DE19635857A1 - Eingabe- und Meßgerät mit sechs Freiheitsgraden auf Grund von magnetischen Wirkprinzipien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit angegliederter Elektronik zum Zweck der sensitiven Ermittlung der Lage eines in der Vorrichtung angeordneten Bauteils, insbesondere um durch die von außen hervorgerufene Lageänderung dieses Bauteils und den letztendlich daraus entstehender Signalverläufen real oder virtuell bestehende Objekte, Ansichten oder Darstellungen im dreidimensionalen Raum zu manipulieren.

In den letzten Jahren beinhaltet die Computertechnologie im privaten, kommerziellen oder industriellen Anwendungsgebiet immer mehr Aufgaben der Manipulation von realen oder virtuellen Objekten.

Ein industrielles Anwendungsbeispiel ist z. B. die Robotertechnologie mit den vielfältigen Aufgaben z. B. in der Handhabungstechnik. Es müssen z. B. in der Programmierphase durch geeignete Eingabegeräte mehrere Bewegungsachsen der Roboter gleichzeitig durch eine Person bewegt werden können.

Ein weiteres sehr weitreichendes Einsatzgebiet in der Computertechnologie ist die Anwendung als Eingabegerät. Momentan im allgemeinen verwendete klassische Eingabegeräte sind die Tastatur und die sogenannte Computer-Maus sowie der sogenannte Joystick. Das Aufgabengebiet der klassische Eingabegeräte hat sich in den letzten Jahren dahingehend gewandelt, daß nicht nur Zeicheneingabe sowie zweidimensionale Zeigefunktionen auf ebenen Bildschirmdarstellungen gefordert werden, sondern auch mehrdimensionale Steuervorgänge durchgeführt werden müssen. Diese mehrdimensionalen Steuervorgänge sind prinzipiell auch mit den klassischen Eingabegeräten durchführbar. Ein wichtiges Kriterium für ein zeitgemäßes Eingabegerät ist jedoch die intuitive Bedienungsfreundlichkeit, die in den angesprochenen mehrdimensionalen Steuervorgängen bei klassischen Eingabegeräten nicht erfüllt wird. Falls dreidimensionale Darstellungen auf dem Computerbildschirm oder reale dreidimensionale Objekte durch die Bedienerhand am Eingabegerät in der Weise manipuliert werden können, als ob sich das Objekt selbst in der Hand befände, so wäre das Optimum an Bedienungskomfort erreicht. Um diesen Bedienungskomfort zu erreichen sind mindestens sechs Freiheitsgrade im Eingabegerät zu realisieren. Neben der klassischen Maus mit zwei translatorischen Freiheitsgraden sind auch andere Erfindungen bekannt, die mit mehr als zwei Freiheitsgraden arbeiten und im folgenden näher dargelegt werden. Neuester Stand der Technik ist ein Eingabegerät auf optischer Basis mit sechs Freiheitsgraden.

Die Nachteile des Stands der Technik werden im folgenden anhand von existierenden oder patentrechtlich geschützen Eingabegeräten näher erläutert.

Die klassischen Eingabegeräte unterstützen im allgemeinen nur zwei Freiheitsgrade. Es sind bereits Eingabegeräte bekannt, die ähnlich einer konventionellen Maus arbeiten, jedoch nicht nur zweidimensionale Bewegungen, sondern auch drei translatorische Koordinaten und Bewegungen gleichzeitig aufnehmen können. Ein solches Gerät mit drei translatorischen Freiheitsgraden ist z. B. unter der Offenlegungsschrift DE 38 38 605 A1 zu finden. Mit der in der Offenlegungsschrift beschriebenen Anordnung ist jedoch keine Drehung von virtuellen oder realen Objekten simultan zur Translationsbewegung möglich, was als erheblicher Nachteil zu werten ist. Der Vorteil einer simulaten Erfassung von drei translatorischen und drei rotatorischen Bewegungen oder Koordinaten wird auch durch das in der Offenlegungsschrift DE 42 11 189 A1 beschriebene Gerät nicht erfüllt.

Auch sind Eingabegeräte bekannt, wie zum Beispiel unter US 005095303 beschrieben oder an CAD Anlagen übliche Steuerpotentiometer (sogenannte knob-boxes), die mehrere rotatorischen und translatorischen Koordinaten oder Bewegungen steuern können. Mit diesen Geräten können zwar alle sechs Freiheitsgrade eines Körpers simultan manipuliert werden, eine intuitive Nutzung des Gerätes ist jedoch nicht möglich, da mehrere Bedienelemente gleichzeitig oder hintereinander bewegt werden müßten. Eine rein intuitive Lageänderung wird nur dann erreicht, wenn die am Gerät vorhandenen Bedienungselemente in der Art manipuliert werden können, als ob sie das Objekt selbst wären. Abstrahiert ausgedrückt muß der zu steuernde Starrkörper körperfest auf das Bedienungselement projiziert werden, um die intuitive Nutzung zu erreichen. In den angesprochenen Geräten ist dies nicht der Fall, da mehr als ein Bedienungselement für die Steuerung der sechs Freiheitsgraden benötigt wird.

Der neuste Stand der Technik wird durch ein Eingabegerät erreicht, welches unter DE 36 11 337A und EP0240023 beschrieben wird und bereits am Markt erhältlich ist. Diese opto-elektronische Anordnung vermag mit Hilfe der Bewegung eines Bedienelementes sechs Freiheitsgrade zu steuern. Dieses Gerät ist intuitiv bedienbar, hat jedoch gravierende Nachteile in Ergonomie, Bedienungskomfort und Wirtschaftlichkeit, wie im folgenden erläutert wird:
Der Meßbereich dieser Geräte, wobei mit Meßbereich der Nutzweg des Bedienelementes definiert ist, liegt im Allgemeinen bei +/- 1,5 mm für die translatorischer Auslenkung sowie +/- 4 Grad bei der rotatorischen Verdrehung, ist klein in Bezug zu den Auslenkungen und Verdrehungen, die im alltäglichem Leben von der menschlichen Hand ausgeführt werden. Die kleinsten, feinfühligsten und dennoch intuitiv vollständig durch das menschlische Gehirn kontrollierbaren Steuerbewegungen der menschlichen Hand, wie sie zum Beispiel beim Schreiben mit einem Stift, Malerei oder anderen künstlerischen Tätigkeiten durchgeführt werden, haben Auslenkungen und Verdrehungen größer als die oben angesprochenen. Die Kontrollierbarkeit der Steuerbewegungen der in DE 36 11 337A und EP0240023 beschriebenen Anordnung ist aus diesem Grunde nachteilig gegenüber der nachfolgend näher beschriebenen Erfindung.

Durch die Erfindung soll eine Anordnung geschaffen werden, mit welcher drei translatorische und drei rotatorische Bewegungen als Wege und Winkel gemessen werden. Diese Wege und Winkel sind voneinander unabhängige Größen und entsprechen den Raumfreiheitsgraden. Weiterhin muß die Anordnung die Anforderung erfüllen, daß alle Raumfreiheitsgrade durch ein Bedienelement sensiert werden. Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist hierbei, natürliche Bewegungen der menschlichen Hand in elektrische Steuersignale zu wandeln, um Bewegungen und Manipulationen an und in anderen technische Systemen vorzunehmen. Beispielsweise sind solche technischen Systeme Roboter, Unterwasserfahrzeuge oder dreidimensionale Computer-Darstellungen.

Gemäß der Erfindung wird dieses an einem Bedienungselement untergebrachten mechanisch, magnetisch sowie elektronischen Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ein Eingabegerät zu schaffen, welches sechs Freiheitsgrade abnimmt und diese beispielsweise als Geschwindigkeitsvorgaben zum Aufnahmegerät übermittelt (Beispiel Computer, Robotersteuerungen).

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Hierzu wird die relative Lage eines Bauelements gegenüber eines zweiten Bauelements dadurch gemessen, daß ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld auf einem Bauelement in einer neuartigen Art generiert wird, so daß am anderen Bauelement eine eindeutige Information über die Lage des Feldes aufgenommen werden kann. Dieses asymetrische dreidimensionale Feld, welches sämtliche Information über die relative Lage beider Körper zueinander enthält, wird im folgenden als schiefes Feld bezeichnet. Dieses schiefe Feld kann beispielweise durch Permanentmagneten oder elektrisch erzeugte Felder gebildet werden. Die sensitive Ermittlung der Lage des Feldes wird dadurch erreicht, daß an sechs Punkten im Raum die Stärke des Feldes ermittelt wird.

Grundsätzlich können für diese Zweck alle physikalischen Effekte genutzt werden, die die Stärke von elektromagnetischen oder magnetischen Feldern in elektrische Signale wandeln. Diese sechs Sensoren können beispielsweise analoge Hallsensoren sein. Zur Ermittlung der relativen Lage beider oben beschriebener Bauelemente zueinander stehen so letztendlich 6 Signale zur Verfügung, aus denen die sechs Raumfreiheitsgrade berechnet werden können.

Um diese technische Neuerung als Eingabegerät nutzen zu können, wird ein Bauelement als Gehäuse festgelegt und das zweite Bauelement relativ zum ersten elastisch als Bedienelement aufgehängt. Durch die elastische Aufhängung wird erreicht, daß bei nicht benutztem Bedienelement einer immer gleiche relative Lage beider Bauelemente zueinander gewährleistet ist.

Neben dem bereits geschilderten Vorteilen gegenüber bereits bestehenden Meßsystemen wird die Aufgabe somit durch eine neuartige Verbindung von mechanischen, magnetischen sowie elektronischen Wirkprinzipien gelöst. Diese Erfindung läßt sich obendrein noch kostengünstiger als z. B. opto-elektronische Anordnungen produzieren, da Hauptbauteile wie z. B. Permanentmagneten und Hallsensoren i.A. preisgünstiger sind als opto-elektronische Bauteile.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind sechs Sensoren auf jeder der sechs Koordinatenachsen eines kartesischen Koordinatensystems im gleichem Abstand zum Nullpunkt auf einem beweglichen Bedienelement vorgesehen. Diese Sensoren sind mit ihrer auf Magnetfelder sensitiv reagierenden Fläche auf den Nullpunkt des Koordinatensystems ausgerichtet. Um mit der erfindungsgemäßen Anordnung sechs unterschiedliche Komponenten, nämlich drei Verschiebungen in Richtung der x-,der y- und der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystem und drei Winkeldrehungen um diese drei Achsen zu messen, ist im Koordinatenursprung den Sensoren gegenüber ein magnetischer Körper relativ gegeneinander bewegbar angeordnet. Vorzugsweise sind hier sechs oder mehr Permanentmagneten so auf einem Körper untergebracht, daß ein asysmmetrisches elektromagnetisches Feld entsteht. Um dieses zu erreichen ist vorzugsweise auf allen sechs Seiten eines würfelförmigen feststehenden Körpers ein Permanentmagnet befestigt. Weitere drei Permanentmagnete, jeweils einer zwischen zwei Seiten einer kartesischen Achse angeordnet, bilden die Aymmetrie des magnetischen Körpers.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht schräg von der Seite.

Fig. 2 eine Seitenansicht des Sensorgehäuses.

Ein gehäusefester Mast (Fig. 1, Punkt 5) besitzt an seiner Oberseite einen quadratischen Würfel (Fig. 1, Punkt 8), der auf jeder seiner sechs Seiten jeweils einen magnetfeldempfindlichen Sensor trägt. Der Mast und Würfel ist fest mit dem Basisgehäuse (2-Punkt 1) verbunden und bildet ein Bauelement, welches relativ zu dem zweiten Bauelement bezüglich der Umgebung fest steht und Signale über die relative Position des zweiten Bauelements zur Verarbeitungselektronik weiterleitet. Die Signalleitungen verlaufen durch das Innere des Würfels sowie des Mastes. An allen acht Ecken des Würfels befinden sich Zugfedern (Fig. 1, Punkt 2) die einen Rahmen (Fig. 1, Punkt 1) in einer eindeutigen Lage halten. Dieser wird in der abgebildeten Darstellung aus rechteckigen Profilen gebildet. Der Rahmen umschließt symmetrisch den innenliegenden Würfel, wobei die Flächen beider Würfel koplanar ausgerichtet sind. Dieser Rahmen, im folgenden auch äußerer Würfel genannt, ist durch die elastische Federaufhängung relativ zu dem inneren Würfel in sechs Freiheitsgraden beweglich angeordnet. Er läßt sich translatorisch in drei kartesischen Achsen bewegen sowie um drei kartesische Achsen drehen. Durch die elastische Aufhängung nimmt der äußere Würfel nach einer von außen durch den Bediener aufgeprägten Bewegung immer wieder den Ausgangszustand ein. Am äußeren Würfel sind mittig auf jeder Würfelfläche ein Magnet (Fig. 1, Punkt 3) befestigt. Um ein asymetrisches Magnetfeld zu erzeugen, werden weitere drei Magneten (Fig. 1, Punkt 7) unter 45 Grad gekippt zwischen jeweils zwei aneinander grenzenden Ebenen des Würfels befestigt. Die Summe aller von den Magneten erzeugten Felder bilden ein dreidimensionalen Magnetfeld, welches an sechs Punkten im Raum in seiner Stärke durch die Sensoren (Fig. 1, Punkt 4) bestimmt wird. Durch Bewegung des äußeren Würfels relativ zum inneren Würfel verändert sich die Stärke des Feldes an den sechs sensitiven Punkten. Durch diese Veränderung kann die neue Lage des äußeren Würfels berechnet werden. Die letztendliche Ermittlung der von außen durchgeführten Bewegung wird beispielsweise durch Vergleich der gewonnenen Signalverläufe in einem elektronischen Speicher abgelegten Signalverläufen oder durch geeignete Rechenalgorythmen durchgeführt. Der in Fig. 1 skizzierte Aufbau wird durch weitere Gehäuseteile ergänzt, die in Fig. 2 dargestellt sind. Der äußere Würfel (Fig. 1, Punkt 1) wird durch eine kugelähnliche Halbschale (Fig. 2, Punkt 1) umschlossen, die in ein zweites Gehäuseteil (Fig. 2, Punkt 2) eingebettet ist, welches mit dem Mast (Fig. 1, Punkt 5) verbunden ist und die Basis des Gehäuses bildet. Die Basis enthält auch alle für die Auswertung der Signale erforderliche Signalelektronik. Alle Daten werden in der Verarbeitungselektronik in ein Format aufgearbeitet, um für verschiedenste Anwendungsgebiete kompatibel zu sein.

Claims (8)

1. Eingabegeräte oder Meßgeräte, insbesondere gekennzeichnet durch zwei relativ zueinander bewegliche Körper, wobei die relative Lage beider Körper zueinander dadurch ermittelt wird, daß auf einem der beiden Körper ein Magnetfeld gebildet wird, welches auf dem zweiten Körper an mehreren Punkte gemessen wird.

2. Eingabegeräte oder Meßgeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ zueinander beweglich angeordneten Körper durch elastisch verformbare Bauteile miteinander verbunden sind.

3. Eingabegeräte oder Meßgeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Magnetfeldes Hallsensoren oder Spulen verwendet werden.

4. Eingabegeräte oder Meßgeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld auf einem der beiden Körper durch Permanentmagneten gebildet wird.

5. Eingabegeräte oder Meßgeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld auf einem der beiden Körper durch Permanentmagneten gebildet wird, die symmetrisch zu kartesischen Achsen ausgerichtet sind.

6. Eingabegeräte oder Meßgeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem der beiden ein asymetrisches Magnetfeld dadurch erzeugt wird, daß neben den in kartesischen Achsen liegenden Permanentmagneten weitere Permanentmagnete so angeordnet sind, daß ein asymetrisches Magnetfeld entsteht.

7. Eingabegeräte oder Meßgeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren, angeordnet auf einem des zwei Körper, symmetrisch zu kartesischen Achsen ausgerichtet sind.

8. Eingabegeräte oder Meßgeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ zueinander beweglichen Körper konstruktiv so ausgestaltet sind, daß sich beide Körper dreidimensional symmetrisch umschließen.