DE4240531C1 - Vorrichtung zur präzisen Eingabe von Positions- und Druckverteilungen an der menschlichen Hand in ein Datenverarbeitungsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung kann zur Eingabe von Daten in Computersysteme sowie für Steuerungsaufgaben im Bereich der Robotik/Industrie/Raumfahrt und für medizinische Diagnostik (speziell der menschlichen Hand) eingesetzt werden.

Die Eingabe menschlicher Greifmuster und Gesten in Computer kann mittels verschiedener Vorrichtungen geschehen. Besonders gut geeignet sind dafür mit Sensoren bestückte Handschuhe, die Beugungswinkel von Gelenken der menschlichen Hand erfassen, in analoge Signale umformen und an einen Rechner weiterleiten.

Verschiedene heutige Ausführungen sind z. B. als "Dataglove" (VPL Research, US-Patent 4,988,981) oder "PowerGlove" (Nintendo) bekannt, die in dem Artikel "Reach Out an Touch Your Data" des BYTE-Magazins (s.u.) erwähnt werden.

Weiterhin gibt es Geräte wie den "Dextrous Hand Master" - kurz DHM - (von Exos), die nicht direkt die Form eines Handschuhs haben, jedoch auch mit den Fingern der menschlichen Hand verbunden werden, um deren Bewegungen zu messen; der DHM hat die Form eines Exoskeletts, das der Hand übergestülpt wird.

Eine Liste von Erfindungen mit verwandtem Charakter bzw. Zweck findet sich im o.g. VPL-Patent. Andere relevante Schriften sind:
US-Patent 4 986 280 - "Hand Position/Measurement Control System" (Patent zum o.g. DHM);
DE-Patent 2 314 050 - "Induktiver Wegaufnehmer" (Philips);
Howard Eglowstein, "Reach Out an Touch Your Data", BYTE Computer Magazine, July 1990, pp. 283-290.

Die bisherigen Ausführungen verwenden zur Ermittlung der Gelenkbewegungen Sensoren und Umformungsvorrichtungen, die ein der Meßgröße analoges Spannungssignal erzeugen, welches auf dem analogen Übertragungsweg (von den Sensoren zum A/D-Wandler) recht störanfällig ist und aufwendig digitalisiert werden muß.

Zwar können die Signalstörungen durch Abschirmungsmaßnahmen oder differentielle Messungen (Gleichtaktunterdrückung) verringert werden, dies gestaltet sich jedoch umso komplizierter, je höher die gewünschte Genauigkeit ist.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus den jeweils eingesetzten Sensoren, die die überhaupt erreichbare Winkelauflösung schon auf dem Handschuh begrenzen. Meist sind sie mechanisch anfällig (z. B. Glasfiberoptik beim "Dataglove") oder von vornherein ungenau (z. B. Dehnungsmeßstreifen beim "Powerglove").

Auch erlauben die bisher verwendeten Meßvorrichtungen nur eine statische Auflösung, die nicht verschiedenen Anforderungen bzw. Einsatzgebieten angepaßt werden kann.

Ein weiterer Mangel bisheriger Ausführungen besteht in dem auf Positionserfassung beschränkten Sensortyp. Dadurch wird eine Anwendung dieser Dateneingabegeräte z. B. für die medizinische Diagnostik erschwert, da es dort z. B. darauf ankommt, nicht nur die Position der Finger einer Patientenhand zu bestimmen, sondern auch deren Greifkraft.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Eingabe von Positions- und Druckverteilungen an der menschlichen Hand in ein Datenverarbeitungsgerät zu schaffen, das präzise, schnell, mit hoher Auflösung und mit geringer Störanfälligkeit arbeitet.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösung enthalten die Unteransprüche.

Die Einsatzgebiete der beschriebenen Erfindung sind vielfältig. Sie kann als Eingabegerät für Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden, insbesondere auch zur Steuerung von Robotern und (handähnlichen) Robotergreifern sowie zum "Teleoperating" (Fernsteueraufgaben) z. B. in Kernkraftwerken, in der Raumfahrt usw., für medizinische Zwecke (Diagnostik, Bewegungs- und Greifkraftstudien, Therapie), und für sonstige Aufgaben, bei denen es auf hohe Genauigkeit bei der Erfassung von Fingerbewegungen und Greifmustern ankommt.

Die dem Stand der Technik anhaftenden Mängel hinsichtlich Genauigkeit, mechanischer Robustheit, Störsicherheit, Ausstattung mit Sensoren und Einfachheit der Konstruktion werden größtenteils durch die Erfindung behoben. Die verwendete Kombination von Sensoren, die Frequenzen abgeben, mit der Meßvorrichtung, welche Frequenzen statt analoger Spannungen digitalisiert, gestattet eine deutlich höhere Auflösung im Bereich von Zehntelgrad bei Fingerbewegungen statt ca. einem Grad (Dataglove) und hohe Störsicherheit. Aufwendige analoge Multiplexschaltungen entfallen; die gewünschte Verteilung der Sensorsignale kann bequem mit wenigen handelsüblichen Logikbauteilen bewerkstelligt werden.

Durch den Einsatz von berührungsfrei arbeitenden induktiven Positionssensoren wird die mechanische Robustheit garantiert und der Aufbau, insbesondere im Hinblick auf die Wartung, vereinfacht. Die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Sensorarten gestattet ein breiteres Anwendungsspektrum.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine halbräumliche Ansicht des Gesamtsystems;

Fig. 2 einen Überblick über den elektronischen Teil des Systems und den Zusammenhang der Hauptkomponenten;

Fig. 3 die Lage der Drucksensoren auf dem die Handinnenseite bedeckenden Teil des Handschuhs;

Fig. 4 den Verbund von je zwei Drucksensoren mit zugehörigen Oszillator- IC (in diesem Fall plaziert auf einem Finger);

Fig. 5 die Lage der Positions- bzw. Gelenkbeugungssensoren auf dem Hand(schuh)rücken;

Fig. 6 den detaillierten Aufbau eines Positionssensors;

Fig. 7 die Zusammenschaltung von Oszillator und Drucksensor;

Fig. 8 die Oszillatorschaltung für einen Positionssensor;

Fig. 9 die Detailschaltung eines Multiplexers auf dem Hand(schuh)rücken;

Fig. 10 einen Überblick über den Aufbau des Frequenzzählers im Zusammenhang mit der Schnittstelle und dem Computerteil des Meßrechners;

Fig. 11 und 12 den detaillierten Aufbau des Frequenzzählers;

Fig. 13 den Aufbau der Schnittstelle;

Fig. 14 den Aufbau des Referenzfrequenzgenerators;

Das dargestellte Beispiel ist nur eine Möglichkeit, die Erfindung auszuführen. Der Fachmann kann leicht ersehen, wie ähnliche Vorrichtungen erstellt werden können, ohne den Charakter der Erfindung zu ändern.

Fig. 1 stellt eine Übersicht über das Gesamtsystem dar - so, wie es beispielsweise zu Diagnosezwecken eingesetzt werden könnte. Auf der Oberfläche von Handschuh 1, der z. B. von einem Patienten getragen wird, sind verschiedene Sensoren 4, 5 verteilt.

Die Sensoren 4 sind Drucksensoren, deren genaue Anordnung aus Fig. 3 hervorgeht. In diesem Beispiel ist der Handschuh mit zwölf solcher Sensoren bestückt, andere Anordnungen und Zahlen sind denkbar. Die Sensoren 5 sind Positionssensoren (Anordnung siehe Fig. 5), von denen sich z. B. sechzehn auf dem Handschuhrücken befinden.

Greift der Patient mit dem Handschuh z. B. nach einem Glas und umschließt es mit den Fingern, so werden die Drucksensoren 4 mit unterschiedlicher Stärke gegen die Wandung gedrückt. Zusammen mit ihrem jeweils zugehörigen Oszillator 11 (Fig. 7) liefern sie dann eine Frequenz, welche die Stärke des auf sie ausgeübten Drucks widerspiegelt. Auf diese Weise läßt sich beim Greifen die Druckverteilung an der Handinnenseite ermitteln.

Die Art und Weise, wie die Finger sich bewegen, um das Glas zu greifen, kann von den Positionssensoren 5 erfaßt werden. Sie bestimmen den Beugungsgrad eines Fingersegments, gesehen jeweils relativ zu einem anderen Teil des Fingers bzw. der Hand. Da die Positionen bzw. Gelenkbeugungswinkel und die Druckverteilungen mehrmals pro Sekunde gemessen werden (ein typischer Wert ist zehnmal pro Sekunde; höhere Meßraten sind möglich), ergibt sich ein Abbild des gesamten Greifvorgangs in der Zeit. Dieses Abbild kann dann z. B. dazu verwendet werden, Greifkraft- oder Positionierschwächen der Finger eines Patienten zu ermitteln.

Sowohl die Ausgänge der Druck- 4 als auch die der Positionssensoren 5 sind mit dem Multiplexer (Auswahlvorrichtung) 3 verbunden. Er wählt jeweils eines der ankommenden Frequenzsignale für die Übertragung zum Meßrechner 2 aus und schickt es über das Verbindungskabel (Übertragungsvorrichtung) 6, welches auch Adreßinformationen für den Multiplexer 3 überträgt, zum Meßrechner 2; die Verbindung zwischen Multiplexer und Meßrechner kann auch drahtlos sein.

Im Meßrechner wird das jeweils angewählte Sensorsignal mittels eines Frequenzzählers (Meßwertumformer) 8 (Fig. 2) quantisiert und der dem Signal zugeordnete Digitalwert entweder sofort über die serielle Schnittstelle 7 zur Weiterverarbeitung an andere Rechner geschickt oder im Meßrechner selbst gespeichert, um später ausgelesen zu werden; vorzugsweise werden die Daten immer tupelweise behandelt. Zunächst werden alle 28 Handsensoren ausgelesen, dann die 28 Werte zusammen übertragen oder gespeichert.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung eignet sich besonders gut für medizinische Zwecke entsprechend der eben beschriebenen Diagnoseanwendung. Soll der Handschuh für andere Aufgaben, z. B. für die Steuerung eines Roboterarms mit aufmontierter menschenähnlicher Roboterhand, eingesetzt werden, ist es vorteilhaft, der Anordnung ein weiteres Element (hier nicht dargestellt) hinzuzufügen. Zweckmäßigerweise befestigt man auf dem Gehäuse, in dem sich der Multiplexer 3 befindet, einen Positionssensor, der die räumliche Position und Orientierung der Hand relativ zu einem definierten Referenzpunkt bestimmen kann. So wird es möglich, den Roboterarm analog den Bewegungen des eigenen Arms und die Ringer der Roboterhand ähnlich denen der eigenen Hand zu steuern. Unbedingt notwendig ist dieser Zusatz jedoch nicht, da es z. B. möglich ist, die Gelenke des Roboterarms nur mit Gesten der Finger zu bewegen. Die dafür erforderliche hohe Winkelauflösung ist durch die Positionssensoren 5 gegeben.

Insgesamt gliedert sich ein Datenerfassungsvorgang mit der Vorrichtung nach Fig. 1 in folgende Schritte: Mit dem Handschuh 1 werden Greifdaten die bei Bewegungen der menschlichen Hand im Handschuh entstehen, von den Sensoren 4 und 5 erfaßt, per Multiplexer 3 geeignet selektiert (Auswahl wird vom Meßrechner 2 gesteuert), über das Verbindungskabel 6 zum Meßrechner geschickt, dort digitalisiert und von dort aus über die serielle Schnittstelle 7 weiterverbreitet.

Fig. 2 bietet einen Überblick über die elektrischen Verbindungen im System. Dargestellt sind der Handschuh 1 mit schematisierten Fingergliedern, einigen Drucksensoren 4 und Positionssensoren 5 sowie die Verbindungen 13, 14 zwischen Sensorelektronik und Multiplexer 3; weiterhin die Verbindung 6 zwischen Multiplexer und Meßrechner 2 sowie die Dreiteilung des Meßrechners 2 in Frequenzzähler 8, Schnittstelle 9 und Computerkomponente 10.

Der Multiplexer 3 wird von der Schnittstelle 9 mit Adreßsignalen versorgt und liefert über Verbindung 6 das jeweils ausgewählte Sensorfrequenzsignal an den Frequenzzähler 8, der ebenfalls von der Schnittstelle 9 gesteuert wird. Die Schnittstelle 9 bildet die vielen Hardwaresignale, die zur Versorgung des Zählers und des Multiplexers benötigt werden, auf eine der Computerkomponente 10 angepaßte Speicher- bzw. Registersicht ab. Computerkomponente 10 wiederum programmiert die Schnittstelle 9 und holt von ihr die Meßdaten zur weiteren Verwendung ab; typischerweise werden die Daten über eine serielle Schnittstelle an andere Rechner übertragen.

Fig. 3 zeigt die Lage der Drucksensoren 4 auf der Hand(schuh)innenseite. Wie man sieht, befinden sich jeweils zwei Sensoren auf jedem der fünf Finger und zwei weitere auf dem Handteller. Diese Anordnung ermöglicht eine weitgehend flächendeckende Erfassung der Druckverteilung bei Greifvorgängen. Alle Drucksensoren sind an zugehörige Oszillatoren 11 angeschlossen (Fig. 7).

Fig. 4 verdeutlicht den Zusammenhang von je zwei Drucksensoren 4 mit ihren zugehörigen Oszillatoren 11 (Fig. 7), von denen jeweils zwei im angedeuteten IC 17 (z. B. SMD CMOS 4069) auf dem Fingerrücken Platz finden (Schaltung und Sensorprinzip siehe Fig. 7). Die Verbindungen 15 zwischen Sensoren 4 und IC 17 sind möglichst kurz gehalten, um Störeinflüsse zu minimieren.

Fig. 5 zeigt die Lage der Positions- bzw. Gelenkbeugungssensoren 5 auf dem Hand(schuh)rücken. Insgesamt sind sechzehn Positionssensoren 5 vorhanden. Vier sind auf und um den Daumen herum angeordnet, um sowohl die Beugung der beiden vorderen Daumengelenke als auch die kegelförmige Bewegung des Gelenks, das der Handwurzel am nächsten gelegen ist, zu erfassen. Jeweils drei Positionssensoren befinden sich auf je einem der anderen vier Finger, um deren Bewegungen zu messen. Im Beispiel sind keine Sensoren zur Bestimmung der Fingerspreizung vorhanden, sie lassen sich jedoch leicht nachrüsten (siehe Fig. 9: Dort sind D4 . . .7 an U34 noch frei).

Die Bezugszeichen 18, 23 und 24 werden in Fig. 6 erläutert.

Fig. 6 zeigt den detaillierten Aufbau eines Positions- bzw. Gelenkbeugungssensors 5. Das Gehäuse aus Messingblech ist zur besseren Übersicht weggelassen. Der Sensor arbeitet berührungsfrei, was allein dadurch schon eine gewisse Störsicherheit und mechanische Unempfindlichkeit bewirkt. Er besteht im wesentlichen aus einer Spule 19, die auf einen Spulenkörper 20 gewickelt ist, der einen Tauchkern 21 umgibt. Der Tauchkern ist beweglich angeordnet und dient zur Veränderung der Induktivität der Spule 19, die von der Schaltung auf Platine 22 gemessen wird. Am Tauchkern 21 befindet sich ein flexibler, aber in Längsrichtung relativ steifer Perlonfaden 18, der Zug- und Schubkräfte auf den Tauchkern überträgt, so daß sich der Kern in die Spule 19 hineinziehen bzw. herausschieben läßt.

Ist der Sensor 5 beispielsweise auf das Handschuhfingerglied 23 (Fig. 5) montiert, dann ist der Faden 18 in geeigneter Weise am nächsten Fingerglied 24 (Fig. 5) des Handschuhs befestigt, so daß er bei Beugung des Fingergelenks zwischen den Fingerelementen 23 und 24 aus dem Sensor herausgezogen bzw. bei Streckung in ihn hineingeschoben wird. Gemeinsam mit dem Faden wird der Tauchkern bewegt, wodurch sich bei Streckung des Fingers die Induktivität der Spule 19 verringert bzw. bei Beugung erhöht - je nach Position des Tauchkerns relativ zur Spule.

Die Spule ist über möglichst kurze Verbindungsdrähte 16 mit der Schaltung auf Platine 22 gekoppelt, die sich in dieser Ausführung im selben Gehäuse wie der Sensor befindet und so zu einer Reduzierung von Störeinflüssen beiträgt (Schaltungsprinzip in Fig. 8).

Fig. 7 zeigt die Verschaltung eines Drucksensors 4 mit einem Oszillator 11. Der Drucksensor ist ein kleiner flacher Kondensator (Dicke: ca. 1 mm), dessen Platten sich federnd gegeneinander drücken lassen. Durch unterschiedlich hohen Druck senkrecht auf die Kondensatorfläche ergeben sich dadurch verschieden große Kapazitäten. Je nach Größe der Kapazität C_i des Sensors 4 dauert es unterschiedlich lange, ihn zu (ent-)laden. Dies wird benutzt, um die Schwingungsdauer des Oszillators 11, bestehend aus drei rückgekoppelten CMOS-Invertern 25; 26; 27, zu beeinflussen. Bei hohem Druck auf den Kondensator ist seine Kapazität größer und es dauert länger, ihn zu (ent-)laden. Dadurch wird auch der Spannungsanstieg bzw. -abfall an den Ausgängen von Invertern 25, 26 verlangsamt, so daß sich die vom Oszillator abgegebene Frequenz verringert. Umgekehrt erhöht sich die Oszillatorfrequenz bei nachlassendem Druck auf den Kondensator, da sich seine Kapazität dann verringert. Die abgegebene Frequenz steht in funktionalem Zusammenhang mit der Meßgröße Druck und wird über eine Verbindungsleitung 13 zur weiteren Verarbeitung an den Multiplexer 3 (Fig. 1, 9) geschickt. Typische Werte für C_i: 50-800 pF; entsprechend ergeben sich Frequenzen von ca. 1,6-0,7 MHz (stark bauteilabhängig).

Fig. 8 zeigt detailliert die in jedem Positionssensor 5 vorhandene Schaltung zur Bestimmung der Induktivität der zum Sensor gehörigen Spule 19. Sie liefert eine der augenblicklichen Induktivität entsprechende Frequenz, die in funktionalem Zusammenhang mit der Meßgröße Position des Tauchkerns 21 (Fig. 6) bzw. der Gelenkbeugung steht und über eine Verbindungsleitung 14 ebenfalls zur weiteren Verwendung an den Multiplexer 3 (Fig. 1, 9) geschickt wird.

Die Schaltung gliedert sich in zwei Hauptteile: In den L-C-Oszillator 28 (Colpitts-Schaltung) zur Bestimmung der Induktivität, und in den einstufigen Verstärker 29. Er gleicht die verschieden großen Signalamplituden des Oszillators aus, die auftreten, wenn sich die Spuleninduktivität L_j ändert, und formt die Sinusschwingung in ein Rechtecksignal um. In anderen Systemen wird die Amplitudenänderung zur Bestimmung der Tauchkernposition verwendet; hier interessiert jedoch nur die Frequenz. Die Frequenz ändert sich in nicht vollkommen linearer Weise mit der Position des Tauchkerns, was hier aber keine Rolle spielt, da der angeschlossene Meßrechner 2 (Fig. 1) die Nichtlinearitäten bei Bedarf ausfiltern kann. Wird jedoch darauf Wert gelegt, können die im Patent DE 2 314 050 (Induktiver Wegaufnehmer, Philips) genannten Methoden verwendet werden, um einen hochgradig linearen Sensor zu erhalten.

Die Dioden D1_j, D2_j und der Elektrolyt-Kondensator C5_j dienen zur Abkopplung des Schwingkreises von den Schwingkreisen 28 der anderen im Beispiel gewählten fünfzehn Positionssensorschaltungen.
Typische Werte für die abgegebenen Frequenzen: 60-80 kHz.

Fig. 9 enthält die Schaltung des Multiplexers 3 (Fig. 1, 2). Er besteht aus vier LS-TTL ICs 74LS251 (U33-U36), die zusammen mit einem 2-zu-4- Demultiplexer 74LS155 (U37) einen 32-zu-1-Multiplexer bilden. An seinen Eingängen d0-d11, p0-p15 liegen die Druck- und die Positionssensorfrequenzen an. Vier Eingänge von U34 (D4-D7) sind für Erweiterungen frei. Je nach Adreßsignal, welches von der Schnittstelle 9 (Fig. 2, 13) auf die Leitungen SensorAdr gelegt wird, wird einer der Sensoren angewählt und die von ihm erzeugte Frequenz durchgeschaltet. Das Signal erscheint dann am Ausgang des Inverters 30 bei Sensorsignal, und wird vom Verbindungskabel 6 (Fig. 1, 2) zum Meßrechner 2 (Fig. 1, 2) geleitet. Im Ausführungsbeispiel ist das Kabel ca. 3 m lang, weswegen die Inverter U38 als Verstärker für die von der Schnittstelle 9 (Fig. 2, 13) gesendeten Adreßsignale eingesetzt werden.

Fig. 10 gibt einen Überblick über die Elektronik im Meßrechner 2 (Fig. 1, 2). Die Hauptkomponenten sind Computer 10 (vergl. auch Fig. 2), Schnittstelle 9 und Frequenzzähler 8 (vergl. Fig. 2), der hier genauer dargestellt ist (Details folgen in Fig. 11, 12).

Der Computer 10 steuert die Schnittstelle 9, die wiederum den Frequenzzähler 8 und den Multiplexer 3 (Fig. 1, 2, 9) auf dem Handschuh bedient. Die Schnittstelle 9 stellt Steuersignale für den Frequenzzähler 8 zur Verfügung, weiterhin zwei 8-Bit-Datenports, um den Zähler programmieren und auslesen zu können, sowie einen weiteren Port, um die Adreßsignale für den Multiplexer zu generieren.

Der Frequenzzähler 8 besteht im Grunde genommen aus zwei Einzelzählern 31 und 32; außerdem aus einer Start-Stop-Logik 35, einem Frequenzselektor (Auswahllogik) 34 und Tristate-Bus-Logik 33. Letztere dient dazu, die Zahl der benötigten Schnittstellenports zu minimieren: Beide Zähler sind 16 Bit breit. Da der eine Zähler 31 immer nur gelesen und der andere Zähler 32 immer nur geschrieben wird, benötigt man unter Zuhilfenahme der Tristate-Logik 33 statt 32 Datenleitungen nur 16.

Das vielen Frequenzmessungen zugrunde liegende Prinzip, daß innerhalb einer definierten Referenzzeit die Perioden der zu messenden Frequenz ausgezählt werden, wird auch hier verwendet: Zähler 32 liefert die Referenzzeit, Zähler 31 zählt die Perioden.

Die Referenzzeit wird erzeugt, indem Zähler 32 eine programmierte Zahl von Perioden einer bekannten Referenzfrequenz (f_ref - z. B. 10 MHz) abzählt und dann der Start-Stop-Logik 35 signalisiert, daß die programmierte Zahl erreicht wurde. Eine Besonderheit der hier verwendeten Ausführung ist, daß das Taktsignal, das auf Referenzzähler 32 geleitet wird, auch die zu messende Frequenz (f_x) sein kann. Dies wirkt sich z. B. dann günstig aus, wenn die zu messende Frequenz f_x erheblich kleiner als die Referenzfrequenz f_ref ist (f_ref wird in diesem Fall an Zähler 31 gelegt). - Es finden also zwei Meßverfahren Verwendung:

M1: f_ref wird auf Zähler 31 und f_x auf Zähler 32 geleitet (geeignet für f_ref < f_x)
M2: f_x wird auf Zähler 31 und f_ref auf Zähler 32 geleitet (geeignet für f_ref < f_x)

Für beide Verfahren läßt sich jeweils eine Formel herleiten, die angibt, auf welchen Wert z₃₂ man den Zähler 32 setzen muß, um bei gegebener Referenzfrequenz f_ref, gegebenem Intervall f_xmin <= f_x <= f_xmax und Zählerauflösung b (in Bits) eine bestimmte Quantisierungsfehlergrenze _E=[f_xmax-f_xmin]/2^b):

Formel für M1

Formel für M2

Wie man sieht, ist die Auflösung des Frequenzzählers dynamisch. Je mehr Zeit man für eine Messung bereitstellt (je größer man z₃₂ wählt), desto höher ist die Ergebnisgenauigkeit. Je weniger Zeit für eine Messung zur Verfügung steht, desto ungenauer ist das Ergebnis, aber desto mehr Messungen können in einer Zeiteinheit erfolgen. Mit einer genügend hohen Referenzfrequenz (z. B. 10 MHz) lassen sich hohe Meßraten mit angemessener Genauigkeit realisieren.

Ein Meßvorgang sieht wie folgt aus: Zunächst veranlaßt der Computer 10 via Schnittstelle 9, daß die Zählschaltung zurückgesetzt wird. Beide Zähler werden gesperrt und die Tristate-Logik 33 auf inaktiv geschaltet. Als nächstes wird Zähler 31 gelöscht und Zähler 32 mit der Periodenzahl z₃₂ programmiert. Dann wird ein Sensor über SensorAdr angewählt und eine Referenzfrequenz f_ref sowie die Art der Verteilung von f_x und f_ref auf die Zähler per Selektor 34 eingestellt.

Schließlich wird der Start-Stop-Logik 35 die Erlaubnis erteilt, die Zähler freizugeben und mit der Zählung zu beginnen. Jede Messung wird mit der zu messenden Sensorfrequenz phasensynchron gestartet (siehe Fig. 12: Start-Stop-Logik).

Ist die Referenzzeit um, findet an Zähler 32 ein Unterlauf statt, der die Start-Stop-Logik 35 veranlaßt, die Zähler zu sperren. Gleichzeitig wird in der Schnittstelle 9 eine Unterbrechungsanforderung an den Computer 10 generiert, die signalisiert, daß Daten bereitstehen. Die Daten werden gelesen, indem die Tristate-Logik 33 auf Durchlaß und die betreffenden Portleitungen der Schnittstelle 9 auf Eingang geschaltet werden. Nun läßt sich der Inhalt von Zähler 31 auslesen, der der zu messenden Frequenz f_x entspricht. Danach kann eine neue Messung beginnen.

Normalerweise wird der Zählvorgang mit Unterlauf von Zähler 32 beendet. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit, die Start-Stop-Logik so zu sperren, daß weitergezählt wird. Dann bewirkt jeder Unterlauf von Zähler 32 und jeder Überlauf von Zähler 31 die Erzeugung eines Interrupts in der Schnittstelle, den die Computerkomponente 10 benutzen kann, um die Zähler softwaremäßig zu kaskadieren. Dadurch werden prinzipiell beliebig hohe Auflösungen möglich.

Fig. 11 zeigt den genauen Aufbau des Selektors 34 (Fig. 10) und der Zähler- Tristate-Kombination 31, 32, 33.

Der Selektor 34 besteht aus einem Doppel-1-aus-4-Datenselektor 74LS153 (U13) mit vorgeschalteten Schmitt-Trigger-Verstärkern U6 und einem Vierfach- 1-aus-2-Datenselektor 74LS157 (U14). U13 kombiniert das von den Sensoren kommende Signal f_x mit einer von mehreren möglichen Referenzfrequenzen f_ref (Auswahl über RefClkSelect); U14 verteilt f_x und f_ref auf die beiden Zähler 31, 32 je nach gewünschtem Meßverfahren M1, M2 (Auswahl über CounterSelect). Außerdem ist U14 dafür zuständig, die Frequenz für die Zähler freizugeben bzw. zu sperren. Dies wird von der Start-Stop-Logik 35 (Fig. 12) über CntEnable gesteuert.

Die Funktionsweise der Zähler-Tristate-Kombination 31, 32, 33 im unteren Teil der Zeichnung wurde bereits anhand von Fig. 10 erläutert.

Fig. 12 zeigt die Start-Stop-Logik 35. Im wesentlichen besteht sie aus zwei D-Flipflops 74LS74 (U6), die so geschaltet sind, daß FF2 im zurückgesetzten Zustand (2Q="0") das Zählen erlaubt und im gesetzten Zustand (2Q="1") das Zählen unterbindet.

FF2 wird verwendet, um das Zählen phasengenau auf das Sensorsignal SensorClk (f_x) abzustimmen: Es kann nur zurückgesetzt werden, wenn an 2D eine "0" anliegt und an 2Clock ein "0"-"1"-Übergang erfolgt, was pro Sensorsignalperiode genau einmal geschieht.

"0" wiederum kann nur an 2D anliegen, wenn FF1 nicht zurückgesetzt ist, wenn 1Q also "1" führt. Dies kann mittels eines "0"-"1"-Übergangs an 1Clock (CountEnable) ermöglicht werden, da an 1D immer "1" anliegt. Eine "0" an 1Reset sowie 2Set bewirkt das Rücksetzen der Flipflops, wodurch der Zählvorgang sofort unterbrochen wird. Dies wird ausgelöst durch einen Unterlauf an Zähler 32 (Cntr2Carry) oder durch einen CntrReset, den die Schnittstelle auslöst. Die Wirkung von Cntr2Carry kann mittels Cntr_Stop_Disable gesperrt werden (s.o.).

Das Ende einer Messung wird der Schnittstelle mittels CountFinished signalisiert. Diese Leitung geht immer dann auf "0", wenn die Flipflops zurückgesetzt werden (insbesondere durch Cntr2Carry).

Fig. 13 zeigt, wie die Schnittstelle 9 in dieser Ausführung beschaffen ist. Sie besteht aus zwei PIA 6520-ICs (U27, U28). Neben gewöhnlichen Steuerleitungen wie Cntr1/2_Read/Write, CntrReset, EnableExtEnable, RefClkSelect, CounterSelelct, CountEnable und Cntr_Stop_Disable ist sie beschaltet mit sechs Adreßleitungen für den Multiplexer 3 (Fig. 1, 2) auf dem Handschuh (SensorAdr), sechzehn Datenleitungen zum Programmieren bzw. Auslesen der Zähler (CntrData), und drei speziellen Leitungen, die Interrupts auslösen können, die zur CPU weitergeleitet werden. Es sind dies die schon in Fig. 10 besprochenen Leitungen Cntr1Carry, Cntr2Carry (zur softwaremäßigen Kaskadierung der Zähler) sowie CountFinished (Fig. 12).

Fig. 14 zeigt den Aufbau der Schaltung 12, die zwei Referenzfrequenzen für den Frequenzzähler generiert. Sie besteht aus einem handelsüblichen 1OMHz-Oszillator, der ein Ausgangssignal mit TTL-Pegel erzeugt. Dieses Signal wird einmal direkt und einmal geteilt durch zehn per U10 (ein Dezimalzähler 74LS90) zu der Zählschaltung 8 (Fig. 2, 10, 11) geleitet. Zusätzlich dient das 1MHz-Signal noch als Prozessortakt für die Computerkomponente 10 des Meßrechners 2 (Fig. 2).

Claims (15)

1. Vorrichtung zur präzisen Eingabe von Positions- und Druckverteilungen an der menschlichen Hand in ein Datenverarbeitungsgerät, bestehend aus einem mit Sensoren versehenen Handschuh, der Greifdaten der Hand erfaßt und über Meßwertumformer an Computer übermittelt, gekennzeichnet durch folgende Kombinationsmerkmale:

• - Sensoren (4, 5) mit Schaltungen (11, 28, 29), die dem jeweiligen Meßwert entsprechende Frequenzen erzeugen;
• - eine Auswahlvorrichtung (3), welche Sensorfrequenzsignale zur Übertragung an einen Meßwertumformer (8) auswählt;
• - eine Übertragungsvorrichtung (6) zur Übertragung der ausgewählten Frequenzsignale an den Meßwertumformer (8);
• - einen Meßwertumformer (8), der Frequenzen digitalisieren kann;
• - eine Schnittstelle (9), welche den Meßwertumformer (8) sowie die Auswahl- (3) und Übertragungsvorrichtung (6) steuert;
• - einen oder mehrere Computer (10), welche direkt oder indirekt die Schnittstelle (9) bedienen und/oder von ihr Daten erhalten.
• - zusätzlich eine Vorrichtung zur Feststellung der Position/Orientierung des Handschuhs im n-dimensionalen Raum, bezogen auf einen definierten Referenzpunkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (4, 5) Druck- und Positionssensoren sind, wobei sich die Drucksensoren (4) auf der Handinnenfläche und die Positionssensoren (5) auf der Handaußenseite des Handschuhs (1) befinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren (4) kapazitiver Natur und die Positionssensoren (5) induktiver Natur sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen (11, 28, 29) zur Erzeugung der dem jeweiligen Meßwert entsprechenden Frequenzen dicht am jeweiligen Sensor bzw. im Sensorgehäuse selbst plaziert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen unter Zuhilfenahme der Schaltungen (28, 29) im Sensor (5) selbst entstehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlvorrichtung (3) zur Übertragung an einen Meßwertumformer (8) von der Schnittstelle (9) mit Adreßsignalen versorgt wird, die jeden Sensor (4, 5) eindeutig identifizierbar machen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in je einem Zeitabschnitt nur eine Sensorfrequenz zum Meßwertumformer (8) weitergeleitet wird, so daß nur ein Übertragungskanal und ein Meßwertumformer (8) für eine beliebige Anzahl von Sensoren (4, 5) benötigt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in je einem Zeitabschnitt mehrere Sensorfrequenzen zu entsprechend vielen Meßwertumformern (8) weitergeleitet werden, um mehrere Frequenzen parallel zu digitalisieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Auswahlvorrichtung (3) auf dem Handschuh (1) befindet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsvorrichtung (6) sowohl die Adreßsignale zur Auswahlvorrichtung (3) als auch das jeweils ausgewählte Sensorfrequenzsignal zum Meßwertumformer (8) transportiert sowie nötigenfalls auch die Energieversorgung der Schaltungen auf dem Handschuh (1) sicherstellt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Übertragungsvorrichtung (6) zwischen dem Handschuh (1) und dem Meßwertumformer (8) befindet und flexibel genug ist, um den Handschuhträger in seinen Bewegungen nicht zu behindern.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer (8) eine an seinen Eingang angelegte Frequenz in einer bestimmten Zeit in einen digitalen Wert umwandelt und von der Schnittstelle (9) gesteuert wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer aus einer Start-Stop-Logik (35) und zwei Binärzählern (31, 32) besteht, wovon der eine die Impulse der zu messenden Frequenz und der andere die Impulse einer Referenzfrequenz zählt, dergestalt, daß beide Zähler (31, 32) gestoppt werden, wenn der Referenzzähler (32) auf Null heruntergezählt hat und der Schnittstelle (9) dieser Zustand bekanntgemacht wird sowie die Schnittstelle (9) ein Rücksetzen bzw. einen Neustart des Zählvorgangs auslösen kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer (8) weiterhin eine Auswahllogik (34) enthält, die es ermöglicht, die Referenzfrequenz und die zu messende Frequenz beliebig auf die Zähler (31, 32) zu verteilen und zusammen mit der Programmierbarkeit des Referenzzählers (32) durch die Schnittstelle (9) immer eine optimale Auflösung zu erhalten.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Zählerüber- oder -unterläufe nicht unbedingt zum Ende des Zählvorgangs führen müssen, sondern der Schnittstelle (9) mitgeteilt werden, so daß der an der Schnittstelle (9) befindliche Computer (10) die Zähler (31, 32) programmtechnisch kaskadieren kann, um beliebig hohe Auflösungen zu erhalten.