DE10352435A1 - Haptic input device for micro-robot, has passive component and actuator with sensors, each including software that detects device configuration based on adjusted angle and length of rotary and linear axes of component and actuator - Google Patents

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Abstract

The device has a passive component and an actuator operated in linear and rotary axes. The component and actuator include sensors that detect both the adjusted angle and length of rotary and linear axes of the component and the actuator. Each sensor includes a software that detects the device configuration from the sensed information and checks whether the transformations of the detected angle and length are executable.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Klasse von haptischen Eingabegeräten, auch haptische Interfaces genannt. Diese Klasse von Geräten zeichnet sich dadurch aus, dass sie aus verschiedenen Modulen, den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend, aufgebaut werden kann. Es handelt sich dabei um Verbindungselemente, lineare und rotatorische Achsen, die sowohl aktiv als auch passiv sein können. Dem Anwender wird ermöglicht, die haptischen Eingabegeräte aus den einzelnen Komponenten so zu konfigurieren, dass sie exakt der jeweiligen Aufgabenstellung entsprechen. Als Ergebnis sind solche Geräte intuitiv zu bedienen, sie können jeweils den ergonomischen Anforderungen angepasst werden und sind einem Baukastensystem vergleichbar umzurüsten.The The present invention also relates to a new class of haptic input devices called haptic interfaces. This class of devices draws characterized by the fact that they consist of different modules, the respective needs accordingly, can be built. These are fasteners, linear and rotary axes, both active and passive could be. The user is enabled the haptic input devices from the individual components to configure them exactly correspond to the respective task. As a result, such equipment intuitive to use, they can are adapted to the ergonomic requirements and are to convert a modular system comparable.

Ein haptisches Interface hat die Aufgabe, einem Menschen Sinneseindrücke zu vermitteln. Dabei werden physikalische Kennwerte des Manipulationsraumes (Kräfte, Temperaturen, Vibrationen etc.) dem Anwender vermittelt, indem die gemessenen physikalischen Werte in für den Menschen erfahrbare Größen umwandelt und an ihn in Echtzeit weiterleitet werden. Überwiegend werden haptische Eingabegeräte zum Vermitteln von Krafteindrücken verwendet. In diesem Fall wird von der „Kraftrückkopplung" gesprochen.One haptic interface has the task to convey a sense impressions to a person. In doing so, physical characteristics of the manipulation space (forces, temperatures, Vibrations, etc.) to the user mediated by the measured physical Values in for transforms human beings into tangible quantities and be forwarded to him in real time. Mostly haptic input devices for transmitting impressions of force uses. In this case we talk about "force feedback".

Häufigste Gründe für den Einsatz von haptischen Eingabegeräten sind Operationen an unzugänglichen oder entfernten Stellen, oft geht es auch um die Vermittlung von Größen, die vom Menschen nicht wahrnehmbar oder die für ihn gefährlich sind.Most reasons for the Use of haptic input devices are operations on inaccessible or distant places, often it is also about the mediation of Sizes that imperceptible to man or dangerous for him.

Bisher sind verschiedene haptische Eingabegeräte entwickelt worden, deren unzureichende Flexibilität beim Einsatz Probleme bereiten können.So far various haptic input devices have been developed, the insufficient flexibility can cause problems during use.

Allen haptischen Interfaces ist gemein, dass diese jeweils eine spezielle kinematische Struktur aufweisen, die nur mit einem übermäßigen Aufwand veränderbar ist.all haptic interfaces is common that these each have a special kinematic structure, which can be changed only with excessive effort is.

Roboter, wie z. B. Mikroroboter oder Medizinroboter, lassen sich dann intuitiv steuern, wenn die kinematische Struktur des haptischen Interfaces mit der Struktur des jeweils zu steuernden Roboters übereinstimmt. In der Regel werden die Geräte von Personen bedient, die keine Experten im Bereich der Robotik sind. Lange Ausbildungszeiten an den entsprechenden Systemen entfallen und möglicherweise folgenschwere Fehlbedienungen können vermieden werden, wenn die Struktur des haptischen Eingabegerätes dem zu steuernden Roboter entspricht.Robot, such as As micro robots or medical robots, can then be intuitive control when the kinematic structure of the haptic interface coincides with the structure of each robot to be controlled. In general, the devices are operated by persons who are not experts in the field of robotics are. Long training periods in the corresponding systems are eliminated and possibly Serious operating errors can occur be avoided if the structure of the haptic input device the corresponds to robot to be controlled.

Bisher müssen für neue Roboter entweder ebenfalls neue Eingabegeräte mit angepasster kinematischer Struktur entwickelt werden, oder man nimmt in Kauf, haptische Eingabegeräte zu verwenden, die wegen der Abweichung der Struktur nicht intuitiv zu bedienen sind.So far have to for new ones Robots either also new input devices with adapted kinematic Structure to be developed, or one accepts to use haptic input devices, because of the deviation of the structure not intuitive to use are.

Die haptischen Geräte, die zurzeit entwickelt werden und den Anspruch haben, für ein möglichst breites Spektrum anwendbar zu sein, weisen in der Regel eine Kinematik von 3-6 aktiven Freiheitsgraden auf. Werden mehr Freiheitsgrade benötigt, muss ein entsprechend erweitertes haptisches Gerät beschafft oder entwickelt werden. Falls weniger Freiheitsgrade ausreichend sind, aber kein entsprechendes Gerät verfügbar ist, muss entweder eine Neuentwicklung erfolgen, oder es muss ein entsprechend überdimensioniertes Gerät eingesetzt und infolgedessen eine nicht benötigte Leistung bezahlt werden. Zudem wächst dadurch die Gefahr einer Fehlbedienung.The haptic devices, which are currently being developed and have the claim to be as broad as possible Spectrum to be applicable, usually have a kinematics of 3-6 active degrees of freedom. If more degrees of freedom are needed, one has to accordingly procured or developed extended haptic device become. If less degrees of freedom are sufficient, but none corresponding device available is, must be either a new development, or it must be correspondingly oversized Device used and consequently an unneeded one Performance to be paid. In addition, growing thus the risk of incorrect operation.

Zum Stand der Technik sei auf nachstehende Publikationen verwiesen: R. J. Stone; Haptic Feedback; A Potted History; MUSE-UK sowie M. Ueberle, M. Buss; Design, Control and Evaluation of a New 6 DOF-Haptic Device; TU-Berlin.To the The state of the art is referred to the following publications: R.J. Stone; Haptic feedback; A Potted History; MUSE-UK and M. Ueberle, M. Buss; Design, Control and Evaluation of a New 6 DOF Haptic Device; TU-Berlin.

Es stellt sich die Aufgabe, ein Gerät zur Verfügung zu stellen, das nicht die oben genannten Nachteile aufweist.It the task turns a device to disposal to provide that does not have the disadvantages mentioned above.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Entwicklung und den Einsatz von Einzelkomponenten, die entsprechend einem Baukastensystem zu einem haptischen Gerät zusammengefügt werden können. Bei diesen Einzelkomponenten handelt es sich um Verbindungselemente und lineare und rotatorische Achsen in diversen Konfigurationen, die passiv und – mit entsprechender Aktorik ausgestattet – auch aktiv sein können. Dabei spielt es keine Rolle, welche Art von Aktor für die Bewegungserzeugung herangezogen wird. Je nach Anwendungsfall kann es sinnvoll sein, die einzelnen Komponenten mit geeigneter Kraftsensorik auszustatten. Hierfür kommt beispielsweise der Einsatz von Dehnungsmessstreifen, oder piezoresitiver Materialien in Frage.Is solved this task through the development and use of individual components, the assembled according to a modular system to a haptic device can. at These individual components are fasteners and linear and rotary axes in various configurations, the passive and - with equipped with appropriate actuators - can also be active. there It does not matter which type of actuator is used for motion generation becomes. Depending on the application, it may be useful to the individual Equip components with suitable force sensors. For this comes For example, the use of strain gauges, or piezoresitiver Materials in question.

Ein Endanwender kann die Komponenten, aus denen das haptische Interface bestehen soll, auswählen und so zusammenfügen, dass sich die gewünschte Konfiguration ergibt. Dadurch ist sichergestellt, dass die kinematische Struktur des haptischen Interfaces ohne großen Aufwand den jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Daneben ist dem Anwender durch Nachahmung der kinematischen Struktur der zu steuernden Roboter eine intuitive Bedienung ermöglicht.One End users can use the components that make up the haptic interface should exist and put it together that is the desired Configuration results. This ensures that the kinematic Structure of the haptic interface without great effort the respective Requirements can be adjusted. In addition, the user is through Imitation of the kinematic structure of the robots to be controlled intuitive operation.

Das Baukastensystem gestattet dem Anwender, ausschließlich die Komponenten einzubauen, die für die Anwendung erforderlich sind.The Modular system allows the user to use exclusively the To install components for the application is required.

Ein entsprechendes System für ein haptisches Eingabegerät ist bisher in der Fachwelt weder bekannt noch realisiert.One corresponding system for a haptic input device is so far neither known nor realized in the professional world.

Die Erläuterung in diesem Absatz ist lediglich beispielhaft und schränkt den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein. Idealerweise sind die Schnittstellen zwischen den Komponenten markiert, zum Beispiel durch den Einsatz von Chips, sodass beim Zusammensetzen die erstellte kinematische Struktur ohne weitere Eingabe des Endanwenders erkannt wird. Nachdem die kinematische Struktur erkannt oder eingegeben wurde, ist es möglich, die notwendigen Koordinatentransformationen zur Verfügung zu stellen, damit das jeweilige haptische Eingabegerät verwendet werden kann.The explanation in this paragraph is merely exemplary and limits the general idea of the invention is not a. Ideally, the interfaces are marked between the components, for example by the use of chips, so when composing the created kinematic structure without further input of the end user is detected. after the kinematic structure has been detected or entered, it is possible the necessary coordinate transformations, so that the respective haptic input device can be used.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den 1 bis 5 erläutert.In the following the invention with reference to embodiments and the 1 to 5 explained.

1 zeigt wesentliche Komponenten für ein haptisches Eingabegerät. Bei diesen Komponenten handelt es sich um Verbindungselemente und lineare und rotatorische Achsen in diversen Konfigurationen, die sowohl passiv als auch aktiv (inkl. Aktorik) sein können. 1 shows essential components for a haptic input device. These components are connecting elements and linear and rotary axes in various configurations, which can be both passive and active (including actuators).

2–4 zeigen drei von vielen möglichen kinematischen Strukturen, die mit einem solchen Baukastensystem erstellt werden können. Dabei handelt es sich bei 2 um eine serielle Kinematik, bei 3 um eine Parallelkinematik und bei 4 um eine hybride Kinematik. 2 - 4 show three of many possible kinematic structures that can be created with such a modular system. These are 2 to a serial kinematics, at 3 around a parallel kinematics and at 4 a hybrid kinematics.

5 zeigt ein Aktorelement für den linearen oder (rechts dargestellt) für den rotatorischen Antrieb. 5 shows an actuator element for the linear or (shown right) for the rotary drive.

Um einem Benutzer die Zusammenstellung eines entsprechenden Baukastens zur Erstellung haptischer Geräte zu erleichtern, können die aktiven Bauteile so gestaltet werden, dass diese sowohl Rotationen als auch lineare Bewegungen erzeugen können. Ein solcher Baukasten besteht aus folgenden mechanischen Bauteilen:

  • • Passives Stangenmaterial in unterschiedlichen bzw. einstellbaren Längen,
  • • Verschiedene Gelenke (vgl. 1) und
  • • Aktorelemente.
To facilitate a user's assembly of a corresponding kit for creating haptic devices, the active components can be designed so that they can generate both rotations and linear movements. Such a kit consists of the following mechanical components:
  • Passive rod material in different or adjustable lengths,
  • • Different joints (cf. 1 ) and
  • • Actuator elements.

Die Aktorelemente können das Stangenmaterial sowohl linear antreiben, oder auch zu einer Rotation anregen. In 5 ist ein solches Aktorelement schematisch dargestellt.The actuator elements can both linearly drive the rod material, or even stimulate rotation. In 5 Such an actuator element is shown schematically.

Claims (9)

Haptisches Eingabegerät, dadurch gekennzeichnet, dass dieses den Anforderungen entsprechend aus verschiedenen Modulen aufgebaut ist, wobei es sich bei diesen Modulen um Verbindungselemente sowie lineare und rotatorische Achsen handelt, die sowohl aktiv, als auch passiv sind und die Verbindung der verschiedenen Module durch stecken, schrauben, magnetisch oder dergleichen realisiert ist.Haptic input device, characterized in that it is constructed according to the requirements of different modules, these modules are connecting elements and linear and rotary axes, which are both active and passive and plug the connection of the various modules through, screw , magnetic or the like is realized. Haptische mobile Plattform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dieser Plattform das restliche haptische Interface aufgebaut ist, wobei die Plattform durch Einwirkung äußerer Kräfte, die von einem Bediener aufgebracht werden, zu einer Bewegung gezwungen werden kann und weiterhin die Kraft, die benötigt wird, um die Plattform zu bewegen, von der Richtung und dem Betrag der darzustellenden physikalischen Größe abhängt.Haptic mobile platform according to claim 1, characterized characterized in that on this platform the remaining haptic Interface is constructed, the platform by the action of external forces from be applied to an operator, be forced to move can and will continue to have the power needed to power the platform to move, from the direction and amount of the to be presented physical size depends. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbau des haptischen Eingabegerätes die Konfiguration der Komponenten automatisch erkannt wird.Sensor system according to claim 1 or 2, characterized that in the construction of the haptic input device, the configuration of the components automatically detected. Sensorik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge von den passiven linearen Achsen beispielsweise durch Verschrauben eingestellt werden kann und die so eingestellte Länge von einem integrierten Sensor erkannt wird.Sensor system according to claim 3, characterized that the length from the passive linear axes, for example by screwing can be set and the set length of one integrated sensor is detected. Sensorik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der passiven rotatorischen Achsen eingestellt werden kann und der eingestellte Winkel von einem integrierten Sensor erkannt wird.Sensor system according to claim 3, characterized that the angle of the passive rotary axes are adjusted and the set angle can be detected by an integrated sensor becomes. Sensorsystem nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestellten Längen und Winkel der verwendeten Komponenten ebenfalls durch das genannte Sensorsystem erkannt und weitergeleitet werden.Sensor system according to claim 3 to 5, characterized that the set lengths and angle of the components used also by said Sensor system detected and forwarded. Steuerungssystem nach Anspruch 3 bis Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen des Sensorsystems genutzt werden, um mit einer entsprechenden Software die Konfiguration des zusammengebauten haptischen Eingabegerätes automatisch zu erkennen, damit entsprechende Koordinatentransformationen durchführbar sind.Control system according to claim 3 to claim 6, characterized in that the information of the sensor system be used to configure with an appropriate software automatically recognize the assembled haptic input device, so that corresponding coordinate transformations are feasible. Einheitliches Aktorelement, für ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass dieses das passive Stangenmaterial sowohl linear als auch rotatorisch antreiben kann, wobei ein Endanwender keine Auswahl zwischen verschiedenen Aktoren treffen muss und das Aktorelement sowohl für die rotatorische als auch für die lineare Bewegung mit einer entsprechenden Wegsensorik ausgerüstet ist.Uniform actuator element, for a haptic input device according to claim 1 characterized in that this is the passive rod material both can drive both linear and rotational, with an end user no choice has to be made between different actuators and that Actuator element for both the rotational as well as for the linear movement is equipped with a corresponding displacement sensor. Frei konfigurierbare Schnittstelle, für ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass diese Schnittstelle eingesetzt wird, wenn die Standardkomponenten aufgrund ihrer Geometrie nicht verwendet werden können, wobei mit einer entsprechenden Software für einen Anwender die Möglichkeit besteht, die Lage und Position für die Schnittstellen an einer selbst entworfenen Komponente anzugeben, sodass die Komponenten in die Berechnung der Koordinatentransformationen einbezogen werden können.Freely configurable interface, ge for a haptic input device according to claim 1 indicates that this interface will be used if the standard components can not be used due to their geometry, with appropriate software for a user to specify the location and location for the interfaces on a self-designed component so that the components in the Calculation of coordinate transformations can be included.
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