DE19830359A1

DE19830359A1 - Spatial position and movement determination of body and body parts for remote control of machine and instruments

Info

Publication number: DE19830359A1
Application number: DE19830359A
Authority: DE
Inventors: Helge Zwosta
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 2000-01-20

Abstract

Inertial three axis orientation measurement device (1.1) and position sensor are located on body part. Position sensor is positioned on reference body part. Signals from measurement device and sensor are fed to signal and data processing unit. Position and orientation of body part is determined relative to coordinate system defined on reference body part and source and orientation angle of coordinate system connected with body part or measurement device.

Description

Eine Vielzahl von Anwendungen wie:
Fernsteuerung von Maschinen und Instrumenten durch menschliche Gliedmaßen, Lage und Bewegungs kontrolle von Maschinen und Robotern, Bewegungskontrolle von Sportlern und in Rehabilitation befind lichen Patienten, Interaktion von Menschen mit virtuellen Umgebungen (Cyberspace), Umwandlung von Körperbewegungen in Musik und Lichteffekte (Entertainment), Erfassung von menschlichen Bewe gungsabläufen im Produktionsprozess, Training von komplexen manuellen Tätigkeiten, Lage- und Bewe gungskontrolle von Fertigungsteilen im Raum usw., stellt die Aufgabe der Positionserfassung von Kör perstellen, der Lagebestimmung von Körperteilen und Körpern, sowie deren Bewegungserfassung im Raum.A variety of applications such as:
Remote control of machines and instruments through human limbs, position and movement control of machines and robots, movement control of athletes and patients in rehabilitation, interaction of people with virtual environments (cyberspace), conversion of body movements into music and light effects (entertainment), recording of human movement sequences in the production process, training of complex manual activities, position and movement control of production parts in the room, etc., provides the task of position detection of body positions, determining the position of body parts and bodies, and their movement detection in the room.

1) State of the art and disadvantages

Die genannte Aufgabe wird derzeit im Sinne der Erfassung von menschlichen Körperbewegungen unter den Begriffen "Motion capture" (= Bewegungserfassung) oder "Body tracking" (= Spurverfolgung von Körperteilen mit nachfolgenden Methoden gelöst.The above task is currently undertaken in the sense of capturing human body movements the terms "motion capture" or "body tracking" Body parts solved with the following methods.

1.1) Magnetic field methods

Die Lagebestimmung von Körperteilen mittels Magnetfeldern ist eine sehr häufig eingesetzte Methode. Es sei hier auf die Produkte der US-Firmen Polhemus Inc., Colchester, Vermont und Ascension Techno logy Corporation., Burlington, Vermont verwiesen.The location of body parts using magnetic fields is a very common method. It is here on the products of the US companies Polhemus Inc., Colchester, Vermont and Ascension Techno logy Corporation., Burlington, Vermont.

Magnetfeldmethoden der genannten Firmen haben folgende Nachteile:
Magnetic field methods of the companies mentioned have the following disadvantages:

- Susceptibility to environmental iron and foreign fields
- Limited detection area because the measuring accuracy decreases with the distance
- complex and time-consuming sensor adjustment.

1.2 Mechanical linkages and frames

Am Körper befestigte Gestänge erfassen die Winkel von Körpergelenken.Rods attached to the body capture the angles of body joints.

Hier sei auf die Produkte der US-Firma Analogus Company, San Francisco, Californien verwiesen.Please refer to the products of the US company Analogus Company, San Francisco, California.

Bei dieser Lösung sind u. a. folgende Nachteile zu nennen.With this solution u. a. to mention the following disadvantages.

- The rods are not comfortable for the wearer
- Putting on the boom is very time consuming
- An orientation and position specification of a single link requires the creation of the whole Linkage and only delivers indirect joint angle sizes.

1.3) Camera acquisition

Die Bewegungserfassung des menschlichen Körpers mit Kameras wird ebenfalls sehr häufig eingesetzt. An signifikanten Körperstellen werden hierbei reflektierende Markierungen angebracht und deren Bewe gungsverlauf von mindestens zwei Kameras aufgezeichnet und somit ihre räumliche Position berechnet. Dieses Verfahren dient in erster Linie der Erfassung eines kompletten Mehrgelenkkörpers.The motion detection of the human body with cameras is also used very frequently. Reflective markings are placed on significant parts of the body and their movement Development history recorded by at least two cameras and thus their spatial position calculated. This procedure is primarily used to record a complete multi-joint body.

Hier sind folgende Nachteile zu nennen
The following disadvantages should be mentioned here

- The determination of the position of a single part of the body, like that of the linkage, requires the detection of all remaining joints
- Limited detection area because the optical imaging laws apply (depth of field)
- Hiding by your own or a foreign body
- Accuracy decreases with distance.

1.4) Ultrasound

Ultraschall wird in der Medizin und Sportphysiologie zur Erfassung von Bewegungsabläufen des mensch lichen Körpers eingesetzt. Der Abstand wird aus der Laufzeit eines Ultraschallimpulses bestimmt. Nachteile sind:
Ultrasound is used in medicine and sports physiology to record movements in the human body. The distance is determined from the transit time of an ultrasound pulse. Disadvantages are:

- Determining the orientation of individual body parts requires three ultrasound sensors per body part, so that for this task a myriad of sensors attached to a multi-jointed body which would in turn require a high degree of signal organization (multiplexing) and coding would make necessary
- Shading of ultrasound impulses on multi-part bodies

1.5) Combination of inertial orientation sensor and ultrasound

InterSense Inc., Burlington, Massachusetts bietet derartige Systeme für die Erfassung der Orientierung und der Position von Körper(teile)n an mit ausschließlich körperexternem Bezug (Koordinatenssysteme) an. Dadurch bestehen die Nachteile:
InterSense Inc., Burlington, Massachusetts offers such systems for the detection of the orientation and the position of bodies (parts) with only external reference (coordinate systems). This has the disadvantages:

- The detection accuracy of details decreases with the distance from the reference point
- The application is limited to a small area mostly in closed rooms
- If several people are present in the detection area, there may be occlusions or shading between body (parts) and reference points or mutual influence of the sensor systems men.

annotation

Im folgenden Text wird anstatt der Bezeichnung "inertiale Orientierungs-Messaufnehmer" meist der Be griff Gyro verwendet, wenn es nicht notwendig erscheint die abstrakte Funktionalität besonders hervor zuheben. Der Begriff Gyro ist heute interationaler Standard. (s.a. Definitionen und Begriffserklärungen) In the following text, instead of the term "inertial orientation sensor", the Be gripped Gyro used, if it does not seem necessary, the abstract functionality to lift. The term gyro is now an international standard. (see also definitions and explanations of terms)

2) Determining the position of a body in space, using 3-axis gyro and position detection

Vorbemerkung: Unter "räumliche Lage" eines Körpers oder Körperteiles ist seine Position (Koordinaten eines ausgewählten Punktes) und die Orientierung (Winklelage zu einem Bezugssystem) zu verstehen. An einem Körper sei eine Positionssenorik und ein 3-Achs-Gyro (künftig mit 3A-Gyro abgekürzt) ange bracht (eine Beschreibung über Gyroausführungen folgt). Durch die Erfassung der Position eines defi nierten Körperpunktes K (= p_K(x_K, y_K, z_K)) und der drei Gyrowinkel ϕ, ψ, χ ist die räumliche Lage (s. Definition) eines Körpers völlig bestimmbar. Fig. 1 zeigt einen fest mit dem Körper 1.0 verbundenen 3A-Gyro 1.1 welcher die 3 Winkel ϕ, ψ, χ relativ zu seinem Ausgangszustand mißt (z. B. als Zeitintegral der Winkelgeschwindigkeitskomponenten bei Verwendung eines Fiber- oder Vibrationsgyros). Die Win kel sind in der Ausschnittsvergrößerung Fig. 1a dargestellt. Diese drei gemessenen Winkel ϕ, ψ, χ geben allerdings keine gute Vorstellung über die Orientierung des Körpers 1.0. Anschaulicher beschrie ben wird die Orientierung des Körpers 1.0 durch die Angabe von Vektoren p₁ˆ oder Einheitsvektoren e_u, e_v, e_w, des durch die Gyroachsen definierten Teilkoordinatensystemes T1 relativ zum Bezugssystem B0 (x, y, z). Die Umrechnung der Gyrowinkel ϕ, ψ, χ in die 9 kosinus der Winkel zwischen Bezugs- und Teilkoordinatensystem ist der einschlägigen Literatur zu entnehmen. (s. unten). Die Kombination von Positions- und Orientierungserfassung ermöglicht nun die Durchführung folgender Aufgaben:Preliminary remark: The "spatial position" of a body or body part is to be understood as its position (coordinates of a selected point) and its orientation (angular position to a reference system). Position sensors and a 3-axis gyro (abbreviated to 3A gyro in the future) are attached to one body (a description of gyro designs follows). By determining the position of a defined body point K (= p _K (x _K , y _K , z _K )) and the three gyro angles ϕ, ψ, χ, the spatial position (see definition) of a body can be determined completely. Fig. 1 shows a fixed to the body 1.0 3A-Gyro 1.1 said 3 Angle φ, ψ, χ relative to its initial state measures (z. B. as the time integral of the angular velocity components when using a Fiber or vibration gyro). The Win angle are shown in the detail enlargement Fig. 1a. However, these three measured angles ϕ, ψ, χ do not give a good idea about the orientation of the body 1.0 . The orientation of the body 1.0 is described more clearly by specifying vectors p ₁ ˆ or unit vectors e _u , e _v , e _w , of the partial coordinate system T1 defined by the gyro axes relative to the reference system B0 (x, y, z). The conversion of the gyro angles ϕ, ψ, χ into the 9 cosine of the angles between the reference and partial coordinate systems can be found in the relevant literature. (see below). The combination of position and orientation detection now enables the following tasks to be carried out:

Task 1

Die Definition der räumliche Lage des Körpers durch Angabe
The definition of the spatial position of the body by indication

- the position of a fixed body point K and either
- the orientation of the unit vectors of the gyro axes e u , e v e w or
- The orientation of the body axes through their unit vectors e ξ , e η , e ζ .

Aufgrund der als bekannt vorausgesetzten räumlichem Anordnung des Gyros 1.1 (Achsen u, v, w) relativ zu den Körperachsen ξ, η, ζ ist eine Transformation der durch Messung ermittelten Gyroorien tierung in die Körperorientierung möglich. Vorzugsweise wird man die Körperachsen ξ, η, ζ durch des sen Hauptträgheitsachsen repräsentieren.Due to the known spatial arrangement of the gyro 1.1 (axes u, v, w) relative to the body axes ξ, η, ζ, a transformation of the gyro orientation determined by measurement into the body orientation is possible. The body axes ξ, η, ζ will preferably be represented by its main axes of inertia.

exercise 2

Definition der räumlichen Lage des Körpers durch Repräsentanten.Definition of the spatial position of the body by representatives.

Repräsentanten sind Vektoren (Zeiger) welche die räumliche Lage eines Körpers durch die Angabe von funktionalen oder charakteristischen Koordinaten vertreten. Solche Repräsentanten können z. B. durch die Durchstoßpunkte der Körperhauptachsen oder durch die Verbindungsvektoren von Gelenklagerzent ren (wenn ein Körper durch Gelenke mit benachbarten Körpern verbunden ist) ausgedrückt werden. In Fig. 1 wird Repräsentant R₁ˆ durch die Durchstoßpunkte P1, P2 der Körperlängsachse durch die Ab schlußflächen 1.2 und 1.3 gebildet. Da der Körper in Fig. 1 einen elliptischen Querschnitt haben soll, kann man Repräsentant R₂ˆ durch die große Halbachse A (= Strecke P1-P3) definieren. Die Repräsen tanten R₁ˆ und R₂ˆ lassen sich aus den konstanten Vektoren p₁ˆ, p₂ˆ, p₃ˆ relativ zum Gyrokoordina tensystem T1 angeben. Durch Erfassung der Gyroorientierung (= Umrechnung der gemessenen Winkel ϕ, ψ, χ in die neun cos-Werte zwischen den Achsen von Gyro und Bezugssystem B0) und einer Körper stelle K (= p_K) - mittels einer Positionssensorik-, lassen sich die gyrobezogenen Vektoren p₁ˆ, p₂ˆ, p₃ˆ bei bekannter gegenseitiger Lage von K und dem Ursprung des Gyrosystems T1 (= Vektor r_GKˆ) in das Bezugssystem B0 transformieren.
Representatives are vectors (pointers) that represent the spatial position of a body by specifying functional or characteristic coordinates. Such representatives can e.g. B. by the points of intersection of the main body axes or by the connection vectors of articulated bearing centers (if a body is connected to neighboring bodies by joints). In Fig. 1, representative R _{1 ˆ is formed} by the puncture points P1, P2 of the longitudinal axis of the body from the end surfaces 1.2 and 1.3 . Since the body in Fig. 1 is said to have an elliptical cross section, representative R ₂ ˆ can be defined by the large semi-axis A (= line P1-P3). The representatives R ₁ ˆ and R ₂ ˆ can be specified from the constant vectors p ₁ ˆ, p ₂ ˆ, p ₃ ˆ relative to the gyrocoordinate system T1. By detecting the gyro orientation (= conversion of the measured angles ϕ, ψ, χ into the nine cos values between the axes of the gyro and the reference system B0) and a body position K (= p _K ) - using a position sensor - the gyro-related can be determined Transform vectors p ₁ ˆ, p ₂ ˆ, p ₃ ˆ with known mutual position of K and the origin of the gyro system T1 (= vector r _GK ˆ) into the reference system B0.

p₁(t) = p_K(t) + D(t)*(p₁ˆ - r_GKˆ) (1.1)
p₂(t) = p_K(t) + D(t)*(p₂ˆ - r_GKˆ) (1.2)
p₃(t) = p_K(t) + D(t)*(p₃ˆ - r_GKˆ) (1.3)
p ₁ (t) = p _K (t) + D (t) * (p ₁ ˆ - r _GK ˆ) (1.1)
p ₂ (t) = p _K (t) + D (t) * (p ₂ ˆ - r _GK ˆ) (1.2)
p ₃ (t) = p _K (t) + D (t) * (p ₃ ˆ - r _GK ˆ) (1.3)

* ist der Operator der die zeitabhängige Drehmatrix D(t) auf den Differenzvektor (p₁ˆ - r_GKˆ) anwendet. Die Drehmatrix D(t) wird aus den Winkelmesswerten des Gyros gewonnen.* is the operator who applies the time-dependent rotation matrix D (t) to the difference vector (p ₁ ˆ - r _GK ˆ). The rotation matrix D (t) is obtained from the angular measurement values of the gyro.

Im Bezugssystem B0 lauten die beiden Repräsentanten R₁(t) und R₂(t) dann
In the reference system B0, the two representatives are R ₁ (t) and R ₂ (t)

R₁(t) = p₂(t) - p₁(t) (1.4)
R₂(t) = p₃(t) - p₁(t) (1.5).R ₁ (t) = p ₂ (t) - p ₁ (t) (1.4)
R ₂ (t) = p ₃ (t) - p ₁ (t) (1.5).

Im Bezugssystem B0 ist der Körper 1.0 damit durch einen Ortsvektor (z. B. p₁(t)) und die beiden Reprä sentanten vollständig beschrieben.In the reference system B0, the body 1.0 is thus completely described by a location vector (e.g. p ₁ (t)) and the two representatives.

Repräsentanten habe zwei vorteilhafte Eigenschaften.
Representatives have two beneficial properties.

a) They indicate the orientation of the body in the reference system.
R 1 (t) = orientation longitudinal axis
R 2 (t) = orientation of the major semiaxis A of the elliptical longitudinal cross section,
b) In the case of bodies constructed as a multi-joint system, representatives of individual members can be considered as one Chain of pointers are represented and in this way a geometric representation of the joint system deliver.

Task 3

Durch die Kombination von Positions- und Orientierungserfassung kann ein Teilkoordinatensystem defi niert werden, bezüglich dessen die Positionserfassung von zeitlich variablen Punkten erfolgen kann.By combining position and orientation detection, a partial coordinate system can be defi be ned, with respect to which the position can be recorded from time-variable points.

Aus r_iˆ wird also r_iˆ(t). In diesem Fall besteht also die Aufgabe darin, die im Teilkoordinatensystem T1 erfaßten Positionen r_iˆ(t) ins Bezugskoordinatensystem B0 zu transformieren.So r _i ˆ becomes r _i ˆ (t). In this case, the task is to transform the positions r _i ˆ (t) recorded in the partial coordinate system T1 into the reference coordinate system B0.

Zur mathematischen Behandlung der vorgenannten Aufgaben sei auf die einschlägige Literatur z. B. "Großes Handbuch der Mathematik" Buch und Zeit VerlagsGmbH S. 554 bis 556 verwiesen.For the mathematical treatment of the above tasks, reference is made to the relevant literature, for. B. "Große Handbuch der Mathematik" Buch und Zeit VerlagsGmbH pp. 554 to 556 referenced.

3) Technical implementation

In diesem Abschnitt wird jener Stand der Technik beschrieben welcher die Voraussetzung für die erfin dungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe bietet. Im Sinne der Erfindung werden hier die aktuellsten Methoden auf den beiden - zur Lösung der Aufgabe - zu kombinierenden Gebieten "Inertiale Orientie rungs-Messaufnehmer" und "Positionserfassungssensoriken" vorgestellt. In this section, the state of the art is described which is the prerequisite for the inventions provides appropriate solution to the task. In terms of the invention, the most current are here Methods in the two areas to be combined to solve the task "Inertiale Orientie tion sensor "and" position detection sensors "presented.

3.1) Inertial orientation sensor

Die praktische Realisierung des Erfindungsgedankens ist auf diesem Gebiet erst durch die Entwicklung der Mikrotechnologie möglich geworden. Die benötigten Messaufnehmer haben erst in jüngster Zeit so kleine Dimensionen erhalten, daß eine störungsfreie Anbringung z. B. am menschlichen Körper möglich ist.The practical realization of the inventive concept in this area is only possible through development of microtechnology has become possible. The required sensors have only recently become so receive small dimensions that trouble-free attachment z. B. possible on the human body is.

Man unterscheidet derzeit 3 Arten von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern die im folgenden wegen des branchenüblichen Sprachgebrauchs auch als Gyros bezeichnet werden.A distinction is currently made between 3 types of inertial orientation sensors of common language usage are also called gyros.

3.1.1) Gyro

Der kardanisch aufgehängte Kreisel stellt die älteste Form von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern dar. Er mißt die Winkelabweichung eines Außengehäuses von einer willkürlich eingestellten Ausgangs lage (z. B. zum Beginn der Rotation) in zwei Orientierungsachsen. Zur Bestimmung aller drei Raumach sen sind also zwei derartige Messaufnehmer nötig.The gimbal-mounted gyro is the oldest form of inertial orientation sensors It measures the angular deviation of an outer casing from an arbitrarily set output position (e.g. at the beginning of the rotation) in two orientation axes. To determine all three spatial axes So two such sensors are necessary.

3.1.2) Vibrating gyro

Der mikromechanische Vibrationsgyro mißt die Corioliskraft welche bei der Relativbewegung in einem rotierenden System entsteht. Dazu wird eine Mikromasse in hochfrequente Vibration versetzt (z. B. durch Piezoschwingelemente oder Magnetfelder). Bei Rotation des Systems um die Messachse wirkt nun eine senkrecht zum Winkelgeschwindigkeitsvektor gerichtete Corioliskraft auf die Mikromasse, wel che als Dehnung deren Aufhängung gemessen werden kann.The micromechanical vibrating gyro measures the Coriolis force which is in one in the relative movement rotating system arises. For this purpose, a micromass is set in high-frequency vibration (e.g. through piezo vibrating elements or magnetic fields). When the system rotates around the measuring axis now a Coriolis force directed perpendicular to the angular velocity vector on the micro mass, wel che as strain whose suspension can be measured.

Der Vibrationsgyro liefert also nur ein Messsignal für die in seiner Achse gelegene Komponente des räumlichen Winkelgeschwindigkeitsvektors, so daß für die komplette Erfassung drei solche Messein heiten in "linear unabhängiger " Ausrichtung angebracht werden müssen (vorzugsweise orthogonal).The vibrating gyro therefore only delivers a measuring signal for the component of the spatial angular velocity vector, so that three such measurements for the complete acquisition units in a "linearly independent" orientation (preferably orthogonal).

Die Bestimmung der gewünschten Winkellage muß dann noch mittels Zeitintegration der Winkelgesch windigkeitskomponenten erfolgen. Der erhaltene Winkel zu beliebiger Zeit t bemißt sich dann relativ zu der Achsausrichtung im Raum, welche zu Beginn der Messung t = 0 bestand.The determination of the desired angular position must then still be done by integrating the angular speed wind components. The angle obtained at any time t is then measured relatively the axis alignment in space, which existed at the beginning of the measurement t = 0.

3.1.3) Fibergyros (laser gyros)

Fibergyros messen die Phasenverschiebung (Interferenz) zwischen zwei amplitudenmodulierten, in ent gegengesetzte Richtungen aufgespaltenen Lichtstrahlen in einer Fiberspule beim wiederzusammentref fen in Abhängigkeit der Winkelgeschwindigkeit der Spule.Fibergyros measure the phase shift (interference) between two amplitude-modulated, in ent light beams split in opposite directions in a fiber coil when they meet again fen depending on the angular velocity of the coil.

Hier gelten im Prinzip die selben Meßbedingungen wie beim Vibrationsgyro: Die komplette Erfassung des Winkelgeschwindigkeitsvektors erfordert drei "linear unabhängig" ausgerichtetet Fiberspulen, die Winkellage bemißt sich relativ zu einer willkürlichen Anfangsorientierung und muß durch Zeitintergration gewonnen werden. In principle, the same measuring conditions apply here as with the vibrating gyro: the complete recording of the angular velocity vector requires three "linear independently" aligned fiber coils that Angular position is measured relative to an arbitrary initial orientation and has to be integrated by time be won.

3.2) Position detection

Folgende, zum Teil noch nicht in der Anwendung befindliche Positionserfassungsmethoden sind für die erfindungsgemäße Kombinationssensorik einsetzbar.The following position detection methods, some of which are not yet in use, are for the Combination sensor system according to the invention can be used.

3.2.1) light 3.2.1.1) Term

Aus drei Abstandsmessungen zu unterschiedlichen Referenzstellen wird die räumliche Position gewon nen. Siehe hierzu Patent DE 44 11 218 C1 "Entfernungsmessgerät nach dem Laufzeitprinzip".The spatial position is gained from three distance measurements to different reference points nen. See patent DE 44 11 218 C1 "distance measuring device according to the transit time principle".

3.2.1.2) Area detector, position sensitive detectors (PSD)

Die Position wird bei diesen Verfahren aus der Verschiebung markanter Punkte auf mindestens zwei räumlich zueinander definiert angeordneten positionsempfindlichen Abbildungsflächen gewonnen. Hier zu zählen auch die Auswerteverfahren mit CCD-Kameras.
Siehe hierzu die Patente und Offenlegungsschrift
DE 36 01 536 C1 "Anordnung zur Lagebestimmung eines Objektes"
DE 44 22 886 A1 "Verfahren und Einrichtung zur optischen Bestimmung räumlicher Positionen . . .".In these methods, the position is obtained from the shifting of distinctive points on at least two position-sensitive imaging surfaces arranged spatially defined to one another. This also includes the evaluation methods with CCD cameras.
See the patents and the disclosure
DE 36 01 536 C1 "Arrangement for determining the location of an object"
DE 44 22 886 A1 "Method and device for optically determining spatial positions...".

3.2.1.3) triangulation; Laser scanner

Die Triangulation beruht im wesentlichen auf der Bestreichung des Objektes mittels an verschiedenen Stellen im Raum angeordneten Fächerlasern mit unterschiedlichen Charakteristiken (z. B. Scan-Rate, Farbe, Modulationsfrequenz). Die Unterscheidung am Auftreffpunkt erlaubt die Winkellage des Meßob jektes zu den jeweiligen Standorten der Laserquellen zu erfassen. Bei Kenntnis der räumlichen Bezie hung der Laserquellen läßt sich die Meßobjektposition durch Triangulation gewinnen.
Siehe hierzu Patent und Offenlegungsschrift
US 4,912,643 "Position sensing apparatus"
DE 44 15 3'419 A1 "Positionsmesseinrichtung"The triangulation is essentially based on the spreading of the object by means of fan lasers with different characteristics (e.g. scan rate, color, modulation frequency) arranged at different points in the room. The distinction at the point of impact allows the angular position of the object to be measured to the respective locations of the laser sources. If the spatial relationship of the laser sources is known, the position of the measurement object can be obtained by triangulation.
See patent and published specification
US 4,912,643 "Position sensing apparatus"
DE 44 15 3'419 A1 "position measuring device"

3.2.1.4) phase difference

Der Abstand wird aus der Phasenverschiebung von ausgesandtem und objektreflektierten, amplituden modulierten Laserstrahl gewonnen. Aus drei Abstandsmessungen zu unterschiedlichen Referenzstellen wird die räumliche Position bestimmt.
Siehe hierzu die Patente und Offenlegungsschrift
DE 35 27 918 C2 "Vorrichtung zum Feststellen eines Objektes . . ."
DE 40 27 990 C1 "Entfernungsmesser mit cw-moduliertem Halbleiterlaser"
DE 44 34 666 A1 "Sensor".The distance is obtained from the phase shift of the emitted and object-reflected, amplitude-modulated laser beam. The spatial position is determined from three distance measurements to different reference points.
See the patents and the disclosure
DE 35 27 918 C2 "Device for detecting an object..."
DE 40 27 990 C1 "Rangefinder with cw-modulated semiconductor laser"
DE 44 34 666 A1 "sensor".

3.2.2.) Ultrasound 3.2.2.1) Ultrasonic transit time

Die Ultraschall-Laufzeitmethode gehört zu den Standardmethoden der Abstandsbestimmung. Die Posi tionsbestimmung erfolgt hier aus drei Abstandmessungen zu unterschiedlichen Referenzstellen. Posi tionsgenauigkeiten von 1 mm³ sind dabei in einem Durchschnittsraum zu erzielen. The ultrasonic transit time method is one of the standard methods of distance determination. The position is determined here from three distance measurements to different reference points. Positioning accuracies of 1 mm ³ can be achieved in an average room.

3.2.2.2) Ultrasound phase shift

Aus der Phasenlage von ausgesandtem zu zurückgestrahltem Signal ist ebenfalls eine Abstandsbestim mung möglich. Dabei kann die Reflexion natürlich, oder mit definierter Verzögerung von einem am Be stimmungsort angebrachten Ultraschallemitter erfolgen.A distance is also determined from the phase position of the emitted to the back-radiated signal possible. The reflection can, of course, or with a defined delay from one at the loading ultrasound emitter attached to the location.

3.2.3) fields 3.2.3.1) Body-related fields

Durch gezielt am Körper angeordnete, stromdurchflossene Spulen, oder elektrische Ladungen tragende Gebilde werden die Nachteile von extern erzeugten Magnetfelder eliminiert. Die Abstände sind hierbei auf den Extremitätenradius begrenzt und damit auch der abstandsabhängige Genauigkeitsschwund.Through coils that are specifically arranged on the body, through which current flows, or carry electrical charges The disadvantages of externally generated magnetic fields are eliminated. The distances are here limited to the extremity radius and thus also the distance-dependent loss of accuracy.

Felddeformationen durch Fremdeiseneinflüsse sind kaum gegeben.There are hardly any field deformations due to foreign iron influences.

3.2.3.2) (Quasi) scalar fields

In der Technik kommen mindestens folgende drei Skalarfelder für die Lösung der erfindungsmäßigen Aufgabe in Frage: Die Schalldruckverteilung, die Leuchtstärkeverteilung und der Effektivwert eines (elektro)-magnetischen Wechselfeldes.In technology at least the following three scalar fields come for the solution of the inventive Task in question: the sound pressure distribution, the luminous intensity distribution and the effective value of a (electro) magnetic alternating field.

4) Patent specifications for the present invention

4.1) Europa-Patent 0211 984 B1 Jaron Lanier: filed 19.Aug. 85
"Computer data entry and manipultion apparatus".
In Spalte 7, Zeile 5 bis 12 wird zwar die Verwendung eines "orientation sensor 92" beschrieben je doch betrifft keines der vorgeschlagenen Prinzipien einen inertialen Orientierungs-Messaufnehmern.4.1) European patent 0211 984 B1 Jaron Lanier: filed August 19. 85
"Computer data entry and manipulation apparatus".
The use of an "orientation sensor 92" is described in column 7, lines 5 to 12, but none of the proposed principles relates to an inertial orientation sensor.

4.2) US-Patent 5,676,157 Kramer Priorität 26.Nov.1993
"DETERMINATION OF KINEMATIKALLY CONSTRAINED MULTIARTICULATED STRUCTURES".
Im US-Patent 5,676,157 wird im Zusammenhang mit den "Position Sensing Elements" nirgends ein inertialer Orientierungs-Messaufnehmern für die Lösung der Aufgabe erwähnt.
Die Erläuterung von "Postion Sensing Elements" (Spalte 3, Zeile 10 bis 20 und Zeile 38 bis 45) be schreibt ein Funktionspaar von Sender Tx und Empfänger Rx aber keine inerte Einzelorientierungs sensorik im Sinn eines inertialen Orientierungs-Messaufnehmers.4.2) U.S. Patent 5,676,157 Kramer priority Nov. 26, 1993
"DETERMINATION OF KINEMATIKALLY CONSTRAINED MULTIARTICULATED STRUCTURES".
In US Pat. No. 5,676,157, in connection with the "Position Sensing Elements", there is nowhere mentioned an inertial orientation sensor for solving the task.
The explanation of "Postion Sensing Elements" (column 3, lines 10 to 20 and lines 38 to 45) describes a functional pair of transmitter Tx and receiver Rx but no inert single orientation sensors in the sense of an inertial orientation sensor.

4.3) Offenlegungsschrift DE 196 32 273 A1 Zwosta Anmeldung: 09.08.1996
"Körpersensorik".
In der allgemeinen Formulierung der Anmeldung DE 196 32 273 A1 fallen inertiale Orientierungs- Messaufnehmern und deren genannte Kombination mit Positionssensoriken zwar unter die allge meinen Begriffe Sensorikteil, (Spalte 2, Zeile 45), Geometriesensorik und Geometrisensoriksystem in der Beschreibung und den Ansprüchen sind sie jedoch nicht explizit erwähnt oder beschrieben.4.3) Publication DE 196 32 273 A1 Zwosta Application: August 9, 1996
"Body sensors".
In the general wording of the application DE 196 32 273 A1, inertial orientation sensors and their combination with position sensor systems fall under the general terms sensor part (column 2, line 45), geometry sensor system and geometry sensor system in the description and the claims, however, they are not explicitly mentioned or described.

4.4) US-Patent 5,645,077, Foxlin, Filed Jun. 16, 1994
INERTIAL ORIENTATION TRACKER APPARATUS HAVING AUTOMATIC DRIFT COMPENSA TION FOR TRACKING HUMAN HEAD AND OTHER SIMILARY SIZED BODY. 4.4) U.S. Patent 5,645,077, Foxlin, Filed Jun. 16, 1994
INERTIAL ORIENTATION TRACKER APPARATUS HAVING AUTOMATIC DRIFT COMPENSA TION FOR TRACKING HUMAN HEAD AND OTHER SIMILARY SIZED BODY.

Advantages of the present invention

Nach den bisherigen Darlegungen ergeben sich also die nachfolgend aufgezählten Vorteile gegenüber den bestehenden Methoden und Produkten:
According to the previous statements, there are the following advantages compared to the existing methods and products:

- Detail resolution is independent of the detection area
- Predestined for the formation of partial coordinate systems
- Conceptually, no limitation of the detection area
- Possible use for space suits
- no disturbance of movements by linkage
- No susceptibility to interference from foreign iron and electromagnetic fields
- Sensor reduction when determining the spatial position of multi-joint systems (e.g. skeleton)

Wird für die Positionserfassung eines körpereigenen Koordinatenursprungs GPS (Global Positioning System) verwendet so kann die Lagebestimmung aller Körperteile (also eines kompletten Körpers) planetenweit erfolgen.Is used for the position detection of a body's own coordinate origin GPS (Global Positioning System) can be used to determine the position of all body parts (i.e. a complete body) planet-wide.

5) working examples

Fig. 2 und Fig. 2a geben einen Überblick über die prinzipielle Anordnung und Ausgestaltung der Kombination von inertialen Orientierungs-Messaufnehmern und Positionssensoriken und die Fig. 3 und 3a zeigen zugehörige Details. In Fig. 2 ist im Rückenteil einer starren Weste 2.9 eine Kombina tionssensorik 2.0 aus Gyro und einem Teil der externen Positionssensorik 2.5/E angebracht, welche die räumliche Lagebestimmung der Weste 2.9 ermöglicht (s. oben "2. Lagebestimmung eines Körpers im Raum . . ."). Durch die Kombinationssensorik 2.0 wird außerdem das Körperhauptkoordinatensystem B0 repräsentiert. (Anm: Es liegt in der Natur der Sache, daß eine Positionssensorik im allgemeinen zwei Hauptanteile hat: einen generierend-emittierenden und einen empfangend-detektierenden Anteil. Be schreibt man eine Positionssensorik allgemein, so kann man wegen der Vielzahl von Methoden und Aus gestaltungen nicht von vornherein sagen an welcher Stelle sich welcher Funktionsteil - Emitter oder De tektor - befindet; dies entscheidet die spätere konkrete Ausgestaltung. Eine Positionssensorik kann außerdem mehrere Abstandssensoriken umfassen, welche entweder aus einer emittierenden Kompo nente und mehreren detektierenden Komponenten besteht, oder umgekehrt. Aufgrund der Vielgestaltig keit einer Positionssensorik werden nachfolgend die Begriffe Positionsanteil oder Teilpositionssensorik verwendet, wenn die abstrakte Beschreibung beide Funktionen - Emitter und Detektor - zuläßt, und wenn die Ausgestaltung offen läßt, ob es sich um eine ein- oder mehrteilige Komponente handelt). Fig. 2 and Fig. 2 gives an overview of the basic arrangement and configuration of the combination of inertial orientation sensors and position sensor systems, and FIGS. 3 and 3a show corresponding details. In Fig. 2, a combination sensor 2.0 made of gyro and part of the external position sensor 2.5 / E is attached in the back part of a rigid vest 2.9 , which enables the spatial position determination of the vest 2.9 (see above "2. Position determination of a body in space. . "). The main body coordinate system B0 is also represented by the combination sensors 2.0 . (Note: It is in the nature of things that a position sensor generally has two main parts: a generating-emitting and a receiving-detecting part. If you describe a position sensor in general, you cannot because of the variety of methods and designs From the outset, say where each functional part - emitter or detector - is located; this will decide the specific design later on.A position sensor system can also include several distance sensor systems, which either consist of an emitting component and several detecting components, or vice versa Versatility of a position sensor system, the terms position component or partial position sensor system are used below if the abstract description allows both functions - emitter and detector - and if the design leaves open whether it is a one-part or multi-part component).

In den "Flanken" der starren Weste 2.9 befinden sich die Teilpositionssensoriken 2.1 und 2.2 welche für die linke und die rechte Körperhälfte zuständig sind, und welche die körperbezogenen Teilkoordinaten systeme B1 und B2 definieren. An den Händen befinden sich nun zwei weitere Kombinationssensoriken 2.3 und 2.4 welche ebenfalls aus je einem Gyro und einem Positionsanteil bestehen. Diese beiden Kom binationssensoriken 2.3 und 2.4 ermöglichen einerseits die räumliche Lagebestimmung der beiden Hän de (z. B. r_P1(t), e_u1, e_v1, e_w1), und definieren andererseits je ein weiteres Unterkoordinatensystem (z. B. BP2, u2, v2, w2) über die Umrechnung der gemessenen Gyrowinkel ϕ, ψ, χ. In the "flanks" of the rigid vest 2.9 are the partial position sensors 2.1 and 2.2 which are responsible for the left and right half of the body and which define the body-related partial coordinate systems B1 and B2. There are now two further combination sensors 2.3 and 2.4 on the hands, each of which also consists of a gyro and a position component. These two _{combination sensor systems} 2.3 and 2.4 on the one hand enable the spatial position determination of the two hands (e.g. r _P1 (t), e _u1 , e _v1 , e _w1 ), and on the other hand each define a further sub-coordinate system (e.g. BP2 , u2, v2, w2) by converting the measured gyro angles ϕ, ψ, χ.

Aufgrund der prinzipiellen Anordnung kann nun die gestellte Aufgabe - nämlich die Bestimmung der räumlichen Lage eines Körperteiles (z. B. einer Hand) - auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen:Due to the basic arrangement, the task set - namely the determination of the spatial position of a part of the body (e.g. a hand) - take place in different ways:

A) Directly

Durch direkte Positionsdetektion bezüglich des externen Koordinatensystems (s. Fig. 5). In einem begrenzten Erfassungsbereich in dem nur eine geringe Anzahl von Körperteilen von nur einer Person erfaßt werden soll, bietet sich eine Direktmessung an.By direct position detection with respect to the external coordinate system (see Fig. 5). In a limited detection area in which only a small number of body parts are to be detected by just one person, direct measurement is recommended.

B) In an indirect way

Bezüglich eines externen Koordinatensystems 2.5/E (s. Fig. 2 und 2a) durch Addition der Vektoren:
With regard to an external coordinate system 2.5 / E (see FIGS. 2 and 2a) by adding the vectors:

r_HR(t) = r₀(t) + r_B1 + r_P1(t) (rechte Hand s. Fig. 3) bzw.
r_HL(t) = r₀(t) + r_B2 + r_P2(t) (linke Hand).r _HR (t) = r ₀ (t) + r _B1 + r _P1 (t) (right hand see Fig. 3) or
r _HL (t) = r ₀ (t) + r _B2 + r _P2 (t) (left hand).

Aufgrund der starren Weste sind die beiden Vektoren r_B1 und r_B2 konstante Größen im Körperhauptko ordinatensystem B0. Bei einem größeren Erfassungsbereich mit mehreren Personen ist es vorteilhafter, wenn nicht gar unumgänglich nur jeweils eine signifikante Körperstelle einer Person zu erfassen und die räumlichen Lagen der interessierenden Körperteile körperbezogen zu bestimmen und deren Werte einer externen Weiterverarbeitung zuzuleiten, welche dann die gesamte "geometrische-kinematische Körper situation" relativ zum externen Koordinatensystem berechnet.Because of the rigid vest, the two vectors r _B1 and r _{B2 are} constant quantities in the main body coordinate system B0. In the case of a larger detection area with several people, it is advantageous, if not absolutely necessary, to detect only one significant part of the body of a person and to determine the spatial positions of the body parts of interest in relation to the body and to forward their values to an external further processing, which then the entire "geometric-kinematic Body situation "is calculated relative to the external coordinate system.

Diese Methode ist angezeigt, wenn sich z. B. mehrere Akteure auf einer großflächigen Bühne bewegen. Hier gibt es bei der Direkterfassung von Körperteilen Reichweitenprobleme, gegenseitige Abschattun gen, Identifikationsprobleme u.s.w. Ein weiteres Anwendungsfeld für die indirekte Methode ist das plane tenweite "body tracking" via GPS (Global Positioning System).This method is indicated when e.g. B. move several actors on a large stage. There are range problems and mutual shadowing when directly recording body parts gene, identification problems, etc. Another field of application for the indirect method is the plane "Body tracking" via GPS (Global Positioning System).

C) Body coordinate system B0 (x0, y0, z0)

Dieser Fall ist in der Sportphysiologie gegeben. Hier kommt es häufig darauf an die Bewegungsabläufe oder räumliche Lage der Körperteile von Sportlern zu erfassen. Dabei ist die Position des Sportler oft nicht von Interesse. In solch einem Fall kann also die der externe Bezug entfallen. Die räumliche Lage der Körperteile wird dann auf ein Körperhauptkoordinatensystem B0 bezogen, welches zu Beginn der Messung auf die Orientierung eines gewünschten Bezugssystems ausgerichtet werden kann. In diesem Anwendungsfall können die Daten entweder an eine entfernte Auswerteeinheit übermittelt, oder bis zur späteren Auswertung am Körper gespeichert werden. Im Fall C) entfällt somit die externe Positionssen sorik 2.5/E und damit auch der Positionsanteil der Kombinationssensorik 2.0 (s. Fig. 2).This is the case in sports physiology. Here it is often a question of capturing the movements or spatial position of the body parts of athletes. The position of the athlete is often not of interest. In such a case, the external reference can be omitted. The spatial position of the body parts is then related to a main body coordinate system B0, which can be aligned with the orientation of a desired reference system at the start of the measurement. In this application, the data can either be transmitted to a remote evaluation unit or stored on the body until later evaluation. In case C), the external position sensor 2.5 / E and thus also the position part of the combination sensor system 2.0 is omitted (see FIG. 2).

Eine Form der praktischen Ausgestaltung der externen und körperbezogenen Positionserfassung der Kombinationssensoriken 2.0, 2.3 oder 2.4 kann mittels Ultraschall-Laufzeit-Abstandsmessung realisiert werden. Bei Kenntnis der gegenseitigen räumlichen Lage der drei Ultraschallempfänger 2.6, 2.7, 2.8 kann man aus den drei Abständen a_x, a_y, a_z in Fig. 2a (= Rückenansicht) die räumliche Position des zur Kombinationssensorik 2.0 gehörenden Ultraschallsenders ermitteln. Die Ultraschall-Laufzeit-Ab standsmessung ist Stand der Technik und deshalb nicht weiter erläutert (Es ist hier auf das Patent DE-Pat. 34 06 179 "Vorrichtung zum Messen der Lage und Bewegung wenigstens eines Messpunktes" und die Offenlegungsschrift DE 196 32 273 A1 "Körpersensorik" verwiesen). In den Fig. 2 und 2a können die drei Ultraschallempfänger auch in einer Ebene liegen (gestrichelte Variante von Ultraschallempfän ger 2.8). Alternativ zu der Ultraschall-Laufzeit-Abstands-Methode hätte auch eine der zitierten opti schen Messmethoden zur externen Positionserfassung von Kombinationssensorik 2.0 zur Anwendung kommen können.A form of the practical design of the external and body-related position detection of the combination sensors 2.0 , 2.3 or 2.4 can be realized by means of ultrasonic transit time distance measurement. If the mutual spatial position of the three ultrasound receivers 2.6 , 2.7 , 2.8 is known , the spatial position of the ultrasound transmitter belonging to the combination sensors 2.0 can be determined from the three distances a _x , a _y , a _z in FIG. 2a (= back view). The ultrasonic time-of-flight measurement is state of the art and therefore not further explained (it is here on the patent DE-Pat. 34 06 179 "device for measuring the position and movement of at least one measuring point" and the published patent application DE 196 32 273 A1 "Body sensors" referenced). In Figs. 2 and 2a, the three ultrasonic receivers may also lie in a plane (broken variant of Ultraschallempfän ger 2.8). As an alternative to the ultrasonic transit time-distance method, one of the optical measurement methods cited could have been used for the external position detection of combination sensors 2.0 .

Fig. 3 zeigt eine Ausschnittsvergößerung der rechten Oberkörperhälfte. Im Rücken des Trägers ist die Kombinationssensorik (Gyro plus Positionsanteil) 3.0 befestigt, welche die räumliche Lage der starren Weste 3.7 bezüglich eines externen Koordinatensystems bestimmbar macht und welche außerdem das Körperhauptkoordinatensystem B0 definiert. Um Verdeckungen bei der externen Positionserfassung entgegenzuwirken wird es sinnvoll sein eine zweite solche Kombinationssensorik oder nur einen zweiten Positionsanteil in räumlich definierter Beziehung zur ersten an der starren Weste 3.7 anzubringen. Es sei hier auch nochmals daraufhingewiesen, daß der Positionsanteil und der Gyro einer Kombinations sensorik nicht in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht zu sein brauchen. In den Flanken der starren Weste 3.7 sind die drei Ultraschallempfänger 3.1, 3.2, 3.3 so angeordnet, daß sie ein Koordina tensystem B1 (x1, y1, z1) definieren können. Koordinatenursprung von B1 sei in Fig. 3 der Ultraschall empfänger 3.1, der auf Grund der Starrheit der Weste 3.7 durch den konstanten Vektor r_B1 mit dem Ur sprung des Körperhauptkoordinatensystems B0 verbunden ist. Fig. 3 shows a Ausschnittsvergößerung the right upper half of the body. The combination sensor system (gyro plus position component) 3.0 is attached to the back of the wearer, which makes the spatial position of the rigid vest 3.7 determinable with respect to an external coordinate system and which also defines the main body coordinate system B0. In order to counteract concealments in the external position detection, it will be sensible to attach a second such combination sensor system or only a second position component in a spatially defined relationship to the first on the rigid vest 3.7 . It should also be pointed out here that the position portion and the gyro of a combination sensor need not be accommodated in a common housing. In the flanks of the rigid vest 3.7 , the three ultrasound receivers 3.1 , 3.2 , 3.3 are arranged so that they can define a coordinate system B1 (x1, y1, z1). Coordinate origin of B1 in FIG. 3 is the ultrasound receiver 3.1 , which due to the rigidity of the vest 3.7 is connected by the constant vector r _B1 to the origin of the main body coordinate system B0.

An der rechten Hand des Trägers ist nun eine weitere Kombinationssensorik befestigt. Sie besteht aus dem Gyro 3.5 der auf dem Handrücken befestigt ist und einem Ultraschallsender 3.4 (= Positionsanteil) an der Handinnenfläche. Gyro 3.5 und Ultraschallsender 3.4 sind über eine starre Schale 3.6 miteinander verbunden, so daß eine eindeutige räumliche Beziehung zwischen dem Gyro 3.5 und dem Positionsanteil 3.4 besteht (s. Ausschnittsvergößerung Fig. 3a). Die räumliche Lage der starren Schale 3.6 - und da mit der rechten Hand - ist nun eindeutig bestimmt durch die vom Gyro 3.5 (nach Umrechnung) geliefer ten Orientierungsvektoren e_u1, e_v1, e_w1 und durch den von der Positionssensorik 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 ge lieferten Vektor r_P1(t). Der Vektor r_P1(t) wird mittels einer Ultraschall-Laufzeit-Abstandsmessung aus den Abständen a_x1 a_y1, a_z1 - wie bekannt - ermittelt. Da die Orientierung eines Gyros 3.5 frei durch seine "Anfangsorientierung" bestimmbar ist, müssen nur die Koordinaten von r_P1(t) auf das gewählte Bezugs system (B0 oder E) transformiert werden, denn es wird vorausgesetzt daß der Gyro 3.5 bei Messbe ginn auf das jeweilige Bezugssystem ausgerichtet wurde. Wird das externe Koordinatensystem E als Bezugkoordinatensystem gewählt, so lautet die Transformation
Another combination sensor system is now attached to the right hand of the wearer. It consists of the Gyro 3.5 which is attached to the back of the hand and an ultrasound transmitter 3.4 (= position part) on the palm of the hand. Gyro 3.5 and ultrasound transmitter 3.4 are connected to one another via a rigid shell 3.6 , so that there is a clear spatial relationship between the gyro 3.5 and the position part 3.4 (see detail enlargement Fig. 3a). The spatial position of the rigid shell 3.6 - and therefore with the right hand - is now clearly determined by the orientation _vectors e _u1 , e _v1 , e _{w1 provided} by the gyro 3.5 (after conversion) and by the position _sensors 3.1 , 3.2 , 3.3 , 3.4 ge delivered vector r _P1 (t). The vector r _P1 (t) is determined by means of an ultrasound transit time distance measurement from the distances a _x1 a _y1 , a _z1 - as is known. Since the orientation of a gyro 3.5 can be freely determined by its "initial orientation", only the coordinates of r _P1 (t) need to be transformed to the chosen reference system (B0 or E), because it is assumed that the gyro 3.5 starts at the start of the measurement the respective reference system was aligned. If the external coordinate system E is selected as the reference coordinate system, the transformation is

r_HR(t) = r₀(t) + r_B1 + r_P1(t).r _HR (t) = r ₀ (t) + r _B1 + r _P1 (t).

Ist das Körperhauptkoordinatensystem B0 das gewählte Bezugssystem, so lautet die Transformation
If the main body coordinate system B0 is the chosen reference system, then the transformation is

r_HR(t) = r_B1 + r_P1(t).r _HR (t) = r _B1 + r _P1 (t).

Es wird angebracht sein an mehreren Stellen der Hand Positionsanteile - in bekannter geometrischer Be ziehung - anzubringen, um einer Abschattung entgegenzuwirken. Es versteht sich von selbst, daß anstatt des Körperteiles "Hand" die räumliche Lage jedes anderen Körperteiles mit der beschriebenen Methode bestimmt werden kann. Damit besteht die Möglichkeit der Erstellung einer geometrisch-kinematischen Abbildung eines beweglichen Körpers.It will be attached to several parts of the hand positional parts - in known geometric Be drawing - to be applied to counteract shadowing. It goes without saying that instead of of the body part "hand" the spatial position of every other body part with the described method can be determined. This makes it possible to create a geometric-kinematic Illustration of a moving body.

Mittels der Orientierungsvektoren e_u1, e_v1, e_w1 des Gyros 3.5 kann außerdem an jeder Stelle der starren Schale 3.6 ein Teilkoordinatensystem BP1 (u, v, w) definiert werden wie Fig. 3.a zeigt. Die Koordina ten von Punkten des Teilkoordinatensystems (z. B. Fingerkuppen in Fig. 3a) sind dann auf die Orien tierungsvektoren e_u1, e_v1, e_w1 und den gewählten Teilkoordinatenursprung OP1 zu beziehen.By means of the orientation _vectors e _u1 , e _v1 , e _{w1 of} the _gyro 3.5 , a partial coordinate system BP1 (u, v, w) can also be defined at any point on the rigid shell 3.6 , as shown in FIG. 3.a. The coordinates of points of the partial coordinate system (e.g. fingertips in FIG. 3a) are then to be related to the orientation vectors e _u1 , e _v1 , e _w1 and the selected partial coordinate origin OP1.

In Fig. 4 ist eine Kombination von Magnetfeld und Gyro zur Lagebestimmung der Hände dargestellt. Um den Leib der Person ist eine stromdurchflossene starre Spule 4.1 befestigt, welche das Magnetfeld MF generiert. Diese Spule definiert durch ihre geometrische Ausgestaltung das Körperhauptkoordinatensys tem BO (x0, y0, z0), dessen räumliche Lage bezüglich eines externen Koordinatensystemes durch die Kombinationssensorik 4.2 aus 3A-Gyro und Positionsanteil erfaßt wird.In FIG. 4, a combination of magnetic and gyro is shown for determining the position of the hands. A current-carrying rigid coil 4.1 , which generates the magnetic field MF, is fastened around the body of the person. This coil defines by its geometrical configuration the main body coordinate system BO (x0, y0, z0), whose spatial position with respect to an external coordinate system is detected by the combination sensor system 4.2 from the 3A gyro and position component.

An den Händen der Person ist nun je ein Kombinationssensor 4.3 aus 3A-Gyro 4.4 und 3-Komponenten- Magnetfelddetektor 4.5 (im Folgenden 3K-Magnetfelddetektor genannt) angebracht. Die Orientierungs erfassung des Gyros 4.4 relativ zum Körperhauptkoordinatensystem B0 ermöglicht erst einen Bezug der drei am Messort "Hand" erfaßten Magnetfeldkomponenten. Es sei hier daran erinnert, daß ein Gyro auf ein beliebiges Bezugssystem durch seine "Startorientierung" ausgerichtet werden kann. Also wird man die Kombinationssensorik 4.3 vor Messbeginn achsparallel zum Körperhauptkoordinatensystem B0 (x0, y0, z0) ausrichten um die gemessenen Magnetfeldkomponenten in Bezug zu B0 zu setzen. In allgemeinster Form gilt für die Berechnung der magnetischen Feldstärke H(r) eines Leiters das Biot- Savartsche-Gesetz (s. z. B. "Kleine Enzyklopädie der Physik S. 86" Verlag Harry Deutsch)
A combination sensor 4.3 consisting of 3A gyro 4.4 and 3-component magnetic field detector 4.5 (hereinafter referred to as 3K magnetic field detector) is now attached to the person's hands. The orientation detection of the gyro 4.4 relative to the main body coordinate system B0 only allows a reference to the three magnetic field components recorded at the measurement location "hand". It should be remembered here that a gyro can be aligned to any reference system through its "start orientation". So before the start of the measurement, the combination sensors 4.3 will be aligned axially parallel to the main body coordinate system B0 (x0, y0, z0) in order to relate the measured magnetic field components to B0. In the most general form, the Biot-Savartsche law applies to the calculation of the magnetic field strength H (r) of a conductor (see, for example, "Little Encyclopedia of Physics p. 86", published by Harry Deutsch)

dH = Jds × (r - s)/4π|r - s|³.dH = Jds × (r - s) / 4π | r - s | ^3rd

Daraus erhält man für eine kreisförmige Leiterschleife mit Koordinatenursprung im Kreismittelpunkt, Radius R₀ = s, Strom J, die Feldstärke H am Ort r (x₀, y₀, z₀), durch Intergration über die Leiter schleife
For a circular conductor loop with coordinate origin in the center of the circle, radius R ₀ = s, current J, the field strength H at location r (x ₀ , y ₀ , z ₀ ) is obtained by integration over the conductor loop

H = S Jds × (r - R₀)/4π|r - R₀|³ (2)
H = S Jds × (r - R ₀ ) / 4π | r - R ₀ | ³ (2)

mit den Komponenten von H (S = Integralzeichen)
with the components of H (S = integral sign)

H_x = J/4π S{z₀R₀cosϕ/[(x₀ - R₀cosϕ)² + (y₀ - R₀sinϕ)² + z₀ ²)]^-3/2}dϕ (2.1)
H _x = J / 4π S {z ₀ R ₀ cosϕ / [(x ₀ - R ₀ cosϕ) ² + (y ₀ - R ₀ sinϕ) ² + z ₀ ² )] ^-3/2 } dϕ (2.1)

H_y = J/4π S{(z₀R₀sinϕ/[(x₀ - R₀cosϕ)² + (y₀ - R₀sinϕ)² + z₀ ²)]^-3/2}dϕ (2.2)
H _y = J / 4π S {(z ₀ R ₀ sinϕ / [(x ₀ - R ₀ cosϕ) ² + (y ₀ - R ₀ sinϕ) ² + z ₀ ² )] ^-3/2 } dϕ (2.2)

H_z = J/4π S{(-y₀R₀sinϕ - x₀R₀cosϕ + R₀ ²)/[(x₀ - R₀cosϕ)² + (y₀ - R₀sinϕ)² + z₀ ²)]^-3/2}dϕ (2.3)
H _z = J / 4π S {(- y ₀ R ₀ sinϕ - x ₀ R ₀ cosϕ + R ₀ ² ) / [(x ₀ - R ₀ cosϕ) ² + (y ₀ - R ₀ sinϕ) ² + z ₀ ² )] ^-3/2 } dϕ (2.3)

wobei die Integration über die Leiterschleife von ϕ = 0 bis ϕ = 2π zu erfolgen hat. the integration over the conductor loop from ϕ = 0 to ϕ = 2π.

Allerdings gelten diese Beziehungen für die Magnetfeldkomponenten H_j relativ zum Spulenkoordinaten system B0 der felderzeugenden Spule.However, these relationships apply to the magnetic field components H _j relative to the coil coordinate system B0 of the field-generating coil.

In der Ausschnittsvergrößerung (Fig. 4a) sind die 3 orthogonalen Magnetfelddetektoren 4.6/H_u, 4.7/H_v, 4.8/H_w, durch ihre gemeinsame Unterbringung in einem Gehäuse fest an die Orientierungserfassung des 3A-Gyro 4.4 gebunden. Die Magnetfelddetektoren können auf verschiedenen Prinzipien basieren (z. B. dem magnetoresistiven oder dem Hall-Effekt-Prinzip). Die von den Detektoren gemessenen Magnetfeld komponenten H_u, H_v, H_w stehen jedoch in keiner Beziehung zum Spulenkoordinatensystem B0. Die Beziehung wird erst durch den 3A-Gyro 4.4 geliefert, der durch die gemeinsame Ausrichtung die Orien tierungswinkel a_mn des 3K-Magnetfelddetektors 4.5 bezüglich B0 erfaßt. Deshalb müssen die gemesse nen Feldkomponenten H_u, H_v, H_w einer Drehmatrix D(t) unterworfen werden, welche sie in die "richtige" Orientierung transformieren, also
In the enlargement of the detail ( FIG. 4a), the 3 orthogonal magnetic field detectors 4.6 / H _u , 4.7 / H _v , 4.8 / H _{w are} firmly bound to the orientation detection of the 3A gyro 4.4 due to their common accommodation in a housing. The magnetic field detectors can be based on various principles (e.g. the magnetoresistive or the Hall effect principle). However, the magnetic field components H _u , H _v , H _w measured by the detectors have no relation to the coil coordinate system B0. The relationship is only provided by the 3A gyro 4.4 , which detects the orientation angle a _{mn of} the 3K magnetic field detector 4.5 with respect to B0 through the common alignment. Therefore, the measured field components H _u , H _v , H _{w have} to be subjected to a rotation matrix D (t), which transform them into the "correct" orientation

H₀ = D(t).H₁ (3)
H ₀ = D (t) .H ₁ (3)

oder in Komponenten.
or in components.

H_x(t) = a₁₁(t)H_u(t) + a₁₂(t)H_v(t) + a₁₃(t)H_w(t) (3.1)
H _x (t) = a ₁₁ (t) H _u (t) + a ₁₂ (t) H _v (t) + a ₁₃ (t) H _w (t) (3.1)

H₀(t) = H_y(t) = a₂₁(t)H_u(t) + a₂₂(t)H_v(t) + a₂₃(t)H_w(t) (3.2)
H ₀ (t) = H _y (t) = a ₂₁ (t) H _u (t) + a ₂₂ (t) H _v (t) + a ₂₃ (t) H _w (t) (3.2)

H_z(t) = a₃₁(t)H_u(t) + a₃₂(t)H_v(t) + a₃₃(t)H_w(t) (3.3)
H _z (t) = a ₃₁ (t) H _u (t) + a ₃₂ (t) H _v (t) + a ₃₃ (t) H _w (t) (3.3)

wobei die a_mn die kosinus der 9 Achswinkel zwischen Bezugs- und Gyrosystem sind.where the a _{mn are} the cosines of the 9 axis angles between the reference and gyro systems.

Nachdem also die Magnetfeldkomponenten H_x, H_y, H_z bestimmt sind müssen aus ihnen über die Bezie hungen (2.1), (2.2), (2.3) die gesuchten Koordinaten (x₀, y₀, z₀) berechnet werden. Da eine analytische Methode zur Auflösung der Gleichungen (2.1), (2.2), (2.3) nach den gesuchten Koordinaten (x₀, y₀, z₀) nicht bekannt ist, kann man folgende Vergleichsmethode anwenden um die gesuchten Koordinaten zu erhalten. Man berechnet die Magnetfeldstärken einer Vielzahl von Positionen im Erfassungsbereich und überprüft sie teilweise durch Messung. Bei einem Erfassungsbereich von 2 × 2 × 2 m ergeben sich 8 000 000.3 gerechnete Werte für die Magnetfeldkomponenten, wenn man ein Erfassungsraster von 1 cm³ anstrebt. Die gesuchten Koordinaten (x₀, y₀, z₀) erhält man dann durch Vergleich von gemesse nen und berechneten Feldkomponenten. Zur Steigerung der Erfassungsgenauigkeit kann man im Nah bereich der Spule dann noch eine Feinauflösung mit Raster 1 mm³ ausführen (Berechnung von 10 × 10 × 10 × 3 = 3000 weiteren Feldkomponentenwerten). Um Rechenzeit zu sparen wird man bei der Ver gleichsbildung nicht den gesamten Erfassungsraster abtasten, sondern nur die unmittelbare Umgebung der zuletzt bekannten Position des Magnetfeldsensors. Dazu wird man zu Beginn der Messung von einer definierten Startposition ausgehen in der gleichzeitig die Ausrichtung der Gyroorientierung erfolgt. Die Magnetspulen 4.10 bis 4.14 zeigen weitere Anordnungsmöglichkeiten am Körper. Dabei können bei be kannter geometrischer Beziehung der Spulen, die verschiedenen Erfassungsbereiche der einzelnen Spu len optimal je nach Position der Hand ausgenutzt werden. Selbstverständlich müssen die einzelnen Spu len in schneller Abfolge nacheinander erregt werden (Multiplexing) oder es ist per Programm nur die Spule stromdurchflossen, welche die höchste Detektorauflösung für die aktuelle Position des 3-K-Mag netfeldsensors 4.5 liefert.After the magnetic field components H _x , H _y , H _{z have been} determined, the coordinates (x ₀ , y ₀ , z ₀ ) must be calculated from them using the relationships ( 2.1 ), ( 2.2 ), ( 2.3 ). Since an analytical method to solve the equations (2.1), (2.2), (2.3) according to the coordinates (x ₀ , y ₀ , z ₀ ) is not known, the following comparison method can be used to obtain the coordinates sought. The magnetic field strengths of a large number of positions in the detection area are calculated and partially checked by measurement. With a detection area of 2 × 2 × 2 m, 8,000,000.3 calculated values for the magnetic field components result if one strives for a detection grid of 1 cm ³ . The coordinates sought (x ₀ , y ₀ , z ₀ ) are then obtained by comparing measured and calculated field components. To increase the detection accuracy, a fine resolution with a grid of 1 mm ^{3 can} then be carried out in the vicinity of the coil (calculation of 10 × 10 × 10 × 3 = 3000 further field component values). In order to save computing time, one will not scan the entire detection grid when comparing, but only the immediate vicinity of the last known position of the magnetic field sensor. To do this, at the start of the measurement you will start from a defined starting position in which the gyro orientation is aligned. The magnet coils 4.10 to 4.14 show further possible arrangements on the body. With known geometric relationship of the coils, the various detection areas of the individual coils can be optimally used depending on the position of the hand. Of course, the individual coils must be energized in rapid succession (multiplexing) or only the coil through which a current flows, which provides the highest detector resolution for the current position of the 3-K magnetic field sensor 4.5 .

Die Methode ist auch im Nahbereich - z. B. über einem Tisch - anwendbar, wenn eine Bezugspule wie 4.1 am Bezugsobjekt (Tisch) befestigt ist, und der 3K-Magnetfelddetektoren sowie der 3A-Gyro am zu er fassenden Körper angebracht sind. (Ähnlich wie in Fig. 5). Anstelle des Magnetfeldes MF ist auch eine Kombination von 3A-Gyro und elektrischem Feld möglich. Der hierbei einzusetzende "Detektor" kann sowohl für eine Feldstärkemessung als auch eine Potentialmessung ausgestaltet sein.The method is also close-up - e.g. B. above a table - applicable if a reference coil like 4.1 is attached to the reference object (table), and the 3K magnetic field detectors and the 3A gyro are attached to the body to be grasped. (Similar to Fig. 5). Instead of the magnetic field MF, a combination of 3A gyro and electric field is also possible. The “detector” to be used here can be designed for both a field strength measurement and a potential measurement.

Das folgende Ausführungsbeispiel kombiniert eine Magnetfeldmessung mit einer 3A-Gyro- und einer Ultraschall-Laufzeit-Abstandsmessung. Nach US-Patent 4,054,881 "Remote objekt position locater" ist die Position r(x, y, z) eines Punktes im Raum durch die Effektivwertquadrate P_i der Magnetfeldkom ponenten von mit Wechselstrom erregten, orthogonalen Leiterschleifen (loop antennas) durch die Gleichungen
The following embodiment combines a magnetic field measurement with a 3A gyro and an ultrasonic transit time distance measurement. According to US Pat. No. 4,054,881, "Remote object position locater", the position r (x, y, z) of a point in space through the rms squares P _{i of} the magnetic field components of alternating current-excited, orthogonal conductor loops (loop antennas) is given by the equations

P_z = 1/2.C²(ρ)[1/4(x/ρ)² + 1/4(y/ρ)² + (z/ρ)²] (4.1)
P _z = 1 / 2.C ² (ρ) [1/4 (x / ρ) ² + 1/4 (y / ρ) ² + (z / ρ) ² ] (4.1)

P_x = 1/2.C²(ρ)[(x/ρ)² + 1/4(y/ρ)² + 1/4(z/ρ)²] (4.2)
P _x = 1 / 2.C ² (ρ) [(x / ρ) ² + 1/4 (y / ρ) ² + 1/4 (z / ρ) ² ] (4.2)

P_y = 1/2.C²(ρ)[1/4(x/ρ)² + (y/ρ)² + 1/4(z/ρ)²] (4.3)
P _y = 1 / 2.C ² (ρ) [1/4 (x / ρ) ² + (y / ρ) ² + 1/4 (z / ρ) ² ] (4.3)

verknüpft (für Abstände ρ < Leiterschleifendurchmesser). Es handelt sich also um ein Quasiskalarfeld im Sinne von 3.2.3.2).linked (for distances ρ <conductor loop diameter). So it is a quasi-squares field in the sense of 3.2.3.2).

Wobei man jede Komponente P_i aus den gemessenen Komponenten P_i/j eines orthogonalen 3-Kompo nenten-Felddetektors erhält, durch
Each component P _{i is obtained} from the measured components P _{i / j of} an orthogonal 3-component field detector

P_z = P_z/u + P_z/v + P_z/w (5.1)
P _z = P _{z / u} + P _{z / v} + P _{z / w} (5.1)

P_X = P_X/u + P_X/v + P_X/w (5.2)
P _X = P _{X / u} + P _{X / v} + P _{X / w} (5.2)

P_Y = P_Y/u + P_z/v + P_Y/w (5.3).P _Y = P _{Y / u} + P _{z / v} + P _{Y / w} (5.3).

Die Gleichungen (4.1), (4.2), (4.3) sind allerdings nur dann nach den gesuchten Koordinaten (x, y, z) aufzulösen, wenn der Abstand ρ zwischen den Bezugsleiterschleifen und der Messtelle durch Rechnung (s. US-Patent 4,314,251 Spalte 16) oder eine separate Abstandsmessung (z. B. durch Ultraschall) er mittelt wurde.However, the equations (4.1), (4.2), (4.3) are only after the coordinates (x, y, z) resolve if the distance ρ between the reference conductor loops and the measuring point by calculation (see U.S. Patent 4,314,251 column 16) or a separate distance measurement (e.g. by ultrasound) was averaged.

Fig. 5 zeigt nun eine Ausgestaltung eines Messplatzes zur Erfassung der räumlichen Lage von Körpern. Am zu erfassenden Körper 5.1 ist ein 3A-Gyro 5.2 angebracht, dessen Achsen r, s, t die räumliche Orientierung des Körpers 5.1 definieren. An anderer Stelle des Körpers 5.1 ist ein 3K-Magnetfelddetektor 5.3 befestigt, dessen als Spulen ausgeführte orthogonale Messaufnehmer U, V, W die genannten Feld komponenten P_i/j messen um daraus die Position des Spulenzentrums zu bestimmen. (Anm: In Fig. 5 werden statt Leiterschleifen Spulen verwendet, da sie perspektivisch besser darzustellen sind und die prinzipielle Funktion ebenso erfüllen). Der 3A-Gyro 5.2 und 3K-Magnetfelddetektor können - ähnlich wie in Fig. 4 - auch gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht sein. Im Zentrum der drei Spulen U, V. W befindet ein Ultraschallsender 5.4, welcher zusammen mit dem im Ursprung des Bezugssystems B0 be findlichen Ultraschallempfänger 5.5 den Abstand ρ ermittelt. Das Bezugssystem B0 (x, y, z) wird durch die orthogonale Anordnung des aus drei Erregerspulen X, Y, Z bestehenden Feldgenerators 5.6 gebildet, welcher das oszillierende Magnetfeld (= elektromagnetisches Feld) erzeugt. Die drei Erregerspulen wer den nacheinander von bekanntem Wechselstrom i durchflossen um die zur Positionsbestimmung am Körper 5.1 benötigen quadratischen Mittelwerte P_i der Magnetfeldstärken H messen zu können. Da die Position des Körpers aus drei nacheinander erregten Feldern bestimmt wird, muß der Wechsel auf die jeweils nächsterregte Spule natürlich in entsprechend kurzer Zeit erfolgen, um Toleranzen durch die Be wegung des Körpers möglichst gering zu halten. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist das Bezugssys tem im Zentrum eines Tisches 5.7 angeordnet, der durch diese Einrichtung als "virtuelle Werkbank" Ver wendung finden kann. Der Körper 5.1 kann auch ein mit einer Kombinationssensorik aus 3A-Gyro und 3K-Magnetfelddetektor versehener Datenhandschuh sein, der von einer an der "virtuellen Werkbank" tätigen Person getragen wird. Fig. 5 now shows an embodiment of a measuring station for determining the spatial location of objects. A 3A gyro 5.2 is attached to the body 5.1 to be detected , the axes r, s, t of which define the spatial orientation of the body 5.1 . At another point on the body 5.1 , a 3K magnetic field detector 5.3 is attached, whose orthogonal sensors U, V, W, designed as coils, measure the field components P _{i / j mentioned in} order to determine the position of the coil center therefrom. (Note: In Fig. 5, coils are used instead of conductor loops, since they can be better represented in perspective and also fulfill the basic function). The 3A gyro 5.2 and 3K magnetic field detector can - similarly to FIG. 4 - also be housed together in one housing. In the center of the three coils U, V. W there is an ultrasound transmitter 5.4 which, together with the ultrasound receiver 5.5, which is sensitive to the origin of the reference system B0, determines the distance ρ. The reference system B0 (x, y, z) is formed by the orthogonal arrangement of the field generator 5.6 consisting of three excitation coils X, Y, Z, which generates the oscillating magnetic field (= electromagnetic field). Known alternating current i flows through the three excitation coils one after the other in order to be able to measure the quadratic mean values P _{i of} the magnetic field strengths H required for position determination on the body 5.1 . Since the position of the body is determined from three fields excited one after the other, the change to the next excited coil must of course take place in a correspondingly short time in order to keep tolerances as low as possible by the movement of the body. In the exemplary embodiment according to FIG. 5, the reference system is arranged in the center of a table 5.7 , which can be used as a “virtual workbench” through this device. The body 5.1 can also be a data glove provided with a combination sensor system comprising a 3A gyro and a 3K magnetic field detector, which is worn by a person working on the "virtual workbench".

Statt der Ultraschallsensorik 5.4, 5.5 kann auch ein optisches Positionsverfahren zur Anwendung kom men. Das eben beschriebene Prinzip kann selbstverständlich auch am menschlichen Körper angewandt werden. Da die Magnetfelder in Fig. 4 und 5 nur auf relativ geringe Distanzen angewandt werden, ent fallen die sonst üblichen Nachteile des Genauigkeitsschwundes bei größeren Abständen. Die Positions erfassung mit Magnetfeldern oder elektromagnetischen Feldern kann noch mit anderen Methoden erfol gen (wie z. B. nach US-Patent 3,983,474). Im Falle elektromagnetischer Felder können zur Felddetek tion am Bestimmungsort auch elektrische Wechselfelddetektoren (= Antennen) zur Anwendung kom men.Instead of the ultrasonic sensors 5.4 , 5.5 , an optical positioning method can also be used. The principle just described can of course also be applied to the human body. Since the magnetic fields in FIGS. 4 and 5 are only used at relatively short distances, the otherwise usual disadvantages of the loss of accuracy at greater distances are eliminated. Position detection using magnetic fields or electromagnetic fields can also be carried out using other methods (such as, for example, according to US Pat. No. 3,983,474). In the case of electromagnetic fields, electrical alternating field detectors (= antennas) can also be used for field detection at the destination.

Das Skelett des menschlichen Körpers stellt aus mechanischer Sicht ein mehrgliedriges Gelenksystem dar. Diese Tatsache kann man vorteilhaft ausnutzen um bei der räumlichen Lagebestimmung von meh reren Körperteilen oder dem ganzen Körper die Anzahl von Positionssensoriken oder Gyros zu reduzie ren, denn die Kenntnis der Zwangsbedingungen und der geometrischen Verhältnisse ersetzt in diesem Fall die durch direkte Messung fehlenden Bestimmungsgrößen.From a mechanical point of view, the skeleton of the human body represents a multi-part joint system This fact can be used to advantage in order to determine the spatial position of meh reduce the number of position sensors or gyros in other parts of the body or the whole body ren, because the knowledge of the constraints and the geometric relationships replaces in this Case the determinants missing through direct measurement.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel zur Einsparung von 3A-Gyros und Positionssensoriken bei der Lageerfassung von Körperteilen relativ zu einem externen Koordinatensystem E. In Fig. 6 genügen bereits zwei Kom binationssensoriken, nämlich 6.1 (Unterarm) und 6.2 (= Schlüsselbein) um die räumliche Lage der drei Körperteile Unterarm, Oberarm, Schlüsselbein zu bestimmen. Am Oberarm braucht kein Sensor ange bracht werden, da das Oberarmglied als starres Verbindungsstück die Gelenklagerzentren S₂ und U₁ mit den beiden Anschlußgliedern "Schlüsselbein" und "Unterarm" gemeinsam hat. Das menschliche Skelett bildet eine geschlossene Gliederkette vom Schlüsselbein bis zu den Fingerspitzen, welche durch Gelenke unterschiedlicher Freiheitsgrade miteinander verbunden sind. Nun kann man den Verbindungs vektor zwischen zwei Gelenklagerzentren als Repräsentant R_i eines Gliedes definieren. Man kann den Repräsentanten eines Gliedes bei Kenntnis der räumlichen Lage eines an ihm befestigten Kombinations sensors aus dessen Positions- und Orientierungswerten gewinnen. Platziert man nun Kombinationssen sor 6.1 derart, daß seine Achse ξ (= Einheitsvektor e_ξ) parallel zum Verbindungsvektor zwischen den Gelenklagerzentren U₁ und U₂ liegt, und bestimmt man die Abstände L_u1 und L_u2 so erhält man den Repräsentanten R_U des Unterarmes durch die Vektoren u₁ und u₂ zu:
Fig. 6 shows an example of saving 3A gyros and position sensors when detecting the position of body parts relative to an external coordinate system E. In Fig. 6, two combination sensors, namely 6.1 (forearm) and 6.2 (= collarbone) around the spatial Determine the position of the three parts of the body, forearm, upper arm and clavicle. No sensor needs to be placed on the upper arm, since the upper arm link, as a rigid connector, has the joint bearing centers S ₂ and U ₁ with the two connecting links "collarbone" and "forearm" in common. The human skeleton forms a closed link chain from the collarbone to the fingertips, which are connected by joints of different degrees of freedom. Now you can define the connection vector between two spherical bearing centers as the representative R _{i of} a link. You can get the representative of a link by knowing the spatial position of a combination sensor attached to it from its position and orientation values. If you place combination sensor 6.1 in such a way that its axis ξ (= unit vector e _ξ ) is parallel to the connection vector between the joint bearing centers U ₁ and U ₂ , and if you determine the distances L _u1 and L _u2 , you get the representative R _{U of} the forearm by the vectors u ₁ and u ₂ to:

u₁ = -(L_U1 e_ξ) (6.1)
u ₁ = - (L _U1 e _ξ ) (6.1)

und
and

u₂ = (L_U2 e_ξ) (6.2)
u ₂ = (L _U2 e _ξ ) (6.2)

und damit
and thus

R_U = u₂ - u₁ = L_U2 e_ξ - [-(L_U1 e_ξ)] = (L_U2 + L_U1) e_ξ (6.3).R _U = u ₂ - u ₁ = L _U2 e _ξ - [- (L _U1 e _ξ )] = (L _U2 + L _U1 ) e _ξ (6.3).

Die Ortsvektoren r_U1 und r_U2 zu den Gelenklagerzentren U₁ und U₂ erhält dann aus der Messung von Ortsvektor r_U und Orientierungswinkeln e_ξ von Kombinationssensor 6.1, sowie den Abständen L_u1 und L_u2, zu:
The location vectors r _U1 and r _U2 to the _{spherical bearing centers} U ₁ and U ₂ are then obtained from the measurement of the location vector r _U and orientation _angles e _ξ from the combination _sensor 6.1 , as well as the distances L _u1 and L _u2 , to:

r_U1 = r_U + u₁ = r_U + L_U1 e_ξ (6.4)
r _U1 = r _U + u ₁ = r _U + L _U1 e _ξ (6.4)

r_U2 = r_U + u₂ = r_U - L_U2 e_ξ (6.5).r _U2 = r _U + u ₂ = r _U - L _U2 e _ξ (6.5).

Das beschriebene Verfahren ist natürlich in analoger Weise für den Repräsentanten R_S des rechten Schlüsselbeines anwendbar und man erhält so die Ortsvektoren r_S1, r_S2 der Schlüsselbeingelenke. Da mit ist die räumliche Lage des Oberarmes - bis auf seine Drehung - durch die Ortsvektoren r_U1 und r_S2 miterfaßt.The described method can of course be used in an analogous manner for the representative R _{S of} the right clavicle, and one obtains the location vectors r _S1 , r _{S2 of} the clavicle joints. Since with the spatial position of the upper arm - except for its rotation - also recorded by the location vectors r _U1 and r _S2 .

Fig. 7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Erfassung der selben Glieder wie in Fig. 6. unter Ausnutzung der Gelenkstruktur. Im Unterschied zu Fig. 6 ist die räumliche Lage der Körperteile in Fig. 7 auf ein Körperhauptkoordinatensystem B0 bezogen. Dieses Körperhauptkoordinatensystem wird durch den Hauptkombinationssensor 7.0 gebildete der durch seinen Positionsanteil den externen Bezug herstellt und somit die Transformation der Körperteilkoordinaten auf ein externes System ermög licht. Die Positionssensorik zur Erfassung des Schlüsselbeines besteht aus 3 Ultraschallempfängern in definierter geometrischer Beziehung von denen nur zwei, nämlich 7.2 und 7.3 in Fig. 7 dargestellt sind. (Der dritte Ultraschallempfänger ist auf dem rechten Schulterblatt befestigt und in Fig. 7 nicht sicht bar). Die Positionssensorik zur Erfassung des Unterarmes besteht ebenfalls aus 3 in definierter geomet rischer Beziehung stehender Ultraschallempfänger 7.4, 7.5, 7.6. Der Hauptkombinationssensor 7.0 und die Ultraschallempfänger 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6. sind alle an der starren Weste 7.1 befestigt und stehen somit in bekannter geometrischer Beziehung. Die Positionsbestimmung der Kombinationssensoriken 7.7 (r_S0, Schlüsselbein) und 7.8 (r_U0, Unterarm) - deren Positionsanteil ein Ultraschallsender ist - erfolgt als Schnittpunkt von je 3 Kugeln (z. B. K4, K5, K6 für den Unterarm) mit Mittelpunkten in den bekannten Positionen der Ultraschallempfänger (z. B. für den Unterarm r_U4, r_U5, r_U6) und Radien aus den Ultra schall-Laufzeit-Abstandsmessungen (der Sachverhalt ist aus Platzgründen nur für den rechten Unterarm dargestellt, für das Schlüsselbein gelten selbstverständlich analoge Beziehungen). Die Orientierungs ausrichtung der Gyro-Anteile der Kombinationssensoriken 7.7 und 7.8 erfolgt wieder so, daß eine Gyro achse (z. B. e_ξ für den Unterarm) parallel zu den Gelenklagerzentren (z. B. U1 und U2 für den Unterarm) liegt. Bei bekannten Abständen (z. B. L_U1 und L_U2) der Kombinationssensoriken 7.7 und 7.8 sind die Koordinaten der Gelenklagerzentren S1(r_S1), S2(r_S2), U1(r_U1), U2(r_U2) und die Repräsentanten R_U und R_S wie unter den Gleichungen (6.1) bis (6.5) zu bilden. Die Vektoren sind jetzt allerdings auf das Körperhauptkoordinatensystem B0 bezogen und müssen, wenn benötigt mittels der Orientierungswinkel der Kombinationssensorik 7.0 und des Vektors r_EB0 auf ein externes Koordinatensystem transformiert werden. Die Gelenklagerzentren S2(r_S2) und U1(r_U1) definieren den Oberarm und ermöglichen seine Darstellung durch den Repräsentanten
FIG. 7 shows an alternative exemplary embodiment for the detection of the same limbs as in FIG. 6 using the joint structure. In contrast to FIG. 6, the spatial position of the body parts in FIG. 7 is related to a main body coordinate system B0. This main body coordinate system by the main sensor combination 7.0 formed of the external reference is prepared by its position component, and thus the transformation of the part of the body coordinate system to an external light made. The position sensor system for detecting the clavicle consists of 3 ultrasound receivers in a defined geometric relationship, of which only two, namely 7.2 and 7.3, are shown in FIG. 7. (The third ultrasound receiver is attached to the right shoulder blade and is not visible in FIG. 7). The position sensor system for detecting the forearm also consists of 3 ultrasound receivers 7.4 , 7.5 , 7.6 with a defined geometric relationship. The main combination sensor 7.0 and the ultrasonic receivers 7.2 , 7.3 , 7.4 , 7.5 , 7.6 . are all attached to the rigid vest 7.1 and are thus in a known geometric relationship. The position of the combination sensors 7.7 (r _S0 , collarbone) and 7.8 (r _U0 , forearm) - the position of which is an ultrasound transmitter - is taken as the intersection of 3 balls (e.g. K4, K5, K6 for the forearm) with center points in the known positions of the ultrasound receivers (e.g. for the forearm r _U4 , r _U5 , r _U6 ) and radii from the ultrasound propagation distance measurements (the situation is only shown for the right forearm for reasons of space, of course the clavicle applies analog relationships). The orientation of the gyro parts of the combination sensors 7.7 and 7.8 is again such that a gyro axis (e.g. e _ξ for the forearm) is parallel to the spherical bearing centers (e.g. U1 and U2 for the forearm). At known distances (e.g. L _U1 and L _U2 ) of the combination sensors 7.7 and 7.8 , the coordinates of the spherical bearing centers are S1 (r _S1 ), S2 (r _S2 ), U1 (r _U1 ), U2 (r _U2 ) and the representatives R _U and R _{S to form} as under equations (6.1) to (6.5). However, the vectors are now related to the main body coordinate system B0 and, if necessary, must be transformed to an external coordinate system using the orientation _{angle of} the combination _sensor system 7.0 and the vector r _EB0 . The spherical bearing centers S2 (r _S2 ) and U1 (r _U1 ) define the upper arm and enable its representation by the representative

R_O = r_S2 - r_U1 (7.0)
R _O = r _S2 - r _U1 (7.0)

ohne an ihm eine Sensorik anbringen zu müssen.without having to attach sensors to it.

Schließlich erhält man durch die Repräsentanten R_s, R_O, R_U und die Ortsvektoren r_S1, r_S2, r_U1, r_U2 nun ein Abbild der Schlüsselbein-Arm-Gliederkette zu:
Finally, the representatives R _s , R _O , R _U and the location vectors r _S1 , r _S2 , r _U1 , r _U2 now give an image of the collarbone-arm link chain:

r_S1 = r_S - L_S2e_Sη (7.1)
r _S1 = r _S - L _S2 e _Sη (7.1)

R_S = (L_S1 + L_S2)e_Sη (7.2)
R _S = (L _S1 + L _S2 ) e _Sη (7.2)

r_S2 = r_S1 + R_S = r_S - L_S2e_Sη + (L_S1 + L_S2)e_Sη = r_S + L_S1e_Sη (7.3)
r _S2 = r _S1 + R _S = r _S - L _S2 e _Sη + (L _S1 + L _S2 ) e _Sη = r _S + L _S1 e _Sη (7.3)

r_U1 = r_U + u₁ = r_U + L_U1 e_ξ (7.4)
r _U1 = r _U + u ₁ = r _U + L _U1 e _ξ (7.4)

R_O = r_S2 - r_U1 = r_S + L_S1e_Sη - L_U1 e_ξ (7.5)
R _O = r _S2 - r _U1 = r _S + L _S1 e _Sη - L _U1 e _ξ (7.5)

r_U2 = r_u + u₂ = r_U - L_U2 e_ξ (7.6)
r _U2 = r _u + u ₂ = r _U - L _U2 e _ξ (7.6)

R_U = u₂ - u₁ = L_U2 e_ξ - [-(L_U1 e_ξ)] = (L_U2 + L_U1) e_ξ (7.7).R _U = u ₂ - u ₁ = L _U2 e _ξ - [- (L _U1 e _ξ )] = (L _U2 + L _U1 ) e _ξ (7.7).

Abschließend soll die räumliche Lagebestimmung des Schlüsselbeines S1-S2 wegen seiner "verdeckten" Anordnung am Körper näher erläutert werden. Eine genaue Bestimmung der Gelenklagerzentren S1 und S2 ist von außen schwerlich möglich und für die meisten Anwendungen wohl gar nicht gefordert. Bei vie len Anwendungen geht es nur darum ein "Echtzeit-Gelenkmodell" zu erhalten, bei dem die Schulter zwar dazugehört jedoch keinen Genauigkeitsanforderungen unterworfen ist. (Im Gegensatz zu Steue rungsanwendungen der menschlichen Hand). Also genügt es für das Schlüsselbein in den meisten Fäl len den Kombinationssensor grob nach Augenmaß auf Orientierung auszurichten und die Abstände zu den Gelenken mit dem Zentimetermaß auszumessen. Um Abschattungen der Ultraschallimpulse im Schulterbereich zu vermeiden, ragen die Ultraschallempfänger 7.2, 7.3 weit genug über die die Ober fläche der starren Weste 7.1 hinaus. Außerdem können die Ultraschallempfänger 7.2, 7.3 - und der nichtsichtbare am Schulterblatt - zusätzlich die Positionsbestimmung der Unterarmkombinationssensorik 7.8 übernehmen, wenn bei gehobenem Arm der Erfassungsbereich der Ultraschallempfänger 7.4, 7.5, 7.6 abgeschattet ist. Finally, the spatial position determination of the collarbone S1-S2 should be explained in more detail because of its "hidden" arrangement on the body. A precise determination of the spherical bearing centers S1 and S2 is hardly possible from the outside and is probably not required for most applications. For many applications, it is only a matter of obtaining a "real-time joint model" in which the shoulder is part of it but is not subject to any accuracy requirements. (In contrast to control applications of the human hand). So in most cases it is sufficient for the collarbone to align the combination sensor roughly according to the eye to the orientation and to measure the distances to the joints with the centimeter measure. In order to avoid shadowing of the ultrasonic pulses in the shoulder area, the ultrasonic receivers 7.2 , 7.3 protrude far enough beyond the surface of the rigid vest 7.1 . In addition, the ultrasound receivers 7.2 , 7.3 - and the invisible one on the shoulder blade - can also take over the position determination of the forearm combination sensor system 7.8 if the detection range of the ultrasound receivers 7.4 , 7.5 , 7.6 is shadowed when the arm is raised.

6) Definitions and definitions - Orientation, orientation angle of a body in space

Die Orientierung eines Körpers im Raum ist bestimmt durch die 9 kosinus der Winkel zwischen den Achsen eines Bezugssystemes und eines körper(teil)bezogenen Koordinatensystemes.The orientation of a body in space is determined by the 9 cosine of the angle between the Axes of a reference system and a body (part) related coordinate system.

Diese Orientierung kann aus den drei Drehwinkeln der Körper(teil)achsen relativ zum Bezugssystem errechnet werden.This orientation can be determined from the three angles of rotation of the body (partial) axes relative to the reference system can be calculated.

- Orientierungssystem ist der Bezugsrahmen für die Orientierung eines Körpers. Es ist sozusagen ein Koordinatensystem bei dem die translatorischen Komponenten fehlen.- Orientation system is the reference frame for the orientation of a body. It is, so to speak Coordinate system in which the translational components are missing.

- spatial position of a body

Im Sinne vorliegender Erfindung ist die "räumliche Lage eines Körpers" bestimmt durch die Position (Koordinaten) eines bestimmten Körperpunktes (Translationskomponente) und die Orientierung seiner frei wählbaren Koordinatenachsen relativ zu einem Bezugssystem.In the sense of the present invention, the "spatial position of a body" is determined by the position (Coordinates) of a certain body point (translation component) and the orientation of its freely selectable coordinate axes relative to a reference system.

Die räumliche Lage eines Körpers kann durch verschiedene Vektorkombinationen ausgedrückt werden (z. B. durch Repräsentanten). Diese Definition soll nochmals verdeutlichen, daß unter dem Begriff "räumliche Lage eines Körpers" nicht nur seine Orientierung sondern auch seine Position zu verstehen ist.The spatial position of a body can be expressed by various vector combinations (e.g. by representatives). This definition is intended to make it clear once again that the term "spatial position of a body" not only to understand its orientation but also its position is.

- position sensors

Eine Positionssensorik besteht im allgemeinen aus einem Generator- oder Emitterteil (z. B. Magnetfeld generator, Ultraschallemitter, Antenne usw.) und einem Detektorteil (z. B. ein Felddetektor, Ultraschall empfänger, Antenne usw.). Dabei ist nicht festgelegt, ob am dem Körper(teil) dessen Position zu bestim men ist ein Detektor- oder ein Emitterteil angebracht ist. Eine Positionssensorik kann aus mehreren Ge neratoreinheiten und/oder mehreren Detektoreinheiten bestehen. Hier zeigt sich deutlich, daß der Be griff Positionssensor für ein so komplexes Gebilde aus mindestens zwei Hauptkomponenten nicht aus reichend wäre.A position sensor system generally consists of a generator or emitter part (e.g. magnetic field generator, ultrasound emitter, antenna, etc.) and a detector part (e.g. a field detector, ultrasound receiver, antenna, etc.). It is not specified whether the position of the body (part) is determined a detector or emitter part is attached. A position sensor system can consist of several ge nerator units and / or several detector units exist. This clearly shows that the Be did not reach out position sensor for such a complex structure from at least two main components would be enough.

- Position component, partial position sensors

Beschreibt man eine Positionssensorik allgemein, so kann man wegen der Vielzahl von Methoden und Ausgestaltungen nicht von vornherein sagen an welcher Stelle sich welcher Funktionsteil - Emitter oder Detektor - befindet. Eine Positionssensorik kann außerdem mehrere Abstandssensoriken umfassen, welche entweder aus einer emittierenden Komponente und mehreren detektierenden Komponenten besteht, oder umgekehrt. Es gibt Ausführungen, bei denen der an der Meßstelle befestigte Positionsanteil Detektorfunktion ausübt (z. B. Magnetfelddetektor in Fig. 4 und 5), es gibt aber auch Fälle bei denen er als Emitter oder Generator (z. B. Ultraschallemitter in Fig. 2 und 3) ausgeführt ist. Da eine Positionssensorik als Ganzes aus mehren Anteilen besteht, wird in dieser Patentanmeldung ganz allgemein von einer Teilpositionssensorik oder einem Positionsanteil gesprochen, wenn die ab strakte Beschreibung beide Funktionen - Emitter und Detektor - zuläßt und wenn die Ausgestaltung offen läßt, ob es sich um eine ein- oder mehrteilige Komponente handelt. Um eine Positionssensorik aufzu bauen sind also mindestens zwei Teilpositionssensoriken erforderlich.If a position sensor system is described in general, it is impossible to say from the outset which function part - emitter or detector - is located from the start due to the large number of methods and configurations. A position sensor system can also comprise a plurality of distance sensor systems, which either consist of an emitting component and a plurality of detecting components, or vice versa. There are versions in which the position part attached to the measuring point performs a detector function (e.g. magnetic field detector in FIGS. 4 and 5), but there are also cases in which it acts as an emitter or generator (e.g. ultrasound emitter in FIG. 2 and 3) is executed. Since a position sensor system as a whole consists of several parts, this patent application speaks in general terms of a partial position sensor system or a position part if the strict description allows both functions - emitter and detector - and if the design leaves open whether it is a - or multi-part component. In order to build up a position sensor system, at least two partial position sensor systems are required.

- Inertial orientation sensor

Inertialer Orientierungs-Messaufnehmer ist eine Funktionseinheit, welche ihre Orientierung oder die Ori entierung des zu messenden Körpers auf ein beliebig festgelegtes Orientierungssystem bezieht. Ein idealer inertialer Orientierungs-Messaufnehmer unterliegt keinen Einflüssen von außen und muß seinen Bezug während der Messung auch nicht von außen erhalten (inert = träge, unbeteiligt, reaktionsarm).Inertial orientation sensor is a functional unit that determines its orientation or the Ori orientation of the body to be measured relates to any orientation system. On ideal inertial orientation sensor is not subject to external influences and must be Also not received from outside during the measurement (inert = sluggish, uninvolved, low-reaction).

- Gyro, 3A gyro

Gyro ist die Abkürzung für Gyroscope und bezeichnet technische Messgeräte zur Erfassung von Drehun gen. Im Sinne der Erfindung bezieht sich diese Drehungserfassung auf ein einmal festgelegtes Koordina tensystem bzw. Koordinatenachse. Da die Erfassung der räumlichen Orientierung eines Körpers drei Drehwinkel um die Koordinatenachsen erfordert benötigt man einen 3-Achs-Gyro, abgekürzt 3A-Gyro. Gyro ist im Sinne dieser Patentanmeldung auch die Bezeichnung für inertialer Orientierungs-Messauf nehmer.Gyro is the abbreviation for Gyroscope and refers to technical measuring devices for the detection of rotation gen. In the sense of the invention, this rotation detection refers to a once determined coordina system or coordinate axis. Since the detection of the spatial orientation of a body three Angle of rotation around the coordinate axes requires a 3-axis gyro, abbreviated 3A gyro. In the sense of this patent application, gyro is also the name for inertial orientation measurement taker.

- combination sensors

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter Kombinationssensorik eine Kombination von inertia lem Orientierungs-Messaufnehmer (Gyro) und einer Teilpositionssensorik verstanden.For the purposes of the present invention, a combination of inertia is used under combination sensors Understand the orientation sensor (gyro) and a partial position sensor system.

- representative

Repräsentanten sind Vektoren (Zeiger) welche die räumliche Lage eines Körpers durch die Angabe von funktionalen oder charakteristischen Koordinaten vertreten. Solche Repräsentanten können z. B. durch die Durchstoßpunkte der Körperhauptachsen oder durch die Verbindungsvektoren von Gelenklagerzent ren (wenn ein Körper durch Gelenke mit benachbarten Körpern verbunden ist) ausgedrückt werdenRepresentatives are vectors (pointers) that indicate the spatial position of a body by specifying represent functional or characteristic coordinates. Such representatives can e.g. B. by the points of intersection of the main axes of the body or through the connection vectors of the joint bearing center (when a body is connected to neighboring bodies by joints)

- Ultrasound pulse, ultrasound signal

In vorliegender Schrift stehen beide Begriffe für eine räumliche Störung die sich linear mit konstanter Geschwindigkeit in einem materiellen Medium ausbreitet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es fallweise sinnvoll sein dieser Störung eine Information mitzugeben (Signal) in anderen Fällen ist dies nicht erforderlich (Impuls). Der Begriff "Ultraschallsignal" soll nicht festlegen, daß die Störung eine Infor mation tragen muß, der Begriff "Ultraschallimpuls" soll dies nicht ausschließen.In the present document, both terms stand for a spatial disturbance that is linear with constant Spreads speed in a material medium. For the purposes of the present invention, it can In some cases it makes sense to provide this fault with information (signal); in other cases this is not required (impulse). The term "ultrasound signal" is not intended to stipulate that the disturbance is an information Mation must wear, the term "ultrasonic pulse" should not exclude this.

- inertial n-axis orientation sensor, n-component detector
the indefinite dimension specification in the claims is not intended to rule out protection of applications which relate to dimensions other than 3-dimensional spaces. This is e.g. B. a position and direction detection on a flat table top. Only 2-dimensional sensors are required here.
- sensors
the ending "ik" indicates that it is a superordinate structure.
- cosine is plural of cosine.

Claims

1. A method for recording the spatial position and / or movement of body parts and the formation of partial coordinate systems characterized in that

that at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one partial position sensor system are attached to at least one body part,
that at least one partial position sensor system is attached to a reference body part,
that the signals from at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one position sensor system are fed to at least one signal and data processing,
- That the data processing occasionally the necessary determination values of the orientation and / or position of the on a body part. the inertial 3-axis orientation sensor and partial position sensors attached to the reference body part as well as representative body part or Reference body parts are entered - the specified determination values of orientation and / or position refer to a body part or the reference body part -,
- That the data processing from the signals from at least one inertial 3-axis orientation sensor and at least one position sensor system and the occasionally entered determination values, calculates at least one of the following geometric determination variables, relative to a coordinate system defined on the reference body part:
- the position and orientation of at least one part of the body or
- at least one body part point and / or at least one representative of at least one body part or
- the origin and orientation (swinkel) of a partial coordinate system connected to a body part or an inertial 3-axis orientation measuring sensor, as well as the positions and / or orientations of further body parts, which are recorded relative to this partial coordinate system,
- That the time derivatives are also included in the calculated geometric parameters.

2. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies and / or their body parts and the formation of partial coordinate systems, characterized in that

that at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one partial position sensor system are attached to at least one body part,
that at least one partial position sensor system and at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor are attached to a reference body part,
that the signals from at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one position sensor system are fed to at least one signal and data processing,
- That the data processing occasionally the necessary determination values of the orientation and / or position of the on a body part. the inertial 3-axis orientation sensor and partial position sensors attached to the reference body part as well as representative body part or Reference body parts are entered - the specified determination values of orientation and / or position refer to a body part or the reference body part -,
- That the data processing from the signals from at least one inertial 3-axis orientation sensor and at least one position sensor and the occasionally entered determination values, at least one of the following geometric determination variables, relative to a coordinate system defined on the reference body part and / or relative to one Reference orientation calculated:
- the position and orientation of at least one part of the body or
- at least one body part point and / or at least one representative of at least one body part or
- the origin and orientation (swinkel) of a partial coordinate system connected to a body (part) or an inertial 3-axis orientation measuring sensor, as well as the positions and / or orientations of further body parts, which are recorded relative to this partial coordinate system,
- That the time derivatives are also included in the calculated geometric parameters.

3. A method for recording the spatial position and / or movement of bodies and / or their body parts and the formation of partial coordinate systems, characterized in that

that at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one partial position sensor system are attached to at least one body part,
that at least one partial position sensor system and at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor are attached to a reference body part,
that at least one partial position sensor system attached to the reference body part interacts with an external partial position sensor system,
that the signals from at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one position sensor system are fed to at least one signal and data processing,
- That the data processing occasionally the necessary determination values of the orientation and / or position of the on a body part. the inertial 3-axis orientation sensor and partial position sensors attached to the reference body part as well as representative body part or Reference body parts are entered - the specified determination values of orientation and / or position refer to a body part or the reference body part -,
- that the data processing from the signals from at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one position sensor system and the determination values entered on a case-by-case basis, calculates at least one of the following geometric determination variables, relative to an external coordinate system or a reference orientation:
- the position and orientation of at least one part of the body or
- At least one body part point and / or at least one representative of at least one body part or
- the origin and orientation (swinkel) of a partial coordinate system connected to a body (part) or an inertial 3-axis orientation measuring sensor, as well as the positions and / or orientations of further body parts, which are recorded relative to this partial coordinate system,
- That the time derivations count to the calculated geometric parameters.

4. A method for detecting the spatial position and / or movement of body parts of multi-joint systems and the formation of partial coordinate systems, characterized in that

that at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one partial position sensor system are attached to at least one body part,
- That at least one part position sensor is attached to a reference body part and / or body external,
that the signals from at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one position sensor system are fed to at least one signal and data processing,
- That the data processing occasionally the necessary determination values of the orientation and / or position of the on a body part. Reference body part attached inertial 3-axis orientation sensor and part position sensors as well as representative body part or Set reference body part - the specified determination values of the orientation and / or position refer to a body part or the reference body part -,
- That the data processing calculates at least one of the following geometric parameters from the signals from at least one inertial 3-axis orientation measuring sensor and at least one position sensor and the determination values entered on a case-by-case basis:
- the position and orientation of at least one part of the body or
- At least one body part point and / or at least one representative of at least one body part or
- the origin and orientation (swinkel) of a partial coordinate system connected to a body (part) or an inertial 3-axis orientation measuring sensor, as well as the positions and / or orientations of further body parts, which are recorded relative to this partial coordinate system,
- that the time-related derivatives also count among the calculated geometric parameters,
- That the geometric parameters of a body part are obtained from the parameters of at least one neighboring body part and knowledge of the joint arrangement and / or its movement possibilities and representative body part dimensions, and thus at least one part position sensor system or an inertial 3-axis on at least one body part. Orientation sensor can be saved.

5. A position sensor system according to claim 1, 2, 3, and 4, characterized, that they are based on the ultrasound transit time principle, the ultrasound phase principle, a magneti field strength measurement, an electrical field strength measurement, an electromagnetic change field measurement, a beam intensity measurement, a sound pressure measurement, an optical imaging principle zip, a light phase shift or interference principle, a light propagation time principle a light beam triangulation principle or a suitable combination of at least two of the above principles.

6. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies and / or their body parts and the formation of partial coordinate systems according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that

- that the position sensor system is based on the ultrasonic transit time distance principle,
that a partial position sensor system attached to a body part is an ultrasonic transmitter / receiver,
- that the body (torus) of a human or animal is used as the reference body part,
- That a part position sensor system attached to the reference body part consists of at least 3 ultrasound receivers / transmitters which are not arranged in a line and which are in a known geometric relationship to one another and to the reference body part.

7. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies and / or their body parts and the formation of partial coordinate systems according to claim 3, 4, characterized in that

- that the position sensor system is based on the ultrasonic transit time distance principle,
that a partial position sensor system attached to a body part is an ultrasonic transmitter / receiver,
- that the body (torus) of a human or animal is used as the reference body part,
a part position sensor system attached to the reference body part consists of at least 3 ultrasound receivers / transmitters which are not arranged in a line and which are in a known geometric relationship to one another and to the reference body,
that a further partial position sensor system attached to the reference body part, which interacts with an external partial position sensor system, is at least one ultrasonic transmitter / receiver,
- That an external partial position sensor system consists of at least 3 ultrasound receivers / transmitters which are not arranged in a line and which have a more familiar geometric relationship.

8. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies and / or their body parts and the formation of partial coordinate systems according to claim 4, characterized in that

- that the position sensor system is based on the ultrasonic transit time distance principle,
that a partial position sensor system attached to a body part is an ultrasonic transmitter / receiver,
- that the body (torus) of a human or animal is used as the reference body part,
- That a part position sensor system attached to the reference body part or externally consists of at least 3 ultrasound receivers / transmitters which are not arranged in a line and which have a known geometric relationship.

9. A partial position sensor system according to claim 6, 7, 8 or 17, characterized in that

that the transmitting (emitting) ultrasound partial position sensor system simultaneously emits an electromagnetic trigger pulse with the emitted ultrasound pulse,
that the receiving (detecting) ultrasonic partial position sensor system additionally has an electromagnetic receiving component,
- That the received electromagnetic trigger pulse starts a transit time measurement of the ultrasonic pulse.

10. A position sensor system according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized, that it consists of at least one generator and at least one multi-component detector from magnet fields, or at least one generator and at least one multi-component detector from elektri fields, or at least one generator and at least one multi-component detector from electromagnetic fields.

11. A position sensor system according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized, that it consists of at least one generator and at least one multi-component detector from magnet fields, or at least one generator and at least one multi-component detector from elektri fields, or at least one generator and at least one multi-component detector from electromagnetic fields exist, and to determine the position of each field generator detector combination, a distance measuring device is also used.

12. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies or parts of the body, as well as the formation of partial coordinate systems, characterized in that

that at least one reference body (part) has any number of suitably shaped, current-flowing coil or conductor loops, each of which generates a magnetic or electromagnetic field,
- That the coil or conductor loops by their design and / or arrangement define a reference coordinate system,
that at least one inertial n-axis orientation measuring sensor and at least one multi-component detector for magnetic or electromagnetic fields are attached to at least one (further) body (part),
that the measurement signals from at least one inertial n-axis orientation measurement sensor and from at least one multi-component detector are fed to signal and data processing,
- That the data processing occasionally the necessary determination values of the orientation and / or position of inertial n-axis orientation sensors and multi-component detectors attached to any body (part) and of representative body (part) - respectively. Reference body (part) must be entered, - the specified determination values of the orientation and / or position referring to a reference body (part), a body or a body part -,
- That the data processing calculates at least one of the following geometrical parameters from the signals from at least one inertial n-axis orientation measuring sensor and at least one multi-component detector and the determined input values.
- the position and orientation of at least one body (part) or
- at least one body (part) point and / or at least one representative of at least one body (part) or
- The origin and orientation (swinkel) of a partial coordinate system connected to a body (part) or an inertial n-axis orientation measuring sensor, as well as the positions and / or orientations of further bodies (parts) n, which are recorded relative to this partial coordinate system become,
- That the time derivations count to the calculated geometric parameters.

13. A method for recording the spatial position and / or movement of parts of a man's body and the formation of partial coordinate systems according to claim 12, characterized, that at least one current-carrying reference coil or conductor loop is attached to the body or is wrapped around a person’s body.

14. A method for detecting the spatial position and / or movement of body parts, a human, and the formation of partial coordinate systems according to claim 12, characterized in that

- That several current-carrying reference coil or conductor loops are attached to the human body in a defined geometric relationship and
- That each of the reference coils or conductor loops is responsible for a different detection range of the body parts to be registered geometrically.

15. A method for detecting the spatial position and / or movement of bodies or parts of the body, as well as the formation of partial coordinate systems, characterized in that

that at least one unit n of linearly independently arranged generators of (electro) magnetic alternating fields is attached to at least one reference body (part),
that this unit of n linearly independently arranged generators of (electro) magnetic alternating fields define a reference coordinate system,
- That at least one inertial n-axis orientation measuring sensor and at least one multi-component detector for (electro) magnetic (alternating) fields are attached to at least one other body (part),
- That the signals of the inertial n-axis orientation measuring sensor and the multi-component detector are fed to signal and data processing,
- That the data processing occasionally the necessary determination values of the orientation and / or position of inertial n-axis orientation sensors and multi-component detectors attached to any body (part) and of representative body (part) - respectively. Reference body (part) must be entered - whereby the specified determination values of orientation and / or position are related to a reference body (part), a body or a body part -,
- That the data processing calculates at least one of the following geometrical parameters from the signals from at least one inertial n-axis orientation measuring sensor and at least one multi-component detector and the determined input values.
- the position and orientation of at least one body (part) or
- at least one body (part) point and / or at least one representative of at least one body (part) or
- The origin and orientation (swinkel) of a partial coordinate system connected to a body (part) or an inertial n-axis orientation measuring sensor, as well as the positions and / or orientations of further bodies (parts) n, which are recorded relative to this partial coordinate system become,
- That the time derivations count to the calculated geometric parameters.

16. A method for recording the spatial position and / or movement of bodies or body parts len, as well as the formation of partial coordinate systems characterized, that in a defined geometric relationship to the reference coil (s) - or conductor loop (s) (correspond chend claim 12, 13, 14) respectively. to the n linearly independent producers of (electro) magnetic Alternating fields (according to claim 15) and an inertial n-axis orientation sensor optionally at least one additional position component of a position sensor system - consisting of external ones and body-attached components - are attached to the body, creating the geometric determin dimensions of the body parts recorded relative to the body (e.g. torso) to an external coordinate system tem or a selected orientation system can be transformed.

17. A position sensor system according to one of claims 12, 13, 14, 15, 16, characterized in that

- That at least one distance measuring device which is based on the ultrasonic transit time principle is also used for determining the position, and
- That (the) a (n) part (s) of the distance measuring device in known geometric relationship to the (n) reference coil (s) conductor loop (s) (according to claim 12, 13, 14) respectively. stand for the n linear independent producers of (electro) magnetic alternating fields (according to claim 15), and
the other part (s) of the distance measuring device has a known geometric relationship to the multi-component detector (s) which are attached to a body (part).

18. A method for determining the spatial position of bodies or body parts according to one of claims 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, characterized in that

- that the signal and data processing are attached to the body or a part of the body, and the values of the geometric parameters are fed to an application-related further processing via a bidirectional bus system,
- that external data can be transmitted to body-related data processing via the bidirectional bus system,
- That the bidirectional bus system can work both wired and wireless.

19. A device for recording the spatial position and / or movement of bodies or body parts according to one of claims 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17, characterized, that a combination of inertial n-axis orientation sensor and at least one part a position sensor are combined in one device.

20. Method for controlling devices, machines, apparatus and instruments through body parts according to one of claims 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17, characterized, that at least one - according to claims 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17 - calculated geo metric determinant of external devices, machines, apparatus and instruments is carried out, and after application-related conversion of these devices, machines, apparatus and inst controls.

21. A method for recording the spatial position and / or movement of bodies or parts of the body len, as well as the formation of partial coordinate systems, that at least one inertial n-axis orientation sensor is attached to a body, and that at least two cameras recorded the position of the inertial n-axis orientation sensor sen, so that the spatial position and movement in conjunction with a suitable computer program can be determined from selected parts of the body or parts of the body.