DE19830359A1 - Spatial position and movement determination of body and body parts for remote control of machine and instruments - Google Patents

Spatial position and movement determination of body and body parts for remote control of machine and instruments

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DE19830359A1
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Abstract

Inertial three axis orientation measurement device (1.1) and position sensor are located on body part. Position sensor is positioned on reference body part. Signals from measurement device and sensor are fed to signal and data processing unit. Position and orientation of body part is determined relative to coordinate system defined on reference body part and source and orientation angle of coordinate system connected with body part or measurement device.

Description

Eine Vielzahl von Anwendungen wie: A variety of applications such as:
Fernsteuerung von Maschinen und Instrumenten durch menschliche Gliedmaßen, Lage und Bewegungs kontrolle von Maschinen und Robotern, Bewegungskontrolle von Sportlern und in Rehabilitation befind lichen Patienten, Interaktion von Menschen mit virtuellen Umgebungen (Cyberspace), Umwandlung von Körperbewegungen in Musik und Lichteffekte (Entertainment), Erfassung von menschlichen Bewe gungsabläufen im Produktionsprozess, Training von komplexen manuellen Tätigkeiten, Lage- und Bewe gungskontrolle von Fertigungsteilen im Raum usw., stellt die Aufgabe der Positionserfassung von Kör perstellen, der Lagebestimmung von Körperteilen und Körpern, sowie deren Bewegungserfassung im Raum. Remote control of machines and instruments by human limbs, position and motion control of machinery and robots, motion control of athletes and in rehabilitation befind handy patients, people interact with virtual environments (cyberspace), conversion of body movements in music and lighting effects (Entertainment), acquisition human BEWE supply processes in the production process, training of complex manual operations, position and BEWE supply control of production parts in space, etc., is the task of the position detection of Kör perstellen, the orientation of body parts and bodies, as well as their movement detection in space.

1) Stand der Technik und Nachteile 1) Prior Art and Disadvantages

Die genannte Aufgabe wird derzeit im Sinne der Erfassung von menschlichen Körperbewegungen unter den Begriffen "Motion capture" (= Bewegungserfassung) oder "Body tracking" (= Spurverfolgung von Körperteilen mit nachfolgenden Methoden gelöst. The said object is being solved in accordance with the detection of the human body motions, the terms "Motion capture" (= motion detection) or "body tracking" (= tracking of body parts using the following methods.

1.1) Magnetfeldmethoden 1.1) magnetic methods

Die Lagebestimmung von Körperteilen mittels Magnetfeldern ist eine sehr häufig eingesetzte Methode. The orientation of body parts using magnetic fields is a method which is widely used. Es sei hier auf die Produkte der US-Firmen Polhemus Inc., Colchester, Vermont und Ascension Techno logy Corporation., Burlington, Vermont verwiesen. Reference is made here to the products of US companies Polhemus Inc., Colchester, Vermont and Ascension Techno logy Corporation., Burlington, Vermont.

Magnetfeldmethoden der genannten Firmen haben folgende Nachteile: Magnetic methods of these companies have the following disadvantages:

  • - Störanfälligkeit gegenüber Umgebungseisen und Fremdfelder - immunity to ambient iron and foreign fields
  • - eingeschränkter Erfassungsbereich, weil die Messgenauigkeit mit dem Abstand sinkt - limited coverage, because the accuracy decreases with distance
  • - aufwendige und zeitraubende Sensorjustage. - expensive and time-consuming sensor adjustment.
1.2 Mechanische Gestänge und Gestelle 1.2 Mechanical linkage and frames

Am Körper befestigte Gestänge erfassen die Winkel von Körpergelenken. The body fixed linkage detect the angle of body joints.

Hier sei auf die Produkte der US-Firma Analogus Company, San Francisco, Californien verwiesen. Here California is on the products of the US company Analogus Company, San Francisco, directed.

Bei dieser Lösung sind ua folgende Nachteile zu nennen. In this solution, the following disadvantages include mention.

  • - Die Gestänge sind für den Träger nicht komfortabel - The linkages are not comfortable for the wearer
  • - Das Anlegen des Gestänges ist sehr zeitraubend - The creation of the linkage is very time consuming
  • - Eine Orientierungs- und Positionsangabe eines Einzelgliedes erfordert das Anlegen des gesamtem Gestänges und liefert nur indirekte Gelenkwinkelgrößen. - An orientation and locations of a single element requires the application of the entire linkage and provides only indirect joint angle sizes.
1.3) Kameraerfassung 1.3) camera detection

Die Bewegungserfassung des menschlichen Körpers mit Kameras wird ebenfalls sehr häufig eingesetzt. The motion detection of the human body with cameras is also used very often. An signifikanten Körperstellen werden hierbei reflektierende Markierungen angebracht und deren Bewe gungsverlauf von mindestens zwei Kameras aufgezeichnet und somit ihre räumliche Position berechnet. reflective markings are in this case mounted on significant parts of the body and their BEWE supply extending from at least two cameras are recorded and thus calculates its spatial position. Dieses Verfahren dient in erster Linie der Erfassung eines kompletten Mehrgelenkkörpers. This method is primarily used of the detection of a complete multi-joint body.

Hier sind folgende Nachteile zu nennen Here are the following disadvantages to name

  • - Die Lagebestimmung eines einzelnen Körperteiles erfordert wie beim Gestänge die Erfassung aller übrigen Gelenke - The orientation of a single body part requires as the linkage capturing all other joints
  • - Beschränkter Erfassungsbereich, da die optischen Abbildungsgesetze gelten (Tiefenschärfe) - Limited detection range, as the optical imaging laws apply (depth of field)
  • - Verdeckung durch den eigenen oder fremde Körper - coverage by their own or foreign body
  • - Genauigkeit sinkt mit dem Abstand. - accuracy decreases with distance.
1.4) Ultraschall 1.4) ultrasound

Ultraschall wird in der Medizin und Sportphysiologie zur Erfassung von Bewegungsabläufen des mensch lichen Körpers eingesetzt. Ultrasound is used in medicine and sports physiology for detecting movements of the Human Body. Der Abstand wird aus der Laufzeit eines Ultraschallimpulses bestimmt. The distance is determined from the transit time of an ultrasonic pulse. Nachteile sind: Disadvantages are:

  • - Die Orientierungsbestimmung einzelner Körperteile erfordert pro Körperteil drei Ultraschallsensoren, so daß für diese Aufgabe eine Unzahl von Sensoren an einem mehrgelenkigen Körper angebracht wer den müßten, was wiederum ein hohes Ausmaß an Signalorganisation (Multiplexing) und Codierung notwendig machen würde - The orientation determination of individual parts of the body requires per body part three ultrasonic sensors, so that attached a myriad of sensors on a multi-joint body for this task who the must, which would in turn make a high degree of signal Organization (Multiplexing) and coding necessary
  • - Abschattung von Ultraschallimpulsen bei mehrgliedrigen Körpern - shadowing of ultrasonic pulses in multi-member bodies
1.5) Kombination aus inertialen Orientierung-Messaufnehmer und Ultraschall 1.5) a combination of inertial orientation sensor and ultrasonic-

InterSense Inc., Burlington, Massachusetts bietet derartige Systeme für die Erfassung der Orientierung und der Position von Körper(teile)n an mit ausschließlich körperexternem Bezug (Koordinatenssysteme) an. InterSense, Inc., Burlington, Massachusetts provides such systems for detecting the orientation and the position of body (parts) n with exclusively körperexternem reference (coordinate systems) to. Dadurch bestehen die Nachteile: This are the drawbacks:

  • - Die Erfassungsgenauigkeit von Details sinkt mit dem Abstand von der Bezugstelle - The detection accuracy of details decreases with the distance from the reference point
  • - Die Anwendung ist auf einen kleinen Bereich zumeist in geschlossenen Räumen beschränkt - The application is usually limited to a small area in enclosed spaces
  • - Bei Anwesenheit mehrerer Personen im Erfassungsbereich kann es zu Verdeckungen bzw. Abschattun gen zwischen Körper(teile)n und Referenzstellen oder gegenseitiger Beeinflussung der Sensoriken kom men. - In the presence of several persons in the detection area may cause occlusions or Abschattun gen between body (parts) n and reference sites or mutual influence of sensor systems kom men.
Anmerkung annotation

Im folgenden Text wird anstatt der Bezeichnung "inertiale Orientierungs-Messaufnehmer" meist der Be griff Gyro verwendet, wenn es nicht notwendig erscheint die abstrakte Funktionalität besonders hervor zuheben. In the following text the abstract functionality is instead called "inertial orientation sensor" mostly loading grabbed Gyro used if it does not appear necessary annul particularly pointing. Der Begriff Gyro ist heute interationaler Standard. The term Gyro is interationaler standard today. (sa Definitionen und Begriffserklärungen) (See Definitions and Glossary)

2) Lagebestimmung eines Körpers im Raum, mittels 3-Achs-Gyro und Positionserfassung 2) orientation of a body in space, by means of 3-axis gyro and position detection

Vorbemerkung: Unter "räumliche Lage" eines Körpers oder Körperteiles ist seine Position (Koordinaten eines ausgewählten Punktes) und die Orientierung (Winklelage zu einem Bezugssystem) zu verstehen. Preliminary note: The term "spatial position" of a body or body part is to understand its position (coordinates of a selected point) and the orientation (Winklelage to a reference system). An einem Körper sei eine Positionssenorik und ein 3-Achs-Gyro (künftig mit 3A-Gyro abgekürzt) ange bracht (eine Beschreibung über Gyroausführungen folgt). On a body is a Positionssenorik and a 3-axis gyro is (in the future with 3A Gyro for short) put (a description of Gyroausführungen follows). Durch die Erfassung der Position eines defi nierten Körperpunktes K (= p K (x K , y K , z K )) und der drei Gyrowinkel ϕ, ψ, χ ist die räumliche Lage (s. Definition) eines Körpers völlig bestimmbar. By detecting the position of a body point defi ned K (K = p (x K, y K, z K)) φ and the three Gyrowinkel, ψ, χ is the spatial position (s. Definition) of a body completely determined. Fig. 1 zeigt einen fest mit dem Körper 1.0 verbundenen 3A-Gyro 1.1 welcher die 3 Winkel ϕ, ψ, χ relativ zu seinem Ausgangszustand mißt (z. B. als Zeitintegral der Winkelgeschwindigkeitskomponenten bei Verwendung eines Fiber- oder Vibrationsgyros). Fig. 1 shows a fixed to the body 1.0 3A-Gyro 1.1 wherein φ, ψ, χ 3 angle relative to its initial state measures (z. B. as the time integral of the angular velocity components when using a Fiber or vibration gyro). Die Win kel sind in der Ausschnittsvergrößerung Fig. 1a dargestellt. The Win kel are shown 1a in the enlarged FIG.. Diese drei gemessenen Winkel ϕ, ψ, χ geben allerdings keine gute Vorstellung über die Orientierung des Körpers 1.0 . These three measured angles φ, ψ, but χ be any good idea about the orientation of the body 1.0. Anschaulicher beschrie ben wird die Orientierung des Körpers 1.0 durch die Angabe von Vektoren p 1 ˆ oder Einheitsvektoren e u , e v , e w , des durch die Gyroachsen definierten Teilkoordinatensystemes T1 relativ zum Bezugssystem B0 (x, y, z). Illustrative beschrie ben the orientation of the body 1.0 by specifying vectors p 1 and unit vectors e u, e v, e w, the range defined by the Gyroachsen part coordinate system T1 relative to the reference system B0 (x, y, z). Die Umrechnung der Gyrowinkel ϕ, ψ, χ in die 9 kosinus der Winkel zwischen Bezugs- und Teilkoordinatensystem ist der einschlägigen Literatur zu entnehmen. The conversion of the Gyrowinkel φ, ψ, χ in the 9 cosine of the angle between the reference and part coordinate system is taken from the relevant literature. (s. unten). (S. Below). Die Kombination von Positions- und Orientierungserfassung ermöglicht nun die Durchführung folgender Aufgaben: The combination of position and orientation acquisition now enables you to perform the following tasks:

Aufgabe 1 Task 1

Die Definition der räumliche Lage des Körpers durch Angabe The definition of the spatial position of the body by specifying

  • - der Position eines festen Körperpunktes K und entweder - the position of a fixed point of the body K, and either
  • - der Orientierung der Einheitsvektoren der Gyroachsen e u , e v e w oder - the orientation of the unit vectors of the Gyroachsen e u, e v e w or
  • - der Orientierung der Körperachsen durch deren Einheitsvektoren e ξ , e η , e ζ . - the orientation of the body axes through the unit vectors e ξ, e η, ζ e.

Aufgrund der als bekannt vorausgesetzten räumlichem Anordnung des Gyros 1.1 (Achsen u, v, w) relativ zu den Körperachsen ξ, η, ζ ist eine Transformation der durch Messung ermittelten Gyroorien tierung in die Körperorientierung möglich. Due to the assumed as a known spatial arrangement of the gyro 1.1 (axes u, v, w) ξ relative to the body axes, η, ζ, a transformation of the determined by measuring Gyroorien orientation in the body orientation is possible. Vorzugsweise wird man die Körperachsen ξ, η, ζ durch des sen Hauptträgheitsachsen repräsentieren. Preferably, ξ is the body axes, η, ζ represent by the sen principal axes of inertia.

Aufgabe 2 exercise 2

Definition der räumlichen Lage des Körpers durch Repräsentanten. Definition of the spatial position of the body by representatives.

Repräsentanten sind Vektoren (Zeiger) welche die räumliche Lage eines Körpers durch die Angabe von funktionalen oder charakteristischen Koordinaten vertreten. Representatives are vectors (pointer) representing the spatial position of a body by specifying or functional characteristic coordinates. Solche Repräsentanten können z. Such instances may include,. B. durch die Durchstoßpunkte der Körperhauptachsen oder durch die Verbindungsvektoren von Gelenklagerzent ren (wenn ein Körper durch Gelenke mit benachbarten Körpern verbunden ist) ausgedrückt werden. For example, by the intersection points of the principal axes of the body or by the connection vectors of spherical bearings centering ren (when a body is connected by joints with adjacent bodies) can be expressed. In Fig. 1 wird Repräsentant R 1 ˆ durch die Durchstoßpunkte P1, P2 der Körperlängsachse durch die Ab schlußflächen 1.2 und 1.3 gebildet. In Fig. 1 Rep R 1 is represented by the intersection points P1, P2 of the body longitudinal axis of mating surfaces formed by the Ab 1.2 and 1.3. Da der Körper in Fig. 1 einen elliptischen Querschnitt haben soll, kann man Repräsentant R 2 ˆ durch die große Halbachse A (= Strecke P1-P3) definieren. Since the body in Fig. 1 is supposed to have an elliptical cross section, one can define a representative R 2 by the semi-major axis A (= distance P1-P3). Die Repräsen tanten R 1 ˆ und R 2 ˆ lassen sich aus den konstanten Vektoren p 1 ˆ, p 2 ˆ, p 3 ˆ relativ zum Gyrokoordina tensystem T1 angeben. The represen tanten R 1 and R 2 can be derived from the constant vectors p 1, p 2, p 3 tensystem specify relative to Gyrokoordina T1. Durch Erfassung der Gyroorientierung (= Umrechnung der gemessenen Winkel ϕ, ψ, χ in die neun cos-Werte zwischen den Achsen von Gyro und Bezugssystem B0) und einer Körper stelle K (= p K ) - mittels einer Positionssensorik-, lassen sich die gyrobezogenen Vektoren p 1 ˆ, p 2 ˆ, p 3 ˆ bei bekannter gegenseitiger Lage von K und dem Ursprung des Gyrosystems T1 (= Vektor r GK ˆ) in das Bezugssystem B0 transformieren. By detecting the Gyroorientierung (= conversion of the measured angle φ, ψ, χ in the nine cos values between the axes of the gyro and reference system B0) and a part of the body K (= p K) - by means of a Positionssensorik-, let the gyrobezogenen p 1, p 2, p 3 vectors transform in known mutual position of K and the origin of the gyro system T1 (= vector r GK) in the reference system B0.

p 1 (t) = p K (t) + D(t)*(p 1 ˆ - r GK ˆ) (1.1) p 1 (t) = p C (t) + D (t) * (p 1 - r GK) (1.1)
p 2 (t) = p K (t) + D(t)*(p 2 ˆ - r GK ˆ) (1.2) p 2 (t) = p C (t) + D (t) * (p 2 - r GK) (1.2)
p 3 (t) = p K (t) + D(t)*(p 3 ˆ - r GK ˆ) (1.3) p 3 (t) = p C (t) + D (t) * (p 3 - r GK) (1.3)

* ist der Operator der die zeitabhängige Drehmatrix D(t) auf den Differenzvektor (p 1 ˆ - r GK ˆ) anwendet. * Is the operator of the time-dependent rotation matrix D (t) to the differential vector (P 1 - r GK) applies. Die Drehmatrix D(t) wird aus den Winkelmesswerten des Gyros gewonnen. The rotation matrix D (t) is obtained from the angle measurement values ​​of the gyro.

Im Bezugssystem B0 lauten die beiden Repräsentanten R 1 (t) und R 2 (t) dann B0 in the reference system, the two representatives denominated R 1 (t) and R 2 (t) then

R 1 (t) = p 2 (t) - p 1 (t) (1.4) R 1 (t) = p 2 (t) - p 1 (t) (1.4)
R 2 (t) = p 3 (t) - p 1 (t) (1.5). R 2 (t) = p 3 (t) - p 1 (t) (1.5).

Im Bezugssystem B0 ist der Körper 1.0 damit durch einen Ortsvektor (z. B. p 1 (t)) und die beiden Reprä sentanten vollständig beschrieben. B0 in the reference system of the body 1.0 is thus by a position vector (z. B. p 1 (t)) and the two repre sentatives fully described.

Repräsentanten habe zwei vorteilhafte Eigenschaften. Representatives have two beneficial properties.

  • a) Sie geben die Orientierung des Körpers im Bezugssystem an. a) specify the orientation of the body in the reference system.
    R 1 (t) = Orientierung Längsachse R 1 (t) = longitudinal orientation
    R 2 (t) = Orientierung der großen Halbachse A des elliptische Längsquerschnittes, R 2 (t) = orientation of the semi-major axis A of the elliptic longitudinal cross section,
  • b) Bei als Mehrgelenksystem aufgebauten Körpern können Repräsentanten einzelner Glieder als eine Kette von Zeigern dargestellt werden und auf diese Weise ein geometrisches Abbild des Gelenksystems liefern. b) In the case constructed as a multi-joint system bodies representative of individual links can be represented as a chain of pointers and in this way provide a geometric image of the joint system.
Aufgabe 3 task 3

Durch die Kombination von Positions- und Orientierungserfassung kann ein Teilkoordinatensystem defi niert werden, bezüglich dessen die Positionserfassung von zeitlich variablen Punkten erfolgen kann. The combination of position and orientation detection part coordinate system can be defi ned in respect of which can take place, the position detection of variable time points.

Aus r i ˆ wird also r i ˆ(t). From r i so is r i (t). In diesem Fall besteht also die Aufgabe darin, die im Teilkoordinatensystem T1 erfaßten Positionen r i ˆ(t) ins Bezugskoordinatensystem B0 zu transformieren. In this case, therefore, the task is to transform the positions detected in the part coordinate system T1 r i (t) to the reference coordinate system B0.

Zur mathematischen Behandlung der vorgenannten Aufgaben sei auf die einschlägige Literatur z. For the mathematical treatment of the aforementioned tasks was to the pertinent literature such. B. "Großes Handbuch der Mathematik" Buch und Zeit VerlagsGmbH S. 554 bis 556 verwiesen. B. "Great Handbook of Mathematics" book and time VerlagsgmbH S. 554-556 directed.

3) Technische Realisierung 3) Technical Realization

In diesem Abschnitt wird jener Stand der Technik beschrieben welcher die Voraussetzung für die erfin dungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe bietet. This section of that state of the art is described which provides the basis for the dung OF INVENTION proper solution of the problem. Im Sinne der Erfindung werden hier die aktuellsten Methoden auf den beiden - zur Lösung der Aufgabe - zu kombinierenden Gebieten "Inertiale Orientie rungs-Messaufnehmer" und "Positionserfassungssensoriken" vorgestellt. In the context of the invention presents the latest methods on the two - to solve the problem - to be combined areas "Inertial Orientie insurance-sensor" and presented "position detection sensor systems".

3.1) Inertiale Orientierungs-Messaufnehmer 3.1) Inertial orientation sensor

Die praktische Realisierung des Erfindungsgedankens ist auf diesem Gebiet erst durch die Entwicklung der Mikrotechnologie möglich geworden. The practical implementation of the inventive concept has been made possible in this area only through the development of microtechnology. Die benötigten Messaufnehmer haben erst in jüngster Zeit so kleine Dimensionen erhalten, daß eine störungsfreie Anbringung z. The sensors required have received so small dimensions only recently that a trouble-free installation for. B. am menschlichen Körper möglich ist. As is possible on the human body.

Man unterscheidet derzeit 3 Arten von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern die im folgenden wegen des branchenüblichen Sprachgebrauchs auch als Gyros bezeichnet werden. currently one distinguishes three types of inertial orientation transducers which are referred to because of the industry-standard language use as gyros.

3.1.1) Kreisel 3.1.1) centrifugal

Der kardanisch aufgehängte Kreisel stellt die älteste Form von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern dar. Er mißt die Winkelabweichung eines Außengehäuses von einer willkürlich eingestellten Ausgangs lage (z. B. zum Beginn der Rotation) in zwei Orientierungsachsen. The gimbaled gyroscope represents the oldest form of inertial orientation transducers. It measures the angular deviation of an outer housing of a randomly selected output location (eg. As the start of the rotation) in two orientation axes. Zur Bestimmung aller drei Raumach sen sind also zwei derartige Messaufnehmer nötig. To determine all three sen Raumach two such sensors are therefore necessary.

3.1.2) Vibrationsgyro 3.1.2) vibration gyro

Der mikromechanische Vibrationsgyro mißt die Corioliskraft welche bei der Relativbewegung in einem rotierenden System entsteht. The micro-mechanical vibration gyro measures the Coriolis force which arises when relative motion in a rotating system. Dazu wird eine Mikromasse in hochfrequente Vibration versetzt (z. B. durch Piezoschwingelemente oder Magnetfelder). To this end a micro mass is into high-frequency vibrated (for. Example, by piezoelectric vibrating members or magnetic fields). Bei Rotation des Systems um die Messachse wirkt nun eine senkrecht zum Winkelgeschwindigkeitsvektor gerichtete Corioliskraft auf die Mikromasse, wel che als Dehnung deren Aufhängung gemessen werden kann. When rotation of the system about the measuring axis now acts a vertically directed towards the angular velocity vector Coriolis force on the micro-mass, wel che can be measured as elongation its suspension.

Der Vibrationsgyro liefert also nur ein Messsignal für die in seiner Achse gelegene Komponente des räumlichen Winkelgeschwindigkeitsvektors, so daß für die komplette Erfassung drei solche Messein heiten in "linear unabhängiger " Ausrichtung angebracht werden müssen (vorzugsweise orthogonal). Thus, the vibration gyro only provides a measurement signal for the location in its axis component of the spatial angle of the velocity vector so that three such units Messein for complete detection must be applied in "linearly independent" orientation (preferably orthogonal).

Die Bestimmung der gewünschten Winkellage muß dann noch mittels Zeitintegration der Winkelgesch windigkeitskomponenten erfolgen. The determination of the desired angular position must then be windigkeitskomponenten still using time integration of Winkelgesch. Der erhaltene Winkel zu beliebiger Zeit t bemißt sich dann relativ zu der Achsausrichtung im Raum, welche zu Beginn der Messung t = 0 bestand. The angle obtained at any time t then is measured relative to the axis oriented in space, which at the beginning of t = 0 measurement was.

3.1.3) Fibergyros (Lasergyros) 3.1.3) Fiber gyro (Laser Gyros)

Fibergyros messen die Phasenverschiebung (Interferenz) zwischen zwei amplitudenmodulierten, in ent gegengesetzte Richtungen aufgespaltenen Lichtstrahlen in einer Fiberspule beim wiederzusammentref fen in Abhängigkeit der Winkelgeschwindigkeit der Spule. Fiber gyro measuring the phase shift (interference) between two amplitude modulated, split in opposite directions ent light beams in a fiber coil at the back together tref fen function of the angular speed of the bobbin.

Hier gelten im Prinzip die selben Meßbedingungen wie beim Vibrationsgyro: Die komplette Erfassung des Winkelgeschwindigkeitsvektors erfordert drei "linear unabhängig" ausgerichtetet Fiberspulen, die Winkellage bemißt sich relativ zu einer willkürlichen Anfangsorientierung und muß durch Zeitintergration gewonnen werden. Here are basically the same measurement conditions as in the vibration gyro: The complete recording of the angular velocity vector requires three "linearly independent" ausgerichtetet fiber coils, the angular position is measured relative to an arbitrary initial orientation and must be obtained by Zeitintergration.

3.2) Positionserfassung 3.2) Position detection

Folgende, zum Teil noch nicht in der Anwendung befindliche Positionserfassungsmethoden sind für die erfindungsgemäße Kombinationssensorik einsetzbar. The following, not yet being partly in the position of detection methods can be used for the inventive combination sensors.

3.2.1) Licht 3.2.1) light 3.2.1.1) Laufzeit 3.2.1.1) Duration

Aus drei Abstandsmessungen zu unterschiedlichen Referenzstellen wird die räumliche Position gewon nen. the spatial position is NEN Won of three distance measurements at different reference points. Siehe hierzu Patent DE 44 11 218 C1 "Entfernungsmessgerät nach dem Laufzeitprinzip". See Patent DE 44 11 218 C1 "distance measuring device according to the transit time principle".

3.2.1.2) Flächendetektor, Positionsempfindliche Detektoren (PSD) 3.2.1.2) area detector, position sensitive detectors (PSD)

Die Position wird bei diesen Verfahren aus der Verschiebung markanter Punkte auf mindestens zwei räumlich zueinander definiert angeordneten positionsempfindlichen Abbildungsflächen gewonnen. The position is in these processes from the displacement prominent points on at least two mutually spatially defined position sensitive imaging surfaces disposed recovered. Hier zu zählen auch die Auswerteverfahren mit CCD-Kameras. Here to include the evaluation with CCD cameras.
Siehe hierzu die Patente und Offenlegungsschrift See the Patents and Patent Laid
DE 36 01 536 C1 "Anordnung zur Lagebestimmung eines Objektes" DE 36 01 536 C1 "arrangement for determining the position of an object"
DE 44 22 886 A1 "Verfahren und Einrichtung zur optischen Bestimmung räumlicher Positionen . . .". DE 44 22 886 A1. "Method and apparatus for optical determination of spatial positions..."

3.2.1.3) Triangulation; 3.2.1.3) triangulation; Laserscanner laser scanner

Die Triangulation beruht im wesentlichen auf der Bestreichung des Objektes mittels an verschiedenen Stellen im Raum angeordneten Fächerlasern mit unterschiedlichen Charakteristiken (z. B. Scan-Rate, Farbe, Modulationsfrequenz). The triangulation is based essentially on the Bestreichung the object by means arranged at different locations in space compartments lasers with different characteristics (eg. B. scan rate, color, modulation frequency). Die Unterscheidung am Auftreffpunkt erlaubt die Winkellage des Meßob jektes zu den jeweiligen Standorten der Laserquellen zu erfassen. The distinction on the impact point allows the angular position of Messob jektes to the respective locations of the laser sources to capture. Bei Kenntnis der räumlichen Bezie hung der Laserquellen läßt sich die Meßobjektposition durch Triangulation gewinnen. With knowledge of the spatial rela laser sources hung the Meßobjektposition can be gained by triangulation.
Siehe hierzu Patent und Offenlegungsschrift See Patent and Application Publication
US 4,912,643 "Position sensing apparatus" US 4,912,643 "position sensing apparatus"
DE 44 15 3'419 A1 "Positionsmesseinrichtung" DE 44 15 3'419 A1 "position-measuring device"

3.2.1.4) Phasendifferenz 3.2.1.4) phase difference

Der Abstand wird aus der Phasenverschiebung von ausgesandtem und objektreflektierten, amplituden modulierten Laserstrahl gewonnen. The distance is obtained from the phase shift of light emitted and reflected object, amplitude modulated laser beam. Aus drei Abstandsmessungen zu unterschiedlichen Referenzstellen wird die räumliche Position bestimmt. the spatial position is determined from three range measurements at different reference points.
Siehe hierzu die Patente und Offenlegungsschrift See the Patents and Patent Laid
DE 35 27 918 C2 "Vorrichtung zum Feststellen eines Objektes . . ." DE 35 27 918 C2 ". An apparatus for detecting an object.."
DE 40 27 990 C1 "Entfernungsmesser mit cw-moduliertem Halbleiterlaser" DE 40 27 990 C1 "rangefinder with cw-modulated semiconductor laser"
DE 44 34 666 A1 "Sensor". DE 44 34 666 A1 "Sensor".

3.2.2.) Ultraschall 3.2.2.) Ultrasonic 3.2.2.1) Ultraschall-Laufzeit 3.2.2.1) ultrasonic transit time

Die Ultraschall-Laufzeitmethode gehört zu den Standardmethoden der Abstandsbestimmung. The ultrasonic transit time method is one of the standard methods of determining distance. Die Posi tionsbestimmung erfolgt hier aus drei Abstandmessungen zu unterschiedlichen Referenzstellen. The posi tion determination takes place here three distance measurements at different reference points. Posi tionsgenauigkeiten von 1 mm 3 sind dabei in einem Durchschnittsraum zu erzielen. Posistion accuracies of 1 mm 3 are to achieve in an average space.

3.2.2.2) Ultraschall-Phasenverschiebung 3.2.2.2) ultrasonic phase shift

Aus der Phasenlage von ausgesandtem zu zurückgestrahltem Signal ist ebenfalls eine Abstandsbestim mung möglich. The phase angle of light emitted to retroreflected signal is also possible to mung Abstandsbestim. Dabei kann die Reflexion natürlich, oder mit definierter Verzögerung von einem am Be stimmungsort angebrachten Ultraschallemitter erfolgen. The reflection can, of course, take place, or with a defined delay of one stimmungsort mounted on Be ultrasonic emitter.

3.2.3) Felder 3.2.3) fields 3.2.3.1) Körperbezogene Felder 3.2.3.1) Body Related Fields

Durch gezielt am Körper angeordnete, stromdurchflossene Spulen, oder elektrische Ladungen tragende Gebilde werden die Nachteile von extern erzeugten Magnetfelder eliminiert. arranged by targeted to the body, current-carrying coils or electrical charges carrying structure are eliminated the disadvantages of the externally generated magnetic fields. Die Abstände sind hierbei auf den Extremitätenradius begrenzt und damit auch der abstandsabhängige Genauigkeitsschwund. The distances here are limited to the extremities radius and thus the distance-dependent accuracy loss.

Felddeformationen durch Fremdeiseneinflüsse sind kaum gegeben. Field deformations by tramp iron influences are hardly given.

3.2.3.2) (Quasi)skalare Felder 3.2.3.2) (quasi) scalar fields

In der Technik kommen mindestens folgende drei Skalarfelder für die Lösung der erfindungsmäßigen Aufgabe in Frage: Die Schalldruckverteilung, die Leuchtstärkeverteilung und der Effektivwert eines (elektro)-magnetischen Wechselfeldes. In the technique at least the following three scalar fields come for solving the present regular task in question: The sound pressure distribution, the intensity distribution and the effective value of a (electro) -magnetischen alternating field.

4) Patentschriften zu vorliegender Erfindung 4) patents to the present invention

4.1) Europa-Patent 0211 984 B1 Jaron Lanier: filed 19.Aug. 4.1) European Patent 0 211 984 B1 Jaron Lanier: 19.Aug filed. 85 85
"Computer data entry and manipultion apparatus". "Computer data entry and manipultion apparatus".
In Spalte 7, Zeile 5 bis 12 wird zwar die Verwendung eines "orientation sensor 92" beschrieben je doch betrifft keines der vorgeschlagenen Prinzipien einen inertialen Orientierungs-Messaufnehmern. Although the use of a "orientation sensor 92" is described in each column 7, line 5 to 12 but none of the proposed principles relates to an inertial orientation measurement sensors.

4.2) US-Patent 5,676,157 Kramer Priorität 26.Nov.1993 4.2) US Patent 5,676,157 Kramer priority 26.Nov.1993
"DETERMINATION OF KINEMATIKALLY CONSTRAINED MULTIARTICULATED STRUCTURES". "DETERMINATION OF KINEMATIKALLY CONSTRAINED MULTIARTICULATED STRUCTURES".
Im US-Patent 5,676,157 wird im Zusammenhang mit den "Position Sensing Elements" nirgends ein inertialer Orientierungs-Messaufnehmern für die Lösung der Aufgabe erwähnt. In US Patent 5,676,157 there is no mention an inertial orientation measurement sensors for the solution of the problem related to the "Position Sensing Elements".
Die Erläuterung von "Postion Sensing Elements" (Spalte 3, Zeile 10 bis 20 und Zeile 38 bis 45) be schreibt ein Funktionspaar von Sender Tx und Empfänger Rx aber keine inerte Einzelorientierungs sensorik im Sinn eines inertialen Orientierungs-Messaufnehmers. The explanation of "postion sensing element" (column 3, lines 10 to 20 and line 38 to 45) be a function writes pair of transmitter Tx and receiver Rx but no single orientation sensors inert in the sense of inertial orientation sensor.

4.3) Offenlegungsschrift DE 196 32 273 A1 Zwosta Anmeldung: 09.08.1996 4.3) patent application DE 196 32 273 A1 Zwosta Registration: 09.08.1996
"Körpersensorik". "Body sensors".
In der allgemeinen Formulierung der Anmeldung DE 196 32 273 A1 fallen inertiale Orientierungs- Messaufnehmern und deren genannte Kombination mit Positionssensoriken zwar unter die allge meinen Begriffe Sensorikteil, (Spalte 2, Zeile 45), Geometriesensorik und Geometrisensoriksystem in der Beschreibung und den Ansprüchen sind sie jedoch nicht explizit erwähnt oder beschrieben. In the general formulation of the application DE 196 32 273 A1 falling inertial orientation sensors and the said combination with position sensor systems under the general my concepts sensor portion (column 2, line 45), geometry sensors and Geometrisensoriksystem in the specification and claims, however, they are not explicitly mentioned or described.

4.4) US-Patent 5,645,077, Foxlin, Filed Jun. 16, 1994 4.4) US Patent 5,645,077, Foxlin, Filed June 16, 1994
INERTIAL ORIENTATION TRACKER APPARATUS HAVING AUTOMATIC DRIFT COMPENSA TION FOR TRACKING HUMAN HEAD AND OTHER SIMILARY SIZED BODY. INERTIAL TRACKER ORIENTATION APPARATUS HAVING AUTOMATIC TRACKING FOR DRIFT COMPENSA TION HUMAN HEAD AND OTHER BODY Similary SIZED.

Vorteile vorliegender Erfindung Advantages of the present invention

Nach den bisherigen Darlegungen ergeben sich also die nachfolgend aufgezählten Vorteile gegenüber den bestehenden Methoden und Produkten: According to previous statements, there are therefore the following listed advantages over existing methods and products:

  • - Detailauflösung ist unabhängig vom Erfassungsbereich - Detail resolution is independent of the detection range
  • - Prädestiniert für die Ausbildung von Teilkoordinatensystemen - Predestined for training part coordinate systems
  • - Konzeptionell, keine Begrenzung des Erfassungsbereiches - Conceptually, no limit of detection area
  • - Einsatzmöglichkeit für Weltraumanzüge - possible use for space suits
  • - keine Störung von Bewegungen durch Gestänge - no disturbance of movements through linkages
  • - Keine Störanfälligkeit gegen Fremdeisen und elektromagnetische Felder - No immunity to foreign iron and electromagnetic fields
  • - Sensorreduzierung bei der räumlichen Lagebestimmung von Mehrgelenksystemen (z. B. Skelett) - sensor reduction in the spatial orientation of multi-link systems (eg skeleton.)

Wird für die Positionserfassung eines körpereigenen Koordinatenursprungs GPS (Global Positioning System) verwendet so kann die Lagebestimmung aller Körperteile (also eines kompletten Körpers) planetenweit erfolgen. Used for position detection of endogenous origin coordinate GPS (Global Positioning System) is used as the orientation of all body parts can (ie a complete body) carried planet far.

5) Ausführungsbeispiele 5) Embodiments

Fig. 2 und Fig. 2a geben einen Überblick über die prinzipielle Anordnung und Ausgestaltung der Kombination von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern und Positionssensoriken und die Fig. 3 und 3a zeigen zugehörige Details. Fig. 2 and Fig. 2 gives an overview of the basic arrangement and configuration of the combination of inertial orientation sensors and position sensor systems, and FIGS. 3 and 3a show corresponding details. In Fig. 2 ist im Rückenteil einer starren Weste 2.9 eine Kombina tionssensorik 2.0 aus Gyro und einem Teil der externen Positionssensorik 2.5 /E angebracht, welche die räumliche Lagebestimmung der Weste 2.9 ermöglicht (s. oben "2. Lagebestimmung eines Körpers im Raum . . ."). In Fig. 2 in the back part of a rigid vest 2.9 a Kombina is tion sensors mounted from gyro and a part of the external position sensors 2.5 / E 2.0, which allows the spatial orientation of the vest 2.9 (s. Above "2. orientation of a body in space.. . "). Durch die Kombinationssensorik 2.0 wird außerdem das Körperhauptkoordinatensystem B0 repräsentiert. By combining sensor technology 2.0, the body main coordinate system B0 is also represented. (Anm: Es liegt in der Natur der Sache, daß eine Positionssensorik im allgemeinen zwei Hauptanteile hat: einen generierend-emittierenden und einen empfangend-detektierenden Anteil. Be schreibt man eine Positionssensorik allgemein, so kann man wegen der Vielzahl von Methoden und Aus gestaltungen nicht von vornherein sagen an welcher Stelle sich welcher Funktionsteil - Emitter oder De tektor - befindet; dies entscheidet die spätere konkrete Ausgestaltung. Eine Positionssensorik kann außerdem mehrere Abstandssensoriken umfassen, welche entweder aus einer emittierenden Kompo nente und mehreren detektierenden Komponenten besteht, oder umgekehrt. Aufgrund der Vielgestaltig keit einer Positionssensorik werden nachfolgend die Begriffe Positionsanteil oder Teilpositionssensorik verwendet, wenn die abstrakte Beschreibung beide Funktionen - Emitter und Detektor - zuläßt, und wenn die Ausgestaltung offen läßt, ob es sich um eine ein- oder mehrteilige Komponente handelt). (Note: It is in the nature of things that a position sensor generally two main components has:. A generative-emitting and a receiving-detecting portion Be written as a position sensor in general, one can designs because of the variety of methods and from not priori say the point at which which functional part - emitter or De Tektor - is, this determines the later concrete embodiment, a position sensor system may also include a plurality of distance sensor systems, component which is either from an emitting compo and a plurality of detected components consists, or vice versa, due to the.. multiform ness of position sensors are below the terms position component or part position sensors used when the abstract description of both functions - the emitter and detector - allows, and if the design leaves open whether it is a single- or multi-part component).

In den "Flanken" der starren Weste 2.9 befinden sich die Teilpositionssensoriken 2.1 und 2.2 welche für die linke und die rechte Körperhälfte zuständig sind, und welche die körperbezogenen Teilkoordinaten systeme B1 und B2 definieren. In the "edges" of the rigid vest 2.9 are the part position sensor systems 2.1 and 2.2, which are responsible for the left and right body halves and which systems the body-related part coordinates define B1 and B2. An den Händen befinden sich nun zwei weitere Kombinationssensoriken 2.3 und 2.4 welche ebenfalls aus je einem Gyro und einem Positionsanteil bestehen. Now located at the hands of two other combination sensor systems 2.3 and 2.4 which also consist of a gyro and a position component. Diese beiden Kom binationssensoriken 2.3 und 2.4 ermöglichen einerseits die räumliche Lagebestimmung der beiden Hän de (z. B. r P1 (t), e u1 , e v1 , e w1 ), und definieren andererseits je ein weiteres Unterkoordinatensystem (z. B. BP2, u2, v2, w2) über die Umrechnung der gemessenen Gyrowinkel ϕ, ψ, χ. These two Kom binationssensoriken 2.3 and 2.4 allow the one hand, the spatial orientation of both hands de (z. B. r P1 (t), e u1, e v1, e w1), and define the other hand, depending on a further sub coordinate system (z. B. BP2 , u2, v2, w2) φ about the conversion of the measured Gyrowinkel, ψ, χ.

Aufgrund der prinzipiellen Anordnung kann nun die gestellte Aufgabe - nämlich die Bestimmung der räumlichen Lage eines Körperteiles (z. B. einer Hand) - auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen: namely to determine the spatial position of a body part (. eg a hand) - - Due to the basic arrangement, the object is now in a variety of ways done:

A) Auf direktem Weg A) Direct route

Durch direkte Positionsdetektion bezüglich des externen Koordinatensystems (s. Fig. 5). By direct detection position with respect to the external coordinate system (s. Fig. 5). In einem begrenzten Erfassungsbereich in dem nur eine geringe Anzahl von Körperteilen von nur einer Person erfaßt werden soll, bietet sich eine Direktmessung an. In a limited detection range in which only a small number of parts of the body by only one person is to be detected, a direct measurement offers.

B) Auf indirektem Weg B) In an indirect way

Bezüglich eines externen Koordinatensystems 2.5 /E (s. Fig. 2 und 2a) durch Addition der Vektoren: With respect to an external coordinate system 2.5 / E (see FIG 2 and 2a..) By summing the vectors:

r HR (t) = r 0 (t) + r B1 + r P1 (t) (rechte Hand s. Fig. 3) bzw. HR r (t) = r 0 (t) + r r B1 + P1 (t) (right hand s. Fig. 3) or
r HL (t) = r 0 (t) + r B2 + r P2 (t) (linke Hand). HL r (t) = r 0 (t) + r B2 + r P2 (t) (left hand).

Aufgrund der starren Weste sind die beiden Vektoren r B1 und r B2 konstante Größen im Körperhauptko ordinatensystem B0. Because of the rigid jacket, the two vectors r B1 and r B2 are constants in Körperhauptko ordinate system B0. Bei einem größeren Erfassungsbereich mit mehreren Personen ist es vorteilhafter, wenn nicht gar unumgänglich nur jeweils eine signifikante Körperstelle einer Person zu erfassen und die räumlichen Lagen der interessierenden Körperteile körperbezogen zu bestimmen und deren Werte einer externen Weiterverarbeitung zuzuleiten, welche dann die gesamte "geometrische-kinematische Körper situation" relativ zum externen Koordinatensystem berechnet. With a larger detection area with multiple people, it is advantageous, if not essential in each case only to detect a significant part of the body of a person and to determine the spatial positions of the interesting parts of the body body based and to send the values ​​of an external processing, which then all "geometric kinematic body situation "calculated relative to the external coordinate system.

Diese Methode ist angezeigt, wenn sich z. This method is indicated when such. B. mehrere Akteure auf einer großflächigen Bühne bewegen. move several players on a large stage as. Hier gibt es bei der Direkterfassung von Körperteilen Reichweitenprobleme, gegenseitige Abschattun gen, Identifikationsprobleme usw Ein weiteres Anwendungsfeld für die indirekte Methode ist das plane tenweite "body tracking" via GPS (Global Positioning System). There in the direct detection of body parts range problems, called mutual Abschattun, identification problems, etc. Another field of application for the indirect method is the plan tenweite "body tracking" via GPS (Global Positioning System).

C) Körperkoordinatensystem B0 (x0, y0, z0) C) body coordinate system B0 (x0, y0, z0)

Dieser Fall ist in der Sportphysiologie gegeben. This case is given in exercise physiology. Hier kommt es häufig darauf an die Bewegungsabläufe oder räumliche Lage der Körperteile von Sportlern zu erfassen. It is common to capture the movements and spatial position of the body parts of athletes. Dabei ist die Position des Sportler oft nicht von Interesse. It is the position of the athletes often not of interest. In solch einem Fall kann also die der externe Bezug entfallen. In such a case, the external reference can be omitted. Die räumliche Lage der Körperteile wird dann auf ein Körperhauptkoordinatensystem B0 bezogen, welches zu Beginn der Messung auf die Orientierung eines gewünschten Bezugssystems ausgerichtet werden kann. The spatial position of the body parts is then related to a main body coordinate system B0, which can be aligned with the start of measurement to the orientation of a desired reference system. In diesem Anwendungsfall können die Daten entweder an eine entfernte Auswerteeinheit übermittelt, oder bis zur späteren Auswertung am Körper gespeichert werden. In this application, the data can be stored either transmitted to a remote analysis unit, or for later analysis on the body. Im Fall C) entfällt somit die externe Positionssen sorik 2.5 /E und damit auch der Positionsanteil der Kombinationssensorik 2.0 (s. Fig. 2). In case C) the external Positionssen thus eliminating sensor system 2.5 / E and thus the position component of the combination sensor 2.0 (s. Fig. 2).

Eine Form der praktischen Ausgestaltung der externen und körperbezogenen Positionserfassung der Kombinationssensoriken 2.0 , 2.3 oder 2.4 kann mittels Ultraschall-Laufzeit-Abstandsmessung realisiert werden. A form of practical embodiment of the external body-related and position detection of the combination sensor systems 2.0, 2.3 or 2.4 can be realized by means of ultrasonic transit time-distance measurement. Bei Kenntnis der gegenseitigen räumlichen Lage der drei Ultraschallempfänger 2.6 , 2.7 , 2.8 kann man aus den drei Abständen a x , a y , a z in Fig. 2a (= Rückenansicht) die räumliche Position des zur Kombinationssensorik 2.0 gehörenden Ultraschallsenders ermitteln. With knowledge of the mutual spatial position of the three ultrasonic receiver 2.6, 2.7, 2.8 can be seen from the three intervals a x, a y, a z in FIG. 2 (= back view) determine the spatial position of the members of the combination sensor 2.0 ultrasound transmitter. Die Ultraschall-Laufzeit-Ab standsmessung ist Stand der Technik und deshalb nicht weiter erläutert (Es ist hier auf das Patent DE-Pat. 34 06 179 "Vorrichtung zum Messen der Lage und Bewegung wenigstens eines Messpunktes" und die Offenlegungsschrift DE 196 32 273 A1 "Körpersensorik" verwiesen). The ultrasonic transit-time Ab is level measurement prior art and is therefore not explained further (It is here to patent DE Pat. 34 06 179 "Device for measuring the position and movement of at least one measurement point", and the patent application DE 196 32 273 A1 directed "body sensor"). In den Fig. 2 und 2a können die drei Ultraschallempfänger auch in einer Ebene liegen (gestrichelte Variante von Ultraschallempfän ger 2.8 ). In Figs. 2 and 2a, the three ultrasonic receivers may also lie in a plane (broken variant of Ultraschallempfän ger 2.8). Alternativ zu der Ultraschall-Laufzeit-Abstands-Methode hätte auch eine der zitierten opti schen Messmethoden zur externen Positionserfassung von Kombinationssensorik 2.0 zur Anwendung kommen können. As an alternative to the ultrasonic transit time-distance method also cited opti rule measuring methods for external position detection sensor combination of 2.0 could be used.

Fig. 3 zeigt eine Ausschnittsvergößerung der rechten Oberkörperhälfte. Fig. 3 shows a Ausschnittsvergößerung the right upper half of the body. Im Rücken des Trägers ist die Kombinationssensorik (Gyro plus Positionsanteil) 3.0 befestigt, welche die räumliche Lage der starren Weste 3.7 bezüglich eines externen Koordinatensystems bestimmbar macht und welche außerdem das Körperhauptkoordinatensystem B0 definiert. In the back of the wearer, the combination sensor (gyro plus position component) is fixed 3.0, which makes the spatial position of the rigid vest 3.7 determined with respect to an external coordinate system and which also defines the main body coordinate system B0. Um Verdeckungen bei der externen Positionserfassung entgegenzuwirken wird es sinnvoll sein eine zweite solche Kombinationssensorik oder nur einen zweiten Positionsanteil in räumlich definierter Beziehung zur ersten an der starren Weste 3.7 anzubringen. To counteract occlusions in the external position detection, it will be useful to attach a second such combination sensors or only a second position component in a spatially defined relationship to the first to the rigid vest 3.7. Es sei hier auch nochmals daraufhingewiesen, daß der Positionsanteil und der Gyro einer Kombinations sensorik nicht in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht zu sein brauchen. It should also be again noted here that the position component and the gyro sensor of a combination need not be housed in a common housing. In den Flanken der starren Weste 3.7 sind die drei Ultraschallempfänger 3.1 , 3.2 , 3.3 so angeordnet, daß sie ein Koordina tensystem B1 (x1, y1, z1) definieren können. In the flanks of the rigid vest 3.7 are the three ultrasonic receiver 3.1, 3.2, 3.3 arranged so that it comprises a Coordina tensystem B1 (x1, y1, z1) can define. Koordinatenursprung von B1 sei in Fig. 3 der Ultraschall empfänger 3.1 , der auf Grund der Starrheit der Weste 3.7 durch den konstanten Vektor r B1 mit dem Ur sprung des Körperhauptkoordinatensystems B0 verbunden ist. Coordinate origin of B1 was receiver in Fig. 3 of the ultrasonic 3.1, the B1 is connected to the main body of the originating coordinate system B0 due to the rigidity of the vest 3.7 by the constant vector r.

An der rechten Hand des Trägers ist nun eine weitere Kombinationssensorik befestigt. On the right hand of the wearer another combination sensor is now attached. Sie besteht aus dem Gyro 3.5 der auf dem Handrücken befestigt ist und einem Ultraschallsender 3.4 (= Positionsanteil) an der Handinnenfläche. It consists of the Gyro 3.5 which is mounted on the back of the hand and an ultrasonic transmitter 3.4 (= Position percentage) on the palm. Gyro 3.5 und Ultraschallsender 3.4 sind über eine starre Schale 3.6 miteinander verbunden, so daß eine eindeutige räumliche Beziehung zwischen dem Gyro 3.5 und dem Positionsanteil 3.4 besteht (s. Ausschnittsvergößerung Fig. 3a). Gyro 3.5 and the ultrasonic transmitter 3.4 are connected together by a rigid shell 3.6, so that a unique spatial relationship between the gyro 3.5, and the position component is 3.4 (s. Ausschnittsvergößerung Fig. 3a). Die räumliche Lage der starren Schale 3.6 - und da mit der rechten Hand - ist nun eindeutig bestimmt durch die vom Gyro 3.5 (nach Umrechnung) geliefer ten Orientierungsvektoren e u1 , e v1 , e w1 und durch den von der Positionssensorik 3.1 , 3.2 , 3.3 , 3.4 ge lieferten Vektor r P1 (t). The spatial position of the rigid shell 3.6 - and as with the right hand - is now uniquely determined by the by Gyro 3.5 geliefer (after conversion) th orientation vectors e u 1, e v1, e w1 and by the position sensors 3.1, 3.2, 3.3 3.4 ge provided P1 vector r (t). Der Vektor r P1 (t) wird mittels einer Ultraschall-Laufzeit-Abstandsmessung aus den Abständen a x1 a y1 , a z1 - wie bekannt - ermittelt. The vector r P1 (t) by means of an ultrasonic transit time-distance measurement from the distances a x1 a y1, a z1 - as is known - is determined. Da die Orientierung eines Gyros 3.5 frei durch seine "Anfangsorientierung" bestimmbar ist, müssen nur die Koordinaten von r P1 (t) auf das gewählte Bezugs system (B0 oder E) transformiert werden, denn es wird vorausgesetzt daß der Gyro 3.5 bei Messbe ginn auf das jeweilige Bezugssystem ausgerichtet wurde. Since the orientation of a gyro 3.5 can be determined freely by its "initial orientation", only the coordinates of r P1 (t) to the selected reference system (B0 or E) have to be transformed, as it is assumed that the Gyro 3.5 when Messbe beginning on the respective reference system was aligned. Wird das externe Koordinatensystem E als Bezugkoordinatensystem gewählt, so lautet die Transformation If the external coordinate system E selected as the reference coordinate system, this is the transformation

r HR (t) = r 0 (t) + r B1 + r P1 (t). HR r (t) = r 0 (t) + r r B1 + P1 (t).

Ist das Körperhauptkoordinatensystem B0 das gewählte Bezugssystem, so lautet die Transformation Is the body main coordinate system B0 the selected reference system, this is the transformation

r HR (t) = r B1 + r P1 (t). HR r (t) = r + r B1 P1 (t).

Es wird angebracht sein an mehreren Stellen der Hand Positionsanteile - in bekannter geometrischer Be ziehung - anzubringen, um einer Abschattung entgegenzuwirken. It will be installed at several points of the hand position shares - in known geometric relationship Be - to attach to counteract shading. Es versteht sich von selbst, daß anstatt des Körperteiles "Hand" die räumliche Lage jedes anderen Körperteiles mit der beschriebenen Methode bestimmt werden kann. It goes without saying that the spatial position of any other body part can be determined using the method described, instead of the body part "hand". Damit besteht die Möglichkeit der Erstellung einer geometrisch-kinematischen Abbildung eines beweglichen Körpers. This creates the possibility of creating a geometric-kinematic image of a moving body.

Mittels der Orientierungsvektoren e u1 , e v1 , e w1 des Gyros 3.5 kann außerdem an jeder Stelle der starren Schale 3.6 ein Teilkoordinatensystem BP1 (u, v, w) definiert werden wie Fig. 3.a zeigt. By means of the orientation vectors e u1, v1 e, e w1 of the gyro 3.5 can also at any point of the rigid shell 3.6 part BP1 coordinate system (u, v, w) are defined as shown in FIG. 3.a shows. Die Koordina ten von Punkten des Teilkoordinatensystems (z. B. Fingerkuppen in Fig. 3a) sind dann auf die Orien tierungsvektoren e u1 , e v1 , e w1 und den gewählten Teilkoordinatenursprung OP1 zu beziehen. The Coordina th of points of the part coordinate system (z. B. fingertips in Fig. 3a) are then tierungsvektoren the Orien e u1, v1 e, e w1 and the selected part to relate the coordinate origin OP1.

In Fig. 4 ist eine Kombination von Magnetfeld und Gyro zur Lagebestimmung der Hände dargestellt. In FIG. 4, a combination of magnetic and gyro is shown for determining the position of the hands. Um den Leib der Person ist eine stromdurchflossene starre Spule 4.1 befestigt, welche das Magnetfeld MF generiert. For the body of the person is attached to a current-carrying rigid coil 4.1, which generates the magnetic field MF. Diese Spule definiert durch ihre geometrische Ausgestaltung das Körperhauptkoordinatensys tem BO (x0, y0, z0), dessen räumliche Lage bezüglich eines externen Koordinatensystemes durch die Kombinationssensorik 4.2 aus 3A-Gyro und Positionsanteil erfaßt wird. This coil defined by its geometrical configuration, the system Körperhauptkoordinatensys BO (x0, y0, z0), whose spatial position is detected with respect to an external coordinate system by the combination of sensors from 4.2 3A-gyro and position component.

An den Händen der Person ist nun je ein Kombinationssensor 4.3 aus 3A-Gyro 4.4 und 3-Komponenten- Magnetfelddetektor 4.5 (im Folgenden 3K-Magnetfelddetektor genannt) angebracht. At the hands of the person is now depending on a combination of sensor 4.3 3A Gyro 4.4 and 3-component 4.5 (hereinafter referred to as 3C-magnetic field detector) magnetic field detector mounted. Die Orientierungs erfassung des Gyros 4.4 relativ zum Körperhauptkoordinatensystem B0 ermöglicht erst einen Bezug der drei am Messort "Hand" erfaßten Magnetfeldkomponenten. The orientation detection of the gyro 4.4 relative to the body main coordinate system B0 allows only one of the three terms at the measurement site "source" detected magnetic field components. Es sei hier daran erinnert, daß ein Gyro auf ein beliebiges Bezugssystem durch seine "Startorientierung" ausgerichtet werden kann. It should be recalled here that a gyro can be directed to any frame of reference for his "start orientation". Also wird man die Kombinationssensorik 4.3 vor Messbeginn achsparallel zum Körperhauptkoordinatensystem B0 (x0, y0, z0) ausrichten um die gemessenen Magnetfeldkomponenten in Bezug zu B0 zu setzen. So you will put the combination sensor 4.3 Before measuring axis parallel to the body main coordinate system B0 (x0, y0, z0) align the measured magnetic field components with respect to B0. In allgemeinster Form gilt für die Berechnung der magnetischen Feldstärke H(r) eines Leiters das Biot- Savartsche-Gesetz (sz B. "Kleine Enzyklopädie der Physik S. 86" Verlag Harry Deutsch) In allgemeinster form applies to the calculation of the magnetic field strength H (r) of a conductor, the Biot-Savart law (see, eg, "Small Encyclopedia of Physics S. 86" Harry Verlag German)

dH = Jds × (r - s)/4π|r - s| dH = Jds × (r - s) / 4π | r - s | 3 . Third

Daraus erhält man für eine kreisförmige Leiterschleife mit Koordinatenursprung im Kreismittelpunkt, Radius R 0 = s, Strom J, die Feldstärke H am Ort r (x 0 , y 0 , z 0 ), durch Intergration über die Leiter schleife This is obtained for a circular conductor loop with origin at the circle center, radius R 0 = s, current J, the field strength H r (x 0, y 0, z 0), loop through Integration over the conductors at the location

H = S Jds × (r - R 0 )/4π|r - R 0 | H = S Jds × (r - R 0) / 4π | r - R 0 | 3 (2) 3 (2)

mit den Komponenten von H (S = Integralzeichen) with the components of H (S = integral sign)

H x = J/4π S{z 0 R 0 cosϕ/[(x 0 - R 0 cosϕ) 2 + (y 0 - R 0 sinϕ) 2 + z 0 2 )] -3/2 }dϕ (2.1) H x = J / 4π S {z 0 R 0 cos / [(x 0 - R cos 0) 2 + (y 0 - R 0 sinφ) 2 + z 0 2)] -3/2} dφ (2.1)

H y = J/4π S{(z 0 R 0 sinϕ/[(x 0 - R 0 cosϕ) 2 + (y 0 - R 0 sinϕ) 2 + z 0 2 )] -3/2 }dϕ (2.2) H y = J / 4π S {(z 0 R 0 sinφ / [(x 0 - R cos 0) 2 + (y 0 - R 0 sinφ) 2 + z 0 2)] -3/2} dφ (2.2)

H z = J/4π S{(-y 0 R 0 sinϕ - x 0 R 0 cosϕ + R 0 2 )/[(x 0 - R 0 cosϕ) 2 + (y 0 - R 0 sinϕ) 2 + z 0 2 )] -3/2 }dϕ (2.3) H z = J / 4π S {(- y 0 R 0 sinφ - x 0 R 0 cos + R 0 2) / [(x 0 - R 0 cos) 2 + (y 0 - R 0 sinφ) 2 + z 0 2)] -3/2} dφ (2.3)

wobei die Integration über die Leiterschleife von ϕ = 0 bis ϕ = 2π zu erfolgen hat. has the integration over the conductor loop of φ = 0 to φ = 2π up.

Allerdings gelten diese Beziehungen für die Magnetfeldkomponenten H j relativ zum Spulenkoordinaten system B0 der felderzeugenden Spule. However, these relationships hold for the magnetic field components H j relative to the coil coordinate system B0 of the field generating coil.

In der Ausschnittsvergrößerung ( Fig. 4a) sind die 3 orthogonalen Magnetfelddetektoren 4.6 /H u , 4.7 /H v , 4.8 /H w , durch ihre gemeinsame Unterbringung in einem Gehäuse fest an die Orientierungserfassung des 3A-Gyro 4.4 gebunden. In the enlarged detail (Fig. 4a) the 3 orthogonal magnetic field detectors 4.6 / H u, 4.7 / H v, 4.8 / H w, bound by their co-location in a housing fixed to the orientation of the detection 3A gyro are 4.4. Die Magnetfelddetektoren können auf verschiedenen Prinzipien basieren (z. B. dem magnetoresistiven oder dem Hall-Effekt-Prinzip). The magnetic field detectors on different principles are based (eg. As the magnetoresistive or Hall-effect principle). Die von den Detektoren gemessenen Magnetfeld komponenten H u , H v , H w stehen jedoch in keiner Beziehung zum Spulenkoordinatensystem B0. The measured by the detectors magnetic field components H u, H v, H w, however, have no relation to the coil coordinate system B0. Die Beziehung wird erst durch den 3A-Gyro 4.4 geliefert, der durch die gemeinsame Ausrichtung die Orien tierungswinkel a mn des 3K-Magnetfelddetektors 4.5 bezüglich B0 erfaßt. The relationship is supplied only through the 3A gyro 4.4, which is detected by the common alignment of the Orien tierungswinkel a mn of the 3K-magnetic field detector 4.5 with respect to B0. Deshalb müssen die gemesse nen Feldkomponenten H u , H v , H w einer Drehmatrix D(t) unterworfen werden, welche sie in die "richtige" Orientierung transformieren, also Therefore, the precisely measured NEN field components H u, H v, H w a rotation matrix D (t) must be subjected to, which they transform "right" in the orientation, so

H 0 = D(t).H 1 (3) H 0 = D (t) .H 1 (3)

oder in Komponenten. or in components.

H x (t) = a 11 (t)H u (t) + a 12 (t)H v (t) + a 13 (t)H w (t) (3.1) H x (t) = a 11 (t) H u (t) + a 12 (t) H v (t) + a 13 (t) H w (t) (3.1)

H 0 (t) = H y (t) = a 21 (t)H u (t) + a 22 (t)H v (t) + a 23 (t)H w (t) (3.2) H 0 (t) = H y (t) = a 21 (t) H u (t) + a 22 (t) H v (t) + a 23 (t) H w (t) (3.2)

H z (t) = a 31 (t)H u (t) + a 32 (t)H v (t) + a 33 (t)H w (t) (3.3) H z (t) = a 31 (t) H u (t) + a 32 (t) H v (t) + a 33 (t) H w (t) (3.3)

wobei die a mn die kosinus der 9 Achswinkel zwischen Bezugs- und Gyrosystem sind. wherein the A mn are the cosine of the shaft angle 9 between reference and gyro system.

Nachdem also die Magnetfeldkomponenten H x , H y , H z bestimmt sind müssen aus ihnen über die Bezie hungen ( 2.1 ), ( 2.2 ), ( 2.3 ) die gesuchten Koordinaten (x 0 , y 0 , z 0 ) berechnet werden. Thus, after the magnetic field components H x, H y, H z are determined from them have about the Bezie relationships (2.1), (2.2), (2.3) are the coordinates (x 0, y 0, z 0) are calculated. Da eine analytische Methode zur Auflösung der Gleichungen (2.1), (2.2), (2.3) nach den gesuchten Koordinaten (x 0 , y 0 , z 0 ) nicht bekannt ist, kann man folgende Vergleichsmethode anwenden um die gesuchten Koordinaten zu erhalten. As an analytical method for solution of equations (2.1) (2.2) (2.3) for the required coordinates (x 0, y 0, z 0) is not known, one can apply the following comparison method to obtain the desired coordinates. Man berechnet die Magnetfeldstärken einer Vielzahl von Positionen im Erfassungsbereich und überprüft sie teilweise durch Messung. Calculate the magnetic field strengths of a plurality of positions in the detection area and checked partially by measurement. Bei einem Erfassungsbereich von 2 × 2 × 2 m ergeben sich 8 000 000.3 gerechnete Werte für die Magnetfeldkomponenten, wenn man ein Erfassungsraster von 1 cm 3 anstrebt. In a detection area of 2 × 2 × 2 m arise 8000 000.3 projected values for the magnetic field components, when aiming at a detection height of 1 cm 3. Die gesuchten Koordinaten (x 0 , y 0 , z 0 ) erhält man dann durch Vergleich von gemesse nen und berechneten Feldkomponenten. The desired coordinates (x 0, y 0, z 0) is then obtained by comparison of precisely measured and calculated NEN field components. Zur Steigerung der Erfassungsgenauigkeit kann man im Nah bereich der Spule dann noch eine Feinauflösung mit Raster 1 mm 3 ausführen (Berechnung von 10 × 10 × 10 × 3 = 3000 weiteren Feldkomponentenwerten). To increase the detection accuracy can be in the near area of the coil then a fine resolution with grid 1 mm 3 run (calculation of 10 × 10 × 10 × 3 = 3000 further field component values). Um Rechenzeit zu sparen wird man bei der Ver gleichsbildung nicht den gesamten Erfassungsraster abtasten, sondern nur die unmittelbare Umgebung der zuletzt bekannten Position des Magnetfeldsensors. To save computing time it is in the United not equal education scan the entire acquisition raster, but only the immediate vicinity of the last known position of the magnetic field sensor. Dazu wird man zu Beginn der Messung von einer definierten Startposition ausgehen in der gleichzeitig die Ausrichtung der Gyroorientierung erfolgt. To do this, at the start of the measurement of a defined starting position in the run out at the same time the alignment of the Gyroorientierung. Die Magnetspulen 4.10 bis 4.14 zeigen weitere Anordnungsmöglichkeiten am Körper. The solenoids 4:10 to 4:14 show further arrangement possibilities on the body. Dabei können bei be kannter geometrischer Beziehung der Spulen, die verschiedenen Erfassungsbereiche der einzelnen Spu len optimal je nach Position der Hand ausgenutzt werden. In this case can at be known per geometrical relationship of the coils, the different detection areas of the individual Spu len optimally be utilized depending on the position of the hand. Selbstverständlich müssen die einzelnen Spu len in schneller Abfolge nacheinander erregt werden (Multiplexing) oder es ist per Programm nur die Spule stromdurchflossen, welche die höchste Detektorauflösung für die aktuelle Position des 3-K-Mag netfeldsensors 4.5 liefert. Of course, the individual must Spu len in quick succession are sequentially energized (multiplexing) or it has current flowing through the coil only by program, which provides the highest resolution detector for the current position of the 3-K-Mag netfeldsensors 4.5.

Die Methode ist auch im Nahbereich - z. The method is also at close range - eg. B. über einem Tisch - anwendbar, wenn eine Bezugspule wie 4.1 am Bezugsobjekt (Tisch) befestigt ist, und der 3K-Magnetfelddetektoren sowie der 3A-Gyro am zu er fassenden Körper angebracht sind. B. on the same table - applicable when a reference coil as 4.1 at the reference object (table) is fixed, and 3K and the magnetic field detectors 3A gyro on to he barrel body are mounted. (Ähnlich wie in Fig. 5). (Similarly as in Fig. 5). Anstelle des Magnetfeldes MF ist auch eine Kombination von 3A-Gyro und elektrischem Feld möglich. Instead of the magnetic field MF, a combination of 3A-Gyro and the electric field is possible. Der hierbei einzusetzende "Detektor" kann sowohl für eine Feldstärkemessung als auch eine Potentialmessung ausgestaltet sein. The case to be used "detector" can be configured for both a field strength measurement and a potential measurement.

Das folgende Ausführungsbeispiel kombiniert eine Magnetfeldmessung mit einer 3A-Gyro- und einer Ultraschall-Laufzeit-Abstandsmessung. The following embodiment combines a magnetic field measurement with a 3A-gyro and an ultrasonic transit time-distance measurement. Nach US-Patent 4,054,881 "Remote objekt position locater" ist die Position r(x, y, z) eines Punktes im Raum durch die Effektivwertquadrate P i der Magnetfeldkom ponenten von mit Wechselstrom erregten, orthogonalen Leiterschleifen (loop antennas) durch die Gleichungen According to US Patent 4,054,881 "Remote object position locater" is the position r (x, y, z) of a point in space by the effective value of squares P i of Magnetfeldkom components of excited with alternating current, orthogonal conductive loops (loop antennas) by the equations

P z = 1/2.C 2 (ρ)[1/4(x/ρ) 2 + 1/4(y/ρ) 2 + (z/ρ) 2 ] (4.1) P z = 1/2 2.C (ρ) [1/4 (x / ρ) 2 + 1/4 (y / ρ) 2 + (z / ρ) 2] (4.1)

P x = 1/2.C 2 (ρ)[(x/ρ) 2 + 1/4(y/ρ) 2 + 1/4(z/ρ) 2 ] (4.2) P x = 1/2 2.C (ρ) [(x / ρ) 2 + 1/4 (y / ρ) 2 + 1/4 (z / ρ) 2] (4.2)

P y = 1/2.C 2 (ρ)[1/4(x/ρ) 2 + (y/ρ) 2 + 1/4(z/ρ) 2 ] (4.3) P y = 1/2 2.C (ρ) [1/4 (x / ρ) 2 + (y / ρ) 2 + 1/4 (z / ρ) 2] (4.3)

verknüpft (für Abstände ρ < Leiterschleifendurchmesser). linked (for distances ρ <loop conductor diameter). Es handelt sich also um ein Quasiskalarfeld im Sinne von 3.2.3.2). It is a Quasiskalarfeld within the meaning of 3.2.3.2).

Wobei man jede Komponente P i aus den gemessenen Komponenten P i/j eines orthogonalen 3-Kompo nenten-Felddetektors erhält, durch To obtain each component P i from the measured components P i / j of an orthogonal 3-compo nents field detector, by

P z = P z/u + P z/v + P z/w (5.1) P z = P z / u + P z / v + P z / w (5.1)

P X = P X/u + P X/v + P X/w (5.2) P = X P X / u + P X / v + P X / f (5.2)

P Y = P Y/u + P z/v + P Y/w (5.3). P Y P = Y / u + P z / v + P Y / w (5.3).

Die Gleichungen (4.1), (4.2), (4.3) sind allerdings nur dann nach den gesuchten Koordinaten (x, y, z) aufzulösen, wenn der Abstand ρ zwischen den Bezugsleiterschleifen und der Messtelle durch Rechnung (s. US-Patent 4,314,251 Spalte 16) oder eine separate Abstandsmessung (z. B. durch Ultraschall) er mittelt wurde. However, the equations (4.1), (4.2), (4.3) are only then matches the coordinates (x, y, z) to dissolve when the distance ρ between the reference conductor loops and the measuring point by calculation (s. US Patent 4,314,251 column 16) or a separate distance measurement (eg., by ultrasound) it was averages.

Fig. 5 zeigt nun eine Ausgestaltung eines Messplatzes zur Erfassung der räumlichen Lage von Körpern. Fig. 5 shows a configuration of a measuring unit for detecting the spatial position of bodies. Am zu erfassenden Körper 5.1 ist ein 3A-Gyro 5.2 angebracht, dessen Achsen r, s, t die räumliche Orientierung des Körpers 5.1 definieren. At the body to be detected a 5.1 3A gyro is mounted 5.2, the axes r, s, t, the spatial orientation of the body define 5.1. An anderer Stelle des Körpers 5.1 ist ein 3K-Magnetfelddetektor 5.3 befestigt, dessen als Spulen ausgeführte orthogonale Messaufnehmer U, V, W die genannten Feld komponenten P i/j messen um daraus die Position des Spulenzentrums zu bestimmen. At another point of the body 5.1, a 3C-magnetic field detector is mounted 5.3, which is designed as a coil orthogonal transducers U, V, W field, the said components P i / j measure to determine therefrom the position of the coil center. (Anm: In Fig. 5 werden statt Leiterschleifen Spulen verwendet, da sie perspektivisch besser darzustellen sind und die prinzipielle Funktion ebenso erfüllen). (Note: In Fig. 5 coils are used in place of conductor loops, as they are better illustrate in perspective and also fulfill the basic function). Der 3A-Gyro 5.2 und 3K-Magnetfelddetektor können - ähnlich wie in Fig. 4 - auch gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht sein. 3A-3K Gyro 5.2 and magnetic field detector can - as in Fig. 4 - be accommodated together in one housing. Im Zentrum der drei Spulen U, V. W befindet ein Ultraschallsender 5.4 , welcher zusammen mit dem im Ursprung des Bezugssystems B0 be findlichen Ultraschallempfänger 5.5 den Abstand ρ ermittelt. In the center of the three coils U, V. W is an ultrasonic transmitter 5.4, which ρ determined together with the be at the origin of the reference system B0-sensitive ultrasonic receiver 5.5 the distance. Das Bezugssystem B0 (x, y, z) wird durch die orthogonale Anordnung des aus drei Erregerspulen X, Y, Z bestehenden Feldgenerators 5.6 gebildet, welcher das oszillierende Magnetfeld (= elektromagnetisches Feld) erzeugt. The reference system B0 (x, y, z) is formed by the orthogonal arrangement of the three-excitation coils X, Y, Z field generator 5.6, wherein the oscillating magnetic field (= electromagnetic field) is generated. Die drei Erregerspulen wer den nacheinander von bekanntem Wechselstrom i durchflossen um die zur Positionsbestimmung am Körper 5.1 benötigen quadratischen Mittelwerte P i der Magnetfeldstärken H messen zu können. The three excitation coils who order to be able to flow through i succession of known AC for positioning the body 5.1 root mean square values P i need the magnetic field strengths H measure. Da die Position des Körpers aus drei nacheinander erregten Feldern bestimmt wird, muß der Wechsel auf die jeweils nächsterregte Spule natürlich in entsprechend kurzer Zeit erfolgen, um Toleranzen durch die Be wegung des Körpers möglichst gering zu halten. Since the position of the body is determined from three successive fields excited, the change to the respective next stirred coil must of course be carried out in accordance with a short time to keep tolerances by the loading movement of the body as low as possible. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist das Bezugssys tem im Zentrum eines Tisches 5.7 angeordnet, der durch diese Einrichtung als "virtuelle Werkbank" Ver wendung finden kann. In the embodiment of Fig. 5, the Bezugssys system is arranged, which can be found by this device as a "virtual workbench" Ver application in the center of a table 5.7. Der Körper 5.1 kann auch ein mit einer Kombinationssensorik aus 3A-Gyro und 3K-Magnetfelddetektor versehener Datenhandschuh sein, der von einer an der "virtuellen Werkbank" tätigen Person getragen wird. The body 5.1 can also be a combination provided with a sensor 3A Gyro and 3K-magnetic field detector data glove that is worn person operating a "virtual workbench" on.

Statt der Ultraschallsensorik 5.4 , 5.5 kann auch ein optisches Positionsverfahren zur Anwendung kom men. Instead of the ultrasonic sensor 5.4, 5.5 can also be a method of using optical position kom men. Das eben beschriebene Prinzip kann selbstverständlich auch am menschlichen Körper angewandt werden. The principle just described can of course be applied to the human body. Da die Magnetfelder in Fig. 4 und 5 nur auf relativ geringe Distanzen angewandt werden, ent fallen die sonst üblichen Nachteile des Genauigkeitsschwundes bei größeren Abständen. Since the magnetic fields in Fig. 4 and 5 are applied only to relatively short distances, covered ent the usual disadvantages of the fading accuracy at greater distances. Die Positions erfassung mit Magnetfeldern oder elektromagnetischen Feldern kann noch mit anderen Methoden erfol gen (wie z. B. nach US-Patent 3,983,474). The position detection using magnetic fields or electromagnetic fields can have with other methods SUC conditions (such. As according to US Patent 3,983,474). Im Falle elektromagnetischer Felder können zur Felddetek tion am Bestimmungsort auch elektrische Wechselfelddetektoren (= Antennen) zur Anwendung kom men. In the case of electromagnetic fields and electric alternating field detectors (= antennas) for use kom men can contribute to Felddetek tion at the destination.

Das Skelett des menschlichen Körpers stellt aus mechanischer Sicht ein mehrgliedriges Gelenksystem dar. Diese Tatsache kann man vorteilhaft ausnutzen um bei der räumlichen Lagebestimmung von meh reren Körperteilen oder dem ganzen Körper die Anzahl von Positionssensoriken oder Gyros zu reduzie ren, denn die Kenntnis der Zwangsbedingungen und der geometrischen Verhältnisse ersetzt in diesem Fall die durch direkte Messung fehlenden Bestimmungsgrößen. The skeleton of the human body exhibits mechanical point of view, a multi-section articulated system. This fact can be advantageously exploited to aid in the spatial orientation of meh eral parts of the body or the whole body, the number of position sensor systems or gyro to reduzie reindeer, because knowledge of constraints and geometrical relationships replaces the missing by direct measurement determinants in this case.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel zur Einsparung von 3A-Gyros und Positionssensoriken bei der Lageerfassung von Körperteilen relativ zu einem externen Koordinatensystem E. In Fig. 6 genügen bereits zwei Kom binationssensoriken, nämlich 6.1 (Unterarm) und 6.2 (= Schlüsselbein) um die räumliche Lage der drei Körperteile Unterarm, Oberarm, Schlüsselbein zu bestimmen. Fig. 6 shows an example for saving 3A-gyros and position sensor systems during the position detection of the body parts relative to an external coordinate system E. In Fig. 6 suffice two Kom binationssensoriken, namely 6.1 (forearm) and 6.2 (= clavicle) to the spatial position of the three body parts forearm, to determine collarbone. Am Oberarm braucht kein Sensor ange bracht werden, da das Oberarmglied als starres Verbindungsstück die Gelenklagerzentren S 2 und U 1 mit den beiden Anschlußgliedern "Schlüsselbein" und "Unterarm" gemeinsam hat. On the upper arm no sensor needs to be done is because the upper arm link the joint storage centers has in common as a rigid connector S 2 and U 1 with the two connecting members "clavicle" and "forearm". Das menschliche Skelett bildet eine geschlossene Gliederkette vom Schlüsselbein bis zu den Fingerspitzen, welche durch Gelenke unterschiedlicher Freiheitsgrade miteinander verbunden sind. The human skeleton forms a closed link chain from the collarbone up to the fingertips, which are interconnected by joints of different degrees of freedom. Nun kann man den Verbindungs vektor zwischen zwei Gelenklagerzentren als Repräsentant R i eines Gliedes definieren. Now, one can define the connection vector between two pivoting bearing centers as a representative of R i of a limb. Man kann den Repräsentanten eines Gliedes bei Kenntnis der räumlichen Lage eines an ihm befestigten Kombinations sensors aus dessen Positions- und Orientierungswerten gewinnen. One can obtain the representatives of a member with knowledge of the spatial position of a sensor attached thereto combination of the position and orientation values. Platziert man nun Kombinationssen sor 6.1 derart, daß seine Achse ξ (= Einheitsvektor e ξ ) parallel zum Verbindungsvektor zwischen den Gelenklagerzentren U 1 und U 2 liegt, und bestimmt man die Abstände L u1 und L u2 so erhält man den Repräsentanten R U des Unterarmes durch die Vektoren u 1 und u 2 zu: If one now placed Kombinationssen sor 6.1 such that its axis ξ (= unit vector e ξ) parallel to the connecting vector between the pivot bearing centers U 1 and U 2 is located, and one determines the distances L u1 and L U2 we obtain the representatives R U of the lower arm by the vectors u 1 and u 2 to:

u 1 = -(L U1 e ξ ) (6.1) u 1 = - (L U1 e ξ) (6.1)

und and

u 2 = (L U2 e ξ ) (6.2) u 2 = (L U2 e ξ) (6.2)

und damit and thus

R U = u 2 - u 1 = L U2 e ξ - [-(L U1 e ξ )] = (L U2 + L U1 ) e ξ (6.3). R U = u 2 - u 1 = L U2 e ξ - [- (L U1 e ξ)] = (L + L U1 U2) e ξ (6.3).

Die Ortsvektoren r U1 und r U2 zu den Gelenklagerzentren U 1 und U 2 erhält dann aus der Messung von Ortsvektor r U und Orientierungswinkeln e ξ von Kombinationssensor 6.1 , sowie den Abständen L u1 und L u2 , zu: The position vectors r and r U1 U2 to the hinge bearing centers U 1 and U 2 is then obtained from the measurement of the position vector r U and orientation angles e ξ combination of sensor 6.1 as well as the distances L and L u1 u2 to:

r U1 = r U + u 1 = r U + L U1 e ξ (6.4) r U1 = U r + u 1 = r + U L ξ U1 e (6.4)

r U2 = r U + u 2 = r U - L U2 e ξ (6.5). r U2 = U r + u 2 = r U - L U2 e ξ (6.5).

Das beschriebene Verfahren ist natürlich in analoger Weise für den Repräsentanten R S des rechten Schlüsselbeines anwendbar und man erhält so die Ortsvektoren r S1 , r S2 der Schlüsselbeingelenke. The described method is of course applicable in an analogous manner for the representative R S of the right clavicle and the result is the position vectors r S1, r S2, the clavicle joints. Da mit ist die räumliche Lage des Oberarmes - bis auf seine Drehung - durch die Ortsvektoren r U1 und r S2 miterfaßt. As with the spatial position of the upper arm - apart from its rotation - also detected by the position vectors r and r U1 S2.

Fig. 7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Erfassung der selben Glieder wie in Fig. 6. unter Ausnutzung der Gelenkstruktur. Fig. 7 shows an alternative embodiment for the detection of the same members as in FIG. 6, taking advantage of the hinge structure. Im Unterschied zu Fig. 6 ist die räumliche Lage der Körperteile in Fig. 7 auf ein Körperhauptkoordinatensystem B0 bezogen. In contrast to FIG. 6, the spatial position of the body parts in Fig. 7 with respect to a main body coordinate system B0. Dieses Körperhauptkoordinatensystem wird durch den Hauptkombinationssensor 7.0 gebildete der durch seinen Positionsanteil den externen Bezug herstellt und somit die Transformation der Körperteilkoordinaten auf ein externes System ermög licht. This main body coordinate system is formed by the main sensor combination 7.0 of the external reference is prepared by its position component, and thus the transformation of the part of the body coordinates to an external system made light. Die Positionssensorik zur Erfassung des Schlüsselbeines besteht aus 3 Ultraschallempfängern in definierter geometrischer Beziehung von denen nur zwei, nämlich 7.2 und 7.3 in Fig. 7 dargestellt sind. The position sensor system for detecting the clavicle consists of 3 ultrasonic receivers in a defined geometric relationship of which only two, namely 7.2 and 7.3 in Fig. 7 are shown. (Der dritte Ultraschallempfänger ist auf dem rechten Schulterblatt befestigt und in Fig. 7 nicht sicht bar). (The third ultrasonic receiver is mounted on the right shoulder blade and not in Fig. 7 visual bar). Die Positionssensorik zur Erfassung des Unterarmes besteht ebenfalls aus 3 in definierter geomet rischer Beziehung stehender Ultraschallempfänger 7.4 , 7.5 , 7.6 . The position sensor system for detecting the lower arm also consists of 3 standing in a defined relationship geomet-driven ultrasonic receiver 7.4, 7.5, 7.6. Der Hauptkombinationssensor 7.0 und die Ultraschallempfänger 7.2 , 7.3 , 7.4 , 7.5 , 7.6 . The main combination sensor 7.0 and the ultrasonic receiver 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6. sind alle an der starren Weste 7.1 befestigt und stehen somit in bekannter geometrischer Beziehung. are all attached to the rigid vest 7.1 and are thus in a known geometric relationship. Die Positionsbestimmung der Kombinationssensoriken 7.7 (r S0 , Schlüsselbein) und 7.8 (r U0 , Unterarm) - deren Positionsanteil ein Ultraschallsender ist - erfolgt als Schnittpunkt von je 3 Kugeln (z. B. K4, K5, K6 für den Unterarm) mit Mittelpunkten in den bekannten Positionen der Ultraschallempfänger (z. B. für den Unterarm r U4 , r U5 , r U6 ) und Radien aus den Ultra schall-Laufzeit-Abstandsmessungen (der Sachverhalt ist aus Platzgründen nur für den rechten Unterarm dargestellt, für das Schlüsselbein gelten selbstverständlich analoge Beziehungen). The position determination of the combination sensor systems 7.7 (r S0, clavicle), and 7.8 (r U0, forearm) - whose position component is an ultrasonic transmitter - is carried out as the intersection of each of 3 balls (e.g., K4, K5, K6 on the forearm.) With centers in the known positions of the ultrasonic receiver (z. B. for the forearm r U4, r U5, r U6) and radii of the ultra-sound transit-time distance measurements (the situation is shown for reasons of space on the right forearm of the clavicle are applicable analogous relationships). Die Orientierungs ausrichtung der Gyro-Anteile der Kombinationssensoriken 7.7 und 7.8 erfolgt wieder so, daß eine Gyro achse (z. B. e ξ für den Unterarm) parallel zu den Gelenklagerzentren (z. B. U1 und U2 für den Unterarm) liegt. The orientation alignment of the gyro components of the combination sensor systems 7.7 and 7.8 is again such that a gyro axis (z. B. e ξ for the lower arm) parallel to the pivoting bearing centers (z. B. U1 and U2 for the lower arm) is located. Bei bekannten Abständen (z. B. L U1 und L U2 ) der Kombinationssensoriken 7.7 und 7.8 sind die Koordinaten der Gelenklagerzentren S1(r S1 ), S2(r S2 ), U1(r U1 ), U2(r U2 ) und die Repräsentanten R U und R S wie unter den Gleichungen (6.1) bis (6.5) zu bilden. In known spacings (z. B. L U1 and L U2) of the combination sensor systems 7.7 and 7.8, the coordinates of the spherical plain bearing centers are S1 (r S1), S2 (r S2), U1 (R U1), U2 (R U2) and the representatives to form R U and R S as described in the equations (6.1) to (6.5). Die Vektoren sind jetzt allerdings auf das Körperhauptkoordinatensystem B0 bezogen und müssen, wenn benötigt mittels der Orientierungswinkel der Kombinationssensorik 7.0 und des Vektors r EB0 auf ein externes Koordinatensystem transformiert werden. The vectors are now, however, with respect to the main body coordinate system B0 and must, if needed to be transformed to an external coordinate system by means of IB0 the orientation angle of the combination sensor 7.0 and the vector r. Die Gelenklagerzentren S2(r S2 ) und U1(r U1 ) definieren den Oberarm und ermöglichen seine Darstellung durch den Repräsentanten The pivot bearings centers S2 (r S2) and U1 (U1 r) defining the upper arm and allow its representation by the representatives

R O = r S2 - r U1 (7.0) R O = R S 2 - r U1 (7.0)

ohne an ihm eine Sensorik anbringen zu müssen. without having to attach to it a sensor.

Schließlich erhält man durch die Repräsentanten R s , R O , R U und die Ortsvektoren r S1 , r S2 , r U1 , r U2 nun ein Abbild der Schlüsselbein-Arm-Gliederkette zu: Finally r U2 now obtained by the representatives of R s, R O, R U, and the position vectors r S1, r S2, r U1, an image of the clavicle arm link chain to:

r S1 = r S - L S2 e (7.1) r r S1 = S - L S2 e (7.1)

R S = (L S1 + L S2 )e (7.2) R S = (L S1 + L S2) e (7.2)

r S2 = r S1 + R S = r S - L S2 e + (L S1 + L S2 )e = r S + L S1 e (7.3) r S2 = r S1 + R S = R S - L S2 e + (L S1 + L S2) e = r S + L e S1 (7.3)

r U1 = r U + u 1 = r U + L U1 e ξ (7.4) r U1 = U r + u 1 = r + U L ξ U1 e (7.4)

R O = r S2 - r U1 = r S + L S1 e - L U1 e ξ (7.5) R O = R S 2 - r r U1 = S + L S1 e - L U1 e ξ (7.5)

r U2 = r u + u 2 = r U - L U2 e ξ (7.6) r U2 = r u + u 2 = r U - L U2 e ξ (7.6)

R U = u 2 - u 1 = L U2 e ξ - [-(L U1 e ξ )] = (L U2 + L U1 ) e ξ (7.7). R U = u 2 - u 1 = L U2 e ξ - [- (L U1 e ξ)] = (L + L U1 U2) e ξ (7.7).

Abschließend soll die räumliche Lagebestimmung des Schlüsselbeines S1-S2 wegen seiner "verdeckten" Anordnung am Körper näher erläutert werden. Finally, the spatial orientation of the clavicle S1-S2 because of its "hidden" arrangement on the body is to be explained in more detail. Eine genaue Bestimmung der Gelenklagerzentren S1 und S2 ist von außen schwerlich möglich und für die meisten Anwendungen wohl gar nicht gefordert. An accurate determination of the joint storage centers S1 and S2 from the outside hardly possible and probably not required for most applications. Bei vie len Anwendungen geht es nur darum ein "Echtzeit-Gelenkmodell" zu erhalten, bei dem die Schulter zwar dazugehört jedoch keinen Genauigkeitsanforderungen unterworfen ist. In vie len applications, it's just about to get a "real-time joint model," in which, although the shoulder that includes but not accuracy requirements is subject. (Im Gegensatz zu Steue rungsanwendungen der menschlichen Hand). (Unlike Steue human hand control applications). Also genügt es für das Schlüsselbein in den meisten Fäl len den Kombinationssensor grob nach Augenmaß auf Orientierung auszurichten und die Abstände zu den Gelenken mit dem Zentimetermaß auszumessen. So it is sufficient for his collarbone in most FAEL len the combination sensor roughly by eye align with orientation and measure the distances to the joints with the tape measure. Um Abschattungen der Ultraschallimpulse im Schulterbereich zu vermeiden, ragen die Ultraschallempfänger 7.2 , 7.3 weit genug über die die Ober fläche der starren Weste 7.1 hinaus. To avoid shading of the ultrasonic pulses in the shoulder area, 7.2, 7.3 extend the ultrasonic receiver far enough above the upper surface of the rigid vest 7.1 addition. Außerdem können die Ultraschallempfänger 7.2 , 7.3 - und der nichtsichtbare am Schulterblatt - zusätzlich die Positionsbestimmung der Unterarmkombinationssensorik 7.8 übernehmen, wenn bei gehobenem Arm der Erfassungsbereich der Ultraschallempfänger 7.4 , 7.5 , 7.6 abgeschattet ist. And not visible to the shoulder blade - - In addition, the ultrasonic receiver 7.2, 7.3 can also take over the positioning of the forearm combination sensor 7.8 when at upscale arm of the detection range of the ultrasonic receiver 7.4, 7.5, 7.6 is shaded.

6) Definitionen und Begriffserklärungen 6) Definitions and Glossary - Orientierung, Orientierungswinkel eines Körpers im Raum - orientation, the orientation angle of a body in space

Die Orientierung eines Körpers im Raum ist bestimmt durch die 9 kosinus der Winkel zwischen den Achsen eines Bezugssystemes und eines körper(teil)bezogenen Koordinatensystemes. The orientation of a body in space is determined by the cosine of the angle 9 between the axes of a reference system and a body (part) related coordinate system.

Diese Orientierung kann aus den drei Drehwinkeln der Körper(teil)achsen relativ zum Bezugssystem errechnet werden. This orientation can from the three angles of rotation of the body (part) axes are calculated relative to the reference system.

- Orientierungssystem ist der Bezugsrahmen für die Orientierung eines Körpers. - orientation system is the frame of reference for the orientation of a body. Es ist sozusagen ein Koordinatensystem bei dem die translatorischen Komponenten fehlen. It's kind of a coordinate system in which the translational components are missing.

- Räumliche Lage eines Körpers - Spatial position of a body

Im Sinne vorliegender Erfindung ist die "räumliche Lage eines Körpers" bestimmt durch die Position (Koordinaten) eines bestimmten Körperpunktes (Translationskomponente) und die Orientierung seiner frei wählbaren Koordinatenachsen relativ zu einem Bezugssystem. For the purposes of the present invention is the "spatial position of a body" determined by the position (coordinates) of a specific body point (translational component), and the orientation of its freely selectable coordinate axes relative to a reference system.

Die räumliche Lage eines Körpers kann durch verschiedene Vektorkombinationen ausgedrückt werden (z. B. durch Repräsentanten). The spatial position of a body can be expressed by different vector combinations (eg. As by representatives). Diese Definition soll nochmals verdeutlichen, daß unter dem Begriff "räumliche Lage eines Körpers" nicht nur seine Orientierung sondern auch seine Position zu verstehen ist. This definition is intended to illustrate once again that not only its orientation but also its position is meant by the term "spatial position of a body."

- Positionssensorik - Position sensors

Eine Positionssensorik besteht im allgemeinen aus einem Generator- oder Emitterteil (z. B. Magnetfeld generator, Ultraschallemitter, Antenne usw.) und einem Detektorteil (z. B. ein Felddetektor, Ultraschall empfänger, Antenne usw.). A position sensor generally consists of a generator or emitter portion (z. B. magnetic field generator, the ultrasonic emitter, antenna, etc.) and a detector portion (eg., One field detector, ultrasonic receiver, antenna, etc.). Dabei ist nicht festgelegt, ob am dem Körper(teil) dessen Position zu bestim men ist ein Detektor- oder ein Emitterteil angebracht ist. It is not established whether at the body (part) whose position during limited men is a detector or an emitter member is mounted. Eine Positionssensorik kann aus mehreren Ge neratoreinheiten und/oder mehreren Detektoreinheiten bestehen. A position sensor system may neratoreinheiten of a plurality of Ge and / or consist of a plurality of detector units. Hier zeigt sich deutlich, daß der Be griff Positionssensor für ein so komplexes Gebilde aus mindestens zwei Hauptkomponenten nicht aus reichend wäre. Here, that the loading handle position sensor for such a complex structure consisting of at least two main components not reaching would clearly shows.

- Positionsanteil, Teilpositionssensorik - position component supply position sensor

Beschreibt man eine Positionssensorik allgemein, so kann man wegen der Vielzahl von Methoden und Ausgestaltungen nicht von vornherein sagen an welcher Stelle sich welcher Funktionsteil - Emitter oder Detektor - befindet. Describing a position sensor in general, so you can not say from the outset as the location of which function partly because of the variety of methods and designs - emitter or detector - is. Eine Positionssensorik kann außerdem mehrere Abstandssensoriken umfassen, welche entweder aus einer emittierenden Komponente und mehreren detektierenden Komponenten besteht, oder umgekehrt. A position sensor system may also include a plurality of distance sensor systems, which either consists of an emitting component and a plurality of detected components, or vice versa. Es gibt Ausführungen, bei denen der an der Meßstelle befestigte Positionsanteil Detektorfunktion ausübt (z. B. Magnetfelddetektor in Fig. 4 und 5), es gibt aber auch Fälle bei denen er als Emitter oder Generator (z. B. Ultraschallemitter in Fig. 2 und 3) ausgeführt ist. There are embodiments in which the attached to the measurement point position component detector function exerts (z. B. magnetic field detector in Fig. 4 and 5), but there are also cases in which it as an emitter or generator (z. B. ultrasonic emitter in Fig. 2 is carried out and 3). Da eine Positionssensorik als Ganzes aus mehren Anteilen besteht, wird in dieser Patentanmeldung ganz allgemein von einer Teilpositionssensorik oder einem Positionsanteil gesprochen, wenn die ab strakte Beschreibung beide Funktionen - Emitter und Detektor - zuläßt und wenn die Ausgestaltung offen läßt, ob es sich um eine ein- oder mehrteilige Komponente handelt. Since a position sensor as a whole composed of several consists Shares is generally speaking in this patent application from a supply position sensor or a position component when off stract description of both functions - the emitter and detector - allows and if the design leaves open whether it is one to one - acts or multi-part component. Um eine Positionssensorik aufzu bauen sind also mindestens zwei Teilpositionssensoriken erforderlich. So at least two sub position sensor systems build aufzu a position sensor is required.

- Inertialer Orientierungs-Messaufnehmer - inertial orientation sensor

Inertialer Orientierungs-Messaufnehmer ist eine Funktionseinheit, welche ihre Orientierung oder die Ori entierung des zu messenden Körpers auf ein beliebig festgelegtes Orientierungssystem bezieht. Inertial orientation sensor is a function unit which obtains its orientation or the Ori-orientation of the body to be measured at an arbitrarily fixed orientation system. Ein idealer inertialer Orientierungs-Messaufnehmer unterliegt keinen Einflüssen von außen und muß seinen Bezug während der Messung auch nicht von außen erhalten (inert = träge, unbeteiligt, reaktionsarm). An ideal inertial orientation sensor is not subject to influences from the outside and needs to get its reference during the measurement not even from the outside (= inert sluggish, uninvolved reaction arm).

- Gyro, 3A-Gyro - gyro, gyro-3A

Gyro ist die Abkürzung für Gyroscope und bezeichnet technische Messgeräte zur Erfassung von Drehun gen. Im Sinne der Erfindung bezieht sich diese Drehungserfassung auf ein einmal festgelegtes Koordina tensystem bzw. Koordinatenachse. Gyro is the abbreviation for Gyroscope and designated technical instruments for recording Drehun gen. According to the invention, this rotation sensing refers to if you set one Coordina tensystem or coordinate axis. Da die Erfassung der räumlichen Orientierung eines Körpers drei Drehwinkel um die Koordinatenachsen erfordert benötigt man einen 3-Achs-Gyro, abgekürzt 3A-Gyro. Since the detection of the spatial orientation of a body requires three rotation angles about the coordinate axes is required a 3-axis gyro, 3A abbreviated gyro. Gyro ist im Sinne dieser Patentanmeldung auch die Bezeichnung für inertialer Orientierungs-Messauf nehmer. Gyro is the purpose of this patent application, the term for inertial orientation Messauf participants.

- Kombinationssensorik - Combination Sensor

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter Kombinationssensorik eine Kombination von inertia lem Orientierungs-Messaufnehmer (Gyro) und einer Teilpositionssensorik verstanden. For the purposes of the present invention, a combination of inertia lem orientation sensor (gyro) and a part-position sensing is understood by combination sensors.

- Repräsentant - representative

Repräsentanten sind Vektoren (Zeiger) welche die räumliche Lage eines Körpers durch die Angabe von funktionalen oder charakteristischen Koordinaten vertreten. Representatives are vectors (pointer) representing the spatial position of a body by specifying or functional characteristic coordinates. Solche Repräsentanten können z. Such instances may include,. B. durch die Durchstoßpunkte der Körperhauptachsen oder durch die Verbindungsvektoren von Gelenklagerzent ren (wenn ein Körper durch Gelenke mit benachbarten Körpern verbunden ist) ausgedrückt werden For example, by the intersection points of the principal axes of the body or by the connection vectors of spherical bearings centering ren (when a body is connected by joints with adjacent bodies) can be expressed

- Ultraschallimpuls, Ultraschallsignal - ultrasonic pulse ultrasonic signal

In vorliegender Schrift stehen beide Begriffe für eine räumliche Störung die sich linear mit konstanter Geschwindigkeit in einem materiellen Medium ausbreitet. In the present work, both terms of a spatial disorder are spreading linearly with constant speed in a material medium. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es fallweise sinnvoll sein dieser Störung eine Information mitzugeben (Signal) in anderen Fällen ist dies nicht erforderlich (Impuls). For the purposes of the present invention, it may be occasionally useful mitzugeben this disorder information (signal) in other cases this is not required (pulse). Der Begriff "Ultraschallsignal" soll nicht festlegen, daß die Störung eine Infor mation tragen muß, der Begriff "Ultraschallimpuls" soll dies nicht ausschließen. The term "ultrasonic signal" is not to determine that the fault must wear Infor mation, the term "ultrasonic pulse" should not exclude it.

  • - inertialer n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer, n-Komponentendetektor - inertial n-axis orientation sensor, n-component detector
    die unbestimmte Dimensionsangabe in den Ansprüchen soll einen Schutz von Anwendungen welche andersdimensionale Räume als den 3-dimensionalen betreffen, nicht ausschließen. the indefinite dimensions specified in the claims is intended to relate to a protection applications which other-spaces as the 3-dimensional, not mutually exclusive. Dies ist z. This is for. B. eine Positions- und Richtungserfassung auf einer ebenen Tischplatte. As a position and direction detection on a flat tabletop. Hier werden nur 2-dimensionale Sensoriken benötigt. Here are just two-dimensional sensor systems are needed.
  • - Sensorik - sensors
    die Endung "ik" zeigt an, daß es sich um eine übergeordnete Struktur handelt. the ending "ik" indicates that it is a higher-order structure.
  • - kosinus ist Mehrzahl von cosinus. - cosine plurality of cosine.

Claims (21)

1. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen dadurch gekennzeichnet , 1. A method for detecting the spatial position and / or movement of body parts and the formation of sub-coordinate systems characterized in
  • - daß an mindestens einem Körperteil mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht sind, - that are mounted on at least one part of the body at least a 3-axis inertial orientation sensor and at least a part of position sensors,
  • - daß an einem Bezugskörperteil mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht ist, - that at least one part position sensor is attached to a reference body part,
  • - daß die Signale von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von min destens einer Positionssensorik mindestens einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden, - that the signals of at least one 3-axis inertial orientation sensor and a position sensor of at least least at least a signal and data processing are fed,
  • - daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position der an einem Körperteil bezw. - that the data processing BEZW fall as the necessary determination values ​​of the orientation and / or position of on a body part. dem Bezugskörperteil angebrachten inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und Teilpositionssensoriken sowie von repräsentativen Körperteil- bezw. the reference body part attached inertial 3-axis orientation sensor and position sensor systems as well as part of BEZW representative Körperteil-. Bezugskör perteilstellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein Körperteil bzw. das Bezugskörperteil bezogen sind -, are input Bezugskör perteilstellen - wherein the determination of said values ​​of the orientation and / or position related to a body part and the reference part of the body -,
  • - daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einer Positionssensorik und den fallweise eingegeben Bestimmungs werten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen, relativ zu einem am Be zugskörperteil definierten Koordinatensystem errechnet: - that the data processing from the signals of at least an inertial 3-axis orientation sensor and at least one position sensor and occasionally entered determination values, at least one of the following geometric determinants, calculated relative to a zugskörperteil defined on Be coordinate system:
  • - die Position und Orientierung von mindestens einem Körperteil oder - the position and orientation of at least one body part or
  • - mindestens einen Körperteilpunkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körperteil oder - at least one body part point and / or at least one representative of at least one body part or
  • - den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körperteil oder einem inertialen 3-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körperteilen, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den, - the origin and orientation (swinkel) of a body part or an inertial 3-axis orientation sensor part connected to the coordinate system, and the positions and / or orientations of other body parts, which detects relative to this part coordinate system who is the,
  • - daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen. - that the calculated geometric determinants of the time derivatives include.
2. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet, 2. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies and / or body parts as well as the formation of sub-coordinate systems, characterized in that
  • - daß an mindestens einem Körperteil mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht sind, - that are mounted on at least one part of the body at least a 3-axis inertial orientation sensor and at least a part of position sensors,
  • - daß an einem Bezugskörperteil mindestens eine Teilpositionssensorik und mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer angebracht sind, - that at least a part of position sensors and at least one 3-axis inertial orientation sensors are attached to a reference body part,
  • - daß die Signale von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von min destens einer Positionssensorik mindestens einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden, - that the signals of at least one 3-axis inertial orientation sensor and a position sensor of at least least at least a signal and data processing are fed,
  • - daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position der an einem Körperteil bezw. - that the data processing BEZW fall as the necessary determination values ​​of the orientation and / or position of on a body part. dem Bezugskörperteil angebrachten inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und Teilpositionssensoriken sowie von repräsentativen Körperteil- bezw. the reference body part attached inertial 3-axis orientation sensor and position sensor systems as well as part of BEZW representative Körperteil-. Bezugskör perteilstellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein Körperteil bzw. das Bezugskörperteil bezogen sind -, are input Bezugskör perteilstellen - wherein the determination of said values ​​of the orientation and / or position related to a body part and the reference part of the body -,
  • - daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einer Positionssensorik und den fallweise eingegeben Bestimmungs werten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen, relativ zu einem am Be zugskörperteil definierten Koordinatensystem und/oder relativ zu einer Bezugsorientierung errechnet: - that the data processing from the signals of at least an inertial 3-axis orientation sensor and at least one position sensor and occasionally entered determination values, at least one of the following geometric determinants, relative to a zugskörperteil defined on Be coordinate system and / or relative to a reference orientation calculated:
  • - die Position und Orientierung von mindestens einem Körperteil oder - the position and orientation of at least one body part or
  • - mindestens einen Körperteilpunkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körperteil oder - at least one body part point and / or at least one representative of at least one body part or
  • - den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen 3-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körperteilen, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den, - the origin and orientation (swinkel) of a body (part) or an inertial 3-axis orientation sensor part connected to the coordinate system, and the positions and / or orientations of other body parts, which detects relative to this part coordinate system who is the,
  • - daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen. - that the calculated geometric determinants of the time derivatives include.
3. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet, 3. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies and / or body parts as well as the formation of sub-coordinate systems, characterized in that
  • - daß an mindestens einem Körperteil mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht sind, - that are mounted on at least one part of the body at least a 3-axis inertial orientation sensor and at least a part of position sensors,
  • - daß an einem Bezugskörperteil mindestens eine Teilpositionssensorik und mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer angebracht sind, - that at least a part of position sensors and at least one 3-axis inertial orientation sensors are attached to a reference body part,
  • - daß mindestens eine am Bezugskörperteil angebrachte Teilpositionssensorik mit einer externen Teil positionssensorik zusammenwirkt, - that at least one reference body mounted on the part supply position sensor with an external part position sensors cooperates
  • - daß die Signale von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von min destens einer Positionssensorik mindestens einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden, - that the signals of at least one 3-axis inertial orientation sensor and a position sensor of at least least at least a signal and data processing are fed,
  • - daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position der an einem Körperteil bezw. - that the data processing BEZW fall as the necessary determination values ​​of the orientation and / or position of on a body part. dem Bezugskörperteil angebrachten inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und Teilpositionssensoriken sowie von repräsentativen Körperteil- bezw. the reference body part attached inertial 3-axis orientation sensor and position sensor systems as well as part of BEZW representative Körperteil-. Bezugskör perteilstellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein Körperteil bzw. das Bezugskörperteil bezogen sind -, are input Bezugskör perteilstellen - wherein the determination of said values ​​of the orientation and / or position related to a body part and the reference part of the body -,
  • - daß die Datenverarbeitung aus der Signalen von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einer Positionssensorik und den fallweise eingegeben Bestimmungs werten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen, relativ zu einem externen Koordinatensystem oder einer Bezugsorientierung errechnet: - that the data processing evaluate the signals from at least an inertial 3-axis orientation sensor and at least one position sensor and occasionally entered destination, at least one of the following geometric determinants, calculated relative to an external coordinate system or a reference orientation:
  • - die Position und Orientierung von mindestens einem Körperteil oder - the position and orientation of at least one body part or
  • - mindestens einen Körperteilpunkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körperteil oder - at least one body part point and / or at least one representative of at least one body part or
  • - den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen 3-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körperteilen, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den, - the origin and orientation (swinkel) of a body (part) or an inertial 3-axis orientation sensor part connected to the coordinate system, and the positions and / or orientations of other body parts, which detects relative to this part coordinate system who is the,
  • - daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen. - that the calculated geometric determinants of the time derivatives include.
4. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körperteilen von Mehrge lenksystemen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet, 4. steering systems A method for detecting the spatial position and / or movement of body parts of Mehrge and the formation of sub-coordinate system, characterized in
  • - daß an mindestens einem Körperteil mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht sind, - that are mounted on at least one part of the body at least a 3-axis inertial orientation sensor and at least a part of position sensors,
  • - daß an einem Bezugskörperteil oder/und körperextern mindestens eine Teilpositionssensorik ange bracht ist, - that at least one part position sensor attached to a reference body part and / or external body is introduced,
  • - daß die Signale von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von min destens einer Positionssensorik mindestens einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden, - that the signals of at least one 3-axis inertial orientation sensor and a position sensor of at least least at least a signal and data processing are fed,
  • - daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position der an einem Körperteil bezw. - that the data processing BEZW fall as the necessary determination values ​​of the orientation and / or position of on a body part. Bezugskörperteil angebrachten inertialen 3-Achs-Orientierungs-Mess aufnehmer und Teilpositionssensoriken sowie von repräsentativen Körperteil- bezw. Reference body part attached inertial 3-axis orientation-measuring transducer and part position sensor systems and BEZW of representative Körperteil-. Bezugskörperteil stellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Posi tion auf ein Körperteil bzw. das Bezugskörperteil bezogen sind -, Reference body part filters are input - wherein the determination of the values ​​referred to orientation and / or Posi tion on a body part and the reference part of the body are related -,
  • - daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einer Positionssensorik und den fallweise eingegeben Bestimmungs werten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen errechnet: - that the data processing from the signals of at least an inertial 3-axis orientation sensor and at least one position sensor and occasionally entered determination values ​​calculated at least one of the following geometric determinants:
  • - die Position und Orientierung von mindestens einem Körperteil oder - the position and orientation of at least one body part or
  • - mindestens einen Körperteilpunkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körperteil oder - at least one body part point and / or at least one representative of at least one body part or
  • - den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen 3-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körperteilen, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den, - the origin and orientation (swinkel) of a body (part) or an inertial 3-axis orientation sensor part connected to the coordinate system, and the positions and / or orientations of other body parts, which detects relative to this part coordinate system who is the,
  • - daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen, - that the calculated geometric determinants of the time derivatives include,
  • - daß die geometrischen Bestimmungsgrößen eines Körperteiles aus den Bestimmungsgrößen von min destens einem benachbarten Körperteil sowie der Kenntnis der Gelenkanordnung und/oder dessen Be wegungsmöglichkeiten sowie repräsentanten Körperteilmaßen gewonnen wird, und somit an mindes tens einem Körperteil mindestens eine Teilpositionssensorik oder ein inertialer 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer eingespart werden kann. - that the geometric parameters associated with a body part of the determinants of at least least motion possibilities an adjacent part of the body as well as the knowledge of the hinge assembly and / or its loading and rep body portion dimensions is obtained, and thus to Minim least a body part of at least one part position sensor or inertial 3-axis orientation sensor can be saved.
5. Eine Positionssensorik nach Anspruch 1, 2, 3, und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf dem Ultraschall-Laufzeit-Abstandsprinzip, dem Ultraschall-Phasenprinzip, einer magneti schen Feldstärkemessung, einer elektrischen Feldstärkemessung, einer elektromagnetischen Wechsel feldmessung, einer Strahlstärkemessung, einer Schalldruckmessung, einem optischen Abbildungsprin zip, einer Licht-Phasenverschiebung bzw. Interferenzprinzip, einem Licht-Laufzeit-Prinzip einem Licht strahl-Triangulationsprinzip oder einer geeigneten Kombination von mindestens zwei der genannten Ein zelprinzipien beruht. 5. A position sensor according to claim 1, 2, 3, and 4, characterized in that it comprises field measurement on the ultrasonic transit time-distance principle, the ultrasonic-phase principle, a magneti rule field strength measurement, an electric field strength measurement, an electromagnetic changes, a beam intensity measurement, a sound pressure measurement, an optical Abbildungsprin zip, a light-phase shift or interference principle, a light transit time principle is based zelprinzipien a light beam triangulation or an appropriate combination of at least two of said a.
6. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, 6. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies and / or body parts as well as the formation of sub-coordinate systems according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that
  • - daß die Positionssensorik auf dem Ultraschall-Laufzeit-Abstandsprinzip beruht, - that the position sensor based on the ultrasonic transit time-distance principle,
  • - daß eine an einem Körperteil angebrachte Teilpositionssensorik ein Ultraschallsender/-empfänger ist, - that attached to a part of the body part position sensor / receiver is an ultrasonic transmitter,
  • - daß als Bezugskörperteil der Leib (Torus) eines Menschen oder Tieres verwendet wird, - that a reference body part of the body (torus) is a human or animal use,
  • - daß eine am Bezugkörperteil angebrachte Teilpositionssensorik aus mindestens 3 nicht in einer Linie angeordneten Ultraschallempfängern/-sendern besteht, welche untereinander und zum Bezugskörper teil in bekannter geometrischer Beziehung stehen. - that a reference body mounted on the part supply position sensor is / -sendern of at least 3 are not arranged in a line ultrasonic receivers which communicate with each other and to the reference body part in a known geometric relationship.
7. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 3, 4, dadurch gekennzeichnet, 7. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies and / or body parts as well as the formation of sub-coordinate systems according to claim 3, 4, characterized in that
  • - daß die Positionssensorik auf dem Ultraschall-Laufzeit-Abstandsprinzip beruht, - that the position sensor based on the ultrasonic transit time-distance principle,
  • - daß eine an einem Körperteil angebrachte Teilpositionssensorik ein Ultraschallsender/-empfänger ist, - that attached to a part of the body part position sensor / receiver is an ultrasonic transmitter,
  • - daß als Bezugskörperteil der Leib (Torus) eines Menschen oder Tieres verwendet wird, - that a reference body part of the body (torus) is a human or animal use,
  • - daß eine am Bezugkörperteil angebrachte Teilpositionssensorik aus mindestens 3 nicht in einer Linie angeordneten Ultraschallempfängern/-sendern besteht, welche untereinander und zum Bezugskörper teil in bekannter geometrischer Beziehung stehen, - that a reference body mounted on the part supply position sensor from at least 3 not is disposed in a line ultrasonic receivers / -sendern which communicate with each other and to the reference body part in a known geometrical relationship,
  • - daß eine weitere, am Bezugkörperteil angebrachte Teilpositionssensorik welche mit einer externen Teilpositionssensorik zusammenwirkt mindestens ein Ultraschallsender/-empfänger ist, - that a further, mounted on the reference part of the body part position sensors which having an external portion position sensor cooperating at least one ultrasonic transmitter / receiver is,
  • - daß eine externe Teilpositionssensorik aus mindestens 3 nicht in einer Linie angeordneten Ultraschall empfängern/-sendern besteht, welche in bekannterer geometrischer Beziehung stehen. - that an external supply position sensor consists of at least 3 are not arranged in a line ultrasonic receivers / -sendern which are in better-known geometric relationship.
8. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 8. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies and / or body parts as well as the formation of sub-coordinate systems according to claim 4, characterized in that
  • - daß die Positionssensorik auf den Ultraschall-Laufzeit-Abstandsprinzip beruht, - that the position sensor based on the ultrasonic transit time-distance principle
  • - daß eine an einem Körperteil angebrachte Teilpositionssensorik ein Ultraschallsender/-empfänger ist, - that attached to a part of the body part position sensor / receiver is an ultrasonic transmitter,
  • - daß als Bezugskörperteil der Leib (Torus) eines Menschen oder Tieres verwendet wird, - that a reference body part of the body (torus) is a human or animal use,
  • - daß eine am Bezugkörperteil oder extern angebrachte Teilpositionssensorik aus mindestens 3 nicht in einer Linie angeordneten Ultraschallempfängern/-sendern besteht, welche in bekannter geometrischer Beziehung stehen. - that an externally attached to the reference part of the body or part of position sensors is / -sendern of at least 3 are not arranged in a line ultrasonic receivers which are in a known geometric relationship.
9. Eine Teilpositionssensorik nach Anspruch 6, 7, 8 oder 17, dadurch gekennzeichnet, 9 in a part position sensor according to claim 6, 7, 8 or 17, characterized,
  • - daß die sendende (emittierende) Ultraschall-Teilpositionssensorik mit dem emittierten Ultraschallim puls gleichzeitig einen elektromagnetischen Triggerimpuls emittiert, - the sending (emitting) Ultrasonic sensors supply position with the emitted Ultraschallim emits an electromagnetic trigger pulse at the same time,
  • - daß die empfangende (detektierende) Ultraschall-Teilpositionssensorik zusätzlich über eine elektro magnetische Empfangskomponente verfügt, - that the receiving (detecting) ultrasonic position sensors part also has an electromagnetic receiving component,
  • - daß der empfangene elektromagnetische Triggerimpuls eine Laufzeitmessung des Ultraschallimpulses startet. - in that the received electromagnetic trigger pulse starts a run-time measurement of the ultrasound pulse.
10. Eine Positionssensorik nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von Magnet feldern, oder mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von elektri schen Feldern, oder mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von elektromagnetischen Feldern besteht. 10. A position sensor according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that it fields of at least one generator and at least one multi-component detector of magnetic, or at least one generator and at least one multi-component detector of electrical rule fields, or at least one generator and at least a multi-component detector of electromagnetic fields exist.
11. Eine Positionssensorik nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von Magnet feldern, oder mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von elektri schen Feldern, oder mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von elektromagnetischen Feldern besteht, und zur Positionsbestimmung bei jeder Felderzeuger-Detektor kombination zusätzlich eine Abstandsmesseinrichtung mitverwendet wird. 11. A position sensor according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that it fields of at least one generator and at least one multi-component detector of magnetic, or at least one generator and at least one multi-component detector of electrical rule fields, or at least one generator and at least is a multi-component detector of electromagnetic fields, and an additional distance measuring device is also used for determining the position at each field generator-detector combination.
12. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körpertei len, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet, 12. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies or Körpertei len, as well as the formation of sub-coordinate systems, characterized in that
  • - daß an mindestens einem Bezugskörper(teil) eine beliebige Anzahl, geeignet geformter, stromdurch flossener Spulen- oder Leiterschleifen angebracht ist, von denen jede ein magnetisches oder elektro magnetisches Feld erzeugt, - that at least one reference body (part) of any number, suitably shaped, is attached to current-carrying coil or conductor loops each of which produces a magnetic or electromagnetic field,
  • - daß die Spulen- oder Leiterschleifen durch ihre Ausgestaltung und/oder Anordnung ein Bezugskoordina tensystem definieren, - that the coil or conductor loops tensystem define a Bezugskoordina by their design and / or arrangement,
  • - daß an mindestens einem (weiteren) Körper(teil) mindestens ein inertialer n-Achs-Orientierungs-Mess aufnehmer und mindestens ein Mehrkomponentendetektor für magnetische oder elektromagnetische Felder angebracht sind, - that at least one inertial n-axis orientation are measuring transducers and at least one multi-component detector of magnetic or electromagnetic fields mounted on at least one (additional) body (part)
  • - daß die Messignale von mindestens einem inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von mindestens einem Mehrkomponentendetektor einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden, - that the measurement signals of at least an inertial n-axis orientation sensor and of at least one multi-component detector of a signal and data processing are fed,
  • - daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position von an beliebigen Körper(teil)en angebrachten inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und Mehrkomponentendetektoren sowie von repräsentativen Körper(teil)- bezw. - that the data processing of case, the necessary determination values ​​of the orientation and / or position of at arbitrary body (part) s mounted inertial n-axis orientation sensor and multi-component as well as detectors of representative body (part) - BEZW. Bezugskörper(teil)stellen eingegeben werden, - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein(en) Bezugskörper(teil), einen Körper bzw. ein Körperteil bezogen sind -, Reference body (part) are input filters, - wherein said determination values ​​of the orientation and / or position a (s) reference body (part), a body or a body part are based -,
  • - daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen n-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einem Mehrkomponentendetektor und den fallweise eingegeben Be stimmungswerten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen errechnet: - that the data processing from the signals of at least an inertial n-axis orientation sensor and at least one multi-component detector, and occasionally entered Be humor values ​​calculated at least one of the following geometric determinants:
  • - die Position und Orientierung von mindestens einem Körper(teil) oder - the position and orientation of at least one body (in part), or
  • - mindestens einen Körper(teil)punkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körper(teil) oder - at least one body (part) point and / or at least one representative of at least one body (in part), or
  • - den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen n-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körper(teile)n, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den, - the origin and orientation (swinkel) of a body (part) or an inertial n-axis orientation sensor part connected to the coordinate system, and the positions and / or orientations of further body (parts) n which detects relative to this part coordinate system become,
  • - daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen. - that the calculated geometric determinants of the time derivatives include.
13. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körperteilen eines Men schen, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine stromdurchflossene Bezugsspule oder -leiterschleife am Körper angebracht oder um den Leib eines Menschen gewickelt ist. 13. A method for detecting the spatial position and / or movement of body parts of a Men's, as well as the formation of sub-coordinate systems according to claim 12, characterized in that at least one current-carrying reference coil or -leiterschleife mounted on the body or wound around the body of a human is.
14. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körperteilen, eines Men schen, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, 14. A method for detecting the spatial position and / or movement of body parts, a Men's, as well as the formation of sub-coordinate systems according to claim 12, characterized in that
  • - daß mehrere stromdurchflossene Bezugsspulen- oder -leiterschleifen in definierter geometrischer Bezie hung am menschlichen Körper angebracht sind und - that a plurality of current-carrying Bezugsspulen- -leiterschleifen or hung in a defined geometric Bezie on the human body are mounted and
  • - daß jede der Bezugsspulen oder-Leiterschleifen für einen anderen Erfassungsbereich der geometrisch zu registrierenden Körperteile zuständig ist. - that each of the reference coils or conductor loops is responsible for a different coverage of geometrically to be registered body parts.
15. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körpertei len, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet, 15. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies or Körpertei len, as well as the formation of sub-coordinate systems, characterized in that
  • - daß an mindestens einem Bezugskörper(teil) mindestens eine Einheit n linear unabhängig angeordne ter Erzeuger von (elektro)magnetischen Wechselfeldern angebracht ist, - that at least one unit n is linearly driven independently arrange ter producers (electro) magnetic alternating fields applied to at least one reference body (part)
  • - daß diese Einheit von n linear unabhängig angeordneten Erzeugern von (elektro)magnetischen Wech selfeldern ein Bezugskoordinatensystem definieren, - that this unit magnetic from n linearly independent arranged producers of (electro) Wech self-fields define a reference coordinate system,
  • - daß an mindestens einem weiteren Körper(teil) mindestens ein inertialer n-Achs-Orientierungs-Mess aufnehmer und mindestens ein Mehrkomponentendetektor für (elektro)magnetische (Wechsel)felder an gebracht sind, - that at least one inertial n-axis orientation-measuring sensor and at least one multi-component detector for (electro) magnetic (replacement) are brought to fields at at least one further body (part)
  • - daß die Signale des inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmers und des Mehrkomponentende tektors einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden, - that the signals of the inertial n-axis orientation of the transducer and Mehrkomponentende tektors a signal and data processing are fed,
  • - daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position von an beliebigen Körper(teil)en angebrachten inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und Mehrkomponentendetektoren sowie von repräsentativen Körper(teil)- bezw. - that the data processing of case, the necessary determination values ​​of the orientation and / or position of at arbitrary body (part) s mounted inertial n-axis orientation sensor and multi-component as well as detectors of representative body (part) - BEZW. Bezugskörper(teil)stellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein(en) Bezugskörper(teil), einen Körper bzw. ein Körperteil bezogen sind -, are input reference body (part) represent - wherein said determination values ​​of the orientation and / or position a (s) reference body (part), a body or a body part are based -,
  • - daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen n-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einem Mehrkomponentendetektor und den fallweise eingegeben Be stimmungswerten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen errechnet: - that the data processing from the signals of at least an inertial n-axis orientation sensor and at least one multi-component detector, and occasionally entered Be humor values ​​calculated at least one of the following geometric determinants:
  • - die Position und Orientierung von mindestens einem Körper(teil) oder - the position and orientation of at least one body (in part), or
  • - mindestens einen Körper(teil)punkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körper(teil) oder - at least one body (part) point and / or at least one representative of at least one body (in part), or
  • - den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen n-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/ oder Orientierungen von weiteren Körper(teile)n, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den, - the origin and orientation (swinkel) of a body (part) or an inertial n-axis orientation sensor part connected to the coordinate system, and the positions and / or orientations of further body (parts) n which detects relative to this part coordinate system become,
  • - daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen. - that the calculated geometric determinants of the time derivatives include.
16. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körpertei len, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen dadurch gekennzeichnet, daß in definierter geometrischer Beziehung zu der (den) Bezugsspule(n)- oder -leiterschleife(n) (entspre chend Anspruch 12, 13, 14) bezw. 16. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies or Körpertei len, as well as the formation of sub-coordinate systems characterized in that in a defined geometrical relationship to the (the) reference coil (s) - (or -leiterschleife (n) accordingly to claim 12, 13, 14) BEZW. zu den n linear unabhängigen Erzeugern von (elektro)magnetischen Wechselfeldern (entsprechend Anspruch 15) ein inertialer n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und wahlweise zusätzlich mindestens ein Positionsanteil einer Positionssensorik - bestehend aus externen und körperbefestigten Komponenten - am Körper angebracht sind, wodurch die geometrischen Bestim mungsgrößen der relativ zum Körper (z. B. Torso) erfaßten Körperteile auf ein externes Koordinatensys tem oder ein ausgewähltes Orientierungssystem transformiert werden können. to the n linearly independent producers of (electro) magnetic alternating fields an inertial n-axis orientation sensor at least one position component of a position sensor (corresponding to claim 15) and optionally additionally - are attached to the body, whereby the geometrical - consisting of external and body-mounted components determ the relative to the body (z. B. torso) sizes detected mung parts of the body to an external Koordinatensys system or a selected orientation system can be transformed.
17. Eine Positionssensorik nach einem der Ansprüche 12, 13, 14, 15, 16, dadurch gekennzeichnet, 17 in A position sensor according to any one of claims 12, 13, 14, 15, 16, characterized,
  • - daß mindestens eine Abstandmeßeinrichtung welche auf dem Ultraschall-Laufzeit-Prinzip beruht zur Positionsbestimmung mitverwendet wird, und - that at least one distance measuring means which is based on the ultrasonic transit time principle is also used for position determination, and
  • - daß der(die) eine(n) Teil(e) der Abstandmeßeinrichtung in bekannterer geometrischer Beziehung zu der(n) Bezugsspule(n)-Leiterschleife(n) (entsprechend Anspruch 12, 13, 14) bezw. - (n) -Leiterschleife (n) (corresponding to claim 12, 13, 14) BEZW that the (s) a (s) part (s) of the distance measuring means in more well-known geometrical relationship to the (n) reference coil. zu den n linear un abhängigen Erzeugern von (elektro)magnetischen Wechselfeldern (entsprechend Anspruch 15) stehen, und to the n linear un-dependent producers of (electro) magnetic alternating fields are (corresponding to claim 15), and
    der(die) andere(n) Teil(e) der Abstandmeßeinrichtung in bekannter geometrischer Beziehung zu dem(n) Mehrkomponentendetektor(en) steht(en), welche an einem Körper(teil) angebracht sind. of (the) other (s) part (s) of the distance measuring means in a known geometric relationship to the (n) multi-component detector (s) is (s) attached to a body (part) are mounted.
18. Eine Methode zur Bestimmung der räumlichen Lage von Körpern oder Körperteilen nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, dadurch gekennzeichnet, 18, in a method for determining the spatial position of the bodies or body parts according to any one of claims 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, characterized,
  • - daß, die Signal- und die Datenverarbeitung am Körper oder einem Körperteil angebracht sind, und die Werte der geometrischen Bestimmungsgrößen über ein bidirektionales Bussystem einer anwendungs bezogenen Weiterverarbeitung zugeführt werden, - that the signal and data processing on the body or a body part are attached, and the values ​​of the geometric determinants are fed via a bidirectional bus system of an application-related processing,
  • - daß über das bidirektionale Bussystem, von extern Daten an die körperbezogene Datenverarbeitung übermittelt werden können, - that can be transmitted over the bidirectional bus system of external data to the body-related data processing,
  • - daß das bidirektionale Bussystem sowohl leitungsgebunden als auch kabellos funktionieren kann. - that the bi-directional bus system can both wired and wireless function.
19. Ein Gerät zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körperteilen nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von inertialem n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens einem Teil einer Positionssensorik in einem Gerät zusammengefaßt sind. 19. A device for detecting the spatial position and / or movement of bodies or body parts according to any one of claims 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17, characterized in that a combination of inertialem n-axis orientation sensor and at least a part of a position sensor are combined in one unit.
20. Methode zur Steuerung von Geräten, Maschinen, Apparaten und Instrumenten durch Körperteile nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine - entsprechend den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17 - errechnete geo metrische Bestimmungsgröße körperexternen Geräten, Maschinen, Apparaten und Instrumenten zuge führt wird, und nach anwendungsbezogener Umwandlung diese Geräte, Maschinen, Apparate und Inst rumente steuert. 20. Method for controlling appliances, machines, apparatus and instruments by body parts according to any one of claims 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17, characterized in that at least one - according to claims 1 , 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17 - calculated geo metric determinant body external devices, machines, apparatus and instruments is supplied, and after application-related conversion of these devices, machinery and Inst controls rumente.
21. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körpertei len, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen dadurch gekennzeichnet, daß an einem Körper mindestens ein inertialer n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer befestigt ist, und daß mindestens zwei Kameras die Position des inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmers erfas sen, so daß in Verbindung mit einem geeigneten Rechenprogramm die räumliche Lage und Bewegung von ausgewählten Körperstellen bzw. Körperteilen bestimmt werden kann. 21. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies or Körpertei len, as well as the formation of sub-coordinate systems characterized in that at least one inertial n-axis orientation sensor is fixed to a body, and that at least two cameras, the position of the inertial n-axis orientation transducer erfas sen, so that the spatial position and movement of selected parts of the body or body parts can be determined in conjunction with a suitable calculation program.
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