DE3711872A1 - Fuehrbares positionsdatenermittlungsgeraet fuer elektronische datenverarbeitungsanlagen (digitalisierer) und verfahren zur ermittlung seiner absoluten position - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein führbares Positionsdatenermittlungsgerät für elektronische Datenverarbeitungsanlagen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zur Ermittlung seiner absoluten Position nach dem Oberbegriff von Anspruch 11.

Zur Befehlseingabe in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen (Computern) werden neben Tastaturen und Bildschirm-interaktiven optischen Sensoren (Lichtgriffel) auch sogenannte "Computermäuse" verwendet. Die besagte "Maus" ist dabei ein kleines handliches Gerät, welches von Hand über eine horizontale Oberfläche bewegt wird. Die Bewegung wird dabei durch geeignete Sensoren (in zwei Achsen) erfaßt und dem Computer zugeleitet. Am Bildschirm entsteht dann durch die so erhaltenen digitalisierten Daten eine entsprechende Bewegung einer Bildschirmmarkierung (Cursor). Wird die "Maus" horizontal bewegt, bewegt sich der Cursor horizontal.

Eine "Maus", wie sie heute dem Stand der Technik entspricht (DE 36 30 007 A1), besitzt eine sogenannte Rollkugel, an die zwei um 90° versetzte Walzen anliegen, mit deren Hilfe die Bewegung der Rollkugel in X- und Y-Richtung abgegriffen werden kann. Der Abgriff kann dabei mechanisch über Potentiometer oder optisch über eine Lochscheibe erfolgen.

Nachteilig an diesen bekannten und derzeit gebräuchlichen "Computermäusen" ist, daß die Feststellung der Bewegung der "Maus" selbst von dem Drehwinkel abhängig ist, mit dem sie geführt wird. Nur wenn die "Maus" immer absolut lotrecht zu bekannten Koordinatenachsen geführt werden würde, ließen sich aus ihren Impulsen absolute Positionsangaben errechnen. Dazu müßte sie jedoch in einen plotterähnlichen Rahmen eingespannt werden, um eine Rotation der "Maus" zu verhindern.

Andere bekannte Vorrichtungen zur Digitalisierung basieren auf kapazitiver oder induktiver Basis, die jeweils ein Zeigegerät (entweder einen elektrisch geladenen Stift oder eine Induktionsspule, in deren Mitte sich ein Fadenkreuz befindet), sowie ein elektronisches Aufnahmebrett beinhalten. Ihr wesentlicher Nachteil liegt in der durch die Brettgröße begrenzten Aufnahmefläche (meist DIN A3 oder DIN A4) und dem relativ hohen Produktionsaufwand für die Sensorgrundplatte und dem damit verbundenen Preis.

Die Erfindung hat sich damit die Aufgabe gestellt, einen einfach und billig herzustellenden Digitalisierer auf der Grundlage der bekannten "Maus" zu schaffen, mit dem sich nicht nur eine relative Bewegung senkrecht oder waagrecht zu einer Achse feststellen läßt, sondern vor allem eine Veränderung des Drehwinkels der Achse zu einer gegebenen beliebigen Grundlinie, woraus sich die Absolutposition eines bestimmten Punktes auf dem Digitalisierer bestimmen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Positionsdatenermittlungsgerät durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 11 gelöst.

Der eigentliche Vorgang der Digitalisierung ist damit von keiner bestimmten aktiven oder passiven Unterlage abhängig, womit die Größe der zu digitalisierenden Vorlage keinerlei Beschränkung mehr unterliegt.

Vorteilhaft könnte das erfindungsgemäße Positionsdatenermittlungsgerät im High-Tech-Bereich eingesetzt werden, in dem eine ausreichende Präzision von ca. 0.1 mm gefordert ist, wie z. B. CAD/CAM Anwendungen. Es könnte in diesem Bereich die ohnehin für eine Workstation notwendige "Maus" ersetzen und gleichzeitig zur Digitalisierung eingesetzt werden. Dies vereinfacht außerdem die Bedienung und führt zu einer drastischen Herabsetzung der Kosten durch die Kombination "Maus"/Digitalisierer.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Positionsdatenermittlungsgerätes ist im semi-professionellen, sowie im Hobby-Bereich zu sehen. Unter Einschränkung der maximalen Fahrgeschwindigkeit und einer direkten Auswertung der Signale durch z. B. einen Home oder Personalcomputer ließe sich ein solcher Digitalisierer zu einem Preis realisieren, der nur unerheblich über dem einer konventionellen "Maus" liegen würde. Ein solcher Digitalisierer ist für jedermann interessant, der in irgendeiner Form mit seinem Computer malen oder zeichnen möchte. Hierbei kommt es auch nicht auf eine optimale Genauigkeit an.

Für die meisten Computersysteme im Hobby-Bereich existieren diverse Mal-, Zeichen- und Konstruktionsprogramme, die sich bis jetzt nur mit einer konventionellen "Maus" als Eingabemedium behelfen oder aber teure Zusätze zur Digitalisierung benötigen.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So kann beispielsweise nach Anspruch 4 das Positionsdatenermittlungsgerät ohne sich bewegende Teile ausgebildet werden, die Abrieb unterliegen. Durch die Verringerung eines Verschleisses kann ein Nachlassen der Daten der Positionserfassungssysteme vermieden werden. Zu diesem Zweck werden die Positionserfassungssysteme z. B. als Ultraschallmeßstrecken mit Sender und Empfänger im Gerät ausgebildet.

Die Erfindung und die Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Digitalisiervorrichtung,

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen Maus-Koordinatensystem und Welt-Koordinatensystem,

Fig. 3 mögliche Fahrwege zur Festlegung der Koordinatenstrahlen des Welt-Koordinatensystems

Fig. 4 die Übertragung der Positionsinformationen über eine Infrarotstrecke zum Rechner.

Erfindungsgemäß sind zwei Rollkugeln RK ₁, RK ₂ in einem durch die Umrandung dargestellten Gehäuse im Abstand d _Rk voneinander und d _FK von einem Fadenkreuz FK drehbar angeordnet (Fig. 1). Das Fadenkreuz FK markiert dabei den gesuchten Punkt mit den gesuchten Koordinaten. Die Rollkugeln werden mittels der Andruckrollen AR ₁, AR ₂ gegen die, die Bewegung der Kugeln aufnehmenden Rollen BRX ₁, BRY ₁ und BRX ₂, BRY ₂ mit der Kraft F ₁ bzw. F ₂ gedrückt. Analog dem Stand der Technik wird die Drehung der Bewegungsrollen mit Sensoren, d. h. mechanisch über Potentiometer oder wie im gezeigten Beispiel optisch über die Lochscheiben LSX ₁, LSY ₁, LSX ₂ und LSY ₂ erfaßt. Jeder Lochscheibe mit beispielsweise n Löchern sind zwei Sensorpaare aus je einer LED und einer Photodiode zugeordnet, wobei der Abstand der Paare in radialer Richtung so gewählt sein muß, daß die Sensorpaare zwei phasenverschobene Signale abgeben, aus welchen sich Betrag und Richtung der Drehbewegung ermitteln läßt. Die entstehenden Signale werden einer nicht gezeigten Elektronikeinheit zugeführt, die eine der Bewegung bzw. der Position des Digitalisierers/"Maus" entsprechende Information erzeugt. Auf der Unterseite der "Maus" ist auf der Verbindungslinie der beiden Rollkugeln RK ₁, RK ₂ ein die Unterlage abtastender, z. B. auf Reflexionsbasis bestehender, Sensor im Abstand d _RS von FK ₁ angeordnet. Dieser dient der Ermittlung der Kantenübergänge der abzutastenden Vorlage and damit der Festlegung der Lage des Welt-Koordinatensystems. Das Ausgangssignal des Sensors wird wiederum der Elektronikeinheit zugeführt. Zusätzlich enthält die "Maus" nicht dargestellte Tasten, die der Steuerung des Abtastvorganges dienen.

Die Signale der Elektronikeinheit werden in Form von digitalen Positionsinformationen schließlich einem Rechner zugeführt, der die weitere Verarbeitung und Aufbereitung, beispielsweise für die Darstellung an einem Bildschirm, Ausgabe auf einem Plotter oder als Eingabegröße für ein CAD/CAM/CAE-System und finite Elemente Berechnungsmethoden bewerkstelligt. Denkbar sind auch die Übernahme der Informationen für ein Desktop-Publishing-System.

Die Anordnung der Rollkugeln RK ₁, RK ₂ mit dem Reflexsensor RS und dem Fadenkreuz FK wurde der Einfachheit halber in diesem Beispiel auf eine gemeinsame Achse gelegt. Prinzipiell ist die Anordnung der einzelnen Elemente (Rollkugeln, Reflexsensor, Fadenkreuz) in der Grundfläche der "Maus" beliebig wählbar. Die in diesem Ausführungsbeispiel verwandten, die Bewegung der "Maus" aufnehmenden Rollkugeln RK ₁, RK ₂ sollen ebenfalls keine, den allgemeinen Erfindungsgedanken einschränkenden Elemente darstellen. Es wäre beispielsweise denkbar, das die Rollkugeln durch zwei allgemein ihre Relativbewegung ermittelnde Elemente ersetzt werden, wie dies Beschleunigungssensoren oder Doppleranordnungen mit akkustischen Wandlern tun. Auch das Fadenkreuz kann durch andere Zeigevorrichtungen wie Pfeil, Lichtpunkt, usw. ersetzt sein.

Die Ermittlung des neuen (Fadenkreuz-)Punktes nach einer Bewegung der "Maus" ergibt sich nach Fig. 2 entweder aus der Translation entlang der Y-Achse des Maus-Koordinatensystems (Sensorpaar BSY _1a , BSY _1b oder BSY _2a , BSY _2b ) oder aus einer Rotation um eine der beiden Rollkugeln RK ₁, RK ₂, je nach Auftreten der entsprechenden Sensorimpulse. Eine Bewegung der Rollkugel RK ₁ in positiver oder negativer Richtung parallel zu der X-Achse des Mauskoordinatensystems, registriert durch das Sensorpaar BSX _1a , BSX _1b entspricht einer Rotation um den Auflagepunkt der Rollkugel RK ₂ um den Winkel α, entsprechend läßt sich eine Bewegung der Rollkugel RK ₂ durch eine Rotation um die Rollkugel RK ₁ mit Sensorpaar BSX _2a , BSX _2b darstellen. Das Maus-Koordinatensystem (X′, Y′)t _{n + 1} zum Zeitpunkt t _{n + 1} ist somit eine Drehung des Maus- Koordinatensystems (X′, Y′)t _n zum Zeitpunkt t _n um eine der beiden Rollkugeln RK ₁ bzw. RK ₂. Die absolute Position des Fadenkreuzes FK ergibt sich aus der geometrischen Anordnung der Elemente, nämlich Fadenkreuz und Rollkugeln in der "Maus". Sie ist damit nur ein Offset zum Maus-Koordinatensystem.

Um die Lage des Maus-Koordinatensystems und damit die Koordinaten des Fadenkreuzpunktes im Welt-Koordinatensystem zum Zeitpunkt t _{n + 1} berechnen zu können, muß die Lage des Maus-Koordinatensystems im Welt-Koordinatensystem zum Zeitpunkt t _n bekannt sein. Ist die Lage des Maus-Koordinatensystems im Welt-Koordinatensystem zum Beginn der Digitalisierung zum Zeitpunkt t ₀ nicht bekannt, so kann seine Lage durch folgende Vorgehensweise ermittelt werden:
Die "Maus" wird mit dem Fadenkreuz in einer definierten Richtung beispielsweise entsprechend Fig. 3 zweimal über die Kanten der Vorlage(n) geführt. Der auf die Vorlage(n) gerichtete Reflexsensor registriert dabei Helligkeitsunterschiede beim Überstreichen der Kanten. Da die Relativbewegung der "Maus" (sowohl in Translation als auch in Rotation) durch die Sensoren zu jedem Zeitpunkt bekannt ist, ergibt sich nach zweimaligen Überfahren einer Kante der Vorlage die Richtung der entsprechenden Achse des Welt- Koordinatensystems. Der Fahrweg kann dabei im Prinzip beliebig gewählt werden. Fig. 3 zeigt vier mögliche Fahrwege, die zu den jeweils dargestellten Koordinatensystemen führen. Bei bekannter Reihenfolge der Kantenübergänge ergibt sich aus den Schnittpunkt der Achsen der Nullpunkt des Welt-Koordinatensystems. Mit Hilfe der von den Bewegungssensoren der Rollkugeln ermittelten Rotation und Translation der "Maus" während des Kantenüberfahrvorganges ergibt sich gleichzeitig beim vierten Überfahren einer Kante nach Fig. 3 die absolute Position des Fadenkreuzes zum Zeitpunkt t ₀. Dieser beschriebene Kalibriervorgang wird beispielsweise durch eine der oben beschriebenen Tasten auf der "Maus" gestartet und kann jederzeit wiederholt werden.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 kann die die digitalen Positionsinformationen ermittelnde Elektronikeinheit über ein mehradriges Kabel mit den Sensoren verbunden sein. Es ist jedoch auch denkbar, daß dieses Kabel durch eine Infrarot-Übertragungsstrecke oder ein vergleichbares Verfahren ersetzt ist. Die Elektronikeinheit kann jedoch bei entsprechender Verkleinerung auch in die Maus selbst integriert sein. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist im unteren Teil der Digitalisierer/"Maus" mit den Tasten T, der Infrarot-Sendeeinrichtung IR-S und dem Fadenkreuz FK, das den zu digitalisierenden Punkt darstellt, gezeigt. Im oberen Teil der Fig. 4 ist die Elektronikeinheit EE mit der ihr angegliederten Infrarot-Empfangseinrichtung IR-E dargestellt, die die von dem Digitalisierer/"Maus" durch Infrarotübertragung erhaltenen Positionsimpulse und Tastenimpulse in eine einem konventionellen Digitalisierer entsprechende Datenform (absolute Positionsangaben) umrechnet und dem Rechner R zuführt. Dieser benützt die gewonnenen Informationen zur Darstellung auf einem Bildschirm BS und kann beispielsweise zur Steuerung der Bildschirmmarkierung BSM dienen. Die Pfeile BM geben dabei mögliche Bewegungsarten des Digitalisierers/"Maus" auf der Vorlage V mit den die Infrarotübertragung darstellenden Pfeile AR und ER an.

• Legende zu Fig. 1 FK,6FadenkreuzRK ₁, RK ₂,6Rollkugel 1 und 2AR ₁, AR ₂,6Andruckrolle für Rollkugel 1 und 2F ₁, F ₂,6(Feder)kraft von AR _{1, 2} auf RK _{1, 2} BRX ₁, BRX ₂,6Bewegungsrolle X für Rollkugel 1 und 2BRY ₁, BRY ₂,6Bewegungsrolle Y für Rollkugel 1 und 2LSX ₁, LSX ₂,6Lochscheibe X für Rollkugel 1 und 2LSY ₁, LSY ₂,6Lochscheibe Y für Rollkugel 1 und 2LD ₁ . . LD ₉,6Leuchtdiode 1 bis 9 BSX _1a , BSX _1b ,6Bewegungssensor X _a und X _b für Rollkugel 1 BSY _1a , BSY _1b ,6Bewegungssensor Y _a und Y _b für Rollkugel 1 BSX _2a , BSX _2b ,6Bewegungssensor X _a und X _b für Rollkugel 2 BSY _2a , BSY _2b ,6Bewegungssensor Y _a und Y _b für Rollkugel 2 RS,6Reflexsensor d _FK ,6Abstand zwischen RK ₁ und FK d _RK ,6Abstand zwischen RK ₁ und RK ₂ d _RS ,6Abstand zwischen RK ₁ und RS
• Legende zu Fig. 2: V,6VorlageG,6GrundlinieFK,6FadenkreuzRK ₁, RK ₂,6Rollkugel 1,2X,6X-Achse des Welt-KoordinatensystemsY,6Y-Achse des Welt-KoordinatensystemsX′(t _n ),6X-Achse des Maus-Koordinatensystems zum Zeitpunkt t _n Y′(t _n ),6Y-Achse des Maus-Koordinatensystems zum Zeitpunkt t _n X′(t _{n + 1}),6X-Achse des Maus-Koordinatensystems zum Zeitpunkt t _{n + 1} Y′(t _{n + 1}),6Y-Achse des Maus-Koordinatensystems zum Zeitpunkt t _{n + 1} α,6Drehwinkeld _R ,6radial zurückgelegte Wegstrecke im Zeitintervall t _{n + 1} - t _n
• Legende zu Fig. 3: V,6Vorlage(n)O,6Nullpunkt des jeweiligen Welt-Koordinatensystems bei gezeigtem Fahrweg +X,6positive Richtung der X-Achse des jeweiligen Welt-Koordinatensystems bei gezeigtem Fahrweg +Y,6positive Richtung der Y-Achse des jeweiligen Welt-Koordinatensystems bei gezeigtem Fahrweg
• Legende zu Fig. 4: R,6RechnerBS,6BildschirmBSM,6Bildschirmmarkierung (Fadenkreuz, Cursor etc.)VK,6VerbindungskabelEE,6ElektronikeinheitIR-E,6Infrarot-EmpfangseinrichtungER,6EmpfangsrichtungenIR-S,6Infrarot-SendeeinrichtungAR,6AbstrahlrichtungenV,6VorlageDV,6erfindungsgemäße DigitalisiervorrichtungFK,6FadenkreuzT,6Taste(n)BM,6Bewegungsmöglichkeiten (Freiheitsgrade)

Claims (12)

1. Führbares Positionsdatenermittlungsgerät für elektronische Datenverarbeitungsanlagen (Digitalisierer), mit einem Positionserfassungssystem für die jeweils X- und Y-Richtung, gekennzeichnet durch:

• a) ein zweites Positionserfassungssystem gleicher Bauart in der selben Ebene in gewissen Abstand zum ersten,
• b) einen für die Abtastung der Ränder der Vorlage dienenden Sensor, der in der besagten Ebene installiert ist,
• c) eine Zeigeeinrichtung zur Identifizierung des gewünschten zu digitalisierenden Punktes und
• d) einer Elektronikeinheit, die aus den anfallenden Impulsen der Positionserfassungssysteme bei Rotation und Translation des Gerätes und dem die Vorlage abtastenden Sensor unter Zuhilfenahme bekannter mathematischer Verknüpfungen (Koordinatentransformation) die absolute Position des Positionsdatenermittlungsgerätes bestimmt.

2. Positionsdatenermittlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Positionserfassungssystem aus einer Rollkugel, die in allen Richtungen drehbar gelagert ist, je einer Bewegungsrolle für die X- bzw. Y- Richtung und einer Andruckrolle, die die Kugel gegen die Bewegungsrollen drückt, und je einem Detektor für die Erfassung der Drehung jeder Bewegungsrolle besteht.

3. Positionsdatenermittlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positionserfassungssystem als im Abstand von einer vertikalen Achse drehgelagertes Reibrad ausgebildet ist, dessen Drehung um die horizontale Laufachse und die vertikale Schwenkachse durch je einen Detektor erfaßt wird.

4. Positionsdatenermittlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungssysteme als auf der Grundlage des Dopplereffekts beruhende Ultraschall-Ausbreitungsstrecken ausgebildet sind, wobei die Ultraschall-Ausbreitungsstrecken durch die Vorlage selbst und mit Sender und Empfänger im Positionsdatenermittlungsgerät dargestellt werden.

5. Positionsdatenermittlungsgerät nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der vier Positionserfassungssysteme als redundantes System der Schlupfermittlung dient, und zur Positionserfassung vorzugsweise nur zwei X- und ein Y-Signal benutzt werden.

6. Positionsdatenermittlungsgerät nach Anspruch 1 bzw. einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Vorlage abtastende Sensor als Mikroschalter, kapazitiver Aufnehmer und optischer Reflexionssensor ausgebildet ist.

7. Positionsdatenermittlungsgerät nach Anspruch 1 bzw. einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeigeeinrichtung als Fadenkreuz, Pfeil, Zeiger oder Lichtpunkt unter Zuhilfenahme optischer Vergrößerungssysteme wie z. B. Lupen besteht.

8. Positionsdatenermittlungsgerät nach Anspruch 1 bzw. einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Positionserfassungssysteme, der die Vorlage abtastende Sensor und die Zeigeeinrichtung vorzugsweise auf einer Achse auf der gemeinsamen Grundebene angeordnet sind.

9. Positionsdatenermittlungsgerät nach Anspruch 1 bzw. einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Rechner verbundene Elektronikeinheit entweder in das Positionsdatenermittlungsgerät integriert oder extern angeordnet ist.

10. Positionsdatenermittlungsgerät nach Anspruch 1 bzw. einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalübertragung zwischen dem Positionsdatenermittlungsgerät und/oder der Elektronikeinheit und dem Rechner drahtlos oder per Leitung erfolgt.

11. Verfahren zur Ermittlung einer absoluten Position relativ zu einem (beliebigen) Koordinaten-Nullpunkt unter Verwendung des Gerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß zwei benachbarte, sich kreuzende Vorlagenbegrenzungen jeweils zweimal in einem stetigen Kurvenzug überfahren werden,
• b) daß durch das erstmalige Überfahren der ersten Vorlagenbegrenzung und das zweite Überfahren der zweiten Vorlagenbegrenzung die positiven Richtungen der Koordinatenstrahlen bestimmt werden und durch deren Schnittpunkt der Nullpunkt des Welt-Koordinatensystems festgelegt wird,
• c) daß die Position des Fadenkreuzes auf der Vorlage zum Zeitpunkt t _{n + 1} aus den sich von den beiden Positionserfassungssystemen durch Rotation und Translation des Positionsdatenermittlungsgerätes ergebenden Wegstrecken-Informationen im Zeitintervall t _{n + 1} - t _n und bekannten Koordinatentransformationen dieser Wegstrecken-Informationen ermittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) und b) sowohl zu Beginn des Positionsdatenermittlungsvorganges als bei Bedarf auch zu beliebigen Zeitpunkten durchgeführt werden.