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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Erzeugung von Steuersignalen, insbesondere zur Steuerung von
auf einer Anzeige darstellbaren flächigen oder dreidimensionalen
Objekten oder eines Computers.
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Bisher
wird ein Computer üblicherweise
mit der Hand mittels einer Tastatur, einer Maus oder eines Joysticks
gesteuert. Dies ist insbesondere für die Steuerung in vom Computer
erzeugten virtuellen Welten bzw. dreidimensionalen Räumen nicht
ideal.
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Die
DE 297 04 478 U1 und
DE 100 04 340 A1 offenbaren
Computersteuergeräte
mit einem Sitz zur Betätigung
eines Joysticks. Diese Computersteuergeräte sind nicht optimal einsetzbar.
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Die
US 5,195,746 A offenbart
eine Videoanzeigesteuervorrichtung mit einem kippbaren Sitz. Das
Verkippen des Sitzes wird von Sensoren erfaßt und zur Steuerung eines
elektronischen Bildes auf einer Videoanzeige verwendet.
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Die
DE 197 50 441 C2 offenbart
eine Vorrichtung zur Erfassung und Steuerung von Körperhaltungen
zur therapeutischen Anwendung in sitzender Haltung. Es werden sowohl
die Bewegungen eines Sitzmöbels
durch eine zugeordnete Sensorik als auch die Körperhaltung mittels einer Kamera
und Bildanalyse erfaßt.
Dies ist sehr aufwendig.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zurunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Steuersignalen, insbesondere
zur Steuerung von auf einer Anzeige darstellbaren flächigen oder
dreidimensionalen Objekten oder eines Computers, anzugeben, wobei
eine einfache, insbesondere intuitive, handfreie Bedienung des Eingabegerätes ermöglicht wird
und insbesondere auch komplexere Vorgänge wie die Steuerung in erzeugten
virtuellen Welten bzw. dreidimensionalen Räumen intuitiver ermöglicht wird.
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Die
obige Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 oder eine Vorrichtung gemäß Anspruch
4 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine
grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Sitzfläche um eine
insbesondere im wesentlichen vertikale Achse frei drehbar ist und
ihr Verdrehen bzw. ihre Drehlage erfaßt und als Steuersignal für den Computer
verwendbar oder auswertbar ist und/oder daß die Vorrichtung eine Fußsensoreinrichtung
zur Erfassung von Bewegungen oder Belastungen mindestens eines Fußes eines Benutzers
aufweist, die als Steuersignal für
den Computer verwendbar oder auswertbar sind.
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So
kann eine einfache, intuitive Steuerung insbesondere eines Computers
erfolgen. Die Hände sind
für die
Steuerung nicht erforderlich. Sie können bedarfsweise für andere
Tätigkeiten
oder zusätzliche Steuerungsfunktion
eingesetzt werden.
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Die
Begriffe „Bewegungen" und „Belastungen" sind bei der vorliegenden
Erfindung in einem weiten Sinn dahingehend zu verstehen, daß beispielsweise
eine seitliche oder vertikale Auslenkung oder ein Verkippen oder
Verdrehen einer dem Gesäß zugeordneten
Sitzfläche
und/oder insbesondere auch statische und/oder dynamische Zustände umfaßt sind.
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Weitere
Aspekte, Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus den Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 Hüfte, bzw.
Gesäß mit Achsenbeschriftung;
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2 Rotation
um Achse B, Frontalansicht Hüfte,
Gesäß;
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3 Rotation
um Achse A, Seitsicht auf Hüfte;
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4 Rotation
um Achse C, Aufsicht auf Hüfte;
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5 Seitliche
Ansicht Sitzsteuerung;
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6 Aufsicht
Sitzsteuerung;
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7 Benutzer
auf Sitzsteuerung;
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8 Translations-
und Rotationsachsen der Sitz;
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9 eine
weitere vorschlagsgemäße Vorrichtung.
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Durch
die physiologisch bedingten Bewegungsmöglichkeiten und -einschränkungen
kann das Gesäß mit Hilfe
der Hüfte
und der Unterstützung
der Beine verschieden im Raum bewegt und um Achsen rotiert werden. 1 illustriert
die Achsen. Die Hüfte und
damit das Gesäß wird abstrahiert
als Kasten dargestellt.
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Beispielsweise
kann die Hüfte
(3) bzw. das Gesäß auf die
folgenden Arten bewegt und gedreht werden, wobei der Nullpunkt der
in 1 beschriebenen Achsen in Körpermitte und ungefähr am oberen
Rand der Hüfte
liegt:
Bewegung des Gesäßes durch
Verkippung der Hüfte um
die horizontalen Körperachsen
A, B und C, aufgespannt durch Achse A in 1, die Achse
von der rechten zur linken Seite der Hüfte, und der Achse B, der Achse
die von vorne nach hinten durch die Hüfte geht (beides horizontale
Orientierungen):
- • Hüfte nach rechts hoch gekippt
(Rotation um Achse B, 2)
- • Neutrale
Position
- • Hüfte nach
links hoch gekippt (Rotation um Achse B, 2)
- • Hüfte nach
vorne gekippt (Rotation um Achse A, 3)
- • Hüfte nach
hinten gekippt (Rotation um Achse A, 3)
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Bewegung
des Gesäßes durch
Verdrehung der Hüfte
um die vertikale Körperachse
(Achse C in 4) (vertikale Orientierung:
- • Hüfte nach
links gedreht (Links-Rotation um Achse C)
- • Hüfte gerade
aus gerichtet
- • Hüfte nach
rechts gedreht (Rechts-Rotation um Achse C)
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Positionierung
des Gesäßes relativ
zu einer absoluten Position im Raum
- • Rechts,
links, entlang der Achse A
- • Vor,
Zurück,
entlang der Achse B
- • Hoch,
Runter, entlang der Achse C
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Daraus
ergibt sich eine Bewegung, die sich beschreiben läßt als eine
Kombination von Positionierungen entlang der drei Achsen A, B, C
in 1 des Raumes (drei translatorische Freiheitsgrade) und
Rotation, bzw. Orientierung um die drei Raumachsen (drei rotatorische
Freiheitsgrade).
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Weiter
kann die Bewegung der Hüfte
bzw. des Gesäßes über die
Zeit verfolgt werden. So kann eine Bewegungsfolge entstehen
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Beispiele
einzelner Bewegungsabfolgen sind
- • Hüftschwünge um die
drei Rotationsachsen zum Beispiel hin und her, vor und zurück
- • Auf-
und Abbewegungen, Vor- und Zurückbewegungen,
Rechts- und Linksbewegungen des Gesäßes relativ zu einem absoluten
Raumpunkt.
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Die
Qualitäten
dieser Bewegungen können unterschieden
werden in (Beispiele)
- • Amplitude (Auslenkung der
einzelnen Bewegungsabfolge)
- • Frequenz
(Wiederholrate, Länge
einer Bewegungsabfolge)
- • Dauer
der gesamten Bewegung (über
alle wiederholten Bewegungsabfolgen).
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Die
beschriebene Hüft-
bzw. Gesäßposition, -orientierung
und -bewegung über
die Zeit kann alleine oder in Kombination als Steuersignale zur
Kontrolle von beliebigen Computerprogrammen genutzt werden (7).
Dazu werden diese beschriebenen Parameter in einer geeigneten Übertragung
den Steuerungsparametern des Programms im Computer (7)
zugeordnet werden. Beispielsweise können Bewegungskomponenten der
Hüfte bzw.
des Gesäßes auf
Bewegung von Mauscursor, auf Mausklicks, auf Selektion von Menüparametern
oder auf Bewegung im 3D Raum übertragen
werden.
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Die
beschriebenen Parameter Position des Gesäßes, Orientierung und Bewegungsabfoge über die
Zeit kann auf zwei Arten aufgenommen werden
- 1. über ein
externes Gerät
als Vermittler
- 2. direkt.
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Im
ersten Fall wird die Bewegung übertragen auf
das externe Gerät
(Sensoreinrichtung), dessen Sensoren) dann die Information ermitteln
und weiterleiten. Dieses Gerät
ist beispielweise in einen Sitz integriert. Im zweiten Fall sind
sie am Gesäß selber
befestigt (Positions und Orientierungstracker, biophysiologischen
Sensoren oder nehmen die Bewegungen des Gesäßes berührungslos auf (Kamerabasierter Sensor).
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Ein
Anwendungsbereich ist in den Fällen
gegeben, wo die Hände
für bestimmte
Arbeiten am Computer nicht benutzt werden können oder eine alternative
Steuerungsmöglichkeit
gewünscht
ist. Gründe
dafür können in
der Umgebung, den Arbeitsbedingungen, den Anforderungen einer Anwendung, den
Einsatz beider Hände
für andere
Tätigkeiten oder
der Physiologie des Benutzers liegen. Im Folgenden werden hier beispielhaft
zwei Szenarien und drei vorgeschlagene Schnittstellen beschrieben,
welche die hier vorgeschlagene Art der Hüft, bzw. Gesäßsteuerung
illustrieren.
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Szenario 1:
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Navigation
in einer 3D Welt. In der modellierten Welt einer dreidimensionalen
Anwendung, wie man sie aus der Virtuellen Realität (VR) kennt, ist ein Hauptproblem,
wie ein Benutzer sich durch diese dreidimensionale Welt bewegt. Über Eingabegeräte übermittelt
der Benutzer dem Computer Befehle zur Bewegung. Die Eingabegeräte für den Computer sind
klassisch die Maus und das Keyboard. In der VR werden zusätzliche
Geräte
eingesetzt, zum Beispiel solche, deren Position im 3D Raum über Positions- und
Orientierungsverfolgende Geräte
(Tracker) bekannt sind. Eine Möglichkeit,
diese Art von Hand-kontrollierten Eingabegeräten zur Steuerung zu ersetzen ergibt
sich durch Steuerung über
Hüft und
Gesäßbewegungen,.
Dies kann zum Beispiel in Kombination mit einem Sitz geschehen.
Eine solche Schnittstelle ist unten beschrieben (7).
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Szenario 2:
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Bedienung
eines Desktop Computers mit grafischer Benutzungsoberfläche. Grafische
Benutzeroberflächen
werden klassisch mit einer Maus und dem Keyboard bedient. Die Mausbedienung
ist oft unergonomisch und kann nicht gleichzeitig mit der beidhändig bedienten
Tastatur benutzt werden. Über den
Transfer der Aufgaben einer Maus auf andere Körperteile, zum Beispiel das
Gesäß und Hüfte, kann die
Mausbewegung intuitiv über
kleine Bewegungen gesteuert werden und die Hände werden frei für andere
Aufgaben.
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Die
voran beschriebenen Szenarien können mittels
verschiedener Arten von Ausgestaltung des hier vorgeschlagenen Verfahrens
und Vorrichtung gesteuert werden
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Die
erste vorgeschlagene Ausführungsvariante
A1 ist eine Sitzsteuerung, basierend auf einem beweglichen Stuhl,
illustriert in 5, der einen Computer steuert,
illustriert in 7. Der Benutzer (2)
sitzt auf diesem Stuhl (1) und sein Körper steuert den Computer über die
Veränderung
der Position und Orientierung des Gesäßes (3). Diese Bewegungsinformation
wird auf den Stuhl übertragen.
Der Stuhl unterstützt
dabei durch seine physikalischen Eigenschaften einerseits das Sitzen
und andererseits die Bewegung im Raum. Die Bewegung des Stuhls wird dabei
durch Sensoren aufgenommen und an den Computer übermittelt. Mittels einer Übertragungsmetaphorik
(Mapping) wird dann die Bewegung des Stuhls auf Bewegung durch den
dreidimensionalen Raum wie in Szenario 1 beschrieben übertragen.
Ein Sitz kann zum Beispiel auch eine Stehhilfe sein.
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Die
hier vorgeschlagene Ausführungsform auf
Basis eines Hockers oder Stuhles 1 in 5 hat eine
runde, frei drehbare Sitzfläche
(4 und 6), die auf einer vorzugsweise
in alle Richtungen seitlich auslenkbaren Halterung, bspw. einer
gedämpften Spiralfeder
(5), befestigt ist und auf einem soliden Fuß (6)
steht. Dadurch kann die Sitzfläche
durch Veränderung
der Körperpositur
und damit Veränderung der
Position und Orientierung des auf der Sitzfäche sitzenden Gesäßes an verschiedene
Positionen und in verschiedene Orientierungen gebracht werden. Über Sensoren,
die zum Beispiel am Stuhl selber befestigt sind, kann dadurch die
oben beschriebenen Bewegungen und Rotationen des Gesäßes relativ zum
Raum im Umkreis der Auslenkungsmöglichkeiten
des Stuhls, illustriert in 5, aufgenommen
werden.
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Die
Bewegung des Stuhls 1 relativ zu seinem Fuß und relativ
im Raum wird über
Positions- und Orientierungssensoren im Raum gemessen, die an der
Sitzfläche
befestigt sind. Eine andere Ausführungsform
integriert die Sensoren in den Stuhl, so daß über Kraft und Dehnungsmessungen,
die Position und Orientierung der Sitzfläche relativ zum Stuhl gemessen
wird. Eine dritte Variante erfaßt
mit einer Videokamera die Lage des Stuhles oder direkt des Gesäßes.
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Die
Bewegungen des Gesäßes, die
auf den Stuhl 1 übertragen
werden, steuern beispielsweise eine erzeugte virtuelle Umgebung 10 im
Computer 7 wie in 7. Zur Bewegung
vorwärts
wird der Stuhl mit leichtem Druck durch Verlagerung des Gewichtes oder
Vorkippen des unteren Teils der Hüfte, des Gesäßes, (3 und
Auslenkung der Sitzfläche
relativ zum Fuß entlang
Achse A in 8, wenn der Benutzer mit dem
Gesicht nach rechts sitzt) nach vorne bewegt. Analog erfolgt eine
Rückwärtsbewegung
durch Bewegung des Stuhls nach hinten oder Kippen der Hüfte nach
hinten (Gesäß nach hinten).
Eine Seitwärtsbewegung
erfolgt durch Auslenkung des Stuhles nach rechts oder links bzw.
Verkippen der Hüfte und
damit des Gesäßes um die
Achse B (2 und Auslenkung der Sitzfläche relativ zum Fuß entlang Achse
B in 8, wenn der Benutzer mit dem Gesicht zur Seite
sitzt). Eine Rotation der Ansicht erfolgt durch Drehung der Sitzfläche bzw.
Rotation der Hüfte um
die Achse C (4 und Rotation um Achse C in 8).
Die Stärke
der Auslenkung bestimmt linear oder nicht-linear die Geschwindigkeit
der Bewegung. Aufwärtsbewegung
kann durch Anheben des Gesäßes erfolgen,
Abwärtsbewegung
durch Erhöhung des
Drucks auf die Sitzfläche 4 und
damit Abwärtsbewegung
der Sitzfläche
(Bewegung auf Achse C in 8). Durch intuitive Kombination
dieser verschiedenen Bewegungen können komplexe Bewegungsverhalten
der Bewegung in der erzeugten dreidimensionalen virtuellen Welt
erzeugt werden.
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Die
Bewegungen in den verschiedenen Achsen über die Zeit ermöglichen
die Erzeugung weiterer Parameter zur Steuerung des Computers. Beispielsweise
läßt sich über die
Frequenz der Auf- und Abwärtsbewegung
entlang Achse C in 8 an Stelle der vertikalen Bewegung
in der dreidimensionalen Welt nun die Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung bei
einer zweidimensionalen Steuerung in der Fläche bestimmen. Über ein
einmaliges Auf und Ab läßt sich ein
Mausklick simulieren. Durch Nutzung der Auslenkung entlang der Achsen
A und B in 8 und dem simulierten Klick
läßt sich
eine klassische Maussteuerung für
Szenario 2 ersetzen. Zusammenfassend können durch Kombination von
Gesäß Bewegungen komplexere
Gesten erzeugt werden, denen jeweils eine eigene Bedeutung bei der
Steuerung eines Computerprogammes zugeordnet werden kann.
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Eine
weitere Ausführungsvariante
A2 ist die Gesäßsteuerung
basierend auf Drucksensoren in einem Stuhl. Die oben beschriebenen
Bewegungen können
ebenso über
Sensoren, die in einen festen Stuhl eingebaut sind, gemessen werden.
Beispielsweise kann die Veränderung
des Sitzposition über Messung
der Druckverteilung durch Drucksensoren aufgenommen werden. Kraftsensoren
können
auf den Stuhl ausgeübte
Kräfte
aufnehmen. Diese werden zum Beispiel durch versuchte Rotation oder
Bewegung der Hüfte
ausgeübt.
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Die
Ausführungsvarianten
A1 und A2 lassen sich mit Fußschaltern
und Fußsensorvorrichtungen, als
zusätzliche
Möglichkeiten,
Parameter für
die Computersteuerung zu erzeugen, erweitern. Durch die gleichzeitige
Nutzung der Gesäßsteuerung
als Sitz sind die Füße entlastet
und können
einen oder mehrere Fußschalter
oder komplexere Fußsensoren gezielt
steuern. Eine Fußschalterkonstruktion
kann dabei aus einem oder mehreren getrennten großflächigen Schaltern
bestehen, die auf dem Fußboden ausgelegt
oder in den Stuhl integriert sind. Sie kann auch aus einem oder
mehreren komplexen Fußsensorvorrichtungen
bestehen, welche verschiedene Positionen und Orientierungen des
Fußes über Sensoren
aufnehmen. Eine Ausführungsvariante
einer solchen Fußvorrichtung
kann analog einer dreidimensionalen federnden Wippe aufgebaut sein,
die durch Veränderung
des Drucks oder Zugs eines Fußes
auf Ferse, Zehen und die Seiten bedient werden kann und Daten über die
Kraft, Auslenkung und Orientierung dieser Konstruktion in den drei
Raumkoodinaten mit Hilfe von mehreren Kraftsensoren, Positions-
und Orientierungssensoren generiert. Bei der Nutzung solcher komplexer
zusätzlich
generierter Parameter muß dabei
berücksichtigt
werden daß gegebenenfalls
durch die Steuerung des Stuhls je nach Art der Fußsteuerung
Kraft auf diese ausgeübt
wird, die nicht explizit zur Steuerung der Fußvorrichtung vorgesehen war.
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Mit
Hilfe solcher zusätzlicher
Fußschalter und
Fußsensorvorrichtungen
können
alleine und in Kombination mit den vorgeschlagenen Ausführungsvarianten
A1 und A2, zusätzliche
Parameter zur Steuerung des Computers erzeugt werden. Sie können zwischen
verschiedenen Zuordnungen (Mappings) der vom Stuhl erzeugten Parametern
zu Verhalten im Computerprogramm umschalten. In einem einfachen
Fall können
sie im Sinne einer klassischen Computermaus mit Eingabetasten die
Funktion dieser Tasten übernehmen,
während
der beschriebene Sitz weiter für
die Steuerung der Bewegung zuständig
ist. Ferner können
sie zusätzliche
Dimensionen zur Steuerung des Computerprogrammes erzeugen. Diese
können
beispielsweise in Zusammenhang mit der Bedienung des Stuhls stehen
und bekannte, intuitive Metaphern einer Steuerung implementieren. Analog
der Bewegung eines Skifahrers kann so beispielsweise die Verkantung
der Fußflächen in
verschiedene Richtungen zusätzliche
Informationen für das
Computerprogramm generieren. Ein weiteres Beispiel ist bei Inline
Skatern das Abstoppen einer Bewegung mit Hilfe der „Fersen" Bremse durch Erzeugung
von Druck auf die Ferse.
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Die
vorgeschlagene Erweiterung durch Fußschalter und Fußsensorvorrichtungen
kann auch zusätzliche,
vom Stuhl unabhängige,
Parameter generieren. Beispielsweise kann die Bewegung eines Benutzers
durch den dreidimensionalen Raum im Computer von der Sitzsteuerung
gesteuert werden, während
die Bewegung eines in diesem Raum befindlichen Objektes unabhängig von
einer Fußsteuerung gesteuert
ist.
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Diese
Möglichkeiten,
zusätzliche
zu der Sitzsteuerung Parameter zu generieren, besteht sowohl mit
den vorgeschlagenen Erweiterungen durch Fußschalter und Fußsensorvorrichtungen,
als auch mit allen bekannten Eingabevorrichtungen für Computer, beispielsweise
Computermaus 8 und Keyboard 9 in 7 für die Hände.
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Eine
dritte Ausführungsvariante
A3 ergibt sich durch eine Gesäßsteuerung
basierend auf biophysiologischen Sensoren. Über biophysiologische Sensoren
kann Muskelaktivität
gemessen werden (Elektromyographie). Die Anspannung und Entspannung
von Gesäßmuskeln
und Beinmuskeln kann somit mit mehreren Sensoren, verteilt auf dem
Gesäß und Beinansatz,
gemessen werden. Hierdurch läßt sich
eine initiierte Bewegung des Gesäßes, die
aber nicht unbedingt in einer Positions-, oder Orientierungsänderung
des Gesäßes im Raum
resultieren muss, aufnehmen.
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Die
Messung dieser Werte kann sowohl im Sitzen, als auch in jeder anderen
Position aufgenommen werden. So können auch über absichtlich gesteuerte
Anspannung und Entspannung der Muskeln, Parameter im Sinne des hier
vorgeschlagenen Verfahrens gesteuert werden.
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 mit
einem Stuhl 11, der eine Sitzfläche 12 und eine vorzugsweise
eine Lehne 13 aufweist. Die Sensoreinrichtung umfaßt vorzugsweise
eine Steuereinrichtung 14, einen der Sitzfläche 12 zugeordneten
Sensor 15, einen der Lehne 13 zugeordneten Sensor 16,
einen Kipp- oder Drehsensor 17 und/oder einen Fußschalter
oder -sensor 18 (Fußsensoreinrichtung).
Die Steuereinrichtung 14 und/oder die Sensoren 15 bis 17 sind
insbesondere in den Stuhl 11, die Sitzfläche 12 oder dessen
Fuß 6 o.dgl.
integriert. Die Sensoren 15 und 16 sind beispielsweise
als Druckaufnehmer ausgebildet. Der Sensor 17 erfaßt insbesondere
ein Verkippen und/oder Verdrehen des Stuhls 11 bzw. der
Sitzfläche 12.
Die Sensoreinrichtung bzw. Steuereinrichtung 14 weist vorzugsweise
eine zugeordnete, insbesondere integrierte Stromversorgung (nicht
dargestellt) auf. Die Steuersignale S sind vorzugsweise drahtlos übertragbar
bzw. ausgebbar, wie in 9 angedeutet. Ansonsten gelten
die bisherigen Erläuterungen
und Ausführungen
entsprechend oder ergänzend.
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Einzelne
Merkmale und Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen können auch
beliebig miteinander kombiniert oder in sonstiger Weise eingesetzt
werden.