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1. Einleitung

Der patentierte Handschuh dient zur Eingabe menschlicher Greifmuster und Gesten in Computer. Dazu ist er mit verschiedenen Sensoren ausgestattet, die sehr präzise Messungen ermöglichen (vgl. technische Daten, Abschnitt 5). Im folgenden werden die beiden Prototypen nun genauer beschrieben.

2. Aufbau

• aus dem eigentlichen Meßhandschuh, der die Bewegungen der menschlichen Hand und die beim Greifen auftretende Druckverteilung an ihr aufnimmt (dazu sind auf dem Handrücken zwölf Positionssensoren und auf der Handinnenseite zwölf Drucksensoren befestigt); und
• aus einem Meßrechner, der die aufgenommenen Meßwerte digitalisiert. Über eine serielle Standardschnittstelle (RS-232) lassen sich die gewonnenen Daten an andere Computersysteme zur weiteren Verwendung übertragen.

Die kapazitiven Drucksensoren (Abb. 1) messen die Verteilung des beim Greifen ausgeübten Drucks. Jeder Finger ist mit zwei Sensoren bestückt; auf dem Handteller sind zwei etwas größere Sensoren befestigt.

Die Positionssensoren messen die Beugung einzelner Fingergelenke. Ihre Anordnung ist auf Abb. 2 zu sehen. Wie man erkennt, werden beim Daumen sämtliche und bei den anderen Fingern jeweils zwei Gelenke erfaßt. Das reicht aus, um die meisten Fingerbewegungen vollständig zu charakterisieren. Bei Bedarf können weitere Sensoren angebracht werden, um zusätzlich noch die Spreizung der Finger bzw. die Beugung der obersten Fingergelenke zu messen.

Das Meßprinzip - die Positionssensoren sind induktive Wegaufnehmer - garantiert hohe Meßgenauigkeit und mechanische Robustheit (=> Wartungsfreiheit). Die Meßgenauigkeit ist deutlich höher als bei bisher kommerziell erhältlichen Produkten wie z.B. dem DataGlove(TM) von VPL Research.

Die Sensoren sind über eine Hilfsschaltung mit dem Meßrechner verbunden, der die Signale digitalisiert und zu Meßtupeln zusammenfaßt. Die Datenblöcke werden dann über eine serielle Schnittstelle an andere Rechner weitergegeben.

Der erste Sensorhandschuh bestand aus Baumwolle, um auch über längere Zeit hinweg ein bequemes Arbeiten zu ermöglichen.

Der zweite, 1995 vorgestellte Prototyp ist eine verbesserte Version des ersten Handschuhs. Durch einen auf dem Handschuh integrierten Mikrocontroller entfällt der externe Meßrechner. Der Handschuh kann über die eingebaute RS232-Schnittstelle direkt mit anderen Rechnern kommunizieren. Die Sensoren wurden verkleinert und ihre Elektronik verbessert. Spezielle neue Sensoren zur Bestimmung der Lage des Handschuhs im Raum sowie von Handbewegungen ermöglichen den vollkommen ortsunabhängigen Einsatz des Geräts (externe 3D-Referenzpunkte werden nicht benötigt).

Der zweite Prototyp ist aus Lycra bzw. Elastan, womit ein Verrutschen der Sensoren vermieden wird, ohne den Tragekomfort zu mindern.

3. Anwendungen

• Cyberspace bzw. virtuelle Realität
• Telerobotik (Fernsteuerung von Robotern im Weltraum / an für Menschen unzugänglichen Orten)
• (Fern-)Steuerung von technischen Geräten mit leicht zu erlernenden Gebärden
• Intuitive Steuerung komplexer Simulationen
• Steuerung graphischer Benutzungsoberflächen (u.a. CAD-Software)
• Verwendung als universelles Eingabegerät für Computer
• Ansteuerung von elektronischen Musikinstrumenten bzw. von Musikcomputern / Eingabemedium für analytische und künstlerische Zwecke
• Medizinische Anwendungen (Handschuh als Eingabemedium zur Steuerung der 3D-Visualisierung von medizinischen Bilddaten und zum Einsatz in der Diagnose und Therapie von Bewegungskrankheiten der Hand)
• Einsatz in der Kommunikation Gehörloser mit Hörenden (Gebärdeneingabe mit dem Handschuh, Übersetzung durch den Computer)

4. Aktueller Entwicklungsstand

Entwicklungsziele sind:

• Weitere Miniaturisierung der Elektronik;
• Steigerung der Meßrate auf 100 Meßtupel / Sekunde;
• Ersetzung der optionalen Druckaufnehmer durch resistive Foliendruckaufnehmer (kleiner, leichter);
• Verfeinerung der räumlichen Lagesensorik mittels empfindlicherer Meßaufnehmer;
• Bereitstellung unterschiedlicher Handschuhgrößen (klein, mittel, groß) sowie einer linkshändigen Version zur Messung beidhändiger Gebärden.

5. Vorläufige technische Daten

• Handschuh
  • Material: Lycra bzw. Elastan
  • Gewicht (mit Elektronik): ca. 150g

• Positionssensoren
  • Anzahl: 12 (erweiterbar auf max. 24)
  • gemessene Freiheitsgrade: 12 (erweiterbar auf max. 20)
  • Winkelauflösung: (0.1 -) 1 Grad
  • Auflösung in Bit: 8 (dynamisch änderbar)

• Drucksensoren
  • Anzahl: 12 (optional)
  • Meßbereich in Gramm: ca. 1 ... > 5.000 (nichtlineares Ansprechverhalten)
  • Auflösung in Bit: 8

• Lagesensoren
  • Anzahl: 3 (optional 6)
  • Auflösung in Bit: 8 (optional 16)

• Hardware
  • Schnittstelle: RS-232, max. 19.200 Baud, 3-Draht (TxD, RxD, GND)
  • Spannungsversorgung: 5V
  • Stromaufnahme: ca. 200mA

Typische Meßraten für verschiedene Sensorkombinationen (Meßrate dynamisch änderbar):

beteiligte Sensoren / Tupelgröße [in Bytes] / Meßrate [in Meßtupeln pro Sekunde] *)

12x Position / 12 / 83

12x Position, 12x Druck / 24 / 42

12x Position, 12x Druck, 3x Lage / 27 / 37

*) Typischer Wert für die Meßdauer eines Sensors: ca. 1ms (aufgrund der dynamisch veränderbaren Meßgenauigkeit sind auch geringere Meßzeiten möglich)

6. Ansprechpartner

Technische Universität Berlin
Institut für Technische Informatik
Sekretariat EN10 
Einsteinufer 17
D-10587 Berlin

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