AT517676B1 - Optische, lernfähige Dreiachsensensorik - Google Patents

Optische, lernfähige Dreiachsensensorik Download PDF

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AT517676B1 ATA571/2015A AT5712015A AT517676B1 AT 517676 B1 AT517676 B1 AT 517676B1 AT 5712015 A AT5712015 A AT 5712015A AT 517676 B1 AT517676 B1 AT 517676B1
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Abstract

Eine Vorrichtung zur Drei-Achsen-Positionsbestimmung eines Kraftaufnahmeelements (2) umfasst einen hochauflösenden Bildsensor (6), einen dem Bildsensor gegenüber angeordneten Bewegungsträger (4), der mit dem Kraftaufnahmeelement (2) verbunden ist, eine mit dem Bewegungsträger (4) verbundene Projektionseinrichtung (3), welche auf den Bildsensor eine vordefinierte geometrische Form (10) projiziert, die entsprechend einer X/Y/Z-Neigung des Bewegungsträgers positioniert und verzerrt wird. Eine Recheneinrichtung (7) leitet aus der Position und Verzerrung der geometrischen Form (10) hochauflösende X/Y/Z-Koordinaten zur weiteren Verarbeitung ab.

Description

Beschreibung
VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR DREI-ACHSEN-POSITIONSBESTIMMUNG EINES KRAFTAUFNAHMEELEMENTS
[0001] Die Erfindung betrifft eine optische, lernfähige Dreiachsensensorik, welche jederzeit durch den Nutzer an die gewünschten Eingabekräfte angepasst werden kann.
[0002] Mehrachsensensoren im Allgemeinen und unter anderem auch Zweiachsensensoren (Joysticks, etc.) finden ihren Einsatz in sämtlichen privaten und industriellen Bereichen. Auch in den Bereichen Automobiltechnik, Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt sowie in der Medizintechnik werden diese Sensorsysteme eingesetzt, da mehrere Funktionen gleichzeitig nahezu intuitiv gesteuert werden können. Je nach Anforderung wird dort eine bestimmte Präzision (Auflösung), eine bestimmte Kraft zur Auslenkung sowie ein bestimmter Hub zur Bewältigung der notwendigen Wege fest oder in gering variablem Rahmen vorgegeben.
[0003] Probleme entstehen u.a. und insbesondere dort, wo es nicht möglich ist mit gleichbleibendem Kraft- und Hubaufwand ein solches Sensorsystem zu bedienen bzw. zu nutzen. Zu schwach ausgelegte Sensorsysteme werden bei zu hohem Kraft- und Hubaufwand zerstört. Sehr robust ausgelegte Sensorsysteme reagieren bei sehr geringem Kraft- und Hubaufwand nicht oder nur in nichtverwertbarem Rahmen. Gängige mechanische Sensorsysteme unterliegen zudem einer bekannten Abnutzung, welche ebenfalls oder auch von der Art der Nutzung abhängt. Des Weiteren werden handelsübliche Sensorsysteme z.B. mit einem Gummibalg um die Achse ausgestattet um das Eindringen von Fremd- und Schadstoffen in die Mechanik zu verhindern. Hierbei entsteht eine zusätzliche Problematik hinsichtlich einer eventuell notwendigen Reinigung oder Desinfektion gerade im medizintechnischen Bereich da ein Balg oder andere Schutzgummis schwierig zu desinfizieren sind.
[0004] Aus z.B. EP 1 696 300 A1 und GB 2 334 573 A sind Sensorsysteme (Joysticks) bekannt, welche Ihre Position anhand von Lichtsensoren ermitteln die wiederum mittels einer an der Achse befestigten Lichtquelle entsprechend angestrahlt werden. Die dort beschriebenen Zeilen oder Matrizen sind je nach Dichte der verbauten Lichtsensoren in Ihrer Auflösung eingeschränkt. Auch wird dort ein fest definierter Hub und eine ebenso fest definierte Kraft benötigt um den Federmechanismus bis in die gewünschte Position zu bringen. Nur der Einbau eines anderen Rückholmechanismus oder die zwangsläufige Verringerung der möglichen Auflösung durch einen geringeren Weg, würden dort einen bedingt variablen Einsatz zulassen. Insbesondere sehen diese Sensorsysteme lediglich zwei Achsen vor (X- und Y-Achse).
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Dreiachsensensor bzw. ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Bewegungsträgers zur Verfügung zu stellen, welches die genannten Nachteile weitestgehend bzw. vollständig vermeidet.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
[0007] Die Erfindung schafft eine optische, lernende Dreiachsensensorik, welche jederzeit durch den Nutzer an die gewünschten Eingabekräfte angepasst werden kann. Eine Projektionseinheit (projiziert eine definierte geometrische Form auf einen Bildsensor. Wirken Kräfte auf die Kraftaufnahme ein, verändert sich die Neigung und/oder der Abstand des Bewegungsträgers zum Bildsensor. Die mit dem Bewegungsträger fest verbundene Projektionseinheit projiziert je nach Neigung und Druck verschiedene verzerrte geometrische Formen auf den Bildsensor, woraus eine Bildanalysesoftware entsprechende X-, Y- und Z-Koordinaten berechnet. Die individuelle Anpassung der Eingabekräfte kann mittels eines Lernprozesses erfolgen, bei welchem der Nutzer alle Richtungen einmal betätigt und somit der Bildanalyse mitteilt, welche Maxima erreicht wurden. Alle Richtungen werden dann durch sukzessive Approximation in homogene Ausgangssignale gewandelt und dem nachgeschalteten System angepasst. Es sind sowohl analoge als auch digitale Signale und Busprotokolle möglich. Durch Interpolation der verzerrten geometrischen Formen kann die Auflösung mindestens um einen Faktor 100 oder mehr erhöht werden.
[0008] Die Erfindung wird unter Bezugnahme zweier Ausführungsbeispiele, welche in den Zeichnungsfiguren schematisch dargestellt sind, weiter erläutert.
[0009] Fig. 1 zeigt den schematischen Schnitt des Dreiachsensensors mit einem Bewegungs träger 4, welcher in einem geschichteten Material 9 gelagert ist.
[0010] Fig.2 zeigt den schematischen Schnitt des Dreiachsensensors mit einem Bewegungs träger 4, welcher fest mit der Bildsensoreinheit 5, 6, 7, 8 verbunden ist.
[0011] Fig.3 zeigt das projizierte Abbild einer geometrischen Form in Ruheposition 10 und das
Abbild einer verzerrten geometrischen Form 11 bei Krafteinwirkung über die Kraftaufnahme 2 auf den Bewegungsträger 4, in X-Richtung.
[0012] Fig.4 zeigt das projizierte Abbild einer geometrischen Form in Ruheposition 10 und das
Abbild einer verzerrten geometrischen Form 11 bei Krafteinwirkung über die Kraftaufnahme 2 auf den Bewegungsträger 4, in X- und Y-Richtung.
[0013] Fig.5 zeigt das projizierte Abbild einer geometrischen Form in Ruheposition 10 und das
Abbild einer verzerrten geometrischen Form 11 bei Krafteinwirkung über die Kraftaufnahme 2 auf den Bewegungsträger 4, in Z-Richtung.
[0014] Gemäß der Erfindung bereitgestellt wird demnach eine Dreiachsensensorik, aufweisend einem Bildsensor 6 (aus heutigem Stand der Technik CMOS, CCD oder 3D Chips) mit einer beliebig hohen Auflösung, einer an dem Bewegungsträger 4 befestigten Projektionseinrichtung 3 oder Reflektionsfläche und einer nachgeschalteten Bildanalyse. Die Projektionseinrichtung 3 oder Reflektionsfläche erzeugt hierbei eine definierte geometrische Form 10 (z.B. Quadrat), welche auf dem Bildsensor 6, in Abhängigkeit der sehr geringen Bewegung des Bewegungsträgers ein entsprechend verzerrtes und neu positioniertes Abbild 11 projiziert dadurch gekennzeichnet, dass die auch im folgenden dargestellte Bildanalyse insbesondere aus dieser Verzerrung und Position der Projektion 11, gegenüber der Ursprungsform 10, die Neigung (X- und Y-Achse) des Bewegungsträgers 4 ableiten kann und zudem auch den Druck, welcher orthogonal auf den Bewegungsträger 4 (Z-Achse) einwirkt, bemisst. Im Falle der Z-Achse verkleinert sich optisch bedingt das Abbild Fig.5, 11 der definierten geometrischen Ursprungsform Fig.5, 10 auf dem Bildsensor 6, da sich der Bewegungsträger 4 in diesem Fall dem Bildsensor 6 nähert. Nach der vollständigen Analyse der Einzelbilder, welche je nach Bildsensor 6 und Anwendungsbereich mindestens mit einer definierten Abtastrate (10 fps (frames per second)) erfolgt, werden für das Endgerät angepasste Signale oder Protokolle erstellt und ausgegeben.
[0015] Durch die extrem hohe Dichte der einzelnen Punkte auf dem Bildsensor 6 (nach aktuellem Stand der Technik ca. 5000x4000 Punkte) ist nur eine kaum durch den Menschen feststellbare und sehr geringe Neigung des Bewegungsträgers 4 nötig um eine entsprechende Veränderung 11 der Projektion auf dem Bildsensor 6 zu erzeugen. Bei o.g. Bildsensoren werden somit physikalische Auflösungen des Dreiachsensensors von ca. 2.000 digits in jede Bewegungsrichtung der X-, und Y-Achse möglich (Mittelposition in jede Richtung). Die Auflösung der Z-Achse ist optisch und mechanisch bedingt geringer und liegt bei ca. 200 digits. Durch die softwareseitige Interpolation werden bis zu 200.000 digits in X-, und Y-Bewegungsrichtung erreicht. Da die Lagerung bzw. die Materialeigenschaften des Bewegungsträgers 4 nach einem der Ansprüche 2 oder 3 einen exponentiellen Kraftaufwand erfordern um den Bewegungsträger 4 entsprechend zu neigen oder zu drücken wird ein weiter Einsatzbereich ermöglicht bei sehr hoher Auflösung. Inwieweit diese hohe Auflösung tatsächlich benötigt wird, hängt ganz vom Einsatzzweck ab und lässt sich softwareseitig individuell anpassen. Der beschriebene Dreiachsensensor lässt sich zu jeder Zeit neu kalibrieren bzw. dem Nutzer oder dem Einsatzzweck individuell anpassen (siehe Bildanalyse Anpassung). Insbesondere Personen, welche krankheitsbedingt nur inhomogene Kräfte aufbringen können (z.B. Muskeldystrophie, Muskelatrophie, Tetraplegie) oder deren Kräftevermögen einer temperatur- bzw. krankheitsbedingten dauernden oder temporären Änderung unterliegt, werden mit dem hier beschriebenen Dreiachsensensor dauerhaft Steuerungsaufgaben vollziehen können (Rollstuhl, PC, Umwelt, etc.). Kostspielige, individuelle Anpassungen entfallen somit. Durch die sehr geringe Neigung des Bewegungsträgers, steigt die Gegenkraft der Mittelachse des Dreiachsensensors proportional zum Kraftaufwendung des Nutzers. Eine sonst nur schwierig und kostspielig umzusetzende Kraftrückkopplung (force feedback) wird somit ohne weitere Mechanik realisiert. Sofern ein Hub vom Nutzer gewünscht wird, kann dieser durch eine auf der Kraftaufnahme 2 befestigte Zugfeder simuliert werden. Die Möglichkeiten der Reinigung und Desinfektion (z.B. Einsatz in Operationssälen, oder Reinraumtechnik) sind ebenfalls optimiert, da keine Gelenke oder Achsen nötig sind. Auch der Betrieb der Dreiachsensensorik in Flüssigkeiten stellt kein Problem dar, da eine vollständige Kapselung vorliegt. Da der Dreiachsensensor optisch arbeitet, ist der Einsatz innerhalb elektromagnetischer Störfelder unproblematisch. Bauartbedingt benötigt der Dreiachsensensor keine beweglichen, bzw. gelagerten Teile, womit die Herstellung kostengünstig ausfällt. Mit dem vorliegenden Prototyp kann ein Eingangskräftespektrum von 0,01 N bis 100 N abgedeckt werden.
BILDVERARBEITUNG
[0016] Normalbetrieb: [0017] 1. Laden eines einzelnen Bildes in den Arbeitsspeicher.
[0018] 2. Umwandlung des Bildes in ein Binärbild anhand eines definierten schwarz/weiß Schwellwertes.
[0019] 3. Suchen der geometrischen Form in dem Binärbild.
[0020] 4. Vergleich der erkannten geometrischen Form und Position 11 mit der Ursprungsform 10 (im Ruhezustand).
[0021] 5. Aus dem Grad der erkannten Position und Verzerrung 11 gegenüber der Ursprungsform 10 werden die Werte für die X/Y/Z-Veränderungen des Bewegungsträgers 4 errechnet.
[0022] 6. Anpassung der errechneten X/Y/Z-Werte an das gewünschte Eingangsformat des angeschlossenen Endgerätes, bzw. des Gerätes für die weitere Verarbeitung der Daten. Hierbei können sowohl analoge Werte, als auch digitale Werte oder Busprotokolle erzeugt werden.
[0023] Erster und einmaliger Initialisierungsprozess: [0024] 1. Betätigung des Bewegungsträgers 4 mit maximal zulässigem Kraftaufwand in jede Achsrichtung.
[0025] 2. Bilderfassung wie im Normalbetrieb mit Speicherung der maximalen Positionen und Verzerrungen der erfassten geometrischen Form 11.
[0026] 3. Wird im Normalbetrieb die zuvor gespeicherte maximale Position oder die maximale Verzerrung der geometrischen Form 11 überschritten, werden entsprechend dem Endgerät Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet (Totmann, Notaus, etc.).
[0027] Beliebig oft durchführbarer Lern- bzw. Anpassungsprozess durch den Nutzer: [0028] 1. Betätigung des Bewegungsträgers 4 mit dem gewünschten Kraftaufwand in jede Richtung.
[0029] 2. Bilderfassung wie im Normalbetrieb mit Speicherung der maximalen individuellen Position und Verzerrung der erfassten geometrischen Form 11 für jede Achse, entsprechend der vom Nutzer aufgebrachten Kräfte.
[0030] 3. Die nun möglicherweise sehr inhomogene Kräfteeinwirkung auf den Bewegungsträger 4 durch den Nutzer in die verschiedenen Richtungen, wird softwaremäßig durch sukzessive Approximation in homogene Ausgangssignale umgewandelt. Somit kann sich der Dreiachsensensor zu jederzeit an den Nutzer höchst individuell anpassen.
VERWENDETE BEZUGSZEICHEN 1 Zuleitung 2 Kraftaufnahme 3 Projektionseinheit 4 Bewegungsträger 5 Abstandhalter 6 Bildsensor 7 Mikrocontroller 8 Platine 9 Geschichtetes Material 10 Ursprungsform 11 Verzerrte Form

Claims (13)

  1. Patentansprüche
    1. Vorrichtung zur Drei-Achsen-Positionsbestimmung eines Kraftaufnahmeelements (2), aufweisend einen hochauflösenden Bildsensor (6), einen dem Bildsensor gegenüber angeordneten Bewegungsträger (4), der mit dem Kraftaufnahmeelement (2) verbunden ist, eine mit dem Bewegungsträger (4) verbundene Projektionseinrichtung (3), welche eine vordefinierte geometrische Form (10) auf den Bildsensor projiziert, wobei diese entsprechend der X/Y/Z-Neigung des Bewegungsträgers positioniert und verzerrt wird (11), sowie eine Recheneinrichtung (7), welche dazu eingerichtet ist, aus der Position und Verzerrung der geometrischen Form (10) hochauflösende X/Y/Z-Koordinaten zur weiteren Verarbeitung abzuleiten.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsträger (4) am Außenrand fest mit der Bildsensoreinheit (5, 6, 7, 8) verbunden ist und aus einem biegsamen Material besteht, welches sich bei Krafteinwirkung auf das Kraftaufnahmeelement (2) hinsichtlich ihres Neigungswinkel und ihrer Entfernung zum Bildsensor (6) verformt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsträger (4) in einem geschichteten Material (9) eingelagert ist, welches schichtweise verschiedene Dichte und/oder Viskosität aufweist und bei Krafteinwirkung auf das Kraftaufnahmeelement (2) hinsichtlich ihres Neigungswinkel und ihrer Entfernung zum Bildsensor (6) verformbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinrichtung (3) mit dem Bewegungsträger (4) fest verbunden ist und die vordefinierte geometrische Form (10) direkt auf den Bildsensor (6) projiziert.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsträger (4) fest mit einer Reflektionsfläche (3) verbunden ist, welche bei Beleuchtung mit der Projektionseinrichtung (3) die vordefinierte geometrische Form indirekt auf den Bildsensor (6) projiziert.
  6. 6. Verfahren zur Drei-Achsen-Positionsbestimmung eines Kraftaufnahmeelements (2) in einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Nutzer auf das Kraftaufnahmeelement (2) inhomogen angewandte Kräfte durch sukzessive Approximation in homogene Ausgangssignale, passend zum angeschlossenen Endgerät, umgewandelt werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es dem Nutzer ermöglicht, zu jeder Zeit den Dreiachsensensor mit dem gerade gewünschten Kraftaufwand über das Kraftaufnahmeelement (2) neu zu kalibrieren.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildanalysesoftware in Echtzeit die vordefinierte geometrische Form (10, 11) in jedem aufgenommenen Bild des Bildsensors sucht, dessen Form hinsichtlich Position und Verzerrungen (11) analysiert, und daraus die entsprechende Neigung und die orthogonale Veränderung des Bewegungsträgers (4) zum Bildsensor (6) ableitet.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Nutzung der Dreiachsensensorik ein Initialisierungsprozess stattfindet, bei dem alle möglichen Richtungen des Bewegungsträgers (4) X/Y/Z mindestens einmal mit einer vorbestimmten, maximal zulässigen Kraft über das Kraftaufnahmeelement (2) betätigt werden, wodurch der Bildanalysesoftware die maximal zulässige Position und Verzerrungen der vordefinierten geometrischen Form (11) dargestellt werden.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildanalysesoftware in Echtzeit die vordefinierte geometrische Form (10,11) in jedem aufgenommenen Bild des Bildsensors sucht und dessen Form hinsichtlich Position und Verzerrungen (11) analysiert, und anhand dessen eine Plausibilitätsprüfung durchführt, inwieweit die erkannte Form (11) den maximal zulässigen Positionen und Verzerrungen entspricht.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildanalysesoftware in Echtzeit bei erkannten unzulässigen Positionen oder Verzerrungen (11) Maßnahmen zum Schutz angeschlossener Endgeräte vor Fehlfunktionen auslöst, wie Totmann- oder Notausschaltung.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildanalysesoftware in Echtzeit durch Interpolation der erkannten geometrischen Form (11) die daraus abgeleitete Auflösung für die daraus resultierenden X/Y/Z-Koordinaten erhöht.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsträger (4) als ein hermetischer Abschluss zum Inneren der Vorrichtung ausgeführt ist, wodurch ein Betrieb in Flüssigkeiten ermöglicht wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
ATA571/2015A 2015-08-31 2015-08-31 Optische, lernfähige Dreiachsensensorik AT517676B1 (de)

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ATA571/2015A AT517676B1 (de) 2015-08-31 2015-08-31 Optische, lernfähige Dreiachsensensorik
EP16760038.6A EP3345068A1 (de) 2015-08-31 2016-08-30 Vorrichtung und verfahren zur drei-achsen-positionsbestimmung eines kraftaufnahmeelements
PCT/EP2016/070390 WO2017037048A1 (de) 2015-08-31 2016-08-30 Vorrichtung und verfahren zur drei-achsen-positionsbestimmung eines kraftaufnahmeelements

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ATA571/2015A AT517676B1 (de) 2015-08-31 2015-08-31 Optische, lernfähige Dreiachsensensorik

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