EP3345068A1 - Device and method for determining the position of a force-absorbing element in three axes - Google Patents

Device and method for determining the position of a force-absorbing element in three axes

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EP3345068A1
EP3345068A1 EP16760038.6A EP16760038A EP3345068A1 EP 3345068 A1 EP3345068 A1 EP 3345068A1 EP 16760038 A EP16760038 A EP 16760038A EP 3345068 A1 EP3345068 A1 EP 3345068A1
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EP
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force
image sensor
geometric shape
sensor
image
Prior art date
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Application number
EP16760038.6A
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Christian Baumgartner
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    • G05G2009/04759Light-sensitive detector, e.g. photoelectric
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    • G05G9/04788Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks the controlling member being the operating part of a switch arrangement comprising additional control elements
    • G05G9/04796Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks the controlling member being the operating part of a switch arrangement comprising additional control elements for rectilinear control along the axis of the controlling member

Definitions

  • Detect light sensors which are in turn illuminated by a light source attached to the axis accordingly.
  • the lines or matrices described there are depending on
  • Object of the present invention is therefore, a
  • Three-axis sensor or to provide a method for determining the position of a motion carrier, which avoids the disadvantages mentioned.
  • Projection unit itself the light source.
  • the light source may be advantageously followed by an optic (e.g., plano-convex lens, collimator lens, and / or template)
  • optic e.g., plano-convex lens, collimator lens, and / or template
  • Shaping template are omitted, since as a light figure naturally a circular disk (filled circle) is formed.
  • Center axis of the sensor. 2 shows a three-axis sensor according to a second
  • Movement carrier in one direction diagonal to the X and Y direction.
  • Fig. 6 shows four examples of light figures.
  • Fig. 7b shows another variant of the sensor device with vertically layered material of the carrier holder.
  • Fig. 8 shows a further embodiment of the invention, with a spherical bearing for movable mounting in the
  • Fig. 9 shows a further embodiment with a
  • Reflection surface for generating the light figure For generating the light figure.
  • a three-axis sensor According to the invention, a three-axis sensor
  • a triaxial sensor according to a first embodiment comprises a force receiving member 2, e.g. may have the shape of a key or a stick.
  • a carrier (moving carrier) 4 carries e.g. on the outside, the force receiving element 2 and is here as a rigid plate
  • the movement carrier 4 is e.g. in one
  • the triaxial sensor further comprises a projection device 3 held by the carrier 4, and an image sensor 6 (e.g., a CMOS, CCD, or 3D chip) positioned on the bottom part 8. Via a supply line 1, e.g. in the form of a flexible cable, the projection unit 3 is electrically powered.
  • a supply line 1 e.g. in the form of a flexible cable
  • a polymer e.g. additioncrosslinked silicone.
  • the layered material may have a large input force spectrum, e.g. 0.01N to 50N.
  • a large input force spectrum e.g. 0.01N to 50N.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the schematic section of the three-axis sensor with a movement carrier 4, which is fixedly connected to the image sensor unit 6 via side parts 5 and the bottom part 8.
  • the carrier 4 is flexible, preferably elastically deformable
  • a metal foil made, e.g. polymer, plastic, CFRP, GRP or metal (e.g., a metal foil).
  • the choice of material depends on the desired field of application. If, for example, a maximum force of 30N on the force transducer 2 is desired, a spring steel is used. To accommodate lower forces up to 5N, for example, a CFK or plastic moving member 4 is installed.
  • the three-axis sensor according to the invention can additionally be accommodated in a housing 12, as can be seen in the example of FIG. 1.
  • the housing is shown in Figs. 2 and 7-9 of
  • the layering of the material may be horizontal, as shown in Fig. 7a, or vertical, as in Fig. 7b. According to the field of application can be dispensed with a layering of the material and only a material can be introduced. This reduces the difference between the applied force values for the minimum and maximum strokes.
  • FIGS. 3 to 5 As illustrated in FIGS. 3 to 5, FIGS.
  • Projection device 3 or reflection surface (see Fig. 9) generates a defined geometric shape 10 (eg square, circle, arranged in any geometric shape points, see the four shown in Fig. 6 examples), which on the image sensor 6, depending on the movement or deflection of the motion carrier a correspondingly distorted and new
  • a defined geometric shape 10 eg square, circle, arranged in any geometric shape points, see the four shown in Fig. 6 examples
  • Fig. 3 shows by way of example a distortion / displacement due to movement or deflection in the X direction, and Fig. 4 in a diagonal deflection.
  • the image 11 changes visually, as shown by way of example in FIG. 5, for example, the image 11 decreases in size because of the
  • Moving support 4 in this case approaches the image sensor 6. After the complete analysis of the individual images, signals or protocols are created and output for the subsequent system.
  • the sampling rate of the image sensor is performed at a speed adapted to the downstream system (fps, frames per second).
  • fps frames per second
  • a high sample rate (at least 40 fps) is required to drive (e.g., medical, aircraft, car). If the sensor is used in the consumer sector (for example, computer games), the sampling rate can be lowered to 10-20 fps.
  • the image sensor 6 is preferably a high resolution
  • Image sensor 6 to produce.
  • the resolution of the detected coordinates can also be increased, for example by a factor of at least 100. Since the storage or the material properties of the
  • Moving carrier 4 preferably require an exponential force required to tilt and / or press the movement carrier 4 accordingly, a wide range of application is made possible with respect to the input forces to be applied.
  • the extent to which this high resolution is actually required depends on the intended use and can be individually adapted by the software.
  • the three-axis sensor described can be recalibrated at any time or individually adapted to the user or the purpose of use (see below for image analysis adaptation).
  • Muscular dystrophy, muscle atrophy, quadriplegia) or whose power is subject to a temperature or disease-related permanent or temporary change, will be able to perform permanent control tasks with the three-axis sensor described here (wheelchair, PC, environment, etc.).
  • the center point of the geometrical shape 6 found by the arithmetic unit is at the position (0,0) at rest (in the middle of the sensor). For example, if the image sensor has a maximum resolution of 5000x5000 pixels, 2500 pixels are available for each direction (starting from the center)
  • the optical sensor can be used due to its high resolution (for example, according to the current state of the art 19,580 x 12,600 pixels). This could detect the slightest relative movements of the earth's crust.
  • high resolution for example, according to the current state of the art 19,580 x 12,600 pixels. This could detect the slightest relative movements of the earth's crust.
  • Image sensor diagonal of 1 inch corresponds to 1mm deflection of the projection 11 already about 770 pixels. If a lever system is used, the deflection (measured in pixels) increases as desired. In addition, the resolution increases by interpolation of the found geometric shape. In this application can be dispensed with the layered material 9 and the projection unit directly via a
  • the force receiving element 2 e.g. formed as a button
  • the projection device 3 is connected by an axis 13 which is guided by a pivot bearing 14.
  • the axis 13 is tilted in the pivot bearing 14, whereby the projection device 3 is deflected and, as already described, generates a change in the light figure 10, 11.
  • Projection device as an optical device, eg. A mirror or other optically active element,
  • Fig. 9 shows an embodiment with an optical
  • a mirror 31 with which the movement carrier 4 is firmly connected a mirror 31, with which the movement carrier 4 is firmly connected.
  • a light beam L eg. Laser beam
  • the predefined geometric shape is indirectly projected onto the image sensor (6) via the reflection surface, on the basis of which the further evaluation of the light pattern takes place as described above.
  • Another possible material for some or all components of the device according to the invention is silicone rubber with sufficient material stiffness, which is vulcanized in suitable metal molds, for example in one
  • the optical sensor offers high accuracy, very good positional reproducibility and is subject to no wear at high interference immunity.
  • force feedback force feedback
  • a stroke is desired by the user, this can be achieved, for example, by a tension spring fastened on the force receiver 2
  • Triaxial sensor the production is cost-effective.
  • the present prototype can be an input spectrum of
  • a digital output is activated, for example, to stop an electric wheelchair.
  • Triaxial sensor can be adapted to the user at any time.

Abstract

A device for determining the position of a force-absorbing element (2) in three axes comprises a high-resolution image sensor (6), a movement support (4) which is arranged opposite the image sensor and is connected to the force-absorbing element (2), a projection device (3) which is connected to the movement support (4) and projects, onto the image sensor, a predefined geometric shape (10) which is positioned and distorted according to an x/y/z inclination of the movement support. A computing device (7) derives, from the position and distortion of the geometric shape (10), high-resolution x/y/z coordinates for further processing.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Drei-Achsen-Positionsbestimmung eines Kraftaufnahmeelements Device and method for three-axis position determination of a force receiving element
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einer optischen, lernfähigen Dreiachsensensorik, sowie ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Kraftaufnahmeelements The invention relates to a sensor device with an optical, teachable three-axis sensor, and a method for determining the position of a force receiving element
(zumindest) hinsichtlich dreier Achsen.  (at least) with respect to three axes.
Mehrachsensensoren im Allgemeinen und unter anderem auch Multi-axis sensors in general, and among other things
Zweiachsensensoren (Joysticks, etc.) finden ihren Einsatz in sämtlichen privaten und industriellen Bereichen. Auch in den Bereichen Automobiltechnik, Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt sowie in der Medizintechnik werden diese Sensorsysteme Two-axis sensors (joysticks, etc.) are used in all private and industrial sectors. These sensor systems are also used in the fields of automotive technology, aerospace, shipping and medical technology
eingesetzt, da mehrere Funktionen gleichzeitig nahezu intuitiv gesteuert werden können. Je nach Anforderung wird dort eine bestimmte Präzision (Auflösung) , eine bestimmte Kraft zur Auslenkung sowie ein bestimmter Hub zur Bewältigung der notwendigen Wege fest oder in gering variablem Rahmen used, because several functions can be controlled almost intuitively at the same time. Depending on the requirement, there is a certain precision (resolution), a certain force for deflection as well as a specific stroke for coping with the necessary paths fixed or in a slightly variable frame
vorgegeben . predetermined.
Probleme entstehen insbesondere dort, wo es nicht möglich ist, mit gleichbleibendem Kraft- und Hubaufwand ein solches Problems arise especially where it is not possible, with a constant force and lifting effort such
Sensorsystem zu bedienen bzw. zu nutzen. Zu schwach ausgelegte Sensorsysteme werden bei zu hohem Kraft- und Hubaufwand zerstört. Sehr robust ausgelegte Sensorsysteme reagieren bei sehr geringem Kraft- und Hubaufwand nicht oder nur in einem nichtverwertbarem Ausmaß. Herkömmliche mechanische Sensor system to use or use. Too weak designed sensor systems are destroyed at too high power and lifting effort. Very robust designed sensor systems do not react at very low power and lifting effort or only to a non-usable extent. Conventional mechanical
Sensorsysteme unterliegen zudem einer Abnutzung. Des Weiteren werden handelsübliche Sensorsysteme z.B. mit einem Gummibalg um die Achse ausgestattet, um das Eindringen von Fremd- und Schadstoffen in die Mechanik zu verhindern. Hierbei entsteht eine zusätzliche Problematik hinsichtlich einer eventuell notwendigen Reinigung oder Desinfektion, besonders im Sensor systems are also subject to wear. Furthermore, commercial sensor systems, e.g. equipped with a rubber bellows around the axle to prevent the ingress of foreign and pollutants into the mechanics. This creates an additional problem with regard to any necessary cleaning or disinfection, especially in
medizintechnischen Bereich, da ein Balg oder andere medical field, as a bellows or other
Schutzgummis schwierig zu reinigen bzw. desinfizieren sind. Aus z.B. EP 1 696 300 AI und GB 2 334 573 A sind Sensorsysteme (Joysticks) bekannt, welche ihre Position anhand von Protective rubbers are difficult to clean or disinfect. For example, EP 1 696 300 AI and GB 2 334 573 A sensor systems (joysticks) are known which their position based on
Lichtsensoren ermitteln, die wiederum mittels einer an der Achse befestigten Lichtquelle entsprechend angestrahlt werden. Die dort beschriebenen Zeilen oder Matrizen sind je nach Detect light sensors, which are in turn illuminated by a light source attached to the axis accordingly. The lines or matrices described there are depending on
Dichte der verwendeten Lichtsensoren in ihrer Auflösung eingeschränkt. Auch wird dort ein vordefinierter Hub und eine vordefinierte Kraft benötigt, um den Federmechanismus bis in die gewünschte Position zu bringen. Außerdem sehen diese Density of the light sensors used limited in their resolution. Also, there is a predefined stroke and a predefined force needed to bring the spring mechanism to the desired position. In addition, see these
Sensorsysteme lediglich zwei Achsen vor (X- und Y-Achse) . Sensor systems only two axes in front (X and Y axis).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Object of the present invention is therefore, a
Dreiachsensensor bzw. ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Bewegungsträgers zur Verfügung zu stellen, welches die genannten Nachteile vermeidet. Zudem soll ein Anpassen des Sensors an die gewünschten Eingabekräfte und den gewünschten Bewegungshub ermöglicht werden. Three-axis sensor or to provide a method for determining the position of a motion carrier, which avoids the disadvantages mentioned. In addition, it should be possible to adapt the sensor to the desired input forces and the desired movement stroke.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den This object is achieved by the device according to claim 1 and by the method according to claim 6. Advantageous developments of the invention are in the
abhängigen Ansprüchen dargestellt. dependent claims.
Die Erfindung schafft eine optische, lernfähige bzw. The invention provides an optical, learning or
anpassungsfähige Dreiachsensensorik, welche jederzeit durch den Nutzer an die gewünschten Eingabekräfte und den adaptable three-axis sensors, which at any time by the user to the desired input forces and the
gewünschten Bewegungshub angepasst werden kann. Eine desired movement stroke can be adjusted. A
Projektionseinheit projiziert eine definierte geometrische Form auf einen Bildsensor. Wirken Kräfte auf die Kraftaufnahme ein, verändert sich die Neigung und/oder der Abstand des Projection unit projects a defined geometric shape onto an image sensor. If forces are applied to the force absorption, the inclination and / or the distance of the force changes
Bewegungsträgers zum Bildsensor. Die mit dem Bewegungsträger fest verbundene Projektionseinheit projiziert je nach Neigung und Druck verschiedene verzerrte geometrische Formen auf dem Bildsensor, woraus eine Bildanalysesoftware entsprechende X- , Y- und Z-Koordinaten berechnet. Der Projektionseinheit ist eine Lichtquelle (z.B. LED oder Laser) zugeordnet; beispielsweise beinhaltet die Movement carrier to the image sensor. Depending on the inclination and the pressure, the projection unit firmly connected to the movement carrier projects various distorted geometric shapes on the image sensor, from which an image analysis software computes corresponding X, Y and Z coordinates. The projection unit is associated with a light source (eg LED or laser); For example, the
Projektionseinheit selbst die Lichtquelle. Der Lichtquelle kann vorteilhafter Weise eine Optik nachgeschaltet sein (z.B. Plankonvexlinse, Kollimatorlinse und /oder Schablone zur Projection unit itself the light source. The light source may be advantageously followed by an optic (e.g., plano-convex lens, collimator lens, and / or template)
Erzeugung einer geometrischen Figur) , welche auf dem Creation of a geometric figure), which on the
Bildsensor eine entsprechende geometrische Form projiziert. Diese Lichtfigur bzw. Projektion kann eine beliebige Image sensor projects a corresponding geometric shape. This light figure or projection can be any
geometrische Form annehmen, aber auch aus Punkten bestehen. Wird als Lichtquelle ein Laser genutzt, kann auf eine assume geometric shape, but also consist of points. If a laser is used as a light source, can on a
formgebende Schablone verzichtet werden, da als Lichtfigur naturgemäß eine Kreisscheibe (ausgefüllter Kreis) entsteht. Shaping template are omitted, since as a light figure naturally a circular disk (filled circle) is formed.
Die individuelle Anpassung der Eingabekräfte kann The individual adaptation of the input forces can
vorprogrammiert sein oder mittels eines Lernprozesses be preprogrammed or by means of a learning process
erfolgen, bei welchem der Nutzer alle Richtungen einmal betätigt und somit der Bildanalyse mitteilt, welche Maxima erreicht wurden. Alle dann erkannten Koordinaten werden durch sukzessive Approximation in geeignete Ausgangssignale für das nachgeschaltete System gewandelt. Es sind sowohl analoge als auch digitale Signale und Busprotokolle als Ausgangssignal möglich. Durch Interpolation der verzerrten geometrischen Formen kann die Auflösung der erkannten Koordinaten um den Faktor 100 erhöht werden, in Abhängigkeit von der Qualität des eingesetzten Bildsensors. take place, in which the user actuates all directions once and thus tells the image analysis, which maxima were reached. All then recognized coordinates are converted by successive approximation into suitable output signals for the downstream system. Both analog and digital signals and bus protocols as output signal are possible. By interpolation of the distorted geometric shapes, the resolution of the detected coordinates can be increased by a factor of 100, depending on the quality of the image sensor used.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele, welche in den beigelegten Zeichnungen schematisch dargestellt sind, weiter erläutert. The invention will be further elucidated below with reference to non-limiting exemplary embodiments, which are shown schematically in the attached drawings.
Fig.l zeigt einen Dreiachsensensor gemäß einem ersten Fig.l shows a three-axis sensor according to a first
Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht entlang der Embodiment in a sectional view along the
Mittelachse des Sensors. Fig.2 zeigt einen Dreiachsensensor gemäß einem zweiten Center axis of the sensor. 2 shows a three-axis sensor according to a second
Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht entlang der Embodiment in a sectional view along the
Mittelachse des Sensors. Center axis of the sensor.
Fig.3 zeigt das projizierte Abbild einer geometrischen Form i Ruheposition und das Abbild einer verzerrten geometrischen Form bei Krafteinwirkung über die Kraftaufnahme auf den 3 shows the projected image of a geometric shape i rest position and the image of a distorted geometric shape when force is applied to the force on the
Bewegungsträger in X-Richtung. Movement carrier in the X direction.
Fig.4 zeigt das projizierte Abbild einer geometrischen Form i Ruheposition und das Abbild einer verzerrten geometrischen Form bei Krafteinwirkung über die Kraftaufnahme auf den 4 shows the projected image of a geometric shape i rest position and the image of a distorted geometric shape when force on the force on the
Bewegungsträger in einer Richtung diagonal zur X- und Y- Richtung . Movement carrier in one direction diagonal to the X and Y direction.
Fig.5 zeigt das projizierte Abbild einer geometrischen Form i Ruheposition und das Abbild einer verzerrten geometrischen Form bei Krafteinwirkung über die Kraftaufnahme auf den 5 shows the projected image of a geometrical shape i rest position and the image of a distorted geometric shape when force is applied to the force absorption on the
Bewegungsträger in Z-Richtung. Movement carrier in the Z direction.
Fig. 6 zeigt vier Beispiele von Lichtfiguren. Fig. 6 shows four examples of light figures.
Fig. 7a zeigt eine Variante der Sensorvorrichtung der Fig. 1 mit horizontal geschichtetem Material der Trägerhalterung . Fig. 7a shows a variant of the sensor device of Fig. 1 with horizontally layered material of the carrier holder.
Fig. 7b zeigt eine andere Variante der Sensorvorrichtung mit vertikal geschichtetem Material der Trägerhalterung. Fig. 7b shows another variant of the sensor device with vertically layered material of the carrier holder.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, mit einem Gelenklager zur bewegbaren Halterung in des Fig. 8 shows a further embodiment of the invention, with a spherical bearing for movable mounting in the
Kraftaufnahmeelements und der Projektionseinrichtung. Power receiving element and the projection device.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einer Fig. 9 shows a further embodiment with a
Reflektionsfläche zur Erzeugung der Lichtfigur. Reflection surface for generating the light figure.
Gemäß der Erfindung wird eine Dreiachsensensorik According to the invention, a three-axis sensor
vorgeschlagen, aufweisend einen Bildsensor, einer an dem Bewegungsträger befestigten Projektionseinrichtung oder Reflektionsflache und einer dem Bildsensor nachgeschalteten Recheneinheit mit Bildanalysesoftware. proposed, comprising an image sensor, a projection device attached to the movement carrier or Reflection surface and a downstream of the image sensor arithmetic unit with image analysis software.
Bezugnehmend auf Fig.l umfasst ein Dreiachsensensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ein Kraftaufnahmeelement 2, das z.B. die Form einer Taste oder eines Stabes haben kann. Ein Träger (Bewegungsträger) 4 trägt z.B. außenseitig das Kraftaufnahmeelement 2 und ist hier als starre Platte Referring to Fig. 1, a triaxial sensor according to a first embodiment comprises a force receiving member 2, e.g. may have the shape of a key or a stick. A carrier (moving carrier) 4 carries e.g. on the outside, the force receiving element 2 and is here as a rigid plate
ausgebildet. Der Bewegungsträger 4 ist z.B. in einem educated. The movement carrier 4 is e.g. in one
geschichteten Material 9 gelagert, das über Seitenteile layered material 9 stored, which has side panels
(Abstandhalter) 5 mit einem Bodenteil 8 verbunden, das hier z.B. von einer Platine gebildet ist, die zudem mit der bereits erwähnten Recheneinheit 7 (z.B. einem MikroController) ausgestattet ist. Die Recheneinheit kann in einer Variante auch gesondert von der Sensorvorrichtung vorgesehen sein. Der Dreiachsensensor weist zudem eine von dem Träger 4 gehaltene Projektionseinrichtung 3 auf, sowie einen Bildsensor 6 (z.B. ein CMOS, CCD oder 3D Chip) , der auf dem Bodenteil 8 positioniert ist. Über eine Zuleitung 1, z.B. in Form eines flexiblen Kabels, wird die Projektionseinheit 3 elektrisch versorgt. (Spacer) 5 is connected to a bottom part 8, here e.g. is formed by a board, which is also equipped with the already mentioned computing unit 7 (for example a microcontroller). The arithmetic unit can also be provided separately from the sensor device in a variant. The triaxial sensor further comprises a projection device 3 held by the carrier 4, and an image sensor 6 (e.g., a CMOS, CCD, or 3D chip) positioned on the bottom part 8. Via a supply line 1, e.g. in the form of a flexible cable, the projection unit 3 is electrically powered.
Während des Betriebs ist die Projektionseinrichtung 3 mit dem Kraftaufnahmeelement 2 starr verbunden und folgt somit den Bewegungen des letzteren. Das Schichtmaterial 9 kann During operation, the projection device 3 is rigidly connected to the force receiving element 2 and thus follows the movements of the latter. The layer material 9 can
beispielsweise aus einem Polymer, wie z.B. additionsvernetztem Silikon, bestehen. Durch die Schichtung verschiedener Polymere mit wiederum verschiedener Dichte und/oder Festigkeit for example, a polymer, e.g. additioncrosslinked silicone. By the layering of different polymers with different density and / or strength
(Elastizitätsmodul) und/oder Viskosität kann das geschichtete Material ein großes Eingabekraftspektrum, z.B. 0,01N bis 50N, aufnehmen. Hierbei wird bei kleinen Kräften, welche auf die Kraftaufnahme 2 einwirken, zunächst nur das weiche Polymer komprimiert und mit zunehmenden Kräften die weiteren härteren Schichten. Die auf die Kraftaufnahme 2 einwirkenden Kräfte erzeugen eine umgekehrt exponentielle Auslenkung des (Young's modulus) and / or viscosity, the layered material may have a large input force spectrum, e.g. 0.01N to 50N. Here, at low forces, which act on the force absorption 2, initially only the soft polymer is compressed and with increasing forces, the further harder layers. The forces acting on the force absorption 2 generate a reverse exponential deflection of the
projizierten Bildes 11 (Fig. 3-5) auf dem Bildsensor 6. Fig.2 zeigt eine zweite Ausführungsform den schematischen Schnitt des Dreiachsensensors mit einem Bewegungsträger 4, welcher fest mit der Bildsensoreinheit 6 über Seitenteile 5 und dem Bodenteil 8 verbunden ist. In dieser Ausführung ist der Träger 4 biegsam, vorzugsweise elastisch verformbar; projected image 11 (FIGS. 3-5) on the image sensor 6. 2 shows a second embodiment of the schematic section of the three-axis sensor with a movement carrier 4, which is fixedly connected to the image sensor unit 6 via side parts 5 and the bottom part 8. In this embodiment, the carrier 4 is flexible, preferably elastically deformable;
beispielsweise ist er aus einem verformbaren Material for example, it is made of a deformable material
hergestellt, wie z.B. aus Polymer, Kunststoff, CFK, GFK oder Metall (z.B. einer Metallfolie) . Die Materialauswahl hängt von dem gewünschten Einsatzgebiet ab. Wird beispielsweise eine maximale Krafteinwirkung von 30N auf den Kraftaufnehmer 2 gewünscht wird ein Federstahl eingesetzt. Um ein geringere Kräfte bis 5N aufzunehmen wird beispielsweise ein CFK oder Kunststoff Bewegungsträger 4 eingebaut. made, e.g. polymer, plastic, CFRP, GRP or metal (e.g., a metal foil). The choice of material depends on the desired field of application. If, for example, a maximum force of 30N on the force transducer 2 is desired, a spring steel is used. To accommodate lower forces up to 5N, for example, a CFK or plastic moving member 4 is installed.
Der erfindungsgemäße Dreiachsensensor kann zusätzlich in einem Gehäuse 12 untergebracht sein, wie am Beispiel der Fig. 1 ersichtlich ist. Das Gehäuse ist in Fig. 2 und 7-9 der The three-axis sensor according to the invention can additionally be accommodated in a housing 12, as can be seen in the example of FIG. 1. The housing is shown in Figs. 2 and 7-9 of
deutlicher Darstellung halber nicht gezeigt. for clarity, not shown.
Die Schichtung des Materials kann horizontal ausgeführt sein, wie in Fig. 7a gezeigt ist, oder vertikal, wie in Fig. 7b. Entsprechend dem Anwendungsgebiet kann auf eine Schichtung des Materials verzichtet werden und nur ein Material eingebracht werden. Hierdurch wird die Differenz zwischen den Werten der aufzubringenden Kraft für den minimalen und maximalen Hub verringert . The layering of the material may be horizontal, as shown in Fig. 7a, or vertical, as in Fig. 7b. According to the field of application can be dispensed with a layering of the material and only a material can be introduced. This reduces the difference between the applied force values for the minimum and maximum strokes.
Wie in Fig. 3 bis 5 illustriert ist, wird durch die As illustrated in FIGS. 3 to 5, FIGS
Projektionseinrichtung 3 oder Reflektionsfläche (siehe Fig. 9) eine definierte geometrische Form 10 erzeugt (z.B. Quadrat, Kreis, in beliebiger geometrischer Form angeordnete Punkte, siehe die vier in Fig. 6 gezeigten Beispiele), welche auf dem Bildsensor 6, in Abhängigkeit der Bewegung bzw. Auslenkung des Bewegungsträgers ein entsprechend verzerrtes und neu Projection device 3 or reflection surface (see Fig. 9) generates a defined geometric shape 10 (eg square, circle, arranged in any geometric shape points, see the four shown in Fig. 6 examples), which on the image sensor 6, depending on the movement or deflection of the motion carrier a correspondingly distorted and new
positioniertes Abbild 11 projiziert. Dadurch kann die positioned image 11 projected. This allows the
Bildanalysesoftware der Recheneinheit 7 aus dieser Verzerrung und Position der Projektion 11, gegenüber der Ursprungsform 10, die X-, Y- und Z- Koordinaten der Projektion 11 ableiten. Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Verzerrung/Verschiebung infolge Bewegung bzw. Auslenkung in der X-Richtung, und Fig. 4 bei einer diagonalen Auslenkung. Im Falle der Z-Achse verändert sich optisch bedingt das Abbild 11 wie beispielhaft in Fig.5 gezeigt, z.B. verkleinert sich das Abbild 11 da sich der Image analysis software of the arithmetic unit 7 from this distortion and position of the projection 11, opposite to the original shape 10, which derive X, Y and Z coordinates of the projection 11. Fig. 3 shows by way of example a distortion / displacement due to movement or deflection in the X direction, and Fig. 4 in a diagonal deflection. In the case of the Z axis, the image 11 changes visually, as shown by way of example in FIG. 5, for example, the image 11 decreases in size because of the
Bewegungsträger 4 in diesem Fall dem Bildsensor 6 nähert. Nach der vollständigen Analyse der Einzelbilder, werden für das nachfolgende System Signale oder Protokolle erstellt und ausgegeben . Moving support 4 in this case approaches the image sensor 6. After the complete analysis of the individual images, signals or protocols are created and output for the subsequent system.
Die Abtastrate des Bildsensors erfolgt mit einer dem nachgeschalteten System angepassten Geschwindigkeit (fps, frames per second) . Um ein sicherheitsrelevantes Nachfolgesystem The sampling rate of the image sensor is performed at a speed adapted to the downstream system (fps, frames per second). To a safety-relevant successor system
anzusteuern (z.B. medizinische Geräte, Flugzeug, Auto) ist eine hohe Abtastrate notwendig (mindestens 40 fps) . Wird der Sensor im Consumer-Bereich eingesetzt (z.B. Computerspiele) kann die Abtastrate auf 10-20 fps abgesenkt werden. A high sample rate (at least 40 fps) is required to drive (e.g., medical, aircraft, car). If the sensor is used in the consumer sector (for example, computer games), the sampling rate can be lowered to 10-20 fps.
Der Bildsensor 6 ist bevorzugt Weise ein hochauflösender The image sensor 6 is preferably a high resolution
Sensor. Durch die hohe Dichte der einzelnen Punkte auf dem Bildsensor 6 ist nur eine kaum durch den Menschen feststellbare und sehr geringe Neigung des Bewegungsträgers 4 nötig, um eine entsprechende Veränderung 11 der Projektion auf dem Sensor. Due to the high density of the individual points on the image sensor 6, only a barely detectable by the human and very low inclination of the moving member 4 is necessary to a corresponding change 11 of the projection on the
Bildsensor 6 zu erzeugen. Durch softwareseitige Interpolation kann zudem die Auflösung der erkannten Koordinaten erhöht werden, beispielsweise um einen Faktor von mindestens 100. Da die Lagerung bzw. die Materialeigenschaften des Image sensor 6 to produce. By software interpolation, the resolution of the detected coordinates can also be increased, for example by a factor of at least 100. Since the storage or the material properties of the
Bewegungsträgers 4 bevorzugt einen exponentiellen Kraftaufwand erfordern, um den Bewegungsträger 4 entsprechend zu neigen und/oder zu drücken, wird ein weiter Einsatzbereich bezüglich der aufzuwendenden Eingabekräfte ermöglicht. Inwieweit diese hohe Auflösung tatsächlich benötigt wird, hängt vom Einsatz - zweck ab und lässt sich softwareseitig individuell anpassen. Der beschriebene Dreiachsensensor lässt sich zu jeder Zeit neu kalibrieren bzw. dem Nutzer oder dem Einsatzzweck individuell anpassen (siehe weiter unten zur Bildanalyse-Anpassung) . Moving carrier 4 preferably require an exponential force required to tilt and / or press the movement carrier 4 accordingly, a wide range of application is made possible with respect to the input forces to be applied. The extent to which this high resolution is actually required depends on the intended use and can be individually adapted by the software. The three-axis sensor described can be recalibrated at any time or individually adapted to the user or the purpose of use (see below for image analysis adaptation).
Insbesondere Personen, welche den Sensor krankheitsbedingt mit verschiedenen Kräften in jede Richtung betätigen (z.B. In particular, persons who actuate the sensor due to illness with different forces in each direction (e.g.
Muskeldystrophie, Muskelatrophie, Tetraplegie) oder deren Kräftevermögen einer temperatur- bzw. krankheitsbedingten dauernden oder temporären Änderung unterliegt, werden mit dem hier beschriebenen Dreiachsensensor dauerhaft Steuerungsaufgaben vollziehen können (Rollstuhl, PC, Umwelt, etc.) . Muscular dystrophy, muscle atrophy, quadriplegia) or whose power is subject to a temperature or disease-related permanent or temporary change, will be able to perform permanent control tasks with the three-axis sensor described here (wheelchair, PC, environment, etc.).
Kostspielige, individuelle Anpassungen entfallen somit. Expensive, individual adjustments are thus eliminated.
Die Lernfähigkeit des optischen Sensors soll nachfolgend anhand eines Beispiels erklärt werden, wobei hierbei nur eine Auslenkungsrichtung beschrieben wird, welche sich analog zu den übrigen Richtungen verhält. The learning ability of the optical sensor will be explained below with reference to an example, in which case only one deflection direction is described, which behaves analogously to the other directions.
Ausgehend von einem X, Y-Koordinatensystem befindet sich der Mittelpunkt der von der Recheneinheit gefundenen geometrischen Form Fig. 6 auf der Position (0,0) im Ruhezustand (in der Mitte des Sensors) . Hat der Bildsensor beispielsweise eine maximale Auflösung 5000x5000 Bildpunkten, stehen für jede Richtung (vom Mittelpunkt ausgehend) 2500 Bildpunkte zur Starting from an X, Y coordinate system, the center point of the geometrical shape 6 found by the arithmetic unit is at the position (0,0) at rest (in the middle of the sensor). For example, if the image sensor has a maximum resolution of 5000x5000 pixels, 2500 pixels are available for each direction (starting from the center)
Verfügung. Erreicht der Nutzer während dem Lernprozess beispielsweise maximal 500 Bildpunkte nach rechts, Available. For example, if the user reaches a maximum of 500 pixels to the right during the learning process,
multipliziert die Recheneinheit im Normalbetrieb mit dem multiplies the arithmetic unit in normal operation with the
Faktor 5 um ein volles Ausgangssignal bei maximal möglicher Auslenkung durch den Nutzer zu erreichen (5x500=2500) . Die übrigen Richtungen werden analog dazu berechnet, wodurch beliebig ungleiche Eingabekräfte stets zu einem optimierten Ausgangssignal umgerechnet werden. Factor 5 to achieve a full output signal with maximum possible deflection by the user (5x500 = 2500). The remaining directions are calculated analogously, whereby any unequal input forces are always converted into an optimized output signal.
Weitere Anwendungen sind beispielsweise in den Bereichen Further applications are for example in the areas
Aviation und Automotive denkbar. Hierbei steht die Aviation and automotive conceivable. Here stands the
Störsicherheit im Vordergrund. Da EMI und RFI keinen Einfluss auf die hier beschriebene Projektion haben, wäre ein solches System zur Steuerung prädestiniert. Zudem entfällt der Aspekt der Abnutzung. Noise immunity in the foreground. Since EMI and RFI have no influence on the projection described here, such would be one System predestined for control. In addition, the aspect of wear is eliminated.
Auch in geophysikalischen Bereichen kann der optische Sensor aufgrund seiner hohen Auflösung (z. B. nach aktuellem Stand der Technik 19.580 x 12.600 Bildpunkte) eingesetzt werden. Hierbei könnten geringste relative Bewegungen der Erdkruste erkannt werden. Bei der oben genannten Auflösung und einem Even in geophysical areas, the optical sensor can be used due to its high resolution (for example, according to the current state of the art 19,580 x 12,600 pixels). This could detect the slightest relative movements of the earth's crust. At the above resolution and one
Bildsensordiagonalen von 1 Zoll entspricht 1mm Auslenkung der Projektion 11 bereits ca. 770 Bildpunkten. Wird dazu noch ein Hebelsystem eingesetzt, erhöhen sich die Auslenkung (gemessen in Bildpunkten) beliebig. Zudem erhöht sich die Auflösung durch Interpolation der gefundenen geometrischen Form. In diesem Einsatzgebiet kann auf das geschichtete Material 9 verzichtet und die Projektionseinheit direkt über ein Image sensor diagonal of 1 inch corresponds to 1mm deflection of the projection 11 already about 770 pixels. If a lever system is used, the deflection (measured in pixels) increases as desired. In addition, the resolution increases by interpolation of the found geometric shape. In this application can be dispensed with the layered material 9 and the projection unit directly via a
Gelenklager angesteuert werden, wie in Fig. 8 gezeigt ist. In dieser Ausführungsvariante sind das Kraftaufnahmeelement 2, z.B. als Knopf ausgebildet, und die Projektionseinrichtung 3 durch eine Achse 13 verbunden, die durch ein Gelenklager 14 geführt ist. Bei Krafteinwirkung auf den Knopf (durch den Doppelfeil in Fig. 8 angedeutet) wird die Achse 13 in dem Gelenklager 14 verkippt, wodurch die Projektionseinrichtung 3 ausgelenkt wird und wie bereits beschrieben eine Änderung der Lichtfigur 10, 11 erzeugt. Spherical bearings are driven, as shown in Fig. 8. In this embodiment, the force receiving element 2, e.g. formed as a button, and the projection device 3 is connected by an axis 13 which is guided by a pivot bearing 14. Upon application of force to the button (indicated by the double arrow in FIG. 8), the axis 13 is tilted in the pivot bearing 14, whereby the projection device 3 is deflected and, as already described, generates a change in the light figure 10, 11.
In anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann die In other embodiments of the invention, the
Projektionseinrichtung als optische Einrichtung, z. B. ein Spiegel oder ein anderes optisch wirksames Element, Projection device as an optical device, eg. A mirror or other optically active element,
ausgebildet sein, das ein von einer Quelle erzeugtes Lichtbild als Lichtfigur auf den Sensor lenkt. be formed, which directs a light image generated by a source as a light figure on the sensor.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform mit einer optischen Fig. 9 shows an embodiment with an optical
Einrichtung, im gezeigten Fall einen Spiegel 31, mit dem der Bewegungsträger 4 fest verbunden ist. Eine Lichtquelle 30, die beispielsweise auf dem Bodenteil 8 neben dem Sensor 6 Device, in the case shown, a mirror 31, with which the movement carrier 4 is firmly connected. A light source 30, for example, on the bottom part 8 next to the sensor. 6
angeordnet sein kann, erzeugt einen Lichtstrahl L (z. B. Laser-Strahl) , und beleuchtet über diesen Spiegel 31 den can be arranged, generates a light beam L (eg. Laser beam), and illuminated via this mirror 31 the
Sensor 6. Auf diese Weise wird die vordefinierte geometrische Form indirekt über die Reflektionsflache auf den Bildsensor (6) projiziert, aufgrund dessen die weitere Auswertung der Lichtfigur wie weiter oben beschrieben erfolgt. Sensor 6. In this way, the predefined geometric shape is indirectly projected onto the image sensor (6) via the reflection surface, on the basis of which the further evaluation of the light pattern takes place as described above.
Ein weiteres mögliches Material für einige oder alle Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist Silikonkautschuk mit ausreichender Materialsteifigkeit , welcher in geeigneten Metallformen vulkanisiert wird, beispielsweise in einem Another possible material for some or all components of the device according to the invention is silicone rubber with sufficient material stiffness, which is vulcanized in suitable metal molds, for example in one
Formpressverfahren; geeignete Formpressverfahren sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt . Molding process; suitable molding techniques are well known in the art.
Im Gegensatz zu bislang eingesetzten Sensortechniken In contrast to previously used sensor techniques
(kapazitiv, induktiv und resistiv) , bietet der optische Sensor hohe Genauigkeit, sehr gute Positionsreproduzierbarkeit und unterliegt keiner Abnutzung bei hoher Störsicherheit. (capacitive, inductive and resistive), the optical sensor offers high accuracy, very good positional reproducibility and is subject to no wear at high interference immunity.
Durch die sehr geringe Neigung des Bewegungsträgers, steigt bedingt durch das Elastizitätsmodul des Bewegungsträgers 4 die Gegenkraft des Dreiachsensensors proportional zur Due to the very low inclination of the movement carrier, due to the modulus of elasticity of the movement carrier 4, the counterforce of the three-axis sensor increases proportionally to
Kraftaufwendung des Nutzers. Eine sonst nur schwierig und kostspielig umzusetzende Kraftrückkopplung (force feedback) wird somit ohne weitere Mechanik realisiert. Sofern ein Hub vom Nutzer gewünscht wird, kann dieser beispielsweise durch eine auf der Kraftaufnahme 2 befestigte Zugfeder Force of the user. An otherwise only difficult and costly to implement force feedback (force feedback) is thus realized without further mechanics. If a stroke is desired by the user, this can be achieved, for example, by a tension spring fastened on the force receiver 2
(Knickelement) simuliert werden. Diese verbiegt sich je nach Krafteinwirkung und simuliert so einen Bewegungshub. Die (Buckling element) are simulated. This bends depending on the force and thus simulates a movement stroke. The
Möglichkeiten der Reinigung und Desinfektion (z.B. Einsatz in Operationssälen, oder Reinraumtechnik) sind ebenfalls Possibilities of cleaning and disinfection (for example, use in operating theaters, or clean room technology) are also
optimiert, da eine vollständige Kapselung durch das optimized, since a complete encapsulation by the
geschichtete Material 9, bzw. dem Bewegungsträger 4 zusammen mit den Seitenteilen 5 bzw. einem Gehäuse 12 vorliegt. Auch der Betrieb der Dreiachsensensorik in Flüssigkeiten stellt somit kein Problem dar. Durch den einfachen Aufbau des layered material 9, or the movement carrier 4 together with the side parts 5 and a housing 12 is present. The operation of the Dreiachsensensik in liquids thus represents no problem
Dreiachsensensors fällt die Herstellung kostengünstig aus. Mit dem vorliegenden Prototyp kann ein Eingangskräftespektrum vonTriaxial sensor, the production is cost-effective. With The present prototype can be an input spectrum of
0.01 N bis 250 N abgedeckt werden. 0.01 N to 250 N are covered.
Nachstehend sind in Kürze beispielhafte Abläufe der Below are exemplary sequences of the
Bildverarbeitung und der Konfigurierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Image processing and the configuration of the device according to the invention shown.
Normalbetrieb : Normal operation:
1. Laden eines einzelnen Bildes in den Arbeitsspeicher. 1. Loading a single image into the main memory.
2. Umwandlung des Bildes in ein Binärbild anhand eines definierten schwarz/weiß Schwellwertes. 2. Conversion of the image into a binary image based on a defined black / white threshold.
3. Suchen der geometrischen Form in dem Binärbild. 3. Locate the geometric shape in the binary image.
4. Vergleich der erkannten geometrischen Form und Position 11 mit der Ursprungsform 10 (im Ruhezustand) . 4. Comparison of the recognized geometric shape and position 11 with the original form 10 (at rest).
5. Aus dem Grad der erkannten Position und Verzerrung 11 gegenüber der Ursprungsform 10 werden die Werte der aktuellen X/Y/Z-Koordinaten errechnet. 5. From the degree of the detected position and distortion 11 to the original shape 10, the values of the current X / Y / Z coordinates are calculated.
6. Anpassung der errechneten X/Y/Z-Werte an das gewünschte Eingangsformat des angeschlossenen Endgerätes, bzw. des 6. Adjustment of the calculated X / Y / Z values to the desired input format of the connected terminal, or the
Gerätes für die weitere Verarbeitung der Daten. Hierbei können sowohl analoge Werte, als auch digitale Werte oder Device for further processing of the data. Both analog values and digital values can be used here
Busprotokolle erzeugt werden. Bus logs are generated.
Erster und einmaliger Initialisierungsprozess : First and one-time initialization process:
1. Betätigung des Bewegungsträgers 4 mit maximal zulässigem Kraftaufwand in jede Achsrichtung. 2. Bilderfassung wie im Normalbetrieb mit Speicherung der maximalen Positionen und Verzerrungen der erfassten 1. actuation of the movement carrier 4 with a maximum allowable force in each axial direction. 2. Image capture as in normal operation with storage of the maximum positions and distortions of the detected
geometrischen Form 11. geometric shape 11.
3. Wird im Normalbetrieb die zuvor gespeicherte maximale Position oder die maximale Verzerrung der geometrischen Form 11 überschritten, wird ein digitaler Ausgang aktiviert um beispielsweise einen elektrischen Rollstuhl zu stoppen. 3. If the previously stored maximum position or the maximum distortion of the geometric shape 11 is exceeded in normal operation, a digital output is activated, for example, to stop an electric wheelchair.
Beliebig oft durchführbarer Lern- bzw. Anpassungsprozess durch den Nutzer: Any often feasible learning or adaptation process by the user:
1. Betätigung des Bewegungsträgers 4 mit dem gewünschten 1. actuation of the movement carrier 4 with the desired
Kraftaufwand in jede Richtung. Effort in every direction.
2. Bilderfassung wie im Normalbetrieb mit Speicherung der maximalen individuellen Position und Verzerrung der erfassten geometrischen Form 11 für jede Achse, entsprechend der vom Nutzer aufgebrachten Kräfte. 2. Image acquisition as in normal operation with storage of the maximum individual position and distortion of the detected geometric shape 11 for each axis, according to the forces applied by the user.
3. Die nun möglicherweise sehr unterschiedliche 3. The now possibly very different
Kräfteeinwirkung auf den Bewegungsträger 4 durch den Nutzer in die verschiedenen Richtungen, wird softwaremäßig durch Forces acting on the movement carrier 4 by the user in the different directions, is by software
sukzessive Approximation, sowie durch Multiplikation mit einem entsprechend dem Eingangssignal errechneten Faktors in successive approximation, as well as by multiplication with a factor calculated according to the input signal in
gleichförmige Ausgangssignale umgewandelt. Der Nutzer ist dann in der Lage, trotz unterschiedlicher Eingabekräfte (z.B. 0,03N nach rechts, 0 , IN nach links, IN nach oben, 0 , 5N nach unten) ein nachfolgendes System (z.B. elektrischer Rollstuhl) in jede Richtung mit der gleichen Geschwindigkeit bzw. converted uniform output signals. The user is then able, despite different input forces (eg 0.03N to the right, 0, IN to the left, IN to the top, 0, 5N down) a subsequent system (eg electric wheelchair) in any direction at the same speed respectively.
Drehgeschwindigkeit zu steuern. Somit kann sich der To control the rotational speed. Thus, the
Dreiachsensensor zu jederzeit an den Nutzer individuell anpassen . Triaxial sensor can be adapted to the user at any time.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Drei -Achsen-Positionsbestimmung eines Kraftaufnahmeelements (2), aufweisend einen Bildsensor (6), einen dem Bildsensor gegenüber angeordneten Bewegungsträger1. A device for three-axis position determination of a force receiving element (2), comprising an image sensor (6), a image sensor arranged opposite the movement carrier
(4), der mit dem Kraftaufnahmeelement (2) verbunden ist, eine mit dem Bewegungsträger (4) verbundene Projektionseinrichtung(4), which is connected to the force receiving element (2), a with the movement carrier (4) connected projection device
(3), welche eine vordefinierte geometrische Form (10) auf den Bildsensor projiziert, wobei diese entsprechend der X/Y/Z- Neigung des Bewegungsträgers positioniert und verzerrt wird(3) which projects a predefined geometric shape (10) onto the image sensor, which is positioned and distorted according to the X / Y / Z inclination of the motion carrier
(11) , sowie eine Recheneinrichtung (7) , welche dazu (11), and a computing device (7), which
eingerichtet ist, aus der Position und Verzerrung der is set up, out of position and distortion of
geometrischen Form (10) X/Y/Z-Koordinaten zur weiteren geometric shape (10) X / Y / Z coordinates to further
Verarbeitung abzuleiten. Derive processing.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsträger (4) am Außenrand fest mit der 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the movement carrier (4) at the outer edge fixed to the
Bildsensoreinheit (5,6,7,8) verbunden ist und aus einem biegsamen Material besteht, welches sich bei Krafteinwirkung auf das Kraftaufnahmeelement (2) hinsichtlich ihres Image sensor unit (5,6,7,8) is connected and consists of a flexible material, which in force on the force receiving element (2) in terms of their
Neigungswinkel und ihrer Entfernung zum Bildsensor (6) verformt . Tilt angle and its distance to the image sensor (6) deformed.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsträger (4) in einem geschichteten Material (9) eingelagert ist, welches schichtweise verschiedene Dichte und/oder Härte (Shore) aufweist und bei Krafteinwirkung auf das Kraftaufnahmeelement (2) hinsichtlich ihres Neigungswinkel und ihrer Entfernung zum Bildsensor (6) verformbar ist. 3. A device according to claim 1, characterized in that the movement carrier (4) is embedded in a layered material (9), which layer has different density and / or hardness (Shore) and upon application of force to the force receiving element (2) with respect to their inclination angle and their distance from the image sensor (6) is deformable.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinrichtung (3) mit dem Bewegungsträger (4) fest verbunden ist und die vordefinierte geometrische Form (10) direkt auf den Bildsensor (6) 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the projection device (3) with the movement carrier (4) is firmly connected and the predefined geometric shape (10) directly to the image sensor (6)
proj iziert . projected.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsträger (4) fest mit einer als Reflektionsflache ausgebildeten Projektionseinrichtung (31) verbunden ist, über welche die vordefinierte geometrische Form indirekt auf den Bildsensor (6) projiziert. 5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the movement carrier (4) is fixedly connected to a reflection surface designed as a projection device (31), via which the predefined geometric shape indirectly on the image sensor (6) projects.
6. Verfahren zur Drei-Achsen-Positionsbestimmung eines 6. Method for Three-Axis Positioning of a
Kraftaufnahmeelements (2) in einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Nutzer auf das Power receiving element (2) in a device according to claim 1, characterized in that from a user to the
Kraftaufnahmeelement (2) angewandte Kräfte, gegebenenfalls mit verschiedenen Kraftamplituden in verschiedene Richtungen, durch die Recheneinheit in gleichförmige Ausgangssignale, passend zum angeschlossenen Endgerät, umgewandelt werden. Force absorption element (2) applied forces, optionally with different force amplitudes in different directions, are converted by the arithmetic unit into uniform output signals, suitable for the connected terminal.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es dem Nutzer ermöglicht, zu jeder Zeit den Dreiachsensensor mit dem gerade gewünschten Kraftaufwand über das Kraftaufnahmeelement (2) neu zu kalibrieren. 7. The method according to claim 6, characterized in that it allows the user to recalibrate at any time the three-axis sensor with the currently desired force on the force receiving element (2).
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (7) durch eine Bildanalysesoftware in Echtzeit die vordefinierte geometrische Form (10,11) in jedem aufgenommenen Bild des Bildsensors sucht, dessen Form 8. The method according to claim 6, characterized in that the computing device (7) by an image analysis software in real time, the predefined geometric shape (10,11) searches in each captured image of the image sensor whose shape
hinsichtlich Position und Verzerrungen (11) analysiert, und daraus die entsprechende Neigung und die Veränderung des with regard to position and distortion (11), and from this the corresponding inclination and the change of the
Bewegungsträgers (4) zum Bildsensor (6) ableitet. Moving carrier (4) to the image sensor (6) derived.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Nutzung der Dreiachsensensorik ein 9. The method according to claim 8, characterized in that before the first use of the three-axis sensor a
Initialisierungsprozess stattfindet, bei dem alle möglichen Richtungen des Bewegungsträgers (4) X/Y/Z mindestens einmal mit einer vorbestimmten, maximal zulässigen Kraft über das Kraftaufnahmeelement (2) betätigt werden, wodurch der Initialization takes place in which all possible directions of the movement carrier (4) X / Y / Z at least once with a predetermined maximum allowable force on the force receiving element (2) are actuated, whereby the
Bildanalysesoftware die maximal zulässige Position und Image analysis software the maximum allowable position and
Verzerrungen der vordefinierten geometrischen Form (11) dargestellt werden. Distortions of the predefined geometric shape (11) are shown.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildanalysesoftware in Echtzeit die vordefinierte 10. The method according to claim 9, characterized in that the image analysis software in real time the predefined
geometrische Form (10,11) in jedem aufgenommenen Bild des Bildsensors sucht und dessen Form hinsichtlich Position und Verzerrungen (11) analysiert, und anhand dessen eine searches geometric shape (10, 11) in each captured image of the image sensor and analyzes its shape with respect to position and distortions (11), and by means of this a
Plausibilitätsprüfung durchführt, inwieweit die erkannte Form (11) den maximal zulässigen Positionen und Verzerrungen Plausibility check performs to what extent the recognized form (11) the maximum allowable positions and distortions
entspricht . corresponds.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildanalysesoftware in Echtzeit bei erkannten unzulässigen Positionen oder Verzerrungen (11) ein digitales Signal erzeugt, um nachgeschaltete Systeme vor 11. The method according to any one of claims 9 and 10, characterized in that the image analysis software in real time at detected impermissible positions or distortions (11) generates a digital signal to downstream systems before
Fehlfunktionen zu schützen. To protect malfunctions.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildanalysesoftware in Echtzeit durch Interpolation der erkannten geometrischen Form (11) die daraus resultierenden X/Y/Z-Koordinaten präzisiert. 12. The method according to claim 8, characterized in that the image analysis software in real time by interpolation of the detected geometric shape (11) specifies the resulting X / Y / Z coordinates.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsträger (4) als ein hermetischer Abschluss zum Inneren der Vorrichtung ausgeführt ist, wodurch ein Betrieb in Flüssigkeiten ermöglicht wird. A device according to claim 1, characterized in that the movement carrier (4) is designed as a hermetic seal to the interior of the device, thereby enabling operation in liquids.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung des Bewegungsträger (4) auf zwei 14. The device according to claim 1, characterized in that the position determination of the movement carrier (4) to two
Achsen (X/Y-Koordinaten) beschränkbar ist. Axes (X / Y coordinates) is limited.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung des Bewegungsträger (4) auf eine Achse (X oder Y oder Z -Koordinate) beschränkbar ist. 15. The device according to claim 1, characterized in that the position determination of the movement carrier (4) on an axis (X or Y or Z coordinate) can be limited.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit über ein Gelenklager (14) gelagert ist und direkt mit einer Kraft beaufschlagt werden kann. 16. The device according to claim 1, characterized in that the projection unit is mounted on a joint bearing (14) and can be acted upon directly with a force.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserdiode als Lichtquelle vorgesehen ist, die der mit dem Bewegungsträger (4) verbundenen Projektionseinrichtung (3, 31) zugeordnet ist, wobei die Laserdiode über eine 17. The device according to claim 1, characterized in that a laser diode is provided as a light source, which is associated with the movement carrier (4) connected to the projection device (3, 31), wherein the laser diode via a
Plankonvexlinse einen Kreis auf den Bildsensor (6) projiziert. Plano-convex lens projected a circle on the image sensor (6).
EP16760038.6A 2015-08-31 2016-08-30 Device and method for determining the position of a force-absorbing element in three axes Pending EP3345068A1 (en)

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