DE102017003937A1 - Sensorfingerring - Google Patents

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Abstract

Die sensortechnische Erfassung von Handbewegungsabläufen war bisher abhängig von der Benutzung von Geräten wie sensorunterstützten Zahnbürsten oder sensorunterstützten Sportgeräten. Damit ist die Bewegungsanalyse vom Anwendungszweck des verwendeten Geräts abhängig. Möchte ein Benutzer andere Fertigkeiten wie Tischtennis oder das Spielen eines Musikinstrumentes mit elektronischer Hilfe erlernen, so muss er für jeden Vorgang ein separates Gerät erstehen.In der Erfindung wird ein Fingerring mit einer miniaturisierter Bewegungssensorik und drahtloser Übertragungseinrichtung versehen, die in Echtzeit die Bewegungsdaten an ein Anzeigegerät überträgt, welches die Daten aufbereitet, analysiert und dem Benutzer Rückmeldung über die Qualität seiner Bewegungen via visuellen oder akustischen Informationen gibt. Zusätzlich können mehrere Ringe an den Fingern der Hand, Ringe an der anderen Hand oder Ringe an den Füssen miteinander gekoppelt werden und somit auch die individuellen Bewegungen mehrerer Körperglieder nachzeichnen.Das Gerät erlaubt das Erlernen, Wiedererlernen und Verbessern von Grob- und Feinmotorik in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Es ist nicht nur eigenständig einsetzbar, sondern ermöglicht darüber hinaus die kostengünstige Realisierung spezialisierterer Lehr-, Lern- und Diagnosegeräte.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Das Gerät ist ein Trainingsgerät, das Lemvorgänge im Bewegungsbereich unterstützt. Es kann im Sportbereich, aber auch beim Erlernen eines (Musik-)Instrumentes oder im Rehabilitationsbereich eingesetzt werden.
  • Stand der Technik
  • Es gibt für den Freizeitbereich (z.B. Golf) oder für die arbeits- oder sportmedizinische Diagnostik Inselanwendungen, die entweder Sensor- oder Kameradaten zur Analyse oder Verbesserung einer Bewegung verwenden.
  • Die fürs Zähneputzen erforderliche Feinmotorik wird mit den in den Patentschriften [ DE102010053688A1 ], [ DE102014001163A1 ]und [ DE102014001163A1 ]beschriebenen Erfindungen (im Folgenden unter „iBrush“ subsummiert) erforscht, analysiert und verbessert So wird in [ DE102006008333B4 ] ein Sensorsystem beschrieben, mit dem überprüft werden kann, ob ein Schläger, beispielsweise für Golf, Baseball, Tennis oder Eishockey, eine gewünschte präferierte Schwungbahn beschreibt. Hierbei wird sich aber auf die Einhaltung der Schwungebene konzentriert, die Flüssigkeit der Bewegung, ob also beispielsweise entgegen der Bewegungslehre nach Ballberührung abgestoppt wird, wird hierbei nicht betrachtet.
  • In [ DE10305759A1 ] wird ein aufwendiges Sensorsystem beschrieben, das aus am Körper befestigten Neigungswinkel-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Kraftsensoren besteht. Dieses dient aber primär der arbeits- oder sportmedizinischen Diagnostik und kann insbesondere keine unmittelbare Rückmeldung an den die Bewegungen Ausführenden geben, dazu ist das dort beschriebene alphanumerische Display nicht andeutungsweise leistungsfähig genug.
  • Moderne Livestyle-Zusatzgeräte zu Smartphones wie UPmove von [JAWBONE] haben bereits eine relativ weite Verbreitung gefunden. Diese Geräte enthalten Beschleunigungssensoren und einen Bluetooth-Sender zur Verbindung mit einem Smartphone, in weiteren Ausbaustufen auch Anzeigeelemente von einzelnen LEDs bis zu vollständigen LCD-Displays, Bluetooth-Empfänger für eine bidirektionale Verbindung zum Smartphone sowie Aktuatoren, beispielsweise zur Erzeugung eines Vibrationsalarms.
  • Keines der beschriebenen Systeme wird am Finger getragen oder überprüft Zahnputz- oder Schreibbewegungen.
  • In [ US020030142065A1 ] wird ein Ring als Mausersatz zur Navigation in der grafischen Benutzeroberfläche am Computer verwendet. Mit dem beschriebenen Ring sollen aber nur zweidimensionale Bewegungen detektiert werden. Ebenso fehlt die Möglichkeit, die anderen Finger in die Bewegungsanalyse durch zusätzliche Ringe einzubinden.
  • Auch ein sensorunterstützter Ring in [ DE102005021527A1 ] dient zum zweidimensionalen Erfassen von Schriftzeichen und anderen Bildschirmsymbolen. Es fehlt die Möglichkeit zur Kopplung von mehreren Ringen um spezifische Bewegungsmuster der Hand und ihren individuellen Fingerbewegungen nachzeichnen zu können.
  • In [ US020120218184A1 ] wird ebenfalls ein Ring mit Sensoren beschrieben. Auch hier fehlt die Kopplungsmöglichkeit mit anderen Fingern der Hand und somit die Fähigkeit, komplexe Bewegungsführungen der Hand mit ihren Fingen nachzuzeichnen.
  • Technische Probleme oder Nachteile
  • Multimodale Sensorsysteme werden anderweitig, beispielsweise bei Fahrerassistenzsystemen eingesetzt. Dort wird z.B. die Entfernung zu einem voraus fahrenden Fahrzeug durch Kombination von optischer Kamera und Radardaten deutlich genauer bestimmt, als die Einzelsysteme liefern könnten.
  • Im Bereich der Bewegungsanalyse wurde jedoch bis jetzt weder die Kombination aus Sensor- und optischen Daten genutzt noch dem Benutzer online Rückmeldung über die dynamische Qualität seiner Bewegung gegeben.
  • Aufgabe war es, ein Gerät zu entwickeln, das dem Nutzer kostengünstig online Rückmeldung über die Qualität seiner Bewegung gibt und ihm damit die Möglichkeit liefert, diese kontinuierlich zu verbessern.
  • Technische Lösung
  • Der Sensorfingerring besteht aus einem normalerweise am Ringfinger der dominanten Hand zu tragenden Ring, versehen mit einem Sensorensatz, einer Rechnereinheit zur Vorverarbeitung und einer drahtlosen Datenübertragungseinheit. Die Vorverarbeitung der Daten umfasst Vorgänge wie Kompaktifizierung, Generierung von Zeitstempeln und Formatierungen. In einer späteren Ausbaustufe können alle Komponenten in den Ring integriert sein. Anfänglich werden sie vergleichbar einem Schmuckstein oder wie in einem Siegelring auf der Oberseite des Rings angebracht sein.
  • Die Daten werden entweder über eine Standard-Funkschnittstelle, beispielsweise Bluetooth oder aber über eine IR-Schnittstelle an ein handelsübliches Smartphone oder Tablet-PC (in Folge als Anzeigegerät bezeichnet) übertragen und dort weiter verarbeitet.
  • Es ist hierbei sicherzustellen, dass das Anzeigegerät in der Lage ist, gleichzeitig sowohl die Daten des Sensorfingerrings als auch der unterstützten Rechnereinheit zu empfangen und zu verarbeiten. Die unterstützte Rechnereinheit kann eine intelligente Zahnbürste darstellen oder ein Stift, der die Identifizierung des Benutzers via Analyse seiner Schreibbewegung erlaubt.
  • Der Sensorfingerring kann auch allein eingesetzt werden, beispielsweise zum Erlernen bestimmter Bewegungen in Karate- oder anderen Kampfsportarten. Die Erfindung bietet dem Anwender eine maximale Rückmeldung über Qualität einer von ihm ausgeführten Bewegung.
  • Das Gerät ist in seiner Detailhaftigkeit beliebig ausbaubar und hängt von den darin befindlichen Sensoren, der Leistungsfähigkeit der Funkkomponente und von zusätzlichen Anzeigemöglichkeiten und Aktuatoren ab. Eine Minimalkombination stellen die Sensoren einer sensorunterstützten Zahnbürste (ibrush) dar abzüglich des Drucksensors. In dieser Ausführung beinhaltet der Ring drei Beschleunigungs- und drei Winkelgeschwindigkeitssensoren sowie eine unidirektionale Funkschnittstelle vom Gerät zum Anzeigeelement. Das Anzeigeelement kann ein handelsübliches Smartphone oder TabletPC sein.
  • Nach Erreichen einer kompakten Bauform mittels Integration der Sensorik und Datenübertragung in den Ringkörper, ist auch der Einsatz mehrerer Sensorringe an benachbarten Fingern, beispielsweise Zeige- Mittel- und Ringfinger, beim Erlernen von Trompete oder Saxofon denkbar.
  • Es gibt bereits kommerzielle Insellösungen, also (Bewegungs-)Sensorsätze nebst drahtloser Übertragungseinrichtung an ein Anzeigegerät, die in ein Sportgerät, beispielsweise Schläger für Golf, Tennis, Tischtennis, Badminton, Squash, (Eis-)Hockey, Baseball aber auch Ski oder Snowboard integriert sind. Ebenso können sie in Kleidungsstücken wie Skistiefel, Helm, (Box-)Handschuh) integriert sein, an einem Musikinstrument (z.B. Geigenbogen) oder bei der Rehabilitation an einer Orthese befestigt werden.
  • Der hier beschriebene Sensorring kann bei allen oben genannten Anwendungen, bei denen das Gerät fest mit der Hand gehalten wird (alle benannten und ggf. vergessene Schläger, ggf. Boxhandschuh, LL-Skistecken) die jeweilige Insellösung ersetzen. Eine Anpassung braucht nur bei der Software im Backend gemacht zu werden.
  • Auch im Rehabilitationsbereich, wo das Wiedererlernen oder Neuerlernen von Bewegungen eine große Rolle spielt, hilft der Sensorring die gemessenen Bewegungen mit den Anweisungen des Therapeuten zu vergleichen. Die Bewegungen, welche die Hand mit dem Ring und/oder mit einem Fußring aufgenommen werden, münden in Korrekturanweisungen mit dem Ziel, den Bewegungsablauf zu optimieren.
  • Dem Anwender wird in geeigneter Weise optisch und/oder akustisch („Sonifikation“) die Qualität seiner Bewegung mitgeteilt. Optional wird er auf typische Fehler, beispielsweise „Stoppen“ des Tennisschlägers bei Ballberührung statt „Durchschwingen“ hingewiesen.
  • Ein mit einer Kamera versehenes Anzeigegerät (z.B. Smartphone oder Tablet-PC) kann zusätzlich die Aktion des Nutzers auf Video aufnehmen. Diese vom Anzeigegerät aufgenommenen Videodaten können zusammen mit den Sensordaten gespeichert werden, damit der Anwender sowohl für sich alleine trainieren als auch später mit Trainer oder Therapeut seine Bewegungen analysieren und durchsprechen kann.
  • Auch in der Forschung können, vorausgesetzt die Aufzeichnungsfunktion des Anzeigegeräts ist aktiviert, diese Videos wertvolle Erkenntnisse liefern.
  • Werden beide Hände des Benutzers mit Sensorfingerringen ausgestattet, so ist mit den redundanten Sensordaten eine automatische Kalibrierung der Anfangsstellung des Geräts möglich. Beispielsweise umfassen beide Hände einen Golfschläger. Bei der Auswertung der Daten für Achsbeschleunigungen kann damit die senkrechte Stellung des Golfschlägers ermittelt werden und somit die nachfolgenden Bewegungen in diesem Bezugssystem darauf aufbauen.
  • Beliebige Geräte, die von der Hand geführt werden und eine sehr kostengünstige bzw. reduzierte Sensorausstattung aufweisen, können mit der Erweiterung mittels den Sensoren der Ringe auf intelligente Geräte aufgerüstet werden. So genügt beispielsweise eine Zahnbürste lediglich mit einem Drucksensor auszustatten. Ein solches Modell sei Micro-iBrush genannt und kann trotzdem durch ein Anzeigegerät mittels den übertragenen Beschleunigungsdaten der Ringe zu einer intelligenten Zahnbürste evolvieren. Ein zweites Beispiel beschreibt einen Schreibstift, der laufend den Anpressdruck misst und die Werte dafür an ein Anzeigegerät sendet. Auch hier erlauben die Beschleunigungswerte aus den Ringen eine Detektierung der Bewegung und des Ortes, womit auch er zu einem BISP-Stift mit den Fähigkeiten Identitätsfeststellung und Detektierung von Persönlichkeitsmerkmalen heraufgestuft werden.
  • Der Sensorfingerring erfüllt Schutzfunktionen für den Träger. Sollte dieser stürzen, so detektiert der eingebaute Beschleunigungsmesser atypisch hohe Werte. Darauf folgen üblicherweise Werte, die auf eine Ruheposition schließen lassen. In so einem Fall weist der Ring das über Drahtlosverbindung angeschlossene Anzeigegerät an, einen Notruf an die Adresse eines gespeicherten Rettungsdienstes abzusetzen.
  • Fehlende oder zu geringe Nahrungs- und Flüssigkeitsaufnahme stellen Pfleger von Betreuten vor großen Herausforderungen. Der Sensorfingerring sorgt für Abhilfe, indem charakteristische Bewegungen wie das Führen eines Trinkglases oder das Führen von Besteck bei der Nahrungsaufnahme von den eingebauten Sensoren detektiert und die Information an das Anzeigegerät weitergesendet wird. Folgend wird eine Aufforderung zum Trinken oder Essen ausgegeben oder der Pfleger wird informiert, falls schon länger keine solche Bewegung registriert worden ist.
  • Ausführungsbeispiele
  • Natürlich kann und soll das Gerät auch für ursprünglichen Aufgabenstellungen, der kontinuierlichen Verbesserung und Kontrolle des Zahnputzvorgangs bzw. des Schreibvorgangs, eingesetzt werden.
  • Ein breiterer Aufgabenbereich erhöht die Chancen für eine kostengünstige Massenproduktion, die nach „economy of scale“ die Kosten der Endprodukte deutlich verringern kann.
  • Erreichte Vorteile
  • Das hier beschriebene Gerät gibt dem Nutzer individuelle Rückmeldung über die von ihm ausgeführte Bewegung.
  • Außer in aufwändigen Insellösungen gibt es bis jetzt keine sensorunterstützten Bewegungsoptimierer. Das hier vorgestellte Gerät ist universell einsetzbar und liefert wesentlich detailliertere Informationen als teure Livestyle-Geräte, die meist nur digital (Bewegung oder eben keine) anzeigen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010053688 A1 [0003]
    • DE 102014001163 A1 [0003]
    • DE 102006008333 B4 [0003]
    • DE 10305759 A1 [0004]
    • US 020030142065 A1 [0007]
    • DE 102005021527 A1 [0008]
    • US 020120218184 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Sensorfingerring, wobei drei eingebaute Beschleunigungs- und drei eingebaute Winkelgeschwindigkeitssensoren Sensordaten produzieren, die die Bewegungsführung der Hand ableiten lassen und ein eingebauter Rechner mit Übertragungseinheit zur drahtlosen Kommunikation, welches eine standardisierte Funkschnittstelle implementiert, um mit handelsüblichen Smartphone oder TabletPC kommunizieren zu können, die Sensordaten vorverarbeitet, beispielsweise mit einem angefügten Zeitstempel, und diese an eine Anzeigeeinheit weitersendet, und der Ring vorzugsweise am Ringfinger der dominanten Hand getragen wird.
  2. Sensorfingerring nach Anspruch 1, wobei die im Ring eingebauten Sensoren den Bewegungsablauf einer Zahnbürste nachvollziehen lassen und der Bürstort und die Bürstbewegung der Zahnbürste aus diesen Auswertungen abgeleitet werden können.
  3. Sensorfingerring nach Anspruch 1 bis 2, wobei die eingebauten Sensoren das Bewegungsverhalten eines mit der Hand geführten Schreibstiftes nachvollziehen lassen und über Auswertung der Bewegung Krankheiten des Zentralen Nervensystems detektieren und charakteristische Merkmale der den Stift führenden Person feststellen können, welche als fälschungssicheres biometrisches Identifikationsmittel eingesetzt werden können und somit eine personenbezogene Authentifizierung durchgeführt werden kann.
  4. Sensorfingerring nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Sensordaten für abgeleitete Handbewegungsführungen zum Lernen von Handbewegungen im Sport- und Musizierbereichen sowie Wiedererlernen von Bewegungen im Rehabilitationsbereich für Instruktionen und Bewertungen verwendet werden.
  5. Sensorfingerring nach Anspruch 1 bis 4, wobei mehrere Finger der Hand jeweils mit einem Ring ausgestattet werden können um separate Fingerbewegungen aufzunehmen, die beispielsweise für das Erlernen von Klavier- oder Saxophonspielen verwendet werden.
  6. Sensorfingerring nach Anspruch 1 bis 5, wobei der Anwender visuell via drahtlos verbundenem Anzeigegerät oder akustisch über die Qualität seiner Bewegung informiert wird und er auf diese Weise auf Fehler seiner Bewegungsführung hingewiesen wird.
  7. Sensorfingerring nach Anspruch 1 bis 6, wobei sich an beiden Händen des Benutzers Ringe an den Fingern befinden können und durch die zusätzlichen Sensordaten eine automatische Kalibrierung für die Anfangsstellung des gehaltenen Geräts, beispielsweise für das Halten eines Golfschlägers durchführen lässt und die zusätzlichen Sensordaten der anderen Hand eine wesentlich höhere Genauigkeit bei der errechneten Bewegung des Geräts ergeben und auch Ringe sich zusätzlich an den Füssen befinden können, um Körperglieder unabhängig voneinander aufzeichnen zu lassen.
  8. Sensorfingerring nach Anspruch 1 bis 7, wobei sich Sensordaten des Rings mit Sensordaten aus den geführten Geräten, wie beispielsweise Druckdaten aus einer Micro-iBrush-Zahnbürste oder Druckdaten aus einem Schreibstift zur Authentifizierung des Benutzers kombinieren lassen und sich damit die Bewegungsführung des geführten Gerätes genauer errechnen lässt.
  9. Sensorfingerring nach Anspruch 1 bis 8, wobei der eingebaute Beschleunigungsmesser bei sehr hohen Werten mit nachfolgend geringen Werten, die auf einen Sturz des Benutzers schließen lassen, das über drahtlose Verbindung angeschlossene Anzeigegerät anweist, einen Notruf an Rettungsdienste zu senden.
  10. Sensorfingerring nach Anspruch 1 bis 9, wobei der Ring die Nahrungs- und Getränkeaufnahme von Betreuten überwacht, in dem charakteristische Sensordaten, die das Halten und Bewegen von Besteck beziehungsweise das Benutzen eine Glases zum Trinken detektieren und das drahtlos verbundene Anzeigegerät den Betreuten im Fall eines Defizits auffordert, wieder einen Schluck zu trinken oder etwas zu essen und die Betreuungsperson informiert.
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