DE102005038960A1

DE102005038960A1 - Vorrichtung und Verfahren zur bezugssystemunabhängigen Erfassung von Körperbewegungen

Info

Publication number: DE102005038960A1
Application number: DE102005038960A
Authority: DE
Inventors: Martin Josef Binser
Original assignee: Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU
Current assignee: Binser Martin Josef Dr 80803 Muenchen De
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-03-01

Abstract

Herkömmliche Vorrichtungen und Verfahren zur quantitativen und qualitativen Analyse von Körperbewegungen sind entweder sehr teuer, nicht mobil eingesetzbar und benötigen große Raume oder sie sind ungenau, fehlerbehaftet und fordern artifizielles Bewegungsverhalten.
Die hier beanspruchte Vorrichtung ist apparativ sehr einfach gestaltet. Sie benötigt Beschleunigungssensoren, eine Digital-Analog-Wandler und eine spezielle Software. Diese Vorrichtung interpretiert natürliche Körperbewegungen in qualitative Bewegungsarten (z. B. schnelles Laufen vs. transportiert werden) und kann auc hderen Quantität bestimmen. Diese Erfassung und Interpretation ist bezugssystemunabhängig, d. h. sie benötigt keine äußeren Aufnehmer wie z. B. eine Kamera. Durch diese Unabhängigkeit und apparative Einfachheit ist die Vorrichtung robust, leicht handhabbar, platzsparend, mobil, kostengünstig und ermöglicht natürliches Bewegungsverhalten.
Aufgrund dieser Vorteile kann die Vorrichtung zum Beispiel zur detaillierten medizinischen Langzeitanalyse von Bewegungen eingesetzt werden. Vor allem aber empfiehlt sich die Verwendung als Steuerung für Soft- und Hardware. Hierbei kann der Lenkende durch natürliche Körperbewegungen auf begrenztem realen Raum Bewegungen in großen virtuellen Räumen steuern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft

a) eine Vorrichtung und Verfahren zur bezugssystemunabhängigen Erfassung und quantitativen und qualitativen Interpretation von Körperbewegungen mit der Option zur Steuerung von Soft- und/oder Hardware. und/oder
b) die Verwendung als Langzeitkörperbewegungsanalyse insbesondere in der medizinischen Praxis und Forschung und/oder
c) die Verwendung als Steuerung für Soft- und Hardware mittels großer virtueller Räume bei gleichzeitig begrenzten realen Platz des Steuernden, optional zur Gesundheitsförderung des Steuernden und/oder
d) eine mechanische, elektronische und softwaretechnische Lösung für eine immersive Virtual-Reality (VR) Steuerung.

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht die Erfassung und Speicherung von quantitativ und qualitativ interpretierten Köperbewegungen (wie z.B. laufen vs. kriechen mit einer bestimmten Geschwindigkeit) und optional die Steuerung von Soft- und/oder Hardware anhand dieser Bewegungsdaten. Die praktische Anwendung dieser Vorrichtung und Verfahren kann daher zur quantitativen und qualitativen Bewegungsanalyse und/oder zur Steuerung durch Körperbewegungen eingesetzt werden. Je nach Verwendung ergeben sich unterschiedliche Anwendungsbereiche.
Eine genaue, zeitlich fein auflösende, qualitative und quantitative Analyse von Körperbewegungen empfiehlt die Vorrichtung und Verfahren für den Einsatz in der medizinischen, sportwissenschaftlichen und psychologischen Forschung und Praxis. Zum Beispiel beim

a) Langzeit-Monitoring von Blutdruck, Bewegungsverhalten bei Fettleibigkeit, EEGs, EKGs oder anderen physiologischen Merkmalen
b) bei Diagnose und Therapie von Bewegungsfunktionsstörungen
c) bei psychotherapeutischen Biofeedbackverfahren und zur Bewegungsvisualisierung.

Die Steuerung für Soft- und Hardware mittels großer virtueller Räume bei gleichzeitig begrenzten realen Platz des Steuernden, optional zur Gesundheitsförderung des Steuernden, empfiehlt die Vorrichtung und Verfahren für den Einsatz in virtuelle Realitäten. Zum Beispiel bei

a) Visualisierung in Maschinenbau, Architektur, Archäologie, Marketing etc.
b) Training und Personalselektion in Medizin, Psychologie, Militär, Sicherheitsbereich und
c) als reine Steuerung als Fitnessgerät, für Computerspiele, von Robotern und Fahrzeugen, insbesondere in Kombination mit Verwendung eines Head-Mounted-Display.

Es ist bekannt, dass optische, magnetische, auf Ultraschall basierende oder andersartige Vorrichtungen und Verfahren zur Bewegungsanalyse (z.B. DE 69810264 T2 , US 5 744 953 ) immer die Relation zum physischen Raum des analysierten Objekts benutzen. Dies geschieht mindestens durch den Bezug der Position der Sensoren am Körper des analysierten Objekts zu einer Kamera oder zu sonst einem Aufnehmer.

Kapazitive Bewegungssensoren werden schon seit langem zur Erfassung der Bewegung einer Person eingesetzt. Insbesondere für Vorrichtungen und Verfahren zur Lagebestimmung nach dem Prinzip der Masseträgheit bekannt (oft als „Headtracker" bezeichnet, z.B. US 5 645 077 , z.B. US 6 681 629 )). Diese dreiachsigen Systeme erfassen nur eine Orientierung im Raum jedoch keine Bewegung.

Zudem sind Kombinationen dieser Bewegungsanalysevorrichtungen und -verfahren mit Vorrichtungen und Verfahren zu Lagebestimmung zur Analyse einer Raumbewegung mit Orientierung des Körpers zum Raum bekannt. Diese so genannten Trackingsysteme, die sechs Achsen verwenden (z.B. IS-1200 von der Firma InterSense, siehe dazu auch Foxlin, 2002) benutzen für die drei Raumkoordinaten, die die Bewegung relational zum Raum analysieren eine der unter Absatz 1 ausgeführten Technologien und sind daher bezugssystemabhängige Messungen. Hierbei ist entscheidend, dass diese Vorrichtungen und Verfahren immer die absolute Raumorientierung von mindestens zwei Komponenten benutzen oder zumindest deren Relation zueinander (z.B. einer im Raum verankerten Kamera und einem am Körper befestigten Leuchtpunkt).

Zur Erfassung der Häufigkeit von Körperbewegungen sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die Beschleunigungssensoren z.B. bei der Langzeit EKG Messung einsetzen. Diese Beschleunigungsmessungen machen dabei keinen qualitativen Aussagen über die Bewegungsarten (z.B. US 5,080,105 ).

Herkömmliche immersive VR-Steuerungslösungen benötigen in der Regel eine große Halle, in der sich die Person frei bewegen kann. Die registrierte Bewegung im realen Raum wird in eine identische Bewegung im virtuellen Raum umgesetzt.

Um diesen Platzbedarf zu reduzieren sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die Bewegungen auf einem Laufband, bzw. Laufbändern, Kreisel, mobilen Platten, zum teil kombiniert mit unter „Stand der Technik Bewegungsanalyse" beschriebenen Verfahren, erfassen (z.B. DE 19713805 A1 ).

Des Weiteren sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, bei denen der Steuernde sich in oder auf einer großen Kugel bewegt, die anlog zu einer Computermaus die Steuerung vornimmt (z.B. DE 10361417 B3 , z.B. das Produkt VirtuSphere).

Zur Steuerung von Hard- und Software durch Körperbewegungen auf begrenztem, physischem Raum sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die durch das Berühren von Sensoren auf einer Bodenvorrichtung Steuerungssignale erzeugen (z.B. US 6,410,835 ).

Zudem sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt bei denen Bewegungen beispielhaft an Arm- und Beinbewegung mit binären Druckschaltern abgenommen werden (z.B. WO 33168).

Nachteile des Standes der Technik

Der Hauptmangel bisheriger Vorrichtungen und Verfahren zur Bewegungsanalyse ist der notwendige Bezug zu einem realen Raum. Aus diesem Mangel ergeben sich verschiedene Fehlerquellen.

Der notwendige Bezug zu einem Aufnehmer macht eine mobile Messung, wie z.B. für die medizinische Langzeitbewegungsanalyse, unmöglich.

Insbesondere im Einsatz als Steuerungsgerät, führt der Raumbezug zu einem sehr großen Platzbedarf dieser Vorrichtungen und Verfahren, da die ausgeführte Bewegung (in der virtuellen Umgebung oder z.B. des Roboters) gleich der realen, steuernden Bewegung ist.

Der Raumbezug der Sensoren zum Aufnehmer muss für jede Messung durch aufwändige Kalibrierung hergestellt werden. Die Sensoren können am Körper verrutschen etc. und benötigen so weitere korrigierende Kalibrierungen im Betrieb.

Ein weiterer Mangel sind die hohen Kosten bisheriger Vorrichtungen und Verfahren, die sich aus den komplexeren Dateninterpretationen, aus der Menge der verwendeten Komponenten bzw. aus den Aufbauten zur Reduzierung des Platzbedarfes ergibt.

Dadurch dass die Bewegungen relational zum Raum erfasst werden, aber vielen Anwendungen nur die quantitative und qualitative Interpretation der Bewegung als Resultat benötigen, muss letzte erst durch hohe Rechenleistung erzeugt werden.

Zudem benötigen bisherige Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen einer drei dimensionalen Bewegung mindestens einen Aufnehmer was hohe Materialkosten mit sich bringt.

Insbesondere die Kosten für die Lösungen mit bewegten Bodenelementen sind sehr hoch (z.B. Produkt VirtuSphere zwischen $50.000 und $100.000).

Bei der direkten Interpretation von Beschleunigungsdaten für medizinische Langzeitanwendungen sind bisherige Vorrichtungen und Verfahren zu ungenau und fehleranfällig. Zum Beispiel bei der Bluttdruckmessung ist es wichtig zu wissen, wie zu einem bestimmten Messzeitpunkt z.B. der gemessene Arm gehalten wurde und zu differenzieren, ob der Patient dabei schnell lief oder durch ein Transportmittel bewegt wurde.

Der Hauptmangel bisheriger Vorrichtungen und Verfahren zur VR-Steuerung ist die stark artifizielle Form der Bewegung die zur Steuerung benötigt wird.

Die Steuerungsvorrichtungen die mit binären Druckschaltern oder durch das Berühren von Sensoren auf einer Bodenvorrichtung arbeiten verlangen vom Lenkenden unnatürliche Bewegungsabläufe, z.B. das Hüpfen auf einen Vorwärtspfeil auf einer Bodenmatte für ein Vorwärtsgehen in der VR.

Zudem ist bei Steuerungsverfahren durch eine Bodenvorrichtung die Steuerung auf maximal zwei Dimensionen reduziert, d.h. es können nur Bewegungsrichtungen und keine Bewegungsqualitäten differenziert werden (z.B. nicht springen oder niederknien).

Zudem hat die Steuerung diverse Restriktionen (Geschwindigkeitslimits, Sichtkontakt mit der Steuerungsmatte).

Dadurch dass die gesehen Bewegungen nicht mit den gefühlten übereinstimmten kommt es bei diesen Systemen oft zu einer Art Reisekrankheit (so genannte Cyber Sickness).

Insgesamt sind also Lösungen nach dem Stand der Technik aufwendig in der praktischen Handhabung, benötigen großen physischen Raum, sind sehr teuer oder/und bieten nur eine artifizielle Steuerung durch Körperbewegungen und verursachen Cyber Sickness.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung einer robusten, leicht handhabbaren und kostengünstigen Vorrichtung und Verfahren zur Signalgewinnung aus intuitiven Bewegungen mittels Beschleunigungssensoren und ihre Weiterverarbeitung dergestalt, dass eine Aussage über die quantitativ und qualitativ Art der Bewegung möglich ist. Weiterhin ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Vorrichtung und Verfahren zu entwickeln, welche ohne die Nebenwirkung der Cyber Sickness beim Anwender einsetzbar sind.

Lösung der Aufgabe, Vorteile der Erfindung

Die erfundene Vorrichtung und Verfahren zur Signalgewinnung aus intuitiven Bewegungen mittels Beschleunigungssensoren und ihre Weiterverarbeitung lösen diese Aufgabe durch die Messung und quantitative und qualitative Interpretation von einer oder mehreren Körperbewegungen ohne einen Bezug zu bekannten räumlichen Koordinaten.

Optional beinhaltet die Lösung durch diese Vorrichtung und Verfahren auch, diese resultierenden quantitativen und qualitativen Bewegungsdaten in Signale zur Steuerung von Software und/oder Hardware umzuwandeln.

Die beanspruchte Vorrichtung besteht aus mindestens einem Beschleunigungssensor (a) mit mindestens einer Messachse, die an einem oder diversen Körperstellen befestigt sind, welcher/welche dann drahtgebunden oder drahtlos ihre Messwerte an einen Mess- bzw. Steuerungsapparat (b) übertragen. Dieser Mess- bzw. Steuerungsapparat interpretiert mittels spezieller Algorithmen die eingehenden Beschleunigungssignale in quantitative und qualitative Bewegungsdaten. Diese werden dann von dem Mess- bzw. Steuerungsapparat selbst gespeichert (bzw. zur Weiterverarbeitung an einen Computer (c) weiterleitet) und/oder als Steuersignale für Soft- oder Hardware ausgegeben (siehe Zeichnung 1).

Im Gegensatz zu bisherigen Vorrichtungen und Verfahren, die Bewegungen anhand von Positionsänderungen von Sensoren in einem Bezugssystem messen, ermittelt diese Vorrichtung die Quantität und Qualität der Bewegungen alleine aus der Interpretation der gemessenen Beschleunigungswerte und benötigt somit kein äußeres Bezugssystem.

Durch den Wegfall eines notwenigen Bezugssystems entstehen diverse Vorteile.

Diese Vorrichtung ist mobil einsetzbar, da es keinen Aufnehmer bzw. Empfänger benötigt, die den Bezug zum realen Raum herstellen.

Durch Wegfall der Infrastruktur eines Bezugssystems (Raummiete, Materialkosten) ist die Vorrichtung sehr platz sparend und deutlich kostengünstiger.

Durch den Wegfall von Arbeitsschritten zur Kalibrierung und den verringerten technischen Bedarf bei der Erzeugung von Steuersignalen ist der praktische Aufwand beim Betrieb deutlich reduziert, so dass die Vorrichtung z.B. von einer einzelnen Person verwendet werden kann.

In der Verwendung als VR-Steuerung auf begrenztem physischem Raum ist die einzige artifizielle Restriktion, dass die Körperbewegung auf einer Stelle ausgeführt werden muss. Bei optionaler Verwendung einer Haltevorrichtung muss diese Restriktion nicht bewusst von dem Steuernden eingehalten werden. Insbesondere in Kombination mit dem Einsatz immersiver VR-Technologie wird subjektiv trotzdem ein uneingeschränktes Bewegungsgefühl erzeugt. Ansonsten können alle Körberbewegungen vollkommen natürlich ausgeführt werden.

Durch dieses natürliche Bewegungsgefühl wird auch das Entstehen von Cyber Sickness vermieden.

Aufgrund dieser Vorteile ergibt sich für die beanspruchte Vorrichtung und Verfahren eine Eignung für Anwendungsgebiete, die mit bisherigen Realisierungen nicht erschlossen werden konnten, beispielsweise in der privaten Unterhaltungstechnik oder für Bereiche der Medizin, sowie eine ergänzende oder überlegene Eignung für Einsatzgebiete, in denen Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik eingesetzt wurden.

Die Vorrichtung ist in allen Versionen abhängig von der Nutzung von Vorrichtungen zur Beschleunigungsmessung und Vorrichtungen zur Analog-Digital-Signalwandlung.

Beschreibung der Erfindung und Ausführungsbeispiele

In der entwickelten Vorrichtung erfassen die Sensoren (A) Beschleunigung (und damit Körperbewegung) und liefern Signale drahtlos an ein Mess- und Steuergerät (B), dort werden die Signale digital gewandelt und mittels spezieller Software (C) interpretiert und Steuersignale und/oder Messsignale an einen Computer ausgeben (siehe Zeichnung 2).

Die Vorrichtung wird hier zur VR-Steuerung auf begrenztem physischem Raum verwendet und ist Teil eines größeren Aufbaus zur Erzeugung virtueller Realität. Bestandteil des Anspruchs auf die Vorrichtung sind nur die Sensoren (bzw. mindestes ein Sensor), das Mess- und Steuergerät sowie dessen Software. Optional kann die Vorrichtung durch weitere Hard- und/oder Software, die in dieser Konfiguration verwendet wird, wie z.B. das HMD (D), der Kopfhörer (E), die Sicherungshalterung (F), der Computer zur Erzeugung der VR (G) und die benutzte 3D-Engine-Software (H) (siehe Zeichnung 2) ergänzt werden.

Die Sensoren (wie in Zeichnung 2 beispielhaft dargestellt und mit „A" bezeichnet) erfassen an verschiedenen Punkten des Körpers Beschleunigungssensoren Körperbewegung beispielhaft der Beine, des Operkörpers und der Arme.

Als Beschleunigungssensoren werden beispielhaft ADXL103 (einachsig) und/oder ADXL203 (zweiachsig) vom Hersteller Analog Devices verwendet, sie arbeiten nach dem Biegebalken-Prinzip und werden kapazitiv ausgelesen.

Mindestens ein mindestens einachsiger Sensor an einem Bein (= Beinsensor) erfasst Geh- und Laufbewegungen, bzw. Hinknien, Kriechen und andere qualitative Beinbewegungen.

Mindestens ein mindestens einachsiger Sensor auf beispielhaft Brust oder Rücken erfasst die Neigung des Körpers. In diesem Fall wird erfindungsgemäß die Köperneigung aus der Stellung des Beschleunigungssensors zur Erdbeschleunigung abgelesen, welche sich als unterschiedliches Basisniveau darstellt (= Neigungssensor).

Weitere Sensoren an beispielhaft Unterarmen und Händen erfassen diverse Arm- und Handbewegungen.

Das Steuergerät (wie in Zeichnung 2 erfindungsgemäß dargestellt und mit „B" bezeichnet) erhält die analogen, kapazitiven Beschleunigungsdaten aus den Sensoren und wandelt sie in digitale Signale um, die dann von der Software quantitativ und qualitativ interpretiert und somit nutzbar gemacht werden. Diese Signale werden dann abhängig von der Zielapplikation mittels der Software in kontinuierliche Steuerungssignale übersetzt.

Optional erfolgt die Ausgabe als normale Tastatursignale. Die Ausgabe der Taustursignale erfolgt in Form von konfigurierbaren Tastencodes beispielhaft über den PS/2-Bus oder USB-Bus. Somit lässt sich jede mit der Tastatur bedienbare Software (es handelt sich hierbei also um eine Standardlösung, die daher universell einsetzbar ist) nutzen. Im konkreten Fall wird beispielhaft ein Programm zum erstellen von virtuellen Welten, „Cryengine" der Firma Crytek, eingesetzt.

Die Mess- und Steuerungssoftware (wie in Zeichnung 2 erfindungsgemäß dargestellt und mit „C" bezeichnet) ermittelt die Qualität der Bewegung und ihrer Intensität. Dazu wertet die Software die Eingabedaten von den Beschleunigungssensoren abhängig von eingestellten Steuerungsparametern aus und generiert eine passende Folge von Steuerungssignalen, optional auch in Form von Tastaturausgaben.

Das Programm konvertiert also mehrere analoge, kontinuierliche Messwerte in Werte aus einer Reihe von diskreten Bewegungsarten mit verschiedener Geschwindigkeit (beispielhaft schleichen, gehen, laufen, sowie kniende Position und darin Kriechbewegungen, sowie Sprünge und Seitwärtsbewegungen und diverse Arm- oder Handbewegungen).

Die Steuerungsparameter können beispielhaft über ein Softwareinterface manuell eingestellt werden oder/und durch ein einmal ablaufendes, selbst lernendes Kalibrierungsprogamm eingestellt werden. Für die meisten Menschen liefert eine generelle Voreinstellung dieser Parameter bereits sehr gute Resultate.

Weiter unten (s. Überschrift „Detaillierte Beschreibung des in der Mess- und Steuerungssoftware...") wird detailliert dargestellt wie die Mess- und Steuerungssoftware aus den Beschleunigungsrohwerten mittels der Einstellungen der Steuerungsparameter beispielhaft Bewegungsart und Trittfrequenz differenzieren kann.

Vereinfachend zusammengefasst besteht der Vorteil dieser Berechnungsmethode darin, dass aus den eingehenden Rohwerten mehrere unabhängige Werte für verschiedene Bewegungsintensitäten gebildet werden. So kann bei gleicher Bewegungshäufigkeit leicht zwischen verschiedenen Bewegungsarten unterschieden werden. Außerdem lösen einzelne fehlerhafte Messwerte dadurch keine störenden Steuersignale aus.

Zusätzlich ist diese Mess- und Steuerungssoftware auch dazu in der Lage sowohl die Rohwerte als auch die ausgegebenen Steuerungssignale in einer Datei abzuspeichern, im konkreten Fall bis zu 100 Hz.

Zusätzliche Einrichtungen

Zusätzlich wird im gesamten Aufbau ein mindestens 2-achsiger Headtracker eingesetzt, der über Maus-Bewegungssignale die Blickrichtung in der virtuellen Realität lenkt und so einerseits eine realistische Wahrnehmungsillusion im Head-Mounted-Display (HMD) erzeugt, andererseits die Richtung der Bewegung festlegt.

Dieses HMD stellt die von der Grafik-Engine erstellte künstliche Realität dreidimensional, stereoskopisch und daher immersiv dar.

Ein Dolby-Surround Köpfhörersystem wird für die Tonausgabe verwendet.

Durch ein Gurtzeug ist der Steuernde über ein Seil so an der Decke aufgehängt, dass er mit den Beinen auf dem Boden steht und sich aber auch noch in eine hockende/vierfüßige Position begeben kann.

Die Verwendung dieser Vorrichtung ist nicht an diese Umgebungshardware gebunden. Zum Beispiel könnte die Apparatur auch nur zur Messung von Bewegungssignalen genutzt werden, ausschließlich zur Steuerung einer virtuellen Welt, die beispielhaft auf einem Monitor oder einem Videobeamer wiedergegeben wird oder zur Fernsteuerung eines Roboters.

Detaillierte Beschreibung des in der Mess- und Steuerungssoftware verwendeten Algorithmus zur Umwandlung von Beschleunigungsdaten in Steuersignale

Eingangsdaten

Folgende Sensormesswerte stehen der Software zur Verfügung, in Klammern die Entsprechung im Quellcode:

• a_l: Beschleunigungskomponente parallel zum linken Unterschenkel (valk1)
• a_r: Beschleunigungskomponente parallel zum rechten Unterschenkel (valk3)
• b_l: Beschleunigungskomponente senkrecht zum linken Unterschenkel (valk2)
• b_r: Beschleunigungskomponente senkrecht zum rechten Unterschenkel (valk4)
• c: Beschleunigung senkrecht zur Körperachse auf Brusthöhe

Alle diese Werte sind digitalisierte Spannungswerte der Beschleunigungssensoren

Geschwindigkeit

Zur Ermittlung der Geschwindigkeit werden die Eingangsdaten a_l und a_r verwendet.

Zunächst werden aus den eingehenden Beschleunigungswerten Beschleunigungsänderungen ermittelt, dazu wird der Betrag der Ableitung der beiden Werte gebildet:

im Quellcode wird das durch die Bildung des Betrags der Differenz der letzten beiden Messwerte realisiert:

Diese Beschleunigungsänderungen werden mit verschiedenen Schwellwerten verglichen und das Ergebnis in drei verschiedene Listen aufgenommen. Die Intensität der Bewegung bestimmt also, in welchen Listen „1"-Elemente gesetzt werden, die Bewegungshäufigkeit bestimmt, wie viele.

im Code:

vor jedem Messdurchgang werden die Werte in der Liste auf den nächsten Platz verschoben:

Diese drei Listen werden nun bis zu einem Längenparameter aufsummiert und mit einem Gewichtungsparameter multipliziert und ergeben drei Summenwerte.

im Code:

Ursprünglich war geplant, jeweils einen Summenwert für die Bewegungsarten Schleichen, Gehen bzw. Laufen zu verwenden, allerdings erwies sich das während der Erprobungsphase als unpraktikabel.

Schließlich werden diese drei Summenwerte zu einem Gesamtsummenwerte addiert: sum1 = bin1sum + bin2sum + bin3sum

Diese sum1 kann durch Anpassung der Parameter bin1factor bis bin3factor sowie schwelle1 bis schwelle3 so eingestellt werden, dass sie proportional zur Laufgeschwindigkeit ist. Zur weiteren Verfeinerung könnten weitere Schwellen und Parameter hinzugefügt werden.

Der Vorteil dieser Berechnungsmethode besteht darin, dass aus den eingehenden Signalen mehrere unabhängige Werte für verschiedene Bewegungsintensitäten gebildet werden. So kann bei gleicher Bewegungshäufigkeit leicht zwischen verschiedenen Bewegungsarten unterschieden werden. Außerdem lösen einzelne fehlerhafte Messwerte noch keine störenden Steuersignale aus.

Bewegungsart „Gehen"

Während der Erprobung hat sich gezeigt, dass die Ausgabe des Steuersignals für die Bewegungsart „Gehen" nicht wie geplant aus bin2sum ermittelt werden kann, sondern anders ermittelt werden muss, um einen flüssigen Bewegungseindruck in der angeschlossenen 3-D Software zu erhalten.

In sum2 werden die aktuellen Werte von bin1_l/r, bin2_l/r, bin3_l/r jeweils mit dem Gewichtungsfaktor multipliziert und immer weiter aufsummiert: sum2(t) = sum2(t–1) + (bin1l(t) + bin1r(t))·bin1factor + (bin2l(t) + bin2r(t))·bin2factor + (bin3l(t) + bin3r(t))·bin3factor

Wenn für eine bestimmte Zeit keine Bewegung zu verzeichnen ist (wenn in der bin1-Liste weniger als (hier) 3*Gewichtungsfaktor Elemente auf „1" gesetzt wurden) wird die sum2 auf 0 gesetzt:

Die sum2 kann einen Maximalwert nicht überschreiten, hier ist dieser Maximalwert 2 *schwelle4.

Überschreitet sum2 den Parameterwert schwelle4, wird die Ausgabe des Steuersignals „Gehen" aktiviert.

Gleichzeitig wird sum2 um schwelle4 reduziert und die Zählvariable countw um schwelle5 erhöht. Schwelle5 ist die Dauer der Aktivierung.

Die Zählvariable countw dient dazu, den Zeitpunkt zum deaktivieren der Ausgabe des Steuersignals zu bestimmen.

Bewegungsart „Laufen"

Die Bewegungsart "Laufen" wird aktiviert, wenn bin3sum den Parameterwert schwelle6 überschreitet. Das Steuersignal für „Laufen" wird ausgegeben.

Bewegungsart „Schleichen"

Die Ausgabe des Steuersignals „Schleichen" ist so lange aktiv, bis bin2sum den Parameterwert schwelle 10 übersteigt.

Bewegungsart „Kriechen"

zur Ermittlung der Bewegungsart „Kriechen" werden b_l und b_r überprüft. Wenn beide den Parameterwert schwelle7 überschreiten, wird die Bewegungsart „Kriechen" aktiviert. Die b_l/r-Werte entsprechen der Beschleunigungskomponente senkrecht zum Unterschenkel. Stehend haben sie also Werte gegen 0, kriechend aufgrund der Gewichtskraft gegen 1.

Bewegungsart „Vorwärts", „Rückwärts", und „Keine Bewegung"

Zur Unterscheidung der Bewegungsrichtung wird der Messwert c verwendet.

Unterschreitet c ein Fenster um den Parameterwert schwelle8 mit der Breite schwelle9, ist die Bewegungsart „Rückwärts" aktiviert, überschreitet er es, dann ist „Vorwärts aktiviert. Liegt der Wert innerhalb des Fensters, ist „keine Bewegung" aktiviert.

Claims

Vorrichtung zur bezugssystemunabhängigen Erfassung und qualitativen und/oder quantitativen Interpretation von Körperbewegungen mit der Option zur Steuerung von Soft- und/oder Hardware, enthaltend a) mindestens einen mindestens einachsigen Beschleunigungssensor, der/die an einem lebenden Körper an einer oder mehren Stellen angebracht ist/sind und welcher/welche bei Bewegung des Körpers analoge Beschleunigungswerte in feiner Zeitauflösung produzieren und per Kabel oder Funkelement weiterleiten kann können und b) einen Analog-Digitalwander zur Umwandlung dieser Beschleunigungswerte in digitale Signale und c) eine Software zur Interpretation dieser digitalen Signale mittels der dort definierten Steuerungsparameter in qualitative Bewegungsarten, die in ihrer Intensität variieren können, und zur Speicherung der zeitlichen Abfolge dieser Signale und zur optionalen Lenkung von Soft- oder/und Hardware.
Vorrichtung nach Anspruch 1, enthaltend zweiachsige Beschleunigungssensoren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, enthaltend dreiachsige Beschleunigungssensoren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, enthaltend Funkelemente in Form von Bluetoothfunktechnologie.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur bezugssystemunabhängigen Erfassung und qualitativen und/oder quantitativen Interpretation von Körperbewegungen mit der Option zur Steuerung von Soft- und/oder Hardware.
Verfahren zur bezugssystemunabhängigen Erfassung und qualitativen und/oder quantitativen Interpretation von Körperbewegungen mit der Option zur Steuerung von Soft- und/oder Hardware, dadurch gekennzeichnet, dass a) Beschleunigungssensoren an einem lebenden Körper an einer oder mehren Stellen angebracht werden und b) diese Sensoren bei Bewegung des Körpers analoge Beschleunigungswerte in feiner Zeitauflösung produzieren, und c) diese Beschleunigungswerte von einem Analog-Digitalwandler in digitale Signale verwandelt werden, und d) die digitalen Signale wiederum durch eine spezielle Software mittels der dort definierten Steuerungsparameter in qualitative Bewegungsarten interpretiert werden, die in ihrer Intensität variieren können und e) diese Bewegungsarten optional in ihrer zeitlichen Abfolge gespeichert werden können und/oder f) zur Steuerung von Soft- oder/und Hardware verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsarten in Bezug zu einem Zeitindex gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen tierischen oder menschlichen Körper handelt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren an einer oder mehreren Extremitäten, dem Kopf, dem Rumpf, am Hals oder an einem oder mehreren Gelenken angebracht werden können.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die feine Zeitauflösung im Bereich von 10-1.000 Hz liegt, vorzugsweise im Bereich von 100 Hz.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die qualitativen Bewegungsarten springen, langsames gehen, normales gehen, schnelles gehen, laufen, schleichen, kriechen, seitwärts gehen, rückwärts gehen, schwimmen sowie diverse Arm- und/oder Hand- und/oder Fingerbewegungen sowie diverse Bein- und/oder Fußbewegungen sowie Bewegungen des Halses, des Kopfes und/oder des Rumpfs, insbesondere der Hüften, sein können.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass qualitativ unterschiedliche Fortbewegungsmitteln gesteuert werden können, wie das Fahren eine Fahrzeugs, Steuern eines Bootes, Steuern eines Flugzeugs, Steuern eines Drachfliegers.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Neigung des Körpers die Bewegungsrichtung bestimmt wird.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur qualitativen Bewegungsanalyse bei Langzeitanalysen (Monitoring).
Verfahren zur qualitativen Bewegungsanalyse bei Langzeitanalysen (Monitoring) dadurch gekennzeichnet, dass a) die nach Anspruch 1 gespeicherten, zeitlich definierten, qualitativen Bewegungsdaten optional mit weiteren Daten des vermessenen Körpers kombiniert werden und b) diese weiteren Daten mit dem nach Anspruch 7 bezeichneten Zeitindex gespeichert werden und c) schließlich in einer späteren Analyse optional mit den nach Anspruch 1 beschriebenen Daten verwertet werden,
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Daten aus EEGs, EKGs stammen oder es sich um Blutdruckdaten handeln kann.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 15 zur Korrektur bzw. genaueren Analyse von EEGs, EKGs oder von Blutdruckdaten, oder als alleinige Analyse bzw. Kontrollmaßnahme, beispielhaft bei Übergewichtstherapie.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur VR-Steuerung von Soft- und/oder Hardware.
Verfahren zur VR-Steuerung von Soft- und/oder Hardware, dadurch gekennzeichnet, dass a) die nach Anspruch 6.e) gespeicherten, zeitlich definierten, qualitativen Bewegungsdaten zur Steuerung durch große virtuelle Räume optional auch zur Ausführung von sonstigen Handlungen bei gleichzeitig begrenzten realen Platz des Steuernden genutzt werden, wobei b) optional zur Raumorientierung und Bestimmung der Lenkrichtung eine Vorrichtung zur Lageorientierung (so genannter Headtracker) verwendet werden kann und c) optional die Person durch eine Sicherungsvorrichtung geschützt sein kann und d) optional die real ausgeführte Bewegung der Gesundheitsförderung des Steuernden dient.
Verfahren nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass die sonstigen Handlungen das Ergreifen von einem oder mehreren Gegenständen, und/oder das Abfeuern von einer oder mehreren Waffen sein können und/oder das Benutzen von mobilen Lampen und/oder das Benutzen von speziellen Sichtgeräten und/oder das Werfen von Waffen seien können.