DE102004029627A1 - Method for controlling robotic system with separate motion and manipulator controls using sensors to follow hand grip movements by the operator - Google Patents

Method for controlling robotic system with separate motion and manipulator controls using sensors to follow hand grip movements by the operator Download PDF

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Abstract

An improved and simplified method for controlling a robotic system comprising a manipulator arm on a vehicle has a conventional control, e.g. joystick, for the vehicle and with the manipulator control linked to sensors which monitor the position and movement of one arm/hand of the operator and move the manipulator accordingly. The operator uses, e.g. the forefinger and thumb to control the grip at the end of the manipulator arm, and the while hand to control the position of the manipulator arm. The end of the manipulator arm can be fitted with an illuminator and CCTV.

Description

Die Erfindung betrifft einen fernsteuerbaren Funktionsträger gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie er insbesondere aus der DE 103 16 881 A1 bekannt ist.The invention relates to a remotely controlled function carrier according to the preamble of claim 1, as in particular from DE 103 16 881 A1 is known.

Ein solcher, auch als geländegängiges Roboterfahrzeug zu bezeichnender, Funktionsträger, der gemäß jener Vorveröffentlichung insbesondere für Aufklärungs- und Markierungsaufgaben einsetzbar ist, wird üblicherweise über eine Joystick-Steuerung manövriert. Das ist vergleichsweise problemlos realisierbar, wenn es sich um die Steuerung der bloßen Fahrbewegungen handelt. Wenn aber darüber hinaus zusätzliche Freiheitsgerade beherrscht werden müssen, wie für die freie Beweglichkeit eines auf den Funktionsträger montierten Manipulatorarms im Raum, dann müssen – ähnlich wie aufgrund ihrer Komplexität bei einer Hubschrauber-Fernsteuerung – wenigstens zwei derartige Steuerknüppel koordiniert manuell betätigt werden. Das verlangt seitens des Bedieners Ruhe und Erfahrung, um eine vorgegebene Manipulatorbewegung kinematisch optimal ausführen zu lassen oder gar einen bestimmten vorgegebenen Punkt im Raum unter einer definierten Annäherungsrichtung zu erreichen. Das Problem der manuellen Steuerung wird noch komplexer, wenn an diesem Raumpunkt definierte Aktionen vorgenommen werden sollen, die sich insbesondere durch Greifbewegungen beschreiben lassen, denen vielleicht sogar noch Sicht- und ggf. Beleuchtungserfordernisse anzupassen sind. Derart vielfältige aber im praktischen Einsatz geforderte Kriterien für die Verwendbarkeit eines ferngesteuerten Manipulatorarms sind kaum noch dadurch zu beherrschen und keinesfalls dadurch zu optimieren, dass der Bediener mittels Steuerknüppeln eine bestimmte Folge von Gelenkbewegungen nacheinander aktiviert.One such, also as off-road robotic vehicle to be designated, function carrier, the according to those prepublication especially for Enlightenment and marking tasks is usually used over a Joystick control maneuvered. This is relatively easy to implement when it comes to the control of the mere Driving movements acts. But if more than that Freedom line must be mastered, as for the free mobility of a on the function carrier mounted manipulator arm in the room, then have - similar to their complexity in a Helicopter remote control - at least two such joysticks coordinated manually operated become. This requires rest and experience on the part of the operator a kinematic optimal execution of a given manipulator movement leave or even a certain predetermined point in space under a defined approach direction to reach. The problem of manual control becomes even more complex if defined actions are taken at this point in the room should be described in particular by gripping movements which may even have visual and possibly lighting requirements are to be adapted. Such diverse but in practical use required criteria for usability a remotely controlled manipulator arm are hardly to dominate and in no way optimize the operator by means of sticks a certain sequence of joint movements activated one after the other.

Deshalb liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, die Anwendbarkeit eines derartigen tele-operierten Funktionsträgers durch einerseits vereinfachte und andererseits präzisere Ansteuerung seines Manipulator-Gelenkarms zu verbessern und in Zusammenwirken damit möglichst auch noch ein vergrößertes Einsatzspektrum zu eröffnen.Therefore The present invention is based on the technical problem, the applicability of such a tele-operated function carrier on the one hand simplified and on the other hand more precise control of his manipulator articulated arm to improve and in conjunction with it as possible even a larger range of applications to open.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebene Merkmalskombination gelöst. Danach wird die Bewegung eines Arms des Bedieners, repräsentiert durch aufeinander folgende Positionierungen seiner Hand im Raum, als Folge von Raumkoordinaten über eine Leitungsverbindung oder aber drahtlos an die Steuerschaltung für die Gelenkmotore des Manipulatorarms übermittelt, so daß der Gelenkarm und ein vorzugsweise an dessen freiem, der Montage auf dem Funktionsträger gegenüberliegenden Ende angebrachter Effektor, etwa nach Art eines zangenförmigen Greifers, der Handbewegung des Bedieners schritthaltend nachfolgen. Es werden also alle Gelenke gleichzeitig und jeweils in dem Sinne angesteuert, dass das mit dem Effektor ausstattbare, freie Ende des gegenüberliegend auf den Funktionsträger montierten Manipulatorarms die gleiche Bewegung im Raum durchführt, wie die Hand am Arm des Bedieners, ohne daß dafür mittels manueller Eingaben des Bedieners bestimmte Folgen von Steuerbefehlen an die einzelnen Gelenkmotore übermittelt werden müssen. Deshalb bleibt die zweite Hand des Bedieners z.B. für die Joystick-Steuerung der Fahrbewegung frei. Vor allem aber kann der Bediener sich nun voll auf die eigentliche, mittels des Manipulatorarms auszuführende, Mission konzentrieren, anstatt einen Teil seiner Leistung durch eine hinsichtlich der Bewegungsabläufe unorganische Führung des ferngesteuerten Arms binden zu lassen.These Task is inventively by the in the main claim specified feature combination solved. After that is the movement of an arm of the operator, represented by each other following positions of his hand in space, as a result of space coordinates over one Wiring or wireless to the control circuit for the joint motors transmitted by the manipulator arm, so that the Articulated arm and a preferably on the free, the mounting on the function carrier opposite End attached effector, such as a pincer-like gripper follow the hand movement of the operator keeping pace. It will so all joints are controlled simultaneously and in each case in the sense that that with the effector equipable, free end of the opposite on the function carrier mounted manipulator arm performs the same movement in the room as the hand on the arm of the operator, without using manual inputs the operator certain consequences of control commands to the individual Joint motors transmitted Need to become. Therefore, the second hand of the operator remains e.g. for the joystick control the driving movement free. Above all, the operator can now full on the actual mission to be performed by the manipulator arm concentrate, rather than a portion of its performance by a respect of the movements inorganic guide of the remote-controlled arm.

Zum Sensieren der momentanen Position der Hand im Raum genügt es, in der Nähe des Bedieners eine Feldquelle zu installieren und mittels eines Sensors im Bereich der Hand deren momentane räumliche Position bezüglich jener Quelle zu ermitteln. Als Quelle dient vorzugsweise ein komplex generiertes Magnetfeld, dessen örtlicher Feldlinienverlauf von einem im Bereich der Hand des Bedieners befestigten, sechsdimensional messenden Magnetfeldsensor erfaßt wird. Wenn solch eine Feldquelle am Körper des Bedieners selbst, beispielsweise in der vom Bediener etwa am Gürtel getragenen Joystick-Steuerung, angeordnet ist, wird da durch erreicht, daß Bewegungen des Bedieners im Raum noch nicht zu unerwünschten Bewegungen des Manipulatorarms auf dem Funktionsträger führen, solange nur die Hand ihre Relativstellung zum Körper der Bedienperson beibehält, etwa weil sie auf der am Körper getragenen Joystick-Steuerung ruht. Jedenfalls ist gemäß vorliegender Erfindung die Problematik des Erfordernisses mehrerer koordinierter Steuerknüppel-Bewegungen mit gezielter Aufeinanderfolge der Ansteuerung einzelner Gelenkmotore des Manipulatorarms entfallen, weil das freie Ende des Manipulatorarms unter Parallelansteuerung aller Gelenkmotore im Wege eines Hand-Tracking der räumlichen Bewegungen der Hand des Bedieners unmittelbar folgt.To the Sensing the momentary position of the hand in the room, it is sufficient in nearby the operator to install a field source and by means of a sensor in the area of the hand their current spatial position with respect to those To determine the source. The source is preferably a complex generated Magnetic field whose local Field line course of one attached in the area of the operator's hand, Six-dimensional measuring magnetic field sensor is detected. If such a field source at body the operator himself, for example, in the operator on about belt worn joystick control, is there achieved by that movements the operator in the room yet not to unwanted movements of the manipulator on the function carrier to lead, as long as only the hand maintains its relative position to the body of the operator, such as because they are on the body worn joystick control rests. In any case, according to the present Invention the problem of the requirement of several coordinated Joystick movements with targeted succession of the control of individual joint motors of the manipulator omitted because the free end of the manipulator arm under parallel control of all joint motors by means of a hand-tracking the spatial Movements of the operator's hand immediately follows.

Wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Hand, vorzugsweise die fragliche Hand, des Bedieners zwischen Daumen und Zeigefinger mit einem Winkelsensor ausgestattet wird, dann kann die hier stattfindende, manuelle Spreiz- und Schließbewegung auf einen Aktuator am freien Ende des Manipulatorarms übertragen werden, der eine dort installierte zweischenklige Zange entsprechende Spreiz- und Schließbewegungen ausführen läßt. So können in einem Zuge, mit der Bewegung dieses Greiforganes auf einen definierten Raumpunkt zu, auch definierte Greiftätigkeiten ausgeübt werden, was das Einsatzspektrum eines mit Manipulatorarm ausgestatteten Funktionsträgers ganz wesentlich vergrößert.If according to an advantageous embodiment of the invention, a hand, preferably the hand in question, the operator between the thumb and forefinger is equipped with an angle sensor, then here takes place, manual Spreading and closing movement are transmitted to an actuator at the free end of the manipulator arm, which can perform a two-legged pliers installed there corresponding spreading and closing movements. Thus, in a course, with the movement of this gripping member to a defined point in space, also defined gripping activities are exercised, which greatly increases the range of use of a functional carrier equipped with manipulator arm.

Wenn am Ende des Manipulatorarms ein Bildaufnehmer, etwa eine Kamera und vorzugsweise eine Stereokameragruppierung installiert und auf besagtes Greiforgan ausgerichtet ist, zumal mit vom Ende des Arms aus in Kamerablickrichtung orientierter Beleuchtung, dann kann dem Bediener die Arbeitsumgebung und der aktuelle Arbeitsvorgang auf einem Display in räumlicher Tiefe und dadurch realistisch dargeboten werden. Das Display wird vorzugsweise in Head-Up-Position, also vor den Augen des Bedieners getragen. Dabei kann der Bildaufnehmer in seiner Sichtrichtung den Änderungen in der Ausrichtung des ferngesteuerten Greiforgans folgen. Zweckmäßiger kann es allerdings sein, gemäß einer zusätzlichen Weiterbildung vorliegender Erfindung die Blickrichtung ferngesteuert verändern zu können und dann erst bedarfsweise die Greiferrichtung auf die aktuelle Blickrichtung nachzuführen. Denn dann kann auch die Umgebung des momenta nen Tätigkeitsortes des Greifers im Schwenk beobachtet werden, ohne gleich über die aktuelle Greiferkinematik die momentane Operation zu beeinflussen; und nur dann, wenn es notwendig ist, lässt der Greifer von seiner bisherigen Arbeit ab, um auf die aktuelle Blickrichtung einzuschwenken und in dieser eine neue Aufgabe erfüllen zu können.If at the end of the manipulator arm an image sensor, such as a camera and preferably a stereo camera array installed and on said gripping member is aligned, especially with the end of the arm from in the camera direction oriented lighting, then the Operator the working environment and the current operation on one Display in spatial Depth and thereby realistic presented. The display will preferably in the head-up position, ie in front of the operator carried. In this case, the image sensor in his sight of the changes follow in the orientation of the remote-controlled gripping member. Appropriately However, according to an additional Development of the present invention, the viewing direction remotely controlled change to be able to and only then, if necessary, the gripper direction to the current direction of view to track. Because then also the environment of the momenta nen activity place of the gripper can be observed in the pan, without equal over the current gripper kinematics to influence the current operation; and only when it is necessary does the grapple leave its previous work to turn to the current direction and be able to fulfill a new task in this.

Dieses Verschwenken der Blickrichtung des Bildaufnehmers erfolgt zweckmäßigerweise nicht über die Arm- bzw. Handbewegung des Bedieners, sondern im Wege des Head-Tracking, also nach Maßgabe dessen Kopfbewegung, weil dann die Bilddarstellung auf dem Display unmittelbar der Kopfbewegung, also der tatsächlichen Blickrichtung des Bedieners folgt. Dafür trägt der Bediener ein bewegungsstarr mit dem Kopf gekoppeltes, etwa in einem Helm oder an einer Haube untergebrachtes Meßsystem. Bei dem kann es sich um ein Inertialsystem handeln, vorzugsweise wird aber das beim Hand-Tracking beschriebene magnetische Meßsystem auch zum Detektieren der Kopfbewegung für das Head-Tracking herangezogen. Jedenfalls werden vom Meßsystem die momentanen Nick- und Gearbewegungen des Bediener-Kopfes und damit die Wechsel der Blickrichtung in entsprechende Nick- und Gearbewegungen des Bildaufnehmers mit seiner Beleuchtung umsetzt und ggf. auch die Orientierung des zangenförmigen Greiforganes am freien Ende des Manipulatorarms danach bestimmt.This Pivoting the viewing direction of the image sensor is advantageously carried out no over the arm or hand movement of the operator, but by way of head tracking, So according to specification whose head movement, because then the picture on the display directly the head movement, thus the actual direction of the Operator follows. Therefore wears the Operator motionless coupled with the head, about in a helmet or mounted on a hood measuring system. That can be it to act an inertial system, but preferably this is the case of hand tracking described magnetic measuring system also used to detect head movement for head tracking. Anyhow be from the measuring system the current pitch and gear movements of the operator head and thus changing the line of sight in corresponding pitch and gear movements of the image sensor with its illumination and possibly also the orientation of the pincer-shaped Greiforganes at the free end of the manipulator arm determined thereafter.

Für die nicht unmittelbar mittels der Kopfbewegung gesteuerten Reaktionen des Manipulatorarms bzw. seines Greiforganes ist zweckmäßigerweise der Tele-Bediener mit einem Funktionshandschuh ausgestattet, in dem einerseits das räumlich arbeitende Feldmessgerät für die Positionsbestimmung der Hand zur Steuerung des Manipulatorarms im Raum und andererseits der Winkelsensor für die Spreizbewegung der Finger und damit zum Ansteuern des zangenförmigen Greiforganes am freien Ende des Manipulatorarms betrieben werden; sowie gegebenenfalls eine Umschalteinrichtung, über die vorgegeben werden kann, ob die Orientierung des Greiforganes schon der von der Kopfbewegung gesteuerten Blickrichtung des bildaufnehmenden Systems folgen soll, oder noch nicht. Diese Sensorinformationen, ebenso wie die aus dem Meßsystem am Kopf des Bedieners abgeleiteten, werden zweckmäßigerweise zunächst über Nahbereichsfunk an eine Signalverarbeitungs- und Relaisstation übermittelt, die der Bediener etwa am Helm oder am Gürtel trägt und von der aus eine möglichst breitbandige Kommandosignalübertragung an den Manipulatorarm auf den Funktionsträger erfolgt, um möglichst ohne Totzeiten eine Vielzahl überlagerter Bewegungsinformationen für die Steuerung der Gelenkantriebe übertragen zu können.For not directly controlled by the head movement reactions of the Manipulator or his gripping organ is suitably the tele-operator equipped with a functional glove in which the one hand spatially working field meter for the Position determination of the hand for controlling the manipulator arm in Space and on the other hand, the angle sensor for the spreading movement of the fingers and thus for driving the pincer-shaped gripping member at the free end operated by the manipulator arm; and optionally one Switching device, over which can be specified, whether the orientation of the gripping organ even the viewing direction of the image-receiving one controlled by the movement of the head Systems should follow, or not yet. This sensor information, as well as those from the measuring system Derived at the head of the operator, are expediently initially via short-range radio transmitted to a signal processing and relay station, which the operator about the helmet or on the belt wears and from the one as possible broadband command signal transmission to the manipulator arm on the function carrier is done to possibly without dead times a variety superimposed Movement information for be able to transfer the control of the joint drives.

Um also von einem Bediener ferngesteuert mittels des Manipulator-Gelenkarms auf einem verfahrbaren Funktionsträger auch vergleichsweise komplizierte Operationen irrtumsfrei ansteuern und dabei wahlweise die Operation oder deren Umgebung beobachten zu können, ist der Bediener erfindungsgemäß im Falle seiner Komplettausstattung in einem Handschuh mit einem Feldsensor als Positionsgeber für seine Hand und damit für das mit einem Effektor bestückbare freie Ende des Manipulatorarms sowie mit einem Winkelsensor für die Spreizung zwischen Daumen und Zeigefinger zum entsprechenden Bewegen eines zangenförmigen Greiforganes als dem Effektor ausgestattet, und in einem Head-Up-Helm für die Bilddarstellung eines Stereo-Sichtgerätes außerdem mit einem Meßsystem zur Steuerung der Bildgerät-Blickrichtung und einer mit ihr koordinierten Scheinwerferrichtung nach Maßgabe der aktuellen Kopfbewegung; wobei die Ausrichtung des Greiforganes auf diese Blickrichtung und ihr dann folgend aufgeschaltet werden kann.Around thus remotely controlled by an operator by means of the manipulator articulated arm on a movable function carrier also comparatively complicated Operate operations without error and optionally the operation or to observe their environment, the operator is in the case according to the invention its complete equipment in a glove with a field sensor as position transmitter for his hand and thus for the equipable with an effector free end of the manipulator arm and with an angle sensor for the spread between your thumb and forefinger to move accordingly tong-shaped Gripping organ equipped as the effector, and in a head-up helmet for the Picture of a stereo viewing device also with a measuring system for Control of the image device viewing direction and coordinated with her headlight direction in accordance with the current head movement; the orientation of the gripping member on This line of sight and you can then be switched on.

Claims (10)

Von einem Bediener fernsteuerbarer, fahrzeugähnlicher Funktionsträger, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Manipulator-Gelenkarm, welcher einer Handbewegung des Bedieners schritthaltend nachfolgt, und vorzugsweise an dessen freiem Ende mit einem Effektor, etwa nach Art eines zangenförmigen Greifers, ausgestattet ist.Remotely controllable by an operator, vehicle-like function carrier, characterized in that it is equipped with a manipulator articulated arm, which follows a hand movement of the operator keeping pace, and preferably at the free end with an effector, such as a pincer-like gripper. Funktionsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Gelenkarm-Motorsteuerung ausgestattet ist, die auf das Sensieren der Feldlinien einer Feldquelle mittels eines bei der Hand des Bedieners vorgesehenen Feldsensors reagiert.officials according to claim 1, characterized in that it comprises an articulated arm motor control equipped to sense the field lines of a field source by means of a provided at the hand of the operator field sensor responding. Funktionsträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Manipulatorarms mit einem zangenähnlichen Greiforgan ausgestattet ist, das sich in Abhängigkeit der Spreizbewegung zweier Finger an einer Hand des Bedieners bewegt.officials according to claim 1 or 2, characterized in that the free end of the manipulator arm equipped with a pliers-like gripping member is that in dependence the spreading movement of two fingers on a hand of the operator moves. Funktionsträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Greiforgan von einem Winkelsensor ansteuerbar ist, der sich bei einer Hand des Bedieners zum Erfassen einer Spreizbewegung zwischen Daumen und Zeigefinger dieser Hand befindet.officials according to claim 3, characterized in that the gripping member of an angle sensor can be controlled, which is at one hand of the Operator for detecting a spreading movement between the thumb and Forefinger of this hand is located. Funktionsträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er beim freien Ende seines Manipulatorarms mit einem Bildaufnehmer ausgestattet ist, dessen Blickrichtung sich in Abhängigkeit von der Kopfbewegung des Bedieners bewegt.officials according to one of the preceding claims, characterized that he is at the free end of his manipulator arm with an image sensor equipped, whose line of sight is dependent moved by the head movement of the operator. Funktionsträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blickrichtungssteuerung des Bildaufnehmers aus einem Lage-Meßsystem am Kopf des Bedieners erfolgt.officials according to claim 5, characterized in that the viewing direction control of the image sensor from a position measuring system on the head of the operator he follows. Funktionsträger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulatorarm an seinem freien Ende mit einer Lichtquelle ausgestattet ist, die in Blickrichtung des Bildaufnehmers orientiert ist.officials according to claim 5 or 6, characterized in that the manipulator arm equipped at its free end with a light source, the oriented in the direction of the image sensor. Funktionsträger nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung des Greiforgans mit der Blickrichtung des Bildaufnehmers synchronisierbar ist.officials according to one of the claims 5 to 7, characterized in that the orientation of the gripping member can be synchronized with the viewing direction of the image sensor. Funktionsträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seine Motorsteuerungen für seine Manipulatorarm-Gelenke, für einen Effektor und/oder für einen Bildaufnehmer mit seiner Lichtquelle auf eine vom Bediener an seinem Körper getragene Relaisstation für die vom Bediener gelieferten Sensorsignale reagieren.officials according to one of the preceding claims, characterized that its engine controls for his manipulator arm joints, for an effector and / or for an imager with its light source on one of the operator on his body worn relay station for the sensor signals supplied by the operator react. Funktionsträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seine Motorsteuerungen für seine Manipulatorarm-Gelenke, für einen Effektor und/oder für einen Bildaufnehmer mit seiner Lichtquelle auf eine Feldquelle zum Sensieren der Hand- und/oder der Kopf-Bewegung des Bedieners reagieren, die am Körper des Bedieners, vorzugsweise in einer Re laisstation für die Steuerung der Schwenkbewegung des Manipulatorarmes oder in einer Joystick-Station für die Steuerung der Fahrbewegung des Funktionsträgers, angeordnet ist.officials according to one of the preceding claims, characterized that its engine controls for his manipulator arm joints, for an effector and / or for an imager with its light source on a field source for sensing Respond to the hand and / or head movement of the operator who on the body the operator, preferably in a Re laisstation for the controller the pivoting movement of the manipulator arm or in a joystick station for the Control of the travel movement of the function carrier, is arranged.
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