This thesis provides guidelines for the development, control, and evaluation of kinesthetic haptic interfaces with focus on designs offering large workspaces and high force capability. It presents the mechatronic design of a new family of general purpose haptic devices strongly influenced by considerations of versatility and extensibility. The main innovation is the consideration of multiple redundant actuated joints in the kinematical design of haptic interfaces. Among the motivations for kinematical redundancies is the avoidance of interior singularities to increase the workspace while reducing the overall device size. This includes the elimination of wrist singularities resulting in an orientation workspace of 360° around each axis. The control design of the device family employs impedance and admittance control algorithms of varying complexity. The impedance control implementations use an adaptive model-based friction compensation scheme accounting for the nonlinearity and time variability of the viscous and torque dependent sliding friction of the joint components. The compensation of static friction is accomplished with a variable structure force control law. For the control of the hyper-redundant haptic interface developed in this work inverse kinematics solution algorithms based on pseudoinverse control and the inverse function approach are worked out and their applicability for human haptic interaction is explored. Hardware experiments including comparative studies for the performance evaluation of haptic control schemes validate the usability and effectiveness of the design and control concepts elaborated in this thesis.     «

This thesis provides guidelines for the development, control, and evaluation of kinesthetic haptic interfaces with focus on designs offering large workspaces and high force capability. It presents the mechatronic design of a new family of general purpose haptic devices strongly influenced by considerations of versatility and extensibility. The main innovation is the consideration of multiple redundant actuated joints in the kinematical design of haptic interfaces. Among the motivations for kinem...     »

Diese Dissertation bildet einen Leitfaden zu der Entwicklung, Regelung und Bewertung von kinästhetischen haptischen Displays mit Fokus auf Systeme mit einem Darstellungsvermögen von hohen Kräften in großen Arbeitsräumen. Sie stellt das mechatronische Design einer neuartigen Familie von universellen haptischen Eingabegeräten vor, welches von der Zielsetzung nach Einsatzflexibilität und Erweiterbarkeit geprägt ist. Eine besondere Innovation ist die Verwendung von mehreren redundanten Gelenken in der Kinematik von haptischen Displays. Ein möglicher Vorteil ist dabei die Vermeidung von inneren Singularitäten, was eine Vergrößerung des Arbeitsraums bei gleichzeitiger Reduktion der Baugröße ermöglicht. Darüber hinaus können singuläre Handgelenkskonfigurationen umgangen werden, woraus sich ein rotatorischer Arbeitsraum von 360° um jede Achse ergibt. Die Regelung der entwickelten Geräte basiert auf Impedanz- und Admittanzregelungsarchitekturen verschiedener Komplexitätsgrade. Die Impedanzregelungen verwenden eine adaptive modellbasierte Reibungskompensation, die die Nichtlinearität und Zeitvarianz der viskosen und lastabhängigen Gelenkreibung berücksichtigt. Die Kompensation der statischen Reibung wird mittels eines strukturvariablen Kraftregelgesetzes erreicht. Für die Regelung des in dieser Arbeit entwickelten hyper-redundanten haptischen Displays werden Lösungsalgorithmen für die inverse Kinematik basierend auf inversen Funktionen und Verfahren mit der Pseudoinversen erarbeitet und deren Eignung zur haptischen Mensch-Maschine-Interaktion untersucht. Hardware-Experimente, unter anderen Vergleichsstudien zur Leistungsbewertung verschiedener haptischer Regelungsstrategien, validieren die Verwendbarkeit und Leistungsfähigkeit der in dieser Dissertation ausgearbeiteten Design- und Regelungskonzepte.     «

Diese Dissertation bildet einen Leitfaden zu der Entwicklung, Regelung und Bewertung von kinästhetischen haptischen Displays mit Fokus auf Systeme mit einem Darstellungsvermögen von hohen Kräften in großen Arbeitsräumen. Sie stellt das mechatronische Design einer neuartigen Familie von universellen haptischen Eingabegeräten vor, welches von der Zielsetzung nach Einsatzflexibilität und Erweiterbarkeit geprägt ist. Eine besondere Innovation ist die Verwendung von mehreren redundanten Gelenken in d...     »