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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Anzeigeelementes
auf einer Anzeige, vzw. einer Spielfigur eines Computerspiels auf
einem Bildschirm oder eines elektrisch steuerbaren Spielgerätes,
insbesondere eines Modellautos auf einer vzw. spurgebundenen Autorennbahn,
durch mindestens eine zu trainierende Körperfunktion eines menschlichen
Körpers, wobei mit mindestens einem Biofeedbacksensor mindestens
eine Körperfunktion eines menschlichen Körpers
gemessen und in ein vzw. elektrisches Eingangssignal umgewandelt
wird, das Eingangssignal mittels einer Signalverarbeitungsvorrichtung
verändert wird und in Form eines Ausgangssignals der Anzeige
zugeführt wird, wobei mit dem Ausgangssignal die Bewegung
des Anzeigeelementes gesteuert wird, wobei mit der Signalverarbeitungsvorrichtung
mindestens ein Signalmuster des Eingangssignals erkannt wird, und
wobei das Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem erkannten Signalmuster
mit der Signalverarbeitungsvorrichtung verändert wird.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Biofeedbackeingabevorrichtung, insbesondere
zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, mit mindestens
einem Biofeedbacksensor und mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung
zum Anschluss an eine Anzeige, insbesondere an einen Bildschirm
oder an eine spurgebundene Autorennbahn, wobei mit dem Biofeedbacksensor
mindestens eine Körperfunktion eines menschlichen Körpers
messbar und in ein vzw. elektrisches Eingangssignal umwandelbar
ist, das Eingangssignal mittels der Signalverarbeitungsvorrichtung
veränderbar und in Form eines Ausgangssignals der Anzeige
zuführbar ist, wobei mit dem Ausgangssignal die Bewegung
eines Anzeigeelementes steuerbar ist, wobei mit der Signalverarbeitungsvorrichtung
mindestens ein Signalmuster des Eingangssignals erkennbar ist, wobei
das Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem erkannten Signalmuster
mit der Signalverarbeitungsvorrichtung veränderbar ist.
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Als
Biofeedback wird ein Verfahren bezeichnet, wobei mindestens eine
Körperfunktion eines menschlichen Körpers erfasst
wird, an ein Anzeigeelement vzw. an eine Anzeige übergeben
wird und mit Hilfe des Anzeigeelementes bzw. der Anzeige die Körperfunktion
dargestellt wird. Mittels der Rückmeldung über
die Anzeige kann der Benutzer lernen, mit seiner Körperfunktion,
bspw. einer Muskelkontraktion, ein Anzeigeelement auf der Anzeige
zu bewegen. Hierbei lernt der Benutzer, sich spielerisch bestimmte körperliche
Funktionen bewusst zu machen, um diese ggf. zu verbessern.
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Aus
der
DE 101 49 049
A1 ist ein Verfahren bekannt, wobei mehrere biologische
Parameter eines Benutzers von einer Computeranwendung automatisch
erfasst werden. Die Parameter werden dabei mittels eines Elektromyogramms
(EMG), nämlich einer Amplitude der Kontraktion eines Armmuskels – des
Muskulus Flexor Digitorum Quintus – erfasst. Diese Amplitude
wird als Eingangssignal verarbeitet und anhand der erfassten Amplitude
wird eine virtuelle biologische Repräsentanz des Nutzers
in der Computeranwendung dargestellt. Die virtuelle biologische
Repräsentanz wird als Avatar bezeichnet. Der Benutzer hat
die Aufgabe, einen im Computerspiel dargestellten Stein möglichst
hochzuheben. Der Stein bildet das zu bewegende Anzeigeelement und der
Bildschirm die Anzeige. Der Nutzer ballt mit maximaler Stärke
eine Faust. Hierdurch kommt es zur Aktivität des Muskels,
wobei die Amplitude der Aktivität als Eingangssignal aufgezeichnet,
verstärkt und AD-gewandelt wird, um dann in Form eines
Ausgangsignals, das die Amplitude der elektrophysiologischen Muskelaktivität
in mV repräsentiert, an den Rechner weitergegeben zu werden.
Am Rechner findet eine statische Auswertung statt. Das Ausgangssignal
wird dazu in einem vorgegebenen Zeitbereich von z. B. einer Sekunde
integriert. Anschließend findet ein statischer Vergleich
dieses Wertes mit Referenzwerten des Nutzers aus Voruntersuchen
oder mit allgemeinen Referenzwerten statt. Entsprechend dem Ergebnis
des Vergleichs wird die Gestalt des Avatars modifiziert. Liegen
die Werte des Nutzers bspw. in einem oberen Referenzbereich, wird
ein Avatar gewählt, der im Vergleich zu anderen Avataren
groß ist und eine große Muskelmasse hat. Liegen die
Werte des Nutzers bspw. in einem unteren Referenzbereich, wird ein
Avatar gewählt, der im Vergleich zu anderen Avataren eine
kleine Muskelmasse besitzt. Während des sich darauf anschließenden Programmablaufes
werden die Ergebnisse wiederholter Messungen dazu verwendet, die
Figur des Avatars wiederum zu modifizieren. Hierdurch kann der Be nutzer
bspw. erlernen, die Kraft bei einer Muskelkontraktion genau zu dosieren
und hiermit Köpergröße und Muskelmasse
seines Avatars gemäß den Erfordernissen des Programms
zu modifizieren.
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Aus
der
DE 43 27 418 C1 ist
eine Biofeedbackeingabevorrichtung mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung
bekannt. Mit der Biofeedbackeingabevorrichtung lassen sich Steuersignale
an ein Computerspielgerät weitergeben. Mit Biofeedbacksensoren
werden dabei Signale eines Spielers in Form von Gehirnwellen gemessen.
Die Signale werden dabei verarbeitet und in Form eines Ausgangssignals
einer Anzeige – einem Computerspielgerät – zugeführt. Eine
Steuerung für Actionspiele, d. h. Spiele bei denen die
Bewegung einer Spielfigur gesteuert wird ist aus der
DE 4327418 C1 ebenfalls
bekannt. Das Spiel kann gemäß dem Zustand der
Gehirnwellen gespielt werden, ohne dass der Spieler die Knöpfe
oder Taster, einen Joy-Pads oder Joysticks betätigen muss. Bspw.
kann das Spiel als Golfspiel mit einem Golfball als bewegbares Anzeigeelement
ausgestaltet sein. Das Ausgangssignal der Signalverarbeitungsvorrichtung
kann dabei so erzeugt werden, dass die Richtung des Golfballs stabilisiert
wird (d. h. der Ball fliegt geradeaus), wenn der Konzentrationsgrad
des Spielers hoch ist (d. h. ein biologisches Signal, dass einen derartigen
Zustand widerspiegelt, übertragen wird), oder dass die
Richtung des Balls instabil wird (d. h. der Ball zur Seite geschlagen
wird und bspw. einer Parabel folgt oder anderen bogenförmigen
Bahnen), wenn der Konzentrationsgrad des Spielers gering ist (,
d. h. wenn der Spieler erregt ist). Die Gehirnwellen werden hier
durch Potentialänderungen ausgedrückt, die an
der Oberfläche des menschlichen Gehirns gemessen werden.
Die Gehirnwellen werden mit der Signalverarbeitungsvorrichtung auf
Delta-, Tetha-, Alpha- und Beta- Frequenzbänder analysiert.
Die Signalverarbeitungsvorrichtung weist dabei Hoch- und Tiefpassfilter
auf, wobei die Extraktion der Frequenzbänder durch die
Hochpass- und Tiefpassfilter erfolgt. Die Extraktion der Frequenzbänder
erfolgt linear, durch „Ausschneiden” der entsprechenden
Frequenzbänder. Die Frequenzbänder bilden dabei
Signalmuster des Eingangssignals. Diesen Frequenzbänder
wird als Ausgangssignal ein entsprechendes Darstellung der Flugbahn
des Golfballes zugeordnet.
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Die
im Stand der Technik bekannten Verfahren und Biofeedbackeingabevorrichtungen
sind noch nicht optimal ausgebildet. Die Steuerung eines Anzeigeelementes,
insbesondere der Spielfigur eines Computerspiels ist mit den bekannten
Biofeedbackeingabevorrichtungen unkomfortabel ausgebildet und nicht
hinreichend an die Bedürfnisse eines spielenden Benutzers
angepasst. Die Steuerung des Anzeigeelementes mit der Biofeedbackeingabevorrichtung
kann insbesondere für einen spezifischen Benutzer individuell
zu schwierig sein und ist im Stand der Technik daher noch nicht
optimal ausgebildet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das zuvor genannte Verfahren
und die zuvor genannte Biofeedbackeingabevorrichtung derart auszugestalten
und weiterzubilden, so dass die Bewegung des Anzeigeelements komfortabler
für unterschiedliche Benutzer steuerbar ist.
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Die
zuvor aufgezeigte Aufgabe wird nun – für das Verfahren – dadurch
gelöst, dass bei einer Bewegung des Anzeigeelements auf
ein Ziel hin als Signalmuster eine überschwingende Bewegung
und/oder eine unterschwingende Bewegung erkannt wird.
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Die
zuvor aufgezeigte Aufgabe wird nun – für die Biofeedbackeingabevorrichtung – dadurch
gelöst, dass die Signalverarbeitungsvorrichtung derart
ausgestaltet ist, dass bei einer Bewegung des Anzeigeelements auf
ein Ziel hin als Signalmuster eine überschwingende Bewegung
und/oder eine unterschwingende Bewegung erkennbar ist.
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Der
Erfindung liegt daher zunächst das Grundprinzip zugrunde,
dass das Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem erkannten
Signalmuster „überschwingende Bewegung und/oder
unterschwingende Bewegung” mit der Signalverarbeitungsvorrichtung
verändert wird. Die Bewegung des Anzeigeelements – für
den jeweiligen spezifischen Benutzer – kann dabei durch
Beeinflussen des Ausgangssignals in Abhängigkeit vom erkannten
Signalmuster erschwert und/oder erleichtert werden. Bspw. kann, falls
in einem bestimmten definierten Bereich um das Ziel eine über-
und/oder unterschwingende, (insbesondere bspw. einen definierten
Ziel- bzw. Grenzwert übersteigende, aber das Ziel nicht
erreichende Bewegung als „unterschwingende Bewegung”)
erkannt wird, das Anzeigeele ment automatisch auf das Ziel durch
eine entsprechende Beeinflussung/Veränderung des Ausgangssignals
gesetzt oder bewegt werden. Dazu kann die Signalverarbeitungsvorrichtung vzw.
mindestens einen Filter aufweisen, wobei das Eingangssignal mit
dem mindestens einen Filter zunächst gefiltert wird. Die
Filter können dabei vzw. steuerbare Eingabehilfen bereitstellen.
Vzw. ist jedem spezifischen Signalmuster ein Filter zugeordnet. Zusätzlich
wird das Eingangssignal zum Ausgangssignal hin verstärkt.
Durch die Filterung und Verstärkung wird das Eingangssignal
nicht linear in das Ausgangssignal umgewandelt. Dadurch wird mit
den Filtern bzw. Eingabehilfen die Bewegung des Anzeigeelements
für den Benutzer erleichtert oder erschwert. Die ”Spielbarkeit” ist
für den Benutzer und damit die Motivation für
ein regelmäßiges Spielen bzw. Training erhöht.
Weitere Signalmuster können durch eine Analyse des mindestens
einen Eingangssignals gewonnen werden. Wenn mit dem Biofeedbacksensor vzw.
eine Muskelspannung gemessen wird, ist bspw. ein Signalmuster ein ”unkontrolliertes
Muskelzucken”, was zu einer ruckartigen Verschiebung des Anzeigeelements
auf der Anzeige führen kann. Ein weiteres Beispiel für
ein Signalmuster ist eine Schwankung um ein festes Ziel, wobei diese Schwankung
dann eine Instabilität in der Bewegungskontrolle den Benutzers
anzeigt. Eine Schwankung kann dabei durch eine Schwankungsbreite
bzw. Amplitude und/oder eine Frequenz charakterisiert werden. Ein
weiteres Signalmuster ist z. B. ein gleichzeitiges Aktivieren eines
Agonisten und eines Antagonisten, z. B. des Armstreckers und des
Armbeugers. Ein weiteres Signalmuster ist dadurch gegeben, dass
im Verlauf des Trainings mit der Biofeedbacktrainingsvorrichtung
die Muskelaktivität bzw. das gemessene Muskelpotential
absinkt oder ansteigt. Diese erkannten Signalmuster können
bei der Verstärkung des Eingangssignals in das Ausgangssignal mit
der Signalverarbeitungsvorrichtung berücksichtigt werden.
Die eingangs beschriebenen Nachteile sind daher vermieden und entsprechende
Vorteile erzielt.
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Es
gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße
Verfahren und die erfindungsgemäße Biofeedbackeingabevorrichtung
in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden.
Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch
1 und dem Patentanspruch 24 nachgeordneten Patentansprüchen
verwiesen werden. Im folgenden wird nun eine bevorzugte Ausgestal tung
der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen
Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine Anzeige bei einer Kalibrierung
einer Signalverarbeitungsvorrichtung,
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2 in
einer schematischen Darstellung die Anzeige aus 1 bei
einer weiteren Kalibrierung,
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3 in
einer schematischen Darstellung ein Diagramm, wobei ein Eingangssignal über
der Zeit t aufgetragen ist,
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4 in
einer schematischen Darstellung ein Diagramm mit einem Signalmuster „Muskelzuckung”,
wobei ein Eingangssignal über der Zeit t aufgetragen ist,
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5 in
einer schematischen Darstellung ein Diagramm mit einem Signalmuster „gleichzeitige Aktivierung
von zwei Muskeln”, wobei zwei Eingangssignale über
der Zeit t aufgetragen sind,
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6 in
einer schematischen Darstellung ein Diagramm mit einem Signalmuster „überschwingende
Bewegung”, wobei drei Eingangssignale über der
Zeit t aufgetragen sind,
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7 in
einer schematischen Darstellung ein Diagramm mit einem Signalmuster „Unterschwingende
Bewegung”, wobei zwei Eingangssignale über der
Zeit t aufgetragen sind,
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8 in
einer schematischen Darstellung ein Diagramm mit einem Signalmuster ”Schwankung”,
wobei ein Eingangssignal über der Zeit t aufgetragen ist,
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9 in
einer schematischen Darstellung ein Diagramm mit einen Signalmuster ”irreguläre
Bewegung”, wobei ein Eingangssignal über der Zeit
t aufgetragen ist,
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10 in
einer schematischen Darstellung eine Anzeige mit einer Spur des
Anzeigelements bei einer ungefilterten ”irregulären
Bewegung” auf der Anzeige,
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11 in
einer schematischen Darstellung ein Diagramm mit ein Signalmuster ”Ermüdung”,
wobei ein Eingangssignal über der Zeit t aufgetragen ist,
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12 in
einer schematischen Darstellung eine Anzeige mit einer Spur des
Anzeigelements bei mehreren ungefilterten ӟberschwingenden
Bewegungen” auf der Anzeige,
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13 in
einer schematischen, perspektivischen Darstellung eine spurgebundenen
Autorennbahn mit einer angeschlossenen Biofeedbackeingabevorrichtung,
und
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14 in
einer schematischen Darstellung eine Signalverarbeitungsvorrichtung.
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Die
Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Steuerung
eines Anzeigeelementes 3 auf einer beispielhaft in den 1 und 2 dargestellten
Anzeige 1 (auch als Anzeigevorrichtung bezeichenbar). Die
stark schematisch dargestellte Anzeige 1 ist vzw. als Bildschirm
ausgebildet. Die Anzeige 1 dient dabei vzw. zur Darstellung
eines Computerspiels oder eines Konsolenspiels. Insbesondere wird
auf der Anzeige 1 ein Anzeigeelement 3 angezeigt.
Das Anzeigeelement 3 ist hier schematisch als Dreieck ausgebildet.
Das Anzeigeelement 3 ist vzw. als Spielfigur (nicht dargestellt)
eines Computerspiels ausgebildet. Bspw. kann das Anzeigeelement
als Fisch (nicht dargestellt) ausgebildet sein, wobei der Fisch über
den Bildschirm bewegbar ist bzw. bewegt wird.
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In
alternativer Ausgestaltung kann die Anzeige 1 auch als
ein elektrisch steuerbares Spielgerät ausgebildet sein.
Das elektrisch steuerbare Spielgerät kann als vzw. spurgebundenen
Autorennbahn, ausgebildet sein. Das Anzeigeelement 3 ist
dabei als auf der Autorennbahn fahrbares Modellauto ausgebildet,
wobei das Modellauto über die Autorennbahn bewegt wird.
Denkbar ist auch ein an ders ausgestaltetes, bewegbares Anzeigeelement,
das bspw. als Modellflugzeug oder als in einem 3-Dimensionalen Raum
bewegbares Objekt ausgebildet ist.
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Das
Anzeigeelement 3 wird durch mindestens eine Körperfunktion
eines menschlichen Körpers gesteuert. Dazu wird mit mindestens
einem Biofeedbacksensor (in den 1 bis 12 nicht
dargestellt) mindestens eine Körperfunktion eines menschlichen
Körpers gemessen und in ein elektrisches Eingangssignal
umgewandelt. Der Biofeedbacksensor ist vzw. als elektromyographischer
Sensor – ein sogenannter EMG-Sensor – ausgebildet. Dabei
wird mit dem EMG-Sensor ein elektrisches Potential von einem oder
von mehreren Muskeln gemessen. Vzw. sind mehrere EMG-Sensoren vorgesehen.
Beinahe jeder Muskel, selbst ein relativ kleiner Gesichtsmuskel
kann dabei mit einem EMG-Sensor gemessen werden. Die EMG-Sensoren
sind vzw. als Oberflächensensoren ausgestaltet, d. h. die EMG-Sensoren
werden zur Messung an der Hautoberfläche des Benutzers
angebracht, insbesondere in Form von Klebeelektroden angeklebt.
Auch sind Biofeedbacksensoren denkbar, die entsprechend der Augenaktivität
eines Menschen ausgelöst werden, bspw. über Infrarot-Reflektion,
Laserscan, Occulographie bzw. Elektro-Occulographie.
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Jeder
Bewegungsrichtung des Anzeigeelements 3 kann dabei ein
Muskel und/oder eine Muskelgruppe zugeordnet sein. Einem Armbeuger
kann bspw. eine Bewegung des Anzeigelements 3 nach oben
und einem Armstrecker eine Bewegung des Anzeigelements 3 auf
einer Bildschirm-Anzeige nach unten zugeordnet sein. Vzw. ist das
Anzeigelement 3 in den Bewegungsrichtungen nach oben, nach
unten, links und rechts, vzw. durch die entsprechende Zuordnung
von spezifischen Muskeln zu den jeweiligen Bewegungsrichtungen bewegbar.
Die jeweiligen Biofeedbacksensoren messen jeweils ein entsprechendes
Eingangssignal. Falls ein Modellauto durch die Muskeln gesteuert
wird, kann bspw. mit dem Armbeuger das Modellauto beschleunigt und
mit dem Armstrecker das Modellauto gebremst werden.
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Die
gemessenen Eingangssignale können je nach Größe
und Anspannung des jeweiligen Muskels im Bereich von bspw. 0 bis
400 Mikrovolt liegen. Die Messgenauigkeit der EMG-Sensoren und der
Signalverarbeitungsvorrichtung liegt vzw. in der Größenordnung
Mikrovolt vzw. darunter. Die Biofeedbacksensoren messen vzw. mit
einer Frequenz von etwa 100 Hertz, vzw. mehr als 100 Hertz, insbesondere
etwa 1000 Hertz.
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Durch
die Anwendung verschiedener Biofeedbacksensoren können
unterschiedliche Körperfunktionen analysiert und angezeigt
werden, die einer bewussten Wahrnehmung ohne technische Hilfsmittel
normalerweise nicht oder nur eingeschränkt zugänglich
sind. Beispiele für solche Körperfunktionen sind
ein Hautwiderstand, eine Kreislaufaktivität, ein Magensäurespiegel,
eine Hirnstromaktivität oder wie hier bspw. die Muskelaktivität.
Die Biofeedbacksensoren können insbesondere zur Messung
der Herzfrequenz, der Atemfrequenz, des Hautwiderstands, des Magensäurespiegels,
der Hirnstromaktivität oder wie hier beschrieben der Muskelaktivität ausgestaltet
sein. Biofeedbacksensoren zur Messung der Aktivität der
Beckenmuskulatur liegen bspw. zur Messung einer Inkontinenz vor.
Insbesondere können die Biofeedbacksensoren zur Messung von
Augenbewegungen ausgestaltet sein.
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Dieses
Verfahren wird vzw. mit einer Biofeedbackeingabevorrichtung (in
den 1 bis 12 nicht dargestellt) ausgeführt.
Die Biofeedbackeingabevorrichtung ist zur Durchführung
des Verfahrens ausgestaltet. Die Biofeedbackeingabevorrichtung weist
insbesondere mindestens einen Biofeedbacksensor und eine Signalverarbeitungsvorrichtung
auf.
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Die
Signalverarbeitungsvorrichtung kann entweder als selbständiges
Gerät oder als Computer ausgebildet sein. Der Computer übernimmt
dann vzw. zum einen die Aufgaben der Signalverarbeitungsvorrichtung
und steuert zum einen das Anzeigeelement 3 bzw. zum anderen
die Anzeige 1, hier den Bildschirm an. Die Signalverarbeitungsvorrichtung
zusammen mit den Biofeedbacksensoren bildet die Biofeedbackeingabevorrichtung.
Diese Biofeedbackeingabevorrichtung kann dabei die Eingabemittel
Maus oder Joystick, insbesondere bei einem Computer ersetzen. D.
h. das Anzeigeelement 3 kann als Cursor ausgebildet sein
und der Benutzer kann bspw. den Cursor mit Hilfe seiner Körperfunktionen über
den Bildschirm. d. h. au der Anzeige 1 bewegen.
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Das
Eingangssignal wird mittels der nicht dargestellten Signalverarbeitungsvorrichtung
verändert und in Form des Ausgangssignals der Anzeige 1 zugeführt.
Durch das Ausgangssignal wird die Bewegung des Anzeigeelementes 3 gesteuert.
Das Ausgangssignal stellt dabei die Koordinateninformation des Anzeigeelementes 3 auf
der Anzeige 1 dar. Die Signalverarbeitungsvorrichtung weist
vzw. eine Eingangsschnittstelle, wobei die Eingangsschnittstelle mit
den Biofeedbacksensoren verbunden oder verbindbar ist, und eine
Ausgangsschnittstelle zur Verbindung mit der Anzeige 1,
insbesondere mit dem Computer vzw. über USB od. dgl. auf.
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Biofeedback
bezeichnet im Allgemeinen ein Verfahren, bei dem eine Körperfunktion
einer Person über Messung mit einem Biofeedbacksensor und durch
die Anzeige 1 dem Bewusstsein zugänglich gemacht
wird. Über die Anzeige 1 daher wird vzw. die jeweilige
spezifische Körperfunktion dem Benutzer bewusst gemacht.
Hierdurch tritt eine Rückkopplung auf. Die Bewegung des
Anzeigeelements 3 wird mittels der Körperfunktionen
gesteuert, wozu bevorzugt die Aktivität der Muskulatur
mit mehreren EMG-Sensoren gemessen wird. Diese EMG-Sensoren werden vzw.
zur Ansteuerung eines als Signalverarbeitungsvorrichtung genutzten
PCs genutzt.
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Mit
der Signalverarbeitungsvorrichtung wird vzw. ein Computerspiel gesteuert.
Die von den Biofeedbacksensoren gemessenen Eingangssignale werden
der Signalverarbeitungsvorrichtung zugeführt und vzw. aufgezeichnet
und einem Trainer zur Verfügung gestellt. Der Trainer kann
bspw. in tabellarischer Form die Eingangssignale analysieren und daraufhin
Rückschlüsse auf den Trainingszustand des Benutzers
schließen. Hierbei ist auch denkbar, dass eine Analyse
automatisch erfolgt und ein entsprechendes Programm die weiteren
Trainingsanforderungen definiert. In einer Ausgestaltung des Verfahrens
wird ein handelsübliches Computerspiel verwendet, wobei
die Joystick- und/oder Mauseingabe durch die Signalverarbeitungsvorrichtung
und die Biofeedbacksensoren ersetzt wird. Das Computerspiel kann
bspw. als „Jump- and Run-Spiel” ausgebildet sein.
Hierbei wird das Anzeigeelement 3 durch Anspannen der Muskulatur über
den Bildschirm bewegt, wodurch vzw. Hindernissen ausgewichen wird
und ggf. Punkte aufgesammelt werden.
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Durch
die Verbindung eines „Biofeedbacktrainings” mit
Computerspielen wird die Motivation für ein kontinuierliches
Training gerade bei Kindern und Jugendlichen entscheidend erhöht.
Durch ein solches Training kann die Körperwahrnehmung verbessert
werden und zum anderen die Muskulatur spielerisch gestärkt
werden. Durch ein Biofeedbacktraining können insbesondere
Muskeln von Sportlern trainiert werden. Denkbar ist aber auch, älteren
Menschen mit einer schwächeren Muskelfunktion ein gezieltes
Training des Muskels zu ermöglichen. Durch ein Biofeedbacktraining
ist es möglich, die Muskulatur zu mobilisieren. Ferner
kann durch ein Biofeedbacktraining eine muskuläre Dysbalance
behoben werden. Die Verbesserung der Kontrolle von bestimmten Muskeln und
somit zur Verbesserung von Bewegungsabläufen ist insbesondere
für Leistungssportler interessant.
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Mit
der Signalverarbeitungsvorrichtung wird mindestens ein Signalmuster
des Eingangssignals erkannt, wobei das Ausgangssignal in Abhängigkeit von
dem erkannten Signalmuster mit der Signalverarbeitungsvorrichtung
vzw. nichtlinear verändert wird. Die Signalverarbeitungsvorrichtung
ist derart ausgestaltet, dass mit der Signalverarbeitungsvorrichtung
mindestens ein Signalmuster des Eingangssignals erkennbar ist, wobei
das Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem erkannten Signalmuster
mit der Signalverarbeitungsvorrichtung vzw. nicht-linear veränderbar
ist.
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Das
Eingangssignal wird mit der Signalverarbeitungsvorrichtung in das
Ausgangssignal umgewandelt. Mit der Signalverarbeitungsvorrichtung
wird auch vzw. mindestens ein Signalmuster erkannt und das Ausgangssignal
wird in Abhängigkeit von dem erkannten Signalmuster mit
der Signalverarbeitungsvorrichtung nicht-linear erzeugt. D. h. die
Bewegungskoordinaten des Anzeigeelementes 3 können durch
die Signalverarbeitungsvorrichtung korrigiert bzw. verändert
werden. Dies hat den Vorteil, dass die Schwierigkeit der Steuerung
der Bewegung des Anzeigeelements 3 kontrollierbar ist.
Hierdurch lässt sich der Schwierigkeitsgrad der Steuerung
der Bewegung einstellen, so dass vzw. Kinder, jungendliche Erwachsene,
trainierte Personen, untrainierte Personen die Bewegung des Anzeigeelementes 3 komfortabel
steuern können. Die Signalverarbeitungsvorrichtung verstärkt
hier zum einen, das meist in Mikrovoltbereich liegende Eingangssignal
der EMG-Sensoren und erleichtert oder erschwert die über
die Anzeige 1 erfolgte Rückkopplung hinsichtlich
vzw. wiederkehrender Signalmuster bzw. den damit zusammenhängenden
Körperfunktionsmustern. Die Signalverarbeitungsvorrichtung
kann dabei vzw. einen Filter aufweisen, wobei das Eingangssignal
mit dem mindestens einen Filter gefiltert wird. Das Signalmuster
wird vzw. von der Signalverarbeitungsvorrichtung erkannt und die
Bewegung des Anzeigeelementes 3 durch Beeinflussung des
Ausgangssignals mit der Signalverarbeitungsvorrichtung unterstützt.
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Die
hier beschriebenen Möglichkeiten zur Analyse von Signalmustern
können in der Signalverarbeitungsvorrichtung entweder auf
Softwareebene mit in einem programmierbaren Computer oder auf Hardware-Ebene
mittels einer elektrischen und/oder elektronischen Schaltung realisiert
sein. Eine Lösung auf Hardware-Ebene bietet sich insbesondere
dann an, wenn als Anzeige 1 ein Spielgerät, bspw.
eine spurgebundene Modell-Autorennbahn eingesetzt wird.
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Vzw.
wird die Signalverarbeitungsvorrichtung zu Beginn kalibriert. In
den 1 und 2 sind zwei Möglichkeiten
der Kalibrierung der Signalverarbeitungsvorrichtung dargestellt.
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In 1 ist
ein durch Kreuze markiertes Punkteraster 2 dargestellt.
Das Anzeigeelement 3 ist hier dreieckig dargestellt, kann
jedoch auch eine beliebige andere Gestalt haben. Die einzelnen markierten
Positionen 4 des Punkterasters 2 sind vzw. regelmäßig
angeordnet. Die Positionen 4 sind hier in Spalten und Zeilen
angeordnet. Der horizontale Abstand der Positionen 4 beträgt
dabei vzw. eine konstante Breite d1, der vertikale Zeilenabstand
der Positionen 4 beträgt dabei einen konstanten
Betrag d2. Die einzelnen Positionen 4 der Kreuze werden
nun vzw. nacheinander durch eine Zielmarke 5 – hier
durch einen Kreis dargestellt – markiert.
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Ein
erstes Ziel für den Benutzer ist, bei der Kalibrierung
vzw. das Anzeigeelement 3 konstant an einer bestimmten
Position 4, die durch die Zielmarke 5 definiert
ist, zu halten. Hierbei erfolgt die Kalibrierung der Signalverarbeitungsvorrichtung
für das Erkennen eines Signalmusters ”Schwankung” bzw.
einer Instabilität der Bewegungskontrolle. Auf das Signalmuster „Schwankung” wird
weiter unten noch näher anhand der 8 eingegangen.
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Bei
der Kalibrierung werden vzw. mit der Zielmarke 5 ferner
mehrere Positionen 4 nacheinander markiert, wobei das Anzeigeelement 3 durch
Veränderung der Körperfunktion auf die Zielmarke 5 bewegt
werden soll. In 1 ist durch die Pfeile P eine zeilenweise
Markierung der Positionen 4 von links nach rechts und anschließend
in der nächsten Zeile wieder beginnend von links angedeutet.
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In 2 ist
die Kalibrierung der Signalverarbeitungsvorrichtung durch eine Folgebewegung
dargestellt. Hierzu wird die anzusteuernde Zielmarke 5 mit
einer bestimmten Geschwindigkeit über die Anzeige 1 entlang
der Pfeile 6 bewegt. Die Pfeile 6 werden dabei
nicht mit der Anzeige 1 angezeigt, sondern dienen hier
nur zur Veranschaulichung der Bewegung der Zielmarke 5 bzw.
des Anzeigeelementes 3. Der Benutzer hat nun die Aufgabe,
das Anzeigeelement 3 der Bewegung der Zielmarke 5 folgen
zu lassen. Solche Folgebewegungen werden vzw. in Computerspielen
verlangt, so dass eine Kalibrierung dieser Bewegung sinnvoll ist.
Aus dieser Kalibrierung lassen sich Reaktionszeiten und gezielte
Beschleunigungsfähigkeiten bzw. Signaländerungsfähigkeiten des
Anzeigeelements 3 durch den Benutzer erfassen. Eine solche
kontinuierliche Folgebewegung stellt auf neurologischer Ebene eine
andere Anforderung als die in 1 dargestellte
Ansteuerung von nacheinander markierten Positionen 4 dar.
Die Zielmarke 5 kann dabei mit einer konstanten Geschwindigkeit
v1 bewegt werden. Alternativ kann die Geschwindigkeit v1 bei der
Bewegung der Zielmarke 5 in 2 auch variiert
werden.
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Bei
der Kalibrierung können daher verschiedene Parameter und
damit verbundene Signalmuster aufgezeichnet werden:
Bspw. kann
eine Maximalamplitude des Eingangssignals bei einer maximalen Kontraktion
der Muskeln gemessen werden. Die Amplitude kann dabei bspw. in der
Anzeige 1 zugeordneten Einheiten (Pixeln, Millimetern,
Metern) oder dem Eingangssignal zugeordneten Einheiten (Volt, Mikrovolt
oder dgl.) aufgezeichnet und/oder gespeichert werden. Die Bildschirmbegrenzung
bzw. die Begrenzung der Anzeige 1 geben dabei einen Maximalwert
für die Amplitude des Aus gangssignals vor. Aus dem Vergleich
der Maximalamplituden wird vzw. eine Verstärkung bzw. ein Verstärkungsfaktor
bestimmt, wobei die Signalverarbeitungsvorrichtung das Eingangssignal
um den Verstärkungsfaktor verstärkt. Ferner kann
eine Ruhetonus bzw. eine Grundspannung der Muskeln gemessen werden.
Das dem Ruhetonus entsprechende Minimum des Eingangssignals wird
bei der Verstärkung so berücksichtigt, dass alle
Bereiche der Anzeige 1 mit dem Anzeigeelement 3 erreichbar
sind. Bei einer derartigen Kalibrierung wird eine maximale Muskelkontraktion
bzw. ein maximales Eingangssignal der Körperfunktion gemessen,
so dass die Verstärkung des Eingangssignals so gewählt
werden kann, dass die maximale Kontraktion im wesentlichen der Größenordnung
des maximalen Ausschlags des Anzeigeelements 3 bzw. der
maximalen Amplitude des Ausgangssignals entspricht.
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Ferner
kann eine maximale Bewegungsgeschwindigkeit bei einer gezielten
Bewegung, z. B. beim Abfahren des Punkterasters 2 (vgl. 1)
ermittelt werden. Ferner kann die maximale Folgegeschwindigkeit
des Anzeigeelements 3 bei Folgebewegungen bewegte Zielmarke 5 ermittelt
werden (vgl. 2). Die maximale Folgegeschwindigkeit
bei Folgebewegungen des Anzeigelements 3 liegt in der Regel
niedriger als die maximale Bewegungsgeschwindigkeit bei gezielten
Bewegungen (vgl. 1), da während der
ausgeführten Folgebewegung eine ständige Rückkopplung über
die Anzeige 1 bzgl. der Position der Zielmarke 5 erforderlich
ist. Ferner kann die Beschleunigung des Anzeigeelements 3 bei
einer gezielten Bewegung (vgl. 1) und/oder
bei einer Folgebewegung (vgl. 2) erkannt
werden.
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In 3 ist
auf der Ordinatenachse x die Stärke des Eingangssignals 7 aufgezeichnet,
wobei aus der Abszissenachse t die Zeit aufgetragen ist. Die Stärke
des Eingangssignals (x) entspricht im wesentlichen der zurückgelegten
Wegstrecke des Anzeigeelements 3 auf der Anzeige 1 in
einer bestimmten Bewegungsrichtung. Die Bewegungsrichtung kann dabei
bspw. in horizontaler Richtung oder in vertikaler Richtung gerichtet
sein. Durch Ableiten des Eingangssignals 7 lässt
sich die Geschwindigkeit des Anzeigeelementes 3 bestimmen
und durch nochmaliges Ableiten aus der Geschwindigkeit die Beschleunigung
des Anzeigeelementes 3. Alternativ kann die Geschwindigkeit
und die Be schleunigung durch Differenzquotienten berechnet werden,
wie dieses in 3 durch die Steigungsdreiecke 8 angedeutet
ist.
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Für
die Bewegungsgeschwindigkeit bei gezielten Bewegungen und/oder für
die Folgegeschwindigkeit bei Folgebewegungen werden bei der Kalibrierung
vzw. individuelle Wertebereiche und jeweils ein individuell vom
jeweiligen Benutzer erreichbarer Maximalwert bestimmt. Für
eine Bewegungsbeschleunigung bei gezielten Bewegungen und/oder eine
Folgebeschleunigung werden bei der Kalibrierung vzw. individuelle
Wertebereiche und jeweils ein individuell erreichbarer Maximalwert
bestimmt.
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Falls
das Eingangssignal 7 dabei einen Maximalwert 7a überschreitet
(gestrichelt in 3 dargestellt), kann das Ausgangssignal
auf einem dem Maximalwert 7a entsprechenden Wert gesetzt,
also entsprechend verändert werden. Ebenso kann eine maximale
Ausgangssignaländerung vorgegeben sein, so dass die Geschwindigkeit
des Anzeigeelementes 3 begrenzt ist.
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Ferner
kann bei der Kalibrierung ein Signalmuster „Schwankung” bei
einer Halteposition ermittelt werden (vgl. 8), d. h.
das Anzeigeelement 3 soll vom Benutzer über einer
konstanten Zielmarke 5 über eine gewisse Zeit
gehalten werden. Dabei kann vzw. eine Schwankungsbreite a und eine
Frequenz f aus der Periode T bestimmt werden. Bei dem Versuch das
Anzeigeelement 3 über der Zielmarke 5 zu halten,
kann es zu einer Schwankung des Anzeigeelements 3 um die
feste Zielmarke 5 kommen. Die Schwankungsbreite a kann
hier als charakteristischer Parameter dieses Signalmusters aufgezeichnet
werden. Insbesondere kann die Schwankungsbreite in horizontaler
(d. h. X-Richtung) und in vertikaler (d. h. Y-Richtung) aufgezeichnet
werden. Bei diesem Signalmuster „Schwankung” sind
die Maximal- bzw. Minimalwerte der Schwankungsbreite variabel und
hängen stark von den jeweiligen Versuchsbedingungen ab.
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Aufgrund
der bei der Kalibrierung aufgezeichneten Parameter und damit verbundenen
Signalmuster kann nun die Bewegung des Anzeigeelements 3 durch
die Beeinflussung des Ausgangssignals verändert, insbesondere
erschwert und oder erleichtert werden. Dazu kann die Signalverarbeitungsvorrichtung
Filter bereitstellen, wobei das Eingangssignal entsprechend gefiltert
und/oder verstärkt wird. Die Filter können hier
als Eingabehilfen ausgestaltet sein.
-
Bspw.
können mit der Signalverarbeitungsvorrichtung ”Zuckungen” in
einer Körperfunktion bspw. also Muskelzuckungen erkannt
werden: 4 zeigt eine Muskelzuckung 9 des
Eingangssignals, wobei die Auslenkung der Kurve in X-Richtung hierbei
die Stärke des Eingangssignals repräsentiert.
Innerhalb des Zeitintervalls t1 tritt hier die Muskelzuckung 9 als
kurzer, schneller Ausschlag des Eingangssignals auf. Die Muskelzuckung 9 kann
vzw. dadurch erkannt werden, dass die Amplitude der Muskelzuckung 9 größer
ist als die bei der Kalibrierung bestimmte individuelle Maximalamplitude,
die bei einer bewusst hervorgerufenen, maximalen Muskelkontraktion
erreicht wurde. Ferner können auch Muskelzuckungen erkannt
werden, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit der Muskelzuckung 9 bzw.
die Änderung des Eingangssignals im Zeitintervall t1 bestimmt
wird und mit der maximalen Bewegungsgeschwindigkeit bei der Kalibrierung
verglichen wird. Ferner kann die Muskelzuckung 9 dadurch
erkannt werden, dass die Änderung der Geschwindigkeit,
d. h. die Beschleunigung des Anzeigeelements 3 der Muskelzuckungskurve 9 in
Zeitintervall t1 bestimmt wird und diese mit der bei der Kalibrierung
maximalen Beschleunigung des Anzeigeelements 3 verglichen
wird.
-
In 5 ist
ein weiteres Signalmuster dargestellt, das erkannt wird. Vzw. wird
als weiteres Signalmuster die gleichzeitige Aktivierung eines Agonisten und
eines Antagonisten, d. h. eines Muskels und seines Gegenspielers
erkannt. Dazu ist vzw. sowohl ein Biofeedbacksensor für
den Agonisten als auch ein weiterer, zweiter Biofeedbacksensor für
den Antagonisten vorgesehen. Das Eingangssignal 10 des
Agonisten und das Eingangsignal 11 des Autagonisten sind
in 5 bei der Zeit t aufgetragen. Durch Anspannen
des Agonisten wird das Anzeigelement 3 vzw. in eine erste
Bewegungsrichtung bewegt und durch Anspannen des Antagonisten wird
das Anzeigelement vzw. in eine zweite, vzw. entgegengesetzte Bewegungsrichtung
bewegt. Als Filter für dieses Signalmuster „gleichzeitige
Aktivierung der entgegengesetzt wirkenden Muskeln” wird
entweder das Eingangssignals des ersten Biofeedbacksensors oder das
Eingangssignal des zweiten Biofeedbacksensors zumindest teilweise
aus dem Ausgangssignal herausgefiltert, so dass die Bewegung des
Anzeigeelements 3 nicht blockiert wird. Ist ein Eingangssignal 10 des
Agonisten gefordert, kann das Eingangssignal 11 des Antagonisten
herausgefiltert werden.
-
In
der 6 und in 12 ist
ein Signalmuster ”überschwingende Bewegung” dargestellt
und in den 7 ist ein Signalmuster ”unterschwingende Bewegung” dargestellt.
-
Die
eingangs beschriebenen Nachteile sind nun – für
das Verfahren – zunächst dadurch vermieden, dass
bei einer Bewegung des Anzeigeelements 3 auf ein Ziel Z,
Z1, Z2, Z3, Z4 hin als Signalmuster eine überschwingende
Bewegung O1, O2, O3 und/oder eine unterschwingende Bewegung U1,
U2, U3 erkannt wird.
-
Die
eingangs beschriebenen Nachteile sind nun – für
die Biofeedbackeingabevorrichtung – dadurch vermieden,
dass die Signalverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist,
dass bei einer Bewegung des Anzeigeelements 3 auf ein Ziel
Z, Z1, Z2, Z3, Z4 hin als Signalmuster eine überschwingende Bewegung
O1, O2, O3 und/oder eine unterschwingende Bewegung U1, U2, U3 erkennbar
ist.
-
Diese
Signalmuster treten insbesondere auch bei trainierten Benutzern
auf. Die Bewegung des Anzeigeelements 3 schießt
dabei über ein Ziel Z, Z1, Z2, Z3, Z4 hinaus. Dies kann
unterschiedlich stark ausgeprägt sein, wie anhand der überschießenden
Bewegung O1 und O2 sowie O3 dargestellt ist (vgl. 6).
Diese überschwingenden Bewegungen O1 bzw. O2 werden auch
als „Overshoot” bezeichnet. Nach der überschwingenden
Bewegung O1, O2, O3 bzw. überschießenden Bewegung
wird die Bewegung zum Ziel Z (vgl. 6) hin ”korrigiert”.
Es kann auch zu einer unterschwingenden bzw. unterschießenden
Bewegung U1 kommen, die – wie 6 zeigt – sich
bspw. sogar an eine überschießende Bewegung O3
anschließen kann. Solche unterschwingenden Bewegungen werden
auch als „Undershoot” bezeichnet. Diese überschwingenden
und ggf. zusätzlich unterschwingenden Bewegungen O1, O2,
O3, U1 können bspw. durch eine Extremwertanalyse, d. h.
durch eine analysierende Kurvenuntersuchung des Eingangssignals
erkannt werden.
-
Insbesondere
kann abgefragt werden, ob bei einer überschießenden
Bewegung O1, O2, O3 der Zielwert Z überschritten wird und
anschließend das Eingangssignal einen Hochpunkt bildet.
Eine überschießende mit einer anschließenden
unterschwingenden Bewegung O3 ist durch einen Hochpunkt, einen folgenden
Wendepunkt und einem Tiefpunkt sowie eine sich anschließende
asymptotische Bewegung gegen das Ziel Z gekennzeichnet.
-
Als
Eingabehilfe für das Signalmuster einer überschießenden
Bewegung O1, O2, O3 kann, falls das Eingangssignal den Zielwert
Z übersteigt und anschließend innerhalb einer
bestimmten Zeitspanne wieder abnimmt und sich damit dem Ziel Z nähert, das
Anzeigeelement 3 auf das Ziel Z gesetzt oder automatisch
auf das Ziel Z bewegt werden, auch wenn das Ziel Z noch nicht ganz
erreicht ist. Das Ziel Z kann für das Anzeigeelement 3 bildlich
gesprochen „magnetisch” werden. Es kann dabei
insbesondere eine Grenze, vzw. eine Obergrenze für die überschwingende/überschießende
Bewegung festgelegt werden, bei der das Anzeigeelement 3 auf
das Ziel Z gesetzt wird. Bspw. könnten die überschwingenden Bewegungen
O1 und O3 auf den Zielwert Z gesetzt werden, aber nicht mehr die
höher überschwingende Bewegung O2 (in 6 nicht
dargestellt). Die Grenzen für den Filter ”überschwingende
Bewegung”, d. h. die Höhe des Überschwungs
und das Zeitintervall, in dem die Bewegung umgekehrt werden muss,
damit das Anzeigeelement 3 auf die Position Z gesetzt wird,
können dabei in Abhängigkeit von der bei der Kalibrierung
festgelegten Schwankungsbreite und/oder der Reaktionszeit erfolgen
bzw. entsprechend festgelegt werden.
-
In 7 sind
als Signalmuster zwei rein unterschwingende Bewegungen U2, U3 zum
Zielwert Z hin dargestellt. Diese unterschwingenden Bewegungen U2,
U3 werden auch als „Undershoot” bezeichnet. Eine
rein unterschwingende Bewegung ist im Eingangssignal dadurch erkennbar,
dass sich die Geschwindigkeit der Annäherung nahe des Ziels
Z deutlich verringert und gegen 0 tendiert. Als Filter bzw. Eingabehilfe
kann hierbei das Anzeigelement auf die Zielmarke Z gesetzt werden,
falls sich das Anzeigelement 3 innerhalb eines festgelegten
Bereiches B (vgl. hierzu auch 12), bspw.
in Abhängigkeit der bei der Kalibrierung ermittelten Schwankungsbreite
a (vgl. 8) bewegt und die Ge schwindigkeit
des Anzeigelements 3 sich deutlich reduziert, vzw. einen
bestimmten Grenzwert unterschreitet bzw. insbesondere vzw. gegen
0 tendiert.
-
Mit
dem Begriff „überschwingende Bewegung” (vgl. 6)
ist also eine über das Ziel und/oder den Zielpunkt hinausschießende
Bewegung bzw. ein entsprechend hierzu korrespondierender Eingangssignal-Wert
gemeint. Bspw. zeigt 6 hier die überschwingende
Bewegung O1, die zu einem bestimmten Zeitpunkt t über das
Ziel Z „hinausschießt” (Overshoot), nämlich
hier in X-Richtung und dann im Endeffekt doch auf den Wert Z automatisch
gesetzt wird. Unter dem Begriff „unterschwingende Bewegung” wird
eine Bewegung bzw. ein hierzu korrespondierender Eingangssignal-Wert
verstanden, der vzw. zwar einen bestimmten Grenzwert übersteigt, aber
das Ziel Z als solches nicht erreicht (physiologisch bedeutet dies
eine zielgerichtete, aber „insuffiziente Bewegung”).
Unter einer „unterschwingenden Bewegung” wird
also eine das Ziel nicht ganz erreichende Bewegung bzw. ein mit
dem Ziel nicht ganz korrespondierender Eingangs-Signal-Wert verstanden
(Undershoot). Bei einem Undershoot nähert sich das Eingangssignal/Bewegung
einem bestimmten Ziel, erreicht dieses jedoch nicht, insbesondere
handelt es sich – einfach ausgedrückt – daher
um eine „verkürzte” Bewegung, vzw. um
eine „asymptotische” Bewegung.
-
12 zeigt
nun schematisch eine Spur S, die das Anzeigeelement 3 bei
einer Bewegung entlang der Anzeige 1 ausführt.
Auf der Anzeige 1 sind dabei verschiedene Ziele Z1, Z2,
Z3, Z4 vorgegeben, die mit dem Anzeigeelement 3 erreicht
werden sollen. In der Nähe der Ziele Z1, Z2, Z3, Z4 sind
deutlich überschwingende Signalmuster (hier nicht näher
bezeichnet) erkennbar. Erkennbar ist aber, dass das Anzeigeelement 3 nicht
immer den ”direkten Weg” zum Ziel geht bzw. geführt
wird, sondern es insbesondere im Bereich der Ziele Z1, Z2, Z3 und
Z4 zu überschüssigen Bewegungen (teils in x- oder
y-Richtung) kommt. Bei einer Filterung kann nun das Anzeigeelement 3 bspw.
auf das Ziel Z3 gesetzt werden, wenn eine überschwingende
Bewegung im Bereich B um die Zielmarke Z3 erkannt wird. Die Größe
des Bereichs B wird dabei durch den Filter in Abhängigkeit von
der insbesondere vorausgegangenen Kalibrierung, insbesondere dann
der Schwankungsbreite a, vorgegeben. Denkbar ist auch, dass die
Größe des Bereiches B während des Trainings
einer Trainingsperson verändert wird, um die jeweilige
Körperfunktion des Benutzers/der Trainingsperson „verbessern/trainieren” zu
können. Die Größe des Bereichs B kann
daher auch diskontinuierlich in Abhängigkeit von zuvor
festgelegten Randbedingungen im Laufe des Trainings oder einer Trainingsperiode
verändert werden. Dies ist abhängig vom jeweiligen
Anwendungsfall, insbesondere des spezifischen Programms.
-
Im
folgenden wird nochmals auf 8 und das
dargestellte Signalmuster „Schwankung” Bezug genommen.
Bei einer Schwankung schwankt das Eingangssignal 12 um
einen Mittelwert M. Die Periode T bzw. die Frequenz f = 1/T der
Schwankung liegt dabei typischerweise in einem Bereich von wenigen Hertz
und die Amplitude a im Bereich von vzw. einigen Millimetern (an
der Anzeige 1 gemessen). Als zugeordneter Filter kann bei
einem bestimmten Wertebereich der Frequenz f, bspw. 3 Hertz, und
einem bestimmten Wertebereich der Schwankungsbreite, bspw. Millimetern,
der konstante Mittelwert M berechnet werden und nur dieser Mittelwert
M als Ausgangssignal der Anzeige 1 zugeführt werden.
D. h. es wird nur der konstante Mittelwert M auf der Anzeige 1 mit
dem Anzeigeelement 3 angezeigt bzw. realisert.
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9 und 10 zeigen
beispielhafte irreguläre Bewegungen des Anzeigeelements 3.
Vzw. wird ein Signalmuster „irreguläre Bewegung” erkannt.
Dabei wird vzw. ein Zeitintervall von den Zeitpunkt T0 bis zum Zeitpunkt
T1 analysiert. Das Zeitintervall T0 bis T1 kann bspw. eine Sekunde
betragen. Eine irreguläre Bewegung ist dadurch erkennbar, dass
eine starke Schwankung des Eingangssignals 13 um den Zielwert
Z erfolgt, wobei die Häufigkeit der Schwankung um den Zielwert
Z und der Ausschlag des Eingangssignals und dem Zielwert Z sowie
die Geschwindigkeit und die Beschleunigung vzw. entsprechende berücksichtigt
werden. Eine große Häufigkeit der Schwankungen
um den Zielwert Z, ein großer Ausschlag um den Zielwert
Z sowie eine große Geschwindigkeit und Beschleunigung des
Anzeigeelements 3 können als Kriterien für
eine irreguläre Bewegung dienen. Falls ein Signalmuster „irreguläre Bewegung” registriert
wird, kann das Training abgebrochen werden oder die Filter zur Erleichterung
der Eingabe erhöht werden.
-
11 zeigt
ein Signalmuster „Ermüdung”, nämlich
eine Ermüdung einer Körperfunktion, hier insbesondere
des Muskels. In 11 ist ein zeitlich gemittelter
Maximalbetrag eines Eingangssignals 14 dargestellt, wobei
an dem abfallenden Verlauf des Eingangssignals 14 erkennbar
ist, dass die Muskulatur im zeitlichen Verlauf ermüdet.
Gestrichelt ist ein Eingangssignal 15 angedeutet, wobei
es hier zu einer höheren Anspannung des Muskels kommt,
dies kann bspw. durch eine muskuläre Dysbalance hervorgerufen
sein. Durch die Dysbalance verkrampft der dem Eingangssignal 15 zugeordnete
Muskel. Vzw. wird auch eine solche Verkrampfung eines Muskels im zeitlichen
Verlauf mit der Signalsverarbeitungsvorrichtung erfasst. Als Filter
wird vzw. die mittlere Muskelanspannung über die Eingangssignale 14 bzw. 15 über
die Verstärkung des Eingangssignals derart geregelt, dass
die mittlere Muskelanspannung im wesentlichen einem in etwa konstanten,
zeitlich gemittelten Eingangssignal 16 entspricht.
-
Durch
das Erkennen der verschiedenen Signalmuster und der zugeordneten
Filter kann ein effektives Training von Körperfunktionen
erreicht werden. Insbesondere können während dem
Training die Filter schrittweise zurückgenommen werden,
wodurch die Anforderungen an die Koordination der Körperfunktion
erhöht ist. Die Signalverarbeitungsvorrichtung weist vzw.
einen Trainingsalgorithmus auf. Im Rahmen des Trainingsalgorithmus
können die Filter schrittweise und vzw. langsam zurückgenommen
werden, so dass keine Überforderung des Benutzers erfolgt.
Bspw. kann der Bereich B, innerhalb dessen bei einer überschwingenden
Bewegung oder unterschwingenden Bewegung das Anzeigeelement 3 auf
eine Zielmarke Z gesetzt wird, schrittweise verkleinert werden.
-
Die
Signalverarbeitungsvorrichtung weist vzw. mindestens einen Trainingsalgorithmus
auf, wobei mindestens einer der Filter mit dem Trainingsalgorithmus
vzw. automatisch eingestellt wird. Mindestens einer der Filter wird
vom Trainingsalgorithmus in Abhängigkeit von den bei der
Kalibrierung ermittelten dynamischen Parametern gesteuert. Mit dem
Trainingsalgorithmus wird die Bewegung des Anzeigeelementes 3 während
des Trainings stufenlos und/oder schrittweise durch Beeinflussen
der Filter verändert, insbesondere erschwert.
-
Der
Trainingsalgorithmus steuert die Filter vzw. in Abhängigkeit
von dem Trainingsablauf. Werden bspw. irreguläre Bewegungen
erkannt, dann wird die Bewegung des Anzeigeelementes 3 durch
die Filter erleichtert. Vzw. weist der Trainingsalgorithmus auch
Abbruchbedingungen auf. Der Trainingsablauf ist vzw. aufzeichenbar
bzw. wird vzw. aufgezeichnet. Hierbei ist ein automatisiertes Heimtraining
möglich. Durch das Aufzeichnen des Trainingsablaufs kann der
Fortschritt des Trainierenden ermittelt werden und somit vzw. die
Filter entweder automatisch und/oder manuell eingestellt werden.
-
Vzw.
ist die Signalverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet, dass
ein Trainersignal dem Eingangssignal und/oder dem Ausgangssignal
des Trainierenden beigemischt werden kann bzw. beimischbar ist.
Die Signalverarbeitungsvorrichtung weist dazu vzw. eine Signalmischeinheit
(in den 1 bis 12 nicht
dargestellt) auf. Der Trainer kann dadurch die Bewegung des Anzeigeelementes 3 unterstützen.
Der Grad der Beimischung kann dabei ebenfalls schrittweise mit dem
Trainingsalgorithmus reduziert werden.
-
13 zeigt
eine Anzeige 17 (Anzeigevorrichtung), wobei die Anzeige 17 hier
als spurgebundene Autorennbahn 18 ausgebildet ist.
-
Die
Autorennbahn 18 weist vzw. zwei Spuren 19 auf.
Die Spuren 19 erstrecken sich parallel zueinander auf einer
Rennstrecke 20, die die Form einer geschlossenen Acht aufweist.
Vzw. weist die Rennstrecke ein Ziel 22 auf, wobei das ”Ziel 22” gleichzeitig
auch als ”Start” für ein Autorennen,
also als Start-Ziellinie dienen kann. Auf jeder Spuren ist genau
ein Modellauto 21 angeordnet.
-
Die
Modellautos 21 weisen vzw. jeweils mindestens einen Elektromotor
(nicht dargestellt) auf, wobei mit dem Elektromotor die nicht näher
bezeichneten Räder der Modellautos 21 antreibbar
sind. Jeder Spur 19 ist ein sich entlang der Spur 19 erstreckender
elektrischer Kontakt (nicht dargestellt) zugeordnet. Der Elektromotor
der Modellautos 21 wird nun über den zugehörigen
Kontakt mit Strom versorgt, wobei je nach der am Kontakt individuell
anliegenden Spannung das Modellauto 21 individuell beschleunigbar
ist.
-
Die
Modellautos 21 dienen hier als mittels einer Körperfunktion
steuerbare Anzeigelemente 23. Die Autorennbahn 18 weist
ein Anschlussterminal 24 auf. An dem Anschlussterminal 24 sind
normalerweise handelsübliche Steuercontroller anschließbar,
wobei diese Steuercontroller per Hand betätigbar sind. In
der in 13 dargestellten Ausgestaltung
ist nun anstelle der Steuercontroller an das Anschlussterminal 24 eine
Biofeedbackeingabevorrichtung 25 angeschlossen. Die Biofeedbackeingabevorrichtung 25 weist
eine Signalverarbeitungsvorrichtung 26 und mehrere Biofeedbacksensoren 27 auf.
-
Die
Signalverarbeitungsvorrichtung 26 ist über vzw.
ein paar Anschlussleitungen 28 mit dem Anschlussterminal 24 verbunden.
Die eine Anschlussleitung 28 ist dabei einem Ausgangssignal
für das eine Modellauto 21 und die andere Anschlussleitung 28 einem
Ausgangssignal für das andere Modellauto 21 zugeordnet.
Die über die Anschlussleitung 28 übertragenen
Ausgangssignale können bspw. im Bereich von 0 bis 18 V
liegen. Dieses Ausgangssignal wird von der Signalverarbeitungsvorrichtung 26 erzeugt.
-
Eine
Gruppe von ersten Biofeedbacksensoren 27a ist dabei einem
ersten Spieler zugeordnet und eine Gruppe von zweiten Biofeedbacksensoren 27b ist
einem zweiten Spieler (beide nicht dargestellt) zugeordnet. Die
Biofeedbacksensoren 27 sind vzw. als EMG-Sensoren (nicht
näher bezeichnet) ausgestaltet. Mit den Biofeedbacksensoren 27 kann
bspw. als Körperfunktion eine Muskelkontraktion des Armstreckers
und/oder des Armbeugers als wirkender Muskel gemessen werden. Bei
einer Kontraktion des Armbeugers wird das gemessene Signal über
die Leitungen 29 an die Signalverarbeitungsvorrichtung 26 zugeführt.
Das gemessene Signal der jeweiligen Biofeedbacksensoren 27a bzw. 27b bildet
ein jeweiliges Eingangssignal für die Signalverarbeitungsvorrichtung 26.
-
In
der Signalverarbeitungsvorrichtung 26 wird das jeweilige
Eingangssignal verändert und in Form eines jeweiligen Ausgangssignal
der Anzeige 17, d. h. der Autorennbahn 18 zugeführt,
hier den dortigen Anzeigeelementen 23. Mit dem Ausgangssignal
ist nun die Bewegung des entweder den ersten Biofeedbacksensoren 27a bzw.
den zweiten Biofeedbacksensoren 27b zugeordneten jeweiligen
Modellautos 21 als jeweiliges Anzeigeelement 23 steuerbar.
-
Die
Signalverarbeitungsvorrichtung 26 kann dabei entsprechend
der Beschreibung der 1 bis 12 mindestens
ein Signalmuster des jeweiligen Eingangssignals erkennen, wobei
das Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem erkannten Signalmuster mit
der Signalverarbeitungsvorrichtung 26 veränderbar
ist.
-
Insbesondere
kann die Signalverarbeitungsvorrichtung 26 derart ausgestaltet
sein, dass bei einer Bewegung des Anzeigeelements 23 bzw.
des jeweiligen Modellautos 21 auf das Ziel 22 hin
als Signalmuster eine überschwingende und/oder unterschwingende
Bewegung erkennbar ist. Die nicht dargestellten Spieler können
bspw. in Wettstreit treten, um ihr Modellauto 21 möglichst
schnell über die Autorennbahn zu bewegen und möglichst
am Ziel 22 wieder zum Stehen zu bringen. Der Signalverarbeitungsvorrichtung 26 wird
dabei vzw. über eine weitere Leitung 30 die Position
der Modellautos 21 auf der Autorennbahn 18 übermittelt.
Hierdurch kann eine überschwingende oder unterschwingende
Bewegung der Modellautos relativ zum Ziel 22 erkannt werden.
Bspw. kann, vzw. bei einer unterschwingenden Bewegung, wenn das
Modellauto 21 kurz vor dem Ziel 22 innerhalb eines
bestimmten Bereiches (B) zum Stehen kommt (undershoot) das Modellauto dann
auf das Ziel 22 automatisch vorwärtsbewegt werden,
wobei bei einem Overshoot, also vzw. wenn das Modellauto 21 nach
dem Ziel 22, also nach der Ziellinie in einem bestimmten
Bereich (B) zum Stehen kommt, dann das Modellauto 21 automatisch
auf das Ziel 22 zurückbewegt wird, bspw. durch
Rückwärtsfahren.
-
Mit
der Biofeedbackeingabevorrichtung 25 und der Autorennbahn 18 können
natürlich auch herkömmliche Geschwindigkeitsrennen
gefahren werden, wobei es dann nicht darauf ankommt, das Anzeigeelement 23 bzw.
das Modellauto 21 im Ziel 22 zum Stehen zu bringen.
Bei der Annwendung der Biofeedbackeingabevorrichtung 25 bei
einer Autorennbahn 18 können insbesondere aber ”Muskelzuckungen” eines
Benutzers eliminiert werden, d. h. das Modellauto 21 kann
auch bei Muskelzuckungen des Benutzers mit einer konstanten Geschwindigkeit
betrieben werden, da die Biofeedbackeingabevorrichtung 25 bzw.
die Signalverarbeitungsvorrichtung 26 diese ”Muskelzuckung” gemäß dem
oben beschriebenen Verfahren herausfiltern kann und die Ausgangssignale
für die jeweiligen Modelautos 21 entsprechend
verändern kann.
-
Aus
der über die Leitung 30 übermittelten Positionen
der Modellautos 21 in Abhängigkeit von der Zeit
lässt sich wie oben beschrieben auch die Geschwindigkeit/Beschleunigung
etc. ermitteln.
-
14 zeigt
in stark vereinfachter schematischer Darstellung die Signalverarbeitungsvorrichtung 26.
Die Signalverarbeitungsvorrichtung 26 weist vzw. mindestens
eine Eingangsschnittstelle 31 auf. Dargestellt sind zwei
Eingangsschnittstellen 31. Die Eingangsschnittstellen 31 sind
mit den Biofeedbacksensoren 27 (vgl. 13)
bzw. den entsprechenden Leitungen 29 verbindbar. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 26 weist
ferner eine Recheneinheit 32 (Prozessoreinheit) und eine
Speichereinheit 33 auf. In der Speichereinheit 33 können
Daten und Programme gespeichert sein. Die Recheneinheit 32 (vzw.
ein Mikroprozessor) verarbeitet dabei die Programme und wertet die
Daten aus. Insbesondere kann mit der Recheneinheit 32 die
Position der Anzeigeelemente 23 bzgl. eines Abstands zum
Ziel 22, einer Geschwindigkeit, einer Beschleunigung und
daraus folgend einer überschwingenden und/oder unterschwingenden Bewegung
der Anzeigeelemente 23 relativ zum Ziel 22 analysiert
werden. Hierbei kann die Signalverarbeitungsvorrichtung 26 als
separate Einheit ausgebildet sein, die insbesondere auch mit einem
weiteren Computer verbindbar sowie rückkoppelbar ist, aber auch
die Ausbildung als Teil eines Computers und/oder PCs ist denkbar.
-
Ferner
weist die Signalverarbeitungsvorrichtung 26 eine Verstärkereinheit 34 auf,
wobei mit der Verstärkereinheit 34 das der Eingangsschnittstelle 31 und
vzw. anschließend mit der Recheneinheit 32 sowie
der Speichereinheit 33 bearbeitete Signal verstärkt
wird. Alternativ kann das Eingangssignal erst mit der Verstärkereinheit 34 verstärkt
werden und anschließend mit der Recheneinheit 32 sowie
der Spielereinheit 33 bearbeitet werden. Ferner ist vzw.
mindestens ein Analogdigitalwandler, zum Umwandeln der Eingangssignale
in Digitalsignal und mindestens ein Digitalanalogwandler zum Umwandeln
des verarbeiteten Digitalsignals in ein Analogsignal vorgesehen
(nicht dargestellt).
-
Die
Signalverarbeitungsvorrichtung 26 weist ferner mindestens
eine Ausgangsschnittstelle 35 auf, wobei die Ausgangsschnittstelle 35 vzw.
mit den zwei An schlussleitungen 28 (vgl. 13)
verbindbar ist und damit die zwischen vzw. 0 und 18 V liegenden Ausgangssignale
der Autorennbahn 18 bzw. dem Anschlussterminal 24 zuführen
kann.
-
Mit
einer entsprechend ausgebildeten und nach dem oben beschriebenen
Verfahren arbeitenden Signalvorrichtung 26 können
daher die Körperfunktionen von Benutzern, insbesondere
Muskelbewegungen optimal individuell trainiert werden.
-
- 1
- Anzeige
- 2
- Punkteraster
- 3
- Anzeigeelement
- 4
- Position
- 5
- Zielmarke
- 6
- Pfeil
- 7
- Eingangssignal
- 7a
- Maximalwert
- 8
- Steigungsdreieck
- 9
- Muskelzuckungskurve
- 10
- Eingangssignal
- 11
- Eingangssignal
- 12
- Eingangssignal
- 13
- Eingangssignal
- 14
- Eingangssignal
- 15
- Eingangssignal
- 16
- Eingangssignal
- 17
- Anzeige
- 18
- Autorennbahn
- 19
- Spur
- 20
- Rennstrecke
- 21
- Modellauto
- 22
- Ziel
- 23
- Anzeigeelement
- 24
- Anschlussterminal
- 25
- Biofeedbackeingabevorrichtung
- 26
- Signalverarbeitungsvorrichtung
- 27
- Biofeedbacksensoren
- 27a
- erste
Biofeedbacksensoren
- 27b
- zweite
Biofeedbacksensoren
- 28
- Anschlussleitung
- 29
- Leitung
- 30
- Leitung
- 31
- Eingangsschnittstelle
- 32
- Recheneinheit
- 33
- Speichereinheit
- 34
- Verstärkereinheit
- 35
- Ausgangsschnittstelle
- a
- Amplitude
- B
- Bereich
- M
- Mittelwert
- S
- Spur
- t1
- Zeitintervall
- T0
- Zeitpunkt
- T1
- Zeitpunkt
- T
- Periode
- O1
- überschwingende
Bewegung
- O2
- überschwingende
Bewegung
- O3
- überschwingende
Bewegung
- O1
- unterschwingende
Bewegung
- O2
- unterschwingende
Bewegung
- O3
- unterschwingende
Bewegung
- Z
- Ziel
- Z1
- Ziel
- Z2
- Ziel
- Z3
- Ziel
- Z4
- Ziel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10149049
A1 [0004]
- - DE 4327418 C1 [0005, 0005]