DE19830359A1

DE19830359A1 - Räumliche Lage- und Bewegungsbestimmung von Körperteilen und Körpern, mittels einer Kombination von inertialen Orientierungs-Meßaufnehmern und Positionserfassungssensoriken

Info

Publication number: DE19830359A1
Application number: DE19830359A
Authority: DE
Inventors: Helge Zwosta
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 2000-01-20

Abstract

Es werden Methoden zur Gewinnung von geometrischen Bestimmungsgrößen der räumlichen Lage- und Bewegung von Körpern und Körperteilen vorgestellt. Alle diese Methoden beruhen auf einer Kombination von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern und Positionssensoriken. DOLLAR A Die geometrischen Bestimmungsgrößen sind z. B. DOLLAR A Position und Orientierung von Körper(teile)n, Körper(teil)punkte und Vektor-Repräsentanten von Körper(teile)n, Ursprung und Orientierung von Teilkoordinatensystemen. DOLLAR A Die inertialen Orientierungs-Messaufnehmer (auch Gyro genannt) können auf dem Kreisel-, Vibrationsgyro- oder dem Fibergyroprinzip beruhen. DOLLAR A Die Ausgestaltung der Positionssensoriken kann sich unterschiedlichster Methoden, wie Ultraschall, Feldstärkenmessung, optischen Abstands- Abbildungs- oder Triangulations-Prinzipien bedienen.

Description

Eine Vielzahl von Anwendungen wie:
Fernsteuerung von Maschinen und Instrumenten durch menschliche Gliedmaßen, Lage und Bewegungs kontrolle von Maschinen und Robotern, Bewegungskontrolle von Sportlern und in Rehabilitation befind lichen Patienten, Interaktion von Menschen mit virtuellen Umgebungen (Cyberspace), Umwandlung von Körperbewegungen in Musik und Lichteffekte (Entertainment), Erfassung von menschlichen Bewe gungsabläufen im Produktionsprozess, Training von komplexen manuellen Tätigkeiten, Lage- und Bewe gungskontrolle von Fertigungsteilen im Raum usw., stellt die Aufgabe der Positionserfassung von Kör perstellen, der Lagebestimmung von Körperteilen und Körpern, sowie deren Bewegungserfassung im Raum.

1) Stand der Technik und Nachteile

Die genannte Aufgabe wird derzeit im Sinne der Erfassung von menschlichen Körperbewegungen unter den Begriffen "Motion capture" (= Bewegungserfassung) oder "Body tracking" (= Spurverfolgung von Körperteilen mit nachfolgenden Methoden gelöst.

1.1) Magnetfeldmethoden

Die Lagebestimmung von Körperteilen mittels Magnetfeldern ist eine sehr häufig eingesetzte Methode. Es sei hier auf die Produkte der US-Firmen Polhemus Inc., Colchester, Vermont und Ascension Techno logy Corporation., Burlington, Vermont verwiesen.

Magnetfeldmethoden der genannten Firmen haben folgende Nachteile:

- Störanfälligkeit gegenüber Umgebungseisen und Fremdfelder
- eingeschränkter Erfassungsbereich, weil die Messgenauigkeit mit dem Abstand sinkt
- aufwendige und zeitraubende Sensorjustage.

1.2 Mechanische Gestänge und Gestelle

Am Körper befestigte Gestänge erfassen die Winkel von Körpergelenken.

Hier sei auf die Produkte der US-Firma Analogus Company, San Francisco, Californien verwiesen.

Bei dieser Lösung sind u. a. folgende Nachteile zu nennen.

- Die Gestänge sind für den Träger nicht komfortabel
- Das Anlegen des Gestänges ist sehr zeitraubend
- Eine Orientierungs- und Positionsangabe eines Einzelgliedes erfordert das Anlegen des gesamtem Gestänges und liefert nur indirekte Gelenkwinkelgrößen.

1.3) Kameraerfassung

Die Bewegungserfassung des menschlichen Körpers mit Kameras wird ebenfalls sehr häufig eingesetzt. An signifikanten Körperstellen werden hierbei reflektierende Markierungen angebracht und deren Bewe gungsverlauf von mindestens zwei Kameras aufgezeichnet und somit ihre räumliche Position berechnet. Dieses Verfahren dient in erster Linie der Erfassung eines kompletten Mehrgelenkkörpers.

Hier sind folgende Nachteile zu nennen

- Die Lagebestimmung eines einzelnen Körperteiles erfordert wie beim Gestänge die Erfassung aller übrigen Gelenke
- Beschränkter Erfassungsbereich, da die optischen Abbildungsgesetze gelten (Tiefenschärfe)
- Verdeckung durch den eigenen oder fremde Körper
- Genauigkeit sinkt mit dem Abstand.

1.4) Ultraschall

Ultraschall wird in der Medizin und Sportphysiologie zur Erfassung von Bewegungsabläufen des mensch lichen Körpers eingesetzt. Der Abstand wird aus der Laufzeit eines Ultraschallimpulses bestimmt. Nachteile sind:

- Die Orientierungsbestimmung einzelner Körperteile erfordert pro Körperteil drei Ultraschallsensoren, so daß für diese Aufgabe eine Unzahl von Sensoren an einem mehrgelenkigen Körper angebracht wer den müßten, was wiederum ein hohes Ausmaß an Signalorganisation (Multiplexing) und Codierung notwendig machen würde
- Abschattung von Ultraschallimpulsen bei mehrgliedrigen Körpern

1.5) Kombination aus inertialen Orientierung-Messaufnehmer und Ultraschall

InterSense Inc., Burlington, Massachusetts bietet derartige Systeme für die Erfassung der Orientierung und der Position von Körper(teile)n an mit ausschließlich körperexternem Bezug (Koordinatenssysteme) an. Dadurch bestehen die Nachteile:

- Die Erfassungsgenauigkeit von Details sinkt mit dem Abstand von der Bezugstelle
- Die Anwendung ist auf einen kleinen Bereich zumeist in geschlossenen Räumen beschränkt
- Bei Anwesenheit mehrerer Personen im Erfassungsbereich kann es zu Verdeckungen bzw. Abschattun gen zwischen Körper(teile)n und Referenzstellen oder gegenseitiger Beeinflussung der Sensoriken kom men.

Anmerkung

Im folgenden Text wird anstatt der Bezeichnung "inertiale Orientierungs-Messaufnehmer" meist der Be griff Gyro verwendet, wenn es nicht notwendig erscheint die abstrakte Funktionalität besonders hervor zuheben. Der Begriff Gyro ist heute interationaler Standard. (s.a. Definitionen und Begriffserklärungen)

2) Lagebestimmung eines Körpers im Raum, mittels 3-Achs-Gyro und Positionserfassung

Vorbemerkung: Unter "räumliche Lage" eines Körpers oder Körperteiles ist seine Position (Koordinaten eines ausgewählten Punktes) und die Orientierung (Winklelage zu einem Bezugssystem) zu verstehen. An einem Körper sei eine Positionssenorik und ein 3-Achs-Gyro (künftig mit 3A-Gyro abgekürzt) ange bracht (eine Beschreibung über Gyroausführungen folgt). Durch die Erfassung der Position eines defi nierten Körperpunktes K (= p_K(x_K, y_K, z_K)) und der drei Gyrowinkel ϕ, ψ, χ ist die räumliche Lage (s. Definition) eines Körpers völlig bestimmbar. Fig. 1 zeigt einen fest mit dem Körper 1.0 verbundenen 3A-Gyro 1.1 welcher die 3 Winkel ϕ, ψ, χ relativ zu seinem Ausgangszustand mißt (z. B. als Zeitintegral der Winkelgeschwindigkeitskomponenten bei Verwendung eines Fiber- oder Vibrationsgyros). Die Win kel sind in der Ausschnittsvergrößerung Fig. 1a dargestellt. Diese drei gemessenen Winkel ϕ, ψ, χ geben allerdings keine gute Vorstellung über die Orientierung des Körpers 1.0. Anschaulicher beschrie ben wird die Orientierung des Körpers 1.0 durch die Angabe von Vektoren p₁ˆ oder Einheitsvektoren e_u, e_v, e_w, des durch die Gyroachsen definierten Teilkoordinatensystemes T1 relativ zum Bezugssystem B0 (x, y, z). Die Umrechnung der Gyrowinkel ϕ, ψ, χ in die 9 kosinus der Winkel zwischen Bezugs- und Teilkoordinatensystem ist der einschlägigen Literatur zu entnehmen. (s. unten). Die Kombination von Positions- und Orientierungserfassung ermöglicht nun die Durchführung folgender Aufgaben:

Aufgabe 1

Die Definition der räumliche Lage des Körpers durch Angabe

- der Position eines festen Körperpunktes K und entweder
- der Orientierung der Einheitsvektoren der Gyroachsen e_u, e_v e_w oder
- der Orientierung der Körperachsen durch deren Einheitsvektoren e_ξ, e_η, e_ζ.

Aufgrund der als bekannt vorausgesetzten räumlichem Anordnung des Gyros 1.1 (Achsen u, v, w) relativ zu den Körperachsen ξ, η, ζ ist eine Transformation der durch Messung ermittelten Gyroorien tierung in die Körperorientierung möglich. Vorzugsweise wird man die Körperachsen ξ, η, ζ durch des sen Hauptträgheitsachsen repräsentieren.

Aufgabe 2

Definition der räumlichen Lage des Körpers durch Repräsentanten.

Repräsentanten sind Vektoren (Zeiger) welche die räumliche Lage eines Körpers durch die Angabe von funktionalen oder charakteristischen Koordinaten vertreten. Solche Repräsentanten können z. B. durch die Durchstoßpunkte der Körperhauptachsen oder durch die Verbindungsvektoren von Gelenklagerzent ren (wenn ein Körper durch Gelenke mit benachbarten Körpern verbunden ist) ausgedrückt werden. In Fig. 1 wird Repräsentant R₁ˆ durch die Durchstoßpunkte P1, P2 der Körperlängsachse durch die Ab schlußflächen 1.2 und 1.3 gebildet. Da der Körper in Fig. 1 einen elliptischen Querschnitt haben soll, kann man Repräsentant R₂ˆ durch die große Halbachse A (= Strecke P1-P3) definieren. Die Repräsen tanten R₁ˆ und R₂ˆ lassen sich aus den konstanten Vektoren p₁ˆ, p₂ˆ, p₃ˆ relativ zum Gyrokoordina tensystem T1 angeben. Durch Erfassung der Gyroorientierung (= Umrechnung der gemessenen Winkel ϕ, ψ, χ in die neun cos-Werte zwischen den Achsen von Gyro und Bezugssystem B0) und einer Körper stelle K (= p_K) - mittels einer Positionssensorik-, lassen sich die gyrobezogenen Vektoren p₁ˆ, p₂ˆ, p₃ˆ bei bekannter gegenseitiger Lage von K und dem Ursprung des Gyrosystems T1 (= Vektor r_GKˆ) in das Bezugssystem B0 transformieren.

p₁(t) = p_K(t) + D(t)*(p₁ˆ - r_GKˆ) (1.1)
p₂(t) = p_K(t) + D(t)*(p₂ˆ - r_GKˆ) (1.2)
p₃(t) = p_K(t) + D(t)*(p₃ˆ - r_GKˆ) (1.3)

* ist der Operator der die zeitabhängige Drehmatrix D(t) auf den Differenzvektor (p₁ˆ - r_GKˆ) anwendet. Die Drehmatrix D(t) wird aus den Winkelmesswerten des Gyros gewonnen.

Im Bezugssystem B0 lauten die beiden Repräsentanten R₁(t) und R₂(t) dann

R₁(t) = p₂(t) - p₁(t) (1.4)
R₂(t) = p₃(t) - p₁(t) (1.5).

Im Bezugssystem B0 ist der Körper 1.0 damit durch einen Ortsvektor (z. B. p₁(t)) und die beiden Reprä sentanten vollständig beschrieben.

Repräsentanten habe zwei vorteilhafte Eigenschaften.

a) Sie geben die Orientierung des Körpers im Bezugssystem an.
R₁(t) = Orientierung Längsachse
R₂(t) = Orientierung der großen Halbachse A des elliptische Längsquerschnittes,
b) Bei als Mehrgelenksystem aufgebauten Körpern können Repräsentanten einzelner Glieder als eine Kette von Zeigern dargestellt werden und auf diese Weise ein geometrisches Abbild des Gelenksystems liefern.

Aufgabe 3

Durch die Kombination von Positions- und Orientierungserfassung kann ein Teilkoordinatensystem defi niert werden, bezüglich dessen die Positionserfassung von zeitlich variablen Punkten erfolgen kann.

Aus r_iˆ wird also r_iˆ(t). In diesem Fall besteht also die Aufgabe darin, die im Teilkoordinatensystem T1 erfaßten Positionen r_iˆ(t) ins Bezugskoordinatensystem B0 zu transformieren.

Zur mathematischen Behandlung der vorgenannten Aufgaben sei auf die einschlägige Literatur z. B. "Großes Handbuch der Mathematik" Buch und Zeit VerlagsGmbH S. 554 bis 556 verwiesen.

3) Technische Realisierung

In diesem Abschnitt wird jener Stand der Technik beschrieben welcher die Voraussetzung für die erfin dungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe bietet. Im Sinne der Erfindung werden hier die aktuellsten Methoden auf den beiden - zur Lösung der Aufgabe - zu kombinierenden Gebieten "Inertiale Orientie rungs-Messaufnehmer" und "Positionserfassungssensoriken" vorgestellt.

3.1) Inertiale Orientierungs-Messaufnehmer

Die praktische Realisierung des Erfindungsgedankens ist auf diesem Gebiet erst durch die Entwicklung der Mikrotechnologie möglich geworden. Die benötigten Messaufnehmer haben erst in jüngster Zeit so kleine Dimensionen erhalten, daß eine störungsfreie Anbringung z. B. am menschlichen Körper möglich ist.

Man unterscheidet derzeit 3 Arten von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern die im folgenden wegen des branchenüblichen Sprachgebrauchs auch als Gyros bezeichnet werden.

3.1.1) Kreisel

Der kardanisch aufgehängte Kreisel stellt die älteste Form von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern dar. Er mißt die Winkelabweichung eines Außengehäuses von einer willkürlich eingestellten Ausgangs lage (z. B. zum Beginn der Rotation) in zwei Orientierungsachsen. Zur Bestimmung aller drei Raumach sen sind also zwei derartige Messaufnehmer nötig.

3.1.2) Vibrationsgyro

Der mikromechanische Vibrationsgyro mißt die Corioliskraft welche bei der Relativbewegung in einem rotierenden System entsteht. Dazu wird eine Mikromasse in hochfrequente Vibration versetzt (z. B. durch Piezoschwingelemente oder Magnetfelder). Bei Rotation des Systems um die Messachse wirkt nun eine senkrecht zum Winkelgeschwindigkeitsvektor gerichtete Corioliskraft auf die Mikromasse, wel che als Dehnung deren Aufhängung gemessen werden kann.

Der Vibrationsgyro liefert also nur ein Messsignal für die in seiner Achse gelegene Komponente des räumlichen Winkelgeschwindigkeitsvektors, so daß für die komplette Erfassung drei solche Messein heiten in "linear unabhängiger " Ausrichtung angebracht werden müssen (vorzugsweise orthogonal).

Die Bestimmung der gewünschten Winkellage muß dann noch mittels Zeitintegration der Winkelgesch windigkeitskomponenten erfolgen. Der erhaltene Winkel zu beliebiger Zeit t bemißt sich dann relativ zu der Achsausrichtung im Raum, welche zu Beginn der Messung t = 0 bestand.

3.1.3) Fibergyros (Lasergyros)

Fibergyros messen die Phasenverschiebung (Interferenz) zwischen zwei amplitudenmodulierten, in ent gegengesetzte Richtungen aufgespaltenen Lichtstrahlen in einer Fiberspule beim wiederzusammentref fen in Abhängigkeit der Winkelgeschwindigkeit der Spule.

Hier gelten im Prinzip die selben Meßbedingungen wie beim Vibrationsgyro: Die komplette Erfassung des Winkelgeschwindigkeitsvektors erfordert drei "linear unabhängig" ausgerichtetet Fiberspulen, die Winkellage bemißt sich relativ zu einer willkürlichen Anfangsorientierung und muß durch Zeitintergration gewonnen werden.

3.2) Positionserfassung

Folgende, zum Teil noch nicht in der Anwendung befindliche Positionserfassungsmethoden sind für die erfindungsgemäße Kombinationssensorik einsetzbar.

3.2.1) Licht 3.2.1.1) Laufzeit

Aus drei Abstandsmessungen zu unterschiedlichen Referenzstellen wird die räumliche Position gewon nen. Siehe hierzu Patent DE 44 11 218 C1 "Entfernungsmessgerät nach dem Laufzeitprinzip".

3.2.1.2) Flächendetektor, Positionsempfindliche Detektoren (PSD)

Die Position wird bei diesen Verfahren aus der Verschiebung markanter Punkte auf mindestens zwei räumlich zueinander definiert angeordneten positionsempfindlichen Abbildungsflächen gewonnen. Hier zu zählen auch die Auswerteverfahren mit CCD-Kameras.
Siehe hierzu die Patente und Offenlegungsschrift
DE 36 01 536 C1 "Anordnung zur Lagebestimmung eines Objektes"
DE 44 22 886 A1 "Verfahren und Einrichtung zur optischen Bestimmung räumlicher Positionen . . .".

3.2.1.3) Triangulation; Laserscanner

Die Triangulation beruht im wesentlichen auf der Bestreichung des Objektes mittels an verschiedenen Stellen im Raum angeordneten Fächerlasern mit unterschiedlichen Charakteristiken (z. B. Scan-Rate, Farbe, Modulationsfrequenz). Die Unterscheidung am Auftreffpunkt erlaubt die Winkellage des Meßob jektes zu den jeweiligen Standorten der Laserquellen zu erfassen. Bei Kenntnis der räumlichen Bezie hung der Laserquellen läßt sich die Meßobjektposition durch Triangulation gewinnen.
Siehe hierzu Patent und Offenlegungsschrift
US 4,912,643 "Position sensing apparatus"
DE 44 15 3'419 A1 "Positionsmesseinrichtung"

3.2.1.4) Phasendifferenz

Der Abstand wird aus der Phasenverschiebung von ausgesandtem und objektreflektierten, amplituden modulierten Laserstrahl gewonnen. Aus drei Abstandsmessungen zu unterschiedlichen Referenzstellen wird die räumliche Position bestimmt.
Siehe hierzu die Patente und Offenlegungsschrift
DE 35 27 918 C2 "Vorrichtung zum Feststellen eines Objektes . . ."
DE 40 27 990 C1 "Entfernungsmesser mit cw-moduliertem Halbleiterlaser"
DE 44 34 666 A1 "Sensor".

3.2.2.) Ultraschall 3.2.2.1) Ultraschall-Laufzeit

Die Ultraschall-Laufzeitmethode gehört zu den Standardmethoden der Abstandsbestimmung. Die Posi tionsbestimmung erfolgt hier aus drei Abstandmessungen zu unterschiedlichen Referenzstellen. Posi tionsgenauigkeiten von 1 mm³ sind dabei in einem Durchschnittsraum zu erzielen.

3.2.2.2) Ultraschall-Phasenverschiebung

Aus der Phasenlage von ausgesandtem zu zurückgestrahltem Signal ist ebenfalls eine Abstandsbestim mung möglich. Dabei kann die Reflexion natürlich, oder mit definierter Verzögerung von einem am Be stimmungsort angebrachten Ultraschallemitter erfolgen.

3.2.3) Felder 3.2.3.1) Körperbezogene Felder

Durch gezielt am Körper angeordnete, stromdurchflossene Spulen, oder elektrische Ladungen tragende Gebilde werden die Nachteile von extern erzeugten Magnetfelder eliminiert. Die Abstände sind hierbei auf den Extremitätenradius begrenzt und damit auch der abstandsabhängige Genauigkeitsschwund.

Felddeformationen durch Fremdeiseneinflüsse sind kaum gegeben.

3.2.3.2) (Quasi)skalare Felder

In der Technik kommen mindestens folgende drei Skalarfelder für die Lösung der erfindungsmäßigen Aufgabe in Frage: Die Schalldruckverteilung, die Leuchtstärkeverteilung und der Effektivwert eines (elektro)-magnetischen Wechselfeldes.

4) Patentschriften zu vorliegender Erfindung

4.1) Europa-Patent 0211 984 B1 Jaron Lanier: filed 19.Aug. 85
"Computer data entry and manipultion apparatus".
In Spalte 7, Zeile 5 bis 12 wird zwar die Verwendung eines "orientation sensor 92" beschrieben je doch betrifft keines der vorgeschlagenen Prinzipien einen inertialen Orientierungs-Messaufnehmern.

4.2) US-Patent 5,676,157 Kramer Priorität 26.Nov.1993
"DETERMINATION OF KINEMATIKALLY CONSTRAINED MULTIARTICULATED STRUCTURES".
Im US-Patent 5,676,157 wird im Zusammenhang mit den "Position Sensing Elements" nirgends ein inertialer Orientierungs-Messaufnehmern für die Lösung der Aufgabe erwähnt.
Die Erläuterung von "Postion Sensing Elements" (Spalte 3, Zeile 10 bis 20 und Zeile 38 bis 45) be schreibt ein Funktionspaar von Sender Tx und Empfänger Rx aber keine inerte Einzelorientierungs sensorik im Sinn eines inertialen Orientierungs-Messaufnehmers.

4.3) Offenlegungsschrift DE 196 32 273 A1 Zwosta Anmeldung: 09.08.1996
"Körpersensorik".
In der allgemeinen Formulierung der Anmeldung DE 196 32 273 A1 fallen inertiale Orientierungs- Messaufnehmern und deren genannte Kombination mit Positionssensoriken zwar unter die allge meinen Begriffe Sensorikteil, (Spalte 2, Zeile 45), Geometriesensorik und Geometrisensoriksystem in der Beschreibung und den Ansprüchen sind sie jedoch nicht explizit erwähnt oder beschrieben.

4.4) US-Patent 5,645,077, Foxlin, Filed Jun. 16, 1994
INERTIAL ORIENTATION TRACKER APPARATUS HAVING AUTOMATIC DRIFT COMPENSA TION FOR TRACKING HUMAN HEAD AND OTHER SIMILARY SIZED BODY.

Vorteile vorliegender Erfindung

Nach den bisherigen Darlegungen ergeben sich also die nachfolgend aufgezählten Vorteile gegenüber den bestehenden Methoden und Produkten:

- Detailauflösung ist unabhängig vom Erfassungsbereich
- Prädestiniert für die Ausbildung von Teilkoordinatensystemen
- Konzeptionell, keine Begrenzung des Erfassungsbereiches
- Einsatzmöglichkeit für Weltraumanzüge
- keine Störung von Bewegungen durch Gestänge
- Keine Störanfälligkeit gegen Fremdeisen und elektromagnetische Felder
- Sensorreduzierung bei der räumlichen Lagebestimmung von Mehrgelenksystemen (z. B. Skelett)

Wird für die Positionserfassung eines körpereigenen Koordinatenursprungs GPS (Global Positioning System) verwendet so kann die Lagebestimmung aller Körperteile (also eines kompletten Körpers) planetenweit erfolgen.

5) Ausführungsbeispiele

Fig. 2 und Fig. 2a geben einen Überblick über die prinzipielle Anordnung und Ausgestaltung der Kombination von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern und Positionssensoriken und die Fig. 3 und 3a zeigen zugehörige Details. In Fig. 2 ist im Rückenteil einer starren Weste 2.9 eine Kombina tionssensorik 2.0 aus Gyro und einem Teil der externen Positionssensorik 2.5/E angebracht, welche die räumliche Lagebestimmung der Weste 2.9 ermöglicht (s. oben "2. Lagebestimmung eines Körpers im Raum . . ."). Durch die Kombinationssensorik 2.0 wird außerdem das Körperhauptkoordinatensystem B0 repräsentiert. (Anm: Es liegt in der Natur der Sache, daß eine Positionssensorik im allgemeinen zwei Hauptanteile hat: einen generierend-emittierenden und einen empfangend-detektierenden Anteil. Be schreibt man eine Positionssensorik allgemein, so kann man wegen der Vielzahl von Methoden und Aus gestaltungen nicht von vornherein sagen an welcher Stelle sich welcher Funktionsteil - Emitter oder De tektor - befindet; dies entscheidet die spätere konkrete Ausgestaltung. Eine Positionssensorik kann außerdem mehrere Abstandssensoriken umfassen, welche entweder aus einer emittierenden Kompo nente und mehreren detektierenden Komponenten besteht, oder umgekehrt. Aufgrund der Vielgestaltig keit einer Positionssensorik werden nachfolgend die Begriffe Positionsanteil oder Teilpositionssensorik verwendet, wenn die abstrakte Beschreibung beide Funktionen - Emitter und Detektor - zuläßt, und wenn die Ausgestaltung offen läßt, ob es sich um eine ein- oder mehrteilige Komponente handelt).

In den "Flanken" der starren Weste 2.9 befinden sich die Teilpositionssensoriken 2.1 und 2.2 welche für die linke und die rechte Körperhälfte zuständig sind, und welche die körperbezogenen Teilkoordinaten systeme B1 und B2 definieren. An den Händen befinden sich nun zwei weitere Kombinationssensoriken 2.3 und 2.4 welche ebenfalls aus je einem Gyro und einem Positionsanteil bestehen. Diese beiden Kom binationssensoriken 2.3 und 2.4 ermöglichen einerseits die räumliche Lagebestimmung der beiden Hän de (z. B. r_P1(t), e_u1, e_v1, e_w1), und definieren andererseits je ein weiteres Unterkoordinatensystem (z. B. BP2, u2, v2, w2) über die Umrechnung der gemessenen Gyrowinkel ϕ, ψ, χ.

Aufgrund der prinzipiellen Anordnung kann nun die gestellte Aufgabe - nämlich die Bestimmung der räumlichen Lage eines Körperteiles (z. B. einer Hand) - auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen:

A) Auf direktem Weg

Durch direkte Positionsdetektion bezüglich des externen Koordinatensystems (s. Fig. 5). In einem begrenzten Erfassungsbereich in dem nur eine geringe Anzahl von Körperteilen von nur einer Person erfaßt werden soll, bietet sich eine Direktmessung an.

B) Auf indirektem Weg

Bezüglich eines externen Koordinatensystems 2.5/E (s. Fig. 2 und 2a) durch Addition der Vektoren:

r_HR(t) = r₀(t) + r_B1 + r_P1(t) (rechte Hand s. Fig. 3) bzw.
r_HL(t) = r₀(t) + r_B2 + r_P2(t) (linke Hand).

Aufgrund der starren Weste sind die beiden Vektoren r_B1 und r_B2 konstante Größen im Körperhauptko ordinatensystem B0. Bei einem größeren Erfassungsbereich mit mehreren Personen ist es vorteilhafter, wenn nicht gar unumgänglich nur jeweils eine signifikante Körperstelle einer Person zu erfassen und die räumlichen Lagen der interessierenden Körperteile körperbezogen zu bestimmen und deren Werte einer externen Weiterverarbeitung zuzuleiten, welche dann die gesamte "geometrische-kinematische Körper situation" relativ zum externen Koordinatensystem berechnet.

Diese Methode ist angezeigt, wenn sich z. B. mehrere Akteure auf einer großflächigen Bühne bewegen. Hier gibt es bei der Direkterfassung von Körperteilen Reichweitenprobleme, gegenseitige Abschattun gen, Identifikationsprobleme u.s.w. Ein weiteres Anwendungsfeld für die indirekte Methode ist das plane tenweite "body tracking" via GPS (Global Positioning System).

C) Körperkoordinatensystem B0 (x0, y0, z0)

Dieser Fall ist in der Sportphysiologie gegeben. Hier kommt es häufig darauf an die Bewegungsabläufe oder räumliche Lage der Körperteile von Sportlern zu erfassen. Dabei ist die Position des Sportler oft nicht von Interesse. In solch einem Fall kann also die der externe Bezug entfallen. Die räumliche Lage der Körperteile wird dann auf ein Körperhauptkoordinatensystem B0 bezogen, welches zu Beginn der Messung auf die Orientierung eines gewünschten Bezugssystems ausgerichtet werden kann. In diesem Anwendungsfall können die Daten entweder an eine entfernte Auswerteeinheit übermittelt, oder bis zur späteren Auswertung am Körper gespeichert werden. Im Fall C) entfällt somit die externe Positionssen sorik 2.5/E und damit auch der Positionsanteil der Kombinationssensorik 2.0 (s. Fig. 2).

Eine Form der praktischen Ausgestaltung der externen und körperbezogenen Positionserfassung der Kombinationssensoriken 2.0, 2.3 oder 2.4 kann mittels Ultraschall-Laufzeit-Abstandsmessung realisiert werden. Bei Kenntnis der gegenseitigen räumlichen Lage der drei Ultraschallempfänger 2.6, 2.7, 2.8 kann man aus den drei Abständen a_x, a_y, a_z in Fig. 2a (= Rückenansicht) die räumliche Position des zur Kombinationssensorik 2.0 gehörenden Ultraschallsenders ermitteln. Die Ultraschall-Laufzeit-Ab standsmessung ist Stand der Technik und deshalb nicht weiter erläutert (Es ist hier auf das Patent DE-Pat. 34 06 179 "Vorrichtung zum Messen der Lage und Bewegung wenigstens eines Messpunktes" und die Offenlegungsschrift DE 196 32 273 A1 "Körpersensorik" verwiesen). In den Fig. 2 und 2a können die drei Ultraschallempfänger auch in einer Ebene liegen (gestrichelte Variante von Ultraschallempfän ger 2.8). Alternativ zu der Ultraschall-Laufzeit-Abstands-Methode hätte auch eine der zitierten opti schen Messmethoden zur externen Positionserfassung von Kombinationssensorik 2.0 zur Anwendung kommen können.

Fig. 3 zeigt eine Ausschnittsvergößerung der rechten Oberkörperhälfte. Im Rücken des Trägers ist die Kombinationssensorik (Gyro plus Positionsanteil) 3.0 befestigt, welche die räumliche Lage der starren Weste 3.7 bezüglich eines externen Koordinatensystems bestimmbar macht und welche außerdem das Körperhauptkoordinatensystem B0 definiert. Um Verdeckungen bei der externen Positionserfassung entgegenzuwirken wird es sinnvoll sein eine zweite solche Kombinationssensorik oder nur einen zweiten Positionsanteil in räumlich definierter Beziehung zur ersten an der starren Weste 3.7 anzubringen. Es sei hier auch nochmals daraufhingewiesen, daß der Positionsanteil und der Gyro einer Kombinations sensorik nicht in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht zu sein brauchen. In den Flanken der starren Weste 3.7 sind die drei Ultraschallempfänger 3.1, 3.2, 3.3 so angeordnet, daß sie ein Koordina tensystem B1 (x1, y1, z1) definieren können. Koordinatenursprung von B1 sei in Fig. 3 der Ultraschall empfänger 3.1, der auf Grund der Starrheit der Weste 3.7 durch den konstanten Vektor r_B1 mit dem Ur sprung des Körperhauptkoordinatensystems B0 verbunden ist.

An der rechten Hand des Trägers ist nun eine weitere Kombinationssensorik befestigt. Sie besteht aus dem Gyro 3.5 der auf dem Handrücken befestigt ist und einem Ultraschallsender 3.4 (= Positionsanteil) an der Handinnenfläche. Gyro 3.5 und Ultraschallsender 3.4 sind über eine starre Schale 3.6 miteinander verbunden, so daß eine eindeutige räumliche Beziehung zwischen dem Gyro 3.5 und dem Positionsanteil 3.4 besteht (s. Ausschnittsvergößerung Fig. 3a). Die räumliche Lage der starren Schale 3.6 - und da mit der rechten Hand - ist nun eindeutig bestimmt durch die vom Gyro 3.5 (nach Umrechnung) geliefer ten Orientierungsvektoren e_u1, e_v1, e_w1 und durch den von der Positionssensorik 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 ge lieferten Vektor r_P1(t). Der Vektor r_P1(t) wird mittels einer Ultraschall-Laufzeit-Abstandsmessung aus den Abständen a_x1 a_y1, a_z1 - wie bekannt - ermittelt. Da die Orientierung eines Gyros 3.5 frei durch seine "Anfangsorientierung" bestimmbar ist, müssen nur die Koordinaten von r_P1(t) auf das gewählte Bezugs system (B0 oder E) transformiert werden, denn es wird vorausgesetzt daß der Gyro 3.5 bei Messbe ginn auf das jeweilige Bezugssystem ausgerichtet wurde. Wird das externe Koordinatensystem E als Bezugkoordinatensystem gewählt, so lautet die Transformation

r_HR(t) = r₀(t) + r_B1 + r_P1(t).

Ist das Körperhauptkoordinatensystem B0 das gewählte Bezugssystem, so lautet die Transformation

r_HR(t) = r_B1 + r_P1(t).

Es wird angebracht sein an mehreren Stellen der Hand Positionsanteile - in bekannter geometrischer Be ziehung - anzubringen, um einer Abschattung entgegenzuwirken. Es versteht sich von selbst, daß anstatt des Körperteiles "Hand" die räumliche Lage jedes anderen Körperteiles mit der beschriebenen Methode bestimmt werden kann. Damit besteht die Möglichkeit der Erstellung einer geometrisch-kinematischen Abbildung eines beweglichen Körpers.

Mittels der Orientierungsvektoren e_u1, e_v1, e_w1 des Gyros 3.5 kann außerdem an jeder Stelle der starren Schale 3.6 ein Teilkoordinatensystem BP1 (u, v, w) definiert werden wie Fig. 3.a zeigt. Die Koordina ten von Punkten des Teilkoordinatensystems (z. B. Fingerkuppen in Fig. 3a) sind dann auf die Orien tierungsvektoren e_u1, e_v1, e_w1 und den gewählten Teilkoordinatenursprung OP1 zu beziehen.

In Fig. 4 ist eine Kombination von Magnetfeld und Gyro zur Lagebestimmung der Hände dargestellt. Um den Leib der Person ist eine stromdurchflossene starre Spule 4.1 befestigt, welche das Magnetfeld MF generiert. Diese Spule definiert durch ihre geometrische Ausgestaltung das Körperhauptkoordinatensys tem BO (x0, y0, z0), dessen räumliche Lage bezüglich eines externen Koordinatensystemes durch die Kombinationssensorik 4.2 aus 3A-Gyro und Positionsanteil erfaßt wird.

An den Händen der Person ist nun je ein Kombinationssensor 4.3 aus 3A-Gyro 4.4 und 3-Komponenten- Magnetfelddetektor 4.5 (im Folgenden 3K-Magnetfelddetektor genannt) angebracht. Die Orientierungs erfassung des Gyros 4.4 relativ zum Körperhauptkoordinatensystem B0 ermöglicht erst einen Bezug der drei am Messort "Hand" erfaßten Magnetfeldkomponenten. Es sei hier daran erinnert, daß ein Gyro auf ein beliebiges Bezugssystem durch seine "Startorientierung" ausgerichtet werden kann. Also wird man die Kombinationssensorik 4.3 vor Messbeginn achsparallel zum Körperhauptkoordinatensystem B0 (x0, y0, z0) ausrichten um die gemessenen Magnetfeldkomponenten in Bezug zu B0 zu setzen. In allgemeinster Form gilt für die Berechnung der magnetischen Feldstärke H(r) eines Leiters das Biot- Savartsche-Gesetz (s. z. B. "Kleine Enzyklopädie der Physik S. 86" Verlag Harry Deutsch)

dH = Jds × (r - s)/4π|r - s|³.

Daraus erhält man für eine kreisförmige Leiterschleife mit Koordinatenursprung im Kreismittelpunkt, Radius R₀ = s, Strom J, die Feldstärke H am Ort r (x₀, y₀, z₀), durch Intergration über die Leiter schleife

H = S Jds × (r - R₀)/4π|r - R₀|³ (2)

mit den Komponenten von H (S = Integralzeichen)

H_x = J/4π S{z₀R₀cosϕ/[(x₀ - R₀cosϕ)² + (y₀ - R₀sinϕ)² + z₀ ²)]^-3/2}dϕ (2.1)

H_y = J/4π S{(z₀R₀sinϕ/[(x₀ - R₀cosϕ)² + (y₀ - R₀sinϕ)² + z₀ ²)]^-3/2}dϕ (2.2)

H_z = J/4π S{(-y₀R₀sinϕ - x₀R₀cosϕ + R₀ ²)/[(x₀ - R₀cosϕ)² + (y₀ - R₀sinϕ)² + z₀ ²)]^-3/2}dϕ (2.3)

wobei die Integration über die Leiterschleife von ϕ = 0 bis ϕ = 2π zu erfolgen hat.

Allerdings gelten diese Beziehungen für die Magnetfeldkomponenten H_j relativ zum Spulenkoordinaten system B0 der felderzeugenden Spule.

In der Ausschnittsvergrößerung (Fig. 4a) sind die 3 orthogonalen Magnetfelddetektoren 4.6/H_u, 4.7/H_v, 4.8/H_w, durch ihre gemeinsame Unterbringung in einem Gehäuse fest an die Orientierungserfassung des 3A-Gyro 4.4 gebunden. Die Magnetfelddetektoren können auf verschiedenen Prinzipien basieren (z. B. dem magnetoresistiven oder dem Hall-Effekt-Prinzip). Die von den Detektoren gemessenen Magnetfeld komponenten H_u, H_v, H_w stehen jedoch in keiner Beziehung zum Spulenkoordinatensystem B0. Die Beziehung wird erst durch den 3A-Gyro 4.4 geliefert, der durch die gemeinsame Ausrichtung die Orien tierungswinkel a_mn des 3K-Magnetfelddetektors 4.5 bezüglich B0 erfaßt. Deshalb müssen die gemesse nen Feldkomponenten H_u, H_v, H_w einer Drehmatrix D(t) unterworfen werden, welche sie in die "richtige" Orientierung transformieren, also

H₀ = D(t).H₁ (3)

oder in Komponenten.

H_x(t) = a₁₁(t)H_u(t) + a₁₂(t)H_v(t) + a₁₃(t)H_w(t) (3.1)

H₀(t) = H_y(t) = a₂₁(t)H_u(t) + a₂₂(t)H_v(t) + a₂₃(t)H_w(t) (3.2)

H_z(t) = a₃₁(t)H_u(t) + a₃₂(t)H_v(t) + a₃₃(t)H_w(t) (3.3)

wobei die a_mn die kosinus der 9 Achswinkel zwischen Bezugs- und Gyrosystem sind.

Nachdem also die Magnetfeldkomponenten H_x, H_y, H_z bestimmt sind müssen aus ihnen über die Bezie hungen (2.1), (2.2), (2.3) die gesuchten Koordinaten (x₀, y₀, z₀) berechnet werden. Da eine analytische Methode zur Auflösung der Gleichungen (2.1), (2.2), (2.3) nach den gesuchten Koordinaten (x₀, y₀, z₀) nicht bekannt ist, kann man folgende Vergleichsmethode anwenden um die gesuchten Koordinaten zu erhalten. Man berechnet die Magnetfeldstärken einer Vielzahl von Positionen im Erfassungsbereich und überprüft sie teilweise durch Messung. Bei einem Erfassungsbereich von 2 × 2 × 2 m ergeben sich 8 000 000.3 gerechnete Werte für die Magnetfeldkomponenten, wenn man ein Erfassungsraster von 1 cm³ anstrebt. Die gesuchten Koordinaten (x₀, y₀, z₀) erhält man dann durch Vergleich von gemesse nen und berechneten Feldkomponenten. Zur Steigerung der Erfassungsgenauigkeit kann man im Nah bereich der Spule dann noch eine Feinauflösung mit Raster 1 mm³ ausführen (Berechnung von 10 × 10 × 10 × 3 = 3000 weiteren Feldkomponentenwerten). Um Rechenzeit zu sparen wird man bei der Ver gleichsbildung nicht den gesamten Erfassungsraster abtasten, sondern nur die unmittelbare Umgebung der zuletzt bekannten Position des Magnetfeldsensors. Dazu wird man zu Beginn der Messung von einer definierten Startposition ausgehen in der gleichzeitig die Ausrichtung der Gyroorientierung erfolgt. Die Magnetspulen 4.10 bis 4.14 zeigen weitere Anordnungsmöglichkeiten am Körper. Dabei können bei be kannter geometrischer Beziehung der Spulen, die verschiedenen Erfassungsbereiche der einzelnen Spu len optimal je nach Position der Hand ausgenutzt werden. Selbstverständlich müssen die einzelnen Spu len in schneller Abfolge nacheinander erregt werden (Multiplexing) oder es ist per Programm nur die Spule stromdurchflossen, welche die höchste Detektorauflösung für die aktuelle Position des 3-K-Mag netfeldsensors 4.5 liefert.

Die Methode ist auch im Nahbereich - z. B. über einem Tisch - anwendbar, wenn eine Bezugspule wie 4.1 am Bezugsobjekt (Tisch) befestigt ist, und der 3K-Magnetfelddetektoren sowie der 3A-Gyro am zu er fassenden Körper angebracht sind. (Ähnlich wie in Fig. 5). Anstelle des Magnetfeldes MF ist auch eine Kombination von 3A-Gyro und elektrischem Feld möglich. Der hierbei einzusetzende "Detektor" kann sowohl für eine Feldstärkemessung als auch eine Potentialmessung ausgestaltet sein.

Das folgende Ausführungsbeispiel kombiniert eine Magnetfeldmessung mit einer 3A-Gyro- und einer Ultraschall-Laufzeit-Abstandsmessung. Nach US-Patent 4,054,881 "Remote objekt position locater" ist die Position r(x, y, z) eines Punktes im Raum durch die Effektivwertquadrate P_i der Magnetfeldkom ponenten von mit Wechselstrom erregten, orthogonalen Leiterschleifen (loop antennas) durch die Gleichungen

P_z = 1/2.C²(ρ)[1/4(x/ρ)² + 1/4(y/ρ)² + (z/ρ)²] (4.1)

P_x = 1/2.C²(ρ)[(x/ρ)² + 1/4(y/ρ)² + 1/4(z/ρ)²] (4.2)

P_y = 1/2.C²(ρ)[1/4(x/ρ)² + (y/ρ)² + 1/4(z/ρ)²] (4.3)

verknüpft (für Abstände ρ < Leiterschleifendurchmesser). Es handelt sich also um ein Quasiskalarfeld im Sinne von 3.2.3.2).

Wobei man jede Komponente P_i aus den gemessenen Komponenten P_i/j eines orthogonalen 3-Kompo nenten-Felddetektors erhält, durch

P_z = P_z/u + P_z/v + P_z/w (5.1)

P_X = P_X/u + P_X/v + P_X/w (5.2)

P_Y = P_Y/u + P_z/v + P_Y/w (5.3).

Die Gleichungen (4.1), (4.2), (4.3) sind allerdings nur dann nach den gesuchten Koordinaten (x, y, z) aufzulösen, wenn der Abstand ρ zwischen den Bezugsleiterschleifen und der Messtelle durch Rechnung (s. US-Patent 4,314,251 Spalte 16) oder eine separate Abstandsmessung (z. B. durch Ultraschall) er mittelt wurde.

Fig. 5 zeigt nun eine Ausgestaltung eines Messplatzes zur Erfassung der räumlichen Lage von Körpern. Am zu erfassenden Körper 5.1 ist ein 3A-Gyro 5.2 angebracht, dessen Achsen r, s, t die räumliche Orientierung des Körpers 5.1 definieren. An anderer Stelle des Körpers 5.1 ist ein 3K-Magnetfelddetektor 5.3 befestigt, dessen als Spulen ausgeführte orthogonale Messaufnehmer U, V, W die genannten Feld komponenten P_i/j messen um daraus die Position des Spulenzentrums zu bestimmen. (Anm: In Fig. 5 werden statt Leiterschleifen Spulen verwendet, da sie perspektivisch besser darzustellen sind und die prinzipielle Funktion ebenso erfüllen). Der 3A-Gyro 5.2 und 3K-Magnetfelddetektor können - ähnlich wie in Fig. 4 - auch gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht sein. Im Zentrum der drei Spulen U, V. W befindet ein Ultraschallsender 5.4, welcher zusammen mit dem im Ursprung des Bezugssystems B0 be findlichen Ultraschallempfänger 5.5 den Abstand ρ ermittelt. Das Bezugssystem B0 (x, y, z) wird durch die orthogonale Anordnung des aus drei Erregerspulen X, Y, Z bestehenden Feldgenerators 5.6 gebildet, welcher das oszillierende Magnetfeld (= elektromagnetisches Feld) erzeugt. Die drei Erregerspulen wer den nacheinander von bekanntem Wechselstrom i durchflossen um die zur Positionsbestimmung am Körper 5.1 benötigen quadratischen Mittelwerte P_i der Magnetfeldstärken H messen zu können. Da die Position des Körpers aus drei nacheinander erregten Feldern bestimmt wird, muß der Wechsel auf die jeweils nächsterregte Spule natürlich in entsprechend kurzer Zeit erfolgen, um Toleranzen durch die Be wegung des Körpers möglichst gering zu halten. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist das Bezugssys tem im Zentrum eines Tisches 5.7 angeordnet, der durch diese Einrichtung als "virtuelle Werkbank" Ver wendung finden kann. Der Körper 5.1 kann auch ein mit einer Kombinationssensorik aus 3A-Gyro und 3K-Magnetfelddetektor versehener Datenhandschuh sein, der von einer an der "virtuellen Werkbank" tätigen Person getragen wird.

Statt der Ultraschallsensorik 5.4, 5.5 kann auch ein optisches Positionsverfahren zur Anwendung kom men. Das eben beschriebene Prinzip kann selbstverständlich auch am menschlichen Körper angewandt werden. Da die Magnetfelder in Fig. 4 und 5 nur auf relativ geringe Distanzen angewandt werden, ent fallen die sonst üblichen Nachteile des Genauigkeitsschwundes bei größeren Abständen. Die Positions erfassung mit Magnetfeldern oder elektromagnetischen Feldern kann noch mit anderen Methoden erfol gen (wie z. B. nach US-Patent 3,983,474). Im Falle elektromagnetischer Felder können zur Felddetek tion am Bestimmungsort auch elektrische Wechselfelddetektoren (= Antennen) zur Anwendung kom men.

Das Skelett des menschlichen Körpers stellt aus mechanischer Sicht ein mehrgliedriges Gelenksystem dar. Diese Tatsache kann man vorteilhaft ausnutzen um bei der räumlichen Lagebestimmung von meh reren Körperteilen oder dem ganzen Körper die Anzahl von Positionssensoriken oder Gyros zu reduzie ren, denn die Kenntnis der Zwangsbedingungen und der geometrischen Verhältnisse ersetzt in diesem Fall die durch direkte Messung fehlenden Bestimmungsgrößen.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel zur Einsparung von 3A-Gyros und Positionssensoriken bei der Lageerfassung von Körperteilen relativ zu einem externen Koordinatensystem E. In Fig. 6 genügen bereits zwei Kom binationssensoriken, nämlich 6.1 (Unterarm) und 6.2 (= Schlüsselbein) um die räumliche Lage der drei Körperteile Unterarm, Oberarm, Schlüsselbein zu bestimmen. Am Oberarm braucht kein Sensor ange bracht werden, da das Oberarmglied als starres Verbindungsstück die Gelenklagerzentren S₂ und U₁ mit den beiden Anschlußgliedern "Schlüsselbein" und "Unterarm" gemeinsam hat. Das menschliche Skelett bildet eine geschlossene Gliederkette vom Schlüsselbein bis zu den Fingerspitzen, welche durch Gelenke unterschiedlicher Freiheitsgrade miteinander verbunden sind. Nun kann man den Verbindungs vektor zwischen zwei Gelenklagerzentren als Repräsentant R_i eines Gliedes definieren. Man kann den Repräsentanten eines Gliedes bei Kenntnis der räumlichen Lage eines an ihm befestigten Kombinations sensors aus dessen Positions- und Orientierungswerten gewinnen. Platziert man nun Kombinationssen sor 6.1 derart, daß seine Achse ξ (= Einheitsvektor e_ξ) parallel zum Verbindungsvektor zwischen den Gelenklagerzentren U₁ und U₂ liegt, und bestimmt man die Abstände L_u1 und L_u2 so erhält man den Repräsentanten R_U des Unterarmes durch die Vektoren u₁ und u₂ zu:

u₁ = -(L_U1 e_ξ) (6.1)

und

u₂ = (L_U2 e_ξ) (6.2)

und damit

R_U = u₂ - u₁ = L_U2 e_ξ - [-(L_U1 e_ξ)] = (L_U2 + L_U1) e_ξ (6.3).

Die Ortsvektoren r_U1 und r_U2 zu den Gelenklagerzentren U₁ und U₂ erhält dann aus der Messung von Ortsvektor r_U und Orientierungswinkeln e_ξ von Kombinationssensor 6.1, sowie den Abständen L_u1 und L_u2, zu:

r_U1 = r_U + u₁ = r_U + L_U1 e_ξ (6.4)

r_U2 = r_U + u₂ = r_U - L_U2 e_ξ (6.5).

Das beschriebene Verfahren ist natürlich in analoger Weise für den Repräsentanten R_S des rechten Schlüsselbeines anwendbar und man erhält so die Ortsvektoren r_S1, r_S2 der Schlüsselbeingelenke. Da mit ist die räumliche Lage des Oberarmes - bis auf seine Drehung - durch die Ortsvektoren r_U1 und r_S2 miterfaßt.

Fig. 7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Erfassung der selben Glieder wie in Fig. 6. unter Ausnutzung der Gelenkstruktur. Im Unterschied zu Fig. 6 ist die räumliche Lage der Körperteile in Fig. 7 auf ein Körperhauptkoordinatensystem B0 bezogen. Dieses Körperhauptkoordinatensystem wird durch den Hauptkombinationssensor 7.0 gebildete der durch seinen Positionsanteil den externen Bezug herstellt und somit die Transformation der Körperteilkoordinaten auf ein externes System ermög licht. Die Positionssensorik zur Erfassung des Schlüsselbeines besteht aus 3 Ultraschallempfängern in definierter geometrischer Beziehung von denen nur zwei, nämlich 7.2 und 7.3 in Fig. 7 dargestellt sind. (Der dritte Ultraschallempfänger ist auf dem rechten Schulterblatt befestigt und in Fig. 7 nicht sicht bar). Die Positionssensorik zur Erfassung des Unterarmes besteht ebenfalls aus 3 in definierter geomet rischer Beziehung stehender Ultraschallempfänger 7.4, 7.5, 7.6. Der Hauptkombinationssensor 7.0 und die Ultraschallempfänger 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6. sind alle an der starren Weste 7.1 befestigt und stehen somit in bekannter geometrischer Beziehung. Die Positionsbestimmung der Kombinationssensoriken 7.7 (r_S0, Schlüsselbein) und 7.8 (r_U0, Unterarm) - deren Positionsanteil ein Ultraschallsender ist - erfolgt als Schnittpunkt von je 3 Kugeln (z. B. K4, K5, K6 für den Unterarm) mit Mittelpunkten in den bekannten Positionen der Ultraschallempfänger (z. B. für den Unterarm r_U4, r_U5, r_U6) und Radien aus den Ultra schall-Laufzeit-Abstandsmessungen (der Sachverhalt ist aus Platzgründen nur für den rechten Unterarm dargestellt, für das Schlüsselbein gelten selbstverständlich analoge Beziehungen). Die Orientierungs ausrichtung der Gyro-Anteile der Kombinationssensoriken 7.7 und 7.8 erfolgt wieder so, daß eine Gyro achse (z. B. e_ξ für den Unterarm) parallel zu den Gelenklagerzentren (z. B. U1 und U2 für den Unterarm) liegt. Bei bekannten Abständen (z. B. L_U1 und L_U2) der Kombinationssensoriken 7.7 und 7.8 sind die Koordinaten der Gelenklagerzentren S1(r_S1), S2(r_S2), U1(r_U1), U2(r_U2) und die Repräsentanten R_U und R_S wie unter den Gleichungen (6.1) bis (6.5) zu bilden. Die Vektoren sind jetzt allerdings auf das Körperhauptkoordinatensystem B0 bezogen und müssen, wenn benötigt mittels der Orientierungswinkel der Kombinationssensorik 7.0 und des Vektors r_EB0 auf ein externes Koordinatensystem transformiert werden. Die Gelenklagerzentren S2(r_S2) und U1(r_U1) definieren den Oberarm und ermöglichen seine Darstellung durch den Repräsentanten

R_O = r_S2 - r_U1 (7.0)

ohne an ihm eine Sensorik anbringen zu müssen.

Schließlich erhält man durch die Repräsentanten R_s, R_O, R_U und die Ortsvektoren r_S1, r_S2, r_U1, r_U2 nun ein Abbild der Schlüsselbein-Arm-Gliederkette zu:

r_S1 = r_S - L_S2e_Sη (7.1)

R_S = (L_S1 + L_S2)e_Sη (7.2)

r_S2 = r_S1 + R_S = r_S - L_S2e_Sη + (L_S1 + L_S2)e_Sη = r_S + L_S1e_Sη (7.3)

r_U1 = r_U + u₁ = r_U + L_U1 e_ξ (7.4)

R_O = r_S2 - r_U1 = r_S + L_S1e_Sη - L_U1 e_ξ (7.5)

r_U2 = r_u + u₂ = r_U - L_U2 e_ξ (7.6)

R_U = u₂ - u₁ = L_U2 e_ξ - [-(L_U1 e_ξ)] = (L_U2 + L_U1) e_ξ (7.7).

Abschließend soll die räumliche Lagebestimmung des Schlüsselbeines S1-S2 wegen seiner "verdeckten" Anordnung am Körper näher erläutert werden. Eine genaue Bestimmung der Gelenklagerzentren S1 und S2 ist von außen schwerlich möglich und für die meisten Anwendungen wohl gar nicht gefordert. Bei vie len Anwendungen geht es nur darum ein "Echtzeit-Gelenkmodell" zu erhalten, bei dem die Schulter zwar dazugehört jedoch keinen Genauigkeitsanforderungen unterworfen ist. (Im Gegensatz zu Steue rungsanwendungen der menschlichen Hand). Also genügt es für das Schlüsselbein in den meisten Fäl len den Kombinationssensor grob nach Augenmaß auf Orientierung auszurichten und die Abstände zu den Gelenken mit dem Zentimetermaß auszumessen. Um Abschattungen der Ultraschallimpulse im Schulterbereich zu vermeiden, ragen die Ultraschallempfänger 7.2, 7.3 weit genug über die die Ober fläche der starren Weste 7.1 hinaus. Außerdem können die Ultraschallempfänger 7.2, 7.3 - und der nichtsichtbare am Schulterblatt - zusätzlich die Positionsbestimmung der Unterarmkombinationssensorik 7.8 übernehmen, wenn bei gehobenem Arm der Erfassungsbereich der Ultraschallempfänger 7.4, 7.5, 7.6 abgeschattet ist.

6) Definitionen und Begriffserklärungen - Orientierung, Orientierungswinkel eines Körpers im Raum

Die Orientierung eines Körpers im Raum ist bestimmt durch die 9 kosinus der Winkel zwischen den Achsen eines Bezugssystemes und eines körper(teil)bezogenen Koordinatensystemes.

Diese Orientierung kann aus den drei Drehwinkeln der Körper(teil)achsen relativ zum Bezugssystem errechnet werden.

- Orientierungssystem ist der Bezugsrahmen für die Orientierung eines Körpers. Es ist sozusagen ein Koordinatensystem bei dem die translatorischen Komponenten fehlen.

- Räumliche Lage eines Körpers

Im Sinne vorliegender Erfindung ist die "räumliche Lage eines Körpers" bestimmt durch die Position (Koordinaten) eines bestimmten Körperpunktes (Translationskomponente) und die Orientierung seiner frei wählbaren Koordinatenachsen relativ zu einem Bezugssystem.

Die räumliche Lage eines Körpers kann durch verschiedene Vektorkombinationen ausgedrückt werden (z. B. durch Repräsentanten). Diese Definition soll nochmals verdeutlichen, daß unter dem Begriff "räumliche Lage eines Körpers" nicht nur seine Orientierung sondern auch seine Position zu verstehen ist.

- Positionssensorik

Eine Positionssensorik besteht im allgemeinen aus einem Generator- oder Emitterteil (z. B. Magnetfeld generator, Ultraschallemitter, Antenne usw.) und einem Detektorteil (z. B. ein Felddetektor, Ultraschall empfänger, Antenne usw.). Dabei ist nicht festgelegt, ob am dem Körper(teil) dessen Position zu bestim men ist ein Detektor- oder ein Emitterteil angebracht ist. Eine Positionssensorik kann aus mehreren Ge neratoreinheiten und/oder mehreren Detektoreinheiten bestehen. Hier zeigt sich deutlich, daß der Be griff Positionssensor für ein so komplexes Gebilde aus mindestens zwei Hauptkomponenten nicht aus reichend wäre.

- Positionsanteil, Teilpositionssensorik

Beschreibt man eine Positionssensorik allgemein, so kann man wegen der Vielzahl von Methoden und Ausgestaltungen nicht von vornherein sagen an welcher Stelle sich welcher Funktionsteil - Emitter oder Detektor - befindet. Eine Positionssensorik kann außerdem mehrere Abstandssensoriken umfassen, welche entweder aus einer emittierenden Komponente und mehreren detektierenden Komponenten besteht, oder umgekehrt. Es gibt Ausführungen, bei denen der an der Meßstelle befestigte Positionsanteil Detektorfunktion ausübt (z. B. Magnetfelddetektor in Fig. 4 und 5), es gibt aber auch Fälle bei denen er als Emitter oder Generator (z. B. Ultraschallemitter in Fig. 2 und 3) ausgeführt ist. Da eine Positionssensorik als Ganzes aus mehren Anteilen besteht, wird in dieser Patentanmeldung ganz allgemein von einer Teilpositionssensorik oder einem Positionsanteil gesprochen, wenn die ab strakte Beschreibung beide Funktionen - Emitter und Detektor - zuläßt und wenn die Ausgestaltung offen läßt, ob es sich um eine ein- oder mehrteilige Komponente handelt. Um eine Positionssensorik aufzu bauen sind also mindestens zwei Teilpositionssensoriken erforderlich.

- Inertialer Orientierungs-Messaufnehmer

Inertialer Orientierungs-Messaufnehmer ist eine Funktionseinheit, welche ihre Orientierung oder die Ori entierung des zu messenden Körpers auf ein beliebig festgelegtes Orientierungssystem bezieht. Ein idealer inertialer Orientierungs-Messaufnehmer unterliegt keinen Einflüssen von außen und muß seinen Bezug während der Messung auch nicht von außen erhalten (inert = träge, unbeteiligt, reaktionsarm).

- Gyro, 3A-Gyro

Gyro ist die Abkürzung für Gyroscope und bezeichnet technische Messgeräte zur Erfassung von Drehun gen. Im Sinne der Erfindung bezieht sich diese Drehungserfassung auf ein einmal festgelegtes Koordina tensystem bzw. Koordinatenachse. Da die Erfassung der räumlichen Orientierung eines Körpers drei Drehwinkel um die Koordinatenachsen erfordert benötigt man einen 3-Achs-Gyro, abgekürzt 3A-Gyro. Gyro ist im Sinne dieser Patentanmeldung auch die Bezeichnung für inertialer Orientierungs-Messauf nehmer.

- Kombinationssensorik

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter Kombinationssensorik eine Kombination von inertia lem Orientierungs-Messaufnehmer (Gyro) und einer Teilpositionssensorik verstanden.

- Repräsentant

Repräsentanten sind Vektoren (Zeiger) welche die räumliche Lage eines Körpers durch die Angabe von funktionalen oder charakteristischen Koordinaten vertreten. Solche Repräsentanten können z. B. durch die Durchstoßpunkte der Körperhauptachsen oder durch die Verbindungsvektoren von Gelenklagerzent ren (wenn ein Körper durch Gelenke mit benachbarten Körpern verbunden ist) ausgedrückt werden

- Ultraschallimpuls, Ultraschallsignal

In vorliegender Schrift stehen beide Begriffe für eine räumliche Störung die sich linear mit konstanter Geschwindigkeit in einem materiellen Medium ausbreitet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es fallweise sinnvoll sein dieser Störung eine Information mitzugeben (Signal) in anderen Fällen ist dies nicht erforderlich (Impuls). Der Begriff "Ultraschallsignal" soll nicht festlegen, daß die Störung eine Infor mation tragen muß, der Begriff "Ultraschallimpuls" soll dies nicht ausschließen.

- inertialer n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer, n-Komponentendetektor
die unbestimmte Dimensionsangabe in den Ansprüchen soll einen Schutz von Anwendungen welche andersdimensionale Räume als den 3-dimensionalen betreffen, nicht ausschließen. Dies ist z. B. eine Positions- und Richtungserfassung auf einer ebenen Tischplatte. Hier werden nur 2-dimensionale Sensoriken benötigt.
- Sensorik
die Endung "ik" zeigt an, daß es sich um eine übergeordnete Struktur handelt.
- kosinus ist Mehrzahl von cosinus.

Claims

1. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen dadurch gekennzeichnet,

- daß an mindestens einem Körperteil mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht sind,
- daß an einem Bezugskörperteil mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht ist,
- daß die Signale von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von min destens einer Positionssensorik mindestens einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden,
- daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position der an einem Körperteil bezw. dem Bezugskörperteil angebrachten inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und Teilpositionssensoriken sowie von repräsentativen Körperteil- bezw. Bezugskör perteilstellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein Körperteil bzw. das Bezugskörperteil bezogen sind -,
- daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einer Positionssensorik und den fallweise eingegeben Bestimmungs werten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen, relativ zu einem am Be zugskörperteil definierten Koordinatensystem errechnet:
- die Position und Orientierung von mindestens einem Körperteil oder
- mindestens einen Körperteilpunkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körperteil oder
- den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körperteil oder einem inertialen 3-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körperteilen, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den,
- daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen.

2. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet,

- daß an mindestens einem Körperteil mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht sind,
- daß an einem Bezugskörperteil mindestens eine Teilpositionssensorik und mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer angebracht sind,
- daß die Signale von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von min destens einer Positionssensorik mindestens einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden,
- daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position der an einem Körperteil bezw. dem Bezugskörperteil angebrachten inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und Teilpositionssensoriken sowie von repräsentativen Körperteil- bezw. Bezugskör perteilstellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein Körperteil bzw. das Bezugskörperteil bezogen sind -,
- daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einer Positionssensorik und den fallweise eingegeben Bestimmungs werten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen, relativ zu einem am Be zugskörperteil definierten Koordinatensystem und/oder relativ zu einer Bezugsorientierung errechnet:
- die Position und Orientierung von mindestens einem Körperteil oder
- mindestens einen Körperteilpunkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körperteil oder
- den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen 3-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körperteilen, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den,
- daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen.

3. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet,

- daß an mindestens einem Körperteil mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht sind,
- daß an einem Bezugskörperteil mindestens eine Teilpositionssensorik und mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer angebracht sind,
- daß mindestens eine am Bezugskörperteil angebrachte Teilpositionssensorik mit einer externen Teil positionssensorik zusammenwirkt,
- daß die Signale von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von min destens einer Positionssensorik mindestens einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden,
- daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position der an einem Körperteil bezw. dem Bezugskörperteil angebrachten inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und Teilpositionssensoriken sowie von repräsentativen Körperteil- bezw. Bezugskör perteilstellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein Körperteil bzw. das Bezugskörperteil bezogen sind -,
- daß die Datenverarbeitung aus der Signalen von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einer Positionssensorik und den fallweise eingegeben Bestimmungs werten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen, relativ zu einem externen Koordinatensystem oder einer Bezugsorientierung errechnet:
- die Position und Orientierung von mindestens einem Körperteil oder
- mindestens einen Körperteilpunkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körperteil oder
- den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen 3-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körperteilen, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den,
- daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen.

4. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körperteilen von Mehrge lenksystemen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet,

- daß an mindestens einem Körperteil mindestens ein inertialer 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens eine Teilpositionssensorik angebracht sind,
- daß an einem Bezugskörperteil oder/und körperextern mindestens eine Teilpositionssensorik ange bracht ist,
- daß die Signale von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von min destens einer Positionssensorik mindestens einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden,
- daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position der an einem Körperteil bezw. Bezugskörperteil angebrachten inertialen 3-Achs-Orientierungs-Mess aufnehmer und Teilpositionssensoriken sowie von repräsentativen Körperteil- bezw. Bezugskörperteil stellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Posi tion auf ein Körperteil bzw. das Bezugskörperteil bezogen sind -,
- daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einer Positionssensorik und den fallweise eingegeben Bestimmungs werten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen errechnet:
- die Position und Orientierung von mindestens einem Körperteil oder
- mindestens einen Körperteilpunkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körperteil oder
- den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen 3-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körperteilen, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den,
- daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen,
- daß die geometrischen Bestimmungsgrößen eines Körperteiles aus den Bestimmungsgrößen von min destens einem benachbarten Körperteil sowie der Kenntnis der Gelenkanordnung und/oder dessen Be wegungsmöglichkeiten sowie repräsentanten Körperteilmaßen gewonnen wird, und somit an mindes tens einem Körperteil mindestens eine Teilpositionssensorik oder ein inertialer 3-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer eingespart werden kann.

5. Eine Positionssensorik nach Anspruch 1, 2, 3, und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf dem Ultraschall-Laufzeit-Abstandsprinzip, dem Ultraschall-Phasenprinzip, einer magneti schen Feldstärkemessung, einer elektrischen Feldstärkemessung, einer elektromagnetischen Wechsel feldmessung, einer Strahlstärkemessung, einer Schalldruckmessung, einem optischen Abbildungsprin zip, einer Licht-Phasenverschiebung bzw. Interferenzprinzip, einem Licht-Laufzeit-Prinzip einem Licht strahl-Triangulationsprinzip oder einer geeigneten Kombination von mindestens zwei der genannten Ein zelprinzipien beruht.

6. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Positionssensorik auf dem Ultraschall-Laufzeit-Abstandsprinzip beruht,
- daß eine an einem Körperteil angebrachte Teilpositionssensorik ein Ultraschallsender/-empfänger ist,
- daß als Bezugskörperteil der Leib (Torus) eines Menschen oder Tieres verwendet wird,
- daß eine am Bezugkörperteil angebrachte Teilpositionssensorik aus mindestens 3 nicht in einer Linie angeordneten Ultraschallempfängern/-sendern besteht, welche untereinander und zum Bezugskörper teil in bekannter geometrischer Beziehung stehen.

7. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 3, 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Positionssensorik auf dem Ultraschall-Laufzeit-Abstandsprinzip beruht,
- daß eine an einem Körperteil angebrachte Teilpositionssensorik ein Ultraschallsender/-empfänger ist,
- daß als Bezugskörperteil der Leib (Torus) eines Menschen oder Tieres verwendet wird,
- daß eine am Bezugkörperteil angebrachte Teilpositionssensorik aus mindestens 3 nicht in einer Linie angeordneten Ultraschallempfängern/-sendern besteht, welche untereinander und zum Bezugskörper teil in bekannter geometrischer Beziehung stehen,
- daß eine weitere, am Bezugkörperteil angebrachte Teilpositionssensorik welche mit einer externen Teilpositionssensorik zusammenwirkt mindestens ein Ultraschallsender/-empfänger ist,
- daß eine externe Teilpositionssensorik aus mindestens 3 nicht in einer Linie angeordneten Ultraschall empfängern/-sendern besteht, welche in bekannterer geometrischer Beziehung stehen.

8. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern und/oder deren Körperteilen sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Positionssensorik auf den Ultraschall-Laufzeit-Abstandsprinzip beruht,
- daß eine an einem Körperteil angebrachte Teilpositionssensorik ein Ultraschallsender/-empfänger ist,
- daß als Bezugskörperteil der Leib (Torus) eines Menschen oder Tieres verwendet wird,
- daß eine am Bezugkörperteil oder extern angebrachte Teilpositionssensorik aus mindestens 3 nicht in einer Linie angeordneten Ultraschallempfängern/-sendern besteht, welche in bekannter geometrischer Beziehung stehen.

9. Eine Teilpositionssensorik nach Anspruch 6, 7, 8 oder 17, dadurch gekennzeichnet,

- daß die sendende (emittierende) Ultraschall-Teilpositionssensorik mit dem emittierten Ultraschallim puls gleichzeitig einen elektromagnetischen Triggerimpuls emittiert,
- daß die empfangende (detektierende) Ultraschall-Teilpositionssensorik zusätzlich über eine elektro magnetische Empfangskomponente verfügt,
- daß der empfangene elektromagnetische Triggerimpuls eine Laufzeitmessung des Ultraschallimpulses startet.

10. Eine Positionssensorik nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von Magnet feldern, oder mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von elektri schen Feldern, oder mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von elektromagnetischen Feldern besteht.

11. Eine Positionssensorik nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von Magnet feldern, oder mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von elektri schen Feldern, oder mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Mehrkomponentendetektor von elektromagnetischen Feldern besteht, und zur Positionsbestimmung bei jeder Felderzeuger-Detektor kombination zusätzlich eine Abstandsmesseinrichtung mitverwendet wird.

12. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körpertei len, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet,

- daß an mindestens einem Bezugskörper(teil) eine beliebige Anzahl, geeignet geformter, stromdurch flossener Spulen- oder Leiterschleifen angebracht ist, von denen jede ein magnetisches oder elektro magnetisches Feld erzeugt,
- daß die Spulen- oder Leiterschleifen durch ihre Ausgestaltung und/oder Anordnung ein Bezugskoordina tensystem definieren,
- daß an mindestens einem (weiteren) Körper(teil) mindestens ein inertialer n-Achs-Orientierungs-Mess aufnehmer und mindestens ein Mehrkomponentendetektor für magnetische oder elektromagnetische Felder angebracht sind,
- daß die Messignale von mindestens einem inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und von mindestens einem Mehrkomponentendetektor einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden,
- daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position von an beliebigen Körper(teil)en angebrachten inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und Mehrkomponentendetektoren sowie von repräsentativen Körper(teil)- bezw. Bezugskörper(teil)stellen eingegeben werden, - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein(en) Bezugskörper(teil), einen Körper bzw. ein Körperteil bezogen sind -,
- daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen n-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einem Mehrkomponentendetektor und den fallweise eingegeben Be stimmungswerten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen errechnet:
- die Position und Orientierung von mindestens einem Körper(teil) oder
- mindestens einen Körper(teil)punkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körper(teil) oder
- den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen n-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/oder Orientierungen von weiteren Körper(teile)n, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den,
- daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen.

13. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körperteilen eines Men schen, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine stromdurchflossene Bezugsspule oder -leiterschleife am Körper angebracht oder um den Leib eines Menschen gewickelt ist.

14. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körperteilen, eines Men schen, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß mehrere stromdurchflossene Bezugsspulen- oder -leiterschleifen in definierter geometrischer Bezie hung am menschlichen Körper angebracht sind und
- daß jede der Bezugsspulen oder-Leiterschleifen für einen anderen Erfassungsbereich der geometrisch zu registrierenden Körperteile zuständig ist.

15. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körpertei len, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen, dadurch gekennzeichnet,

- daß an mindestens einem Bezugskörper(teil) mindestens eine Einheit n linear unabhängig angeordne ter Erzeuger von (elektro)magnetischen Wechselfeldern angebracht ist,
- daß diese Einheit von n linear unabhängig angeordneten Erzeugern von (elektro)magnetischen Wech selfeldern ein Bezugskoordinatensystem definieren,
- daß an mindestens einem weiteren Körper(teil) mindestens ein inertialer n-Achs-Orientierungs-Mess aufnehmer und mindestens ein Mehrkomponentendetektor für (elektro)magnetische (Wechsel)felder an gebracht sind,
- daß die Signale des inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmers und des Mehrkomponentende tektors einer Signal- und Datenverarbeitung zugeführt werden,
- daß der Datenverarbeitung fallweise die nötigen Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position von an beliebigen Körper(teil)en angebrachten inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und Mehrkomponentendetektoren sowie von repräsentativen Körper(teil)- bezw. Bezugskörper(teil)stellen eingegeben werden - wobei die genannten Bestimmungswerte der Orientierung und/oder Position auf ein(en) Bezugskörper(teil), einen Körper bzw. ein Körperteil bezogen sind -,
- daß die Datenverarbeitung aus den Signalen von mindestens einem inertialen n-Achs-Orientierungs- Messaufnehmer und mindestens einem Mehrkomponentendetektor und den fallweise eingegeben Be stimmungswerten, mindestens eine von folgenden geometrischen Bestimmungsgrößen errechnet:
- die Position und Orientierung von mindestens einem Körper(teil) oder
- mindestens einen Körper(teil)punkt und/oder mindestens einen Repräsentanten von mindestens einem Körper(teil) oder
- den Ursprung und die Orientierung(swinkel) eines mit einem Körper(teil) oder einem inertialen n-Achs- Orientierungs-Messaufnehmer verbundenen Teilkoordinatensystems, sowie die Positionen und/ oder Orientierungen von weiteren Körper(teile)n, welche relativ zu diesem Teilkoordinatensystem erfaßt wer den,
- daß zu den errechneten geometrischen Bestimmungsgrößen auch die zeitlichen Ableitungen zählen.

16. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körpertei len, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen dadurch gekennzeichnet, daß in definierter geometrischer Beziehung zu der (den) Bezugsspule(n)- oder -leiterschleife(n) (entspre chend Anspruch 12, 13, 14) bezw. zu den n linear unabhängigen Erzeugern von (elektro)magnetischen Wechselfeldern (entsprechend Anspruch 15) ein inertialer n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und wahlweise zusätzlich mindestens ein Positionsanteil einer Positionssensorik - bestehend aus externen und körperbefestigten Komponenten - am Körper angebracht sind, wodurch die geometrischen Bestim mungsgrößen der relativ zum Körper (z. B. Torso) erfaßten Körperteile auf ein externes Koordinatensys tem oder ein ausgewähltes Orientierungssystem transformiert werden können.

17. Eine Positionssensorik nach einem der Ansprüche 12, 13, 14, 15, 16, dadurch gekennzeichnet,

- daß mindestens eine Abstandmeßeinrichtung welche auf dem Ultraschall-Laufzeit-Prinzip beruht zur Positionsbestimmung mitverwendet wird, und
- daß der(die) eine(n) Teil(e) der Abstandmeßeinrichtung in bekannterer geometrischer Beziehung zu der(n) Bezugsspule(n)-Leiterschleife(n) (entsprechend Anspruch 12, 13, 14) bezw. zu den n linear un abhängigen Erzeugern von (elektro)magnetischen Wechselfeldern (entsprechend Anspruch 15) stehen, und
der(die) andere(n) Teil(e) der Abstandmeßeinrichtung in bekannter geometrischer Beziehung zu dem(n) Mehrkomponentendetektor(en) steht(en), welche an einem Körper(teil) angebracht sind.

18. Eine Methode zur Bestimmung der räumlichen Lage von Körpern oder Körperteilen nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, dadurch gekennzeichnet,

- daß, die Signal- und die Datenverarbeitung am Körper oder einem Körperteil angebracht sind, und die Werte der geometrischen Bestimmungsgrößen über ein bidirektionales Bussystem einer anwendungs bezogenen Weiterverarbeitung zugeführt werden,
- daß über das bidirektionale Bussystem, von extern Daten an die körperbezogene Datenverarbeitung übermittelt werden können,
- daß das bidirektionale Bussystem sowohl leitungsgebunden als auch kabellos funktionieren kann.

19. Ein Gerät zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körperteilen nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von inertialem n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer und mindestens einem Teil einer Positionssensorik in einem Gerät zusammengefaßt sind.

20. Methode zur Steuerung von Geräten, Maschinen, Apparaten und Instrumenten durch Körperteile nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine - entsprechend den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17 - errechnete geo metrische Bestimmungsgröße körperexternen Geräten, Maschinen, Apparaten und Instrumenten zuge führt wird, und nach anwendungsbezogener Umwandlung diese Geräte, Maschinen, Apparate und Inst rumente steuert.

21. Eine Methode zur Erfassung der räumlichen Lage- und/oder Bewegung von Körpern oder Körpertei len, sowie der Ausbildung von Teilkoordinatensystemen dadurch gekennzeichnet, daß an einem Körper mindestens ein inertialer n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmer befestigt ist, und daß mindestens zwei Kameras die Position des inertialen n-Achs-Orientierungs-Messaufnehmers erfas sen, so daß in Verbindung mit einem geeigneten Rechenprogramm die räumliche Lage und Bewegung von ausgewählten Körperstellen bzw. Körperteilen bestimmt werden kann.