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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur Kraftrückkopplungsvorrichtung zum Interagieren mit einer virtualisierten Umgebung jeweils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Kraftrückkopplungsvorrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Solche können beispielsweise im Bereich der virtuellen Technik eingesetzt werden, wobei beispielsweise zusätzlich zu einem visuellen Eindruck in der virtualisierten Umgebung auch eine Kraftrückmeldung erlebbar ist. Die Robotervorrichtung kann Bewegungen einer Vorrichtung, die geeignet ist, eine Kraftrückkopplung fühlbar zu machen (Handlingeinrichtung) folgen. Von dem Benutzer durchgeführte Bewegungen können beispielsweise mittels der Handlingeinrichtung auf die Robotervorrichtung übertragen werden, die diesen folgen kann. Dabei können die Bewegungen aufgenommen und die Kraftrückkopplung dem Benutzer fühlbar gemacht werden und beispielsweise für eine virtuelle Einbaumontage mit Kraftrückkopplung eingesetzt werden. Die
US 2004 0164960 A1 betrifft ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen einer taktilen virtuellen Realität für einen Benutzer.
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Aus der
US 2007/0276423 A1 ist ein Teleoperatorsystem mit Telepresence bekannt, welches rechte und linke Controller für die Kontrolle von rechten und linken Manipulatoren umfasst. Einem Operator soll durch ein verbessertes Teleoperatorsystem ein erhöhtes Gefühl der Presence bei Manipulation mit den Manipulatoren ermöglicht werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 001 167 B4 beschreibt ein Verfahren zum Positionieren von virtuellen Objekten mit den Verfahrensschritten:
- Positionieren eines ersten virtuellen Objekts mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle gegen ein zweites virtuelles Objekt unter Berücksichtigung einwirkender Kräfte, wobei das erste virtuelle Objekt
- gegen eine geneigte und/oder konkave Fläche des zweiten virtuellen Objektes positioniert wird, wobei das erste mit dem zweiten virtuellen Objekt in Lagrange-Kontakt steht, in dieser Position fixiert wird und/oder
- und wobei das erste virtuelle Objekt und seine Umgebung über einen vorgegebenen Zeitraum in Hinsicht auf die Auswirkungen der Kräfte inspiziert werden.
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- Zusammenpressen eines ersten und zweiten Griffelements mit einer Hand eines Bedieners;
- Bewegen eines ersten und zweiten Endeffektorelements als Reaktion auf das Zusammenpressen der Griffelemente gemäß einer Steuerungsrelation; und Ändern der Steuerungsrelation, wenn sich die Griffelemente in der Nähe einer geschlossenen Konfiguration befinden; wobei die Steuerungsrelation den Endeffektorelementen mit einem Stellglied eine Folgekraft auferlegt, so dass die Folgekraft als Reaktion auf eine Fehlausrichtung zwischen einer Grifftrennung und einer Endeffektortrennung variiert.
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Die Druckschrift
US 2003 0132968 A1 beschreibt ein System und ein Verfahren zum virtuellen interaktiven Design und zur Bewertung und Manipulation eines Fahrzeugmechanismus unter Verwendung einer haptischen Benutzerschnittstelle. Das System umfasst ein Computersystem und eine haptische Schnittstelle, die operativ mit dem Computersystem kommuniziert. Die haptische Schnittstelle umfasst eine haptische Endeffektorvorrichtung zum Übertragen von Informationen zwischen einem Benutzer und einem digitalen Modell. Der Benutzer erzeugt, modifiziert und wertet dynamische Eigenschaften des Fahrzeugmechanismus interaktiv und kinematisch unter Verwendung des haptischen Endeffektors aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kraftrückkopplung zum Interagieren mit einer virtualisierten Umgebung bereitzustellen und ein Interagieren von Gegenständen mit biegeschlaffen Eigenschaften mit der virtualisierten Umgebung zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Unter einer virtualisierten Umgebung wird eine virtuelle Realität und/oder eine ferne Realität, die zur Übertragung an einen anderen Ort virtualisiert wurde, ferner eine Kombination aus einer virtuellen und einer entfernten Realität verstanden. Unter einer Handlingeinrichtung wird eine beliebige Einrichtung verstanden, die geeignet ist, eine Kraftrückkopplung fühlbar zu machen. Dabei kann die Handlingeinrichtung ein oder mehrere beliebige Elemente umfassen, die mittels menschlicher und/oder tierischer Kräfte manipulierbar sind, beispielsweise ein oder mehrere Griff/e, ein oder mehrere Pedal/e und/oder ein oder mehrere greifbare/s Seil/e und/oder Ähnliches. Unter Kraftrückkopplung wird eine Rückkopplung einer Kraft, eines Momentes, einer Beschleunigung und/oder einer Schwingung verstanden, insbesondere solche, die mittels der Handlingeinrichtung zur haptischen Repräsentation (Erfassen beziehungsweise Fühlen) derselben gegenüber einem Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung übertragbar sind. Da der eine verformbare Gestalt aufweisende Gegenstand an zumindest zwei Roboterarme ankoppelt und durch die Roboterarme die momentane Gestalt des verformbaren Gegenstandes beeinflusst wird, kann dieser kontrolliert und relativ stabil angeordnet und bewegt werden.
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Vorteilhaft können erfindungsgemäß biegeschlaffe Gegenstände an zwei oder mehr Positionen festgehalten und dann besser und genauer im Raum geführt werden als es bisher möglich war. Bewegungen, die ein Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung zum Interagieren mit der virtualisierten Umgebung durchführt, können also an mehreren Punkten mittels der der Handlingeinrichtung zugeordneten Robotervorrichtung beziehungsweise den Roboterarmen aufgenommen werden.
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Vorteilhaft ist es außerdem möglich, an mehr als nur einer Position eine Kraftrückkopplung auf die Handlingeinrichtung zu übertragen, so dass beispielsweise ein Benutzer an beiden Händen eine Kraftrückkopplung haptisch erfassen beziehungsweise fühlen kann. Vorteilhaft können dadurch Veränderungen einer äußeren Form eines biegeschlaffen Gegenstands aufgenommen und entsprechend mit der virtualisierten Umgebung interagiert werden. Vorteilhaft kann mittels der Handlingeinrichtung und den dieser zugeordneten Roboterarmen ein Controller realisiert werden, insbesondere ein Hand-Controller, der sehr realistisch Kräfte, Momente, Beschleunigungen und/oder Schwingungen in einer wählbaren Anzahl von Freiheitsgraden, insbesondere 6 Freiheitsgraden, aus der virtuellen oder entfernten Realität darstellen kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Handlingeinrichtung einen dem ersten Roboterarm zugeordneten ersten Handgriff und einen dem zweiten Roboterarm zugeordneten zweiten Handgriff aufweist. Vorteilhaft können die Handgriffe von dem Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung zum Eingeben von Bewegungen beziehungsweise zum Interagieren mit der virtualisierten Umgebung ergriffen werden. Ferner kann auch ein Roboterarm selbst Teil der Handlingeinrichtung sein.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Handlingeinrichtung den Gegenstand umfasst. Vorteilhaft kann der Gegenstand selbst oder das Modell des Gegenstands physisch beziehungsweise real der Handlingeinrichtung zugeordnet sein. In letzterem Fall kann der gesamte Gegenstand als Handlingeinrichtung dienen, also vorteilhaft in seiner tatsächlichen realen räumlichen Ausdehnung von dem Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung angefasst werden. Die Kraftrückkopplung kann vorteilhaft in diesem Fall mittels der Roboterarme auf die Handlingeinrichtung und damit auf den Gegenstand selbst übertragen werden, so dass vorteilhaft ein beliebiges Verhalten des Gegenstandes simulierbar ist. Dabei kann es sich beispielsweise um eine fühlbar gemachte Kollision des Gegenstandes mit der virtualisierten Umgebung handeln. Ferner ist es denkbar, ein Gewicht des Gegenstandes zu simulieren, beispielsweise dann, falls es sich lediglich um ein deutlich leichteres oder schwereres Modell des Gegenstandes handelt.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Handlingeinrichtung ein dem ersten Roboterarm zugeordnetes erstes biegeschlaffes Element und ein dem zweiten Roboterarm zugeordnetes zweites biegeschlaffes Element aufweist. Vorteilhaft kann so mittels der Handlingeinrichtung das Anfassen eines biegeschlaffen Elements, beispielsweise eines Kabels, eines Seils und/oder eines Stück Stoffs simuliert werden. Entsprechend können vorteilhaft mittels der Robotervorrichtung beim Interagieren mit der virtualisierten Umgebung auftretende Kräfte von biegeschlaffen Gegenständen simuliert werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kraftrückkopplung mittels eines Computermodells des Gegenstands ermittelt wird. Vorteilhaft kann ein Computermodell des zu interagierenden Gegenstandes hinterlegt sein, das beim Interagieren mit der virtualisierten Umgebung auftretende Formänderungen und/oder in den Gegenstand eingeleitete Kräfte simuliert. Ferner ist es denkbar, mittels des Computermodells eine beim Interagieren mit der virtualisierten Umgebung auftretende Formänderung des Gegenstandes für den Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung sichtbar und/oder fühlbar zu machen.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass eine optische Wiedergabe zum Darstellen der virtualisierten Umgebung oder des Gegenstands in der virtualisierten Umgebung erfolgt. Zusätzlich zu der haptischen Rückmeldung beim Interagieren mit der virtualisierten Umgebung ist es vorteilhaft möglich, mittels der optischen Wiedergabe dem Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung auch einen visuellen Eindruck des Interagierens rückzumelden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kraftrückkopplung mittels Überwachen und Auswerten von bei dem Interagieren des Gegenstands mit der virtualisierten Umgebung auftretenden virtuellen Kollisionen ermittelt wird. Vorteilhaft können Außenformen und/oder Eigenschaften dieser Außenformen der virtualisierten Umgebung und des Gegenstandes hinterlegt werden und auf Kollisionen überwacht werden. Dabei ist es möglich, einer möglicherweise auftretenden virtuellen Kollision eine virtuelle Kraft zuzuordnen, die mittels der Kraftrückkopplung dem Benutzer haptisch zurückgemeldet werden kann. Algorithmen für ein haptisches Rendering beziehungsweise Kraftberechnungsalgorithmen, beispielsweise das Abspeichern der virtualisierten Umgebung als statische Szene ortsdiskret als Voxel-Karte und den Gegenstand beziehungsweise das manipulierte Objekt als Punktwolke, wobei eine Kollisionserkennung mittels einfacher Indexzugriffe in der Voxel-Karte durchführbar sind, sind bekannt, so dass an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen wird.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die virtualisierte Umgebung einen digitalen Prototyp und der Gegenstand ein Bauteil des Prototyps aufweist. Vorteilhaft kann so eine virtuelle Einbaumontage mit Kraftrückkopplung ermöglicht werden, beispielsweise um einen virtuellen Einbaupfad des Bauteils in den Prototyp zu erproben beziehungsweise zu ermitteln.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die zumindest eine Robotervorrichtung oder die Robotervorrichtung und die Handlingeinrichtung schwerkraftkompensiert sind. Vorteilhaft ist es möglich, dem Benutzer keinerlei Schwerkräfte entgegenzubringen. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, insbesondere für den Fall, dass die Handlingeinrichtung aus dem Gegenstand besteht, nur die Robotervorrichtung selbst mit der Schwerkraftkompensation zu versehen, so dass der Benutzer auch das tatsächliche Gewicht des Gegenstandes fühlen kann. Insgesamt kann eine Robotervorrichtung zum Aufnehmen der Bewegungen des Benutzers der Kraftrückkopplungsvorrichtung kraftlos geschaltet sein, wobei lediglich im Falle einer erfolgenden Kraftrückkopplung Gegenkräfte auf die Handlingeinrichtung übertragen werden. Vorteilhaft kann also das eigentliche Manipulieren beziehungsweise Interagieren des Gegenstandes mit der virtualisierten Umgebung so lange kraftlos erfolgen, so lange keine virtuelle Kollision auftritt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
- 1 ein System zur Kraftrückkopplung mit zwei Roboterarmen und einer Handlingeinrichtung , die einen Gegenstand mit elastischen Eigenschaften umfasst;
- 2 das in 1 gezeigte System, wobei die Handlingeinrichtung einen Gegenstand mit biegeschlaffen Eigenschaften umfasst;
- 3 das in den 1 - 2 gezeigte System, wobei die Handlingeinrichtung zwei Seilenden umfasst;
- 4 zwei verschiedene Detailansichten eines Roboterarms der in den 1 - 3 gezeigten Kraftrückkopplungsvorrichtung, wobei eine Simulation unterschiedlicher Kraftrichtungen gezeigt ist;
- 5 das in den 1 - 3 gezeigte System, wobei ein Computermodell eines Gegenstandes vorgesehen ist;
- 6 das in den 1 -5 gezeigte System, wobei das Computermodell einen Gegenstand aufweist, der teilweise biegeschlaffe und elastische Eigenschaften aufweist und auf Torsion beanspruchbar ist.
- 7 eine dem System entsprechende Manipulationsvorrichtung mit zwei Roboterarmen, die in einer entfernten Realität einen physikalisch tatsächlich vorhandenen Gegenstand analog des gemäß 6 manipulierten Gegenstandes manipuliert, wobei eine Videoüberwachung vorgesehen ist.
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1 zeigt ein System zur Kraftrückkopplung 1 bzw. eine Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 mit einer Robotervorrichtung 3 mit einem ersten Roboterarm 5 und einem zweiten Roboterarm 7. Die Roboterarme 5, 7 können beispielsweise zum Manipulieren in einem dreidimensionalen Raum mit insgesamt 6 Freiheitsgraden ausgelegt sein. Es ist jedoch auch möglich, die Roboterarme 5, 7 der Robotervorrichtung 3 als sogenannte redundante Roboter beziehungsweise kinematisch redundante Manipulatoren auszulegen. Dazu können diese beispielsweise 7 Freiheitsgrade, insbesondere 7 Achsen aufweisen, wobei diese beispielsweise menschenähnlich, also der Kinematik eines menschlichen Armes nachempfunden, auslegbar sein können. Es können auch mehrere Robotervorrichtungen vorgesehen sein.
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Die Roboterarme 5, 7 der Robotervorrichtung 3 dienen zum beweglichen Lagern der Handlingeinrichtung 9, zum Aufnehmen von Bewegungen der Handlingeinrichtung 9 und zum Einleiten einer Kraftrückkopplung in die Handlingeinrichtung 9. Dazu sind der erste Roboterarm 5 der Handlingeinrichtung 9 an einem ersten Zuordnungspunkt 11 und der zweite Roboterarm 7 an einem zweiten Zuordnungspunkt 13 der Handlingeinrichtung 9 zugeordnet.
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Gemäß der Darstellung in 1 koppelt ein länglicher verformbarer Gegenstand 15 mit den Roboterarmen 5, 7. Der Gegenstand 15 weist vorzugsweise elastische Eigenschaften auf, was mittels einer gestrichelt dargestellten Linie 17 zum Symbolisieren einer Außenform des Gegenstandes 15 in einem durchgebogenen Zustand in 1 dargestellt ist. Zum Manipulieren des Gegenstandes 15 mit einer nicht näher dargestellten virtuellen Umgebung kann der Gegenstand 15 oder die Handlingeinrichtung 9 an einer beliebigen Stelle, beispielsweise mit zwei Händen angefasst werden, wobei die Roboterarme 5, 7 der Robotervorrichtung 3 kraftlos gesteuert und/oder geregelt werden können, so dass eine Bewegung des Gegenstandes 15 oder der Handlingeinrichtung 9 ein entsprechendes Zurückweichen der Roboterarme 5, 7 der Robotervorrichtung 3 bewirken. Entsprechende Lösungen für die dazu erforderliche inverse Kinematik der Roboterarme 5, 7, insbesondere einer redundanten inversen Kinematik sind bekannt, so dass an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen wird. Insbesondere können die Roboterarme 5, 7 der Robotervorrichtung 3 an ihren Gelenken Positions- und/oder Drehmomentsensoren aufweisen, so dass in einer entsprechenden Stellung der Roboterarme 5,7 ein einem kraftlosen Zustand entsprechendes Moment stets so einregelbar ist, dass die gesamte Robotervorrichtung 3 zusammen mit der Handlingeinrichtung 9 beziehungsweise dem Gegenstand 15 still steht. Eine entsprechende Manipulation des Gegenstandes 15 oder der Handlingeinrichtung 9 durch einen Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 kann also ein kraftloses Zurückweichen bewirken, wobei vorteilhaft mittels der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 die Positionen der zwei Zuordnungspunkte 11, 13 aufnehmbar beziehungsweise erfassbar sind. Vorteilhaft kann aus der Lage der Zuordnungspunkte 11, 13 auf die Lage des Gegenstandes 15 rückgeschlossen werden. Vorteilhaft kann auch bei einer festen Zuordnung der Zuordnungspunkte 11, 13 zum Gegenstand 15 eine eventuelle Durchbiegung, wie mittels der Linie 17 angedeutet, des Gegenstandes 15 erfasst werden. Bei dem länglichen Gegenstand 15 kann es sich beispielsweise um einen Scheibenwischer und/oder ein Scheibenwischergestänge handeln.
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Vorteilhaft kann ein zur Montage des Scheibenwischergestänge erforderliches Durchbiegen desselben mittels den zwei Roboterarmen 5, 7 der Robotervorrichtung 3 ebenfalls erfasst werden. Dies kann vorteilhaft dazu genutzt werden, um den länglichen Gegenstand 15 mit einer virtualisierten Umgebung, beispielsweise einem Prototyp eines nicht näher dargestellten Fahrzeuges, zu interagieren. Vorteilhaft kann die Interaktion der tatsächliche Außenform des Gegenstandes 15, wie sie mittels der Linie 17 angedeutet ist, mit der virtualisierten Umgebung verglichen werden, beispielsweise um mögliche Kollisionen mit der virtualisierten Umgebung festzustellen und aus diesen eine Kraftrückkopplung mittels der Roboterarme 5, 7 der Robotervorrichtung 3 auf die Handlingeinrichtung 9 beziehungsweise den Gegenstand 15 der Handlingeinrichtung 9 zurückzumelden. Vorteilhaft kann der den Gegenstand 15 anfassende und eventuell verformende Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 ein realistisches haptisches Bild seiner Interaktion des Gegenstandes 15 mit der virtualisierten Umgebung erhalten.
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Zusätzlich ist es möglich, dem Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 mittels eines in der 1 nicht dargestellten Displays auch einen visuellen Eindruck seiner Interaktionen mit der virtualisierten Umgebung zu vermitteln.
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2 zeigt ebenfalls die in 1 gezeigte Kraftrückkopplungsvorrichtung 1, wobei Im Unterschied ein Gegenstand 15 eingesetzt wird, der im Wesentlichen lediglich auf Zug beanspruchbar ist, beispielsweise ein Seil 19. Das Seil 19, das auch als Handlingeinrichtung 9 dienen kann, ist zur Verdeutlichung in 2 zweimal und mit unterschiedlicher Durchbiegung dargestellt, wobei sich eine flachere und eine tiefer hängende Kettenlinie ergibt. Die die mittels der Roboterarme 5, 7 in das Seil 19 eingebrachten Kräfte sind in 2 mittels zwei unterschiedlichen Pfeilen dargestellt, wobei jeweils ein Pfeil 21 für die unterschiedlichen Darstellungen des Seils 19 die entsprechende Zugkraft symbolisiert.
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Zum Interagieren des Seils 19 mit der nicht näher dargestellten virtuellen Umgebung kann das Seil 19 an einer beliebigen Stelle, bevorzugt relativ nah den Zuordnungspunkten 11, 13 von einem Benutzer angefasst werden, wobei sich dadurch eine an den Roboterarmen 5, 7 und mittels der Pfeile 21 angedeutete Kraft ändert, so dass auch in diesem Fall die Roboterarme 5, 7 den Bewegungen des Benutzers der Kraftrückkopplungsvorrichtung folgen können. Zusätzlich ist es möglich, ein Computermodell des Seils 19 beziehungsweise die sich ergebenden Kettenlinie 23 bei einem normalen Durchhang des Seils 19 zu hinterlegen, wobei vorteilhaft die Kraftrückkopplung und das Aufnehmen der Bewegungen der Handlingeinrichtung 9 mittels dieses Computermodells verfeinert werden können. Vorteilhaft kann beispielsweise von dem Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung das Seil so zusammengeführt oder auseinander gezogen werden, dass sich ein besonders tiefer oder flacher Durchhang ergibt. In diesem Fall kann die Kraftrückkopplungsvorrichtung aus dem sich ergebenden Abstand der Zuordnungspunkte 11, 13 beziehungsweise deren räumlicher Lage zueinander und des Computermodells des Seils 19, also dessen Gewicht und dessen Länge die sich für einen kraftlosen Zustand ergebende Kraft, wie mittels der Pfeile 21 angedeutet, errechnen, so dass vorteilhaft bei einem Nichtanfassen der Handlingeinrichtung 9 die Robotervorrichtung 1 trotz unterschiedlicher realer Zugkräfte des Seils 19 stillsteht.
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3 zeigt die in den 1 und 2 gezeigte Kraftrückkopplungsvorrichtung 1, wobei im Unterschied ein dem ersten Roboterarm 5 an dem ersten Zuordnungspunkt 11 zugeordnetes erstes biegeschlaffes Element 25 und ein dem zweiten Roboterarm 7 an dem zweiten Zuordnungspunkt 13 zugeordnetes zweites biegeschlaffes Element 27 eingesetzt wird. Außerdem ist zwischen den Zuordnungspunkten 11, 13 gepunktet dargestellt eine virtuelle Kettenlinie 29 eingezeichnet. Vorteilhaft kann der Benutzer die biegeschlaffen Element 25 und 27 ergreifen, wobei mittels der gepunktet eingezeichneten Kettenlinie 29, die als Symbol eines hinterlegten Computermodells des in 2 dargestellten Seils 19 verstanden werden kann, vorteilhaft mittels der Robotervorrichtung 3 so eine Kraftrückkopplung auf die Handlingeinrichtung 9 übertragen werden kann, die für den Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 eine haptische Repräsentation entsteht, als würde er ein Seil mit dem Durchhang entsprechend der Kettenlinie 29 in Händen halten.
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4 zeigt zwei unterschiedliche Detailbilder des ersten Roboterarms 5 der Robotervorrichtung 3, beispielsweise wie in 3 dargestellt. Dargestellt ist außerdem eine Hand 31, die die Handlingeinrichtung 9 ergreift. Mittels der Kraftrückkopplung können dem Benutzer unterschiedliche Durchhänge des simulierten Gegenstands 15 beziehungsweise des Seils 19 vermittelt werden, was in der 4 mittels unterschiedlich stark geneigter Kettenlinien 29 dargestellt ist.
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5 zeigt die in den 3 und 4 dargestellte Robotervorrichtung 3 zusammen mit einer verformten Kettenlinie 29 des mittels des Computermodells darstellbaren Seils 19 beziehungsweise Gegenstands 15. Das nur virtuell vorhandene Seil, das mittels der Kettenlinie 29 in 5 angedeutet ist, wird mit einer virtuellen Umgebung 33, die beispielsweise einen gepunktet dargestellten Quader 35 aufweisen kann, interagiert. Dabei legt sich die Kettenlinie 29 virtuell über den Quader 35. Vorteilhaft können die sich dabei ergebenden Zugkräfte mittels der Roboterarme 5, 7 der Robotervorrichtung 3 auf die Handlingeinrichtung 9 und über diese auf die Hände 31 des Benutzers der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 übertragen werden. Vorteilhaft könnte auch ein Einhängen beziehungsweise Umschlingen des virtuell dargestellten Seils um den virtuellen Quader 35 mittels der Kraftrückkopplung zurückgemeldet werden. Hierzu könnte die Richtung und Stärke der virtuellen Zugkräfte auf die Handlingeinrichtung 9 übertragen werden.
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6 zeigt die in den 1 - 5 dargestellte Kraftrückkopplungsvorrichtung 1, wobei das Computermodell einen virtuellen Gegenstand 15 repräsentiert, der biegeschlaffe Eigenschaften aufweist, jedoch auch zusätzlich auf Torsion beanspruchbar ist. Dabei könnte es sich beispielsweise um ein Kabel handeln. Mittels eines geschwungenen Pfeils 37 ist in 6 angedeutet, dass dem Benutzer beim Bewegen der Handlingeinrichtung 9 über diese ein Drehmoment beziehungsweise eine Reaktion, also die Kraftrückkopplung zurückgemeldet werden kann. Vorteilhaft kann die mittels des geschwungenen Pfeils 37 angedeutete Reaktion des virtuellen Gegenstands 15 mittels des Computermodells ermittelt werden. Dabei kann beispielsweise auch eine Verschlingung 39 des virtuellen Gegenstandes 15 berechnet und berücksichtigt werden. Vorteilhaft kann so mittels der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 auch ein nur sehr schwer handzuhabender Gegenstand, wie beispielsweise ein Kabel, mit der virtualisierten Umgebung interagiert werden.
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Vorteilhaft ist es möglich, wie in 7 dargestellt, die mittels der Handlingeinrichtung 9 aufgenommenen Bewegungen des Benutzers der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 in einer physikalisch vorhandenen, beispielsweise vom Benutzer entfernten (fernen) Realität 41 nachzuvollziehen. Hierzu kann die ferne Realität 41 einen Manipulator 43 aufweisen, der beispielsweise analog der Robotervorrichtung 3, insbesondere identisch mit der Robotervorrichtung 3, aufgebaut ist. In Bezug auf die 6 und 7 ist zu erkennen, dass mittels des Manipulators 43 in den in der fernen Realität 41 physikalisch tatsächlich vorhandenen Gegenstand 15 ein Drehmoment einleitbar ist, dessen Richtung der in 6 dargestellten Kraftrückkopplung entgegengesetzt ist, was mittels eines geschwungenen Pfeils 45 in 7 angedeutet ist.
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Es ist denkbar, mittels einer Kamera 47 die tatsächlichen Reaktionen des physikalisch vorhandenen Gegenstands 15 der fernen Realität 41 aufzuzeichnen und diese entweder in Kombination mit dem Computermodell oder anstelle des Computermodells zu der virtuellen Reaktion des Gegenstandes 15, wie er beispielsweise in 6 mittels einer gepunktet dargestellten Verformungslinie 49 dargestellt ist, zu verrechnen.
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Das Kraftrückkopplungssystem 1 kann vorteilhaft im Bereich der virtuellen Technik eingesetzt werden. Hierzu kann ferner ein nicht näher dargestelltes Display zum Vermitteln eines visuellen Eindruckes vorgesehen sein. Der visuelle Eindruck kann beispielsweise aus computergenerierten Daten, insbesondere des Computermodells des Gegenstandes 15 und eines entsprechenden Modells der virtualisierten Realität erzeugt werden, wobei vorteilhaft der Benutzer der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 zusätzlich noch eine Kraftrückmeldung beziehungsweise die Kraftrückkopplung erleben kann. Vorteilhaft kann dies beispielsweise zum Einbau eines Bauteiles in einen digitalen Prototypen erfolgen. Hierzu kann der Gegenstand 15 an den Zuordnungspunkten 11, 13 den Roboterarmen 5, 7 der Robotervorrichtung 3 zugeordnet werden, wobei die Roboterarme 5, 7 der Robotervorrichtung 3 ohne eigene Kraft Bewegungen des Benutzers der Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 folgen können. Vorteilhaft kann mittels der Robotervorrichtung 1 eine Position des Gegenstandes 15 erfasst beziehungsweise aufgenommen und in Echtzeit mit Daten der virtualisierten Realität 33, insbesondere des digitalen Prototyps verglichen werden. Falls der Gegenstand 15 an Teile der virtualisierten Realität 33 anstoßen würde, kann vorteilhaft die Robotervorrichtung 3 eine einer Kollision entsprechende Gegenkraft aufbringen und damit weitere Bewegungen des Gegenstandes 15 in die entsprechende Richtung verhindern, so dass vorteilhaft ein realitätsnaher Eindruck entsteht.
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Vorteilhaft können mittels der Robotervorrichtung 3 auch nicht eigenstabile Bauteile der Robotervorrichtung 3 zugeordnet werden, beispielsweise lange Bauteile wie zum Beispiel Scheibenwischergestänge oder biegeschlaffe Bauteile, insbesondere Kabel oder Schläuche.
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Hierzu kann die Robotervorrichtung 3 eine Vielzahl von Roboterarmen 5, 7 aufweisen.
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Es ist denkbar, dass die biegeschlaffen Elemente 25 und 27 der Handlingeinrichtung 9, wie in 3 dargestellt, beispielsweise kleine Kabelstücke aufweisen, die insbesondere mit zu montierenden Steckern und/oder Buchsen 51 versehen sind. Der Benutzer kann dann beispielsweise zur Montageerprobung der Stecker und/oder Buchsen 51 diese mit der virtualisierten Realität interagieren. Ferner ist es denkbar, den Steckern und/oder Buchsen 51 zusätzlich oder ausschließlich Roboterarme zur Kraftrückkopplung und/oder Aufnahme der Bewegungen zuzuordnen. Die Kraftrückkopplung kann dazu direkt in die Stecker und/oder Buchsen 51 eingeleitet werden, zum Beispiel für eine Montageerprobung beziehungsweise ein virtuelles Kontaktieren.
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Vorteilhaft können mittels der Roboterarme 5, 7 solche biegeschlaffen und/oder langen Teile an zwei oder mehreren Zuordnungspunkten 11, 13 festgehalten und dadurch vorteilhaft auch besser und genauer im Raum geführt werden.
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Das nicht näher dargestellte Display kann eine sogenannte Mehrseitenprojektionsanlage aufweisen. Vorteilhaft kann die Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 zur Montageerprobung und/oder Erprobung von Wartungssituationen eingesetzt werden. Ferner ist es möglich, die Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 zum Training und/oder Überwachen von motorischen Fähigkeiten einzusetzen, beispielsweise zu Trainingszwecken, insbesondere Rehabilitation. Außerdem ist es denkbar, die Kraftrückkopplungsvorrichtung 1 für Manipulationsaufgaben in der fernen Realität 41 einzusetzen, insbesondere, falls diese Gefahren aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung oder System zur Kraftrückkopplung
- 3
- Robotervorrichtung
- 5
- erster Roboterarm
- 7
- zweiter Roboterarm
- 9
- Handlingeinrichtung
- 11
- erster Zuordnungspunkt
- 13
- zweiter Zuordnungspunkt
- 15
- Gegenstand
- 17
- Linie
- 19
- Seil
- 21
- Pfeile
- 25
- erstes biegeschlaffes Element
- 27
- zweites biegeschlaffes Element
- 29
- Kettenlinie
- 31
- Hand
- 33
- virtuelle Umgebung
- 35
- Quader
- 37
- Pfeil
- 39
- Verschlingung
- 41
- ferne Realität
- 43
- Manipulator
- 45
- Pfeil
- 47
- Kamera
- 49
- Verformungslinie
- 51
- Stecker/Buchsen