DE10011731A1 - Gelenkarm als Comptereingabegerät zum Schreiben, Zeichnen oder Digitalisieren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gelenkarm zum Zeichnen und Schreiben am Computer oder zum Digitalisieren von Daten durch Übertragung der Koordinaten eines Zeichenstiftes in den Computer. DOLLAR A Die Position der Schreibspitze auf der Schreibfläche wird durch die Messung der Winkel zwischen den Gelenken bestimmt. DOLLAR A Der Schreibstift ist derart frei beweglich aufgehängt, daß er die natürlichen Schreibbewegungen nicht behindert, die Position der Schreibspitze relativ zum benachbarten Gelenk aber dabei fest ist, so daß die Anzahl der zu messenden Winkel auf zwei reduziert wird. DOLLAR A Die Winkel werden mittels eines durch eine Lichtschranke bewegten feinen Streifenmusters gemessen, wobei die Streifen unter Ausnutzung des MoirE-Effektes auf den Durchmesser des Lichtstrahls der Lichtschranke verbreitert werden.

Description

Das verbreiteteste grafische Eingabegerät für Computer ist die Computermaus. Mäuse sind als grafisches Eingabegerät für Computer nur bedingt geeignet. Die Haltung der Hand und die Rollbewegungen der Mauskugel erlauben keine flüssigen exakten Schreib- und Zeichenbewegungen. Weiterhin liefert die Maus keine Absolutposition. Deshalb beschränkt sich die Rolle der Maus bei der grafischen Arbeit auf die Auswahl von Grafikelementen und deren Positionierung. (Zur Verbesserung dieser Funktionen wurden verschiedene Geräte entwickelt, die im Bereich CAD/CAM Verbreitung gefunden haben, Trackball etc.)

Um Handzeichnungen in den Computer einzulesen, gibt es deshalb bisher zwei gängige Wege:

• 1. Es wird mittels Grafiktablett und dazugehörigem Stift direkt in den Computer gezeichnet.
• 2. Die Zeichnung wird zuerst konventionell aufs Papier gebracht und anschließend mit einem Flachbettscanner gescannt.

Zu 1) Da Grafiktabletts eine Fläche in der Größe des Zeichenbereichs aus feinen, genau orientierten Drähten oder ähnlichem benötigen, sind sie teuer, insbesondere die größeren Modelle, da der Aufwand mit der Fläche zunimmt.

Zu 2) Das Scannen einer Zeichnung liefert Raster (Pixel-)dateien, Vektorinformationen gehen dagegen verloren. Zeichenprogramme benötigen aber vektor- und objektorientierte Daten, wie Linien mit deren Eigenschaften (Farben, Strichbreiten . . .) und deren Zeichenreihenfolge.

Die im Patentanspruch angegebene Erfindung ist ein kostengünstiges Gerät für die direkte Eingabe von Schrift und Zeichnungen als Vektordaten in den Computer.

Das Gerät verbindet einen Zeichenstift (Fig. 1, Pos. 2) mit einem Gelenkarm (Fig. 1, Pos. 1). Die Winkel der Gelenke des Arms werden vom Computer ausgelesen. Solche Geräte werden für das Vermessen dreidimensionaler Formen von den Firmen FARO (US 5412880) und Immersion Human Interface (WO 95/02801) hergestellt. Diese benötigen fünf hochgenaue Gelenke und Winkelmesser und sind deshalb teuer.

Das hier vorgeschlagene Gerät soll sich auf Flächen (zwei Dimensionen) und auf die für das Zeichnen/Digitalisieren nötige Genauigkeit beschränken.

Zur Bestimmung der Position der Stiftspitze müssen nur die zwei Winkel (Fig. 1 ϑ, ϕ) des am Fußpunkt befestigten Gelenks gemessen werden, da der Gelenkwinkel in der Mitte des Armes von ϑ abhängig ist. Die Umrechnung der Kugelkoordinaten in kartesische geschieht mit einer in das Gerät integrierten Elektronik oder durch einen speziellen Softwaretreiber. Als Schnittstelle kann z. B. die Mausschnittstelle oder die Grafiktablett-Schnittstelle verwendet werden.

Die Winkel können mit einer Lichtschranke (Fig. 2, Pos. 3) wie sie in einer Maus verwendet wird, gemessen werden. Ein feines (z. B. fotografisch erzeugtes) Streifenmuster wird durch die Lichtschranke bewegt (Fig. 2, Pos. 2) und die absolute Winkelposition inkremental durch Aufaddieren der Streifendurchgänge durch die Lichtschranke berechnet. Durch die hohe Winkelauflösung bedingt, müssen die Streifen sehr viel schmaler sein als der Lichtstrahl der Lichtschranke. Zur Verbreiterung der Streifen auf die Breite der Lichtschranke wird dann der Moiré-Effekt genutzt, indem vor dem Detektor der Lichtschranke ein weiteres leicht gekipptes Strichmuster fest angebracht wird. Die Filme mit den Streifenmustern sind zusammen mit der Lichtschranke vollständig kapselbar, so daß sie nicht verschmutzen können (Fig. 2).

Die Streifen können axial oder radial angeordnet sein, damit thermische Ausdehnung nicht zu Ungenauigkeiten führt.

Eine andere Möglichkeit der Winkelmessung würde eine speziell beschriebene CD benutzen. Diese muß allerdings mit einer teureren Laseroptik ausgelesen werden.

Der Stift ist um seine Spitze soweit frei drehbar aufgehängt, daß er die Schreibbeweglichkeit nicht behindert. Für diese Aufhängung werden drei verschiedene Möglichkeiten vorgestellt (Fig. 3-5). Die dafür vorgesehenen Gelenke zwingen die Stiftspitze auf einen festen Punkt relativ zum daranhängenden Armsegment, so daß die beiden Winkel des Fußgelenks weiterhin die Position der Stiftspitze bestimmen:

Variante 1 (Fig. 3 und 3a): Die Stiftspitze ist als Kugelgelenk ausgebildet, das fest mit dem Gelenkarm (Fig. 1, Pos. 1) verbunden ist aber beweglich (spielfrei durch eine Feder gespannt) im Stift sitzt. Entweder die Spitze ist ein Teil des Arms (Fig. 3) oder des Stiftes (Fig. 3a).

Variante 2 (Fig. 4 und Fig. 5): Der ganze Stift ist oberhalb der haltenden Hand mit dem Gelenkarm über Gelenke verbunden, deren Drehachsen durch die Stiftspitze verlaufen, so daß die Stiftspitze frei für eine Schreibmine ist; entweder mit Gelenkachsen, die relativ zur Achse des unteren Gelenkarms (Fig. 1, Pos. 1) unter Winkeln kleiner als 90° durch die Stiftspitze verlaufen (Fig. 4), oder mittels einer Paralleführung mit Gelenkachsen die unter Winkeln von 90° relativ zur Achse des unteren Gelenkarms durch die Stiftspitze verlaufen (Fig. 5).

Der Arm wird z. B. durch die Verwendung von Kohlefaserrohren leicht sein, damit er das zum Schreiben benötigte geringe Trägheitsmoment besitzt.

Die Spitze des Stiftes kann in von den Grafiktabletts bekannter Weise als Fadenkreuz oder als druckabhängiger Taster ausgebildet werden. Anders als bei Grafiktabletts darf er sich aber unter Druck nicht nennenswert verformen, damit die Position erhalten bleibt. Die Fixierung des Fußes (Fig. 2) geschieht durch sein Gewicht, oder durch Klemmen oder Kleben.

Wenn die Meßmethode inkremental ist, ist eine Eichung nötig, wozu am Fuß des Gerätes ein Anschlag angebracht werden kann.

Die Vorteile gegenüber den Grafiktabletts sind:

• - der Cursor geht nicht verloren, wenn der Stift weiter vom Brett abgehoben wird.
• - es ist kein großes (und erhabenes) Brett auf dem Arbeitsplatz erforderlich, der Platz ist für den Wechsel zur Tastatur schnell frei.
• - der Arm kann auch so angebracht werden, daß direkt auf den Monitor geschrieben werden kann.
• - Da die Kosten nicht proportional zur Fläche steigen, kann das Gerät für die Formate A4 und A3 kostengünstiger als andere Geräte, insbesondere Grafiktabletts gebaut werden.
• - Im Gegensatz zur Maus sind die Winkelmesser voll kapselbar.

Claims (9)

1. Gerät zur simultanen Übertragung der Koordinaten eines Zeichenstiftes beim Zeichnen und Schreiben in den Computer,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zeichenstift (Fig. 1, Pos. 2) über einen Gelenkarm (Fig. 1, Pos. 1) mit Winkelmessern verbunden ist und daß die Position der Schreibspitze auf der Fläche durch die Messung der Winkel zwischen den Gelenken bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schreibstift derart frei beweglich aufgehängt ist, daß er die natürlichen Schreibbewegungen nicht behindert, die Position der Schreibspitze relativ zum benachbarten Gelenk aber dabei fest ist, so daß die Anzahl der zu messenden Winkel auf zwei reduziert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stiftspitze als Kugelgelenk ausgebildet ist, das fest mit dem Gelenkarm (Fig. 1, Pos. 1) verbunden ist aber beweglich im Stift sitzt (Fig. 3 und 3a),
oder dadurch gekennzeichnet,
daß der ganze Stift oberhalb der haltenden Hand über Gelenke mit dem Gelenkarm verbunden ist, deren Drehachsen durch die Stiftspitze verlaufen, so daß die Stiftspitze frei für eine Schreibmine ist,
entweder mit Gelenkachsen, die relativ zur Achse des unteren Gelenkarms (Fig. 1, Pos. 1) unter Winkeln kleiner als 90° durch die Stiftspitze verlaufen (Fig. 4),
oder mittels einer Parallelführung mit Gelenkachsen, die relativ zur Achse des unteren Gelenkarms unter Winkeln von 90° durch die Stiftspitze verlaufen (Fig. 5),

2. Gelenkarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel ohne Übersetzungsmechanik mittels eines durch eine einfache (z. B. von der Computermaus bekannten) Lichtschranke (Fig. 2, Pos. 3) bewegten feinen Streifenmusters gemessen werden (Fig. 2, Pos. 2), wobei die Streifen unter Ausnutzung des Moiré-Effektes auf den Durchmesser des Lichtstrahls der Lichtschranke verbreitert werden. Die Streifen können radial oder axial zur Drehachse verlaufen.

3. Gelenkarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmessung eine speziell beschriebene CD benutzt.

4. Gelenkarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei weit ausgestrecktem Arm auftretenden Gewichts- und Hebelkräfte durch Federn ausgeglichen werden.

5. Gelenkarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmesser bis auf eine drehende Durchführung voll kapselbar sind (Fig. 2).

6. Gelenkarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrechnung der Kugelkoordinaten in kartesische mit einer in das Gerät integrierten Elektronik oder durch einen speziellen Softwaretreiber geschieht.

7. Gelenkarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät zum Schreiben auf der Monitorfläche umgestellt werden kann. Dafür wird der Winkel ϑ nicht mehr am Fuß, sondern zwischen den Schenkeln des Arms gemessen, so daß die Achsen der Winkelbewegungen ϑ und ϕ parallel sind. Der Arm wird mit einer speziellen Halterung in der Monitorebene aufgestellt/befestigt.

8. Gelenkarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät parallel zu einer Maus betrieben wird.

9. Gelenkarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stiftspitze druckempfindlich ausgebildet wird.