Die Erfindung betrifft ein Telepräsenzsystem. In der Telepräsenz bzw. Teleoperation werden Roboter über relativ große Distanzen ferngesteuert. Dabei werden Sollkommandos von einer Bedienperson an einer Bedienvorrichtung bzw. Eingabekonsole sensoriell erfasst, verarbeitet und an einen entfernt stehenden Teleoperator übertragen. Eine Anwendung solcher Systeme ist die telemanipulierte Chirurgie, bei der z.B. ein Arzt mittels seiner Eingabekonsole manuell mehrere Roboterarme bewegt, die z.B. ein medizinisches Instrument be ^¬ wegen, um ein Lebewesen damit zu behandeln, insbesondere zu operieren. Die WO 2010/025943 AI offenbart ein Beispiel eines solchen medizinischen Arbeitsplatzes.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Teleprä ^¬ senzsystem anzugeben. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Telepräsenzsystem, aufweisend

- eine Mensch-Maschine Schnittstelle,

- einen Teleoperator, der eingerichtet ist, über einen Kommu- nikationskanal mit der Mensch-Maschine Schnittstelle bidi ^¬ rektional zu kommunizieren, und der eingerichtet ist, auf ^¬ grund von über den Kommunikationskanal übertragener und aufgrund einer manuellen Betätigung der Mensch-Maschine Schnittstelle erzeugter erster Signale eine Aktion auszu- führen, aufgrund der ausgeführten Aktion auf seine Umgebung zu reagieren und, als Antwort auf das Reagieren auf seine Umgebung, zugeordnete zweite Signale über den Kommunikati ^¬ onskanal an die Mensch-Maschine Schnittstelle zu senden, und - wenigstens eine Puffervorrichtung, die eingerichtet ist, die über den Kommunikationskanal übertragenen Signale der ^¬ art zu puffern und zeitverzögert abzugeben, sodass die von der Mensch-Maschine Schnittstelle und die von dem Teleope- rator stammenden Signale jeweils mit einer effektiven konstanten Zeitdauer zeitverzögert über den Kommunikationska ^¬ nal übertragen werden.

Das erfindungsgemäße Telepräsenzsystem ist derart ausgeführt, dass eine Person mittels der Mensch-Maschine Schnittstelle über den Kommunikationskanal den Teleoperator bedienen kann. Der Teleoperator ist z.B. als wenigstens ein Roboterarm mit mehreren, mittels Gelenken verbundenen Gliedern, Antrieben zum Bewegen der Glieder, und einer Befestigungsvorrichtung, sowie einer Steuervorrichtung zum Ansteuern der Antriebe des wenigstens einen Roboterarms ausgebildet.

Im Betrieb des erfindungsgemäßen Telepräsenzsystems reagiert der Teleoperator mit seiner Umgebung z.B. in der Form, dass wenn er einen Gegenstand anfährt, eine Kraft auf den Teleope ^¬ rator wirkt. Diese Information wird der Mensch-Maschine

Schnittstelle über den Kommunikationskanal übermittelt, so ^¬ dass diese der Person z.B. eine haptische Rückmeldung geben kann .

Insbesondere aus Stabilitätsgründen kann es erstrebenswert ein, dass der Kommunikationskanal Signale in Richtung Tele ^¬ operator mit derselben Zeitdauer verzögert wie Signale in Richtung Mensch-Maschine Schnittstelle. Um dies sicher zu stellen, umfasst das erfindungsgemäße Telepräsenzsystem die wenigstens eine Puffervorrichtung, die eingerichtet ist, die über den Kommunikationskanal übertragenen Signale derart zu puffern und zeitverzögert abzugeben, sodass die von der

Mensch-Maschine Schnittstelle und die von dem Teleoperator stammenden Signale jeweils mit einer effektiven konstanten Zeitdauer zeitverzögert über den Kommunikationskanal übertra ^¬ gen werden. Vorzugsweise, wie dies nach einer Variante des erfindungsgemäßen Telepräsenzsystems vorgesehen ist, ist die wenigstens eine Puffervorrichtung derart eingerichtet, die über den Kommunikationskanal übertragenen Signale derart zu puffern und zeitverzögert abzugeben, sodass die von der

Mensch-Maschine Schnittstelle und die von dem Teleoperator stammenden Signale effektiv mit derselben Zeitdauer zeitverzögert über den Kommunikationskanal übertragen werden.

Dadurch wird es auch bei relativ großen unterschiedlichen Zeitverzögerungen des bidirektionalen Kommunikationskanals möglich, wie dies nach einer bevorzugten Aus führungs form des erfindungsgemäßen Telepräsenzsystems vorgesehen ist, dass dessen Mensch-Maschine Schnittstelle derart ausgeführt ist, dass sie die aufgrund der manuellen Betätigung der Mensch- Maschine Schnittstelle erzeugten ersten Signale einer passi ^¬ vierenden Transformation, insbesondere einer Scattering- Transformation unterzieht, um erste transformierte Signale zu erhalten und diese über den Kommunikationskanal an den Tele ^¬ operator zu übermitteln, der Teleopertor eingerichtet ist, die empfangenen ersten transformierten Signale rück zu transformieren, um die Aktion auszuführen, die zweiten Signale einer passivierenden Transformation, insbesondere einer Scatte- ring-Transformation zu unterziehen, um zweite transformierte Signale zu erhalten und diese über den Kommunikationskanal an die Mensch-Maschine Schnittstelle zu übermitteln, und die Mensch-Maschine Schnittstelle eingerichtet ist, die empfange ^¬ nen zweiten transformierten Signale rück zu transformieren. Die Scattering-Transforamtion ist dem Fachmann als solche bekannt und dient dazu, einen Kommunikationskanal zu passivie- reren, wodurch die Stabilitätsreserven des erfindungsgemäßen Telepräsenzsystems erhöht werden. ,

Die wenigstens eine Puffervorrichtung kann z.B. derart ausge ^¬ führt sein, dass sie die über den Kommunikationskanal über ^¬ mittelten Signale puffert und zeitverzögert abgibt. Die Puf ^¬ fervorrichtung kann z.B. in den Teleoperator oder in die Mensch-Maschine Schnittstelle integriert sein.

Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Telepräsenzsystems ist die wenigstens eine Puffervorrichtung derart eingerichtet, dass sie die über den Kommunikationskanal übertragenen Signale derart puffert und zeitverzögert abgibt, sodass die von der Mensch-Maschine Schnittstelle und die von dem Tele ^¬ operator stammenden Signale mit derselben Zeitdauer, die einer maximalen, durch den Kommunikationskanal bedingten Zeitverzögerung entspricht, zeitverzögert über den Kommunikati- onskanal übertragen werden.

Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form des erfindungsgemäßen Telepräsenzsystems ist die Puffervorrichtung derart ausge ^¬ führt, dass sie die über den Kommunikationskanal übertragenen ersten transformierten Signale puffert und zeitverzögert ab ^¬ gibt, sodass der Teleoperator die von der Puffervorrichtung zeitverzögerten ersten transformierten Signale rück transformiert. Gemäß dieser Variante umfasst das erfindungsgemäße Te- lepräsenzsystem eine weitere Puffervorrichtung, die die über den Kommunikationskanal übertragenen zweiten transformierten Signale puffert und zeitverzögert abgibt, sodass die Mensch- Maschine Schnittstelle die von der weiteren Puffervorrichtung zeitverzögerten zweiten transformierten Signale zurück transformiert. Somit ist es möglich, je nachdem in welche Richtung der Kommunikationskanal übertragene Signale stärker verzögert stets Signale derart zu puffern und zeitverzögert abzugeben, dass die von der Mensch-Maschine Schnittstelle und die von dem Teleoperator stammenden Signale mit derselben Zeitdauer zeitverzögert über den Kommunikationskanal übertragen werden. Die Zeitverzögerung PT1 der Puffervorrichtung und die Zeit ^¬ Verzögerung PT2 der weiteren Puffervorrichtung können folgen- dermaßen ermittelt werden: PT2 = Tmax - Tl

PT1 = Tmax - T2. wobei Tmax wenigstens die maximale Zeitverzögerung des Kommu- nikationskanals ist, und Tl die Zeitverzögerung des Kommuni ^¬ kationskanals in Richtung Mensch-Maschine Schnittstelle / Te- leoperator und T2 die Zeitverzögerung des Kommunikationskanals in Richtung Teleoperator / Mensch-Maschine Schnittstelle ist .

Das erfindungsgemäße Telepräsenzsystem kann derart emgerich- tet sein, die Zeitverzögerungen des Kommunikationskanals mittels Zeitmessung an der Mensch-Maschine Schnittstelle und dem Teleoperator automatisch zu ermitteln.

Für eine Synchronisation des erfindungsgemäßen Telepräsenz- systems kann es vorgesehen sein, dass dieses eingerichtet ist, den Takt des Kommunikationskanals für von der Mensch- Maschine Schnittstelle gesendeter Signale mittels des Takts der Mensch-Maschine Schnittstelle zu triggern, den Takt des Teleoperators mittels des Takts des Kommunikationskanals für in Richtung Teleoperator gesendeter Signale zu triggern, und den Takt des Kommunikationskanals in Richtung Mensch-Maschine Schnittstelle mit dem Takt des Teleoperators zu triggern. Das erfindungsgemäße Telepräsenzsystem kann ferner derart eingerichtet sein, den Takt des Kommunikationskanals in Richtung Mensch-Maschine Schnittstelle gesendeter Signale und den Takt der Mensch-Maschine Schnittstelle zu vergleichen und aufgrund des Vergleichs auf ein Fehlen einer Synchronisation des Tele- präsenzsystems zu schließen. Sind z.B. diese beiden Takte nicht synchron bzw. nicht in Phase, dann kann auf ein Fehlen einer Synchronisation geschlossen werden. Das erfindungsgemäße Telepräsenzsystem ist insbesondere als ein medizinischer Arbeitsplatz ausgebildet.

Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Telepräsenzsys- tems, das auch als Teleoperationssystem bezeichnet werden kann, wird ein menschlicher Bediener (Operator) befähigt, in einer entfernten Umgebung mittels des Teloperators aktiv zu werden. Dabei kommandiert der Bediener über die Mensch- Maschine Schnittstelle den Teleoperator, der beispielsweise als ein Roboter ausgeführt ist, in der entfernten Umgebung.

Das erfindungsgemäße Telepräsenzsystem ist bidirektional aus ^¬ geführt, d.h. es werden nicht nur Signale von der Mensch- Maschine Schnittstelle zum Teleoperator gesendet, sondern auch in die entgegen gesetzte Richtung. Der Teleoperator misst z.B. verschiedene Umgebungswerte und reflektiert diese zur Mensch-Maschine Schnittstelle, die insbesondere die ent ^¬ fernte Umgebung dem Operator darstellt. Kommandierte- und re ^¬ flektierte Signale werden dabei über den Kommunikationskanal, z.B. dem Internet, ausgetauscht.

Das erfindungsgemäße Telepräsenzsystem ist insbesondere als ein bilaterales, kinästhetisch-haptisches Telepräsenzsystem ausgebildet, bei dem insbesondere Kraft- und Geschwindig ^¬ keitssignale ausgetauscht werden. Dabei wird beispielsweise ein energiebehafteter Regelkreis zwischen Operator und Teleoperator geschlossen. Verzögerungen im Kommunikationskanal können zur Instabilität des gesamten Systems führen und werden vorzugsweise durch eine passivierende Transformation, insbesondere mittels der Scattering-Transformation, stabili- siert. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist exemplarisch in den beigefügten schematischen Figuren dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Telepräsenzsystems ,

Fig. 2 einen medizinischen Arbeitsplatz als Beispiels eines

Telepräsenzsystems und Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer für das Telepräsenzsystem durchgeführten Synchronisation und Verifikation.

Die Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Telepräsenzsys- tems 1, das z.B. als ein in der Fig. 2 gezeigter medizinischer Arbeitsplatz 21 ausgeführt sein kann.

Das Telepräsenzsystem 1 weist eine Mensch-Maschinen Schnittstelle 2 und einen Teleoperator 3 auf, die über einen Kommu- nikationskanal 4 miteinander kommunizieren. Der Kommunikationskanal 4 ist beispielsweise ein Datenübertragungsnetz, z.B. das Internet.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Tele- Operator 3 als eine Steuervorrichtung 30 und mehrere Roboterarme 22, 23 ausgeführt, die jeweils mehrere, über Gelenke verbundene Glieder aufweisen und deren Bewegungen mittels der mit dem Kommunikationskanal 4 verbundenen Steuervorrichtung 30 gesteuert oder auch geregelt werden. Mittels der Roboter- arme 22, 23 kann z.B. ein auf einer Patientenliege 24 liegendes Lebewesen 25 behandelt werden.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfasst der medizinische Arbeitsplatz 21 eine Bedienkonsole 26, die bei- spielsweise eine Anzeigevorrichtung 27 und manuelle Eingabe- Vorrichtungen 28, 29 aufweist, mittels derer eine Person 5, z.B. ein Chirurg, die Roboterarme 22, 23 telemanipulieren kann. Die beiden Eingabevorrichtung 28, 29 sind ein Beispiels der Mensch-Maschine Schnittstelle 2 des Telepräsenzsystems 1.

Bei einer manuellen Bewegung der Eingabevorrichtungen 28, 29 durch die Person 5 werden z.B. die Eingabevorrichtungen 28, 29 mit einer Geschwindigkeit v bewegt, wodurch die Eingabevorrichtungen 28, 29 bzw. die Mensch-Maschinen Schnittstelle 2 entsprechende Signale erzeugt, welche eine Information über die Geschwindigkeit v aufweisen.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die

Mensch-Maschinen Schnittstelle 2 derart ausgeführt, dass die- se die Geschwindigkeit v zunächst der sogenannten, dem Fachmann jedoch bekannten Scattering-Transformation unterzieht. Dies ist mittels eines Funktionsblocks 6 der Mensch-Maschine Schnittstelle 2 in de Fig. 1 veranschaulicht. Die Parameter der Scattering-Transformation sind, wie es dem Fachmann im b-v + F b-v— F Prinzip bekannt ist, die Parameter s =—, und n =—, mit frei wählbarer Konstante b.

Die mittels der Scattering-Transformation transformierte Geschwindigkeit wird anschließend über den Kommunikationskanal 4 an die Steuervorrichtung 30, allgemein an den Teleoperator 3, übertragen. In Richtung Mensch-Maschine Schnittstelle 2 / Teleoperator 3 stellt der Kommunikationskanal 4 einen ersten Teilkommunikationskanal 4a mit einer Zeitverzögerung (Kommu- nikationslatenz ) Tl dar.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die Steuervorrichtung 30 bzw. der Teleoperator 3 derart ausgeführt, dass er zunächst die über den Teilkommunikationskanal 4a er- haltene transformierte Geschwindigkeit z.B. mittels eines Puffers 3a zwischenspeichert und zeitverzögert die transfor ^¬ mierte Geschwindigkeit zurück transformiert, sodass sich z.B. der relevante Roboterarm 22, 23, gesteuert durch die Steuer- Vorrichtung 30, entsprechend der manuellen Bewegung der Eingabevorrichtungen 28, 29 bewegt. Die Rücktransformation ist mittels eines Funktionsblocks 7 des Teleoperators 3 in der Fig. 1 veranschaulicht. Der Puffer 3a des Teleoperators 3 verzögert im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels das der transformierten Geschwindigkeit zugeordnete Signal um ei ^¬ ne Zeitdauer PT1.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels interagiert der Teleoperator 3 mit der im Vergleich zur Mensch-Maschine Schnittstelle 2 entfernten Umgebung 8 z.B. derart, dass der relevante Roboterarm 22, 23 ein medizinisches Instrument in das Lebewesen 25 einführt. Aufgrund dieser Interaktion erfährt der Teleoperator 3 z.B. eine Kraft F, deren zugeordnetes Signal der Teleoperator 3 mittels des Funktionsblocks 7 einer Scattering-Transforamtion unterzieht.

Die mittels der Scattering-Transformation transformierte Kraft wird anschließend über den Kommunikationskanal 4 an die Eingabevorrichtungen 28, 29, allgemein an die Mensch-Maschine Schnittstelle 2 übertragen. In Richtung Teleoperator 3 /

Mensch-Maschine Schnittstelle 2 stellt der Kommunikationska ^¬ nal 4 einen zweiten Teilkommunikationskanal 4b mit einer Zeitverzögerung (Kommunikationslatenz bzw. Kommunikationsverzögerung) T2 dar.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die

Mensch-Maschine Schnittstelle 2 derart ausgeführt, dass sie zunächst die über den Teilkommunikationskanal 4b erhaltene transformierte Kraft z.B. mittels eines Puffers 2a zwischen- speichert und zeitverzögert die transformierte Kraft zurück transformiert, sodass z.B. die Eingabevorrichtungen 28, 29 eine der Kraft am relevanten Roboterarm 22, 23 haptische Rückmeldung an die Person 5 erzeugen. Die Rücktransformation ist mittels des Funktionsblocks 6 der Mensch-Maschine

Schnittstelle 2 in der Fig. 1 veranschaulicht. Der Puffer 2a der Mensch-Maschine Schnittstelle 2 verzögert im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels das der transformierten Kraft zugeordnete Signal um eine Zeitdauer PT2.

Um eine stabile Übertragung der Signale über den Kommunikati ^¬ onskanal 4 zu erhalten, wird dieser mittels der Scattering- Transformation passiviert. Damit dies zufriedenstellend rea ^¬ lisiert werden kann, sollte der Kommunikationskanal 4 in bei- de Richtungen jeweils konstante Zeitverzögerung der übertragenen Signale aufweisen. Vorzugsweise können beide Zeitverzö ^¬ gerungen dieselben sein, d.h. die Zeitverzögerungen der Teilkommunikationskanäle 4a, 4b können gleich und konstant sein. Dies ist bei realen Kommunikationskanälen in der Regel nicht der Fall, da diese in der Realität in der Regel variieren.

Da für das vorliegende Ausführungsbeispiels sowohl die Signa ^¬ le von der Mensch-Maschine-Schnittstelle 2 zum Teleopearator 3 und die Signal vom Teleoperator 3 zur Mensch-Maschine- Schnittstelle 2 für die Übertragung über den Kommunikations ^¬ kanal 4 der Scattering-Transformation unterzogen werden, ergeben sich im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels fol ^¬ gende Parameter mit der frei wählbaren Konstante b b-v mmi + F mmi

b-v m mmmii — ^ F mmi wobei :

q _± die abgehende Scattering Variable (Englisch: „incident wa- ve") auf der Seite der Mensch-Maschine-Schnittstelle 2, g die eintreffende Scattering Variable (Englisch: „reflected wave") auf der Seite des Teleoperators 3, h _r die abgehende Scattering Variable auf der Seite des Tele ^¬ operators 3, g die eintreffende Scattering Variable auf der Seite der Mensch Maschine Schnittstelle 2 ist,

Vmmi die Geschwindigkeit der Mensch-Maschine-Schnittstelle 2 und v _to die Geschwindigkeit des Teleoperators 3 ist, und

Fj _nm i die Kraft ist, die durch die Mensch-Maschine Schnittstel ^¬ le 2 der Person 5 eingeprägt wird, und F _to die Kraft ist, die vom Teleoperator 3 auf die entfernte Umgebung 8 ausgeübt wird.

Zumindest in vielen, wenn nicht gar in den meisten oder allen Fällen kann jedoch eine maximale Zeitverzögerung Tmax des Kommunikationskanals 4 bestimmt werden, die insbesondere mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht überschritten wird. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind dafür die Pufferungen der erhaltenen Signale an der Mensch-Maschine Schnittstelle 2 bzw. am Teleoperator 3 beispielsweise mittels der Puffer 2a, 3a vorgesehen, die derart das kommandierte so- wie das reflektierte Signal verzögern, dass eine konstante Verzögerung erreicht wird. Durch eine Zeitmessung an der Mensch-Maschine Schnittstelle 2 und am Teleoperator 3 und Stempelung von über den Kommunikationskanal 4 übermittelter Kommunikationspakete werden z.B. vor einem Betrieb des medi- zinischen Arbeitsplatzes 21, allgemein des Telepräsenzsystems 1 die Zeitdauern Tl _r T2, also die Kommunikationslatenzen des Kommunikationskanals 4 bestimmen. Für die Laufzeit komman ^¬ dierter Pakete, also die Zeitdauer Tl, die das Datenpaket von der Mensch-Maschine Schnittstelle 2 zum Teleoperator 3 benö- tigt, wenn es über den Kommunikationskanal 4 übermittelt wird, gilt:

Tl = -t wobei t ₂ der Zeitpunkt ist, an dem das Datenpaket den Tele ^¬ operator 3 erreicht, und t _± der Zeitpunkt ist, an dem das Da ^¬ tenpaket die Mensch-Maschine Schnittstelle 2 verlässt.

Für die Laufzeit reflektierter Datenpakete, also die Zeitdau- er T2, die das Datenpaket vom Teleoperator 3 zur Mensch- Maschine Schnittstelle 2 benötigt, wenn es über den Kommuni ^¬ kationskanal 4 übermittelt wird, gilt:

T2 = -t ₃ wobei t ₃ der Zeitpunkt ist, an dem das Datenpaket den Tele ^¬ operator 3 verlässt, und t ₄ der Zeitpunkt ist, an dem das Da ^¬ tenpaket die Mensch-Maschine Schnittstelle 2 erreicht. Mit Angabe der maximale Zeitverzögerung Tmax des Kommunikati ^¬ onskanals 4 und den Zeitdauern Tl _r T2 lassen sich die Längen der Pufferungen (Zeitdauern PT1 _r PT2) der Puffer 2a, 3a bestimmen :

PT2 = Tmax - Tl PT1 = Tmax - T2. Als Resultat der Synchronisation und der Pufferungen entsteht eine konstante resultierende Kommunikationslatenz des Kommu ^¬ nikationskanals 4 in beide Richtungen, die der maximale Zeit ^¬ verzögerung Tmax entspricht. Die maximale Zeitverzögerung Tmax wird dann als ein Parameter der beiden Scattering-Transformationen verwendet.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden die Mensch-Maschine Schnittstelle 2, der Teleoperator 3 und der Kommunikationskanal 4 synchronisiert. Die Fig. 3 veranschau ^¬ lich die Synchronisation der Bussysteme von Mensch-Maschine Schnittstelle 2, Kommunikationskanal 4 und Teleoperator 3.

Zunächst wird der Takt der Mensch-Maschine Schnittstelle 2 als Referenztakt heran gezogen. Über diesen wird zunächst der Takt des Teilkommunikationskanals 4a des Kommunikationskanals 4 für das kommandierte Signal, also für das für den Teleope ^¬ rator 3 bestimmte Signal getriggert. Dieser wirkt daraufhin als Taktgeber für den Takt des Teleoperators 3. Der Takt des Teleoperators 3 wiederum triggert den Takt des Teilkommunika ^¬ tionskanals 4b des Kommunikationskanals 4 für das reflektier ^¬ te Signal, also für das vom Teleoperator 3 erzeugte und für die Mensch-Maschine Schnittstelle 2 bestimmte Signal. Der Takt des Teilkommunikationskanals 4b des Kommunikations ^¬ kanals 4 wird daraufhin mit dem Referenztakt, also mit dem Takt der Mensch-Maschine Schnittstelle 2 verglichen. Bei ei ^¬ nem Phasenunterschied wird auf einen Fehler bei der Synchro- nisation der verschiedenen Takte geschlossen.