DE19509680A1 - Hand-movement detector for three=dimensional data-glove input to computer and robotics - Google Patents
Hand-movement detector for three=dimensional data-glove input to computer and roboticsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsungebundenen Erfassung von Handneigungen und -bewegungen. Die Vorrichtung kann zur Eingabe von dreidimensionalen Neigungs- und Bewegungsdaten in Computersysteme sowie für Steuerungsaufgaben im Bereich der Robotik, der Industrie, der Raumfahrt und der Medizin (z. B. zur Steuerung der Visualisierung medizinischer Bilddaten) eingesetzt werden. Aufgrund ihrer inhärent hohen zeitlichen Auflösung eignet sie sich insbesondere zur Erfassung menschlicher Handbewegungen, wie sie z. B. von Gehörlosen generiert werden.The invention relates to a device for location - independent detection of Hand inclinations and movements. The device can be used to enter three-dimensional inclination and movement data in computer systems as well as for Control tasks in the field of robotics, industry, space travel and medicine (e.g. to control the visualization of medical image data). Due to its inherently high temporal resolution, it is particularly suitable for Detection of human hand movements, such as z. B. generated by the deaf.
Die Erfindung läßt sich auch hervorragend mit beliebigen, auf dem Markt erhältlichen Datenhandschuhen kombinieren und erweitert deren Anwendungs- und Leistungsspektrum beträchtlich.The invention can also be excellently used with any of those available on the market Data gloves combine and expand their range of applications and services considerably.
Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstellen, der dreidimensionalen Eingabegeräte für Datenverarbeitungsanlagen sowie der dreidimensionalen Ortungssysteme. Sie läßt sich ebenfalls dem Gebiet der Datenhandschuhe (zu englisch "datagloves") zuordnen, da diese meist ein 3D- Ortungssystem verwenden.The invention is in the technical field of human-machine interfaces three-dimensional input devices for data processing systems and the three-dimensional positioning systems. It can also be the area of Assign data gloves (to English "datagloves"), since these are usually a 3D Use location system.
Die Bestimmung der dreidimensionalen Position und Orientierung eines Objekts im Raum ist eine in der Technik häufig gestellte Aufgabe, zu deren Lösung es eine Vielzahl von Geräten gibt. Ihr physikalisches Funktionsprinzip beruht meist auf der Messung von Abständen, welche durch die Bestimmung von Signallaufzeiten oder -intensitäten ermittelt werden. Die Signale sind z. B. elektromagnetischer oder akustischer Natur.The determination of the three-dimensional position and orientation of an object in space is a common task in engineering, and there are a variety of solutions to solving it Devices there. Their physical operating principle is mostly based on the measurement of Intervals that are determined by determining signal transit times or intensities will. The signals are e.g. B. electromagnetic or acoustic nature.
- - Der Polhemus Sensor (Polhemus, 3 Space user′s manual, A Kaiser Aerospace & Electronics Company, Mai 1987) enthält drei senkrecht zueinander angeordnete Spulen, die als Empfänger dienen. An einem festen Referenzpunkt sind drei ebenfalls senkrecht aufeinander stehende Sendespulen angebracht, die ein elektromagnetisches Feld ausstrahlen. Dessen Intensität wird in den Empfängerspulen gemessen, woraus die Position des Empfängers berechnet werden kann. Ein ähnliches Gerät ist der "The Flock of BirdsTM" (The Flock of BirdsTM, Position and Orientation Measurement System, Installation and Operation Guide, 25. Mai 1993, © 1993 Ascension Technology Corporation, POB 527, Burlington, Vermont 05402).- The Polhemus sensor (Polhemus, 3 Space user's manual, A Kaiser Aerospace & Electronics Company, May 1987) contains three coils arranged perpendicular to each other, which serve as receivers. At a fixed reference point there are three transmission coils that are also perpendicular to one another and emit an electromagnetic field. Its intensity is measured in the receiver coils, from which the position of the receiver can be calculated. A similar device is the "The Flock of Birds TM " (The Flock of Birds TM , Position and Orientation Measurement System, Installation and Operation Guide, May 25, 1993, © 1993 Ascension Technology Corporation, POB 527, Burlington, Vermont 05402).
- - Das GP-8-3D (Three Dimensional Sonic Digitizer Model GP-8-3D, Science Accessories Corporation, Southport, CT) funktioniert auf der Basis von Ultraschallmessungen, bei denen die Signallaufzeit ermittelt und per Triangulation die Position des Senders festgestellt wird. Dazu sind im Umfeld des Senders mehrere Empfänger angeordnet, die vom Sender ausgestrahlte Pulse registrieren. Die 3D-Ultraschallmaus von Logitech (c′t - magazin für computertechnik, Mai 1992, S. 37) funktioniert nach demselben Prinzip.- The GP-8-3D (Three Dimensional Sonic Digitizer Model GP-8-3D, Science Accessories Corporation, Southport, CT) works on the basis of ultrasound measurements which determines the signal propagation time and triangulates the position of the transmitter is detected. For this purpose, several receivers are arranged in the vicinity of the transmitter Register the pulses emitted by the transmitter. The 3D ultrasound mouse from Logitech (c′t - magazin für computertechnik, May 1992, p. 37) works on the same principle.
- - Das GPS (Global Positioning System) (z. B. beschrieben in: Precise Tracking of Remote Sensing Satellites With the Global Positioning System, Yunck, T. P., Sien-Chong Wu, Jiun-Tsong Wu, Thornton, C. L., IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Band 28, Heft 1, Januar 1990) ist ein globales Navigationshilfssystem, bei dem in der Erdumlaufbahn befindliche Satelliten, deren Position exakt bekannt ist, hochgenaue Zeitsignale ausstrahlen. Der Empfänger, dessen Position bestimmt werden soll, kann anhand der Laufzeitunterschiede der Signale von vier unterschiedlichen Satelliten seine räumlichen Koordinaten metergenau errechnen.- The GPS (Global Positioning System) (e.g. described in: Precise Tracking of Remote Sensing Satellites With the Global Positioning System, Yunck, T.P., Sien-Chong Wu, Jiun-Tsong Wu, Thornton, C.L., IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Volume 28, Issue 1, January 1990) is a global navigation aid system in which the Earth orbit satellites, whose position is known exactly, highly accurate Broadcast time signals. The recipient whose position is to be determined can based on the transit time differences of the signals from four different satellites calculate spatial coordinates to the meter.
- - Bei der Firma Siemens ist ein System entwickelt worden (Maggioni, C., A Novel Device for Using the Hand as a Human Computer Interface, Proceedings of the HCI, 1993, England), welches es gestattet, die Bewegungen einer Hand mittels einer Videokamera in einem begrenzten räumlichen Bereich aufzunehmen und zu vermessen. Dazu wird das Prinzip der optischen Triangulation verwendet.- A system has been developed at Siemens (Maggioni, C., A Novel Device for Using the Hand as a Human Computer Interface, Proceedings of the HCI, 1993, England), which allows the movements of one hand to be recorded using a video camera to record and measure a limited spatial area. This will be Principle of optical triangulation used.
- - Der SpaceBall (z. B. beschrieben in: Ein Testbett für Virtual Reality Komponenten zur Unterstützung medizinischer Applikationen, Faulkner, G., Krauss, M., Workshop Digitale Bildverarbeitung in der Medizin, Universität Freiburg, 2.-3. März 1994) verwendet ein gänzlich anderes Prinzip. Das ballförmige Gerät ermittelt über Kraftmeßstreifen die Torsions-, Schub-, Druck- und Zugkräfte, die der Benutzer mit seiner Hand auf die Eingabekugel ausübt. Dadurch lassen sich - bei räumlich stationärem Eingabegerät - Rotations- und Translationsvektoren zur weiteren computergestützten Verarbeitung generieren.- The SpaceBall (e.g. described in: A test bed for virtual reality components for Support for medical applications, Faulkner, G., Krauss, M., Workshop Digitale Image processing in medicine, University of Freiburg, 2.-3. March 1994) uses a completely different principle. The ball-shaped device determines the Torsional, thrust, compressive and tensile forces that the user applies to the hand Exercises input ball. This allows - with a spatially stationary input device - Rotation and translation vectors for further computer-aided processing to generate.
- - Im US-Patent 4,414,537 wird ein Handschuh beschrieben, der Handneigungen und ruckartige Handbewegungen extrem rudimentär mittels Quecksilber- und Trägheitsschaltern bestimmt. - In US Patent 4,414,537 a glove is described, the hand inclinations and jerky hand movements extremely rudimentary using mercury and Inertia switches determined.
- Mit besonderem Bezug zum beabsichtigten Einsatzgebiet der Erfindung sind auch einige der allgemein als "Datenhandschuh" bekannten Vorrichtungen zu nennen:There are also some with particular reference to the intended field of application of the invention to name the devices commonly known as "data gloves":
- - Der TUB-Sensorhandschuh (DE-Patent 42 40 531) wurde von den Erfindern entworfen und gebaut. In der genannten Patentschrift finden sich Quellen zu verwandten Vorrichtungen.- The TUB sensor glove (DE-Patent 42 40 531) was designed by the inventors and built. Sources for related devices can be found in the cited patent.
- - Der VPL-DataGloveTM (US-Patent 4,988,981) ist ein weitverbreitetes kommerzielles Eingabegerät für menschliche Fingerbewegungen.- The VPL-DataGlove ™ (US Patent 4,988,981) is a widely used commercial input device for human finger movements.
Für die ortsungebundene Erfassung von Handneigungen und -bewegungen sind die bisherigen Systeme mit verschiedenen Mängeln behaftet, die sie für diesen Zweck unbrauchbar machen.These are for the location-independent recording of hand inclinations and movements previous systems have various shortcomings that they have for this purpose to make something useless.
Alle bisherigen Systeme (Ausnahme: US-Patent 4,414,537) benötigen stets externe Referenzpunkte, die z. B. in Form von Ultraschallempfängern mit bekannter Position bereitgestellt werden müssen, damit der Ort des Senders per Triangulation errechnet werden kann. Dies steht der Anforderung der Ortsungebundenheit unmittelbar entgegen. Das GPS läßt sich zwar überall auf der Erde einsetzen, jedoch ist seine Auflösung (Meterbereich) zu gering, als daß damit Handbewegungen erfaßt werden könnten. Das System der Firma Siemens benötigt eine stationäre Kamera. Der SpaceBall ist ebenfalls für den stationären Betrieb eingerichtet. Handbewegungen z. B. im Sinne von dynamischen Gebärden Gehörloser lassen sich mit ihm gar nicht erfassen.All previous systems (exception: US Patent 4,414,537) always require external ones Reference points, e.g. B. in the form of ultrasound receivers with a known position must be provided so that the location of the transmitter is calculated using triangulation can be. This is directly contrary to the requirement of being independent of location. The GPS can be used anywhere on earth, but its resolution (Meter range) too small to be able to detect hand movements. The The Siemens system requires a stationary camera. The SpaceBall is also for set up stationary operation. Hand movements e.g. B. in the sense of dynamic Signs of the deaf cannot be recorded with it.
Die Notwendigkeit externer (= nicht auf der Hand befindlicher) Hilfsmittel für die Neigungs- und Bewegungsmessungen erhöht den Platzbedarf bisheriger Meßanordnungen und schränkt dadurch ihr Einsatzgebiet ein.The need for external (= not at hand) tools for the Inclination and movement measurements increase the space requirement of previous measuring arrangements and thereby limits their area of application.
Das im US-Patent 4,414,537 beschriebene Eingabegerät ermittelt seine räumliche Orientierung zwar ohne externe Hilfsmittel, jedoch kann die Neigung der Hand bzw. ihre Bewegung mittels der Quecksilber- und Trägheitsschalter nur in binärer Form gemessen werden (Neigung - keine Neigung; ruckartige Bewegung - keine Bewegung). Kontinuierliche Bewegungen mit einem großen dynamischen Bereich können damit nicht erfaßt werden.The input device described in U.S. Patent 4,414,537 determines its spatial Orientation without external aids, however, the inclination of the hand or hers Motion measured using the mercury and inertia switches only in binary form become (inclination - no inclination; jerky movement - no movement). Continuous movements with a large dynamic range cannot be recorded.
Bei den mit elektromagnetischen Feldern operierenden Vorrichtungen gibt es außerdem das grundlegende Problem, daß die Positionsmessungen z. T. empfindlich durch in unmittelbarer Nähe befindliche Metallgegenstände und Störsender wie Videomonitore beeinflußt werden.There are also devices operating with electromagnetic fields the basic problem that the position measurements z. T. sensitive by in nearby metal objects and jammers such as video monitors to be influenced.
Bei der Ortung mit Ultraschall sorgen Luftturbulenzen mit zunehmendem Abstand zwischen Sender und Empfänger für rasch größer werdende Meßfehler. Gerade bei Ultraschall besteht auch die grundsätzliche Schwierigkeit, daß nur geringe Meßraten möglich sind, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in jeweiligen physikalischen Medium (meistens Luft) begrenzt und - verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit - gering ist.When locating with ultrasound, air turbulence increases with distance between transmitter and receiver for rapidly increasing measurement errors. Especially with Ultrasound also has the basic difficulty that only low measuring rates are possible because the speed of propagation of the sound waves in each limited physical medium (mostly air) and - compared to the Speed of light - is low.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ortsungebunden menschliche Handneigungen mit guter Winkelauflösung und Handbewegungen mit hoher zeitlicher Auflösung zu erfassen. Dies ist z. B. insbesondere dann erforderlich, wenn die sehr raschen Gebärden Gehörloser aufgenommen werden sollen, wobei die Versuchspersonen nicht durch Kabel und einen durch das Eingabegerät eingeschränkten Bewegungsbereich behindert werden dürfen.The invention was based on the object, mobile hand inclinations with good angular resolution and hand movements with high temporal resolution too to capture. This is e.g. B. particularly necessary if the very rapid gestures Deaf people should be taken in, the test subjects not by cable and a range of motion restricted by the input device can be obstructed allowed to.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösung enthalten die Unteransprüche.This object is achieved with the features specified in claim 1. Beneficial Further developments of this solution contain the subclaims.
Die dem Stand der Technik hinsichtlich der gestellten Aufgabe anhaftenden Mängel werden durch die Erfindung behoben.The defects inherent in the state of the art with regard to the task at hand are eliminated by the invention.
Das System arbeitet ortsungebunden, da es von keinerlei festen, externen Referenzpunkten oder Hilfsmitteln außer der Schwerkraft abhängig ist (die Energieversorgung kann in Form von Batterien bei Bedarf mitgeführt und die Koppelung an andere Rechner mittels Infrarot- oder Funkdatenübertragung gelöst werden). Dadurch ist die Erfindung mehr und anderen Anwendungen zugänglich als die heutigen stationären Systeme. Die Vorrichtung hat einen sehr geringen Platzbedarf und durch die verwendeten Sensoren eine gute Winkelauflösung bei Handneigungen sowie eine durch das Meßprinzip der Sensoren inhärent hohe zeitliche Auflösung bei kontinuierlichen Handbewegungen (mit den in der bevorzugten Ausführung verwendeten Sensoren sind Meßraten bis zu einigen 1000 Messungen pro Sekunde möglich). Das System ist unempfindlich gegenüber akustischen und elektromagnetischen Störungen.The system works regardless of location, since it does not have any fixed, external reference points or aids other than gravity (the energy supply can take the form of of batteries carried as required and the coupling to other computers using infrared or radio data transmission can be solved). This makes the invention more and more different Applications more accessible than today's stationary systems. The device has one very small space requirement and good angular resolution due to the sensors used in the case of hand inclinations as well as a high temporal inherent due to the measuring principle of the sensors Resolution with continuous hand movements (with those in the preferred version sensors used are measuring rates up to several 1000 measurements per second possible). The system is insensitive to acoustic and electromagnetic Disorders.
In Kombination mit herkömmlichen Ortungssystemen erweitert der Einsatz der Vorrichtung deren Meßauflösung und Einsatzfähigkeit, insbesondere werden weitere, bisher nur indirekt ableitbare Informationen über menschliche Handbewegungen durch direkte Messung verfügbar.In combination with conventional location systems, the use of the Device whose measurement resolution and usability, in particular other, So far only indirectly derived information about human hand movements through direct measurement available.
Die Erfindung läßt sich z. B. auch gut zur Steuerung von 3D-CAD-Systemen einsetzen. Während der Arbeit mit einem 3D-CAD-System muß die Orientierung der Ansicht häufig gewechselt werden. Bisher wurde dies mit Stellknöpfen für die einzelnen Rotationsachsen gelöst, was wenig intuitiv war und die Einarbeitungszeit erhöhte. Mit der hier beschriebenen Erfindung kann die Orientierung solcher dreidimensionalen Objekte einfach und sehr bequem verändert werden.The invention can, for. B. also good for controlling 3D CAD systems. When working with a 3D CAD system, the orientation of the view must be frequent change. So far, this has been done with knobs for the individual axes of rotation solved, which was not very intuitive and increased the training time. With this one described invention can easily orient such three-dimensional objects and can be changed very easily.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.A preferred embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine halbräumliche Ansicht des auf der Hand befindlichen Systems; Figure 1 is a semi-spatial view of the system on hand.
Fig. 2 prinzipielle Möglichkeiten zur Sensoranordnung; Fig. 2 basic options for sensor arrangement;
Fig. 3 die Prinzipschaltung der Vorrichtung; FIG. 3 shows the basic circuit of the device;
Fig. 4 eine Detailschaltung zur Auswertung eines Neigungs- und Bewegungssensors; Fig. 4 shows a detailed circuit for evaluating an inclination and movement sensor;
Fig. 5 eine Detailschaltung zur Auswertung eines Bewegungs- und Vibrationssensors; Figure 5 is a detailed circuit for evaluating a motion and vibration sensor.
Fig. 6 eine Alternativschaltung zur Sensorauswertung; Fig. 6 is an alternative circuit to the sensor input;
Fig. 7 eine weitere Alternativschaltung zur Sensorauswertung. Fig. 7 shows another alternative circuit for the sensor evaluation.
Das dargestellte Beispiel ist nur eine Möglichkeit, die Erfindung auszuführen. Der Fachmann kann leicht ersehen, wie ähnliche Vorrichtungen erstellt werden können, ohne den Charakter der Erfindung zu ändern.The example shown is only one way of carrying out the invention. Of the One skilled in the art can easily see how similar devices can be made without to change the character of the invention.
Fig. 1 zeigt eine halbräumliche Ansicht des auf der Hand befindlichen Systems. Zu sehen sind eine menschliche Hand 1, an der die Vorrichtung mittels geeigneter Haltevorrichtungen - z. B. mittels eines Gurtes oder durch einen Handschuh - zu befestigen ist. Die Vorrichtung besteht in der Hauptsache aus Beschleunigungssensoren 2, die Beschleunigungen in jeweils eine Achsenrichtung (x, y, z) aufnehmen. Ihnen zugeordnet sind ein oder mehrere Verstärker 3, die ihre Signale über eine Verbindung 4 an weitere Auswertungsstufen (vgl. Fig. 3) weiterleiten. Fig. 1 shows a semi-spatial view of the system on hand. You can see a human hand 1 , on which the device by means of suitable holding devices - z. B. by means of a belt or a glove - to be fastened. The device mainly consists of acceleration sensors 2 , which record accelerations in one axis direction (x, y, z). Associated with them are one or more amplifiers 3 , which forward their signals via a connection 4 to further evaluation stages (cf. FIG. 3).
Fig. 2 zeigt das Prinzip einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung, bei der mehrere Beschleunigungssensoren x1,2,3, y1,2,3, z1,2,3 gemeinsam zu Koordinatensystemen 10, 11, 12 angeordnet sind, die auch zueinander windschief stehen können. Sie befinden sich in festen Abständen (k1,2,3) und fester Orientierung bezüglich eines gedachten Bezugskoordinatensystems 9, welches sich zusammen mit 10, 11, 12 auf der Hand befindet. Sinn dieser Anordnung ist es, insbesondere Drehbewegungen der Hand durch differentielle Messungen mittels der verschieden plazierten Sensorsysteme besser erfassen zu können. Fig. 2 shows the principle of an advantageous embodiment of the invention, in which a plurality of acceleration sensors x 1,2,3 , y 1,2,3 , z 1,2,3 are arranged together to coordinate systems 10 , 11 , 12 , which are also mutually can be skewed. They are at fixed intervals (k 1, 2, 3 ) and fixed orientation with respect to an imaginary reference coordinate system 9 , which is on hand together with 10 , 11 , 12 . The purpose of this arrangement is, in particular, to be able to better detect rotary movements of the hand by means of differential measurements using the differently placed sensor systems.
Es ist ebenfalls möglich und in der bevorzugten Ausführung der Erfindung auch realisiert (vgl. Fig. 4, 5), zwecks Erweiterung des dynamischen Bereichs verschiedenartige Beschleunigungssensoren gemeinsam auf der Hand anzuordnen. Im konkreten Fall wurden Sensoren der Firma Analog Devices (ADXL50), die statische Beschleunigungen von 0 Hz (z. B. die Erdbeschleunigung → Neigungsmessung) bis zu einigen 100 Hz (Vibrationen) messen können, mit Sensoren der Firma Kistler (ein triaxialer Beschleunigungsaufnehmer 8692B5 mit großer Bandbreite und Dynamik) kombiniert, um einerseits die Handneigungen mit guter Winkelgenauigkeit, andererseits aber auch dynamische Handbewegungen mit hoher zeitlicher Auflösung und guter Genauigkeit mittels der gemessenen Beschleunigungen erfassen zu können.It is also possible and, in the preferred embodiment of the invention, also realized (cf. FIGS. 4, 5) to arrange different types of acceleration sensors together on hand in order to expand the dynamic range. In the specific case, sensors from Analog Devices (ADXL50), which can measure static accelerations from 0 Hz (e.g. gravitational acceleration → inclination measurement) to several 100 Hz (vibrations), were used with sensors from Kistler (a triaxial accelerometer 8692B5 with a wide range and dynamics) combined to be able to detect hand inclinations with good angular accuracy on the one hand, but also dynamic hand movements with high temporal resolution and good accuracy by means of the measured accelerations.
Nicht zuletzt erhöht der Einsatz mehrerer unterschiedlicher Sensoren die Redundanz des Systems, wodurch sich die Genauigkeit der Meßergebnisse nochmals steigern läßt.Last but not least, the use of several different sensors increases the redundancy of the Systems, which can further increase the accuracy of the measurement results.
Fig. 3 gibt einen Überblick über die elektronischen Hauptkomponenten der Vorrichtung. Von einem oder mehreren Sensoren 2 gemessene Beschleunigungen werden von ihnen in elektrische Signale umgewandelt und Vorverstärkerstufen 3 zugeführt. Die verstärkten Signale können dann entweder direkt A/D-Wandlern 6 zugeführt oder zunächst über einen Multiplexer 5 geleitet werden, dessen Ausgang mit einem A/D-Wandler 6 verbunden ist. Der A/D-Wandler 6 ist mit einem auswertenden Computer 7 verbunden, der ihn steuert und die Daten weiterverarbeitet bzw. weiterleitet. Selbstverständlich ist es auch möglich, Änderungen an diesem Schema vorzunehmen, ohne daß sich der Charakter der Erfindung ändert. Z.B. könnte es u. U. sinnvoll sein, den Multiplexer 5 direkt an die Sensoren 2 anzuschließen, um Schaltungsaufwand bei den Vorverstärkern 3 zu sparen (in diesem Fall wäre höchstens ein Vorverstärker 3 zwischen Multiplexer 5 und A/D-Wandler 6 nötig). Fig. 3 gives an overview of the main electronic components of the device. Accelerations measured by one or more sensors 2 are converted into electrical signals by them and preamplifier stages 3 are supplied. The amplified signals can then either be fed directly to A / D converters 6 or first passed through a multiplexer 5 , the output of which is connected to an A / D converter 6 . The A / D converter 6 is connected to an evaluating computer 7 , which controls it and further processes or forwards the data. Of course, it is also possible to make changes to this scheme without changing the character of the invention. For example, it could It may make sense to connect the multiplexer 5 directly to the sensors 2 in order to save circuitry for the preamplifiers 3 (in this case, at most one preamplifier 3 between the multiplexer 5 and the A / D converter 6 would be necessary).
Fig. 4 zeigt detailliert die Schaltung einer Vorverstärkerstufe 3a, die einem Beschleunigungssensor 2a (z. B. einem ADXL50) nachgeschaltet ist. Je nach Sensor sind Vorkehrungen für eine Skalierung (Verstärkung oder Abschwächung) des Sensorsignals und eine Nullpunktkorrektur erforderlich. Auch kann es sein, daß das Signal gefiltert werden muß, was in der Zeichnung durch einen Kondensator 15 nur angedeutet ist. Das aufbereitete Signal wird zum (Analog-)Multiplexer 5 bzw. direkt zum A/D-Wandler 6 weitergeschickt. Fig. 4 shows in detail the circuit of a preamplifier stage 3 a, which is connected downstream of an acceleration sensor 2 a (. Eg a ADXL50). Depending on the sensor, precautions are required for scaling (amplification or attenuation) of the sensor signal and a zero point correction. It may also be that the signal must be filtered, which is only indicated in the drawing by a capacitor 15 . The processed signal is forwarded to the (analog) multiplexer 5 or directly to the A / D converter 6 .
Fig. 5 enthält eine Schaltung, die der aus Fig. 4 bzgl. Funktion und Ausführung sehr ähnlich ist. Zwischen Beschleunigungssensor 2b (z. B. einem Kistler 8692B5) und Verstärker 3b wurde lediglich eine Sensorspeisungs- und Signalabtrennungsstufe 8 hinzugefügt, um die 2-Draht-Versorgung des Sensors zu berücksichtigen. Da das Signal kapazitiv ausgekoppelt wird, entfällt die Notwendigkeit für eine variable Nullpunkteinstellung. Das aufbereitete Signal wird ebenfalls zum (Analog-)Multiplexer 5 bzw. A/D-Wandler 6 geführt. FIG. 5 contains a circuit which is very similar to that of FIG. 4 in terms of function and design. Between acceleration sensor 2 b (e.g. a Kistler 8692B5) and amplifier 3 b, only a sensor supply and signal isolation stage 8 was added to take into account the 2-wire supply of the sensor. Since the signal is coupled out capacitively, there is no need for a variable zero point adjustment. The processed signal is also fed to the (analog) multiplexer 5 or A / D converter 6 .
Fig. 6 zeigt eine Alternativschaltung für die Sensorauswertung, bei der das vom Beschleunigungssensor 2 gelieferte und vom Vorverstärker 3 verstärkte Signal im Umsetzer 13 in ein Frequenzsignal transformiert wird, ehe es über den Multiplexer 5 (diesmal genügt ein normaler digitaler Multiplexer) zu einem Frequenzzähler 14 weitergeleitet wird, um dort endgültig digitalisiert zu werden. Diese Variante kommt insbesondere dann in Frage, wenn das Sensorsignal vor seiner endgültigen Digitalisierung über größere Strecken geschickt werden soll, da ein Frequenzsignal weitaus weniger störanfällig als ein amplitudenmoduliertes Signal ist. Fig. 6 shows an alternative circuit for the sensor evaluation, in which the signal supplied by the acceleration sensor 2 and amplified by the preamplifier 3 signal is transformed in the converter 13 into a frequency signal before it through the multiplexer 5 (sufficient time, a normal digital multiplexer) to a frequency counter 14 is forwarded to be finally digitized there. This variant is particularly suitable if the sensor signal is to be sent over longer distances before it is finally digitized, since a frequency signal is far less susceptible to interference than an amplitude-modulated signal.
Fig. 7 soll eine weitere Ausführungsvariante veranschaulichen, bei der das vom Beschleunigungssensor 2 gelieferte Signal direkt (über einen geeigneten Umsetzer 13) in ein Frequenzsignal gewandelt und über einen Multiplexer 5 zum Frequenzzähler 14 geschickt wird. Dabei kann das Frequenzsignal auch unmittelbar im Sensor 2 entstehen (der Umsetzer 13 würde sich dann im Sensor befinden und wäre Teil der Signalvorverarbeitung vor Ort - also z. B. "on chip"). Fig. 7 is intended to illustrate, wherein the signal supplied by the acceleration sensor 2 is directly converted (via a suitable converter 13) to a frequency signal and sent via a multiplexer 5 to the frequency counter 14, a further variant embodiment. The frequency signal can also arise directly in the sensor 2 (the converter 13 would then be located in the sensor and would be part of the signal preprocessing on site - for example "on chip").
Claims (18)
- - Sensoren (2), die von der Handstellung oder -neigung bzw. von den Handbewegungen her rührende statische (0 Hz) und dynamische (<0 Hz) Beschleunigungen erfassen;
- - Vorverstärker (3) und Filter (15) und/oder Signalumformer (13) zur Vorverarbeitung der Meßsignale;
- - Auswahlvorrichtungen (5) zur Auswahl der an den Meßwertumformer (6, 14) zu übertragenden Signale;
- - Meßwertumformer (6, 14), die die analogen Signale in digitale Werte umwandeln;
- - einen oder mehrere Computer (7), welche die Daten direkt oder indirekt von den Meßwert umformern (6, 14) erhalten.
- - Sensors ( 2 ) which detect static (0 Hz) and dynamic (<0 Hz) accelerations from the hand position or inclination or from the hand movements;
- - Preamplifier ( 3 ) and filter ( 15 ) and / or signal converter ( 13 ) for preprocessing the measurement signals;
- - Selection devices ( 5 ) for selecting the signals to be transmitted to the transducer ( 6 , 14 );
- - Transmitters ( 6 , 14 ) which convert the analog signals into digital values;
- - One or more computers ( 7 ), which convert the data directly or indirectly from the measured value ( 6 , 14 ).
Priority Applications (1)
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DE1995109680 DE19509680A1 (en) | 1995-03-07 | 1995-03-07 | Hand-movement detector for three=dimensional data-glove input to computer and robotics |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=7756935
Family Applications (1)
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DE1995109680 Ceased DE19509680A1 (en) | 1995-03-07 | 1995-03-07 | Hand-movement detector for three=dimensional data-glove input to computer and robotics |
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