DE19509680A1 - Vorrichtung zur ortsungebundenen Erfassung von Handneigungen und -bewegungen - Google Patents

Vorrichtung zur ortsungebundenen Erfassung von Handneigungen und -bewegungen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsungebundenen Erfassung von Handneigungen und -bewegungen. Die Vorrichtung kann zur Eingabe von dreidimensionalen Neigungs- und Bewegungsdaten in Computersysteme sowie für Steuerungsaufgaben im Bereich der Robotik, der Industrie, der Raumfahrt und der Medizin (z. B. zur Steuerung der Visualisierung medizinischer Bilddaten) eingesetzt werden. Aufgrund ihrer inhärent hohen zeitlichen Auflösung eignet sie sich insbesondere zur Erfassung menschlicher Handbewegungen, wie sie z. B. von Gehörlosen generiert werden.
Die Erfindung läßt sich auch hervorragend mit beliebigen, auf dem Markt erhältlichen Datenhandschuhen kombinieren und erweitert deren Anwendungs- und Leistungsspektrum beträchtlich.
Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstellen, der dreidimensionalen Eingabegeräte für Datenverarbeitungsanlagen sowie der dreidimensionalen Ortungssysteme. Sie läßt sich ebenfalls dem Gebiet der Datenhandschuhe (zu englisch "datagloves") zuordnen, da diese meist ein 3D- Ortungssystem verwenden.
Die Bestimmung der dreidimensionalen Position und Orientierung eines Objekts im Raum ist eine in der Technik häufig gestellte Aufgabe, zu deren Lösung es eine Vielzahl von Geräten gibt. Ihr physikalisches Funktionsprinzip beruht meist auf der Messung von Abständen, welche durch die Bestimmung von Signallaufzeiten oder -intensitäten ermittelt werden. Die Signale sind z. B. elektromagnetischer oder akustischer Natur.
  • - Der Polhemus Sensor (Polhemus, 3 Space user′s manual, A Kaiser Aerospace & Electronics Company, Mai 1987) enthält drei senkrecht zueinander angeordnete Spulen, die als Empfänger dienen. An einem festen Referenzpunkt sind drei ebenfalls senkrecht aufeinander stehende Sendespulen angebracht, die ein elektromagnetisches Feld ausstrahlen. Dessen Intensität wird in den Empfängerspulen gemessen, woraus die Position des Empfängers berechnet werden kann. Ein ähnliches Gerät ist der "The Flock of BirdsTM" (The Flock of BirdsTM, Position and Orientation Measurement System, Installation and Operation Guide, 25. Mai 1993, © 1993 Ascension Technology Corporation, POB 527, Burlington, Vermont 05402).
  • - Das GP-8-3D (Three Dimensional Sonic Digitizer Model GP-8-3D, Science Accessories Corporation, Southport, CT) funktioniert auf der Basis von Ultraschallmessungen, bei denen die Signallaufzeit ermittelt und per Triangulation die Position des Senders festgestellt wird. Dazu sind im Umfeld des Senders mehrere Empfänger angeordnet, die vom Sender ausgestrahlte Pulse registrieren. Die 3D-Ultraschallmaus von Logitech (c′t - magazin für computertechnik, Mai 1992, S. 37) funktioniert nach demselben Prinzip.
  • - Das GPS (Global Positioning System) (z. B. beschrieben in: Precise Tracking of Remote Sensing Satellites With the Global Positioning System, Yunck, T. P., Sien-Chong Wu, Jiun-Tsong Wu, Thornton, C. L., IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Band 28, Heft 1, Januar 1990) ist ein globales Navigationshilfssystem, bei dem in der Erdumlaufbahn befindliche Satelliten, deren Position exakt bekannt ist, hochgenaue Zeitsignale ausstrahlen. Der Empfänger, dessen Position bestimmt werden soll, kann anhand der Laufzeitunterschiede der Signale von vier unterschiedlichen Satelliten seine räumlichen Koordinaten metergenau errechnen.
  • - Bei der Firma Siemens ist ein System entwickelt worden (Maggioni, C., A Novel Device for Using the Hand as a Human Computer Interface, Proceedings of the HCI, 1993, England), welches es gestattet, die Bewegungen einer Hand mittels einer Videokamera in einem begrenzten räumlichen Bereich aufzunehmen und zu vermessen. Dazu wird das Prinzip der optischen Triangulation verwendet.
  • - Der SpaceBall (z. B. beschrieben in: Ein Testbett für Virtual Reality Komponenten zur Unterstützung medizinischer Applikationen, Faulkner, G., Krauss, M., Workshop Digitale Bildverarbeitung in der Medizin, Universität Freiburg, 2.-3. März 1994) verwendet ein gänzlich anderes Prinzip. Das ballförmige Gerät ermittelt über Kraftmeßstreifen die Torsions-, Schub-, Druck- und Zugkräfte, die der Benutzer mit seiner Hand auf die Eingabekugel ausübt. Dadurch lassen sich - bei räumlich stationärem Eingabegerät - Rotations- und Translationsvektoren zur weiteren computergestützten Verarbeitung generieren.
  • - Im US-Patent 4,414,537 wird ein Handschuh beschrieben, der Handneigungen und ruckartige Handbewegungen extrem rudimentär mittels Quecksilber- und Trägheitsschaltern bestimmt.
  • Mit besonderem Bezug zum beabsichtigten Einsatzgebiet der Erfindung sind auch einige der allgemein als "Datenhandschuh" bekannten Vorrichtungen zu nennen:
  • - Der TUB-Sensorhandschuh (DE-Patent 42 40 531) wurde von den Erfindern entworfen und gebaut. In der genannten Patentschrift finden sich Quellen zu verwandten Vorrichtungen.
  • - Der VPL-DataGloveTM (US-Patent 4,988,981) ist ein weitverbreitetes kommerzielles Eingabegerät für menschliche Fingerbewegungen.
Für die ortsungebundene Erfassung von Handneigungen und -bewegungen sind die bisherigen Systeme mit verschiedenen Mängeln behaftet, die sie für diesen Zweck unbrauchbar machen.
Alle bisherigen Systeme (Ausnahme: US-Patent 4,414,537) benötigen stets externe Referenzpunkte, die z. B. in Form von Ultraschallempfängern mit bekannter Position bereitgestellt werden müssen, damit der Ort des Senders per Triangulation errechnet werden kann. Dies steht der Anforderung der Ortsungebundenheit unmittelbar entgegen. Das GPS läßt sich zwar überall auf der Erde einsetzen, jedoch ist seine Auflösung (Meterbereich) zu gering, als daß damit Handbewegungen erfaßt werden könnten. Das System der Firma Siemens benötigt eine stationäre Kamera. Der SpaceBall ist ebenfalls für den stationären Betrieb eingerichtet. Handbewegungen z. B. im Sinne von dynamischen Gebärden Gehörloser lassen sich mit ihm gar nicht erfassen.
Die Notwendigkeit externer (= nicht auf der Hand befindlicher) Hilfsmittel für die Neigungs- und Bewegungsmessungen erhöht den Platzbedarf bisheriger Meßanordnungen und schränkt dadurch ihr Einsatzgebiet ein.
Das im US-Patent 4,414,537 beschriebene Eingabegerät ermittelt seine räumliche Orientierung zwar ohne externe Hilfsmittel, jedoch kann die Neigung der Hand bzw. ihre Bewegung mittels der Quecksilber- und Trägheitsschalter nur in binärer Form gemessen werden (Neigung - keine Neigung; ruckartige Bewegung - keine Bewegung). Kontinuierliche Bewegungen mit einem großen dynamischen Bereich können damit nicht erfaßt werden.
Bei den mit elektromagnetischen Feldern operierenden Vorrichtungen gibt es außerdem das grundlegende Problem, daß die Positionsmessungen z. T. empfindlich durch in unmittelbarer Nähe befindliche Metallgegenstände und Störsender wie Videomonitore beeinflußt werden.
Bei der Ortung mit Ultraschall sorgen Luftturbulenzen mit zunehmendem Abstand zwischen Sender und Empfänger für rasch größer werdende Meßfehler. Gerade bei Ultraschall besteht auch die grundsätzliche Schwierigkeit, daß nur geringe Meßraten möglich sind, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in jeweiligen physikalischen Medium (meistens Luft) begrenzt und - verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit - gering ist.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ortsungebunden menschliche Handneigungen mit guter Winkelauflösung und Handbewegungen mit hoher zeitlicher Auflösung zu erfassen. Dies ist z. B. insbesondere dann erforderlich, wenn die sehr raschen Gebärden Gehörloser aufgenommen werden sollen, wobei die Versuchspersonen nicht durch Kabel und einen durch das Eingabegerät eingeschränkten Bewegungsbereich behindert werden dürfen.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösung enthalten die Unteransprüche.
Die dem Stand der Technik hinsichtlich der gestellten Aufgabe anhaftenden Mängel werden durch die Erfindung behoben.
Das System arbeitet ortsungebunden, da es von keinerlei festen, externen Referenzpunkten oder Hilfsmitteln außer der Schwerkraft abhängig ist (die Energieversorgung kann in Form von Batterien bei Bedarf mitgeführt und die Koppelung an andere Rechner mittels Infrarot- oder Funkdatenübertragung gelöst werden). Dadurch ist die Erfindung mehr und anderen Anwendungen zugänglich als die heutigen stationären Systeme. Die Vorrichtung hat einen sehr geringen Platzbedarf und durch die verwendeten Sensoren eine gute Winkelauflösung bei Handneigungen sowie eine durch das Meßprinzip der Sensoren inhärent hohe zeitliche Auflösung bei kontinuierlichen Handbewegungen (mit den in der bevorzugten Ausführung verwendeten Sensoren sind Meßraten bis zu einigen 1000 Messungen pro Sekunde möglich). Das System ist unempfindlich gegenüber akustischen und elektromagnetischen Störungen.
In Kombination mit herkömmlichen Ortungssystemen erweitert der Einsatz der Vorrichtung deren Meßauflösung und Einsatzfähigkeit, insbesondere werden weitere, bisher nur indirekt ableitbare Informationen über menschliche Handbewegungen durch direkte Messung verfügbar.
Die Erfindung läßt sich z. B. auch gut zur Steuerung von 3D-CAD-Systemen einsetzen. Während der Arbeit mit einem 3D-CAD-System muß die Orientierung der Ansicht häufig gewechselt werden. Bisher wurde dies mit Stellknöpfen für die einzelnen Rotationsachsen gelöst, was wenig intuitiv war und die Einarbeitungszeit erhöhte. Mit der hier beschriebenen Erfindung kann die Orientierung solcher dreidimensionalen Objekte einfach und sehr bequem verändert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine halbräumliche Ansicht des auf der Hand befindlichen Systems;
Fig. 2 prinzipielle Möglichkeiten zur Sensoranordnung;
Fig. 3 die Prinzipschaltung der Vorrichtung;
Fig. 4 eine Detailschaltung zur Auswertung eines Neigungs- und Bewegungssensors;
Fig. 5 eine Detailschaltung zur Auswertung eines Bewegungs- und Vibrationssensors;
Fig. 6 eine Alternativschaltung zur Sensorauswertung;
Fig. 7 eine weitere Alternativschaltung zur Sensorauswertung.
Das dargestellte Beispiel ist nur eine Möglichkeit, die Erfindung auszuführen. Der Fachmann kann leicht ersehen, wie ähnliche Vorrichtungen erstellt werden können, ohne den Charakter der Erfindung zu ändern.
Fig. 1 zeigt eine halbräumliche Ansicht des auf der Hand befindlichen Systems. Zu sehen sind eine menschliche Hand 1, an der die Vorrichtung mittels geeigneter Haltevorrichtungen - z. B. mittels eines Gurtes oder durch einen Handschuh - zu befestigen ist. Die Vorrichtung besteht in der Hauptsache aus Beschleunigungssensoren 2, die Beschleunigungen in jeweils eine Achsenrichtung (x, y, z) aufnehmen. Ihnen zugeordnet sind ein oder mehrere Verstärker 3, die ihre Signale über eine Verbindung 4 an weitere Auswertungsstufen (vgl. Fig. 3) weiterleiten.
Fig. 2 zeigt das Prinzip einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung, bei der mehrere Beschleunigungssensoren x1,2,3, y1,2,3, z1,2,3 gemeinsam zu Koordinatensystemen 10, 11, 12 angeordnet sind, die auch zueinander windschief stehen können. Sie befinden sich in festen Abständen (k1,2,3) und fester Orientierung bezüglich eines gedachten Bezugskoordinatensystems 9, welches sich zusammen mit 10, 11, 12 auf der Hand befindet. Sinn dieser Anordnung ist es, insbesondere Drehbewegungen der Hand durch differentielle Messungen mittels der verschieden plazierten Sensorsysteme besser erfassen zu können.
Es ist ebenfalls möglich und in der bevorzugten Ausführung der Erfindung auch realisiert (vgl. Fig. 4, 5), zwecks Erweiterung des dynamischen Bereichs verschiedenartige Beschleunigungssensoren gemeinsam auf der Hand anzuordnen. Im konkreten Fall wurden Sensoren der Firma Analog Devices (ADXL50), die statische Beschleunigungen von 0 Hz (z. B. die Erdbeschleunigung → Neigungsmessung) bis zu einigen 100 Hz (Vibrationen) messen können, mit Sensoren der Firma Kistler (ein triaxialer Beschleunigungsaufnehmer 8692B5 mit großer Bandbreite und Dynamik) kombiniert, um einerseits die Handneigungen mit guter Winkelgenauigkeit, andererseits aber auch dynamische Handbewegungen mit hoher zeitlicher Auflösung und guter Genauigkeit mittels der gemessenen Beschleunigungen erfassen zu können.
Nicht zuletzt erhöht der Einsatz mehrerer unterschiedlicher Sensoren die Redundanz des Systems, wodurch sich die Genauigkeit der Meßergebnisse nochmals steigern läßt.
Fig. 3 gibt einen Überblick über die elektronischen Hauptkomponenten der Vorrichtung. Von einem oder mehreren Sensoren 2 gemessene Beschleunigungen werden von ihnen in elektrische Signale umgewandelt und Vorverstärkerstufen 3 zugeführt. Die verstärkten Signale können dann entweder direkt A/D-Wandlern 6 zugeführt oder zunächst über einen Multiplexer 5 geleitet werden, dessen Ausgang mit einem A/D-Wandler 6 verbunden ist. Der A/D-Wandler 6 ist mit einem auswertenden Computer 7 verbunden, der ihn steuert und die Daten weiterverarbeitet bzw. weiterleitet. Selbstverständlich ist es auch möglich, Änderungen an diesem Schema vorzunehmen, ohne daß sich der Charakter der Erfindung ändert. Z.B. könnte es u. U. sinnvoll sein, den Multiplexer 5 direkt an die Sensoren 2 anzuschließen, um Schaltungsaufwand bei den Vorverstärkern 3 zu sparen (in diesem Fall wäre höchstens ein Vorverstärker 3 zwischen Multiplexer 5 und A/D-Wandler 6 nötig).
Fig. 4 zeigt detailliert die Schaltung einer Vorverstärkerstufe 3a, die einem Beschleunigungssensor 2a (z. B. einem ADXL50) nachgeschaltet ist. Je nach Sensor sind Vorkehrungen für eine Skalierung (Verstärkung oder Abschwächung) des Sensorsignals und eine Nullpunktkorrektur erforderlich. Auch kann es sein, daß das Signal gefiltert werden muß, was in der Zeichnung durch einen Kondensator 15 nur angedeutet ist. Das aufbereitete Signal wird zum (Analog-)Multiplexer 5 bzw. direkt zum A/D-Wandler 6 weitergeschickt.
Fig. 5 enthält eine Schaltung, die der aus Fig. 4 bzgl. Funktion und Ausführung sehr ähnlich ist. Zwischen Beschleunigungssensor 2b (z. B. einem Kistler 8692B5) und Verstärker 3b wurde lediglich eine Sensorspeisungs- und Signalabtrennungsstufe 8 hinzugefügt, um die 2-Draht-Versorgung des Sensors zu berücksichtigen. Da das Signal kapazitiv ausgekoppelt wird, entfällt die Notwendigkeit für eine variable Nullpunkteinstellung. Das aufbereitete Signal wird ebenfalls zum (Analog-)Multiplexer 5 bzw. A/D-Wandler 6 geführt.
Fig. 6 zeigt eine Alternativschaltung für die Sensorauswertung, bei der das vom Beschleunigungssensor 2 gelieferte und vom Vorverstärker 3 verstärkte Signal im Umsetzer 13 in ein Frequenzsignal transformiert wird, ehe es über den Multiplexer 5 (diesmal genügt ein normaler digitaler Multiplexer) zu einem Frequenzzähler 14 weitergeleitet wird, um dort endgültig digitalisiert zu werden. Diese Variante kommt insbesondere dann in Frage, wenn das Sensorsignal vor seiner endgültigen Digitalisierung über größere Strecken geschickt werden soll, da ein Frequenzsignal weitaus weniger störanfällig als ein amplitudenmoduliertes Signal ist.
Fig. 7 soll eine weitere Ausführungsvariante veranschaulichen, bei der das vom Beschleunigungssensor 2 gelieferte Signal direkt (über einen geeigneten Umsetzer 13) in ein Frequenzsignal gewandelt und über einen Multiplexer 5 zum Frequenzzähler 14 geschickt wird. Dabei kann das Frequenzsignal auch unmittelbar im Sensor 2 entstehen (der Umsetzer 13 würde sich dann im Sensor befinden und wäre Teil der Signalvorverarbeitung vor Ort - also z. B. "on chip").

Claims (18)

1. Vorrichtung zur ortsungebundenen Erfassung von Handneigungen und -bewegungen, bestehend aus einer mit Sensoren versehenen, an der Hand zu befestigenden Haltevorrichtung, wie z. B. einem Handschuh, gekennzeichnet durch folgende Kombinationsmerkmale:
  • - Sensoren (2), die von der Handstellung oder -neigung bzw. von den Handbewegungen her­ rührende statische (0 Hz) und dynamische (<0 Hz) Beschleunigungen erfassen;
  • - Vorverstärker (3) und Filter (15) und/oder Signalumformer (13) zur Vorverarbeitung der Meßsignale;
  • - Auswahlvorrichtungen (5) zur Auswahl der an den Meßwertumformer (6, 14) zu übertragenden Signale;
  • - Meßwertumformer (6, 14), die die analogen Signale in digitale Werte umwandeln;
  • - einen oder mehrere Computer (7), welche die Daten direkt oder indirekt von den Meßwert­ umformern (6, 14) erhalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine beliebige Anzahl von Beschleunigungssensoren (2) verwendet wird, so daß sich insbesondere Rotationsbewegungen z. B. durch differentielle Messungen besser erfassen lassen sowie die Genauigkeit der Meßergebnisse durch erhöhte Redundanz im resultierenden Datenmaterial gesteigert werden kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungssensoren (2) auf unterschiedliche Weise angeordnet werden, um den jeweiligen Meßerfordernissen zu entsprechen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigungsaufnehmer (2) unterschiedlichen Typs verwendet werden, um un­ terschiedliche Meßbereiche abdecken zu können.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Beschleunigungssensoren (2) z. B. Neigungs- und Vibrationsaufnehmer sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Beschleunigungssensoren (2) folgende elektronische Signalverarbeitung (3, 15, 13) und Signalauswahl (5) in geeigneter Weise miteinander kombiniert und an die jeweils verwendeten Beschleunigungssensoren (2) angepaßt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verarbeitenden Signale analoge Spannungen und/oder Frequenzsignale sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlvorrichtung (5) für die Spannungssignale aus Analog-Multiplexern besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlvorrichtung (5) für die Frequenzsignale aus Digital-Multiplexern besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer (6) ein A/D-Wandler ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer (14) ein Frequenzzähler ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Multiplexer (5), A/D-Wandler (6) bzw. Frequenzzähler (14) in geeigneter Weise durch den Computer (7) steuerbar sind und mit ihm kommunizieren können.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (7) die gemessenen Daten auswerten und/oder an andere Computer weiterübertragen kann.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (2), Vorverstärker (3), Signalumformer (13), Filter (15), Multiplexer (5), A/D-Wandler (6), Frequenzzähler (14) und Computer (7) bzgl. der Hand in einer der jeweiligen Meßaufgabe entsprechenden Weise anordenbar sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (2), Vorverstärker (3) und/oder Signalumformer (13), Filter (15), Multiplexer (5), A/D-Wandler (6) und/oder Frequenzzähler (14) zusammen mit dem Computer an der Hand befestigt sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (2), Vorverstärker (3) und/oder Signalumformer (13), Filter (15), Multiplexer (5), A/D-Wandler (6) und/oder Frequenzzähler (14) allein der Hand befestigt sind und mit dem Computer durch eine geeignete Übertragungsvorrichtung (per Kabel, drahtlos, optisch) verbunden sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung für die Sensoren (2) und die Auswertungselektronik ein geeignet geformter Handschuh ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung für die Sensoren (2) und die Auswertungselektronik ein geeignet geformter Gurt oder Riemen ist.
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