WO1998007086A1 - Body sensor system - Google Patents

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WO1998007086A1
WO1998007086A1 PCT/DE1997/001674 DE9701674W WO9807086A1 WO 1998007086 A1 WO1998007086 A1 WO 1998007086A1 DE 9701674 W DE9701674 W DE 9701674W WO 9807086 A1 WO9807086 A1 WO 9807086A1
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geometry
coordinate
sensor
geometric
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PCT/DE1997/001674
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Helge Zwosta
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Helge Zwosta
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    • G01S5/02Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0247Determining attitude

Definitions

  • robots or other artificial machines which implement the body actions of a person in inaccessible environments (contaminated areas, underwater, space, vacuum chambers) in order to solve certain tasks.
  • the "teaching" of robots by means of the act tone specification of a suitably equipped human teacher is one Another application
  • a robot also represents a body whose geometry size can be of interest
  • the second area of application concerns the motion control of head extremes, both in the
  • Methods with a high level of detail are limited to the acquisition of parts of the body (e.g. data gloves).
  • the present invention has the advantage of being able to use the most suitable detection technology for the most varied of applications.
  • the disadvantages described are eliminated in the present patent specification by the invention of INTELLIGENT GEOMETRY SENSOR SYSTEMS (in the future abbreviated because of the word length IGSS). Definitions:
  • Geometry sizes are a. distances. Lengths, vectors (coordinates), angles, strains and the
  • Parts are in a known geometric relationship (for example, the angle between two articulated arms movable in one plane can be specified by the distance from a known location on each arm, or by the displacement of a flexible band guided over the articulated bearing which fixes on an articulated arm and is linearly displaceable on the second.)
  • geometry size was chosen because it was another
  • the geometry size of a body part is, for example, the distance of the thumb from a defined point of the ball of the hand, or the elongation of a flexible band that is guided over the forearm joint when the elbow is bent.
  • a geometry sensor system (does not have to) consist of several sensor components and their suitable arrangement. Individual components of a geometry sensor system can also be subject to different measurement methods. Examples of geometry sensors are: Ultrasonic distance measuring devices consisting of transmitter and receiver, a direction determination with magnetic field coils, or a combination of ultrasound measurement and angle to the gravitational vector.
  • computer unit was chosen because of the now generally used language and refers to a data processing unit based on the EVA (input processing output) principle.
  • IGSS INTELLIGENT GEOMETR1ESENSORIKSYSTEME
  • the core of the present invention is the concept of intelligent Geometries ⁇ soriksyteme for determining geometry sizes.
  • the attribute "intelligent” here refers to the use of data processing means (generally microcomputers) and their programs.
  • An IGSS is an abstract structure that only experiences its specific design through the respective technical application. The description of what such an IGSS is is given in claims 1, 2 and 21 and is explained here again in somewhat different words.
  • An IGSS consists of a geometry sensor system, data processing and a bus connection.
  • Data processing has the tasks of transforming the measurement data into application-related data, transporting it and communicating with other data processing sites. Since the present invention relates to geometrical quantities, a frequent task of data processing will be the conversion of electrical measured values into geometrical quantities. (However, there may also be the task of transforming the measured values directly into application sizes).
  • the concept of the IGSS is definitely suitable for a variety of applications which ultimately only depend on their respective sensor technology and software. A particular advantage of the IGSS concept is the ability to create coordinate systems. (This is just a special form of data acquisition and transformation).
  • each IGSS can itself be designed as a sensor part of a higher-level IGSS and thus opens up a wide range of geometric determination options.
  • a coordinate size can be related to a wide variety of systems by coordinate transformation. This is also the special value when determining the geometry size of complex joint systems, such as those provided by the human body.
  • the formation of hierarchically structured partial coordinate systems eg 1st coordinate system "human hand”, 2nd coordinate system “shoulder”, 3rd coordinate system "hip”, main body coordinate system “back” and ultimately an external coordinate system
  • IGSS and partial coordinate systems need not be identical.
  • an IGSS can form a coordinate system, but it does not have to. It could just as well acquire a single measured value and forward it with a zero transformation.
  • FIG. 1 shows a person on whose body several intelligent geometry sensor systems (hereinafter referred to as IGSS) are attached in accordance with claim 1.
  • IGSS intelligent geometry sensor systems
  • the sub-coordinate system u2, v2, w2 on the left hand also belongs to IGSS 2 and the sub-coordinate system u3, v3, w3 on the right hand belongs to IGSS 3.
  • the reference coordinate system x1, y1, z1 of IGSS 1 is responsible for both hands when they are in the location shadow of their primary reference coordinate systems.
  • Each of the three reference coordinate systems x1, y1, z1 / x2, y2, z2 / x3, y3, z3 is itself a sub-coordinate system with respect to the external coordinate system xe, ye, ze, according to FIG. 3.
  • FIG. 1 a The technical principle of a reference coordinate system, which is based on the method of body-attached field generators and field detectors described in claim 7, is shown in FIG. 1 a as an enlarged detail of the belt part 1.3 of IGSS 3.
  • the three orthogonal coils 1.5, 1.6, 1.7 are flowed through by suitable excitation currents
  • Computer unit 1.8 are formed and generate a nutating magnetic field, which it operates according to the principle of US Pat. No. 4,017,858 (Apparatus for generating a nutating electromagnetic field / Inv.Kuipers) allows the direction of a pointer RZ3 to be specified which points exactly to the origin of the sub-coordinate system u3, v3, w3.
  • This method also enables the orientation angles of the subordinate coordinate system u3, v3, w3 to be determined from the induced voltages of the sensor coils 2.1, 2.2, 2.3 located there (see FIG. 2).
  • the principle of a nutating magnetic field results in a direction indicator RZ but no distance value.
  • the distance of the sensor coordinate system u3, v3, w3 is determined from the transit time of an ultrasonic signal, the transmitter 1.9 of which is located in the origin of the reference coordinate system x3, y3, z3 (FIG. 1a) and the receiver 2.10 of which is located in the origin of the sensor coordinate system u2 , v2, w2 sits (see Figure 2)
  • a ⁇ m . The terms "field or radiation generator or detector in claim 7 were deliberately chosen in this general form because both magnetic, electrical, electromagnetic DC and AC fields and the intensity distributions of light radiation or sound radiation sources are used can.
  • the intelligence lies in the hardware and software of the computer unit 1.8. In addition to the field control, this must also carry out the transit time measurement of the ultrasound signal and, as will be shown, other tasks will also be carried out.
  • the receiver 2.10 (FIG. 2) now reports back to the computer unit 1.8 when the ultrasound signal has arrived there (the starting time of the ultrasound signal is communicated by the computer unit 1.8 to the computer unit 2.8 via the bus system 2.9). Now what can be explained under an IGSS is to be understood.
  • IGSS 3 hip-hand on the right.
  • the IGSS 3 is in data communication with the IGSS3 / 1 (hand-finger-right) via the bus system 2.9; this is the further task of the computer unit 1.8 indicated above.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of the right hand and serves to explain the IGSS-3/1 (hand-finger-right), which is subordinate to the 1GSS-3 (hip-hand-right) in the exemplary embodiment.
  • the IGSS-3/1 (hand -Finger-right) is deliberately based on a different sensor principle than the IGSS-3 (hip-hand-right) in order to further illustrate the diverse design options of an IGSS.
  • the IGSS-3/1 (hand-finger-right) therefore uses in contrast to the IGSS-3 (Hufte-Hand-rechts) ultrasound for determining the position of the fingers and is thus at the same time an illustration for claim 8.
  • the sub-coordinate system of the IGSS-3 (Hufte-Hand-rechts) is now the reference coordinate system of the IGSS- 3/1 (hand-finger-right) and this creates a hierarchical order of the IGSS and the coordinate systems, which enables a coordinate transformation of the geometrical sizes on the rigidly connected to the sensor coils 2 1, 2 2, 2 3 Plate 2 4 are in a defined spatial relationship, the two ultrasound transmitters 2 5 and 2 6, and the combined ultrasound transmitter / receiver 2 10. From the three distances that are proportional to the signal propagation time, the coordinates in u3, v3 w3 can be found for each fingertip.
  • each finger carries an ultrasound receiver 27, which "forwards" the time of the signal arrival to the computer unit 2 8 for distance calculation (here by means of a cable).
  • the individual transmitters either clock at such a high frequency that the finger mechanics are against it, or they use different frequencies to distinguish This distinction must of course be done by the software of the computer unit 2 8.
  • FIG. 2 for clarity, only three rays are drawn to a finger to indicate the three distances.
  • the signal query of the receivers on the fingertips can be parallel or multiplexed there i It should also be pointed out that in the case of spatial detection of the fingertips it does not make much sense to define an orientation there insofar as the location coordinates of each fingertip are sufficient.
  • Claim 2 includes, among other things, the abstract feature for converting geometrical sizes into coordinate values.
  • a detailed description of how geometrical sizes can be converted into coordinate values can be found in claim 20 and the explanation for FIG. 16.
  • the signals of the geometrical probes can be found in the exemplary embodiment above "Fingertip ultrasound” (2 5, 2 6, 2 7, 2 10), "hand magnetic field” (2 1, 22, 2 3 and 1 5 1 6, 1 7) and “hand ultrasound” (2 10 and 1 9,) via the bus system (2 9) to the computer unit (1 8) on the belt.
  • the program loaded in this computer unit (1 9) can now transform and linking algorithms contain soft which are matched to the geometry sensors - "fingertips", "hand magnetic field”, "hand ultrasound”.
  • location vectors of the fingertips or location and orientation vectors of the hand can be calculated. These location and orientation vectors can be specified - again due to the program - with respect to the partial coordinate systems "hand" (u3, v3, w3) and "hip-hand-right” (x3, y3, z3).
  • the location vectors of the fingertips in turn can be transformed from the sub-coordinate system "hand” (u3, v3, w3) to the hierarchically higher-level reference coordinate system "hip-hand-right” (x3, y3, z3).
  • the computer unit (1.8) on the belt can exchange data with any other computer unit on the body or externally. Again, it goes without saying that this data exchange can also involve loading a new program.
  • each geometry sensor system forms an IGGS together with a computer unit. This also corresponds to FIGS. 1, 1a and 2.
  • each IGGS has its own computer unit (1.8 or 2.8).
  • the program of each of these computer units is matched to the associated geometry sensors and can form its own coordinate system.
  • Each IGGS eg IGGS- ⁇ and " can be interpreted as a geometry sensor system by a higher-ranking IGGS (eg IGGS-'üarrangede-hand-rechts").
  • FIG. 3 serves to explain the interaction of the body's own and external IGSS according to claim 6, which has already started above.
  • the sensor principle is the same as in FIG. 1.
  • the belt unit 1.1 belonging to the IGSS-1 (back) is constructed as in FIG. 1 only acts for the external coordinate system xe, ye, ze, part 1.9 of FIG. 1a now as an ultrasound receiver for determining the distance to the external ultrasound transmitter 3.7. (With the emitted ultrasound signal, a radio pulse 3.6 is emitted at the same time, which starts the runtime measurement of the belt unit 1.1.).
  • the nutating magnetic field generated by the reference coils 3.1, 3.2, 3.3 of the external coordinate system supplies the direction indicator RZe and the orientation of the axes x1, y1, z1 and corresponds to that Claim 22 of an external Geomet ⁇ egoße ⁇ determination is thus the body's own coordinate system x1, y1, z1 with respect to the external coordinate system xe, ye, ze determined, and any coordinate transformation of body positions with respect to x1, y1, z1, on the external coordinate system is possible
  • the data relating to the coordinate system x1, y1, z1 is only preferably wireless 3 5 to the external computer unit
  • FIG. 4 shows an articulated head 40 which is mounted with its spherical bearing journal 41 in a bearing not shown here.
  • the GRAMAG sensor is located anywhere on the articulated member
  • the GRAMAG sensor 4 2 is constructed in such a way that it forms an orthogonal coordinate system with the axes u, v, w.
  • the relationship of the GRAMAG coordinate axes to the relative vector r BR- which shows the GR AMAG sensor to the movement center BZ1 is shown by the three Angle ⁇ .
  • the relative vector r BR points through its fixed angular relationship (angle ⁇ , ⁇ , ⁇ ) to the axes of the GRAMAG sensor 4 2 in every position of the joint member 4 0 from the GRAMAG sensor 4 2 to the movement center BZ1 of the position which has not yet been determined Articulated member 40
  • this movement center BZ1 is the center of the bearing 5 1 of a base body shown in FIG. 5
  • the opening of the articulated member 40 can take place both through two axes (z B u and v) of the GRAMAG sensor 42 which have been transformed to the basic coordinate system [x B , y B , z B ], and more clearly by specifying the one in FIG. 4 ei ⁇ ge drawn vectors r E (identifies the joint axis) and - r RE . (points from axis end point E to GRAMAG sensor 2
  • Axes are congruent with the basic body axes x, y, z B.
  • Each of the GRAMAG sensors 4 takes 2 axes u, v, w and each of the basic body axes x, y B , z
  • FIG. 6 shows a simple, practical arm system with 2 joints of different degrees of freedom.
  • Each of the joint members 6 1 and 62 carries a GRAMAG sensor 6 3 and 6 4 position and on its surface The orientation of the GRAMAG sensor 6 3 are measured with respect to the bearing center BZ1, the longitudinal axis L1-L1 of the joint member 6 1 and the axis of rotation DD of the pivot bearing 6 5.
  • the longitudinal axis L2-L2 and axis of rotation DD), the longitudinal axis L2-L2 of the articulated member 6 2 and the axis of rotation DD of the pivot bearing 6 5 are measured.
  • a vector TQ ** can be calculated for each position of the joint member 6 1 that points from the bearing center BZ1 to the bearing center BZ2 and defines the position of BZ2.
  • this vector r G ** of course also defines the axial position L1-L1 of the joint member 6 1 in space
  • the axis DD defines the rotational orientation of both articulated links and, due to the rigidity of the parts, can be determined as a rotary axis vector r D due to the structural design of the rotary bearing.
  • the position and orientation of articulated link 6 1 is completely covered by the described sizes
  • the exemplary embodiment of FIG. 6 shows the orientation of its axis L2-L2 and the position of its end point E2 in space. Both sizes are obtained from the measured axis angle values of the GRAMAG sensor 6 4 by mathematical reshaping in the same manner as for joint member 6 1. The difference is only in the position of the bearing center BZ2, which is now dependent on the joint member 6 1, for the passages
  • Claim 10 describes the combination of methods of claims 7, 8, 9 with sensor systems which detect the kinking of joints.
  • the detection of the articulation of the joint is only a partial aspect in the acquisition of geometry sizes.
  • the deliberately introduced concept of articulation also clarifies the range of execution of the senorik, which is extended via the angle detection.
  • the buckling of a joint can also be detected, for example, by means of the relative path of a flexible elastic band attached above the joint bearing (see in claims 11, 12, 13, 14).
  • Other methods for detecting the articulation of the joints come from the field of data gloves. An exemplary embodiment is given below for each combination in claim 10.
  • Figure 7 shows the combination of a nutating magnetic field according to claim 7 with the articulation.
  • the two orthogonal field generator coils 7.2 and 7.3 are attached to a base body 7.0 at a defined distance A from the articulated bearing 7.1.
  • these, together with the field detector coils 7.4 and 7.5 attached to the joint member 7.6 and suitable evaluation means, allow the determination of the angle ⁇ of a directional pointer RZ pointing towards the field detector coils.
  • the geometry size to be recorded is the position of the field detector coils. The position can be clearly determined if, at a constant distance A, in addition to the angle ⁇ , the angle ⁇ of the articulation is recorded in a known manner.
  • the embodiment shown in Figure 8 combines the distance measurement by means of ultrasound (according to claim 8) with the articulation.
  • the position of a joint link point is determined as the geometry variable.
  • the detecting position of the ultrasound receiver 8.2 fastened on the hinge member 8.1 is determined from the distance R from the ultrasound transmitter 8.3, the hinge angle ⁇ and the constant distance A from the ultrasound transmitter 8.3 and hinge bearing 8.4.
  • the distance from R is determined as usual via the signal transit time.
  • the position determination in the two exemplary embodiments in FIGS. 7 and 8 can of course also take place in coordinates.
  • Figure 9 shows an embodiment according to claim III.
  • the floating bearing 9.4 is indirectly attached to a glove 9.5, in that the flexurally elastic part 9.2 can move.
  • the part 9.2 in the exemplary embodiment is a partially transparent, thin ribbon which is fastened to the fixed bearing 9.3.
  • Fixed bearing here means the function and not the execution. That means that part 9.2 can also be attached directly to the glove.
  • the geometric change between fixed 9.3 and floating bearing 9.4 results from the double arrow in the figure 9.a (Draufscht) symbolized relative displacement of part 9.2 in the floating bearing 9.4.
  • the measuring method for determining the relative displacement consists of a light source 9.6 in the loose bearing 9.4 above and a photosensitive receiver 9.7 in the loose bearing 9.4 under the partially transparent part 9.2.
  • the end of part 9.2 movable in movable bearing 9.2 is now provided with a light-permeable triangular surface, as can be seen in the plan view (FIG. 9.a).
  • the penetration depth - that is, the relative displacement - of the part 9.2 determines the amount of light reaching the photosensitive receiver 9.7.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment according to claim 12.
  • an expandable sensor means 10.2 is attached at two points 10.3 and 10.4 of a finger joint 10.1.
  • This stretchable sensor means consists of a thin, translucent rubber film, which is specifically coated with non-stretchable opaque parts in the area of the optical sensor.
  • 10a shows a stripe pattern 10.8 in the unstretched state, ie when the finger is stretched as shown in FIG.
  • the stretchable sensor means 10.2 is passed between a light emitter 10.6 and a photo-sensitive receiver 10.7.
  • the expandable sensor means 10.2 undergoes an elongation which causes a greater distance between the light-permeable strips (FIG.
  • FIG. 11 shows an exemplary embodiment according to claim 13.
  • a magnet 11 2 and a magnetic field sensor 11 3 are attached to the surface of a glove 11 6 in the area of the finger joint 11 1.
  • Such a magnetic field sensor can be of a magnetoresistive type or also a Hall sensor.
  • the kinking of the finger joint changes the field strength of the field detected by the magnetic field sensor 11 3 (FIG. 11 a).
  • a particular advantage of this embodiment is that it can also be used in the "interior" of kinks, as the positions 11 4 and 11 5 on the underside of the finger illustrate
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment according to claim 14.
  • a tubular connecting means 12 2 is fastened at the two joint locations 12 3 and 12 4.
  • a Manget field sensor 12 6 is located inside the tube and the distance a s is closed when the fingers are extended externally attached magnet 12 7 occupies.
  • the tubular connecting means 12 2 deforms such that the distance between sensor 12 6 and magnet changes to a ⁇ and causes a corresponding signal change
  • Figure 13 shows an exemplary embodiment according to claim 15 above the joint 13 1, the two bearings 13 3 and 134 are mounted on a glove 13 5 bearing 13 4 is designed as a floating bearing for the flexible connection part 13 2
  • the distance between the connection part 13 2 and the surface the joint is determined here by means of an ultrasound reflex sensor 13 6 and is dependent on the buckling, as the comparison of FIGS. 13 and 13 a shows
  • FIG. 14 shows an exemplary embodiment of claim 16. It is a combination of field sizes (claim 7) and distance (claim 8).
  • a field generator 14 1 formed from three orthogonal coils is attached to the bass body 14 0. This field generator is together with the one on the articulated arm 14 3 attached field detector 14 2 and data processing capable of determining a direction indicator (3 angles) RZ with respect to a coordinate system defined by the field generator.
  • the direction indicator RZ points to the attachment location of the field detector 14 2 on the articulated arm 14.
  • the position of the likewise three orthogonal ones Coil-built field detector 14 2 in this case is the desired geometry-sized field generator 14 1 and field detector 14 3 function according to the principle of the nutating field in accordance with US Pat. No. 4,054,881.
  • FIG. 15 shows a combination example for claim 17, where the method of field generator and field detector is combined with a GRAMAG sensor in accordance with the position determination of a location on the articulated arm 15 1.
  • the field generator 15 2 on the base body 15 0 delivers, together with that, due to its nutating field at the destination on the articulated arm 15 1, a field line 15 3 attached to the articulated arm 15 1 provides a second straight line RG2, which passes through the center MG of the articulated bearing 15 5, is supplied by the GRAMAG sensor 15 4, which is also attached to the articulated arm 15 1 (see description of claim 9 ) From the knowledge of the constant vector ⁇ Q that shows from the field generator 15 2 to the articulated bearing 15 5, the desired position can then be determined.
  • the orientation of the articulated arm 15 1 can also be determined using the determined geometry size ⁇ is in the exemplary embodiment just described el a body-related field size (direction RG1) with a size assigned to the gravitational field and the external geomagnetic field (direction RG2 by GRAMAG sensor) and the joint size (bearing position r Q ) for determining the geometnal sizes "position of the field detector 15 3" and "direction of the articulated arm axis "combined
  • FIG. 16 shows a further embodiment of claim 13. Due to the possibility of movement of the articulated arm 16 4 determined by the type of the articulated bearing 16 5 (here ball joint) and the known distance Rs of the location S to be determined on the articulated arm 16 4 from the articulated bearing location GM, it is also sufficient the field detector 16 3 already has a plumb sensor 166 to determine the position. With knowledge of the possibility of movement and the position of the spherical plain bearing, it is therefore not necessary to give a direction to the earth's magnetic field
  • RZ body-related field size
  • R s distance from the center of the joint GM / field detector 16 3
  • position of the gel bearing ⁇ Q and "ball joint” as well as the measurement size assigned to the gravitational field "Angle .alpha.
  • FIG. 17 shows a simple exemplary embodiment of claim 18.
  • the position of the ultrasound receiver 17.4 is the intersection of three spheres (r s1 , r s2 , r E ), whose center points are given in the XQ, yg, z B system, which is based on the base body 17.0.
  • the geometry sizes described in claim 20 can be of various types, depending on the method with which they were determined.
  • the prerequisite for this is the definition of the coordinate axes, with regard to their surroundings and with each other.
  • a coordinate system is defined on the back of the hand, which has its origin in the extension of the axis 18.5 of the first middle finger member 18.1 at the distance a from the first middle finger link 18.6.
  • the y axis is parallel to the axis 18.5 of the middle finger member, 18.1
  • the x axis is perpendicular to the y axis
  • the z axis is perpendicular to the x y plane which is defined by a surface 18.7 on the back of the hand. It is sensible to place a small real surface on the back of the hand in order to be able to observe the position of the coordinate system from "outside".
  • this coordinate surface is formed by part of the housing 18.9 of a measuring device and data processing.
  • its orientation can also be of interest.
  • An example of this in FIG. 18 is the directional arrow R, which points in the axial direction of the last phalange 18.3.
  • the direction arrow R can be indicated, for example, by its three direction cosines ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) with respect to the coordinate axes.
  • ⁇ , ⁇ , ⁇ the orientation options that a body generally has are required, since the finger joints do not Allow rotation around the limb axis
  • the last statements were the explanation for the concept of the orientation concept introduced in claim 22, which is necessary if the orientation of a body position is also to be described
  • the kink sensors 18 10 supply signals which can be converted into coordinate values by means of the data processing 18 11 and the conversion algorithm stored there with respect to the coordinate system of the housing attached to the handprint 18 8.
  • the conversion algorithm is different for each method. For the example in FIG he will be outlined below
  • the fixed spatial position between the coordinate origin and the first joint GZ1 of the index finger is determined by the constant vector r zo.
  • the vector r z1 can be rotated about the joint GZ1 in a plane perpendicular to the joint axis A1-A1.
  • the articulation angle ⁇ QI is the only variable on which r z1 depends (its length and plane of movement are known)
  • the orientation is formed from the cosine of the directional arrow R * z of the fingertip axis
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of claim 22.
  • the method of the nutating field used there in combination with an ultrasound distance measurement allows the position and orientation of a sensor coordinate system to be determined.
  • an exemplary embodiment that is almost identical in description is described, which is based on the principle of US Pat. No. 4,054,881 (Remote object position locater / Inv Raab). Only the position-determining aspect is considered which is achieved by 3 mutually orthogonal learning loops in FIG. 19.
  • the three conductor loops 19 1, 19 2, and 19 3 are excited with alternating current in short succession (multiplexed).
  • the emitted ultrasound signal simultaneously sends out a radio pulse 19.13, which starts the runtime measurement of the communication computing unit 19.12 on the belt).
  • the conversion of the field measurement values in the geometry variables can already be carried out on the body 19.7 using a microcontroller or the measurement data are used for external communication computing unit 19.11 for further processing headed.
  • digital radio 19.10 is used and it is assumed that both the body-mounted communication computing unit 19.12 and the external communication computing unit 19.11 each have a corresponding transmitter / receiver.
  • FIGS. 20 and 20a serve to illustrate claims 23 to 25.
  • the position detection of a body site described in claim 25 is carried out by determining the three distances of the receiving unit 20.6 attached to the body 20.5 from the three ultrasound emitters 20.1, 20.2 and 20.3, which are in a defined spatial relationship to stand by each other. These distances are obtained from the signal transit time of the ultrasound pulses provided with different identifiers (frequency or code f1, f2, f3) and converted by means of analytical geometry into position data of the receiving unit 20.6 in relation to the coordinate system x, y, which is defined by the ultrasound emitter . The transit time of the individual ultrasound pulses is measured in the data acquisition of the receiving unit 20.6.
  • the three ultrasound pulses are started together, but can also be multiplexed one after the other.
  • an electromagnetic trigger signal (radio pulse, IR pulse, etc.) is emitted by the emitter 20.4.
  • This electromagnetic trigger signal is received by the detector 20.10 in one millionth of the sound propagation time and starts the sound propagation time measurement in the receiving unit 20.6. ( Figure 20.a).
  • the detector 20.10 can be a photodiode, an antenna, etc., depending on the type of electromagnetic radiation used.
  • the ultrasound signals then arrive at the ultrasound receivers 20.7 (f3), 20.8 (f2) and 20.9 (f1).
  • Each ultrasound receiver is followed by a filter, a frequency count or a decoding and i.a.
  • a specific ultrasound receiver only determines the distance between a specific ultrasound emitter.
  • the position can then also be calculated in the microcontroller and transmitted as a digital code 20.13 to an external computing unit 20.12.
  • the radio path with the antenna 20.11 was selected as data transmission.
  • the data can also be transmitted by infrared or ultrasound.
  • Several types 20.6 receivers can also be attached to the body if it is appropriate; the external effort is not affected.

Abstract

A plurality of processes are disclosed for determining the geometric quantities of a moving human, animal or artificial body. A plurality of new applications depends on the determination of such geometric quantities of a body: medicine, sports, robotics, cyberspace, the arts, school education, training, etc. The concept of 'intelligent geometry sensing systems' is central to the invention. This concept includes the detection, the use-related processing, the conversion into a co-ordinate system, the transformation into any number of other co-ordinate systems, and the data transfer of the most different types of geometric quantities characteristic of a body by the most different measurement methods. This concept is thus capable of establishing a geometric reproduction of a moving body or of selected parts of a moving body with a high detail resolution from a selected number of measurement points.

Description

Beschreibung description
KorpersensonkBody Sens
Der Erfassung von Geometriegroßen beweglicher Korper nimmt einen wichtigen Platz bei einer Vielzahl neu entstandener Anwendungen ein Solche Anwendungen reichen vom Sport bis zur Kunst Nachfolgend sind einige Beispiele aufgeführtThe detection of geometrically large moving bodies takes an important place in a variety of new applications. Such applications range from sport to art. The following are some examples
SportSports
Für die Verbesserung von Leistungen ist es von Interesse die Bewegungungsabläufe in Bezug, auf Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu kennen Dabei kann der gesamte Beweguπgsapparat eines Sportlers oder auch nur Teile davon von Interesse seinIn order to improve performance, it is of interest to know the movement sequences in terms of position, speed and acceleration. The entire musculoskeletal system of an athlete or even only parts of it can be of interest
Robotikrobotics
Die Fernsteuerung von Robotern oder anderen künstlichen Maschinen welche in unzugänglichen Umgebungen (verseuchte Gebiete, Unterwasser, Weltall, Vakuumkammem ) die Körperaktionen eines Menschen umsetzen um bestimmte Aufgaben zu lösen Das "Teaching" von Robotern durch die Akttonsvor- gabe eines entsprechend ausgerüsteten menschlichen Lehrers ist eine weitere Anwendung Ein Roboter stellt aber genauso einen Körper dar, dessen Geometriegroßen zu erfassen von Interesse sein kannThe remote control of robots or other artificial machines which implement the body actions of a person in inaccessible environments (contaminated areas, underwater, space, vacuum chambers) in order to solve certain tasks. The "teaching" of robots by means of the act tone specification of a suitably equipped human teacher is one Another application A robot also represents a body whose geometry size can be of interest
Medizinmedicine
Die ferngesteuerte Chirurgie, auch minimalinversive Eingπffe sind hier AnwendungsgebieteRemote-controlled surgery, also minimally inversive interventions are areas of application here
Das zweite Anwendungsbebiet betπfft die Bewegungskontrolle von Koperextremrtaten, sowohl in derThe second area of application concerns the motion control of head extremes, both in the
Rehabiltation als auch in der Physiotherapie von BehindertenRehabilitation as well as in physiotherapy for the disabled
Ausbildung, SchuleEducation, school
Auf diesem Gebiet, hegt der Einsatz von Kόrpergeometπe im Bereich von interaktivem Lernen in virtuellen Umgebungen Die Ausbildung an einem virtuellen Motor, oder die Operation eines virtuellen Menschen seien hierzu BeispieleIn this area, the use of body geometry in the area of interactive learning in virtual environments. Training on a virtual motor, or the operation of a virtual person are examples of this
CyberspaceCyberspace
Das derzeit moderne Schlagwort umfaßt alle Bereiche von interaktivem Umgang eines menschlichenThe current modern catchphrase encompasses all areas of interactive human interaction
Korpers mit einem Computersystem und setzt somit die Erfassung von Körpergeometiegrößen voraus Kunst, Spiele, SportKorpers with a computer system and therefore requires the acquisition of body geometry sizes Art, games, sports
In Kombination mit leistungstarken Rechnern ist hier dir Entstehung völlig neuer Formen zu erwarten z B Femtennis über Kontinente hinweg, Musik und Videoshow durch Körperbewegungen und jede Art von interaktiven SpielenIn combination with powerful computers, you can expect completely new forms to emerge here, for example, female tennis across continents, music and video shows through body movements and any kind of interactive games
Die ersten Entdeckungen auf dem Gebiet der Kόrpersensoπk stammen von Gπmes US-Pat* 4,414,537 Digital data entry glove Interface filed: 15 Sept 1981 Lanier Europa-Pat 0211 984 B1 Computer data entry and manipultion apperatus filed 19.08.85 Zimmermann US-Pat.4,988,981 Computer data entry and manipulation apparatus and method filed :28. Feb. 1989 Kuipers US-Pat 4,017,858 Apperatus for generating a nutating electromagnetic field filed. Feb.28 1975 Kuipers US-Pat.3,983,474 Tracking and determi ng oπentation of object using coordinate trans- formation means, System and process filed 21 Feb 1975 Raab US-Pat. 4,054,881 Remote object locater filed: 26 Apr 1976 Raab US-Pat 4,314,251 Remote object Position and oπentation locater filed 30. Ju! 1979 Zwosta DE-Pat 3422737 C2 Elektronisches KorperinstrumentThe first discoveries in the field of body sensors came from Gπmes US Pat * 4,414,537 Digital data entry glove Interface filed: 15 Sept 1981 Lanier Europa-Pat 0211 984 B1 Computer data entry and manipultion apperatus filed Aug 19, 1985 Zimmermann US Pat. 4,988,981 Computer data entry and manipulation apparatus and method filed: 28. Feb. 1989 Kuipers U.S. Pat 4,017,858 Apperatus for generating a nutating electromagnetic field filed. Feb. 28 1975 Kuipers U.S. Pat. 3,983,474 Tracking and determination of object using coordinate transformation means, System and process filed Feb. 21, 1975 Raab U.S. Pat. 4,054,881 Remote object locater filed: Apr 26, 1976 Raab US Pat 4,314,251 Remote object Position and opening locater filed 30. Ju! 1979 Zwosta DE-Pat 3422737 C2 electronic body instrument
Anmeldetag 19 6.84 Zwosta US-Pat 4,627,324 Method and Instrument for generating acoustic and/or Visual effects by human body actions filed* 17 Jun 1985 Die vorgenannten Erfindungen und der Stand der Technik lassen folgende, wesentlichen Nachteile erkennen:Filing date 19 6,84 Zwosta US Pat. 4,627,324 Method and Instrument for generating acoustic and / or Visual effects by human body actions filed * Jun 17, 1985 The above-mentioned inventions and the prior art reveal the following significant disadvantages:
Erstens: Methoden mit hoher Detailauflösung sind auf die Erfassung von Teilbereichen des Körpers beschränkt (z.B. Datagloves ).First: Methods with a high level of detail are limited to the acquisition of parts of the body (e.g. data gloves).
Diese Methoden verwenden indirekte Erfassungsmethoden, welcfie mit dem Nachteil hoher Toleranzen (verrutschen der Sensorpositioπ auf einem Handschuh) und der Unfähigkeit behaftet sind direkte Koordinatenwerte liefern zu könnenThese methods use indirect detection methods, which have the disadvantage of high tolerances (the sensor position slips on a glove) and the inability to provide direct coordinate values
Zweitens: Methoden (z.B. externe Magnetfeldtechniken) welche alle Körperteile (Extremitäten) erfassen können, verfügen nur über geringe Detailauflösung . Sie erfassen nicht gemeinsam die Position von Armen und Beinen die Position von Fingern .Second: Methods (e.g. external magnetic field techniques) that can capture all parts of the body (extremities) have only a low level of detail. They do not collectively determine the position of the arms and legs, the position of the fingers.
Diese Methoden sind außerdem in ihrem Erfassungsbereich eingeschränktThese methods are also limited in their scope
Drittens: Die beiden genannten Methoden sind nicht zur Erfassung von körperbezogenen Koordinatensystemen geeignetThird, the two methods mentioned are not suitable for the acquisition of body-related coordinate systems
Vorliegende Erfindung hat neben der Beseitigung obiger Nachteile konzeptionsbedingt den Vorteil die jeweils geeignetste Erfassungtechnik für die unterschiedlichsten Anwendungen einsetzen zu können. Die beschriebenen Nachteile werden in vorliegender Patentschrift durch die Erfindung von INTELLIGENTEN GEOMETRIESENSORIKSYSTEMEN (künftig wegen der Wortlänge IGSS abgekürzt) ausgeräumt. Begriffsfestlegungen:In addition to eliminating the above disadvantages, the present invention has the advantage of being able to use the most suitable detection technology for the most varied of applications. The disadvantages described are eliminated in the present patent specification by the invention of INTELLIGENT GEOMETRY SENSOR SYSTEMS (in the future abbreviated because of the word length IGSS). Definitions:
Geometriegröße:Geometry size:
Geometriegrößen sind u. a.Abstände. Längen, Vektoren(Koordinaten), Winkel, Dehnungen sowie dieGeometry sizes are a. distances. Lengths, vectors (coordinates), angles, strains and the
Ableitungen dieser Größen nach anderen GrößenDerivatives of these sizes to other sizes
Es ist hier zu unterscheiden zwischen direkten Geometriegrößen: Koordinatenwerte (Ortsvektoren) und Winkelgrößen(Orieπtieruπgsgrößeπ) von Körpern oder deren Teilen und indirekte Geometriegrößen können verwendet werden, wenn ein oder mehrere Körper (oder derenA distinction must be made here between direct geometrical quantities: coordinate values (location vectors) and angular quantities (orientation dimensionπ) of bodies or their parts and indirect geometry sizes can be used if one or more bodies (or their
Teile) in bekannter geometrischer Beziehung stehen.(z.B. kann der Winkel zwischen zwei in einer Ebene beweglichen Geleπkarmen durch den Abstand von je einer bekannte Stelle auf jedem Arm angegeben werden, oder durch die Verschiebung eines über das Gelenklagers geführten flexiblen Bandes welches auf einem Gelenkarm fixiert und auf dem zweiten linear verschieblich ist.)Parts) are in a known geometric relationship (for example, the angle between two articulated arms movable in one plane can be specified by the distance from a known location on each arm, or by the displacement of a flexible band guided over the articulated bearing which fixes on an articulated arm and is linearly displaceable on the second.)
Tatsächlich findet der größte Teil praktischer Geometriegrößenerfassung indirekt statt.In fact, most of the practical geometry sizing is done indirectly.
Diese Patentschrift betreffend wurde der Begriff Geometriegröße gewählt, weil er einen weiterenRegarding this patent, the term geometry size was chosen because it was another
Bedeutungsumfang hat wie die Begriffe Körperbewegung und Körperteilposition .wenn man sie streng auslegt. Die Geometriegröße einer Körperstelle ist beispielsweise der Abstand des Daumens von einem definierten Punkt des Handballens, oder die Längung eines flexiblen über das Unterarmgelenk geführten Bandes bei Beugung des Ellbogens. In Gegensatz zu einem Geometriesensor dessen Ausgangsignal von nur einer direkten oder indirekten Geometriegröße abhängt, ann eine Geometriesensorik (muß nicht) aus meheren Sensorkomponenten und deren geeigneter Anordung bestehen. Dabei können einzelne Komponenten einer Geometriesensorik auch unterschiedlichen Meßmethoden unterliegen. Beispiele von Geometriesensoriken sind : Ultraschall- Abstands-Messeinrichtungen bestehend aus Sender und Empfänger , eine Richtungsbestimmung mit Magnetfeldspulen, oder eine Kombination aus Ultaschall-Messung und Winkel zum Gravitationsvektor.Like the terms body movement and position of the body part, the scope of meaning has to be interpreted strictly. The geometry size of a body part is, for example, the distance of the thumb from a defined point of the ball of the hand, or the elongation of a flexible band that is guided over the forearm joint when the elbow is bent. In contrast to a geometry sensor whose output signal depends on only a direct or indirect geometry variable, a geometry sensor system (does not have to) consist of several sensor components and their suitable arrangement. Individual components of a geometry sensor system can also be subject to different measurement methods. Examples of geometry sensors are: Ultrasonic distance measuring devices consisting of transmitter and receiver, a direction determination with magnetic field coils, or a combination of ultrasound measurement and angle to the gravitational vector.
Der Begriff Computereinheit wurde wegen des inzwischen allgemein üblichen Sprachgebrauchs gewählt und bezeichnet eine Dateverarbeitungseinheit nach dem EVA- (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe) Prinzip. In dieser Patentschrift verwendete Bezeichnungen wie Recheneinheit meint die selbe Funktionseinheit und nicht etwa die Beschränkung auf reine RechenfunktionenThe term computer unit was chosen because of the now generally used language and refers to a data processing unit based on the EVA (input processing output) principle. Terms used in this patent, such as computing unit, mean the same functional unit and not the limitation to pure computing functions
INTELLIGENTE GEOMETR1ESENSORIKSYSTEME (IGSS), Teilkoordinatensysteme Kern der vorliegende Erfindung ist das Konzept intelligenter Geometrieseπsoriksyteme zur Bestimmung von Geometriegrößen. Das Attribut "intelligent" bezieht sich hierbei auf die Verwendung von Datenverarbeitungsmitteln (i.A.Mikrocomputem), und deren Programmen. Ein IGSS ist ein abstraktes Gebilde, welches erst durch die jeweilige technische Anwendung seine konkrete Ausgestaltung erfährt. Die Bescheibung was ein solches IGSS ist, wird in Anspruch 1,2 und 21 gegeben und hier nochmals mit etwas anderen Worten erklärt.INTELLIGENT GEOMETR1ESENSORIKSYSTEME (IGSS), sub-coordinate systems The core of the present invention is the concept of intelligent Geometriesπsoriksyteme for determining geometry sizes. The attribute "intelligent" here refers to the use of data processing means (generally microcomputers) and their programs. An IGSS is an abstract structure that only experiences its specific design through the respective technical application. The description of what such an IGSS is is given in claims 1, 2 and 21 and is explained here again in somewhat different words.
Ein IGSS besteht aus einer Geometriesensorik, einer Datenverarbeitung und einer Busverbindung. Der Datenverarbeitung kommen dabei die Aufgaben der Transformation der Meßdaten in anwendungsbezo- gene Daten, deren Transport sowie die Kommunikation mit anderen Daten verarbeitungstellen zu. Da die vorliegende Erfindung Geometriegrößen betrifft wird eine häufige Aufgabe der Datenverarbeitung die Umwandlung von elektrischen Meßwerten in geometrische Größen sein. (Es kann aber auch die Aufgabe bestehen die Meßwerte, direkt in Anwendungsgrößen zu transformieren). Das Konzept der IGSS ist auf jeden Fall für eine Vielzahl von Anwendungen geeignete welche letztlich nur von ihrer jeweiligen Sensortechnologie und Software abhängen. Ein besonderer Vorteil des IGSS-Konzeptes ist die Fähigkeit zur Bildung von Koordinatensystemen. (Dies ist eben eine spezielle Form von Meßwerterfassung und -transformation ). Das Koordinatensystem jedes IGSS's kann selbst als Sensorikteil eines übergeordneten IGSS's ausgebildet sein und eröffnet damit die vielfältigsten geometrischen Bestimmungsmöglichkeiten. Durch Koordinatentransformation kann eine Geometriegröße auf unterschiedlichste Syteme bezogen werden. Darin liegt nun auch der besonderere Wert bei der Geometriegrößenbestimmung komplexer Gelenksysteme wie sie beispielsweise durch den menschlichen Körper gegeben sind. Die Ausbildung von hierachrisch aufgebauten Teilkoordinatensystemen ( z.B. 1tes Koordinatensystem "menschliche Hand", 2tes Koordinatensystem "Schulter" , 3tes Koordinatensystem "Hüfte" , Körperhauptkoordinatensystem "Rücken" und letztlich ein externes Koordinatensystem) ermöglicht die Erfassung von Geometriegrößen bezüglich jedes Teilkoordinatensystemes, aber wo nötig auch bezüglich jedes übergeordneten Koordinatensystemes. Neben der analytisch exakten Positions- und Orientierungs- Angabe von gewünschten Körperstellen entspricht dadurch auch deren Meßgenauig-keit vorteilhaft der jeweilige Anwendung. (Für feine Fingerbeweg ungen wird man sicher mit einem Teil-koordinatensystem "Hand" arbeiten, für tänzerische oder sportliche Körperbewegungen genügt eine Geometriegrößenbestimmung bezüglich des "Teilkoordinatensystemes "Hüfte" oder gar "Rücken" bzw. eines externen Koordinatensystemes). Durch das Konzept der Teilkoordinatensysteme können somit alle Körperteile erfaßt werden oder nur ausgwählte Körperteile, bezüglich des für die jeweilige Anwendung in Frage kommenden Koordinatensystemes.(Fingerbewegungen für einen Tastaturersatz bei der PC-Eingabe benötigen kein externes Koordinatensystem, wohl aber Fingerbewegungen zur Steuerung eines Roboter- Greifers oder eines chirurgischen Eingriffes)An IGSS consists of a geometry sensor system, data processing and a bus connection. Data processing has the tasks of transforming the measurement data into application-related data, transporting it and communicating with other data processing sites. Since the present invention relates to geometrical quantities, a frequent task of data processing will be the conversion of electrical measured values into geometrical quantities. (However, there may also be the task of transforming the measured values directly into application sizes). The concept of the IGSS is definitely suitable for a variety of applications which ultimately only depend on their respective sensor technology and software. A particular advantage of the IGSS concept is the ability to create coordinate systems. (This is just a special form of data acquisition and transformation). The coordinate system of each IGSS can itself be designed as a sensor part of a higher-level IGSS and thus opens up a wide range of geometric determination options. A coordinate size can be related to a wide variety of systems by coordinate transformation. This is also the special value when determining the geometry size of complex joint systems, such as those provided by the human body. The formation of hierarchically structured partial coordinate systems (eg 1st coordinate system "human hand", 2nd coordinate system "shoulder", 3rd coordinate system "hip", main body coordinate system "back" and ultimately an external coordinate system) enables this Acquisition of geometry sizes with respect to each sub-coordinate system, but where necessary also with respect to each superordinate coordinate system. In addition to the analytically exact position and orientation information of the desired body parts, their measuring accuracy also advantageously corresponds to the respective application. (For fine finger movements one will certainly work with a partial coordinate system "hand", for dance or sporty body movements it is sufficient to determine the geometry with regard to the "partial coordinate system" hip "or even" back "or an external coordinate system). Through the concept of the partial coordinate systems All parts of the body can thus be grasped or only selected parts of the body, with regard to the coordinate system that is suitable for the respective application. (Finger movements for a keyboard replacement when entering a PC do not require an external coordinate system, but finger movements for controlling a robot gripper or a surgical intervention )
Zum Abschluß dieses Abschnittes wird darauf hingewiesen, daß IGSS und Teilkoordiπatensysteme nicht identisch sein müssen. Ein IGSS kann bei geeignter Sensorik und Software ein Koordinatensystem ausbilden, muß dies aber nicht. Es könnte ebensogut einen einzigen Meßwert erfassen und mit einer Nulltransformation weiterleiten.At the end of this section, it is pointed out that IGSS and partial coordinate systems need not be identical. With suitable sensors and software, an IGSS can form a coordinate system, but it does not have to. It could just as well acquire a single measured value and forward it with a zero transformation.
Figur 1 zeigt einen Menschen an dessen Körper mehrere intelligente Geometrieseπsoriksysteme ( nachfolgend IGSS genannt ) entsprechend Anspruch 1 angebracht sind. Am stabilen Gürtel 1.4 sind die drei entsprechend indizierten Referenzkoordinatensysteme Xl,y1,z1/ x2,y2,z2/ x3,y3,z3, der drei Haupt- IGSS 1(=Rücken), 2(= Hüfte-Hand links), 3(= Hüfte-Hand-rechts) eingezeichnet. Alle drei Haupt-IGSS im Ausführungsbeispiel von Figur 1 sind auf dem in Anspruch 7 beschriebenen Verfahren von körperbefestigten Felderzeugem und Felddetektoren aufgebaut. Zu IGSS 2 gehört dann noch das Unterkoordinatensystem u2,v2,w2, der linken Hand und zu IGSS 3 das Unterkoordinatensystem u3,v3,w3, der rechten Hand. Das Referenzkoordiπatensystem x1 ,y1 ,z1 von IGSS 1 ist für beide Hände zuständig, wenn sie sich im Ortungsschatten ihrer primären Refereπzkoodinateπsysteme befinden. Jedes der drei Referenzkoordinatensysteme x1 ,y1 ,z1/ x2,y2,z2/ x3,y3,z3, ist selbst wieder Unterkoordinatensystem bezüglich des externen Koordinatensystemes xe,ye,ze, entsprechend Figur 3. Aufgrund des stabilen Gürtels 1.4 auf den Position und Orientierung aller 3 Referenzkoordinatensysteme definiert sind, genügt jeweils eines als aktuelles Unterkoordinatensystem bezüglich des externen Koordinatensystemes xe, ye, ze, wie Figur 3 zeigt. Die beiden anderen dienen diesbezüglich als Redundanz für den Fall der Körperabdeckung des extemen_Feldes.FIG. 1 shows a person on whose body several intelligent geometry sensor systems (hereinafter referred to as IGSS) are attached in accordance with claim 1. On the stable belt 1.4 are the three correspondingly indicated reference coordinate systems X1, y1, z1 / x2, y2, z2 / x3, y3, z3, the three main IGSS 1 (= back), 2 (= hip-hand left), 3 ( = Hip-hand-right). All three main IGSS in the exemplary embodiment in FIG. 1 are based on the method of body-mounted field generators and field detectors described in claim 7. The sub-coordinate system u2, v2, w2 on the left hand also belongs to IGSS 2 and the sub-coordinate system u3, v3, w3 on the right hand belongs to IGSS 3. The reference coordinate system x1, y1, z1 of IGSS 1 is responsible for both hands when they are in the location shadow of their primary reference coordinate systems. Each of the three reference coordinate systems x1, y1, z1 / x2, y2, z2 / x3, y3, z3 is itself a sub-coordinate system with respect to the external coordinate system xe, ye, ze, according to FIG. 3. Due to the stable belt 1.4 on the position and orientation of all 3 reference coordinate systems are defined, one is sufficient as the current sub-coordinate system with respect to the external coordinate system xe, ye, ze, as shown in FIG. 3. In this regard, the other two serve as redundancy for the case of covering the body of the extemen_ field.
Das technische Prinzip eines Referenzkoordiπatensystemes welches auf dem in Anspruch 7 beschriebenen Verfahren von körperbefestigten Felderzeugem und Felddetektoren beruht zeigt Figur 1 a als Ausschnittsvergrößerung des Gürtelteiles 1.3 von IGSS 3. Die drei orthogonalen Spulen 1.5, 1.6, 1.7, werden von geeigneten Erregerströmen durchflössen die in der Computereinheit 1.8 gebildet werden und ein nutierendes Magnetfeld erzeugen, welches es nach dem Prinzip von US-Patent 4,017,858 ( Apparatus for generating a nutating elektromagnetic field/ Inv. Kuipers ) gestattet die Richtung eines Zeigers RZ3 anzugeben, der genau zum Ursprung des Unterkoordinatesystemes u3,v3,w3, zeigt. Dieses Verfahren ermöglicht auch die Orientierungswinkel des Unterrkoordinatensystemes u3, v3, w3, aus den induzierten Spannungen der dort befindlichen Sensorspulen 2.1 , 2.2, 2.3 (siehe Figur 2) zu ermitteln. Das Prinzip eines nutierenden Magnetfeldes ergibt zwar einen Richtungszeiger RZ aber keinen Abstandswert.The technical principle of a reference coordinate system, which is based on the method of body-attached field generators and field detectors described in claim 7, is shown in FIG. 1 a as an enlarged detail of the belt part 1.3 of IGSS 3. The three orthogonal coils 1.5, 1.6, 1.7 are flowed through by suitable excitation currents Computer unit 1.8 are formed and generate a nutating magnetic field, which it operates according to the principle of US Pat. No. 4,017,858 (Apparatus for generating a nutating electromagnetic field / Inv.Kuipers) allows the direction of a pointer RZ3 to be specified which points exactly to the origin of the sub-coordinate system u3, v3, w3. This method also enables the orientation angles of the subordinate coordinate system u3, v3, w3 to be determined from the induced voltages of the sensor coils 2.1, 2.2, 2.3 located there (see FIG. 2). The principle of a nutating magnetic field results in a direction indicator RZ but no distance value.
Im Ausführungbeispiel nach Figur 1 wird der Abstand des Sensorkoordinatensystemes u3, v3, w3 aus der Laufzeit eines Ultraschallsigπales bestimmt, dessen Sender 1.9 im Ursprung des Referenzkoordina- tensystemes x3,y3,z3 sitzt ( Figur 1a) und dessen Empfänger 2.10 im Ursprung des Sensorkoordinatensystemes u2,v2,w2 sitzt.(siehe Figur 2)In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the distance of the sensor coordinate system u3, v3, w3 is determined from the transit time of an ultrasonic signal, the transmitter 1.9 of which is located in the origin of the reference coordinate system x3, y3, z3 (FIG. 1a) and the receiver 2.10 of which is located in the origin of the sensor coordinate system u2 , v2, w2 sits (see Figure 2)
Aπm.: Die Begriffe "Feld -oder Strahlungserzeuger bzw. -detektor in Anspruch 7 wurden bewußt in dieser allgemeinen Form gewählt, weil sowohl magnetische, elektrische, elektromagnetische Gleich- uπd Wechselfelder als auch die Intensitätsverteilungen von Lichtstrahlungs- oder Schallabstahlungs- quellen zur Anwendung kommen können.Aπm .: The terms "field or radiation generator or detector in claim 7 were deliberately chosen in this general form because both magnetic, electrical, electromagnetic DC and AC fields and the intensity distributions of light radiation or sound radiation sources are used can.
An dieser Stelle der Beschreibung läßt sich der abstrakte Begriff "intelligentes Geometriesensorik- system" anschaulich erläutem.Die Intelligenz liegt in Hard- und Software der Computereinheit 1.8 . Diese muß außer der Feldsteuerung auch die Laufzeitmessung des Ultraschallsignales und wie sich zeigen wird noch weitere Aufgaben durchführen. Vom Empfänger 2.10 (Figur 2) erfolgt nun eine Rückmeldung zur Computereinheit 1.8, wenn das Ultraschallsignal dort eingetroffen ist.(Der Startzeitpunkt des Ultraschallsignales wird von der Computereinheit 1.8 der Computereinheit 2.8 über das Bussystem 2.9 mitgeteilt) .Nun wird auch erklärbar was unter einem IGSS zu verstehen ist. Die Gürteleinheit 1.3 von Figur 1a - bestehend aus Computereinheit 1.8, Ortungseinheit 1.10 ( = Referenzspulen, 1.5, 1.6, 1.7 und Ultraschallsender/empfänger 1.9)- sowie ein Teil der Handeinheit 2.4 in Figur 2 -nämlich die drei Sensorspulen 2.1 , 2.2, 2.3, der Ultraschallempfänger 2.10 und das Bussytem 2.9,-welches auch kabellos sein kann- bilden zusammen das IGSS 3 ( Hüfte-Hand rechts). Hier wird deutlich, daß ein IGSS keine auf einen genau umgrenzten Raumbereich bezogene Einheit im herkömmlichen Sinne, sondern eine abstrakte Funktionseinheit ist. Das IGSS 3 steht über das Bussystem 2.9 mit dem IGSS3/1 ( Hand-Finger-rechts) in Datenkommunikation; dies ist die oben angedeutete weitere Aufgabe der Computereinheit 1.8 .At this point in the description, the abstract term "intelligent geometry sensor system" can be clearly explained. The intelligence lies in the hardware and software of the computer unit 1.8. In addition to the field control, this must also carry out the transit time measurement of the ultrasound signal and, as will be shown, other tasks will also be carried out. The receiver 2.10 (FIG. 2) now reports back to the computer unit 1.8 when the ultrasound signal has arrived there (the starting time of the ultrasound signal is communicated by the computer unit 1.8 to the computer unit 2.8 via the bus system 2.9). Now what can be explained under an IGSS is to be understood. The belt unit 1.3 from FIG. 1a - consisting of computer unit 1.8, locating unit 1.10 (= reference coils, 1.5, 1.6, 1.7 and ultrasound transmitter / receiver 1.9) - and part of handheld unit 2.4 in FIG. 2 - namely the three sensor coils 2.1, 2.2, 2.3, the ultrasound receiver 2.10 and the bus system 2.9, which can also be wireless, together form the IGSS 3 (hip-hand on the right). Here it becomes clear that an IGSS is not a unit in the conventional sense related to a precisely defined spatial area, but an abstract functional unit. The IGSS 3 is in data communication with the IGSS3 / 1 (hand-finger-right) via the bus system 2.9; this is the further task of the computer unit 1.8 indicated above.
Nun ist es auch sinnvoll den abstrakten Begriff Geometriegröße nochmals zu erläutern. Ein IGSS ist je nach technischer Ausführung in der Lage unterschiedlichste geometrische Größen zu erfassen,- dies reicht von einer Gelenkknickung über einen einfachen Abstand bis zur kompletten räumlichen Beschreibung durch sechs und mehr Variable eines Körperteiles. Aus diesem Grunde wird in den Ansprüchen von " mindestens einer Geometriegröße " gesprochen .Ein IGSS kann sensorisch erfaßte Signale in geometrische Größen umwandeln, muß es aber nicht, wenn die Anwendung dies nicht erfordert, weshalb in den Ansprüchen oft von "den Geometriegrößen zugehörigen Signalen" gesprochen wird. Figur 2 stellt eine Ausschnittstvergroßerung der rechten Hand dar und dient der Erläuterung des im Aus- fuhrungsbeispiel dem 1GSS-3 (Hufte-Hand-rechts) untergeordneten IGSS-3/1 (Hand-Finger-rechts ) Das IGSS-3/1 (Hand-Finger-rechts ) ist bewußt auf einem anderer Sensorpinzip als das IGSS-3 (Hufte-Hand- rechts) aufgbaut um die vielfältigen Ausgestaltungsmoglichkeiten eines IGSS nochmals zu verdeutlichen Das IGSS-3/1 (Hand-Finger-rechts ) verwendet deshalb im Gegensatz zum IGSS-3 (Hufte-Hand- rechts) Ultraschall zur Positionsbestimmung der Finger und ist somit gleichzeitig Illustration für Anspruch 8. Im Sinne der Erfindung wird nun aus dem Unterkoordinatensystem des IGSS-3 (Hufte- Hand-rechts) das Referenzkoordinatensystem des IGSS-3/1 (Hand-Finger-rechts ) und damit entsteht eine hierarchische Ordnung der IGSS und der Koordinatensysteme wodurch eine Koordinatentrans- formatinon der Geometπegroßen möglich wird Auf der fest mit den Sensorspulen 2 1 , 2 2, 2 3 verbundenen starren Platte 2 4 befinden sich in definierter räumlicher Beziehunung die beiden Ultraschallsender 2 5 und 2 6, sowie der kombinierte Ultraschallsender/-empfanger 2 10 Aus den drei Abstanden welche den Signallaufzeiteπ proportional sind, lassen sich für jede Fingerkuppe die Koordinaten im u3,v3 w3 -System ermitteln, wenn jeder Finger einen Ultraschallempfanger 27 tragt, welcher den Zeitpunkt des Signaleintreffens zur Abstandsberechnung an die Computereinheit 2 8 "weiterleitet" (hier mittels Kabel) Die einzelnen Sender takten entweder so hochfrequent, daß die Fingermechanik dagegen trage ist oder sie verwenden unterschiedliche Frequenzen zu Unterscheidung Diese Unterscheidung muß natürlich durch die Software der Computereinheit 2 8 erfolgen In Figur 2 sind der Übersicht wegen nur drei Strahlen zu einem Finger gezeichnet um die drei Abstände anzudeuten Je nach Aufwand der Computereinheit 2 8 kann die Signalabfrage der Empfanger an den Fingerkuppen parallel oder gemuliplext erfolgen Es ist noch darauf hinzuweisen, daß es im Falle einer raumlichen Erfassung der Fingerkuppen wohl nicht viel Sinn macht dort eine Orientierung zu definieren insofern genügen die Ortskoordinaten jeder Fingerkuppe Diese auf das Unterkoordinatensystem u3,v3,w3, bezogenen Koordinaten können nun über den Bus 2 9 zum Hauptkoordinatensystem x3,y3,z3, weitergeleitet werden und wenn aπwendungsbegingt notwendig aufgrund der Positions- und Oπentierungskeπntnis des Unterkoordinatensystems u3,v3 w3, auf das Hauptkoordinatensystem x3,y3,z3 transformiert werdenNow it makes sense to explain the abstract term geometry size again. Depending on the technical design, an IGSS is able to record a wide variety of geometric sizes - this ranges from an articulation of a joint to a simple distance to complete spatial description using six or more variables of a body part. For this reason, the claims speak of "at least one geometry variable". An IGSS can convert sensor-sensed signals into geometric variables, but does not have to if the application does not require it, which is why the claims often refer to "signals associated with the geometry variables" is spoken. FIG. 2 shows an enlarged detail of the right hand and serves to explain the IGSS-3/1 (hand-finger-right), which is subordinate to the 1GSS-3 (hip-hand-right) in the exemplary embodiment. The IGSS-3/1 (hand -Finger-right) is deliberately based on a different sensor principle than the IGSS-3 (hip-hand-right) in order to further illustrate the diverse design options of an IGSS. The IGSS-3/1 (hand-finger-right) therefore uses in contrast to the IGSS-3 (Hufte-Hand-rechts) ultrasound for determining the position of the fingers and is thus at the same time an illustration for claim 8. In the sense of the invention, the sub-coordinate system of the IGSS-3 (Hufte-Hand-rechts) is now the reference coordinate system of the IGSS- 3/1 (hand-finger-right) and this creates a hierarchical order of the IGSS and the coordinate systems, which enables a coordinate transformation of the geometrical sizes on the rigidly connected to the sensor coils 2 1, 2 2, 2 3 Plate 2 4 are in a defined spatial relationship, the two ultrasound transmitters 2 5 and 2 6, and the combined ultrasound transmitter / receiver 2 10. From the three distances that are proportional to the signal propagation time, the coordinates in u3, v3 w3 can be found for each fingertip. Determine the system if each finger carries an ultrasound receiver 27, which "forwards" the time of the signal arrival to the computer unit 2 8 for distance calculation (here by means of a cable). The individual transmitters either clock at such a high frequency that the finger mechanics are against it, or they use different frequencies to distinguish This distinction must of course be done by the software of the computer unit 2 8. In FIG. 2, for clarity, only three rays are drawn to a finger to indicate the three distances. Depending on the complexity of the computer unit 2 8, the signal query of the receivers on the fingertips can be parallel or multiplexed there i It should also be pointed out that in the case of spatial detection of the fingertips it does not make much sense to define an orientation there insofar as the location coordinates of each fingertip are sufficient. These coordinates relating to the subordinate system u3, v3, w3, can now be taken via bus 2 9 to Main coordinate system x3, y3, z3, and if necessary due to the application and transformation due to the position and orientation of the subordinate system u3, v3 w3, are transformed to the main coordinate system x3, y3, z3
Nach der Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispieles sind nun auch die Ansprüche 2,3,4,5 leichter erläuterbarFollowing the description of an exemplary embodiment, claims 2, 3, 4, 5 are now easier to explain
Anspruch 2 beinhalt unter anderem das abstrakte Merkmal zur Umwandlung von Geometπegroßen in Koordinatenwerte Eine detailierte Beschreibung wie Geometπegroßen in Koordinateπwerte umgewandelt werden kann ist in Anspruch 20 und der Erläuterung zu Figur 16 zu finden Entprechend Anspruch 3 kann man in obigem Ausfuhrungsbeispiel die Signale der Geometπesen- sonken "Fingerkuppe-Ultraschall" ( 2 5, 2 6 , 2 7, 2 10 ), "Hand-Magnetfeld" (2 1 , 22, 2 3 und 1 5 1 6, 1 7 ) und "Hand-Ultraschall" (2 10 und 1 9,) über das Bussystem ( 2 9 ) der Computereinheit ( 1 8 ) am Gürtel zuleiten Das in dieser Computereinheit ( 1 9 ) geladene Programm kann nun Transformafions- und Verknüpfungsalgorithmen enthalten weiche auf die Geometrisensoriken - "Fingerkuppen", "Hand- Magnetfeld", "Hand-Ultraschall" - abgestimmt sind. Aufgrund des Programmaufbaues können Ortsvektoren der Fingerkuppen oder Orts-und Orientierungsvektoren der Hand berechnet werden . Diese Orts- und Orientierungsvektoreπ können -wiederum programmbedingt- bezüglich der Teilkoordinatensysteme "Hand" (u3, v3, w3 ) und " Hüfte-Hand-rechts" (x3, y3, z3) angegeben werden. Die Ortsvektoren der Fingerkuppen wiederum können vom Unterkoordinatensystem "Hand" (u3, v3, w3 ) auf das hierarisch übergeordnete Referenzkoordinatensystem "Hüfte-Hand-rechts" (x3, y3, z3 ) transformiert werden. Schließlich kann die Computereinheit (1.8 ) am Gürtel mit jeder anderen Computereinheit am Körper oder extern Daten austauschen. Es versteht sich wiederum von selbst, daß es sich bei diesem Datenaustausch auch um das Laden eines neuen Prog-rammes handeln kann. Das Verfahren von Anspruch 5 leistet das gleiche wie Anspruch 3, allediπgs ist das Konzept etwas anders. Während in Anspruch 3 die Signale mehrerer Geometrisensoriken von einer Computereinheit verarbeitet werden, beschreibt das Konzept von Anspruch 5, daß jede Geometriesensorik zusammen mit einer Computereinheit ein IGGS ausbildet. Dies entspricht auch den Figuren 1 , 1a und 2. Im Unterschied zu Anspruch 3 verfügt bei Anspruch 5 jedes IGGS über eine eigene Computereinheit (1.8 oder 2.8). Das Programm jeder dieser Computereinheiten ist auf die zugehörige Geometriesensorik abgestimmt und kann ein eigenes Koordinatensystem ausbilden. Jedes IGGS (z.B. IGGS-Ηand") kann von einem höherrangigen IGGS ( z.B. IGGS-'Ηüfte-Hand-rechts" ) als Geometriesensorik interpretiert werden. Im Unterschied zu Anspruch 3 erfolgt nun eine Koordinatentransformation dadurch, daß das niederrangigere IGGS ("Hand") die auf sein Koordinatensystem bezogenen Geometriegrößenwerte (Ortsvektoren Fingerkuppen) dem höherrangigen IGGS ("Hüfte-Hand-rechts") über den Bus ( 2.9) übermittelt Die Computereinheit des höherrangigen IGGS führt dann die Koordinatentransformation (" Fingererkuppen -> "Hüfte-Hand-rechts") mit den Koordinatenwerten des eigenen IGSS und den empfangenen Koordinatenwerten durch. Jedes der beiden Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 5 hat Vor- und Nachteile. Nachteilig beim Verfahren nach Anspruch 5 sind die höheren Kosten wegen der größeren Anzahl von Computereinheiten; vorteilhaft hingegen ist, daß jedes IGGS unabhängig auch an Teilbreichen eines Körpers angebracht werden kann. Anspruch 4 beschreibt den Sachverhalt von Anspruch 5 auf einem abstrakteren Niveau.Claim 2 includes, among other things, the abstract feature for converting geometrical sizes into coordinate values. A detailed description of how geometrical sizes can be converted into coordinate values can be found in claim 20 and the explanation for FIG. 16. Corresponding to claim 3, the signals of the geometrical probes can be found in the exemplary embodiment above "Fingertip ultrasound" (2 5, 2 6, 2 7, 2 10), "hand magnetic field" (2 1, 22, 2 3 and 1 5 1 6, 1 7) and "hand ultrasound" (2 10 and 1 9,) via the bus system (2 9) to the computer unit (1 8) on the belt. The program loaded in this computer unit (1 9) can now transform and linking algorithms contain soft which are matched to the geometry sensors - "fingertips", "hand magnetic field", "hand ultrasound". Based on the program structure, location vectors of the fingertips or location and orientation vectors of the hand can be calculated. These location and orientation vectors can be specified - again due to the program - with respect to the partial coordinate systems "hand" (u3, v3, w3) and "hip-hand-right" (x3, y3, z3). The location vectors of the fingertips in turn can be transformed from the sub-coordinate system "hand" (u3, v3, w3) to the hierarchically higher-level reference coordinate system "hip-hand-right" (x3, y3, z3). Finally, the computer unit (1.8) on the belt can exchange data with any other computer unit on the body or externally. Again, it goes without saying that this data exchange can also involve loading a new program. The method of claim 5 does the same as claim 3, but the concept is somewhat different. While the signals of several geometry sensors are processed by a computer unit in claim 3, the concept of claim 5 describes that each geometry sensor system forms an IGGS together with a computer unit. This also corresponds to FIGS. 1, 1a and 2. In contrast to claim 3, each IGGS has its own computer unit (1.8 or 2.8). The program of each of these computer units is matched to the associated geometry sensors and can form its own coordinate system. Each IGGS (eg IGGS-Ηand ") can be interpreted as a geometry sensor system by a higher-ranking IGGS (eg IGGS-'üüfte-hand-rechts"). In contrast to claim 3, a coordinate transformation now takes place in that the lower-ranking IGGS ("hand") transmits the geometry size values (location vectors fingertips) relating to its coordinate system to the higher-ranking IGGS ("hip-hand-right") via the bus (2.9) The computer unit of the higher-ranking IGGS then carries out the coordinate transformation ("finger tips ->" hip-hand-right ") with the coordinate values of its own IGSS and the received coordinate values. Each of the two methods according to claims 3 and 5 has advantages and disadvantages in the method according to claim 5, the higher costs are due to the larger number of computer units, but it is advantageous that each IGGS can also be attached independently to parts of a body, claim 4 describes the facts of claim 5 at a more abstract level.
Figur 3 dient der schon weiter oben begonnenen Erläuterung des Zusammenwirkens von körpereigenem und externem IGSS nach Anspruch 6. Das Sensorikprinzip ist das gleiche wie in Figur 1. Die zum IGSS-1 (Rücken) gehörige Gürteleinheit 1.1 ist aufgebaut wie in Figur 1 nur wirkt für das externe Koordinatensystem xe,ye,ze, Teil 1.9 von Figur 1a jetzt als Ultraschallempfänger zur Abstandbestimmung zum externen Ultraschallsender 3.7. ( Mir dem abgestrahlten Ultraschallsignal wird gleichzeitig ein Funkimpuls 3.6 ausgesandt, der die Laufzeitmessung der Gürteleinheit 1.1 startet.). Das von den Referenzspulen 3.1 , 3.2, 3.3 des externen Koordinatensystems erzeugte nutierende Magnetfeld liefert den Richtungszeiger RZe und die Orientierung der Achsen x1 ,y1 ,z1 und entspricht in soweit auch dem Anspruch 22 einer externen Geometπegoßeπbestimmung Damit ist das körpereigene Koordinatensystem x1 ,y1 ,z1 bezüglich des externen Koordinatensystemes xe,ye,ze bestimmt, und jegliche Koordinatentransformation von Korperstellen bezüglich x1 ,y1 ,z1 , auf das externe Koordinatensystem ist möglich Zu dem Zwecke der Koordinatentransformation müssen dann die auf das Koordinatensystem x1 ,y1 ,z1 bezogenen Daten nur noch vorzugsweise drahtlos 3 5 zur externen ComputereinheitFIG. 3 serves to explain the interaction of the body's own and external IGSS according to claim 6, which has already started above. The sensor principle is the same as in FIG. 1. The belt unit 1.1 belonging to the IGSS-1 (back) is constructed as in FIG. 1 only acts for the external coordinate system xe, ye, ze, part 1.9 of FIG. 1a now as an ultrasound receiver for determining the distance to the external ultrasound transmitter 3.7. (With the emitted ultrasound signal, a radio pulse 3.6 is emitted at the same time, which starts the runtime measurement of the belt unit 1.1.). The nutating magnetic field generated by the reference coils 3.1, 3.2, 3.3 of the external coordinate system supplies the direction indicator RZe and the orientation of the axes x1, y1, z1 and corresponds to that Claim 22 of an external Geometπegoßeπ determination is thus the body's own coordinate system x1, y1, z1 with respect to the external coordinate system xe, ye, ze determined, and any coordinate transformation of body positions with respect to x1, y1, z1, on the external coordinate system is possible For the purpose of coordinate transformation must then the data relating to the coordinate system x1, y1, z1 is only preferably wireless 3 5 to the external computer unit
34 transferiert werden Die beschriebene Aufgabe kann auch von einer der beiden anderen Gurtelem- heiten 1 2 oder 1 3 in Figur 1 wahrgenommen werden sobald Gurtelemheit 1 1 vom Körper verdeckt, oder ihre Datenübertragung unterbrochen ist34 The task described can also be performed by one of the other two belt units 1 2 or 1 3 in FIG. 1 as soon as the belt unit 1 1 is covered by the body or its data transmission is interrupted
Die Oπentierungsbestimmung mittels eines das Gravitatioπs- und das Erdmagnetfeld ausnutzenden Mehrfachsensors wird heute standardmäßig in Datensιchthelmen( head mounted dtsplays = HMD ) eingesetzt und wird deshalb nicht naher erläutert Allerdings ist die Onentierungbestimmung dort auf das Koordinatensystem welches durch das Gravitations-und das Erdmagnetfeld definiert ist beschränkt Die in Anspruch 9 beschπebene rechneπsche Verknüpfung von Werten solcher Mehrfachsensoren für Gravitations-und Magnetfeld (künftig GRAMAG-Sensor abgekürzt ) mit Gelenkgrößen ermöglicht sowohl die Positionsbestimmung beliebiger Stellen von Gelenkgiiedern als auch deren Oπentierungsbe- stimmungbezuglich frei gewählter Koordinatensysteme, sowohl korperfixierter als auch korperextemer ArtThe determination of the orientation by means of a multiple sensor utilizing the gravitational and geomagnetic fields is used today as standard in data helmets (head mounted dtsplays = HMD) and is therefore not explained in more detail. However, the orientation determination there is limited to the coordinate system which is defined by the gravitational and the geomagnetic field The computation of the values of such multiple sensors for gravitational and magnetic fields (in the future abbreviated GRAMAG sensor) with joint sizes, described in claim 9, enables both the position determination of arbitrary positions of joint members and their orientation determination with respect to freely selected coordinate systems, both body-fixed and body-specific
Figur 4 zeigt ein Gelenkghed 4 0 welches mit seinem kugeligen Lagerzapfen 4 1 in einem hier nicht gezeichneten Lager gelagert ist An einem beliebigen Ort auf dem Gelenkglied ist der GRAMAG-SensorFIG. 4 shows an articulated head 40 which is mounted with its spherical bearing journal 41 in a bearing not shown here. The GRAMAG sensor is located anywhere on the articulated member
42 befestigt Der GRAMAG-Sensor 4 2 ist so aufgebaut, daß er ein orthogonales Koordinatensystem mit den Achsen u,v,w ausbildet Die Beziehung der GRAMAG Koordinatenachsen zum Relativvektor rBR- der vom GRAMAG-Sensor zum Bewegungszentrum BZ1 zeigt ist durch die drei Winkel υ. ζ, ω bestimmt Die 9 Oπentierungswinkel - cos(u,x), cos(u.y), cos(u.z), cos(v.x), cos(v,y), cos(v,z), cos(w,x), cos(w.y), cos(w,z),- der GRAMAG-Achsen u,v,w mit dem äußeren, durch die Gravitationsachse g(= -z) und die Erdmagntfeldachse BE(= y) gegebenen Koordinatensystem werden vom GRAMAG-Sensor 4 2 aufgrund seiner Funktionsweise erfaßt (Der Übersicht wegen sind in Figur 4 nur die Winkel cos(w,x) cos(w.y) cos(w.z) der w-Achse gezeichnet )42 attached The GRAMAG sensor 4 2 is constructed in such a way that it forms an orthogonal coordinate system with the axes u, v, w. The relationship of the GRAMAG coordinate axes to the relative vector r BR- which shows the GR AMAG sensor to the movement center BZ1 is shown by the three Angle υ. ζ, ω determines the 9 orientation angles - cos (u, x), cos (uy), cos (uz), cos (vx), cos (v, y), cos (v, z), cos (w, x) , cos (wy), cos (w, z), - the GRAMAG axes u, v, w with the outer coordinate system given by the gravitational axis g (= -z) and the earth's magnetic field axis B E (= y) are from GRAMAG - Sensor 4 2 detected due to its mode of operation (for the sake of clarity, only the angles cos (w, x) cos (wy) cos (wz) of the w axis are shown in FIG. 4)
Der Relativvektor rBR zeigt durch seine feste Winkelbeziehung (Winkel υ, ζ,ω )zu den Achsen des GRAMAG-Sensors 4 2 in jeder Lage des Gelenkgliedes 4 0 vom GRAMAG-Sensor 4 2 auf das in seiner Position noch nicht bestimmte Bewegungszentrum BZ1 des Gelenkgliedes 40 Im Ausfuhrungsbeispiel ist dieses Bewegungszentrum BZ1 die Mitte des Lagers 5 1 eines in Figur 5 dargestellen BasiskorpersThe relative vector r BR points through its fixed angular relationship (angle υ, ζ, ω) to the axes of the GRAMAG sensor 4 2 in every position of the joint member 4 0 from the GRAMAG sensor 4 2 to the movement center BZ1 of the position which has not yet been determined Articulated member 40 In the exemplary embodiment, this movement center BZ1 is the center of the bearing 5 1 of a base body shown in FIG. 5
5 0 in dem das Gelenkglied 4 0 aufgehängt ist Damit ist aber die Position des GRAMAG-Sensors 42 bezüglich der Mitte des Lagers 5 1 = Bewegungszentrum BZ1 bestimmt, wenn man den - aus den 9 GRAMAG-42- Oneπtierungswinkeln und den konstanten Winkeln υ, ζ, ω eσechneten - aktuellen Vektor rBR vertιert ( "rBR zeι9* von BZ1 zum GRAMAG-Sensor 4 2) Allerdings erfolgt die Positionsangabe des GRAMAG-Sensors 4 2 noch bezüglich des Gravitations-Erdmagnetfeld-Koordinatensystemes [x, y( =BE), z( =-g» Bπngt man wie in Figur 5 gezeigt in definierter räumlicher Position ( Vektor r ) zum Bewegungszentrum BZ1 des Gelenklagers 5 1 auf dem Basiskörper 5 0 einen weiteren GRAMAG-Sensor 5 2 an ( vorzugsweise mit zum Basiskoordinatensystem [xB,yB,zB ] deckungsgleichen Achsen ) und bestimmt über diesen die Oπentierungswinkei zwischen dem Gravitations-Erdmagnetfeld-Koordmateπsystem [x, y( =BE), z( =-g)] und dem Basiskoordinatensystem [xB,yB,zB ], (Der Übersicht wegen wurden nur die drei Winkel p σ τ , der maximal 9 Oneπtierungswinkel eingezeichnet,), so kann die Oπeπtierung des GRAMAG-Sensors 4 2 durch Koordinateπtransformation auch bezüglich des Basiskoordmatensys- temes [xB,yB,zB ] angegeben werden > Die Postion (Vektor r ) des GRAMAG-Sensors 4 2 erhält man wie in Figur 5 dargestellt durch Addition des konstanten Vektors -r zum Bewegungszentrum BZ1 und des aktuellen Relatιvvektors(-rBR) nach entsprechender Koordinatentransformation bezüglich des Basiskoordinatensystem [xB,yB,zB ]. Es ist nun selbstverständlich, daß wegen der Starrheit des Gelenkgliedes 4 0, auch die Position jedes anderen Punktes auf dem Gelenkglied 4 0 - aus dessen einmal vermessener Relativlage - bezüglich des Bewegungszentrums BZ1 oder des Basiskoordinaten- systemes [xB,yB,zB ] aus den GRAMAG- Winkeln errechenbar ist So kann man zum Beispiel die Position des Achsendpunktes E durch Vektoraddition r^ = rp£ + (-rBp) erhalten Es ist bekannt, daß die 3-dιmensιonale Orientierungsdefinition weit mehr Formulnerungsmoglichkeiten als die Positionsdefinition hat Insofern kann die Oπentieruπg des Gelenkgliedes 4 0 sowohl durch zwei auf das Basiskoordinatensystem [xB,yB,zB ] transformierte Achsen (z B u und v )des GRAMAG- Sensors 42 erfolgen, als auch übersichtlicher durch die Angabe der in Figur 4 eiπgezeichnten Vektoren rE (kennzeichnet die Gelenkgliedachse) und - rRE. (zeigt vom Achsendpunkt E zum GRAMAG-Sensor 25 0 in which the articulated member 4 0 is suspended. However, this means that the position of the GRAMAG sensor 42 with respect to the center of the bearing 5 1 = movement center BZ1 is determined if the - from the 9 GRAMAG-42 - positioning angles and the constant angles υ, ζ, ω eσechneten - current vector r BR enlarged (" r BR zeι 9 * from BZ1 to GRAMAG sensor 4 2) However, the position of GRAMAG sensor 4 2 is still given with respect to the gravitational-magnetic field coordinate system [x, y (= B E ), z (= -g » As shown in FIG. 5, a further GRAMAG sensor 5 2 is attached in a defined spatial position (vector r) to the movement center BZ1 of the spherical bearing 5 1 on the base body 5 0 (preferably with the base coordinate system [x B , y B , z B ] congruent axes) and determines the orientation angles between the gravitational-magnetic field coordinate system [x, y (= B E ), z (= -g)] and the base coordinate system [x B , y B , z B ], (The overview Because of the fact that only the three angles p σ τ, the maximum of 9 positioning angles, have been drawn in), the positioning of the GRAMAG sensor 4 2 by coordinate transformation can also be specified with respect to the basic coordinate system [x B , y B , z B ]> Die The position (vector r) of the GRAMAG sensor 4 2 is obtained, as shown in FIG. 5, by adding the constant vector -r to the movement center BZ1 and the current relative vector (-r BR ) after corresponding coordinate transformation with respect to the base coordinate nate system [x B , y B , z B ]. It is now understood that because of the rigidity of the hinge member 4 0, the position of any other point on the hinge member 4 0 - from the once surveyed relative position - with respect to the movement center BZ1 or Basiskoordinaten- systemes [x B, y B, z B ] can be calculated from the GRAMAG angles. For example, the position of the axis end point E can be obtained by vector addition r ^ = rp £ + (-r B p). It is known that the 3-dimensional orientation definition has far more formulation options than the position definition In this respect, the opening of the articulated member 40 can take place both through two axes (z B u and v) of the GRAMAG sensor 42 which have been transformed to the basic coordinate system [x B , y B , z B ], and more clearly by specifying the one in FIG. 4 eiπge drawn vectors r E (identifies the joint axis) and - r RE . (points from axis end point E to GRAMAG sensor 2
Es sei noch erwähnt, daß entsprechend Figur 3 und Anspruch 18 das Basiskoordinatensystem [xB,yB,zB ] nun noch bezüglich eines korperexternen Koordinatensystemes erfaßt werden und somit durch eine weitere Koordinatentransformation die Position des GRAMAG-Sensors 4 2 auf dieses kor- perexteme Koordinatensystem bezogen werden kannIt should also be mentioned that, in accordance with FIG. 3 and claim 18, the base coordinate system [x B , y B , z B ] is now also detected with respect to a coordinate system external to the body and thus the position of the GRAMAG sensor 4 2 on this coordinate coordinate is determined by a further coordinate transformation. perexteme coordinate system can be related
1) Oπentierungstransformation der GRAMAG-Sensor 4 2-Achsen auf das Basiskoordinatensystem 1 ) Orientation transformation of the GRAMAG sensor 4 2-axes on the base coordinate system
[xB,yB,Zß ] (Figur 5a)[x B , y B , Zß] (Figure 5a)
Der Einfachheit wegen wird vorausgesetzt, daß der GRAMAG-Sensor 5 2 so angebracht ist, daß seineFor the sake of simplicity, it is assumed that the GRAMAG sensor 5 2 is attached so that its
Achsen deckungsgleich mit den Basiskorperachsen x ,y ,zB verlaufenAxes are congruent with the basic body axes x, y, z B.
Jede der GRAMAG-Sensor 4 2 Achsen u,v, w und jede der Basiskorperachsen x ,yB,z nimmtEach of the GRAMAG sensors 4 takes 2 axes u, v, w and each of the basic body axes x, y B , z
3 Winkel mit dem Gravitationsvektor -z( =-g) , dem Erdmagπetfeldvektor y( =BE), und einem fiktivrech- neπschen Vektor x (senkrecht zu -z( =-g)] und y( =BE), ein Diese Achsen können als3 angles with the gravitational vector -z (= -g), the earth magnetic field vector y (= B E ), and a fictitious arithmetic vector x (perpendicular to -z (= -g)] and y (= B E ), one of these Axes can be used as
Richtungsvektoren ( Lange 1) z B u = (cos (x,u),cos(B.=,u),cos(-g,u)) für GRAMAG 4 2 und xB = (cos (x,xB),cos(BE,xB),cos(-g,xB)) für GRAMAG 5 2 beschπeben werden, deren Winkelgroßen ja durch Messung bekannt sind Dann besteht zwischen jeder GRAMAG-4 2 und jeder GRAMAG 5 2-Achse ein Winkel z B cos ( g.u ) = xB u / lxBl lulDirection vectors (length 1) z B u = (cos (x, u), cos (B. =, U), cos (-g, u)) for GRAMAG 4 2 and x B = (cos (x, x B ) , cos (B E , x B ), cos (-g, x B )) for GRAMAG 5 2, whose angular sizes are known by measurement Then there is an angle z B cos (gu) = x B u / lx B l lul between each GRAMAG-4 2 and each GRAMAG 5 2 axis
(s Bronstein/Semendjajew "Taschenbuch der Mathematik" S 146 oder 230 ) Diese Operation ist nun schπttweise mit jeder GRAMAG 4 2-Achse und für alle drei GRAMAG 5 2- Achsen durchzufuhren(s Bronstein / Semendjajew "Taschenbuch der Mathematik" S 146 or 230) This operation can now be carried out with every GRAMAG 4 2-axis and for all three GRAMAG 5 2-axes
Analog gilt dies naturlich auch für die Winkel des aktuellen Relativvektors r j; und der Basiskorperachsen xB,yB,zB Analogously, this naturally also applies to the angles of the current relative vector r j ; and the basic body axes x B , y B , z B.
Wahrend Figur 4 und 5 in sehr starkem Maße der Erläuterung von Anspruch 9 dienten, zeigt Figur 6 ein einfaches praxisnahes Armsystem mit 2 Gelenken unterschiedlicher Freiheitsgrade Jedes der Gelenkglieder 6 1 und 62 tragt auf seiner Oberfläche einen GRAMAG-Sensor 6 3 und 6 4 Position und Oπentierung von GRAMAG-Sensor 6 3 sind bezüglich des Lagermittelpunktes BZ1 , der Langsachse L1-L1 des Gelenkgliedes 6 1 und der Drehachse D-D des Drehlagers 6 5 ausgemessen Position und Oπentierung von GRAMAG-Sensor 6 4 sind bezüglich des Lagermittelpunktes BZ2 (= Schnittpunkt von G ederlangsache L2-L2 und Drehachse D-D), der Längachse L2-L2 des Gelenkgliedes 6 2 und der Drehachse D-D des Drehlagers 6 5 ausgemessen Damit sind zwei Relativvektoren rBR1 un(* rBR2 bezuglich der GRAMAG-Koordinateπsysteme u1,v1,w1 und u2,v2,w2 definiert Aufgrund der von GRAMAG-Sensor 6 3 gelieferten Achswinkelwerte und des Relativvektors TQ^** kann zu jeder Stellung des Gelenkgliedes 6 1 ein Vektor TQ** errechnet werden, der vom Lagermittelpunkt BZ1 zum Lagermittelpunkt BZ2 zeigt und die Position von BZ2 definiert Gleichzeitig definiert dieser Vektor rG** natürlich auch die Achslage L1-L1 des Gelenkgliedes 6 1 im Raum Die aktuelle Position des Lagermittelpunktes BZ2 (= Vektor r 2 ) bezüglich des zum Basiskorper 6 0 gehoπgen Basiskoordi- natensystemes [xB,y ,zB ], erhält man aus der Addition des aktuellen Vektors Γ -J und des konstanten Vektors r 1 welcher vom Basiskoordinatensystem [xg,yB,zB ], zum Mittelpunkt BZ1 des Kugel- gelenkagers 6 6 zeigt und bekannt istWhile FIGS. 4 and 5 served to a very large extent to explain claim 9, FIG. 6 shows a simple, practical arm system with 2 joints of different degrees of freedom. Each of the joint members 6 1 and 62 carries a GRAMAG sensor 6 3 and 6 4 position and on its surface The orientation of the GRAMAG sensor 6 3 are measured with respect to the bearing center BZ1, the longitudinal axis L1-L1 of the joint member 6 1 and the axis of rotation DD of the pivot bearing 6 5. The position and the orientation of the GRAMAG sensor 6 4 are with respect to the bearing center BZ2 (= intersection of G The longitudinal axis L2-L2 and axis of rotation DD), the longitudinal axis L2-L2 of the articulated member 6 2 and the axis of rotation DD of the pivot bearing 6 5 are measured. Thus two relative vectors r BR1 and ( * r BR2 with respect to the GRAMAG coordinate systems u1, v1, w1 and u2 , v2, w2 defined On the basis of the axis angle values supplied by GRAMAG sensor 6 3 and the relative vector TQ ^ **, a vector TQ ** can be calculated for each position of the joint member 6 1 that points from the bearing center BZ1 to the bearing center BZ2 and defines the position of BZ2. At the same time, this vector r G ** of course also defines the axial position L1-L1 of the joint member 6 1 in space The current position of the bearing center BZ2 (= vector r 2) with respect of the base coordinate system [x B , y, z B ] belonging to the base body 6 0 is obtained from the addition of the current vector Γ -J and the constant vector r 1 which from the base coordinate system [xg, y B , z B ], to Center point BZ1 of the spherical joint bearing 6 6 shows and is known
Die Achse D-D definiert die Drehoπentierung beider Gelenkglieder und ist wegen der Starrheit der Teile durch die konstruktive Ausfuhrung des Drehlagers als Drehachsvektor rD zu ermitteln Mit den beschπe- ben Großen ist die Lage und Orientierung von Gelenkglied 6 1 vollständig erfaßt Von Gelenkglied 6 2 interessiere im Ausfuhrungsbeispiel von Figur 6 die Oπentierung seiner Achse L2-L2 und die Position seines Endpunktes E2 im Raum Beide Großen werden aus den gemessenen Achswinkelwerten des GRAMAG-Sensors 6 4 durch rechneπsche Umformung in der selben Weise wie für Gelenkglied 6 1 erhalten Der Unterschied besteht nur in der nun von Gelenkglied 6 1 abhangigen Lage des Lagermittelpunktes BZ2 Zur den PassagenThe axis DD defines the rotational orientation of both articulated links and, due to the rigidity of the parts, can be determined as a rotary axis vector r D due to the structural design of the rotary bearing. The position and orientation of articulated link 6 1 is completely covered by the described sizes The exemplary embodiment of FIG. 6 shows the orientation of its axis L2-L2 and the position of its end point E2 in space. Both sizes are obtained from the measured axis angle values of the GRAMAG sensor 6 4 by mathematical reshaping in the same manner as for joint member 6 1. The difference is only in the position of the bearing center BZ2, which is now dependent on the joint member 6 1, for the passages
" -und wenn notig der Beschleunigung " und "- fallweise der Bewegungsmoglichkeiten eines Gelenkgliedes , " in Anspruch 9 ist folgendes anzumerken Der bezüglich des Gravitationsvektors g richtungserfassende Teil des GRAMAG-Sensors beseht aus Massen und deren unterschiedlicher Kraftwirkung auf Auflager bei Winkelverdrehrung bezüglich der Senkrechten. Schnelle Bewegungen führen nun zu zusätzlichen Massekräften in diesen Auflagern. Diese Massekräfte sind aber von der Bewegungsgeometrie abhängig und können damit bei bekannter Bewegungsgeometrie kompensiert werden, wenn an geeigneter Stelle (Basiskörper oder Gelenkglieder) weitere GRAMAG-Sensoren in eindeutig definierter räumlicher Beziehung angebracht und deren Meßwerte entsprechend in die Auswertung einbezogeπ werden. Da es sich i.A.um Drehgelenke handelt, werden die zusätzlichen Massekräfte durch Zentripedalbeschleunigungen hervorgerufen und sind somit abstandsproprtional, wodurch das Kompensationskonzept dargelegt ist. Dies gilt auch für Anspruch 19. Die Erfassung des Winkels den zwei Gelenkglieder miteinander einschließen gehört zum Stand der Technik und wird in der Hauptsache mittels in die Gelenklager, eingebauter oder angeflanschter Drehgeber analoger.digitaler oder inkrementaler Art gelöst."- and if necessary the acceleration" and "- in some cases the movement possibilities of a joint member," in claim 9 the following should be noted The part of the GRAMAG sensor that detects the direction of the gravitational vector g consists of masses and their different force effects on supports when the angle is rotated with respect to the vertical. Rapid movements now lead to additional mass forces in these supports. However, these inertial forces are dependent on the movement geometry and can be compensated for if the movement geometry is known, if further GRAMAG sensors are attached to a suitable location (base body or joint members) in a clearly defined spatial relationship and their measured values are included accordingly in the evaluation. Since these are generally swivel joints, the additional mass forces are caused by centripetal accelerations and are therefore distance-proportional, which explains the compensation concept. This also applies to claim 19. The detection of the angle that the two joint members enclose with one another is part of the prior art and is mainly achieved by means of analog or digital incremental encoders built into or attached to the joint bearings.
Anspruch 10 beschreibt die Kombination von Verfahren der Anspruche7,8,9 mit Sensoriken, welche die die Knickung von Gelenken erfassen. Die Erfassung der Gelenkkπickung ist dabei nur ein Teilaspekt bei der Gewinnung von Geometriegrößen. Der bewußt eingeführte Begriff der Gelenkknickung, verdeutlicht außerdem den über die Winkelerfassung erweiterten Ausführungsbereich der Senorik. Die Knik- kung eines Gelenkes kann z.B auch mittels des Relativweges eines über dem Gelenklager angebrachten biegeelatsischen Bandes (siehe in Anspruch 11,12,13,14) erfaßt werden. Weitere Methoden zur Erfassung der Gelenkkπickung stammen aus dem Bereich von Datenhandschuhen. Nachfolgend wird für jede Kombination in Anspruch 10 ein Ausführungbeispiel gegeben.Claim 10 describes the combination of methods of claims 7, 8, 9 with sensor systems which detect the kinking of joints. The detection of the articulation of the joint is only a partial aspect in the acquisition of geometry sizes. The deliberately introduced concept of articulation also clarifies the range of execution of the senorik, which is extended via the angle detection. The buckling of a joint can also be detected, for example, by means of the relative path of a flexible elastic band attached above the joint bearing (see in claims 11, 12, 13, 14). Other methods for detecting the articulation of the joints come from the field of data gloves. An exemplary embodiment is given below for each combination in claim 10.
Es soll nochmals darufhingewiesen werden, daß auch " zugeordnete Signale" unter Anspruch 10 fallen und somit die geometrischen Größen nicht bei jeder Anwendung benötigt werden. Es sind durchaus Anwendungen vorstellbar, welche die Sensoriksignale ohne Umwandlung in geometrische Größen verwerten. Der einfacheren Darstellung und Beschreibung wegen werden in den nachfolgenden Figuren 7 und 8 zweidimensionale Ausführungbeispiele gewählt.It should be pointed out again that "assigned signals" also fall under claim 10 and thus the geometric variables are not required for every application. Applications are quite conceivable that utilize the sensor signals without converting them into geometric sizes. For the sake of simplicity of illustration and description, two-dimensional exemplary embodiments are selected in the following FIGS. 7 and 8.
Figur 7 zeigt die Kombination eines nutierendem Magnetfeldes entsprechend Anspruch 7 mit der Gelenkknickung. Auf einem Basiskörper 7.0 sind in definiertem Abstand A vom Gelenklager 7.1 die beiden orthogonalen Felderzeugerspulen 7.2 und 7.3 angebracht. Diese erlauben aufgrund des oben beschriebenen Verfahrens des nutierenden Magnetfeldes, zusammen mit den auf dem Gelenkglied 7.6 befestigten Felddetektorspulen 7.4 und 7.5 und geeignter Auswertemittel die Bestimmung des Winkels φ eines zu den Felddetektorspulen weisenden Richtuπgszeigers RZ. Die zu erfassende Geometriegröße ist in diesem Beispiel die Position der Felddetektorspulen. Die Position ist eindeutig bestimmbar, wenn man bei konstantem Abstand A, außer dem Winkel φ noch den Winkel α der Gelenkknickung in bekannter Weise erfaßt. Die Kenntnis des Felddetektorortes auf dem Gelenkglied 7.2 ist nicht nötig. Das in Figur 8 dargestellte Ausführungsbeispiel kombiniert die Abstandmessung mittels Ultraschall (entsprechend Anspruch 8) mit der Gelenkknickung. Auch hier wird als Geometriegröße die Position eines Gelenkgliedpunktes ermittelt. Die erfassende Position des auf dem Gelenkglied 8.1 befestigten Ultraschallempfängers 8.2 wird aus dem Abstand R zum Ultraschallsender 8.3, dem Gelenkwinkel α und dem konstanten Abstand A von Ultraschallsender 8.3 und Gelenklager 8.4 bestimmt. Die Abstandsbestimmung von R erfolgt wie üblich über die Signallaufzeit. Auch hier ist die Kenntnis des Ultraschallem-pfängerortes auf dem Gelenkglied 8.1 ist nicht nötigJDie Positionsbestimmung in den beiden Ausführungsbeispielen in Figur 7 und 8 kann natürlich auch in Koordinaten erfolgen. Für das dritte Kombinationsbeispiel - einen GRAMAG-Sensor entsprechend Anspruch 9 mit einer Gelenkknicknung wird auf Figur 6 verwiesen. Bei Kenntnis der Länge von Gelenkglied 6.2 und wegen der Beschränkung auf eine ebene Drehung ( Normalebene zum akuellen Drehachsvektor Γ ) kann aus der Erfassung des Gelenkwinkels α in Kombination mit den bei Figur 6 beschriebenen Geometriegrößen des Gelenkgliedes 6.1die räumliche Position des Endpunktes E von Gelenkglied 6.2 ermittelt werden.Figure 7 shows the combination of a nutating magnetic field according to claim 7 with the articulation. The two orthogonal field generator coils 7.2 and 7.3 are attached to a base body 7.0 at a defined distance A from the articulated bearing 7.1. On the basis of the above-described method of the nutating magnetic field, these, together with the field detector coils 7.4 and 7.5 attached to the joint member 7.6 and suitable evaluation means, allow the determination of the angle φ of a directional pointer RZ pointing towards the field detector coils. In this example, the geometry size to be recorded is the position of the field detector coils. The position can be clearly determined if, at a constant distance A, in addition to the angle φ, the angle α of the articulation is recorded in a known manner. Knowledge of the field detector location on the joint member 7.2 is not necessary. The embodiment shown in Figure 8 combines the distance measurement by means of ultrasound (according to claim 8) with the articulation. Here too, the position of a joint link point is determined as the geometry variable. The detecting position of the ultrasound receiver 8.2 fastened on the hinge member 8.1 is determined from the distance R from the ultrasound transmitter 8.3, the hinge angle α and the constant distance A from the ultrasound transmitter 8.3 and hinge bearing 8.4. The distance from R is determined as usual via the signal transit time. Here, too, it is not necessary to know the location of the ultrasound receiver on the joint member 8.1. The position determination in the two exemplary embodiments in FIGS. 7 and 8 can of course also take place in coordinates. For the third combination example - a GRAMAG sensor according to claim 9 with a joint kink, reference is made to FIG. Knowing the length of articulated link 6.2 and because of the restriction to a plane rotation (normal plane to the current rotary axis vector Γ), the spatial position of the end point E of articulated link 6.2 can be determined from the detection of the articulation angle α in combination with the geometry sizes of the articulated link 6.1 described in FIG. 6 be determined.
Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach Anspruchll. Über die Körperoberfläche eines Fingergelenkes 9.1ist indirekt auf einem Handschuh 9.5 das Loslager 9.4 angebracht, indem sich das biegeelastische längenkonstante Teil 9.2 bewegen kann. Das Teil 9.2 ist im Ausführungsbeispiel ein teilweise durchsichtiges, dünnes Bändchen welches am Festlager 9.3 festgemacht ist. ( "Festlager" bedeutet hierbei die Funktion und nicht die Ausführung. D.h.das Teil 9.2 kann ebenso direkt auf dem Handschuh befestigt sein.) Die geometrische Änderung zwischen Fest 9.3 -und Loslager 9.4 (hier Knicken des Fingergelenkes) bewirkt die durch den Doppelpfeil von Figur 9.a (Draufscht) symbolisierte Relativverschiebung des Teiles 9.2 im Loslager 9.4. Das Meßverfahren zur Ermittlung der Relativverschiebung besteht aus einer Lichtquelle 9.6 im -Loslager 9.4 über- und einem photoempfindlichen Empfänger 9.7 - im Loslager 9.4 unter dem teilweise durchsichtigen Teil 9.2- angeordnet. Das in Loslager 9.2 bewegliche Ende von Teil 9.2 ist nun wie in der Draufsicht ( Figur 9.a) zu erkennen mit einer lichtuπdurchlässigeπ Dreiecksfläche versehen. Dadurch bestimmt die Eindringtiefe- also die Relativverschiebung- des Teiles 9.2 die Menge des zum photoempfindlichen Empfängers 9.7 gelangenden Lichtes.Figure 9 shows an embodiment according to claim III. Over the body surface of a finger joint 9.1, the floating bearing 9.4 is indirectly attached to a glove 9.5, in that the flexurally elastic part 9.2 can move. The part 9.2 in the exemplary embodiment is a partially transparent, thin ribbon which is fastened to the fixed bearing 9.3. ("Fixed bearing" here means the function and not the execution. That means that part 9.2 can also be attached directly to the glove.) The geometric change between fixed 9.3 and floating bearing 9.4 (here kinking of the finger joint) results from the double arrow in the figure 9.a (Draufscht) symbolized relative displacement of part 9.2 in the floating bearing 9.4. The measuring method for determining the relative displacement consists of a light source 9.6 in the loose bearing 9.4 above and a photosensitive receiver 9.7 in the loose bearing 9.4 under the partially transparent part 9.2. The end of part 9.2 movable in movable bearing 9.2 is now provided with a light-permeable triangular surface, as can be seen in the plan view (FIG. 9.a). As a result, the penetration depth - that is, the relative displacement - of the part 9.2 determines the amount of light reaching the photosensitive receiver 9.7.
Figur 10 zeigt ein Ausführungbeispiei nach Anspruch 12. Auf der Oberfläche eines Handschuhes 10.5 ist an zwei Stellen 10.3 und 10.4 eines Fingergelenkes 10.1 ein dehnbares Seπsormittel 10.2 befestigt. Dieses dehnbare Sensormittel besteht aus einer dünnen, durchscheinenden Gummifolie, welche im Bereich des optischen Meßaufnehmers gezielt mit nichtdehnbaren undurchsichtigen Teilen belegt ist. Figur 10a zeigt hierzu ein Streifenmuster 10.8 im ungedehnten Zustand, d.h. wenn der Finger wie in Figur 10 dargestellt gestreckt ist. Das dehnbare Sensormittel 10.2 ist zwischen einem Lichtemitter 10.6 und einem photoempfiπdlichen Empfänger 10.7 hindurchgeführt. Bei Fingerkπickung ( Figur 10.b ) erfährt das dehnbare Sensormittel 10.2 eine Dehnung, welche einen größeren Abstand der lichtdurchlässigen Streifen ( Figur 10.c) bewirkt und somit die zum photoempfindlichen Empfänger 10.7 gelangende Lichtmenge steuert. Figur 11 zeigt ein Ausfuhruπgbeispiel nach Anspruch 13 Auf der Oberflache eines Handschuhes 11 6 sind im Bereich des Fingergelenkes 11 1 ein Magnet 11 2 und ein Magnetfeldsensor 11 3 befestigt Ein solcher Magnertfeldsensor kann magnetoresistiver Art oder auch ein Hallsensor sein Die Knickung des Fingergelenkes verändert die Feldstarke des vom Magnetfeldsensor 11 3 detektierten Feldes (Figur 11 a) Besonderer Vorteil dieser Ausfuhrung ist, daß sie auch im "Innenbereich" von Knickungen anwendbar ist, wie die Positionen 11 4 und 11 5 auf der Unterseite des Fingers verdeutlichenFIG. 10 shows an exemplary embodiment according to claim 12. On the surface of a glove 10.5, an expandable sensor means 10.2 is attached at two points 10.3 and 10.4 of a finger joint 10.1. This stretchable sensor means consists of a thin, translucent rubber film, which is specifically coated with non-stretchable opaque parts in the area of the optical sensor. 10a shows a stripe pattern 10.8 in the unstretched state, ie when the finger is stretched as shown in FIG. The stretchable sensor means 10.2 is passed between a light emitter 10.6 and a photo-sensitive receiver 10.7. When the finger is bent (FIG. 10.b), the expandable sensor means 10.2 undergoes an elongation which causes a greater distance between the light-permeable strips (FIG. 10.c) and thus controls the amount of light reaching the photosensitive receiver 10.7. FIG. 11 shows an exemplary embodiment according to claim 13. A magnet 11 2 and a magnetic field sensor 11 3 are attached to the surface of a glove 11 6 in the area of the finger joint 11 1. Such a magnetic field sensor can be of a magnetoresistive type or also a Hall sensor. The kinking of the finger joint changes the field strength of the field detected by the magnetic field sensor 11 3 (FIG. 11 a). A particular advantage of this embodiment is that it can also be used in the "interior" of kinks, as the positions 11 4 and 11 5 on the underside of the finger illustrate
In Figur 12 ist ein Ausfuhrungsbeispiel nach Anspruch 14 dargestellt Auf der Oberfläche eines Handschuhes 12 5 ist an den beiden Gelenkorten 12 3 und 12 4 ein schlauchformiges Verbindungsmittel 12 2 befestigt Im Schlauchinneren befindet sich ein Mangetfeldsensor 12 6 der bei gestreckten Finger den Abstand as zu außen angebrachten Magneten 12 7 einnimmt Bei Fingerknickuπg (Figur 12a) verformt sich das schlauchförmige Verbindungsmittel 12 2 derart, daß sich der Abstand zwischen Sensor 12 6 und Magnet auf a^ veπngert und eine entsprechende Signalanderung bewirktFIG. 12 shows an exemplary embodiment according to claim 14. On the surface of a glove 12 5, a tubular connecting means 12 2 is fastened at the two joint locations 12 3 and 12 4. A Manget field sensor 12 6 is located inside the tube and the distance a s is closed when the fingers are extended externally attached magnet 12 7 occupies. When the finger is bent (FIG. 12 a), the tubular connecting means 12 2 deforms such that the distance between sensor 12 6 and magnet changes to a ^ and causes a corresponding signal change
Figur 13 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel entsprechend Anspruch 15 Über dem Gelenk 13 1 sind auf einem Handschuh 13 5 die beiden Lager 13 3 und 134 angebracht Lager 13 4 ist als Loslager für das biegeelastische Verbindungsteil 13 2 ausgeführt Der Abstand zwischen dem Verbindungsteil 13 2 und der Oberfläche des Gelenkes wird hier mittels eines Ultraschallreflexsensors 13 6 ermittelt und ist von der Knickung abhängig wie der Vergleich von Figur 13 und 13a verdeutlichtFigure 13 shows an exemplary embodiment according to claim 15 above the joint 13 1, the two bearings 13 3 and 134 are mounted on a glove 13 5 bearing 13 4 is designed as a floating bearing for the flexible connection part 13 2 The distance between the connection part 13 2 and the surface the joint is determined here by means of an ultrasound reflex sensor 13 6 and is dependent on the buckling, as the comparison of FIGS. 13 and 13 a shows
Figur 14 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel des Anspruches 16 Es handelt sich dabei um die Kombination von Feldgroßen (Anspruch 7) und Abstand (Anspruch 8) Am Bassikorper 14 0 ist ein aus drei orthogonalen Spulen gebildeter Felderzeuger 14 1 angebracht Dieser Felderzeuger ist zusammen mit dem am Gelenkarm 14 3 befestigten Felddektor 14 2 und einer Dateπverabeitung in der Lage einen Richtungszeiger ( 3 Winkel) RZ bezüglich eines durch den Felderzeuger definierten Koordinatensystemes zu bestimmen Der Richtungszeiger RZ zeigt dabei zum Befestigungsort des Felddetektors 14 2 auf dem Gelenkarm 14 Die Position des aus ebenfalls drei orthogonalen Spulen aufgebauten Felddetektors 14 2 ist in diesem Fall die gewünschte Geometπegroße Felderzeuger 14 1 und Felddetekor 14 3 funktionieren dabei nach dem Prinzip des nutirenden Feldes entsprechnd US-Patent 4,054,881 Um die zur Positionsbestimmung noch fehlende Größe zur erhalten, ist am Basiskorper 14-0 noch ein Ultraschallsender 14 5 im Ursprung des Koordinatensytems von Felderzeugers 14 1 platziert Zusammen mit einem im Schnittpunkt der Felddetektorspulen 142 platzierten Ultraschallempfängers 14 4 wird so der zur Positionsbestimmung noch fehlende Abstand R erhalten Die Abstandsmessung mit Ultraschall erfolgt nach einer der früher beschriebenen Standardmethoden Figur 15 zeigt ein Kombinationsbeispiel für Anspruch 17 Dort ist das Verfahren von Felderzeuger und Felddektekor mit einer GRAMAG-Sensoπk entsprechend zur Positionsbestimmung eines Ortes auf dem Gelenkarm 15 1 kombiniert Der Felderzeuger 15 2 auf dem Basiskorper 15 0, liefert aufgrund seines nutierendeπ Feldes zusammen mit dem am Bestimmungort auf dem Gelenkarm 15 1 befestigten Felddetektors 15 3 eine Richtungsgerade RG1 Die zweite -durch den Mittelpunkt MG des Gelenklagers 15 5 gehende - Richtungsgerade RG2 liefert der ebenfalls auf dem Gelenkarm 15 1 angebrachte GRAMAG-Sensor 15 4 (siehe hierzu Beschreibung zu Anspruch 9 ) Aus der Kenntnis des konstanten Vektors ΓQ der vom Felderzeuger 15 2 zum Gelenklager 15 5 zeigt läßt sich dann die gewünschte Position bestimmen Neben der Position eines Gelenkarmortes ist mit den ermittelten Geometπe- größeπ auch die Orientierung des Gelenkarmes 15 1 bestimmbar Im Sinne von Anspruch 17 wird in dem soeben geschildereten Ausfuhrungsbeispiel eine korperbezogene Feldgröße (Richtung RG1) mit einer dem Gravitationsfeld und dem externen Erdmagnetfeld zugeordeten Größe ( Richtung RG2 durch GRAMAG-Sensor) und der Gelenkgröße ( Lagerposition rQ) zur Bestimmumg der Geometnegrößen "Position des felddetektors 15 3 " und "Richtung der Gelenkarmachse" kombiniertFIG. 14 shows an exemplary embodiment of claim 16. It is a combination of field sizes (claim 7) and distance (claim 8). A field generator 14 1 formed from three orthogonal coils is attached to the bass body 14 0. This field generator is together with the one on the articulated arm 14 3 attached field detector 14 2 and data processing capable of determining a direction indicator (3 angles) RZ with respect to a coordinate system defined by the field generator. The direction indicator RZ points to the attachment location of the field detector 14 2 on the articulated arm 14. The position of the likewise three orthogonal ones Coil-built field detector 14 2 in this case is the desired geometry-sized field generator 14 1 and field detector 14 3 function according to the principle of the nutating field in accordance with US Pat. No. 4,054,881. In order to obtain the size still missing for position determination, there is still a base body 14-0 Ultrasound transmitter 14 5 in the origin of the coordinate system of field generator 14 1 placed. Together with an ultrasound receiver 14 4 placed at the intersection of the field detector coils 142, the distance R still missing for position determination is obtained. The distance measurement with ultrasound is carried out according to one of the standard methods described earlier FIG. 15 shows a combination example for claim 17, where the method of field generator and field detector is combined with a GRAMAG sensor in accordance with the position determination of a location on the articulated arm 15 1. The field generator 15 2 on the base body 15 0 delivers, together with that, due to its nutating field at the destination on the articulated arm 15 1, a field line 15 3 attached to the articulated arm 15 1 provides a second straight line RG2, which passes through the center MG of the articulated bearing 15 5, is supplied by the GRAMAG sensor 15 4, which is also attached to the articulated arm 15 1 (see description of claim 9 ) From the knowledge of the constant vector ΓQ that shows from the field generator 15 2 to the articulated bearing 15 5, the desired position can then be determined. In addition to the position of an articulated arm location, the orientation of the articulated arm 15 1 can also be determined using the determined geometry size π is in the exemplary embodiment just described el a body-related field size (direction RG1) with a size assigned to the gravitational field and the external geomagnetic field (direction RG2 by GRAMAG sensor) and the joint size (bearing position r Q ) for determining the geometnal sizes "position of the field detector 15 3" and "direction of the articulated arm axis "combined
Figur 16 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Anspruches 13 Aufgrund der durch die Art des Gelenklagers 16 5 (hier Kugelgelenk) festgelegten Bewegungsmoglichkeit des Gelenkkarmes 16 4 und des bekannten Abstandes Rs des auf dem Gelenkkarm 16 4 zu bestimmenden Ortes S zur Gelenklager- mrtte GM genügt neben dem Felddetektor 16 3 bereits ein Lotsensor 166 um die Position zu bestimmen Bei Kenntnis der Bewegungsmoglichkeit und der Position des Gelenklagers wird also eine Richtungsangabe zum Erdmagnetfeld nicht benotigFIG. 16 shows a further embodiment of claim 13. Due to the possibility of movement of the articulated arm 16 4 determined by the type of the articulated bearing 16 5 (here ball joint) and the known distance Rs of the location S to be determined on the articulated arm 16 4 from the articulated bearing location GM, it is also sufficient the field detector 16 3 already has a plumb sensor 166 to determine the position. With knowledge of the possibility of movement and the position of the spherical plain bearing, it is therefore not necessary to give a direction to the earth's magnetic field
Der mit dem Lotsensor 16 6 ermittelte Winkel et zur Senkrechten ( = Richtung zum Gravitationsvektor -g ) definiert als einzig möglichen geometπschen Ort des Gelenkarmes 16 4 einen Kegel mit Spitze im Gelenkmittelpunkt GM Bei Kenntnis des Abstandes Rs des gewählten Ortes S vom Gelenkmittelpunkt GM ist dessen Position dann auf einem eindeutig bestimmten Kreis zufinden Die zweite nötige Positionsgroße liefert dann der von Felderzeuger 162 und Felddetektor 16 3 ( mittels eines nutierenden Feldes) ermittelte Richtungszeiger RZ . Die dπtte notige Große ist wieder der konstante Vektor rG vom Felderzeuger 16 2 zum Mittelpunkt GM des Gelenkklagers 16 5The angle et to the perpendicular (= direction to the gravitational vector -g) determined with the plumb sensor 16 6 defines the only possible geometrical location of the articulated arm 16 4 is a cone with a tip in the center of the joint GM. Knowing the distance R s of the selected location S from the center of the joint is GM then find its position on a clearly determined circle. The second necessary position size is then provided by the direction pointer RZ determined by field generator 162 and field detector 16 3 (by means of a nutating field). The third necessary size is again the constant vector r G from the field generator 16 2 to the center GM of the articulated clamp 16 5
Im Sinne von Anspruch 17 wird in dem genannten Ausfuhrungsbeispiel die korperbezogene Feldgröße (Richtung RZ) mit den Gelenkgroßen Rs (= Abstand Gelenkmittelpunkt GM /Felddetektor 16 3), Positition des Geleπeklagers ΓQ und "Kugelgelenk" sowie der dem Gravitationsfeld zugordπeten zu- ordneteten Meßgroße "Winkel α zur Senkrechten" zur Bestimmung der Geometπegroße " Position des Felddetektors 16 3" kombiniertIn the sense of claim 17, in the exemplary embodiment mentioned, the body-related field size (direction RZ) with the joint sizes R s (= distance from the center of the joint GM / field detector 16 3), position of the gel bearing ΓQ and "ball joint" as well as the measurement size assigned to the gravitational field "Angle .alpha. To the perpendicular" combined to determine the geometry-sized "position of the field detector 16 3"
Figur 17 zeigt ein einfaches Ausfuhrungsbeispiel von Anspruch 18 Die zu ermittelnde Geometnegroße ist die Position eines auf dem Gelenkarm 17 1 befestigten Ultraschallempfangers 17 4 ( = sigπal- empfangen des, abstanddetektierendes Mittel ) Hierfür werden die beiden Abstände rs1 und rs2 zwischen den Ultraschallsendern 17.2 und 17.3 und dem Ultraschallempfänger 17.4 mit den Gelenkgrößen rG ( = Lagerort ), rE ( = Abstand des Ultraschallempfängers 17.4 ) und "Kugelgelenk" kombiniert . Die Position des Ultraschallempfängers 17.4 ist der Schnittpunkt dreier Kugeln (rs1 , rs2, rE ), deren Mittelpunkte im XQ, yg, zB -System, welches sich am Basiskörper 17.0 orientiert gegeben sind. Zu den Ausfüruπgsbeispielen die Ansprüche 12, 13, 14 betreffend ist noch gemeinsam zu bemerken, daß sie natürlich auch auf mehrere aneinandergehängte Gelenke anwendbar sind . und somit z.B die Geometriegrößen einer ganzen Hand erfassen können.FIG. 17 shows a simple exemplary embodiment of claim 18. The geometry size to be determined is the position of an ultrasound receiver 17 4 fastened on the articulated arm 17 1 (= sigπal- receiving the distance-detecting means). For this purpose, the two distances r s1 and r s2 combined between the ultrasonic transmitters 17.2 and 17.3 and the ultrasonic receiver 17.4 with the joint sizes r G (= storage location), r E (= distance of the ultrasonic receiver 17.4) and "ball joint". The position of the ultrasound receiver 17.4 is the intersection of three spheres (r s1 , r s2 , r E ), whose center points are given in the XQ, yg, z B system, which is based on the base body 17.0. Regarding the exemplary embodiments claims 12, 13, 14, it should also be noted together that they can, of course, also be applied to a plurality of hinged joints. and thus, for example, can capture the geometry sizes of an entire hand.
Die in Anspruch 20 beschriebenen Geometriegrößen können unterschiedlichster Art sein, je nachdem mit welchem Verfahren sie ermittelt wurden.The geometry sizes described in claim 20 can be of various types, depending on the method with which they were determined.
Beispiele hierfür sind: Die relative Positionsbestimmung welche aus einer Magnetfeldmessung ( Anspruch 3) nach dem US-Patent 4,054,881 (Raab ) ermittelt wurde; Abstandswerte aus einer Schallsignallaufzeitmessung (Anspruch 6), Knickwinkel von Fingergliedern; (Anspruch 15); Winkel zwischen einem Gelenkarm und dem Gravitationsvektor (Anspruch 9) usw. Um die Geometrie eines Körpers oder seiner Teile in einheitlicher Form zu beschreiben ist das Konzept von Koordinatensystemen eine vorteilhafte und überschaubare Methode. Weiterer Vorteil eines Koordinatensystemkonzeptes ist jedoch, daß es die Möglichkeit bietet Geometriegrößenwerte von einem in ein anderes Koordinatensystem zu transformieren. Deshalb ist es vorteilhaft die Geometriegrößenwerte in Koordinatenwerte umzuwandeln. Der Umwandlungsalgorithmus richtet sich ganz nach der Art der ermittelten Geometriegröße. Wurden beispielweise als Geometriegrößen die Knickwinkel von Fingergliedern 18.1,18.2,18.3 in Figur 18 erfaßt, und sind deren Längen bekannt, so kann die Position der Fingerspitze 18.4 bezüglich eines definierten Punktes 18.12 (= Koordinatenurspruπg) auf dem Handrücken18.8 in Koordinatenwerten berechnet werden. Vorausetzung ist hierbei noch die Definition der Koordinatenachsen, bezüglich ihrer Umgebung und untereinander. In Figur 18 ist ein Koordinatensystem auf dem Handrücken definiert, welches in der Verlängerung der Achse 18.5 des ersten Mittelfingergliedes 18.1 im Anstand a vom ersten Mittelfingergeleπk 18.6 seinen Ursprung hat. Die y -Achse liegt paralell zur Achse 18.5 des Mittelfingergliedes, 18.1 , die x-Achse ist senkrecht zur y-Achse, die z-Achse steht senkrecht auf der x y-Ebene welche durch eine auf dem Handrücken liegende Fläche 18.7 definiert ist. Siπnvollerweise.wird man eine kleine reale Fläche auf dem Handrücken anbringen um von "außen" die Lage des Koordinatensystemes beobachten zu können. In praktischer Ausführung wird diese Koordinatenfläche durch einen Teil des Gehäuses 18.9 einer Meßeinrichtung und Datenverarbeitung gebildet. Neben der Positionsangabe einer Körperstelle kann auch ihre Orientierung von Interesse sein. Beispiel hierfür in Figur 18 ist der Richtungspfeil R, welcher in Achsrichtung des letzten Fingergliedes 18.3 weist. Um die Orientierung eines Körpers im Raum zu definieren gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Der Richtungspfeil R kann z.B durch seine drei Richtungskosinus ( λ,Φ,Θ )bezüglich der Koordinatenachsen angegeben werden. Wobei in diesem Spezialfall nicht alle Orientierungsmöglichkeiten über welche ein Körper im allgemeinen verfügt benötigt werden, da die Fingergelenke keine Drehung um die Gliedachse zulassen Bekanntermaßen gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten Koordinatensysteme zu bilden orthogonale Koordιatensysteme,schιefwιnklιge Koordiatensysteme, Po- larkoordinateπsysteme, Zylinderkoordinatensysteme Jedes der genannten Koordinatensysteme benutzt andere Winkeldefinrtionen welche ja die Voraussetzung einer Orientierungsangabe sind Es ist aber auch denkbar neue Winkeldefinrtionen einzufuhren, wenn sie nur die Orientierung eindeutig festlegen Die letzen Ausführungen waren die Erläuterung für den in Anspruch 22 eingeführten Begπff des Oπen- tierungskoπzeptes, welches eben dann notwendig ist, wenn auch die Orientierung einer Korperstelle beschπeben werden sollExamples of this are: The relative position determination which was determined from a magnetic field measurement (claim 3) according to US Pat. No. 4,054,881 (Raab); Distance values from a sound signal transit time measurement (claim 6), kink angle of phalanges; (Claim 15); Angle between an articulated arm and the gravitational vector (claim 9), etc. In order to describe the geometry of a body or its parts in a uniform form, the concept of coordinate systems is an advantageous and manageable method. Another advantage of a coordinate system concept, however, is that it offers the possibility of transforming geometry size values from one to another coordinate system. It is therefore advantageous to convert the geometry size values into coordinate values. The conversion algorithm depends entirely on the type of geometry size determined. If, for example, the kink angles of phalanxes 18.1, 18.2, 18.3 in FIG. 18 have been recorded as geometry variables and their lengths are known, the position of the fingertip 18.4 with respect to a defined point 18.12 (= coordinate origin) on the back of the hand 18.8 can be calculated in coordinate values. The prerequisite for this is the definition of the coordinate axes, with regard to their surroundings and with each other. In Figure 18, a coordinate system is defined on the back of the hand, which has its origin in the extension of the axis 18.5 of the first middle finger member 18.1 at the distance a from the first middle finger link 18.6. The y axis is parallel to the axis 18.5 of the middle finger member, 18.1, the x axis is perpendicular to the y axis, the z axis is perpendicular to the x y plane which is defined by a surface 18.7 on the back of the hand. It is sensible to place a small real surface on the back of the hand in order to be able to observe the position of the coordinate system from "outside". In a practical embodiment, this coordinate surface is formed by part of the housing 18.9 of a measuring device and data processing. In addition to specifying the position of a body part, its orientation can also be of interest. An example of this in FIG. 18 is the directional arrow R, which points in the axial direction of the last phalange 18.3. There are many ways to define the orientation of a body in space. The direction arrow R can be indicated, for example, by its three direction cosines (λ, Φ, Θ) with respect to the coordinate axes. In this special case, not all the orientation options that a body generally has are required, since the finger joints do not Allow rotation around the limb axis As is known, there are a whole series of possibilities for forming coordinate systems, orthogonal coordinate systems, schweis-wwnklιge coordinate systems, polar coordinate systems, cylinder coordinate systems. if they only clearly define the orientation The last statements were the explanation for the concept of the orientation concept introduced in claim 22, which is necessary if the orientation of a body position is also to be described
Die Knicksensoren 18 10 liefern Signale welche mittels der Datenverarbeitung 18 11 und des dort gespeicherten Umwandlungsalgoπthmus in Koordinatenwerte bezüglich, des Koordinatensystemes des auf dem Handrucken 18 8 befestigten Gehäuses umgerechnet werden kann Der Umrechnungsalgonth- mus ist für jedes Verfahren unterschiedlich Für das Beispiel in Figur 18 soll er nachfolgend skiziziert werdenThe kink sensors 18 10 supply signals which can be converted into coordinate values by means of the data processing 18 11 and the conversion algorithm stored there with respect to the coordinate system of the housing attached to the handprint 18 8. The conversion algorithm is different for each method. For the example in FIG he will be outlined below
Die feste raumiche Lage zwischen dem Koordinatenursprung und dem ersten Gelenk GZ1 des Zeigefingers wird durch den konstanten Vektor rzo bestimmt Um das Gelenk GZ1 ist der Vektor rz1 in einer auf der Gelenkachse A1-A1 senkrechten Ebene drehbar Der Knickwinkel α QI ist die einzige Vaπable von welcher rz1 abhangt (seine Lange und Bewegungsebene sind ja bekannt ) Das zweite Zeigefingergelenk GZ2 kann somit durch einen Vektor r^ = *ZQ + rZl(α 01) angegeben wenden Die weiteren Gelenke bis zur Fingerspitze rzs ergeben sich dann zu rZS = rZ0 + rZl(°,01) + rZ2(σ12) + 'ZS^0-23) • damit ist ein Beispiel eines Umwandlungsalgoπthmus von gemessenen Winkelwerten in cartesische Koordinaten aufgezeigtThe fixed spatial position between the coordinate origin and the first joint GZ1 of the index finger is determined by the constant vector r zo. The vector r z1 can be rotated about the joint GZ1 in a plane perpendicular to the joint axis A1-A1. The articulation angle α QI is the only variable on which r z1 depends (its length and plane of movement are known) The second index finger joint GZ2 can thus be indicated by a vector r ^ = * ZQ + r Zl ( α 01 ). The other joints up to the fingertip r zs then result in r ZS = r Z0 + r Zl (° , 01 ) + r Z2 ( σ12 ) + 'ZS ^ 0 - 23 ) • This shows an example of a conversion algorithm of measured angle values into Cartesian coordinates
In dem gewählten Onentierungskonzept "Orthogonalsystem " wird die Oπentierung aus den Kosinus des Richtungspfeiles R* z der Fingerspitzenachse gebildetIn the selected “orthogonal system” orientation concept, the orientation is formed from the cosine of the directional arrow R * z of the fingertip axis
( R*Z = rZS - rZG3(α23 V ' rZS - rZG3(*23 >' )(R * Z = r ZS - r ZG3 ( α23 V ' r ZS - r ZG3 (* 23 >')
Figur 3 mit der zugehoπgen Beschreibung zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel von Anspruch 22 Das dort angewandte Verfahren des nutierenden Feldes in Kombination mit einer Ultraschallabstands- messung erlaubt die Bestimmung von Position und Oπentierung eines Sensorkoordmatensytemes Nachfolgend wird ein in der Darstellung fast gleiches Ausfuhrungbeispiel beschπeben welches auf dem Pnnzip des US-Patentes 4,054,881 (Remote object position locater /Inv Raab) basiert Es wird hierbei nur der positionsbestimmende Aspekt betrachtet welcher von 3 gegenseitig orthogonalen Lerterschlei- fen in Figur 19 erzielt wird. Die drei Leiterschleifen 19 1, 19 2, und 19 3 werden kurz nacheinander mit Wechselstrom erregt (gemultiplext) Sie erzeugen damit ein ein elektromagnetisches Feld, dessen Leistungskomponenten, von den drei orthogonalen Empfangsschleifen 194, 19 5, und 196 an einem Korper 19 7 erfaßt werden können Jede dieser Leistungkomponenten ist von den Ortskoordiπaten bezüglich des von den Referenzschleifen 19 1 , 19 2, 19 3 gebildeteten Koordinatensystemes und von dessen Abstand abhängig ( s US-Patent 4 054,881 Spalte 9) Somit ist die Position der Empfangs- schleifen am Körper bestimmbar, wenn der Abstand R zwischen Referenzleiterschleifen und Empfangsschleifen noch mittels eines Ultraschallsenders 19.8 und eines Ultraschallempfängers 19.9 in bekannter Weise erfaßt wird.FIG. 3 with the associated description shows a first exemplary embodiment of claim 22. The method of the nutating field used there in combination with an ultrasound distance measurement allows the position and orientation of a sensor coordinate system to be determined. In the following, an exemplary embodiment that is almost identical in description is described, which is based on the principle of US Pat. No. 4,054,881 (Remote object position locater / Inv Raab). Only the position-determining aspect is considered which is achieved by 3 mutually orthogonal learning loops in FIG. 19. The three conductor loops 19 1, 19 2, and 19 3 are excited with alternating current in short succession (multiplexed). They thus generate an electromagnetic field, the power components of which are detected by the three orthogonal receiving loops 194, 19 5, and 196 on a body 19 7 Each of these power components is dependent on the location coordinates with respect to the coordinate system formed by the reference loops 19 1, 19 2, 19 3 and on its distance (see US Pat. No. 4,054,881 column 9). Grinding can be determined on the body if the distance R between reference conductor loops and receiving loops is detected in a known manner by means of an ultrasound transmitter 19.8 and an ultrasound receiver 19.9.
( Das abgestrahlte Ultraschallsignal sendet gleichzeitig einen Funkimpuls 19.13 aus, der die Laufzeitmessung der Komumunikations-Recheneinheit 19.12 am Gürtel startet) Die Umrechnung der Feldmeßwerte im Geometriegrößen kann bereits am Körper 19.7 mit einem Mikrocontroller erfolgen oder die Meßdaten werden zur externen Komumunikations-Recheneinheit 19.11 zur Weiterverarbeitung geleitet. In Figur 19 wird dabei Digitalfunk 19.10 verwendet und davon ausgegangen, daß sowohl die körperbefestigte Komumunikations-Recheneinheit 19.12 als auch die externe Komumunikations-Recheneinheit 19.11 jeweis über einen entsprechenden Sender/Empfänger verfügen.(The emitted ultrasound signal simultaneously sends out a radio pulse 19.13, which starts the runtime measurement of the communication computing unit 19.12 on the belt). The conversion of the field measurement values in the geometry variables can already be carried out on the body 19.7 using a microcontroller or the measurement data are used for external communication computing unit 19.11 for further processing headed. In FIG. 19, digital radio 19.10 is used and it is assumed that both the body-mounted communication computing unit 19.12 and the external communication computing unit 19.11 each have a corresponding transmitter / receiver.
Figur 20 und 20a dienen der Illustration von Anspruch 23 bis 25. Die in Anspruch 25 beschriebene Positionserfassung einer Körperstelle erfolgt durch die Ermittlung der drei Abstände der am Körper 20.5 befestigten Empfangseinheit 20.6 von den den drei Ultraschallemittern 20.1 , 20.2 und 20.3 welche in definierter räumlicher Beziehung zueinander stehen. Aus der Signallaufzeit der mit unterschiedlicher Kennung (Frequenz oder Code f1 , f2 ,f3 ) versehenen Ultraschallpulse werden diese Abstände gewonnen und mittels analytischer Geometrie in Positionsdaten der Empfangseinheit 20.6 -in Bezug zum Koordinatensystem x,y,z welches durch die Ultraschallemittter definiert ist -umgerechnet. Die Messung der Laufzeit der einzelnen Ultraschallpulse erfolgt in der Datenerfassung der Empfangseinheit 20.6. Die drei Ultraschallpulse werden im vorliegenden Beispiel gemeinsam gestartet, können aber auch nacheinander gemultiplext werden. Mit ihrem Start wird ein elektromagnetisches Triggersignal (Funkpuls, IR- Puls usw.) vom Emitter 20.4 abgestrahlt. Dieses elektromagnetische Triggersignal wird vom Detektor 20.10 in einem Millionstel der Schallaufzeit empfangen und und startet die Schallaufzeitmessung in der Empfangseinheit 20.6. (Figur 20.a ). Der Detektor 20.10 kann eine Fotodiode, eine Antenne usw. sein, je nachdem welche Art von elektromagnetischer Strahlung verwendet wird. Nach einiger Zeit trudeln dann auch die Ultraschallsignale an den Ultraschallempfängern 20.7(f3), 20.8(f2) und 20.9(f1) ein. Jedem Ultraschallempfänger ist ein Filter, eine Frequenzzählung oder eine Dekodierung nachgeschaltet und i.a. mittels eines MikroControllers realisiert. Auf diese Weise ermittelt ein bestimmter Ultraschallempfänger nur den Abstand eines bestimmten Ultraschallemitters. Im Mikrocontroller kann dann auch die Position errechnet werden und als Digitalcode 20.13 einer externen Recheneinheit 20.12 übermittelt werden. Im Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 20 wurde als Datenübertragung der Funkweg mit der Antenne 20.11 gewählt. Die Daten können aber auch auf infrarotem oder Ultraschallweg übermittelt werden. Es können auch mehere Empfänger der Art 20.6 am Körper angebracht werden, wenn es zweckdienlich ist; der externe Aufwand ist davon nicht betroffen. FIGS. 20 and 20a serve to illustrate claims 23 to 25. The position detection of a body site described in claim 25 is carried out by determining the three distances of the receiving unit 20.6 attached to the body 20.5 from the three ultrasound emitters 20.1, 20.2 and 20.3, which are in a defined spatial relationship to stand by each other. These distances are obtained from the signal transit time of the ultrasound pulses provided with different identifiers (frequency or code f1, f2, f3) and converted by means of analytical geometry into position data of the receiving unit 20.6 in relation to the coordinate system x, y, which is defined by the ultrasound emitter . The transit time of the individual ultrasound pulses is measured in the data acquisition of the receiving unit 20.6. In the present example, the three ultrasound pulses are started together, but can also be multiplexed one after the other. When it starts, an electromagnetic trigger signal (radio pulse, IR pulse, etc.) is emitted by the emitter 20.4. This electromagnetic trigger signal is received by the detector 20.10 in one millionth of the sound propagation time and starts the sound propagation time measurement in the receiving unit 20.6. (Figure 20.a). The detector 20.10 can be a photodiode, an antenna, etc., depending on the type of electromagnetic radiation used. After a while, the ultrasound signals then arrive at the ultrasound receivers 20.7 (f3), 20.8 (f2) and 20.9 (f1). Each ultrasound receiver is followed by a filter, a frequency count or a decoding and i.a. realized by means of a microcontroller. In this way, a specific ultrasound receiver only determines the distance between a specific ultrasound emitter. The position can then also be calculated in the microcontroller and transmitted as a digital code 20.13 to an external computing unit 20.12. In the exemplary embodiment according to FIG. 20, the radio path with the antenna 20.11 was selected as data transmission. However, the data can also be transmitted by infrared or ultrasound. Several types 20.6 receivers can also be attached to the body if it is appropriate; the external effort is not affected.

Claims

Patentansprüche claims
1 Ein intelligentes Geometπesensonksystem dadurch gekennzeichnet,1 An intelligent geometric sensor system characterized in that
-daß an einem Korper eine beliebige Anzahl von korperbezogenen Geometπesensoπken und mindestens eine Computereinheit angebracht ist, und daß die Computereinheit die Signale von mindestens einer Geometπesensonk empfangt, fallweise anpaßt, vermittels eines austauschbaren auf die jeweιlιge(n) Geometπesensorιk(en) und die Anwendung abgestimmten Programmes verarbeitet und über ein Bussystem sowohl körperbezogen als auch körperextem Daten austauscht- That any number of body-related geometry sensors and at least one computer unit is attached to a body, and that the computer unit receives the signals from at least one geometry sensor, adapts them on a case-by-case basis, by means of an interchangeable one to the respective geometry sensor (s) and the application Programs processed and exchanged both body-related and body-specific data via a bus system
2 Ein Verfahren zur Erfassung, Verarbeitung und Transport von Geometriegroßen oder ihnen zugehörigen Signalen von Korperstellen dadurch gekennzeichnet,2 A method for acquiring, processing and transporting geometrical sizes or their associated signals from body locations characterized in that
-daß an einem Korper mindestens ein intelligentes Geometπesensoπksystem entsprechend Anspruchl angebracht ist, undthat at least one intelligent geometric sensor system is attached to a body, and
-daß die Ausführung und geometπsche Anordnung der Geometπesensoπk(en) zusammen mit einem darauf abgestimmten -in der Computereinheit geladenen - Programm ein korperbezogeπes Koordinatensystem definiert, und somit die zu Geometπegroßen gehörenden Signale in Koordinatenwerte umgerechnet werden können-that the execution and geometπsche arrangement of the Geometπesensoπk (s) together with a coordinated - loaded in the computer unit - program defines a body-related coordinate system, and thus the signals belonging to Geometπ¬ can be converted into coordinate values
3 Ein Verfahren zur Ausbildung von körperbezogenen Koordinatensystemen und zur Durchfuhrung von Koordinatentransfoπmationen von Geometπegroßen eines Korpers, dadurch gekennzeichnet,3 A method for the formation of body-related coordinate systems and for the implementation of coordinate transformations of geometrical sizes of a body, characterized in that
"daß an einem Körper eine beliebige Anzahl von Geometπesensoπken von denen jede so ausgebildet"that on a body any number of Geometπesensoπken each of which is formed
"daß aus ihren Signalen Koordinatenwerte errechnet werden können und mindestens eine Computereinheit angebracht ist, und"that coordinate values can be calculated from their signals and at least one computer unit is attached, and
"daß aufgrund der Kenntnis der geometπschen Daten der Geometπesensoπken sowie eines in der Computereinheit geladenen Programmes welches in der Lage ist"that, based on the knowledge of the geometric data of the geometric sensors and a program loaded in the computer unit, which is capable
-aus den von den Geometπesensoπken empfangenen Signalen Koordinatenwerte ( = Ortsvektoren und fallweise Richtungsvektoren) mittels eines auf die jeweilige Geometπesensoπk abgestimmten Traπsfor- mationsalgoπthmus bezüglich einer zugehoπgen Basis zu berechnen,to calculate coordinate values (= location vectors and occasionally directional vectors) from the signals received by the geometry sensors using a transformation algorithm that is matched to the respective geometry sensors with respect to an associated basis,
-hierachπsch geordnetete Teilkoordinatensysteme dadurch zu bilden, daß jede Basis einer als untergeordnet definierten Geometπesensoπk zugleich als Teil einer als übergeordnet definierten Geometπesensoπk betrachtet wird-hereachπsch ordered partial coordinate systems in that each base of a Geometπesensoπk defined as subordinate is also considered as part of a Geometπesensoπk defined as superordinate
-unter diesen ierachnsch geordneten Teilkoordmatensystemen Koordinatentransformationen in bekannter Weise auszufuhrento carry out coordinate transformations in a known manner under these subordinate sub-coordinate systems
"und daß die Computereinheit ihre Daten mit anderen korperbezogenen oder korperexternen Computereinheiten austauschen kann "and that the computer unit can exchange its data with other body-related or external computer units
4. Ein Verfahren zur Erfassung, Verarbeitung und Transport von Geometπegroßen oder zugehoπgen Signalen von Körperstelleπ, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ausfuhrung, geometπsche Anordnung und geometrische Beziehung zwischen den zu beliebig vielen intelligenten Geometπesensoπksystemen gehoπgen Geometπesensoπken und durch die in den Computereinheiten geladenen Programme eine hierarchische Rangordung unter den intelligenten Geometπeseπsoπksystemeπ zum Zwecke der Koordinatentraπsformation aufgebaut wird4. A method for acquiring, processing and transporting geometry-sized or associated signals from Körperstelleπ, according to claim 1, characterized in that the execution, geometπsche arrangement and geometric relationship between the arbitrary number of Geometπesensoπksystemen geoπgen Geometπesensoπken and by the loaded in the computer units Programs a hierarchical ranking under the intelligent Geometπeseπsoπksystemeπ is built for the purpose of coordinate transformation
5. Ein Verfahren zur Ausbitdung von körperbezogenen Koordinatensystemen und zur Durchfuhrung von Koordinatentransformationen von Geometriegrößen eines Korpers nach Anspruch 4 und 2 dadurch gekennzeichnet5. A method for emitting body-related coordinate systems and for carrying out coordinate transformations of geometry sizes of a body according to claim 4 and 2 characterized
-daß die auf die Basis des Koordinatensystemes (entsprechend Anspruch 2) eines untergordneten intelligenten Geometπesensoπksystemes bezogenen Koordinatenwerte ( = Ortsvektoren und fallweise Richtungsvektoren) von dessen Computereinheit der Computereinheit eines hierarchisch höherdefinierten intelligenten Geometπesensoπksystemes übermittelt werden-that the coordinate values (= location vectors and occasionally directional vectors) based on the coordinate system (according to claim 2) of a subordinate intelligent geometry sensor system are transmitted from its computer unit to the computer unit of a hierarchically higher-defined intelligent geometry sensor system
-daß im Programm des hierrarchisch höherrangigen intelligenten Geometπesensoπksystemes die Basis des hierrarchisch untergeordneten intelligenten Geometπesensoπksystemes (aufgrund bekannter geo- metπscher Daten der Geometπesensoπken) als Teil der höherrangigen Geometπesensoπk behandelt wird,that the basis of the hierarchically subordinate intelligent geometric sensor system (based on known geometric data of the geometric sensor system) is treated as part of the higher-ranking geometric sensor system in the program of the hierarchically higher-ranking intelligent geometric sensor system.
-daß das Programm des ubergordneten intelligenten Geometπesensoπksystemes zusätzlich zum Trans- formationsalgoπthmus für seine Geometπewerte über einen Transformationsalgoπthmus zur Einbindung der vom untergeordneten intelligenten Geometπesensoπksystem gelieferten Koordinatenwerte in sein Koordinatensystem verfugt,that the program of the superordinate intelligent geometry sensor system has, in addition to the transformation algorithm for its geometry values, a transformation algorithm for integrating the coordinate values supplied by the subordinate intelligent geometry sensor system into its coordinate system,
-daß das bisheπge übergeordnete intelligente Geometπeseπsonksystem nun gegenüber einem weiteren intelligenten Geometπesensoπksystem als untergeordnet definiert werden und somit in der beschπe- benen Methodik kasskadenformig fortgefahren werden kann-that the previous superordinate intelligent geometric sensor system can now be defined as subordinate to a further intelligent geometric sensor system and can therefore be continued in the described method in the form of a cascade
6 Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Geometriegröße oder einem ihr zugehoπgen Signal von mindestens einer Stelle eines Körpers bezüglich eines körperexternen Koordinatensystems dadurch gekenzeichnet daß der Ortsvektor und die Richtungsvektoren der Basis des Koordinatensystems von mindestens einem am Korper befestigten intelligenten Geometπesensoπksystem (entsprechend Anspruch 2) relativ zum Koordinatensystem eines externen intelligenten Geometπesensoπksystemes erfaßt wird und diesem, von dem am Korper befestigten intelligenten Geometπesensoπksystem die Geometriegrößenwerte von beliebig, ausgewählten, seinem Koordinatensystem zugeordneten Geometπegroßen oder Lnterkoordι- natensystemen übermittelt werden, und somit das externe intelligente Geometπesensonksystem beliebige korperbezogene Geometπegroßen ( welche auch die Position und Oπentierung von Koordinatensystemen anderer intelligenter Geometnesensoπksysteme sein können) auf sein (externes) Koordinatensystem mittels Koordinatentransformation umrechnen kann 6. A method for determining at least one geometry variable or a signal associated therewith from at least one location of a body with respect to a coordinate system external to the body, characterized in that the location vector and the direction vectors of the base of the coordinate system are based on at least one intelligent geometry sensor system attached to the body (according to claim 2) relative to the coordinate system of an external intelligent geometry sensor system is detected and this, from the intelligent geometry sensor system attached to the body, the geometry size values of any selected geometric systems or coordinate systems associated with its coordinate system are transmitted, and thus the external intelligent geometry sensor system determines the position and any body-related geometry from coordinate systems of other intelligent geometnesensoπksysteme can) to its (external) coordinates system can convert using coordinate transformation
7. Ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Geometriegröße oder einem ihr zugehörigen Signal von mindestens einer Stelle eines Körpers dadurch gekenzeichnet daß an dem Körper mindestens ein Feld- oder Strahlungserzeuger und mindestens ein Feld- oder Strahlungsdetektor angebracht ist, und das vom Feld- oder Strahungsdetektor gelieferte Signal einer geometrischen Grö&e seines Ortes oder/und seiner Orientierung in Bezug zum Feld- oder Strahlungserzeuger zugeordnet werden kann, wobei die Zuordnung mittels einer optional am Körper angebrachten Datenverarbeitung erfolgen kann.7. A method for detecting at least one geometry variable or a signal associated therewith from at least one location of a body, characterized in that at least one field or radiation generator and at least one field or radiation detector are attached to the body, and that provided by the field or radiation detector Signal can be assigned to a geometric size of its location and / or its orientation in relation to the field or radiation generator, the assignment being able to be carried out by means of data processing optionally attached to the body.
8. Ein Verfahren zur Erfassung des Abstandes oder eines abstandsabhängigen Signales mindestens zweier Stellen eines Körpers dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Signalemitter (Sender) und mindestens ein Signalempfänger am Körper angebracht sind, und die Laufzeit des Signales dem Abstand des Signalempfängers oder des Reflexionsortes vom Signalemitter(Sender) zugordnet werden kann wobei die Zuordnung mittels einer optional am Körper angebrachten Datenverarbeitung erfolgen kann.8. A method for detecting the distance or a distance-dependent signal at least two points of a body, characterized in that at least one signal emitter (transmitter) and at least one signal receiver are attached to the body, and the transit time of the signal, the distance of the signal receiver or the reflection location from the signal emitter (Sender) can be assigned, which can be done by means of an optional data processing attached to the body.
9. Ein Verfahren zur Bestimmung der Position und Orientierung von Gelenkgliedem eines Körpers bezüglich eines frei gewählten Koordinatensystemes dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Gelenkglied und dem frei gewählten Koordinatensystem ein Mehrfachsensor Meßgrößen erfaßt welche den Winkelabweichungen vom Gravitationsfeld und einem externen, künstlichen oder natürlichen, homogenen Magnetfeld, -und wenn nötig der Beschleunigung- zugeordnet sind, und aus der rechnerischen Verknüpfung9. A method for determining the position and orientation of articulated members of a body with respect to a freely selected coordinate system, characterized in that a multiple sensor detects measured variables on each articulated member and the freely selected coordinate system which detects the angular deviations from the gravitational field and an external, artificial or natural, homogeneous magnetic field , -and if necessary the acceleration- are assigned, and from the arithmetic link
- seiner Gelenkiagerposition und Orientierung bezüglich des frei gewählten Koordinatensystemes,- its position of the articulation and orientation with regard to the freely chosen coordinate system,
- der Orientierung des freigewählten Koordinatsystemes bezüglich des Gravitations-Magnetfeldkoordi- nateπsystemes- The orientation of the freely selected coordinate system with respect to the gravitational magnetic field coordinate system
- eines Relativvektors vom Befestigungsort des Mehrfachsensors zum Bewegungszentrum des Gelenkgliedes- A relative vector from the mounting location of the multiple sensor to the center of movement of the joint member
- der Orientierungswinkel welche der genannte Relativvektor mit den Koordinatenachsen des Mehrfachsensors einschließt und- The orientation angle which the said relative vector includes with the coordinate axes of the multiple sensor and
- fallweise der Bewegungsmöglichkeiten des Gelenkgliedes, mittels zugehöriger Datenverabeitungsmittel die gewünschte Position und /oder Orientierung bezüglich des frei gewählten Koordinatensystemes bestimmt wird - In some cases, the movement possibilities of the joint member, by means of associated data processing means, the desired position and / or orientation with respect to the freely selected coordinate system is determined
10. Ein Verfahren zur Erfassung von mindestens einer Geometriegröße oder einem ihr zugehörigen Signal von mindestens einer Stelle eines über Gelenke verfügenden Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß aus mindestens einem die Gelenkknicknung erfassenden Sensor und einem der Verfahren entsprechend Anspruch 7, 8 oder 9 sowie fallweise bedingt der Kenntnis von mindestens einer Gelenkgröße (Gelenklagerort, Bewegungsmöglichkeit, Relativvektor auf Gelenkglied ) unter optionaler Verwendung einer Datenverarbeitung die gewünschte Geometriegröße gebildet wird.10. A method for detecting at least one geometry variable or a signal associated therewith from at least one point of a body having joints, characterized in that from at least one sensor that detects the joint kink and one of the methods according to claim 7, 8 or 9 and occasionally knowledge of at least one joint size (joint storage location, possibility of movement, relative vector on joint member), optionally using data processing, the desired geometry size is formed.
11. Sensorik zur Erfassung von Meßgrößen, welche von der gegenseitigen räumlichen Beziehung von Orten auf einer Köφeroberfläche abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Köφeroberfläche direkt oder indirekt (auf oder in einer Körperbedeckung) ein Fest- und ein Loslager angebracht und durch ein biegeelastisches, längenkonstantes Teil verbunden sind, durch welches geometrische Änderungen der Befestig ungsorte in eine Relativverschiebung zwischen dem biegeelastischen, längenkonstanten Teil und dem Loslager umgewandelt werden, und diese Relativverschiebung mit geeigneten Meßverfahren ermittelt wird.11. Sensor system for recording measured variables which depend on the mutual spatial relationship of locations on a body surface, characterized in that a fixed and a floating bearing are attached to the body surface directly or indirectly (on or in a body covering) and by a flexurally elastic, length-constant part are connected, by means of which geometric changes in the fastening locations are converted into a relative displacement between the flexurally elastic, length-constant part and the floating bearing, and this relative displacement is determined using suitable measuring methods.
12. Sensorik zur Erfassung von Meßgrößen, welche von der gegenseitigen räumlichen Beziehung von Orten auf einer Köφeroberfläche abhängen , dadurch gekennzeichnet, daß auf der Köφeroberfläche direkt oder indirekt (auf oder in einer Köφerbedeckung) an mindestens 2 Befestigungsstellen ein sie verbindendes dehnbares Sensormittel angebracht ist, sodaß geometrische Änderungen der Befestigungsorte Dehnungsänderungen des Verbindungsteiles hervorrufen, welche sensorisch erfaßt werden können.12. Sensor system for recording measured variables, which depend on the mutual spatial relationship of locations on a body surface, characterized in that a stretchable sensor means connecting them is attached to the body surface directly or indirectly (on or in a body cover) at at least 2 fastening points. so that geometric changes in the fastening locations cause changes in the elongation of the connecting part, which can be sensed.
13. Sensorik zur Erfassung vom Meßgrößen, welche von der gegenseitigen räumlichen Beziehung von Orten auf einer Köφeroberfläche abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Köφeroberfläche direkt oder indirekt (auf oder in einer KöφeΦedeckung) mindestens ein feld-bzw.- signalaussendendes Teil und ein feld- bzw. signalempfindliches Teil befestigt sind, sodaß geometrische Änderungen der Befestigungsorte eine Änderung des empfangenen Feldes bzw. Signaies bewirken . 13. Sensor system for the detection of measured variables, which depend on the mutual spatial relationship of locations on a body surface, characterized in that on the body surface directly or indirectly (on or in a body cover) at least one field or signal-emitting part and a field - or signal-sensitive part are attached, so that geometric changes in the attachment locations cause a change in the received field or signals.
14. Sensoπk zur Erfassung vom Meßgroßen, welche von der gegenseitigen räumlichen Beziehung von Orten auf einer Korperoberflache abhangen dadurch gekennzeichnet, daß an den Orten direkt oder indirekt (auf oder in einer Koφerbedeckung) ein hohles elastisches Verbindungsmittel befestigt ist, wodurch geometrische Änderungen der Befestigungsorte eine Formänderung des VeΦindungsmrttels bewirken, weiche mit geeigneten Sensormitteln erfaßt werden kann, und das hohle, elastische Verbindungsmittel auch als geschlossene unter Druck stehende Blase ausgeführt sein kann14. Sensoπk for detection of the measured quantities, which depend on the mutual spatial relationship of locations on a body surface, characterized in that a hollow elastic connecting means is attached directly or indirectly (on or in a body covering), thereby changing geometrical changes in the attachment locations Change the shape of the compound, which can be detected with suitable sensor means, and the hollow, elastic connecting means can also be designed as a closed, pressurized bladder
15. Sensorik zur Erfassung von Meßgroßen, welche von der Knickung eines Gelenkes abhängen dadurch gekennzeichnet daß über dem Gelenk direkt oder indirekt (auf oder in einer Koφerbedeckung) zwei Lager zur Aufnahme eines biegeelastischen, laπgenkonstanten Verbmdungsteiles angebracht sind, sodaß der Abstand des Verbindungsteiles zur Gelenk- bzw Körperoberfläche -konstruktiv bedingt- der Gelenkknickung zugeordnet ist, und durch geeignete Sensormittel erfaßt wird wobei von den beiden Lagern eines als Loslager ausgeführt sein kann15. Sensor technology for measuring quantities which depend on the buckling of a joint, characterized in that two bearings are mounted directly or indirectly (on or in a body covering) for receiving a flexible, elastic, constant-length connecting part, so that the distance between the connecting part and the joint - or the surface of the body is structurally associated with the articulation of the joint, and is detected by suitable sensor means, one of the two bearings being designed as a floating bearing
16. Ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer Geometriegroße einer Stelle eines Koφers in Bezug auf mindestens eine andere körpereigene Stelle dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der gewünschten Geometπegroße durch geeignete Kombination der Art und Anzahl von Einzelverfahren entsprechend den Ansprüchen 7,8,9 10 11 ,12,13,14,15 erfolgt16. A method for determining at least one geometry size of a body of a body in relation to at least one other body-specific location, characterized in that the detection of the desired geometry size by a suitable combination of the type and number of individual methods according to claims 7, 8, 9, 10 , 12, 13, 14, 15 takes place
17. Ein Verfahren zur Bestimmung einer Geometπegröße von mindestens einer Stelle eines Koφers, bestehend aus mindestens einem kόφerfixierten Felderzeuger und mindestens einer koφerfixierten Kombinationssensoπk, dadurch gekennzeichnet, daß, die Kombinatioπssensoπk neben den felddetektierenden Mitteln fallweise zusatzlich mit Sensor- und Datenverarbeitungsmitteln zur Erfassung von wenigstens einer dem Gravitationsfeld, oder einem ( natürlichen oder künstlichen ) externen Magnetfeld zugeordneten Meßgroße versehen ist und die Bestimmung der gewünschten Geometπegröße durch geeignete Kombination der genannten zusatzlichen Meßgroßen mit mindestens einer korperbezogenen Feldgröße oder durch zusatzliche Kombination mit mindestens einer geeigneten Gelenkgroße oder nur durch Kombination von mindestens einer koφerbezogenen Feldgroße mit mindestens einer Gelenkgroße erfolgt 17. A method for determining a geometrical size of at least one location of a body, consisting of at least one body-fixed field generator and at least one body-fixed combination sensor, characterized in that, in addition to the field-detecting means, the combination also occasionally with sensor and data processing means for detecting at least one the gravitational field or a (natural or artificial) external magnetic field assigned to the measurement variable and the determination of the desired geometry size by a suitable combination of the additional measurement variables mentioned with at least one body-related field size or by an additional combination with at least one suitable joint size or only by a combination of at least one body-related field size with at least one joint size
18. Ein Verfahren zur Bestimmung einer Geometriegröße von mindestens einer Stelle eines Köφers, bestehend aus mindestens einem köφerfixierten Signalemitter und mindestens einer körperfixierten Kombinationsseπsorik, dadurch gekennzeichnet,. daß, die Kombinationssensorik neben signalempfangenden und abstandsdetektierenden Mitteln fallweise zusätzlich mit Seπsor-und DatenveraΦeituπgsmitteln zur Erfassung von wenigstens einer dem Gravitationsfeld, oder einem ( natürlichen oder künstlichen ) externen Magnetfeld zugeordneten Meßgröße versehen ist und die Bestimmung der gewünschten Geometriegröße durch geeignete Kombination der genannten zusätzlichen Meßgrößen mit mindestens einer senderbezogenen Abstandsgröße oder durch zusätzliche Kombination mit mindestens einer geeigneten Gelenkgröße oder nur durch Kombination von mindestens einer sendeΦezogenen Abstandsgröße mit mindestens einer Gelenkgröße erfolgt.18. A method for determining a geometry size of at least one position of a body, consisting of at least one body-fixed signal emitter and at least one body-fixed combination sensor, characterized in that. that, in addition to signal-receiving and distance-detecting means, the combination sensor system is also occasionally provided with sensor and data processing means for detecting at least one measurement variable associated with the gravitational field or a (natural or artificial) external magnetic field, and the determination of the desired geometry variable by a suitable combination of the additional measurement variables mentioned with at least one transmitter-related distance size or by additional combination with at least one suitable joint size or only by combining at least one transmission-related distance size with at least one joint size.
19. Ein Verfahren zur Bestimmung der Geometriegröße von mindestens einer Stelle eines Köφers, nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 16,17 oder 18 dadurch gekennzeichnet, daß in räumlich definierter Position zum gravitationsempfindlichen Teil eines Mehrfachsensors (entsprechend Anspruch 9) oder eines Kombinationssensors (entspechend einem der Ansprüche 9,10,16,17,18) ein Beschleunigungsensor für mindestens eine Komponente angebracht ist.durch dessen Meßwerte und einen geeigneten Algorithmus eine Korrektur der durch Beschleunigung verfälschten Meßwerte des gravitationsempfindlichen Teiles des Mehrfach- oder eines Kombinationssensors ausgeführt wird.19. A method for determining the geometry size of at least one point of a body, according to one of claims 9, 10 or 16, 17 or 18, characterized in that in a spatially defined position relative to the gravitationally sensitive part of a multiple sensor (according to claim 9) or a combination sensor ( in accordance with one of the claims 9, 10, 16, 17, 18) an acceleration sensor for at least one component is attached. With its measured values and a suitable algorithm, the measured values of the gravitationally sensitive part of the multiple or combination sensor, which are falsified by acceleration, are corrected.
20. Ein Verfahren zur Umwandlung von Geometriegrößenwerten in Koordinatenwerte dadurch gekennzeichnet, Anspruch 2 daß Geometriegrößenwerte welche z.B. entsprechend den in den Ansprüchen 7,8,9,10,11 ,12,13,14,15, 16, 17,18,19 beschriebenen Verfahren ermittelt wurden, durch einen -in einer Datenverarbeitung gespeicherten - Umwandlungsalgorithmus auf Koordinatenwerte bezüglich eines definierten Köφerortes (Koordinatenursprung) und wenn nötig bezüglich eines Orientierungskonzeptes umgerechnet werden wobei der Umwandlungsalgorithmus den geometrischen Zusammenhang enthält, welcher zwischen erfaßten Geometriegrößenwerten, einer ihnen zugeordneten Köφerstelle und dem definierten Koordi- natenursprung und dem Orientierungskonzept besteht. 20. A method for converting geometry size values into coordinate values, characterized in claim 2 that geometry size values which, for example, correspond to those described in claims 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 Methods were determined by a conversion algorithm - stored in a data processing system - to coordinate values with respect to a defined body location (coordinate origin) and, if necessary, with an orientation concept, whereby the conversion algorithm contains the geometric relationship between the detected geometry size values, a body position assigned to them and the defined one Coordinate origin and the orientation concept exist.
21. Ein intelligentes Geometπesensoπksystem dadurch gekennzeichnet, a) daß es mittels eines der in den Ansprüchen 7,8,9,10,16,17 18,19 beschriebenen Verfahren in der Lage ist Geometπegrdßen oder ihnen zugehörige Signale zu erfassen und umzuwandeln bezw umzurechnen b)daß es mittels dem in Anspruch 16 beschπebenen Verfahren in der Lage ist ein Koordinatensystem auzubilden c)daß es über die Möglichkeit verfugt mittels vorhandener oder zusätzlich anzubπngender sensoπscher21. An intelligent Geometπesensoπksystem characterized in that a) that it is able to acquire and convert or convert geometπegrdßen or associated signals using one of the methods described in claims 7,8,9,10,16,17 18,19 b ) that it is capable of forming a coordinate system by means of the method described in claim 16 c) that it has the possibility of using existing or additionally to be sensed sensors
Mittel mindestens eine jener Geometπegrößen zu erfassen welche die raumliche Situation seinesMeans to capture at least one of those geometry sizes that the spatial situation of his
Koordinatensytemes bezuglich eines weiteren Koordinatensystemes -welches einem anderen intelligenten Geometπesensoπksystem angehört- zu definieren d)daß es mit anderen intelligenten Geometπesensoπksystemen Daten austauschen kannDefine coordinate systems with respect to a further coordinate system - which belongs to another intelligent geometric sensor system d) that it can exchange data with other intelligent geometric sensor systems
22. Ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Koφerstelle in Bezug auf ein koφerexternes Koordinatensystem dadurch gekennzeichnet, daß a)kθφerextem ein rotierendes magnetisches Gleich- oder ein nacheinender in drei Richtungen strahlendes elektromagnetisches Wechsel-oder Strahl ungsfeld erzeugt wird, b) mittels an der gewählten Koφerstelle angebrachter Felddetektionsmittel ein Richtungsvektor zum Ursprung des zur externen Feldquelle gehörenden Koordinatensystemes bestimmbar ist c)der Abstand zum externen Koordinatenursprung aus der Sigallaufzeit von mindestens einem externen Ultraschallsender zu einem fest mit dem korperbefestigten Felddetektionsmittel verbundenen Ultraschallempfänger bestimmt wird22. A method for determining the position of a body position in relation to a coordinate system external to the body, characterized in that a) kθφerextem is generated by a rotating magnetic direct current or an alternating electromagnetic or radiation field radiating in three directions, b) by means of the selected one Koφerstelle attached field detection means a direction vector to the origin of the coordinate system belonging to the external field source can be determined c) the distance to the external coordinate origin is determined from the signal propagation time of at least one external ultrasound transmitter to an ultrasound receiver firmly connected to the body-attached field detection means
23. Ein Verfahren zur Erfassung des Abstandes oder einem zugeordneten Wert zwischen mindenstens einer Stelle eines Körpers und mindestens einer Stelle außerhalb des Köφers dadurch gekennzeichnet, a)daß außerhalb des Köφers ein kombinierter Schall-und elektromagnetische Signale (auch Licht z B IR ) emittierender Sender aufgestellt ist und an den zu erfassenden Koφerstellen Schallsignalempfänger angebracht sind, sowie an beliebigen Köφerstellen mindestens ein Empfanger für elektromagnetische Signale angebracht ist b)daß vom kόφerexternen Kombinationsemitter immer ein Paar aus Schall-und elektromagnetischen Signalen ausgestrahlt wird wobei das elektromagnetische Signale aufgrund der wesentlich kürzeren Laufzeit als reines Tπggersignal für die Laufzeitmessung des Schallsignalsverwendet wird c)daß aus der Laufzeit des Schallsignales mit am koroerangebrachten DatenveraΦeitungsmitteln der Abstand zwischen der gewünschten Korperstelle und dem externen Kombinationsemitter ermittelt wird d) Die Abstandswerte einer externen Datenverarbeitung übermittelt werden können 23. A method for detecting the distance or an assigned value between at least one point of a body and at least one point outside the body, characterized in that a) that outside the body a combined sound and electromagnetic signals (also light z B IR) emitting transmitter is set up and sound signal receivers are attached to the body parts to be detected, and at least one receiver for electromagnetic signals is attached to any body parts b) that the combination external emitter always emits a pair of sound and electromagnetic signals, the electromagnetic signals being due to the significantly shorter transit time c) that the distance between the desired body point and the external combination emitter from the running time of the sound signal with data processing means attached to the body is used as a pure trigger signal for the transit time measurement of the sound signal d) the distance values can be transmitted to external data processing
24. Ein Verfahren zur Erfassung des Abstandes oder einem zugeordneten Wert zwischen mmdensten einer Stelle eines Körpers und mindestens einer Stelle außerhalb des Körpers dadurch gekennzeichnet, daß, das Verfahren wie in Anspruch 23 funktioniert, jedoch im Gegensatz dazu der Kombinationsemrtter am Korper angebracht ist und die Empfanger für Schall und elektromagnetischen Signale außertialb des Körpers sind24. A method for determining the distance or an assigned value between at least one point of a body and at least one point outside the body, characterized in that, the method works as in claim 23, however, in contrast, the combination is attached to the body and the Receivers for sound and electromagnetic signals are outside the body
25. Ein Verfahren zur Bestimmung von Koordinateπpositionen von Korperstellen bezüglich eines köφerextemen Koordinatensystemes dadurch gekennzeichnet a)daß sich außerhalb des Körpers drei Ultraschallemitter in definierter räumlicher Beziehung zueinander befinden von denen jeder Signale mit einem eigenen Code oder einer eigenen Frequenz in Pulsen abstrahlt b)daß ein Emitter für elektromagnetische Strahlung gemeinsam mit dem Ultraschallpulsen gestartet wird und das von ihm abgestrahlte Signal als Trigger für die Laufzeitmessuπg dient c) daß sich an der gewünschten Köφerstelle eine Empfangseinheit befindet, welche aus mindestens einem Ultraschallempfänger und einem Empfänger für elektromagnetische Strahlung besteht d) daß jeder der koφerbefestigten Ultraschallempfänger mit Decodierungs-oder Filtermitteln versehen ist welche es erlauben die eintreffenden Schallsignale zu unterscheiden e) daß mittels einer an die Empfängereinheit angeschlossenen Datenverarbeitung die Koordinaten der Empfangereinheit bezüglich des durch die externen Ultraschallemitter definierten Koordinatensystemes errechnet werden f) daß sowohl die Abstände als auch Position der Köφerstelle einer externen Datenverarbeitung übermittelt werden kann 25. A method for determining coordinate positions of body positions with respect to a body-coordinate system, characterized in that a) that outside the body there are three ultrasound emitters in a defined spatial relationship to one another, each of which emits signals with its own code or frequency in pulses b) that one Emitter for electromagnetic radiation is started together with the ultrasonic pulses and the signal emitted by it serves as a trigger for the transit time measurement c) that there is a receiving unit at the desired body location, which consists of at least one ultrasonic receiver and one receiver for electromagnetic radiation d) that each the body-attached ultrasound receiver is provided with decoding or filtering means which allow the incoming sound signals to be distinguished e) that the data processing is connected to the receiver unit Coordinates of the receiver unit with respect to the coordinate system defined by the external ultrasound emitter are calculated f) that both the distances and the position of the body location can be transmitted to external data processing
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