WO2011107278A1 - Method and device for controlling a robot - Google Patents

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WO2011107278A1
WO2011107278A1 PCT/EP2011/001045 EP2011001045W WO2011107278A1 WO 2011107278 A1 WO2011107278 A1 WO 2011107278A1 EP 2011001045 W EP2011001045 W EP 2011001045W WO 2011107278 A1 WO2011107278 A1 WO 2011107278A1
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WO
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user
governor
actuators
sensors
signals
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PCT/EP2011/001045
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German (de)
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Inventor
Marcel Reese
Original Assignee
Marcel Reese
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Publication date
Application filed by Marcel Reese filed Critical Marcel Reese
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J3/00Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements
    • B25J3/04Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements involving servo mechanisms
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality

Definitions

  • the present invention relates to the control of a governor by a user.
  • a corresponding user can be a human or another living being.
  • the governor to be controlled may be a real machine, a virtual machine, or some other virtual creature.
  • a preferred machine is a real or virtual robot.
  • This invention relates to the field of motion simulation.
  • Simulators are known, for example, as flight simulators for pilot training or for use in gaming halls. Different movements are applied to a human body while displaying a simulated environment.
  • exoskeletons are known. They are similar to orthotics that are for the support of individual limbs, such as for a hand or a
  • CONFIRMATION COPY Knee joint may be suitable.
  • Such an exoskeleton is described for example in DE 10 2007 035 401 A1.
  • Exoskeletons can support or enhance movements of the wearer by actively driving joints on the exoskeleton by servomotors. These are driven by sensor signals that are a measure of
  • Exoskeletons which are a type of robotic suit, are known by Raytheon Company (www.ravtheon.com, last accessed June 2010). These are essentially a portable robot that reinforces the power, endurance and maneuverability of the user. They include a combination of sensors, actuators and controls, allowing the user to carry a human on his back or lift heavy loads hundreds of times without getting tired. On the other hand, this suit is agile enough that its users can play football, climb a staircase and the like.
  • the movement of the robot is in the said article by means of a
  • governor such as a machine or a virtual being, allow, at which the governor understands essential movements that are given by a user.
  • signals are detected and evaluated by user sensors whose signals are a measure of positions, postures and / or movements of individual body parts of the user and / or a measure of the forces or torques acting on them.
  • Such sensors may, for example, be in direct or indirect contact with the user body and be designed as stretch marks, electrical sensors for muscle impulses or the like.
  • sensors are also possible which are located at some distance from the user and detect their positions and / or movements visually, acoustically, capacitively or the like.
  • the user sensor signals are used to control governor actuators that bring or move a governor in a predetermined position accordingly
  • a governor can in particular a real machine, a virtual
  • Machine or another virtual being is a preferred machine.
  • a preferred machine is a real or virtual robot. Such a position may be, for example, sitting, lying or the like. A movement can go, run etc. be.
  • Appropriate actuators may include electric motors, but also hydraulic or pneumatic elements.
  • the user sensor signals can also be detected and processed and used to control user actuators. This serves in particular when using an exoskeleton to reduce the user perceived weight forces and dynamic forces exerted by the exoskeleton on the user.
  • governor sensors that detect the positions and movements of the governor and / or on him from the outside or by themselves acting forces, torques or deformations.
  • These sensors can basically be designed and arranged similar to user sensors. Their signals are detected and processed in such a way that they serve to control user actuators that influence the user or individual parts of his body accordingly. Such an influence can on the one hand be the cause of a posture or movement by the application of forces and torques. But it is also possible that the user such forces, torques or deformations are exercised, which are comparable to a haptic feedback when touching an object.
  • the governor sensor signals can also be recorded and processed and used to control governor actuators. This serves in particular to make the user not feel the weight and the dynamic forces of the governor.
  • the user sensors detect the positions, positions, movements, forces and / or torques of at least one body part, such as a leg, an arm, a hand, a foot or the like, and a part, ie leg, arm, hand, foot or the like, the governor is moved accordingly.
  • the controlling body part and the controlled part may be similar, such as arm-arm, leg-leg and the like.
  • they it is also conceivable that they
  • exoskeletons are disparate, so that, for example, a user's hand controls a governor's leg.
  • the use of an exoskeleton is particularly advantageous if suitable actuators and / or sensors are contained therein. It is particularly advantageous if the user and the governor wear or use identical exoskeletons.
  • a suitable motion simulator is provided in one embodiment of the invention. This may for example be designed as (a) gimbals in conjunction with a translation unit, (b) stewart motion platform, (c) multi-axis industrial robots or (d) more spherical
  • the governor is designed as a real robot, or other real machine, various teleoperations are possible.
  • the user can control a robot, for example, in a life-threatening environment, such as in a radioactive space, in a combat mission or the like.
  • the task of such a system is therefore the applicability of real robots to areas and To broaden problems in which they can act autonomously or semi-autonomously, not or only to a limited extent. This includes, for example, locomotion of a robot in desert sand, swamps, forests, complex situations in buildings, interaction with sensitive organisms, etc.
  • Complex movements such as
  • the robot transmits its state, such as movements, forces, torques, etc., to the user via said sensors and actuators, it can adequately control the robot through its body control, which is possibly assisted by an exoskeleton.
  • Information can be obtained by the user on the basis of optical, acoustic or other impressions, which are recorded by means of suitable sensors in the area of the robot and appropriately processed and forwarded to the user.
  • the master robot is preferably designed as an exoskeleton for this purpose.
  • the number of degrees of freedom of the robots may generally be different.
  • Moving state of the slave experienced by the master The more realistic the user's impression of the slave's environment is, the greater is the "transparency" of the tele-operative connection, including the type of control and communication involved, and the bilateral teleoperation also allows multiple users to haptically interact or use multiple masters and a shared slave interact with the environment, especially the slave and slave environment can be simulated, so be virtually trained. It is also important to the user of the sensation of the immediate
  • the body weight of the user or of parts of the user should also be borne by the robots. Both, the (partial) isolation of the user of master and slave properties, as well as the (partial) removal of his body weight by the robot, is established by so-called gravity compensation.
  • Teleoperation methods commonly also use the scaling of distances and forces. This is especially important for non-identical master and slave robots. This means that a user can also experience larger or smaller forces and other distances (also angular distances) at the master than at the slave.
  • Position-force control means that the actual position of the master is transmitted to the slave, which uses it as a setpoint around its position
  • the forces and / or torques measured by the slave are then transmitted to the master, where they are used as desired forces and transmitted to the user by actuators.
  • the methods can only be realized with actuator sensors (angle, angular velocity, torque) or with additional force and torque sensors.
  • the invention then becomes easily applicable if it controls the reality or the virtual reality by the governor according to their laws. That means he has to get used to it.
  • a task of the user would then be to regulate, for example, the balance of the governor.
  • the governor will usually have a different geometry and body dynamics than the user. If, however, the body dynamics of the governor is transferred to the user through the use of a movement simulator, the latter notes, for example, by means of an equally accelerated movement of the head forward, that the governor begins to fall over. He must compensate for this with appropriate measures, such as shifting the governor's weight, using his own legs, which control the legs of the governor until the acceleration stops.
  • the user can never fall over himself in the exoskeleton in the movement simulator, as long as his governor does not fall over.
  • dynamic and static forces of the governor can be passed on to the user.
  • any linear or non-linear transformation between the parameter spaces of the governor and the user can be made. This can be used to speed up habituation or improve customization.
  • the regulation of the exoskeleton and the motion simulator can be effected by applying proven concepts and techniques of machine and robot kinematics as well as teleoperation.
  • the simulation of virtual worlds based on physical models has found widespread use in computer games, scientific simulation and film.
  • the same hardware and software can be used for efficient simulation of the necessary control signals and also for image calculation.
  • the governor can also be designed as a virtual being, as virtual
  • Robot or virtual creature in a video game or the like can serve the user to certain movements in To practice dependency on different environments that can also be represented virtually.
  • Another embodiment of the invention allows the user to experience predetermined influences. These can be movement sequences or other haptic impressions.
  • the user can experience a kind of haptic film, which can be supplemented accordingly by means of suitable output means for optical, acoustic and other signals.
  • suitable output means for optical, acoustic and other signals In the interaction between the user and the robot may be too
  • Time delays occur, which can be caused in particular by the response times of sensors and actuators, computing speed of control units and transit times of the various signals.
  • Time delays can be largely compensated if time derivatives of the quantities measured by the sensors are evaluated.
  • sensors such as ultrasound transducers, for example, are provided, which quickly detect the distance to the object in the manner of a parking aid , By using this data for contact prediction, the impression of a contact and a realistic feedback can be generated in time for the user.
  • Movement in partial or complete weightlessness is simulated.
  • This situation is very similar to weightlessness in space, but differs in the high damping of any movement through the fluid.
  • the actuators that move his body or individual parts of his body driven accordingly to support movements.
  • sub-water motion with scaled damping or motion in space without damping or the like can be simulated.
  • the transparency of the teleoperation with real or virtual machines, real or virtual robots or virtual beings in situations in space or under water or the like can thus be improved.
  • a further embodiment of the invention provides that the user in the master (user side) influences another user in the slave (governor side). Both users are preferably humans.
  • the master is designed here as an exoskeleton with rototranslator and the slave as a freely movable exoskeleton.
  • the master and slave are interconnected by a bilateral haptic connection of all or some body parts and other signals, such as acoustic or the like.
  • the degree of influence of the master by the slave and vice versa is controlled by the control unit, under default of the master and / or slave side. This makes it possible to accompany a user of a freely movable exoskeleton on the slave side from a distance and to support or to take over the control of the exoskeleton in whole or in part.
  • This embodiment is particularly interesting for training purposes in sports exercises or other tasks with high physical share.
  • a further embodiment of the invention provides that several users interact in their own user units via a common control unit with the same governor. Both users thus experience the state of the governor and can generally influence him cooperatively but to a different degree. Users can generally influence different functions and body parts of the governor. The users can thus share tasks of governing the governor, coping with them, or even participating in an observational and advisory role. This embodiment is particularly interesting for training purposes in sports exercises or other tasks with a high physical share. Further features and advantages of the invention are explained below with reference to preferred embodiments. Show
  • Fig. 1 A system for controlling a robot by means of an exoskeleton
  • Fig. 2 is a side view of a user in the exoskeleton
  • FIG. 1 symbolically illustrates a system that allows a user 10 to control a robot 110.
  • the user 10 is preferably a human with a corresponding body comprising a trunk 12 and arms 14, legs 16, feet 17 and a head 18.
  • a user exoskeleton 20 is attached, which is drawn hatched. This is located in particular on the arms 14, on the fuselage 12, on the back 13 (see FIG. 2), on the legs 16 and on the feet 17, which in the preferred embodiment do not touch the ground but only stop on the user exoskeleton 20.
  • This is designed such that it partially or completely encloses the body parts mentioned in such a way that it can detect and also influence movements of the body.
  • a helmet 22 which in the preferred embodiment is part of the exoskeleton 20 and in which a visual display unit 24 and an acoustic display unit 26 are included.
  • Display unit 24 generates different displays for the right and left eyes, such as LCD displays, projection devices, or the like, and thus can provide a stereo effect.
  • the acoustic reproduction unit 26 preferably comprises two headphones or loudspeakers, which may allow the user 10 a surround sound. Furthermore, a microphone 28
  • the robot 110 is here designed as a humanoid robot consisting essentially of a robot exoskeleton with corresponding body parts, such as robot body 112, robot arms 1 4, robot legs 16, robot feet 17 and robot head 118.
  • the robotic exoskeleton is at this preferred
  • Embodiment largely mechanically identical to the user exoskeleton 20.
  • the robot exoskeleton is connected to a work space which is subdivided into various chambers, which can be roughly designated as the trunk work space 130, the arms work space 132, the leg work space 134 and the head work space 136.
  • a work space which is subdivided into various chambers, which can be roughly designated as the trunk work space 130, the arms work space 132, the leg work space 134 and the head work space 136.
  • operating materials In these work spaces, operating materials , Aggregates, tools and means for
  • Control, power supply and the like can be accommodated.
  • the robot head 118 includes a camera system 122, which preferably consists of two individual cameras mounted at the locations where
  • a loudspeaker 124 which can emit acoustic signals into the environment of the robot 110.
  • a loudspeaker 124 which can emit acoustic signals into the environment of the robot 110.
  • the ear area is a loudspeaker 124
  • Microphone system 126 that can pick up sounds from the environment. It is particularly advantageous if the microphone system is designed as a dummy head stereomicrophone.
  • the nose area contains olfactory sensors 128 that can pick up olfactory signals from the environment. For these sensors 128 work chemically, optically and / or the like.
  • the user 10 and the robot 110 are connected to one another via an electronic control, which is indicated only symbolically in FIGS. 1, 2 and in particular contains an electronic control unit 30.
  • These user sensors NS include, in particular, the microphone 28 and user body sensors, not shown, which can absorb movements, spatial position, forces and / or torques of the user 10 or his body parts.
  • trunk 12, back 13, arms 14, legs 16, feet 17 and head 18, these body parts also include other parts of the body, in particular the hands, the fingers and the like.
  • These user body sensors may be at least partially contained in the exoskeleton 20.
  • the controller 30 also receives signals from sensors provided on the robot 110 side via a second sensor line 33. These are indicated in Fig. 1 with RS and include in particular the camera system 122, the microphone system 126, the odor sensors 128 and not shown robot body sensors that record movements of the robot 110 and can be arranged and configured similar to the user described above. body sensors.
  • the electronic control unit 30 outputs various signals.
  • first all signals that drive on the part of the user 10 user output units ND via a first playback line 34, such as the optical display unit 24 or the acoustic playback unit 26.
  • first signals are emitted
  • User actuators can control NA. These may be at least partially part of the exoskeleton 20 and may be designed so that they can exert pressure and deformations on different parts of the body of the user. They may also be arranged and designed so that movements of user body parts can be initiated or inhibited. For example servomotors, hydraulic or pneumatic elements or the like are conceivable.
  • the use of hydraulic and pneumatic elements offers the possibility of tempering the liquids or gases used and thereby additionally giving the user, or possibly also via other means, a temperature feedback. Since in the preferred embodiment, the helmet 22 is part of the exoskeleton 20, and the attitude of the head 18 can be detected and also influenced.
  • the electronic control unit 30 outputs various signals. These include the signals output via a second reproduction line 35 for the robot output units RD, to which in particular the loudspeaker system 124 belongs. Further optical and / or acoustic output units are conceivable.
  • control signals for robot actuators RA are output via a second control line 37. This includes in particular positioning elements within the robot 110, which can cause or inhibit movements of robot body parts.
  • Fig. 2 shows symbolically a side view of the user 10 and other elements of the system. It can be clearly seen that in the preferred embodiment, the user body parts in particular at the back and on the outer sides of the
  • Exoskeleton 20 are surrounded.
  • the electronic control unit 30 receives various sensor signals from the exoskeleton 20 and also outputs various control signals to associated actuators, so that the user body can be influenced accordingly.
  • various sensor signals from the exoskeleton 20 and also outputs various control signals to associated actuators, so that the user body can be influenced accordingly.
  • a user camera 38 and a user motion sensor 39 are connected to the control unit 30. These record optical and / or acoustic signals from the environment of the user 10. In the preferred
  • the camera 38 is arranged and configured so that it can capture the facial expressions of the user.
  • the exemplary embodiment serves to enable a substantial part of the body of user 10 to be used to control the robot 1 10, by sensors being arranged directly or indirectly on the user body, which sensors can detect as many movements or other reactions as possible. This is supplemented by further sensors, such as camera 38 and motion sensor 39, which are arranged in the area of the user 10 and also detect its movements. In addition, further signals from the area of the user 10 can be detected, such as by means of the microphone 28, which can be reproduced in a corresponding manner on the part of the robot 110.
  • the embodiment is not only for the control of the robot 110 by the user 10, but conversely also signals on the part of Robot 110 are supplied to the user in a suitable manner.
  • signals on the part of Robot 110 are supplied to the user in a suitable manner.
  • actuators which may be part of the exoskeleton 20.
  • This is supplemented by acoustic, optical, olfactory and / or gustatory signals, which are detected by suitable sensors in the area of the robot 110 and fed to the user 10 via corresponding output means.
  • FIGS. 1 and 2 can not give the user 10 an optimal impression of the position, speed and acceleration of the robot 110.
  • a motion simulator is necessary.
  • Fig. 3 shows a preferred example of a suitable motion simulator.
  • This is a rototranslator 40, which contains a first part 40a and a second part 40b.
  • the first part 40a is a translation unit that allows three degrees of freedom due to their Cartesian structure along the axes, x, y and z.
  • the second part 40b is a rotation unit, which also allows three degrees of freedom and is designed here as a gimbal.
  • the preferred embodiment to avoid the so-called gimbal-lock effect 4 axes 42, 44, 46 and 48, on which rotatable elements 43, 45, 47 and 49 are attached.
  • the preferred embodiment to avoid the so-called gimbal-lock effect 4 axes 42, 44, 46 and 48, on which rotatable elements 43, 45, 47 and 49 are attached.
  • the preferred embodiment the first part 40a is a translation unit that allows three degrees of freedom due to their Cartesian structure along the axes, x, y and z
  • Elements 43, 45, 47 a ring-like shape and the fourth element 49 is almost semi-annular.
  • an attachment point 50 On the underside there is an attachment point 50, on which the user 10 can be arranged. This can be done, for example, by attaching the exoskeleton 20 or a user capsule at point 50, or in a similar manner.
  • Fig. 4 shows a preferred embodiment of such attachment.
  • the exoskeleton 20, with which the user 10 is firmly connected is fastened to the back side via a fastening element 52 and a fastening arm 54 at the point 50.
  • the fastener 52 preferably includes a
  • High-frequency rotation translation unit which is suitably controlled by the controller 30, to move the user 10 quickly, thereby For example, a shaking as in a car ride on bumpy track can be simulated.
  • the rototranslator 40 is likewise controlled by the control unit 30.
  • a multiplicity of actuators (not illustrated here) are provided which allow movements in all possible degrees of freedom both in the translation unit 40a and in the rotation unit 40b.
  • the pose can no longer be transmitted one-to-one. Then, the actuators of the rototranslator 40 are controlled by the controller 30 such that a motion-cueing process is realized. This makes it possible to transmit the pose of the robot 1 10 to the user 10 such that the working space of the rototranslator 40 does not leave, but nevertheless a realistic overall impression for the user 10 is generated.
  • a second display unit 56 is arranged in the field of view of the user 10, which can be used additionally or instead to the first display unit 24.
  • the display unit 56 can, in particular in such cases, the first
  • the display unit 24 in which by means of the camera 38 (Fig. 2), the facial expression of the user 10 should be detected as completely as possible.
  • the display unit 56 may be curved, spherical or flat and configured such that a
  • Playback of 2- and / or 3-dimensional images is possible.
  • loudspeakers not shown here for surround sound can be provided.
  • the user 10 and the robot 110 are at a local distance from each other, such as in different rooms, different buildings, or the like. It is particularly advantageous if at least some of the lines 32 - 37 are designed wirelessly. For this, different technologies are suitable, such as transmission via
  • the lines 32-37 which are shown in the figures as simple lines, can be designed in many ways. It is important that signals from sensors and signals to actuators and display units are transmitted in a suitable manner via suitable channels. It is also possible that the control unit 30 shown in the figures as a central unit is designed decentralized, so that, for example, parts of the control can take place directly on the master, on the slave, on individual joints and / or anywhere else. For this purpose, lines within the control system can be wireless and / or wired. For the most accurate control of the robot 110 is a variety of
  • Body sensors provided on the user 10 and in its surroundings. These sensors can be designed in various ways. So are measurements of angles and / or torques between individual body parts whose
  • the body sensors may be located at various locations, such as directly at the user 10, within the exoskeleton 20, and / or in between.
  • a plurality of actuators is provided there. These can act on manipulated variables such as Angle, positions, forces or torques and their time derivatives. It is particularly advantageous if the control of at least one of the actuators by means of a control process takes place. For that will be
  • corresponding sensor signals of the line 32 are evaluated as an actual value in the control unit 30, whereupon the control of the associated actuators is adapted to a predetermined setpoint.
  • the control of the Rototranslators 40 can be based on a
  • Control process done by actual signals corresponding sensors are received in the control unit 30 and evaluated appropriately, with a desired spatial position and position can be adjusted.
  • a desired spatial position and position can be adjusted.
  • additional time derivatives of such values are determined.
  • sensors are arranged on the body of the robot 110 and in the vicinity of a plurality of sensors. This can be done in a similar manner as in the user 10. These sensors also describe the current spatial position and position and, where appropriate, their time derivatives.
  • the control unit 30 controls the actuators and display units based on the received sensor signals such that a bilateral haptic teleoperability is made possible.
  • the actuators on the user side and the robot can be controlled such that in addition also a
  • time delays may be caused in particular by the response times of sensors and actuators, computing speed of the control unit 30 and transit times of the various signals.
  • Time delays can be largely compensated if time derivatives of the quantities measured by the sensors are evaluated and values are estimated in the future.
  • time derivatives of the quantities measured by the sensors are evaluated and values are estimated in the future.
  • such an estimation can lead to problems especially when the robot 110 is in contact with an object of its environment occurs, are in a development of the
  • Embodiment provided ultrasonic transducers, which can quickly recognize the distance to the object in the manner of a parking aid.
  • the described embodiments allow the user 10 and the robot 110 to assume the same postures as standing, sitting, lying, headstand, as well as performing joint movements such as walking, running, jumping, somersaulting, etc.
  • the user 10 gets one haptic feedback. Because if he moves the robot 110 and this with any of his
  • the preferred embodiment also has the advantage of achieving a complete, unlimited mobility in six degrees of freedom (6-dof mobility) of the governor and to provide the user at any time complete realistic power feedback.
  • 6-dof mobility six degrees of freedom
  • the user 10 may control the robot 110, for example, in a life-threatening environment such as a radioactive space, a combat mission or the like.
  • the task of such a system is thus to extend the applicability of real robots to areas and problems in which they can not act autonomously or semi-autonomously. This includes, for example, locomotion of the robot 110 in desert sand, swamps, forests, complex situations in buildings, interaction with sensitive animals, etc.
  • the user exoskeleton 20 and the robot exoskeleton may be different or identical.
  • the slave may also be a humanoid or other robotic general body.
  • a memory unit is present, the predetermined - calculated, for example, based on existing 3-dimensional movement sequences - or already carried out by the user 10 or by another user positions and / or movements and / or forces and / or other to be reproduced
  • the embodiments of the invention may also be used to allow multiple users to communicate and interact over a greater distance.
  • one or more additional users are located in the area of the robot 110, each of which likewise carries an exoskeleton or the like and thereby controls a second robot which is located in the area of the user 10.
  • therapeutic measures, gymnastic exercises or the like can be trained.
  • the controlled robots regardless of location and number of users, can interact in the same room and communicate with users.
  • both or more users each use an exoskeleton or the like and each control a governor in a common virtual reality. This allows the haptic, acoustic, visual, etc.
  • the exoskeleton 20 may be attached.
  • the whole can be mounted on a translation unit to obtain a total of six degrees of freedom.
  • a tilting and pivoting bar mounted on the floor or on the ceiling of a room where the exoskeleton is movably mounted, may be sufficient to represent many movements in a realistic manner.
  • a gimbal also two or three axles are sufficient, if appropriate restrictions are accepted.
  • the physical robot 110 in a real environment may be replaced by another governor, such as a virtual model of a robot or a living being in a virtual environment. This eliminates all associated robot sensors and robot actuators; These are replaced by a corresponding simulation.
  • another governor such as a virtual model of a robot or a living being in a virtual environment. This eliminates all associated robot sensors and robot actuators; These are replaced by a corresponding simulation.

Abstract

The invention relates to the control of a master by a user. Such a master is in particular a robot or a virtual being. The master is controlled by signals from sensors that are mounted on the user or are located in the surroundings thereof and can record positions and movements of the user. Furthermore, on the master, or in the surroundings thereof, further sensors are provided that can record the positions and movements of the master. Signals from said sensors are used to control movement sequences of the user. The invention is characterised in that said sensors detect stances, positions, movements, forces and/or twisting moments of at least one body part of the user, and parts of the master can be moved correspondingly. The invention can be used for example, in teleoperations.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR STEUERUNG EINES ROBOTERS  METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A ROBOT
Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung eines Statthalters durch einen Nutzer. Ein entsprechender Nutzer kann ein Mensch oder ein sonstiges Lebewesen sein. Der zu steuernde Statthalter kann eine reale Maschine, eine virtuelle Maschine oder ein sonstiges virtuelles Lebewesen sein. Eine bevorzugte Maschine ist ein realer bzw. virtueller Roboter. The present invention relates to the control of a governor by a user. A corresponding user can be a human or another living being. The governor to be controlled may be a real machine, a virtual machine, or some other virtual creature. A preferred machine is a real or virtual robot.
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Bewegungssimulation. Simulatoren sind beispielsweise bekannt als Flugsimulatoren für die Pilotenausbildung oder für den Einsatz in Spielhallen. Dabei werden verschiedene Bewegungen auf einen menschlichen Körper ausgeübt bei gleichzeitiger Anzeige einer simulierten This invention relates to the field of motion simulation. Simulators are known, for example, as flight simulators for pilot training or for use in gaming halls. Different movements are applied to a human body while displaying a simulated
Umgebung. Es ist auch möglich, dass durch geeignete Mittel auch passende Geräusche generiert und dem menschlichen Körper als Schall- und/oder Surroundings. It is also possible that appropriate means also generates appropriate sounds and the human body as sound and / or
Körperwellen zugeführt werden. Body waves are supplied.
Weiterhin bekannt ist das Gebiet der„Virtual Reality", wobei menschlichen Also known is the field of "virtual reality" where human
Sinnesorganen bestimmte optische, akustische und/oder haptische Reize oder auch Gerüche simuliert werden, wodurch ein Mensch angeregt wird, bestimmte Sensory organs certain optical, acoustic and / or haptic stimuli or odors are simulated, whereby a person is stimulated certain
Handlungen oder Bewegungen auszuführen. To perform actions or movements.
Außerdem sind Roboter bekannt, die aufgrund von Steuersignalen In addition, robots are known that due to control signals
unterschiedlichste Bewegungen ausführen können. Je nachdem, wie viele Gelenke mit zugehörigen Achsen und Aktuatoren ein solcher Roboter aufweist, können sie ganz bestimmte Tätigkeiten unterstützen oder erledigen, wie im Rahmen eines Produktionsprozesses, bei der Reinigung eines Haushalts oder dergleichen. can perform different movements. Depending on how many joints with associated axes and actuators such a robot, they can support or perform very specific activities, such as in the context of a production process, in the cleaning of a household or the like.
Insbesondere dann, wenn die Feinmotorik im Bereich der„Hände" bei Robotern optimiert ist, können sie sich auch entsprechend genau bewegen. Zur Koordination derartiger Roboterbewegungen sind außerdem Sensoren und Kontrolleinheiten bekannt, die diese Bewegungen steuern oder regeln. In particular, when the fine motor skills in the field of "hands" are optimized for robots, they can also move correspondingly accurately.To coordinate such robot movements sensors and control units are also known which control or regulate these movements.
Weiterhin sind sogenannte Exoskelette bekannt. Sie sind vergleichbar mit Orthesen, die für die Unterstützung einzelner Gliedmaßen, wie für eine Hand oder ein Furthermore, so-called exoskeletons are known. They are similar to orthotics that are for the support of individual limbs, such as for a hand or a
BESTÄTIGUNGSKOPIE Kniegelenk, geeignet sein können. Ein derartiges Exoskelett ist beispielsweise beschrieben in DE 10 2007 035 401 A1. Je nach Ähnlichkeit zum menschlichen Körper unterscheidet man anthropomorphe und nicht-anthropomorphe Exoskelette. Exoskelette können Bewegungen des Trägers unterstützen bzw. verstärken, indem am Exoskelett Gelenke durch Servomotoren aktiv angetrieben werden. Diese werden angesteuert aufgrund von Sensorsignalen, die ein Maß sind für CONFIRMATION COPY Knee joint, may be suitable. Such an exoskeleton is described for example in DE 10 2007 035 401 A1. Depending on the similarity to the human body, a distinction is made between anthropomorphic and non-anthropomorphic exoskeletons. Exoskeletons can support or enhance movements of the wearer by actively driving joints on the exoskeleton by servomotors. These are driven by sensor signals that are a measure of
Bewegungen, die der Träger durchführt oder durchführen will. Solche Signale können beispielsweise erzeugt werden aufgrund von Elektroden, die auf der Haut angebracht sind und elektrische Impulse von Muskeln empfangen, aufgrund gemessener Abstände, Kräfte und Drehmomente zwischen Nutzer und Exoskelett, und/oder aufgrund von Positionen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräften und Drehmomenten der Aktuatoren des Exoskeletts. Exoskelette, die eine Art robotischen Anzug darstellen, sind bekannt von der Firma Raytheon Company (www. ra vtheon . com ; letzter Abruf Juni 2010). Diese sind im Wesentlichen ein tragbarer Roboter, die die Kraft, die Ausdauer und die Wendigkeit des Nutzers verstärken. Sie beinhalten eine Kombination von Sensoren, Aktuatoren und Reglern und ermöglichen es dem Nutzer beispielsweise, einen Menschen auf dem Rücken zu tragen oder schwere Lasten mehrere Hundert Mal zu heben ohne zu ermüden. Andererseits ist dieser Anzug wendig genug, dass sein Nutzer Fußball spielen, eine Treppe steigen kann und dergleichen. Movements that the wearer wants to perform or perform. Such signals may be generated, for example, due to electrodes attached to the skin and receiving electrical impulses from muscles due to measured distances, forces and torques between the user and the exoskeleton, and / or due to positions, speeds, accelerations, forces, and torques Actuators of the exoskeleton. Exoskeletons, which are a type of robotic suit, are known by Raytheon Company (www.ravtheon.com, last accessed June 2010). These are essentially a portable robot that reinforces the power, endurance and maneuverability of the user. They include a combination of sensors, actuators and controls, allowing the user to carry a human on his back or lift heavy loads hundreds of times without getting tired. On the other hand, this suit is agile enough that its users can play football, climb a staircase and the like.
Aus dem Artikel„Development of Teleoperation Master System with a Kinesthetic Sensation of Presence", Hitoshi Hasunuma et al., ICAT '99 (siehe From the article "Development of Teleoperation Master System with a Kinetic Sensation of Presence", Hitoshi Hasunuma et al., ICAT '99 (see
http://www.yrsi.org/ic-at/papers/99053.pdf ; letzter Abruf Juni 2010), ist bekannt, einen Roboter durch die natürliche Verwendung der Arme eines Nutzers und unter bilateraler haptischer Kontrolle zu steuern. Der Nutzer spürt also die Kräfte, die auf den Roboter wirken und kann ihn steuern. Dabei werden nur die Bewegungen der Arme, der Hände und die Haltung des Kopfes des Nutzers auf den Roboter übertragen. Dazu wird für die Arme ein Exoskelett mit 7 Freiheitsgraden (7 dof, dof = degrees of freedom) verwendet und für die Hände ein anderer exoskelletaler Aufbau. Sicht, Gehör und schnelle Bewegungen des Körperschwerpunkts werden auch vom Roboter an den Nutzer übertragen. Ein Kraft-Feedback erfolgt auf Hände und Arme. http://www.yrsi.org/ic-at/papers/99053.pdf; last call June 2010), it is known to control a robot by the natural use of the arms of a user and under bilateral haptic control. The user therefore feels the forces acting on the robot and can control it. Only the movements of the arms, the hands and the posture of the user's head are transferred to the robot. For this purpose, an exoskeleton with 7 degrees of freedom (dof = dof = degrees of freedom) is used for the arms and a different exoskeletal structure for the hands. Vision, hearing and rapid movements of the body's center of gravity transferred from the robot to the user. A force feedback is on hands and arms.
Die Bewegung des Roboters wird in dem genannten Artikel mittels einer The movement of the robot is in the said article by means of a
Computermaus gesteuert, durch welche der Nutzer die Bewegungsrichtung des Roboters vorgibt. Die Beingelenke und sein Gleichgewicht werden vom Roboter autonom gesteuert. Computer mouse controlled by which the user dictates the direction of movement of the robot. The leg joints and their balance are controlled autonomously by the robot.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerung eines It is thus the object of the present invention to provide a control of a
Statthalters, wie einer Maschine oder eines virtuellen Wesens, zu ermöglichen, bei der der Statthalter wesentliche Bewegungen nachvollzieht, die von einem Nutzer vorgegeben werden. Governor, such as a machine or a virtual being, allow, at which the governor understands essential movements that are given by a user.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach dem Hauptanspruch sowie durch die Vorrichtung nach dem ersten Vorrichtungsanspruch. Durch die This object is achieved by the method according to the main claim and by the device according to the first device claim. By the
Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben. Dependent claims are given advantageous embodiments.
Erfindungsgemäß werden Signale von Nutzer-Sensoren erfasst und ausgewertet, deren Signale ein Maß für Positionen, Haltungen und/oder Bewegungen einzelner Körperteile des Nutzers und/oder ein Maß für die auf sie wirkenden Kräfte oder Drehmomente sind. Derartige Sensoren können beispielsweise in direktem oder indirektem Kontakt mit dem Nutzer-Körper sein und als Dehnungsstreifen, elektrische Sensoren für Muskelimpulse oder dergleichen ausgebildet sein. Ferner sind auch Sensoren möglich, die sich in einigem Abstand vom Nutzer befinden und seine Positionen und/oder Bewegungen optisch, akustisch, kapazitiv oder dergleichen erfassen. According to the invention, signals are detected and evaluated by user sensors whose signals are a measure of positions, postures and / or movements of individual body parts of the user and / or a measure of the forces or torques acting on them. Such sensors may, for example, be in direct or indirect contact with the user body and be designed as stretch marks, electrical sensors for muscle impulses or the like. Furthermore, sensors are also possible which are located at some distance from the user and detect their positions and / or movements visually, acoustically, capacitively or the like.
Die Nutzer-Sensor-Signale dienen zur Ansteuerung von Statthalter-Aktuatoren, die einen Statthalter entsprechend in eine vorgegebene Position bringen oder bewegen Ein solcher Statthalter kann insbesondere eine reale Maschine, eine virtuelleThe user sensor signals are used to control governor actuators that bring or move a governor in a predetermined position accordingly Such a governor can in particular a real machine, a virtual
Maschine oder ein sonstiges virtuelles Lebewesen sein. Eine bevorzugte Maschine ist ein realer bzw. virtueller Roboter. Eine solche Position kann beispielsweise ein Sitzen, Liegen Stehen oder dergleichen sein. Eine Bewegung kann Gehen, Laufen usw. sein. Passende Aktuatoren können Elektromotoren, aber auch hydraulische oder pneumatische Elemente enthalten. Die Nutzer-Sensor-Signale können auch erfasst und aufbereitet und zur Ansteuerung von Nutzer-Aktuatoren genutzt werden. Dieses dient insbesondere bei Verwendung eines Exoskeletts zur Reduktion der vom Nutzer empfundenen Gewichtskräfte und dynamischer Kräfte, welche das Exoskelett auf den Nutzer ausübt. Machine or another virtual being. A preferred machine is a real or virtual robot. Such a position may be, for example, sitting, lying or the like. A movement can go, run etc. be. Appropriate actuators may include electric motors, but also hydraulic or pneumatic elements. The user sensor signals can also be detected and processed and used to control user actuators. This serves in particular when using an exoskeleton to reduce the user perceived weight forces and dynamic forces exerted by the exoskeleton on the user.
Weiterhin gibt es Statthalter-Sensoren, die Positionen und Bewegungen des Statthalters und/oder die auf ihn von außen oder durch sich selbst wirkenden Kräfte, Drehmomente oder Verformungen erfassen. Diese Sensoren können grundsätzlich ähnlich gestaltet und angeordnet sein wie Nutzer-Sensoren. Deren Signale werden erfasst und derart aufbereitet, dass sie zur Ansteuerung von Nutzer-Aktuatoren dienen, die den Nutzer bzw. einzelne seiner Körperteile entsprechend beeinflussen. Eine solche Beeinflussung kann einerseits die Veranlassung einer Haltung oder Bewegung unter Anwendung von Kräften und Drehmomenten sein. Es ist aber auch möglich, dass auf den Nutzer solche Kräfte, Drehmomente oder Verformungen ausgeübt werden, die vergleichbar sind mit einer haptischen Rückkopplung beim Berühren eines Gegenstandes. Die Statthalter-Sensor-Signale können auch erfasst und aufbereitet und zur Ansteuerung von Statthalter-Aktuatoren genutzt werden. Dies dient insbesondere dazu, den Nutzer das Gewicht und die dynamischen Kräfte des Statthalters nicht spüren zu lassen. There are also governor sensors that detect the positions and movements of the governor and / or on him from the outside or by themselves acting forces, torques or deformations. These sensors can basically be designed and arranged similar to user sensors. Their signals are detected and processed in such a way that they serve to control user actuators that influence the user or individual parts of his body accordingly. Such an influence can on the one hand be the cause of a posture or movement by the application of forces and torques. But it is also possible that the user such forces, torques or deformations are exercised, which are comparable to a haptic feedback when touching an object. The governor sensor signals can also be recorded and processed and used to control governor actuators. This serves in particular to make the user not feel the weight and the dynamic forces of the governor.
Damit der Nutzer den Statthalter auf einfache Weise steuern kann, ist weiterhin vorgesehen, dass die Nutzer-Sensoren die Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente von mindestens einem Körperteil erfassen, wie einem Bein, einem Arm, einer Hand, einem Fuß oder dergleichen, und ein Teil, also Bein, Arm, Hand, Fuß oder dergleichen, des Statthalters entsprechend bewegt wird. Dabei können das steuernde Körperteil und das gesteuerte Teil gleichartig sein, wie Arm-Arm, Bein-Bein und dergleichen. Denkbar ist jedoch auch, dass sie So that the user can control the governor in a simple manner, it is further provided that the user sensors detect the positions, positions, movements, forces and / or torques of at least one body part, such as a leg, an arm, a hand, a foot or the like, and a part, ie leg, arm, hand, foot or the like, the governor is moved accordingly. In this case, the controlling body part and the controlled part may be similar, such as arm-arm, leg-leg and the like. However, it is also conceivable that they
ungleichartig sind, so dass beispielsweise eine Nutzer-Hand ein Statthalter-Bein steuert. Die Verwendung eines Exoskeletts ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn darin passende Aktuatoren und/oder Sensoren enthalten sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Nutzer und der Statthalter baugleiche Exoskelette tragen bzw. verwenden. are disparate, so that, for example, a user's hand controls a governor's leg. The use of an exoskeleton is particularly advantageous if suitable actuators and / or sensors are contained therein. It is particularly advantageous if the user and the governor wear or use identical exoskeletons.
Für eine optimale Bewegungssimulation ist es notwendig, dass der Nutzer auch als Ganzes bewegt oder in eine bestimmte Position gebracht werden kann. Eine solche Bewegung kann translatorisch - wie vor/zurück, rechts/links, hoch/runter - oder rotatorisch sein. Dafür ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung ein passender Bewegungssimulator vorgesehen. Dieser kann beispielsweise ausgestaltet sein als (a) Kardanische Aufhängung im Verbund mit einer Translationseinheit, (b) Stewart- Bewegungsplattform, (c) Mehrachsenindustrieroboter oder (d) sphärischer For an optimal motion simulation it is necessary that the user can be moved as a whole or placed in a certain position. Such a movement can be translational - like forward / backward, right / left, up / down - or rotatory. For a suitable motion simulator is provided in one embodiment of the invention. This may for example be designed as (a) gimbals in conjunction with a translation unit, (b) stewart motion platform, (c) multi-axis industrial robots or (d) more spherical
Bewegungssimulator, wie er beispielsweise beschrieben ist in dem Artikel„Novel 3- DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace"; Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (siehe Motion Simulator, as described, for example, in the article "Novel 3-DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace", Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (see
http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf ; letzter Abruf Juni 2010), im Verbund mit einer Translationseinheit, oder durch andere bekannte Bewegungssimulatoren. Bei der Ansteuerung des Bewegungssimulators kann ein Motion-Cueing Prozess angewendet werden. Dieser ermöglicht es, die Pose des Roboters auf den Nutzer derart zu übertragen, dass der Arbeitsraum des Bewegungssimulators nicht verlassen, aber dennoch ein realistischer Gesamteindruck für den Nutzer erzeugt wird. Weiterhin kann bei der Ansteuerung des Bewegungssimulators vorgesehen sein, dass die Raumlage und die Position - sowie ggf. deren Ableitungen, wie Geschwindigkeiten und Beschleunigungen - des Statthalters auf den Nutzer abgebildet werden. http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf; last retrieval June 2010), in conjunction with a translation unit, or by other known motion simulators. When controlling the motion simulator, a motion-cueing process can be used. This makes it possible to transmit the pose of the robot to the user in such a way that the working space of the motion simulator is not left, but nevertheless a realistic overall impression is generated for the user. Furthermore, it can be provided in the control of the motion simulator that the spatial position and the position - and possibly their derivatives, such as speeds and accelerations - the governor are mapped to the user.
Wenn der Statthalter als realer Roboter, oder sonstige reale Maschine, gestaltet ist, sind verschiedene Teleoperationen möglich. Dafür kann der Nutzer einen Roboter beispielsweise in einer lebensgefährlichen Umgebung steuern, wie in einem radioaktiven Raum, bei einem Kampfeinsatz oder dergleichen. Aufgabe eines solchen Systems ist also, die Anwendbarkeit von realen Robotern auf Gebiete und Probleme zu erweitern, in denen sie autonom oder semi-autonom, nicht oder nur beschränkt handeln können. Dieses umfasst zum Beispiel die Fortbewegung eines Roboters in Wüstensand, Sümpfen, Wäldern, komplexen Situationen in Gebäuden, Interaktion mit empfindlichen Lebewesen, usw. Komplexe Bewegungen, wie If the governor is designed as a real robot, or other real machine, various teleoperations are possible. For this, the user can control a robot, for example, in a life-threatening environment, such as in a radioactive space, in a combat mission or the like. The task of such a system is therefore the applicability of real robots to areas and To broaden problems in which they can act autonomously or semi-autonomously, not or only to a limited extent. This includes, for example, locomotion of a robot in desert sand, swamps, forests, complex situations in buildings, interaction with sensitive organisms, etc. Complex movements such as
Robben, Nahkampf, Rollen Springen, usw. sind möglich. Ein Großteil der Seals, close combat, jumping, etc. are possible. Much of the
Steuerung, der Wahrnehmung, der Interpretation der Daten und auch der Control, perception, interpretation of the data and also the
Entscheidungen, werden nun direkt und in Echtzeit durch den Nutzer, wie einen Menschen, erbracht. Da der Roboter seinen Zustand, wie Bewegungen, Kräfte, Drehmomente, usw., über die genannten Sensoren und Aktuatoren an den Nutzer überträgt, kann dieser durch seine Körpersteuerung, die gegebenenfalls durch ein Exoskelett unterstützt wird, den Roboter angemessen steuern. Zusätzliche Decisions are now made directly and in real time by the user, such as a human being. Since the robot transmits its state, such as movements, forces, torques, etc., to the user via said sensors and actuators, it can adequately control the robot through its body control, which is possibly assisted by an exoskeleton. additional
Informationen kann der Nutzer erhalten aufgrund von optischen, akustischen oder sonstigen Eindrücken, die mittels passender Sensoren im Bereich des Roboters aufgenommen und entsprechend aufbereitet an den Nutzer geleitet werden. Information can be obtained by the user on the basis of optical, acoustic or other impressions, which are recorded by means of suitable sensors in the area of the robot and appropriately processed and forwarded to the user.
Im Bereich der Teleoperation sind verschiedene Techniken bekannt, wie aus dem Springer Handbook of Robotics, Spinger, 2008, um kinematisch gleiche, In the field of teleoperation, various techniques are known, such as from the Springer Handbook of Robotics, Spinger, 2008, to kinematically same,
kinematisch ähnliche und kinematisch unterschiedliche Roboter zu verwenden, um durch einen Nutzer zumindest einen der Roboter (Master) zu verwenden, um den anderen Roboter (Slave) zu steuern. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Master-Roboter dafür bevorzugterweise als Exoskelett ausgebildet. Die Zahl der Freiheitsgrade der Roboter darf im Allgemeinen unterschiedlich sein. Man unterscheidet unilaterale und bilaterale Methoden, wobei bei ersteren vom Master nur Steuersignale an den Slave geschickt werden, und bei letzterem auch Signale vom Slave an den Master. Letzteres ermöglicht die Erzeugung einer kinematically similar and kinematically different robots to use by a user at least one of the robots (master) to control the other robot (slave). In the context of the present invention, the master robot is preferably designed as an exoskeleton for this purpose. The number of degrees of freedom of the robots may generally be different. A distinction is made between unilateral and bilateral methods, whereby in the former only control signals are sent from the master to the slave, and in the latter also signals from the slave to the master. The latter allows the generation of a
Kraftrückkopplung an den Nutzer. Er kann dadurch die Umgebung oder den  Force feedback to the user. He can thereby the environment or the
Bewegungszustand des Slave durch den Master erfahren. Je realistischer der Eindruck des Nutzers von der Umgebung des Slave ist, desto höher ist die „Transparenz" der teleoperativen Verbindung. Dabei spielt auch die Art der Kontrolle und der Kommunikation eine Rolle. Durch bilaterale Teleoperation vermittelt können auch mehrere Nutzer haptisch interagieren oder unter Verwendung mehrerer Master und eines gemeinsamen Slave mit der Umgebung interagieren. Besonders Slave und Slave-Umgebung können simuliert, also virtuell ausgebildet sein. Wichtig ist weiterhin, den Nutzer von der Empfindung der unmittelbaren Moving state of the slave experienced by the master. The more realistic the user's impression of the slave's environment is, the greater is the "transparency" of the tele-operative connection, including the type of control and communication involved, and the bilateral teleoperation also allows multiple users to haptically interact or use multiple masters and a shared slave interact with the environment, especially the slave and slave environment can be simulated, so be virtually trained. It is also important to the user of the sensation of the immediate
Eigenschaften des Master und Slave Roboters zu befreien. So sollte er To free properties of the master and slave robot. That's how he should be
vorzugsweise nicht deren Gewichtskräfte, Trägheitskräfte und Scheinkräfte sowie sonstige aufgrund von Bewegungen und Beschleunigungen verursachte preferably not their weight forces, inertial forces and apparent forces as well as others caused by movements and accelerations
dynamische Kräfte spüren. Ggf. soll auch das Körpergewicht des Nutzers oder von Teilen des Nutzers durch die Roboter getragen werden. Beides, die (teilweise) Isolation des Nutzers von Master- und Slaveeigenschaften, als auch das (teilweise) Abnehmen seines Körpergewichts durch den Roboter, ist durch sogenannte Schwerkraftkompensation (gravity compensation) etabliert. feel dynamic forces. Possibly. The body weight of the user or of parts of the user should also be borne by the robots. Both, the (partial) isolation of the user of master and slave properties, as well as the (partial) removal of his body weight by the robot, is established by so-called gravity compensation.
Methoden zur Teleoperation verwenden gemeinhin auch die Skalierung der Distanzen und Kräfte. Dies ist besonders bei nicht identischen Master und Slave Robotern wichtig. Das heißt, dass ein Nutzer am Master auch größere oder kleiner Kräfte und andere Distanzen (auch Winkeldistanzen) erfahren kann als am Slave vorliegen. Teleoperation methods commonly also use the scaling of distances and forces. This is especially important for non-identical master and slave robots. This means that a user can also experience larger or smaller forces and other distances (also angular distances) at the master than at the slave.
Methoden der Kraftrückkopplung werden prinzipiell mit verschiedensten Methods of force feedback are in principle with a variety of
Kontrollstrategien realisiert. So unterschiedet man unter anderem Position-Position, Position-Kraft und Kraft-Positions Methoden (Master- Slave Konvention). Position- Kraft Kontrolle bedeutet hier, dass die Ist-Position des Masters an den Slave übertragen wird, welche diese als Sollgröße benutzt um seine Position Realized control strategies. So one differentiates among other things position position, position force and force position methods (master slave convention). Position-force control here means that the actual position of the master is transmitted to the slave, which uses it as a setpoint around its position
einzunehmen. Die vom Slave gemessenen Kräfte und/oder Drehmomente werden dann an den Master übertragen, dort als Sollkräfte verwendet und durch Aktuatoren dem Nutzer vermittelt. Die Methoden können ausschließlich mit Aktuatorsensoren (Winkel, Winkelgeschwindigkeit, Drehmoment) oder auch mit zusätzlichen Kraft- und Drehmomentsensoren realisiert werden. take. The forces and / or torques measured by the slave are then transmitted to the master, where they are used as desired forces and transmitted to the user by actuators. The methods can only be realized with actuator sensors (angle, angular velocity, torque) or with additional force and torque sensors.
Für den Nutzer wird die Erfindung dann einfach anwendbar, wenn er die Realität oder die virtuelle Realität durch den Statthalter gemäß ihrer Gesetze steuert. Das heißt, dass er sich daran gewöhnen muss. Eine Aufgabe des Nutzers wäre dann beispielsweise das Gleichgewicht des Statthalters zu regulieren. Der Statthalter wird aber üblicherweise eine andere Geometrie und Körperdynamik haben als der Nutzer. Wird die Körperdynamik des Statthalters aber durch die Verwendung eines Bewegungssimulators auf den Nutzer übertragen, merkt dieser z.B. anhand einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung des Kopfes nach vorne, dass der Statthalter beginnt, umzufallen. Das muss er durch geeignete Maßnahmen ausgleichen, wie Gewichtsverlagerung des Statthalters, unter Verwendung seiner eigenen Beine, welche die Beine des Statthalters steuern, bis die Beschleunigung aufhört. Dabei fühlt der Nutzer mit seinen Füßen den Boden auf der Seite des Statthalters, ohne selbst auf einem zu stehen, vermittelt durch die bilaterale teleoperative Verbindung und die Füße des Nutzer-Exoskeletts. Der Benutzer kann im Exoskelett im Bewegungssimulator niemals selbst umfallen, solange sein Statthalter nicht umfällt. Um die Anpassung zu erleichtern, können auch dynamische und statische Kräfte des Statthalters an den Nutzer weiter gereicht werden. Allgemein kann, um den Eindruck des Nutzers zu optimieren, eine beliebige lineare oder nicht-lineare Transformation zwischen den Parameterräumen des Statthalters und des Nutzers erfolgen. Dies kann genutzt werden, um die Gewöhnung zu beschleunigen oder die Anpassung zu verbessern. For the user, the invention then becomes easily applicable if it controls the reality or the virtual reality by the governor according to their laws. That means he has to get used to it. A task of the user would then be to regulate, for example, the balance of the governor. The governor will usually have a different geometry and body dynamics than the user. If, however, the body dynamics of the governor is transferred to the user through the use of a movement simulator, the latter notes, for example, by means of an equally accelerated movement of the head forward, that the governor begins to fall over. He must compensate for this with appropriate measures, such as shifting the governor's weight, using his own legs, which control the legs of the governor until the acceleration stops. The user feels the ground on the governor's side with his feet without standing on one side, mediated by the bilateral teleoperative connection and the feet of the user exoskeleton. The user can never fall over himself in the exoskeleton in the movement simulator, as long as his governor does not fall over. In order to facilitate the adaptation, also dynamic and static forces of the governor can be passed on to the user. In general, to optimize the user's impression, any linear or non-linear transformation between the parameter spaces of the governor and the user can be made. This can be used to speed up habituation or improve customization.
Die Regelung des Exoskeletts und des Bewegungssimulators kann durch die Anwendung bewährter Konzepte und Techniken der Kinematik von Maschinen und Robotern sowie der Teleoperation bewirkt werden. Die Simulation von virtuellen Welten nach physikalischem Vorbild hat weite Verbreitung in Computerspielen, der wissenschaftlichen Simulation und dem Film gefunden. Die gleiche Hardware und Software kann zur effizienten Simulation der nötigen Steuersignale und auch zur Bildberechnung verwendet werden. Der Statthalter kann auch als virtuelles Wesen gestaltet sein, wie als virtuellerThe regulation of the exoskeleton and the motion simulator can be effected by applying proven concepts and techniques of machine and robot kinematics as well as teleoperation. The simulation of virtual worlds based on physical models has found widespread use in computer games, scientific simulation and film. The same hardware and software can be used for efficient simulation of the necessary control signals and also for image calculation. The governor can also be designed as a virtual being, as virtual
Roboter oder als virtuelles Lebewesen in einem Videospiel oder dergleichen. Dann kann die Erfindung dem Nutzer dazu dienen, bestimmte Bewegungsabläufe in Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungen zu üben, die ebenfalls virtuell dargestellt werden können. Robot or virtual creature in a video game or the like. Then, the invention can serve the user to certain movements in To practice dependency on different environments that can also be represented virtually.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung erlaubt es, dass der Nutzer vorgegebene Beeinflussungen erfährt. Dabei kann es sich um Bewegungsabläufe oder um sonstige haptische Eindrücke handeln. Somit kann der Nutzer quasi einen haptischen Film erleben, der mithilfe von geeigneten Ausgabemitteln für optische, akustische und sonstige Signale entsprechend ergänzt werden kann. Bei der Interaktion zwischen dem Nutzer und dem Roboter kann es zu Another embodiment of the invention allows the user to experience predetermined influences. These can be movement sequences or other haptic impressions. Thus, the user can experience a kind of haptic film, which can be supplemented accordingly by means of suitable output means for optical, acoustic and other signals. In the interaction between the user and the robot may be too
Zeitverzögerungen kommen, die insbesondere durch die Reaktionszeiten von Sensoren und Aktuatoren, Rechengeschwindigkeit von Steuereinheiten sowie Laufzeiten der verschiedenen Signale verursacht werden kann. Diese  Time delays occur, which can be caused in particular by the response times of sensors and actuators, computing speed of control units and transit times of the various signals. These
Zeitverzögerungen können weitestgehend kompensiert werden, wenn zeitliche Ableitungen der von den Sensoren gemessenen Größen ausgewertet werden. Da eine derartige Abschätzung jedoch insbesondere dann zu Problemen führen kann, wenn der Roboter in Kontakt mit einem Gegenstand seiner Umgebung tritt, sind bei einer Weiterbildung der Erfindung Sensoren, wie beispielsweise Ultraschallwandler vorgesehen, die nach Art einer Parkhilfe die Entfernung zu dem Gegenstand schnell erkennen lassen. Durch die Verwendung dieser Daten zur Kontaktvorhersage kann der Eindruck eines Kontaktes und ein realitätsnahes Feedback rechtzeitig beim Nutzer erzeugt werden. Time delays can be largely compensated if time derivatives of the quantities measured by the sensors are evaluated. However, since such an estimation can lead to problems in particular when the robot comes into contact with an object of its environment, in a further development of the invention sensors, such as ultrasound transducers, for example, are provided, which quickly detect the distance to the object in the manner of a parking aid , By using this data for contact prediction, the impression of a contact and a realistic feedback can be generated in time for the user.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass dem Nutzer eine A further embodiment of the invention provides that the user a
Bewegung in teilweiser oder vollständiger Schwerelosigkeit simuliert wird. Dazu ist die Nutzung der Master-Einheit in einer Flüssigkeit, unter Verwendung geeigneter Atemmittel und ggf. einem (auch flüssigkeitsbefüllten) Anzug, vorgesehen, so dass das Gewicht des Nutzers schon durch den Auftrieb der Flüssigkeit zumindest teilweise aufgehoben wird. Diese Situation ist der Schwerelosigkeit im Weltraum sehr ähnlich, unterscheidet sich jedoch bezüglich der hohen Dämpfung jeder Bewegung durch die Flüssigkeit. Um diese Dämpfung zumindest teilweise zu kompensieren, werden die Aktuatoren, die seinen Körper bzw. einzelne seiner Körperteile bewegen, entsprechend angesteuert um Bewegungen zu unterstützen. Dadurch kann zum Beispiel eine Unter-Wasser-Bewegung mit skalierter Dämpfung oder eine Bewegung im Weltraum ohne Dämpfung oder dergleichen simuliert werden. Die Transparenz der Teleoperation mit realen oder virtuellen Maschinen, realen oder virtuellen Robotern oder virtuellen Lebewesen in Situationen im Weltraum oder unter Wasser oder dergleichen kann so verbessert werden. Movement in partial or complete weightlessness is simulated. For this purpose, the use of the master unit in a liquid, using suitable breathing means and possibly a (liquid-filled) Suit, provided so that the weight of the user is already canceled by the buoyancy of the liquid at least partially. This situation is very similar to weightlessness in space, but differs in the high damping of any movement through the fluid. To compensate for this attenuation at least partially, the actuators that move his body or individual parts of his body, driven accordingly to support movements. Thereby, for example, sub-water motion with scaled damping or motion in space without damping or the like can be simulated. The transparency of the teleoperation with real or virtual machines, real or virtual robots or virtual beings in situations in space or under water or the like can thus be improved.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Nutzer im Master (Nutzer-Seite) einen anderen Nutzer im Slave (Statthalter-Seite) beeinflusst. Beide Nutzer sind dabei bevorzugterweise Menschen. Bevorzugt ist hier der Master als Exoskelett mit Rototranslator und der Slave als frei bewegliches Exoskelett ausgelegt. Die Master und Slave sind durch eine bilaterale haptische Verbindung aller oder einiger Körperteile und andere Signale, wie akustisch oder dergleichen, miteinander verbunden. Der Grad der Beeinflussung des Masters durch den Slave und umgekehrt wird durch die Steuereinheit, unter Vorgaben der Master und/oder Slave Seite gesteuert. Hierdurch wird es möglich einen Nutzer eines frei beweglichen Exoskeletts auf der Slave-Seite aus der Ferne zu begleiten und zu unterstützen oder auch die Kontrolle über dessen Exoskelett ganz oder teilweise zu übernehmen. Diese Ausgestaltung ist besonders für zu Trainingszwecken bei sportlichen Übungen oder sonstigen Aufgaben mit hohem körperlichem Anteil interessant. A further embodiment of the invention provides that the user in the master (user side) influences another user in the slave (governor side). Both users are preferably humans. Preferably, the master is designed here as an exoskeleton with rototranslator and the slave as a freely movable exoskeleton. The master and slave are interconnected by a bilateral haptic connection of all or some body parts and other signals, such as acoustic or the like. The degree of influence of the master by the slave and vice versa is controlled by the control unit, under default of the master and / or slave side. This makes it possible to accompany a user of a freely movable exoskeleton on the slave side from a distance and to support or to take over the control of the exoskeleton in whole or in part. This embodiment is particularly interesting for training purposes in sports exercises or other tasks with high physical share.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Nutzer in jeweils eigenen Nutzereinheiten über eine gemeinsame Steuereinheit mit demselben Statthalter interagieren. Beide Nutzer erfahren so den Zustand des Statthalters und können ihn im Allgemeinen kooperativ, aber zu einem unterschiedlichen Grad beeinflussen. Die Nutzer können im Allgemeinen unterschiedliche Funktionen und Körperteile des Statthalters beeinflussen. Die Nutzer können sich so Aufgaben der Regelung des Statthalters teilen, gemeinsam bewältigen oder aber auch nur beobachtend und beratend teilhaben. Diese Ausgestaltung ist besonders zu Trainingszwecken bei sportlichen Übungen oder sonstigen Aufgaben mit hohem körperlichem Anteil interessant. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen A further embodiment of the invention provides that several users interact in their own user units via a common control unit with the same governor. Both users thus experience the state of the governor and can generally influence him cooperatively but to a different degree. Users can generally influence different functions and body parts of the governor. The users can thus share tasks of governing the governor, coping with them, or even participating in an observational and advisory role. This embodiment is particularly interesting for training purposes in sports exercises or other tasks with a high physical share. Further features and advantages of the invention are explained below with reference to preferred embodiments. Show
Fig. 1 Ein System zur Steuerung eines Roboters mit Hilfe eines Exoskeletts Fig. 1 A system for controlling a robot by means of an exoskeleton
Fig. 2 Eine Seitenansicht eines Nutzers im Exoskelett Fig. 2 is a side view of a user in the exoskeleton
Fig. 3 Einen Rototranslator 3 shows a rototranslator
Fig. 4 Den Nutzer mit Exoskelett im Rototranslator.  4 shows the user with exoskeleton in the rototranslator.
Fig. 1 zeigt symbolisch ein System, das es einem Nutzer 10 ermöglicht, einen Roboter 110 zu steuern. Der Nutzer 10 ist bevorzugterweise ein Mensch mit einem entsprechenden Körper, der einen Rumpf 12 sowie Arme 14, Beine 16, Füße 17 und einen Kopf 18 umfasst. An dem Körper des Nutzers 10 ist ein Nutzer-Exoskelett 20 angebracht, das schraffiert gezeichnet ist. Dieses befindet sich insbesondere an den Armen 14, am Rumpf 12, am Rücken 13 (siehe Fig. 2), an den Beinen 16 und an den Füßen 17, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel keinen Boden berühren sondern ausschließlich am Nutzer-Exoskelett 20 Halt finden. Dieses ist dabei derart gestaltet, dass es die genannten Körperteile teilweise oder vollständig derart umschließt, dass es Bewegungen des Körpers erfassen und auch beeinflussen kann. Um den Kopf 18 herum befindet sich ein Helm 22, der in der bevorzugten Ausführung Teil des Exoskeletts 20 ist und in dem eine optische Anzeigeeinheit 24 und eine akustische Wiedergabeeinheit 26 enthalten sind. Die optische FIG. 1 symbolically illustrates a system that allows a user 10 to control a robot 110. The user 10 is preferably a human with a corresponding body comprising a trunk 12 and arms 14, legs 16, feet 17 and a head 18. On the body of the user 10, a user exoskeleton 20 is attached, which is drawn hatched. This is located in particular on the arms 14, on the fuselage 12, on the back 13 (see FIG. 2), on the legs 16 and on the feet 17, which in the preferred embodiment do not touch the ground but only stop on the user exoskeleton 20. This is designed such that it partially or completely encloses the body parts mentioned in such a way that it can detect and also influence movements of the body. Around the head 18 is a helmet 22, which in the preferred embodiment is part of the exoskeleton 20 and in which a visual display unit 24 and an acoustic display unit 26 are included. The optical
Anzeigeeinheit 24 erzeugt für das rechte und das linke Auge unterschiedliche Anzeigen, wie mittels LCD Anzeigen, Projektionseinrichtungen oder dergleichen, und kann somit einen Stereoeffekt ermöglichen. Die akustische Wiedergabeeinheit 26 umfasst bevorzugterweise zwei Kopfhörer bzw. Lautsprecher, die für den Nutzer 10 einen Raumklang ermöglichen können. Weiterhin ist ein Mikrofon 28  Display unit 24 generates different displays for the right and left eyes, such as LCD displays, projection devices, or the like, and thus can provide a stereo effect. The acoustic reproduction unit 26 preferably comprises two headphones or loudspeakers, which may allow the user 10 a surround sound. Furthermore, a microphone 28
vorgesehen, über das der Nutzer 10 akustische Signale, wie insbesondere Sprache, eingeben kann. provided, via which the user 10 acoustic signals, in particular language, can enter.
Der Roboter 110 ist hier als Humanoidroboter ausgebildet, der im Wesentlichen aus einem Roboter-Exoskelett mit entsprechenden Körperteilen, wie Roboter-Rumpf 112, Roboter-Armen 1 4, Roboter-Beinen 16, Roboter-Füßen 17 und Roboter- Kopf 118 besteht. Das Roboter-Exoskelett ist bei diesem bevorzugten The robot 110 is here designed as a humanoid robot consisting essentially of a robot exoskeleton with corresponding body parts, such as robot body 112, robot arms 1 4, robot legs 16, robot feet 17 and robot head 118. The robotic exoskeleton is at this preferred
Ausführungsbeispiel weitgehend mechanisch baugleich mit dem Nutzer-Exoskelett 20. Das Roboter-Exoskelett ist verbunden mit einem Nutzraum, der in verschiedene Kammern untergliedert ist, die grob bezeichnet werden können als Rumpf-Nutzraum 130, Arme-Nutzraum 132, Beine-Nutzraum 134 und Kopf-Nutzraum 136. In diesen Nutzräumen können Betriebsstoffe, Aggregate, Werkzeuge sowie Mittel zur Embodiment largely mechanically identical to the user exoskeleton 20. The robot exoskeleton is connected to a work space which is subdivided into various chambers, which can be roughly designated as the trunk work space 130, the arms work space 132, the leg work space 134 and the head work space 136. In these work spaces, operating materials , Aggregates, tools and means for
Steuerung, zur Energieversorgung und dergleichen untergebracht werden. Control, power supply and the like can be accommodated.
Der Roboterkopf 118 enthält ein Kamerasystem 122, das bevorzugterweise aus zwei Einzelkameras besteht, die an den Stellen angebracht sind, wo sich The robot head 118 includes a camera system 122, which preferably consists of two individual cameras mounted at the locations where
üblicherweise die Augen befinden. Damit ist es möglich, Stereobilder aufzunehmen. Im Mundbereich befindet sich ein Lautsprecher 124, der akustische Signale in das Umfeld des Roboters 110 abgeben kann. Im Ohrenbereich befindet sich ein usually the eyes are located. This makes it possible to record stereo images. In the mouth area there is a loudspeaker 124 which can emit acoustic signals into the environment of the robot 110. In the ear area is a
Mikrofonsystem 126, das Geräusche aus der Umgebung aufnehmen kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Mikrofonsystem als Kunstkopf-Stereomikrofon ausgebildet ist. Im Nasenbereich befinden sich Geruchssensoren 128, die olfaktorische Signale aus der Umgebung aufnehmen können. Dafür arbeiten diese Sensoren 128 chemisch, optisch und/oder dergleichen. Microphone system 126 that can pick up sounds from the environment. It is particularly advantageous if the microphone system is designed as a dummy head stereomicrophone. The nose area contains olfactory sensors 128 that can pick up olfactory signals from the environment. For these sensors 128 work chemically, optically and / or the like.
Der Nutzer 10 und der Roboter 110 sind über eine elektronische Steuerung miteinander verbunden, die in Fig. 1 , 2 nur symbolisch angedeutet ist und insbesondere ein elektronisches Steuergerät 30 enthält. Dieses empfängt unter anderem über eine erste Sensorleitung 32 Signale von Sensoren, die auf Seiten des Nutzers 10 vorhanden sind und in Fig. 1 gemeinsam durch die Referenz NS angedeutet sind. Zu diesen Nutzersensoren NS gehören insbesondere das Mikrofon 28 sowie nicht dargestellte Nutzer-Körpersensoren, die Bewegungen, Raumlage, Kräfte und/oder Drehmomente des Nutzers 10 bzw. seiner Körperteile aufnehmen können. Zu diesen Körperteilen gehören neben Rumpf 12, Rücken 13, Armen 14, Beinen 16, Füßen 17 und Kopf 18 auch sonstige Körperteile, wie insbesondere die Hände, die Finger und dergleichen. Diese Nutzer-Körpersensoren können zumindest teilweise in dem Exoskelett 20 enthalten sein. Denkbar ist auch, dass sie zwischen dem Körper und dem Exoskelett 20 oder an anderen Stellen angeordnet sind. Diese Sensoren können auf verschiedenste Weise gestaltet sein, wie als Drucksensoren, Dehnungsmessstreifen, Stromsensoren in Elektromoren oder dergleichen. Das Steuergerät 30 empfängt außerdem über eine zweite Sensorleitung 33 Signale von Sensoren, die auf Seiten des Roboters 110 vorhanden sind. Diese sind in Fig. 1 mit RS angedeutet und umfassen insbesondere das Kamerasystem 122, das Mikrofonsystem 126, die Geruchssensoren 128 sowie nicht dargestellte Roboter- Körpersensoren, die Bewegungen des Roboters 110 aufnehmen und ähnlich angeordnet und gestaltet sein können, wie die oben beschriebenen Nutzer- Körpersensoren. Das elektronische Steuergerät 30 gibt verschiedene Signale aus. Dazu gehören zunächst alle Signale, die auf Seiten des Nutzers 10 Nutzer-Ausgabeeinheiten ND über eine erste Wiedergabeleitung 34 ansteuern, wie die optische Anzeigeeinheit 24 oder die akustische Wiedergabeeinheit 26. Außerdem werden auf Seiten des Nutzers 10 über eine Steuerleitung 36 erste Signale abgegeben, die hier nicht dargestellte Nutzer-Aktuatoren NA ansteuern können. Diese können zumindest teilweise Teil des Exoskeletts 20 sein und können derart gestaltet sein, dass sie Druck und Verformungen an verschiedenen Körperteilen des Nutzers ausüben können. Sie können auch derart angeordnet und gestaltet sein, dass Bewegungen von Nutzer-Körperteilen veranlasst oder gehemmt werden können. Dafür sind zum Beispiel Stellmotoren, hydraulische oder pneumatische Elemente oder dergleichen denkbar. Die Verwendung von hydraulischen und pneumatischen Elementen bietet die Möglichkeit, die verwendeten Flüssigkeiten bzw. Gase zu temperieren und dadurch dem Nutzer, ggf. auch über andere Mittel, zusätzlich eine Temperatur- Rückmeldung zu geben. Da bei der bevorzugten Ausführung auch der Helm 22 Teil des Exoskeletts 20 ist, kann auch die Haltung des Kopfes 18 erfasst und auch beeinflusst werden. The user 10 and the robot 110 are connected to one another via an electronic control, which is indicated only symbolically in FIGS. 1, 2 and in particular contains an electronic control unit 30. This receives, inter alia, via a first sensor line 32 signals from sensors which are present on the side of the user 10 and are indicated together in FIG. 1 by the reference NS. These user sensors NS include, in particular, the microphone 28 and user body sensors, not shown, which can absorb movements, spatial position, forces and / or torques of the user 10 or his body parts. In addition to trunk 12, back 13, arms 14, legs 16, feet 17 and head 18, these body parts also include other parts of the body, in particular the hands, the fingers and the like. These user body sensors may be at least partially contained in the exoskeleton 20. It is also conceivable that they are arranged between the body and the exoskeleton 20 or in other places. These sensors can be designed in many different ways, such as pressure sensors, strain gauges, current sensors in electric motors or the like. The controller 30 also receives signals from sensors provided on the robot 110 side via a second sensor line 33. These are indicated in Fig. 1 with RS and include in particular the camera system 122, the microphone system 126, the odor sensors 128 and not shown robot body sensors that record movements of the robot 110 and can be arranged and configured similar to the user described above. body sensors. The electronic control unit 30 outputs various signals. These include first all signals that drive on the part of the user 10 user output units ND via a first playback line 34, such as the optical display unit 24 or the acoustic playback unit 26. In addition, the user 10 via a control line 36 first signals are emitted User actuators, not shown here, can control NA. These may be at least partially part of the exoskeleton 20 and may be designed so that they can exert pressure and deformations on different parts of the body of the user. They may also be arranged and designed so that movements of user body parts can be initiated or inhibited. For example servomotors, hydraulic or pneumatic elements or the like are conceivable. The use of hydraulic and pneumatic elements offers the possibility of tempering the liquids or gases used and thereby additionally giving the user, or possibly also via other means, a temperature feedback. Since in the preferred embodiment, the helmet 22 is part of the exoskeleton 20, and the attitude of the head 18 can be detected and also influenced.
Auch auf Seiten des Roboters 110 gibt das elektronische Steuergerät 30 verschiedene Signale aus. Dazu gehören die über eine zweite Wiedergabeleitung 35 abgegebenen Signale für die Roboter-Ausgabeeinheiten RD, wozu insbesondere das Lautsprechersystem 124 gehört. Auch weitere optische und/oder akustische Ausgabeeinheiten sind denkbar. Außerdem werden über eine zweite Steuerleitung 37 Steuersignale für Roboter-Aktuatoren RA abgegeben. Dazu gehören insbesondere Stellelemente innerhalb des Roboters 110, die Bewegungen von Roboter-Körperteilen veranlassen oder hemmen können. Also on the part of the robot 110, the electronic control unit 30 outputs various signals. These include the signals output via a second reproduction line 35 for the robot output units RD, to which in particular the loudspeaker system 124 belongs. Further optical and / or acoustic output units are conceivable. In addition, control signals for robot actuators RA are output via a second control line 37. This includes in particular positioning elements within the robot 110, which can cause or inhibit movements of robot body parts.
Fig. 2 zeigt symbolisch eine Seitenansicht des Nutzers 10 sowie weitere Elemente des Systems. Dabei ist gut zu erkennen, dass bei der bevorzugten Ausführung die Nutzer-Körperteile insbesondere hinten und an den Außenseiten von dem Fig. 2 shows symbolically a side view of the user 10 and other elements of the system. It can be clearly seen that in the preferred embodiment, the user body parts in particular at the back and on the outer sides of the
Exoskelett 20 umgeben sind. Exoskeleton 20 are surrounded.
Das elektronische Steuergerät 30 empfängt verschiedene Sensor-Signale von dem Exoskelett 20 und gibt auch verschiedene Stellsignale an zugehörige Aktuatoren ab, so dass der Nutzer-Körper entsprechend beeinflusst werden kann. An Stellen, an denen der Körper besonders sensibel reagiert, wie an Händen 10a, am Ellenbogen 10b oder an den Kniegelenken 10c, sind die Sensoren und Aktuatoren des The electronic control unit 30 receives various sensor signals from the exoskeleton 20 and also outputs various control signals to associated actuators, so that the user body can be influenced accordingly. In places where the body reacts particularly sensitively, such as on hands 10a, on the elbow 10b or on the knee joints 10c, the sensors and actuators of the
Exoskeletts 20 entsprechend ausgelegt. Exoskeleton 20 designed accordingly.
Außerdem sind an das Steuergerät 30 eine Nutzer-Kamera 38 und ein Nutzer- Bewegungssensor 39 angeschlossen. Diese nehmen optische und/oder akustische Signale aus der Umgebung des Nutzers 10 auf. In der bevorzugten In addition, a user camera 38 and a user motion sensor 39 are connected to the control unit 30. These record optical and / or acoustic signals from the environment of the user 10. In the preferred
Ausführungsform ist die Kamera 38 derart angeordnet und ausgebildet, dass sie die Mimik des Nutzers erfassen kann. Embodiment, the camera 38 is arranged and configured so that it can capture the facial expressions of the user.
Das Ausführungsbeispiel dient dazu, dass ein wesentlicher Teil des Körpers von Nutzer 10 zur Steuerung des Roboters 1 10 verwendet werden kann, indem direkt oder indirekt am Nutzer-Körper Sensoren angeordnet sind, die möglichst viele Bewegungen oder sonstige Reaktionen erfassen können. Ergänzt wird das durch weitere Sensoren, wie Kamera 38 und Bewegungssensor 39, die im Bereich des Nutzers 10 angeordnet sind und ebenfalls dessen Bewegungen erfassen. Zusätzlich können weitere Signale aus dem Bereich des Nutzers 10 erfasst werden, wie beispielsweise mittels des Mikrofons 28, die in entsprechender Weise auf Seiten des Roboters 110 wiedergegeben werden können. The exemplary embodiment serves to enable a substantial part of the body of user 10 to be used to control the robot 1 10, by sensors being arranged directly or indirectly on the user body, which sensors can detect as many movements or other reactions as possible. This is supplemented by further sensors, such as camera 38 and motion sensor 39, which are arranged in the area of the user 10 and also detect its movements. In addition, further signals from the area of the user 10 can be detected, such as by means of the microphone 28, which can be reproduced in a corresponding manner on the part of the robot 110.
Das Ausführungsbeispiel dient jedoch nicht nur zur Steuerung des Roboters 110 durch den Nutzer 10, sondern umgekehrt sollen auch Signale auf Seiten des Roboters 110 dem Nutzer in geeigneter weise zugeführt werden. Dazu gehören insbesondere die Einwirkungen auf den Nutzer-Körper durch Aktuatoren, die Teil des Exoskeletts 20 sein können. Ergänzt wird das durch akustische, optische, olfaktorische und/oder gustatorische Signale, die durch passende Sensoren im Bereich des Roboters 110 detektiert und über entsprechende Ausgabemittel dem Nutzer 10 zugeführt werden. However, the embodiment is not only for the control of the robot 110 by the user 10, but conversely also signals on the part of Robot 110 are supplied to the user in a suitable manner. These include in particular the effects on the user body by actuators, which may be part of the exoskeleton 20. This is supplemented by acoustic, optical, olfactory and / or gustatory signals, which are detected by suitable sensors in the area of the robot 110 and fed to the user 10 via corresponding output means.
Die in Fig. 1 und 2 beschriebenen Mittel können jedoch dem Nutzer 10 keinen optimalen Eindruck über Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Roboters 110 vermitteln. Dafür ist zusätzlich ein Bewegungssimulator notwendig. However, the means described in FIGS. 1 and 2 can not give the user 10 an optimal impression of the position, speed and acceleration of the robot 110. In addition, a motion simulator is necessary.
Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Beispiel für einen geeigneten Bewegungssimulator. Dabei handelt es sich um einen Rototranslator 40, der einen ersten Teil 40a und einen zweiten Teil 40b enthält. Der erste Teil 40a ist eine Translationseinheit, die drei Freiheitsgrade ermöglicht und zwar aufgrund ihres kartesischen Aufbaus entlang der Achsen, x, y und z. Der zweite Teil 40b ist eine Rotationseinheit, die ebenfalls drei Freiheitsgrade ermöglicht und hier als kardanische Aufhängung gestaltet ist. Die bevorzugte Ausführung weist zur Vermeidung des so genannten gimbal-lock Effektes 4 Achsen 42, 44, 46 und 48 auf, an denen drehbare Elemente 43, 45, 47 und 49 befestigt sind. In der bevorzugten Ausführung haben die Fig. 3 shows a preferred example of a suitable motion simulator. This is a rototranslator 40, which contains a first part 40a and a second part 40b. The first part 40a is a translation unit that allows three degrees of freedom due to their Cartesian structure along the axes, x, y and z. The second part 40b is a rotation unit, which also allows three degrees of freedom and is designed here as a gimbal. The preferred embodiment, to avoid the so-called gimbal-lock effect 4 axes 42, 44, 46 and 48, on which rotatable elements 43, 45, 47 and 49 are attached. In the preferred embodiment, the
Elemente 43, 45, 47 eine ring-ähnliche Form und das vierte Element 49 ist nahezu halb-ringförmig. An dessen Unterseite befindet sich ein Befestigungspunkt 50, an dem der Nutzer 10 angeordnet werden kann. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das Exoskelett 20 oder eine Nutzerkapsel an dem Punkt 50 befestigt wird, oder auf ähnliche Weise.  Elements 43, 45, 47 a ring-like shape and the fourth element 49 is almost semi-annular. On the underside there is an attachment point 50, on which the user 10 can be arranged. This can be done, for example, by attaching the exoskeleton 20 or a user capsule at point 50, or in a similar manner.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführung einer solchen Befestigung. Dabei ist das Exoskelett 20, mit dem der Nutzer 10 fest verbunden ist, an dessen Rückenseite über ein Befestigungselement 52 und einen Befestigungsarm 54 an dem Punkt 50 befestigt. Das Befestigungselement 52 beinhaltet bevorzugterweise eine Fig. 4 shows a preferred embodiment of such attachment. In this case, the exoskeleton 20, with which the user 10 is firmly connected, is fastened to the back side via a fastening element 52 and a fastening arm 54 at the point 50. The fastener 52 preferably includes a
Hochfrequenz-Rotations-Translationseinheit, die bei entsprechender Ansteuerung durch das Steuergerät 30 geeignet ist, den Nutzer 10 schnell zu bewegen, wodurch beispielsweise ein Schütteln wie bei einer Autofahrt auf holpriger Strecke simuliert werden kann. High-frequency rotation translation unit, which is suitably controlled by the controller 30, to move the user 10 quickly, thereby For example, a shaking as in a car ride on bumpy track can be simulated.
Der Rototranslator 40 wird ebenfalls durch das Steuergerät 30 angesteuert. Dafür ist eine Vielzahl von hier nicht dargestellten Aktuatoren vorhanden, die Bewegungen in alle möglichen Freiheitsgrade sowohl bei der Translationseinheit 40a als auch bei der Rotationseinheit 40b ermöglichen. The rototranslator 40 is likewise controlled by the control unit 30. For this purpose, a multiplicity of actuators (not illustrated here) are provided which allow movements in all possible degrees of freedom both in the translation unit 40a and in the rotation unit 40b.
Durch eine eins-zu-eins Übertragung der Posen des Roboters 1 10 auf den Nutzer 10 wird es ermöglicht, dass alle Körperbeschleunigungen des Roboters 110 für den Nutzer 10 erfahrbar werden. Dazu gehören auch lang anhaltende By a one-to-one transfer of the poses of the robot 1 10 to the user 10, it is possible for all body accelerations of the robot 110 to be experienced by the user 10. This includes long-lasting
Körperbeschleunigungen, wie beim Laufen einer Kurve. Die eins-zu-eins Body accelerations, as when running a curve. The one-to-one
Übertragung der Pose, besonders der translatorischen Beschleunigungen auf den Körperschwerpunkt des Roboters 110, findet ihre Grenze im verfügbaren Transmission of the pose, especially the translational accelerations to the body center of gravity of the robot 110, finds its limit in the available
Arbeitsraum des Rototranslators 40. Sollte beispielsweise der translatorische Arbeitsraum des Roboters 110 den translatorischen Arbeitsraum der Working space of the Rototranslators 40th Should, for example, the translational working space of the robot 110, the translational working space of the
Translationseinheit 40a übersteigen, kann die Pose nicht mehr eins-zu-eins übertragen werden. Dann werden die Aktuatoren des Rototranslators 40 durch das Steuergerät 30 derart angesteuert, dass ein Motion-Cueing Prozess realisiert wird. Dieser ermöglicht es, die Pose des Roboters 1 10 auf den Nutzer 10 derart zu übertragen, dass der Arbeitsraum des Rototranslators 40 nicht verlassen, aber dennoch ein realistischer Gesamteindruck für den Nutzer 10 erzeugt wird. Translation unit 40a, the pose can no longer be transmitted one-to-one. Then, the actuators of the rototranslator 40 are controlled by the controller 30 such that a motion-cueing process is realized. This makes it possible to transmit the pose of the robot 1 10 to the user 10 such that the working space of the rototranslator 40 does not leave, but nevertheless a realistic overall impression for the user 10 is generated.
Eine zweite Anzeigeeinheit 56 ist im Sichtfeld des Nutzers 10 angeordnet, die zusätzlich oder stattdessen zu der ersten Anzeigeeinheit 24 verwendet werden kann. Die Anzeigeeinheit 56 kann insbesondere in solchen Fällen die erste A second display unit 56 is arranged in the field of view of the user 10, which can be used additionally or instead to the first display unit 24. The display unit 56 can, in particular in such cases, the first
Anzeigeeinheit 24 ersetzen, in denen mittels der Kamera 38 (Fig. 2) die Mimik des Nutzers 10 möglichst vollständig erfasst werden soll. Die Anzeigeeinheit 56 kann gekrümmt, sphärisch oder flach sein und derart gestaltet sein, dass eine Replace display unit 24 in which by means of the camera 38 (Fig. 2), the facial expression of the user 10 should be detected as completely as possible. The display unit 56 may be curved, spherical or flat and configured such that a
Wiedergabe von 2- und/oder 3-dimensionalen Bildern möglich ist. Im Bereich des Nutzers 10 können außerdem hier nicht dargestellte Lautsprecher für Raumklang vorgesehen sein. Durch die Befestigung des Nutzers 10 an dem Befestigungspunkt 50 können mittels des Rototranslators 40 verschiedene Bewegungen simuliert werden, die der Roboter 110 durchführt bzw. die ihm von seiner Umgebung zugefügt werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel befinden sich der Nutzer 10 und der Roboter 110 in örtlicher Distanz voneinander, wie in verschiedenen Räumen, verschiedenen Gebäuden oder dergleichen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest einzelne der Leitungen 32 - 37 drahtlos gestaltet sind. Dafür sind unterschiedliche Technologien geeignet, wie eine Übermittlung über Playback of 2- and / or 3-dimensional images is possible. In the area of the user 10 also loudspeakers, not shown here for surround sound can be provided. By attaching the user 10 to the attachment point 50, various movements can be simulated by means of the rototranslator 40, which the robot 110 performs or which is added to it by its surroundings. In the preferred embodiment, the user 10 and the robot 110 are at a local distance from each other, such as in different rooms, different buildings, or the like. It is particularly advantageous if at least some of the lines 32 - 37 are designed wirelessly. For this, different technologies are suitable, such as transmission via
elektromagnetische Wellen, optische, akustische Signale oder dergleichen. electromagnetic waves, optical, acoustic signals or the like.
Außerdem können die Leitungen 32 - 37, die in den Figuren als einfache Leitungen dargestellt sind, in vielfacher Weise ausgeführt sein. Wichtig ist, dass Signale von Sensoren sowie Signale an Aktuatoren und Anzeigeeinheiten in geeigneter Weise über passende Kanäle übertragen werden. Es ist ebenfalls möglich, dass das in den Figuren als zentrale Einheit dargestellte Steuergerät 30 dezentral ausgeführt ist, so dass beispielsweise Teile der Steuerung direkt am Master, am Slave, an einzelnen Gelenken und/oder irgendwo sonst stattfinden können. Dafür können Leitungen innerhalb des Steuerungssystems drahtlos und/oder drahtgebunden sein. Zur möglichst genauen Steuerung des Roboters 110 ist eine Vielzahl von  In addition, the lines 32-37, which are shown in the figures as simple lines, can be designed in many ways. It is important that signals from sensors and signals to actuators and display units are transmitted in a suitable manner via suitable channels. It is also possible that the control unit 30 shown in the figures as a central unit is designed decentralized, so that, for example, parts of the control can take place directly on the master, on the slave, on individual joints and / or anywhere else. For this purpose, lines within the control system can be wireless and / or wired. For the most accurate control of the robot 110 is a variety of
Körpersensoren am Nutzer 10 sowie in seiner Umgebung vorgesehen. Diese Sensoren können auf verschiedene Weise gestaltet sein. So sind Messungen von Winkeln und/oder Drehmomenten zwischen einzelnen Körperteilen, deren  Body sensors provided on the user 10 and in its surroundings. These sensors can be designed in various ways. So are measurements of angles and / or torques between individual body parts whose
Positionen sowie Messungen von optischen, akustischen und/oder bio-elektrischen (Elektromyographie) Signalen denkbar. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn nicht nur Istwerte der Messungen ermittelt werden, sondern auch erste und zweite Ableitungen davon, um so eine Entwicklung entsprechender Werte für die nahe Zukunft abschätzen zu können. Die Körpersensoren können an verschiedenen Stellen angeordnet sein, wie direkt am Nutzer 10, innerhalb des Exoskeletts 20 und/oder dazwischen. Positions as well as measurements of optical, acoustic and / or bio-electrical (electromyography) signals conceivable. It is particularly advantageous if not only actual values of the measurements are determined, but also first and second derivatives thereof, so as to be able to estimate a development of corresponding values for the near future. The body sensors may be located at various locations, such as directly at the user 10, within the exoskeleton 20, and / or in between.
Um den Körper des Nutzers 10 umfangreich beeinflussen zu können, ist dort eine Vielzahl von Aktuatoren vorgesehen. Diese können auf Stellgrößen einwirken wie Winkel, Positionen, Kräfte oder Drehmomente sowie deren zeitliche Ableitungen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Ansteuerung zumindest von einzelnen der Aktuatoren mittels eines Regelungsprozesses erfolgt. Dafür werden To be able to influence the body of the user 10 extensively, a plurality of actuators is provided there. These can act on manipulated variables such as Angle, positions, forces or torques and their time derivatives. It is particularly advantageous if the control of at least one of the actuators by means of a control process takes place. For that will be
entsprechende Sensorsignale der Leitung 32 als Istwert im Steuergerät 30 ausgewertet, woraufhin die Ansteuerung der zugehörigen Aktuatoren einem vorgegebenen Sollwert angepasst wird. corresponding sensor signals of the line 32 are evaluated as an actual value in the control unit 30, whereupon the control of the associated actuators is adapted to a predetermined setpoint.
Auch die Ansteuerung des Rototranslators 40 kann anhand eines The control of the Rototranslators 40 can be based on a
Regelungsverfahrens erfolgen, indem Istsignale entsprechender Sensoren in dem Steuergerät 30 empfangen und passend ausgewertet werden, wobei eine gewünschte Raumlage und Position eingestellt werden kann. Auch hierbei ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich zeitliche Ableitungen solcher Werte bestimmt werden. Control process done by actual signals corresponding sensors are received in the control unit 30 and evaluated appropriately, with a desired spatial position and position can be adjusted. Here, too, it is advantageous if additional time derivatives of such values are determined.
Auch an dem Körper des Roboters 110 und in dessen Umgebung ist eine Vielzahl von Sensoren angeordnet. Dies kann in ähnlicher Weise erfolgen wie bei dem Nutzer 10. Diese Sensoren beschreiben auch die aktuelle Raumlage und Position sowie gegebenenfalls deren zeitliche Ableitungen. Also, on the body of the robot 110 and in the vicinity of a plurality of sensors is arranged. This can be done in a similar manner as in the user 10. These sensors also describe the current spatial position and position and, where appropriate, their time derivatives.
Das Steuergerät 30 steuert die Aktuatoren und Anzeigeeinheiten aufgrund der empfangenen Sensorsignale derart, dass eine bilaterale haptische Teleoperabilität ermöglicht wird. Außerdem können die Aktuatoren auf der Nutzerseite und des Roboters derart angesteuert werden, dass zusätzlich auch eine The control unit 30 controls the actuators and display units based on the received sensor signals such that a bilateral haptic teleoperability is made possible. In addition, the actuators on the user side and the robot can be controlled such that in addition also a
Schwerkraftkompensation und/oder Kompensation von dynamischen Kräften stattfindet. Gravity compensation and / or compensation of dynamic forces takes place.
Bei der Interaktion zwischen dem Nutzer 10 und dem Roboter 1 10 kann es zu Zeitverzögerungen kommen, die insbesondere durch die Reaktionszeiten von Sensoren und Aktuatoren, Rechengeschwindigkeit des Steuergerätes 30 sowie Laufzeiten der verschiedenen Signale verursacht werden kann. Diese In the interaction between the user 10 and the robot 1 10, there may be time delays, which may be caused in particular by the response times of sensors and actuators, computing speed of the control unit 30 and transit times of the various signals. These
Zeitverzögerungen können weitestgehend kompensiert werden, wenn zeitliche Ableitungen der von den Sensoren gemessenen Größen ausgewertet und daraus Werte in der Zukunft abgeschätzt werden. Da eine derartige Abschätzung jedoch insbesondere dann zu Problemen führen kann, wenn der Roboter 110 in Kontakt mit einem Gegenstand seiner Umgebung tritt, sind bei einer Weiterbildung des Time delays can be largely compensated if time derivatives of the quantities measured by the sensors are evaluated and values are estimated in the future. However, such an estimation can lead to problems especially when the robot 110 is in contact with an object of its environment occurs, are in a development of the
Ausführungsbeispiels Ultraschallwandler vorgesehen, die nach Art einer Parkhilfe die Entfernung zu dem Gegenstand schnell erkennen lassen. Durch die Embodiment provided ultrasonic transducers, which can quickly recognize the distance to the object in the manner of a parking aid. By the
Verwendung dieser Daten zur Kontaktvorhersage kann der Eindruck eines Using this data for contact prediction may give the impression of a
Kontaktes und ein realitätsnahes Feedback rechtzeitig beim Nutzer 10 erzeugt werden. Contact and a realistic feedback in time at the user 10 are generated.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele erlauben also, dass der Nutzer 10 und der Roboter 110 die gleichen Haltungen einnehmen, wie Stehen, Sitzen, Liegen, Kopfstand, sowie gemeinsame Bewegungen durchführen, wie Gehen, Laufen, Springen, Salto, usw. Außerdem erhält der Nutzer 10 ein haptisches Feedback. Denn wenn er den Roboter 110 bewegt und dieser mit irgendeinem seiner Thus, the described embodiments allow the user 10 and the robot 110 to assume the same postures as standing, sitting, lying, headstand, as well as performing joint movements such as walking, running, jumping, somersaulting, etc. In addition, the user 10 gets one haptic feedback. Because if he moves the robot 110 and this with any of his
Körperteile in Kontakt mit seiner Umgebung kommt, wird das von den Parts of the body comes into contact with its environment, that of the
entsprechenden Sensoren aufgenommen und über das Steuergerät 30 an den Nutzer 10 weiter gegeben. taken corresponding sensors and passed through the control unit 30 to the user 10 on.
Die bevorzugte Ausführung hat außerdem den Vorteil, eine völlige, unbegrenzte Beweglichkeit in sechs Freiheitsgraden (6-dof Beweglichkeit) des Statthalters zu erreichen und dem Nutzer jederzeit komplettes realitätsnahes Kraft-Feedback zu vermitteln. Dadurch wird es dem Nutzer möglich, komplexe reale oder virtuelle Welten in ihrer Körperlichkeit und Beschaffenheit besser zu erfahren als bisher. Dabei sind verschiedene Teleoperationen möglich. Dafür kann der Nutzer 10 den Roboter 110 beispielsweise in einer lebensgefährlichen Umgebung steuern, wie in einem radioaktiven Raum, bei einem Kampfeinsatz oder dergleichen. Aufgabe eines solchen Systems ist also, die Anwendbarkeit von realen Robotern auf Gebiete und Probleme zu erweitern, in denen sie autonom oder semi-autonom nicht handeln können. Dieses umfasst zum Beispiel die Fortbewegung des Roboters 110 in Wüstensand, Sümpfen, Wäldern, komplexen Situationen in Gebäuden, Interaktion mit empfindlichen Lebewesen, usw. Komplexe Bewegungen, wie Robben, The preferred embodiment also has the advantage of achieving a complete, unlimited mobility in six degrees of freedom (6-dof mobility) of the governor and to provide the user at any time complete realistic power feedback. This makes it possible for the user to experience complex real or virtual worlds in their physicality and nature better than before. Different teleoperations are possible. For this, the user 10 may control the robot 110, for example, in a life-threatening environment such as a radioactive space, a combat mission or the like. The task of such a system is thus to extend the applicability of real robots to areas and problems in which they can not act autonomously or semi-autonomously. This includes, for example, locomotion of the robot 110 in desert sand, swamps, forests, complex situations in buildings, interaction with sensitive animals, etc. Complex movements, such as seals,
Nahkampf, Rollen Springen, usw. sind möglich. Ein Großteil der Steuerung, der Wahrnehmung, der Interpretation der Daten und auch der Entscheidungen, werden nun direkt und in Echtzeit durch den Nutzer 10, wie einen Menschen, erbracht. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können in vielfacher Weise abgewandelt werden. Dabei sind insbesondere denkbar: Melee, role jumping, etc. are possible. Much of the control, perception, interpretation of the data, as well as the decisions, are now made directly and in real time by the user 10, such as a human being. The described embodiments can be modified in many ways. In particular, it is conceivable:
- Das Nutzer-Exoskelett 20 und das Roboter-Exoskelett können verschieden oder baugleich sein. Insbesondere kann der Slave auch ein humanoider oder ein andersartiger Roboter allgemeiner Körperform sein.  The user exoskeleton 20 and the robot exoskeleton may be different or identical. In particular, the slave may also be a humanoid or other robotic general body.
- In dem Steuergerät 30 ist eine Speichereinheit vorhanden, die vorgegebene - beispielsweise berechnet, ausgehend von vorhandenen 3-dimensionalen Bewegungssequenzen - oder bereits vom Nutzer 10 oder von einem anderen Nutzer durchgeführte Positionen und/oder Bewegungsabläufe und/oder wirkende Kräfte und/oder andere wiederzugebende  - In the control unit 30, a memory unit is present, the predetermined - calculated, for example, based on existing 3-dimensional movement sequences - or already carried out by the user 10 or by another user positions and / or movements and / or forces and / or other to be reproduced
Sinneseindrücke speichert. Diese können dann nach Belieben umgesetzt werden. Dadurch kann der Nutzer 10 seine Körperkoordination trainieren oder einen haptischen Film erleben.  Sensory impressions stores. These can then be implemented as desired. As a result, the user 10 can exercise his body coordination or experience a haptic film.
- Die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele können auch dazu verwendet werden, dass mehrere Nutzer über eine größere Distanz miteinander kommunizieren und interagieren können. Bei einer solchen Anwendung befindet sich im Bereich des Roboters 110 ein oder mehrere weitere Nutzer, von denen jeder ebenfalls ein Exoskelett oder dergleichen trägt und dadurch einen zweiten Roboter steuert, der sich im Bereich des Nutzers 10 befindet. Dadurch können beispielsweise Therapiemaßnahmen, Turnübungen oder dergleichen trainiert werden. Auch können die gesteuerten Roboter, unabhängig vom Aufenthaltsort und Anzahl der Nutzer, gemeinsam im gleichen Raum interagieren und die Nutzer so kommunizieren.  The embodiments of the invention may also be used to allow multiple users to communicate and interact over a greater distance. In such an application, one or more additional users are located in the area of the robot 110, each of which likewise carries an exoskeleton or the like and thereby controls a second robot which is located in the area of the user 10. As a result, for example, therapeutic measures, gymnastic exercises or the like can be trained. Also, the controlled robots, regardless of location and number of users, can interact in the same room and communicate with users.
Alternativ benutzen beide oder mehrere Nutzer jeweils ein Exoskelett oder dergleichen und steuern jeweils einen Statthalter in einer gemeinsamen virtuellen Realität. Dies erlaubt die haptische, akustische, visuelle, etc.  Alternatively, both or more users each use an exoskeleton or the like and each control a governor in a common virtual reality. This allows the haptic, acoustic, visual, etc.
Kommunikation.  Communication.
- Anstelle des Rototranslators 40 können andere Mittel verwendet werden, die die notwendigen Translations- und Rotationsfreiheitsgrade abdecken. Dazu gehören insbesondere die Stewart-Bewegungsplattform, ein  Instead of the rototranslator 40, other means can be used which cover the necessary translational and rotational degrees of freedom. These include, in particular, the Stewart motion platform
Mehrachsenindustrieroboter oder dergleichen. Weiterhin sind kugel-ähnliche Räume bekannt die reibungsarm gelagert und von außen gedreht werden können, wie aus US 6,629,896 B2 und US2, 344,454 sowie dem Artikel „Novel 3-DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace", Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (siehe Multi-axis industrial robots or the like. Furthermore, ball-like spaces are known which can be stored friction and rotated from the outside, as from US 6,629,896 B2 and US2, 344.454 and the article "Novel 3-DOF Reconfigurable Spherical Motion Generator with Unlimited Workspace," Shiu Hang Ip et al., ACRA 2009 (See
http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf ; letzter Abruf Juni 2010). In einem solchen kugel-ähnlichen Raum, der drei http://www.araa.asn.au/acra/acra2009/papers/pap145s1.pdf; last call June 2010). In such a sphere-like space, the three
Rotationsfreiheitsgrade hat, kann das Exoskelett 20 angebracht werden. Das Ganze kann auf einer Translationseinheit montiert werden, um insgesamt sechs Freiheitsgrade zu erhalten. Rotational degrees of freedom, the exoskeleton 20 may be attached. The whole can be mounted on a translation unit to obtain a total of six degrees of freedom.
Für einfache und preiswerte Systeme ist es ebenfalls möglich, die Anzahl der Freiheitsgrade zu reduzieren oder ihren Parameterraum einzuschränken. So kann ein kipp- und schwenkbarer Balken, montiert am Boden oder an der Decke eines Raumes, an dem das Exoskelett beweglich befestigt ist, ausreichen, um viele Bewegungen realitätsnah darzustellen. Bei einer kardanischen Aufhängung reichen auch zwei oder drei Achsen aus, sofern entsprechende Einschränkungen in Kauf genommen werden.  For simple and inexpensive systems, it is also possible to reduce the number of degrees of freedom or to limit their parameter space. Thus, a tilting and pivoting bar, mounted on the floor or on the ceiling of a room where the exoskeleton is movably mounted, may be sufficient to represent many movements in a realistic manner. With a gimbal also two or three axles are sufficient, if appropriate restrictions are accepted.
Der körperlich vorhandene Roboter 110 in einer realen Umgebung kann ersetzt werden durch einen sonstigen Statthalter, wie ein virtuelles Modell eines Roboters oder eines Lebewesens in einer virtuellen Umgebung. Dabei entfallen also alle zugehörigen Roboter-Sensoren und Roboter-Aktuatoren; diese werden ersetzt durch eine entsprechende Simulation. The physical robot 110 in a real environment may be replaced by another governor, such as a virtual model of a robot or a living being in a virtual environment. This eliminates all associated robot sensors and robot actuators; These are replaced by a corresponding simulation.
Referenzzeichenliste Reference Signs List
10 Nutzer 10 users
10a Nutzer-Hände  10a user hands
10b Nutzer-Ellenbogen  10b user elbow
10c Nutzer-Kniegelenke  10c user knee joints
12 Nutzer-Rumpf  12 user hull
13 Nutzer-Rücken  13 user backs
14 Nutzer-Arme  14 user arms
16 Nutzer-Beine  16 user legs
17 Nutzer-Füße  17 user feet
18 Nutzer-Kopf  18 user head
20 Nutzer-Exoskelett  20 user exoskeleton
22 Helm  22 helmet
24 optische Anzeigeeinheit  24 optical display unit
26 akustische Wiedergabeeinheit 26 acoustic playback unit
28 Mikrofon 28 microphone
30 elektronisches Steuergerät  30 electronic control unit
32 erste Sensorleitung  32 first sensor line
33 zweite Sensorleitung  33 second sensor line
34 erste Wiedergabeleitung  34 first reproduction line
35 zweite Wiedergabeleitung  35 second playback line
36 erste Steuerleitung  36 first control line
37 zweite Steuerleitung  37 second control line
38 Nutzer-Kamera  38 user camera
39 Nutzer-Bewegungssensor  39 user motion sensor
40 Rototranslator  40 Rototranslator
40a Translationseinheit  40a translation unit
40b Rotationseinheit  40b rotation unit
42, 44, 46, 48 Achsen der Rotationseinheit  42, 44, 46, 48 axes of rotation unit
43, 45, 47, 49 Elemente der Rotationseinheit 43, 45, 47, 49 elements of the rotation unit
50 Befestigungspunkt 50 attachment point
52 Befestigungselement 54 Befestigungsarm 52 fastening element 54 mounting arm
56 zweite Anzeigeeinheit 56 second display unit
110 Roboter 110 robots
112 Roboter-Rumpf  112 robot hull
114 Roboter-Arme 114 robot arms
116 Roboter-Beine  116 robot legs
117 Roboter-Füße  117 robot feet
118 Roboter-Kopf  118 robot head
122 Roboter-Kamerasystem 124 Roboter-Lautsprechersystem 122 Robot Camera System 124 Robot Speaker System
126 Roboter-Mikrofonsystem126 robot microphone system
128 Roboter-Geruchssensoren128 robot odor sensors
130 Rumpf-Nutzraum 130 fuselage usable space
132 Arme-Nutzraum  132 arms usable space
134 Beine-Nutzraum 134 legs-usable space
136 Kopf-Nutzraum  136 head space
NS Nutzer-Sensoren NS user sensors
ND Nutzer-Ausgabeeinheiten NA Nutzer-Aktuatoren  ND User Output Units NA User Actuators
RS Roboter-Sensoren  RS robot sensors
RD Roboter-Ausgabeeinheiten RD robot output units
RA Roboter-Aktuatoren RA robot actuators

Claims

Patentansprüche Patent claims
Verfahren zur Steuerung eines Statthalters (110) durch Bewegungen des Körpers eines Nutzers (10) wobei erste Signale von Nutzer-Sensoren (NS) erfasst und ausgewertet werden und aufgrund der ersten Signale Statthalter- Aktuatoren (RA) bei dem Statthalter (110) derart angesteuert werden, dass zumindest einzelne seiner Teile (112, 114, 116, 118) von diesem Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente wie der Körper des Nutzers (10) durchführen können, wobei außerdem zweite Signale von Statthalter-Sensoren (RS) erfasst und ausgewertet werden und aufgrund dieser zweiten Signale Nutzer-Aktuatoren (NA) derart angesteuert werden, dass zumindest einzelne Körperteile des Nutzers (10) beeinflusst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzer-Sensoren (NS) Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente zumindest von einem Körperteil (12 - 18) des Nutzers (10) erfassen und Teile (112 - 118) des Statthalters (110) entsprechend bewegt werden. Method for controlling a governor (110) by movements of the body of a user (10), wherein first signals are detected and evaluated by user sensors (NS) and governor actuators (RA) in the governor (110) are controlled in this way based on the first signals be that at least some of its parts (112, 114, 116, 118) can carry out postures, positions, movements, forces and / or torques like the body of the user (10), with second signals from governor sensors (RS ) are recorded and evaluated and, based on these second signals, user actuators (NA) are controlled in such a way that at least individual body parts of the user (10) are influenced, characterized in that the user sensors (NS) postures, positions, movements, forces and/or detect torques from at least one body part (12 - 18) of the user (10) and parts (112 - 118) of the governor (110) are moved accordingly.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzer- Sensoren (NS) Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente zumindest von einem Bein (16) des Nutzers (10) erfassen können und dass Teile (114, 116) des Statthalters (110) entsprechend bewegt werden. Method according to claim 1, characterized in that the user sensors (NS) can detect postures, positions, movements, forces and / or torques of at least one leg (16) of the user (10) and that parts (114, 116) of the Governor (110) can be moved accordingly.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzer-Sensoren (NS) Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente zumindest von einem Arm (14) und einem Bein (16) des Nutzers (10) erfassen können und dass Teile (114, 116) des Statthalters (110) entsprechend bewegt werden. 4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der Körperteile des Nutzers (10) und/oder des Statthalters (110) mit einem Exoskelett (20) verbunden sind und dass dieses mindestens einen der Aktuatoren (NA; RA) und/oder mindestens einen der Sensoren (NS; RS) enthält. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the user sensors (NS) can detect postures, positions, movements, forces and / or torques of at least one arm (14) and one leg (16) of the user (10) and that parts (114, 116) of the governor (110) are moved accordingly. 4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least some of the body parts of the user (10) and/or the governor (110) are connected to an exoskeleton (20) and that this contains at least one of the actuators (NA; RA) and / or at least one of the sensors (NS; RS).
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signale der Nutzer-Sensoren (NS) erfasst und ausgewertet werden und zur Ansteuerung der Nutzer-Aktuatoren (NA) genutzt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that signals from the user sensors (NS) are recorded and evaluated and used to control the user actuators (NA).
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signale der Statthalter-Sensoren (RS) erfasst und ausgewertet werden und zur Ansteuerung der Statthalter-Aktuatoren (RA) genutzt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that signals from the governor sensors (RS) are recorded and evaluated and used to control the governor actuators (RA).
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzer-Aktuatoren (NA) Mittel zur Ansteuerung eines Method according to one of the preceding claims, characterized in that the user actuators (NA) have means for controlling a
Bewegungssimulators (40) umfassen, die derart gestaltet und angeordnet sind, dass der Nutzer (10) bei Vorliegen entsprechender Steuersignale als Ganzes bewegt wird. Motion simulator (40), which are designed and arranged in such a way that the user (10) is moved as a whole in the presence of corresponding control signals.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statthalter (110) als reale Maschine, als virtuelle Maschine, als realer Roboter, als virtueller Roboter und/oder als virtuelles Modell eines Lebewesens gestaltet sein kann, wobei die zugehörigen Statthalter- Sensoren (RS) und Statthalter-Aktuatoren (RA) entsprechend gestaltet sind. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the governor (110) can be designed as a real machine, as a virtual machine, as a real robot, as a virtual robot and / or as a virtual model of a living being, the associated governor sensors ( RS) and governor actuators (RA) are designed accordingly.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzer-Aktuatoren (NA) und/oder Nutzer-Ausgabeeinheiten (ND) durch abgespeicherte Signale angesteuert werden, die vorgegebene Beeinflussungen von Körperteilen bzw. von Sinneseindrücken des Nutzers (10) darstellen. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the user actuators (NA) and/or user output units (ND) are controlled by stored signals which represent predetermined influences on body parts or sensory impressions of the user (10).
10. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bewegungen des Nutzers (10) und/oder des Statthalters (110) gesteuert werden in Abhängigkeit von Signalen von Sensormitteln, die den Abstand zwischen dem Nutzer (10) und/oder dem Statthalter (1 10) und Gegenständen der jeweiligen Umgebung ermitteln. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that movements of the user (10) and/or the governor (110) are controlled depending on signals from sensor means which determine the distance between the user (10) and/or the governor (1 10) and identify objects in the respective environment.
11. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzer-Aktuatoren (NA) derart angesteuert werden, dass der Nutzer (10), wenn er sich in einer Flüssigkeit befindet, derart beeinflusst wird, dass ihm eine Bewegung wie bei teilweiser oder vollständiger Schwerelosigkeit simuliert wird. 11. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the user actuators (NA) are controlled in such a way that the user (10), when he is in a liquid, is influenced in such a way that he is given a movement as in partial or complete weightlessness is simulated.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Bewegung des Nutzers (10) in der Nutzer-Einheit in der Flüssigkeit skaliert wird. 12. The method according to claim 1 1, characterized in that the damping of the movement of the user (10) in the user unit is scaled in the liquid.
13. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl auf der Nutzer-Seite als auch auf der Statthalter-Seite ein Nutzer Einfluss auf eine bilaterale Interaktion nehmen kann. 13. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a user can influence a bilateral interaction both on the user side and on the governor side.
1 . Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Nutzer-Einheiten und/oder zwei oder mehr Statthalter (110) beeinflusst werden. 1 . Method according to one of the preceding claims, characterized in that two or more user units and/or two or more governors (110) are influenced.
15. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Nutzer (10) vorhanden sind, die gemeinsam einen Statthalter (110) mit jeweils vorgegebenen Anteilen steuern. 15. The method according to one of the preceding claims, characterized in that there are at least two users (10) who jointly control a governor (110) with predetermined shares.
16. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Nutzer (10) vorhanden sind, die unterschiedliche Statthalter (1 10) steuern können. 16. Method according to one of the preceding claims, characterized in that there are two or more users (10) who can control different governors (1 10).
17. Vorrichtung zur Steuerung eines Statthalters (110) durch Bewegungen des Körpers eines Nutzers (10) wobei Nutzer-Sensoren (NS) vorhanden sind, deren Signale von einer Steuereinheit (30) erfasst und ausgewertet werden und die aufgrund dieser Nutzer-Sensor-Signale Statthalter-Aktuatoren (RA) bei dem Statthalter (1 10) derart ansteuert, dass zumindest einzelne seiner Teile (1 12, 1 14, 1 16, 118) von diesem Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente wie der Körper des Nutzers (10) durchführen können, wobei außerdem Statthalter-Sensoren (RS) vorhanden sind, deren Signale von der Steuereinheit (30) erfasst und ausgewertet werden und die aufgrund dieser Statthalter-Sensor-Signale Nutzer-Aktuatoren (NA) derart ansteuert, dass zumindest einzelne Körperteile des Nutzers (10) beeinflusst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzer-Sensoren (NS) 17. Device for controlling a governor (110) by movements of the body of a user (10), wherein user sensors (NS) are present, the signals of which are detected and evaluated by a control unit (30) and which are based on these user sensor signals Governor actuators (RA) in the governor (1 10) are controlled in such a way that at least some of its parts (1 12, 1 14, 1 16, 118) receive postures, positions, movements, forces and / or torques like the body of the governor User (10) can carry out, with governor sensors (RS) also being present Signals are detected and evaluated by the control unit (30) and which, based on these governor sensor signals, controls user actuators (NA) in such a way that at least individual parts of the user's body (10) are influenced, characterized in that the user sensors ( NS)
Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente zumindest von einem Körperteil (12 - 18) des Nutzers (10) erfassen und Teile (112 - 118) des Statthalters (110) durch die Statthalter-Aktuatoren (RA) entsprechend bewegt werden. Postures, positions, movements, forces and/or torques of at least one body part (12 - 18) of the user (10) are recorded and parts (112 - 118) of the governor (110) are moved accordingly by the governor actuators (RA).
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzer- Sensoren (NS) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente zumindest von einem Bein (16) des Nutzers (10) erfassen können und dass die 18. The device according to claim 17, characterized in that the user sensors (NS) are designed and arranged such that they detect postures, positions, movements, forces and / or torques of at least one leg (16) of the user (10). can and that the
Steuereinheit (30) die Statthalter-Aktuatoren (RA) derart ansteuert, dass Teile (11 , 116) des Statthalters (110) entsprechend bewegt werden. Control unit (30) controls the governor actuators (RA) in such a way that parts (11, 116) of the governor (110) are moved accordingly.
19. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 19. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass die Nutzer-Sensoren (NS) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie Haltungen, Positionen, Bewegungen, Kräfte und/oder Drehmomente zumindest von einem Arm (14) und einem Bein (16) des Nutzers (10) erfassen können und dass die Steuereinheit (30) die Statthalter-Aktuatoren (RA) derart ansteuert, dass Teile (114, 116) des Statthalters (110) entsprechend bewegt werden. characterized in that the user sensors (NS) are designed and arranged in such a way that they can detect postures, positions, movements, forces and / or torques of at least one arm (14) and one leg (16) of the user (10) and that the control unit (30) controls the governor actuators (RA) in such a way that parts (114, 116) of the governor (110) are moved accordingly.
20. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 20. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass ein Exoskelett (12) vorhanden ist, mit dem zumindest einzelne der Körperteile des Nutzers (10) und/oder des Statthalters (110) verbunden sind und dass dieses mindestens einen der Aktuatoren (NA, RA) und/oder mindestens einen der Sensoren (NS, RS) enthält. characterized in that an exoskeleton (12) is present, to which at least some of the body parts of the user (10) and/or the governor (110) are connected and that this has at least one of the actuators (NA, RA) and/or at least one of the Sensors (NS, RS) included.
21. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 21. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) Signale der Nutzer-Sensoren (NS) erfasst und auswertet und zur Ansteuerung der Nutzer-Aktuatoren (NA) nutzt. characterized in that the control unit (30) receives signals from the user sensors (NS) is recorded and evaluated and used to control the user actuators (NA).
22. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 22. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) Signale der Statthalter- characterized in that the control unit (30) receives signals from the governor
Sensoren (RS) erfasst und auswertet und zur Ansteuerung der Statthalter- Aktuatoren (RA) nutzt. Sensors (RS) are recorded and evaluated and used to control the governor actuators (RA).
23. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 23. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass die Nutzer-Aktuatoren (NA) Mittel zur Ansteuerung eines Bewegungssimulators (40) umfassen, die derart gestaltet und angeordnet sind, dass der Nutzer (10) bei Vorliegen entsprechender Steuersignale als Ganzes bewegt wird. characterized in that the user actuators (NA) comprise means for controlling a motion simulator (40), which are designed and arranged in such a way that the user (10) is moved as a whole when appropriate control signals are present.
24. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 24. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass der Statthalter (110) als reale Maschine, als virtuelle Maschine, als realer Roboter, als virtueller Roboter und/oder als virtuelles Modell eines Lebewesens gestaltet sein kann, wobei die zugehörigen Statthalter-Sensoren (RS) und Statthalter-Aktuatoren (RA) entsprechend gestaltet sind. characterized in that the governor (110) can be designed as a real machine, as a virtual machine, as a real robot, as a virtual robot and / or as a virtual model of a living being, the associated governor sensors (RS) and governor actuators (RA ) are designed accordingly.
25. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 25. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) einen Speicher enthält, in den Signale abgespeichert sein können, aufgrund derer die Nutzer-Aktuatoren (NA) und/oder Nutzer-Ausgabeeinheiten (ND) derart angesteuert werden können, dass sie vorgegebene Beeinflussungen von Körperteilen bzw. von Sinneseindrücken des Nutzers (10) bewirken. characterized in that the control unit (30) contains a memory in which signals can be stored, based on which the user actuators (NA) and / or user output units (ND) can be controlled in such a way that they influence predetermined body parts or of the user's sensory impressions (10).
26. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 26. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) Bewegungen des Nutzers (10) und/oder des Statthalters (110) in Abhängigkeit von Signalen von characterized in that the control unit (30) controls movements of the user (10) and/or the governor (110) depending on signals from
Sensormitteln steuert, die den Abstand zwischen dem Nutzer (10) und/oder dem Statthalter (110) und Gegenständen der jeweiligen Umgebung ermitteln. Sensor means controls the distance between the user (10) and/or the governor (110) and objects in the respective surroundings.
27. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 27. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) die Nutzer-Aktuatoren (NA) derart ansteuert, dass der Nutzer ( 0), wenn er sich in einer Flüssigkeit befindet, derart beeinflusst wird, dass ihm eine Bewegung wie bei teilweiser oder vollständiger Schwerelosigkeit simuliert wird. characterized in that the control unit (30) controls the user actuators (NA) in such a way that the user (0), when he is in a liquid, is influenced in such a way that a movement such as in partial or complete weightlessness is simulated.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die 28. Device according to claim 27, characterized in that the
Steuereinheit (30) die Nutzer-Aktuatoren (NA) derart ansteuert, dass die Dämpfung der Bewegung des Nutzers (10) in der Nutzer-Einheit skaliert wird. Control unit (30) controls the user actuators (NA) in such a way that the damping of the movement of the user (10) is scaled in the user unit.
29. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 29. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass sowohl auf der Nutzer-Seite als auch auf der Statthalter-Seite Sensoren (NS, RS), Aktuatoren (NA, RA) und/oder Ausgabeeinheiten (ND, RD) derart gestaltet sind, dass ein Nutzer Einfluss auf eine bilaterale Interaktion nehmen kann. characterized in that both on the user side and on the governor side, sensors (NS, RS), actuators (NA, RA) and / or output units (ND, RD) are designed in such a way that a user can influence a bilateral interaction can take.
30. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 30. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Nutzer-Einheiten und/oder zwei oder mehr Statthalter (1 10) vorhanden sind. characterized in that two or more user units and/or two or more governors (1 10) are present.
31. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 31. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die es ermöglichen, dass mindestens zwei Nutzer (10) gemeinsam einen Statthalter (110) mit jeweils vorgegebenen Anteilen steuern können. characterized in that means are available which enable at least two users (10) to jointly control a governor (110), each with predetermined shares.
32. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 32. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) derart gestaltet ist, dass zwei oder mehr Nutzer (10) unterschiedliche Statthalter (1 10) steuern können. characterized in that the control unit (30) is designed such that two or more users (10) can control different governors (1 10).
33. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch 33. Device according to one of the previous device claims, thereby
gekennzeichnet, dass der Statthalter (110) einen Nutzraum (130, 132, 134, 136) umfasst, der geeignet ist, Mittel zur Steuerung, Mittel zur Energieversorgung, Betriebsstoffe, Aggregate, Werkzeuge und/oder dergleichen aufzunehmen. characterized in that the governor (110) has a usable space (130, 132, 134, 136), which is suitable for accommodating control means, energy supply means, operating materials, aggregates, tools and/or the like.
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