DE102017218631A1

DE102017218631A1 - Mensch-Maschine-Interface und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102017218631A1
Application number: DE102017218631.3A
Authority: DE
Inventors: Holger Urbanek
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mensch-Maschine-Interface (10), mit einer Vielzahl von Beschleunigungssensoren (12), mindestens einer Haltevorrichtung (14), die die Beschleunigungssensoren (12) an der Haut (16) eines Benutzers hält, und einem Prozessor zum Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus den von dem Beschleunigungssensor erfassten Muskelbewegungen des Benutzers.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Mensch-Maschine-Interface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mensch-Maschine-Interface und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.
Mensch-Maschine-Interfaces sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen beispielsweise der Steuerung von Computern, Prothesen oder robotischen Exoskeleten. Grundsätzlich kann ein Mensch-Maschine-Interface für die Eingabe eines beliebigen Befehls an die Steuerung einer Vorrichtung verwendet werden. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, als Mensch-Maschine-Interface elektromyographische Verfahren zu verwenden, die es erlauben, die Aktivierung einzelner Muskeln eines Körperteils eines Benutzers zu erkennen. Hierzu ist die Oberflächen-Elektromyographie bekannt, bei der die Elektroden auf der Haut aufgebracht werden.
Auch ist es bekannt, Drucksensoren zu verwenden, die auf die Haut gepresst werden, sodass es vom Drucksensor registriert wird, wenn ein darunterliegender Muskel sich anspannt.
Bei der Oberflächen-Elektromyographie besteht das Problem, dass die Kontaktierung der Haut unter Umständen schlecht ist und sich über die Zeit verändern kann beispielsweise aufgrund von Schweißbildung oder Bewegungen des Benutzers. Weiterhin ist die Signalgewinnung und Signalverarbeitung von sehr kleinen Potentialen im Mikrovolt- bis Millivoltbereich unter einer hochimpendanten Kontaktierung (viele Kiloohm bis mehrere Megaohm) sehr schwierig.
Die Verwendung von Drucksensoren ist dahingehend nachteilig, dass diese Sensoren relativ stark auf die Haut gepresst werden müssen, was auf Dauer für den Benutzer unangenehm werden kann. Weiterhin muss sich jeder einzelne Sensor möglichst stabil und großflächig abstützen, um Messwerte zu liefern. Dies erfordert eine sehr rigide Halterung der Sensoren, was die Bequemlichkeit und Benutzerfreundlichkeit einschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mensch-Maschine-Interface bereit zu stellen, das genaue Messwerte liefert und gleichzeitig benutzerfreundlich ist. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Mensch-Maschine-Interface bereit gestellt werden. Es ist bevorzugt, dass mindestens ein Beschleunigungssensor pro zu detektierenden Muskel verwendet wird. In den meisten Fällen werden pro zu detektierenden Muskel mehrere Beschleunigungssensoren verwendet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8.
Das erfindungsgemäße Mensch-Maschine-Interface weist eine Vielzahl von Beschleunigungssensoren auf und ferner mindestens eine Haltevorrichtung, die die Beschleunigungssensoren an der Haut des Benutzers hält. Hierbei kann auch ein mittelbarer Kontakt zu der Haut des Benutzers stattfinden, beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Element, durch das Beschleunigungen der Hautoberfläche eines Benutzers an die Beschleunigungssensoren weitergegeben werden.
Das erfindungsgemäße Mensch-Maschine-Interface weist ferner einen Prozessor auf zum Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus den von dem Beschleunigungssensoren erfassten Muskelbewegungen des Benutzers.
Die Verwendung von Beschleunigungssensoren zum Erfassen der Muskelbewegung des Benutzers ist vorteilhaft, da sie unabhängig von Kontaktschwierigkeiten arbeiten kann, wie sie beispielsweise aus der Oberflächen-Elektromyographie bekannt sind. Gleichzeitig ist es jedoch nicht notwendig, die Sensoren mit einem großen Druck auf die Haut des Benutzers zu pressen. Es werden somit genauere Sensorwerte erreicht, während gleichzeitig die Benutzerfreundlichkeit erhöht wird.
Es ist bevorzugt, dass die Haltevorrichtung ein Kleber ist, mit dem die Beschleunigungssensoren des Benutzers gehalten werden.
Alternativ ist es möglich, dass die Haltevorrichtung schlauchförmig oder stumpfförmig ausgebildet ist, sodass sie über ein Körperteil des Benutzers beispielsweise über den Armstumpf eines Handamputierten ziehbar ist, sodass hierdurch zum Beispiel Eingabebefehle für eine Prothese generiert werden können.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Haltevorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Beschleunigungssensoren innerhalb eines Toleranzbereichs zueinander beweglich sind. Dies ist insofern erforderlich, als dass Beschleunigungssensoren zur Erfassung von Beschleunigungen selbstverständlich beweglich sein müssen. Hierdurch entfällt eine besonders rigide Aufhängung der Sensoren, sodass hierdurch die Benutzerfreundlichkeit erhöht wird.
In bevorzugter Ausführungsform sind die Beschleunigungssensoren eindimensionale Sensoren. Sie können jedoch auch mehrdimensionale Sensoren, insbesondere dreidimensionale Sensoren oder Inertial Measurement Units (IMU's) sein. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass Beschleunigungen von mehr als einem Tausendstel der Erdbeschleunigung zu erwarten wären.
Es ist bevorzugt, dass das Mensch-Maschine-Interface zum Erfassen der Muskelbewegung des Benutzers als Sensoren ausschließlich Beschleunigungssensoren und keine weiteren Sensoren aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Mensch-Maschine-Interface, insbesondere wie es bisher beschrieben wurde. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Aufbringen einer Vielzahl an Beschleunigungssensoren an der Haut eines Benutzers durch eine Haltevorrichtung
- Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus den von den Beschleunigungssensoren erfassten Muskelbewegungen des Nutzers.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass zum Erfassen der Muskelbewegung des Benutzers als Sensoren ausschließlich Beschleunigungssensoren verwendet werden. Alternativ ist es auch möglich, eine Sensorfusion mit anderen Methoden, beispielsweise der Elektromyographie oder einer Kraftmessung, vorzunehmen.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass ein Ermitteln einer gemeinsamen Bewegung der Beschleunigungssensoren erfolgt, die durch eine Bewegung des gesamten Körperteils des Benutzers verursacht wird, an dem die Beschleunigungssensoren angebracht sind. Beispielsweise ist es möglich, dass der Benutzer gerade seinen Arm willentlich bewegt und somit alle Beschleunigungssensoren, die an diesem Arm angebracht sind, mitbewegt werden. Die durch diese Bewegung der Beschleunigungssensoren verursachten Beschleunigungen der Sensoren werden entfernt, sodass lediglich deren Relativbewegungen zueinander übrig bleiben und für die weitere Verarbeitung berücksichtigt werden. Durch die genannten Verfahrensschritte wird die Messgenauigkeit erheblich verbessert.
Im Folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Figur erläutert.
Die Figur zeigt schematisch den Aufbau eines Mensch-Maschine-Interface.
Das Mensch-Maschine-Interface 10 ist in der Ausgestaltung gemäß der Figur mit einer schlauchförmigen Haltevorrichtung 14 ausgestattet, die über den Armstumpf 18 eines Benutzers gezogen wird. Durch diese Haltevorrichtung 14 werden die Beschleunigungssensoren 12 an der Hautoberfläche 16 des Benutzers gehalten. Es ist bevorzugt, eine möglichst große Zahl an Sensoren zu verwenden, beispielsweise mehr als 6 eindimensionale Beschleunigungssensoren oder mehr als 2 dreidimensionale Beschleunigungssensoren. Die Bewegung der Muskeln und Sehnen im Körperteil des Benutzers verursachen eine Bewegung der darüber liegenden Haut 16, die durch die Beschleunigungssensoren 12 erfasst wird. Hieraus lassen sich gewünschte Eingabebefehle herleiten, beispielsweise unter Verwendung detaillierter Modelle des Unterarms inklusive der Muskeln, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Weiterhin können lernende Systeme verwendet werden, die wiederkehrende Muster auf spezifische Aktionen abbilden können.
Die Haltevorrichtung 14 kann Beispielseise als ein flexibles und dehnbares Gewebe ausgebildet sein.
Bevorzugt können die Sensoren eine Berührung mit der Umgebung detektieren, so dass weitere Eingabemöglichkeiten geschaffen werden können. Beispielsweise ist es möglich zu detektieren, dass ein Benutzer sich auf den Unterarm tippt und hierdurch ein spezieller Eingabebefehl erzeugt wird. Auch kann ein Tastenfeld in die Haltevorrichtung 14 integriert werden. Eine Erfassung von Eingabebefehlen kann ferner durch Knock-Codes oder andere freie Berührungen erfolgen.
Weiterhin ist es möglich zu detektieren, falls mehrere Sensoren zwischen dem Körperteil 18 des Benutzers und einem festen Gegenstand, beispielsweise einem Tisch eingeklemmt sind. Hierdurch würden sich leicht veränderte Muster bei den restlichen Sensoren ergeben. Das Detektieren eines solchen Zustandes kann hilfreich sein, um Fehlinterpretationen auszuschließen.

Claims

Mensch-Maschine-Interface (10), mit - einer Vielzahl von Beschleunigungssensoren (12), - mindestens einer Haltevorrichtung (14), die die Beschleunigungssensoren (12) an der Haut (16) eines Benutzers hält, - einem Prozessor zum Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus den von dem Beschleunigungssensor erfassten Muskelbewegungen des Benutzers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung ein Kleber ist, mit dem die Beschleunigungssensoren (12) an der Haut (16) des Benutzers gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (14) schlauchförmig oder strumpfförmig ausgebildet ist, sodass sie über ein Körperteil des Benutzers ziehbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (14) derart ausgestaltet ist, dass die Beschleunigungssensoren (12) innerhalb eines Toleranzbereichs zueinander beweglich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (12) eindimensionale Sensoren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (12) dreidimensionale Sensoren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (12) Inertial Measurement Units (IMU's) sind.
Verfahren zum Betreiben eines Mensch-Maschine-Interface (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten: - Aufbringen einer Vielzahl an Beschleunigungssensoren (12) an der Haut (16) eines Benutzers durch eine Haltevorrichtung (14) - Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus dem von den Beschleunigungssensoren (12) erfassten Muskelbewegungen des Nutzers.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Muskelbewegungen des Benutzers als Sensoren ausschließlich Beschleunigungssensoren (12) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt: - Ermitteln einer gemeinsamen Bewegung der Beschleunigungssensoren (12), die durch eine Bewegung des gesamten Körperteils (18) des Benutzers verursacht wird, an dem die Beschleunigungssensoren (12) angebracht sind, - Entfernen der durch diese Bewegung der Beschleunigungssensoren (12) verursachten Beschleunigungen der Beschleunigungssensoren (12), sodass lediglich deren relative Beschleunigung zueinander übrig bleiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Eingabebefehle durch externe Berührungen der Beschleunigungssensoren (12) und/oder der Haltevorrichtung (14), insbesondere durch einen anderen Körperteil des Benutzers detektiert werden.