DE102017100101A1

DE102017100101A1 - Haptische Vorrichtung und Verfahren zur Regelung eines Aktors einer haptischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102017100101A1
Application number: DE102017100101.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hulin
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-01-04
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2037-01-05
Also published as: DE102017100101B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Aktors (201), der einen beweglichen Teil (202) einer haptischen Vorrichtung antreibt, wobei der bewegliche Teil (202) zur haptischen Eingabe und zur Ausgabe haptischen Feedbacks von einer Hand eines Bedieners gegriffen wird, wobei eine den beweglichen Teil (202) der Vorrichtung definierende Massenmatrix M(q) vorgegeben ist und wobei q ein einen mechanischen Zustand der Vorrichtung beschreibender Parameter ist, mit folgenden Schritten: Ermitteln (101) einer aktuellen Kontaktfläche KF(t) zwischen der Hand und dem beweglichen Teil (202) der Vorrichtung, Ermitteln (102) einer von der Hand in den beweglichen Teil (202) der Vorrichtung aktuell eingebrachten Griffkraft F(t), auf Basis der ermittelten Kontaktfläche KF(t) und der ermittelten Griffkraft F(t), Ermitteln (103) einer die Hand definierende Massenmatrix M(t), Ansteuern (104) des Aktors (201) mit einer Stellgröße F, die von einer Massenmatrix M(q,t) = M(q) + M(t) abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft eine haptische Vorrichtung mit einem beweglichen Teil, der von einem Aktor angetrieben ist und ein Verfahren zur Regelung eines Aktors einer solchen Vorrichtung. Die Vorrichtung dient insbesondere als Mensch-Maschine-Schnittstelle bspw. zur Eingabe von Kräften, Momenten oder Positionen durch einen Bediener und zur Ausgabe von Kraft-Feedback an den Bediener, wobei der Bediener hierzu den beweglichen Teil der Vorrichtung mit der Hand greift. Die haptische Vorrichtung weist zumindest einen Aktor zum Antrieb/zur Bewegung des beweglichen Teils der Vorrichtung auf.
Bekannt ist, dass sich zur direkten Mensch-Roboter Interaktion insbesondere impedanzgeregelte Robotersysteme eignen. Sie wirken auf ihre Umgebung mit vorgegebenen Kräften bzw. Drehmomenten ein. Im Vergleich dazu sind Industrieroboter typischerweise admittanz- bzw. positionsgeregelt, d.h. sie bewegen sich zu einer kommandierten Position hin, zumeist entlang einer vorgegebenen Trajektorie. Bei letzterem werden keine Kräfte bzw. Drehmomente kommandiert, sondern ausschließlich Positionen.
Ein wichtiger Einsatzbereich impedanzgeregelter Robotersysteme ist die haptische Interaktion mit einem Bediener. Dabei wird insbesondere ein Joystick oder ein aktorisch angetriebener Roboterarm als haptische Vorrichtung verwendet, um ein Kraft-Feedback für den Bediener zu erzeugen. Die beiden wichtigsten Anwendungsgebiete für haptisches Kraft-Feedback sind die Telemanipulation von entfernten Robotern und die haptische Interaktion mit virtuellen Welten/Umgebungen. Für beide Anwendungsgebiete ist eine optimale Ausgabe eines haptischen Kraft-Feedbacks von entscheidender Bedeutung. Häufig wird das haptische Kraft-Feedback durch einfache Rechenvorschriften bestimmt, beispielsweise durch simulierte Feder-Dämpfer Systeme. Diese können regelungstechnisch als PD-Regler aufgefasst werden, bzw. als PI-Regler, wenn die Geschwindigkeit als Regelgröße betrachtet wird. Es besteht der Bedarf, die Qualität des haptischen Kraft-Feedbacks zu verbessern.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine haptische Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines Aktors einer solchen Vorrichtung anzugeben, die eine verbesserte Ausgabe eines haptischen Kraft-Feedbacks ermöglichen, vornehmlich wenn sich der Einfluss des Menschen auf das haptische Robotersystem während der Interaktion ändert.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Aktors, der einen beweglichen Teil einer haptischen Vorrichtung antreibt, wobei der bewegliche Teil der haptischen Vorrichtung zur haptischen Eingabe (bspw. von Steuerbefehlen, Positionen, Kräften, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, etc.) und zur Ausgabe haptischen Feedbacks dient. Der bewegliche Teil der Vorrichtung wird zur haptischen Eingabe und zur Ausgabe haptischen Feedbacks (bspw. Kraft-Feedback) von einer Hand eines Bedieners gegriffen. Der bewegliche Teil der Vorrichtung wird weiterhin durch eine vorgegebene Massenmatrix M_G(q) definiert, wobei q ein einen mechanischen Zustand der Vorrichtung beschreibender Parameter ist. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst folgende Schritte.
In einem ersten Schritt erfolgt ein Ermitteln einer aktuellen Kontaktfläche KF_H(t) zwischen der Hand und dem beweglichen Teil der haptischen Vorrichtung. Das Ermitteln der Kontaktfläche KF_H(t) betrifft vorteilhaft das Ermitteln der Kontaktflächengröße und/oder der Form der Kontaktfläche. Vorteilhaft wird zudem der Ort der Kontaktfläche KF_H(t) ermittelt. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Ermitteln einer von der Hand in den beweglichen Teil der Vorrichtung aktuell eingebrachten Griffkraft F_H(t). In einem dritten Schritt erfolgt auf Basis der ermittelten Kontaktfläche KF_H(t) und der ermittelten Griffkraft F_H(t) ein Ermitteln einer die Hand definierenden Massenmatrix M_H(t). In einem vierten Schritt erfolgt ein Ansteuern des Aktors mit Stellgröße F_ctrl, die von einer Massenmatrix M_act(q,t) = M_G(q) + M_H(t) abhängt bzw. mit dieser variiert. Der Parameter q gibt vorteilhaft Gelenkwinkel oder Positionen des zur Eingabe von Kräften und zur Ausgabe von Kraft-Feedback ausgeführten beweglichen Teils der haptischen Vorrichtung an, der Parameter t bezeichnet die Zeit.
Ein Regler des Aktors berücksichtigt zur Erzeugung der Stellgrößen F_ctrl somit die nicht konstante dynamische Masse/Trägheit des Systems bestehend aus dem beweglichen Teil der haptischen Vorrichtung und der den beweglichen Teil greifenden Hand H.
Änderungen der System-Masse/Trägheit werden beispielsweise erzeugt, indem ein Bediener während der Handhabung der Vorrichtung seinen Handgriff am beweglichen Teil ändert und so eine Änderung der Masse/Trägheit des dynamischen Systems erzeugt. Weiterhin führen Änderungen beispielsweise von Gelenkwinkeln des beweglichen Teils der Vorrichtung (wenn dieser bspw. als Robotermanipulator ausgebildet ist) zu einer Veränderung der dynamischen Masse/Trägheit. Derartige Änderungen werden vom Regler durch die von der ermittelten aktuellen Massenmatrix M_act(q,t) = M_G(q) + M_H(t) abhängige Steuergröße F_crtl berücksichtigt. Diese Adaptierung des Reglers an die aktuelle dynamische Masse/Trägheit des Systems ermöglicht eine präzisere und genauere Ausgabe von Kraft-Feedback an den Bediener. Der bewegliche Teil der haptischen Vorrichtung ist vorzugsweise als Joystick oder als Robotermanipulator ausgebildet. Die haptische Vorrichtung kann beispielsweise zur Bedienung von Robotern, Flugzeugen, Fahrzeugen, Schiffen, U-Booten, Drohnen, etc. verwendet werden.
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend für eine erfindungsgemäße haptische Vorrichtung erläutert, die als beweglichen Teil einen Robotermanipulator aufweist. Als Dynamikgleichung für den Robotermanipulator ergibt sich: $M_{G} (q) \ddot{x} + c (q, \dot{q}) + g (q) = F$
Mit:

M_G:: Massenmatrix des beweglichen Teils der haptischen Vorrichtung / vorliegend des Robotermanipulators
q:: Gelenkwinkel oder Gelenkposition
q̇ :: Zeitableitung von q
ẍ:: zweite Zeitableitung der kartesischen Position und Orientierung
c(q,q̇):: Coriolis-, Zentrifugal- und Reibungskräfte
g(q):: Gravitationskraft
F :: extern einwirkende Kraft bzw. extern einwirkender Kraftwinder (Dyname)
F_ctrl :: Hilfsgröße des Reglers

Mit F_ctrl =F-c(q,q̇)-g(q) ergibt sich der Zusammenhang: $M_{G} (q) \ddot{x} = F_{c t r l} .$
Sobald ein Nutzer den Robotermanipulator mit der Hand greift, verändert sich das Verhalten des Systems (bestehend aus dem Robotermanipulator und der Hand). Der Hauptbeitrag des Bedieners, d.h. der Hand, wird durch die in das System hinzugefügte Masse M_H der Hand verursacht. Werden die anderen Effekte (beispielsweise Dämpfung, Corioliskräfte) des Menschen vernachlässigt, so ergibt sich vereinfacht: $(M_{G} (q) + M_{H} (t)) \ddot{x} = F_{c t r l} mit M_{G} (q) + M_{H} (t) = M_{a c t} .$
Die beiden Matrizen M_G(q) und M_H(t) haben dabei vorteilhaft dasselbe Bezugskoordinatensystem, beispielsweise im Schwerpunkt des beweglichen Teils der Vorrichtung.
Die durch einen Robotermanipulator darstellbare Steifigkeit κ_p wird durch eine zeitdiskrete Berechnung der Griffkräfte, eine zeitdiskrete Regelung des haptischen Systems und mögliche Totzeiten begrenzt. Zu hohe Steifigkeit kann zu Instabilitäten führen. Daher wird vorteilhaft ein Viskosedämpfer κ_d hinzugefügt, der dazu dient, höhere Steifigkeit κ_p stabil darstellen zu können. Regelungstechnisch kann das Dämpfungselement κ_d als ein Teil eines PD-Reglers betrachtet werden mit der folgenden Übertragungsfunktion: $c_{p d} (s) = κ_{p} + κ_{d} s,$
mit dem Proportionalteil κ_p des Reglers, dem Differenzialteil κ_d des Reglers und der Laplacevariablen s. Eine effektive Steifigkeit k_eff und eine effektive Dämpfung b_eff des Gesamtsystems ergibt sich dann zu: $k_{e f f} = κ_{p} k_{v r}$
$b_{e f f} = κ_{d} k_{v r}$
mit k_vr der von der virtuellen Welt vorgegebenen Kontaktsteifigkeit, oder im Falle von Telemanipulation, der Kopplungssteifigkeit.
Für ein optimales Systemverhalten im eindimensionalen Fall muss ein bestimmtes Verhältnis α_opt zwischen Federsteifigkeit k_eff , beschleunigter Systemmasse m und Abtastperiode T vorherrschen: $α_{o p t} = \frac{k_{e f f} T^{2}}{m} .$
Gleichzeitig muss auch ein bestimmtes Verhältnis β_opt zwischen Dämpfung b_eff, beschleunigter Systemmasse m und Abtastperiode T vorherrschen: $β_{o p t} = \frac{b_{e f f} T^{2}}{m} .$
Bei einer Verdoppelung der Systemmasse m muss also die doppelte Steifigkeit k_eff und die doppelte Dämpfung b_eff eingestellt werden, um ein optimales Systemverhalten zu erzielen. Anders muss bei einer Verdoppelung der Abtastfrequenz f =1/ T entsprechend die Steifigkeit k_eff vervierfacht und die Dämpfung b_eff verdoppelt werden. Die Werte für α_opt und β_opt hängen wiederum von der Totzeit und von jeweils betrachteten Optimierungskriterien ab, sie sind aber ansonsten unabhängig von der Abtastfrequenz T und der Systemmasse m. Die mechanische Dämpfung (bzw. Reibung) der haptischen Vorrichtung hat einen zu vernachlässigenden Einfluss auf diese Parameter, da diese normalerweise sehr klein im Verhältnis zur Dämpfung b_eff ist. Insgesamt hängt die Wahl der optimalen Parameterwerte also stark von der konkreten haptischen Vorrichtung ab, sowie von dem Bediener, der die Vorrichtung mit seiner Hand greift.
Für den mehrdimensionalen Fall gilt analog folgender Zusammenhang, um optimales Systemverhalten zu erzielen: $\begin{array}{l} K_{e f f} = M_{a c t} \frac{α_{o p t}}{T^{2}} \\ B_{e f f} = M_{a c t} \frac{β_{o p t}}{T^{2}} \end{array}$
wobei M_act = M_G(q) + M_H(t) die Massenmatrix des Gesamtsystems (Robotermanipulator und Hand) ist.
Betrachtet man beispielhaft die Kollision eines manipulierten virtuellen Objekts mit einer virtuellen Wand, wobei p der Vektor der Eindringung des manipulierten Objekts in die virtuelle Wand ist, dann bestimmt sich die Stellgröße des Reglers F_ctrl zu: $F_{c t r l} = K_{e f f} p + B_{e f f} \dot{p} = M_{a c t} (\frac{α_{o p t}}{T^{2}} p + \frac{β_{o p t}}{T^{2}} \dot{p})$
Die Parameter eines PD-Reglers wären also Matrizen mitκ_p = K_eff / k_vr und κ_d = B_eff / k_vr . Die resultierende Beschleunigung folgt aus Gleichung (3) zu $\ddot{x} = M_{a c t}^{- 1} F_{c t r l} = \frac{α_{o p t}}{T^{2}} p + \frac{β_{o p t}}{T^{2}} \dot{p} .$
Sie ist also unabhängig von der Massenmatrix M_act.
Um die Matrizen K_eff und B_eff zu bestimmen, muss die Massenmatrix M_act = M_G(q) + M_H(t) bekannt sein. M_G(q) wird vorteilhaft mit Standardmethoden der Robotik bestimmt (beispielsweise auf Basis eines Modells des beweglichen Teils der haptischen Vorrichtung). Die Bestimmung der Massenmatrix der Hand M_H(t) basiert vorteilhaft auf Messwerten einer Sensorik zur Erfassung der aktuellen Kontaktfläche KF_H(t) zwischen der Hand und dem beweglichen Teil der haptischen Vorrichtung und auf Messwerten einer Sensorik zur Erfassung der von der Hand in die Vorrichtung aktuell eingebrachten Griffkraft F_H(t). Vorteilhaft erfolgt die Bestimmung der Massenmatrix der Hand zusätzlich auf Basis von Messwerten einer Sensorik zur Erfassung einer Form der Hand. Aus der ermittelten Form kann beispielsweise auf Basis eines Handmodells eine Massenverteilung in der Hand und eine Gesamtmasse der Hand geschätzt werden.
Um den Massenbeitrag M_H(t) der menschlichen Hand zum System (beweglicher Teil und Hand) abschätzen zu können, werden vorteilhaft Informationen über die Hand und den „Griff“ der Hand, d.h. die Art, wie die Hand die Vorrichtung greift, benötigt. Sind diese Informationen verfügbar, so kann die Massenmatrix M_H(t) beispielsweise unter Verwendung einer Look-Up Tabelle interpoliert werden oder mittels eines neuronalen Netzes bestimmt werden.
Vorteilhaft ist in dem Bereich, in dem die Hand den beweglichen Teil der Vorrichtung greift, ein Foliensensor zur ortsaufgelösten Erfassung von eingetragenen externen Kräften angeordnet. Vorteilhaft ist dieser Bereich als Griff ausgestaltet. Der Foliensensor umfasst den Bereich vorteilhaft vollständig, so dass er die Andruckkraft und den Ort der von der Hand in die Vorrichtung eingebrachten Kraft erfassen kann. Der Foliensensor kann beispielsweise ein resistiver oder ein kapazitiver Sensor sein, beispielsweise ein EAP-Sensor (ein Sensor mit elektroaktiven Polymeren). Durch den Sensor kann beispielsweise unterschieden werden, ob der bewegliche Teil der haptischen Vorrichtung mit nur zwei Fingern gegriffen wird, oder ob ein sogenannter „Kraftgriff“ vorliegt, bei dem alle Finger und die Handballen Kontakt mit der gegriffenen Vorrichtung haben. Bei einem „Kraftgriff“ kann darüber hinaus über die Kontaktfläche folgendes bestimmt werden:

a) die Breite der Finger und der Hand,
b) die Länge der Finger und der gesamten Hand,
c) ob es sich um die linke oder rechte Hand handelt.

Der bewegliche Teil der haptischen Vorrichtung ist vorteilhaft als Joystick oder als ein ein- oder mehrgliedriger Robotermanipulator ausgebildet. Der nichtbewegliche Teil der haptischen Vorrichtung dient als Träger des beweglichen Teils. Die haptische Vorrichtung als Ganzes kann mobil oder stationär ausgeführt sein.
Vorteilhaft wird die Massenmatrix M_G(q) auf Basis eines dynamischen Modells des beweglichen Teils der Vorrichtung oder auf Basis von vorab erfassten Messreihen verschiedenster mechanischer Konfigurationen und Zustände der Vorrichtung und damit einhergehender Massenmatrizen M_G(q) ermittelt.
Vorteilhaft wird die Massenmatrix M_H(t) basierend auf einer vorgegebenen Look-Up Tabelle ermittelt, für die Massenmatrizen M_H(t) für verschiedene Griffarten und damit einhergehende Kontaktflächen KF_H(t) und Griffkräfte vorab ermittelt wurden und bereitgestellt werden.
Vorteilhaft erfolgt das Ermitteln der Kontaktfläche KF_H(t) mittels eines ortsauflösenden resistiven oder kapazitiven flächigen Kraftsensors, der an dem beweglichen Teil der Vorrichtung angeordnet ist. Vorteilhaft weist der flächige Kraftsensor elektroaktive Polymere und/oder eine projiziert-kapazitive Sensorfolie auf.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die haptische Vorrichtung, insbesondere der bewegliche Teil der Vorrichtung für eine Nutzung durch einen Bediener erst dann aktiviert wird, wenn die Griffkraft F_H(t) einen vorgegebenen Grenzwert G1 übersteigt und/oder wenn die Kontaktfläche KF_H(t) einen vorgegebenen Grenzwert G2 übersteigt. Dadurch wird eine unbeabsichtigte Aktivierung der Vorrichtung verhindert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der bewegliche Teil der Vorrichtung einen Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur T(t) an der Kontaktfläche KF_H(t) und/oder einen Elektromyographiesensor zur Erfassung von elektrischen Potentialen P(t) an der Kontaktfläche KF_H(t) und/oder einen Pulssensor zur Erfassung einer Pulsfrequenz PF(t) aufweist, wobei die haptische Vorrichtung bzw. der bewegliche Teil der Vorrichtung für eine Nutzung erst dann aktiviert wird, wenn die erfasste Temperatur T(t) ein vorgegebenes Kriterium K1 erfüllt und/oder wenn das erfasste Potential P(t) ein vorgegebenes Kriterium K2 erfüllt und/oder wenn die erfasste Pulsfrequenz PF(t) ein vorgegebenes Kriterium K3 erfüllt. In dieser Weiterbildung kann sichergestellt werden, dass eine Aktivierung der Vorrichtung/des beweglichen Teils erst dann erfolgt, wenn ein entsprechender Kontakt des beweglichen Teils mit einer menschlichen Hand anhand der vorher angeführten Messdaten festgestellt wird. Dies erfolgt insbesondere durch die Erhöhung der Temperatur der Kontaktfläche, die Erfassung einer menschlichen Pulsfrequenz, die Erfassung menschlicher elektrobiografischer Signale, die dann erfassbar ist, wenn eine menschliche Hand oder Teile davon den beweglichen Teil der Vorrichtung in dem dafür vorgesehenen Bereich greifen. Die Kriterien K1, K2, K3 werden je nach Anforderung entsprechend gewählt.
Vorteilhaft wird durch ein an der haptischen Vorrichtung, insbesondere an dem beweglichen Teil der Vorrichtung angeordnetes Bilddaten-erzeugendes Sensorsystem, die (Außen-)Form der den beweglichen Teil greifenden Hand ermittelt. Die Form der Hand wird vorteilhaft mittels einer in der Vorrichtung angeordneten 3D-Kamera ermittelt. Die 3D-Kamera kann bspw. als Stereokamera, als Triangulationssystem, als TOF-Kamera, als Interferometriesystem, oder als Lichtfeldkamera ausgeführt sein.
In einer Ausführungsform ist ein Bilddaten-erzeugender Sensor, insbesondere eine 3D-Kamera, in einem als Griff ausgestalteten Bereich des beweglichen Teils der Vorrichtung integriert, wobei der Griff optisch durchsichtig gestaltet ist, sodass der Sensor eine den Griff greifende Hand erfassen kann. Durch entsprechende Auswertung der Bilddaten, bspw. auf Basis eines Handmodells, kann die Masse der Hand und die Massenverteilung der Hand geschätzt werden. Hat die Hand den beweglichen Teil bereits gegriffen, kann durch Auswertung der Bilddaten zudem die Kontaktfläche zwischen Hand und dem beweglichen Teil ermittelt werden.
Durch entsprechende Auswertung der Bilddaten kann bspw. unterschieden werden, ob die Hand den Griff nur mit einem, zwei oder drei Fingern greift oder ob die Hand den Griff in einem „Kraftgriff“ mit allen Fingern und den Handballen greift. Aus der Größe der Hand und der Kontaktfläche zwischen Hand und Gerät wird vorteilhaft auf Basis von bereitgestelltem Vorabwissen die Massenmatrix M_H der Hand ermittelt bzw. geschätzt. Diese Schätzung kann auf Basis eines Handmodells, wie auch auf Basis einer entsprechenden vorab erzeugten Datenbasis ermittelt werden. Dabei gilt bspw.: je größer die Hand und je größer die Kontaktfläche zwischen Hand und beweglichem Teil der Vorrichtung, desto größer die Werte in der Massenmatrix M_H, bzw. desto größer ist der eingebrachte Massen-/Trägheitsanteil der die Vorrichtung greifenden Hand.
Der Regler zur Regelung des Aktuators ist vorteilhaft als PD-Regler ausgeführt, bei dem die Regel-Parameter: Steifigkeit K und Dämpfung B abhängig von M_act(q,t) gewählt sind. Vorteilhaft wird somit die Stellgröße F_ctrl basierend auf einem Feder-Dämpfer-Modell mit einer von M_act(q,t) abhängigen Steifigkeit K(M_act(q,t)) und einer von M_act(q,t) abhängigen Dämpfung B(M_act(q,t)) ermittelt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem beweglichen Teil zur haptischen Eingabe und zur Ausgabe haptischen Feedbacks durch/an einen Bediener, der den beweglichen Teil der Vorrichtung hierzu greift, wobei der bewegliche Teil der Vorrichtung durch eine Massenmatrix M_G(q) definiert ist, wobei q ein einen mechanischen Zustand des beweglichen Teils der Vorrichtung beschreibender Parameter ist. Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst zumindest einen Aktor, der die Vorrichtung antreibt, einen Regler, der den Aktor regelt, ein erstes Sensormittel, mit dem eine aktuelle Kontaktfläche KF_H(t) der Hand (d.h. vorteilhaft die Kontaktflächengröße und/oder die Form der Kontaktfläche und vorteilhaft den Ort der Kontaktfläche) mit der Vorrichtung ermittelt wird, ein zweites Sensormittel, mit dem eine von der Hand in die Vorrichtung aktuell eingebrachte Griffkraft F_H(t) ermittelt wird, und eine Auswerteeinheit, die dazu ausgeführt und eingerichtet ist, auf Basis der ermittelten Kontaktfläche KF_H(t) und der ermittelten Griffkraft F_H(t) eine die Hand beschreibende Massenmatrix M_H(t) zu ermitteln, wobei der Regler dazu ausgeführt und eingerichtet ist, den Aktor mit einer Stellgröße F_ctrl anzusteuern, die von einer Massenmatrix M_act(q,t) = M_G(q) + M_H(t) abhängt. Beim zweiten Sensormittel kann es sich auch um ein und denselben Sensor handeln wie beim ersten Sensormittel, sofern dieser beide Werte (die Kontaktfläche KF_H(t) und die Griffkraft F_H(t)) messen kann.
Die bewegliche Vorrichtung ist insbesondere als Joystick oder als ein ein- oder mehrgelenkiger Roboterarm ausgebildet. Die Vorrichtung ist vorteilhaft in einem Bereich der Vorrichtung zum Greifen mit einer Hand ausgebildet. Dieser Bereich ist vorteilhaft als Griff ausgebildet. Die Vorrichtung weist vorteilhaft in diesem Bereich einen ortsauflösenden, resistiven oder kapazitiven, flächigen an der Vorrichtung angeordneten Kraftsensor zum Ermitteln der Kontaktfläche KF_H(t) und/oder der ermittelten Griffkraft F_H(t) auf. Vorteilhaft weist der flächige Kraftsensor elektroaktive Polymere und/oder eine projiziert-kapazitive Sensorfolie auf.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine (elektrische) Schaltung auf, die eine Nutzung der Vorrichtung als Eingabe- und Ausgabeinterface erst dann ermöglicht, wenn die Griffkraft F_H(t) ein vorgegebenes Kriterium G1 erfüllt und/oder wenn die Kontaktfläche KF_H(t) ein vorgegebenes Kriterium G2 erfüllt. Das Kriterium G1 wird vorteilhaft derart gewählt, dass die Griffkraft während der gesamten Zeit einer „Aktivierung“ der Vorrichtung als Ein- und Ausgabeinterface größer ist als ein vorgegebener Grenzwert. In einer anderen Ausführungsform wird das Kriterium G1 derart gewählt, dass die Griffkraft zur Initialisierung bzw. Aktivierung der Vorrichtung als Ein- und Ausgabeinterface für eine vorgegebene Zeitspanne, vorteilhaft: 0,1 - 1 s (beispielsweise 0,1s, 0,2s, 0,3s, 0,4s, 0,5s), größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Das Kriterium G2 wird vorteilhaft derart gewählt, dass die Kontaktfläche während der gesamten Zeit einer „Aktivierung“ der Vorrichtung als Ein- und Ausgabeinterface größer ist als ein vorgegebener Grenzwert. In einer anderen Ausführungsform wird das Kriterium G2 derart gewählt, dass die Kontaktfläche zur Initialisierung bzw. Aktivierung der Vorrichtung als Ein- und Ausgabeinterface für eine vorgegebene Zeitspanne, vorteilhaft: 0,1 - 1 s (beispielsweise 0,1s, 0,2s, 0,3s, 0,4s, 0,5s), größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur T(t) an der Kontaktfläche KF_H(t) und/oder ein Elektromyographiesensor zur Erfassung von elektrischen Potentialen P(t) an der Kontaktfläche KF_H(t) und/oder ein Pulssensor zur Erfassung einer Pulsfrequenz PF(t) an der Kontaktfläche KF_H(t) vorhanden ist/sind, und weiterhin eine (elektrische) Schaltung vorhanden ist, die eine Nutzung der Vorrichtung als Ein- und Ausgabeinterface erst dann aktiviert bzw. freigibt, wenn die erfasste Temperatur T(t) ein vorgegebenes Kriterium K1 erfüllt und/oder wenn das erfasste Potential P(t) ein vorgegebenes Kriterium K2 erfüllt und/oder wenn die erfasste Pulsfrequenz PF(t) ein vorgegebenes Kriterium K3 erfüllt. Der Temperatursensor ist vorteilhaft zur ortsaufgelösten flächigen Erfassung von Temperaturen an den möglichen Kontaktflächen der Vorrichtung ausgeführt. Der Elektromyographiesensor ist vorteilhaft zur ortsaufgelösten flächigen Erfassung von elektrischen Potenzialen an den möglichen Kontaktflächen der Vorrichtung ausgeführt. Der Pulssensor ist vorteilhaft zur ortsaufgelösten flächigen Erfassung von Pulsfrequenzen an den möglichen Kontaktflächen der Vorrichtung ausgeführt.
Vorteilhaft umfasst die vorgeschlagene Vorrichtung ein Sensorsystem, mit dem die Größe der die Vorrichtung greifenden Hand ermittelbar ist. Um die Größe der die Vorrichtung greifenden Hand zu ermitteln, wird vorteilhaft ein 3-D Bild der Hand während des Greifens der Vorrichtung erfasst. Das Sensorsystem umfasst hierzu vorteilhaft eine 3-DKamera und einen Bildauswerterechner. Vorteilhaft ist die 3D-Kamera innerhalb der Vorrichtung angeordnet. Vorteilhaft weist die 3D-Kamera einen Sichtbereich auf, der eine Umgebung der Vorrichtung, möglichst eine 360° Umgebung der Vorrichtung erfasst. Der Begriff „Größe der Hand“ beschreibt vorliegend die 3D-Form der Hand, sodass beispielsweise große, mittelgroße und kleine Hände voneinander unterschieden werden können. Aus der „Größe“ der Hand wird vorteilhaft auf die Gesamtmasse m_H der Hand geschlossen. Auf Basis der Gesamtmasse m_H der Hand kann unter Berücksichtigung der aktuellen Kontaktfläche KF_H(t) die Massenmatrix M_H(t) ermittelt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Regler/eine Regeleinheit zur Regelung eines Aktors, der eine bewegliche haptische Vorrichtung antreibt, die zur haptischen Eingabe und zur Ausgabe haptischen Feedbacks (insbesondere Kraft-Feedback) von einer Hand eines Bedieners gegriffen wird, wobei eine die Vorrichtung definierende Massenmatrix M_G(q) vorgegeben ist, wobei q ein einen mechanischen Zustand der Vorrichtung beschreibender Parameter ist. Der Regler umfasst: ein erstes Sensormittel, mit dem eine aktuelle Kontaktfläche KF_H(t) zwischen der Hand und der haptischen Vorrichtung ermittelt wird, ein zweites Sensormittel, mit dem eine von der Hand in die Vorrichtung aktuell eingebrachte Griffkraft F_H(t) ermittelt wird, und eine Auswerteeinheit, die dazu ausgeführt und eingerichtet ist, auf Basis der ermittelten Kontaktfläche KF_H(t) und der ermittelten Griffkraft F_H(t) eine die Hand beschreibende Massenmatrix M_H(t) zu ermitteln, wobei der Regler dazu ausgeführt und eingerichtet ist, den Aktor mit einer Stellgröße F_ctrl anzusteuern, die von der Massenmatrix M_act(q,t) = M_G(q) + M_H(t) abhängt. Beim zweiten Sensormittel kann es sich auch um ein und denselben Sensor handeln wie beim ersten Sensormittel, sofern dieser beide Werte (die Kontaktfläche KF_H(t) und die Griffkraft F_H(t)) messen kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Reglers/der Regeleinheit ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der zum vorgeschlagenen Verfahren und zur vorgeschlagenen Vorrichtung gemachten Ausführungen.
Die Aufgabe der Erfindung ist weiterhin gelöst durch ein Computersystem mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren, wie vorstehend ausgeführt, auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
Zudem wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, wobei die Steuersignale so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Verfahren, wie vorstehend ausgeführt, ausgeführt wird.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichertem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend ausgeführt, wenn der Programmcode auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Computer-Programm mit Programmcodes zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend ausgeführt, wenn das Programm auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung abläuft. Dazu kann die Datenverarbeitungsvorrichtung als ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Computersystem ausgestaltet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 einen schematisierten Verfahrensablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens, und
2 einen schematisierten Aufbau einer vorgeschlagenen Vorrichtung,

1 zeigt einen schematisierten Verfahrensablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens zur Regelung mehrerer Aktoren, die einen „Control Stick“ zur Eingabe von Steuerbefehlen in einem Flugzeugcockpit antreiben. Der Control Stick wird vom Piloten zur haptischen Eingabe von Steuerbefehlen (Höhenruder-Ausschlag, Querruder-Ausschlag) und zur Ausgabe haptischen Feedbacks von einer Hand eines Bedieners gegriffen, wobei eine den Control Stick definierende Massenmatrix M_G(q) vorgegeben ist und wobei q Gelenkwinkel am Control Stick beschreibt.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte. In einem Schritt 101 erfolgt ein Ermitteln der aktuellen Kontaktfläche KF_H(t) zwischen der Hand und dem Control Stick. In einem Schritt 102 erfolgt ein Ermitteln einer von der Hand in den Control Stick aktuell eingebrachten Griffkraft F_H(t). In einem Schritt 103 erfolgt auf Basis der ermittelten Kontaktfläche KF_H(t) und der ermittelten Griffkraft F_H(t) ein Ermitteln einer die Hand definierende Massenmatrix M_H(t). Hierbei wird die Massenmatrix M_H(t) durch Interpolation einer entsprechend vorgegebenen Look-Up Tabelle ermittelt. In einem Schritt 104 erfolgt ein Ansteuern der Aktoren mit Stellgrößen F_ctrl, die von einer Massenmatrix M_act(q,t) = M_G(q) + M_H(t) abhängen.
2 zeigt einen schematisierten Aufbau einer vorgeschlagenen haptischen Vorrichtung mit einem beweglichen Teil 202, vorliegend einem „Control Stick“ 202, der in einem Flugzeugcockpit verbaut ist und zur haptischen Eingabe von Steuerbefehlen und zur Ausgabe haptischen Feedbacks durch/an den Piloten dient. Hierzu greift der Pilot den Control Stick mit der Hand. Der Control Stick 202 ist durch eine Massenmatrix M_G(q) definiert, wobei q Gelenkwinkel am Control Stick 202 angibt. Die Vorrichtung umfasst mehrere Aktoren 201, die vorliegend zusammengefasst mit dem Bezugszeichen 201 gekennzeichnet sind, und die den Control Stick 202 antreiben. Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst weiterhin einen Regler 200, der die Aktoren 201 regelt, ein erstes Sensormittel 203, mit dem eine aktuelle Kontaktfläche KF_H(t) zwischen der Hand und dem Control Stick 202 ermittelt wird, ein zweites Sensormittel 204, mit dem eine von der Hand des Piloten in den Control Stick 202 aktuell eingebrachte Griffkraft F_H(t) ermittelt wird, und eine Auswerteeinheit 205, die dazu ausgeführt und eingerichtet ist auf Basis der ermittelten Kontaktfläche KF_H(t) und der ermittelten Griffkraft F_H(t) eine die Hand des Piloten beschreibende Massenmatrix M_H(t) zu ermitteln. Der Regler 200 ist weiterhin erfindungsgemäß dazu ausgeführt und eingerichtet, die Aktoren 201 mit einer Stellgröße F_ctrl anzusteuern, die von einer Massenmatrix M_act(q,t) = M_G(q) + M_H(t) abhängt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

101-104: Verfahrensschritte
200: Regler
201: Aktor/Aktoren
202: beweglicher Teil/„Control Stick“
203: erstes Sensormittel
204: zweites Sensormittel
205: Auswerteeinheit
206: nicht beweglicher Teil der haptischen Vorrichtung /Träger des beweglichen Teils

Claims

Verfahren zur Regelung eines Aktors (201), der einen beweglichen Teil (202) einer haptischen Vorrichtung antreibt, wobei der bewegliche Teil (202) zur haptischen Eingabe und zur Ausgabe haptischen Feedbacks von einer Hand eines Bedieners gegriffen wird, wobei eine den beweglichen Teil (202) der Vorrichtung definierende Massenmatrix M_G(q) vorgegeben ist und wobei q ein einen mechanischen Zustand der Vorrichtung beschreibender Parameter ist, mit folgenden Schritten: - Ermitteln (101) einer aktuellen Kontaktfläche KF_H(t) zwischen der Hand und dem beweglichen Teil (202) der Vorrichtung, - Ermitteln (102) einer von der Hand in den beweglichen Teil (202) der Vorrichtung aktuell eingebrachten Griffkraft F_H(t), - auf Basis der ermittelten Kontaktfläche KF_H(t) und der ermittelten Griffkraft F_H(t) Ermitteln (103) einer die Hand definierende Massenmatrix M_H(t), - Ansteuern (104) des Aktors (201) mit einer Stellgröße F_ctrl, die von einer Massenmatrix M_act(q,t) = M_G(q) + M_H(t) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stellgröße F_ctrl basierend auf einem Feder-Dämpfer-Modell mit einer von M_act(q,t) abhängigen Steifigkeit K(M_act(q,t)) und einer von M_act(q,t) abhängigen Dämpfung B(M_act(q,t)) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Ermitteln (101) der Kontaktfläche KF_H(t) mittels eines ortsauflösenden resistiven oder kapazitiven, flächigen, an der Vorrichtung angeordneten Kraftsensors erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der bewegliche Teil (202) für eine Nutzung durch den Bediener erst dann aktiviert wird, wenn die Griffkraft F_H(t) ein vorgegebenes Kriterium erfüllt und/oder wenn die Kontaktfläche KF_H(t) ein vorgegebenes Kriterium G2 erfüllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der bewegliche Teil (202) der Vorrichtung einen Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur T(t) an der Kontaktfläche KF_H(t) und/oder einen Elektromyographiesensor zur Erfassung von elektrischen Potentialen P(t) an der Kontaktfläche KF_H(t) und/oder einen Pulssensor zur Erfassung einer Pulsfrequenz PF(t) aufweist, wobei die Vorrichtung für eine Nutzung durch den Bediener erst dann aktiviert wird, wenn die erfasste Temperatur T(t) ein vorgegebenes Kriterium K1 erfüllt und/oder wenn das erfasste Potential P(t) ein vorgegebenes Kriterium K2 erfüllt und/oder wenn die erfasste Pulsfrequenz PF(t) ein vorgegebenes Kriterium K3 erfüllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine geometrische Form der Hand ermittelt wird, die den beweglichen Teil (202) der Vorrichtung greift, wobei zum Ermitteln (103) der die Hand definierenden Massenmatrix M_H(t) ein Bilddaten-erzeugender Sensor die Hand erfasst und ein Auswerterechner die erfassten Bilddaten zum Ermitteln der Form der Hand und zur Ermittlung einer Verteilung der Masse der Hand auf Basis eines vorgegebenen Handmodells auswertet.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Bilddaten-erzeugende Sensor eine 3D-Kamera ist, die in dem beweglichen Teil (202) der Vorrichtung angeordnet ist.
Regler (200) zur Regelung eines Aktors (201), der einen beweglichen Teil (202) einer haptischen Vorrichtung antreibt, wobei der bewegliche Teil (202) zur haptischen Eingabe und zur Ausgabe haptischen Feedbacks von einer Hand eines Bedieners gegriffen wird und der bewegliche Teil (202) durch Massenmatrix M_G(q) definiert ist, wobei q ein einen mechanischen Zustand der Vorrichtung beschreibender Parameter ist, umfassend: - ein erstes Sensormittel (203), mit dem eine aktuelle Kontaktfläche KF_H(t) zwischen der Hand und dem beweglichen Teil (202) ermittelt wird, - ein zweites Sensormittel (204), mit dem eine von der Hand in den beweglichen Teil (202) aktuell eingebrachte Griffkraft F_H(t) ermittelt wird, und - eine Auswerteeinheit (205), die dazu ausgeführt und eingerichtet ist, auf Basis der ermittelten Kontaktfläche KF_H(t) und der ermittelten Griffkraft F_H(t) eine die Hand beschreibende Massenmatrix M_H(t) zu ermitteln, - wobei der Regler (200) dazu ausgeführt und eingerichtet ist, den Aktor (201) mit einer Stellgröße F_ctrl anzusteuern, die von der Massenmatrix M_act(q,t) = M_G(q) + M_H(t) abhängt.
Vorrichtung mit einem beweglichen Teil (202) zur haptischen Eingabe und zur Ausgabe haptischen Feedbacks durch/an einen Bediener, wobei der bewegliche Teil (202) der Vorrichtung durch eine Massenmatrix M_G(q) definiert ist und q ein einen mechanischen Zustand der Vorrichtung beschreibender Parameter ist, umfassend: - zumindest einen Aktor (201), der den beweglichen Teil (202) der Vorrichtung antreibt, - einen Regler (200), der den Aktor (201) regelt, - ein erstes Sensormittel (203), mit dem eine aktuelle Kontaktfläche KF_H(t) zwischen der Hand und dem beweglichen Teil (202) ermittelt wird, - ein zweites Sensormittel (204), mit dem eine von der Hand in den beweglichen Teil (202) aktuell eingebrachte Griffkraft F_H(t) ermittelt wird, und - eine Auswerteeinheit (205), die dazu ausgeführt und eingerichtet ist, auf Basis der ermittelten Kontaktfläche KF_H(t) und der ermittelten Griffkraft F_H(t) eine die Hand beschreibende Massenmatrix M_H(t) zu ermitteln, wobei der Regler (200) dazu ausgeführt und eingerichtet ist, den Aktor (201) mit einer Stellgröße F_ctrl anzusteuern, die von einer Massenmatrix M_act(q,t) = M_G(q) + M_H(t) abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei dem der bewegliche Teil der Vorrichtung ein Joystick oder ein ein- oder mehrgelenkiger Roboterarm ist.