Stabile Haptische Interaktion und Regelung

Die haptische Rückmeldung basiert auf einer direkten Interaktion zwischen Mensch und Maschine. Dabei ist ein stabiles Systemverhalten von äußerster Wichtigkeit. Eine Verletzung von Stabilität kann zu unkontrollierten Schwingungen führen, die jegliche sinnvolle Interaktion unmöglich machen und sogar ein Gefährdung für den Benutzer darstellen können. Das DLR forscht an stabilen Reglungsansätzen, um realistisches Feedback aus der virtuellen Welt zu generieren und um eine effektive Interaktion mit optimalem Systemverhalten realisieren zu können. Insbesondere wurden mit Hilfe dieser regelungstechnischen Analyse optimale Regler gefunden, die die Einschwingzeit und das Überschwingen des Systems minimieren.

Die Stabilitätsanalyse berücksichtigt folgende Einflussfaktoren:

• Totzeiten, verursacht durch komplexe Berechnungen oder durch die Kommunikation zwischen Prozessen und Rechnern
• Hybride Systeme, also Systeme die sowohl aus zeitdiskreten als auch aus zeitkontinuierlichen Elementen bestehen
• Ein Model des Menschen, das Parameterunsicherheiten berücksichtigt und somit auf die Unterschiede zwischen verschiedenen Menschen eingeht

Mit dieser Analyse konnten einige grundlegen Ergebnisse aufgedeckt werden:

• Die Totzeit wirkt sich quadratisch auf die maximal erreichbare virtuelle Steifigkeit aus
• Der Mensch hat einen stabilisierenden Einfluss auf impedanzgeregelte haptische Geräte
• Passivitätsbasierte Regelungsansätze eignen sich nur begrenzt für haptisches Rendern
• Ein optimales Systemverhalten wird bei weniger als der Hälfe der maximalen stabilen Steifigkeit erzielt

Ausgewählte Veröffentlichungen

• T. Hulin: A Practically Linear Relation between Time Delay and the Optimal Settling Time of a Haptic Device, IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L) & IEEE ICRA 2017, May 2017, Singapore
• T. Hulin: Control of Hybrid Systems Affected by Time Delay with Application in Haptic Rendering, Dissertation, Leibniz Universität Hannover, April 2017
• T. Hulin, A. Albu-Schäffer, G. Hirzinger: Passivity and Stability Boundaries for Haptic Systems with Time Delay, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Volume 22, Issue 4, July 2014
• T. Hulin, R. González, A. Albu-Schäffer: Optimal Control for Haptic Rendering: Fast Energy Dissipation for Step Response, IROS2013, Nov. 2013, Tokio, Japan
• J.J. Gil, E. Sanchez, T. Hulin, C. Preusche, G. Hirzinger: Stability Boundary for Haptic Rendering: Influence of Damping and Delay, Journal of Computing and Information Science in Engineering, Volume 9, Issue 1, Mar. 2009