DE102012100337A1

DE102012100337A1 - Method for detecting forces and for transferring force information into haptic systems, involves capturing amount of acting force with one force sensor after exceeding predetermined threshold value

Info

Publication number: DE102012100337A1
Application number: DE201210100337
Authority: DE
Inventors: Christian Hatzfeld; Jacqueline Rausch; Sebastian Kassner
Original assignee: TECH UNI DARMSTADT VERTRETEN DURCH DEN PRAESIDENTEN; Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: TECH UNI DARMSTADT VERTRETEN DURCH DEN PRAESIDENTEN; Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-07-18

Abstract

The method involves capturing a force (2) acting on a force sensor (7) using a force measuring unit (1) with a force measuring area, where the captured force is converted into digital or analog force information data. The force measuring unit has another force sensor (8) with another force measuring area, where amount of the acting force is captured with latter force sensor. The amount of the acting force is captured with the former force sensor after exceeding a predetermined threshold value. The former force sensor captures static forces and the latter force sensor captures dynamic forces. An independent claim is included for a device for detecting forces and for transferring force information into haptic systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Kräften und zur Übertragung von Kraftinformationen in haptischen Systemen, wobei mit einer Kraftmesseinrichtung eine auf einen ersten Kraftsensor mit einem ersten Kraftmessbereich einwirkende Kraft erfasst wird, in digitale oder analoge Kraftinformationsdaten umgewandelt wird und diese Kraftinformationsdaten an eine Auswerteeinrichtung übertragen werden. The invention relates to a method for detecting forces and for transmitting force information in haptic systems, with a force measuring device detecting a force acting on a first force sensor with a first force measuring range, converting it into digital or analogue force information data and transmitting this force information data to an evaluation device become.

Haptische Systeme sind Einrichtungen, die haptische Eigenschaften von Objekten und Systemen an einem ersten Ort mit geeigneten technischen Mitteln erfassen und in Informationen und Kenngrößen umwandeln, um diese Informationen an einen zweiten Ort zu übertragen und dort ein künstliches haptisches Feedback zu erzeugen, das von einem Benutzer wahrgenommen werden kann. Optional können die von einem haptischen System erfassten Informationen und Kenngrößen auch gespeichert werden, um zu einem späteren Zeitpunkt die erfassten und gespeicherten haptische Eigenschaften von Objekten und Systemen erneut darstellen zu können. Haptische Systeme werden beispielsweise als integraler Bestandteil von Telepräsenz- und Teleaktionssystemen oder in Simulatorumgebungen genutzt. Sie sind als Trainingssysteme für Chirurgen und Zahnmediziner und teilweise schon als Operationssysteme für minimalinvasive Eingriffe im klinischen Einsatz. Haptic systems are devices that capture the haptic properties of objects and systems in a first location by appropriate engineering means and convert them into information and characteristics to transfer that information to a second location and generate an artificial haptic feedback from a user can be perceived. Optionally, the information and characteristics acquired by a haptic system can also be stored in order to be able to reproduce the captured and stored haptic properties of objects and systems at a later time. Haptic systems are used, for example, as an integral part of telepresence and teleaction systems or in simulator environments. They are used as training systems for surgeons and dentists and in some cases as surgical systems for minimally invasive interventions in clinical use.

Zum Erzeugen des dazu nötigen hochqualitativen haptischen Feedbacks werden besondere Anforderungen an derartige haptische Systeme gestellt, die mit herkömmlichen Kraftmesseinrichtungen nicht ohne Weiteres erfüllt werden können. So können (virtuelle) Räume oder Objekte mit harten, bzw. unnachgiebigen Oberflächen mit einfachen Kraftsensoren ohne größere Schwierigkeiten erfasst, bzw. abgetastet werden. Im Gegensatz dazu ist z.B. bei Operationssystemen der Körper eines Lebewesens in Abhängigkeit von dem jeweiligen Ort der Operation entweder weich und nachgiebig, falls es sich um Gewebe handelt, oder aber hart und unnachgiebig, falls es sich um Knochen und Knorpel handelt. To produce the necessary high-quality haptic feedback special requirements are placed on such haptic systems, which can not be readily met with conventional force measuring devices. Thus, (virtual) spaces or objects with hard or unyielding surfaces can be detected or scanned with simple force sensors without much difficulty. In contrast, e.g. in surgical systems, the bodies of a living organism, depending on the particular site of the operation, either soft and yielding, in the case of tissue, or hard and unyielding in the case of bone and cartilage.

Die nötigen Anforderungen an ein haptisches System ergeben sich aus diesen Eigenschaften des Interaktionsobjekts bzw. -raums und den Fähigkeiten und Eigenschaften der haptischen Wahrnehmung des Menschen. The necessary requirements for a haptic system arise from these properties of the interaction object or space and the capabilities and properties of the haptic perception of humans.

Es hat sich gezeigt, dass sich die Sinneswahrnehmungen und insbesondere auch die haptischen Wahrnehmungen eines Menschen in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen anpassen und es beispielsweise einem Operateur dadurch ermöglicht wird, während einer Operation in oder an einem Körper eines Lebewesens jederzeit ein sehr gutes haptisches Feedback zu erhalten, das an die jeweils aktuelle Aufgabe bzw. Tätigkeit angepasst ist. Diese Eigenschaft kann u.a. darauf zurückgeführt werden, dass ein Mensch bei der Wahrnehmung kleiner Kräfte nur verhältnismäßig kleine Änderungen benötigt, um einen Unterschied zwischen zwei kleinen Kräften festzustellen. Ist dagegen die wahrgenommene Kraft vergleichsweise groß, benötigt der Mensch auch eine größere Änderung der betreffenden Kraft, um einen Unterschied zwischen zwei verschiedenen, jeweils großen Kräften wahrnehmen zu können. Untersuchungen legen nahe, dass bei haptischen Wahrnehmungen eine für einen Menschen feststellbare Änderung in der Größenordnung von etwa 5 % bis 10 % bezogen auf den Grundreiz liegen muss. Ein weiteres Problem für die Kraftmessung in haptischen Systemen ergibt sich durch die hohe Dynamik der menschlichen Wahrnehmung und der Fähigkeit des Menschen, selbst Kräfte aufzubringen. Während im Bereich einer Fingerkuppe Kräfte im Bereich von wenigen mN wahrgenommen werden können, können die Finger eines Menschen einige 10 N Interaktionskraft aufbringen. It has been shown that the sensory perceptions and in particular also the haptic perceptions of a person adapt to the respective requirements and, for example, make it possible for a surgeon to receive a very good haptic feedback at any time during an operation in or on a body of a living being received, which is adapted to the current task or activity. This property can i.a. It can be traced back to the fact that a human needs only relatively small changes in the perception of small forces in order to detect a difference between two small forces. If, on the other hand, the perceived force is comparatively large, the person also requires a greater change in the force in question in order to be able to perceive a difference between two different, respectively large forces. Investigations suggest that in haptic perceptions, a change detectable for a human being must be on the order of about 5% to 10% of the basic stimulus. Another problem for force measurement in haptic systems is the high dynamics of human perception and the ability of humans to apply their own powers. While forces in the range of a few mN can be perceived in the area of a fingertip, the fingers of a human can apply some 10 N interaction power.

Technische Systeme und insbesondere Kraftsensoren sind derzeit nicht oder nur teilweise in der Lage, eine derartige Kraftmessbereichsabdeckung mit einer vergleichbaren Wahrnehmung und Genauigkeit zu ermöglichen. Dazu kommt die Problematik, die Messung ohne Beeinflussung durch hohe Interaktionskräfte durchzuführen. Technical systems and in particular force sensors are currently not or only partially able to enable such a force measuring range coverage with a comparable perception and accuracy. Added to this is the problem of carrying out the measurement without being influenced by high interacting forces.

Im Bereich der Kraftmessung dominieren Sensoren auf Basis des resistiven oder piezoelektrischen Wandlungsprinzips. Resistive Kraftmesssensoren weisen prinzipbedingt eine geringe Überlastfähigkeit auf, die durch konstruktionsaufwändige und damit kostensteigernde Maßnahmen für die Anwendung in haptischen Systemen kompensiert werden muss. Piezoelektrische Kraftmesssensoren können prinzipbedingt keine quasi-statischen Kraftsignale aufnehmen, was auch durch kostenintensive Auswertungselektronik nur bedingt kompensiert werden kann. Dadurch sind diese beiden Sensortypen nur eingeschränkt für die Konstruktion von Kraftaufnehmern für haptische Systeme nutzbar. In the field of force measurement, sensors based on the resistive or piezoelectric conversion principle dominate. Resistive force measuring sensors have a principle of low overload capacity, which must be compensated by design-consuming and thus cost-increasing measures for use in haptic systems. By principle, piezoelectric force measuring sensors can not record any quasi-static force signals, which can only be compensated to a limited extent by cost-intensive evaluation electronics. As a result, these two sensor types can only be used to a limited extent for the construction of force transducers for haptic systems.

Aus der Praxis sind neuere Systeme bekannt, die Kraftsensoren aufweisen, die auf der Basis eines piezoresistiven Messprinzips eine Kraftmessung erlauben, die hinsichtlich des Umfangs des Messbereichs und der Auflösung und Genauigkeit geeignete Eigenschaften für haptische Systeme aufweisen. Allerdings sind piezoresistive Messelemente prinzipbedingt nicht nur in einer einzigen Raumrichtung dehnungsempfindlich, so dass die Auswertung der konstruktiv aufwändigen Kraftsensoren eine komplexe Kalibration und Auswertung erfordert und mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist. From practice, newer systems are known, which have force sensors that allow on the basis of a piezoresistive measuring principle, a force measurement, which have in terms of the scope of the measuring range and the resolution and accuracy suitable properties for haptic systems. However, as a matter of principle piezoresistive measuring elements are not only susceptible to stretching in a single spatial direction, so that the evaluation of the structurally complex force sensors requires a complex calibration and evaluation and is associated with considerable expense.

Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Erfassung von Kräften und zur Übertragung von Kraftinformationen in haptischen Systemen, wobei mit einer Kraftmesseinrichtung eine auf einen ersten Kraftsensor mit einem ersten Kraftmessbereich einwirkende Kraft erfasst wird, in digitale oder in analoge Kraftinformationsdaten umgewandelt wird und diese Kraftinformationsdaten an eine Auswerteeinrichtung übertragen werden, dahingehend zu verbessern, dass mit einem möglichst geringen konstruktiven Aufwand ein möglichst großer Bereich von Kräften erfasst und gegebenenfalls nach einer Digitalisierung die Kraftinformationen möglichst einfach und zuverlässig übertragen werden können, um ein möglichst präzises haptisches Feedback erzeugen zu können. It is therefore considered to be an object of the present invention to provide a method for detecting forces and transmitting force information in haptic systems, wherein a force measuring device detects a force acting on a first force sensor with a first force measuring range, into digital or analog force information data is converted and this force information data are transmitted to an evaluation to improve to the effect that with as little design effort as large a range of forces detected and optionally after digitization, the force information can be transmitted as simply and reliably as possible, as precise as possible haptic feedback to be able to produce.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kraftmesseinrichtung einen zweiten Kraftsensor mit einem zweiten Kraftmessbereich aufweist, wobei der erste Kraftmessbereich größere Kräfte als der zweite Kraftmessbereich umfasst. This object is achieved in that the force measuring device comprises a second force sensor with a second force measuring range, wherein the first force measuring range comprises larger forces than the second force measuring range.

Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung von zwei verschiedenen Kraftsensoren der für haptische Systeme üblicherweise zweckmäßige und erfasste Kraftmessbereich auch bei einem Einsatz einfacher und damit kostengünstiger Kraftsensoren ausreichend gut abgedeckt werden kann, wenn spezifische Eigenschaften der menschlichen haptischen Wahrnehmung berücksichtigt werden. Damit kann weit entfernt von der Kraftmesseinrichtung ein haptisches Feedback erzeugen werden, das auch für Teleoperationen wie beispielsweise minimalinvasive chirurgische Eingriffe völlig ausreichend ist. Zu diesem Zweck wird der insgesamt erforderliche Kraftmessbereich in einen ersten Kraftmessbereich und einen zweiten Kraftmessbereich aufgeteilt und für jeden Kraftmessbereich ein geeigneter Kraftsensor verwendet. Wenn die jeweilige relative Auflösung der beiden Kraftsensoren näherungsweise die gleiche Größenordnung aufweist, weist der erste Kraftsensor, der dem ersten Kraftmessbereich mit den größeren Kräften zugeordnet ist, eine an die größeren Kräfte angepasste Auflösung auf. Im Gegensatz dazu kann der zweite Kraftsensor, der dem zweiten Kraftmessbereich mit den kleinen Kräften zugeordnet ist, ohne größeren konstruktiven oder verfahrenstechnischen Aufwand eine daran angepasste Auflösung aufweisen und wesentlich kleinere Änderungen der zu erfassenden Kräfte zuverlässig detektieren. Auf diese Weise kann jeden der beiden Kraftmessbereiche ein jeweils geeigneter Kraftsensor zugeordnet werden. It has been found that by using two different force sensors, the force measuring range which is usually suitable and recorded for haptic systems can be adequately covered even if simple and therefore cost-effective force sensors are used, if specific properties of human haptic perception are taken into account. This can produce a haptic feedback far away from the force measuring device, which is also completely sufficient for teleoperations such as minimally invasive surgical procedures. For this purpose, the total required force measuring range is divided into a first force measuring range and a second force measuring range, and a suitable force sensor is used for each force measuring range. If the respective relative resolution of the two force sensors has approximately the same order of magnitude, the first force sensor, which is assigned to the first force measuring range with the larger forces, has a resolution adapted to the larger forces. In contrast, the second force sensor, which is assigned to the second force measuring range with the small forces, can have a resolution matched to it without major constructive or procedural outlay and reliably detect substantially smaller changes in the forces to be detected. In this way, each of the two force measuring ranges can be assigned a respectively suitable force sensor.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass ein Betrag einer einwirkenden Kraft zuerst mit dem zweiten Kraftsensor erfasst wird, und erst nach einem Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes der Betrag der einwirkenden Kraft auch mit dem ersten Kraftsensor erfasst wird. Beispielsweise durch eine geeignete Anordnung der beiden Kraftsensoren kann sichergestellt werden, dass zuerst der zweite Kraftsensor mit der absolut betrachtet höheren Auflösung innerhalb des zweiten Kraftmessbereichs die in diesen Kraftmessbereich fallenden kleineren Kräfte erfasst, bevor anschließend auch der erste Kraftsensor in dem zugeordneten ersten Kraftmessbereich bei größeren Kräften aktiviert und für die Erfassung der einwirkenden Kräfte herangezogen bzw. ausgewertet wird. Die beiden Kraftsensoren werden also entsprechend dem jeweiligen Kraftmessbereich eingesetzt. According to an advantageous embodiment of the inventive concept it is provided that an amount of an acting force is detected first with the second force sensor, and only after exceeding a predetermined threshold value of the amount of the applied force is detected with the first force sensor. For example, by a suitable arrangement of the two force sensors, it can be ensured that first the second force sensor with the absolutely higher resolution within the second force measuring range detects the smaller forces falling in this force measuring range, before the first force sensor in the associated first force measuring range subsequently also with larger forces is activated and used or evaluated for the detection of the acting forces. The two force sensors are thus used according to the respective force measuring range.

Die beiden Kraftmessbereiche weisen zweckmäßigerweise einen geringen Überschneidungsbereich auf, wobei der eine Kraftmessbereich kleine und der andere Kraftmessbereich große Kräfte möglichst gut abdeckt. Der Schwellwert wird zweckmäßigerweise so vorgegeben, dass er in dem Überschneidungsbereich der beiden Kraftmessbereiche liegt, so dass eine kontinuierliche Abdeckung des gesamten Messbereichs bei der Erfassung der einwirkenden Kräfte durch mindestens einen der beiden Kraftsensoren gewährleistet wird. The two force measuring ranges expediently have a small overlap region, with one of the force measuring regions covering small forces as well as the other force measuring region as well as possible. The threshold value is expediently set such that it lies in the overlapping area of the two force measuring areas, so that continuous coverage of the entire measuring area is ensured by the detection of the acting forces by at least one of the two force sensors.

Es hat sich gezeigt, dass es sowohl im Hinblick auf die zur Verfügung stehenden Kraftsensoren als auch für die Erzeugung eines haptischen Feedbacks vorteilhaft ist, wenn der erste Kraftmessbereich Kräfte größer 1 N (Newton) umfasst und der zweite Kraftmessbereich Kräfte kleiner 1 N umfasst. In Anlehnung an die Möglichkeiten und Auflösung des menschlichen Tast- und Kraftwahrnehmungsbereichs können dann einerseits mit dem zweiten Kraftsensor kleine Kräfte in einem Bereich zwischen einigen wenigen mN bis zu etwa einem N und mit einer Auflösung von üblicherweise einigen wenigen mN sowie andererseits mit dem ersten Kraftsensor große Kräfte in einem Bereich zwischen etwa 1 N bis zu 100 N oder mehr mit einer Auflösung zwischen 0,1 N und 1 N erfasst werden. Die Auflösung von einigen wenigen mN des zweiten Kraftsensors ist in dem Kraftmessbereich für größere Kräfte nicht erforderlich und deshalb auch nicht vorgesehen. Die konstruktiven Anforderungen an die Kraftmesseinrichtung, die aus zwei geeigneten, jedoch verschiedenen Kraftsensoren zusammengesetzt ist, werden dadurch ebenso verringert wie der nach einer Digitalisierung der Kraftmesswerte anfallende Datenstrom, der zu der Auswerteeinrichtung übertragen werden muss, um ein haptisches Feedback zu erzeugen. It has been found that it is advantageous both with regard to the available force sensors and for the generation of haptic feedback when the first force measuring range comprises forces greater than 1 N (Newton) and the second force measuring range comprises forces of less than 1 N. Based on the possibilities and resolution of the human tactile and force perception area, small forces in a range between a few mN up to about an N and with a resolution of usually a few mN on the one hand and on the other hand with the first force sensor on the one hand with the second force sensor large Forces in a range between about 1 N up to 100 N or more with a resolution between 0.1 N and 1 N are detected. The resolution of a few mN of the second force sensor is not required in the force measuring range for larger forces and therefore not provided. The design requirements for the force measuring device, which is composed of two suitable but different force sensors are thereby reduced as well as the resulting after digitization of the force measurements data stream, which must be transmitted to the evaluation to produce a haptic feedback.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der erste Kraftsensor im Wesentlichen statische Kräfte erfasst und dass der zweite Kraftsensor im Wesentlichen dynamische Kräfte erfasst. Der erste Kraftsensor, der beispielsweise auf Grund des verwendeten Messprinzips nur statische Kräfte oder quasistatische Kräfte mit einer Frequenz bis etwa 50 Hz erfassen kann, könnte hinsichtlich seiner Messeigenschaften dem kinesthetischen Bereich der haptischen Wahrnehmung eines Menschen zugeordnet werden. Der zweite Kraftsensor, der auf Grund eines anderen verwirklichten Messprinzips beispielsweise dynamische Kräfte in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 1000 Hz erfassen kann, könnte dagegen dem taktilen Bereich der haptischen Wahrnehmung eines Menschen zugeordnet werden. It is preferably provided that the first force sensor detects substantially static forces and that the second force sensor detects substantially dynamic forces. The first force sensor, for example, due to the measuring principle used only static forces or quasi-static Forces with a frequency of up to about 50 Hz could be assigned to the kinesthetic area of the haptic perception of a person with regard to its measuring properties. By contrast, the second force sensor, which, for example, can detect dynamic forces in a frequency range from 10 Hz to 1000 Hz on the basis of another measuring principle implemented, could be assigned to the tactile area of the haptic perception of a person.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der erste Kraftsensor mindestens eine Richtung der Krafteinwirkung erfasst. Der für die Erfassung von großen Kräften geeignete erste Kraftsensor kann beispielsweise einen oder auch mehrere Verformungskörper aufweisen, dessen, bzw. deren Verformung durch verformungsempfindliche Messelemente erfasst werden kann. Durch eine geeignete Ausgestaltung des Verformungskörpers und eine geeignete Anordnung der dehnungsempfindlichen Messelemente können Kräfte und gegebenenfalls die dazugehörigen Momente in allen drei Raumrichtungen ermittelt werden. Damit kann eine für einen Menschen als richtungsabhängig wahrgenommene Kraft erfasst und (ggf. zeitversetzt) dargestellt werden, ohne dass diese Funktion auch vom zweiten Kraftsensor mit geringerem Nennbereich erfüllt werden muss. According to an advantageous embodiment of the inventive concept it is provided that the first force sensor detects at least one direction of the force. The first force sensor suitable for the detection of large forces may, for example, have one or more deformation bodies whose or their deformation can be detected by deformation-sensitive measuring elements. By means of a suitable design of the deformation body and a suitable arrangement of the strain-sensitive measuring elements, forces and optionally the associated moments in all three spatial directions can be determined. In this way, a force perceived as direction-dependent for a human can be detected and displayed (possibly with a time delay), without this function also having to be fulfilled by the second force sensor with a smaller nominal range.

Um im Rahmen von Simulationen insbesondere für Forschung und Lehre die haptischen Eindrücke erneut wiedergeben zu können ist vorgesehen, dass die digitalen oder analogen Informationsdaten zeitaufgelöst gespeichert werden. Durch ein Abrufen der Kraftinformationsdaten kann zu einem späteren Zeitpunkt das haptische Feedback erneut erzeugt und beispielsweise im Rahmen einer Trainingsumgebung für Chirurgen zur Verfügung gestellt werden. In order to be able to reproduce the haptic impressions within the framework of simulations, in particular for research and teaching, it is provided that the digital or analogue information data is stored time-resolved. By retrieving the force information data, the haptic feedback can be generated again at a later time and provided, for example, as part of a training environment for surgeons.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Erfassung von Kräften und zur Übertragung von Kraftinformationen in einem haptischen System mit einer Kraftmesseinrichtung, die einen ersten Kraftsensor mit einem ersten Kraftmessbereich aufweist, mit einer Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung der mit der Kraftmesseinrichtung gemessenen Kräfte in digitale Signale, und mit einer Übertragungseinrichtung zur Übertragung der digitalen Signale zu einer Auswerteeinrichtung. Erfindungsgemäß weist bei dieser Vorrichtung die Kraftmesseinrichtung einen zweiten Kraftsensor mit einem zweiten Kraftmessbereich auf, wobei der erste Kraftmessbereich größere Kräfte als der zweite Kraftmessbereich umfasst, und wobei der zweite Kraftsensor an der Kraftmesseinrichtung derart angeordnet ist, dass eine zu erfassende Kraft nur über den zweiten Kraftsensor auf den ersten Kraftsensor einwirken kann. The invention also relates to a device for detecting forces and for transmitting force information in a haptic system with a force measuring device which has a first force sensor with a first force measuring range, with a conversion device for converting the forces measured by the force measuring device into digital signals, and with a transmission device for transmitting the digital signals to an evaluation device. According to the invention, in this device, the force measuring device has a second force sensor with a second force measuring range, wherein the first force measuring range greater forces than the second force measuring range, and wherein the second force sensor is arranged on the force measuring device such that a force to be detected only via the second force sensor can act on the first force sensor.

Vorzugsweise umfasst der erste Kraftmessbereich des ersten Kraftsensors Kräfte größer als 1 N und der zweite Kraftmessbereich des zweiten Kraftsensors umfasst Kräfte kleiner als 1 N. Preferably, the first force measuring range of the first force sensor comprises forces greater than 1 N and the second force measuring range of the second force sensor comprises forces less than 1 N.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der erste Kraftsensor eine Einrichtung zur Erfassung einer Kraftrichtung aufweist. Der erste Kraftsensor kann zu diesem Zweck einen Verformungskörper aufweisen, der eine mehrdimensionale Erfassung von Kräften und Momenten ermöglicht. Eine derartige Ausgestaltung lässt sich mit den bereits bekannten Kraftsensoren auf Grund der jeweiligen Messprinzipien und der Messempfindlichkeit in einfacher Weise realisieren. Alternativ könnte auch der zweite Kraftsensor eine richtungsaufgelöste Kraftmessung ermöglichen. In addition, it can be provided that the first force sensor has a device for detecting a force direction. The first force sensor may for this purpose have a deformation body, which allows a multi-dimensional detection of forces and moments. Such a configuration can be realized in a simple manner with the already known force sensors on the basis of the respective measurement principles and the measurement sensitivity. Alternatively, the second force sensor could also enable a direction-resolved force measurement.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ermöglicht der zweite Kraftsensor eine mindestens bereichsweise zweidimensionale, bzw. ortsaufgelöste Erfassung von Kräften. According to an advantageous embodiment of the inventive concept, the second force sensor allows an at least partially two-dimensional, or spatially resolved detection of forces.

Um die gemessenen Kraftinformationsdaten speichern und zu einem späteren Zeitpunkt erneut abrufen zu können ist vorgesehen, dass die Kraftmesseinrichtung oder die Auswerteeinrichtung eine Speichereinrichtung zum Speichern von zeitaufgelösten Kraftinformationsdaten aufweist. In order to be able to store the measured force information data and retrieve it again at a later time, it is provided that the force measuring device or the evaluation device has a memory device for storing time-resolved force information data.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens schematisch dargestellt und erläutert. Hereinafter, an embodiment of the inventive concept is shown schematically and explained.

Ein lediglich schematisch dargestelltes haptisches System weist an einem ersten Ort eine Kraftmesseinrichtung 1 auf, mit der eine auf die Kraftmesseinrichtung 1 einwirkende Kraft 2 erfasst und sowohl betragsmäßig als auch hinsichtlich der Wirkungsrichtung gemessen werden kann. In einer Umwandlungseinrichtung 3 werden die Messsignale der Kraftmesseinrichtung 1 in digitale Kraftinformationsdaten umgewandelt und mittels einer Übertragungseinrichtung 4 über eine drahtlose oder leitungsgebundene Übertragungsleitung 5 an eine Auswerteeinrichtung 6 übermittelt, die sich an einem zweiten Ort befindet. Bei der Auswerteeinrichtung 6 kann es sich um ein haptisches Anzeigegerät oder ein Fernsteuerungsgerät handeln, dass einem Benutzer ein haptisches Feedback gibt. Die Auswerteeinrichtung 6 weist auch eine Speichereinrichtung auf, die die übertragenen Informationen speichert und diese zu einem späteren Zeitpunkt zur weiteren Verwendung zur Verfügung stellt. A purely schematic haptic system has a force measuring device at a first location 1 on, with the one on the force measuring device 1 acting force 2 recorded and measured both in terms of amount and in terms of the direction of In a conversion facility 3 become the measuring signals of the force measuring device 1 converted into digital force information data and by means of a transmission device 4 via a wireless or wired transmission line 5 to an evaluation device 6 transmitted to a second location. At the evaluation device 6 it may be a haptic indicator or a remote control device that provides haptic feedback to a user. The evaluation device 6 also has a memory device which stores the transmitted information and makes it available for further use at a later time.

Die Kraftmesseinrichtung 1 weist einen ersten Kraftsensor 7 und auf einer der Krafteinwirkung 2 zugewandten Seite des ersten Kraftsensors 7 einen zweiten Kraftsensor 8 auf. Die Kraft 2 kann ausschließlich über den zweiten Kraftsensor 8 auf den ersten Kraftsensor 7 einwirken. The force measuring device 1 has a first force sensor 7 and on one of the force action 2 facing side of the first force sensor 7 a second force sensor 8th on. The power 2 can only via the second force sensor 8th on the first force sensor 7 act.

Der zweite Kraftsensor 8 weist einen Überlastschutz auf, so dass eine übermäßige Beanspruchung und eine Beschädigung des zweiten Kraftsensors 8 verhindert wird, falls die auf den zweiten Kraftsensor 8 einwirkende Kraft einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt. In diesem Fall wird der erste Kraftsensor 7 aktiviert, bzw. betätigt, der auf Grund seines Kraftmessbereichs größere Kräfte zuverlässig erfassen kann. Durch die Aufteilung des gesamten Kraftmessbereichs in zwei nahezu überschneidungsfreie Kraftmessbereiche, die von einem ersten Kraftsensor 7, bzw. von einem zweiten Kraftsensor 8 abgedeckt werden, lässt sich ein insgesamt großer Kraftmessbereich der Kraftmesseinrichtung 1 kostengünstig mit jeweils geeigneten Kraftsensoren 7, 8 realisieren. Zudem können die beiden Kraftsensoren 7, 8 jeweils eine Genauigkeit und Auflösung bei der Kraftmessung aufweisen, die in dem jeweiligen Kraftmessbereich äußerst vorteilhaft an die Anforderungen haptischer Systeme angepasst sind. The second force sensor 8th has an overload protection, so that excessive stress and damage to the second force sensor 8th is prevented, if the on the second force sensor 8th acting force exceeds a predetermined threshold. In this case, the first force sensor 7 activated or actuated, which can reliably detect larger forces due to its force measuring range. By dividing the entire force measuring range into two almost non-overlapping force measuring ranges, that of a first force sensor 7 or by a second force sensor 8th be covered, can be a total of large force measuring range of the force measuring device 1 cost-effective with appropriate force sensors 7 . 8th realize. In addition, the two force sensors 7 . 8th each have an accuracy and resolution in the force measurement, which are adapted in the respective force measuring range extremely advantageous to the requirements of haptic systems.

Claims

Verfahren zur Erfassung von Kräften und zur Übertragung von Kraftinformationen in haptischen Systemen, wobei mit einer Kraftmesseinrichtung eine auf einen ersten Kraftsensor mit einem ersten Kraftmessbereich einwirkende Kraft erfasst wird, in digitale oder analoge Kraftinformationsdaten umgewandelt wird und diese Kraftinformationsdaten an eine Auswerteeinrichtung übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (1) einen zweiten Kraftsensor (8) mit einem zweiten Kraftmessbereich aufweist, wobei der erste Kraftmessbereich größere Kräfte als der zweite Kraftmessbereich umfasst. Method for detecting forces and for transmitting force information in haptic systems, wherein a force acting on a first force sensor with a first force measuring range force is detected, converted into digital or analog force information data and this force information data are transmitted to an evaluation, characterized in that the force measuring device ( 1 ) a second force sensor ( 8th ) having a second force measuring range, wherein the first force measuring range comprises larger forces than the second force measuring range.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrag einer einwirkenden Kraft (2) zuerst mit dem zweiten Kraftsensor (8) erfasst wird, und erst nach einem Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes der Betrag der einwirkenden Kraft auch mit dem ersten Kraftsensor (7) erfasst wird. Method according to claim 1, characterized in that an amount of an acting force ( 2 ) first with the second force sensor ( 8th ) is detected, and only after exceeding a predetermined threshold, the amount of the applied force with the first force sensor ( 7 ) is detected.

Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftmessbereich Kräfte größer 1 N umfasst und der zweite Kraftmessbereich Kräfte kleiner 1 N umfasst. A method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the first force measuring range comprises forces greater than 1 N and the second force measuring range comprises forces less than 1 N.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftsensor (7) im Wesentlichen statische Kräfte erfasst und dass der zweite Kraftsensor (8) im Wesentlichen dynamische Kräfte erfasst. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first force sensor ( 7 ) detects essentially static forces and that the second force sensor ( 8th ) detects essentially dynamic forces.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftsensor (7) mindestens eine Richtung der Krafteinwirkung erfasst. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first force sensor ( 7 ) detects at least one direction of the force.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen oder analogen Kraftinformationsdaten zeitaufgelöst gespeichert werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the digital or analogue force information data are stored time-resolved.

Vorrichtung zur Erfassung von Kräften und zur Übertragung von Kraftinformationen in einem haptischen System mit einer Kraftmesseinrichtung, die einen ersten Kraftsensor mit einem ersten Kraftmessbereich aufweist, mit einer Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung der mit der Kraftmesseinrichtung gemessenen Kräfte in digitale Signale, und mit einer Übertragungseinrichtung zur Übertragung der digitalen Signale zu einer Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (1) einen zweiten Kraftsensor (8) mit einem zweiten Kraftmessbereich aufweist, wobei der erste Kraftmessbereich größere Kräfte als der zweite Kraftmessbereich umfasst, und wobei der zweite Kraftsensor (8) an der Kraftmesseinrichtung (1) derart angeordnet ist, dass eine zu erfassende Kraft nur über den zweiten Kraftsensor (8) auf den ersten Kraftsensor (7) einwirken kann. Device for detecting forces and for transmitting force information in a haptic system with a force measuring device which has a first force sensor with a first force measuring range, with a conversion device for converting the forces measured by the force measuring device into digital signals, and with a transmission device for transmitting the digital signals to an evaluation device, characterized in that the force measuring device ( 1 ) a second force sensor ( 8th ) having a second force measuring range, wherein the first force measuring range comprises greater forces than the second force measuring range, and wherein the second force sensor ( 8th ) at the force measuring device ( 1 ) is arranged such that a force to be detected only via the second force sensor ( 8th ) on the first force sensor ( 7 ) can act.

Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftmessbereich des ersten Kraftsensors (7) Kräfte größer als 1 N umfasst und der zweite Kraftmessbereich des zweiten Kraftsensors (8) Kräfte kleiner als 1 N umfasst. Apparatus according to claim 7, characterized in that the first force measuring range of the first force sensor ( 7 ) Forces greater than 1 N and the second force measuring range of the second force sensor ( 8th ) Forces less than 1N.

Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftsensor (7) eine Einrichtung zur Erfassung einer Kraftrichtung aufweist. Apparatus according to claim 7 or claim 8, characterized in that the first force sensor ( 7 ) has a device for detecting a direction of force.

Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftsensor (7) einen Verformungskörper aufweist, der eine mehrdimensionale Erfassung von Kräften und Momenten ermöglicht. Apparatus according to claim 9, characterized in that the first force sensor ( 7 ) has a deformation body, which allows a multi-dimensional detection of forces and moments.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftsensor (8) eine mindestens bereichsweise ortsaufgelöste Erfassung von Kräften ermöglicht. Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the second force sensor ( 8th ) allows an at least partially spatially resolved detection of forces.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (1) oder die Auswerteeinrichtung (6) eine Speichereinrichtung zur Speicherung von zeitaufgelösten Kraftinformationsdaten aufweist. Device according to one of claims 7 to 11, characterized in that the force measuring device ( 1 ) or the evaluation device ( 6 ) has a memory device for storing time-resolved force information data.