DE4240531C1 - Vorrichtung zur präzisen Eingabe von Positions- und Druckverteilungen an der menschlichen Hand in ein Datenverarbeitungsgerät - Google Patents
Vorrichtung zur präzisen Eingabe von Positions- und Druckverteilungen an der menschlichen Hand in ein DatenverarbeitungsgerätInfo
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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.
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 Ci 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 Ci: 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 Lj
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 D1j, D2j und der Elektrolyt-Kondensator C5j 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.
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 (fref - 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 (fx) sein kann. Dies wirkt sich z. B. dann günstig
aus, wenn die zu messende Frequenz fx erheblich kleiner als die Referenzfrequenz
fref ist (fref wird in diesem Fall an Zähler 31 gelegt).
- Es finden also zwei Meßverfahren Verwendung:
M1: fref wird auf Zähler 31 und fx auf Zähler 32 geleitet
(geeignet für fref < fx)
M2: fx wird auf Zähler 31 und fref auf Zähler 32 geleitet (geeignet für fref < fx)
M2: fx wird auf Zähler 31 und fref auf Zähler 32 geleitet (geeignet für fref < fx)
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
fref, gegebenem Intervall fxmin <= fx <= fxmax und Zählerauflösung
b (in Bits) eine bestimmte Quantisierungsfehlergrenze E=[fxmax-fxmin]/2b):
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
fref sowie die Art der Verteilung von fx und fref 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 fx
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 fx mit einer von mehreren möglichen Referenzfrequenzen
fref (Auswahl über RefClkSelect); U14 verteilt fx und fref 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 (fx) 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.
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