}{l}{W}^{PC1}\left(k\right)={\displaystyle \sum _{j=0}^{k-T_2}{P}_{}^{R2L,des}\left(j\right)T_s-{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}_2^{R2L}\left(j\right)T_s}}\\ -W_{diss}^{PC1}\left(k-1\right)\end{array}$$

    

    mit T₂ die Übertragungszeit vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator über den Übertragungskanal, wobei sich P^R2L,des(k) sich ergibt zu $$P^{R2L,des}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_{exc}^{R2L}\left(k\right),$$

    

    mit $P_3^{R2L}$

    

    der Leistung, die von der Energieüberwachungseinrichtung als Eintrittsleistung in den Übertragungskanal in Richtung des ersten Aktuators erfassbar ist und $P_{exc}^{R2L}\left(k\right)$

    

    sich ergibt zu $$P_{exc}^{R2L}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}{P}_{exc}\left(k\right)\frac{P_3^{R2L}\left(k\right)}{p_{out}^{act}\left(k\right)},& {\text{if E}}_{St}\left(k\right)<p_{out}^{act}\left(k\right)T_s\\ \mathrm{0,}& {\text{if E}}_{St}\left(k\right)>p_{out}^{act}\left(k\right)T_s\end{array}$$

    

    mit $$P_{exc}\left(k\right)=E_{St}\left(k\right)/T_s-p_{out}^{act}\left(k\right)$$

    

    und $$p_{out}^{act}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_4^{L2R}\left(k\right),$$

    

    wobei $P_4^{L2R}$

    

    die Leistung bezeichnet, die von der Energieüberwachungseinrichtung zum zweiten Aktuator übertragen wird.
11. Aktuatorsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grund der Dämpfung Energie W^PC2 dissipiert wird, wobei sich die dissipierte Energie W^PC2 ergibt zu $$\begin{array}{l}{W}^{PC2}\left(k\right)={\displaystyle \sum _{j=0}^k\left(P^{L2R,des}\left(j\right)-P_4^{L2R}\left(j\right)\right)T_s}\\ -W_{diss}^{PC2}\left(k-1\right).\end{array}$$

    

    mit $$P^{L2R,des}\left(k\right)=P_4^{L2R}\left(k\right)+P_{exc}^{L2R}\left(k\right),$$

    

    wobei $P_4^{L2R}\left(k\right)$

    

    die Leistung bezeichnet, die von der Energieüberwachungseinrichtung zum zweiten Aktuator übertragen wird und $P_{exc}^{L2R}\left(k\right)$

    

    sich ergibt zu $$P_{exc}^{L2R}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}{P}_{exc}\left(k\right)\frac{P_4^{L2R}\left(k\right)}{p_{out}^{act}\left(k\right)},& {\text{if E}}_{St}\left(k\right)<p_{out}^{act}\left(k\right)T_s\\ \mathrm{0,}& {\text{if E}}_{St}\left(k\right)>p_{out}^{act}\left(k\right)T_s\end{array}$$

    

    mit $$P_{exc}\left(k\right)=E_{St}\left(k\right)/T_s-p_{out}^{act}\left(k\right)$$

    

    und $$p_{out}^{act}\left(k\right)=P_3^{R2L}\left(k\right)+P_4^{L2R}\left(k\right),$$

    

    wobei $P_3^{R2L}$

    

    der Leistung bezeichnet, die von der Energieüberwachungseinrichtung als Eintrittsleistung in den Übertragungskanal in Richtung des ersten Aktuators erfassbar ist.

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