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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand mittels Erfassung eines Muskelsignals eines intrinsischen Handmuskels, insbesondere zum Einsatz bei Vorrichtungen zur Teleoperation, Robotern oder Prothesen sowie ein System aus einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand und einer Vorrichtung zur Teleoperation, einem Roboter oder einer Prothese.
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Aus dem Stand der Technik, Grebenstein, Markus et al., ”The DLR Hand Arm System”, ICRA 2011, 9.–13.5.2011, Shanghai, China ist bekannt, dass neuartige robotische Systeme die Möglichkeit einer Nachgiebigkeitseinstellung besitzen und bei einer extern angreifenden Kraft entsprechend nachgeben können. Die Nachgiebigkeit kann aktiver oder passiver Natur sein. Für eine aktive Nachgiebigkeit kann eine Regelung auf Basis einer Kraft- oder Momentenmessung eingesetzt werden. Bei einer passiven Nachgiebigkeit kann eine implementierte mechanische Feder oder ein Dämpfer vorgesehen sein. Sowohl die aktive als auch die passive Nachgiebigkeit kann dabei in ihren Parametern eingestellt werden, wie beispielsweise über einen sogenannten antagonistischen Mechanismus ähnlich zum Menschen. Das bedeutet, dass so auf unterschiedlichen Betrag oder Natur von Kräften mit unterschiedlicher Art reagiert werden kann. Dies kann zum Beispiel durch die Einstellung der Federsteifigkeit oder die Einstellung von Dämpfungsparametern erfolgen. Diese Anpassung wurde dem Menschen nachgebildet. Der Mensch besitzt sowohl die Möglichkeit zur aktiven, beispielsweise Reflexe, und passiven, passive Eigenschaften des Muskelparameters, Einstellung der Nachgiebigkeit. Diese Anpassung ermöglicht es ihm, bei verschiedenen Aufgaben mit verschiedenen Anforderungen an Geschwindigkeit und Genauigkeit stets optimal die Steifigkeitsparameter seiner Bewegungsapparate, wie Arme, Beine und Finger anzupassen.
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Aus Shin D. Kim J, Koike Y (2009) ”A myokinetic arm model for estimating joint torque and stiffness from EMG signals during maintained posture”, Journal of Neurophysiology 101; 387–401 geht eine Teleoperation mit Impedanzparametern aus der Erfassung von Musekelaktivitäten des menschlichen Arms hervor.
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Weitere Studien beschäftigen sich mit der Teleoperation von Fingerkräften aus der Messung von Muskelaktivitäten im Unterarm, vorzugsweise zur Teleoperation von Kräften eines Handamputierten zur Steuerung einer aktiven Handprothese.
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Der Stand der Technik erlaubt nicht die explizite Teleoperation von mechanischen Impedanzparametern der menschlichen Hand, sie beschränkt sich auf den Arm. Weiterhin beschränkt sich der Stand der Technik bei der Teleoperation von Fingerkräften ausschließlich auf die Erfassung der Muskelsignale im Unterarm, die sogenannten extrinsischen Handmuskeln. Der große Nachteil ist hier, dass die Muskelsignale des Unterarms stark mit der Unterarmrotation (ein Freiheitsgrad) und der Handgelenksbewegung (zwei Freiheitsgrade) korrelieren. Dabei verschieben sich die Muskeln unter der Haut bei einer Unterarmrotation so, dass in zwei verschiedenen Stellungen des Unterarms die Signale unterschiedlicher Muskeln bei Verwendung von elektromyographischen Oberflächenelektroden erfasst werden. Daher ist es in der Literatur bekannt, dass zur Erfassung der Fingerkräfte aus der Muskelaktivität dieser Muskelgruppe stets für jede Person und auch bei neuem Anlegen der Elektroden diese neue kalibriert werden müssen, um aus dem Muskelsignal eine Kraft zu erhalten.
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Weitere Nachteile des Standes der Technik erfordern das Einbringen von dauerhaften mechanischen Störungen, so genannten Perturbationen, wie beispielsweise Verschiebungen und der gleichzeitigen Erfassung der Reaktionen mit Hilfe von Sensoren, beispielsweise Kraftsensoren, zur kontinuierlichen Messung der Impedanz. Diese Messungen enthalten häufig auch die Antwort der Reflexe. Eine dauerhafte mechanische Störung zur Messung der Impedanz ist in einer Teleoperationsaufgabe, wo besonders hohe Präzision erforderlich ist, sehr hinderlich und beschränkt damit die Möglichkeit dieser.
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Aus
DE 10 2010 052 430 B4 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Greifkraft in einer Schnittstelle zu einem Roboter gemessen wird. Zusätzlich zu der erfolgten Kraftmessung erfolgt ein Schätzen der Muskellänge auf Basis der Messung von Muskelaktivitäten. Aus der Messung der Greifkraft und der Schätzung der Muskellänge erfolgt ein Abschätzen der Steifigkeit des Menschen.
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Ziel ist es daher diese Steifigkeitsparameter beim Menschen in verbesserter Weise zu bestimmen und auf eine Vorrichtung zur Teleoperation, ein robotisches System oder eine Prothese zu übertragen. Darüber hinaus sollen die Messungen möglichst störungsfrei und kontinuierlich erfolgen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand mit den Merkmalen des Anspruch 8, sowie einem System aus einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand und einer Vorrichtung zur Teleoperation, einem Roboter oder einer Prothese mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind jeweils in den Unteransprüchen angebenden. Dabei können alle Kombinationen, wie auch nur einzelne Kombinationen zwischen dem Verfahren, der Vorrichtung und dem System zusammen genutzt werden. Weiterhin ist es jeweils auch vorgesehen möglichst einzelne oder auch mehrere Merkmale des Verfahrens, der Vorrichtung oder des Systems beliebig zu kombinieren.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Steifigkeit der menschlichen Hand vorgeschlagen, wobei wenigstens ein Muskelsignal eines intrinsischen Handmuskels erfasst und daraus eine Steifigkeit einer menschlichen Hand bestimmt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform zeichnet sich das Verfahren durch die Verfahrensschritte
- • Erfassen eines Muskelsignals eines intrinsischen Handmuskels,
- • Übertragung des Muskelsignals an eine Einheit zur Datenverarbeitung und
- • Bestimmung der Steifigkeit einer menschlichen Hand aus dem Muskelsignal mittels der Einheit zur Datenverarbeitung
aus.
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Eine Prothese kann dabei als aktive Hand- oder Teilhandprothese ausgeführt sein.
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Aus den Messungen von Fingersteifigkeiten und der gleichzeitigen Signalerfassung der intrinsischen, in der Hand gelegenen, und extrinsischen, im Unterarmt gelegenen, Handmuskelaktivität hat sich überraschender Weise ergeben, dass ein Großteil der erfassten Variabilität der Fingersteifigkeit während der Verwendung von Co-Kontraktionen der Muskeln, gleichzeitiges Anspannen antagonistischer Muskelpaare, durch die aufgefundene Variabilität in der intrinsischen Muskelaktivität zu erklären ist.
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Weiterhin hat sich ergeben, dass über die Messung der Muskelsignale an Personen hinreichend genaue Aussagen aus diesen Muskelsignalen über Steifigkeit sowie Kraft an unbekannten Versuchsteilnehmern geschlossen werden kann. Das bedeutet, die aufgefundene Variabilität der intrinsischen Muskeln ist besonders gering. Unter anderem verändern die intrinsischen Muskeln ihre Position im Vergleich zu extrinsischen Muskeln nur geringfügig bei einer Bewegung des Handgelenks oder einer Unterarmrotation.
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Als intrinsische Muskeln gelten insbesondere die in der Hand gelegenen Muskeln, wie beispielsweise die Musculi interossei dorsales I–IV, Musculi interossei palmares I–III, die Muskulatur des Thenars (Mm. abductor pollicis brevis, adductor pollicis, flexor pollicis brevis, opponens pollicis), die Muskulatur des Hypothenars (Mm. abductor digiti minimi, flexor digiti mimini, opponens digiti minimi), sowie die Musculi palmaris brevis.
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Die Muskelsignale der intrinsischen Handmuskeln stehen also in Bezug zu den Handsteifigkeiten. Als Hand in diesem Zusammenhand sind auch die Finger als mit einbezogen zu verstehen.
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Ein Muskelsignal ist ein elektromyographisches Signal, welches durch die Potentialänderung an der Muskeloberfläche entsteht. Bei Erregung einer Muskelzelle ist eine Potentialänderung messbar, welche durch an der Haut angebrachte Elektroden erfasst werden kann. Auf solche Elektroden wird in diesem Zusammenhang als elektromyographische Elektroden, kurz EMG-Elektroden Bezug genommen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens wird die Steifigkeit auf eine Vorrichtung zur Teleoperation, auf einen Roboter oder auf eine Prothese, bevorzugt eine Handprothese und besonders bevorzugt eine aktive Handprothese, übertragen.
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Dabei ist die menschliche Hand beispielsweise an eine Eingabeseite gekoppelt, welche Signale von intrinsischen Handmuskeln erfasst. Ein Roboter oder eine Vorrichtung zur Teleoperation sowie eine Prothese kann dabei eine Ausgabeseite darstellen. Aus den gemessenen Signalen werden Steifigkeiten der menschlichen Hand bestimmt und dann auf die Kinematik der Ausgabeseite übertragen. Die Ausgabeseite kann eine Teilhandprothese sein.
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In einem weiteren Beispiel können Signale einer menschlichen Hand aufgenommen werden und auf ein System zur Teleoperation übertragen werden, welches vom Menschen entfernt ist, um so beispielsweise Arbeiten an durch den Menschen schwer zugänglichen Orten durchzuführen.
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Ein weiteres Einsatzgebiet ist beispielsweise ein Roboter auf den gemessene Muskelsignale übertragen werden. Des Weiteren ist es möglich, dass solche Signale gespeichert und bei Bedarf von dem Roboter abgerufen werden, um Routinen auszuführen.
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Ein weiteres Einsatzgebiet ist beispielsweise die virtuelle Realität oder Computerspiele.
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In einem weiteren Beispiel kann ein visuelles und/oder ein taktiles Kraftfeedback der Ausgabeseite an die Eingabeseite übertragen werden.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens kann aus dem Muskelsignal zusätzlich oder getrennt von einer Steifigkeit einer menschlichen Hand eine Kraft und/oder eine Position einer Hand oder wenigstens eines Fingers der Hand bestimmt werden. In diesem Zusammenhang sind alle Kombinationen möglich. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Steifigkeit eine Griffsteifigkeit der Hand oder eine Fingersteifigkeit darstellt.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens wird das Muskelsignal über wenigstens eine Elektrode, bevorzugt eine elektromyographische Elektrode, kurz EMG-Elektrode, erfasst.
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Die Oberflächenelektroden können dabei monopolar, differenziell (bipolar) oder mehr-differenziell ausgeführt sein. Beispielsweise können MYOBOCK Elektroden von ottobock, Delsys Trigno Wireless System oder der Oberflächenelektrodensatz Reinsilber von NIHON KOHDEN H851 zum Einsatz kommen.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird zusätzlich oder getrennt davon eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand mit wenigstens einer Elektrode, die an der Hand angeordnet ist und wobei die Elektrode zur Erfassung von Muskelsignalen von intrinsischen Muskeln eingerichtet ist und mit einer Einheit zur Datenverarbeitung, die zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand mittels eines von der Elektrode erfassten Messsignals eingerichtet ist, vorgeschlagen.
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Das von der Elektrode erfasste Messsignal ist vorzugsweise ein Muskelsignal eines intrinsischen Handmuskels.
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Die Elektrode ist dabei vorzugsweise als elektromyographische Elektrode ausgeführt. Desweiteren kann die Elektrode in einen Handschuh integriert, vorzugsweise in den Handschuh genäht oder geklebt, sein.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform ist eine Verbindung zur Signalübertragung zwischen der Elektrode und der Einheit zur Datenübertragung vorgesehen. Diese Verbindung zur Signalübertragung kann sowohl als direkte Verbindung, beispielsweise durch ein Kabel oder eine Leitung oder auch als indirekte Verbindung, wie eine drahtlose Verbindung, beispielsweise WLAN-Verbindung oder Bluetooth ausgeführt sein.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Vorrichtung können Kraftmomentsensoren, beispielsweise im Bereich der Fingerkuppen, vorgesehen sein. Weiterhin können auch zusätzlich Positionssensoren, beispielsweise an den Fingern, vorgesehen sein. Diese Positionssensoren können als Dehnungsmessstreifen ausgestaltet sein.
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Ferner kann mit der Vorrichtung auch die Fingerkraft oder Fingerposition aus der Auswertung der erfassten Muskelsignale der intrinsischen Handmuskeln bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform können mehrere Elektroden zur Erfassung eines Muskelsignals vorgesehen sein.
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Die Elektroden sind vorzugsweise auf der Hautoberfläche angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Elektroden auf der Hautoberfläche direkt über den Muskeln angebracht, deren Muskelsignale erfasst werden sollen. Die elektromyographischen Elektroden sind beispielsweise in einem Handschuh mit oder ohne Fingern integriert, welcher zudem eine präzise Neuplatzierung der Elektroden auf verschiedenen intrinsischen Muskeln erlaubt. Der Handschuh kann dabei in verschiedenen Handgrößen ausgeführt sein, um eine Anpassung an verschieden große Hände zu gewährleisten, beispielsweise an eine weibliche oder männliche Hand. Der Handschuh kann zusätzlich eine Sensorik für eine präzise Erfassung von Fingerpositionen und -kräften enthalten. Hierzu können beispielsweise Dehnungsmessstreifen vorgesehen sein, wie sie im Stand der Technik aus so genannten Cyber-Handschuhen bekannt sind. Solche Positionssensoren können die Gelenkstellung der Daumen und Finger erfassen. Desweiteren können zusätzlich Kraftsensoren beispielsweise im Bereich der Fingerkuppen angeordnet sein, die eine Kraft beim Greifen auf jeder Phalanx der Finger in bis zu sechs Freiheitsgraden erfassen. Die Übertragung der gemessenen Daten, der Muskelsignale, der Fingerpositionen und -kräften kann mittels eines Kabels oder drahtlos erfolgen. Die gemessenen Signale werden an eine Einheit zur Datenverarbeitung, beispielsweise ein entsprechendes Computersystem zur Datenauswertung oder einen Chip weitergeleitet.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform kann eine Vorauswertung von Muskel- und Fingerpositions- oder Fingerkraftsignalen, beispielsweise auf einer Platine oder einen Chip, stattfinden, welche auch auf dem Handschuh angebracht sein können.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform kann zudem im Handschuh eine Batterie integriert sein, welche eine freie Bewegung unabhängig von Kabeln oder einer Verbindung zu einer Energieversorgung erlaubt.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird zusätzlich oder getrennt davon ein System aus einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand gemäß obiger Beschreibung und einer Vorrichtung zur Teleoperation, einem Roboter oder einer Prothese vorgeschlagen, womit das Verfahren gemäß obiger Beschreibung durchgeführt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den nachfolgenden Figuren angegeben. Die daraus hervorgehenden jeweiligen Merkmale sind jedoch nicht auf einzelne Figuren oder Ausgestaltungen beschränkt. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale der obigen Beschreibung mit einzelnen oder mehreren Merkmalen der Figuren zusätzlich zu Weiterbildungen kombiniert werden.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand,
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2 eine Ausgestaltungsform eines Systems aus einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand und einer Prothese und
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3 eine weitere Ausgestaltungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand.
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Aus 1 geht eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand 7 hervor. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Einheit zur Datenauswertung 2, welche über Verbindungen 6 mit Elektroden 3 in Kommunikation stehen. Die Einheit zur Datenverarbeitung 2 und die Elektroden 3 sind dabei in einen Handschuh 5 integriert.
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2 stellt ein System aus einer Vorrichtung 10 zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand 70 und einer Prothese 40 dar. Dieses System ist beispielsweise für den Ersatz bei Teilhandverlust geeignet. Der dargestellten menschlichen Hand 70 in der Ansicht von palmar fehlt der Daumen, welcher durch eine aktive robotische Prothese 40 ersetzt wird. Durch eine solche Prothese 40 in Kombination mit einer Vorrichtung 10 zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand 70 besteht die Möglichkeit einer Einstellbarkeit der Prothesensteifigkeit. Dazu werden die Muskelsignale der noch vorhandenen intrinsischen Muskulatur in der Hand 70 mittels an der Handoberfläche angeordneten elektromyographischen Elektroden 30 erfasst und daraus mit der Einheit zur Datenverarbeitung 20 die notwendige Nachgiebigkeit bzw. Steifigkeit des Daumens bestimmt. Über eine Verbindung zur Signalübertragung wird die Steifigkeit an die Steuerungseinheit 90 der Prothese 40 übertragen. Die Steuerungseinheit 90 steuert mit diesen Daten die Bewegung des Daumens.
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Die Elektroden sind hier direkt auf der Haut angeordnet und in einen Handschuh 50 integriert. Die bei Muskelaktivität der intrinsischen Muskeln entstehenden Muskelsignale werden durch die Elektroden 30 erfasst und über Verbindungen zur Signalübertragung 60 an die Einheit zur Datenverarbeitung 20 weitergeben. Diese Steuerungseinheit 90 ist über eine Verbindung zur Signalübertragung 80 mit der Einheit zur Datenverarbeitung verbunden, sodass die Einheit zur Datenverarbeitung 20 als eine Eingabeseite und die Steuerungseinheit der Prothese als eine Ausgabeseite fungiert.
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3 stellt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zur Bestimmung einer Steifigkeit einer menschlichen Hand 700 dar. Es ist eine rechte Hand 700 in einer palmaren Ansicht dargestellt. Über die Hand 700 ist ein Handschuh 500 gezogen, in den elektromyographische Elektroden 300 integriert sind. Desweiteren weist diese Vorrichtung 100 zusätzlich Kraft- und Momentensensoren 800 im Bereich der Fingerkuppen auf. Die elektromyographischen Elektroden 300 liegen auf der Haut auf. Weitere elektromyographische Elektroden befinden sich auf der dorsalen Seite des dargestellten Handschuhs in ähnlicher Anordnung. Weiterhin umfasst diese Ausführungsform Positionssensoren 900 an den Fingerseiten. Mit den Positionssensoren 900 und den Kraft- und Momentensensoren 800 können zusätzlich alle Gelenkpositionen der Finger und die Kraft- und Drehmomenteinwirkung in insgesamt sechs Freiheitsgraden an jeder distalen Phalanx der Finger erfasst werden. Mit dem dargestellten Handschuh ist es möglich, Positions- Kraft- und Drehmomenten, sowie mechanische Impedanzeigenschaften der Hand zu erfassen und diese an ein robotisches System bzw. eine robotische Hand zu übertragen. In dieser Ausführungsform ist eine Einheit zur Datenverarbeitung 200 außerhalb des Handschuhs dargestellt. Diese ist über eine drahtlose Verbindung 600 mit den Elektroden verbunden, sodass die von den Sensoren 800, 900 und Elektroden 300 erfassten Signale über die drahtlose Verbindung 600 an die Einheit zur Datenverarbeitung 200 übertragen werden. Die Einheit zur Datenverarbeitung 200 bestimmt aus diesen Signalen mindestens eine Handsteifigkeit.
