Korpersensonk

Der Erfassung von Geometriegroßen beweglicher Korper nimmt einen wichtigen Platz bei einer Viel¬ zahl neu entstandener Anwendungen ein Solche Anwendungen reichen vom Sport bis zur Kunst Nachfolgend sind einige Beispiele aufgeführt

Sport

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 sein

Robotik

Die Fernsteuerung von Robotern oder anderen künstlichen Maschinen welche in unzugänglichen Umge¬ bungen (verseuchte Gebiete, Unterwasser, Weltall, Vakuumkammem ) die Körperaktionen eines Men¬ schen umsetzen um bestimmte Aufgaben zu lösen Das "Teaching" von Robotern durch die Akttonsvor- gabe eines entsprechend ausgerüsteten menschlichen Lehrers ist eine weitere Anwendung Ein Robo¬ ter stellt aber genauso einen Körper dar, dessen Geometriegroßen zu erfassen von Interesse sein kann

Medizin

Die ferngesteuerte Chirurgie, auch minimalinversive Eingπffe sind hier Anwendungsgebiete

Das zweite Anwendungsbebiet betπfft die Bewegungskontrolle von Koperextremrtaten, sowohl in der

Rehabiltation als auch in der Physiotherapie von Behinderten

Ausbildung, Schule

Auf diesem Gebiet, hegt der Einsatz von Kόrpergeometπe im Bereich von interaktivem Lernen in virtuel¬ len Umgebungen Die Ausbildung an einem virtuellen Motor, oder die Operation eines virtuellen Men¬ schen seien hierzu Beispiele

Cyberspace

Das derzeit moderne Schlagwort umfaßt alle Bereiche von interaktivem Umgang eines menschlichen

Korpers mit einem Computersystem und setzt somit die Erfassung von Körpergeometiegrößen voraus

Kunst, Spiele, Sport

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 Spielen

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 Korperinstrument

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:

Erstens: Methoden mit hoher Detailauflösung sind auf die Erfassung von Teilbereichen des Körpers beschränkt (z.B. Datagloves ).

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 können

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 .

Diese Methoden sind außerdem in ihrem Erfassungsbereich eingeschränkt

Drittens: Die beiden genannten Methoden sind nicht zur Erfassung von körperbezogenen Koordinaten¬ systemen geeignet

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 INTELLIGEN¬ TEN GEOMETRIESENSORIKSYSTEMEN (künftig wegen der Wortlänge IGSS abgekürzt) ausgeräumt. Begriffsfestlegungen:

Geometriegröße:

Geometriegrößen sind u. a.Abstände. Längen, Vektoren(Koordinaten), Winkel, Dehnungen sowie die

Ableitungen dieser Größen nach anderen Größen

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 deren

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.)

Tatsächlich findet der größte Teil praktischer Geometriegrößenerfassung indirekt statt.

Diese Patentschrift betreffend wurde der Begriff Geometriegröße gewählt, weil er einen weiteren

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 Geometriesen¬ sorik auch unterschiedlichen Meßmethoden unterliegen. Beispiele von Geometriesensoriken sind : Ultraschall- Abstands-Messeinrichtungen bestehend aus Sender und Empfänger , eine Richtungs¬ bestimmung mit Magnetfeldspulen, oder eine Kombination aus Ultaschall-Messung und Winkel zum Gravitationsvektor.

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 Funktions¬ einheit und nicht etwa die Beschränkung auf reine Rechenfunktionen

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 Datenver¬ arbeitungsmitteln (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.

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 Meßwert¬ erfassung und -transformation ). Das Koordinatensystem jedes IGSS's kann selbst als Sensorikteil eines übergeordneten IGSS's ausgebildet sein und eröffnet damit die vielfältigsten geometrischen Bestim¬ mungsmöglichkeiten. Durch Koordinatentransformation kann eine Geometriegröße auf unterschiedlich¬ ste Syteme bezogen werden. Darin liegt nun auch der besonderere Wert bei der Geometriegrößen¬ bestimmung komplexer Gelenksysteme wie sie beispielsweise durch den menschlichen Körper gegeben sind. Die Ausbildung von hierachrisch aufgebauten Teilkoordinatensystemen ( z.B. 1tes Koordinaten¬ system "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 Geometriegrößen¬ bestimmung 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)

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.

Figur 1 zeigt einen Menschen an dessen Körper mehrere intelligente Geometrieseπsoriksysteme ( nach¬ folgend 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 körperbe¬ festigten Felderzeugem und Felddetektoren aufgebaut. Zu IGSS 2 gehört dann noch das Unterkoordi¬ natensystem 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.

Das technische Prinzip eines Referenzkoordiπatensystemes welches auf dem in Anspruch 7 beschrie¬ benen Verfahren von körperbefestigten Felderzeugem und Felddetektoren beruht zeigt Figur 1 a als Aus¬ schnittsvergrößerung des Gürtelteiles 1.3 von IGSS 3. Die drei orthogonalen Spulen 1.5, 1.6, 1.7, wer¬ den 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.

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 Sensorkoordina¬ tensystemes u2,v2,w2 sitzt.(siehe Figur 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.

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 Rück¬ meldung 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 kabel¬ los 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 .

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 räum¬ lichen 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 verdeut¬ lichen 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 verbun¬ denen starren Platte 2 4 befinden sich in definierter räumlicher Beziehunung die beiden Ultraschall¬ sender 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 Zeit¬ punkt 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 Unter¬ scheidung muß natürlich durch die Software der Computereinheit 2 8 erfolgen In Figur 2 sind der Über¬ sicht 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 Koor¬ dinaten können nun über den Bus 2 9 zum Hauptkoordinatensystem x3,y3,z3, weitergeleitet werden und wenn aπwendungsbegingt notwendig aufgrund der Positions- und Oπentierungskeπntnis des Unter¬ koordinatensystems u3,v3 w3, auf das Hauptkoordinatensystem x3,y3,z3 transformiert werden

Nach der Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispieles sind nun auch die Ansprüche 2,3,4,5 leichter erläuterbar

Anspruch 2 beinhalt unter anderem das abstrakte Merkmal zur Umwandlung von Geometπegroßen in Koordinatenwerte Eine detailierte Beschreibung wie Geometπegroßen in Koordinateπwerte umge¬ wandelt 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 Orts¬ vektoren der Fingerkuppen oder Orts-und Orientierungsvektoren der Hand berechnet werden . Diese Orts- und Orientierungsvektoreπ können -wiederum programmbedingt- bezüglich der Teilkoordinaten¬ systeme "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 Unter¬ schied 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 abge¬ stimmt 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) über¬ mittelt 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.

Figur 3 dient der schon weiter oben begonnenen Erläuterung des Zusammenwirkens von körpereige¬ nem 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 Koordi¬ natensystem 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 Funk¬ impuls 3.6 ausgesandt, der die Laufzeitmessung der Gürteleinheit 1.1 startet.). Das von den Referenz¬ spulen 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 Koordinaten¬ system 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 Koordinaten¬ system x1 ,y1 ,z1 bezogenen Daten nur noch vorzugsweise drahtlos 3 5 zur externen Computereinheit

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 ist

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 so¬ wohl die Positionsbestimmung beliebiger Stellen von Gelenkgiiedern als auch deren Oπentierungsbe- stimmungbezuglich frei gewählter Koordinatensysteme, sowohl korperfixierter als auch korperextemer Art

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-Sensor

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 ^r BR- ^{der vom GR} AMAG-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 B _E (= 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 )

Der Relativvektor r _BR 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 Basiskorpers

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 ^r BR ^vertιert ( " ^r BR ^zeι 9* ^von BZ1 zum GRAMAG-Sensor 4 2) Allerdings erfolgt die Positionsangabe des GRAMAG-Sensors 4 2 noch bezüglich des Gravitations-Erdmagnetfeld-Koordinatensystemes [x, y( =B _E ), z( =-g»

Bπngt man wie in Figur 5 gezeigt in definierter räumlicher Position ( Vektor r ) zum Bewegungszent¬ rum BZ1 des Gelenklagers 5 1 auf dem Basiskörper 5 0 einen weiteren GRAMAG-Sensor 5 2 an ( vor¬ zugsweise mit zum Basiskoordinatensystem [x _B ,y _B ,z _B ] deckungsgleichen Achsen ) und bestimmt über diesen die Oπentierungswinkei zwischen dem Gravitations-Erdmagnetfeld-Koordmateπsystem [x, y( =B _E ), z( =-g)] und dem Basiskoordinatensystem [x _B ,y _B ,z _B ], (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 [x _B ,y _B ,z _B ] 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(-r _BR ) nach entsprechender Koordinatentransformation bezüglich des Basiskoordinatensystem [x _B ,y _B ,z _B ]. 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 [x _B ,y _B ,z _B ] aus den GRAMAG- Winkeln errechenbar ist So kann man zum Beispiel die Position des Achsendpunktes E durch Vektoraddition r^ = rp£ + (-r _B p) 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 [x _B ,y _B ,z _B ] transformierte Achsen (z B u und v )des GRAMAG- Sensors 42 erfolgen, als auch übersichtlicher durch die Angabe der in Figur 4 eiπgezeichnten Vektoren r _E (kennzeichnet die Gelenkgliedachse) und - r _RE . (zeigt vom Achsendpunkt E zum GRAMAG-Sensor 2

Es sei noch erwähnt, daß entsprechend Figur 3 und Anspruch 18 das Basiskoordinatensystem [x _B ,y _B ,z _B ] 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 kann

¹ ) Oπentierungstransformation der GRAMAG-Sensor 4 2-Achsen auf das Basiskoordinatensystem

[x _B ,y _B ,Zß ] (Figur 5a)

Der Einfachheit wegen wird vorausgesetzt, daß der GRAMAG-Sensor 5 2 so angebracht ist, daß seine

Achsen deckungsgleich mit den Basiskorperachsen x ,y ,z _B verlaufen

Jede der GRAMAG-Sensor 4 2 Achsen u,v, w und jede der Basiskorperachsen x ,y _B ,z nimmt

3 Winkel mit dem Gravitationsvektor -z( =-g) , dem Erdmagπetfeldvektor y( =B _E ), und einem fiktivrech- neπschen Vektor x (senkrecht zu -z( =-g)] und y( =B _E ), ein Diese Achsen können als

Richtungsvektoren ( Lange 1) z B u = (cos (x,u),cos(B.=,u),cos(-g,u)) für GRAMAG 4 2 und x _B = (cos (x,x _B ),cos(B _E ,x _B ),cos(-g,x _B )) 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 ) = x _B u / lx _B l lul

(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

Analog gilt dies naturlich auch für die Winkel des aktuellen Relativvektors r _j ; und der Basiskorperach¬ sen 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 Gelenk¬ gliedes 6 2 und der Drehachse D-D des Drehlagers 6 5 ausgemessen Damit sind zwei Relativvektoren ^r BR1 ^un( * ^r BR2 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 r _G ** 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 [x _B ,y ,z _B ], erhält man aus der Addition des aktuellen Vektors Γ -J und des konstan¬ ten Vektors r ₁ welcher vom Basiskoordinatensystem [xg,y _B ,z _B ], zum Mittelpunkt BZ1 des Kugel- gelenkagers 6 6 zeigt und bekannt ist

Die Achse D-D definiert die Drehoπentierung beider Gelenkglieder und ist wegen der Starrheit der Teile durch die konstruktive Ausfuhrung des Drehlagers als Drehachsvektor r _D 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 Passagen

" -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 Me߬ werte 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 Dreh¬ geber analoger.digitaler oder inkrementaler Art gelöst.

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, verdeut¬ licht 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 angebrach¬ ten 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.

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.

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 Geo¬ metriegröße 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 Geometrie¬ größen des Gelenkgliedes 6.1die räumliche Position des Endpunktes E von Gelenkglied 6.2 ermittelt werden.

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 durch¬ sichtiges, 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 be¬ festigt sein.) Die geometrische Änderung zwischen Fest 9.3 -und Loslager 9.4 (hier Knicken des Finger¬ gelenkes) 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 Dreiecks¬ fläche versehen. Dadurch bestimmt die Eindringtiefe- also die Relativverschiebung- des Teiles 9.2 die Menge des zum photoempfindlichen Empfängers 9.7 gelangenden Lichtes.

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 lichtdurch¬ lässigen Streifen ( Figur 10.c) bewirkt und somit die zum photoempfindlichen Empfänger 10.7 gelan¬ gende 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 verdeutlichen

In Figur 12 ist ein Ausfuhrungsbeispiel nach Anspruch 14 dargestellt Auf der Oberfläche eines Hand¬ schuhes 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 a _s zu außen angebrachten Magneten 12 7 einnimmt Bei Fingerknickuπg (Figur 12a) ver¬ formt sich das schlauchförmige Verbindungsmittel 12 2 derart, daß sich der Abstand zwischen Sensor 12 6 und Magnet auf a^ veπngert und eine entsprechende Signalanderung bewirkt

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 verdeutlicht

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 orthogo¬ nalen 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 Richtungs¬ zeiger ( 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 Zu¬ sammen 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 Feld¬ detektors 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 r _Q ) zur Bestimmumg der Geometnegrößen "Position des felddetektors 15 3 " und "Richtung der Gelenkarmachse" kombiniert

Figur 16 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Anspruches 13 Aufgrund der durch die Art des Gelenk¬ lagers 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 benotig

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 R _s des gewählten Ortes S vom Gelenkmittelpunkt GM ist dessen Position dann auf einem eindeutig bestimmten Kreis zufinden Die zweite nötige Posi¬ tionsgroße 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 r _G vom Felderzeuger 16 2 zum Mittelpunkt GM des Gelenkklagers 16 5

Im Sinne von Anspruch 17 wird in dem genannten Ausfuhrungsbeispiel die korperbezogene Feldgröße (Richtung RZ) mit den Gelenkgroßen R _s (= 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" kombiniert

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 r _s1 und r _s2

zwischen den Ultraschallsendern 17.2 und 17.3 und dem Ultraschallempfänger 17.4 mit den Gelenk¬ größen r _G ( = Lagerort ), r _E ( = Abstand des Ultraschallempfängers 17.4 ) und "Kugelgelenk" kombi¬ niert . Die Position des Ultraschallempfängers 17.4 ist der Schnittpunkt dreier Kugeln (r _s1 , r _s2 , r _E ), deren Mittelpunkte im XQ, yg, z _B -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.

Die in Anspruch 20 beschriebenen Geometriegrößen können unterschiedlichster Art sein, je nachdem mit welchem Verfahren sie ermittelt wurden.

Beispiele hierfür sind: Die relative Positionsbestimmung welche aus einer Magnetfeldmessung ( An¬ spruch 3) nach dem US-Patent 4,054,881 (Raab ) ermittelt wurde; Abstandswerte aus einer Schallsig¬ nallaufzeitmessung (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 vorteil¬ hafte 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 Koordi¬ natenfläche durch einen Teil des Gehäuses 18.9 einer Meßeinrichtung und Datenverarbeitung gebil¬ det. 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 Fingerglie¬ des 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 Orientierungsmöglich¬ keiten 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 soll

Die Knicksensoren 18 10 liefern Signale welche mittels der Datenverarbeitung 18 11 und des dort ge¬ speicherten 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 werden

Die feste raumiche Lage zwischen dem Koordinatenursprung und dem ersten Gelenk GZ1 des Zeige¬ fingers wird durch den konstanten Vektor r _zo bestimmt Um das Gelenk GZ1 ist der Vektor r _z1 in einer auf der Gelenkachse A1-A1 senkrechten Ebene drehbar Der Knickwinkel α QI ist die einzige Vaπable von welcher r _z1 abhangt (seine Lange und Bewegungsebene sind ja bekannt ) Das zweite Zeigefinger¬ gelenk GZ2 kann somit durch einen Vektor r^ = *ZQ ^{+ r} Zl( ^{α 01} ) angegeben wenden Die weiteren Ge¬ lenke bis zur Fingerspitze r _zs ergeben sich dann zu ^r ZS ^{= r} Z0 ^{+ r} Zl(° ^,01 ) ^{+ r} Z2( ^σ12 ) ⁺ 'ZS^ ⁰ - ²³ ) • damit ist ein Beispiel eines Umwandlungsalgoπthmus von gemessenen Winkelwerten in cartesische Koordinaten aufgezeigt

In dem gewählten Onentierungskonzept "Orthogonalsystem " wird die Oπentierung aus den Kosinus des Richtungspfeiles R ^* _z der Fingerspitzenachse gebildet

( 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 Empfangs¬ schleifen noch mittels eines Ultraschallsenders 19.8 und eines Ultraschallempfängers 19.9 in bekann¬ ter Weise erfaßt wird.

( Das abgestrahlte Ultraschallsignal sendet gleichzeitig einen Funkimpuls 19.13 aus, der die Laufzeit¬ messung der Komumunikations-Recheneinheit 19.12 am Gürtel startet) Die Umrechnung der Feldme߬ werte 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 körperbe¬ festigte Komumunikations-Recheneinheit 19.12 als auch die externe Komumunikations-Recheneinheit 19.11 jeweis über einen entsprechenden Sender/Empfänger verfügen.

Figur 20 und 20a dienen der Illustration von Anspruch 23 bis 25. Die in Anspruch 25 beschriebene Po¬ sitionserfassung 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 gewon¬ nen 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 nachein¬ ander 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 Ultraschall¬ empfänger 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.