DE102020122551A1 - Method for feedback of exogenous forces to a user using electrical muscle stimulation, controller for controlling a force feedback device, force feedback device and use of a controller or a force feedback device - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer mittels elektrischer Muskelstimulation über eine Kraftrückkopplungsvorrichtung mit einer Stimulationseinrichtung, einem Prozessor und einer Eingabeeinrichtung; das Verfahren umfassend die Schritte:a) Vorgeben einer einzunehmenden Position über die Eingabeeinrichtung durch den Nutzer als Aufgabenkoordinatenvektor p für eine Aktuationseinrichtung;b) Berechnen eines generalisierten Kraftvektors Fresals Kraftrückkopplung für den Nutzer aufgrund der vorgegebenen einzunehmenden Position p für die Aktuationseinrichtung;c) Transformieren des generalisierten Kraftvektors Fresin einem nutzerspezifischen Kraftmomentenvektor T im Gelenkraum des Nutzers;d) Zuordnen der gelenkbezogenen Kraftmomentenkomponenten Tides Kraftmomentenvektors T zu mindestens einem gelenkstellenden Muskel des Nutzers in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der gelenkbezogenen Kraftmomentenkomponenten Ti;e) Berechnen eines Stimulationsvektors s für die Muskeln des Nutzers; undf) Ausgeben einer Kraftrückkopplung an den Nutzer über eine elektrische Muskelstimulation durch Ausgabe der Stimulationsströme siüber die Stimulationseinrichtung, wobei die Verfahrensschritte b) bis e) durch den Prozessor durchgeführt werden.Method for feedback of exogenous forces to a user by means of electrical muscle stimulation via a force feedback device with a stimulation device, a processor and an input device; the method comprising the steps:a) specification of a position to be assumed via the input device by the user as a task coordinate vector p for an actuating device;b) calculation of a generalized force vector Fresals force feedback for the user on the basis of the specified position p to be assumed for the actuating device;c) transformation of the generalized force vector Fresin a user-specific force moment vector T in the joint space of the user;d) assigning the joint-related force moment components Tides force moment vector T to at least one joint-actuating muscle of the user depending on the sign of the joint-related force moment components Ti;e) calculating a stimulation vector s for the muscles of the user; andf) outputting force feedback to the user via electrical muscle stimulation by outputting the stimulation currents via the stimulation device, method steps b) to e) being carried out by the processor.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer mittels elektrischer Muskelstimulation über eine Kraftrückkopplungsvorrichtung, eine Steuereinheit zur Steuerung einer Kraftrückkopplungsvorrichtung, eine Kraftrückkopplungsvorrichtung sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Steuereinheit oder einer erfindungsgemäßen Kraftrückkopplungsvorrichtung.The present invention relates to a method for feeding back exogenous forces to a user by means of electrical muscle stimulation via a force feedback device, a control unit for controlling a force feedback device, a force feedback device and the use of a control unit according to the invention or a force feedback device according to the invention.
Aus dem Stand der Technik sind bereits sowohl Verfahren als auch Vorrichtungen bekannt geworden, mittels derer an einen Nutzer von Vorrichtungen eine direkte Rückmeldung bei durchgeführten Aktivitäten erfolgt.Both methods and devices are already known from the prior art, by means of which direct feedback is given to a user of devices when activities are carried out.
Insbesondere ist es bekannt, Nutzern, beispielsweise bei Benutzung einer Eingabevorrichtung, eine unmittelbare Rückmeldung aufgrund von vorgegebenen Bewegungen an einem Eingabegerät, beispielsweise als unmittelbare Kraftrückkopplung, zu vermitteln. Derartige Systeme, beispielsweise in Form eines Joysticks zur Bedienung einer Computervorrichtung, weisen beispielsweise Aktuatoren zur Generierung einer Kraftrückmeldung auf.In particular, it is known to provide users, for example when using an input device, with direct feedback based on predefined movements on an input device, for example as direct force feedback. Such systems, for example in the form of a joystick for operating a computer device, have actuators for generating force feedback, for example.
Die vorgenannten Eingabevorrichtungen kommen insbesondere zur Simulation einer virtuellen Realität zum Einsatz, um den Nutzer ein haptisches Feedback seiner vorgenommenen Interaktionen in der virtuellen Realität mittels einer Kraftrückkopplung zu vermitteln. Dabei treten in der virtuellen Realität bei durch den Nutzer ausgelösten Aktionen virtuelle Kräfte auf, beispielsweise, wenn der Nutzer in der virtuellen Realität einen Gegenstand bewegt und/oder anhebt oder mit Gegenständen der virtuellen Realität kollidiert, diese rein virtuellen Kräfte werden als exogene Kräfte dem Nutzer als Feedback der virtuellen Realität ausgegeben.The aforementioned input devices are used in particular for simulating a virtual reality in order to provide the user with haptic feedback on the interactions he has carried out in the virtual reality by means of force feedback. Virtual forces occur in virtual reality when actions are triggered by the user, for example if the user moves and/or lifts an object in virtual reality or collides with objects in virtual reality; these purely virtual forces are presented to the user as exogenous forces output as virtual reality feedback.
Aus dem Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, einen Nutzer einer virtuellen Realität mittels einer elektrischen Muskelstimulation eine Rückmeldung im Hinblick auf ausgeführte Aktionen in der virtuellen Realität zu geben.It is also known from the prior art to give a user of a virtual reality feedback with regard to actions carried out in the virtual reality by means of electrical muscle stimulation.
Nachteilig an dem vorgenannten Stand der Technik ist, dass häufig an den Eingabeeinrichtungen, über welche der Nutzer die Interaktion mit der virtuellen Realität vornimmt, zusätzliche Stelleinrichtungen wie Aktuatoren vorgesehen werden müssen, mittels derer das haptische Feedback an den Nutzer ausgegeben werden kann. Hierdurch wird die Komplexität der Eingabeeinrichtungen als auch deren Gewicht deutlich erhöht. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Rückkopplung einer Nutzerinteraktion über elektrische Muskelstimulation sind bisher lediglich bei Anwendungen der Steuerung einer virtuellen Realität bzw. Simulation bekannt. Weiterhin werden auszugebende Rückkopplungen lediglich rein qualitativ und nicht quantitativ an den Nutzer durch die elektrische Muskelstimulation ausgegeben.A disadvantage of the aforementioned prior art is that additional control devices such as actuators, by means of which the haptic feedback can be output to the user, often have to be provided on the input devices via which the user interacts with the virtual reality. This significantly increases the complexity of the input devices and their weight. The devices known from the prior art for feedback of a user interaction via electrical muscle stimulation have so far only been known in applications for controlling a virtual reality or simulation. Furthermore, feedback to be output is only output qualitatively and not quantitatively to the user through the electrical muscle stimulation.
Ausgehend von den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik zur Rückkopplung von exogenen Kräften dahingehend zu verbessern, deren Aufbau und damit deren Gewicht deutlich zu verringern und gleichzeitig die quantitative Genauigkeit der an den Nutzer rückgekoppelten Kräfte zu erhöhen.Based on the aforementioned disadvantages of the prior art, it is the object of the present invention to improve the methods and devices from the prior art for feedback of exogenous forces in such a way that their structure and thus their weight are significantly reduced and at the same time the quantitative accuracy of the to increase the forces fed back to the user.
Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer nach Anspruch 1, einer Steuereinheit zur Steuerung einer Kraftrückkopplungsvorrichtung gemäß Anspruch 13 sowie einer Kraftrückkopplungsvorrichtung gemäß Anspruch 14 und der Verwendung einer Steuereinheit oder einer Kraftrückkopplungsvorrichtung gemäß Anspruch 15.According to the invention, the object is achieved by a method for feedback of exogenous forces to a user according to
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer mittels elektrischer Muskelstimulation über eine Kraftrückkopplungsvorrichtung mit einer Stimulationsvorrichtung, einem Prozessor und einer Eingabeeinrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
- a) Vorgeben einer einzunehmenden Position über die Eingabeeinrichtung durch den Nutzer als Aufgabenkoordinatenvektor p für eine Aktuationseinrichtung;
- b) Berechnen eines generalisierten Kraftvektors Fres als Kraftrückkopplung für den Nutzer aufgrund der vorgegebenen einzunehmenden Position p für die Aktuationseinrichtung;
- c) Transformieren des generalisierten Kraftvektors Fres in einem nutzerspezifischen KraftmomentenvektorT im Gelenkraum q des Nutzers;
- d) Zuordnen der gelenkbezogenen Kraftmomentkomponenten Ti des Kaftmomentenvektors T zu mindestens einem gelenkstellenden Muskel des Nutzers in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der gelenkbezogenen Kraftmomentkomponenten Ti;
- e) Berechnen eines Stimulationsvektors s für die Muskeln des Nutzers; und
- f) Ausgeben einer Kraftrückkopplung an den Nutzer über eine elektrische Muskelstimulation durch Ausgabe der Stimulationsströme si über die Stimulationseinrichtung, wobei die Verfahrensschritte b) bis e) durch den Prozessor durchgeführt werden.
- a) Predetermining a position to be assumed via the input device by the user as a task coordinate vector p for an actuating device;
- b) calculating a generalized force vector Fres as force feedback for the user based on the predetermined position p to be assumed for the actuating device;
- c) transforming the generalized force vector Fres into a user-specific force moment vector T in joint space q of the user;
- d) assigning the joint-related force moment components T i of the force moment vector T to at least one joint-actuating muscle of the user depending on the sign of the joint-related force moment components T i ;
- e) calculating a stimulation vector s for the user's muscles; and
- f) Outputting force feedback to the user via electrical muscle stimulation by outputting the stimulation currents s i via the stimulation device, method steps b) to e) being carried out by the processor.
Unter dem Begriff der exogenen Kräfte werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jegliche Kräfte verstanden, welche innerhalb eines Kraftrückkopplungssystems einem Nutzer, welcher insbesondere eine Positionsänderung für ein System vorgibt, aufgrund der vorgenommenen Positionsänderungen vorgegeben werden sollen. Insbesondere kann es sich bei den exogenen Kräften beispielsweise um Reibungskräfte einer realen Handhabungsvorrichtung handeln, wenn über die Eingabevorrichtung eine einzunehmende Person durch den Nutzer für die Handhabungsvorrichtung vorgegeben wird und als Kraftrückkopplung an den Nutzer diesem die innerhalb der Handhabungsvorrichtung während der Einnahme der vorgegebenen Position auftretenden Kräfte ausgegeben werden.Within the scope of the present invention, the term exogenous forces is understood to mean any forces which are to be specified within a force feedback system to a user who in particular specifies a change in position for a system on the basis of the position changes made. In particular, the exogenous forces can be, for example, frictional forces of a real handling device if a person to be taken is specified by the user for the handling device via the input device and the forces occurring within the handling device while taking the given position as force feedback to the user be issued.
Weiterhin können die exogenen Kräfte jedoch auch beispielsweise Kräfte vermitteln, welche bei einem Kontakt der Handhabungsvorrichtung mit einem Gegenstand, insbesondere im Rahmen einer Kollision und/oder bei dauerhafter Aufbringung einer Kraft auf einen Gegenstand, beispielsweise in Form einer Greifvorrichtung, auftreten und an den Nutzer rückgegeben werden sollen.Furthermore, the exogenous forces can also convey forces, for example, which occur when the handling device comes into contact with an object, in particular in the context of a collision and/or when a force is permanently applied to an object, for example in the form of a gripping device, and are returned to the user should be.
Als gelenkstellende Muskeln werden die Muskelpaare verstanden, welche die Gelenkstellung und damit die Stellung der Gliedmaßen eines Nutzers bzw. des menschlichen Körpers des Nutzers bewirken.Joint adjusting muscles are understood to mean the muscle pairs that bring about the joint position and thus the position of the limbs of a user or of the user's human body.
Insbesondere wird dabei darunter das Muskelpaar des Agonisten und Antagonisten verstanden, jedoch kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrische Muskelstimulation grundsätzlich auf alle Muskeln des Nutzers aufgebracht werden, insbesondere bevorzugt auf diese, welche die Stellung der Gliedmaßen eines Nutzers beeinflussen können.In particular, this refers to the pair of muscles of the agonist and antagonist, but within the scope of the present invention, electrical muscle stimulation can basically be applied to all muscles of the user, particularly preferably to those that can influence the position of the limbs of a user.
Der Nutzer gibt über die Eingabeeinrichtung eine einzunehmende Position für eine Aktuationseinrichtung vor. Die einzunehmende Position wird dabei als Aufgabenkoordinatenvektor p in einem Aufgabenkoordinatensystem eingeführt. Weiterhin wird ein Gelenkraum q des Nutzers eingeführt, mit
Der Kraftmomentenvektor T wird im Gelenkraum q des Nutzers definiert, mit q ∈
Der generalisierte Kraftvektor Fres wird im Aufgabenraum spezifiziert.The generalized force vector Fres is specified in the task space.
Bei der Aktuationseinrichtung handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt um eine Handhabungseinrichtung, wie beispielsweise einen Roboterarm. Der Roboterarm kann an einem ersten Ende an einer statischen Befestigungsposition mittels entsprechender Befestigungsmittel befestigt werden. Alternativ kann der Roboterarm an dem vorgenannten Ende ebenfalls an eine mobile Plattform angebunden werden. An einem zweiten, dem ersten Befestigungsende gegenüberliegenden Ende, kann die Handhabungsvorrichtung insbesondere eine Manipulationseinrichtung, wie beispielsweise einen Greifer, aufweisen. Die Aktuationseinrichtung weist ebenfalls mindestens ein Gelenk mit mindestens einem Freiheitsgrad auf, wobei den jeweiligen Freiheitsgraden Stelleinrichtungen, beispielsweise in Form von Aktuatoren, zugeordnet sind, über welche die Aktuationseinrichtung eine vorgegebene Position einnehmen kann. Besonders bevorzugt weist die Aktuationseinrichtung die gleiche Anzahl an Freiheitsgraden wie die Eingabeeinrichtung auf.In the context of the present invention, the actuating device is preferably a handling device, such as a robot arm. The robotic arm can be attached at a first end to a static attachment position by means of appropriate attachment means. Alternatively, the robot arm can also be connected to a mobile platform at the aforementioned end. At a second end opposite the first fastening end, the handling device can in particular have a manipulation device, such as a gripper. The actuating device also has at least one joint with at least one degree of freedom, with the respective degrees of freedom being assigned adjusting devices, for example in the form of actuators, via which the actuating device can assume a predetermined position. The actuating device particularly preferably has the same number of degrees of freedom as the input device.
Erfindungsgemäß kann der Nutzer mittels der Eingabevorrichtung eine einzunehmende Position bzw. eine einzunehmende Positionsabfolge für die Aktuationseinrichtung insbesondere in Form der Handhabungsvorrichtung vorgeben.According to the invention, the user can use the input device to specify a position to be assumed or a position sequence to be assumed for the actuating device, in particular in the form of the handling device.
Bevorzugt weist die Eingabevorrichtung die gleiche Anzahl an Freiheitsgraden wie die Handhabungsvorrichtung bzw. Aktuationseinrichtung auf, derart, dass ein Nutzer über Einstellung der Gelenkfreiheitsgrade der Eingabeeinrichtung unmittelbar die Ausrichtung der Gelenkfreiheitsgrade der Handhabungsvorrichtung festlegen kann. Dies insbesondere in dem Fall, dass durch zeitliches Wiederholen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Positionsablauf über eine gewisse Zeitdauer kontinuierlich durch den Nutzer vorgegeben wird, welcher durch die Handhabungsvorrichtung kontinuierlich gefolgt wird, und wobei kontinuierlich für den Nutzer eine Kraftrückmeldung über die elektrische Stimulationseinrichtung zurückgegeben wird.The input device preferably has the same number of degrees of freedom as the handling device or actuating device, such that a user can directly set the alignment of the joint degrees of freedom of the handling device by setting the joint degrees of freedom of the input device. This is particularly the case when the user continuously specifies a position sequence over a certain period of time by repeating the method according to the invention, which is continuously followed by the handling device, and force feedback is continuously returned to the user via the electrical stimulation device.
Bevorzugt wird der generalisierte Kraftvektor Fres im Verfahrensschritt b) über die folgende Beziehung berechnet:
Die virtuelle Steifigkeitsmatrix Kp stellt in ihrem allgemeinsten Fall eine nicht physikalisch motivierte Steifigkeitsmatrix dar. Vielmehr vermittelt diese eine Stärke der Rückkopplung, welche an den Nutzer bei der Vornahme von Bewegungen der Eingabe bzw. bei der Einnahme von bestimmten Positionen der Eingabevorrichtung an den Nutzer ausgegeben werden soll. Die Steifigkeitsmatrix kann beispielsweise als Steifigkeitsmatrix einer durch die Körperbewegungen des Nutzers real anzusteuernder Aktuationseinrichtung, wie beispielsweisen einen Roboterarm, mit einer Manipulationseinrichtung darstellen, wobei bevorzugt die für die reale Aktuationseinrichtung ermittelten Einträge der Steifigkeitsmatrix durch die Multiplikation mindestens eines Skalierungsfaktors angepasst werden. Die Anpassung des Skalierungsfaktors kann dabei nutzer- und aufgabenspezifisch vorgegeben bzw. gewählt werden, um die Stärke der Kraftrückkopplung nutzer- und aufgabenspezifisch anzupassen.In its most general case, the virtual stiffness matrix K p represents a non-physically motivated stiffness matrix. Rather, it conveys a strength of the feedback that is output to the user when making movements of the input or when taking certain positions of the input device shall be. The stiffness matrix can be represented, for example, as a stiffness matrix of an actuator device to be controlled by the body movements of the user, such as a robot arm, with a manipulation device, with the entries of the stiffness matrix determined for the real actuator device preferably being adapted by multiplying at least one scaling factor. The adaptation of the scaling factor can be specified or selected in a user- and task-specific manner in order to adapt the strength of the force feedback in a user- and task-specific manner.
Besonders bevorzugt kann im Verfahrensschritt c) der Kraftmomentenvektor T über folgende Beziehung aus dem generalisierten Kraftvektor Fres berechnet werden:
Bevorzugt kann bei der Berechnung des generalisierten Kraftvektors Fres zusätzlich ein Kraftvektor zur Berücksichtigung von dissipativen Kräften und/oder integrativen Kräften unter Nutzung der Berechnungsformel:
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann bei der Berechnung des generalisierten Kraftvektors Fres zusätzlich ein Kraftvektor Fextern zur Berücksichtigung von extern auf die Aktuationseinrichtung einwirkenden Kräften einbezogen werden, unter Nutzung folgender Berechnungsformel:
Bevorzugt kann im Verfahrensschritt d) nach der Zuordnung der gelenkbezogenen Kraftmomentkomponenten Ti zu mindestens einem gelenkstellenden Muskel des Nutzers eine in dem mindestens einen Muskel zu erzeugende Rückkopplungskraft Mi aufgrund der Kraftmomentenkomponente τi jedes Muskels berechnet werden.Preferably, in step d) after the assignment of the joint-related force moment components T i to at least one joint-actuating muscle of the user, a feedback force M i to be generated in the at least one muscle can be calculated on the basis of the force moment component τ i of each muscle.
Die Summe aller Kraftmomentenkomponenten τi der gelenkstellendenden Einzelmuskeln des Gelenks ergeben wiederum das erwünschte bzw. vorzugebende Gelenkkraftmoment TL. Die Kraftmomentenkomponenten τi lassen sich wiederum aus den Angriffspunkten und den Stellungen der jeweiligen Einzelmuskeln zu den zu stellenden Gelenken berechnen bzw. über die geometrischen Beziehungen aufteilen.The sum of all force moment components τ i of the joint-actuating individual muscles of the joint result in turn in the desired or to be specified joint force moment T L . The force moment components τ i can in turn be calculated from the points of application and the positions of the respective individual muscles in relation to the joints to be positioned or divided using the geometric relationships.
Bevorzugt können die in den Muskeln des Nutzers zu erzeugenden Kräfte Mi unter Berücksichtigung der jeweiligen Lage di des Muskelangriffspunktes in Bezug zu dem jeweiligen Gelenk über die folgende Beziehung berechnet werden:
Mit di als Länge des Hebelarms des Muskels relativ zu dem jeweiligen Gelenk, wobei der Hebelarm von dem jeweiligen Gelenkwinkel und von der Elektrodenlage abhängig ist.With d i as the length of the lever arm of the muscle relative to the respective joint, the lever arm being dependent on the respective joint angle and the electrode position.
Die zu erzeugende Kraft innerhalb des Muskels kann bevorzugt unter Berücksichtigung der jeweiligen Elektrodenposition in Bezug auf die Muskelgruppe ermittelt werden. Die Elektrodenposition hat dabei einen Einfluss auf die Lage des Angriffspunktes der stimulierten Muskelgruppen und auf die Wirkung der Stimulationsströme auf die resultierende Muskelkraftausgabe.The force to be generated within the muscle can preferably be determined taking into account the respective electrode position in relation to the muscle group. The position of the electrodes has an influence on the position of the point of application of the stimulated muscle groups and on the effect of the stimulation currents on the resulting muscle power output.
Die an den Nutzer auszugebenden Simulationsströme können allgemein über die folgende Formel berechnet werden, mit ◦ als Symbol der Funktionsverkettung:
Bevorzugt kann der Wert des Simulationsstroms zwischen einer maximal zu erzeugenden Muskelkraft
Im Verfahrensschritt a) kann bevorzugt die einzunehmende Position durch Verändern der Position einer Eingabevorrichtung durch den Nutzer und Detektieren der Positionsänderung der Eingabeeinrichtung über eine Sensoreinrichtung erfolgen.In method step a), the position to be taken can preferably be changed by changing the position of an input device by the user and Detecting the change in position of the input device via a sensor device.
Erfindungsgemäß kann es auch vorgesehen werden, das erfindungsgemäße Verfahren über eine Zeitdauer und mit einer Wiederholungsfrequenz wiederholt auszuführen, derart, dass in dem Verfahrensschritt a) anstatt einer einzelnen einzunehmenden Position alternativ eine einzunehmende Positionsabfolge über eine gewisse Zeitdauer und damit ein zu absolvierender Bewegungsablauf für die Aktuationseinrichtung durch den Nutzer vorgebbar ist, wobei dann die Verfahrensschritte a) bis f) des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer definierten Wiederholrate erneut über den Zeitablauf wiederholt ausgeführt werden.According to the invention, it can also be provided that the method according to the invention is carried out repeatedly over a period of time and with a repetition frequency such that in method step a) instead of an individual position to be assumed, a sequence of positions to be assumed over a certain period of time and thus a movement sequence to be completed for the actuating device can be specified by the user, in which case the method steps a) to f) of the method according to the invention are repeatedly carried out again over the course of time at a defined repetition rate.
Die Wiederholrate kann bevorzugt über den Bewegungsablauf veränderlich sein, insbesondere kann die Wiederholrate bei Vornahme von Bewegungen mit hohen Geschwindigkeiten erhöht werden.The repetition rate can preferably be variable over the course of the movement; in particular, the repetition rate can be increased when movements are carried out at high speeds.
Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise als Inertial Measurement Unit (IMU) oder als optische Body Tracking System ausgebildet werden, über welche/welches die Veränderung der Position, Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen zur Definition einer einzunehmenden Position bzw. einer nachzuverfolgenden Positionsabfolge vorgegeben werden kann.The sensor device can be designed, for example, as an inertial measurement unit (IMU) or as an optical body tracking system, which can be used to specify the change in position, speed and/or acceleration to define a position to be assumed or a position sequence to be tracked.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuerung einer Kraftrückkopplungsvorrichtung, welche eine Speichereinheit und mindestens einen Prozessor umfasst, wobei der Prozessor dazu angepasst ist, das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung auszuführen.According to a second aspect, the present invention relates to a control of a force feedback device, which comprises a memory unit and at least one processor, wherein the processor is adapted to carry out the inventive method according to the first aspect of the present invention.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Kraftrückkopplungsvorrichtung umfassend mindestens eine Stimulationseinrichtung, eine Steuereinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und mindestens eine Eingabeeinrichtung zur Vorgabe einer einzunehmenden Position für eine Aktuationseinrichtung.According to a third aspect of the present invention, this relates to a force feedback device comprising at least one stimulation device, a control unit according to the second aspect of the invention and at least one input device for specifying a position to be assumed for an actuating device.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Verwendung einer Steuereinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung oder einer Kraftrückkopplungsvorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens zur Rückkopplung von exogenen Kräften an einen Nutzer gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.According to the fourth aspect of the present invention, this relates to the use of a control unit according to the second aspect of the invention or a force feedback device according to the third aspect of the invention for carrying out the method for feedback of exogenous forces to a user according to the first aspect of the invention.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die angefügten Figuren Details sowie Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.Details and examples of the present invention are described below with reference to the attached figures.
Es zeigen:
-
1 : die schematische Umsetzung einer Eingabevorrichtung sowie einer Kraftrückkopplungsvorrichtung für einen Nutzer; -
2 : eine beispielhafte elektrische Schaltung einer Kraftrückkopplungsvorrichtung; -
3 : schematisch die Umwandlung einer auf eine Aktuationseinrichtung einwirkende Kraft in gelenkbezogene Kraftmomente T1 bis T3; -
4 : die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Modellierung der Körperanatomie des Nutzers zur Berechnung der rückzukoppelnden Muskelkräfte M1 und M2; -
5 die Abhängigkeit der Muskelkraft von dem angelegten Stimulationsstrom mit einer beispielhaft angenommenen linearen Approximation der Abhängigkeitsfunktion; -
6 die Umrechnung eines an den Nutzer rückzukoppelnden Kraftmomentes in einen Stimulationsstrom des Agonisten- bzw. Antagonistenmuskels.
-
1 : the schematic implementation of an input device and a force feedback device for a user; -
2 : an exemplary electrical circuit of a force feedback device; -
3 : schematically the conversion of a force acting on an actuating device into joint-related force moments T 1 to T 3 ; -
4 : the modeling of the user's body anatomy used within the scope of the present invention for calculating the muscle forces M 1 and M 2 to be fed back; -
5 the dependence of the muscular strength on the applied stimulation current with a linear approximation of the dependence function assumed as an example; -
6 the conversion of a moment of force to be fed back to the user into a stimulation current of the agonist or antagonist muscle.
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Die Eingabevorrichtung 3 umfasst gemäß Ausführungsform der
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Die
Die
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Claims (15)
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DE102020122551.2A DE102020122551A1 (en) | 2020-08-28 | 2020-08-28 | Method for feedback of exogenous forces to a user using electrical muscle stimulation, controller for controlling a force feedback device, force feedback device and use of a controller or a force feedback device |
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DE (1) | DE102020122551A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118061200A (en) * | 2024-04-19 | 2024-05-24 | 中国科学技术大学 | Force feedback method and device for teleoperation system based on vibration induction |
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2020
- 2020-08-28 DE DE102020122551.2A patent/DE102020122551A1/en active Pending
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