DE102020115294A1 - Actuator system - Google Patents

Abstract

Aktuatorsystem insbesondere für die Teleaktuierung mit einem ersten Aktuator insbesondere zur Bedienung durch einen Benutzer und einen zweiten Aktuator, insbesondere zur Ausführung einer Bewegung des Benutzers. Weiterhin weist das Aktuatorsystem einen Übertragungskanal auf zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator zur Übertragung der Geschwindigkeit und/oder der Kraft des ersten Aktuators auf den zweiten Aktuator. Erfindungsgemäß ist ein erster Passivitäts-Controller zum Erhalt der Passivität des Aktuatorsystems vorgesehen, wobei dieser derart ausgebildet ist, dass durch den ersten Passivitäts-Controller die vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator übertragene Geschwindigkeit und/oder Kraft angepasst wird in Abhängigkeit einer wirkenden Kraft.Actuator system, in particular for teleactuation, with a first actuator, in particular for operation by a user, and a second actuator, in particular for executing a movement by the user. Furthermore, the actuator system has a transmission channel between the first actuator and the second actuator for transmitting the speed and / or the force of the first actuator to the second actuator. According to the invention, a first passivity controller is provided to maintain the passivity of the actuator system, this being designed such that the first passivity controller adjusts the speed and / or force transmitted from the first actuator to the second actuator as a function of an acting force.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aktuatorsystem, insbesondere für die Teleaktuierung.The present invention relates to an actuator system, in particular for teleactuation.

Gekoppelte aktuierte Systeme bestehen aus einem ersten Aktuator, der über einen Übertragungskanal mit einem zweiten Aktuator verbunden ist. Bewegungen des ersten Aktuators sollen dabei mittels des Übertragungskanals an den zweiten Aktuator übermittelt werden. Erster Aktuator und zweiter Aktuator können in einer Master-Slave-Konfiguration gesteuert werden, so dass eine Bewegung, welche beispielsweise durch einen Bediener auf den ersten Aktuator aufgebracht wird, mittels dem Übertragungskanal an den Aktuator übertragen werden, der die Bewegung des Bedieners ausführt. Der erste Aktuator dient hierbei als Master und der zweite Aktuator als Slave. Solche gekoppelte Aktuatorsysteme finden Anwendungen insbesondere in der Robotik wie beispielsweise in der Medizinrobotik. Somit ist es nicht mehr erforderlich, dass der Operator am Ort der Operation ist. Vielmehr werden die Bewegungen des Operators vom ersten Aktuator erfasst und sodann mittels des Übertragungskanals an den zweiten Aktuator übermittelt, welcher die Bewegungen des Operators ausführt zur Durchführung der Operation an einem Patienten.Coupled actuated systems consist of a first actuator that is connected to a second actuator via a transmission channel. Movements of the first actuator should be transmitted to the second actuator by means of the transmission channel. The first actuator and the second actuator can be controlled in a master-slave configuration, so that a movement that is applied to the first actuator, for example by an operator, is transmitted by means of the transmission channel to the actuator that executes the operator's movement. The first actuator serves as a master and the second actuator as a slave. Such coupled actuator systems are used in particular in robotics such as medical robotics. It is therefore no longer necessary for the operator to be at the site of the operation. Rather, the movements of the operator are recorded by the first actuator and then transmitted by means of the transmission channel to the second actuator, which executes the movements of the operator in order to carry out the operation on a patient.

Reelle Übertragungskanäle weisen jedoch eine gewisse Latenz oder eine variable Zeitverzögerung oder Paketverlust bei der Übertragung auf. Diese Zeitverzögerung kann unter Umständen zu einer Instabilität des Systems führen. Interaktionskräfte müssen jedoch exakt übertragen werden. Hierzu ist aus dem Stand der Technik der „Time-domain passivity approach“ (TDPA) in B. Hannaford, J.-H. Ryu, Time-domain passivity control of haptic interfaces, Transactions on Robotics and Automation 18 (1) (2002) 1-10 bekannt, wodurch die Stabilität bzw. Passivität des Aktuatorsystems erreicht wird durch eine Dissipation überschüssiger Energie.However, real transmission channels have a certain latency or a variable time delay or packet loss during transmission. This time delay can lead to instability of the system. However, interaction forces must be transferred exactly. For this purpose, the “time-domain passivity approach” (TDPA) in B. Hannaford, J.-H. Ryu, Time-domain passivity control of haptic interfaces, Transactions on Robotics and Automation 18 (1) (2002) 1-10, whereby the stability or passivity of the actuator system is achieved by dissipating excess energy.

Neben der Übertragung einer Bewegung oder Kraft von einem ersten Aktuator auf einen zweiten Aktuator soll ebenso eine Kraftkontrolle durch ein Force-Feedback-System gewährleistet sein, so dass ebenfalls vom zweiten Aktuator eine Kraft oder Bewegung auf den ersten Aktuator mittels des Übertragungskanals rückübertragen wird. Hierdurch soll eine ausreichende Systemtransparenz geschaffen werden, so dass dem Bediener ausreichend Information über die durch den zweiten Aktuator ausgeführte Bewegung und dessen Interaktion mit der Umgebung übermittelt werden können.In addition to the transmission of a movement or force from a first actuator to a second actuator, force control should also be ensured by a force feedback system, so that a force or movement is also transmitted back from the second actuator to the first actuator by means of the transmission channel. This is intended to create sufficient system transparency so that sufficient information about the movement carried out by the second actuator and its interaction with the environment can be transmitted to the operator.

Zum Erhalt der Passivität bzw. Stabilität des Aktuatorsystems werden bei bekannten Ansätzen wie beispielsweise dem vorstehend zitierten TDPA die Richtungsabhängigkeit des Energieflusses vom ersten Aktuator zum zweiten Aktuator bzw. vom zweiten Aktuator zum ersten Aktuator berücksichtigt und dabei üblicherweise eine Dissipation der vom Kommunikationskanal erzeugten Energie zum Erhalt der Passivität durchgeführt. Speziell die Änderung der zum Slave Aktuator geschickten Sollgeschwindigkeit durch diese Dissipation führt zu großen Positionsfehlern in der Synchronisation der Bewegung des ersten Aktuators mit dem zweiten Aktuator und andersherum.In order to maintain the passivity or stability of the actuator system, in known approaches such as the TDPA cited above, the directional dependency of the energy flow from the first actuator to the second actuator or from the second actuator to the first actuator is taken into account, and usually a dissipation of the energy generated by the communication channel for maintenance carried out of passivity. In particular, the change in the setpoint speed sent to the slave actuator as a result of this dissipation leads to large position errors in the synchronization of the movement of the first actuator with the second actuator and vice versa.

Zur Erhöhung der Positionsgenauigkeit wird üblicherweise eine berechnete Kraft als Force-Feedback-Signal an den ersten Aktuator übertragen. Hierdurch entsteht jedoch ein permanenter Positionsdrift, welcher die Genauigkeit der Bewegung des zweiten Aktuators bzw. deren Rückkopplung auf den ersten Aktuator beeinträchtigt.To increase the position accuracy, a calculated force is usually transmitted to the first actuator as a force feedback signal. However, this creates a permanent position drift, which impairs the accuracy of the movement of the second actuator or its feedback to the first actuator.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Aktuatorsystem zu schaffen mit einer hohen Positionsgenauigkeit und einer verbesserten Systemtransparenz.The object of the present invention is to create an actuator system with high positional accuracy and improved system transparency.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Aktuatorsystem gemäß Anspruch 1.The object is achieved by the actuator system according to claim 1.

Das erfindungsgemäße Aktuatorsystem insbesondere für die Teleaktuierung weist einen ersten Aktuator auf insbesondere zur Bedienung durch einen Benutzer. Dieser erste Aktuator wird auch als Master-Aktuator (im Folgenden kurz „M“) bezeichnet. Weiterhin weist das Aktuatorsystem einen zweiten Aktuator auf, insbesondere zur Ausführung einer Bewegung des Benutzers. Dieser zweite Aktuator wird auch als Slave-Aktuator (im Folgenden kurz „S“) bezeichnet. Insbesondere bei der Anwendung in der Teleaktuierung sind der erste Aktuator und der zweite Aktuator weit bestandet voneinander bzw. örtlich getrennt voneinander angeordnet. So kann es sich beispielsweise bei dem ersten Aktuator um einen auf der Erde angeordneten Aktuator handeln, wohingegen es sich bei dem zweiten Aktuator um einen Aktuator beispielsweise auf einem Satelliten oder dergleichen handelt. Alternativ hierzu handelt es sich bei dem zweiten Aktuator um einen virtuellen Aktuator in einer virtuellen Realität, wobei der zweite Aktuator sodann mit der virtuellen Realität interagiert und beispielsweise ein Objekt darstellt. Dabei sind der erste Aktuator und der zweite Aktuator über einen Übertragungskanal miteinander verbunden zur Übertragung der Geschwindigkeit und/oder der Kraft des ersten Aktuators auf den zweiten Aktuator. Weiterhin ist ein erster Passivitäts-Controller vorgesehen zum Erhalt der Passivität des Aktuatorsystems. Dabei ist der Passivitäts-Controller derart ausgebildet, dass durch den ersten Passivitäts-Controller die vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator übertragene Geschwindigkeit und/oder Kraft angepasst wird in Abhängigkeit von einer auf der Seite des Kommunikationskanals des zweiten Aktuators bestimmten Kraft F_FB und/oder Geschwindigkeit. Dabei handelt es sich bei der wirkenden Kraft um eine externe Kraft, die von der Umgebung auf den zweiten Aktuator wirkt bzw., in einer virtuellen Umgebung, von der virtuellen Umgebung auf den virtuellen zweiten Aktuator wirkt, oder um eine Interaktionskraft, die geschätzt wird, zum Beispiel durch einen disturbance observer, oder um eine fiktive oder künstlich generierte Kraft, die sich auf die Bewegung des zweiten Aktuators bezieht. Insbesondere ist der erste Passivitäts-Controller angeordnet am zweiten Aktuator. Insbesondere regelt der erste Passivitäts-Controller den Energiefluss zum zweiten Aktuator. Somit ergibt sich ausgehend vom ersten Aktuator die Reihenfolge: erster Aktuator, Übertragungskanal, erster Passivitäts-Controller, zweiter Aktuator. Somit wird eine wirkende Kraft F_FB, welche sich insbesondere von einer berechneten Kraft F_c unterscheidet., bei der Berechnung der auf der Seite vom ersten Aktuator in Richtung des zweiten Aktuators gerichteten Energieflusses berücksichtigt. Durch die Berücksichtigung der zurückgeschickten Kraft $F_e^{del}$

im ersten Passivitäts-Controller resultiert eine durch den ersten Aktuator erzeugte freie Bewegung des zweiten Aktuators (kräftefreie Bewegung oder Stillstand) in eine ebenso freie Bewegung des zweiten Aktuators, so dass eine durch die zurückgeschickte Kraft verursachter Positionsdrift verhindert wird. Hierbei wird ausgenutzt, dass die berechnete Kraft F_c, welche üblicherweise als Regelgröße in bekannten Systemen genutzt wird, sehr selten Null ist (selbst in freier Bewegung), während die Kräfte F_FB oft Null sind (nur nicht bei Kontakt mit der reellen oder einer virtuellen Umgebung). Ist die Kraft Null, wird nichts vom ersten PC dissipiert, so dass kein Positionsdrift entsteht. Hierdurch kann die Positionsgenauigkeit des Aktuatorsystems erhöht werden. Gleichzeitig wird auch die Sicherheit des Systems erhöht, da unerwartete Kontakte vermieden werden.The actuator system according to the invention, in particular for teleactuation, has a first actuator, in particular for operation by a user. This first actuator is also referred to as the master actuator (hereinafter “M” for short). Furthermore, the actuator system has a second actuator, in particular for executing a movement of the user. This second actuator is also referred to as a slave actuator (hereinafter “S” for short). In particular when used in teleactuation, the first actuator and the second actuator are arranged to be far from one another or spatially separated from one another. For example, the first actuator can be an actuator arranged on earth, whereas the second actuator is an actuator, for example on a satellite or the like. As an alternative to this, the second actuator is a virtual actuator in a virtual reality, the second actuator then interacting with the virtual reality and, for example, representing an object. The first actuator and the second actuator are connected to one another via a transmission channel in order to transmit the speed and / or the force of the first actuator to the second actuator. Furthermore, a first passivity controller is provided to maintain the passivity of the actuator system. The passivity controller is designed in such a way that the first passivity controller adjusts the speed and / or force transmitted from the first actuator to the second actuator as a function of one on the side of the communication channel of the second actuator determined force F _FB and / or speed. The acting force is an external force that acts on the second actuator from the environment or, in a virtual environment, acts on the virtual second actuator from the virtual environment, or an interaction force that is estimated, for example by a disturbance observer, or by a fictitious or artificially generated force that relates to the movement of the second actuator. In particular, the first passivity controller is arranged on the second actuator. In particular, the first passivity controller regulates the flow of energy to the second actuator. This results in the sequence starting from the first actuator: first actuator, transmission channel, first passivity controller, second actuator. Thus, an acting force F _FB , which differs in particular from a calculated force F _c ., Is taken into account in the calculation of the energy flow directed on the side from the first actuator in the direction of the second actuator. By taking into account the force sent back ${\mathrm{F.}}_e^{del}$

In the first passivity controller, a free movement of the second actuator generated by the first actuator (force-free movement or standstill) results in an equally free movement of the second actuator, so that a positional drift caused by the returned force is prevented. This makes use of the fact that the calculated force F _c , which is usually used as a control variable in known systems, is very rarely zero (even in free movement), while the forces F _F B are often zero (only not when in contact with the real or a virtual environment). If the force is zero, nothing is dissipated from the first PC, so that no positional drift occurs. This can increase the positional accuracy of the actuator system. At the same time, the security of the system is increased as unexpected contacts are avoided.

Vorzugsweise handelt es sich bei der auf den zweiten Aktuator wirkenden Kraft F_FB um eine mittels Force-Torque Sensor am Slave gemessene Kraft, so dass die berücksichtigte Kraft F_FB einer extern auf den zweiten Aktuator wirkenden Kraft F_e entspricht, so dass F_FB = F_e. Alternativ oder zusätzlich hierzu handelt es sich bei der berücksichtigten Kraft F_FB um eine geschätzte Kraft beispielsweise durch einen Störungsbeobachter (disturbance observer), welcher eine Störung der Bewegung des zweiten Aktuators erfasst und hieraus die Kraft F_FB ermittelt als Schätzung. Alternativ hierzu handelt es sich bei der berücksichtigten Kraft F_FB um eine fiktive / künstlich erzeugte Kraft z.B. aus einer virtuellen Umgebung. Hierbei kann für den ersten Passivitäts-Controller als Regelgröße F_c verwendet werden, welches im Kontakt in etwa F_e ist, wobei F_FB = F_c wenn ein Kontakt erkannt wird und F_FB = 0 solange kein Kontakt mit der Umgebung besteht. Allgemein beschreib F_FB eine Kraft, die sich auf die Bewegung des Aktuators beziehen und nicht gleich der Kraft F_c ist, mit der der zweite Aktuator gesteuert wird. _{The force F FB} acting on the second actuator is preferably a force measured by means of a force-torque sensor on the slave, so that the force F _{FB taken into account corresponds to a force F e} acting externally on the second actuator, so that F _FB = F _e . As an alternative or in addition to this, the force F _FB taken into account is an estimated force, for example by a disturbance observer, who detects a disturbance in the movement of the second actuator and uses this to determine the force F _FB as an estimate. As an alternative to this, the force F _FB taken into account is a fictitious / artificially generated force, for example from a virtual environment. _{In this case, F c} can be used as the control variable for the first passivity controller, which is approximately F _e in contact, where F _FB = F _c when a contact is detected and F _FB = 0 as long as there is no contact with the environment. In general, F _{FB describes} a force that relates to the movement of the actuator and is not equal to the force F _c with which the second actuator is controlled.

Vorzugsweise wird die wirkende Kraft F_FB und/oder die Geschwindigkeit des zweiten Aktuators mittels des Übertragungskanals an den ersten Aktuator übertragen zur Erzeugung eines Force-Feedback-Signals.The effective force F _FB and / or the speed of the second actuator is preferably transmitted to the first actuator by means of the transmission channel in order to generate a force feedback signal.

Vorzugsweise ist ein zweiter Passivitäts-Controller vorgesehen zum Erhalt der Passivität des Aktuatorsystems, wobei der zweite Passivitäts-Controller derart ausgebildet ist, dass durch den zweiten Passivitäts-Controller die vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator übertragene Kraft und/oder Geschwindigkeit angepasst wird in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des ersten Aktuators. Insbesondere ist der zweite Passivitäts-Controller angeordnet am Ort des ersten Aktuators und insbesondere ergibt sich daraus die Reihenfolge ausgehend vom ersten Aktuator: erster Aktuator, zweiter Passivitäts-Controller, Übertragungskanal, erster Passivitäts-Controller, zweiter Aktuator. Insbesondere regelt der zweite Passivitäts-Controller den Energiefluss zum ersten Aktuator.A second passivity controller is preferably provided to maintain the passivity of the actuator system, the second passivity controller being designed such that the force and / or speed transmitted from the second actuator to the first actuator is adapted as a function of the second passivity controller the speed of the first actuator. In particular, the second passivity controller is arranged at the location of the first actuator and, in particular, this results in the sequence starting from the first actuator: first actuator, second passivity controller, transmission channel, first passivity controller, second actuator. In particular, the second passivity controller regulates the flow of energy to the first actuator.

Vorzugsweise wirkt der erste Passivitäts-Controller auf die vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator übertragene Geschwindigkeit, wohingegen der zweite Passivitäts-Controller auf die vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator übertragene Kraft wirkt.The first passivity controller preferably acts on the speed transmitted from the first actuator to the second actuator, whereas the second passivity controller acts on the force transmitted from the second actuator to the first actuator.

Vorzugsweise weist der Übertragungskanal eine variable Verzögerung und/oder Paketverlust auf, sodass das Signal ausgehend vom ersten Aktuator zum zweiten Aktuator eine variable Verzögerung und/oder Paketverlust aufweist und andersherum. Insbesondere beträgt die Übertragungszeit über den ersten Übertragungskanal vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator T₁ und die Übertragungszeit über den Übertragungskanal vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator T₂. Insbesondere sind T₁ und T₂ unterschiedlich oder gleich. Insbesondere handelt es sich bei dem Übertragungskanal um einen Datenübertragungskanal wie beispielsweise eine Funkverbindung, das Internet, eine optische Datenübertragung und/oder eine Satellitenkommunikationsverbindung.The transmission channel preferably has a variable delay and / or packet loss, so that the signal starting from the first actuator to the second actuator has a variable delay and / or packet loss and vice versa. In particular, the transmission time over the first transmission channel from the first actuator to the second actuator T ₁ and the transmission time over the transmission channel from the second actuator to the first actuator T ₂ . In particular, T ₁ and T _{2 are} different or the same. In particular, the transmission channel is a data transmission channel such as, for example, a radio link, the Internet, an optical data transmission and / or a satellite communication link.

Vorzugsweise weist der erste Aktuator und/oder der zweite Aktuator einen oder mehr als einen Freiheitsgrad auf. Dabei wird insbesondere die Geschwindigkeit und/oder Kraft für jeden der Freiheitsgrade über den Übertragungskanal an den jeweils anderen Aktuator übertragen. Insbesondere ist für jeden vorgesehenen Freiheitsgrad oder mehrere Freiheitsgrade zusammen ein entsprechender Passivitäts-Controller vorgesehen zum Erhalt der Passivität des Aktuatorsystems.The first actuator and / or the second actuator preferably has one or more than one degree of freedom. In particular, the speed and / or force for each of the degrees of freedom is transmitted to the respective other actuator via the transmission channel. In particular, there is a corresponding one for each intended degree of freedom or several degrees of freedom together Passivity controller provided to maintain the passivity of the actuator system.

Vorzugsweise weist der erste Aktuator und der zweite Aktuator identische Freiheitsgrade auf und sind insbesondere identisch aufgebaut. Somit kann eine Bewegung des ersten Aktuators durch den Benutzer unmittelbar und vollständig auf den zweiten Aktuator übertragen werden. Alternativ sind der erste Aktuator und der zweite Aktuator unterschiedlich aufgebaut.The first actuator and the second actuator preferably have identical degrees of freedom and, in particular, are constructed identically. A movement of the first actuator by the user can thus be transmitted directly and completely to the second actuator. Alternatively, the first actuator and the second actuator are constructed differently.

Vorzugsweise beträgt die über den Übertragungskanal übertragene Leistung P_i(k) = v_i(k)F_i(k), zu dem Sampling-Schritt k, mit der Geschwindigkeit v_i(k) des Aktuators i und der Kraft F_i(k) des Aktuators i.The power transmitted via the transmission channel is preferably P _i (k) = v _i (k) F _i (k), for the sampling step k, with the speed v _i (k) of the actuator i and the force F _i (k) ) of the actuator i.

Vorzugsweise ergibt sich die Leistung am ersten Aktuator $$P_{in}^M\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}0& if{P}^M\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ P^M\left(k\right),& if{P}^M\left(k\right)>\mathrm{0,}\end{array}$$

als vom ersten Aktuator in Richtung des zweiten Passivitäts-Controllers eingehende Leistung und $$P_{out}^M\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}0& if{P}^M\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ -P^M\left(k\right),& if{P}^M\left(k\right)<0.\end{array}$$

als die aus dem zweiten Passivitäts-Controller zum ersten Aktuator ausgehende Leistung, mit $$P^M\left(k\right)=F_{FB}\left(k-T_2\right)v_m\left(k\right),$$

mit F_FB der auf den zweiten Aktuator wirkenden Kraft. Dabei bezeichnet „M“ den ersten Aktuator und v_m(k) die Geschwindigkeit, welche vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator übertragen wird.The power is preferably obtained at the first actuator $${\mathrm{P.}}_{in}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}0& if{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ {\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right),& if{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)>\mathrm{0,}\end{array}$$

than incoming power from the first actuator towards the second passivity controller and $${\mathrm{P.}}_{Out}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}0& if{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ -{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right),& if{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)<0.\end{array}$$

than the output from the second passivity controller to the first actuator, with $${\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)={\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}\left(k-T_2\right)v_m\left(k\right),$$

where F _{FB is} the force acting on the second actuator. "M" denotes the first actuator and v _m (k) the speed that is transmitted from the first actuator to the second actuator.

Weiterhin ergibt sich die Leistung am zweiten Aktuator zu $$P_{in}^S\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}0& if{P}^S\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ P^S\left(k\right),& if{P}^S\left(k\right)>0\end{array}$$

als die vom zweiten Aktuator in Richtung des ersten Passivitäts-Controllers eingehende Leistung und $$P_{out}^S\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}0& if{P}^S\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ -P^S\left(k\right),& if{P}^S\left(k\right)<0\end{array}$$

als die vom ersten Passivitäts-Controller zum zweiten Aktuator ausgehende Leistung, mit $$P^S\left(k\right)=F_{FB}\left(k\right)v_m\left(k-T_1\right).$$

Furthermore, the power on the second actuator results $${\mathrm{P.}}_{in}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}0& if{\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ {\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right),& if{\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)>0\end{array}$$

than the incoming power from the second actuator towards the first passivity controller and $${\mathrm{P.}}_{Out}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}0& if{\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ -{\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right),& if{\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)<0\end{array}$$

than the output from the first passivity controller to the second actuator, with $${\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)={\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}\left(k\right)v_m\left(k-T_1\right).$$

Vorzugsweise sind der erste Passivitäts-Controller und/oder der zweite Passivitäts-Controller ausgebildet sodass stets $$E_{out}^S\left(k\right)\le E_{in}^M\left(k-T_1\right)$$

und $$E_{out}^M\left(k\right)\le E_{in}^S\left(k-T_2\right).$$

gilt, wobei vorzugsweise für die Energie E^M des ersten Aktuators gilt $$E^M\left(k\right)=T_S{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}^M\left(j\right)}$$

und für die Energie E^S des zweiten Aktuators vorzugsweise entsprechendes gilt mit T_s als der Sampling-Zeit. Bei Erfüllung dieser Bedingungen wird die Passivität des Übertragungskanals erreicht.The first passivity controller and / or the second passivity controller are preferably designed so that they are always $${\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)\le {\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{M.}}\left(k-T_1\right)$$

and $${\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)\le {\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{S.}}\left(k-T_2\right).$$

applies, wherein preferably applies to the energy E ^{M of} the first actuator $${\mathrm{E.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)=T_{\mathrm{S.}}{\displaystyle \sum _{j=0}^k{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(j\right)}$$

and for the energy E ^{S of} the second actuator, the same preferably applies with T _s as the sampling time. If these conditions are met, the transmission channel becomes passive.

Vorzugsweise ist der erste Passivitäts-Controller ausgebildet die Sollgeschwindigkeit des zweiten Aktuators zu ermitteln zu $$v_m^{PC,out}\left(k\right)=v_m\left(k-T_1\right)-\alpha \left(k\right)F_e\left(k\right).$$

und insbesondere der zweite Passivitäts-Controller ausgebildet die zum ersten Aktuator geschickte Kraft zu ermitteln zu $$F_{FB}^{PC,out}\left(k\right)=F_{FB}\left(k-T_2\right)+\beta \left(k\right)v_m\left(k\right),$$

mit den Dämpfungsparametern $$\alpha \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-W_{obs}^{PCA}\left(k\right)}{T_s{F}_{FB}{\left(k\right)}^2}\hfill & {\text{if W}}_{obs}^{PCA}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & {\text{if W}}_{obs}^{PCA}\left(k\right)\ge \mathrm{0,}\hfill \end{array}$$

und $$\beta \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-W_{obs}^{PCB}\left(k\right)}{T_s{v}_m{\left(k\right)}^2}\hfill & {\text{if W}}_{obs}^{PCB}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & {\text{if W}}_{obs}^{PCB}\left(k\right)\ge 0.\hfill \end{array}$$

wobei sich die durch die Passivitäts-Controller dissipierte Energie ergibt zu $$\begin{array}{ll}{W}_{obs}^{PCA}\left(k\right)=E_{in}^M\left(k-T_1\right)\hfill & -E_{out}^S\left(k\right)\hfill \\ \hfill & -E^{PCA}\left(k-1\right),\hfill \\ W_{obs}^{PCB}\left(k\right)=E_{in}^S\left(k-T_2\right)\hfill & -E_{out}^M\left(k\right)\hfill \\ \hfill & -E^{PCB}\left(k-1\right),\hfill \end{array}$$

dabei bezeichnet PCA den ersten Passivitäts-Controller und PCB den zweiten Passivitäts-Controller. Dabei bezeichnen E^PCA und E^PCB die bereits durch den jeweiligen Passivitätskontroller dissipierte Energie.The first passivity controller is preferably designed to determine the setpoint speed of the second actuator $$v_m^{\mathrm{P.}\mathrm{C.},Out}\left(k\right)=v_m\left(k-T_1\right)-\alpha \left(k\right){\mathrm{F.}}_e\left(k\right).$$

and in particular the second passivity controller is designed to determine the force sent to the first actuator $${\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.},Out}\left(k\right)={\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}\left(k-T_2\right)+\beta \left(k\right)v_m\left(k\right),$$

with the damping parameters $$\alpha \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)}{T_s{\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}{\left(k\right)}^2}\hfill & {\text{if W}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & {\text{if W}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)\ge \mathrm{0,}\hfill \end{array}$$

and $$\beta \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)}{T_s{v}_m{\left(k\right)}^2}\hfill & {\text{if W}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & {\text{if W}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)\ge 0.\hfill \end{array}$$

where the energy dissipated by the passivity controller results in $$\begin{array}{ll}{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)={\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{M.}}\left(k-T_1\right)\hfill & -{\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)\hfill \\ \hfill & -{\mathrm{E.}}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k-1\right),\hfill \\ {\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)={\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{S.}}\left(k-T_2\right)\hfill & -{\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)\hfill \\ \hfill & -{\mathrm{E.}}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k-1\right),\hfill \end{array}$$

PCA denotes the first passivity controller and PCB the second passivity controller. E ^PCA and E ^{PCB designate} the energy already dissipated by the respective passivity controller.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of a preferred embodiment with reference to the accompanying figure.

Die Figur zeigt ein Signalflussdiagramm eines erfindungsgemäßen Aktuatorsystems.The figure shows a signal flow diagram of an actuator system according to the invention.

Das Aktuatorsystem 10 gezeigt in der Figur weist einen ersten Aktuator 12 ausgebildet als Master auf sowie einen zweiten Aktuator 14 ausgebildet als Slave. Dabei ist der erste Aktuator 12 mit dem zweiten Aktuator 14 über einen verzögerungs- und verlustbehafteten Übertragungskanal 16 miteinander verbunden. Insbesondere sind die Aktuatoren 12, 14 an unterschiedlichen Orten angeordnet. Dabei interagiert mit dem ersten Aktuator 12 ein Benutzer 18. Aus der Bewegung des ersten Aktuators 12 wird ein Geschwindigkeitssignal v_m erzeugt welches zur Steuerung an den zweiten Aktuator 14 über den Übertragungskanal 16 übertragen wird und dort zur Interaktion mit einer Umgebung 20 dient. Dabei kann der zweite Aktuator und die Umgebung 20 ausgebildet sein als virtuelle Umgebung bzw. als virtuelles Objekt in einer virtuellen Realität. Die fiktive, geschätzte und/oder gemessene Kraft F_FB wird über den Übertragungskanal 16 an den ersten Aktuator 12 zurückgegeben zur Erzeugung eines Force-Feedback-Signals F_m. Dieses Force-Feedback-Signal F_m wird in einem Knoten 22 überlagert mit der Kraft des Benutzers F_h und zur Steuerung des ersten Aktuators 12 herangezogen. Die Geschwindigkeit v_m des ersten Aktuators 12 stimmt mit der Geschwindigkeit des Benutzers 18 überein. Das Geschwindigkeitssignal v_m, welches über den Übertragungskanal 16 vom ersten Aktuator 12 auf den zweiten Aktuator 14 übertragen wird, wird in einem Controller 24 genutzt zur Erzeugung einer Steuerkraft F_c, welche an den zweiten Aktuator 14 zur Steuerung des zweiten Aktuators 14 weitergegeben wird. Hierzu wird überlagert sich in einem Knoten 26 die Steuerkraft F_c mit der Kraft F_FB aus der Umgebung 20. Die dabei erzeugte Interaktionsgeschwindigkeit v_s des zweiten Aktuators 14 wird sowohl auf die Umgebung 20 als Interaktionsbewegung weitergegeben, als auch herangezogen im Controller 24, wobei die Interaktionsgeschwindigkeit v_s in einem Knoten 28 mit der übertragenen Geschwindigkeit v_m überlagert wird, so dass die Bewegung des zweiten Aktuators 14 berücksichtigt wird vom Controller 24. Weiterhin ist ein erster Passivitäts-Controller 30 vorgesehen. Dieser erste Passivitäts-Controller 30 passt die Sollgeschwindigkeit v_m, welche vom ersten Aktuator 12 über den Übertragungskanal 16 an den zweiten Aktuator 14 übertragen wird, an. Hierbei wird das Signal des ersten Passivitäts-Controller 30 in einem Knoten 32 mit der Geschwindigkeit v_m überlagert und herangezogen zur Steuerung des zweiten Aktuators. Hierbei ergibt sich das Ausgangssignal des ersten Passivitäts-Controller 30 zu α(k)F_FB(k), wobei sich die Dämpfungskonstante α(k) ergibt zu $$\alpha \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-W_{obs}^{PCA}\left(k\right)}{T_s{F}_{FB}{\left(k\right)}^2}\hfill & \text{if }{W}_{obs}^{PCA}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & \text{if }{W}_{obs}^{PCA}\left(k\right)\ge 0\hfill \end{array}$$

mit der durch den ersten Passivitäts-Controller dissipierten Energie, welche sich ergibt zu $$\begin{array}{l}{W}_{obs}^{PCA}\left(k\right)=E_{in}^M\left(k-T_1\right)-E_{out}^S\left(k\right)\\ -E^{PCA}\left(k-1\right).\\ \end{array}$$

The actuator system 10 shown in the figure has a first actuator 12th trained as a master as well as a second actuator 14th trained as a slave. Here is the first actuator 12th with the second actuator 14th via a delayed and lossy transmission channel 16 connected with each other. In particular, are the actuators 12th , 14th arranged in different places. It interacts with the first actuator 12th a user 18th . From the movement of the first actuator 12th a speed _{signal v m is} generated which is sent to the second actuator for control 14th over the transmission channel 16 is transmitted and there to interact with an environment 20th serves. The second actuator and the environment can 20th be designed as a virtual environment or as a virtual object in a virtual reality. The fictitious, estimated and / or measured force F _FB is transmitted via the transmission channel 16 to the first actuator 12th returned to generate a force feedback signal F _m . This force feedback signal F _m is in a node 22nd superimposed with the force of the user F _h and for controlling the first actuator 12th used. The speed v _{m of} the first actuator 12th agrees with the speed of the user 18th match. The speed signal v _m , which over the transmission channel 16 from the first actuator 12th on the second actuator 14th is transmitted is in a controller 24 used to generate a control force F _c , which is applied to the second actuator 14th to control the second actuator 14th is passed on. For this purpose it is superimposed in a node 26th the control force F _c with the force F _FB from the environment 20th . The interaction speed v _{s of} the second actuator generated in the process 14th will affect both the environment 20th passed on as an interaction movement and used in the controller 24 , where the interaction _{speed v s} in a node 28 is superimposed with the transmitted speed v _m , so that the movement of the second actuator 14th is taken into account by the controller 24 . There is also a first passivity controller 30th intended. That first passivity controller 30th fits the setpoint speed v _m , which of the first actuator 12th over the transmission channel 16 to the second actuator 14th is transmitted to. This is the signal from the first passivity controller 30th in a knot 32 superimposed with the speed v _m and used to control the second actuator. This results in the output signal of the first passivity controller 30th to α (k) F _FB (k), where the damping constant α (k) results in $$\alpha \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)}{T_s{\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}{\left(k\right)}^2}\hfill & \text{if}{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & \text{if}{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)\ge 0\hfill \end{array}$$

with the energy dissipated by the first passivity controller, which results in $$\begin{array}{l}{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)={\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{M.}}\left(k-T_1\right)-{\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)\\ -{\mathrm{E.}}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k-1\right).\\ \end{array}$$

Dabei bezeichnet E^PCA die bereits durch den ersten Passivitätskontroller dissipierte Energie. ^{E PCA} denotes the energy already dissipated by the first passivity controller.

Weiterhin ist ein zweiter Passivitäts-Controller 34 vorgesehen welcher auf Grundlage der Geschwindigkeit v_m des ersten Aktuators 12 die wirkende Kraft F_FB anpasst zur Übergabe über den Übertragungskanal an den ersten Aktuator 12. Hierzu wird das Signal des zweiten Passivitäts-Controller 34 in einem Knoten 36 mit der insbesondere auf den zweiten Aktuator wirkenden Kraft F_FB überlagert. Dabei ergibt sich das Ausgangssignal des zweiten Passivitäts-Controllers 34 zu $$\mathrm{\beta }\left(k\right){\nu }_m\left(k\right)$$

mit der Dämpfungskonstante β(k) mit $$\beta \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-W_{obs}^{PCB}\left(k\right)}{T_s{\nu }_m{\left(k\right)}^2}\hfill & \text{if }{W}_{obs}^{PCB}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & \text{if }{W}_{obs}^{PCB}\left(k\right)\ge \mathrm{0,}\hfill \end{array}$$

wobei die durch den zweiten Passivitäts-Controller 34 dissipierte Energie sich ergibt zu $$\begin{array}{l}{W}_{obs}^{PCB}\left(k\right)=E_{in}^S\left(k-T_2\right)-E_{out}^M\left(k\right)\\ -E^{PCB}\left(k-1\right)\\ \end{array}$$

There is also a second passivity controller 34 provided which is based on the speed v _{m of} the first actuator 12th the acting force F _FB adapts to the transfer via the transmission channel to the first actuator 12th . This is done using the signal from the second passivity controller 34 in a knot 36 superimposed _{with the force F FB} acting in particular on the second actuator. This results in the output signal of the second passivity controller 34 to $$\mathrm{\beta }\left(k\right){\nu }_m\left(k\right)$$

with the damping constant β (k) with $$\beta \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)}{T_s{\nu }_m{\left(k\right)}^2}\hfill & \text{if}{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & \text{if}{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)\ge \mathrm{0,}\hfill \end{array}$$

being that by the second passivity controller 34 dissipated energy results in $$\begin{array}{l}{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)={\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{S.}}\left(k-T_2\right)-{\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)\\ -{\mathrm{E.}}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k-1\right)\\ \end{array}$$

Dabei bezeichnet E^PCB die bereits durch den zweiten Passivitätskontroller dissipierte Energie.E ^{PCB designates} the energy already dissipated by the second passivity controller.

Durch Vorsehen des ersten Passivitäts-Controllers und des zweiten Passivitäts-Controllers wird garantiert, dass die Bedingungen $$E_{out}^S\left(k\right)\le E_{in}^M\left(k-T_1\right)$$

und $$E_{out}^M\left(k\right)\le ES\left(k-T_2\right)$$

stets eingehalten sind, wodurch Passivität des Übertragungskanals garantiert ist. Da im Vergleich zu F_c, F_FB in freier Bewegung Null ist, oder so künstlich erzeugt werden kann, dass es Null ist, ist die Leistung am Übertragungskanal Null, so dass die Passivitäts-Controller 30, 34 keine Energie dissipieren müssen. Dies führt in seiner Konsequenz dazu, dass kein Positionsdrift zwischen dem ersten Aktuator 12 und dem zweiten Aktuator 14 auftritt, wodurch eine hohe Positionsgenauigkeit bei der Übertragung der Position des ersten Aktuators 12 auf den zweiten Aktuators 14 erreicht wird.By providing the first passivity controller and the second passivity controller, it is guaranteed that the conditions $${\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)\le {\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{M.}}\left(k-T_1\right)$$

and $${\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)\le \mathrm{E.}\mathrm{S.}\left(k-T_2\right)$$

are always complied with, which guarantees passivity of the transmission channel. Since, compared to F _c , F _FB is zero in free movement, or can be so artificially generated that it is zero, the power on the transmission channel is zero, so the passivity controller 30th , 34 do not have to dissipate any energy. The consequence of this is that there is no position drift between the first actuator 12th and the second actuator 14th occurs, whereby a high positional accuracy in the transmission of the position of the first actuator 12th on the second actuator 14th is achieved.

Weiterhin ist zwischen dem Passivitäts-Controller 34 und dem ersten Aktuator 12 ein Filter 38 vorgesehen, um Störungen im übertragenen Kraftsignal herauszufiltern. Bei diesen Störungen handelt es sich insbesondere um hochfrequente Störungen, sodass der Filter 38 insbesondere als Tiefpass ausgebildet ist. Dieser Filter 38 ist jedoch nicht zwingend erforderlich und kann daher weggelassen werden.Furthermore is between the passivity controller 34 and the first actuator 12th a filter 38 provided to filter out interference in the transmitted force signal. These interferences are particularly high-frequency interferences, so that the filter 38 is designed in particular as a low pass. This filter 38 however, it is not absolutely necessary and can therefore be omitted.

Weiterhin ist anzumerken, dass es sich bei dem Übertragungskanal 16 um eine Datenübertragung, um eine Internetverbindung, eine optische Datenübertragung oder eine Satellitenkommunikationsverbindung handelt. Dabei entsteht eine Verzögerung und/oder ein Paketverlust bei der Übertragung der Signale. Die Geschwindigkeit des ersten Aktuators 12, welche auf den zweiten Aktuator 14 übertragen wird, wird somit um eine variable Zeit T₁ verzögert, sodass am zweiten Aktuator 14 eine verzögerte Geschwindigkeit v_m ^del empfangen wird. Ebenso wird auch die vom zweiten Aktuator 14 auf den ersten Aktuator 12 übertragene Kraft F_FB verzögert um eine Zeit T₂, sodass am ersten Aktuator 12 die verzögerte Kraft F_FB ^DEL empfangen wird. Insbesondere ergeben sich die Leistungen bzw. der Leistungsfluss vom ersten Aktuator 12 in Richtung des zweiten Aktuators 14 bzw. zum ersten Aktuator 12 zu $$\begin{array}{c}{P}_{in}^M\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}\mathrm{0,}& \text{if }{P}^M\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ P^M\left(k\right),& \text{if }{P}^M\left(k\right)>\mathrm{0,}\end{array}\\ P_{out}^M\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}\mathrm{0,}& \text{if }{P}^M\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ -P^M\left(k\right),& \text{if }{P}^M\left(k\right)<0.\end{array}\end{array}$$

mit P^M(k) = F_FB(k - T₂)v_m(k). In gleicher Weise ergibt sich der Leistungsfluss am zweiten Aktuator 14 mit P^S(k) = F_FB(k)v_m(k - T₁). Dabei bezeichnet M den Master bzw. ersten Aktuators 12 und S den Slave bzw. zweiten Aktuator 14. Die dabei auftretenden Energien ergeben sich mittels Integration über die Zeit und können beispielsweise für den ersten Aktuator berechnet werden zu $$E^M\left(k\right)=T_S{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}^M\left(j\right)}$$

sodass hieraus die bereits oben angegebene Passivitätsbedingung überprüft werden kann. Dabei bezeichnet T_s die Sampling-Rate.It should also be noted that the transmission channel 16 a data transmission, an Internet connection, an optical data transmission or a satellite communication connection. This results in a delay and / or a packet loss in the transmission of the signals. The speed of the first actuator 12th which on the second actuator 14th is transmitted, is thus _{delayed by a variable time T 1} , so that on the second actuator 14th a delayed speed v _m ^{del is} received. The same is also true for the second actuator 14th on the first actuator 12th transmitted force F _FB delayed by a time T ₂ , so that on the first actuator 12th the delayed force F _FB ^{DEL is} received. In particular, the powers or the power flow result from the first actuator 12th towards the second actuator 14th or to the first actuator 12th to $$\begin{array}{c}{\mathrm{P.}}_{in}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}\mathrm{0,}& \text{if}{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ {\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right),& \text{if}{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)>\mathrm{0,}\end{array}\\ {\mathrm{P.}}_{Out}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}\mathrm{0,}& \text{if}{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ -{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right),& \text{if}{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)<0.\end{array}\end{array}$$

with P ^M (k) = F _FB (k - T ₂ ) v _m (k). The power flow on the second actuator results in the same way 14th with P ^S (k) = F _FB (k) v _m (k - T ₁ ). M designates the master or first actuator 12th and S the slave or second actuator 14th . The energies occurring in this case result from integration over time and can, for example, be calculated for the first actuator $${\mathrm{E.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)=T_{\mathrm{S.}}{\displaystyle \sum _{j=0}^k{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(j\right)}$$

so that the passivity condition already specified above can be checked from this. T _s denotes the sampling rate.

Somit ist ein System geschaffen, welches eine Kraft berücksichtigt, die sich von der berechneten Kraft F_c unterscheidet, um einerseits die Passivität des Aktuatorsystems zu gewährleisten und andererseits bei einer freien Bewegung keinen permanenten Positionsdrift verursacht, sodass die Positionsgenauigkeit erhöht wird.A system is thus created which takes into account a force that differs from the calculated force F _c , on the one hand to ensure the passivity of the actuator system and on the other hand does not cause permanent position drift during free movement, so that the position accuracy is increased.

Claims (11)

Aktuatorsystem, insbesondere für die Teleaktuierung, mit einem ersten Aktuator, insbesondere zur Bedienung durch einen Benutzer, einem zweiten Aktuator, insbesondere zur Ausführung einer Bewegung des Benutzers, einem Übertragungskanal zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator zur Übertragung der Geschwindigkeit und/oder der Kraft des ersten Aktuators auf den zweiten Aktuator, einem ersten Passivitäts-Controller zum Erhalt der Passivität des Aktuatorsystems, ausgebildet derart, dass durch den ersten Passivitäts-Controller die vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator übertragene Geschwindigkeit und/oder Kraft angepasst wird in Abhängigkeit einer wirkenden Kraft F_FB und/oder Geschwindigkeit.Actuator system, in particular for teleactuation, with a first actuator, in particular for operation by a user, a second actuator, in particular for executing a movement of the user, a transmission channel between the first actuator and the second actuator for transmitting the speed and / or the force of the first actuator to the second actuator, a first passivity controller for maintaining the passivity of the actuator system, designed in such a way that the first passivity controller adjusts the speed and / or force transmitted from the first actuator to the second actuator as a function of an effective Force F _FB and / or speed. Aktuatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirkende Kraft und/oder Geschwindigkeit des zweiten Aktuators über den Übertragungskanal an den ersten Aktuator übertragen wird zur Erzeugung eines Force-Feedback-Signals.Actuator system according to Claim 1 , characterized in that the effective force and / or speed of the second actuator is transmitted to the first actuator via the transmission channel to generate a force feedback signal. Aktuatorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Passivitäts-Controller vorgesehen ist zum Erhalt der Passivität des Übertragungskanals, ausgebildet derart, dass durch den zweiten Passivitäts-Controller die vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator übertragene Kraft und/oder Geschwindigkeit angepasst wird in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des ersten Aktuators oder und/oder der Kraft F_FB.Actuator system according to Claim 2 , characterized in that a second passivity controller is provided to maintain the passivity of the transmission channel, designed in such a way that the second passivity controller adjusts the force and / or speed transmitted from the second actuator to the first actuator as a function of the speed of the first actuator and / or the force F _FB . Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungskanal eine Verzögerung und/oder Paketverlust aufweist und insbesondere die Übertragungszeit über den Übertragungskanal vom ersten Aktuator auf den zweiten Aktuator T₁ beträgt und die Übertragungszeit über den Übertragungskanal vom zweiten Aktuator auf den ersten Aktuator T₂ beträgt.Actuator system according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the transmission channel has a delay and / or packet loss and in particular the transmission time over the transmission channel from the first actuator to the second actuator is T ₁ and the transmission time over the transmission channel from the second actuator to the first actuator is T ₂ . Aktuatorsystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Übertragungskanal um eine Datenverbindung und insbesondere das Internet oder eine Drahtlosdatenverbindung handelt.Actuator system according to Claim 1 to 4th , characterized in that the transmission channel is a data connection and in particular the Internet or a wireless data connection. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator und/oder der zweite Aktuator einen oder mehr als einen Freiheitsgrad aufweisen, wobei insbesondere die Geschwindigkeit und/oder Kraft für jeden der Freiheitsgrade über den Übertragungskanal an den jeweils anderen Aktuator übertragen werden.Actuator system according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the first actuator and / or the second actuator have one or more than one degree of freedom, in particular the speed and / or force for each of the degrees of freedom being transmitted to the respective other actuator via the transmission channel. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator und der zweite Aktuator identische Freiheitsgrade aufweisen und insbesondere identisch aufgebaut sind.Actuator system according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the first actuator and the second actuator have identical degrees of freedom and in particular are constructed identically. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine über den Übertragungskanal übertragene Leistung P_i ermittelt wird nach P_i(k) = v_i(k)F_i(k), zu dem Sampling-Schritt k, mit der Geschwindigkeit v_i(k) des Aktuators i und der Kraft F_i(k) des Aktuators i.Actuator system according to one of the Claims 1 to 7th , characterized _{in that a power P i} transmitted via the transmission channel is determined according to P _i (k) = v _i (k) F _i (k), for the sampling step k, with the speed v _i (k) of the actuator i and the force F _i (k) of the actuator i. Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leistung am ersten Aktuator ergibt zu $$P_{in}^M\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}\mathrm{0,}& \text{if }{P}^M\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ P^M\left(k\right),& \text{if }{P}^M\left(k\right)>\mathrm{0,}\end{array}$$

als vom ersten Aktuator in Richtung des zweiten Passivitäts-Controllers gehende Leistung und $$P_{out}^M\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}\mathrm{0,}& \text{if }{P}^M\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ -P^M\left(k\right),& \text{if }{P}^M\left(k\right)<0.\end{array}$$

als vom zweiten Passivitäts-Controller zum ersten Aktuator ausgehende Leistung, mit P^M(k) = F_FB(k - T₂)v_m(k), mit und sich die Leistung am zweiten Aktuator ergibt zu $${\text{P}}_{\text{in}}^{\text{S}}\left(\text{k}\right)=\{\begin{array}{ccc}0& \text{falls}& P^S\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ P^S\left(k\right),& \text{falls}& P^S\left(k\right)>0\end{array}$$

als vom zweiten Aktuator in Richtung des ersten Passivitäts-Controllers fließende Leistung und $${\text{P}}_{\text{out}}^{\text{S}}\left(\text{k}\right)=\{\begin{array}{ccc}0& \text{if}& P^S\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ P^S\left(k\right),& \text{if}& P^S\left(k\right)<0\end{array}$$

als vom ersten Passivitäts-Controller zum zweiten Aktuator ausgehende Leistung, mit P^S(k) = F_FB(k)v_m(k - T₁).Actuator system according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the power at the first actuator results to $${\mathrm{P.}}_{in}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}\mathrm{0,}& \text{if}{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ {\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right),& \text{if}{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)>\mathrm{0,}\end{array}$$

than power going from the first actuator in the direction of the second passivity controller and $${\mathrm{P.}}_{Out}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)=\{\begin{array}{cc}\mathrm{0,}& \text{if}{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ -{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right),& \text{if}{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)<0.\end{array}$$

as the output from the second passivity controller to the first actuator, with P ^M (k) = F _FB (k − T ₂ ) v _m (k), with and the output at the second actuator results $${\text{P.}}_{\text{in}}^{\text{S.}}\left(\text{k}\right)=\{\begin{array}{ccc}0& \text{if}& {\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)<\mathrm{0,}\\ {\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right),& \text{if}& {\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)>0\end{array}$$

as power flowing from the second actuator in the direction of the first passivity controller and $${\text{P.}}_{\text{out}}^{\text{S.}}\left(\text{k}\right)=\{\begin{array}{ccc}0& \text{if}& {\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)>\mathrm{0,}\\ {\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right),& \text{if}& {\mathrm{P.}}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)<0\end{array}$$

as output from the first passivity controller to the second actuator, with P ^S (k) = F _FB (k) v _m (k − T ₁ ). Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Passivitäts-Controller und/oder der zweite Passivitäts-Controller ausgebildet sind, so dass stets $$E_{out}^S\left(k\right)\le E_{in}^M\left(k-T_1\right)$$

und $$E_{out}^M\left(k\right)\le E_{in}^S\left(k-T_2\right)$$

gilt, wobei für die Energie E^M des ersten Aktuators und die Energie E^S des zweiten Aktuators entsprechend gilt $$E^M\left(k\right)=T_S{\displaystyle \sum _{j=0}^k{P}^M\left(j\right).}$$

Actuator system according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the first passivity controller and / or the second passivity controller are designed so that always $${\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)\le {\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{M.}}\left(k-T_1\right)$$

and $${\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)\le {\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{S.}}\left(k-T_2\right)$$

applies, where the same applies to the energy E ^{M of} the first actuator and the energy E ^{S of} the second actuator $${\mathrm{E.}}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)=T_{\mathrm{S.}}{\displaystyle \sum _{j=0}^k{\mathrm{P.}}^{\mathrm{M.}}\left(j\right).}$$

Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Passivitäts-Controller die Sollgeschwindigkeit des zweiten Aktuators ermittelt zu $${\nu }_m^{PC,out}\left(k\right)={\nu }_m\left(k-T_1\right)-\alpha \left(k\right)F_{FB}\left(k\right)$$

und insbesondere der zweite Passivitäts-Controller die auf den ersten Aktuator wirkende Reglerkraft ermittelt zu $$F_{FB}^{PC,out}\left(k\right)=F_{FB\text{}}\left(k-T_2\right)+\beta \left(k\right){\nu }_m\left(k\right),$$

mit den Dämpfungsparametern $$\alpha \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-W_{obs}^{PCA}\left(k\right)}{T_S{F}_{FB}{\left(k\right)}^2}\hfill & {\text{if W}}_{obs}^{PCA}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & {\text{if W}}_{obs}^{PCA}\left(k\right)\ge \mathrm{0,}\hfill \end{array}$$

und $$\beta \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-W_{obs}^{PCB}\left(k\right)}{T_S{\nu }_m{\left(k\right)}^2}\hfill & {\text{if W}}_{obs}^{PCB}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & {\text{if W}}_{obs}^{PCB}\left(k\right)\ge \mathrm{0,}\hfill \end{array}$$

wobei sich die durch die Passivitäts-Controller dissipierte Energie ergibt zu $$\begin{array}{c}\begin{array}{l}{W}_{obs}^{PCA}\left(k\right)=E_{in}^M\left(k-T_1\right)-E_{out}^S\left(k\right)\\ -E^{PCA}\left(k-1\right)\\ W_{obs}^{PCB}\left(k\right)=E_{in}^S\left(k-T_2\right)-E_{out}^M\left(k\right)\\ -E^{PCB}\left(k-1\right),\\ \end{array}\\ \end{array}$$

dabei bezeichnen E^PCA und E^PCB die bereits durch den jeweiligen Passivitätskontroller dissipierte Energie.Actuator system according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that the first passivity controller determines the target speed of the second actuator $${\nu }_m^{\mathrm{P.}\mathrm{C.},Out}\left(k\right)={\nu }_m\left(k-T_1\right)-\alpha \left(k\right){\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}\left(k\right)$$

and in particular the second passivity controller determines the regulator force acting on the first actuator $${\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.},Out}\left(k\right)={\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}\left(k-T_2\right)+\beta \left(k\right){\nu }_m\left(k\right),$$

with the damping parameters $$\alpha \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)}{T_{\mathrm{S.}}{\mathrm{F.}}_{\mathrm{F.}\mathrm{B.}}{\left(k\right)}^2}\hfill & {\text{if W}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & {\text{if W}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)\ge \mathrm{0,}\hfill \end{array}$$

and $$\beta \left(k\right)=\{\begin{array}{ll}\frac{-{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)}{T_{\mathrm{S.}}{\nu }_m{\left(k\right)}^2}\hfill & {\text{if W}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)<0\hfill \\ 0\hfill & {\text{if W}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)\ge \mathrm{0,}\hfill \end{array}$$

where the energy dissipated by the passivity controller results in $$\begin{array}{c}\begin{array}{l}{\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k\right)={\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{M.}}\left(k-T_1\right)-{\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{S.}}\left(k\right)\\ -{\mathrm{E.}}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{A.}}\left(k-1\right)\\ {\mathrm{W.}}_{Obs}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k\right)={\mathrm{E.}}_{in}^{\mathrm{S.}}\left(k-T_2\right)-{\mathrm{E.}}_{Out}^{\mathrm{M.}}\left(k\right)\\ -{\mathrm{E.}}^{\mathrm{P.}\mathrm{C.}\mathrm{B.}}\left(k-1\right),\\ \end{array}\\ \end{array}$$

^{E PCA} and E ^PCB denote the energy already dissipated by the respective passivity controller.

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