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Erfindungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft die Sensortechnologie. Insbesondere befaßt sich
die Erfindung mit der Messung von geometrischer Lage und Konfigurationen von
Gegenständen
im Raum. Die Erfindung ist für Robotertechnikanwendungen
sowie zur Ermittlung der geometrischen Lage der Menschen und ihrer
Bewegungen geeignet.
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Eine
bevorzugte Anwendung ergibt sich auf dem Gebiet der Animation durch
Festhalten von Bewegungen, die den menschlichen Körper betreffen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Verschiedene
Technologien wurden bisher zur Messung des Ortes, der Orientierung
und der Oberflächenformen
von im Raum befindlichen Gegenständen
angewendet.
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Auf
dem Gebiet der Robotertechnik ist bekannt, den Ort einer Reihe starrer,
verbundener Elemente im Raum durch Messen der Winkelgeschwindigkeit
zu bestimmen, die an den verschiedenen Stellen existiert, an denen
solche verbundenen Elemente aufeinander stoßen. Hierzu wird beispielsweise
das US-Patent 5 576 727 von Rosenberg et al. genannt.
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Auf
dem Gebiet der Grenzflächen
zwischen Menschen und Mechanismen werden Gesichtsfeldmesser, die
sich auf Drehpotentiometer oder Belastungsmesser stützen, zur
Messung der Winkelverhältnisse
zwischen Teilen des menschlichen Körpers eingesetzt, wie beispielsweise
im US-Patent 5 163 228 von Edwards et al. beschrieben.
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Das
US-Patent 4 988 981 (Thomas Zimmerman et al.) zeigt Mittel zur Abtastung
der Körperposition
durch Benutzung von flexiblen Sensoren auf. Hierzu gehört auch
die Benutzung von von einem Handschuh getragenen flexiblen Sensoren.
Derartige Handschuhe werden weit verbreitet verwendet und von ihnen
wird auch weit verbreitet berichtet. Zu den berichteten Problemen
gehört
die Mehrdeutigkeit von Reaktionen aufgrund der Fingerbewegung, die bei
vielen Freiheitsgraden auftritt, und aufgrund anderer Ungenauigkeiten
infolge des Sitzes des Handschuhs auf der Hand. Ähnliche Verfahren zur Schaffung
einer flexiblen Abtastung in einem Handschuh werden in dem US-Patent
5 097 252 (Y. L. Harvill et al.) berichtet.
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Verschiebbare,
flexible Gestängesensoren, die
dazu dienen sollen, zwei Freiheitsgrade der Fingerverbindungsbewegung
zu ertasten, wurden im US-Patent 5 316 017 (Glenn Edwards et al.)
beschrieben. Das verschiebbare Gestänge ermöglicht dem Sensor, sich während der
Biegung an den sich ändernden
Abstand zwischen Befestigungspunkten anzupassen.
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Das
US-Patent 5 533 531 (Glenn Edwards et al.) befaßt sich mit der Trennung und
Identifizierung von Bewegungen mit mehreren Freiheitsgraden (DOFs)
bei Benutzung eines Multi-DOF-Kontaktsensors: die DOFs werden bei
einem Eichvorgang getrennt überprüft, wobei
eine mathematische Beziehung zwischen den Ausgangssignalen der Sensoren hergestellt
wird, die auf festgestellte Bewegungen ansprechen, welche zur Erzeugung
separater DOF-Signale benutzt werden können. Ein ähnliches Verfahren wird im
US-Patent 5 531 257 (Danisch) vorgeschlagen, bei dem drei faseroptische
Sensoren, die parallel zu ihren Sensoroberflächen angeordnet sind, welche
in getrennten Richtungen auseinander laufen, zur Auflösung von
Biegungen in vielfach DOFs in einer biegeelastischen Struktur benutzt
werden. Jedoch schlägt
keine dieser Druckschriften Verfahren vor, die sich mit Verdrillung
befassen, die die Ursache dafür
sind, daß die
Ergebnisse jedes der patentierten Sensorverfahren mehrdeutig sind
oder unerkannt bleiben. Darüber
hinaus befaßt
sich auch keines der Patente mit dem Problem der Bestimmung der
Endposition und Ausrichtung einer sich in Längsrichtung verlängerten
Konstruktion, die sich nur auf die Messung der Biegebeanspruchung
stützt.
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Drehbewegungen
bei einer Biegebeanspruchung sind mit einer Biegung verbunden, die
quer zu der Längserstreckung
der Unterlage verläuft,
sowie Verdrillbewegungen, die um eine Achse stattfinden, welche
mit der Längserstreckung
der Unterlage zusammenfällt.
Beide Arten des Biegens gelten als "Biegebeanspruchungen".
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Die
Verdrillung ist gewöhnlich
in Sensorkonstruktionen, die sich auf Zylinder, Stäbe und andere massive
Gegenstände
mit erheblichen Querschnittsabmessungen stützen, vernachlässigbar.
Es kann jedoch sehr vorteilhaft sein, das Vorhanden sein von Verdrillung
in flachen, rippenähnlichen
Biegungen zu messen. Solche Biegungen sind als Bestandteil von Gewändern sehr
zweckdienlich.
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Die
Firma Virtual Technologies Inc. aus Palo Alto in Kalifornien bringt
einen instrumentierten Gewebehandschuh auf den Markt, der an den
Fingerverbindungen Biegesensoren enthält sowie andere Sensoren zur
Messung der Daumentraverse, des Handflächenbogens, der Handgelenkbeugung
und der Handgelenkverbindung. Die Lage des Handschuhs und seiner
Sensoren im Raum ist ebenfalls dadurch meßbar, daß das Handschuhhandgelenkband
an einen Raumpositionszugmechanismus mit sechs Freiheitsgraden gekoppelt
wird.
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Ein
mit Instrumenten versehener Handschuh, der von der General Reality
Company aus San Jose, Kalifornien, vermarktet wird, beruht auf faseroptischen
Biegesensoren, die die Biegung an verschiedenen Stellen auf dem
Handschuh abtasten.
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Auf
dem Gebiet der Animationsbewegung wird zur Aufzeichnung der Positionen
und Bewegungen des menschlichen Körpers ein Fangverfahren verwendet.
Ein Verfahren macht sich die visuelle Aufnahme der Orte im Raum
der "Ziel"-Markierungen zu eigen, die auf den Gliedern
und Körpern
der menschlichen Akteure getragen werden. Ein anderes Verfahren
besteht darin, eine mechanische, "Außerskelett"-Struktur zu schaffen,
die als Mechanismus bei der Verfolgung und Erzeugung von Signalen
zur Aufzeichnung der Bewegungen und Positionen dient, welche von
dem menschlichen Körper
eingenommen werden. Die Genauigkeit ist dann durch die Fähigkeit des
skelettartigen Gebildes begrenzt, für den Körper eine stabile Lage aufrecht
zu erhalten. Der Nachteil derartiger Systeme sind die Einschränkungen
und der schwerfällige
Aufbau von mechanischen "Exoskeletten". Auch ist es sehr
schwierig, wenn nicht sogar unmöglich,
Exoskelette zu bauen, die die volle Gliedmaßenbeweglichkeit ermöglichen
oder alle Gliedmaßendrehbewegungen
zulassen sowie andere subtile Mehrfachfreiheitsgrade der Gliedmaßenbewegungen.
Darüber
hinaus weisen Exoskelette im allgemeinen von der gemessenen Oberfläche eine erhebliche
Entfernung auf, was zu ihrer Ungenauigkeit und größerer Masse
führt.
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Sowohl
die Zielmarke als auch die Exoskelettverfahren, die gegenwärtig angepeilt
werden, sind kompliziert und ihre Anwendung hat Nachteile zur folge.
Es besteht daher ein Bedürfnis
nach einer leichtgewichtigen und unkomplizierten Positions- und Bewegungsabtasteinrichtung,
die auf bequeme Weise die Lage und die geometrische Konfiguration
von Gegenständen
im Raum aufspüren
und identifizieren kann. Die Erfindung befaßt sich deshalb mit einem solchen
Gegenstand.
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Insbsondere
hat sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Biegebezugsplattform
zu schaffen, die mit verteilten Sensoren ausgestattet ist, so daß Änderungen
in der Form der Plattform durch die Sensoren so festgestellt werden
können,
daß die
vollständige
Form der Plattform durch Berechnungen von den Ausgangssignalen der
Sensoren gefunden werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, einen mit Instrumenten
ausgestatteten, flexiblen Körper
zu schaffen, der ausreichend biegsam ist, um der Oberfläche eines
gekrümmten
Gegenstandes im wesentlichen zu entsprechen und als Sensor zu arbeiten,
um elektronisch verarbeitbare Daten bezüglich der Formgebung der Oberfläche zu erzeugen.
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Frühere Patente
und Patentanmeldungen, auf die Bezug genommen wird und die sich
mit der Meßtechnik
der hier beschriebenen Erfindung befassen, sind:
- (1)
GB-A 2 238 112 für
einen mit Instrumenten versehenen Handschuh,
- (2) DE-C 42 40 531 für
ein Verfahren zur Formgebung einer Schale,
- (3) EP-A 344 322 betreffend die Messung der Verformung bei großen Gegenständen.
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Es
existiert eine große
Vielfalt an Technologien zur Messung des Biegezustandes – Biegung
und Verdrillung – in
einem Gegenstand. Eine passende Technologieklasse, die insbesondere
für diese
Aufgabe geeignet ist, beruht auf Faseroptiken.
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Das
US-Patent 5 321 257 von Danisch beschreibt eine modifizierte optische
Faser, die mit einem lichtabsorbierenden Bereich auf einem Teil
der äußeren Faseroberfläche versehen
ist, wodurch die Krümmung
an einem solchen modifizierten Bereich durch die Veränderung
der gesamten Lichtübertragungskapazität der Faser
aus der Ferne festgestellt werden kann. Dieses Patent beschreibt
die Entwicklung von Clustern aus modifizierten Fasern, die in der Lage
sind, eine Biegung in einem dreidimensionalen Raum festzustellen
(12).
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Die
PCT-Anmeldung PCT/CA 94/00 314 (veröffentlicht am 22.12.1994 als
WO 94/29 671) offenbart die Verwendung von Faserschleifenlichtwellenleitern
zur Krümmungsmessung.
Die Faser wird so geschlungen, daß sich ausgehende und zurückkehrende
Wellenpfade ergeben, die durch ein Schleifenende laufen, welches
eine 180°-Biegung
bildet. Die Oberfläche
der Faser wird neben und in der Krümmung des Schleifenteils behandelt,
um sie lichtabsorbierend zu machen. Bei einer Ausführungsform wird
die Seite der Faseroberfläche,
die sich längs
der oberen Ebene des Schleifenendes erstreckt, behandelt. Sobald
das Schleifenende auf diese Weise behandelt worden ist, ist es für seinen
Krümmungszustand
empfindlich, wenn es aus der normalerweise flachen Ebene der Schleife
herausgebogen oder durch sie gebogen wird. Eine solche Biegung kann durch
Veränderung
der Intensität
des von der Faser transportierten zurückkehrenden Lichtes aus der
Ferne festgestellt werden. Dadurch wird eine Messung der lokalen
Krümmung
in dem Bereich der Schleife ermöglicht.
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Ein
weiteres Dokument des Erfinders, das sich mit diesem Gegenstand
befaßt,
ist hier mit "Laminated
Beam Loops" betitelt
und wurde in SPIE Band 2839, S. 311–322, 1996, veröffentlicht.
Der Inhalt dieses Dokuments, die oben angeführten US-Patente und die veröffentlichte PCT-Anmeldung PCT/CA
94/00 314 wird hier insgesamt als Bezugsquelle übernommen.
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Die
schleifenförmig
ausgebildeten optischen Fasersensoren können die Biegung messen und
gemäß der im
folgenden beschriebenen Erfindung die Verdrillung, auf der Grundlage
der Anordnung der Schleife sowie der Lage des behandelten, lichtabsorbierenden
Bereiches der Faseroberfläche
neben oder innerhalb der Schleife. Der empfindliche Bereich am Schleifenende
der Faser kann innerhalb einer Länge
von etwa 3 mm bis 5 cm enthalten sein, und zwar in Abhängigkeit
von der gewünschten
Empfindlichkeit und dem Durchmesser der Faser. Dadurch wird eine
entsprechende Spannweite für
das Erproben des durchschnittlichen Krümmungszustandes des abtastenden
Schleifenendes der optischen Faser geschaffen.
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Die
optische Fasertechnologie eignet sich gut zur Anwendung in Sensoren,
weil sie robust ist, günstig
und preiswert. Es besteht Bedarf für ein faseroptisch basiertes
Sensorsystem, das über
die Orte der Gegenstände
im Raum Ferninformationen liefern kann sowie über die Form von Oberflächen und Änderungen
in der Oberflächenform.
Die vorliegende Erfindung befaßt
sich mit einem derartigen Bedürfnis.
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Die
Erfindung wird zunächst
in allgemeiner Form beschrieben und dann ihre Anwendung an speziellen
Ausführungsformen
unter detailliertem Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Diese
Ausführungsformen
sollen das Prinzip der Erfindung demonstrieren sowie die Art ihrer
Durchführung.
Daraufhin wird die Erfindung in ihrer breitesten und in spezielleren
Formen beschrieben und dann in jedem der einzelnen Ansprüche am Ende
dieser Beschreibung definiert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einer breiten Hinsicht ist die Erfindung ein die Form und Konfiguration
messendes Werkzeug, das aufweist:
- (1) eine
flexible Unterlage, die in wenigstens zwei Freiheitsgraden biegbar
ist;
- (2) eine beabstandete Biegesensoreinrichtung und eine Verdrillungssensoreinrichtung,
die entlang der Unterlage in bekannten entsprechenden Biegesensor-
und Verdrillungssensorabstandsintervallen gekoppelt und angeordnet
sind, um Signale zu erzeugen, die den lokalen Zustand der Biegung
und Verdrillung, der in der Unterlage an entsprechenden Stellen
vorhanden ist, anzeigen, wobei die Biegesensoreinrichtung und Verdrillungssensoreinrichtung
an der Unterlage angebracht sind; und
- (3) eine Sensordatenverarbeitungseinrichtung, die mit der Biegesensoreinrichtung
und der Verdrillungssensoreinrichtung zum Empfang von Biegesignalen
von den genannten Einrichtungen gekoppelt ist und die Daten über die
geometrische Konfiguration der Unterlage im dreidimensionalen Raum
liefert,
wobei die Sensordatenverarbeitungseinrichtung durch
Bestimmung der geometrischen Konfiguration der Unterlage aus den
Biege- und Verdrillungssignalen arbeitet, die von der Biegesensoreinrichtung
und der Verdrillungssensoreinrichtung und von den Abstandsintervallen
für diese
Sensoren geliefert werden.
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Die
Erfindung arbeitet durch Probenbeschaffung hinsichtlich der Krümmung in
vielen beabstandeten Intervallen entlang einer tragenden Unterlage, die
flexibel ist und vorzugsweise im wesentlichen durchgehend, inkompressibel
und nicht dehnbar ist. Diese Unterlage arbeitet als Träger für die Sensoren. Die
Erfindung stützt sich
darauf, daß die
Lage der Biege- und Verdrillungssensoreinrichtungen, die in Intervallen
auf der sie tragenden Unterlage angeordnet sind, in Beziehung zu
der Lage der benachbarten Sensoren gesetzt wird, so daß die Lage
aller Sensoren in Bezug aufeinander bekannt ist. Die Biegesensoren
und Verdrillungssensoren können
sich unterscheiden. Oder paarweise Sensoren können Signale erzeugen, die
ein Maß sowohl
für die
Biegung als auch für
die Verdrillung bilden. In diesem letzteren Fall können die
Sensorenpaare wie die sich unterscheidenden Sensoren eine Biegesensoreinrichtung und
eine Verdrillungssensoreinrichtung umfassen.
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Die
Krümmungsbedingungen,
die zur Bestimmung der geometrischen Konfiguration der Unterlage
gemessen werden, beruhen auf der Messung sowohl der Biegung als
auch des Zustandes der Verdrillung, der in der Unterlage vorhanden
ist.
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Die
Krümmung
kann durch Verdrillungssensoren und Biegesensoren gemessen werden,
die in bekannten Verdrillungs- und Biegesensorabstandsintervallen
längs der
Länge der
Unterlage angebracht und angeordnet sind. Diese erzeugen Signale,
die den lokalen Zustand der Verdrillung und Biegung anzeigen, der
in dem Substrat an den Stellen vorhanden ist, wo derartige Sensoren
an dem Substrat angebracht sind.
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Die
Biegung kann über
jeder oder beiden Achsen gemessen werden, die rechtwinklig zur Längsabmessung
der Unterlage verlaufen, und zwar in Abhängigkeit von der Art der Unterlage.
So würde ein
strangartige Unterlage erfordern, daß die Biegung entweder direkt
oder indirekt über
zwei Achsen gemessen wird.
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Indem
eine Unterlage vorgesehen wird, die nur in zwei beschränkten Freiheitsgraden
verformbar ist, läßt sich
die Anzahl der erforderlichen Sensoren verkleinern. Als bevorzugte
Konfiguration können Biege-
und Verdrillungssensoren an einer Unterlage angebracht werden, die
die Form eines Bandes hat. In einem solchen Fall sind Biegesensoren
nur für
die Messung der Krümmung
des Bandes in seiner zulässigen
Biegeart erforderlich. Dadurch wird die Anzahl der Biegesensoren,
die pro Längeneinheit
erforderlich ist, verkleinert.
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Ein
Band ist ein Gegenstand, der im wesentlichen auf die Biegung entlang
seiner Länge
um Achsen beschränkt
ist, die quer zu der Längsabmessung des
Bandes verlaufen, während
das Band sich frei um diese Längsabmessung
verdrillen kann. Somit reicht ein einziger Biegesensor aus, um die
Biegung an einer Stelle längs eines
Bandes zu messen. Zur Vervollständigung
der Definition der geometrischen Konfiguration einer bandähnlichen
Unterlage muß auch
die Verdrillung durch Verdrillungssensoren gemessen werden, die
in bekannten Intervallen entlang der Länge des Bandes angeordnet sind.
Derartige Biege- und Verdrillungssensoren können einander abwechselnd verteilt
liegen oder entlang des Bandes zusammen angeordnet werden.
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Wenn
die Unterlage eine bandartige Konfiguration aufweist, die sowohl
Biege- als auch Verdrillungssensoren benutzt, kann dennoch die geometrische
Konfiguration des Bandes im dreidimensionalen Raum frei bewegt und
gezogen werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Fähigkeit eines Bandes zum Verdrillen
ermöglicht,
daß Teile
des Bandes in irgendeiner Richtung im Raum neu ausgerichtet werden.
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Als
alternative Konfiguration lassen sich Biege- und Verdrillungssensoren
längs eines
biegbaren Kerns oder Substrats verbinden, der oder das zwei Biegefreiheitsgrade
aufweist, ähnlich
dem Band. Bei solchen Anwendungsfällen können zwei Biegesensoren für jeden
Verdrillungssensor vorgesehen werden, um einen ausgeglichenen Abgriff
der Biegung und Verdrillung zu schaffen.
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Diese
Konfiguration der Erfindung läßt sich auch äquivalent
einsetzen, indem ein mit Instrumenten versehener ebener Streifen
bandartigen Formats auf der Außenseite
oder Innenseite einer zylindrischen Krümmung, beispielsweise eines
Schlauches, angebracht wird. Wenn ein schlauchartiger Träger verwendet
wird, dann können
die Sensorsignale durch den Kern laufen.
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Die
Erfindung arbeitet mit größerer Präzision,
wenn die Biegesensoren entlang der neutralen Achse einer Trägerunterlage
angebracht sind. Dies läßt sich
im Falle einer Bandunterlage dadurch erreichen, daß zwei Unterlagenteile
zu einem Laminat zusammengebaut werden, wobei die Sensoren sich zwischen
den Schichten befinden. Durch Verwendung von Bandschichten ähnlicher
Flexibilität
werden die Sensoren im wesentlichen entlang der neutralen Achse
angeordnet.
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Biegesensoren
auf der Grundlage der optischen Fasertechnologie, und insbesondere
Fasern mit Schleifenenden, eignen sich zur Entnahme von Krümmungsproben
an vielen Orten, wobei die zugehörigen
Faserenden alle mit einer Vielfaserlichtquelle, Lichtabtast- und
Signalverarbeitungseinheit verbunden sind. Die Biegungs- und Verdrillungssensoren
können
sich auf optische Fasern stützen,
die für ihren
Krümmungszustand
empfindlich gemacht worden sind, indem geeignete lokale Abschnitte
oder Bereiche ihrer äußeren Oberflächen für das durch
die Fasern hindurch tretende Licht aufnahmefähig gemacht worden sind.
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Im
Falle einer Bandunterlage können
die Sensoren auf optischen Fasern mit krümmungsempfindlichen Teilen
beruhen, welche mit der Ebene des Bandes an den Stellen parallel
ausgerichtet sind, wo die behandelten Abschnitte an der Unterlage
angebracht sind.
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Zur
Messung der Biegung der empfindlich gemachten Abschnitte einer behandelten
Faseroptik kann der Sensor im allgemeinen so ausgerichtet werden,
daß er
quer zur Achse liegt, um die das Biegen stattfindet, d. h. die Achsen,
die sich quer zur Länge einer
Bandunterlage erstrecken.
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Wenn
schleifenförmige
Enden verwendet werden, werden die lichtabsorbierenden Teile der Oberflächen jeder
Schleife entweder nur auf der Hälfte
der Schleife angeordnet oder, wenn wunschgemäß auf beiden Hälften der
Schleife, dann auf derselben Fläche
der Schleife, um die Biegung zu messen. Durch Behandlung beider
Seiten werden zwei behandelte Abschnitte der Faser das Licht modulieren, das
von der Faser auf der Grundlage derselben lokalen Krümmungsbedingungen übertragen
wird, die jeder behandelte Abschnitte erfährt. Dadurch wird das Verhältnis von "Signal" zu Hintergrund-"Träger" des Lichtes innerhalb
der Faserführung
angehoben.
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Zur
Messung der Verdrillung eines mit einer Schleife versehenen Sensors,
dessen Schleife sich spreizt, läßt sich
zweckmäßigerweise
die zentrale Längsmittellinie
einer Bandunterlage benutzen: Die Oberfläche der optischen Faser ist
auf entgegengesetzten Flächen
der Schleife zur Hälfe
behandelt, wobei die Behandlung auf entgegengesetzten Seiten der
Mittellinie vorgenommen wurde. Die so behandelten und angeordneten
Teile der Schleifen reagieren umgekehrt auf Biegen, jedoch kumulativ
auf Verdrillen und messen daher ausschließlich die Verdrillung.
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Für mit Schleifenenden
versehene Sensoren ist nicht wesentlich, daß der zentrale, am meisten
gekrümmte
Teil der Schleife behandelt wird, um ihn für Licht undurchlässig zu
machen. Es reicht für
den behandelten Teil aus, daß er
sich in der Nähe
des Schleifenendes befindet, um vom Filtereffekt des Schleifenendes
zu profitieren.
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Zur
bequemen Signalbehandlung, wenn eine Bandunterlage benutzt wird,
können
sowohl die Verdrillung als auch die Biegung an einem einzelnen Ort gemessen
werden, und zwar unter Verwendung von zwei Biegesensoren, die mit
Schleifenenden versehene optische Fasern sein oder nicht sein können. Die
Richtungen der behandelten Teile der entsprechenden Sensoren des
Paares sind vorzugsweise in im wesentlichen demselben Winkel von
der Längsmittellinie
der Bandunterlage weg verlaufend ausgerichtet, und zwar vorzugsweise
um 45 ° zur
Längserstreckung
der Unterlage. Auf diese Weise können zwei
Fasern zur Messung sowohl der Biegung als auch der Verdrillung an
demselben Ort benutzt werden, indem ihre Ausgangssignale bearbeitet
werden, um ihre Summen- und Differenzsignale als Maß für die Biegung
und Verdrillung zu erhalten. Die rückbezogenen Winkelausrichtungen
vereinfachen die Signalverarbeitung. Bei rechnerischen Einstellungen sind
andere Winkel auch in der Lage, sowohl Verdrillungs- als auch Biegewerte
von einem auseinander strebenden Sensorenpaar zu erzeugen. Da die
Sensoren normalerweise in ihren linearen Bereichen arbeiten, bedeuten
die Berechnungen normalerweise Summenbildung und Differenzbildung
von linearen Gleichungen, die für
automatische Hochgeschwindigkeitsberechnungen sehr geeignet sind.
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Obgleich
diese Beschreibung sich auf nicht dehnbare, bandartige Krümmungen
bei in Längsrichtung
verteilten Sensoren konzentriert, schließt die Erfindung auch Strukturen
ein, die sich auf Krümmungen
stützen,
welche dehnbar, nicht schmal und nicht eben sind.
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Durch
Zusammenbau von verteilten Reihensensoren können Krümmungsabtastbereiche nicht nur
linear gebildet werden, solange ein tragender Strang oder eine bandartige
Unterlage vorhanden sind, sondern auch über einen Bereich, der einen
flexiblen Trägerbogen
als Unterlage verwendet. So kann beispielsweise eine breite, ebene
Form ein Laminat in Form eines flexiblen, planaren Trägers sein, wie
eine Gummi- und Faserbahn, wobei die Sensorgruppen über ihre
Fläche
verteilt sind. Die Gruppen können
aus Biege- und Verdrillungssensoren bestehen oder Zwei-Richtungs-Biegesensoren,
die in der Lage sind, die Form des Bogens vollständig zu beschreiben. Unter
Verwendung von Daten betreffend den Zustand der Krümmung in
jedem Abtastbereich und mit dem Wissen des Abstandes zwischen den Sensoren
kann das Signalermittlungssystem ein Bild der Form des Trägers entwerfen.
Mit diesem Trägerbogen,
der mit einer geometrischen Oberfläche un bekannter Form in Berührung gebracht
wird, läßt sich die
Form einer solchen Oberfläche
messen, und zwar wenigstens dort, wo der Bogen und die Oberfläche sich
berühren.
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In
einem anderen Fall nichtebener Formen weisen herkömmliche
Meßbänder (beispielsweise zur
Messung gerader Entfernungen in der Zimmerei) eine quasi ebene Form
auf, die mit einer durchgehenden Querbiegung versehen ist, wenn
sie in axialer Richtung flach ist. Dadurch wird ihnen eine größere Steifigkeit
verliehen, und es werden axiale Biegungen an bestimmten axialen
Stellen konzentriert, wenn das Band nicht auf einer Spule geführt wird (wenn
also das Band wieder auf seinen Halter aufgewickelt wird). Im letzteren
Fall werden Querbiegungen beseitigt, die in Biegungen entlang der
zentralen Achse des Bandes umgeformt werden. Die quer gebogene herkömmliche
Form ist für
die Erfindung ebenfalls eine mögliche
Form.
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Einen
anderen Fall von nicht planaren Ebenen ist die zylindrische Form
der Unterlage oder des Trägers,
die Torsion widersteht, weil eingebettete Drähte oder schraubenförmige Rippen
benutzt werden können.
Eine solche Unterlage wird in zwei Freiheitsgraden gebogen, ohne
daß Verdrillung
zugelassen wird. Diese Form kann nur zur Bestimmung zwangsläufiger dreidimensionaler
Orte und der Ausrichtungsinformation bezüglich zweier Freiheitsgrade verwendet
werden.
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In
allen Formen brauchen die Sensoren für Biegung nicht mit den Sensoren
für die
Verdrillung zusammen zu liegen und Biegesensoren brauchen nicht
mit ihren unterschiedlich ausgerichteten Biegeabtastteilen zusammen
zu liegen (es sei denn, sowohl Biegung als auch Verdrillung werden
gemessen, wie oben beschrieben). Es reicht für sie aus, daß sie auf
der Unterlage in bekannten Intervallen verteilt sind, so daß die Gestalt
der Unterlage bestimmt werden kann.
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Obgleich
hier viele Bezugnahmen auf nicht dehnbare Krümmungen gemacht worden sind,
kann die Dehnbarkeit für
die Unterlage zugelassen werden. Somit könnte eine mögliche Form der Erfindung eine
streckbare Krümmung
sein, bei der nicht nur Biegung und mögliche Torsion gemessen werden, sondern
auch Dehnung. Der Grad der Dehnung muß festgestellt werden, damit
die Abstände
zwischen den Krümmungssensoren
mit Sicherheit bekannt sind. Dehnungssensoren könnten leitende Elostomere enthalten,
die dehnungsempfindlich sind. Zur Vereinfachung und Verbesserung
der Nachgiebigkeit könnte
die Dehnung auf eine kleine Vergrößerung der Länge begrenzt
werden, über
die hinaus die Krümmung
funktionell undehnbar wird.
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Obgleich
im obigen auf eine "Unterlage" als Träger für die Krümmungssensoren
Bezug genommen wird, ist das Wort "Unterlage" in seiner Bedeutung nicht auf eine
strikte Lageabhängigkeit
der Sensoren beschränkt.
Obgleich die Sensoren auf einer äußeren Oberfläche der
Unterlage angeordnet werden können,
können
sie auch in den Körper
der Unterlage eingebettet werden oder in ihm enthalten sein. Es
reicht für
die Unterlage aus, als Träger
für die Sensoren
zu dienen, wobei ihre Zwischensensorabstände und ihre Ausrichtungen
in Bezug auf den Körper
der Unterlage gewahrt bleiben.
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Dieses
Form- oder Profilmessungswerkzeug kann mit seiner gesamten Länge oder
einem Teil seiner Länge
durch eine Halterungseinrichtung mit einem Teil eines Körpers oder
Gegenstandes hinsichtlich Lage, Form oder Ausrichtung im Raum, der
zu messen ist, gekoppelt werden. Es können daher Informationen erhalten
werden, die die Lage, Form, Ausrichtung und Bewegung des gekoppelten
Teils anzeigen. Derartige Informationen werden von allen Teilen
des Sensors einschließlich
der nicht gekoppelten Teile erhalten, obgleich die Aufgabe darin
besteht, Daten nur im Hinblick auf die gekoppelten Teile zu beschaffen.
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Da
die Erfindung lokale Informationen über und für die gesamte Länge der
Unterlage bietet, ist es für
einen Teil der Unterlage möglich,
von dem Körper abgekoppelt
zu werden, der über
Teilen seiner Länge vermessen
wird. Es reicht für
wenigstens einen Teil des Sensors aus, an einem Körper angebracht
zu werden, um die Lage und Ausrichtung dieses Körperteils in Bezug auf einen
Bezugspunkt irgendwo auf dem Sensor zu bestimmen. "Signatur"-Eigenschaften der
gekoppelten Teile, so beispielsweise invariante, proportionale Signale
zwischen speziellen Sensoren, lassen sich zur Identifizierung und
Aufspürung der
gekoppelten Teile benutzen.
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Die
Erfindung arbeitet in demselben Sinne, wie eine Schnecke in der
Lage ist, kinaästhetisch
der Lage ihres Kopfes bewußt
zu werden sowie ihres ganzen Körpers
in Bezug auf die Lage ihres Schwanzes. Jeder Sensorort und jede
Sensorausrichtung läßt sich
in Bezug auf die anderen Sensoren durch Interpolierung der Positionen
der in Frage kommenden Sensoren bestimmen.
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Diese
Fähigkeit,
Teile dieses Position, Ausrichtung und Form messenden Werkzeugs
entlang Abschnitten der Körperlänge oder
Objektlänge,
die gemessen wird, abzukoppeln, ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn die Erfindung zum Festhalten der Bewegung der menschlichen
Form benutzt wird.
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Wegen
der Fähigkeit
des Formmessungswerkzeugs der Erfindung, gleichermaßen irgendwo entlang
seiner Länge
Oberflächensegmente
zu verfolgen, benötigt
sie keine präzise
Lage des instrumentierten Werkzeugs in Bezug auf die Verbindungen,
deren Winkelstellungen gemessen werden sollen. So kann also beispielsweise
ein lose sitzender Formmeßhandschuh,
dessen Position sich während der
Bewegung auf einer menschlichen Hand verschiebt, wenn er erfindungsgemäß eingesetzt
wird, nichts desto trotz genaue Ausgangssignale bezüglich der
Lage und Ausrichtung der verschiedenen Verbindungen der Trägerhand
liefern.
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Eine
andere potentielle Anwendung der Erfindung ist die eines "Key Boards" oder einer Einrichtung
zur Eingabe von Signalen, die auf Berührung und ausgeübten Druck
beruhen. Ein Bandsensor, der auf einer kompressiblen Unterlage angebracht
ist, kann Ausgangssignale erzeugen, die die Lage des Kontakts, den
Grad des einwirkenden Druckes und ein drittes Signal gemäß der Größe der erzeugten Verdrillung
angeben. Eine instrumentierte ebene Reihe, die über einer kompressiblen Unterlage
angeordnet ist, kann eine Lageinformation bezüglich des Kontaktpunktes in
zwei Dimensionen geben. Die Höhe
des Druckes, der an einer Stelle einwirkt, kann eine weitere Dimension
für die
Abfrage durch einen Benutzer einer derartigen "Tastatur" liefern.
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Die
obigen Ausführungen
fassen die grundlegenden Merkmale der Erfindung sowie einige ihrer wahlweisen
Aspekte zusammen. Das Verständnis der
Erfindung wird durch die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
in Verbindung mit den Zeichnungen weiter gefördert.
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Zusammenfassung der Zeichnungsfiguren
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1 ist
ein Schema eines ebenen Mechanismus, der aus Drehbiegeverbindungen
und Gelenken zusammengesetzt ist, die mit Verbindungssensoren versehen
sind, wodurch die Lage des Peripherieendes in Bezug auf das Basisende
im Raum bestimmt werden kann;
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2 stellt
den Mechanismus von 1 mit einer zusätzlichen
Drehverdrillungsverbindung dar;
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3 ist
der Mechanismus von 1 mit Drehverdrillungsverbindungen,
die jeder Drehbiegeverbindung zugeordnet sind;
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4 ist
der Mechanismus von 3 mit den Verdrillungs- und
Biegeverbindungen, die unabhängig
innerhalb des Mechanismus angeordnet sind;
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5 ist
eine bildhafte Darstellung eines Bandes, das Biege- und Verdrillungssensoren
trägt;
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6 ist
eine Seitenansicht des Bandes von 5, gebogen
in eine Krümmung;
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7 ist
eine Darstellung einer "Strang"-Unterlage, die Biege-
und Verdrillungssensoren trägt;
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8 ist
eine Darstellung eines Bandes im Raum, das Biegung und Verdrillung
zeigt;
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9 ist
eine Seitenansicht einer geraden optischen Faser mit einer oberen
Oberfläche,
die zur Lichtabsorbierung behandelt ist;
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10 ist
die Faser von 9 im gebogenen Zustand;
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11 ist
eine Draufsicht einer eine Schleife bildenden optischen Faser mit
einer oberen Oberfläche,
die zur Absorbierung von Licht behandelt ist und in einer ebenen
Konfiguration;
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12 ist
eine Seitenansicht von 11;
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13 und 14 entsprechen
den 11 und 12, wobei
das mit einer Schleife versehene Ende eine gekrümmte Konfiguration aufweist;
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15 und 16 sind
den 11 und 12 ähnlich,
wobei jedoch die behandelte Oberfläche nur auf der Hälfte der
Schleife vorhanden ist;
-
17 ist
eine rechte Stirnansicht der die Schleife bildenden Faser der 15 und 16;
-
18, 19 und 21 zeigen
die eine Schleife bildende Faser der 15, 16 und 17,
wobei die Behandlung der gegenüberliegenden
Schleifen auf entgegengesetzten Seiten eben ist;
-
20 ist
die mit einer Schleife versehene Faser der 18, 19 und 21 in
einer verdrillten Konfiguration, gesehen von der rechten Stirnseite;
-
22A zeigt in Seitenansicht ein Band in einer gewählten Form,
das auf einem festen Körper ruht;
-
22B ist der 22A ähnlich,
wobei jedoch ein zweiter Körper
vorhanden ist, auf den von oben ein Druck einwirkt;
-
22C ist eine modifizierte Form des in den 22A und 22B gezeigten
Bandes, wobei das Band eine zinnenartige Form aufweist;
-
22D zeigt in Draufsicht einen Bandsensor, der
von einem flachen Bogen abgeschnitten ist;
-
22E zeigt eine Serpentine mit dünneren Gelenkabschnitten;
-
22F zeigt einen Querschnitt durch einen Gelenkabschnitt,
beispielsweise längs
der Linien A-A oder B-B in 22E;
-
22G zeigt ein Sensorband, das in eine flexible
Leitung eingebaut ist;
-
22H ist eine Stirnansicht der Anordnung von 22G;
-
23 zeigt
ein einzelnes Paar mit Schleifen versehener Sensoren, das auf einem
Streifen angeordnet ist, der mit Signalverarbeitungsbetriebsverstärkern verbunden
ist, um einen Datenverarbeitungscomputer und ein Videodisplay zu
versorgen;
-
24 ist
eine quergeschnittene Stirnansicht durch den Streifen von 23 in
der unbehandelten Trägerlänge;
-
25 ist
eine quergeschnittene Stirnansicht durch den Streifen von 23 an
dem behandelten, mit einer Schleife versehenen Sensorende;
-
26 ist
eine Darstellung des Sensors von 23, der
von einer halbsteifen Leitung getragen wird;
-
27 ist
eine Draufsicht eines Sensorbandformats mit sich kreuzenden, reflexartig
arbeitenden, gebogenen Sensoren;
-
28 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht von 27;
-
29 und 29A sind Draufsichten von halben Reihen von auf
Bandunterlagen verteilten Sensoren, die zur Bildung eines laminierten
Sensors übereinander
anzuordnen sind;
-
30 ist
eine quergeschnittene Stirnansicht der zu einem laminierten Sensor
zusammengebauten Reihen der 29 und 29A;
-
31 ist
eine Draufsicht eines Bandformatsensors aus Paaren eingebauter,
mit Schleifen versehener Zwillingssensoren, die eine "Y"-Konfiguration bilden;
-
32 ist
eine Querschnittsansicht von 31;
-
33 ist
eine Draufsicht eines Bandformatsensors mit Paaren eingebauter,
mit Schleifen versehener Zwillingssensoren, die eine "X"-Konfiguration bilden;
-
34 ist
eine Draufsicht des Bandformatsensors mit einer linearen Reihe von
eingebauten, mit Schleifen versehenen Zwillingssensoren;
-
35 ist
eine Draufsicht eines Aufbaus des Sensors von 34,
die eine ebene Anordnung bildet;
-
36 ist
eine Seitenansicht von 35;
-
37 ist
eine Draufsicht eines Aufbaus des Sensors von 33,
die eine ebene Anordnung bildet;
-
38 ist
eine bildhafte Darstellung einer Person, die einen Bandtyp-Sensor
trägt,
um die Bewegung auf einem Videodisplay einzufangen;
-
39 ist
eine bildhafte Darstellung, ähnlich derjenigen
von 38, wobei ein flexibles Sensorband um den Arm
gewickelt ist; und
-
40 ist
eine Seitenansicht einer Joystick-Anwendung für einen Bandtypsensor.
-
Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
-
1 zeigt
einen Mechanismus 1 in Form starrer Glieder 2,
die an Verbindungen 3, welche parallele Achsen haben, gekoppelt
sind. Dieser Mechanismus 1 kann sich daher frei in einer
einzigen Ebene bewegen oder biegen. Er ist an einem Bezugspunkt 4 an
dem einen Ende verankert und kann an seinem anderen Ende ein Endgerät 5 aufweisen.
Alle Verbindungen 3 sind instrumentiert, indem sie Sensoren (nicht
gezeigt) aufweisen, die Informationen bezüglich der Winkelausrichtung
der Verbindungen 3 liefern.
-
Es
ist möglich,
durch Bearbeitung der Signale von den Sensoren und aufgrund der
Kenntnis der Längen
jedes Glieds 2 rechnerisch den Abstand zu dem Endgerät 5 und
die Position des Endgerätes 5 im
Raum in Bezug auf den Bezugspunkt 4 zu bestimmen.
-
Tatsächlich lassen
sich die Positionen aller Verbindungen 3 und Orte dazwischen
auf speziellen Gliedern 2 durch Interpolation berechnen.
-
Bei
starren Gliedern und mechanischen Verbindungen war es in der Vergangenheit
nicht möglich,
derartige Elemente in einer Zahl zu vervielfältigen, die groß ge nug
ist, um ein Form- oder Positionsmeßwerkzeug zu erhalten, das
eine hohe Anpassungsfähigkeit
an eine unregelmäßig gekrümmte Oberfläche aufweist.
Darüber
hinaus ist der Mechanismus von 1 auf Bewegung
in einer einzigen Ebene beschränkt.
-
2 zeigt
einen in Bezug auf 1 modifizierten Mechanismus 22,
der eine zusätzliche "Verdrillungs"-Verbindung 6 enthält, die
ebenfalls einen Sensor trägt,
um ihre Drehstellung anzuzeigen. Diese Verdrillungsverbindung 6 ermöglicht es
dem Endgerät 5,
sich aus der Ebene heraus zu drehen, auf die der Mechanismus 1 in 1 beschränkt ist,
so daß sie
Zugang zu einem dreidimensionalen Raum gewährt.
-
3 zeigt
eine generalisierte Ausdehnung des Mechanismus 22 von 2,
wobei mehrere Verdrillungsverbindungen 6 vorgesehen sind,
die zusammen mit Biegeverbindungen 3 entlang der Länge des
modifizierten Mechanismus 23 angeordnet sind. 4 zeigt
eine ähnliche
generalisierte Erweiterung zur Schaffung eines Mechanismus 24,
in dem die Biegeverbindungen 3 und Verdrillungsverbindungen 6 entlang
der Länge
des Mechanismus verteilt sind, ohne daß sie notwendigerweise zusammenliegen.
-
Die
Mechanismen der 3 und 4 haben
die mechanische Fähigkeit,
sich in einem gewissen Maß an
eine Oberfläche
anzupassen, die dreidimensional gekrümmt ist. Bei der Verwendung
von festen Gliedern und mechanischen Verbindungen konnten derartige
Elemente in der Vergangenheit jedoch nicht vervielfacht werden,
um ein Meßwerkzeug zu
schaffen, das eine große
Fähigkeit
hat, sich an eine gekrümmte
Oberfläche
anzupassen.
-
Wie
wieder aus 1 ersichtlich, besteht die Möglichkeit,
den Ort in zwei Dimensionen des Endgerätes 5 und jede Verbindung 3 in
Bezug auf den Bezugspunkt 4 zu berechnen, wenn eine einfache
Geometrie auf der Grundlage der Länge jedes Glieds 3 und
der Winkeleinstellung 26 jeder Verbindung 3 benutzt
wird. In ähnlicher
Weise lassen sich solche Parameter im dreidimensionalen Raum für die Mechanismen 22, 23, 24 der 2, 3 und 4 berechnen.
Um dies anzuzeigen, sind die Symbole für die x-, y- und z-Koordinaten
an dem gegenüberliegenden
Endgerät 5 in
jeder dieser Figuren vorgesehen.
-
Die
Erfindung bringt diese Methodik zur Wirkung, indem eine flexible
Unterlage 8, 21 vorgesehen wird, die als Träger für eine Reihe
Krümmungsermittlungssensoren 10, 11 dient,
welche entlang seiner Länge
verteilt sind. Diese Unterlage oder Substrat kann, wie in den 5, 6 gezeigt,
eine Bezugsoberfläche 28 haben,
die auf der äußeren Oberfläche eines
Gegenstandes angebracht werden kann, um von ihr ein Profil zu erhalten,
und zwar auf der Grundlage von Signalen, die von den Sensoren, die
ihre Winkelausrichtungen anzeigen, empfangen werden.
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Diese
Technik der Formmessung durch Probenahme der Krümmung und Verdrillung unter
Verwendung einer flexiblen Unterlage 8 mit einer Bezugsoberfläche 28 kann
dann angewendet werden, wenn die Krümmungen und Verdrillungen,
die gemessen werden, keine starken Gradienten annehmen können, oder
wenn der Sensorabstand ausreichend klein ist, um die Gradienten
in adäquater
Weise zusammenzufassen. Der Abstand und der individuelle Bereich
der Sensoren bestimmt den zulässigen
Betriebsbereich für
die Sensoranordnung.
-
In 5 ist
ein Form- und Positionsmeßwerkzeug 7 gezeigt,
das auf einer flexiblen Unterlage beruht, die in Form eines Bandes 8 ausgebildet
ist. Ein "Band" beschreibt hier
einen Körper
aus flexiblem Material, der im wesentlichen undehnbar ist und eine Längsabmessung 12 erheblicher
Größe aufweist, und
zwar im Vergleich zu seiner Breite 13 und Dicke 14,
und dessen Breite 13 so viel größer ist als seine Dicke, daß das Biegen
des Körpers
im wesentlichen beschränkt
ist auf das Biegen um die Achsen 15, 15a, die
quer zur Längsabmessung 12 des
Bandes verlaufen. Ein Band kann sich jedoch verdrillen. Aus diesem
Grund sind die querverlaufenden Biegeachsen 15, 15a nicht
notwendigerweise parallel.
-
8 zeigt
ein Band 8 mit Pfeilen, die sowohl das Biegen als auch
das Verdrillen anzeigen.
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In 5 weist
eine Bandunterlage verteilt über
seine freiliegende Oberfläche 9 und
an dieser angebracht, eine Reihe getrennt verteilte Biegesensoren 10 und
Verdrillungssensoren 11 auf. Diese sind schematisch als
im wesentlichen punktförmige
Gegenstände
dargestellt. Tatsächlich
sind alle diese Sensoren 10, 11 mit einer Signalverarbeitungseinheit (in 5 nicht
gezeigt) gekoppelt, die von den Sensoren 10, 11 Signale
empfängt.
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In 6 ist
das Band 8 von 5 in einer Seitenansicht gezeigt,
und zwar gebogen in einer einzigen Ebene, ohne daß eine Verdrillung
vorhanden ist. Die Krümmung
zwischen den Punkten 16 und 17 in der Nähe der Biegesensoren 10 kann
als Kreisbogen 18 um einen Mittelpunkt 19 angenähert gesehen
werden. Diese Annäherung
reicht aus, um eine brauchbare Genauigkeit zu liefern, wenn das
Band 8 sich in bekannter Weise biegt, d. h. wenn das Band 8 eine
relativ konstante Dicke 14 und Biegeeigenschaft besitzt,
und wenn die Sensoren 10 in ihrer Verteilung längs der
Unterlage 8 ausreichend nahe beieinander liegen.
-
Die
Krümmung
zwischen den Punkten 16 und 17 läßt sich
durch den Zustand der an den Punkten 16, 17 gemessenen
Krümmung,
die von den Biegesensoren 10, 10 festgestellt
wird, welche an diesen Orten liegen, abschätzen. Wenn diese Krümmungen differieren,
kann eine durchschnittliche Krümmung oder
ein Krümmungswert
auf der Grundlage weiterer benachbarter Krümmungsmessungen als Näherung für die Krümmung des
Bogens 18 genommen werden.
-
Wenn
der Wert der Krümmung
des Bogens 18 und die Bogenlänge bekannt sind, die für den Abstand
der Sensoren 10, welche längs des Bandes 8 verteilt
sind, wesentlich sind, dann läßt sich
ein folgender Punkt unter Bezug auf einen benachbarten Punkt 16 berechnen.
Diese Art einer rückbezüglichen Berechnung
kann von einem Basisende eines Bandes 8 bis zum eigentlichen
Bandende verfolgt werden. Eine solche Berechnung erbringt für die Positionen
aller Sensoren 10, 11 im Raum und darüber hinaus
durch Extrapolation für
beliebige Zwischenorte auf dem Band 8 geometrische Werte.
-
Die
obigen Erläuterungen
sind aus Vereinfachungsgründen
nur unter Bezug auf die Biegesensoren 10 gemacht worden. Ähnliche
Berechnungen können
Daten einschließen,
die von den Verdrillungssensoren 11 empfangen werden, um
geometrische Daten im dreidimensionalen Raum zu erhalten.
-
Wenn
ein flacher, unverdrillter Abschnitt der Unterlage 8 zwei
parallele Enden hat, dann wird die Verdrillung als Winkeldifferenz
zwischen den Enden definiert, wenn die Enden verdrillt werden. Wenn
die Unterlage 8 auch gebogen wird, dann wird die Verdrillung
als dieselbe angesehen, wie diejenige, die in einer dünnen, zylindrischen
Antriebswelle entlang ihrer Längsachse
auftritt, d. h. die Verdrillung bleibt unveränderlich, wenn die Welle gebogen
wird. Wenn dies geschieht, befinden sich die Endlinien nicht länger in
parallelen Ebenen.
-
Wenn
einem geraden Abschnitt der Unterlage 8 eine Verdrillung
allein zugefügt
wird, dann beeinträchtigt
die Verdrillung so lange nicht die Lage der Längsachse 12, bis ein
Abschnitt erreicht wird, der eine Biegung aufweist.
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Ein
Modell der Unterlagenform läßt sich
in einem Computer konstruieren, und zwar auf der Grundlage der obigen
Berechnung. Ein bequemes Mittel, das Modell sichtbar zu machen,
besteht darin, die Bögen
nacheinander zu ziehen, und zwar unter Verwendung kleiner flacher
Bogensegmente, so daß die
Verdrillung sogar für
gerade Bogensegmente sichtbar wird. Verfeinerungen lassen sich durch
Benutzung von Interpolation, Durchschnittsbildung und anderen herkömmlichen
Kurvenanpaßtechniken
hinzufügen.
-
6 zeigt
die Erfindung zur Vereinfachung durch Bezug auf eine bandförmige Unterlage 8,
wie oben erwähnt. 7 zeigt
zur visuellen Betonung einen "Strang" 20, der
mit Biege- und Verdrillungssensoren 10, 11 versehen
ist, welche entlang seiner Länge
getrennt verteilt sind. Auch hier kann mit ähnlichen Berechnungen auf der
Grundlage der von diesen Sensoren erhaltenen Signale die geometrische
Ausrichtung einer derartig vollständig flexiblen Unterlage im
Raum berechnet werden. Während
ein "Strang" 20 bildhaft
dargestellt wird, kann in der Praxis eine vollständig flexible Unterlage 21 eine
extrudierte Gummilänge
oder eine flexible Polymermateriallänge sein, in die die Sensoren
eingebettet sein können. Wenn
dieses biegsame Material einen hohlen Kern hat, so läßt sich
dieser Kern zur Führung
von Signale transportierenden Adern verwenden, die von Krümmungssensoren
kommen. Eine andere Alternative besteht darin, eine Unterlage im
Bandformat in ein zylindrisches Rohr zu "sperren", beispielsweise ein in Längsrichtung
geschlitztes gewelltes Rohr, das zum Schutze elektrischer Drähte Verwendung
findet. Dadurch wird die Unterlage in eine handhabbare oder "gut zu händelnde" Form gezwungen,
wenn sie um einen Gegenstand gebogen wird.
-
Eine
weitere Alternative besteht darin, eine Unterlage mit begrenztem
Biegefreiheitsgrad zu benutzen, beispielsweise wenn man einen Stab
mit quadratischem Querschnitt verwendet, der mit querverlaufenden
Nuten versehen ist, um das Biegen zu ermöglichen, während ein Widerstand gegen
Verdrillung aufrechterhalten wird. Bei einer solchen "mechanischen Filterung" der Möglichkeiten,
müssen
nur Biegesensoren verwendet werden.
-
In 6 sind
zwei Biegesensoren 10 für
jeden einzelnen Verdrillungssensor 11 dargestellt. Dadurch
wird sichergestellt, daß das
Biegen in zwei Richtungen und nicht nur in einer Ebene festgestellt werden
kann. Obgleich die Biegesensoren 10 zusammenliegend dargestellt
sind, ist dies nicht notwendigerweise erforderlich. Es reicht für alle Sensoren 10, 11 aus,
daß sie
auf dem Substrat 21 so verteilt sind, daß ihre Signalwerte
mit den Signalwerten anderer Sensoren kombiniert werden können, um
eine Berechnung der geometrischen Anordnung der Unterlage 21 zu
ermöglichen.
-
Sensoren,
die für
Biege- und Verdrillungsmessungen geeignet sind, sind mit faseroptischen Biege-
und Spannungssensoren versehen; leitfähige Elastomersensoren für Biegung
und Verlängerung werden
im allgemeinen als kraftempfindliche Widerstände (FSRs), biegeempfindliche
Widerstände (BSRs)
und Piezowiderstandssensoren bezeichnet; ferner als elektrische
Spannungsmesser einschließlich
verklebter Draht- und Halbleiterformen; und beliebige andere Sensoren,
die zur Messung von Biegung, Verlängerung und Torsion geeignet
sind, wobei kapazitive, magnetische und piezoelektrische Verfahren
eingeschlossen sind.
-
Faseroptische
Sensoren, wie sie beispielsweise im US-Patent 5 321 257 und der
PCT-Veröffentlichung
WO 94/29 671 (Anmeldung PCT/94 CA/00 314) beschrieben sind, sind
ebenfalls für
diese Anwendung geeignet, weil diese Sensoren gegen elektromagnetische
Interferenz immun sind und in der neutralen Achse einer Krümmung arbeiten,
wo keine Spannung anzutreffen ist. Der Typ der faseroptischen Sensoren,
auf den in diesen Veröffentlichungen
Bezug genommen wird, läßt sich
als "biegeverstärkte Fasern" klassifizieren.
-
Biegeverstärkte Fasersensoren
(BEF) gründen
sich auf den Verlust an Licht von einer Lichtführung in einer Zone, in der
die Kern-/Hülle-Trennfläche so behandelt
und modifiziert worden ist, daß das
die modifizierte Zone treffende Licht vom Kern verschluckt wird
und nicht zurückkehrt.
Bei BEF-Sensoren wird auf der einen Seite eine als gerade angesehene
Faser so behandelt, daß sich
der Lichtverlust verstärkt,
wenn sich die Lichtführung
biegt, um die gerade, behandelte Zone konvexer zu machen, und abnimmt,
sobald sich die Führung
in anderer Weise biegt.
-
Gerade
BEF-Sensoren 30 und gebogene BEF-Sensoren 31 sind
entsprechend in den 9 und 10 dargestellt.
Die behandelten Teile 32 auf der oberen Oberfläche sind
schwarz dargestellt. Die Geometrie ist so, daß die Modulation der Intensität des durch
die Faser 30, 31 laufende Lichts linear zur Krümmung der
Faser ist. Der Austritt um die gerade Form ist bipolar. Es wurde
gemessen, daß die
Modulation durch Krümmung
in der behandelten Zone das 3000fache derjenigen ist, die durch
Krümmung
unbehandelter Lichtführungen
erzeugt wird.
-
Bei
Schleifensensoren findet die Behandlung auf der einen Fläche der
Lichtführungsschleife 33 statt
(siehe 11 und 12), und
die Modulation erfolgt, sobald die Schleife 33 aus ihrer
Ebene 34 (siehe 13 und 14)
herausgebogen wird. Die behandelte Oberfläche 32 in den 11 und 13 ist
abgeschattet zu sehen. In den 12 und 14 ist
eine dunkle Linie zu sehen.
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Die 15, 16 und 17 zeigen
einen Schleifensensor 35, bei dem die behandelte Zone 32 auf
demjenigen Teil der Schleife 33 erscheint, der in den Bereich
der rückführenden
Krümmung 36 führt. Für diesen
rückführenden
Bereich 36 ist keine Behandlung erforderlich, obgleich
diese optional ist. Auch die entgegengesetzte Hälfte der Schleife 33 bleibt
unbehandelt.
-
Für Schleifensensoren
sind Durchsatzeffizienz und Modulationseffizienz besonders hoch.
Die Kombination der behandelten Zonen 32 auf der Lichtführungsoberfläche und
den engen Schleifen ist synergistisch. Eine behandelte Zone 32 oben
auf der Lichtführung
verstärkt
den Lichtverlust in einem Maße,
das nicht frei durch die nahe gelegene enge Schleife passen würde, wenn
die Schleife gerade wäre,
so daß die
Einführung
einer eng gekrümmten
(und deshalb verlustreichen) Schleife 33 in die Lichtführung nur
einen geringen Nachteil mit sich bringt. Wenn jedoch die Schleife 33 aus
ihrer Ebene herausgebogen wird, stoßen sich die Verlustzonen stark
an der Art und Weise, in der sonst eine freie Bahn um die Schleife 33 gebildet
wird, die zu einer effizienten Modulation führt.
-
Eine
weitere Variante von Schleifensensoren ist ein Verdrillungssensor,
der in den 18 bis 21 gezeigt
ist und der die Form einer Schleife 33 haben kann mit einer
in zwei Teile teilenden Mittellinie 46, indem die Schleife 33 nur
auf der Hälfte
jedes nach außen
gewandten Oberflächenteils
bearbeitet wird und ebenso auf entgegengesetzten Flächen 47 auf
entgegengesetzte Hälften
der Schleife 33. Eine so behandelte Schleife 33 ist
in den 19 bis 21 dargestellt,
wobei der gezeigte Abschnitt 32 aus Klarheitsgründen erhaben
ist. In 21 ist die Schleife 33 flach.
Wenn sie nach oben oder unten gebogen wird, und zwar quer zur Mittellinie 46,
dann haben die behandelten Oberflächen 32 entgegengesetzte
Wirkungen, die sich aufheben. Demzufolge wird kein Biegen festgestellt.
Wenn jedoch, wie in 20 gezeigt, die Schleife 33 um
ihre Mittellinie 46 verdrillt wird, addieren sich die Modulationswirkungen
der behandelten Oberflächenteile 32,
so daß eine
verstärkte
Messung der Verdrillung erfolgt.
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22A zeigt eine Seitenansicht eines Bandes 8 in "gewellter" Konfiguration. Das
Band ist so gemacht, daß es
sich in Ruhestellung, in der keine Kräfte einwirken, aus seiner Ebene
in einem Freiheitsgrad ausgebogen ist, wobei sich sinusförmige Wellen
an vielen Sensorabschnitten wiederholen. In diesem Fall haben die
sinusförmigen
Wellen dieselbe räumliche
Häufigkeit
wie die Sensorpaare 50, angezeigt durch Kästchen 51 auf
gegenüberliegenden Seiten
des Bandes. Das Band ruht auf einem festen Körper 52, so daß sein Hauptort,
angezeigt in der Seitenansicht durch die strichpunktierte Linie 53,
die Form des festen Körpers
annimmt. Das Computerbild des Bandes sieht aus wie die Figur, beispielsweise
einer Oberfläche,
die sich sinusartig im Raum erstreckt, deren Hauptposition und Ausrichtung
mit einem Durchschnittsbildungs- oder räumlichen Filterungsprozeß gefunden
werden kann, welcher die Sinuswellen ausschaltet, die die Hauptoberfläche verlassen.
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22B zeigt dasselbe gewellte Band 8, nun
jedoch mit einem zweiten Körper 54,
wobei von oben ein Druck aufgebracht wird. Das Computerbild zeigt
nun eine Verkleinerung der Sinusamplitude im Bereich des aufgebrachten
Druckes, enthält
aber noch Informationen bezüglich
der Form der darunterliegenden Oberfläche, und zwar sowohl im Bereich des
aufgebrachten Druckes als auch jenseits des Bereiches des aufgebrachten
Druckes. Für
einen kombinierten Druck- und Formsensor setzt der Sensorabstand
eine minimale räumliche
Frequenz voraus, so daß jeder
Körper
mit seinem Druckfeld oder Formfeld keinen Fehler in den gemessenen
Form- oder Druckdaten verursacht. Die räumlichen Merkmale der Körper dürfen keine
räumliche
Frequenzkomponenten aufweisen, deren Frequenz größer ist als die des Sensorabstandes,
und die Sinuswellen müssen
mit den Sensorabständen
in Phase sein. Diese Regel entspricht analog den Grundsätzen der
Fotografie, nach denen es unmöglich
ist, Merkmale in der Bildebene zu fotografieren, die kleiner sind
als die Korngröße der fotografischen
Emulsion.
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Dies
zeigt ein Verfahren zur Messung sowohl des Druckes als auch der
Form unter Verwendung eines vorher mit Sinuswellen versehenen Sensorbandes.
Es leuchtet ein, daß die
in der Zeichnung gezeigten Sinuswellenbildung nicht das ein zige
Mittel bildet, um gleichzeitig Form- und Druckinformationen zu erhalten.
So könnte
beispielsweise das Band regelmäßige Abweichungen
in der Verdrillung haben oder könnte
gezackt sein mit starren 90°-Biegungen 55 zwischen
den Sensororten, wie in 22C in
einer Seitenansicht mit übertriebener
Höhe gezeigt.
Im Falle der 22C bewirkt der Druck einen
Anstieg des Biegesignals von den beanspruchten Sensoren, wobei jedoch
die Hauptform nicht beeinträchtigt
wird, wenn der räumlichen
Frequenzbeschränkung
entsprochen wird.
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22D zeigt eine Draufsicht eines Bandsensors 8,
der von einem flachen Bogen abgeschnitten ist, so daß er im
Ruhezustand in einer Ebene liegt, jedoch von Seite zu Seite "serpentinenartig" ausgebildet ist.
Die Kreuze 56 zeigen die Orte der Biegung und Verdrillung
abtastenden Paare, die in gemeinsamen, geteilten Abstandsintervallen
angeordnet sind. In einigen Fällen
reicht es aus, diese Paare nur in der Mitte jedes geraden Schenkels
anzuordnen, wodurch die Anzahl der erforderlichen Sensoren verringert
wird. Abweichungen von der Serpentinenform schließen Zick-Zack-
und 90°-Wendungen
ein, die dreieckigen bzw. quadratischen Wellenformen ähnlich sind.
Derartige Formen können
zu Geweben oder anderen Unterlagen passen, die dann gekrümmt oder
gebogen werden, so daß Gewänder, Sitzbezüge oder
andere angemessene Oberflächen entstehen.
Im verdrillten Zustand erzeugt die Konfiguration der 22D nur Biegesignale. Im entlang ihrer Achse gebogenen
Zustand ergeben sich Verdrillungssignale. In dieser Hinsicht wirkt
sie wie ein umgekehrter Fall einer geraden Welle.
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22E zeigt eine Serpentinenform, die überall steif
ist, jedoch an dünneren
Gelenkabschnitten 58 nur Biegung zuläßt, keine Verdrillung. Die
Gelenkabschnitte werden durch Dünnermachen
der Unterlage hergestellt, wie im Querschnitt von 22F gezeigt. An den Gelenkabschnitten sind Biegesensoren
angeordnet, wie schematisch durch die Kastenformen 60 angezeigt.
Die Serpentinenform der 22E ist
eine Sensorreihe, die nur Biegesensoren verwendet, jedoch in der
Lage ist, eine komplette dreidimensionale Information an einen Computer
zu übermitteln.
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22G zeigt eine Seitenansicht einer flexiblen Kunststoffleitung 61,
die in ihrer Wand Rippen und an ihrem Kopf einen Schlitz aufweist.
Eine Sensoreinrichtung 62 ist so eingebaut, daß sie sich
längs der
Leitung, in dem Schlitz und aus der Leitung heraus erstreckt. Die
Stirnansicht von 22H zeigt das Sensorband 63 auf
der linken Seite und ein Versteifungsband 64 aus Federstahl
rechts, wobei beide aus dem Schlitz im Kopf der Leitung herausragen.
Nicht dargestellt sind "O"-Ringe, die in regelmäßigen Intervallen mit Abstand
angeordnet sind, um das Band und das Stahlband daran zu hindern,
aus der Leitung heraus zu rutschen, wenn es gebogen wird. Der Vorteil
der Hinzfügung
der Leitung ist in doppelter Hinsicht gegeben: nämlich sie hilft, die Krümmung zwischen
den Sensororten zu verteilen und damit wie eine mechanische Sperrkette
zu wirken, die durch scharfes Biegen entstehende Fehler auf ein
Mindestmaß beschränkt, während sie
alle Freiheitsgrade des Biegens und Verdrillens zuläßt. Außerdem ist
sie ein einfaches Mittel zur Vergrößerung oder Verkleinerung der
Steifigkeit des Bandes. Das Band und irgendein Versteifungsband
werden in dem Schlitz und an der entgegengesetzten inneren Oberfläche der Leitung
gehalten. Sie befinden sich somit in der neutralen Achse der Leitung
in Bezug auf das Ausbiegen aus der Ebene des Bandes, so daß die Kraft,
die erforderlich ist, um sie zu biegen, minimal ist und das Rutschen
zwischen dem Band und dem Versteifungsband sowie der Leitung auf
ein Mindestmaß beschränkt wird.
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Die
Leitung bietet auch ein Mittel, mit dem Drähte oder Schläuche der
Konstruktion hinzugefügt werden
können.
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Sich
auf Empfindlichkeit stützende
Sensoren sind für
geringe Kosten verursachende Anwendungen vorteilhaft, weil die Signalverarbeitung
sehr einfach sein kann. Jedoch kann die Empfindlichkeit in einer
Signalführung
eine Funktion vieler anderer Faktoren sein als der gemessenen (Krümmung).
Unerwünschte
Empfindlichkeitsmodulatoren weisen auf:
- – Abweichungen
in optischen Verbindungen,
- – Biegung
von Leitern,
- – Altern
der Lichtquelle,
- – Altern
der Lichtführungen,
- – Temperaturempfindlichkeit
der Lichtquellen und Detektoren.
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Die
eine Technik zur Verringerung der Ausgleichserfordernisse zwischen
Fasern besteht in der Bildung einer "Ausfall"-Zone, beispielsweise durch Abschleifen
oder Erhitzen einer lokalen Stelle, um den Durchsatz einzelner Leiter
einzustellen.
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Die
optische Faserschleifentechnologie überwindet diese Hindernisse
dadurch, daß eine
optische und elektronische Überbrückungstechnik
eingesetzt wird, die zwei entgegengesetzte, terminierte Schleifen
beinhaltet. Eine übliche
ausgeglichene Fasersensorkonfiguration ist in 23 gezeigt,
wo zwei "verschachtelte" Schleifen 37 eingesetzt
werden.
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Die
vier Leiter 38 werden parallel und durchgehend in einer
Ebene innerhalb der abgedichteten Laminate gehalten, wie aus 24 ersichtlich.
Dadurch werden die vorherrschenden Freiheitsgrade für das Biegen
des Leiters von zwei auf eins reduziert. Eine LED-Lichtquelle 40 dient
zur Beleuchtung beider Schleifen und wird durch einen Integrator 43 gesteuert,
um die Summe der Schleifendurchsätze
konstant zu halten. Die gesteuerten Durchsätze enthalten optische und
elektronische Signale (also LED, Lichtführungen, Photodioden und Verstärker). Die konstante
Summentechnik zur Steuerung der LED 40 überwindet gleichzeitig Modulationen
gewöhnlicher
Art aufgrund von Alterungs- oder Temperaturwirkungen auf optoelektronische
Einrichtungen und Lichtführungen
sowie das Biegen der Leiter.
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Die
Messung (Krümmung)
geschieht jedoch nicht in gewöhnlicher
Art, weil die beiden Schleifen 37 auf entgegengesetzten,
nach außen
gerichteten Flächen 40, 41 behandelt
werden, wie aus 25 ersichtlich, so daß eine gegebene
Biegung bewirkt, daß der
Durchsatz sich in der einen Schleife vergrößert und in der anderen Schleife
verringert. Die Signale sind linear, so daß sie in einem betrieblichen
Verstärker 42 subtrahiert
werden können,
um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das zu der Krümmung linear ist und durch übliche Betriebsfehler
nicht nachteilig beeinflußt
wird. Aufgrund der Subtraktion ist das sich ergebende Signal auch
zweimal so groß wie
das von einer einzelnen Schleife 33.
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Das
sich ergebende vollständige
Abtastsystem führt
zu einer optoelektronischen, ausgeglichenen Brücke, die einen einen hohen
Pegel aufweisenden elektronischen Ausgang erzeugt, und zwar unter Verwendung
eines Vierer-Betriebsverstärkers 42. Die
Schaltung arbeitet in der Weise, daß ein hochpegeliges Ausgangssignal
erzeugt wird, das übliche Betriebsfehler
zurückweist.
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Ein
praktischer preiswerter Sensor kann durch Bildung von rundum zu
Stiften von 1 cm Durchmesser verschachtelten Schleifen 37 bei
der Behandlung an Ort und Stelle zur Erzeugung von Ausfallzonen
hergestellt werden, sowie bei der Verwendung von Laminaten 39,
die die Schleifen 37 und Leiter 38 in einer Ebene
halten. Die Leiter 38 können
in einem leicht sinusförmigen
oder "welligen" Muster ausgelegt
werden, um sie gegen Zugspannung zu schützen. Die vorliegende Leiterlän genkapazität wurde
mit 5,5 m angegeben, kann jedoch größer sein. Übliche Laminate mit äußeren Schichten
aus Latexgummi und zweiteiligem Polyuhrethankernfüllung 44 dazwischen
sind 1,2 mm dick × 7
mm breit und enthalten Fasern 38 von 0,5 mm Durchmesser
mit einem Polymethylmethacrylatkern. Kleinere Laminate sind bei
Verwendung einer Faser 38 von 0,2 mm Durchmesser möglich. Die übliche,
behandelte, empfindliche Zone 33 ist für 0,5 mm Fasern 12 mm lang und
für 0,25
mm Fasern 6 mm lang. Ein typischer Sensor ist in 26 gezeigt.
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Verdrillungs-
und Biegesensoren des Schleifentyps können so verschachtelt sein,
daß sie
auf der Unterlage eng zusammen liegen.
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Obgleich
Schleifentypen im Detail beschrieben worden sind, werden bestimmte
vorteilhafte Sensorausführungsformen
auf eine Unterlage unter Verwendung von vereinfachten Symbolen in
den 27–30 dargestellt.
Diese "Hockeyschläger"-Bilder 50 können als behandelte, gebogene, verstärkte Fasersensoren 51 mit
reflektierenden Enden 52 betrachtet werden, die in bekannter
Weise reflexartig arbeiten. Die "Schaufel"-Teile 53 jedes
Bildes 50 sind behandelt und so angeordnet, daß sie auf
Biegung um die Achsen 15, die in einem Winkel zur Schaufellänge erfolgen,
ansprechen.
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In 27 sind
die Sensoren querformatig angeordnet, wobei die Fühlerabschnitte 53 die
Mittellinie 54 der Unterlage unter gespreizten Winkeln überschreiten.
Zur Verdeutlichung ist die zeichnerische Darstellung der Leiter 55 unterbrochen,
wobei die dazwischen liegenden Trägerabschnitte weggelassen sind.
Die von jedem Sensorpaar kommenden Signale können jedoch, wie oben beschrieben,
zum Zwecke der Summen- und Differenzbildung zu Betriebsverstärkern geleitet
werden. Wenn die sensorischen Teile auf denselben Flächen (nach
außen
oder nach innen gerichtet) liegen, dann messen die Summen der Signale
die Biegung und die Differenzen messen die Verdrillung.
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Während die 27 und 28 gekreuzte Sensorpaare
auf einer einzigen Unterlage 8 darstellen, zeigen die 29 und 30 zwei
teilweise mit instrumentierten Unterlagen 8, 8a,
die, wenn sie zu einem Laminat 56 mit den Sensoren in der
Mitte zusammengebaut werden, eine Sensoranordnung 56 bilden,
bei der die Sensoren wirksam in einem kollektiven "Substrat" eingebettet sind,
und zwar in geeigneter Weise längs
der neutralen Achsen der Anordnung 56.
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Anstatt
die Sensorschleifen 53 paarweise zusammen auf der Unterlage 8 anzubringen,
kann die Hälfte
jedes Paares anfänglich,
wie in 29 gezeigt, abgelegt werden,
und eine zweite nahezu identische Unterlage mit Schleifen kann dann
auf der ersten Unterlage angeordnet werden, wie in 29a gezeigt. Die behandelten Oberflächen 53 der 29, 29a müssen
auf entgegengesetzten Flächen
liegen, um dieselbe Konfiguration wie in 27 zu
erreichen. Wenn die Bearbeitung auf denselben Flächen in den 29, 29a erfolgt, dann werden die Ausgänge von
dem Betriebsverstärker 42 beim Messen
der Biegung und Verdrillung vertauscht. Zur Vergrößerung der
Steifigkeit und um zu verhindern, daß ein Sensor eines Paares den
anderen biegt, kann ein Band aus Gummi, Kunststoff oder Metall zwischen
den beiden Unterlagen angeordnet werden.
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Sobald
die Unterlagen zusammengebaut sind, können beide zusammen laminiert
werden, um doppelte Sensorreihen zu bilden, bei denen alle Leiter
aus demselben Ende austreten. Eine Seitenansicht des sich ergebenden
Laminats 56 ist in 30 gezeigt.
Als Alternative dazu, daß die
optischen Fasern direkt nebeneinander liegen, können die Unterlagen 8, 8a so
miteinander verbunden werden, daß die Fasern auf der Außenseite
eines gemeinsamen Kernsubstrats liegen.
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Falls
identische Halbunterlagen gebaut werden, so weisen im zusammengebauten
Zustand die behandelten Oberflächenteile
in entgegengesetzte Richtungen nach außen. Nichtsdestotrotz können dennoch
durch Summenbildung und Differenzbildung der Ausgänge entsprechender
Körper
jedes Sensorpaares Verdrillungs- und Biegewerte geliefert werden.
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Wenn
die beiden äußeren Unterlagen 8 nur an
ihren Rändern 57 verklebt
werden, wird ein Innenraum 58 geschaffen, in dem die Leiter 55 für jeden Sensor 51 lose
geführt
werden können.
Dadurch entsteht ein Werkzeug, das flexibel ist und unnötige Spannungskräfte auf
die Leiter 55 der Sensoren vermeidet.
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In
derselben Weise wie für
den flexiblen Fasersensor 51 dargestellt, können Schleifensensoren 33 auf
einer Unterlage 8 verteilt werden. Die 31 und 33 zeigen
zwei Arten des miteinander Verschachtelns von doppelschleifigen
Sensoren zu Paaren, die gleichzeitig Biegung und Verdrillung messen. 32 ist
eine Querschnittsansicht von 31, die erhabene
Oberflächen 32 zeigt,
auf denen die Schleifen 33 behandelte Oberflächenteile 32 tragen.
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In 31 sind
die Schleifen 33 in einer gespreizten "Y"-Konfiguration
getrennt. In 33 überlappen sich die Schleifen
in einer "X"-Konfiguration, wobei
ihre Mittellinien noch gespreizt sich in ihrer Schrägausrichtung
befinden. In beiden 31 und 33 sind
die Mittellinien 46 der Schleifen 33 von der Mittellinie 54 der
Unterlage 8 schräg
nach außen verlaufend
angeordnet. Dieser Winkel 59 ist vorzugsweise für alle Sensoren 33 auf
beiden Seiten der Unterlage 8 gleich. Auf diese Weise können sowohl
Biege- als auch Verdrillungswerte erhalten werden, indem die Ausgänge summiert
und addiert werden. Wenn der Winkel 59 maximal 45 ° beträgt, so werden direkte
Signalstärken
entsprechend der Biegung und Verdrillung erhalten.
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In 34 ist
ein Strang verschachtelter Schleifensensoren 37 gezeigt,
die auf einer Bandunterlage 8 linear verteilt sind. Jede
der verschachtelten Schleifen kann zwischen Biege- und Verdrillungssensoren
wechseln, oder in jedem verschachtelten Paar kann ein Sensor die
Biegung und der andere die Verdrillung messen.
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Ebene
Reihen 60 von Sensoren lassen sich dadurch zusammenbauen,
daß die
Ränder
des Unterlagebandes 8 miteinander verklebt werden, so daß ein Trägerbogen 8a entsteht.
Dies ist in zwei unterschiedlichen Formaten entsprechend den vorherigen 34 und 33 in
den ebenen Reihen 60 der 35 und 37 dargestellt.
Alternativ dazu können
Sensoren analog zu der Darstellung in den 29 und 30 mit
zwei flexiblen Bögen
verklebt werden, die als Träger
dienen, und diese Bögen
können übereinander
gelegt und zur Bildung eines instrumentierten Sensorwerkzeugs ebener
Form verklebt werden.
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Dieser
Erfindungsgegenstand wurde aufgebaut und in ebener Bandform mit
acht Sensorpaaren dargestellt, von denen jedes Paar gemeinsam Biegung
und Verdrillung mißt.
Schleifen in Fasern von 0,25 mm Durchmesser wurden so geformt und
behandelt, daß sie
den Verfahren des US-Patents 5 531 257, der PCT-Anmeldung PCT/CA
94/00 314 und dem SPIE-Artikel SPIE-Band 2839, S. 311–322, 1996 entsprechen.
Diese Schleifen wurden paarweise alle 5 cm unter 45 ° zur Längsachse
einer Latexunterlage von 0,32 mm Dicke und 12 mm Breite angebracht. Der
Lichtverlust betrifft Teile der Fasern, die von der Unterlage abgewendet,
d. h. nach außen
gerichtet waren; die Spitzen der Schleifen lagen annähernd 1 mm
innerhalb des Randes der Unterlage. Die Sensoren waren paarweise
in gekreuzter Form angeordnet, wobei Lichtverlustzonen so lagen,
daß der
sensorische Teil jeder Schleife die axiale Mitte der Unterlage kreuzte.
Die Leiter der Schleifen waren ge bogen und axial über das
Ende jeder Unterlage hinausgeführt, wobei
die Leiter nicht näher
als 1 mm zum Rande angeordnet waren.
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Während des
Prozesses wurden Faserleiter (38 in 25) auf
Organisatorkarten paarweise gehalten. Eine Faser jedes Paares war
mit einer lichtemittierenden Diode (LED) 40 verbunden.
Im allgemeinen können
acht oder mehr Fasern 38 durch dieselbe LED belichtet werden.
Die andere Faser jedes Paares war mit einer Fotodiode 61 verbunden,
also eine Faser pro Fotodiode. Herkömmliche Transimpedanzverstärker 62 verwandelten
den Fotodiodenstrom in Spannung. Diese Spannungen wurden auf Summen-
und Differenzverstärker 42 gegeben
(oder können
sofort digitalisiert werden). Analoge Summen und Differenzen wurden
digitalisiert und zur weiteren Verarbeitung einem Computer 61 zugeführt.
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Eichverfahren
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung besteht aus Paaren faseroptischer Sensoren, die in
Bereichen arbeiten, bei denen sich der Lichtintensitätsdurchsatz
jedes einzelnen Sensors linear mit der Krümmung ändert. Wenn die Erfindung flach
ist (keine Krümmungen
vorliegen), sollten möglicherweise
alle Intensitäten
gleich sein, so daß dann, wenn
paarweise Summenbildung und Differenzbildung stattfindet, alle Differenzen
Null sind und alle Summen denselben positiven Wert haben. Dadurch reduziert
sich der Rechenaufwand, und es wird ein minimales Zusammenwirken
zwischen Biege- und Verdrillungsausgängen sichergestellt.
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Wie
bei einem herkömmlichen
Verfahren zur Einstellung der Lichtintensitäten kann von optischen Mikrofaser-"Widerständen" Gebrauch gemacht
werden, indem unbehandelte Abschnitte der Fasern zwischen Schichten
aus Metall und schwarzem Kunststoff gepackt werden, die elastisch,
jedoch steif genug sind, um eine aufgebrachte Biegung zu behalten. So
wird beispielsweise eine Sandwich-Packung aus den folgenden 4 × 20 mm
Schichten hergestellt: schwarzes Vinylband, schwarzes, doppelseitiges Klebeband,
Faser entlang der 20 mm Abmessung in der Mitte, schwarzes Vinylband,
0,010'' Messing. Optische
Signale lassen sich durch Fasern hindurchleiten, die in diesen Sandwiches
enthalten sind, und biegen, um die Signale auf alle Werte einzustellen, beginnend
mit dem niedrigsten Wert, so daß gleich sind.
Dieses Einstellverfahren ermöglicht
wiederholte Verringerung und Wiederherstellung innerhalb breiter Grenzen,
so daß Einstellungen
sehr genau sein können
und ursprüngliche
Fehler verzeihen.
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Sobald
die individuellen Sensorwerte gleich sind, können die digitalisierten Ausgänge von
den Lichtsensoren an einen Computer übertragen werden. Eine Alternative
besteht darin, zunächst
die Summen und Differenzen in analoger Form zu bilden und diese
dann an einen Computer zu schicken. Für jeden Fall kann dann die
Eichung der Werte, die Biegungen und Verdrillungen darstellen (oder
Biegungen, Biegungen und Verdrillung) in dem Computer ausgeführt werden.
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Da
bei der bevorzugten Ausführungsform
die Sensoren linear sind, sind auch die Summen und Differenzen linear.
Um die Erfindung zu eichen, braucht die Eichung nur an zwei Punkten
jedes Biege- und Verdrillungsbereiches stattzufinden. Ein bevorzugtes Eichverfahren
der Erfindung für
Biegung in ihrem Strang- oder Bandformat besteht darin, das Band
zunächst
flach zu legen und alle Biegewerte im Computer auf Null zu setzen.
Dann kann die Erfindung zu einem Band auf einem zylindrischen Dorn
ausgebildet werden, und Verstärkungen
(multiplikative positive oder negative Zahlen) lassen sich jedem
Biegewert zufügen,
bis alle Computerbiegewerte gleich einer Konstanten sind, die der
einheitlichen Krümmung, gesehen
am Umfang des Dorns, entspricht. Da keine Abweichungen (hinzugefügte oder
abgezogene Werte) verwendet worden sind, enthält das Computer-"Bild" des Bandes alle
Nullwerte, sobald das Band wieder flach liegt.
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In ähnlicher
Weise können
zunächst
die Verdrillungswerte bei dem flachliegenden Band auf Null gesetzt
werden, daraufhin können
Verstärkungen
angewendet werden, sobald das Band gerade gehalten wird, jedoch
eine gleichförmige
Verdrillung über
seine volle Länge
mit Hilfe einer Befestigungseinrichtung erfährt, die die Enden in unterschiedlichen
Drehwinkeln um die Längsachse
festhält.
Ein Beispiel bildet die Befestigung des Bandes in axialer Richtung
in einer Drehbank und das Drehen des Drehbankkopfes um eine bekannte
Strecke.
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Eine
bevorzugte Eichmethode für
das gleichzeitige Verdrillen und Biegen besteht darin, daß zunächst die
Biege- und Verdrillungswerte auf Null gesetzt werden, während das
Band flach gehalten, und dann dem Band eine gleichförmig spiralförmige Form rund
um einen zylindrischen Dorn gegeben wird. Da eine Spirale eine konstante
Krümmung
und eine konstante verteilte Verdrillung hat, können alle Biegungen verstärkt werden,
und zwar separat zu allen Verdrillungen, um ein Computerbild der
Spirale zu erhalten.
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Die
obigen sich auf einen Dorn gründenden Eichmethoden
lassen sich im Computer automatisieren, weil alle gewünschten
Biege- und Verdrillungswerte von Haus aus von der Dorninformation
bekannt sind und nicht zusammenwirken. Die Prozedur ist einfach,
indem eine Nachschlagtabelle für
Verstärkungen
geschaffen wird, derart, daß für jedes
Biegesignal das Biegesignal mal seiner zugeordneten Verstärkung gleich
einer Konstanten ist, und eine ähnliche
Prozedur für
Verdrillungen stattfindet.
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Für Sensoren,
die nicht linear sind, kann eine ähnliche Prozedur Anwendung
finden, jedoch müssen
mehr als zwei Punkte geeicht werden, was mehr Dorne und mehr Schritte
erfordert.
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Genauigkeit
und Präzision
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Präzision (Auflösung) ist
definiert als das, was über
ein Geräusch
hinaus gehört
werden kann, wobei keine Langzeitabweichungen zählen.
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Genauigkeit
ist definiert als das, was auf einer absoluten Skala gemessen werden
kann, und zwar selbst bei Langzeitabweichung.
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Präzision,
die aus empirischer Messung auf der Grundlage von Prototypversionen
der Erfindung bestimmt wurde, wurde festgelegt zu etwa 1–3 mm pro
Meter Bandunterlagenlänge.
Eine Präzisionsberechnung
auf der Grundlage von 0,02 Grad Auflösung für jeden Biegesensor und unter
Verwendung von 20 Sensorpaaren bei einem Abstand von 5 cm auf 1
Meter Band bietet im schlechtesten Fall den Wert von 0,35 mm, rms
= 0,09 mm pro Meter Band.
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Absolute
Genauigkeit, hauptsächlich
beeinflußt
durch Langzeitabweichung, wurde auf der Grundlage einer Annahme
von 1 % Abweichung über zwei
Monate eines Standardsensors berechnet. Für 1 Meter Band mit 20 Sensorpaaren
wurde im schlechtesten Fall ein Fehler von 0,5 cm/Monat und ein
rms-Wert von 1,1 mm/Monat erhalten. Im allgemeinen addieren sich
die Fehler nicht. Der Fehlerbeitrag zur Endpunktposition ist größer für Segmente des
Bandes, die näher
an dem fixen Bezugspunkt liegen.
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Die
Erfindung wird beim Einfangen einer menschlichen Bewegung, wie in
den 38 und 39 gezeigt,
benutzt. In 38 ist längs des Oberarms 63,
Unterarms 64 und der Hand 65 eines Trägers eine
bandartige Unterlage befestigt. Die Sensorleiter 66 enden
in einer Endbox 67, die bequem auf der äußeren Kleidung angebracht ist
und die Signale 68 an einen Computer 69 übermitteln. Das
instrumentierte Band ist an den gewünschten Körperteilen durch Klebeband 70 angeheftet.
Für das Band
werden keine kritischen Befestigungspunkte verlangt, obgleich die
Effizienz des Rechners mit bevorzugten Lagen verbunden sein kann.
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Während das
Band in der Lage ist, die Form der Oberfläche, an der es angepaßt ist,
beispielsweise den Unterarm 64, tatsächlich zu messen, kann es ausreichen,
nur die Ausrichtungen der Glieder für gewisse Segmente des Bandverlaufs
zu ermitteln. An den Händen 65 können Daten
bezüglich
der Form sowie der Ausrichtung abgegriffen werden. Schleifen 61 lassen
sich bequem am Ellbogen und den Handgelenken ausbilden, von denen
keine Daten gesammelt werden müssen
mit Ausnahme der Orte der begrenzenden Enden der Form sowie der
Ausrichtung der Meßabschnitte.
Diese abgetrennten Segmente 71 können sich frei in den Raum
erstrecken, also vollständig
ungezwungen. Vorteilhafterweise schaffen sie für den Träger Bequemlichkeit und Mobilität.
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39 zeigt
ein Sensorband in einer Leitung, die am Arm einer Person befestigt
ist. Die Konfiguration und der Zweck sind die gleichen wie in 38 mit
Ausnahme der Tatsache, daß das
Band und die Leitung schraubenförmig
rund um den Arm angeordnet sind. Das Sensorband 8 ist flexibel,
um den Arm gewickelt und auch mit einem Sensorabschnitt 73 versehen,
der an wenigstens einem Finger angebracht ist. Der Sensorabschnitt 73 ermittelt
die Fingerbewegung und mißt
sie, beispielsweise dann, wenn ein Schalter betätigt wird. Dadurch wird ein Computerbild
erzeugt, das der Oberfläche
des Arms folgt, so daß das
Bild einige der Elemente eines geschlossenen Raumes hat. Die Leitung
ist bei dieser Konfiguration nicht notwendig, kann jedoch die Anzahl
der erforderlichen Sensoren dadurch verringern, daß sie die
Kurven glättet.
Von dem Bild können
nicht nur eine zentrale Oberfläche
oder Linie abgeleitet werden, die angelenkte Glieder darstellen,
um eine "Klebefigur" des Arms zu modellieren,
sondern das Bild kann auch dazu benutzt werden, sich ausbeulende
Muskeln oder andere Änderungen,
die mit dem Volumen und der Form der Oberfläche verbunden sind, zu modellieren.
In einer ähnlichen
Weise könnte die
Spiralform oder andere sinusartige oder serpentinenartige Formen
zur Erzeugung eines volumetrischen Modells anderer Teile des Menschen
oder Tieres oder irgendeines anderen physikalischen Körpers verwen det
werden. Beispielsweise können
Sensorbänder
während
der Atmung für
Bildänderungen des
Torsovolumens oder der Torsoform benutzt werden.
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Während die
Anschlußdose 67 als
Bezugspunkt für
die Definition der Lage, Ausrichtung und Form der gemessenen Oberflächen im
Raum dienen kann, kann jeder beliebige Punkt auf dem Band gleichermaßen als
Bezugspunkt benutzt werden. Dies kann einen Knochenvorsprung auf
dem Halswirbel oder Nacken des Genicks einschließen, über den das Band läuft. Dadurch
werden besonders gute Bedingungen für die Bewegungseinfangtechnologie
geschaffen, weil das Band dann als Bezugsmittel für einen
begrenzten Ort auf dem menschlichen Skelett dient.
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Der
Ausgang des Computers 69, wie bei allen Anwendungsfällen der
Erfindung, kann zu einem Videodisplay 72 des die geometrische
Konfiguration des Formmeßwerkzeugs
im Raum führen
sowie der Oberfläche,
auf der es angebracht ist.
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Als
weiteres Beispiel für
die Verwendung der Erfindung ist in 40 eine
ebene, axiale Krümmung 78 in
einer Bogen- oder Sinusform gezeigt, die von einer Bezugsoberfläche 74 an
dem einen Ende getragen wird und an dem freien Ende an einem Körper 75 endet,
der in der Lage ist, die kartesische Positionierung und Ausrichtung
der x-, y-, z-Lage zu schaffen, sowie Ausrichtungen bezüglich Abrollen,
Neigen und Klemmen. Der Abschlußkörper 75 kann
ein Knopf mit einem Schalter oder Stecker sein, der als Betätigungsjoystick
dient, um Positionssignale 76 in sechs Freiheitsgraden
an ein gesteuertes System zu schicken, beispielsweise einen Roboter.
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Zusammenfassung
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Die
obigen Ausführungen
bilden eine Beschreibung spezieller Ausführungsformen, die zeigen, wie
die Erfindung angewendet und in Benutzung genommen werden kann.
Diese Ausführungsformen sind
nur Beispiele. Die Erfindung ist in ihren breitesten und spezielleren
Aspekten in den folgenden Ansprüchen
weiter beschrieben und definiert.
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Diese
Ansprüche
und die in ihnen benutzten Ausdrücke
sollen als Begriffe für
Varianten der Erfindung verstanden werden, die beschrieben worden ist.
Die Ansprüche
sind jedoch nicht auf diese Varianten beschränkt, sondern sollen so verstan den
werden, daß sie
den vollen Schutzbereich der Erfindung abdecken, der die Erfindung
und ihre hier dargestellte Offenbarung beinhaltet.