Receding Horizon Strategies for the Time Domain Passivity Approach in Haptics and Teleoperation

Abstract

In dieser Arbeit werden mehrere neue Ideen zur Verbesserung des Kraft-Rückkopplungssystems in haptischen Schnittstellen oder Teleoperationssystemen formuliert und bewertet. Sie werden theoretisch analysiert und praktisch untersucht. Das Ziel besteht darin, dieTransparenz der Kraft und die Benutzerfreundlichkeit des Systems zu verbessern. Dies wird durch die Einführung von Skalierungsparametern erreicht, um Energie über einen längeren Zeitraum zu dissipieren. Darüber hinaus wird vorhergesagt, wann das Systemaktiv werden könnte, um Energie präventiv zu dissipieren, oder indem die Dissipation des Controllers verlängert wird, um Oszillationen zu verhindern.Der Time Domain Passivity Approach (TDPA) ist ein etablierter Regelungsansatz zur Passivierung haptischer Geräte mittels adaptiver Dämpfung in im pedanzbasierten haptischen Geräten. Dieser Ansatz führt bekanntermaßen zu Chattering und zu steilen Gradienten des Regelsignals. In dieser Arbeit untersuchen wir zwei Strategien, um diese Effekte zu mildern. Erstens schlagen wir vor, ein zeitlich begrenztes Fenster ein-zuführen, um die erforderliche Dämpfung einzuspeisen und dadurch das Regelsignal zuglätten. Zweitens versuchen wir, das aktive Systemverhalten vorherzusagen, indem wir den Passivitätsbeobachter in der TDPA-Methode erweitern und eine Dämpfung aktivieren, wenn zukünftiges aktives Verhalten vorhergesagt wird, statt nur auf die aktuelle Energieerzeugung zu reagieren. Die entwickelten Regelungsstrategien werden zunächst theoretisch diskutiert und anschließend mittels einer haptischen Schnittstelle mit einer virtuellen Umgebung getestet, um Passivität und damit Stabilität sicherzustellen. Die vielversprechendsten Regelungsstrategien werden dann in einer Teleoperationsumgebung implementiert, um ihre Gebrauchstauglichkeit weiter zu testen. Die getesteten Ansätze verbessern das subjektive Gefühl, indem sie steile Gradienten in der Rückkopplungskraft reduzieren. Dies ist auf die verbesserte Krafttransparenz der vorgestellten Methoden zurückzuführen.

In this thesis, several new ideas to improve the force feedback in impedance-type hapticinterfaces or teleoperation systems are formulated and evaluated. They are analyzed theoretically and further examined practically. The goal is to enhance force transparency and usability of the system. This is achieved by introducing scaling parameters to dissipate energy over a longer time frame. Furthermore, predicting when the system might become active to dissipate energy preemptively, or by prolonging the dissipation of the controller to prevent oscillationThe Time Domain Passivity Approach (TDPA) is a well-established control approach for passivating haptic devices via adaptive damping in impedance-type haptic devices.This approach is known to result in chattering and steep gradients of the control signal.In this thesis, we investigate two different strategies to mitigate these effects. First, we propose using a finite-time window to inject the required damping action to smooth the control signal. Secondly, we aim to predict active system behavior by extending the passivity observer in the TDPA method and activating a damping action when future active behavior is predicted, rather than only reacting to current active energy generation.The developed control strategies are first discussed theoretically and then tested in ahaptic interface with a virtual environment to ensure passivity and, consequently, stability.The control strategies with the greatest promise are then implemented in a teleoperation setup to test their usability further. The tested approaches improve the subjective feel by reducing steep gradients in the feedback force. This can be attributed to the enhanced force transparency of the presented methods.