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Die
Erfindung betrifft eine Messanordnung, insbesondere für einen
kabellosen Datenhandschuh, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Patentanspruchs 1.
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STAND DER
TECHNIK
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Unter
einem Datenhandschuh versteht man einen Handschuh, der mit Sensoren
bestückt
ist, welche es ermöglichen,
die Lage und die Stellung der in dem Datenhandschuh befindlichen
Hand eines Benutzers zu erfassen. Diese Daten können beispielsweise zur Steuerung
von Computerprogrammen verwendet werden. Ein bekanntes Anwendungsgebiet sind
Computerspiele in der sogenannten virtuellen Realität. Mit den
Daten können
aber auch Manipulatoren in gekapselten Hochsicherheitsbereichen
von außerhalb
der Hochsicherheitsbereiche gesteuert werden, um beispielsweise
giftiges, radioaktives oder explosives Material zu handhaben.
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Ein
kommerzieller Datenhandschuh ist von der Firma iReality.com, Inc.,
San Francisco, USA verfügbar.
Bei diesem Datenhandschuh mit der Bezeichnung 5 DT Data Glove wird
die Krümmung
der Finger durch längs
der Finger verlaufenden Lichtwellenleiter erfasst, deren optische
Eigenschaften sich beim Krümmen
der Finger ändern.
Die Fingerspreizung wird durch Sensoren erfasst, die diese Spreizung
direkt messen. Bei einer kabellosen Version des bekannten Datenhandschuhs
ist im Bereich des Handgelenks eine Sendereinrichtung angeordnet,
die die Signale der Sensoren mittels elektromagnetischer Wellen
an eine entfernt angeordnete Empfängereinrichtung überträgt. Die
Lage des Datenhandschuhs bzw. der darin befindlichen Hand im Raum
kann mit diesem bekannten Datenhandschuh nicht bestimmt werden.
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Ein
weiterer Datenhandschuh ist von der Firma Immersion Corp., San Jose,
USA kommerziell erhältlich.
Der Datenhandschuh CyberGlove erfasst die Krümmung der Finger durch verformungsabhängige elektrische
Widerstände.
Die Fingerstellung wird durch direkte Messung der Spreizung ermittelt.
Zusätzlich
werden die Biegungen von Mittelhand und Handgelenk sowie die Ausrichtung
des Daumen erfasst. An ein zugehöriges
Rechnersystem wird der bekannte Datenhandschuh über ein Kabel angeschlossen.
D.h. es handelt sich nicht um einen kabellosen Datenhandschuh. Die
Erfassung der Lage einer Hand im Raum muss durch zusätzliche
optische Verfahren bewirkt werden. Hierzu reichen die von dem Datenhandschuh
selbst gelieferten Daten nicht aus.
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Von
den Fakespace Labs, Mountain View, USA ist ein Datenhandschuh unter
der Bezeichnung Pinch Glove erhältlich.
Bei diesem Datenhandschuh werden Signale durch Kontaktschlüsse zwischen verschiedenen
an dem Datenhandschuh angebrachten elektrischen Kontakten beim Bewegen
der Finger erzeugt. Bei diesem System sind die Möglichkeiten der Erfassung der
Handstellung demnach auf bestimmte Kontaktschlussfälle beschränkt. Eine
Erfassung der Lage der Hand im Raum ist überhaupt unmöglich. Der
bekannte Datenhandschuh ist überdies kein
kabelloser Datenhandschuh.
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Aus
den Informationen über
das GRIP-Projekt, welches vom beruflichen Fortbildungszentrum der
Bayerischen Wirtschaft GmbH beschrieben wird, ist ein Datenhandschuh
bekannt, der mit Hall-Effekt-Sensoren für die Ermittlung seiner Position
im Raum bestückt
ist. Weiterhin sind Kraftsensoren vorgesehen, um Kräfte zu messen,
die jeder Finger der Hand an einer Oberfläche ausübt. Der bekannte Datenhandschuh
ist kein kabelloser Datenhandschuh. Die Signale der Hall-Effekt-Sensoren
sind von einem äußeren magnetischen
Feld abhängig,
in dem sich der bekannte Datenhandschuh befindet. Ohne ein solches äußeres magnetisches
Feld liefern die Hall-Effekt-Sensoren keine Signale.
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Ein
weiterer Datenhandschuh ist aus dem Konferenzbeitrag "Acceleration Sensing
Glove (ASG)" von
J. K. Perng et al. (Berkeley Sensor & Actuator Center, University of California,
Berkeley, USA) bekannt. An dem Datenhandschuh sind Beschleunigungssensoren
vorgesehen, die den Fingerspitzen zugeordnet sind. Am Handgelenk
des Benutzers befindet sich eine Sendeeinrichtung, die die Signale
der Beschleunigungssensoren an eine entfernte Empfängereinrichtung überträgt.
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In
dem im vorherigen Absatz zitierten Konferenzbeitrag ist darüber hinaus
als Zukunftsperspektive eine Messanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1 beschrieben. Sie ist mit dem Stichwort "Smart Dust" bezeichnet. Dabei
geht es darum, kleine Einheiten aus einem Beschleunigungssensor,
einer Sende- und Empfängereinrichtung
für elektromagnetische
Wellen sowie einer Solarzelle und einem Leistungskondensator zur Gewinnung
und Speicherung von Energie für
die Sender- und Empfängereinrichtung
und den Sensor aufzubilden, die beispielsweise auf den Fingernagel einer
Hand eines Benutzers aufgebracht werden können, ohne dass sie dort stärker auftragen.
Bislang ist aber eine derartige Miniaturisierung, die einen Datenhandschuh
als solchen überflüssig machen
würde,
noch nicht realistisch.
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Oberflächenwellentransponder,
bei denen es sich um passive elektronische Bauteile handelt, die auf
ein Abfragesignal ohne eigene Energieversorgung mit einem Antwortsignal
reagieren, sind beispielsweise aus "Passive funkauslesbare Sensoren" von L. Reindl et
al., in tm, Technisches Messen 68 (2001), S. 240 bis 246, als Möglichkeit
bei der Fernabfrage von Identifikationen und Sensoren bekannt. Konkret
sind Beispiele angegeben, wie mit Oberflächenwellentranspondern Drücke und
Temperaturen fernabgefragt werden können. Es ist aber auch angeführt, dass
mit Oberflächenwellentranspondern
Entfernungen durch Messung von Signallaufzeiten, relative Positionen
durch Verfolgung der Dopplerphasen und Winkel durch Messung der
Dopplerphasen bestimmt werden können.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kabellose Messanordnung
aufzuzeigen, bei der die Sensoren mit Sendereinrichtungen einen
besonders einfachen und kompakten Aufbau aufweisen.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch die Messanordnung nach
Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Messanordnung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.
Unteranspruch 9 ist dabei auf eine Ausführungsform der Messanordnung
ohne einen eigentlichen Handschuh gerichtet, bei der die Sensoranordnung
direkt an der Hand des Benutzers anzubringen ist. Demgegenüber ist
Unteranspruch 10 auf einen kabellosen Datenhandschuh als solchen
gerichtet.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
der Erfindung ist mindestens ein Sensor vorgesehen, der einen Oberflächenwellentransponder
als Sendereinrichtung aufweist. Der Oberflächenwellentransponder kann
dabei den gesamten Sensor darstellen. Es ist bevorzugt, wenn dies
zumindest bei mehreren Sensoren, die zur Positionsbestimmung der
Hand im Raum dienen, der Fall ist. Weiterhin umfasst die neue Messanordnung
eine Abfrageeinrichtung, die elektromagnetische Abfragesignale an
die Oberflächenwellentransponder
sendet. Die Oberflächenwellentransponder
antworten auf diese Abfragesignale mit ihren elektromagnetischen
Signalen, welche von der Empfängeranordnung
der Messanordnung aufgefangen werden. Zur Positionsbestimmung der
Sensoren bzw. der Ihnen entsprechenden Stellen der Hand des Benutzers
weist die Empfängeranordnung
mindestens drei untereinander beabstandete Empfängereinrichtungen auf. Durch
eine zeitliche Verschiebung zwischen den von jeder Empfängereinrichtung
empfangenen elektromagnetischen Signalen zu den Abfragesignalen
lässt sich
die Laufzeit der elektromagnetischen Signale zwischen den Sensoren,
d.h. den Oberflächenwellentranspondern
und den Empfängereinrichtungen
und damit der Abstand zwischen diesen Teilen der Messanordnung bestimmen.
Aus mindestens drei solchen Abständen
kann die Position des jeweiligen Oberflächenwellentransponders im Raum
bestimmt werden. Um die Auswertung bei diesem Messverfahren zu erleichtern,
ist es bevorzugt, wenn jede Empfängereinrichtung
eine eigene Abfrageeinrichtung zum Abfragen der Oberflächenwellentransponder
aufweist und nicht nur eine einzige zentrale Abfrageeinrichtung
zur Aussendung der Abfragesignale vorgesehen ist.
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Durch
Auswertung einer relativen Frequenzverschiebung zwischen dem elektromagnetischen Signal
von jedem Oberflächenwellentransponder
und einem Referenzsignal, das ein Abfragesignal sein kann, d.h.
durch Auswertung des auftretenden Dopplereffekts, kann zusätzlich eine
Geschwindigkeitskomponente des jeweiligen Oberflächenwellentransponders in der
Richtung zu der jeweiligen Empfängereinrichtung
bestimmt werden.
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Während die
elektromagnetischen Signale der Oberflächenwellentransponder den einzelnen Abfragesignalen
vorzugsweise durch eine zeitliche Abfolge der Abfragesignale zuzuordnen
sind, ist es zur Trennung der elektromagnetischen Signale von den
einzelnen Oberflächenwellentranspondern,
die als Antwort auf ein Abfragesignal ausgesandt werden, bevorzugt,
eine signalseitige Codierung dieser elektromagnetischen Signale
vorzunehmen. Zur Realisation einer solchen Codierung ist der physikalische
Aufbau der einzelnen Oberflächenwellentransponder
unterschiedlich auszuführen.
Dies kann analog dem Geschehen, was im Stand der Technik im Zusammenhang
mit Oberflächenwellentransponder-Identifikationssystemen
bekannt ist. Die einzelnen Oberflächenwellentransponder können aber auch
aufgrund einer unterschiedlichen Abstimmung mit unterschiedlichen
Frequenzen auf ein Abfragesignal antworten. Dabei kann das Abfragesignal
auch ein gesweeptes Signal sein, um mit variierender Abfragefrequenz
alle Oberflächenwellentransponder
in gleicher Weise nacheinander abzufragen, woraus auch eine zusätzliche
zeitliche Codierung der elektromagnetischen Signale von den Oberflächenwellentranspondern
resultiert.
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Bei
der neuen Messanordnung können
auch Sensoren vorgesehen sein, bei denen ein Beschleunigungs-, Neigungs-,
Temperatur-, Druck-, Kraft- oder Verformungsmessfühler an
einen Oberflächenwellentransponder
angeschlossen ist oder in diesen integriert ist. Auf diese Weise
können
zusätzliche
Informationen mit der Sensoranordnung der neuen Messanordnung gewonnen
und an deren Empfängeranordnung übertragen
werden. Ein Sensor für
solch eine zusätzliche
Information kann gleichzeitig immer noch zur Positionsbestimmung
nach dem Laufzeitverfahren verwendet werden.
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Die
Empfängeranordnung
der neuen Messanordnung ist vorzugsweise im Umfangsbereich eines Bildschirms
angeordnet. Dies gilt insbesondere dann, wenn auf dem Bildschirm
Informationen dargestellt werden, die von der mit der Messanordnung
erfassten Stellung der Hand des Benutzers abhängen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der neuen Messanordnung weisen die Sensoren der Messanordnung eine
Klebstoffschicht zum Aufkleben auf die Haupt oder einen Fingernagel
der Hand des Benutzers auf. D.h., es gibt keinen eigentlichen Datenhandschuh
mehr, der die Messanordnung trägt und
gegenüber
der Hand des Benutzers anordnet.
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Da
es aber immer Vorteile bei der Benutzung eines kabellosen Datenhandschuhs
geben wird, weil dieser beispielsweise viel schneller an der Hand
des Benutzers anzubringen ist, als die einzelnen Sensoren der Sensoranordnung,
ist auch ein kabelloser Datenhandschuh mit einer Sensoranordnung,
die mindestens einen Oberflächenwellentransponder
aufweist, ein Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt ein Prinzipschaltbild
eines als Oberflächenwellentransponder
ausgebildeten Sensor, dessen elektromagnetisches Signal als Antwort auf
ein Abfragesignal in bestimmter Weise codiert ist.
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2 zeigt einen Sensor mit
einem Oberflächenwellentransponder
dessen elektromagnetisches Signal als Antwort auf ein Abfragesignal
durch einen externen Messfühler
variiert ist.
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3 zeigt eine Ausführungsform
der neuen Messanordnung, bei der die Sensoren direkt an einer Hand
eines Benutzers angebracht sind.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Oberflächenwellentransponder,
die bei der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen, sind grundsätzlich bekannte
elektronische Bauteile. Mit dem Begriff Oberflächenwellentransponder wird hier
auf alle bekannten technischen Möglichkeiten dieser
elektronischen Bauteile Bezug genommen. Das Grundprinzip eines Oberflächenwellentransponders
besteht darin, dass ein hochfrequenter Abfrageimpuls von einer Antenne
des Oberflächenwellentransponders
empfangen wird, dass das empfangene elektromagnetische Signal in
eine akustische Welle umgewandelt wird, die einen definierten Weg
läuft und
danach wieder in eine elektromagnetische Welle umgewandelt und in
Form eines elektromagnetischen Signals als hochfrequente Antwort
auf das Abfragesignal zurückgesandt
wird. Zur Rückwandlung der
akustischen Welle in eine elektromagnetische Welle und zur Abstrahlung
als elektromagnetisches Signal kann eine zweite Einheit aus Wandler
und Antenne vorgesehen sein. Vorzugsweise handelt es sich aber um
denselben Wandler und dieselbe Antenne, mit denen das Abfragesignal
empfangen und in ein akustisches Signal umgewandelt wurde. D.h., der
Weg der akustischen Welle wird durch mindestens eine Reflektion
umgekehrt, so dass er zu demselben Wandler und derselben Antenne
zurückführt. Das
elektromagnetische Signal als Antwort auf das Abfragesignal kann
auf verschiedene Weise modifiziert werden. So kann die Temperatur
des Materials, durch das der Weg der akustischen Welle verläuft die effektive
Weglänge
verändern.
Aus dem Stand der Technik sind diesbezüglich verschiedenste Möglichkeiten
bekannt.
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1 zeigt ein Prinzipschaltbild
zur Abfrage eines Oberflächenwellentransponders 1,
der als Sensor 2 bei der neuen Messanordnung Verwendung
finden kann. Der Oberflächenwellentransponder 1 weist eine
Antenne 3 auf, an die ein interdigitaler Wandler 4 angeschlossen
ist. Der Wandler 4 wandelt eine einfallende elektromagnetische
Welle in eine akustische Welle und in umgekehrter Richtung eine
akustische Welle in eine abgestrahlte elektromagnetische Welle. Die
akustische Welle läuft
einen piezoelektrischen Kristall 5, bei dem es sich um
einen Einkristall handelt, in Richtung zu dessen Ende 6 entlang
und wird auf diesem Weg an Reflektoren 6 jeweils teilweise
zu dem Wandler 4 zurückreflektiert.
Wenn eine Abfrage- und Empfängereinrichtung 8 über eine
Antenne 9 ein hochfrequentes Abfragesignal 10 an
den Oberflächenwellentransponder 1 sendet,
erhält
sie von diesem ein elektromagnetisches Signal 11 als Antwort zurück, das
aufgrund des physikalischen Aufbaus des Oberflächenwellentransponders 1 in
bestimmter Weise codiert ist, wobei insbesondere die Anordnung der
Reflektoren 7 entscheidend ist. Aus der Zeitverzögerung zwischen
dem Abfragesignal 10 und dem elektromagnetischen Signal 11,
d.h. der Signallaufzeit, kann der Abstand zwischen der Abfrage-
und Empfängereinheit 8 und
dem Oberflächenwellentransponder 1 bestimmt
werden. Eine auf einem Dopplereffekt basierende Frequenzverschiebung des
Antwortsignals 11 ist zur Bestimmung der Geschwindigkeit
des Oberflächenwellentransponders auswertbar.
Durch die charakteristische Form des elektromagnetischen Signals 11 des
Oberflächenwellentransponders 1 können mit
einem Abfragesignal 10 mehrere Oberflächenwellentransponder 1, d.h.
mehrere Sensoren 2 gleichzeitig abgefragt werden. Die Antworten
der verschiedenen Wellentransponder 1 sind durch die Charakteristika
ihrer elektromagnetischen Signale 11 trennbar. Daneben
sind auch andere Codierungsmöglichkeiten
für die
Antworten einer Mehrzahl von Oberflächenwellentranspondern 1 auf
ein Abfragesignal 10 möglich,
wie sie bereits oben in der Beschreibung der Erfindung angesprochen
wurden.
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In 2 ist eine andere Ausführungsform
eines Sensors 2 mit einem Oberflächenwellentransponder 1 skizziert.
Hier ist neben dem Oberflächenwellentransponder 1 ein
Messwertfühler 12 vorgesehen,
der mit einer variablen Lastimpedanz auf einen zusätzlichen
elektrischen Wandler 13 einwirkt. Der elektrische Wandler 13 ist
einer der Reflektoren 7 und wird in seinen Reflexionseigenschaften
für die
akustische Welle, die den piezoelektrischen Kristall 5 entlag
läuft,
von der Lastimpedanz des Messwertfühlers 12 bestimmt.
Der Messwertfühler 12 kann
beispielsweise eine Kraft oder auch irgendeine sonstige Größe erfassen.
Für die
Temperaturerfassung wäre
ein zusätzlicher
Messwertfühler 12 nicht
unbedingt notwendig, weil sich auch die Eigenschaften des piezoelektrischen
Kristalls 5 mit der Temperatur in signifikanter Weise ändern können. Auch
für eine
Druckmessung kann in bekannter Weise von den sich ändernden
Eigenschaften des piezoelektrischen Kristalls durch eine Verformung
desselben Gebrauch gemacht werden. Entsprechend ist auch eine Kraftmessung
ohne einen zusätzlichen
Messwertfühler 12 möglich, wenn
die Kraft den piezoelektrischen Kristall 5 elastisch verformt.
Der Messwertfühler 12 ermöglicht es
aber auch, noch andere Messwerte zu erfassen und mit Hilfe des Oberflächenwellentransponders 1 aus
der Entfernung abzufragen.
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3 zeigt eine vollständige Messanordnung 14 gemäß der vorliegenden
Erfindung, die eine Sensoranordnung 15 an einer Hand 16 eines
hier nicht weiter dargestellten Benutzers und eine Empfängeranordnung 17 aufweist.
Die Messanordnung 14 umfasst hier drei Abfrage- und Empfängereinrichtungen 8,
welche untereinander beabstandet im Randbereich eines Bildschirms 18 angeordnet
sind. Die Abfrage- und Empfängereinrichtungen 8 sind
an eine Auswerteeinrichtung 19 angeschlossen. Die Sensoren 2 der
Sensoranordnung 15 sind an definierten Stellen auf die
Haut und die Fingernägel
der Hand 16 aufgeklebt und weisen jeweils einen Oberflächenwellentransponder 1 auf.
Konkret bestehen hier alle Sensoren 2 ausschließlich aus
einem Oberflächenwellentransponder 1,
wie er in 1 skizziert ist.
Durch die Messung der Positionen aller Sensoren 2 bzw.
jedes Oberflächenwellentransponders 1 im Raum
und die Zuordnung dieser Positionen zu bestimmten Punkten der Hand 16 wird
die Lage und Stellung der Hand 16 im Raum mit der Messanordnung 14 gemäß 3 vollständig erfasst.
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- 1
- Oberflächenwellentransponder
- 2
- Sensor
- 3
- Antenne
- 4
- Wandler
- 5
- Kristall
- 6
- Ende
- 7
- Reflektor
- 8
- Abfrage-
und Empfänger
-
- einrichtung
- 9
- Antenne
- 10
- Abfragesignal
- 11
- Signal
- 12
- Messfühler
- 13
- Wandler
- 14
- Messanordnung
- 15
- Sensoranordnung
- 16
- Hand
- 17
- Empfängeranordnung
- 18
- Bildschirm
- 19
- Auswerteeinrichtung