DE69731537T2

DE69731537T2 - Positionserfassungseinheit und mehrdimensionaler zeiger mit mehreren derartigen einheiten

Info

Publication number: DE69731537T2
Application number: DE69731537T
Authority: DE
Inventors: Björn Andersson; Joakim KVARNLÖF; Bengt Andersson
Original assignee: Trioc AB
Current assignee: Trioc AB
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2017-09-02
Also published as: WO1998010373A1; ES2232882T3; EP0920672B1; JP4067569B2; EP0920672A1; US6333733B1; SE9603208D0; JP2001500255A; DE69731537D1; AU4037997A; ATE282229T1

Description

Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich einerseits auf eine Einheit zum Bestimmen einer relativen Position von zwei gegenseitig bewegbaren Bauteilen, in einer oder mehreren Dimension(en), und, andererseits, auf eine Eingabeeinheit in der Form einer Zeigevorrichtung für eine Positionskontrolle in mehreren Dimensionen, insbesondere in sechs Dimensionen, wobei die Zeigevorrichtung hierzu die Positionserfassungseinheiten gemäß der Erfindung verwendet.
Die Erfindung ist insbesondere innerhalb des Gebiets von Zeigevorrichtungen und Positionierungseinrichtungen für ein mehrdimensionales Kontrollieren der Position eines Cursors, einer Zeigevorrichtung oder von anderen Objekten auf einer Anzeige anwendbar. Allerdings ist die Erfindung allgemein bei einer mehrdimensionalen Positionskontrolle, zum Beispiel für Industrieroboter und eine andere Ausrüstung, anwendbar.
Hintergrund
Auf dem Computer-Gebiet werden verschiedene Arten von Zeigevorrichtungen und Positionierungseinrichtungen als Eingabeeinheiten verwendet, wie beispielsweise ein Joystick, ein Steuerball, eine Mouse, usw., die, unter einer manuellen Betätigung, elektrische Steuersignale für eine mehrdimensionale Steuerung erzeugen. Eine Positionssteuerung für eine CAD-Arbeit oder in einem Computer und TV-Spielen erfordert oftmals eine Steuerbarkeit innerhalb mehrerer Freiheitsgrade oder Dimensionen. Ein Benutzer sollte in der Lage sein, mit seiner Hand eine Anzahl von unterschiedlichen Steuerbewegungen in einer logischen oder intuitiven Art und Weise vorzunehmen. In einigen modernen Anwendungen, insbesondere bei Computerspielen, ist eine Steuerbarkeit in bis zu sechs Dimensionen erforderlich, zum Beispiel eine lineare Bewegung in drei Richtungen und eine Drehbewegung und drei Richtungen.
In den vorliegenden Unterlagen soll der Ausdruck "Zeigevorrichtung" in einem breiten Sinne interpretiert werden und soll alle Typen von Eingabeeinheiten mit einer oder mit mehreren bewegbaren Betätigungseinrichtungen) zum Erzeugen von Positionssteuersi gnalen für eine mehrdimensionale Steuerung eines Objekts, durch Betätigen der Betätigungseinrichtung in unterschiedlichen Richtungen einer Betätigung, aufweisen.
Die SE-502,186 offenbart eine Eingabeeinheit in der Form einer Zeigevorrichtung für eine dreidimensionale Positionssteuerung von, z. B., einem Cursor auf einer Anzeige. Ein Objekt, das insbesondere der Finger des Benutzers sein kann, wird durch zwei Punktlichtquellen beleuchtet. Als Folge wirft das Objekt zwei Schatten auf eine Detektorfläche, die aus einer Mehrzahl von getrennten Detektorelementen aufgebaut ist, um die absoluten Positionen der Schatten zu bestimmen. Die Position des Objekts in drei Dimensionen wird auf der Basis der absoluten und relativen Positionen der zwei Schatten berechnet.
Diese Zeigevorrichtung nach dem Stand der Technik besitzt relativ hohe Gesamtkosten der Bauelemente und kann schwierig mit kleinen Dimensionen herzustellen sein, was verhindert, dass die Zeigevorrichtung in einer Teilkomponente in komplexeren Steuervorrichtungen verwendet werden kann. Die Zuverlässigkeit ist beschränkt. Die Größe des Betätigungsbereichs ist durch die Bauelemente beschränkt.
Zum Umwandeln von Bewegungen eines Hinweiszeigers in Steuersignale ist es auch bekannt, Bauelemente des PSD-Typs (Position-Sensing Detector) oder des CCD-Typs (Charge Coupled Device) zu verwenden. Allerdings sind diese Bauelemente kompliziert und demzufolge teuer.
Die Internationale Patent Anmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. WO 97/05567, die vor dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung angemeldet wurde, allerdings nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde, offenbart eine Zeigevorrichtung in der Form eines Steuerhebels zum Steuern in verschiedenen Dimensionen. In einer Ausführungsform trägt der Betätigungsgriff eine Lichtquelle an seinem unteren Ende. Ein stationärer Detektor besitzt vier Detektorflächen in der Form von Fotodioden, wobei jede einen Quadranten bildet. Strahlung von der bewegbaren Lichtquelle führt durch eine Öffnung in dem stationären Schirm hindurch und fällt als ein Lichtfleck auf die Detektorflächen auf. Wenn der Steuerhebel bewegt wird, variiert die Lichtmenge auf den verschiedenen Detektorflächen. Die momentane winkelmäßige Position des Betätigungsgriffs wird auf der Basis eines Vergleichs einer Lichtintensität auf den verschiedenen Detektorflächen berechnet.
Die US-A-4,607,159 offenbart eine zweidimensionale Joystick-Steuereinheit mit zwei senkrechten Licht-Emittern und Empfängern. In Abhängigkeit von der Bewegung des Joysticks wird Licht (teilweise) blockiert.
Aufgaben der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend erwähnten Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Positionserfassungseinheit zu schaffen, die mit einer kleinen Anzahl von einfachen und kostengünstigen Komponenten ausgeführt werden kann und die eine akkurate Bestimmung von Änderungen einer Position ermöglichen kann.
Eine spezielle Aufgabe ist diejenige, eine Positionserfassungseinheit zu schaffen, die von einem einfachen Aufbau ist und eine hohe Zuverlässigkeit während einer langen Lebensdauer liefern kann.
Eine spezielle Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Zeigevorrichtung für eine Positionssteuerung in zwei oder mehr Dimensionen, insbesondere in sechs Dimensionen, zu schaffen.
Eine Aufgabe ist es, eine Zeigevorrichtung zu schaffen, die eine Positionssteuerung in einer logischen und intuitiven Art und Weise ermöglicht, um dadurch das Risiko zu verringern, dass ein Benutzer unterschiedliche Freiheitsgrade durcheinander bringt.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick darauf, diese und andere Aufgaben zu lösen, bezieht sich die Erfindung auf eine Positionserfassungseinheit, die die Merkmale gemäß dem unabhängigen Anspruch besitzt. Bevorzugte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Eine Zeigevorrichtung, die die Positionserfassungseinheit aufweist, ist in den abhängigen Ansprüchen 10–14 definiert.
Demzufolge bezieht sich die Erfindung auf eine Positionserfassungseinheit, eine Strahlungsquelle, die wenigstens zwei Felder hat, die jeweils eine strahlende Fläche haben; einen Detektor zum Erfassen von Strahlung von den jeweiligen Feldern, wobei Strahlung von einem Feld von Strahlung von anderen Feldern unterschieden werden kann; ein Schirmelement, das auf dem Strahlenweg zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor angeordnet ist und das für jede Bestimmung einer Position sowie, aus der Perspektive des Detektors gesehen, wenigstens das eine Feld teilweise abschirmt, jedoch eines der Felder vollständig abschirmt, wobei wenigstens die Strahlenquelle oder der Detektor relativ zu dem Schirmelement in einer ersten Richtung, quer zur Richtung von Strahlung, so bewegt werden kann, dass eine relative Bewegung eine relative Änderung der Abschirmung der Felder verursacht, und eine Einrichtung zum Bestimmen einer relativen Position des Schirms und wenigstens der Strahlenquelle oder des Detektors in der ersten Richtung auf der Basis eines Vergleichs, wie beispielsweise des Verhältnisses zwischen der von dem Detektor erfassten und von den jeweiligen Strahlenfeldern empfangenen Strahlung, aufweist.
Gemäß einer speziellen, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet ein strahlungsausbreitendes Medium, wie beispielsweise eine Kunststoffplatte, oder dergleichen, die Fläche des Felds, das zu dem Schirmelement hinweist. Das die Strahlung ausbreitende Medium kann mit einer Strahlungseinheit oder einer Detektoreinheit, zugeordnet zu dem Feld zum Erzeugen "virtueller" Strahlungs- oder Strahlungserfassungsfelder, zusammenwirken. Diese Lösung ist wesentlich kostengünstiger bis zu einem Faktor von 100, verglichen mit der Verwendung von aktiven Komponenten, die große Strahlungserzeugungs- oder Strahlungserfassungsflächen haben.
In ihrer einfachsten Ausführungsform weist eine Positionserfassungseinheit gemäß der Erfindung nur zwei Felder auf, wobei in diesem Fall ein relativer Vergleich zwischen der Strahlung, zugeordnet zu den jeweiligen Feldern, die Bestimmung einer Position in einer Dimension ermöglicht. Allerdings ist die Einheit vorzugsweise für eine Positionserfassung in zwei unterschiedlichen Richtungen in einer Ebene, die sich quer zu der Strahlung erstreckt, angeordnet. Mindestens zwei Felder sollten hintereinander in jeder der zwei Richtungen angeordnet sein.
Die Strahlungsquelle kann aus einer "wahren" Strahlenquelle bestehen, die die Strahlung erzeugt. Die Strahlungsquelle kann auch eine indirekt strahlende Komponente sein, die dazu gebracht wird, durch Reflexion der Strahlung von einer Strahlungsquelle zu strahlen. Dementsprechend kann der Detektor einen Reflektor aufweisen, der übertragene Strahlung zu einem Detektor reflektiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform filtert das Schirmelement teilweise alle Felder bei jeder Bestimmung einer Position heraus, allerdings ist es auch vorstellbar, dass ein Feld oder einige Felder, in Abhängigkeit von der gesamten Anzahl von Feldern, bei der Bestimmung einer Position nicht abgeschirmt sein können, und, optional, immer nicht abgeschirmt sein können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird Gebrauch von vier Feldern gemacht, die aneinander entlang von geraden Linien angrenzen und Quadranten einer gemeinsamen Oberfläche bilden. Mit einem solchen Aufbau wird die Berechnung der relativen Position der Komponenten, die umfasst sind, äußerst einfach, insbesondere dann, wenn das Schirmelement auch so ausgelegt und angeordnet ist, dass es, innerhalb des gesamten Betriebsbereichs der Einheit, ermöglicht, dass die Strahlung, die allen vier Feldern zugeordnet ist, hindurchfährt. Änderungen der Position in zwei Richtungen in einer Ebene können einfach nur durch einen relativen Vergleich zwischen übertragener Strahlung, die den verschiedenen Feldern zugeordnet ist, berechnet werden.
Falls die erfindungsgemäße Positionserfassungseinheit so ist, dass eine relative Bewegung, gerichtet quer zu dem Strahlpfad, zu einer winkelmäßigen Änderung der übertragenen Strahlung führt, ist es bevorzugt, dass sowohl die Strahlungsquelle, als auch der Detektor jeweils Strahlung innerhalb eines Bereichs von Winkeln emittieren und erfassen kann.
Es sollte angemerkt werden, dass primär die Orientierung des Schirmelements im Raum nicht wichtig ist. Das Schirmelement sollte irgendwo in dem Strahlungsweg in einer solchen Art und Weise angeordnet sein, um einen Abschirmeffekt zu erhalten. Demzufolge kann das Schirmelement, zum Beispiel, auch senkrecht oder allgemein unter einem bestimmten Winkel zu der Ebene, in der sich die Teile bewegen, orientiert sein.
In einer Ausführungsform weist das Schirmelement ein Element auf, das innerhalb einer Konturlinie abschirmt und das mindestens teilweise durch einen Bereich umgeben ist, der einen freien Strahlweg zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor zulässt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Schirmelement ein Element auf, das um eine Konturlinie herum abschirmt und bei dem das Abschirmelement eine Öffnung, die darin gebildet ist, umgibt. Zum Beispiel "sieht" ein Detektor auf einer Seite des Schirmelements verschiedenen Bilder einer strahlenden Oberfläche, angeordnet auf der anderen Seite, und zwar in Abhängigkeit von der Position des Detektors, in derselben Art und Weise, wie es möglich ist, unterschiedliche Teile eines Raums durch ein Schlüsselloch zu beobachten.
Vorzugsweise sind das Schirmelement und der Detektor oder die Strahlungsquelle so zusammengebaut, dass die Positionserfassungseinheit zwei Bauelemente zum Befestigen in einer entgegengesetzten, bewegbaren Beziehung aufweist. Auf diese Art und Weise wird eine extrem flexibel anwendbare Positionserfassungseinheit erhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun in weiterem Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die, zum Zwecke einer Erläuterung, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht in einer ersten Ausführungsform einer zweidimensionalen Positionserfassungseinheit gemäß der Erfindung.
2A–D stellen schematisch den Betriebsmodus der Positionserfassungseinheit in 1 dar.
3 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer sechsdimensionalen Zeigevorrichtung gemäß der Erfindung.
4 zeigt eine Schnittansicht der Zeigevorrichtung in 3.
5 stellt schematisch eine derzeit bevorzugte Ausführungsform einer sechsdimensionalen Zeigevorrichtung gemäß der Erfindung dar.
6 stellt schematisch und von oben die Hauptbauteile der Zeigevorrichtung in 5 dar.
7A und 7B stellen den Betriebsmodus der Zeigevorrichtung in 5 dar.
8A und 8B stellen schematisch die Funktion der Lichtausbreitungsplatten dar.
Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
1 stellt schematisch drei Hauptbauelemente 11, 12, 13 in einer Ausführungsform einer zweidimensionalen Positionserfassungseinheit gemäß der Erfindung dar, aufweisend einerseits eine Feldeinrichtung 12 mit einer Anzahl von individuellen Feldern A1–A4, und andererseits eine Einrichtung 11, die damit zusammenwirkt, bezeichnet als Zusammenwirkungseinrichtung. Eine der Feldeinrichtungen 12 und der Zusammenwirkungseinrichtung 11 ist eine Strahlungsquelle S zum Abgeben von Strahlung (direkt oder indirekt), während die andere der Feldeinrichtungen 12 und der Zusammenwirkungseinrichtung 11 ein Detektor M zum Erfassen der Strahlung und zum Emittieren entsprechender Detektorsignale ist.
In den Ausführungsformen der Erfindung, wie sie dargestellt und beschrieben sind, ist die Feldeinrichtung 12 eine Strahlungsquelle S zum Emittieren von Strahlung, und die Zusammenwirkungseinrichtung 11 ist ein Detektor M zum Erfassen von Strahlung. Demzufolge wird Strahlung von den Feldern A1–A4 emittiert, die deshalb als Strahlungsfelder A1–A4 bezeichnet werden.
Als eine dritte Hauptkomponente weist die Positionserfassungseinheit in 1 ein Schirmelement 13 auf, das in dem Strahlweg zwischen der Strahlungsquelle S und dem Detektor M positioniert ist und das als ein flacher Schirm B für ein teilweises Abschirmen der Strahlung, die zu dem Detektor M hin gerichtet ist, dargestellt ist. Welche Teile der Strahlung abgeschirmt werden oder durch den Schirm B hindurchführen, hängt von der relativen Position der drei Hauptkomponenten S, M und B der Einheit ab. Falls, zum Beispiel, eine der drei quer zu dem Strahlweg bewegt wird, wird die Strahlung in irgendeiner anderen Art und Weise abgeschirmt. Die Positionen der drei Hauptkomponenten S, M und B relativ zueinander quer zu dem Strahlweg können mehrdeutig durch Bestimmen der Menge der Strahlung, die zwischen der Strahlungsquelle S und dem Detektor M, der mit den jeweiligen Feldern A1–A4 verbunden ist, transmittiert ist, bestimmt werden, d. h. der Menge der transmittierten Strahlung, die durch die jeweiligen Felder A1–A4 erfasst wird oder davon emittiert wird.
Die Strahlungsfelder A1–A4 grenzen aneinander entlang von zwei senkrechten, sich schneidenden Linien 14, 15 an. Wie schematisch in 1 dargestellt ist, weist – allerdings für den Zweck der Deutlichkeit nur für das Feld A4 – jedes Strahlungsfeld A1–A4 ein Licht ausbreitendes Element, quer zu dem Strahlweg verlängert, auf, so dass eine Kunststoff-Diffusionsplatte 16, die von hinten durch eine Strahlungseinheit 17, in diesem Fall eine IR-Licht emittierende Diode, zugeordnet dem Feld, beleuchtet wird. Im Gegensatz zu der IR-Licht emittierenden Diode, die als eine "aktive" Komponente angesehen werden kann, bildet das Lichtausbreitungselement 16 eine "passive" Komponente. Die Strahlungsquelle S weist demzufolge vier IR-Dioden 17 auf, von denen jede eine Kunststoff-Ausbreitungsplatte 16 besitzt. Jede IR-Diode 17 beleuchtet vorzugsweise nur ihre eigene Kunststoffplatte 16, und hierbei können geeignete Abschirmwände 18 zwischen den IR-Dioden angeordnet sein. Weiterhin können die seitlichen Kanten der Platten 16 gegeneinander abgeschirmt sein, um dadurch zu verhindern, dass sich Strahlung zwischen den Platten ausbreitet.
Die 8A und 8B stellen schematisch dar, wie eine im Wesentlichen punktförmige Strahlungseinheit 17, entsprechend zu der IR-Licht emittierenden Diode in 1 Strahlung zu einem Ausbreitungsmedium in der Form von, z. B., einer Kunststoffplatte 16, entweder von unten (8A) oder von der Seite (8B), emittiert. Als Folge wird eine "virtuelle" Strahlungsfläche in einer extrem kostengünstigen und einfachen Art und Weise erhalten. In 8B ist ein Reflektor 19 auf einer Seite der Platte angeordnet.
Falls die Felder A1–A4 erfassen sollen, anstelle davon, dass sie strahlen sollen, können "virtuell strahlungsempfindliche Oberflächen" entsprechend durch Anordnen eines Ausbreitungsmediums in Kombination mit gesonderten Detektoreinheiten für jedes Feld erzeugt werden. Verglichen mit PSD- und CCD-Komponenten nach dem Stand der Technik können die Kosten der Komponenten niedrig gehalten werden und der Aufbau kann einfach gestaltet werden.
Die IR-Dioden 17 der Strahlungsfelder A1–A4 werden mit der Hilfe einer elektronischen Steuereinrichtung (nicht dargestellt) in sequenziellen Zeitschlitzen aktiviert. Dies macht es möglich, zu identifizieren, von welchem Feld A1–A4 die erfasste Strahlung emittiert ist. Falls daneben der Aktivierungs-Zyklus mindestens einen "passiven" Zeitschlitz enthält, in dem alle Felder nicht aktiviert sind, kann der Effekt einer beeinflussenden Umgebungsstrahlung, falls welche vorhanden ist, mittels einer Amplitudenmodulation beseitigt werden. Die Umgebungsstrahlung kann in einem solchen passiven Zeitschlitz erfasst werden, und diese Umgebungsstrahlung kann kompensiert werden, wenn die Strahlung von den Strahlungsfeldern erfasst wird. Andere Arten und Weisen, die Strahlung von verschiedenen Feldern A1–A4 unterscheidbar zu machen, sind diejenigen, die Felder A1–A4 unter unterschiedlichen Wellenlängen, unter einer unterschiedlichen Polarisationsrichtung/Frequenz, strahlen zu lassen.
Der Schirm B besitzt die Form eines flachen, plattenähnlichen Elements 13 mit Strahlungsblockierbereichen. Eine Konturlinie 20 definiert eine Öffnung, durch die Strahlung von den vier Strahlungsfeldern A1–A4 hindurchführt. Die Konturlinie 20 kann unterschiedliche Formen haben.
In der Ausführungsform gemäß 1 kann, zum Beispiel, der Detektor M in einer Ebene bewegbar sein, die im Wesentlichen parallel zu den Feldern A1–A4 liegt. Unterschiedliche Bereiche der Strahlungsquelle S erreichen den Detektor M in Abhängigkeit von der Position des Detektors M in einer Ebene quer zu der Strahlungsrichtung. Diese erste Tatsache ermöglicht eine Positionserfassung in der Ebene, wie in weiterem Detail nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird. Entsprechende Ergebnisse können auch dann erhalten werden, wenn der Schirm B oder die Strahlungsquelle S quer zu dem Strahlweg bewegbar ist. Die 2A–D stellen vier unterschiedliche, relative Positionen der Hauptkomponenten in 1, gesehen von der Perspektive des Detektors M aus, dar. Zum Zwecke der Deutlichkeit ist der äußere Teil des Schirms 13 aufgebrochen, um dadurch zu ermöglichen, dass auch Teile der äußeren Kante der Strahlungsquelle S dargestellt werden können. In der Praxis erfasst allerdings der Detektor M nur Strahlung, die durch die Öffnung des Schirms 13 hindurchführt. Als ein Beispiel kann angenommen werden, dass die Strahlungsquelle S und der Schirm 13 relativ zueinander fixiert sind, wogegen der Detektor M quer zu der Strahlungsrichtung bewegbar ist, d. h. bewegbar in der Papierebene in den 2A–D.
In 2A sieht der Detektor M ein "Haarlinien-Kreuz", das aus den Begrenzungslinien 14, 15 gebildet ist und in dem x-y-Werte in dem markierten Koordinatensystem dem Schnitt P2 der Linien 14, 15 in der Ebene des Schirms B, relativ zu der Konturlinie 20, entsprechen, und zwar gesehen von der Perspektive des Detektors M aus. In dem Beispiel liegen die x-y-Werte zwischen 0 und 1, wobei 0 und 1 Extremwerte sind, wobei die Linien 14, 15 mit der Konturlinie 20 übereinstimmen. In 2A ist das Haarlinien-Kreuz zentral in der Öffnung in einer Position (0,5; 0,5) positioniert.
Die Position P2 des "Haarlinien-Kreuzes" in der x-y-Ebene kann durch einen Vergleich zwischen den nicht abgeschirmten Oberflächenbereichen A1'–A4' der vier Strahlungsfelder A1-A4 bestimmt werden. Zum Berechnen des y-Werts wird die erfasste Intensität von den zwei oberen, nicht abgeschirmten Oberflächenbereichen A1' und A2' aufsummiert, wobei die Summe durch die erfasste Gesamtintensität von allen nicht abgeschirmten Oberflächenbereichen A1'–A4' (Referenz-Intensität) geteilt wird. Dementsprechend wird die Position des Haarlinien-Kreuzes in der x-Richtung durch Aufsummieren der Intensitäten von den zwei rechtsseitigen, nicht abgeschirmten Oberflächenbereichen A1' und A4' berechnet. Die Position des Haarlinien-Kreuzes wird in derselben Art und Weise für die verschiedenen Positionen in den 2A, 2C und 2D wie folgt berechnet, wobei 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x ≤ 1 gilt, und wobei A1'–A4' die Strahlungsintensität für die entsprechenden Felder A1–A4 darstellen, die durch den Empfänger M erfasst ist.
2A: y = (A1' + A2')/(A1' + A2' + A3' + A4') = 0,5
x = (A1' + A4')/(A1' + A2' + A3' + A4') = 0,5
2B: y = (A1' + A2')/(A1' + A2' + A3' + A4') = 0,32
x = (A1' + A4')/(A1' + A2' + A3' + A4') = 0,5
2C: y = (A1' + A2')/(A1' + A2' + A3' + A4') = 0,5
x = (A1' + A4')/(A1' + A2' + A3' + A4') = 0,25
2D: y = (A1' + A2')/(A1' + A2' + A3' + A4') = 0,32
x = (A1' + A4')/(A1' + A2' + A3' + A4') = 0,25
Der Empfänger "sieht" demzufolge größere oder kleinere Teile A1'–A4' der separaten Strahlungsfelder A1–A4, die, in diesem Fall, aus "Hintergrundlichtern" mit IR-Dioden, abgedeckt mit diffus machendem Kunststoff, bestehen. Die Felder A1–A4 werden aufeinander folgend aktiviert, wobei die IR-Pegel mittels des Empfängers M registriert werden. Die gegenseitige Proportionalität der vier IR-Pegel gibt, nach den vorstehenden Berechnungen, die Position P2 des Haarlinien-Kreuzes (siehe 1) in der Ebene des Schirms B an. Demzufolge ist es unerheblich, unter welchem Abstand von den Oberflächen der Empfänger positioniert ist, da die Berechnungen auf der Beziehung der empfangenen Lichtmenge basieren. Der absolute Betrag der empfangenen Strahlung kann variieren, allerdings ist die Beziehung der Strahlungsintensitäten, zugeordnet zu den verschiedenen Feldern, dieselbe entlang einer Linie.
Die Position der Mitte P1 des Haarlinien-Kreuzes in der Strahlungsquelle S ist bekannt. Die Position der Mitte P2 des Haarlinien-Kreuzes in der Ebene des Schirms B wird wie vorstehend berechnet. Dies führt zu der Position der zwei Punkte P1 und P2 in dem Raum, und, demzufolge, zu der Gleichung für die Linie L1, auf der der Empfänger M positioniert ist.
3 stellt eine erste Ausführungsform einer sechsdimensionalen Zeigevorrichtung 30 gemäß der Erfindung dar. Die Zeigevorrichtung 30 besitzt eine stationäre Basis 31 und einen bewegbaren Steuerhebel 32. Genauer gesagt ist der Steuerhebel 32 vertikal in der z-Richtung einstellbar und frei in der seitlichen Richtung in der x-y-Ebene verschiebbar. Eine Verbindungskugel 33, angeordnet an dem oberen Ende des Steuerhebels 32, trägt eine zylindrische Betätigungseinrichtung 34, die eine sphärische Vertiefung besitzt, die, zusammen mit der Verbindungskugel 33, eine Kugel-Sockel-Verbindung, für eine winkelmäßige Einstellung der Betätigungseinrichtung relativ zu dem Steuerhebel 32 in drei senk, rechten Drehrichtungen Xrot, Yrot, Zrot, bildet. Im Hinblick auf eine Bestimmung der relati ven winkelmäßigen Position der Betätigungseinrichtung 34 in diesen drei Richtungen, relativ zu dem Steuerhebel 32, besitzt die Zeigevorrichtung 30 innerhalb der Verbindungskugel 33 zwei senkrecht befestigte Positionserfassungseinheiten 35, 36, von denen eine zweidimensional ist und die andere eindimensional ist. Jede davon besitzt einen Empfänger M1, M2, befestigt an der Betätigungseinrichtung 34, während das Feld und der Schirm an dem Steuerhebel 32 montiert sind. Der Steuerhebel 32 trägt an seinem unteren Ende eine dreidimensionale Positionserfassungseinheit 37 gemäß der Erfindung, die zwei Detektoren M3, M4 aufweist, die voneinander beabstandet an dem unteren Ende des Steuerhebels 32 montiert sind und zu einem Schirm 13 und vier Strahlungsfeldern hin gerichtet sind. Die Positionserfassungseinheit 37 registriert lineare Bewegungen des Steuerhebels 32 in den Richtungen x, y, z. Genauer gesagt wird dies durch die zwei Detektoren M3, M4 ausgeführt, was eine Bestimmung der Position von zwei Linien, anstelle von nur einer Linie, wie in 1, ermöglicht. Unter Kenntnis der Richtungen der Linien und des relativen Abstands der Detektoren M3, M4 ist es möglich, durch eine Triangulation, die Position des Steuerhebels 32 auch in der z-Richtung zu bestimmen. Durch lineare Beeinflussung des Steuerhebels 32 über die Betätigungseinrichtung 34 wird eine lineare Steuerung von x, y, z auch ausgeführt und durch Drehung der Steuereinrichtung 34 wird eine Steuerung in drei Drehrichtungen Xrot, Yrot, Zrot ausgeführt.
Die 5 und 6 stellen eine derzeit bevorzugte Ausführungsform einer sechsdimensionalen Zeigevorrichtung 40 gemäß der Erfindung dar. Die Zeigevorrichtung 40 weist eine stationäre Basisplatte 41 mit einer Handauflage 42 auf. Eine zylindrische Betätigungseinrichtung 43 (nachfolgend bezeichnet als "Puck") ist bewegbar an der Basisplatte 41 befestigt und ist so angepasst, um durch die Hand eines Benutzers betätigt zu werden. Die Handfläche ruht dann auf der Handauflage 42, die die Finger frei belässt, um den Puck 43 in allen Richtungen zu betätigen.
Die Zeigevorrichtung 40 ist in dem Sinne sechsdimensional, dass der Puck 43 einerseits in drei linearen Richtungen X, Y, Z und, andererseits, in drei Drehrichtungen Xrot, Yrot und Zrot bewegbar ist. Es sollte bemerkt werden, dass der Puck 43 frei in der x-y-Ebene und nicht nur in der x-Richtung und der y-Richtung bewegbar ist. Im Hinblick auf, zum Beispiel, eine Bewegung eines Objekts auf eine Anzeige, "in die Anzeige hinein" bewegt der Benutzer den Puck 43 nach vorne, und im Hinblick auf eine Drehung des Objekts um sich selbst herum wird der Puck 43 in der entsprechenden Richtung gedreht.
Der Puck 43 besitzt die Form eines zylindrischen Mantels mit einer Innenseite 44, die in 6 gezeigt ist. Der unterbrochene, innere Kreis 45 in 10 stellt einen stationären Halter dar, der fest an der Basis 41 befestigt ist und davon vorsteht, um den Puck 43 zu tragen. Zwischen dem Halter 45 und dem Puck 43 sind drei umfangsmäßig verteilte Federelemente 46, wie beispielsweise Gummielemente, in dieser Ausführungsform angeordnet, was es für den Benutzer möglich macht, den Puck 43 relativ zu dem Halter 45 in den vorstehend angegebenen sechs Richtungen zu bewegen, und was sicherstellt, dass der Puck 43 zu seiner Ausgangsposition, falls er durch den Benutzer freigegeben wird, zurückkehrt.
Zum Bestimmen der momentanen Position des Pucks 43 relativ zu dem Halter 45, weist die Zeigevorrichtung 40 drei Positionserfassungseinheiten U1, U2, U3, voneinander um 120° beabstandet, von dem Typ auf, der vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Jede Positionserfassungseinheit U1–U3 weist eine Strahlungsquelle S1–S3, einen Empfänger M1–M3 und einen Zwischenschirm B1–B3 auf. In jeder Einheit U1–U3 ist der Empfänger auf der Innenseite 44 des bewegbaren Pucks 43 befestigt, während die Strahlungsquelle und der Schirm als eine integrierte Einheit oder ein Kasten, allgemein bezeichnet mit N1–N3, auf dem stationären Halter 45 befestigt sind. In der nicht betätigten Ruheposition des Pucks 43 gemäß 7A ist jeder Empfänger M1–M3 radial zu seinem entsprechenden Kasten N1–N3 entlang eines Radius R1–R3 ausgerichtet.
Jeder Kasten N1–N3 besitzt vier Strahlungsfelder entsprechend 1, die senkrecht zu der Ebene, gebildet durch die Radii R1–R3, verlängert sind. Die Felder A können vorzugsweise aus Licht ausbreitenden Platten und posterior angeordneten Strahlungsquellen, wie vorstehend, um "virtuelle" strahlende Oberflächen zu bilden, gebildet sein.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform in den 3 und 4, wo die lineare Bewegung und die Drehbewegung durch unterschiedliche Positionserfassungseinheiten erfasst werden, verwendet die Zeigevorrichtung in den 5 und 6 die Einheiten U1–U3 zum Bestimmen der Position in sowohl der linearen Richtung als auch der Drehrichtung. Dies wird durch Bestimmen der Richtung von drei Linien ausgeführt, wie nun unter Bezugnahme auf die 7A und 7B beschrieben wird.
Es ist unerheblich, wie der Puck 43 gedreht wird, da die Empfänger M1–M3 in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks T, das eine Seitenlänge "d" besitzt, positioniert sein werden. Um die lineare Position und die Drehung des Pucks 43 relativ zu den Kästen N1– N3 zu berechnen, wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass jede Positionserfassungseinheit U1–U3 eine Bestimmung der Richtung oder der Gleichheit der Linie L1–L3, die den Empfänger M1–M3 mit dem Kasten N1–N3 verbindet, ermöglicht. Die absoluten Positionen der Linien L1–L3 im Raum können direkt mittels der Einheiten U1–U3 berechnet werden. Die Ecken des gleichseitigen Dreiecks T, das eine Seitenlänge d besitzt, sollten auf diese drei Linien L1–L3 festgelegt werden, die nur in einer Weise beeinflusst werden können. Dies führt zu den Eckenpunkten des Dreiecks T im Raum und, demzufolge, zu der Position des Pucks 43 relativ zu dem Halter 45. Die tatsächliche Berechnung der Position des Dreiecks kann, zum Beispiel, durch iterative Berechnungen ausgeführt werden. Die Translation des Pucks 43 wird durch Mittelung an den drei Winkelpunkten berechnet. Die Drehung des Pucks 43 wird mit der Hilfe der Normalen zu der Ebene des Dreiecks T und der Drehung davon berechnet.
Die Zeigevorrichtung 40 in den 5 und 6 besitzt drei "vollständige" Positionserfassungseinheiten U1, U2, U3 in dem Sinne, dass jede davon ihren eigenen Empfänger, ihren eigenen Schirm und ihre eigene Strahlungsquelle mit vier Feldern besitzt. Allerdings ist ersichtlich, dass es in dieser, ebenso wie in anderen Ausführungsformen, denkbar ist, Bauelemente zwischen den Positionserfassungseinheiten gemeinsam zu teilen. In der Ausführungsform in 5 kann dies zum Beispiel durch die Einheiten U1–U3, die gemeinsam IR-Lich emittierende Dioden miteinander teilen, erreicht werden. Eine gemeinsame zentrale Strahlungsquelle mit vier Feldern könnte Strahlung über Spiegel zu drei separaten Schirmen B1–B3 und weiter auf drei separate Empfänger M1–M3 emittieren. Diese werden es möglich machen, eine vollständige, sechsdimensionale Bestimmung einer Position mit nur drei Detektoren und vier IR-Licht emittierenden Dioden eines herkömmlichen und kostengünstigen Designs auszuführen, was zu einer extrem kostengünstigen Zeigevorrichtung führen würde.
Die vorstehend beschriebenen Zeigevorrichtungen gemäß der Erfindung sind so angepasst, um mit Berechnungseinrichtungen zum Erzeugen geeigneter Ausgangssignale zu einem Computer oder einer anderen Ausrüstung, basierend auf den Detektorsignalen von den Positionserfassungseinheiten, verbunden sein können oder selbst diese aufweisen. Eine solche Berechnungseinrichtung kann A/D-Wandler und einen geeigneten Prozessor, oder dergleichen, aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen, die beschrieben sind, beschränkt, und kann innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche modifiziert werden.
In einer alternativen Ausführungsform muss der Schirm nicht aus einem Material hergestellt sein, das vollständig Strahlung blockiert. Es kann ausreichend sein, dass der Schirm einen wesentlichen Teil der Strahlung blockiert oder die Strahlung abdeckt, wenn sie dort hindurch führt, so dass sich die umgewandelte Strahlung von der nicht abgeschirmten Strahlung unterscheidet.
Hinweisvorrichtungen gemäß der Erfindung sind mehrdimensional, d. h. sie ermöglichen eine Steuerung in verschiedenen Dimensionen und setzen hierzu eine oder mehrere Positionserfassungseinheit(en) gemäß der Erfindung zum Bestimmen von zueinander bewegbaren Teilen der Zeigevorrichtung ein. Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung können alle Positionserfassungseinheiten in einer Zeigevorrichtung eindimensional sein, auch dann, wenn es heutzutage bevorzugt sein würde, Einheiten einzusetzen, die eine Bestimmung in zwei oder mehr Dimensionen ermöglichen.
Eine andere Strahlung (sichtbar oder unsichtbar) als IR-Strahlung kann in der Erfindung verwendet werden.
In den Ausführungsformen, die dargestellt sind, ist der Schirm unter einem Abstand von den Feldern angeordnet. In solchen Ausführungsformen entstehen Winkeländerungen des Strahlwegs in relativen Bewegungen. In einer möglichen Varianten könnte der Schirm in derselben Ebene wie in den Feldern angeordnet sein und könnte relativ zu diesen bewegbar sein.

Claims

Positionserfassungseinheit (10) zum Bestimmen einer relativen Position in wenigstens einer Dimension, gekennzeichnet durch: eine Strahlungsquelle (S), die wenigstens zwei Felder (A1–A4) hat, die jeweils eine strahlende Fläche haben, einen Detektor (M) zum Erfassen von Strahlung von den jeweiligen Feldern (A1–A4), wobei Strahlung von einem Feld von Strahlung von anderen Feldern unterschieden werden kann, ein Schirmelement (B), das auf dem Strahlenweg zwischen der Strahlungsquelle (S) und dem Detektor (M) angeordnet ist und das für jede Bestimmung einer Position sowie aus der Perspektive des Detektors (M) gesehen, wenigstens das eine Feld teilweise abschirmt, jedoch keines der Felder vollständig abschirmt, wobei wenigstens die Strahlungsquelle (S) oder der Detektor (M) relativ zu dem Schirmelement (B) in einer ersten Richtung quer zur Richtung von Strahlung so bewegt werden kann, dass eine relative Bewegung eine relative Änderung der Abschirmung der Felder (A1–A4) verursacht, und eine Einrichtung zum Bestimmen einer relativen Position des Schirms (B) und wenigstens der Strahlungsquelle (S) oder des Detektors (M) in der ersten Richtung auf Basis eines Vergleichs, wie beispielsweise des Verhältnisses, zwischen der von dem Detektor (M) erfassten und von den jeweiligen strahlenden Feldern empfangenen Strahlung.
Positionserfassungseinheit nach Anspruch 1, wobei jedes der strahlenden Felder (A1–A4) ein Strahlung ausbreitendes Medium (16) umfasst, das die strahlende Flä che bildet und das mit einer separaten Strahlungseinheit (17) zusammenwirkt, die mit dem Feld verbunden ist.
Positionserfassungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche für zweidimensionale Bestimmung einer Position, wobei die wenigstens zwei Felder (A1–A4) einerseits zwei in einer ersten Richtung nebeneinanderliegende Felder zum Bestimmen der Position in einer ersten Dimension und andererseits zwei in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung nebeneinanderliegende Felder zum Bestimmen der Position in einer zweiten Dimension umfassen.
Positionserfassungseinheit für zweidimensionales Bestimmen einer Position nach Anspruch 3, wobei die wenigstens zwei Felder insgesamt vier Strahlungsfelder (A1–A4) umfassen, die jeweils einen Quadranten bilden.
Positionserfassungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Felder (A1–A4) zum Unterscheiden zwischen mit den jeweiligen Feldern verbundener Strahlung sequenziell aktiviert werden.
Positionserfassungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Schirmelement (B) bei jeder Bestimmung einer Position alle Felder (A1–A4) teilweise abschirmt.
Positionserfassungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Schirmelement (B) einen Strahlung sperrenden Bereich (14) und einen Strahlung nicht sperrenden Bereich umfasst, und einer der Bereiche den anderen der Bereiche umschließt oder umgekehrt.
Positionserfassungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (S) eine aktive Strahlungsquelle ist, die selbst Strahlung erzeugt.
Positionserfassungseinheit nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Strahlungsquelle (S) eine indirekte Strahlungsquelle ist, die selbst keinerlei Strahlung erzeugt, sondern stattdessen diese Strahlung von einem anderen Ort empfängt.
Zeigevorrichtung (30; 40) zum Steuern einer Position in wenigstens zwei Dimensionen durch Betätigen einer Betätigungseinrichtung (35; 43) der Zeigevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeigevorrichtung eine oder mehrere Positionserfassungseinheiten (35–37; U1–U3) nach einem der Ansprüche 1–9 zum Bestimmen der relativen Position der Betätigungseinrichtung und einer Auflage in wenigstens zwei Dimensionen umfasst.
Zeigevorrichtung (30; 40) nach Anspruch 10 zum Steuern einer Position in sechs Dimensionen, wobei die Betätigungseinrichtung (35; 43) entsprechende sechs Freiheitsgrad hat.
Zeigevorrichtung (40) nach Anspruch 11, wobei die Betätigungseinrichtung (43) für lineare Bewegung in drei linearen Richtungen (x, y, z) und Drehbewegung in drei Drehrichtungen (Xrot, Yrot, Zrot) beweglich an einem mittleren Halter (45) der Zeigevorrichtung (40) aufgehängt ist und ihn umschließt.
Zeigevorrichtung (40) nach Anspruch 12, die drei zweidimensionale Positionserfassungseinheiten (U1–U3) umfasst, die in Umfangsrichtung um den mittleren Halter (45) herum verteilt sind und die jeweils vier Felder haben.
Zeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 10–13, die zwei oder mehr Positionserfassungseinheiten nach einem der Ansprüche 1–9 umfasst, wobei wenigstens eine Strahlungsquelle und/oder ein Detektor und/oder ein Schirmelement gemeinsam von zwei oder mehr Positionserfassungseinheiten genutzt werden.