DE102011004738A1

DE102011004738A1 - Method for detecting contact of finger e.g. thumb, and object in e.g. tracking system, involves detecting contact of fingers and object, applying voltage to electrodes, and measuring impedance between electrodes and/or physical quantity

Info

Publication number: DE102011004738A1
Application number: DE201110004738
Authority: DE
Inventors: Ferry Häntsch
Original assignee: ADVANCED REALTIME TRACKING GmbH
Current assignee: ADVANCED REALTIME TRACKING GmbH
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2011-09-01

Abstract

The method involves detecting contact of two fingers (1, 2) and an object, and applying sinusoidal alternating voltage to electrodes (3, 4). Impedance between the electrodes and/or a physical quantity is measured by a measurement circuit, where frequency of the alternating voltage is between 100 kHz and 1 MHZ. The electrode is attached at a back part of a hand such that the finger contact is detected when a fixed threshold level of the measured impedance or the physical quantity is exceeded. The electrode is connected with a reference potential of the measurement circuit. An independent claim is also included for a device for detecting contact of a finger and an object.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung der Berührung zweier oder mehrerer Finger, bzw. zur Erkennung des Kontaktes zwischen einem Finger und einem Objekt. Der Einsatz dieser Erfindung wird vorzugsweise in Virtual Reality Systemen (im folgenden kurz VR Systeme) erfolgen, ist aber nicht auf diesen Anwendungsbereich beschränkt.The present invention relates to a method and a device for detecting the contact of two or more fingers, or for detecting the contact between a finger and an object. The use of this invention will preferably be in virtual reality systems (hereinafter VR systems for short), but is not limited to this scope.

VR Systeme sind besonders in der industriellen Produktentwicklung heute weit verbreitet. Diese Systeme bestehen üblicherweise aus einem visuellen Ausgabesystem, meist 3D Projektionen oder sog. „Head Mounted Displays”, einem Trackingsystem, das die Positionen und Bewegungen des Nutzers oder von zur Interaktion benutzten Geräten erfasst, weiterhin Geräten zur Interaktion und schließlich den zur Generierung der virtuellen Umgebung nötigen Datenverarbeitungsanlagen.VR systems are widely used today, especially in industrial product development. These systems usually consist of a visual output system, mostly 3D projections or so-called "head mounted displays", a tracking system that captures the positions and movements of the user or devices used for the interaction, devices for interaction and finally for the generation of the virtual Environment necessary data processing equipment.

Der Benutzer soll möglichst natürlich und intuitiv mit der computergenerierten virtuellen Umgebung interagieren können. Hierfür werden meist getrackte Eingabegeräte genutzt, die es dem Nutzer erlauben, in der virtuellen Umgebung zu navigieren, virtuelle Objekte zu manipulieren, bzw. virtuelle Menues zu bedienen. Diese Geräte werden im englischsprachigen Umfeld meist „Wand” genannt. Die Anmelderin hat mit ihren Produkten „Flystick2” und „Flystick3” derartige, optisch getrackte Eingabegeräte im Angebot. Alternativ ist es aber oft auch nötig, Körperbewegungen, insbesondere Handbewegungen zur Interaktion zu nutzen. Hierfür bietet die Anmelderin spezielle Tracking-Targets zur Erfassung der Körperbewegungen und ein optisches Fingertracking-System zur Erfassung von Hand- und Fingerbewegungen an. Das genannte Fingertracking-System erlaubt die Interaktion des Nutzers mit der virtuellen Umgebung durch Greif- und Zeigebewegungen, es arbeitet mit Infrarot-Leuchtdioden, die an den Fingern des Nutzers angebracht werden. Auch eine aufwändigere Gestenerkennung wäre mit diesem Fingertracking-System realisierbar. Nachteile der rein optischen Gestenerkennung sind allerdings die Anfälligkeit der optischen Positionsmessung gegenüber Verdeckungen und die Notwendigkeit der Kalibrierung des Systems auf die Hand des jeweiligen Nutzers vor Beginn des eigentlichen Trackings. Insbesondere in Situationen, in denen mehrere Nutzer nacheinander das System jeweils nur für kurze Zeit benutzen, ist der nötige Kalibrierprozess ein zeitraubender Störfaktor. Vor diesem Hintergrund erscheint es wünschenswert, die rein optische Gestenerkennung durch ein einfaches und schnell kalibrierbares System zur Erkennung insbesondere einfacher Gesten zu ergänzen. Dabei steht insbesondere die Detektion von Finger- und Objektkontakten in Vordergrund.The user should be able to interact as naturally and intuitively as possible with the computer-generated virtual environment. For this purpose, mostly tracked input devices are used, which allow the user to navigate in the virtual environment, to manipulate virtual objects, or to operate virtual menus. These devices are called in the English-speaking environment mostly "wall". The applicant has with their products "Flystick2" and "Flystick3" such, optically tracked input devices on offer. Alternatively, it is often necessary to use body movements, in particular hand movements for interaction. For this purpose, the applicant offers special tracking targets for detecting body movements and an optical finger tracking system for detecting hand and finger movements. The said finger tracking system allows the interaction of the user with the virtual environment by gripping and pointing movements, it works with infrared LEDs, which are attached to the fingers of the user. More complex gesture recognition would also be possible with this finger tracking system. Disadvantages of the purely optical gesture recognition, however, are the susceptibility of the optical position measurement to occlusion and the necessity of calibrating the system to the hand of the respective user before starting the actual tracking. In particular, in situations in which several users use the system one after another only for a short time, the necessary calibration process is a time-consuming disruptive factor. Against this background, it seems desirable to supplement the purely optical gesture recognition by a simple and quickly calibratable system for detecting in particular simple gestures. In particular, the detection of finger and object contacts is in the foreground.

Eine simple Art der Kontakterkennung an der Hand stellen die sogenannten Chording Gloves dar, die von Seongil Lee, Hong, Sang Hyuk, Jeon und Jae Wook in ”Designing a Universal Keyboard Using Chording Gloves”, Proceedings of the 2003 ACM Conference an Universal Usability, Applications, Seiten 142–147, 2003 beschrieben werden. Als mobile Tastaturen konzipiert handelt es sich dabei um Handschuhe, die an verschiedenen Stellen der Innenhand mit elektrischen Kontakten aus Metallfolie versehen sind. Berührt man mit dem Kontakt an der Daumenspitze einen der anderen Kontakte, entspricht dies dem Drücken einer Taste auf einer Tastatur. Allerdings schränkt ein solcher Handschuh das natürliche Tastgefühl der Finger ein und kann bei längerem Gebrauch, beziehungsweise bei Benutzung durch mehrere Personen als unangenehm und unhygienisch empfunden werden.A simple way of detecting contacts on the hand are the so-called Chording Gloves, by Seongil Lee, Hong, Sang Hyuk, Jeon and Jae Wook in "Designing a Universal Keyboard Using Chording Gloves," Proceedings of the 2003 ACM Conference on Universal Usability, Applications, pp. 142-147, 2003 to be discribed. Designed as mobile keyboards, these are gloves, which are provided at different points of the palm with electrical contacts made of metal foil. Touching one of the other contacts with the contact at the tip of the thumb is equivalent to pressing a key on a keyboard. However, such a glove limits the natural sensation of touch of the fingers and can be felt during prolonged use, or when used by several people as unpleasant and unhygienic.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die die Berührung mindestens zweier Finger miteinander oder mindestens eines Fingers und eines Objekts erkennt. Hierbei sollen einerseits die genannten Nachteile eines rein optischen Trackingsystems vermieden werden, andererseits soll auch, aus Hygienegründen und um das Tastgefühl an den Fingerspitzen zu erhalten, das Tragen eines Handschuhs vermieden werden.The object of the present invention is now to provide a method and a device which detects the contact of at least two fingers with each other or with at least one finger and an object. Here, on the one hand, the mentioned disadvantages of a purely optical tracking system should be avoided, on the other hand, for reasons of hygiene and to preserve the sense of touch at the fingertips, the wearing of a glove should be avoided.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method and a device according to the independent claims. Preferred embodiments are the subject of the respective dependent claims.

Erfindungsgemäß wird zur Erkennung einer Fingerberührung jeweils eine Elektrode an einen Finger und an einen anderen Finger bzw. an ein Objekt angebracht, an die Elektroden eine elektrische Spannung angelegt und eine Impedanz zwischen den Elektroden und/oder eine aus der Impedanz abgeleitete physikalische Größe gemessen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im Folgenden die Erfindung, soweit nicht anders angegeben, für den Fall der Berührung zweier oder mehrerer Finger untereinander erläutert. Der Fall der Erkennung der Berührung eines Fingers und eines Objekts ergibt sich für den Fachmann hieraus in analoger Weise. Eine Berührung zweier Finger führt zu einer signifikanten Abnahme der Impedanz zwischen den beiden Elektroden, die an einem Fingerglied angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Berührung zuverlässig erkannt werden. Anstelle der Impedanz kann auch eine aus der Impedanz abgeleitete physikalische Größe gemessen werden. Ist diese abgeleitete Größe proportional zur Impedanz (allgemeiner gesagt nimmt mit dieser zu) kann eine Abnahme des Messwertes dieser Größe ebenfalls auf eine Fingerberührung schließen lassen. Ist die abgeleitete Größe umgekehrt proportional zur Impedanz (allgemeiner gesprochen nimmt bei Zunahme der Impedanz ab), so kann aus einer Zunahme der Messwerte dieser abgeleiteten Größe auf eine Fingerberührung geschlossen werden.According to the invention, an electrode is attached to a finger and to another finger or to an object for detecting a finger touch, an electrical voltage is applied to the electrodes and an impedance between the electrodes and / or a physical quantity derived from the impedance is measured. Without limiting the generality, the invention is explained below, unless otherwise stated, in the case of touching two or more fingers with each other. The case of detecting the touch of a finger and an object will be apparent to those skilled in the art in an analogous manner. A touch of two fingers results in a significant decrease in the impedance between the two electrodes, which are arranged on a finger member. In this way, the touch can be reliably detected. Instead of the impedance, a physical quantity derived from the impedance can also be measured. If this derived quantity is proportional to the impedance (more generally said to increase with it), a decrease in the measured value of this size can also be concluded from a finger touch. If the derived quantity is inversely proportional to the impedance (more general spoken decreases as the impedance increases), it can be concluded from an increase in the measured values of this derived quantity to a finger touch.

Eine Fingerberührung kann folglich dadurch erkannt werden, dass ein vorher festgelegter Schwellenwert der gemessenen Impedanz (oder einer mit der Impedanz wachsenden abgeleiteten Größe) unterschritten wird. Andererseits kann eine Fingerberührung dadurch erkannt werden, dass ein vorher festgelegter Schwellenwert einer aus der Impedanz abgeleiteten physikalischen Größe überschritten wird, wenn diese Größe bei wachsender Impedanz abnimmt.A finger touch can thus be detected by falling below a predetermined threshold value of the measured impedance (or derived variable increasing in impedance). On the other hand, a finger touch can be detected by exceeding a predetermined threshold of an impedance-derived physical quantity as this magnitude decreases as the impedance increases.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist neben einer Messschaltung zur Messung einer Impedanz (oder hieraus abgeleiteten Größe) zwischen den Elektroden vorzugsweise eine Auswerteelektronik auf, die das Überschreiten und/oder Unterschreiten eines Schwellenwerts der Impedanz zwischen den Elektroden erkennt. Dieser Schwellenwert wird entsprechend dem oben Ausgeführten vorher derart definiert, dass das Unter-(bzw. Über-)schreiten des Schwellenwerts gleichbedeutend mit einer Fingerkollision ist, während das Über-(bzw. Unter-)schreiten dieses (oder eines anderen geeignet festgelegten) Schwellenwerts auf das Nichtvorliegen einer Fingerberührung schließen lässt.The device according to the invention preferably has, in addition to a measuring circuit for measuring an impedance (or a quantity derived therefrom) between the electrodes, evaluation electronics which detect the exceeding and / or undershooting of a threshold value of the impedance between the electrodes. This threshold is previously defined according to what has been stated above, such that the undershooting of the threshold value is equivalent to a finger collision while the overshoot (or undershoot) of this threshold (or any other suitably set threshold) indicates the absence of a finger touch.

Systeme zur Messung der Hautimpedanz sind an sich bekannt. Diese werden allerdings nur für medizinische und/oder kosmetische Zwecke eingesetzt. Die DE 603 04 539 T2 beschreibt ein Gerät zur Hautimpedanzmessung, bei dem sich in einem Sondenstab eine Mehrkanalelektrode mit mehreren, matrixförmig angeordneten Elektroden befindet. Wie in 1 der DE 603 04 539 T2 gezeigt, werden ferner eine positive Elektrode sowie eine negative Elektrode auf die Haut aufgebracht, wobei beide Elektroden mit einer konstanten Gleichstromquelle verbunden sind, so dass zwischen den beiden Elektroden ein konstanter Strom fließt. Die Mehrkanalelektrode bestimmt nunmehr die örtliche Hautimpedanz zwischen den beiden Elektroden unter Verwendung eines Potentialwerts, der an jedem Kanal der Mehrkanalelektrode erfasst wird.Systems for measuring skin impedance are known per se. However, these are only used for medical and / or cosmetic purposes. The DE 603 04 539 T2 describes a device for skin impedance measurement in which a multi-channel electrode with a plurality of matrix-shaped electrodes is located in a probe rod. As in 1 of the DE 603 04 539 T2 Further, a positive electrode and a negative electrode are applied to the skin, both electrodes being connected to a constant DC power source, so that a constant current flows between the two electrodes. The multi-channel electrode now determines the local skin impedance between the two electrodes using a potential value detected on each channel of the multi-channel electrode.

EP 2 002 787 A2 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zur Messung der Hautimpedanz. Hier wird eine Elektrode auf die Haut aufgebracht, die aus mehreren sogenannten ”supply electrodes” und mehreren sogenannten ”measurement electrodes” aufgebaut ist. Die Supply Elektroden sind mit einer konstanten Gleichspannungsquelle derart verbunden, dass zwischen ihnen ein Strom fließt. Die Measurement-Elektroden messen den Strom zwischen den Supply-Elektroden. EP 2 002 787 A2 also describes a device for measuring skin impedance. Here, an electrode is applied to the skin, which is composed of several so-called "supply electrodes" and several so-called "measurement electrodes". The supply electrodes are connected to a constant DC voltage source such that a current flows between them. The measurement electrodes measure the current between the supply electrodes.

Vorzugsweise wird bei vorliegender Erfindung an eine der Elektroden eine sinusförmige Wechselspannung angelegt. Die Impedanz zwischen zwei Elektroden wird durch eine Spannungsmessung, insbesondere eine Amplitudenmessung, bestimmt. Die Messmethode über eine Amplitudenmessung ist hier technisch leicht umsetzbar. Bei Verwendung einer Gleichspannung hat sich überdies gezeigt, dass im Falle einer Fingerberührung keine signifikante Änderung der Spannung zu beobachten ist, so dass die Verwendung einer Gleichspannung nicht zu verlässlichen Ergebnissen führt. Es ist möglichst darauf zu achten, dass sowohl die Frequenz als auch die Amplitude der Wechselspannung physiologisch unbedenklich ist.Preferably, in the present invention, a sinusoidal AC voltage is applied to one of the electrodes. The impedance between two electrodes is determined by a voltage measurement, in particular an amplitude measurement. The measuring method via an amplitude measurement is technically easy to implement here. When using a DC voltage has also shown that in the case of a finger touch no significant change in voltage is observed, so that the use of a DC voltage does not lead to reliable results. It is important to ensure that both the frequency and the amplitude of the AC voltage is physiologically harmless.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung ferner einen Spannungsverstärker sowie Mittel zur Gleichrichtung und Siebung einer gemessenen Spannung auf. Auf diese Weise kann eine der Wechselspannungsamplitude äquivalente Gleichspannung erzeugt werden, über die die Detektion der Fingerberührung erfolgt. Da bei einer Fingerberührung die Wechselspannungsamplitude zunimmt, kann in diesem Fall eine Fingerberührung dadurch erkannt werden, dass ein geeignet festgelegter Schwellenwert der Wechselspannungsamplitude überschritten wird. Diese Vorgehensweise hat sich in der Praxis als besonders geeignet erwiesen.In a preferred embodiment, the device further comprises a voltage amplifier and means for rectifying and filtering a measured voltage. In this way, a DC voltage equivalent to the AC voltage amplitude can be generated, via which the detection of the finger touch occurs. Since the AC voltage amplitude increases during a finger touch, a finger touch can be detected in this case by exceeding a suitably defined threshold value of the AC voltage amplitude. This approach has proven to be particularly suitable in practice.

Außerdem kann die Vorrichtung ferner eine vorzugsweise großflächige Elektrode zur Anbringung am Handrücken aufweisen, wobei diese mit dem Bezugspotential der Messschaltung verbunden ist. Auf diese Weise kann ein Übersprechen des Messsignals auf benachbarte Finger vermieden werden. Unter ”großflächig” soll eine Elektrodenfläche von 25% bis 100%, vorzugsweise 30% bis 70%, weiter vorzugsweise 40% bis 60% der Handrückenfläche verstanden werden.In addition, the device may further comprise a preferably large-area electrode for attachment to the back of the hand, which is connected to the reference potential of the measuring circuit. In this way, a crosstalk of the measurement signal to adjacent fingers can be avoided. By "large area" is meant an electrode area of 25% to 100%, preferably 30% to 70%, more preferably 40% to 60% of the back of the hand.

Vorzugsweise wird ein Mikrocontroller zur Diskretisierung und Weiterverarbeitung der Messwerte verwendet.Preferably, a microcontroller is used to discretize and further process the measured values.

Ferner kann vorzugsweise auch die Berührungsstärke der Finger bestimmt werden, da mit zunehmender Berührungsstärke die Kontaktfläche zwischen den Fingern größer wird, so dass die Impedanz weiter abnimmt. Nach Einschalten oder Rücksetzen des Systems werden vorzugsweise Maxima und Minima der Messwerte für einzelne Finger gespeichert, um etwaigen unterschiedlichen Hautimpedanzen verschiedener Benutzer Rechnung tragen zu können.Furthermore, the contact strength of the fingers can preferably also be determined, since the contact area between the fingers increases with increasing contact strength, so that the impedance continues to decrease. After switching on or resetting the system, maxima and minima of the measured values for individual fingers are preferably stored in order to be able to take account of any different skin impedances of different users.

Die Elektroden werden vorzugsweise dorsal und/oder lateral am ersten Fingerglied angebracht. Auf diese Weise sind die stromdurchflossenen Strecken bei einer Fingerberührung im Vergleich zu fehlender Fingerberührung besonders unterschiedlich, so dass eine exaktere Messung möglich ist.The electrodes are preferably attached dorsally and / or laterally to the first phalanx. In this way, the current-carrying distances in a finger touch compared to Missing finger touch particularly different, so that a more accurate measurement is possible.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der vorliegenden Erfindung zum Tracking von Hand- oder Fingerbewegungen, insbesondere in einem Trackingsystem, weiter insbesondere in Kombination mit einem optischen System. Die erfindungsgemäße Erkennung einer Fingerberührung erlaubt es einem Nutzer, in einer virtuellen Umgebung zu navigieren, beispielsweise virtuelle Objekte zu manipulieren oder virtuelle Menüs zu bedienen. Für den Nutzer vorteilhaft ist, dass die Erfindung auf Handschuhe zur Erkennung einer Fingerberührung verzichten kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Erfindung gegenüber optischen Verdeckungen der Hand eines Nutzers unsensibel ist.Particularly advantageous is the use of the present invention for tracking hand or finger movements, in particular in a tracking system, more particularly in combination with an optical system. The detection of a finger touch according to the invention allows a user to navigate in a virtual environment, for example to manipulate virtual objects or to operate virtual menus. It is advantageous for the user that the invention can dispense with gloves for detecting a finger touch. Another advantage is that the invention is insensitive to optical concealment of a user's hand.

In einem konkreten Anwendungsfall kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Navigation durch Menüs innerhalb einer virtuellen Umgebung genutzt werden. Die Berührungen verschiedener Finger können dabei dem Auf- und Abscrollen in einer Menüliste sowie dem Bestätigen eines Menüpunktes zugeordnet werden. Ein zusätliches Eingabegerät wird dadurch überflüssig.In a specific application, a device according to the invention for navigation through menus within a virtual environment can be used. The touches of different fingers can be assigned to scrolling up and down in a menu list and confirming a menu item. An additional input device is thereby superfluous.

Weiterhin sind Anwendungen realisierbar, in denen durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit optischem Fingertracking virtuelle Objekte gegriffen oder manipuliert werden können. Mittels einer Greifgeste (Berührung von Daumen und Zeigefinger) in unmittelbarer Nähe der getrackten Hand zu einem virtuellen Objekt kann dieses vom Nutzer erfasst und bewegt werden. Nach Lösen der Fingerberührung verharrt das virtuelle Objekt an seiner aktuellen Position. Der Einsatz der vorliegenden Erfindung birgt dabei den Vorteil, dass der Nutzer den virtuellen Gegenstand nicht „verliert”, falls das optische Fingertracking auf Grund von Verdeckungen oder Ungenauigkeit die Position und Stellung der Finger nicht korrekt erkennt.Furthermore, applications can be realized in which virtual objects can be gripped or manipulated by a device according to the invention in conjunction with optical finger tracking. By means of a gripping gesture (touch of thumb and forefinger) in the immediate vicinity of the tracked hand to a virtual object, this can be detected and moved by the user. After releasing the finger touch, the virtual object remains in its current position. The use of the present invention has the advantage that the user does not "lose" the virtual item if the optical finger tracking due to occlusion or inaccuracy does not correctly recognize the position and position of the fingers.

Die jeweiligen Ausgestaltungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich dem Fachmann aus der vorliegenden Beschreibung, auch wenn die entsprechenden Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht durchgängig getrennt von denen der erfindungsgemäßen Vorrichtung (und umgekehrt) abgehandelt sind. Außerdem sind die entsprechenden Merkmale nicht nur in der hier dargestellten Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar.The respective embodiments and advantages of the method according to the invention and the device according to the invention will become apparent to those skilled in the art from the present description, even if the corresponding features and advantages of the method according to the invention are not consistently separated from those of the device according to the invention (and vice versa). In addition, the corresponding features not only in the combination shown here, but also in other combinations or alone in the context of the present invention can be used.

Im Folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand von mit Hilfe der beigefügten Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.In the following, the invention and its advantages will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments illustrated by means of the attached figures.

1a zeigt zwei Finger mit Teilen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Finger sich nicht berühren. 1a shows two fingers with parts of a device according to the invention, wherein the fingers do not touch.

1b zeigt zwei Finger mit Teilen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Finger sich berühren. 1b shows two fingers with parts of a device according to the invention, wherein the fingers touch.

2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau zur Impedanzmessung der menschlichen Haut. 2 shows a basic structure for impedance measurement of the human skin.

3 zeigt mit dem Messaufbau gemäß 2 ermittelte Spannungskurven mit und ohne Fingerberührung in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 10 MHz 3 shows with the measurement setup according to 2 determined voltage curves with and without finger touch in a frequency range of 100 Hz to 10 MHz

4 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 4 shows the block diagram of a device according to the invention.

Die menschliche Haut kann man sich stark vereinfacht als ein Netzwerk von Widerständen vorstellen. Die grundlegende Idee des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es, den Hautwiderstand zwischen zwei an den Fingern angebrachten Elektroden zu nutzen, um auf eine Kollision der Fingerspitzen schließen zu können.The human skin can be simplified as a network of resistances. The basic idea of the present embodiment is to use the skin resistance between two electrodes attached to the fingers in order to be able to conclude a collision of the fingertips.

In 1a sind zwei Finger 1 und 2 (hier Daumen und Zeigefinger) einer Hand dargestellt, wobei sich an jedem Finger 1, 2 eine Drahtschlaufe 3, 4 befindet, die hier als Elektrode 3, 4 dient. Die Elektroden 3, 4 sind am ersten Fingerglied des jeweiligen Fingers angebracht.In 1a are two fingers 1 and 2 (here thumb and index finger) of a hand represented, whereby on each finger 1 . 2 a wire loop 3 . 4 located here as an electrode 3 . 4 serves. The electrodes 3 . 4 are attached to the first phalanx of the respective finger.

Des Weiteren ist eine der Elektroden (Quellelektrode) 4 mit einer hier nicht dargestellten sinusförmigen Wechselspannungsquelle verbunden. Die andere Elektrode (Messelektrode) 3 ist über einen Widerstand 9 mit dem Bezugspotential verbunden. Ferner wird die Amplitude der Wechselspannung über dem Widerstand 9 gemessen. Die Spannung über dem Widerstand ist direkt proportional zum Strom, der zwischen den Elektroden 3 und 4 fließt und ist damit ein Maß für die Impedanz zwischen den Elektroden 3 und 4.Furthermore, one of the electrodes (source electrode) 4 connected to a sinusoidal AC voltage source, not shown here. The other electrode (measuring electrode) 3 is about a resistance 9 connected to the reference potential. Further, the amplitude of the AC voltage across the resistor 9 measured. The voltage across the resistor is directly proportional to the current flowing between the electrodes 3 and 4 flows and is thus a measure of the impedance between the electrodes 3 and 4 ,

In 1a ist dargestellt, dass sich die beiden Finger 1, 2 nicht berühren. In diesem Fall fließt der Strom zwischen den beiden Elektroden 3, 4 über den Handrücken. Dementsprechend legt der Strom eine vergleichsweise große Strecke zurück. Dieses ist gleichbedeutend mit einem hohen elektrischem Widerstand, so dass die an der Messelektrode 3 erfassbare Amplitude vergleichsweise gering ist.In 1a is shown that the two fingers 1 . 2 do not touch. In this case, the current flows between the two electrodes 3 . 4 over the back of the hand. Accordingly, the current travels a comparatively long distance. This is synonymous with a high electrical resistance, so that at the measuring electrode 3 detectable amplitude is comparatively low.

In 1b berühren sich die Spitzen der beiden Finger 1 und 2. Dementsprechend kann der Strom nunmehr über die Fingerspitzen auf einem deutlich kürzeren Weg von der einen Elektrode 3 zur anderen Elektrode 4 fließen. Dadurch nimmt der elektrische Widerstand zwischen den beiden Elektroden 3, 4 signifikant ab. Dieses führt wiederum dazu, dass die Amplitude der Wechselspannung an der Messelektrode 3 deutlich zunimmt. Die Amplitude der Wechselspannung stellt hier somit die aus der Impedanz abgeleitete physikalische Messgröße dar.In 1b the tips of the two fingers touch 1 and 2 , Accordingly, the current can now over the fingertips on a much shorter path from the one electrode 3 to the other electrode 4 flow. This takes the electrical resistance between the two electrodes 3 . 4 significantly. This in turn causes the amplitude of the AC voltage at the measuring electrode 3 increases significantly. The amplitude of the AC voltage thus represents the derived from the impedance physical quantity.

Die Berührung der beiden Finger 1, 2 wird somit dadurch detektiert, dass in diesem Fall die Amplitude der Wechselspannung signifikant ansteigt gegenüber dem Fall, dass die beiden Finger sich nicht berühren. In einer Auswerteelektronik kann dementsprechend ein Schwellenwert festgelegt werden, derart dass ein Überschreiten des Schwellenwerts (durch die gemessene Amplitude) die Fingerberührung identifiziert. Dieser Grenzwert kann für verschiedene Nutzer mit unterschiedlicher spezifischer Hautimpedanz kalibriert werden. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich der Messwert der Amplitude umgekehrt proportional zum Messwert der Impedanz verhält, da das Überschreiten eines Schwellenwerts der Amplitude dem Unterschreiten eines Schwellenwerts der Impedanz entspricht.The touch of the two fingers 1 . 2 is thus detected by the fact that in this case the amplitude of the AC voltage increases significantly compared to the case that the two fingers do not touch each other. Accordingly, a threshold value can be defined in an evaluation electronics such that exceeding the threshold value (by the measured amplitude) identifies the finger touch. This limit can be calibrated for different users with different specific skin impedance. It should be noted at this point that the measured value of the amplitude is inversely proportional to the measured value of the impedance, since the exceeding of a threshold value of the amplitude corresponds to the falling below a threshold value of the impedance.

In 1a und b sind die Elektroden 3, 4 vereinfacht als Drahtschlaufen dargestellt. Die elektrische Verbindung zu den Fingerspitzen kann allgemein über Metallelektroden hergestellt werden, die dorsal und/oder lateral vorzugsweise am ersten Fingerglied angebracht werden. An die Elektrode eines Fingers wird eine sinusförmige Wechselspannung angelegt. Diese hat vorzugsweise eine Frequenz von weniger als 1 MHz und eine Spitze-Spitze Spannung von weniger als 3 V. Prinzipiell sollte die benutzte Wechselspannungsfrequenz zwischen 100 kHz und 10 MHz liegen, um einerseits dem Risiko von Nervenreizungen (f < 30 kHz) und andererseits hochfrequenter elektromagnetischer Emission vorzubeugen. Allgemein bevorzugte Untergrenzen der Frequenz der Wechselspannung sind 10 kHz und 100 kHz, bevorzugte Obergrenzen der Wechselspannungsfrequenz sind 1 MHz und 10 MHz, bevorzugte Bereiche der Wechselspannungsfrequenz liegen zwischen 10 kHz und 10 MHz, insbesondere zwischen 100 kHz und 10 MHz, weiter bevorzugt zwischen 100 kHz und 1 MHz.In 1a and b are the electrodes 3 . 4 simplified as wire loops shown. The electrical connection to the fingertips can generally be made via metal electrodes, which are preferably attached dorsally and / or laterally to the first phalanx. A sinusoidal AC voltage is applied to the electrode of a finger. This preferably has a frequency of less than 1 MHz and a peak-to-peak voltage of less than 3 V. In principle, the AC frequency used should be between 100 kHz and 10 MHz, on the one hand the risk of nerve irritation (f <30 kHz) and on the other hand high-frequency to prevent electromagnetic emission. Generally preferred lower limits of the frequency of the AC voltage are 10 kHz and 100 kHz, preferred upper limits of the AC frequency are 1 MHz and 10 MHz, preferred ranges of AC frequency are between 10 kHz and 10 MHz, in particular between 100 kHz and 10 MHz, more preferably between 100 kHz and 1 MHz.

2 zeigt einen schematischen Schaltplan, anhand dessen das hier eingesetzte Messprinzip näher erläutert werden soll. An die Daumenelektrode 4 wird eine sinusförmige Wechselspannung angelegt, während die Zeigefingerelektrode 3 über einen festen Widerstand 9 mit dem Bezugspotential der Messschaltung verbunden ist. Die beiden Elektroden 3, 4 sind zunächst über einen Widerstand 5 miteinander verbunden. Der Widerstand 5 entspricht dem Hautwiderstand bei einem Stromfluss über den Handrücken. Dementsprechend ist dieser Widerstand 5 vergleichsweise groß. 2 shows a schematic circuit diagram, based on which the measuring principle used here is to be explained in more detail. To the thumb electrode 4 a sinusoidal AC voltage is applied while the index finger electrode 3 over a fixed resistance 9 is connected to the reference potential of the measuring circuit. The two electrodes 3 . 4 are first about a resistance 5 connected with each other. The resistance 5 corresponds to the skin resistance with a current flow over the back of the hand. Accordingly, this resistance 5 comparatively large.

Eine Fingerberührung entspricht in dieser schematischen Darstellung dem schließen eines Schalters 6. Die Fingerberührung ermöglicht den zusätzlichen Stromfluss durch die Fingerspitzen. Dieses entspricht in dem in 2 gezeigten Schaltplan dem zusätzlichen Stromfluss durch einen Widerstand 7. Der Gesamtwiderstand zwischen den Elektroden sinkt bei Fingerberührung auf Grund der Parallelschaltung der zwei Widerstände, unabhängig von deren konkreten Wert.A finger touch in this schematic representation corresponds to the closing of a switch 6 , The finger touch allows the additional flow of current through the fingertips. This corresponds to the in 2 shown circuit diagram the additional current flow through a resistor 7 , The total resistance between the electrodes decreases with finger touch due to the parallel connection of the two resistors, regardless of their concrete value.

Mit einem Oszilloskop 8 wird hier die an einem Widerstand 9 abfallende Spannung gemessen. Bei sich berührenden Fingern 1, 2, d. h. geschlossenem Schalter 6, fällt am Widerstand 7 nur wenig Spannung ab, so dass am Widerstand 9 eine hohe Amplitude gemessen werden kann. Bei geöffnetem Schalter 6, d. h. keine Fingerberührung, fällt dagegen ein Großteil der Spannung am Widerstand 5 ab, so dass die Amplitude am Widerstand 9 vergleichsweise gering ist.With an oscilloscope 8th here's the one at a resistor 9 decreasing voltage measured. With touching fingers 1 . 2 ie closed switch 6 , falls by the resistance 7 only a little tension, so that the resistance 9 a high amplitude can be measured. When the switch is open 6 , ie no finger touch, however, falls a large part of the voltage across the resistor 5 off, giving the amplitude at the resistor 9 is comparatively low.

In weiteren Messreihen wurde an die Elektroden 3 und 4 Gleichspannung angelegt. Es hat sich hier jedoch gezeigt, dass in diesem Fall keine signifikante Änderung der Spannung am Widerstand 9 zu beobachten ist.In further series of measurements was to the electrodes 3 and 4 DC voltage applied. However, it has been shown here that in this case there is no significant change in the voltage across the resistor 9 can be observed.

Mittels eines Spannungsfolgers bzw. Spannungsverstärkers und anschließender Gleichrichtung sowie Siebung des gemessenen Signals wird eine der Amplitude äquivalente Gleichspannung erzeugt, die für eine Kollisionserkennung ausgewertet werden kann.By means of a voltage follower or voltage amplifier and subsequent rectification and screening of the measured signal, an amplitude-equivalent DC voltage is generated, which can be evaluated for collision detection.

Um das Übersprechen des Messsignals auf benachbarte Finger zu vermeiden, sollte am Handrücken eine großflächige Elektrode mit Verbindung zum Bezugspotential der Messschaltung angebracht werden. Dadurch sind größere Unterschiede der zu messenden Spannungen an berührenden und nicht berührenden Fingern erreichbar, zudem bereits bei niedrigeren Frequenzen. 3 zeigt je ein Messkurvenpaar für berührende (grau) und nicht berührende (schwarz) Finger, ohne (durchgehende Linie) und mit (gestrichelte Linie) zusätzlicher Elektrode am Handrücken. Die Messkurve 31 zeigt also den Fall berührender Finger ohne Handrückenelektrode, während die Messkurve 32 diesen Fall bei nicht berührenden Fingern zeigt. Man erkennt, dass erst bei relativ hohen Frequenzen (Frequenzachse in logarithmischer Darstellung), insbesondere bei und oberhalb von 1 MHz, sich signifikante Unterschiede zwischen den Messkurven 31 und 32 ergeben. Hingegen zeigen die Messkurven, die bei Vorhandensein einer Handrückenelektrode aufgenommen wurden, nämlich die Messkurve 33 bei sich berührenden Fingern und die Messkurve 34 bei sich nicht berührenden Fingern, dass signifikante Unterschiede zwischen den Messkurven hier bereits bei niedrigeren Frequenzen auftreten. Bevorzugte Wechselspannungsfrequenzen bei Vorhandensein einer Handrückenelektrode liegen oberhalb 10 kHz, insbesondere zwischen 10 kHz und 10 MHz.In order to avoid the crosstalk of the measuring signal to adjacent fingers, a large-area electrode with connection to the reference potential of the measuring circuit should be attached to the back of the hand. As a result, larger differences in the measured voltages on touching and non-touching fingers are achievable, even at lower frequencies. 3 shows each a pair of traces for touching (gray) and non-touching (black) fingers, without (solid line) and with (dashed line) additional electrode on the back of the hand. The trace 31 So shows the case of touching fingers without back of the hand, while the trace 32 shows this case with non-touching fingers. It can be seen that only at relatively high frequencies (frequency axis in logarithmic representation), in particular at and above 1 MHz, are there significant differences between the measurement curves 31 and 32 result. On the other hand, the measured curves which were recorded in the presence of a back of the hand, namely the measurement curve 33 with touching fingers and the trace 34 with non-touching fingers, that significant differences between the curves already here at lower frequencies occur. Preferred AC frequencies in the presence of a back of the hand electrode are above 10 kHz, in particular between 10 kHz and 10 MHz.

Die Diskretisierung sowie die weitere Verarbeitung der Messwerte für jeden Finger erfolgt vorzugsweise mit einem Mikrocontroller.The discretization as well as the further processing of the measured values for each finger preferably takes place with a microcontroller.

Es ist eine automatische Anpassung an die eventuell unterschiedlichen Hautimpedanzen verschiedener Benutzer möglich, indem nach Einschalten oder Rücksetzen des Systems Minima und Maxima der Messwerte für jeden einzelnen Finger gespeichert werden. Daraus können Schwellenwerte errechnet werden, die festlegen, ab welchem Messwert eine Fingerkollision gemeldet werden soll.It is possible to automatically adapt to the possibly different skin impedances of different users by storing minima and maxima of the measured values for each individual finger after switching on or resetting the system. From this, threshold values can be calculated that determine from which measured value a finger collision should be reported.

4 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erkennung einer Fingerberührung mit einem Hochpassfilter 20, einem Puffer 21, Gleichrichter 22 und Mikrocontroller 23. Als Spannungsquelle dient eine sinusförmige Wechselspannungsquelle mit einer Frequenz von etwa 1 MHz. Der Hochpassfilter 20 unterdrückt Frequenzen unterhalb 10 kHz, vor allem aus dem Stromnetz eingestreute 50 Hz-Brummspannungen, die an allen Messelektroden permanent vorhanden sein und das 1 MHz-Messsignal überdecken können. Der Puffer 21 dient der Impedanz- sowie Spannungsanpassung des Messsignals an die Eingänge der folgenden Verarbeitungsstufen, insbesondere des Analog-Digital-Wandlereingangs (ADC) des Mikrocontrollers. Mittels des Verstärkungsfaktors (V) kann der Spannungshub des Messsignals auf den Messbereich des Analog-Digital-Wandlers abgestimmt werden. Der Gleichrichter 23 umfasst Mittel zur Gleichrichtung und Siebung der gemessenen Spannung und der Mikrocontroller 23 umfasst Mittel zum Wandeln des analogen Signals in ein digitales Signal (ADC). 4 shows the block diagram of an embodiment of a device for detecting a finger touch with a high-pass filter 20 , a buffer 21 , Rectifier 22 and microcontroller 23 , The voltage source is a sinusoidal AC voltage source with a frequency of about 1 MHz. The high pass filter 20 Suppresses frequencies below 10 kHz, in particular 50 Hz ripple voltages interspersed from the mains supply, which can be permanently present at all measuring electrodes and can cover the 1 MHz measuring signal. The buffer 21 The purpose of the impedance and voltage adjustment of the measuring signal to the inputs of the following processing stages, in particular the analog-to-digital converter input (ADC) of the microcontroller. By means of the amplification factor (V), the voltage swing of the measuring signal can be tuned to the measuring range of the analog-to-digital converter. The rectifier 23 includes means for rectifying and filtering the measured voltage and the microcontroller 23 comprises means for converting the analog signal to a digital signal (ADC).

Die in 4 als Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung erzeugt nach Hochpassfilterung, Impedanz- und Spannungsanpassung sowie Gleichrichtung und Siebung eine entsprechende Messspannung am Eingang des Mikrocontrollers 23, wobei die detektierte Gleichspannung der Wechselspannungsamplitude an der Fingerelektrode 3 (1) entspricht. Der Mikrocontroller 23 diskretisiert (digitalisiert) die am Eingang vorhandene Gleichspannung und kann diese weiterverarbeiten. Insbesondere kann nach Kalibrierung für den jeweiligen Benutzer (soweit dies erforderlich ist) anhand der aufgenommenen Messwerte eine Fingerberührung detektiert werden. Da beispielsweise bei Verwendung einer Handrückenelektrode die Messwerte bei Fingerkontakt deutlich unterschiedlich von denen ohne Fingerkontakt im Frequenzbereich um 1 MHz sind (vgl. 3), ist in diesem Fall häufig auch ohne vorherige Kalibrierung eine klare Aussage über das Vorhandensein von Fingerkontakt möglich.In the 4 shown as a block diagram generated after high-pass filtering, impedance and voltage adjustment and rectification and screening a corresponding measurement voltage at the input of the microcontroller 23 wherein the detected DC voltage is the AC voltage amplitude at the finger electrode 3 ( 1 ) corresponds. The microcontroller 23 discretizes (digitizes) the DC voltage present at the input and can further process it. In particular, after calibration for the respective user (as far as necessary) a finger touch can be detected on the basis of the recorded measured values. Since, for example, when using a hand-back electrode, the measured values with finger contact are significantly different from those without finger contact in the frequency range around 1 MHz (cf. 3 ), in this case, a clear statement about the presence of finger contact is often possible even without prior calibration.

Ferner ermöglicht die Erfindung über eine einfache Kollisionserkennung hinaus auch die Abbildung der Berührungsstärke. Werden zwei Finger stärker aufeinander gepresst, so wird die Kontaktfläche größer und der Widerstand nimmt ab. Dieses führt zu einer höheren Amplitude der Spannung an der Messelektrode.Furthermore, the invention also enables the imaging of the contact strength beyond simple collision detection. If two fingers are pressed together more strongly, the contact area becomes larger and the resistance decreases. This leads to a higher amplitude of the voltage at the measuring electrode.

Außerdem kann durch eine geringfügige Modifikation auch der Kontakt zwischen einem Finger und einem Objekt mit elektrisch leitender Oberfläche detektiert werden. Dazu wird die Impedanz zwischen einer an einem Finger befestigten und einer am entsprechenden Objekt befestigten Elektrode gemessen. Das Messprinzip ist dasselbe wie bei der Impedanzmessung zwischen zwei Fingern. Daher sei hier auf Wiederholungen verzichtet.In addition, by a slight modification, the contact between a finger and an object having an electrically conductive surface can also be detected. For this purpose, the impedance between an electrode attached to a finger and an electrode attached to the corresponding object is measured. The measuring principle is the same as with the impedance measurement between two fingers. Therefore, it is not necessary to repeat here.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Finger (Zeigefinger)Finger (index finger)
22: Finger (Daumen)Fingers (thumbs)
33: Drahtschlaufe, Elektrode, MesselektrodeWire loop, electrode, measuring electrode
44: Drahtschlaufe, Elektrode, QuellelektrodeWire loop, electrode, source electrode
55: Widerstandresistance
66: Schalterswitch
77: Widerstandresistance
88th: Oszilloskoposcilloscope
99: Widerstandresistance
2020: HochpassfilterHigh Pass Filter
2121: Pufferbuffer
2222: Gleichrichterrectifier
2323: Mikrocontrollermicrocontroller
31, 32, 33, 3431, 32, 33, 34: Messkurventraces
GNDGND: Bezugspotentialreference potential
VACVAC: WechselspannungAC

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 60304539 T2 [0010, 0010]
EP 2002787 A2 [0011]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Seongil Lee, Hong, Sang Hyuk, Jeon and Jae Wook in "Designing a Universal Keyboard Using Chording Gloves," Proceedings of the 2003 ACM Conference to Universal Usability, Applications, pp. 142-147, 2003 [0004]

Claims

Method of detecting a finger touch, such as touching two or more fingers ( 1 . 2 ) or a finger ( 1 ; 2 ) and an object in which at least one finger ( 1 ) and on another finger ( 2 ) or on an object whose contact with the finger ( 1 ), one electrode each ( 3 ; 4 ) is applied, to which an electrical voltage is applied, wherein an impedance between the electrodes ( 3 . 4 ) and / or a physical quantity derived from the impedance.

A method according to claim 1, characterized in that a finger touch is detected by the fact that a predetermined threshold value of the measured impedance or derived from the impedance physical quantity is exceeded or exceeded.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that to one of the electrodes ( 3 . 4 ) a preferably sinusoidal AC voltage is applied.

A method according to claim 3, characterized in that the frequency of the alternating voltage between 10 kHz and 10 MHz, in particular between 100 kHz and 10 MHz, more particularly between 100 kHz and 1 MHz.

Method according to claim 3 or 4, characterized in that, as impedance-derived quantity, the voltage between the electrodes ( 3 . 4 ), in particular the amplitude of an AC voltage, is measured.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in addition finger touch the touch strength is determined from the measurement.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that at new beginning or resumption of recognition of a finger touch maxima and minima of the measured values are determined and stored.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrode ( 3 ; 4 ) dorsally or laterally on the first phalanx of a finger ( 1 ; 2 ) is attached.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that a particular large-area electrode is attached to the back of the hand on which hand is to be detected a finger touch, said back-hand electrode is preferably connected to the reference potential of a measuring circuit.

Device for detecting a finger touch, such as touching two or more fingers ( 1 . 2 ) or a finger ( 1 ; 2 ) and an object adapted to carry out a method according to any one of claims 1 to 7, wherein the device comprises a plurality of electrodes ( 3 . 4 ), a voltage source and a measuring circuit for measuring an impedance between the electrodes ( 3 . 4 ) and / or a physical quantity derived from the impedance.

Apparatus according to claim 10, characterized in that the device further comprises an evaluation, which exceeds the exceeding or falling below a predetermined threshold value of the impedance between the electrodes ( 3 . 4 ) or the physical quantity derived from the impedance.

Apparatus according to claim 10 or 11, characterized in that the voltage source is designed to output in particular a sinusoidal AC voltage.

Apparatus according to claim 12, characterized in that the device further comprises a voltage amplifier and means ( 22 ) for rectifying and filtering a measured voltage.

Device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the device further comprises a particular large-area electrode for attachment to the back of the hand of a user, said back-hand electrode is preferably connected to the reference potential of the measuring circuit.

Device according to one of claims 10 to 14, characterized in that a microcontroller ( 23 ) is provided for the discretization and processing of measured values.

Device according to one of claims 10 to 15, characterized in that a memory unit for storing maxima and minima of measured values, in particular after switching on or resetting of the device is provided.

Use of a method according to one of claims 1 to 9 or a device according to one of claims 10 to 16 for tracking hand or finger movements, in particular in a tracking system, in particular in combination with an optical system.