DE19615398A1 - Einrichtung zum Messen der Stellung eines Kugelgelenkes - Google Patents

Description

Mit der Erfindung wird beabsichtigt, die dreidimensionale Stellung eines Kugelgelenkes nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 zu erfassen.

Um die Stellung eines Kugelgelenkes zu erfassen, gibt es verschiedene bekannte Einrichtungen. In der DE,A,37 38 753 ist dargestellt, wie ein eindimensionales Sensorgerät zum Messen der Drehung eines Kugelgelenkes verwendet wird. Die Einheit wird in einer Anwendung beschrieben, bei der die Türöff­ nungswinkel von Bussen gemessen werden.

In der DE,A,38 30 520 ist eine zweidimensionale Version dar­ gestellt, bei der die Drehung um zwei orthogonale Achsen mittels einer mit dem Kugelgelenk verbundenen Lichtquelle erfaßt wird, die auf eine lichtempfindliche Platte gerichtet ist, welche parallel, jedoch im Abstand zu den orthogonalen Achsen, für die Erfassung angeordnet ist, wobei die Platte eine Spannung über gegenüberliegende Seiten erzeugt, die der Stellung in Meßrichtung entspricht. Die Lösung ist jedoch nicht fähig, die Drehung um die dritte mögliche Achse zu messen. Die JP 57-154001 zeigt eine Lösung, die angeblich die Drehung um alle drei Achsen messen kann. Die Kugel ist dauer­ haft magnetisiert, und durch Anordnen dreier Hall-Effekt Sensorpaare entlang der drei orthogonalen Achsen, so daß sich auf jeder Seite der Kugel ein Sensor befindet, kann die Stel­ lung aus diesen sechs Messungen abgeleitet werden. Ein Pro­ blem, das bei der Anwendung der Einrichtung auf Kugelgelenke auftritt, besteht darin, daß der Aktionsradius des Gelenks durch die körperliche Anordnung der Sensoren begrenzt wird. Ein weiteres Problem ist, daß Magnetfelder in der Nähe des Sensors einen starken Einfluß auf die Stellungsanzeige haben. Ein weiteres Problem besteht darin, daß eine Drehung der Kugel um ihre Magnetachse die Anzeigen von den Sensoren über­ haupt nicht ändert.

Die Hauptaufgabe der Erfindung ist, die Stellung eines Kugel­ gelenkes in drei Dimensionen zu messen, wobei der Sensor in Ball und Pfanne des Gelenkes integriert ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, sicherzustellen, daß der Sensor einen so großen Aktionsradius um Kugelgelenke mit drei Freiheitsgraden zuläßt, daß nicht der Sensor selbst der begrenzende Faktor ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen im Gelenk integrierten und geschützten Sensor des Festkörpertyps be­ reitzustellen, der selbst unter ungünstigen Umgebungsbedin­ gungen eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine gute Auflö­ sung mit einer geringen Anzahl von Komponenten zu erzielen, wodurch sich auch bei extrem kleinen Größen eine effiziente Serienfertigung des Sensors ergibt.

Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Sensor in ferngesteuerte Mikroarme für minimale chirurgische Ein­ griffe zu integrieren, wobei die Teile des beweglichen Arms untereinander mit Kugelgelenken verbunden sind, um in klein­ sten Räumen eine maximale Anzahl von Freiheitsgraden zu er­ zielen. Der bzw. die Arme kann bzw. können dann durch eine kleine Öffnung, z. B. in den Magen der Patienten eingeführt werden. Die Arme werden vorzugsweise durch ferngesteuerte Betätigungsglieder gesteuert, und die erforderliche Rück­ meldung wird durch den im Gelenk integrierten Sensor über­ nommen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorgeräts gemäß der Erfindung zum Messen einer dreidimensionalen Dre­ hung eines Kugelgelenkes;

Fig. 2 den Schnitt II-II in Fig. 1 durch die Pfanne des Kugelgelenkes, wobei Einzelheiten der Kugel fehlen;

Fig. 3 den Schnitt III-III in Fig. 1 durch die Kugel des Kugelgelenkes, wobei Einzelheiten der Kugel fehlen;

Fig. 4 den Schnitt IV-IV in Fig. 7 durch die Pfanne des Kugelgelenkes eines anderen Ausführungsbeispiels, wobei Einzelheiten der Kugel fehlen;

Fig. 5 einen Aufnehmer, der in einer der Gelenkhälften integriert ist, vorzugsweise wie in Fig. 1 gezeigt, in der Kugel des Kugelgelenkes;

Fig. 6 einen Geber, der in einer der Gelenkhälften integriert ist, vorzugsweise wie in Fig. 1 gezeigt, in der Pfanne des Kugelgelenkes;

Fig. 7 eine zweites Ausführungsbeispiels eines Sensorgeräts gemäß der Erfindung zum Messen der dreidimensionalen Drehung eines Kugelgelenkes;

Fig. 8 einen alternativen Typ eines Aufnehmers, der in einer der Gelenkhälften integriert ist, vorzugsweise wie in Fig. 7 gezeigt, in der Pfanne des Kugelgelenkes;

Fig. 9 einen alternativen Typ eines Gebers, der in einer der Gelenkhälften integriert ist, vorzugsweise wie in Fig. 7 gezeigt, in der Pfanne des Kugelgelenkes;

Fig. 10 ein Prinzipschaltbild eines dritten Ausführungsbei­ spiels eines Sensorgeräts gemäß der Erfindung zum Messen der dreidimensionalen Drehung eines Kugelgelenkes.

Version mit neun Parametern

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Sensorgeräts zum Messen der dreidimensionalen Drehung eines Kugelgelenkes. Das Kugelgelenk 1 umfaßt: eine Pfanne 4, die an einem ersten Armteil befestigt ist, das eine Kugel 5 lagert, die an einem zweiten Armteil 3 befestigt ist. Die Kugel 5 und der damit verbundene Arm 3 sind relativ zur Pfan­ ne um drei orthogonal aufeinander ausgerichtete Achsen beweg­ lich und verwirklichen damit drei Freiheitsgrade. Die mit X, Y und Z bezeichneten Achsen sind der besseren Übersichtlich­ keit wegen oberhalb der Kugel eingezeichnet. Der Schnittpunkt liegt in Wirklichkeit im Mittelpunkt der Kugel.

In der Pfanne sind drei Geber 14, 15 und 16 integriert. Die Geber sind vorzugsweise, wie in Fig. 2 dargestellt, in einem vorgegebenen Abstand ED zueinander in der Pfanne angeordnet, wobei die aktive Komponente des Gebers, die das charakteri­ sierende Signal ausgibt, aus einer Spule 50 besteht, wie in Fig. 6 dargestellt. Jede Spule 50 der Geber 14, 15 und 16 in der Pfanne wird durch einen eigenen Signalgenerator 10, 11 und 12 über Signalleitungen 13 gesteuert, die vorzugsweise so weit wie möglich in 13′ des Arms 2 gekapselt sind.

Jeder Signalgenerator hat eine eindeutige Frequenz. In Fig. 2 gibt jeder Geber ein mit konzentrischen Kreisen dargestelltes Signal ab, dessen Stärke mit zunehmender Entfernung zum Geber abnimmt. In jedem Punkt der Oberfläche der Pfanne liegt ein eindeutiges Verhältnis der Signal stärken von den drei Gebern vor. So ist beispielsweise in den Schnittpunkten 40 und 41 das Verhältnis zwischen den Gebern 15 und 16 gleich, da jedoch das Signal vom Geber 14 im Schnittpunkt 41 ein höheres Signal anzeigt als im Schnittpunkt 40, werden alle Punkte durch ein eindeutiges Verhältnis dargestellt.

Um die Stellung der Kugel erkennen zu können, müssen minde­ stens zwei Aufnehmer in der Kugel des Kugelgelenkes inte­ griert sein. In Fig. 1 sind drei Aufnehmer 20, 21 und 22 in der Kugel nahe an ihrer Oberfläche integriert. Fig. 3 zeigt den Schnitt III-III in Fig. 1, bei dem die Aufnehmer 20, 21 und 22 in einem vorgegebenen Abstand CD zueinander, ähnlich wie die Geber in der Pfanne 4, in der Kugel 5 angeordnet sind. Die aktive Komponente des Aufnehmers, die das von den Gebern ausgegebene Signal empfängt, ist eine in Fig. 5 sche­ matisch dargestellte Spule. Das von jedem Aufnehmer 20 bis 22 aufgenommene Signal wird über Leitungen 23 an jeweils eine Signalverarbeitungseinheit 19 für jeden Aufnehmer übertragen. In Fig. 1 ist nur eine Signalverarbeitungseinheit genauer dargestellt. Jede Signalverarbeitungseinheit enthält drei Bandpaßfilter 24, 25 und 26, die die Signalpegel von jedem der drei Geber ausfiltern. Der Pegel jedes Signals wird dann zum A/D-Wandeln übergeben. Die digitale Darstellung des Signalpegels auf der Leitung 31 könnte beispielsweise der vom Geber 14 an den Aufnehmer 20 übertragene Signalpegel sein, und Leitungen 32 und 33 führen die von den Gebern 15 und 16 an den Aufnehmer 20 übergebenen Signalpegel. Die Signale der Aufnehmer 21 und 22 werden in derselben Weise durch zwei weitere Signalverarbeitungseinheiten verarbeitet. Die digi­ talen Darstellungen 31 bis 33 der Signalpegel der Signal­ verarbeitungseinheit 19 und der beiden zusätzlichen Signal­ verarbeitungseinheiten ergeben insgesamt neun Parameter, die an eine Zentraleinheit 6 geliefert werden, die einen Speicher 7 und eine Spannungsversorgung 8 enthält. Der Speicher 7 ist vorzugsweise vom nichtflüchtigen Typ, der mit den Signalver­ hältnissen der Geber in einer Reihe von Stellungen des Kugel­ gelenkes programmiert ist.

Um bei diesem Ausführungsbeispiel die Stellung eines Kugel­ gelenkes in drei Dimensionen zu bestimmen, sind mindestens zwei Aufnehmer erforderlich, von denen jeder mit einer Signalverarbeitungseinheit 19 verbunden ist. Dies ergibt sechs Parameter oder zwei Signalsätze 31 bis 33. Man kann sagen, daß ein Aufnehmer die Winkellage in X- und Y-Richtung erkennt, wie in Fig. 1 dargestellt, und der zweite Aufnehmer die weitere Drehung um die Z-Achse mißt.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ergibt neun Parameter. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der Sensor auch dann funktionsfähig ist, wenn einer der Aufnehmer außer­ halb des Bereichs des Gebers gelangt, d. h. der Aktionsradius wird vergrößert.

Version mit sechs Parametern

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Sensorgeräts zum Messen der dreidimensionalen Drehung eines Kugelgelenkes. Das Kugelgelenk 1 umfaßt: die Pfanne 4, die an einem ersten Armteil befestigt ist, das die Kugel 5 lagert, die an dem zweiten Armteil 3 befestigt ist. Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist, daß die Kugel 5 mit drei Gebern 70, 71 und 72 ausgestattet ist und die Pfanne 4 zwei Aufnehmer 73 und 74 enthält.

Bei den Gebern 70 bis 72 handelt es sich um Leuchtdioden (LEDs) 52, wie in Fig. 9 dargestellt. Die LEDs werden von einer gemeinsamen Spannungsquelle über eine Leitung 85 ver­ sorgt, die vorzugsweise im Arm 3 gekapselt ist, und jede LED strahlt eine eindeutige Wellenlänge, z. B. gelbes, grünes oder rotes Licht ab. Es besteht auch die Möglichkeit, eine gemein­ same Quelle weißen Lichts vorzusehen, an der drei Farbfilter auf ähnliche Weise wie die LEDs angeordnet sind, die die ge­ wünschten weichen Änderungen der Farbintensität über die Kugeloberfläche erzeugen können.

Die Geber sind in der Nähe des Mittelpunkts der Kugel 5 ange­ ordnet, wobei ein Lichtspalt 53 in einem Winkel gegenüber der Z-Achse in Richtung der Kugeloberfläche weist. Jeder Geber verteilt das Licht auf eine solche Weise über die Kugelober­ fläche, daß seine jeweilige maximale Intensität auf der Ober­ fläche in einem vorgegebenen Abstand zu den anderen Punkten maximaler Intensität liegt, vergleichbar mit dem Abstand ED zwischen den Gebern des ersten Ausführungsbeispiels.

Eine untere Hälfte 87 der Kugel besteht aus einem durchsich­ tigen Material und hat vorzugsweise eine undurchsichtige Oberfläche. Die Lichtintensität jedes der Geber 70 bis 72 nimmt auf der Oberfläche der unteren Kugelhälfte ab dem Punkt mit der maximalen Intensität ab. Jeder Punkt in dieser Ober­ fläche weist also ein eindeutiges Verhältnis der Lichtinten­ sitäten auf.

Die beiden Aufnehmer 73 und 74 sind in der Pfanne des Kugel­ gelenkes integriert. Bei einem alternativen Ausführungsbei­ spiel könnten die Aufnehmer durch drei Phototransistoren ge­ bildet werden, wie in Fig. 8 dargestellt, die jeweils für die von den drei LEDs abgestrahlten spezifischen Wellenlängen empfindlich sind. Die Aufnehmer sind in einem vorgegebenen Abstand CD₂ zueinander angeordnet, wie in Fig. 4 dargestellt.

Ein Aufnehmer mit Phototransistoren 51 bis 53 liefert Aus­ gangssignale 86, 86′ und 86′′, die die jeweilige Lichtinten­ sität jeder Geber-LED darstellen.

Der Aufnehmer kann bei einem anderen alternativen Ausfüh­ rungsbeispiel auch mittels einer optischen Faser 75, wie in Fig. 7 dargestellt, ausgeführt werden. Das Ende der optischen Faser liegt bündig in der Oberfläche der Pfanne 4, und die Faser überträgt die Lichtintensitätsinformation an ein ent­ fernt angeordnetes Lichtsensorgerät 19, das Wellenlängen­ filter 76 bis 78 und Intensitätsmeßeinheiten 79 bis 81 auf­ weist.

Die Intensität eines gefilterten Ausgangs 86 wird gemessen und von einem A/D-Wandler in eine digitale Darstellung ge­ wandelt, und die Lichtintensität wird über eine Leitung 82 vom Geber 70 an den Aufnehmer 73 in der gleichen Weise über­ tragen, wie die digitale Darstellung der Lichtintensität über Leitungen 84 und 84 von den Gebern 71 und 72 an den Aufnehmer 73 übertragen wird.

Der Prozeß des Ausfilterns der gewünschten Wellenlängen kann somit entweder in den Aufnehmern erfolgen, wie in Fig. 8 dar­ gestellt, oder in der entfernt angeordneten Signalverarbei­ tungseinheit 19.

Die digitalen Darstellungen 82 bis 84 der Signalverarbei­ tungseinheit 19 von jedem der beiden Aufnehmer ergeben sechs Parameter, die an die Zentraleinheit 6 geliefert werden, die den Speicher 7 und die Spannungsversorgung 8 enthält. Der Speicher 7 ist vorzugsweise vom nichtflüchtigen Typ, der mit den Signalverhältnissen der Geber in einer Reihe von Stellun­ gen des Kugelgelenkes programmiert ist.

Version mit drei Parametern

Fig. 10 zeigt ein Prinzipschaltbild der Schaltungslösung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorgeräts zum Messen der dreidimensionalen Drehung eines Kugelgelenkes 1, bei dem die Aufnehmer und Geber Spulen sind, die in Pfanne und Kugel des Kugelgelenkes gemäß Fig. 1 inte­ griert sind. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel erzeugen drei Geberspulen 60, 60′ und 60′′ ein rotierendes Magnetfeld 99, das von der Aufnehmerspulen 61, 61′ und 61′′ aufgenommen wird. Die drei Geberspulen werden vorzugsweise durch einen dreiphasigen sinusförmigen Strom von 1000 Hz mit einem Pha­ senversatz von 120° zwischen den Phasen erregt. Die drei Spu­ len in jeder Hälfte des Gelenkes sind vorzugsweise in einer orthogonalen Ebene zur axialen Richtung des jeweiligen Ge­ lenkarms 2 und 3 angeordnet, wobei die Spulenachsen in einem Winkel von jeweils 120° zueinander in dieser Ebene liegen.

Ein Systemtaktgeber OSC/90 mit beispielsweise 100 MHz taktet einen 16-Bit-Zähler 95 und einen vorgeteilten 12-Bit-Zähler 92, der über ein EPROM 93, das eine Sinus-Nachschlagetabelle enthält, drei D/A-Wandlern 94 kontinuierlich Daten liefert, um die dreiphasigen Sinuswellenformen an den Ausgängen 94′, 94′′ und 94′′′ zu erzeugen, die mit Verstärkern 62′, 62′′ und 62′′′ verbunden sind, die Geberspulen 60′, 60′′ und 60′′′ treiben.

Aufnehmerspulen 61′, 61′′ und 61′′′ sind jeweils mit einem schnellen Komparator zum Erkennen des Nulldurchgangs des in der Aufnehmerspule induzierten Stroms verbunden. Diese Kom­ paratoren aktivieren wiederum mit ihren Ausgängen gekoppelte Zwischenspeicher 96, 97 und 98, die den Inhalt des Zählers 95 speichern. Dieser Zähler ist mit der Sinuswelle synchroni­ siert, die mittels eines Synchronisierungssignals SY an die Geberspulen gelegt wird. Der momentane Phasenversatz der Auf­ nehmerspulen 61′ bis 61′′′ kann an Ausgängen A, B und C durch einen geeigneten Mikroprozessor, der der Zentraleinheit 6 der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 7 entspricht, erfaßt und weiter analysiert werden, um die Stellung des Kugelgelenkes zu bestimmen. Die Teile 93, 94, 94′ bis 94′′′ sowie 62′ bis 62′′′ bilden eine Signalgeneratoreinheit, die ein für jeden Geber eindeutiges Signal, hier einen Phasenversatz, erzeugt. Die Signalverarbeitungseinheit 19′, die mit jedem Aufnehmer 61′ bis 61′′′ verbunden ist, umfaßt die Teile 63′ bis 63′′′ und 96 bis 98.

Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß es nicht et­ liche Filter und Verstärker umfaßt, die hohe Anforderungen an die absolute Genauigkeit stellen. Ein Nachteil besteht darin, daß die Möglichkeit gleicher oder nahezu gleicher Ausgangs­ informationen von den Aufnehmern in mehr als einer körperli­ chen Stellung des Kugelgelenkes vorliegen können, die der nachgeschaltete Signalprozessor verarbeiten muß, vor allem, wenn von einer unbekannten Stellung aus gestartet wird. Die körperlichen Stellungen, in denen dies eintreten kann, sind jedoch voneinander getrennt, und durch Positionieren des Ge­ lenkes in einer oder mehreren Extrempositionen des Aktions­ radius beim Einschalten kann ein intelligenter Suchalgorith­ mus die wirkliche Stellung des Gelenkes wählen und verfolgen. Das Problem kann durch Optimieren der Größe, der Spulenanord­ nung und des Aktionsradius minimiert werden.

Kalibrieren des Sensors

Durch Koppeln des Kugelgelenkes mit einem herkömmlichen Ro­ boter, der das Kugelgelenk in allen drei Achsen betätigen kann, kann das Signalverhältnis von den Aufnehmern erfaßt werden, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 7, oder der Phasenversatz, wie bei dem in Fig. 10 dargestellten Aus­ führungsbeispiel. Der Roboter bewegt das Kugelgelenk in bei­ spielsweise 100 × 100 × 100 (X × Y × Z) Stellungen und spei­ chert dann das Signalverhältnis oder den Phasenversatz jeder Stellung in einem nichtflüchtigen Speicher. Das Ergebnis ist eine empirisch festgelegte Tabelle, die die Beziehungen zwi­ schen 1.000.000 Stellungen und 1.000.000 Satz Sensormeßdaten enthält. Die Hauptaufgabe der Zentraleinheit 6 besteht darin, die Eingangsdaten des Sensors mit den Daten der im Speicher 7 gespeicherten Tabelle zu vergleichen. Um eine gute Auflösung aufrechtzuerhalten, kann zwischen den in der Tabelle gefunde­ nen am nächsten beieinanderliegenden Werten eine lineare In­ terpolation vorgenommen werden.

Dieses Verfahren, eine für den Sensor spezifische Tabelle der Signalverhältnisse oder des Phasenversatzes zu erstellen, in­ dem der Sensor mittels eines Roboters bewegt wird, hat den großen Vorteil, daß physikalische Fehler im Sensorsystem, z. B. Toleranzabweichungen bei der Anordnung der Geber und Aufnehmer in der Kugel oder der Pfanne, kompensiert werden. Allerdings muß der Speicher eine relativ große Kapazität von mindestens 6 Megabyte bei einer Version mit drei Parametern und 100 × 100 × 100 Tabellenstellungen haben.

Die Tabellensuche bei Anpassung eines erkannten Signalver­ hältnisses oder Phasenversatzes ergibt eine körperliche Stel­ lung des Kugelgelenkes (X, Y, Z), die in einer geeigneten Weise am Ausgang 9 bereitgestellt wird. Die gemeldete Posi­ tion kann dann als Rückkopplungsinformation in einer Servo­ regelschleife für die drei Achsen des Kugelgelenkes verwendet werden.

Bei den in Fig. 1 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen wird vorzugsweise das Verhältnis zwischen den Signalen und nicht der absolute Signalpegel gespeichert. Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel mit LEDs, die beispiels­ weise rotes, grünes oder blaues Licht abstrahlen, werden die Intensitätsverhältnisse rot/blau, blau/gelb und gelb/rot ge­ speichert. Damit werden Schwankungen der Übertragungslei­ stung zwischen den Gebern und den Aufnehmern kompensiert.

Andere Modifikationen

Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche auf verschiedene Weise geändert werden. So können beispielsweise die Geber in der Pfanne (Fig. 1) oder in der Kugel (Fig. 7) und die Auf­ nehmer in der jeweils anderen Gelenkhälfte angeordnet werden.

In jeder Gelenkhälfte sind stets mindestens zwei Aufnehmer und Geber vorzusehen, wobei die Anzahl entweder der Aufnehmer oder der Geber um eins erhöht werden kann. Diese Kombination aus Gebern/Aufnehmern im Verhältnis 3 : 2 oder 2 : 3 reicht aus, die erforderlichen Daten zum Messen der Stellung abzuleiten, wenn die in Fig. 1 oder 7 dargestellten Verfahren angewendet werden. Ein Sensor mit zwei Gebern und drei Aufnehmern ist nicht dargestellt, könnte jedoch ähnlich wie das Ausführungs­ beispiel in Fig. 7 arbeiten.

Bei Verwendung des Phasenversatzes, wie in Fig. 10 gezeigt, beträgt die Mindestanzahl drei Geber und drei Aufnehmer.

Es ist nicht unbedingt notwendig, die Geber und Aufnehmer in vorgegebenen gleichen Abständen zueinander anzuordnen, da die Stellung mittels einer empirisch erstellten Tabelle gemessen wird. Es ist jedoch vorteilhaft, die Abstände zwischen den Gebern und den Aufnehmern zu vergrößern, da die Auflösung ab­ nimmt, wenn diese Abstände kleiner werden.

Die Leitungen 23, 85, die im Arm 3 gekapselt sind, können vorzugsweise an der Außenseite des Kugelgelenkes zurückge­ führt werden. An der Außenseite verlegte Leitungen können durch eine elastische Schutzabdeckung geschützt werden.

Die als Pfanne und Kugel beschriebenen Teile können in ande­ ren Gelenkkonstruktionen, z. B. Rollengelenken, durch die ihnen entsprechenden Teile ersetzt werden. Die als Pfannen- und Kugeloberfläche beschriebenen Teile können durch Geber und Aufnehmer ersetzt werden, die in anderen Gelenktypen abstandsgleich angeordnet sind.

In dem Fall, in dem die Geber und Aufnehmer Spulen sind, ist es nicht unbedingt erforderlich, daß sie in unmittelbarer Nähe der Oberflächen der Gelenkteile angeordnet sind. Die Spulen können bei diesen Ausführungsbeispielen in Richtung des Kugelmittelpunktes oder des Mittelpunktes des Pfannen­ körpers angeordnet sein, und um einen maximalen Signalaus­ gang für einen gegebenen Versatz zu erhalten, sollten die Spulen so nah wie möglich an der Oberfläche der Kugel 17 angeordnet sein, da dies die größte relative Bewegung zwi­ schen Geber und Aufnehmer gestattet. Die Lage der Spulen in der Pfanne hängt hauptsächlich von den durch die Größe der Pfanne gegebenen physikalischen Einschränkungen ab. Die Spulen sind vorzugsweise auf einer Kugel angeordnet, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Gelenkkugel zusammen­ fällt. Um die körperlichen Abmessungen des vollständigen Gelenkes zu minimieren, die Anforderungen an die Signalstärke zu minimieren und die Auflösung zu maximieren, sind die Auf­ nehmer vorzugsweise auf einer ersten Kugel angeordnet, deren Mittelpunkt mit dem Drehmittelpunkt des Gelenkes zusammen­ fällt, und die Geber sind auf einer zweiten Kugel angeordnet, deren Drehmittelpunkt ebenfalls mit dem Drehmittelpunkt des Gelenkes zusammenfällt, und die Kugeloberflächen fallen mit den entsprechenden Gleitflächen 17, 18 des Kugelgelenks zu­ sammen.

Es ist jedoch nicht erforderlich, daß die in der Pfanne inte­ grierten Aufnehmer- oder Geberspulen auf einer Kugel angeord­ net sind, deren Mittelpunkt mit dem Drehmittelpunkt des Ge­ lenkes zusammenfällt. Die in der Pfanne integrierten Aufneh­ mer- oder Geberspulen können beispielsweise in einer Ebene angeordnet sein, die orthogonal zu dem mit der Pfanne ver­ bundenen Arm 2 liegt. Durch Anordnen der Spulen so nah wie möglich an den Gleitflächen 18 wird die körperliche Gesamt­ größe des Gelenkes minimiert.

Bei den Spulen enthaltenden Ausführungsbeispielen bestehen Kugel und Pfanne des Gelenkes vorzugsweise aus einem nicht­ magnetischen Material, z. B. aus einem Polymermaterial, wobei auf allen Gleitflächen ein reibungsarmer, verschleißfester Film aufgebracht ist. Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel mit den in der Kugel angeordneten LEDs besteht die untere Hälfte der Kugel aus einem durchsichtigen oder un­ durchsichtigen Material und ist mit der aus einem beliebigen Material bestehenden oberen Hälfte z. B. verklebt.

Es ist ebenfalls möglich, einen Aufnehmertyp in dem Kugel­ gelenk zu integrieren, bei dem ein nutierendes Magnetfeld verwendet wird, wie in der US,A,3983474 oder der US,A,4017858 beschrieben. Dieser Typ Anordnung gestattet die dreidimensio­ nale Erfassung der Stellung zwischen drei in der Kugel be­ findlichen Geberspulen und drei in der Pfanne befindlichen Aufnehmerspulen. Die Spulen sind um einen gemeinsamen Mittel­ punkt zueinander orthogonal, anstatt in einem vorgegebenen Abstand zueinander, angeordnet. Es ist möglich, auf eine der Geberspulen zu verzichten, da die US,A,3983474 oder die US,A,4017858 auch den Richtungsvektor zwischen den Geber- und Aufnehmerspulensätzen, der hier eine Konstante ist, erfaßt. Der Nachteil dieser Lösung für eine Anwendung auf Kugelge­ lenke ist beispielsweise die Empfindlichkeit gegenüber magne­ tischen Störungen, z. B. wird ein metallischer Gegenstand in der Nähe des Gelenkes die Stellungsanzeige beeinträchtigen. Die in Fig. 1 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiele, die Spulen verwenden, haben gegenüber Störungen eine höhere Un­ empfindlichkeit, da der Abstand zwischen den Spulen minimal ist, wodurch auch der Luftspalt minimiert wird.

Claims (9)

1. Einrichtung zum Messen der dreidimensionalen Bewegung eines Kugelgelenkes (1) um drei zueinander orthogonale Achsen (X, Y, Z), wobei das Gelenk zwei Gelenkhälften, bestehend aus einer Kugel (5) und einer die Kugel lagernden Pfanne (4) um­ faßt, die relativ zueinander um die drei orthogonalen Achsen beweglich sind, die mit dem Kugelgelenk einen gemeinsamen Mittelpunkt haben,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - mindestens zwei Geber (14, 15/70, 71) in einem vorgege­ benen Abstand (ED) zueinander in einer ersten Hälfte (4 oder 5) und mit dieser drehend angeordnet sind, mindestens zwei Aufnehmer (20, 21/73, 74) in einem vorgegebenen Abstand (CD) zueinander in einer zweiten Hälfte (4 oder 5) und mit dieser drehend angeordnet sind, und mindestens ein dritter Geber (16/72) oder Aufnehmer (22) in einem vorgegebenen Abstand (ED/CD) zu den beiden Gebern oder Aufnehmern in derselben Gelenkhälfte angeordnet ist;
• - entsprechende Geber (14-16/70-72/60′-60′′′) mit einer Signalgeneratoreinheit (10, 11, 12/8, 52/67) verbunden sind, die für jeden Geber eine eindeutige Signalcharakteri­ stik erzeugt;
• - jeder Aufnehmer (20-22/73, 74/61′-61′′′) mit einer Signalverarbeitungseinheit (19/19′/73′) verbunden ist, die den Einfluß des entsprechenden Gebers auf den Aufnehmer er­ faßt; und
• - die Signalcharakteristik des Gebers z. B. bezogen auf die Frequenz, Wellenlänge oder den Phasenversatz und der Einfluß des Gebers auf einen Aufnehmer bezogen auf die betreffende Einheit erfaßt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber Lichtquellen (70, 71, 72) verschiedener Wellenlän­ gen sind und jeder Aufnehmer (73, 74) eine Anzahl Sensoren umfaßt, von denen jeder das Licht einer Geberwellenlänge er­ faßt, wobei die Anzahl der Wellenlängen gleich ist der Anzahl der Geber.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber Leuchtdioden (52) sind, die Licht verschiedener Wellenlänge abgeben, z. B. rotes, grünes oder gelbes Licht, und die Aufnehmer eine der Anzahl der Geber entsprechende An­ zahl Phototransistoren (51-53) umfassen, wobei jeder Photo­ transistor nur auf eine Geberwellenlänge anspricht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber Sender (14, 15, 16) mit eindeutigen Frequenzen sind und die Aufnehmer Empfänger (20, 21, 22) sind, von denen jeder die von den Sendern übertragenen Frequenzen empfängt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Geber eine aus einem fadenförmigen Leiter gewickelte Spule (50) ist, die mit ihrem Frequenzgenerator (10, 11, 12) verbunden ist, der für jeden Geber eine eindeutige Frequenz sendet, und jeder Aufnehmer eine entsprechende Spule (51) ist, die mit einer Bandpaßfiltereinheit (24, 25, 26) verbun­ den ist, die aus dem Aufnehmer-Spulensignal die individuelle von jedem Geber gesendete Frequenz ausfiltert.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber Spulen (60′, 60′′, 60′′′) sind, die von einem Genera­ tor (93, 94) getrieben werden, der eine Anzahl sinusförmiger elektrischer Einheiten (Spannung oder Strom) erzeugt, bei der jeder Ausgang einen Phasenversatz relativ zu den anderen Aus­ gängen hat, bei der die Anzahl der ein rotierendes Magnetfeld (99) erzeugenden Geber in einer Gelenkhälfte mindestens drei ist und bei der die Anzahl der Aufnehmer (61′, 61′′, 61′′′) in der anderen Gelenkhälfte mindestens drei ist, wobei jeder Aufnehmer den Phasenversatz des rotierenden Magnetfeldes in dem Punkt erfaßt, in dem sich jeder Aufnehmer befindet.

7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer auf der Oberfläche (17/18) einer ersten Kugel angeordnet sind, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Kugelgelenkes zusammenfällt, und die Geber auf der Oberfläche (18/17) einer zweiten Kugel angeord­ net sind, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Kugel­ gelenkes zusammenfällt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Kugel (17/18) mit der Gleitfläche des Kugelgelenkes zusammenfallen.

9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheiten (19/19′/73′) ihre Ausgänge an einen Prozessor (86) liefern, in dem kontinuierlich ein Vergleich zwischen Ausgangskombi­ nationen und einer Tabelle im Speicher (7) erfolgt, die vor­ gegebene Daten über die Beziehung zwischen den Ausgangsdaten der Signalverarbeitungseinheit und den körperlichen Sensor­ stellungen enthält, um die Stellung des Kugelgelenkes (1) zu bestimmen.