DE102014004115B3 - Control network with a haptic input device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kontroll-Netzwerk umfassend ein Master-System (101) mit einem haptischen Eingabemittel (102), und ein über einen bidirektionalen Kommunikationskanal (103) mit dem Master-System (101) verbundenes Slave-System (104), wobei durch das Master-System (101) eine Steuergröße sm(t) zur Ansteuerung des Slave-Systems (104) erzeugbar und an das Slave-System (104) übermittelbar ist, durch das Slave-System (104) zur Ansteuerung des Master-Systems auf Basis der vom Slave-System (104) empfangenen Steuergröße sm(t) eine Antwortgröße fa(t) erzeugbar und an des Master-System übermittelbar ist, ein erstes Mittel (105) vorhanden ist, mit dem auf Basis der Steuergröße sm(t) und der vom Master-System empfangenen Antwortgröße fa(t) eine erste Energiegröße EP(t) ermittelbar ist, die eine Energie angibt, die vom Slave-System (104) in das Master-System (101) fließt, und mit dem auf Basis der Steuergröße sm(t) und der Antwortgröße fa(t) eine zweite Energiegröße EM(t) ermittelbar ist, die eine Energie angibt, die aus dem Master-System (101) in Richtung Slave-System (104) fließt, und ein zweites Mittel (106) vorhanden ist, das im Fall dass EP(t) > EM(t) ist, eine Ausgabe einer Warnung an einen Nutzer des Master-Systems (101) durch ein Ausgabemittel (107) auslöst, und das im Fall dass EP(t) > EM(t) + Ethreshhold ist, das Kontroll-Netzwerk in einen vorgegebenen Sicherheits-Zustand schaltet, wobei Ethreshhold vorgegeben ist.The invention relates to a control network comprising a master system (101) with a haptic input means (102), and a via a bidirectional communication channel (103) to the master system (101) connected to the slave system (104), wherein the master system (101) can generate a control variable sm (t) for driving the slave system (104) and can be transmitted to the slave system (104) by the slave system (104) for controlling the master system Based on the control variable sm (t) received from the slave system (104), a response variable fa (t) can be generated and transmitted to the master system, a first means (105) is provided, with which the control variable sm (t) and the response quantity fa (t) received from the master system is capable of determining a first energy quantity EP (t) indicative of energy flowing from the slave system (104) to the master system (101) and based on the control variable sm (t) and the response variable fa (t) has a second energy quantity EM ( t) indicating an energy flowing from the master system (101) in the direction of the slave system (104) and a second means (106) is provided, which in the case of EP (t)> EM ( t), an output of a warning to a user of the master system (101) is triggered by an output means (107), and in the case that EP (t)> EM (t) + Ethreshhold, the control network into one default security state switches, with Ethreshhold is given.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kontroll-Netzwerk umfassend ein Master-System, und ein über einen bi-direktionalen Kommunikationskanal mit dem Master-System verbundenes Slave-System. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines ebensolchen Kontroll-Netzwerks. Die Erfindung findet Anwendung in der Robotik, insbesondere der Telerobotik, der Telepräsenz, aber auch bei allen Systemen und Verwendungen von haptischen Eingabemitteln, die eine haptische Feed-back-Funktion haben. The invention relates to a control network comprising a master system, and a slave system connected to the master system via a bi-directional communication channel. Furthermore, the invention relates to a method for controlling such a control network. The invention finds application in robotics, in particular telerobotics, telepresence, but also in all systems and uses of haptic input means which have a haptic feedback function.
Derartige Kontroll-Netzwerke sind im Stand der Technik als so genannte „Telepräsenzsysteme“ oder „Virtual-Reality-Systeme“ bekannt. Auf Basis solcher Kontroll-Netzwerke kann ein Bediener bspw. mit einer entfernten realen oder simulierten/virtuellen Umgebung interagieren indem der Bediener ein Eingabemittel, insbesondere ein haptisches Eingabemittel (wie einen Joystick) des Master-Systems manuell bedient. Von dem Eingabemittel werden Steuersignale, insbesondere Positions- und/oder Geschwindigkeitssignale und/oder Kräftesignale erfasst, und zu einem entfernten Slave-System, beispielsweise mit einem Robotermanipulator, gesandt. Das Slave-System interagiert mit der realen/virtuellen Umgebung des Slave-Systems, beispielsweise indem ein reales/virtuelles Objekt auf Basis der empfangenen Steuersignale in der realen/virtuellen Umgebung bewegt wird. Such control networks are known in the art as so-called "telepresence systems" or "virtual reality systems". Based on such control networks, an operator may, for example, interact with a remote real or simulated / virtual environment by manually manipulating an input means, in particular a haptic input means (such as a joystick) of the master system. Control signals, in particular position and / or speed signals and / or force signals are detected by the input means and sent to a remote slave system, for example with a robot manipulator. The slave system interacts with the real / virtual environment of the slave system, for example, by moving a real / virtual object based on the received control signals in the real / virtual environment.
Um dem Bediener einen möglichst realen haptischen Eindruck bei der Handhabung des entfernten Objekts durch das Slave-System zu ermöglichen, werden vom Slave-System Antwort-Signale an das Master-System gesandt (Feedback), die insbesondere mechanische Kräfte angeben, mit denen die Umgebung auf das Slave-System einwirkt. Diese Antwort-Signale werden u.a. dem Eingabemittel zugeleitet, das diese Kräfte dem Bediener vermittelt, indem es bei einer Eingabe des Bedieners den Antwort-Signalen entsprechender Gegenkräfte erzeugt. In order to give the operator the haptic impression that is as real as possible when handling the remote object by the slave system, the slave system sends (feedback) response signals to the master system, which in particular indicate mechanical forces with which the environment acting on the slave system. These response signals are i.a. the input means, which conveys these forces to the operator by generating the response signals corresponding counter forces in an input of the operator.
Für die folgenden Ausführungen wird davon ausgegangen, dass der Leser mit der zur Beschreibung gattungsgemäßer Kontroll-Netzwerke fachüblichen Terminologie und deren Bedeutung, den Darstellungsarten solcher Kontroll-Netzwerke und den mathematischen Methoden zu deren Beschreibung vertraut ist. Auf eine Erläuterung dieser Grundlagen wird daher vorliegend verzichtet. For the following explanations, it is assumed that the reader is familiar with the terminology customary for the description of generic control networks and their meaning, the types of representation of such control networks and the mathematical methods for their description. An explanation of these principles is therefore omitted herein.
Bekanntermaßen ist die Passivierung solcher Kontroll-Netzwerke insbesondere dann eine Herausforderung, wenn es bei der Kommunikation zwischen dem Master-System und dem Slave-System zu zeitvariablen Übertragungsverzögerungen kommt. Solche zeitvariablen Übertragungsverzögerungen treten insbesondere bei einer Kommunikation über große Distanzen (bspw. bei Satelliten-, Radio-Links), bei einer Kommunikation in/über Medien mit langsamen Signalausbreitungsgeschwindigkeiten (bspw. bei Unterwasser Akustik-Links) oder bei einer Kommunikation über Systeme, die inhärente Verzögerung erzeugen (bspw. Internet-Link) auf. As is known, the passivation of such control networks is particularly a challenge when time-variable transmission delays occur in the communication between the master system and the slave system. Such time-variable transmission delays occur in particular in the case of communication over long distances (for example in the case of satellite links, radio links), in communications in / via media with slow signal propagation speeds (eg underwater acoustic links) or in the case of communication via systems which generate inherent delay (eg internet link) on.
Im Stand der Technik, insbesondere aus der
Die
Die
Eine Weiterentwicklung der technischen Lehre der
Weiterhin sei zum Stand der Technik auf die Artikel von Jee-Hwan Ryu, Jordi Artigas, und Cartsen Preusche: „A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay“ in Mechatronics, Volume 20, Oktober 2010, Issue 7, S. 812–823 und von Artigas, Jordi; Jee-Hwan Ryu; Preusche, C.; Hirzinger, G. auf "Network representation and passivity of delayed teleoperation systems" in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2011, S. 177–183 verwiesen.Further, prior art reference is made to the articles of Jee-Hwan Ryu, Jordi Artigas, and Cartsen Preusche: "A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay" in Mechatronics, Volume 20, October 2010, Issue 7, Pp. 812-823 and Artigas, Jordi; Jee-Hwan Ryu; Preusche, C .; Hirzinger, G. referred to "Network representation and passivity of delayed teleoperation systems" in the IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2011, pp. 177-183.
Aus dem Artikel von Beibei Han; Jee-Hwan Ryu; und Il-Kyun Jung: “FPGA based time domain Passivity Observer and Passivity Controller“ in IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM 2009, 2009, S. 433–438, geht eine Implementierung einer Kontroll-Struktur für die Fernsteuerung eines Aktors über ein haptisches Eingabemittel hervor, bei dem die Slave-Steuerung zusätzlich die Aufgabe eines Passivity-Observers sowie eines Passivity-Controllers übernimmt. Der Passivity-Observer überwacht, ob die Stabilitätskriterien des Kontroll-Netzwerks erfüllt sind. Ist die Energie-Bilanz negativ, wird die Steuergröße beim Slave durch den Passivity-Controller reduziert. From the article by Beibei Han; Jee-Hwan Ryu; and Il-Kyun Jung: "FPGA based time domain Passivity Observer and Passivity Controllers" in IEEE / ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM 2009, 2009, pp. 433-438, is an implementation of a control structure for the remote control of a Actuator via a haptic input means, in which the slave controller additionally assumes the task of a passivity server and a passivity controller. The Passivity Observer monitors whether the control network stability criteria are met. If the energy balance is negative, the control variable at the slave is reduced by the passivity controller.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kontroll-Netzwerk derart weiterzuentwickeln, das Systeminstabilitäten keine schädlichen, insbesondere gesundheitsschädlichen Auswirkungen auf einen Bediener des Kontroll-Netzwerkes bzw. des Eingabemittels haben. The object of the invention is to further develop a control network such that system instabilities have no detrimental, in particular harmful, effects on an operator of the control network or the input device.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims.
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. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.
Es wird ein vorliegend ein Kontroll-Netzwerk vorgeschlagen, das ein Master-System mit einem haptischen Eingabemittel, und ein über einen bi-direktionalen Kommunikationskanal mit dem Master-System verbundenes Slave-System umfasst. Der Kommunikationskanal kann drahtgebunden oder auch drahtungebunden ausgeführt sein. Das haptische Eingabemittel ist vorliegend auch zur Ausgabe eines haptischen Feed-back-Signals, auf Basis der nachfolgend erwähnten Antwortgröße fa(t) ausgebildet. Durch das Master-System ist eine Steuergröße sm(t) zur Ansteuerung des Slave-Systems erzeugbar und an das Slave-System übermittelbar. Die Steuergröße sm(t) basiert insbesondere auf einer manuellen Eingabe eines Bedieners in das haptische Eingabemittel. Andererseits ist durch das Slave-System zur Ansteuerung des Master-Systems auf Basis der vom Slave-System empfangenen Steuergröße sm(t) eine Antwortgröße fa(t) erzeugbar und an das Master-System übermittelbar. Die vom Slave-System empfangene Steuergröße sm(t) kann im Vergleich zu der vom Master-System ausgesandten Steuergröße sm(t) durch die Übertragung zeitverzögert oder verändert vorliegen. Gleiches gilt analog für die vom Slave-System ausgesandte Antwortgröße fa(t). Diese Effekte werden hier jedoch zur Vereinfachung nicht weiter ausgeführt oder berücksichtigt There is proposed herein a control network comprising a master system with a haptic input means, and a slave system connected to the master system via a bi-directional communication channel. The communication channel can be wired or wireless. In the present case, the haptic input means is also designed to output a haptic feedback signal on the basis of the response variable f a (t) mentioned below. By the master system, a control variable s m (t) for controlling the slave system can be generated and communicated to the slave system. The control variable s m (t) is based in particular on a manual input of an operator into the haptic input means. On the other hand, a response variable f a (t) can be generated by the slave system for controlling the master system on the basis of the control variable s m (t) received by the slave system and transmitted to the master system. The control variable s m (t) received by the slave system may be delayed in time or changed in comparison to the control variable s m (t) emitted by the master system due to the transmission. The same applies analogously to the response variable f a (t) emitted by the slave system. However, these effects are not further elaborated or considered here for the sake of simplicity
Die Steuergröße sm(t) kann eine Flussgröße, wie insbesondere eine erste Zeitableitung einer errechneten oder gemessenen Positionen oder einer errechneten oder gemessenen Geschwindigkeit, und die Antwortgröße eine Potentialgröße, wie insbesondere eine errechnete oder gemessene Kraft sein. Dem Fachmann sind die Begriff „Flussgröße“ und „Potentialgröße“ in vorliegendem Zusammenhang bekannt, so dass sich die vorliegende technische Lehre einfach auf eine Vielzahl dem Fachmann bekannter weiterer Flussgrößen / Potentialgrößen anwenden bzw. übertragen lässt. Alternativ kann die Steuergröße sm(t) eine Potentialgröße, wie insbesondere eine errechnete oder gemessene Kraft, und die Antwortgröße fa(t) eine Flussgröße, wie insbesondere eine erste Zeitableitung einer errechneten oder gemessenen Positionen oder einer errechneten oder gemessenen Geschwindigkeit sein. The control variable s m (t) can be a flow quantity, in particular a first time derivative of a calculated or measured position or a calculated or measured speed, and the response variable a potential variable, in particular a calculated or measured force. The term "flow size" and "potential size" in the present context are known to the person skilled in the art, so that the present technical teaching can be applied or transferred to a large number of further flow quantities / potential variables known to a person skilled in the art. Alternatively, the control variable s m (t) may be a potential variable, in particular a calculated or measured force, and the response variable f a (t) a flow quantity, in particular a first time derivative of a calculated or measured position or a calculated or measured speed.
Das vorgeschlagene Kontroll-Netzwerk umfasst weiterhin ein erstes Mittel, mit dem auf Basis der vom Master-System ausgesandten Steuergröße sm(t) und der vom Master-System empfangenen Antwortgröße fa(t) eine erste Energiegröße EP(t) ermittelbar ist, die eine Energie angibt, die vom Slave-System in das Master-System fließt, und mit dem auf Basis der Steuergröße sm(t) und der Antwortgröße fa(t) eine zweite Energiegröße EM(t) ermittelbar ist, die eine Energie angibt, die aus dem Master-System in Richtung Slave-System fließt. The proposed control network furthermore comprises a first means with which a first energy quantity EP (t) can be determined on the basis of the control variable s m (t) emitted by the master system and the response variable f a (t) received by the master system. which indicates an energy that is transferred from the slave system to the master System flows, and with the basis of the control variable s m (t) and the response variable f a (t) a second energy quantity EM (t) can be determined, which indicates an energy flowing from the master system in the direction of the slave system ,
Das vorgeschlagene Kontroll-Netzwerk umfasst schließlich ein zweites Mittel, das im Fall dass EP(t) > EM(t) ist, eine Ausgabe einer Warnung an einen Nutzer des Master-Systems durch ein Ausgabemittel auslöst, und das im Fall dass EP(t) > EM(t) + Ethreshhold ist, das Kontroll-Netzwerk in einen vorgegebenen Sicherheits-Zustand schaltet, wobei Ethreshhold vorgegeben ist und je nach Anwendung zeitkonstant oder zeitvariabel sein kann. Die Ausgabe einer Warnung durch das Ausgabemittel erfolgt vorteilhaft optisch, akustisch und/oder haptisch. Finally, the proposed control network comprises a second means which, in the event that EP (t)> EM (t), triggers an issuance of a warning to a user of the master system by an output means, and that in case EP (t )> EM (t) + E threshhold is to switch the control network to a default security state, where E threshhold is set and can be time constant or time varying depending on the application. The output of a warning by the output means is advantageously carried out optically, acoustically and / or haptically.
Das bedeutet, dass das zweite Mittel eine Warnung dann ausgibt, wenn dem Master-System mehr Energie vom Slave-System zufließt, als vom Master-System in Richtung Slave-System fließt. Ist dies der Fall, so ist das Kontroll-Netzwerk nicht mehr in einem garantierten stabilen Zustand, sondern nähert sich einem instabilen Zustand. Überschreitet die (Betrags-)Differenz der vom Master-System zu- und abfließenden Energie die Schwelle Ethreshhold, d.h. liegt ein potentiell gefährlicher instabiler Zustand vor, wird das Kontroll-Netzwerk durch das zweite Mittel in einen vorgegebenen Sicherheits-Zustand geschaltet, der vorteilhaft eine Aktivität des haptischen Eingabemittels derart beschränkt oder abschaltet, dass durch ein vom Master-System erhaltenes Antwortsignal fa(t) keine Aktivität bzw. Bewegung Eingabemittels veranlasst werden kann, die einen Bediener (mechanisch) schädigen könnte. This means that the second means will issue a warning if more power is flowing to the master system from the slave system than flowing from the master system towards the slave system. If this is the case, then the control network is no longer in a guaranteed stable state, but is approaching an unstable state. If the (absolute) difference of the energy flowing in and out of the master system exceeds the threshold E threshhold , ie if there is a potentially dangerous unstable state, the control network is switched by the second means to a predetermined safety state, which is advantageous limits or deactivates an activity of the haptic input device such that no response or movement of input means can be caused by a response signal f a (t) received from the master system, which could (mechanically) damage an operator.
Welche Ursache auch dazu geführt hat, dass sich das Kontroll-System von einem stabilen in einen instabilen Zustand entwickelt hat, ist vorliegend nicht wesentlich und kann daher außen vor bleiben. Das vorgeschlagene Kontroll-Netzwerk stellt in jedem Fall sicher, dass der Bediener in einem potentiell gefährlichen instabilen Netzwerk-Zustand durch Warnung und bspw. eine Abschaltung oder Teilabschaltung des Kontroll-Netzwerkes geschützt ist. Which cause has also led to the fact that the control system has developed from a stable to an unstable state, is not essential in the present case and can therefore be left out. The proposed control network ensures in any case that the operator is protected in a potentially dangerous unstable network state by warning and, for example, a shutdown or partial shutdown of the control network.
Vorteilhaft kann der Sicherheits-Zustand durch folgende Merkmale definiert sein:
die Antwortgröße fa(t) ist Null gesetzt: fa(t) = 0, und/oder die Energieversorgung des haptische Eingabemittel ist abgeschaltet, und/oder die mechanischen Antriebsmittel des haptischen Eingabemittels sind abgeschaltet, und/oder die Antwortgröße fa(t) und/oder die Steuergröße sm(t) wird/werden reduziert, beispielsweise durch fa(t)’= fa(t)/Xa und /oder sm(t)’ = sm(t)/Xm, wobei Xa und Xm vorgegebene Faktoren sind und fa(t)’ die reduzierte Antwortgröße und sm(t)’ die reduzierte Steuergröße sind, und/oder eine Bewegung des haptischen Eingabemittels ist durch einen schaltbaren Mechanismus mechanisch blockiert. Weitere dem Fachmann naheliegende und sinnvolle Merkmale oder Merkmalskombinationen des Kontroll-Netzwerkes zum Schutz des Bedieners sind von der Erfindungsidee umfasst. Advantageously, the security state can be defined by the following features:
the response variable f a (t) is set to zero: f a (t) = 0, and / or the power supply of the haptic input device is switched off, and / or the mechanical drive means of the haptic input device are switched off, and / or the response variable f a ( t) and / or the control variable s m (t) is / are reduced, for example by f a (t) '= f a (t) / X a and / or s m (t)' = s m (t) / X m , where X a and X m are predetermined factors and f a (t) 'is the reduced response magnitude and s m (t)' is the reduced control magnitude, and / or movement of the haptic input means is mechanically blocked by a switchable mechanism. Other features and combinations of features of the control network for the protection of the operator which are obvious to the person skilled in the art are encompassed by the inventive idea.
Das Kontroll-Netzwerk kann ein Telepräsenzsystem oder ein „Virtual Reality“ System sein, wobei im ersten Fall eine Interaktion zwischen einem Bediener (am Master-System) und einer entfernt liegenden realen Umgebung über einen Roboter und im zweiten Fall eine Interaktion zwischen Bediener und einer virtuellen Umgebung erfolgt. The control network can be a telepresence system or a "virtual reality" system, in the first case an interaction between an operator (at the master system) and a remote real environment via a robot and in the second case an interaction between the operator and a user virtual environment takes place.
In einer Weiterbildung ist Ethreshhold = E0 ein konstanter Energiewert. Der Energiewert E0 wird vorteilhaft abhängig vom angestrebten Sicherheitsbedürfnis und weiteren Nutzeranforderungen gewählt. Ein niedrig gewählter Energiewert E0 führt zu einem schnelleren Schalten des Kontroll-Netzwerks in den Sicherheits-Zustand, was dazu führt, dass das Kontroll-Netzwerk niemals einen kritischen instabilen Zustand erreicht. In a further development E threshhold = E 0 is a constant energy value. The energy value E 0 is advantageously selected depending on the desired security requirement and other user requirements. A low selected energy value E 0 leads to a faster switching of the control network into the safety state, with the result that the control network never reaches a critical, unstable state.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Slave-System ein drittes Mittel auf, das einen aktiven Energieeintrag E1(t) in das Slave-System ermittelt, und diesen an das zweite Mittel übermittelt. Weiterhin ist in dieser Weiterbildung das Mittel derart eingerichtet und ausgeführt, dass im Fall dass EP(t) > EM(t) + Ethreshhold(t) ist, mit Ethreshold(t) = E0 + E1(t), das Kontroll-Netzwerk in einen vorgegebenen Sicherheits-Zustand (siehe zuvor) schaltet, wobei E0 ein vorgegebener konstanter Energiewert ist. Ein aktiver Energieeintrag liegt bspw. vor, wenn das Slave-System, (bspw. ein Roboterarm) von einem Bediener aktiv bewegt wird und somit die Energie E1(t) eingebracht wird. Diese Energie E1(t) wird vom Slave-System ermittelt und an das Master-System übermittelt. Da es gewünscht sein kann, dass dieser Energieeintrag E1(t) als Rückmeldung via das haptische Eingabemittel ausgegeben wird. Diese Weiterbildung ermöglicht also die Berücksichtigung aktiver Energiequellen im Slave-System, deren Energieeintrag E1(t) nicht zu einem Schalten in den Sicherheits-Zustand führen soll. In an advantageous development, the slave system has a third means, which determines an active energy input E 1 (t) into the slave system, and transmits this to the second means. Furthermore, in this development, the means is set up and implemented in such a way that in the case that EP (t)> EM (t) + E is threshhold (t), with E threshold (t) = E 0 + E 1 (t), Control network switches to a predetermined safety state (see above), where E 0 is a predetermined constant energy value. An active energy input is present, for example, when the slave system (for example a robot arm) is actively moved by an operator and thus the energy E 1 (t) is introduced. This energy E 1 (t) is determined by the slave system and transmitted to the master system. Since it may be desired that this energy input E 1 (t) is output as feedback via the haptic input means. This development thus makes it possible to take account of active energy sources in the slave system whose energy input E 1 (t) should not lead to switching to the safety state.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines Kontroll-Netzwerks umfassend ein Master-System mit einem haptischen Eingabemittel, und ein über einen bi-direktionalen Kommunikationskanal mit dem Master-System verbundenes Slave-System, bei dem durch das Master-System eine Steuergröße sm(t) zur Ansteuerung des Slave-Systems erzeugt und an das Slave-System (
Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens und Vorteile ergeben sich durch eine sinngemäße und analoge Übertragung der vorstehend zu dem Kontroll-Netzwerk gemachten Ausführungen. Further developments of the proposed method and advantages result from a meaningful and analogous transmission of the statements made above to the control network.
Die Aufgabe der Erfindung ist weiterhin gelöst durch ein Computersystem, mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren, wie vorstehend beschrieben, auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird. The object of the invention is further achieved by a computer system having a data processing device, wherein the data processing device is configured such that a method as described above is performed on the data processing device.
Zudem wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein digitales Speichermedium mit elektronisch aus lesbaren Steuersignalen, wobei die Steuersignale so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Verfahren, wie vorstehend beschrieben, ausgeführt wird. In addition, the object of the invention is achieved by a digital storage medium with electronically readable control signals, wherein the control signals can interact with a programmable computer system so that a method as described above, is performed.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, wenn der Programmcode auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird. Furthermore, the object of the invention is achieved by a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method, as described above, when the program code is executed on a data processing device.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Computer-Programm mit Programmcodes zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, wenn das Programm auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung abläuft. Dazu kann die Datenverarbeitungsvorrichtung als ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Computersystem ausgestaltet sein. Finally, the invention relates to a computer program with program codes for carrying out the method, as described above, when the program runs on a data processing device. For this, the data processing device can be configured as any known from the prior art computer system.
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: Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which - where appropriate, with reference to the drawings - at least one embodiment is described in detail. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals. Show it:
Denkbar sind folgende Kombination von Steuergröße sm(t) und Antwortgröße fa(t):
- – Steuergröße Sm(t) ist eine Position und Antwortgröße fa(t) ist eine Kraft
- – Steuergröße Sm(t) ist eine Geschwindigkeit und Antwortgröße fa(t) ist eine Kraft
- – Steuergröße Sm(t) ist eine Kraft und Antwortgröße fa(t) ist eine Geschwindigkeit
- – Steuergröße Sm(t) ist eine Kraft und Antwortgröße fa(t) ist eine Position
- Control variable S m (t) is a position and response variable f a (t) is a force
- Control variable S m (t) is a speed and response variable f a (t) is a force
- Control variable S m (t) is a force and response variable f a (t) is a velocity
- Control variable S m (t) is a force and response variable f a (t) is a position
Das Kontroll-Netzwerk umfasst vorliegend ein im Master
Weiterhin umfasst das Kontroll-Netzwerk vorliegend ein im Master
Das Slave-System
Die Koppelung zwischen Master-System
Das vorgeschlagene Kontroll-Netzwerk ermöglicht dessen Stabilität im Echtzeit-Betrieb für alle denkbaren Ursachen, die zu einer Instabilität des Kontroll-Netzwerkes führen könnten, da das Kontroll-Netzwerk in den Sicherheits-Zustand geschaltet wird, sobald vom zweiten Mittel
Die Energiegrößen EP(t) und E-(t), die vorliegend in bzw. aus dem Master-System
Einem positiven Vorzeichen von P zeigt einen Zufluss von Leistung zu dem Master-System
Dabei ist EP(0) bzw. EM(0) jeweils eine initial gespeicherte Energie. Dabei gilt für P+ bzw. P– In this case, EP (0) or EM (0) is each an initially stored energy. Where P + and P -
Ein erster Fall ist, dass der Bediener mittels seiner manuellen Eingabe in das Eingabemittel
Das Kontroll-Netzwerk wird instabil, wenn der Energiezufluss zum Master-System
Ein zweiter Fall ist, dass zusätzlich am Slave-System
In diesem Fall ist am Slave-System
In einem ersten Schritt
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101 101
- Master-System Master system
- 102 102
- Eingabemittel input means
- 103 103
- Kommunikationskanal communication channel
- 104 104
- Slave-System Slave system
- 105 105
- erstes Mittel first means
- 106 106
- zweites Mittel second means
- 107 107
- Ausgabemittel output means
- 108 108
- drittes Mittel third means
Claims (10)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020121561B3 (en) | 2020-08-17 | 2021-11-25 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Control method for a bilateral teleoperation system, controller, teleoperation system and use of the controller and / or the teleoperation system |
DE102020113409B4 (en) | 2019-05-17 | 2022-03-17 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Method of controlling a slave system using a master system |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6144884A (en) * | 1998-04-17 | 2000-11-07 | Massachusetts Institute Of Technology | Teleoperation with variable delay |
US7027965B2 (en) * | 2000-09-13 | 2006-04-11 | The University Of Washington | Time domain passivity control of haptic interfaces |
-
2014
- 2014-03-24 DE DE201410004115 patent/DE102014004115B3/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6144884A (en) * | 1998-04-17 | 2000-11-07 | Massachusetts Institute Of Technology | Teleoperation with variable delay |
US7027965B2 (en) * | 2000-09-13 | 2006-04-11 | The University Of Washington | Time domain passivity control of haptic interfaces |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
Artigas, Jordi; Jee-Hwan Ryu; Preusche, C.; Hirzinger, G: Network representation and passivity of delayed teleoperation systems. In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2011, S. 177 - 183. * |
Artigas, Jordi; Vilanova, J.; Preusche, C.; Hirzinger, G.: Time Domain Passivity Control-based Telepresence with Time Delay. In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2006, S. 4205 - 4210. http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4059071&isnumber=4058335 [abgerufen am 13.08.2013] * |
B. Hannaford, J.-H. Ryu: Time-Domain Passivity Control of Haptic Interfaces. In: IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS AND AUTOMATION, Vol. 18, 2002, Nr. 1, S. 1 - 10. * |
Beibei Han; Jee-Hwan Ryu; Il-Kyun Jung: FPGA based time domain Passivity Observer and Passivity Controller. In: IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM 2009, 2009, S. 433 - 438. http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5229976&isnumber=5229709 [abgerufen am 28.08.2014] * |
Jee-Hwan Ryu, Jordi Artigas, Carsten Preusche: A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay. In: Mechatronics, Volume 20, Oktober 2010, Issue 7, S. 812-823. - ISSN 0957-4158. http://dx.doi.org/10.1016/j.mechatronics.2010.07.006 [abgerufen am 19.08.2013] * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020113409B4 (en) | 2019-05-17 | 2022-03-17 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Method of controlling a slave system using a master system |
DE102020121561B3 (en) | 2020-08-17 | 2021-11-25 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Control method for a bilateral teleoperation system, controller, teleoperation system and use of the controller and / or the teleoperation system |
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