-
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Simulieren von Reibungskräften in
einer aktiven Handsteuerung im Positionsmodus und insbesondere auf eine Handsteuerung
im Positionsmodus mit einem synthetischen Reibungsalgorithmus, der geeignet ist zur
Verwendung bei statischen und quasi-statischen Steuerungen. Diese Erfindung kann alleine
oder in Kombination mit anderen Handsteuersystemen, wie beispielsweise jenen in den
erwähnten zugehörigen Anmeldungen verwendet werden.
-
Die hier beschriebene Erfindung wurde gemacht bei der Ausführung der Arbeit unter dem
NASA-Kontrakt Nr. NAS9-18200 und sie unterliegt den Regeln des Abschittes 305 des
National Aeronautics and Space (NASA)-Gesetzes von 1958 (42U.S.C. 2457). Die hier
beschriebene Erfindung wurde freigegeben unter NASA Waiver Case No. W-2887.
-
Diese Anmeldung ist auf die folgenden Anmeldungen bezogen:
-
1. Internationale Patentanmeldung PCT/US93/10458, angemeldet am 29. Oktober
1993 unter dem Titel "Active Hand Controller Torque Loop".
-
2. Europäische Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 92 109 790.3, angemeldet am
11. Juni 1992 mit dem Titel "Rate Mode With Force Reflection".
-
3. Internationale Patentanmeldung PCT/US93/10459, angemeldet am 29. Oktober
1993 mit dem Titel "Position Dependent Rate Dampening in an Active Hand
Controller".
Beschreibung des Standes der Technik
-
Handsteuerungen im Positionsmodus werden verwendet, um die Position eines entfernten
Werkzeuges oder Objektes gemäß der Bewegung eines Handsteuerelementes, das ebenfalls
als Griff bezeichnet wird, durch eine Bedienungsperson zu steuern. Eine wünschenswerte
Charakteristik einer Handsteuerung im Positionsmodus liegt darin, daß das
Handsteuerelement in seiner Position verbleibt, wenn keine Kraft angelegt wird. In gleicher
Weise ist es erwünscht, daß eine Bedienungsperson einfach in der Lage ist, die Bewegung
eines Handsteuerelementes auch dann auf eine einzige Achse zu begrenzen, wenn das
Element in der Lage ist, eine Bewegung entlang von mehr als einer Achse auszuführen.
-
Reibung ist im Stand der Technik in das Steuersystem eingeführt worden, um sowohl eine
Kraft vorzugeben, die das Bestreben hat, das Handsteuerelement in einer Ruheposition zu
halten, wenn keine Kraft angelegt wird, als auch ein Element entlang einer einzigen Achse
auf Grund einer Eingangskraft in dieser einzigen Achse zu bewegen.
-
Bei bekannten passiven Handsteuerungen wird gewöhnlich eine Reibung mechanisch
vorgegeben (siehe Fig. 1A und 1B). Wie in Fig. 1A gezeigt, ist die Bewegung des
Handsteuerelementes (10) entweder in der (+) oder (-)-Richtung mechanisch mit einem
Positionswandler (14) verbunden, der ein elektrisches Signal erzeugt, das in eine
Robotersteuerung eingegeben wird, die auf das gesteuerte Element über mechanische
Einrichtungen einwirkt. In solchen mechanischen Handsteuermechanismen wird häufig ein
Reibungsmechanismus vorgesehen, der die Gefühlscharakteristik liefert, wie sie in Fig. 1B
veranschaulicht ist. Dieses Modell der Reibung, das im Stand der Technik in vielen
Veröffentlichungen dokumentiert ist, definiert eine statische Reibung (manchmal als
Wegbrech-Reibung bezeichnet) und eine dynamische Reibung, die sich in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit zwischen den Gleitelementen bis zu einer nominellen Konstanten
erniedrigt. Eine mechanische Reibung kann ebenfalls in sogenannten aktiven
Handsteuerungen im Positionsmodus (d.h. Steuerungen mit motorgesteuerten
Handsteuerelementen) vorgesehen werden. In aktiven Handsteuerungen ist die Einführung
einer mechanischen Reibung aus verschiedenen Gründen nachteilig. Eine mechanische
Reibung in einer aktiven Steuerung im Positionsmodus erhöht den Leistungsverbrauch und
ist somit ineffizient. Ferner erfordert eine mechanische Lösung zur Einführung von
Reibung gesonderte mechanische Teile, die ihrerseits das Gewicht und die Größe der
Steuerung erhöhen und ihre Zuverlässigkeit herabmindem.
-
Bekannte Vorschläge für aktive Handsteuerungen im Positionsmodus umfassen die
Simulierung der Reibung mittels des Ansteuermotors für das Handsteuerelement. Diese
bekannten Vorschläge basieren allgemein auf einem Modell, welches annimmt, daß die
Reibung eine konstante der Geschwindigkeit entgegengesetzte Kraft ist. Hierbei wird der
Geschwindigkeitsvektor des Handsteuerelementes festgestellt und der Motor wird
gesteuert, um eine konstante Kraft (oder die Hinzufügung einer konstanten Kraft zu einer
anderweitig befohlenen Kraft) in einer Richtung entgegengesetzt zu dem
Geschwindigkeitsvektor zu erzeugen. Dies erfolgt entweder mit elektronischer Hardware
oder mit Software. Diese Lösung ist befriedigend im Fall einer dynamischen
Handsteuerung, wo sich das Handsteuerelement konstant in Bewegung befindet. Sie ist
jedoch nicht befriedigend für statische oder quasi-statische Anwendungen, wo sich das
Handsteuerelement häufig auf einer Geschwindigkeit von Null oder in der Nähe von Null
befindet.
Zusammenfassung der Erfindung
-
Eine Aufgabe dieser Erfindung liegt in der Vorgabe eines Verfahrens zum Simulieren von
Reibungskräften in einer aktiven Handsteuerung im Positionsmodus, wie sie im
Patentanspruch 1 definiert ist, mit einem synthetischen Reibungsalgorithmus, der eine die
Reibung simulierende Kraft vorgibt, die der Bewegung in statischen und quasi-statischen
Systemen ebenso wie in dynamischen Systemen entgegengesetzt ist.
-
Kurz gesagt gibt diese Erfindung einen synthetischen Reibungskraft-Algorithmus vor, der
simulierte statische Reibungskräfte ebenso wie dynamische Reibungskräfie liefert. Auf
jeder Seite einer Referenzposition wird eine kleine statische Reibungszone mit fester Breite
und zentriert auf der Referenzposition gebildet. Solange sich die Position des
Handsteuerelementes innerhalb dieser statischen Reibungszone befindet, verbleibt die
Referenzposition konstant und der Ansteuermotor für das Steuerelement erzeugt eine
Zentrierkraft proportional zu dem Abstand des Handsteuerelementes von der
Referenzposition (z.B. eine Kraft, die das Handsteuerelement in Richtung zu der
Referenzposition zwingt). Wenn die relative Position des Handsteuerelementes eine Kante
der statischen Reibungszone erreicht oder überschreitet, so tritt dieses in die dynamische
Reibungszone ein und der Motor legt eine konstante dynamische Reibungskraft an das
Handsteuerelement in Richtung auf die Referenzposition an. Wenn das Handsteuerelement
die Kante der statischen Reibungszone erreicht oder diese überschreitet, so wird die
Referenzposition neu definiert, um die nächstliegende Kante der statischen Reibungszone
zu der laufend gemessenen Position des Handsteuerelementes zu verschieben. Hierdurch
steuert die Position des Handsteuerelements die Position der statischen Reibungszone.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die vorstehend genannten und andere Ziele, Aspekte und Vorteile werden besser
verständlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen:
-
Figuren 1A und 1B ein Blockdiagramm einer bekannten passiven Handsteuerung
und ein Diagramm des für solche Steuerungen erwünschten
Reibungsgefühls sind.
-
Figur 2 ein Blockdiagramm eines aktiven Handsteuersystems im
Positionsmodus ist.
-
Figur 3A ein Diagramm der synthetischen Reibungskraft über der Verschiebung
des Handsteuerelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Lehre
dieser Erfindung ist.
-
Figur 3B ein Diagramm ännlich zu Figur 3A gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
-
Figur 4 ein Diagramm ist, das die Verschiebung der Referenzposition des
Handsteuerelementes in Abhängigkeit von der Verschiebung des
Handsteuerelementes veranschaulicht.
-
Figur 5 ein Flußdiagramm ist, das eine Verwirklichung eines synthetischen
Reibungskraft-Algorithmus gemäß den Lehren dieser Erfindung zeigt.
-
Figur 6 ein fünktionelles Hardwarediagramm eines Ausführungsbeispieles der
Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles der Erfindung
-
Bezug nehmend nunmehr auf Figur 2 ist ein Handsteuerelement 10 mechanisch mit einem
Steuermotor 12 und einem Positionswandler 14 gekoppelt. Zur vereinfachten Darstellung
besitzt das gezeigte System nur einen Freiheitsgrad entlang der + und - X-Verschiebeachse.
Wie der Fachmann jedoch erkennt, kann ein typisches Handsteuersystem bis zu 6
Freiheitsgrade besitzen und die Lehren dieser Erfindung können leicht bei einem solchen
Mehrachsen-Handsteuersystem angewendet werden.
-
Ein Ausgang des Positionswandlers 14 ist mit einem Positions-Steuersystem 16 für ein
entferntes Element 18 gekoppelt, dessen Position durch das Handsteuerelement 10
gesteuert wird, wie dies im Stand der Technik herkömmlich ist. Der Ausgang des
Positionswandlers 14 ist ebenfalls an den Eingang einer Motorsteuerung 20 angeschlossen,
deren Ausgang beispielsweise die Spannung über dem Steuermotor 12 steuert und somit
die durch den Steuermotor 12 an das Handsteuerelement 10 angelegte Kraft, um seine
Bewegung und Kraft in einer Weise ähnlich zu der in der internationalen Patentanmeldung
PCT/US93/10458 zu steuern.
-
Bezug nehmend nunmehr auf die Figuren 3A und 3B zeigt jede ein Diagramm der
synthetischen Reibungskraft, die durch den Steuermotor 12 an das Handsteuerelement in
Abhängigkeit von der Position des Handsteuerelementes bezüglich einer Referenzposition
(Punkt A in den Figuren 3A und 3B) angelegt wird. Eine statische Reibungszone erstreckt
sich um eine kurze Entfernung von jeder Seite der Referenzposition zu den gestrichelten
Linien 24. Hinter den gestrichelten Linien 24 befindet sich eine Zone der dynamischen
Reibung. In dem in Figur 3A veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Erfindung wächst
die synthetische Reibungskraft linear an, wenn sich das Handsteuerelement von der
Referenzposition im Punkt A zu der Grenze der statischen Reibungszone bewegt. Nachdem
das Handsteuerelement die Grenze der statischen Reibungszone überschritten hat, wird die
durch den Motor ausgeübte Kraft (synthetische dynamische Reibung) auf einem konstanten
Wert entsprechend der maximalen Kraft gehalten, die in der statische Reibungszone in
einer Richtung zu der Referenzposition angelegt wird. Im Ausführungsbeispiel von Figur
3B ist die dynamische Reibungskraft geringer als die maximale statische Reibungskraft, ein
Zustand, der eine übliche Beziehung zwischen mechanischen, statischen und dynamischen
Reibungskräften wiedergibt. Wie der Fachmann bemerkt, kann die durch den Steuermotor
12 an das Handsteuerelement 10 angelegte Kraft passenderweise durch Steuerung der
Spannung gesteuert werden, die an den Steuermotor 12 in Abhängigkeit von dem Abstand
von dem Referenzpunkt in der statischen Reibungszone angelegt wird und durch Anlegung
einer konstanten Spannung an den Steuermotor 12 in der dynamischen Reibungszone.
-
Bezug nehmend nunmehr auf Figur 4 ist die Referenzposition A anfänglich die statische
Position des Handsteuerelementes 10; diese ist als Position 1 in Figur 4 veranschaulicht.
Solange die Position B des Handsteuerelementes in der statischen Reibungszone verbleibt,
bleiben die Zonettgrenzen 24 und die Referenzposition A unverändert, was der
veranschaulichten Position 2 in Figur 4 entspricht. Immer, wenn die Position B des
Handsteuerelementes in die dynamische Reibungszone in der Position 3 von Figur 4
eintritt, wird die Referenzposition A neu im Punkt A' definiert, um die am nächsten
benachbarte Zonengrenze von 24 zu 24' der sodann laufenden Position B des
Handsteuerelementes zu verschieben. Wenn die durch die Bedienungsperson angelegte
Kraft von dem Handsteuerelement nach der Neudefinition der statischen Reibungszone
entfernt wird, so zwingt der Motor das Handsteuerelement von der Kante der statischen
Reibungszone in die neue Referenzposition.
-
Bezug nehmend nunmehr auf Figur 5 sei vermerkt, daß die Motorsteuerung 20 in üblicher
Weise als eine auf einem Mikroprozessor basierende Steuerung verwirklicht werden kann.
Figur 5 ist ein Flußdiagramm der Verfahrensschritte, die die synthetische Reibung gemäß
den Lehren dieser Erfindung vorgeben. Das Verfahren startet im Block 30 durch Messung
der Position des Handsteuerelementes. Im Block 32 wird die Referenzposition A für das
Handsteuerelement errichtet. Das Programm errichtet die statische Reibungszonengrenze
an vorbestimmten Orten in kurzem Abstand von jeder Seite der Referenzposition, was im
Block 34 geschieht. Im Block 36 wird die Position des Handsteuerelementes gemessen und
im Entscheidungsblock 38 erfolgt eine Feststellung, ob die gemessene Position innerhalb
oder außerhalb der statischen Zone liegt oder nicht.
-
Wenn das Element innerhalb der statischen Reibungszone liegt, so wird der Abstand des
Elementes von der Referenzposition im Block 40 festgestellt. Im Block 42 wird ein
Ausgangssignal erzeugt, das den Motor 12 ansteuert, so daß er eine Ausgangskraft
proportional zu dem Abstand von der Referenzposition und in Richtung auf die
Referenzposition erzeugt. Das Verfahren wiederholt sich sodann ausgehend von dem
Block 36.
-
Wenn das Handsteuerelement außerhalb der statischen Reibungszone im
Entscheidungsblock 38 liegt, so wird im Block 44 ein Ausgangssignal erzeugt, das den
Motor 12 ansteuert, so daß eine konstante Ausgangskraft in Richtung auf die
Referenzposition gebildet wird. Im in Figur 3A veranschaulichten Ausführungsbeispiel der
Erfindung entspricht diese Spannung der an den Motor angeschlossenen Spannung, wenn
das Handsteuerelement die Zonengrenze überschreitet. Im Ausführungsbeispiel von
Figur 38 ist die konstante dynamische Reibungsspannung geringfügig kleiner als die
Spannung an der Grenze der statischen Reibungszone. Zur gleichen Zeit wird die
Referenzposition im Block 46 verschoben und es werden neue Grenzen der statischen
Reibungszone im Block 48 gebildet, so daß die dichteste Grenze der statischen
Reibungszone auf der laufenden Position des Handsteuerelementes liegt. Das Verfahren
kehrt sodann zu dem Block 36 zurück.
-
Bezug nehmend nunmehr auf Figur 6 ist eine Verwirklichung der synthetischen Reibung
gemäß den Lehren dieser Erfindung veranschaulicht. Die laufende gemessene
Handsteuerposition am Anschluß 50 und ein Signal entsprechend der halben statischen
Reibungszonenbreite am Anschluß 52 werden in den Funktionsblock 54 eingegeben, der
die Referenzposition immer dann fortschreibt, wenn die gemessene Position außerhalb der
statischen Reibungszone liegt. Die Referenzposition 55 am Ausgang des Funktionsblockes
54 wird als ein Eingang auf Summierblöcke 56 und 58 gegeben, deren andere Eingänge
durch das Signal entsprechend der halben statischen Reibungszonenbreite am Anschluß 52
vorgegeben ist. Das Referenz-Positionssignal plus das Signal entsprechend der statischen
Halbzonenbreite bildet die obere Grenze der statischen Reibungszone und das Referenz-
Positionssignal minus das Signal der statischen Halbzonenbreite bildet die untere Grenze
der statischen Reibungszone. Der Funktionsblock 60 stellt fest, ob die gemessene Position
innerhalb der Grenzen liegt und er gibt ein diskretes Signal am Knoten 62 aus; wenn die
Position innerhalb der Grenzen liegt, wird der Knoten auf einen niedrigen Pegel gesetzt,
wenn die Position außerhalb der Grenzen liegt, wird der Knoten auf einen hohen Pegel
gesetzt. Der Zustand des Knotens 62 wird zu dem Funktionsblock 54 zurückgeführt,
welcher die Referenzposition immer dann fortschreibt, wenn sich der Knoten 62 auf dem
hohen Pegel befindet. Ein Vergleicher 64 liefert ein diskretes Ausgangssignal am Knoten
66; dieses besitzt den hohen Pegel, wenn die Referenzposition größer als die gemessene
Position ist und es besitzt den niedrigen Pegel, wenn die Referenzposition kleiner als die
gemessene Position ist. Der Knoten 66 ist ebenfalls auf den Funktionsblock 54 zu dem
Zweck zurückgeführt, daß, wenn der Knoten 66 den hohen Pegel aufweist, das
Referenzpositions-Ausgangssignal im Knoten 55 die Summe des gemessenen
Positionssignales an dem Anschluß 50 und des Signales der statischen Halbzonenbreite am
Anschluß 52 ist und wenn sich der Knoten 66 auf dem niedrigen Pegel befindet, das
Referenz-Positionssignal dem gemessenen Positionssignal minus dem Signal der statischen
Halbzonenbreite entspricht.
-
Der Summierblock 68 subtrahiert das Referenz-Positionssignal von dem gemessenen
Positionssignal und gibt ein Signal aus, das proportional zu dem Abstand zwischen der
Referenzposition und der gemessenen Position ist. Dieses proportionale Signal wird an den
Funktionsblock 70 angeschlossen, der linear das proportionale Signal skaliert, um ein
statisches Reibungs-Ausgangssignal am Anschluß 72 zu erzeugen. Der Schalter 74 schließt
das statische Reibungs-Ausgangssignal an den Motor 12 an, wenn die gemessene Position
innerhalb der Grenzen liegt (d.h. der Knoten 62 auf dem niedrigen Pegel ist) und er schließt
ein dynamisches Reibungssignal 76 an den Motor an, wenn die gemessene Position
außerhalb der Grenzen liegt (d.h. der Knoten 62 auf dem hohen Pegel ist).
-
Ein Signal am Anschluß 78, das dem gewiinschten Betrag der dynamischen Reibung
entspricht, wird als Eingang auf einen Einheitsverstärker 80 und auf einen Inverter 82
gegeben. Der Schalter 84 wählt den Ausgang des Verstärkers 82 aus, wenn die
Referenzposition größer als die gemessene Position ist (d.h. der Knoten 66 den hohen
Pegel aulweist) und er wählt den Ausgang des Verstärkers 80 aus, wenn die
Referenzposition geringer als die gemessene Position ist (d.h. der Knoten 66 den niedrigen
Pegel aufweist).
-
Während die Erfindung anhand eines einzigen bevorzugten Ausführungsbeispieles
beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann, daß die Erfindung mit Modifizierungen
innerhalb des Rahmens der angefügten Ansprüche ausgeübt werden kann.