EP1665022A1

EP1665022A1 - Datenaufnahmegerät für datenverarbeitungsanlagen

Info

Publication number: EP1665022A1
Application number: EP04741218A
Authority: EP
Inventors: Bernd FRÖHLICH; Jan Hochstrate; Gunnar Bach
Original assignee: Bauhaus Universitaet Weimar
Current assignee: Bauhaus Universitaet Weimar
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-06-07
Also published as: DE10333178A1; WO2005010742A1; US20070216650A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Datenaufnahmegerät für Datenverarbeitungsanlagen, insbesondere zur Erfassung mehrdimensionaler Koordinaten. Solche Geräte dienen der Erfassung bzw. Eingabe von Daten, die eine Bewegung und/oder eine Position in einem mehrdimensionalen Raum definieren. Erfindungsgemäss umfasst das Datenaufnahmegerät einen Ständer (1); ein Halteelement (4), welches im Ständer (1) zumindest in zwei Richtungen verschiebbar gelagert ist; eine Bedienkugel (7), welche drehbar aber verschiebefest im Halteelement (4) gelagert ist und vom Benutzer an zwei sich zumindest teilweise diametral gegenüberliegenden Kugelsegmentabschnitten mit Daumen und Fingern einer Hand erfasst werden kann; mehrere Sensoren (8, 10, 16, 12) zur Erfassung der Verschiebung des Halteelements (4) und der Rotation der Bedienkugel (7); und eine Schnittstelleneinheit, welche die von den Sensoren (8, 10, 16, 12) gelieferten Daten an die angeschlossene Datenverarbeitungsanlage übermittelt.

Description

Datenaufnahmegerat für Datenverarbeitungsanlagen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Datenaufnahmegerät für Datenverarbeitungsanlagen, welches generell für unterschiedlichste Aufgaben eingesetzt werden kann. Mit einem solchen Datenaufnahmegerät können insbesondere mehrdimensionale Koordinaten erfasst bzw. eingegeben werden. Häufig werden solche Geräte auch als Eingabegeräte bezeichnet, die der Eingabe von Orts- oder Bewegungsparametern dienen.

Als eines der bekanntesten Eingabe- oder Datenaufnahmegeräte-, ist allgemein die sogenannte Computermouse zu nennen. Damit ist es möglich, eine durch den Benutzer veranlasste Bewegung bzw. die daraus resultierenden Bewegungs- oder Positionsdaten an einen herkömmlichen Personalcomputer zu übertragen. Bei grafikorientierten Softwareanwendungen wird mit der Computermouse auf dem Anzeigegerät des Personalcomputers ein Zeiger gesteuert, wobei je nach Position dieses Zeigers innerhalb eines Anzeigefensters durch die Betätigung zusätzlicher an der Computermouse angebrachter Tasten vorbestimmte Programmfunktionen ausgelöst werden können.

Mit fortschreitender Entwicklung der Softwareanwendungen ist es in den letzten Jahren auch üblich geworden, mit angepass- ten Eingabe- oder Datenaufnahmegeräten eine virtuelle Bewegung und Positionierung von computersimulierten Objekten im dreidimensionalen Raum zu steuern. Beispielsweise werden zur Ansichtssteuerung in CAD-Anwendungen oder für die Bewegung virtueller Objekte in Computerspielen Datenaufnahmegeräte verwendet, die als Joystick bezeichnet werden.

BESTATIGUNGSKOPIE Zum leichteren Verständnis wird nachfolgend davon ausgegangen, dass ein beliebiger dreidimensionaler Raum, in welchem ein reales oder virtuelles Objekt bewegt werden soll, durch ein dreidimensionales Koordinatensystem beschrieben werden kann. Soweit nichts anderes angegeben ist, gehen die nachfolgenden Beschreibungen davon aus, dass die durch eine X-Achse und eine Y-Achse aufgespannte Ebene horizontal liegt, während eine zu diesen Koordinatenachsen senkrecht stehende Z-Achse sich vertikal erstreckt und die X-Y-Ebene senkrecht durch- stößt. Damit sind die drei Freiheitsgrade der Translation oder Verschiebung genau bestimmt. Die weiteren drei Freiheitsgrade der Rotation, die für eine freie Bewegung eines Objektes im Raum erforderlich sind, lassen sich durch drei Drehwinkel ΌJ_X, tσ_y und w_z angeben, die als Drehung um die drei genannten Verschiebeachsen X, Y, Z zu verstehen sind.

Aus der US 5,565,891 ist eine Grafiksteuereinheit mit sechs Freiheitsgraden bekannt. Damit soll es ermöglicht werden, nicht nur eine Verschiebung von virtuellen Objekten im drei- dimensionalen Raum zu steuern, sondern auch die Rotation des virtuellen Objektes jeweils um- die Verschiebeachsen zu ermöglichen, so dass eine beliebige Verschiebung und Drehung dieser Objekte in einem dreidimensionalen Koordinatensystem nachgebildet werden kann. Dazu besitzt das in der US 5,565,891 gezeigte Gerät eine drehbare Bedienkugel (trackball) , welche in einem Träger gehaltert ist, der seinerseits in zwei oder drei zueinander senkrecht stehenden Richtungen verschiebbar ist, um damit translatorische Bewegungen aufnehmen zu können. Die Bedienkugel kann vom Bediener von oben mit mehreren Fingern erfasst werden, um zumindest die Rotation um zwei Achsen zu ermöglichen. Die in der US 5,565,891 gewählte Konstruktion bringt eine Reihe von Bedienungsschwierigkeiten mit sich, die eine präzise und schnelle Handhabung erschweren. Da sich der trackball nur an der oberen Hemisphäre greifen lässt, ist zwar eine Drehung in den Winkelrichtungen τσ_x und ü_y relativ einfach möglich. Eine präzise Rotation in Richtung xπ_z um die Z-Achse bereitet allerdings Schwierigkeiten, zumindest wenn eine gleichzeitige ungewollte Rotation in Richtung τσ_x und/oder w_y vermieden werden soll. Aus diesem Grund schlägt die US 5,565,891 auch eine spezielle Ausführungsform vor, bei welcher die Drehung um die senkrecht zur Haupterstreckungs- ebene des Gerätes verlaufende Z-Achse nicht durch Betätigung der Bedienkugel, sondern durch Drehung eines trichterförmigen Kugelträgers erreicht wird. Damit ist zwar eine präzisere Drehung in τσ_z möglich, jedoch muss der Benutzer von der

Bedienkugel zum Kugelträger umgreifen, was einer schnellen Handhabung entgegen steht. In gleicher Weise ist ein Umgreifen von der Bedienkugel auf den Kugelträger oder die Gesamteinheit erforderlich, wenn anstelle der Rotation eine Verschiebung in der X-Y-Ebene gewünscht wird. Besondere Schwierigkeiten bereitet bei dem in dieser Druckschrift erläuterten Grafiksteuergerät die Aufnahme von Verschiebdaten in Z-Richtung, also senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Gerätes, die in der X-Y-Ebene liegt. Zur Aufzeichnung solcher Bewegungen muss in jedem Fall von der Bedienkugel auf den Kugelträger umgegriffen werden. Zwar wäre es noch denkbar, eine in Z-Richtung wirkende Druckkraft auf die Bedienkugel auszuüben, jedoch ist eine Bewegung der Bedienkugel im umgekehrten Richtungssinn nicht möglich, da sich die Bedienkugel entweder nicht ausreichend festhalten lässt oder in dieser Bewegungsrichtung nicht im Kugelträger fixiert ist. Aus der JP 10-207629 ist ein dreidimensionales Zeigegerät mit einer drehbaren Kugel bekannt. Dieses Gerät dient ebenfalls der Datenaufnahme zur Abbildung einer Bewegung mit sechs Freiheitsgraden. Die Bedienkugel ist dazu in einem zangenför- migen Halteelement gelagert, so dass sie vom Bediener erfasst werden kann. Dies ermöglicht eine Drehung der Bedienkugel um drei zueinander senkrecht stehende Rotationsachsen. Für die Aufnahme translatorischer Bewegungsdaten ist das zangenför- mige Halteelement mit einer Lagerstange verbunden, die vom Benutzer erfasst und in unterschiedliche Richtungen verschwenkt werden kann. Diese Lagerstange und ihre Funktionsweise sind mit einem herkömmlichen Joystick vergleichbar. Das aus dieser Druckschrift bekannte Zeigegerät ermöglicht zwar die Aufnahme räumlicher Positions- und Bewegungs- daten, ist aber von seiner Bedienbarkeit ebenfalls nicht auf die natürlichen Bedürfnisse des Benutzers angepasst. Beispielsweise bereitet eine gleichzeitige Drehung und Verschiebung besondere Schwierigkeiten, da der Benutzer entweder von der Bedienkugel auf die Lagerstange umgreifen muss oder diese voneinander unabhängigen Bedienelemente a priori mit verschiedenen Fingern bedienen muss. Außerdem stimmt die Verkippung der Lagerstange nicht mit einer tatsächlich zu simulierenden Verschiebebewegung überein, so dass für den Benutzer ein längerer Lernprozess erforderlich ist, um präzise Verschiebebewegungen durch entsprechendes

Verschwenken der Lagerstange eingeben zu können. Außerdem hat ein Verschwenken der Lagerstange in X-Y-Richtung zwangsläufig auch ein Änderung der Lage der Bedienkugel in Z-Richtung zur Folge, was zu erheblichen Problemen bei der Unterscheidung zwischen einer gewünschten Bewegung in Z-Richtung und der aus dem Verschwenken resultierenden fehlerhaften Bewegung in dieser Richtung führt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Datenaufnahmegerät für Datenverarbeitungsanlagen bereit zu stellen, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll es für den Benutzer möglich sein, bei einer Ein-Hand-Bedienung des Gerätes gleichzeitig Rotations- und Translationsdaten einzugeben bzw. aufzunehmen. Die Ergonomie des Datenaufnahmegerätes soll so weit verbessert werden, dass ohne lange Lernprozesse eine schnelle und präzise Bewegung realer oder virtueller Objekte in dreidimensionalen Räumen möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch das im beigefügten Anspruch 1 näher definierte Datenaufnahmegerät erfüllt. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Datenaufnahmegerätes besteht darin, dass die Bedienkugel vom Benutzer sehr präzise um drei zueinander senkrecht stehende Achsen rotiert werden kann. Dies ist erreichbar, da die Bedienkugel in jedem Fall an zwei Kugelsegmentabschnitten gefasst werden kann, die sich zumindest teilweise diametral gegenüber liegen. Der Bediener kann dabei mindestens über einen Großkreis der Bedienkugel greifen, so dass auch Drehungen um die Achse präzise möglich sind, die senkrecht zu der durch den übergriffenen Großkreis aufgespannten Ebene verläuft. Auf Grund der so gewählten Halterung der Bedienkugel ist es gleichzeitig möglich, die Bedienkugel und darüber das mit dieser verschiebefest verbundene Halteelement in einer oder mehreren ^■ gewünschten Richtungen zu verschieben, um entsprechende Daten aufzunehmen. Es ist also kein Umgreifen zwischen unterschied- liehen Bedienelementen zur Eingabe der Rotationsdaten und der Verschiebedaten erforderlich. Dies ermöglicht nicht nur eine höhere Präzision bei der Bedienung, sondern auch eine deutli- ehe Annäherung an die realen Bedingungen, die mit dem Datenaufnahmegerät gesteuert werden sollen.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn das Halteelement entlang mehrerer Achsen gleichzeitig verschoben und/oder die Bedienkugel um mehrere Achsen gleichzeitig gedreht werden kann. Beispielsweise ist eine diagonale Verschiebung möglich. Diese Gestaltung gestattet eine räumliche Verschiebung. Die Messung der Verschiebung erfolgt im einfachsten Fall entlang der drei senkrechten Raumachsen. Im mathematischen Sinne müssen die

Achsen aber nur linear unabhängig sein - also den dreidimensionalen Raum aufspannen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Halteele- ment eine rahmenförmige Kugelfassung, welche die Bedienkugel entlang eines Großkreises entweder vollständig zumindest aber in einem Umfangsabschnitt größer als π bzw. 180° umgreift. Die Bedienkugel ist dadurch verschiebefest in allen Richtungen in der rahmenförmigen Kugelfassung gelagert. Innerhalb der Kugelfassung sind geeignete Lagerelemente angeordnet, die eine möglichst leichte Drehbarkeit der Bedienkugel gestatten.

Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, die Bedienkugel an vier symmetrischen Punkten zu lagern. Die Lagerpunkte liegen damit auf einem Tetraeder. Damit dreht sich die Kugel sehr leicht und in allen Achsen mit gleichem Widerstand. Die Aufhängung des Halteelements um die Bedienkugel kann einfach mit Hilfe von Federn erfolgen. Das Halteelement könnte beispielsweise als Tetraederrahmen gestaltet sein, wodurch sich eine symmetrische Lagerung vereinfacht. Aber auch ein würfelförmiger Rahmen mit Federn zur rahmenförmigen Kugelfassung ist denkbar. Es wurde festgestellt, dass es für bestimmte Anwendungen nützlich oder ausreichend sein kann, die Drehung der Bedienkugel zeitweise oder dauerhaft zu blockieren oder auch eine oder mehrere Verschieberichtungen zuzulassen oder bei Bedarf zu sperren. Dies kann dauerhaft oder auch nur zeitweise erfolgen, was die Flexibilität des Datenaufnahmegerätes erhöht. Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich daher dadurch aus, dass Aktuatoren vorgesehen sind, die in Reaktion auf Steuersignale der Verschiebung des Haltelements und/oder der Rotation der Bedienkugel eine vorbestimmte Kraft entgegen setzen. Diese Kraft kann so dimensioniert werden, dass bestimmte Bewegungsrichtungen vollständig blockiert sind, gezielt schwergängig gemacht werden oder aber auch eine aktive Bewegung der Bedienkugel in bestimmten Richtungen durch die Aktuatoren hervorgerufen wird, um dem Bediener über das Datenaufnahmegerät eine Rückkopplung von Kräften bereit zu stellen, die auf den gesteuerten realen oder virtuellen Körper einwirken. Um die Rotation der Bedienkugel nur um eine Achse zuzulassen, lässt sich beispielsweise ein zweites Führungselement (z.B. ein zweiter Lagerring) aktivieren, so dass die Bedienkugel dann an zwei Umfangslinien gelagert ist, die in parallelen Ebenen liegen.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform umfasst das Haltele- ment eine schüsseiförmige Kugelfassung, in welcher die

Bedienkugel mit einem Kugelabschnitt gehaltert ist, der kleiner als eine Hemisphäre sein muss, um auch in diesem Fall dem Benutzer das Angreifen an der Bedienkugel über einen Großkreis zu ermöglichen.

Damit die Bedienkugel aus der schüsseiförmigen Kugelfassung nicht herausgenommen werden kann und weiterhin Zugkräfte zur Verschiebung der Bedienkugel von der schüsseiförmigen Kugel- fassung weg eingeprägt werden können, ist die Bedienkugel bei einer weitergebildeten Ausführungsform mit Hilfe von Magnetkräften in der schüsseiförmigen Kugelfassung gehaltert. Um gleichzeitig die reibungsarme Drehbarkeit der Kugel aufrecht zu erhalten, besteht die Bedienkugel aus einem nicht magnetischen Material und besitzt einen Hohlraum, in welchem eine Haltekugel aus magnetisierbarem Material freilaufend angeordnet ist. Ein im Bereich der Kugelfassung angeordneter Permanent- oder Elektromagnet übt auf die Haltekugel magnetische Anziehungskräfte aus, so dass diese die Bedienkugel in die Kugelfassung hinein pressen.

Bei bestimmten Anwendungen ist es zweckmäßig, wenn das Halteelement neben der Kugelfassung einen Innenrahmen und einen Außenrahmen besitzt, die jeweils in zueinander senkrechten

Richtungen verschiebbar sind. Der Innenrahmen ermöglicht eine Verschiebung in einer ersten Richtung (X) innerhalb des Außenrahmens, während der Außenrahmen in einer zweiten Richtung (Y) relativ zum Ständer des Datenaufnahmegerätes verschiebbar ist. Wenn auch Bewegungsdaten entlang einer dritten Richtung (Z) aufgezeichnet werden sollen, kann entweder die Kugelfassung, der Innenrahmen oder der Außenrahmen in dieser dritten Richtung verschiebbar und mit geeigneten Sensoren ausgerüstet sein. In jedem Fall werden alle Verschiebekräfte vom Benutzer auch über die Bedienkugel eingeprägt und von dort an die in der jeweiligen Richtung verschiebbaren Elemente weitergegeben.

Zur Aufnahme der Bewegungsdaten können unterschiedliche Sen- soren verwendet werden. Die Rotation der Bedienkugel lässt sich vorzugsweise mit optischen Sensoren abgreifen. Die Verschiebeparameter können beispielsweise über Weg-, Kraft-, oder Beschleunigungssensoren aufgenommen werden. Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh- rungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Datenaufnah- megerätes mit einer rahmenförmigen Kugelfassung;

Fig. 2 eine vereinfachte Schnittansicht von oben auf das Datenaufnahmegerät gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Datenaufnahmegerätes mit einer halbringförmigen Kugelfassung;

Fig. 4 eine perspektivische Detailzeichnung des Datenauf- nahmegerätes gemäß Fig. 3 ohne Gehäuseelemente;

Fig. 5 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Datenaufnahmegerätes, welche zur Messung der Translation herkömmliche 3D- Sensoren verwendet;

Fig. 6 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform des Datenaufnahmegerätes mit einer schüsseiförmigen Kugelfassung;

Fig. 7 eine perspektivische Prinzipdarstellung einer vierten Ausführungsform des Datenaufnahmegerätes mit Aktuatoren. Fig. 1 zeigt eine vereinfachte seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Datenaufnahmegerätes. Das Daten- aufnahmegerät besitzt einen Ständer 1, der bei der hier dargestellten Ausführungsform einen Fuß 2 und einen galgenförmi- gen Ausleger 3 umfasst. Am Ständer 1 ist ein Halteelement 4 angeordnet, welches bei dieser Ausführungsform einen Innenrahmen 5 und einen Außenrahmen 6 umfasst. Das Halteelement 4 trägt eine Bedienkugel 7, die derart im Halteelement befestigt ist, dass zwei sich zumindest teilweise diametral gegenüber liegende Kugelsegmentabschnitte aus dem Halteelement heraus ragen und auf diese Weise vom Benutzer mit dem Daumen und einem oder mehreren Fingern einer Hand erfasst werden können. Die Bedienkugel 7 ist über geeignete Lagerelemente drehbar im Halteelement 4 befestigt. Weiterhin sind Sensoren vorgesehen, welche die Rotation der Bedienkugel erfassen.

Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 dargestellte Datenaufnahmegerät in einer vereinfachten Schnittansicht von oben. Zur Erleichterung des Verständnisses sind neben dem Datenaufnahmegerät die Achsen eines X-Y-Koordinatensystem eingezeichnet. Um mit dem Datenaufnahmegerät auch Translationsdaten eingeben zu können, ist der Innenrahmen 5 in X-Richtung innerhalb des Außenrah- mens 6 verschiebbar. Die Verschiebung in X-Richtung wird von einem X-Achsen-Sensor 8 aufgezeichnet. Gleichzeitig kann ein X-Rückstellelement 9 vorgesehen sein, welches den Innenrahmen 5 in seine Ruheposition zurückversetzt, wenn der Benutzer in X-Richtung keine Kraft einprägt. Um eine Bewegung in Y-Rich- tung aufzuzeichnen, ist der Außenrahmen 6 in dieser Richtung verschiebbar im Ständer 1 gelagert. Die Bewegung des Außenrahmens 6 wird von einem Y-Achsen-Sensor 10 bestimmt, während ein Y-Rückstellelement 11 eine Zurückführung des Außenrahmens 6 in die Ruheposition bewirkt, wenn vom Benutzer keine Verschiebekraft in Y-Richtung eingeprägt wird. Die Verschiebung des Innenrahmens relativ zum Außenrahmen kann z.B. mit Hilfe optischer Sensoren gemessen werden.

Die Rotation der Bedienkugel 7 lässt sich über Rotationssensoren 12 feststellen. Bei entsprechender Anordnung der Rotationssensoren können alle Drehbewegungen der Bedienkugel um die drei im räumlichen Koordinatensystem definierten Achsen X, Y, Z erfasst werden.

Generell kommt auch die Erfassung einer Verschiebebewegung senkrecht zur X-Y-Ebene, also in Z-Richtung (siehe Fig. 1) in Frage. Dazu muss entweder die Bedienkugel 7 mit der angren- zenden Kugelfassung im Innenrahmen 5 in Z-Richtung verschiebbar sein oder es erfolgt eine entsprechende Verschiebung des Innenrahmens gegenüber dem Außenrahmen oder eine Verschiebung des Außenrahmens 6 gegenüber dem Ständer 1. Mit einem zusätzlichen Z-Achsen-Sensor (nicht dargestellt) wird diese Bewe- gung erfasst.

Es ist darauf hinzuweisen, dass generell relativ kleine Verschiebewege ausreichend sind, insbesondere wenn größere Verschiebewege darüber simuliert werden, dass eine dauerhafte Kraft gegen einen entsprechenden Kraftsensor eingeprägt wird. Die Erfassung und Bearbeitung entsprechender Daten von Kraftsensoren ist aus dem Stand der Technik generell bekannt, so dass eine nähere Erläuterung hier nicht erforderlich ist. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass das Daten- aufnahmegerät auch eine Schnittstelleneinheit umfasst, welche die von den Sensoren gelieferten Daten bei Bedarf einer Filterung, Vorverarbeitung und Formatierung unterzieht und die Daten dann an die angeschlossene Datenverarbeitungsanlage übermittelt. Es kommen dabei die herkömmlichen Datenübertragungsformate und Schnittstellen der modernen Computertechnik zum Einsatz.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Datenaufnahmegerätes. Dabei ist der Fuß 2 des Ständers 1 großflächig ausgebildet, um gleichzeitig die Auflagefläche für die Benutzerhand zu bilden. Ein weiterer Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungs- form besteht in der Gestaltung des Halteelements, in welchem die Bedienkugel 7 gelagert ist.

Die Details dieser zweiten Ausführungsform sind aus Fig. 4 ersichtlich. Das Halteelement 4 umfasst in diesem Fall eine ringförmige Kugelfassung 15, die sich in einem Winkelabschnitt von mehr als π um einen Großkreis der Bedienkugel 7 (im gezeichneten Beispiel um einen schmalen Äquatorialabschnitt) erstreckt. Die Bedienkugel 7 ist damit fest in der Kugelfassung 15 gehaltert und kann bei der Einprägung von Verschiebekräften nicht aus der Kugelfassung herausrutschen. Es sei darauf hingewiesen, dass der von der Kugelfassung eingefasste Großkreis bei abgewandelten Ausführungsformen durchaus auch in einer vertikal oder schräge stehenden Ebene liegen kann, soweit damit ergonomische Bauformen erzielbar sind. Für die Aufnahme der Rotationsbewegung der Bedienkugel sind wiederum zwei Rotationssensoren 12 vorgesehen, die hier um 90° versetzt in die Kugelfassung integriert sind. Diese Anordnung der Rotationssensoren ist zwar nicht zwingend, bringt aber Vorteile für die Messsignalauswertung und Genau- igkeit.

Die Bedienkugel 7 besitzt üblicherweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 3 und 6 cm, da sich dieses Maß als besonders komfortabel für die Benutzung erwiesen hat. Es ist auch möglich die Kugelfassung einstellbar zu gestalten (z.B. über spezielle Einsätze) , um unterschiedlich große Bedienkugeln einsetzen zu können. Auf diese Weise können sich unterschied- liehe Benutzer das Datenaufnahmegerät an ihre Hand- und Fingergröße anpassen.

Für die Aufnahme der Verschiebung, die ebenfalls über die Bedienkugel 7 eingeprägt wird, sind bei der hier dargestell- ten Ausführungsform als Wegsensoren mehrere Potentiometer angeordnet. Für die Aufnahme einer Verschiebung in X-Richtung dient wiederum der X-Achsen-Sensor 8, während der Y-Achsen- Sensor 10 die Verschiebung in Y-Richtung aufnimmt. In der dargestellten Ausführungsform ist darüber hinaus ein Z-Ach- sen-Sensor 16 vorhanden, mit welchem die über die Bedienkugel 7.auf die Kugelfassung 15 übertragene Verschiebung in Z-Richtung registriert wird. Zur Entkopplung der einzelnen Bewegungsrichtungen sind die Sensoren jeweils über Haltestäbe 17 mit der Kugelfassung 15 verbunden, wobei die Haltestäbe in Gleitmasken 18 geführt sind.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des Datenaufnahmegerätes. Die Bedienkugel 7 ist wiederum in einer teilringförmigen Kugelfassung 15 drehbar gelagert. Die Erfassung der Rotation der Bedienkugel erfolgt über optische oder ähnliche Rotationssensoren 12. Es ist darauf hinzuweisen, dass nicht bei allen Anwendungen eine freie Drehbarkeit der Bedienkugel 7 um mehrere Rotationsachsen und um 360° erforderlich ist. Unter Umständen kann eine bezüglich des Winkels eingeschränkte Rotation ausreichend sein. Die Kugelfassung 15 ist zwischen zwei herkömmlichen Sensorblöcken 20 gelagert, wie sie beispielsweise in einem unter der Handelsbezeichnung „Spacemouse" bekannten Eingabe- gerät verwendet werden. Damit ist die Verschiebung der Kugelfassung 15 in drei zueinander senkrecht stehenden Richtungen innerhalb der durch die Sensorblöcke vorgegebenen Grenzen möglich. Innerhalb der Sensorblöcke 20 befinden sich federba- sierende Sensoren, die eine Translation in X-, Y- und Z-Richtung erfassen können. Die gesamte Anordnung ist wiederum im Ständer 1 befestigt.

Fig. 6 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung einer vier- ten Ausführungsform des Datenaufnahmegerätes. Das Halteelement 4 besitzt in diesem Fall eine schüsseiförmige Kugelfassung 22, in welche die Bedienkugel 7 mit ihrem unteren Kugelabschnitt eingelegt ist. Die schüsseiförmige Kugelfassung 22 ist an den Umfang der Bedienkugel 7 so angepasst, dass die Äquatorialebene der Bedienkugel jedenfalls aus dem Halteelement 4 herausragt, so dass der Benutzer die Bedienkugel 7 zumindest bis zu einem Großkreis erfassen kann. Für eine leichte Drehbarkeit der Bedienkugel 7 kann die schüsseiförmige Kugelfassung 22 als Lagerelement ein Kugellager 23 ent- halten, auf welchem die Bedienkugel aufliegt. Die Rotation der Bedienkugel 7 um die drei Koordinatenachsen X, Y, Z kann auch in diesem Fall durch optische Sensoren oder geeignete andere Sensoren zur Aufnahme einer Drehbewegung erfasst werden. Das Halteelement 4 ist außerdem mit einer Sensorein- heit 24 gekoppelt, welche die Verschiebung des Halteelements in X-, Y- und Z-Richtung misst. Ein beispielhafter Aufbau einer solchen Sensoreinheit ist wiederum aus der „Spacemouse" bekannt .

Soweit die Bedienkugel 7 in die schüsseiförmige Kugelfassung 22 nur in der dargestellten Weise eingelegt ist, können in positiver Z-Richtung keine definierten Verschiebekräfte erzeugt werden, da durch eine Zugkraft die Bedienkugel 7 aus der Kugelfassung 22 herausgezogen würde. Hingegen können in negativer Z-Richtung ohne Weiteres Druckkräfte eingeprägt werden, die von einem entsprechenden Z-Achsen-Sensor als Verschiebung aufgezeichnet werden können. Diese Ausführungsform lässt sich aber dadurch weiterbilden, dass die Bedienkugel hohl gestaltet wird und aus einem nicht magnetisierbaren Material besteht. In die sphärisch hohle Bedienkugel 7 wird eine magnetisierbare kleinere Kugel eingesetzt, die im Inneren der Bedienkugel frei beweglich ist. Im Bereich des Halte- elements ist zusätzlich eine Magnetfeldquelle vorgesehen, welche die magnetisierbare Haltekugel in die schüsseiförmige Kugelfassung hineinzieht und damit eine ausreichende Haltekraft auf die Bedienkugel 7 ausübt. Die Bedienkugel 7 kann auf Grund der wirkenden Magnetkräfte nicht mehr aus der schüsseiförmigen Kugelfassung herausgezogen werden, bleibt aber bei geeigneter Lagerung trotzdem leicht drehbar.

Fig. 7 zeigt eine vereinfachte Perspektivdarstellung einer vierten Ausführungsform des Datenaufnahmegerätes. Der Grund- aufbau dieser Ausführungsform entspricht derjenigen, die im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 bereits beschrieben wurde. Die Bedienkugel 7 ist auch in diesem Fall in der rahmenförmigen Kugelfassung 15 drehbar gelagert, wobei hier die Kugelfassung die Bedienkugel im Bereich der Äquatorialebene voll- ständig umgreift. Das Halteelement 4 besitzt wiederum den Innenrahmen 5 und den Außenrahmen 6, die jeweils in einer vorgegebenen Verschieberichtung verschiebbar sind. Weiterhin sind drei Motorpotentiometer 26 vorhanden, die sowohl als Sensoren für die Verschiebung in der entsprechenden Richtung dienen, als auch bei einer elektrischen Aktivierung eine

Gegenkraft erzeugen können, welche der vom Benutzer eingeprägten Verschiebekraft entgegen wirkt oder diese auch verstärkt. In X-Richtung wirkt eines der Motorpotentiometer auf den Außenrahmen 6 ein. Ein zweites Motorpotentiometer wirkt in Y-Richtung auf den Innenrahmen 5 ein. Schließlich wirkt das dritte Motorpotentiometer auf die rah enförmige Kugelfassung 15, welche in Z-Richtung verschiebbar im Innen- rahmen 5 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform sind der Innenrahmen 5 und der Außenrahmen 6 nicht in Z-Richtung verschiebbar .

Die Motorpotentiometer könnten bei abgewandelten Ausführungs- formen beispielsweise durch Tauchspulen oder Elektromagneten ersetzt sein. Denkbar wäre auch der Einsatz von Hydraulikoder Pneumatikzylindern sowie die Anwendung von Schrittmotoren, um eine Gegenkraft zu erzeugen. In gleicher Weise können Gegenkräfte auf die Bedienkugel ausgeübt werden, um die vom Benutzer initiierte Drehung zu bremsen, vollständig zu blockieren oder auch zu verstärken.

Durch die Erzeugung von Gegen- bzw. Zusatzkräften ist eine Rückkopplung von dem gesteuerten Prozess möglich. Wenn beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen Datenaufnahmegerät ein Roboterarm gesteuert wird, kann eine Gegenkraft erzeugt werden, wenn der Roboterarm an vorgegebene Grenzen anstößt. Ebenso wäre es bei Software-Anwendungen denkbar, dass die die Gegenkräfte bereit stellenden Aktuatoren betätigt werden, um Grenzen innerhalb eines virtuellen Raumes für den Bediener spürbar zu machen.

In an sich bekannter Weise können am Datenaufnahmegerät weiterhin Tasten bzw. Schalter angebracht sein, mit denen der Benutzer weitere Steuersignale generieren und an die Datenverarbeitungsanlage übermitteln kann, beispielsweise um in einer Softwareanwendung bestimmte Funktionen aufzurufen. Generell soll nochmals auf einen wesentlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Datenaufnahmegerätes hingewiesen werden. Im Unterschied zu bereits am Markt erhältlichen Geräten ist es hier möglich, die Verschiebung von Objekten in Räumen durch eine tatsächliche Verschiebung am Datenaufnahmegerät zu simulieren. Gleichzeitig kann die Verdrehung des Objektes durch eine gleichartige Verdrehung der Bedienkugel bewirkt werden. Der Benutzer muss daher keine gedankliche und motorische Umsetzung unterschiedlicher Bewegungsabläufe vornehmen.

Es bestehen darüber hinaus auch Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Datenaufnahmegerätes in herkömmlichen Konstellationen, beispielsweise für die Steuerung eines Zeigers in grafischen Benutzeroberflächen von Softwareanwen- düngen. Die Möglichkeit der Aufnahme von Positions- und Bewegungsparametern im dreidimensionalen Raum und mit sechs Freiheitsgraden eröffnet zahlreiche Anwendungsgebiete. Beispielsweise kann das Datenaufnahmegerät für die Steuerung von CAD- Anwendungen oder dreidimensionalen Bildbearbeitungsprogrammen eingesetzt werden. Ebenso lassen sich Robotergreifer, Überwachungskameras oder ähnliche Geräte steuern, bei denen eine Navigation im Raum gewünscht ist.

Bezugszeichenliste

1 - Ständer 2 - Fuß 3 - Ausleger 4 - Halteelement 5 - Innenrahmen 6 - Außenrahmen 7 - Bedienkugel 8 - X-Achsen-Sensor 9 - X-Rückstellelement 10 - Y-Achsen-Sensor 11 - Y-Rückstellelement 12 - Rotationssensoren 15 - rahmenförmige Kugelfassung 16 - Z-Achsen-Sensor 17 - Haltestäbe 18 - Gleitmasken 20 - Sensorblöcke 22 - schüsseiförmige Kugelfassung 23 - Kugellager 24 - Sensoreinheit 26 - Motorpotentiometer

Claims

Patentansprüche

1. Datenaufnahmegerät für Datenverarbeitungsanlagen, insbesondere zur Erfassung mehrdimensionaler Koordinaten mit - einem Ständer (1) ; - einem Halteelement (4), welches im Ständer (1) zumindest in zwei Richtungen verschiebbar gelagert ist; - einer Bedienkugel (7) , welche drehbar aber verschiebefest im Halteelement (4) gelagert ist und eine solche Größe hat sowie derart im Halteelement (4) gehaltert ist, dass sie vom Benutzer an zwei sich zumindest teilweise diametral gegenüberliegenden Kugelsegmentabschnitten mit Daumen und Fingern einer Hand erfasst werden kann; - Sensoren (8, 10, 16, 12) zur Erfassung der Verschiebung des Halteelements (4) und der Rotation der Bedienkugel (7); - einer Schnittstelleneinheit, welche die von den Sensoren (8, 10, 16, 12) gelieferten Daten an die ange- schlossene Datenverarbeitungsanlage übermittelt.

2. Datenaufnahmegerat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (4) innerhalb von durch den Ständer (1) vorgegebenen Grenzen in Richtung von drei zueinander senkrecht stehenden Verschiebeachsen verschiebbar ist, wobei die Verschiebekräfte über die Bedienkugel (7) einprägbar sind.

3. Datenaufnahmegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (4) gleichzeitig in Richtung mehrerer Verschiebeachsen verschiebbar ist und dass die Bedienkugel (7) gleichzeitig um mehrere Achsen rotierbar ist.

4. Datenaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement eine rahmenförmige Kugelfassung (15) umfasst, welche die Bedienkugel (7) entlang eines Großkreises in einem Umfangsabschnitt größer als π umgreift.

5. Datenaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (4) eine schüsseiförmige Kugelfassung (22) umfasst.

6. Datenaufnahmegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich- net, dass die Bedienkugel (7) magnetisch in der schüsseiförmigen Kugelfassung (22) gehaltert ist, wobei die Bedienkugel hohl ist und aus einem nicht magnetischen Material besteht, wobei im Inneren der Bedienkugel eine magnetisierbare Haltekugel freilaufend angeordnet ist, und wobei eine außerhalb der Bedienkugel angeordnete Magnetfeldquelle die Haltekugel in die schüsseiförmige Kugelfassung (22) hineinzieht, wodurch die Bedienkugel (7) in der Kugelfassung drehbar gelagert ist.

7. Datenaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (4) die Kugelfassung (15, 22), einen Innenrahmen (5) und einen Außenrahmen (6) umfasst, wobei die Kugelfassung (15, 22) im Innenrahmen (5) gelagert ist, der in einer ersten Richtung verschiebbar im Außenrahmen (6) gelagert ist, der seinerseits in einer zu ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung verschiebbar am Ständer (1) gelagert ist, und wobei zumindest einer dieser Bestandteile (15, 22; 5; 6) des Halteelements (4) in einer dritten Richtung verschiebbar ist, die zu der ersten und der zweiten Richtung senkrecht steht.

8. Datenaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Rückstellelemente (9, 11) angeordnet sind, die das Haltelement (4) bzw. dessen Bestandteile in eine Ruheposition zurückstellen, wenn keine Verschiebekraft einwirkt.

9. Datenaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Halte- elements (4) von Weg-, Kraft- und/oder Beschleunigungssensoren aufgenommen wird.

10. Datenaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bewegungssensoren (12) im Haltelement (4) angeordnet sind, welche die Rotation der Bedienkugel (7) um drei zueinander senkrecht stehende Achsen erfassen.

11. Datenaufnahmegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungssensoren optische Sensoren (12) sind, welche die Oberfläche der Bedienkugel (7) und deren Rotation abtasten.

12. Datenaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Aktuatoren (26) angeordnet sind, die in Reaktion auf Steuersignale der vom Benutzer eingeprägten Verschiebung des Halteelements (4) und/oder der Rotation der Bedienkugel (7) eine veränderliche Kraft entgegensetzen oder zusätzlich aufprägen.

3. Datenaufnahmeger t nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Schalter angeordnet sind, die bei Betätigung zusätzliche Steuersignale an das Datenverarbeitungsgerät senden.