DE19632273A1

DE19632273A1 - Körpersensorik

Info

Publication number: DE19632273A1
Application number: DE1996132273
Authority: DE
Inventors: Helge Zwosta
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 1998-02-12
Also published as: WO1998007086A1

Description

Der Erfassung von Geometriegrößen beweglicher Körper nimmt einen wichtigen Platz bei einer Viel zahl neu entstandener Anwendungen ein. Solche Anwendungen reichen vom Sport bis zur Kunst. Nachfolgend sind einige Beispiele aufgeführt.

Sport

Für die Verbesserung von Leistungen ist es von Interesse die Bewegungungsabläufe in Bezug, auf Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu kennen. Dabei kann der gesamte Bewegungsapparat eines Sportlers, oder auch nur Teile davon von Interesse sein.

Robotik

Die Fernsteuerung von Robotern oder anderen künstlichen Maschinen welche in unzugänglichen Umge bungen (verseuchte Gebiete, Unterwasser, Weltall, Vakuumkammern die Körperaktionen eines Men schen umsetzen um bestimmte Aufgaben zu lösen. Das "Teaching" von Robotern durch die Aktionsvor gabe eines entsprechend ausgerüsteten menschlichen Lehrers ist eine weitere Anwendung. Ein Robo ter stellt aber genauso einen Körper dar, dessen Geometriegrößen zu erfassen von Interesse sein kann.

Medizin

Die ferngesteuerte Chirurgie, auch minimalinversive Eingriffe, sind hier Anwendungsgebiete. Das zweite Anwendungsgebiet betrifft die Bewegungskontrolle von Köperextremitäten, sowohl in der Rehabiltation als auch in der Physiotherapie von Behinderten.

Ausbildung, Schule

Auf diesem Gebiet, liegt der Einsatz von Körpergeometrie im Bereich von interaktivem Lernen in virtuel len Umgebungen. Die Ausbildung an einem virtuellen Motor, oder die Operation eines virtuellen Men schen seien hierzu Beispiele.

Cyberspace

Das derzeit moderne Schlagwort umfaßt alle Bereiche von interaktivem Umgang eines menschlichen Körpers mit einem Computersystem und setzt somit die Erfassung von Körpergeometriegrößen voraus.

Kunst, Spiele, Sport

In Kombination mit leistungsstarken Rechnern ist hier die Entstehung völlig neuer Formen zu erwarten: z. B. Ferntennis über Kontinente hinweg, Musik und Videoshow durch Körperbewegungen und jede Art von interaktiven Spielen.

Die ersten Entdeckungen auf dem Gebiet der Körpersensorik stammen von:
Grimes: US-Pat: 4,414,537 Digital data entry glove interface filed: 15. Sept 1981
Lanier: Europa-Pat. 0 211 984 B1 Computer data entry and manipultion apperatus filed 19.08.85
Zimmermann: US-Pat. 4,988,981 Computer data entry and manipulation apparatus and method filed: 28. Feb. 1989
Kuipers: US-Pat 4,017,858 Apperatus for generating a nutating electromagnetic field filed: Feb. 28.1975
Kuipers: US-Pat 3,983,474 Tracking and determining orientation of object using coordinate trans formation means, system and process filed: 21. Feb. 1975
Raab: US-Pat. 4,054,881 Remote object locater filed: 26. Apr. 1976
Raab: US-Pat. 4,314,251 Remote object position and orientation locater filed: 30. Jul. 1979
Zwosta: DE-Pat. 34 22 737 C2 Elektronisches Körperinstrument Anmeldetag 19.6.84
Zwosta: US-Pat. 4,627,324 Method and instrument for generating acoustic andtor visual effects by human bodyactions filed: 17. Jun. 1985.

Die vorgenannten Erfindungen lassen zwei wesentliche Nachteile erkennen:
Erstens: Sie sind immer auf eine bestimmte Anwendung oder ein bestimmtes Körperteil beschränkt. Zweitens sie liefern keine Koordinatenwerte, welche die Voraussetzung für geometrische Abbildungen sind.

Diese beiden Nachteile werden in vorliegender Patentschrift durch die Erfindung von INTELLIGENTEN GEOMETRIESENSORIKSYSTEMEN (künftig wegen der Wortlänge IGSS abgekürzt) ausgeräumt. Außerdem ist in den Nebenansprüchen ganze Reihe Erfassungsmethoden von körpereigenen Geo metriegrößen angegeben. (Solche Geometriegrößen sind i.a. Wege, Abstände, Dicken, Winkel, Positionen, Orientierungen und deren zeitliche Ableitungen).

INTELLIGENTE GEOMETRIESENSORIKSYSTEME (IGSS), Teilkoordinatensysteme

Die vorliegende Erfindung verwendet vielfach des Konzept intelligenter Geometriesensoriksyteme zur Bestimmung von Geometriegrößen. Das Attribut "intelligent" bezieht sich hierbei auf die Verwendung von Datenverabeitungsmitteln (i.A. Mikrocomputern), und deren Programmen. Ein IGSS ist ein abstraktes Gebilde, welches erst durch die jeweilige technische Anwendung seine konkrete Ausgestaltung erfährt. Die Bescheibung was ein solches IGSS ist, wird in Anspruch 1 gegeben und hier nochmals mit etwas anderen Worten erklärt.

Ein IGSS besteht aus einem Sensorikteil, einer Datenverarbeitung und einem Busanschluß. Der Daten verarbeitung kommt dabei die Aufgaben der Transformation der Meßdaten in anwendungsbezogenene Daten, deren Transport, sowie die Kommunikation mit anderen Datenverarbeitungsstellen zu. Da die vor liegende Erfindung Geometriegrößen betrifft wird eine häufige Aufgabe der Datenverarbeitung die Um wandlung von elektrischen Meßwerten in geometrische Größen sein. (Es kann aber auch die Aufgabe bestehen die Meßwerte, direkt in Anwendungsgrößen zu transformieren). Das Konzept der IGSS ist auf jeden Fall für eine Vielzahl von Anwendungen geeignete welche letztlich nur von ihrer jeweiligen Meßwerterfassung und Software abhängen. Ein besonderer Vorteil des IGSS-Konzeptes ist die Bildung von Koordinatensystemem. (Dies ist eben eine spezielle Form von Meßwerterfassung und -transfor mation). Das Koordinatensystem jedes IGSS′s kann selbst als Sensorikteil eines übergeordneten IGSS′s ausgebildet sein und eröffnet damit die vielfältigsten geometrischen Bestimmungsmöglichkei ten. Durch Koordinatentransformation kann eine Geometriegröße auf unterschiedlichste Systeme bezogen werden. Darin liegt nun auch der besonderere Wert bei der Geometriegrößenbestimmung komplexer Gelenksysteme wie sie beispielsweise durch den menschlichen Körper gegeben sind. Die Ausbildung von hierachrisch aufgebauten Teilkoordinatensystemen (z. B. 1tes Koordinatensystem "menschliche Hand", 2tes Koordinatensystem "Schulter", 3tes Koordinatensystem "Hüfte", Körper hauptkoordinatensystem "Rücken" und letztlich ein externes Koordinatensystem) ermöglicht die Erfas sung von Geometriegrößen bezüglich jedes Teilkoordinatensystemes, aber wo nötig auch bezüglich jedes übergeordneten Koordinatensystemes. Neben der analytisch exakten Positions- und Orientie rungsangabe von gewünschten Körperstellen entspricht dadurch auch deren Meßgenauigkeit vorteilhaft der jeweilige Anwendung. (Für feine Fingerbewegungen wird man sicher mit einem Teilkoordinatensys tem "Hand" arbeiten, für tänzerische oder sportliche Körperbewegungen genügt eine Geometriegrößen bestimmung bezüglich des "Teilkoordinatensystemes" "Hüfte" oder gar "Rücken" bzw. eines externen Koordinatensystemes.) Durch das Konzept der Teilkoordinatensysteme können somit alle Körperteile erfaßt werden oder nur ausgewählte Körperteile, bezüglich des für die jeweilige Anwendung in Frage kommenden Koordinatensystemes. (Fingerbewegungen für einen Tastaturersatz bei der PC-Eingabe benötigen kein externes Koordinatensystem, wohl aber Fingerbewegungen zur Steuerung eines Roboter-Greifers oder eines chirurgischen Eingriffes).

Zum Abschluß dieses Abschnittes wird darauf hingewiesen, daß IGSS und Teilkoordinatensysteme nicht identisch sein müssen. Ein IGSS kann bei geeigneter Sensorik und Software ein Koordinatensystem aus bilden, muß dies aber nicht. Es konnte ebenso gut einen einzigen Meßwert erfassen und mit einer Null transformation weiterleiten.

Fig. 1 zeigt einen Menschen an dessen Körper mehrere intelligente Geometrisensoriksysteme (nach folgend IGSS genannt) entsprechend Anspruch 1 angebracht sind. Am stabilen Gürtel 1.4 sind die drei entsprechend indizierten Referenzkoordinatensysteme x1, y1, z1/x2, y2, z2/x3, y3, z3, der drei Haupt-IGSS 1 (= Rücken), 2 (= Hüfte-Hand links), 3 (= Hüfte-Hand-rechts) eingezeichnet. Alle drei Haupt-IGSS im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind auf dem in Anspruch 3 beschriebenen Verfahren von körperbe festigten Felderzeugern und Felddetektoren aufgebaut. Zu IGSS 2 gehört dann noch das Sensorkoordi natensystem u2, v2, w2, der linken Hand und zu IGSS 3 das Sensorkoordinatensystem u3, v3, w3, der rechten Hand. Das Referenzkoordinatensystem x1, y1, z1 von IGSS 1 ist für beide Hände zuständig, wenn sie sich im Ortungsschatten ihrer primären Referenzkoordinatensysteme befinden. Jedes der drei Referenzkoordinatensysteme x1, y1, z1/x2, y2, z2/x3, y3, z3, ist selbst wieder Sensorkoordinatensystem bezüglich des externen Koordinatensystemes xe, ye, ze, entsprechend Fig. 3. Aufgrund des stabilen Gürtels 1.4 an dem alle 3 Referenzkoordinatensysteme befestigt sind, ist ihre Position und Orientierung zueinander definiert, und es genügt jeweils eines als aktuelles Sensorkoordinatensystem bezüglich des externen Koordinatensystemes xe, ye, ze, wie Fig. 3 zeigt. Die beiden anderen dienen diesbezüglich als Redundanz für den Fall der Körperabdeckung des Feldes.

Das technische Prinzip eines Referenzkoordinatensystemes welches auf dem in Anspruch 3 beschrie benen Verfahren von körperbefestigten Felderzeugern und Felddetektoren beruht zeigt Fig. 1a als Aus schnittsvergrößerung des Gürtelteiles 1.3 von IGSS 3. Die drei orthogonalen Spulen 1.5, 1.6, 1.7, wer den von geeigneten Erregerströmen durchflossen die in der Controllereinheit 1.8 gebildet werden und ein nutierendes Magnetfeld erzeugen, welches es nach dem Prinzip von US-Patent 4,017,858 (Appara tus for generating a nutating elektromagnetic field/Inv. Kuipers) gestattet die Richtung eines Zeigers RZ3 anzugeben, der genau zum Ursprung des Sensorkoordinatesystemes u3, v3, w3, zeigt. Dieses Ver fahren ermöglicht auch die Orientierungswinkel des Sensorkoordinatesystemes u3, v3, w3, aus den induzierten Spannungen der dort befindlichen Sensorspulen 21, 22, 23 (siehe Fig. 2) zu ermitteln. Das Prinzip eines nutierenden Magnetfeldes ergibt zwar einen Richtungszeiger RZ aber keinen Abstandwert. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird der Abstand des Sensorkoordinatensystemes u3, v3, w3 aus der Laufzeit eines Ultraschallsignales bestimmt, dessen Sender 1.9 im Ursprung des Referenzkoordina tensystemes x3, y3, z3 sitzt (Fig. 1a) und dessen Empfänger 2.10 im Ursprung des Sensorkoordina tensystemes u2, v2, w2 sitzt (siehe Fig. 2).

Anm.: Die Begriffe "Feld -oder Strahlungserzeuger" bzw. -detektor in Anspruch 3 wurden bewußt in dieser allgemeinen Form gewählt, weil sowohl magnetische, elektrische, elektromagnetische Gleich- und Wechselfelder als auch die Intensitätsverteilungen von Lichtstrahlungs- oder Schallabstahlungs quellen zur Anwendung kommen können.

An dieser Stelle der Beschreibung läßt sich der abstrakte Begriff "intelligentes Geometriesensorik system" anschaulich erläutern. Die Intelligenz liegt in Hard- und Software der Controllereinheit 1.8.

Diese muß außer der Feldsteuerung auch die Laufzeitmessung des Ultraschallsignales und wie sich zeigen wird noch weitere Aufgaben durchführen. Vom Empfänger 2.10 (Fig. 2) erfolgt nun eine Rück meldung zur Controllereinheit 1.8, wenn das Ultraschallsignal dort eingetroffen ist. (Der Startzeitpunkt des Ultraschallsignales wird von der Controllereinheit 1.8 der Controllereinheit 2.8 über das Bussystem 2.9 mitgeteilt). Nun wird auch erklärbar was unter einem IGSS zu verstehen ist. Die Gürteleinheit 1.3 von Fig. 1a - bestehend aus Controllereinheit 1.8, Ortungseinheit 1.10 (= Referenzspulen, 1.5, 1.6, 1.7 und Ultraschallsender/empfänger 1.9) sowie ein Teil der Handeinheit 2.4 in Fig. 2 - nämlich die drei Sensorspulen 2.1, 2.2, 2.3, der Ultraschallempfänger 2.10 und das Bussystem 2.9, welches auch kabel los sein kann - bilden zusammen das IGSS 3. (Hüfte-Hand rechts). Hier wird deutlich, daß ein IGSS keine auf einen genau umgrenzten Raumbereich bezogene Einheit im herkömmlichen Sinne, sondern eine abstrakte Funktionseinheit ist. Das IGSS 3 steht über das Bussystem 2.9 mit dem IGSS3/1 (Hand-Finger-rechts) in Datenkommunikation, dies ist die oben angedeutete weitere Aufgabe der Controllereinheit 18.

Nun ist es auch sinnvoll den abstrakten Begriff Geometriegröße nochmals zu erläutern.

Ein IGSS ist je nach technischer Ausführung in der Lage unterschiedlichste geometrische Größen zu erfassen, dies reicht von einer Gelenkknickung über einen einfachen Abstand bis zur kompletten räum lichen Beschreibung durch sechs und mehr Variable eines Körperteiles. Aus diesem Grunde wird in den Ansprüchen von "mindestens einer Geometriegröße" gesprochen. Ein IGSS kann sensorisch erfaßte Signale in geometrische Größen umwandeln muß es aber nicht wenn die Anwendung dies nicht erfordert, weshalb in den Ansprüchen oft von "den Geometriegrößen zugehörigen Signalen" gesprochen wird.

Ein IGSS kann an verschiedenen Körperstellen Geometriegrößen erfassen (z. B. 5 Finger pro Hand) weshalb in den Ansprüchen auch von "mindestens einer Stelle eines Körpers" die Rede ist.

Fig. 2 stellt eine Ausschnittsvergrößerung der rechten Hand dar und dient der Erläuterung des im Ausführungsbeispiel dem IGSS-3 (Hüfte-Hand-rechts) untergeordneten IGSS-3/1 (Hand-Finger- rechts.) Das IGSS-3/1 (Hand-Finger-rechts) ist bewußt auf einem anderer Sensorprinzip als das IGSS-3 (Hüfte-Hand-rechts) aufgebaut um die vielfältigen Ausgestaltungsmöglichkeiten eines IGSS nochmals zu verdeutlichen. Das IGSS-3/1 (Hand-Finger-rechts) verwendet deshalb im Gegensatz zum IGSS-3 (Hüfte-Hand-rechts) Ultraschall zur Positionsbestimmung der Finger und ist somit gleichzeitig Illustration für Anspruch 4. Im Sinne der Erfindung wird nun aus dem Sensorkoordinatensystem des IGSS-3 (Hüfte-Hand-rechts) das Referenzkoordinatensystem des IGSS-3/1 (Hand-Finger-rechts) und damit entsteht eine hierarchische Ordnung der IGSS und der Koordinatensysteme wodurch eine Koordi natentransformatinon der Geometriegrößen möglich wird. Auf der fest mit den Sensorspulen 2.1, 2.2, 2.3 verbundenen starren Platte 2.4 befinden sich in definierter räumlicher Beziehunung die beiden Ultraschallsender 2.5 und 2.6, sowie der kombinierte Ultraschallsender/-empfänger 2.10. Aus den drei Abständen welche den Signallaufzeiten proportional sind, lassen sich für jede Fingerkuppe die Koordi naten im u3, v3, w3-System ermitteln, wenn jeder Finger einen Ultraschallempfänger 2.7 trägt, welcher den Zeitpunkt des Signaleintreffens zur Abstandsberechnung an die Controllereinheit 2.8 "weiterleitet" (hier mittels Kabel). Die einzelnen Sender takten entweder so hochfrequent, daß die Fingermechanik dagegen träge ist, oder sie verwenden unterschiedliche Frequenzen zu Unterscheidung. Diese Unter scheidung muß natürlich durch die Software der Controllereinheit 2.8 erfolgen. In Fig. 2 sind der Über sicht wegen nur drei Strahlen zu einem Finger gezeichnet um die drei Abstände anzudeuten. Je nach Aufwand der Controllereinheit 2.8 kann die Signalabfrage der Empfänger an den Fingerkuppen parallel oder gemultiplext erfolgen. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß es im Falle einer räumlichen Erfassung der Fingerkuppen wohl nicht viel Sinn macht dort eine Orientierung zu definieren; insofern genügen die Ortskoordinaten jeder Fingerkuppe. Diese auf das Unterkoordinatensystem x3, v3, w3, bezogenen Koor dinaten können nun über den Bus 2.9 zum Hauptkoordinatensystem x3, y3, z3, weitergeleitet werden und wenn anwendungsbedingt notwendig aufgrund der Positions- und Orientierungskenntnis des Unter koordinatensystems x3, v3, w3, (= Sensorkoordinatensystem im IGSS-3 (Hüfte-Hand-rechts)) auf das Hauptkoordinatensystem x3, y3, z3 transformiert werden.

Fig. 3 dient der schon weiter oben begonnenen Erläuterung des Zusammenwirkens von körpereige nem und externem IGSS nach Anspruch 2. Das Sensorikprinzip ist das gleiche wie in Fig. 1. Die zum IGSS-1 (Rücken) gehörige Gürteleinheit 1.1 ist aufgebaut wie in Fig. 1 nur wirkt für das externe Koordi natensystem xe, ye, ze, Teil 1.9 von Fig. 1a jetzt als Ultraschallempfänger zur Abstandbestimmung zum externen Ultraschallsender 3.7. (Mit dem abgestrahlten Ultraschallsignal wird gleichzeitig ein Funk impuls 3.6 ausgesandt, der die Laufzeitmessung der Gürteleinheit 1.1 startet.). Das von den Referenz spulen 3.1, 3.2, 3.3 des externen Koordinatensystems erzeugte nutierende Magnetfeld liefert den Richtungszeiger RZe und die Orientierung der Achsen x1, y1, z1 und entspricht in soweit auch dem Anspruch 18 einer externen Geometriegrößenbestimmung. Damit ist das körpereigene Koordinaten system x1, y1, z1, bezüglich des externen Koordinatensystemes xe, ye, ze bestimmt, und jegliche Koordinatentransformation von Körperstellen bezüglich x1, y1, z1, auf das externe Koordinatensystem ist möglich. Zu dem Zwecke der Koordinatentransformationen müssen dann die auf das Koordinaten system x1, y1, z1 bezogenen Daten nur noch vorzugsweise drahtlos 3.5 zur externen Controllereinheit 3.4 transferiert werden. Die beschriebene Aufgabe kann auch von einer der beiden anderen Gürtelein heiten 1.2 oder 1.3 in Fig. 1 wahrgenommen werden, sobald Gürteleinheit 1.1 vom Körper verdeckt, oder ihre Datenübertragung unterbrochen ist.

Die Orientierungsbestimmung mittels eines das Gravitations- und das Erdmagnetfeld ausnutzenden Mehrfachsensors wird heute standardmäßig in Datensichthelmen (head mounted displays = HMD) eingesetzt und wird deshalb nicht näher erläutert. Allerdings ist die Orientierungbestimmung dort auf das Koordinatensystem, welches durch das Gravitations- und das Erdmagnetfeld definiert ist, beschränkt.

Die in Anspruch 5 beschriebene rechnerische Verknüpfung von Werten solcher Mehrfachsensoren für Gravitations-und Magnetfeld (künftig GRAMAG-Sensor abgekürzt) mit Gelenkgrößen ermöglicht so wohl die Positionsbestimmung beliebiger Stellen von Gelenkgliedern als auch deren Orientierungsbe stimmung bezüglich frei gewählter Koordinatensysteme, sowohl körperfixierter als auch körperexterner Art.

Fig. 4 zeigt ein Gelenkglied 4.0 welches mit seinem kugeligen Lagerzapfen 4.1 in einem hier nicht gezeichneten Lager gelagert ist. An einem beliebigen Ort auf dem Gelenkglied ist der GRAMAG-Sensor 4.2 befestigt. Der GRAMAG-Sensor 4.2 ist so aufgebaut, daß er ein orthogonales Koordinatensystem mit den Achsen u, v, w ausbildet. Die Beziehung der GRAMAG Koordinatenachsen zum Relativvektor r_BR, der vom GRAMAG-Sensor zum Bewegungszentrum BZ1 zeigt ist durch die drei Winkel ν, ζ, ω bestimmt. Die 9 Orientierungswinkel - cos(u,x), cos(u,y), cos(u,z), cos(v,x), cos(v,y), cos(v,z), cos(w,x), cos(w,y), cos(w,z), - der GRAMAG-Achsen u, v, w mit dem äußeren, durch die Gravitationsachse g (= -z) und die Erdmagnetfeldachse B_E (= Y) gegebenen Koordinatensystem werden vom GRAMAG-Sensor 4.2 aufgrund seiner Funktionsweise erfaßt. (Der Übersicht wegen sind in Fig. 4 nur die Winkel cos(w,x), cos(w,y), cos(w,z) der w-Achse gezeichnet.)
Der Relativvektor r_BR zeigt durch seine feste Winkelbeziehung (Winkel ν, ζ, ω) zu den Achsen des GRAMAG-Sensors 4.2 in jeder Lage des Gelenkgliedes 4.0 vom GRAMAG-Sensor 4.2 auf das in seiner Position noch nicht bestimmte Bewegungszentrum BZ1 des Gelenkgliedes 40. Im Ausführungsbeispiel ist dieses Bewegungszentrum BZ1 die Mitte des Lagers 5.1 eines in Fig. 5 dargestellen Basiskörpers 5.0 in dem das Gelenkglied 4.0 aufgehängt ist. Damit ist aber die Position des GRAMAG-Sensors 4.2 bezüglich der Mitte des Lagers 5.1 = Bewegungszentrum BZ1 bestimmt, wenn man den - aus den 9 GRAMAG-42-Orientierungswinkeln und den konstanten Winkeln ν, ζ, ω errechneten - aktuellen Vektor r_BR invertiert. (-r_BR zeigt von BZ1 zum GRAMAG-Sensor 4.2). Allerdings erfolgt die Positionsangabe des GRAMAG-Sensors 4.2 noch bezüglich des Gravitations-Erdmagnetfeld-Koordinatensystemes [x, y (= B_E), z (= -g)].

Bringt man wie in Fig. 5 gezeigt in definierter räumlicher Position (Vektor r_B) zum Bewegungszent rum BZ1 des Gelenklagers 5.1 auf dem Basiskörper 5.0 einen weiteren GRAMAG-Sensor 5.2 an (vor zugsweise mit zum Basiskoordinatensystem [x_B, y_B, z_B] deckungsgleichen Achsen) und bestimmt über diesen die Orientierungswinkel zwischen dem Gravitations-Erdmagnetfeld-Koordinatensystem [x, y (= B_E), z (= -g)] und dem Basiskoordinatensystem [r_B, y_B, z_B]. (Der Übersicht wegen wurden nur die drei Winkel ρ σ τ, der maximal 9 Orientierungswinkel eingezeichnet), so kann die Orientierung des GRAMAG-Sensors 4.2 durch Koordinatentransformation auch bezüglich des Basiskoordinatensystemes [x_B, y_B, z_B] angegeben werden. ¹) Die Position (Vektor r) des GRAMAG-Sensors 4.2 erhält man wie in Fig. 5 dargestellt durch Addition des konstanten Vektors r_B zum Bewegungszentrum BZ1 und des aktuellen Relativvektors (-r_BR) nach entsprechender Koordinatentransformation bezüglich des Basiskoordinatensystem [x_B, y_B, z_B]. Es ist nun selbstverständlich, daß wegen der Starrheit des Gelenkgliedes 4.0, auch die Position jedes anderen Punktes auf dem Gelenkglied 4.0 - aus dessen einmal vermessener Relativlage - bezüglich des Bewegungszentrums BZ1 oder des Basiskoordinaten systemes (x_B, y_B, z_B] aus den GRAMAG Winkeln errechenbar ist. So kann man zum Beispiel die Position des Achsendpunktes E durch Vektoraddition r_E = r_RE + (-r_BR) erhalten.

Es ist bekannt, daß die 3-dimensionale Orientierungsdefinition weit mehr Formulierungsmöglichkeiten als die Positionsdefinition hat. Insofern kann die Orientierung des Gelenkgliedes 4.0 sowohl durch zwei auf das Basiskoordinatensystem [x_B, y_B, z_B] transformierte Achsen (z. B. u und v) des GRAMAG-Sensors 42 erfolgen, als auch übersichtlicher durch die Angabe der in Fig. 4 eingezeichneten Vektoren r_E (kennzeichnet die Gelenkgliedachse) und r_RE (zeigt vom Achsendpunkt E zum GRAMAG-Sensor 4.2).

Es sei noch erwähnt, daß entsprechend Fig. 3 und Anspruch 14 das Basiskoordinatensystem [x_B, y_B, z_B] nun noch bezüglich eines körperexternen Koordinatensystemes erfaßt werden und somit durch eine weitere Koordinatentransformation die Position des GRAMAG-Sensors 4.2 auf dieses kör perexterne Koordinatensystem bezogen werden kann.

¹) Orientierungstransformation der GRAMAG-Sensor 4.2-Achsen auf das Basiskoordinatensystem [x_B, y_B, z_B] (Fig. 5).

Der Einfachheit wegen wird vorausgesetzt, daß der GRAMAG-Sensor 5.2 so angebracht ist, daß seine Achsen deckungsgleich mit den Basiskörperachsen x_B, y_B, z_B verlaufen.

Jede der GRAMAG-Sensor 4.2 Achsen u, v, w und jede der Basiskörperachsen x_B, y_R, z_B nimmt 3 Winkel mit dem Gravitationsvektor -z (= -g), dem Erdmagnetfeldvektor y (= B_E) und einem fiktivrech nerischen Vektor x (senkrecht zu -z (= -g)] und y (= B_E), ein. Diese Achsen können als Richtungsvektoren (Länge 1) z. B. u = (cos (x,u), cos(B_E,u), cos(-g,u)) für GRAMAG 4.2 und x_B = (cos (x, x_B, cos(B_E,x_B), cos(-g,x_B) für GRAMAG 5.2 beschrieben werden, deren Winkelgrößen ja durch Messung bekannt sind.

Dann besteht zwischen jeder GRAMAG-4.2 und jeder GRAMAG 5.2-Achse ein Winkel z. B. cos(x_B,u) = x_B u/|x_B| |u| (s. Bronstein/Semendjajew "Taschenbuch der Mathematik" S. 146 oder 230).

Diese Operation ist nun schrittweise mit jeder GRAMAG 4.2-Achse und für alle drei GRAMAG 5.2-Achsen durchzuführen.

Analog gilt dies natürlich auch für die Winkel des aktuellen Relativvektors r_BR und der Basiskörperach sen x_B, y_B, z_B.

Während Fig. 4 und 5 in sehr starkem Maße der Erläuterung von Anspruch 5 dienten, zeigt Fig. 6 ein einfaches praxisnahes Armsystem mit 2 Gelenken unterschiedlicher Freiheitsgrade.

Jedes der Gelenkglieder 6.1 und 6.2 trägt auf seiner Oberfläche einen GRAMAG-Sensor 6.3 und 6.4 Position und Orientierung von GRAMAG-Sensor 6.3 sind bezüglich des Lagermittelpunktes BZ1, der Längsachse L1-L1 des Gelenkgliedes 6.1, und der Drehachse D-D des Drehlagers 6.5 ausgemessen. Position und Orientierung von GRAMAG-Sensor 6.4 sind bezüglich des Lagermittelpunktes BZ2, (= Schnittpunkt von Gliederlängsache L2-L2 und Drehachse D-D), der Längachse L2-L2 des Gelenk gliedes 62 und der Drehachse D-D des Drehlagers 65 ausgemessen. Damit sind zwei Relativvektoren r_BR1 und r_BR2 bezüglich der GRAMAG-Koordinatensysteme u1, v1, w1 und u2, v2, w2 definiert.

Aufgrund der von GRAMAG-Sensor 6.3 gelieferten Achswinkelwerte und des Relativvektors r_BR1 kann zu jeder Stellung des Gelenkgliedes 6.1 ein Vektor r_G1 errechnet werden, der vom Lagermittelpunkt BZ1 zum Lagermittelpunkt BZ2 zeigt und die Position von BZ2 definiert. Gleichzeitig definiert dieser Vektor r_G1 natürlich auch die Achslage L1-L1 des Gelenkgliedes 6.1 im Raum. Die aktuelle Position des Lagermittelpunktes BZ2 (= Vektor r_B2) bezüglich des zum Basiskörper 6.0 gehörigen Basiskoordi natensystemes [x_B, y_B, z_B], erhält man aus der Addition des aktuellen Vektors r_G1 und des konstan ten Vektors r_B1 welcher vom Basiskoordinatensystem [x_B, y_B, z_B], zum Mittelpunkt BZ1 des Kugel gelenklagers 6.6 zeigt und bekannt ist.

Die Achse D-D definiert die Drehorientierung beider Gelenkglieder und ist wegen der Starrheit der Teile durch die konstruktive Ausführung des Drehlagers als Drehachsvektor r_D zu ermitteln. Mit den beschrie ben Größen ist die Lage und Orientierung von Gelenkglied 6.1 vollständig erfaßt.

Von Gelenkglied 6.2 interessiere im Ausführungsbeispiel von Fig. 6 die Orientierung seiner Achse L2-L2 und die Position seines Endpunktes E2 im Raum. Beide Größen werden aus den gemessenen Achswinkelwerten des GRAMAG-Sensors 6.4 durch rechnerische Umformung in der selben Weise wie für Gelenkglied 6.1 erhalten. Der Unterschied besteht nur in der nun von Gelenkglied 6.1 abhängigen Lage des Lagermittelpunktes BZ2.

Zur den Passagen
". . . - und wenn nötig der Beschleunigung . . ." und " - fallweise der Bewegungsmöglichkeiten eines Gelenkgliedes", in Anspruch 5 ist folgendes anzumerken:

Der bezüglich des Gravitationsvektors g richtungserfassende Teil des GRAMAG-Sensors besteht aus Massen und deren unterschiedlicher Kraftwirkung auf Auflager bei Winkelverdrehung bezüglich der Senkrechten. Schnelle Bewegungen führen nun zu zusätzlichen Massekräften in diesen Auflagern. Diese Massekräfte sind aber von der Bewegungsgeometrie abhängig und können damit bei bekannter Bewegungsgeometrie kompensiert werden, wenn an geeigneter Stelle (Basiskörper oder Gelenkglieder) weitere GRAMAG-Sensoren in eindeutig definierter räumlicher Beziehung angebracht und deren Meß werte entsprechend in die Auswertung einbezogen werden. Da es sich i.A. um Drehgelenke handelt, werden die zusätzlichen Massekräfte durch Zentripedalbeschleunigungen hervorgerufen und sind somit abstandsproportional, wodurch das Kompensationskonzept dargelegt ist. Dies gilt auch für Anspruch 15.

Die Erfassung des Winkels den zwei Gelenkglieder miteinander einschließen gehört zum Stand der Technik und wird in der Hauptsache mittels in die Gelenklager, eingebauter oder angeflanschter Dreh geber analoger, digitaler oder inkrementaler Art gelöst.

Anspruch 6 beschreibt die Kombination von Verfahren der Ansprüche 3, 4, 5 mit Sensoriken, welche die die Knickung von Gelenken erfassen. Die Erfassung der Gelenkknickung ist dabei nur ein Teilaspekt bei der Gewinnung von Geometriegrößen. Der bewußt eingeführte Begriff der Gelenkknickung, verdeut licht außerdem den über die Winkelerfassung erweiterten Ausführungsbereich der Senorik. Die Knic kung eines Gelenkes kann z. B. auch mittels des Relativweges eines über dem Gelenklager angebrach ten biegeelastischen Bandes (siehe in Anspruch 7, 8, 9, 10) erfaßt werden. Weitere Methoden zur Erfas sung der Gelenkknickung stammen aus dem Bereich von Datenhandschuhen. Nachfolgend wird für jede Kombination in Anspruch 6 ein Ausführungsbeispiel gegeben.

Es soll nochmals daraufhingewiesen werden, daß auch "zugeordnete Signale" unter Anspruch 6 fallen und somit die geometrischen Größen nicht bei jeder Anwendung benötigt werden. Es sind durchaus Anwendungen vorstellbar, welche die Sensoriksignale ohne Umwandlung in geometrische Größen verwerten. Der einfacheren Darstellung und Beschreibung wegen werden in den nachfolgenden Fig. 7 und 8 zweidimensionale Ausführungsbeispiele gewählt.

Fig. 7 zeigt die Kombination eines nutierendem Magnetfeldes entsprechend Anspruch 3 mit der Gelenkknickung. Auf einem Basiskörper 7.0 sind in definiertem Abstand A vom Gelenklager 7.1 die beiden orthogonalen Felderzeugerspulen 7.2 und 7.3 angebracht. Diese erlauben aufgrund des oben beschriebenen Verfahrens des nutierenden Magnetfeldes, zusammen mit den auf dem Gelenkglied 7.6 befestigten Felddetektorspulen 7.4 und 7.5 und geeigneter Auswertemittel die Bestimmung des Winkels Φ eines zu den Felddetektorspulen weisenden Richtungszeigers RZ. Die zu erfassende Geo metriegröße ist in diesem Beispiel die Position der Felddetektorspulen. Die Position ist eindeutig bestimmbar, wenn man bei konstantem Abstand A, außer dem Winkel Φ noch den Winkel α der Gelenkknickung in bekannter Weise erfaßt. Die Kenntnis des Felddetektorortes auf dem Gelenkglied 7.2 ist nicht nötig.

Das in Fig. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel kombiniert die Abstandmessung mittels Ultraschall (entsprechend Anspruch 4) mit der Gelenkknickung. Auch hier wird als Geometriegröße die Position eines Gelenkgliedpunktes ermittelt. Die erfassende Position des auf dem Gelenkglied 8.1 befestigten Ultraschallempfängers 8.2 wird aus dem Abstand R zum Ultraschallsender 8.3, dem Gelenkwinkel α und dem konstanten Abstand A von Ultraschallsender 8.3 und Gelenklager 8.4 bestimmt. Die Abstandsbestimmung von R erfolgt wie üblich über die Signallaufzeit. Auch hier ist die Kenntnis des Ultraschallempfängerortes auf dem Gelenkglied 8.1 ist nicht nötig. Die Positionsbestimmung in den beiden Ausführungsbeispielen in Fig. 7 und 8 kann natürlich auch in Koordinaten erfolgen. Für das dritte Kombinationsbeispiel - einen GRAMAG-Sensor entsprechend Anspruch 5 mit einer Gelenkknickung wird auf Fig. 6 verwiesen. Bei Kenntnis der Lange von Gelenkglied 6.2 und wegen der Beschränkung auf eine ebene Drehung (Normalebene zum aktuellen Drehachsvektor r_D) kann aus der Erfassung des Gelenkwinkels α in Kombination mit den bei Fig. 6 beschriebenen Geometrie größen des Gelenkgliedes 6.1 die räumliche Position des Endpunktes E von Gelenkglied 6.2 ermittelt werden.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach Anspruch 7. Über die Körperoberfläche eines Fingergelenkes 9.1 ist indirekt auf einem Handschuh 9.5 das Loslager 9.4 angebracht, indem sich das biegeelastische längenkonstante Teil 9.2 bewegen kann. Das Teil 9.2 ist im Ausführungsbeispiel ein teilweise durch sichtiges, dünnes Bändchen, welches am Festlager 9.3 festgemacht ist. ("Festlager" bedeutet hierbei die Funktion und nicht die Ausführung. D.h. das Teil 9.2 kann ebenso direkt auf dem Handschuh be festigt sein). Die geometrische Änderung zwischen Fest 9.3 und Loslager 9.4 (hier Knicken des Finger gelenkes) bewirkt die durch den Doppelpfeil von Fig. 9.a (Draufsicht) symbolisierte Relativverschiebung des Teiles 9.2 im Loslager 9.4. Das Meßverfahren zur Ermittlung der Relativverschiebung besteht aus einer Lichtquelle 9.6 im - Loslager 9.4 über - und einem photoempfindlichen Empfänger 9.7 - im Loslager 9.4 unter dem teilweise durchsichtigen Teil 9.2 - angeordnet. Das in Loslager 9.2 bewegliche Ende von Teil 9.2 ist nun wie in der Draufsicht (Fig. 9.a) zu erkennen mit einer lichtundurchlässigen Dreiecks fläche versehen. Dadurch bestimmt die Eindringtiefe - also die Relativverschiebung - des Teiles 9.2 die Menge des zum photoempfindlichen Empfängers 9.7 gelangenden Lichtes.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach Anspruch 8. Auf der Oberfläche eines Handschuhes 10.5 ist an zwei Stellen 10.3 und 10.4 eines Fingergelenkes 10.1 ein dehnbares Sensormittel 10.2 befestigt. Dieses dehnbare Sensormittel besteht aus einer dünnen, durchscheinenden Gummifolie, welche im Bereich des optischen Meßaufnehmers gezielt mit nichtdehnbaren undurchsichtigen Teilen belegt ist. Fig. 10a zeigt hierzu ein Streifenmuster 10.8 im ungedehnten Zustand, d. h. wenn der Finger wie in Fig. 10 dargestellt, gestreckt ist. Das dehnbare Sensormittel 10.2 ist zwischen einem Lichtemitter 10.6 und einem photoempfindlichen Empfänger 10.7 hindurchgeführt. Bei Fingerknickung (Fig. 10.b) erfährt das dehnbare Sensormittel 10.2 eine Dehnung, welche einen größeren Abstand der lichtdurch lässigen Streifen (Fig. 10.c) bewirkt und somit die zum photoempfindlichen Empfänger 10.7 gelan gende Lichtmenge steuert.

Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach Anspruch 9. Auf der Oberfläche eines Handschuhes 11.6 sind im Bereich des Fingergelenkes 11.1 ein Magnet 11.2 und ein Magnetfeldsensor 11.3 befestigt. Ein solcher Magnetfeldsensor kann magnetoresistiver Art oder auch ein Hallsensor sein. Die Knickung des Fingergelenkes verändert die Feldstärke des vom Magnetfeldsensor 11.3 detektierten Feldes. (Fig. 11.a). Besonderer Vorteil dieser Ausführung ist, daß sie auch im "Innenbereich" von Knickungen anwendbar ist, wie die Positionen 11.4 und 11.5 auf der Unterseite des Fingers verdeutlichen.

In Fig. 12 ist ein Ausführungsbeispiel nach Anspruch 10 dargestellt. Auf der Oberfläche eines Hand schuhes 12.5 ist an den beiden Gelenkorten 12.3 und 12.4 ein schlauchförmiges Verbindungsmittel 12.2 befestigt. Im Schlauchinneren befindet sich ein Magnetfeldsensor 12.6 der bei gestreckten Finger den Abstand a_s zu außen angebrachten Magneten 12.7 einnimmt. Bei Fingerknickung (Fig. 12a) ver formt sich das schlauchförmige Verbindungsmittel 12.2 derart, daß sich der Abstand zwischen Sensor 12.6 und Magnet auf a_k verringert, und eine entsprechende Signaländerung bewirkt.

Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel entsprechend Anspruch 11. Über dem Gelenk 13.1 sind auf einem Handschuh 13.5 die beiden Lager 13.3 und 13.4 angebracht. Lager 13.4 ist als Loslager für das biegeelastische Verbindungsteil 13.2 ausgeführt. Der Abstand zwischen dem Verbindungsteil 13.2 und der Oberfläche des Gelenkes wird hier mittels eines Ultraschallreflexsensors 13.6 ermittelt und ist von der Knickung abhängig wie der Vergleich von Fig. 13 und 13a verdeutlicht.

Fig. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Anspruches 12 Es handelt sich dabei um die Kombination von Feldgrößen (Anspruch 3) und Abstand (Anspruch 4). Am Bassikörper 14.9 ist ein aus drei orthogo nalen Spulen gebildeter Felderzeuger 14.1 angebracht. Dieser Felderzeuger ist zusammen mit dem am Gelenkarm 14.3 befestigten Felddetektor 14.2 und einer Datenverarbeitung in der Lage einen Richtungs zeiger (3 Winkel) RZ bezuglich eines durch den Felderzeuger definierten Koordinatensystemes zu bestimmen. Der Richtungszeiger RZ zeigt dabei zum Befestigungsort des Felddetektors 14.2 auf dem Gelenkarm 14. Die Position des aus ebenfalls drei orthogonalen Spulen aufgebauten Felddetektors 14.2 ist in diesem Fall die gewünschte Geometriegröße. Felderzeuger 14.1 und Felddetektor 14.3 funktionieren dabei nach dem Prinzip des nutirenden Feldes entsprechend US-Patent 4,054,881. Um die zur Positionsbestimmung noch fehlende Größe zur erhalten, ist am Basiskörper 14-0 noch ein Ultraschallsender 14.5 im Ursprung des Koordinatensystems von Felderzeugers 14.1 plaziert. Zu sammen mit einem im Schnittpunkt der Felddetektorspulen 14.2 plazierten Ultraschallempfängers 14.4 wird so der zur Positionsbestimmung noch fehlende Abstand R erhalten. Die Abstandsmessung mit Ultraschall erfolgt nach einer der früher beschriebenen Standardmethoden.

Fig. 15 zeigt ein Kombinationsbeispiel für Anspruch 13. Dort ist das Verfahren von Felderzeuger und Felddetektor mit einer GRAMAG-Sensorik entsprechend zur Positionsbestimmung eines Ortes auf dem Gelenkarm 15.1 kombiniert. Der Felderzeuger 15.2 auf dem Basiskörper 15.0, liefert aufgrund seines nutierenden Feldes zusammen mit dem am Bestimmungsort auf dem Gelenkarm 15.1 befestigten Feld detektors 15.3 eine Richtungsgerade RG1. Die zweite - durch den Mittelpunkt MG des Gelenklagers 15.5 gehende - Richtungsgerade RG2 liefert der ebenfalls auf dem Gelenkarm 15.1 angebrachte GRAMAG-Sensor 15.4 (siehe hierzu Beschreibung zu Anspruch 5). Aus der Kenntnis des konstanten Vektors r_G der vom Felderzeuger 15.2 zum Gelenklager 15.5 zeigt, läßt sich dann die gewünschte Position bestimmen. Neben der Position eines Gelenkarmortes ist mit den ermittelten Geometrie größen auch die Orientierung des Gelenkarmes 15.1 bestimmbar. Im Sinne von Anspruch 13 wird in dem soeben geschilderten Ausführungsbeispiel eine körperbezogene Feldgröße (Richtung RG1) mit einer dem Gravitationsfeld und dem externen Erdmagnetfeld zugeordneten Größe (Richtung RG2 durch GRAMAG-Sensor) und der Gelenkgröße (Lagerposition r_G) zur Bestimmung der Geometriegrößen "Position des Felddetektors 15.3" und "Richtung der Gelenkarmachse" kombiniert.

Fig. 16 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Anspruches 13. Aufgrund der durch die Art des Gelenk lagers 16.5 (hier Kugelgelenk) festgelegten Bewegungsmöglichkeit des Gelenkarmes 16.4 und des bekannten Abstandes R_S des auf dem Gelenkarm 16.4 zu bestimmenden Ortes S zur Gelenklager mitte GM genügt neben dem Felddetektor 16.3 bereits ein Lotsensor 16.6 um die Position zu bestimmen. Bei Kenntnis der Bewegungsmöglichkeit und der Position des Gelenklagers wird also eine Richtungsangabe zum Erdmagnetfeld nicht benötig.

Der mit dem Lotsensor 16.6 ermittelte Winkel α zur Senkrechten (= Richtung zum Gravitationsvektor -g) definiert als einzig möglichen geometrischen Ort des Gelenkarmes 16.4 einen Kegel mit Spitze im Gelenkmittelpunkt GM. Bei Kenntnis des Abstandes R_S des gewählten Ortes S vom Gelenkmittelpunkt GM ist dessen Position dann auf einem eindeutig bestimmten Kreis zufinden. Die zweite nötige Posi tionsgröße liefert dann der von Felderzeuger 16.2 und Felddetektor 16.3 (mittels eines nutierenden Feldes) ermittelte Richtungszeiger RZ. Die dritte nötige Größe ist wieder der konstante Vektor r_G vom Felderzeuger 16.2 zum Mittelpunkt GM des Gelenklagers 16.5.

Im Sinne von Anspruch 13 wird in dem genannten Ausführungsbeispiel die körperbezogene Feldgröße (Richtung RZ) mit den Gelenkgrößen R_S (= Abstand Gelenkmittelpunkt GM/Felddetektor 16.3),
Position des Gelenklagers r_G und "Kugelgelenk" sowie der dem Gravitationsfeld zugeordneten Meßgröße "Winkel α zur Senkrechten" zur Bestimmung der Geometriegröße "Position des Felddetektors 16.3" kombiniert.

Fig. 17 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel von Anspruch 14. Die zu ermittelnde Geometriegröße ist die Position eines auf dem Gelenkarm 17.1 befestigten Ultraschallempfängers 17.4. (= signal empfangendes, abstanddetektierendes Mittel). Hierfür werden die beiden Abstände r_s1 und r_s2 zwischen den Ultraschallsendern 17.2 und 17.3 und dem Ultraschallempfänger 17.4 mit den Gelenk größen r_G = Lagerort), r_E (Abstand des Ultraschallempfängers 17.4) und "Kugelgelenk" kombi niert. Die Position des Ultraschallempfängers 17.4 ist der Schnittpunkt dreier Kugeln (r_s1, r_s2, r_E) deren Mittelpunkte im x_B, y_B, z_B-System, welches sich am Basiskörper 17.0 orientiert, gegeben sind. Zu den Ausführungsbeispielen die Ansprüche 12, 13, 14 betreffend ist noch gemeinsam zu bemerken, daß sie natürlich auch auf mehrere aneinandergehängte Gelenke anwendbar sind, und somit z. B. die Geometriegrößen einer ganzen Hand erfassen können.

Die in Anspruch 16 beschriebenen Geometriegrößen können unterschiedlichster Art sein, je nachdem mit welchem Verfahren sie ermittelt wurden.

Beispiele hierfür sind: Die relative Positionsbestimmung, welche aus einer Magnetfeldmessung (An spruch 3) nach dem US-Patent 4,054,881 (Raab) ermittelt wurde; Abstandswerte aus einer Schallsig nallaufzeitmessung (Anspruch 2), Knickwinkel von Fingergliedern; (Anspruch 11); Winkel zwischen einem Gelenkarm und dem Gravitationsvektor (Anspruch 5) usw. Um die Geometrie eines Körpers oder seiner Teile in einheitlicher Form zu beschreiben ist das Konzept von Koordinatensystemen eine vorteil hafte und überschaubare Methode. Weiterer Vorteil eines Koordinatensystemkonzeptes ist jedoch, daß es die Möglichkeit bietet Geometriegrößenwerte von einem in ein anderes Koordinatensystem zu transformieren. Deshalb ist es vorteilhaft die Geometriegrößenwerte in Koordinatenwerte umzuwandeln. Der Umwandlungsalgorithmus richtet sich ganz nach der Art der ermittelten Geometriegröße. Wurden beispielweise als Geometriegrößen die Knickwinkel von Fingergliedern 18.1, 18.2, 18.3 in Fig. 18 erfaßt, und sind deren Längen bekannt, so kann die Position der Fingerspitze 18.4 bezüglich eines definierten Punktes 18.12 (= Koordinatenursprung) auf dem Handrücken 18.8 in Koordinatenwerten berechnet werden. Voraussetzung ist hierbei noch die Definition der Koordinatenachsen, bezüglich ihrer Umgebung und untereinander. In Fig. 18 ist ein Koordinatensystem auf dem Handrücken definiert, welches in der Verlängerung der Achse 18.5 des ersten Mittelfingergliedes 18.1 im Anstand a vom ersten Mittelfingergelenk 18.6 seinen Ursprung hat. Die y -Achse liegt parallel zur Achse 18.5 des Mittelfingergliedes, 18.1, die x-Achse ist senkrecht zur y-Achse, die z-Achse steht senkrecht auf der x.y-Ebene welche durch eine auf dem Handrücken liegende Fläche 18.7 definiert ist. Sinnvollerweise wird man eine kleine reale Fläche auf dem Handrücken anbringen um von "außen" die Lage des Koordinatensystemes beobachten zu können. In praktischer Ausführung wird diese Koordi natenfläche durch einen Teil des Gehäuses 18.9 einer Meßeinrichtung und Datenverarbeitung gebil det. Neben der Positionsangabe einer Körperstelle kann auch ihre Orientierung von Interesse sein. Beispiel hierfür in Fig. 18 ist der Richtungspfeil R, welcher in Achsrichtung des letzten Fingerglie des 18.3 weist. Um die Orientierung eines Körpers im Raum zu definieren gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Der Richtungspfeil R kann z. B. durch seine drei Richtungskosinus (λ, Φ, Θ) bezüglich der Koordinatenachsen angegeben werden. Wobei in diesem Spezialfall nicht alle Orientierungsmöglich keiten über welche ein Körper im allgemeinen verfügt benötigt werden, da die Fingergelenke keine Dre hung um die Gliedachse zulassen. Bekanntermaßen gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten Koor dinatensysteme zu bilden: orthogonale Koordinatensysteme, schiefwinklige Koordinatensysteme, Polar koordinatensysteme, Zylinderkoordinatensysteme. Jedes der genannten Koordinatensysteme benutzt andere Winkeldefinitionen welche ja die Voraussetzung einer Orientierungsangabe sind. Es ist aber auch denkbar neue Winkeldefinitionen einzuführen, wenn sie nur die Orientierung eindeutig festlegen. Die letzten Ausführungen waren die Erläuterung für den in Anspruch 18 eingeführten Begriff des Orien tierungskonzeptes, welches eben dann notwendig ist, wenn auch die Orientierung einer Körperstelle beschrieben werden soll.

Die Knicksensoren 18.10 liefern Signale welche mittels der Datenverarbeitung 18.11 und des dort ge speicherten Umwandlungsalgorithmus in Koordinatenwerte bezüglich, des Koordinatensystemes des auf dem Handrücken 18.8 befestigten Gehäuses umgerechnet werden kann. Der Umrechnungsalgorith mus ist für jedes Verfahren unterschiedlich. Für das Beispiel in Fig. 18 soll er nachfolgend skiziziert werden:
Die feste räumliche Lage zwischen dem Koordinatenursprung und dem ersten Gelenk GZ1 des Zeige fingers wird durch den konstanten Vektor r_Z0 bestimmt. Um das Gelenk GZ1 ist der Vektor r_Z1 in einer auf der Gelenkachse A1-A1 senkrechten Ebene drehbar. Der Knickwinkel α₀₁ ist die einzige Variable, von welcher r_Z1 abhängt (seine Länge und Bewegungsebene sind ja bekannt). Das zweite Zeigefinger gelenk GZ2 kann somit durch einen Vektor r_Z2 = r_Z0 + r_Z1 (α01) angegeben werden. Die weiteren Ge lenke bis zur Fingerspitze r_ZS ergeben sich dann zu
r_ZS = r_Z0 + r_Z1 (α01) + r_Z2 (α12) + r_Z3 (α23);
damit ist ein Beispiel eines Umwandlungsalgorithmus von gemessenen Winkelwerten in cartesische Koordinaten aufgezeigt.

In dem gewählten Orientierungskonzept "Orthogonalsystem" wird die Orientierung aus den Kosinus des Richtungspfeiles R*_Z der Fingerspitzenachse gebildet

(R*_Z = r_ZS-r_ZG3 (α23)/|r_ZS-r_ZG3 (α23)|).

Fig. 3 mit der zugehörigen Beschreibung zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel von Anspruch 18. Das dort angewandte Verfahren des nutierenden Feldes in Kombination mit einer Ultraschallabstands messung erlaubt die Bestimmung von Position und Orientierung eines Sensorkoordinatensystemes.

Nachfolgend wird ein in der Darstellung fast gleiches Ausführungsbeispiel beschrieben welches auf dem Prinzip des US-Patentes 4,054,881 (Remote object position locater/Inv.Raab) basiert. Es wird hierbei nur der positionsbestimmende Aspekt betrachtet welcher von 3 gegenseitig orthogonalen Leiterschlei fen in Fig. 19 erzielt wird. Die drei Leiterschleifen 19.1, 19.2 und 19.3 werden kurz nacheinander mit Wechselstrom erregt (gemultiplext). Sie erzeugen damit ein ein elektromagnetisches Feld, dessen Leistungskomponenten, von den drei orthogonalen Empfangsschleifen 19.4, 19.5 und 19.6 an einem Körper 19.7 erfaßt werden können. Jede dieser Leistungskomponenten ist von den Ortskoordinaten bezüglich des von den Referenzschleifen 19.1, 19.2, 19.3 gebildeten Koordinatensystemes und von dessen Abstand abhängig. (s. US-Patent 4,054,881 Spalte 9). Somit ist die Position der Empfangs schleifen am Körper bestimmbar, wenn der Abstand R zwischen Referenzleiterschleifen und Empfangs schleifen noch mittels eines Ultraschallsenders 19.8 und eines Ultraschallempfängers 19.9 in bekann ter Weise erfaßt wird.

(Das abgestrahlte Ultraschallsignal sendet gleichzeitig einen Funkimpuls 19.13 aus, der die Laufzeit messung der Kommunikations-Recheneinheit 19.12 am Gürtel startet) Die Umrechnung der Feldmeß werte im Geometriegrößen kann bereits am Körper 19.7 mit einem Mikrocontroller erfolgen oder die Meßdaten werden zur externen Kommunikations-Recheneinheit 19.11 zur Weiterverarbeitung geleitet. In Fig. 19 wird dabei Digitalfunk 19.10 verwendet und davon ausgegangen, daß sowohl die körperbe festigte Kommunikations-Recheneinheit 19.12 als auch die externe Kommunikations-Recheneinheit 19.11 jeweils über einen entsprechenden Sender/Empfänger verfügen.

Fig. 20 und 20a dienen der Illustration von Anspruch 19 bis 21. Die in Anspruch 21 beschriebene Po sitionserfassung einer Körperstelle erfolgt durch die Ermittlung der drei Abstände der am Körper 20.5 befestigten Empfangseinheit 20.6 von den den drei Ultraschallemittern 20.1, 20.2 und 20.3 welche in definierter räumlicher Beziehung zueinander stehen. Aus der Signallaufzeit der mit unterschiedlicher Kennung (Frequenz oder Code f1, f2, f3) versehenen Ultraschallpulse werden diese Abstände gewon nen und mittels analytischer Geometrie in Positionsdaten der Empfangseinheit 20.6 - in Bezug zum Koordinatensystem x, y, z welches durch die Ultraschallemitter definiert ist - umgerechnet. Die Messung der Laufzeit der einzelnen Ultraschallpulse erfolgt in der Datenerfassung der Empfangseinheit 20.6. Die drei Ultraschallpulse werden im vorliegenden Beispiel gemeinsam gestartet, können aber auch nachein ander gemultiplext werden. Mit ihrem Start wird ein elektromagnetisches Triggersignal (Funkpuls, IR-Puls usw.) vom Emitter 20.4 abgestrahlt. Dieses elektromagnetische Triggersignal wird vom Detektor 20.10 in einem Millionstel der Schallaufzeit empfangen und und startet die Schallaufzeitmessung in der Empfangseinheit 20.6. (Fig. 20.a). Der Detektor 20.10 kann eine Fotodiode, eine Antenne usw. sein, je welche Art von elektromagnetischer Strahlung verwendet wird. Nach einiger Zeit trudeln dann auch die Ultraschallsignale an den Ultraschallempfängern 20.7 (f3) 20.8 (f2) und 20.9 (f1) ein. Jedem Ultraschallempfänger ist ein Filter, eine Frequenzzahlung oder eine Dekodierung nachgeschaltet und i.a. mittels eines Mikrocontrollers realisiert. Auf diese Weise ermittelt ein bestimmter Ultraschall empfänger nur den Abstand eines bestimmten Ultraschallemitters. Im Mikrocontroller kann dann auch die Position errechnet werden und als Digitalcode 20.13 einer externen Recheneinheit 20.11 übermittelt werden. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 20 wurde als Datenübertragung der Funkweg mit der Antenne 20.1.1 gewählt. Die Daten können aber auch auf infrarotem oder Ultraschallweg übermittelt werden. Es können auch mehrere Empfänger der Art 20.6 am Körper angebracht werden, wenn es zweckdienlich ist; der externe Aufwand ist davon nicht betroffen.

Claims

1. Ein Verfahren zur Erfassung, Transformation und Transport von mindestens einer Geometriegröße oder einem ihr zugehörigen Signal von mindestens einer Stelle eines Körpers, mittels einer beliebigen Anzahl von am Körper befestigten intelligenten Geometriesensoriksystemen dadurch gekennzeichnet,

a) daß jedes der intelligenten Geometriesensoriksysteme in der Lage ist mindestens eine Geometrie größe zu erfassen, umzuwandeln, weiterzugeben oder mindestens einen ihr zugehörigen Wert bezüg lich eines durch Ausführung und Anordnung des intelligenten Geometriesensoriksystemes definierten Koordinatensystemes anzugeben
b) daß jedes der intelligenten Geometriesensoriksysteme so ausgeführt ist, daß die charakteristischen Geometriegrößen (Koordinatenursprung und Orientierung) des von ihm gebildeten Koordinatensystemes bezüglich eines weiteren intelligenten Geometriesensoriksystemes erfaßt werden können
c) daß jedes der intelligenten Geometriesensoriksysteme die ihm zugehörigen Geometriegrößenwerte (welche auch Ursprungsposition und Orientierung von Koordinatensystemen von ihm untergeordne ten intelligenten Geometriesensoriksystemen sein können) einem anderen intelligenten Geometrie sensoriksystem übermitteln kann, welches dann die erhaltenen Geometriegrößenwerte auf sein eigenes Koordinatensystem transformieren kann, und somit mindestens ein Geometriegrößenwert jeder ausgewählten Körperstelle auf ein gewünschtes Körperkoordinatensystem bezogen werden kann
d) daß jedes intelligente Geometriesensoriksystem seine Geometriegrößenwerte einer externen Daten verarbeitung weitergeben kann,und somit die Geometriegrößenwerte von gewünschten Körperstellen bezüglich jedes gewählten Körperkoordinatensystemes in der externen Datenverarbeitung vorliegen.

2. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Geometriegröße oder einem ihr zugehörigen Signal von mindestens einer Stelle eines Körpers bezüglich eines körperexternen Koordinatensystems, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Geometriegröße des Koordinatensystems eines am Körper befestigten intelligenten Geometriesensoriksystemes (entsprechend Anspruch 1) relativ zum Koordinatensystem eines externen intelligenten Geometriesensoriksystemes erfaßt wird und diesem, von dem am Körper befestigten intelligenten Geometriesensoriksystem die Geometriegrößenwerte von beliebig, ausge wählten, seinem Koordinatensystem zugeordneten Geometriegrößen oder Unterkoordinatensystemen übermittelt werden, und somit das externe intelligente Geometriesensoriksystem beliebige körperbezo gene Geometriegrößen (welche auch die Position und Orientierung von Koordinatensystemen anderer intelligenter Geometriesensoriksysteme sein können) auf sein (externes) Koordinatensystem mittels Koordinatentransformation umrechnen kann.

3. Ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Geometriegröße oder einem ihr zugehörigen Signal von mindestens einer Stelle eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Körper mindestens ein Feld oder Strahlungserzeuger und mindestens ein Feld- oder Strah lungsdetektor angebracht ist, und das vom Feld- oder Strahlungsdetektor gelieferte Signal einer geomet rischen Größe seines Ortes oder/und seiner Orientierung in Bezug zum Feld- oder Strahlungserzeuger zugeordnet werden kann, wobei die Zuordnung mittels einer optional am Körper angebrachten Daten verarbeitung erfolgen kann.

4. Ein Verfahren zur Erfassung des Abstandes oder eines abstandsabhängigen Signales mindestens zweier Stellen eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Signalemitter (Sender) und mindestens ein Signalempfänger am Körper angebracht sind, und die Laufzeit des Signales dem Abstand des Signalempfängers oder des Reflexionsortes vom Signalemitter (Sender) zugeordnet werden kann wobei die Zuordnung mittels einer optional am Körper angebrachten Datenverarbeitung erfolgen kann.

5. Ein Verfahren zur Bestimmung der Position und Orientierung von Gelenkgliedern eines Körpers bezüglich eines frei gewählten Koordinatensystemes, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Gelenkglied und dem frei gewählten Koordinatensystem ein Mehrfachsensor Meßgrößen erfaßt welche den Winkelabweichungen vom Gravitationsfeld und einem extremen, künstlichen oder natürlichen, homogenen Magnetfeld, - und wenn nötig der Beschleunigung - zugeordnet sind, und aus der rechnerischen Verknüpfung

- seiner Gelenklagerposition und Orientierung bezüglich des frei gewählten Koordinatensystemes,
- der Orientierung des freigewählten Koordinatensystemes bezüglich des Gravitations-Magnetfeldkoordi natensystemes
- eines Relativvektors vom Befestigungsort des Mehrfachsensors zum Bewegungszentrum des Gelenkgliedes
- der Orientierungswinkel, welche der genannte Relativvektor mit den Koordinatenachsen des Mehrfach sensors einschließt und
- fallweise der Bewegungsmöglichkeiten des Gelenkgliedes, mittels zugehöriger Datenverarbeitungsmittel die gewünschte Position und/oder Orientierung bezüglich es frei gewählten Koordinatensystemes bestimmt wird.

6. Ein Verfahren zur Erfassung von mindestens einer Geometriegröße oder einem ihr zugehörigen Signal von mindestens einer Stelle eines über Gelenke verfügenden Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß aus mindestens einem die Gelenkknickung erfassenden Sensor und einem der Verfahren ent sprechend Anspruch 3, 4 oder 5 sowie fallweise bedingt der Kenntnis von mindestens einer Gelenk größe (Gelenklagerort, Bewegungsmöglichkeit, Relativvektor auf Gelenkglied) unter optionaler Verwendung einer Datenverarbeitung die gewünschte Geometriegröße gebildet wird.

7. Sensorik zur Erfassung von Meßgrößen, welche von der gegenseitigen räumlichen Beziehung von Orten auf einer Körperoberfläche abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Körperoberfläche direkt oder indirekt (auf oder in einer Körperbedeckung) ein Fest- und ein Loslager angebracht und durch ein biegeelastisches, längenkonstantes Teil verbunden sind, durch welches geometrische Änderungen der Befestigungsorte in eine Relativverschiebung zwischen dem biegeelastischen, längenkonstanten Teil und dem Loslager umgewandelt werden, und diese Relativver schiebung mit geeigneten Meßverfahren ermittelt wird.

8. Sensorik zur Erfassung von Meßgrößen, welche von der gegenseitigen räumlichen Beziehung von Orten auf einer Körperoberfläche abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Körperoberfläche direkt oder indirekt (auf oder in einer Körperbedeckung) an mindestens 2 Befestigungsstellen ein sie verbindendes dehnbares Sensormittel angebracht ist, so daß geometrische Änderungen der Befestigungsorte Dehnungsänderungen des Verbindungsteiles hervorrufen, welche sensorisch erfaßt werden können.

9. Sensorik zur Erfassung vom Meßgrößen, welche von der gegenseitigen räumlichen Beziehung von Orten auf einer Körperoberfläche abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Körperoberfläche direkt oder indirekt (auf oder in einer Körperbedeckung) mindestens ein feld- bzw. signalaussendendes Teil und ein feld- bzw. signalempfindliches Teil befestigt sind, so daß geometrische Änderungen der Befestigungsorte eine Änderung des empfangenen Feldes bzw. Signales bewirken.

10. Sensorik zur Erfassung vom Meßgrößen, welche von der gegenseitigen räumlichen Beziehung von Orten auf einer Körperoberfläche abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß an den Orten direkt oder indirekt (auf oder in einer Körperbedeckung) ein hohles elastisches, Ver bindungsmittel befestigt ist, wodurch geometrische Änderungen der Befestigungsorte eine Formände rung des Verbindungsmittels bewirken, welche mit geeigneten Sensormitteln erfaßt werden kann, und das hohle, elastische Verbindungsmittel auch als geschlossene unter Druck stehende Blase ausge führt sein kann.

11. Sensorik zur Erfassung von Meßgrößen, welche von der Knickung eines Gelenkes abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Gelenk direkt oder indirekt (auf oder in einer Körperbedeckung) zwei Lager zur Aufnahme eines biegeelastischen, längenkonstanten Verbindungsteiles angebracht sind, so daß der Abstand des Verbindungsteiles zur Gelenk- bzw. Körperoberfläche -konstruktiv bedingt- der Gelenkknickung zuge ordnet ist, und durch geeignete Sensormittel erfaßt wird, wobei von den beiden Lagern eines als Los lager ausgeführt sein kann.

12. Ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer Geometriegröße einer Stelle eines Körpers in Bezug auf mindestens eine andere körpereigene Stelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der gewünschten Geometriegröße durch geeignete Kombination der Art und Anzahl von Einzelverfahren entsprechend den Ansprüchen 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 erfolgt.

13. Ein Verfahren zur Bestimmung einer Geometriegröße von mindestens einer Stelle eines Körpers, bestehend aus mindestens einem körperfixierten Felderzeuger und mindestens einer körperfixierten Kombinationssensorik, dadurch gekennzeichnet, daß, die Kombinationssensorik neben den felddetektierenden Mitteln fallweise zusätzlich mit Sensor- und Datenverarbeitungsmitteln zur Erfassung von wenigstens einer dem Gravitationsfeld, oder einem (natürlichen oder künstlichen) externen Magnetfeld zugeordneten Meßgröße versehen ist und die Bestimmung der gewünschten Geometriegröße durch geeignete Kombination der genannten zusätz lichen Meßgrößen mit mindestens einer körperbezogenen Feldgröße oder durch zusätzliche Kombina tion mit mindestens einer geeigneten Gelenkgröße oder nur durch Kombination von mindestens einer körperbezogenen Feldgröße mit mindestens einer Gelenkgröße erfolgt.

14. Ein Verfahren zur Bestimmung einer Geometriegröße von mindestens einer Stelle eines Körpers, bestehend aus mindestens einem körperfixierten Signalemitter und mindestens einer körperfixierten Kombinationssensorik, dadurch gekennzeichnet, daß, die Kombinationssensorik neben signalempfangenden und abstandsdetektierenden Mitteln fall weise zusätzlich mit Sensor-und Datenverarbeitungsmitteln zur Erfassung von wenigstens einer dem Gravitationsfeld, oder einem (natürlichen oder künstlichen) externen Magnetfeld zugeordneten Meß größe versehen ist und die Bestimmung der gewünschten Geometriegröße durch geeignete Kombina tion der genannten zusätzlichen Meßgrößen mit mindestens einer senderbezogenen Abstandsgröße oder durch zusätzliche Kombination mit mindestens einer geeigneten Gelenkgröße oder nur durch Kombination von mindestens einer senderbezogenen Abstandsgröße mit mindestens einer Gelenk größe erfolgt.

15. Ein Verfahren zur Bestimmung der Geometriegröße von mindestens einer Stelle eines Körpers, nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß in räumlich definierter Position zum gravitationsempfindlichen Teil eines Mehrfachsensors (ent sprechend Anspruch 5) oder eines Kombinationssensors (entsprechend einem der Ansprüche 5, 6, 12, 13, 14) ein Beschleunigungssensor für mindestens eine Komponente angebracht ist, durch dessen Meßwerte und einen geeigneten Algorithmus eine Korrektur der durch Beschleunigung verfälschten Meßwerte des gravitationsempfindlichen Teiles des Mehrfach- oder eines Kombinationssensors ausgeführt wird.

16. Ein Verfahren zur Umwandlung von Geometriegrößenwerten in Koordinatenwerte, dadurch gekennzeichnet, daß Geometriegrößenwerte welche z. B. entsprechend den in den Ansprüchen 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 beschriebenen Verfahren ermittelt wurden, durch einen - in einer Datenverarbeitung gespei cherten - Umwandlungsalgorithmus auf Koordinatenwerte bezüglich eines definierten Körperortes (Koordinatenursprung) und wenn nötig bezüglich eines Orientierungskonzeptes umgerechnet werden, wobei der Umwandlungsalgorithmus den geometrischen Zusammenhang enthält, welcher zwischen erfaßten Geometriegrößenwerten, einer ihnen zugeordneten Körperstelle und dem definierten Koordi natenursprung und dem Orientierungskonzept besteht.

17. Ein intelligentes Geometriesensoriksystem, dadurch gekennzeichnet,

a) daß es mittels eines der in den Ansprüchen 3, 4, 5, 6, 12, 13, 14, 15 beschriebenen Verfahren in der Lage ist Geometriegrößen oder ihnen zugehörige Signale zu erfassen und umzuwandeln bzw. umzurechnen
b) daß es mittels dem in Anspruch 16 beschriebenen Verfahren in der Lage ist ein Koordinatensystem auszubilden
c) daß es über die Möglichkeit verfügt mittels vorhandener oder zusätzlich anzubringender sensorischer Mittel mindestens eine jener Geometriegrößen zu erfassen, welche die räumliche Situation seines Koordinatensystemes bezüglich eines weiteren Koordinatensystemes - welches einem anderen intelligenten Geometriesensoriksystem angehört - zu definieren
d) daß es mit anderen intelligenten Geometriesensoriksystemen Daten austauschen kann.

18. Ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Körperstelle in Bezug auf ein körperexternes Koordinatensystem, dadurch gekennzeichnet, daß

a) körperextern ein rotierendes magnetisches Gleich- oder ein nacheinender in drei Richtungen strahlen des elektromagnetisches Wechsel-oder Strahlungsfeld erzeugt wird,
b) mittels an der gewählten Körperstelle angebrachter Felddetektionsmittel ein Richtungsvektor zum Ursprung des zur externen Feldquelle gehörenden Koordinatensystemes bestimmbar ist
c) der Abstand zum externen Koordinatenursprung aus der Signallaufzeit von mindestens einem externen Ultraschallsender zu einem fest mit dem körperbefestigten Felddetektionsmittel verbundenen Ultra schallempfänger bestimmt wird.

19. Ein Verfahren zur Erfassung des Abstandes oder einem zugeordneten Wert zwischen mindestens einer Stelle eines Körpers und mindestens einer Stelle außerhalb des Körpers, dadurch gekennzeichnet,

a) daß außerhalb des Körpers ein kombinierter Schall-und elektromagnetische Signale (auch Licht z. B. IR) emittierender Sender aufgestellt ist und an den zu erfassenden Körperstellen Schallsignal empfänger angebracht sind, sowie an beliebigen Körperstellen mindestens ein Empfänger für elektro magnetische Signale angebracht ist
b) daß vom körperexternen Kombinationsemitter immer ein Paar aus Schall- und elektromagnetischen Signalen ausgestrahlt wird wobei das elektromagnetische Signale aufgrund der wesentlich kürzeren Laufzeit als reines Triggersignal für die Laufzeitmessung des Schallsignals verwendet wird
c) daß aus der Laufzeit des Schallsignales mit am Körper angebrachten Datenverarbeitungsmitteln der Abstand zwischen der gewünschten Körperstelle und dem externen Kombinationsemitter ermittelt wird.
d) Die Abstandswerte einer externen Datenverarbeitung übermittelt werden können.

20. Ein Verfahren zur Erfassung des Abstandes oder einem zugeordneten Wert zwischen mindestens einer Stelle eines Körpers und mindestens einer Stelle außerhalb des Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß, das Verfahren wie in Anspruch 19 funktioniert, jedoch im Gegensatz dazu der Kombinationsemitter am Körper angebracht ist und die Empfänger für Schall und elektromagnetischen Signale außerhalb des Körpers sind.

21. Ein Verfahren zur Bestimmung von Koordinatenpositionen von Körperstellen bezüglich eines körperexternen Koordinatensystemes, dadurch gekennzeichnet,

a) daß sich außerhalb des Körpers drei Ultraschallemitter in definierter räumlicher Beziehung zuein ander befinden, von denen jeder Signale mit einem eigenen Code oder einer eigenen Frequenz in Pulsen abstrahlt
b) daß ein Emitter für elektromagnetische Strahlung gemeinsam mit dem Ultraschallpulsen gestartet wird und das von ihm abgestrahlte Signal als Trigger für die Laufzeitmessung dient
c) daß sich an der gewünschten Körperstelle eine Empfangseinheit befindet, welche aus mindestens einem Ultraschallempfänger und einem Empfänger für elektromagnetische Strahlung besteht
d) daß jeder der körperbefestigten Ultraschallempfänger mit Decodierungs-oder Filtermitteln versehen ist, welche es erlauben, die eintreffenden Schallsignale zu unterscheiden
e) daß mittels einer an die Empfängereinheit angeschlossenen Datenverarbeitung die Koordinaten der Empfängereinheit bezüglich des durch die externen Ultraschallemitter definierten Koordinatensystemes errechnet werden
f) daß sowohl die Abstände als auch Position der Körperstelle einer externen Datenverarbeitung über mittelt werden kann.