DE10124839A1

DE10124839A1 - Optisches deformationsabhängiges Mess- und Steuerungssystem

Info

Publication number: DE10124839A1
Application number: DE2001124839
Authority: DE
Inventors: Yuichiro M E Honda; Oliver Wendt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2002-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Meß- und Steuerungssystem, das eine berührungslose und quantitative Erfassung von Deformationen an Körperoberflächen (1) ermöglicht. Dieses wird mittels eines speziellen Sensorelementes (6) und einer nachgeschalteten Codierungsprozedur, sowie mit direkt auf die Oberfläche applizierte Markierungen (3) oder über Codierobjekte (2), die im Bereich der Oberflächendeformationen aufgebracht werden, erreicht. Über eine spezielle Signalverarbeitungsstufe (7) werden die Meßsignale zu Steuersignalen transformiert, mit dem Ziel, reaktionsschnelle Steuerungen von Geräten wie z. B. von Gliedermaßenprothesen, unter der Ausnutzung von Oberflächendeformationen zu realisieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Meß- und Steuerungssystem zur reproduzierbaren und schnellen Erfassung von Oberflächenverformungen an beispielsweise Körperteilen, mit dem Ziel, präzise verformungsabhängige Steuerungen von Geräten zu ermöglichen.

Eine mögliche Verwendung dieses Meß- und Steuerungssystems findet sich z. B. im Bereich der Gliedmaßenprothetik. Hierbei unterscheidet man zur Zeit zwischen körperbetätigten und fremdkraftbetriebenen Prothesen. Bei den körperbetätigten Prothesen werden im allgemeinen Bandagensteuerungen zur Bewegung der Prothesenteile verwendet. Die fremdkraftbetriebenen Prothesen nutzen zur Steuerung der Prothese im allgemeinen das körpereigene EMG-Signal, das mittels Körperkontakt über aktive Elektroden abgegriffen und einem Verstärker zugeleitet wird. Die Höhe des EMG-Signals hängt dabei sehr von der Stärke der Muskelkontraktion ab. Diese Methode hat Nachteile für zum Beispiel Unterarmamputierte, die zur sicheren Prothesensteuerung einen großen Trainingsaufwand benötigen. Desweiteren muß ein permanenter Kontakt zwischen der Haut und den Elektroden sichergestellt sein. Da der Hautkontakt zu den Elektroden einen Mindestdruck gewährleisten muß, kann dies zu Hautreizungen führen oder aber auch zu Hautverbrennungen beim elektronischen Defekt des Ableitsystems. Zudem basiert die EMG-Signalverarbeitung auf einem analogen Auswerteverfahren, das einen relativ hohen technischen Schaltungs- und Signalauswertungsaufwand mit sich bringt.

Ausgehend von den genannten Nachteilen der EMG-Prothesensteuerung hat sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine kontaktlose Meßeinrichtung mit digitaler Signalauswertung zur präzisen Steuerung von Geräten wie z. B. von orthopädischen Hilfsmitteln, die Arm- und Beinprothesen sein können, zu entwickeln.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale vor, die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind. Weitere, vorteilhafte und die Erfindung konkretisierende Merkmale sind in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprüche zu sehen.

Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sind anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufhau und die Anwendung des Meß- und Steuerungssystems an einer gekrümmten Oberfläche,

Fig. 2 ein Blockdiagramm des Meß- und Steuerungssystems,

Fig. 3 den physikalischen Aufbau des Sensorelementes,

Fig. 4 ein Verformungsbeispiel eines Codierobjektes,

Fig. 5 ein Signalumwandlungsprinzip im optischen Meßsystem.

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft den Aufbau und die Anordnung des optischen Meß- und Steue rungssystems an einer gekrümmten Körperoberfläche 1. Zwischen der Körperoberfläche 1 und einem Gehäuse 4 befindet sich ein Codierobjekt 2, das elastische Eigenschaften besitzt und entweder die Körperoberfläche 1 selbst darstellt (Hautoberfläche) oder mit der Körper oberfläche 1 verbunden ist. Das Codierobjekt 2 weist ein Kontrastmuster 11 auf, das z. B. Hell/Dunkelmarkierungen 3 sein können. Das Codierobjekt 2 ändert seine Gestalt entspre chend einer Deformation der Körperoberfläche 1 und damit auch die Form des Kontrastmus ters 11. Eine Oberflächenverformung wird durch ein Sensorelement 6 mit Hilfe des Codierob jektes 2 berührungslos erfaßt. In einer beispielhaften Anordnung befindet sich das Sensorele ment 6 mit einer Lichtquelle 5 und einer Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 7 in einem Gehäuse 4. Die Lichtquelle 5 befindet sich in einer bestimmten Anordnung zum Codierobjekt 2 und Sensorelement 6, so daß die ausgesandten Lichtstrahlen mit hoher Effizienz über das Codierobjekt 2 zum Sensorelement 6 reflektiert werden können. Das Codierobjekt 2 oder die Markierungen selbst können ebenfalls die Lichtquelle 5 sein, wodurch die dargestellte Licht quelle 5 im Gehäuse 4 entfallen kann. Je nach Veränderung der räumlichen Anordnung des Codierobjektes 2 werden die Lichtstrahlen unterschiedlich vom Sensorelement 6 registriert, wodurch eine definierte Auswertung der Körperoberflächenverformung stattfinden kann. An der Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 7 befindet sich eine Anschlußleitung 8 für an wendungsspezifische Geräte.

Die Fig. 2 stellt das Blockdiagramm des Meß- und Steuerungssystems und dessen Funktionsstruktur dar. Gezeigt wird der elektrische und optische Signalverlauf des Meßsystems. Zentrale Einheit des Meß- und Steuerungssystems ist ein bewegungssensibles optisches Codiersystem. Dieses steuert die Lichtquelle 5, sowie das Sensorelement 6, erfaßt das deformationsabhängige Kontrastmuster 11 über die Sensorsignalinformation und erzeugt codierte Signale für die Steuerung der weiteren Anwendungen. Die optischen Signale werden von der Lichtquelle 5 über das Codierobjekt 2 zum Sensorelement 6 übertragen. Die vom Sensorelement 6 empfangenen optischen Signale werden in elektrische Signale umgewandelt und einem Binärcodierelement zugeführt. Die digitalen Signale vom Binärcodierelement werden in einer weiteren Stufe in einen, dem Oberflächenverformungszustand abhängigen Endcode umgesetzt.

In der Fig. 3 ist ein Beispiel für den Aufbau des Sensorelementes 6 gegeben. Das Sensorelement besteht hierbei aus lichtempfindlichen Zellen 9 der Breite b und Höhe h, die in Reihen oder Spalten angeordnet sein können. Die einzelnen Zellen sind durch einen Zwischenraum s voneinander getrennt. Je mehr Zellen vorhanden sind, desto mehr Verformungszustände der Oberfläche können in verwertbare Steuerungssignale umgesetzt werden bzw. desto größer ist die Auflösung der Meßsignale. Die lichtempfindlichen Zellen 9 befinden sich im Sensorelement 6 mit Anschlußkontakten 10 für schaltungstechnische Verbindungen und Signalleitungen.

Die Reaktionszeit und Genauigkeit der Steuerung, die eine Prothesensteuerung sein kann, kann im wesentlichen durch die Eigenschaften und die Betriebsweise der Lichtquelle 5, des Sensorelementes 6 und der Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 7 beeinflußt werden. Durch das schnelle Takten einer Lichtquelle 5 oder durch Lichtintensitätsänderung der Lichtquelle 5 lassen sich die Codierobjekte 2 mehr oder weniger schnell abtasten, wodurch eine individuelle Anpassung der Reaktionsgeschwindigkeit des Steuerungssystems erfolgen kann.

Die Fig. 4a zeigt ein Markierungsbeispiel für ein Codierobjekt 2. Dessen Veränderung nach einer Deformation wird in der Fig. 4b dargestellt. Das Codierobjekt 2, das z. B. eine dünne Folie oder die Haut selbst sein kann, weist mindestens ein Kontrastmuster 11 auf, das beispielsweise eine wechselnde Hell/Dunkelmarkierung sein kann. Nach jeder Verformung des Codierobjektes 2 durch z. B. einer Muskelaktivität, wird ein neuer Oberflächenzustand durch Verschiebung des Kontrastmusters 11 generiert. Dies bildet die Grundlage für die bewegungssensible Signalcodierung des optischen Meß- und Steuerungssystems.

Die Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Ablauf der Signalumwandlung. Diese findet in einem zentralen Steuerungsprozessor des optischen Meß- und Steuerungssystems statt. Dargestellt ist beispielhaft eine Reihe von Meßzellen 9 (1, 2, 3, . . . n) des Sensorelementes 6 und der vom Sensor generierte Ausgangzustand (binärer Endcode) in Abhängigkeit der Meßsituation. Das Diagramm Sa gibt das Ruhesignal des Meßsystems ohne Verwendung eines Codierobjektes 2 an. Im Diagramm Sb registrieren die lichtempfindlichen Zellen oder Meßzellen 9 ein vom Codierobjekt 2 vordefiniertes Kontrastmuster 11. Dieser Zustand kennzeichnet den Referenzzustand des Meßsystems. Erfolgt eine Verformung des Codierobjektes 2 und damit eine Verschiebung des Kontrastmusters 11, so ändert sich das Ausgangssignal entsprechend dieser Verschiebung. Die lichtempfindlichen Meßzellen 9 geben analoge Signale mit unterschiedlich hohen Signalpegeln aus, die mit Hilfe eines Vergleichspegels in einen "0"- Zustand (Low-Signal) oder "1"- Zustand (High-Signal) gesetzt werden. Dadurch wird eine eindeutige Ausgangssignalabbildung zum dazugehörigen Kontrastmuster, wie im Diagramm 5c dargestellt, erreicht. Das Ausgangssignal ist von digitaler Struktur und definiert eindeutig einen bestimmten Zustand des Codierobjektes 2. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, in Abhängigkeit des Deformationszustandes des Codierobjektes 2 ein analoges Steuersignal zu generieren.

Bezugszeichen

1

Körperoberfläche

2

Codierobjekt

3

Markierungen (z. B. Hell/Dunkelmarkierungen)

4

Gehäuse

5

Lichtquelle

6

Sensorelement

7

Signalverarbeitungs- und Steuereinheit

8

Anschluß

9

Meßzellen

10

Anschlußkontakte

11

Kontrastmuster

Claims

1. Meß- und Steuerungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß Körperoberflächen (1) mit gestalt- oder eigenschaftsändernden Codierungsobjekten (2) versehen sind und ein optisches Meßsystem mit zentraler Signalverarbeitung existiert, so daß Deformationen von Körperoberflächen (1) oder Kraft- bzw. Wärmeeinwirkungen auf die Codierungsobjekte (2) in codierte Steuersignale zum gezielten Betreiben von Geräten umgesetzt werden können.

2. Meß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsobjekte (2) ein Kontrastmuster (11) aufweisen, das sich beispielsweise aus Hell/Dunkelmarkierungen oder sich veränderbaren spektralen Strukturen zusammensetzt und durch Deformation einer Körperoberfläche (1), durch einwirkende Kräfte oder durch Wärmeeinwirkung eine Eigenschaftsänderung erfährt.

3. Meß- und Steuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Codierungsobjekt (2) ein auf die Körperoberfläche (1) aufzubringendes Material wie z. B. eine dünne Folie sein kann oder aber auch die Körperoberfläche (1) selbst ist.

4. Meß- und Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Meßsystem eine Lichtquelle (5) aufweist, die das Codierobjekt (2) beleuchtet oder im Codierobjekt (2) selbst enthalten ist, so daß ein bestehendes Kontrastmuster (11) am Sensorelement (6) abgebildet werden kann.

5. Meß- und Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Meßsystem mindestens ein Sensorelement (6) aufweist, welches ein lichtempfindliches Meßfeld oder mehrere lichtempfindlichen Meßzellen (9) besitzt und beispielsweise ein Photo-Array sein kann, so daß jedes Kontrastmuster (11) am Sensorelement (6) registriert und ein dem Kontrastmuster (11) entsprechendes Meßsignal ausgegeben werden kann.