Telepresence systems allow a human operator to act in a remote, inaccessible, dangerous or scaled environment and receive feedback from it without physically being there. Applications range from underwater and space teleoperation to minimally invasive surgery and nano-manipulation. The haptic (motion and force) feedback system - additional to the auditory and visual modality - enables the realistic and efficient manipulation in the remote environment. Ideally, a telepresence system is transparent, i.e. the human cannot distinguish between direct and tele-interaction with the remote environment. Stability and transparency of haptic telepresence systems over non-ideal communication networks are challenging control problems. The human operator and the remote environment are both unknown dynamical systems in a global closed control loop. Additionally, the human operator plays a special role in the closed control loop, in that he/she a) is coupled with the telepresence system through energy exchange, affecting it with his/her dynamics, and b) perceives the remote environment through the telepresence system with the degree of transparency strongly influencing his/her evaluation thereof. Consequently, the human operator should be an inextricable component of the control design process. The global control loop is closed through a communication network with time delay and other network-induced unreliabilities, such as packet loss. Without further control measures this may degrade the transparency of the telepresence system and even destabilize it. An additional challenge are the limited network resources, e.g. in underwater or space teleoperation. The ultimate goal would be to mitigate this, without impairing the system stability or distorting the human user experience. This dissertation provides a comprehensive control-design concept for telepresence systems over non-ideal communication networks by bringing the perspectives of stability, transparency, and network utilization together using a common point of reference: the human operator. A novel control framework is proposed, in which the exact modeling of dynamics is circumvented through the use of the theory of dissipative systems. We manage to guarantee stability with communication unreliabilities and to improve the transparency of the system despite having only approximate knowledge on the human operator's (or other subsystems') energetic behavior. Unique compared to existing literature is the utilization of the grip force of a human operator. Using this haptic measure, the human arm dynamics can be estimated online and used for the parametrization of the control mechanisms. Finally, with regard to the communication-related challenges, an efficient method of transmitting haptic data is developed considering human factors, such as the haptic discrimination abilities of the human and the task performance. Haptic data can be reduced significantly, without impairing the human's perception of the remote environment. The proposed methods are, throughout the thesis, extensively evaluated on telepresence systems with multiple degrees-of-freedom.     «

Telepresence systems allow a human operator to act in a remote, inaccessible, dangerous or scaled environment and receive feedback from it without physically being there. Applications range from underwater and space teleoperation to minimally invasive surgery and nano-manipulation. The haptic (motion and force) feedback system - additional to the auditory and visual modality - enables the realistic and efficient manipulation in the remote environment. Ideally, a telepresence system is transparen...     »

Telepräsenzsysteme ermöglichen dem Menschen, in einer entfernten, unerreichbaren, gefährlichen oder skalierten Umgebung zu agieren, ohne selbst vor Ort zu sein. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich von der Teleoperation unter Wasser und im Weltraum bis hin zu minimal-invasiver Chirurgie und Nanomanipulation. Dabei ermöglicht erst die haptische Modalität (Bewegung und Kraft) - zusätzlich zur visuellen und auditorischen Modalität - die wirklichkeitsnahe und effiziente Manipulation in der entfernten Umgebung. Im Idealfall ist das Telepräsenzsystem transparent für den/die Bediener/in, d.h. er/sie kann nicht zwischen direkter und Tele-Interaktion mit der entfernten Umgebung unterscheiden. Die Gewährleistung von Stabilität und Transparenz haptischer Telepräsenzsysteme über nicht-ideale Kommunikationsnetzwerke stellt dabei eine große Herausforderung für die Regelung dar. Der bedienende Mensch und die entfernte Umgebung sind Teilsysteme mit weitestgehend unbekannter Dynamik, welche Teil eines global geschlossenen Regelkreis sind. Eine besondere Rolle nimmt dabei der bedienende Mensch ein, da er/sie a) durch Energieaustausch mit dem Telepräsenzsystem verkoppelt ist und dessen Dynamik beeinflusst, und b) über das Telepräsenzsystem die Umgebung sensorisch erfasst und die empfundene Wirklichkeitsnähe stark von der Wahl der Regelungalgorithmen abhängt. Aus diesem Grund ist der Mensch ein unverzichtbares Element beim Regelungsentwurf. Darüber hinaus ist der geschlossene Regelkreis mit Zeitverzögerung und anderen kommunikationsnetzinduzierten Unsicherheiten, wie z.B. Paketverlust, behaftet, was ohne geeignete Regelungsmechanismen die Stabilität und Transparenz des Systems gefährdet. Zusätzlich stellen begrenzte Kommunikationsnetzresourcen, wie sie z.B. unter Wasser oder im Weltraum gegeben sind, eine weitere Herausforderung dar. Aus diesem Grund ist die effiziente übertragung haptischer Daten unter der Berücksichtigung von Stabilität und menschlicher Wahrnehmung von großer Wichtigkeit. Diese Dissertation stellt ein umfassendes Regelungsentwurfskonzept für Telepräsenzsysteme über nicht-ideale Kommunikationsnetze vor, wobei die Kriterien Stabilität, Regelungsperformanz und Kommunikationsnetzauslastung im Bezug auf den Menschen evaluiert werden. Ein neuartiges Regelungskonzept wird vorgestellt, welches auf die exakte Modellierung des Menschen (oder anderer Teilsysteme) mittels der Theorie dissipativer Systeme verzichtet. Für den Regelungsentwurf ist nur approximatives Wissen über das Energieverhalten der Subsysteme ist erforderlich, um die Stabilität des Telepräsenzssystems mit Kommunikationsunsicherheiten zu garantieren und dessen Transparenz zu verbessern. Einzigartig im Vergleich zur bisherigen Literatur, ist die Verwendung der Greifkraft des bedienenden Menschen zur Schätzung der Dynamik des menschlichen Armes, welche zur Parametrierung der Regelungsmechanismen herangezogen werden kann. Des Weiteren wird eine effiziente Methode zur übertragung haptischer Daten vorgestellt, bei der menschliche Faktoren wie die haptisch Unterscheidungsfähigkeit des Menschen und die Aufgabenleistung berücksichtigt werden. Damit kann die Menge der zu übertragenden haptischen Daten maßgeblich reduziert werden ohne die Transparenz des Systems zu beeinträchtigen. Die vorgeschlagenen Ansätze sind in Experimenten mit Telepräsenzsystemen mit mehreren Freiheitsgraden umfangreich evaluiert worden.     «

Telepräsenzsysteme ermöglichen dem Menschen, in einer entfernten, unerreichbaren, gefährlichen oder skalierten Umgebung zu agieren, ohne selbst vor Ort zu sein. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich von der Teleoperation unter Wasser und im Weltraum bis hin zu minimal-invasiver Chirurgie und Nanomanipulation. Dabei ermöglicht erst die haptische Modalität (Bewegung und Kraft) - zusätzlich zur visuellen und auditorischen Modalität - die wirklichkeitsnahe und effiziente Manipulat...     »