DE102010008985A1

DE102010008985A1 - Tracing device i.e. marker, for movement-tracing of finger limb in human hand, has reflection elements arranged at distance to each other to determine position and orientation of human limb to be traced in simultaneous manner

Info

Publication number: DE102010008985A1
Application number: DE201010008985
Authority: DE
Inventors: Agneta 80802 Gustus
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-06-30

Abstract

The device has a base element (10) connected with a human limb to be traced. Reflection elements (32) are connected with the base element. The reflection elements are arranged at a distance to each other to determine position and orientation of a human limb to be traced in a simultaneous manner. The reflection elements are designed in a complete spherical manner and comprise two semi-spherical elements (32), which are connected with each other by adhesion. The reflection elements are connected with the base element via an intermediate element (18).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bewegungs-Nachverfolgung, insbesondere von menschlichen Gliedmaßen, bei Roboterhänden oder anderen, insbesondere kleinen und feingliedrigen Vorrichtungen.The invention relates to a device for tracking movement, in particular of human limbs, robotic hands or other, in particular small and delicate devices.

Grundsätzlich wird zwischen aktivem und passivem ”Motion Tracking”, d. h. dem Nachverfolgen von Bewegungen, unterschieden. Beim aktiven ”Motion Tracking” werden Licht oder andere Signal entsendende Marker an den nachzuverfolgenden Vorrichtungen positioniert. Dies ist bei sehr feingliedrigen und kleinen Vorrichtungen, insbesondere bei der menschlichen Hand, nicht möglich, bzw. führt zu ungenauen Ergebnissen. Beim passiven ”Motion Tracking” werden an den nachzuverfolgenden Gliedmaßen reflektierende Marker angeordnet. Um im dreidimensionalen Raum die Nachverfolgung durchführen zu können, werden üblicherweise vollsphärische Marker verwendet. Von diesen Markern reflektiertes Licht kann von Kameras aufgenommen werden. Durch geeignete Bildverarbeitung ist es möglich, den Mittelpunkt der Reflexion als Mittelpunkt des vollsphärischen Markers zu bestimmen. Bei ebenfalls bekannten halbsphärischen oder flächigen Markern wäre eine derartige Berechnung nicht möglich.Basically, there is a distinction between active and passive "motion tracking", ie. H. the tracking of movements, distinguished. Active Motion Tracking positions light or other signal-emitting markers on the devices to be tracked. This is not possible with very delicate and small devices, in particular in the human hand, or leads to inaccurate results. In passive motion tracking, reflective markers are placed on the limbs to be tracked. Full-spherical markers are commonly used to perform tracking in three-dimensional space. Light reflected by these markers can be captured by cameras. By suitable image processing, it is possible to determine the center of the reflection as the center of the full-spherical marker. In likewise known hemispherical or areal markers such a calculation would not be possible.

Bekannte vollsphärische Marker weisen jedoch einen relativ großen Durchmesser auf, sodass diese für das passive ”Motion Tracking” von kleinen oder feingliedrigen Vorrichtungen, insbesondere von menschlichen Gliedmaßen wie der menschlichen Hand, nicht geeignet sind. Erhältliche vollsphärische Marker weisen einen Durchmesser von mindestens 12 mm auf.However, known solid spherical markers have a relatively large diameter, so that they are not suitable for the passive "motion tracking" of small or delicate devices, in particular of human limbs such as the human hand. Available full spherical markers have a diameter of at least 12 mm.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bewegungs-Nachverfolgung zu schaffen, die insbesondere im dreidimensionalen Raum für die Bewegungsnachverfolgung kleiner, feingliedriger Vorrichtungen geeignet ist. Vorzugsweise ist es Aufgabe der Erfindung einen Marker zum dreidimensionalen ”Motion Tracking” von menschlichen Gliedmaßen wie Händen zu schaffen.The object of the invention is to provide a movement tracking device which is particularly suitable in three-dimensional space for the tracking of small, slender devices. It is preferably an object of the invention to provide a marker for the three-dimensional "motion tracking" of human limbs such as hands.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bewegungs-Nachverfolgung, bei der es sich insbesondere um einen Marker zum passiven ”Motion Tracking” im dreidimensionalen Raum handelt, weist ein Basiselement auf, das mit dem nachzuverfolgenden Element wie einer menschlichen Gliedmaße verbindbar ist. Das Basiselement ist mit mehreren Reflexionselementen verbunden. Die einzelnen Reflexionselemente sind in einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet, sodass gleichzeitig eine Positionsbestimmung sowie eine Orientierungsbestimmung des nachverfolgten Elementes vorgenommen werden kann. Dies ist möglich da die einzelnen Reflexionselemente in einer festen räumlichen Anordnung zueinander vorgesehen sind und sodann mit Hilfe von Bildverarbeitungsprogrammen die Reflexion eines einzelnen Markers ermittelt und berechnet werden kann.The movement tracking device according to the invention, which is in particular a marker for passive "motion tracking" in three-dimensional space, has a base element that can be connected to the element to be tracked, such as a human limb. The base element is connected to a plurality of reflection elements. The individual reflection elements are arranged at a spatial distance from each other, so that at the same time a position determination and an orientation determination of the tracked element can be made. This is possible because the individual reflection elements are provided in a fixed spatial arrangement to one another and then the reflection of a single marker can be determined and calculated with the aid of image processing programs.

Besonders bevorzugt ist es hierbei als Reflexionselemente im Wesentlichen sphärisch ausgebildete Reflexionselemente vorzusehen. Da bekannte vollsphärische Reflexionselemente einen großen Durchmesser aufweisen und daher nur bedingt geeignet sind, sind die sphärischen Reflexionselemente bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung aus zwei halbsphärischen Elementen zusammengesetzt. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die Herstellung halbsphärischer Elemente einfacher ist. So können halbsphärische Elemente mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm, insbesondere als 3 mm hergestellt werden. Die beiden halbsphärischen Elemente sind zur Erstellung eines vollsphärischen Elements, beispielsweise durch Verkleben miteinander verbunden.In this case, it is particularly preferable to provide substantially spherically formed reflection elements as reflection elements. Since known full-spherical reflection elements have a large diameter and are therefore only of limited suitability, the spherical reflection elements in a particularly preferred development of the invention are composed of two hemispherical elements. This has the significant advantage that the production of semispherical elements is simpler. Thus, hemispherical elements with a diameter of less than 5 mm, in particular as 3 mm can be produced. The two hemispherical elements are connected to form a full spherical element, for example by gluing together.

Bei der bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Reflexionselemente über insbesondere stabförmige Zwischenelemente mit dem Basiselement verbunden. Hierbei ist das Reflexionselement vorzugsweise an dem freien Ende des Zwischenelements angeordnet. Die Befestigung erfolgt wiederum vorzugsweise durch Kleben. Die entsprechende Vollsphäre wird in bevorzugter Ausführungsform mit dem dünnen Stab aufgestochen, um möglichst viel Reflektorfläche zu erhalten.In the preferred embodiment of the invention, the reflection elements are connected via particular rod-shaped intermediate elements with the base element. In this case, the reflection element is preferably arranged at the free end of the intermediate element. The attachment is again preferably by gluing. The corresponding full sphere is pierced in a preferred embodiment with the thin rod in order to obtain as much reflector surface.

Das Basiselement, das beispielsweise würfelförmig ausgebildet ist, weist in bevorzugter Ausführungsform mehrere ebene Verbindungsflächen auf. Über die Verbindungsflächen können die Zwischenelemente mit dem Basiselement verbunden werden. Bei einer ebenen Ausgestaltung der Verbindungsflächen ist es auf einfache Weise möglich, die Zwischenelemente beispielsweise durch Kleben mit diesen zu verbinden. Hierzu weisen die in Richtung des Basiselements weisenden Enden der Zwischenelemente vorzugsweise eine ebene Fläche auf. Zur Vergrößerung der Klebefläche kann der Querschnitt des Zwischenelements in Richtung des Basiselements sich erweiternd bzw. vergrößernd ausgebildet sein.The base element, which is cube-shaped, for example, has a plurality of planar connecting surfaces in a preferred embodiment. Via the connecting surfaces, the intermediate elements can be connected to the base element. In a planar embodiment of the connecting surfaces, it is possible in a simple manner to connect the intermediate elements, for example by gluing with these. For this purpose, the pointing in the direction of the base element ends of the intermediate elements preferably have a flat surface. To increase the adhesive surface, the cross section of the intermediate element in the direction of the base element can be widening or enlarging.

Ebenso ist es möglich, die Zwischenelemente durch Schraubverbindungen mit dem Basiselement zu verbinden. Hierbei ist es bevorzugt, dass das Basiselement Ausnehmungen bzw. Bohrungen mit Innengewinde aufweist. Die Zwischenelemente weisen bei dieser Ausführungsform sodann im Wesentlichen zylindrisch ausgebildete Endstücke bzw. Verbindungsteile mit Außengewinde auf. Das Vorsehen von einschraubbaren Zwischenelementen hat den Vorteil, dass einzelne Zwischenelemente auf einfache Weise ausgewechselt werden können. Dies ist beispielsweise bei Beschädigung einzelner Zwischenelemente vorteilhaft. Auch ist es hierdurch möglich auf einfache Weise unterschiedliche Marker mit einer unterschiedlichen Anzahl und/oder unterschiedlich räumlich angeordneten Reflexionselementen auf einfache Weise auszugestalten.It is also possible to connect the intermediate elements by screw with the base element. Here, it is preferred that the base element has recesses or bores with internal thread. The intermediate elements then have substantially cylindrically shaped end pieces or connecting parts with external thread in this embodiment. The The provision of screw-in intermediate elements has the advantage that individual intermediate elements can be exchanged in a simple manner. This is advantageous, for example, if individual intermediate elements are damaged. It is also possible in a simple manner to design different markers with a different number and / or differently spatially arranged reflection elements in a simple manner.

Zur Verbindung der stabförmigen Zwischenelemente mit dem Basiselement ist es auch möglich, lediglich zylindrische Bohrungen in dem Basiselement vorzusehen, in die zylindrische Ansätze der Zwischenelemente eingesteckt werden. Eine Verbindung kann hierbei durch Klemmen oder auch durch Verkleben erfolgen. Die vorzugsweise sternförmig vom Basiselement weg weisenden Reflexionselemente sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform derart angeordnet, dass mindestens zwei Reflexionselemente zueinander einen Winkel von 90° aufweisen.For connecting the rod-shaped intermediate elements to the base element, it is also possible to provide only cylindrical bores in the base element into which cylindrical projections of the intermediate elements are inserted. A connection can be made by clamping or by gluing. The reflection elements, which preferably point in a star shape away from the base element, are arranged in a particularly preferred embodiment such that at least two reflection elements have an angle of 90 ° to one another.

Baut man die Reflexionselemente in unterschiedlichen Winkeln vom Basiselement, können unike erfindungsgemäße Marker-Vorrichtungen hergestellt werden, die das Tracking-System automatisch voneinander unterscheiden kann. Dies ist insbesondere bei einer großen Anzahl an erfindungsgemäßen Marker-Vorrichtungen vorteilhaft, da einerseits die Auswertung leichter ist, andererseits eine unmittelbare Zuordnung bzw. Identifizierung der einzelnen Marker-Vorrichtungen automatisch erfolgen kann. Die Marker-Vorrichtungen, bei denen sämtliche Winkel 90° aufweisen, stellen einen einfachen Typ dar, da dies in der Herstellung sowie in der Definition einfach ist und eine gute Volumenabdeckung aufweist.By constructing the reflection elements at different angles from the base element, it is possible to produce unique marker devices according to the invention, which can automatically distinguish the tracking system from one another. This is particularly advantageous in the case of a large number of marker devices according to the invention, since on the one hand the evaluation is easier, on the other hand an immediate assignment or identification of the individual marker devices can take place automatically. The marker devices, where all angles are 90 °, are a simple type because it is simple to manufacture and define and has good volume coverage.

Zum Verbinden des Basiselements mit dem nachzuverfolgenden Element wie einem Fingerglied einer menschlichen Hand ist das Basiselement mit einem Halteelement verbunden. Dies kann im Wesentlichen entsprechend der Zwischenelemente ausgebildet und/oder mit dem Basiselement verbunden sein. Die Verbindung mit dem nachzuverfolgenden Element erfolgt beispielsweise durch Aufkleben.For connecting the base element to the tracked element, such as a finger member of a human hand, the base element is connected to a holding element. This can essentially be designed in accordance with the intermediate elements and / or connected to the base element. The connection with the traceable element is done for example by sticking.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings.

Die Figur zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bewegungs-Nachverfolgung.The figure shows a schematic, perspective view of a device according to the invention for tracking motion.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Basiselement 10 eine Vielzahl ebener Flächen 12, 14, und 16 auf. Hierbei sind die Flächen 16 entsprechend Würfelflächen jeweils in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Die Flächen 12 entsprechen abgeschrägten Verbindungsflächen und die Flächen 16 abgeschrägten Ecken eines Würfels. Es ist möglich, mit sämtlichen dieser Flächen 12, 14, 16 stabförmige Zwischenelemente 18 beispielsweise durch Verkleben zu verbinden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist mit jeder Hauptfläche 16 jeweils ein stabförmiges Zwischenelement 18 verbunden, wobei an einer unteren Fläche 16 ein ebenfalls stabförmiges Halteelement 20 angeordnet ist. Die einzelnen stabförmigen Elemente 18 erweisen im dargestellten Ausführungsbeispiel einen in Richtung des Basiselements 10 weisenden zylindrischen Ansatz 22 auf. An die zylindrischen Ansätze 22 schließt sich ein konischer Übergangsbereich 24 und an diesen ein stabförmiges zylindrisches Element 26. Der zylindrische Bereich 22 hat beispielsweise einen Durchmesser von 3 mm und der zylindrische Bereich 26 von ca. 1 mm. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zylindrische Bereich 22 mit einem Außengewinde versehen. Das Außengewinde kann zur Befestigung des stabförmigen Zwischenelements 18 in ein Innengewinde einer in dem Basiselement vorgesehenen Ausnehmung 28 eingeschraubt werden. Das Basiselement 10 kann entsprechend in eine Ausnehmung 28 mit Innengewinde eingeschraubt werden, wobei es sich bei dem Halteelement 20 um ein vorzugsweise über die gesamte Länge erstrecktes zylindrisches Element mit konstantem Durchmesser handelt.In the illustrated embodiment, the base member 10 a variety of flat surfaces 12 . 14 , and 16 on. Here are the surfaces 16 according to cube surfaces each arranged at an angle of 90 ° to each other. The surfaces 12 correspond to beveled connecting surfaces and the surfaces 16 bevelled corners of a cube. It is possible with all these surfaces 12 . 14 . 16 rod-shaped intermediate elements 18 For example, connect by gluing. In the illustrated embodiment, with each major surface 16 in each case a rod-shaped intermediate element 18 connected, taking on a lower surface 16 a likewise rod-shaped retaining element 20 is arranged. The single rod-shaped elements 18 prove in the illustrated embodiment, one in the direction of the base member 10 pointing cylindrical approach 22 on. To the cylindrical approaches 22 closes a conical transition area 24 and at this a rod-shaped cylindrical member 26 , The cylindrical area 22 For example, has a diameter of 3 mm and the cylindrical area 26 of about 1 mm. In the illustrated embodiment, the cylindrical area 22 provided with an external thread. The external thread can be used to attach the rod-shaped intermediate element 18 in an internal thread of a recess provided in the base element 28 be screwed. The basic element 10 can suitably in a recess 28 be screwed with internal thread, wherein it is at the holding element 20 is a cylindrical, preferably constant-length, constant diameter element.

Mit den vom Basiselement 10 weg weisenden Enden 30 der Zwischenelemente 18 sind diese jeweils mit einem Reflexionselement 32 verbunden. Das Reflexionselement 32 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Halbsphären 34 die durch Verkleben zu einer Vollsphäre zusammengefügt sind. Die abgebildeten vollsphärischen Reflexionselemente 32 sind mit dem Ende 30 der Zwischenelemente 18 durch Verkleben verbunden. Hierbei weisen die Enden 30 vorzugsweise eine konkave Fläche auf, deren Krümmung der Krümmung der zylindrischen Reflexionselemente 32 entspricht. Über das Halteelement 20 kann der erfindungsgemäße 3D-Marker mit dem nachzuverfolgenden Element wie einem Glied einer menschlichen Hand verbunden werden. Der Marker wird vorzugsweise durch Infrarot-Strahlung beleuchtet. Die entstehenden Reflexionen werden von Kameras erfasst und über Bildverarbeitungsprogramme derart verarbeitet, dass die Mittelpunkte der vollsphärischen Reflexionselemente 32 ermittelt werden. Da die Lage der Reflexionselemente 32 zueinander definiert ist, kann hierdurch auf einfache Weise sowohl die Position als auch die Orientierung der entsprechenden Gliedmaßen bestimmt werden.With the base element 10 pointing away ends 30 the intermediate elements 18 These are each with a reflection element 32 connected. The reflection element 32 consists in the illustrated embodiment of two half spheres 34 which are joined by gluing into a full sphere. The pictured solid-spherical reflection elements 32 are with the end 30 the intermediate elements 18 connected by gluing. Here are the ends 30 Preferably, a concave surface whose curvature of the curvature of the cylindrical reflection elements 32 equivalent. About the retaining element 20 For example, the 3D marker according to the invention can be connected to the element to be tracked, such as a limb of a human hand. The marker is preferably illuminated by infrared radiation. The resulting reflections are captured by cameras and processed via image processing programs such that the centers of the fully spherical reflection elements 32 be determined. Because the location of the reflection elements 32 is defined to each other, thereby both the position and the orientation of the corresponding limbs can be determined in a simple manner.

Claims

Device for tracking movement, in particular of human limbs, with a base element that can be connected to the element to be traced ( 10 ) and several with the base element ( 10 ) connected reflection elements ( 32 ), wherein the reflection elements ( 32 ) are arranged at a spatial distance from one another in order to simultaneously be able to carry out a position determination and orientation determination of the element to be tracked.

Motion tracking device according to claim 1, characterized in that the reflection elements ( 32 ) are formed substantially full spherical.

Motion tracking device according to claim 1 or 2, characterized in that the reflection elements ( 32 ) of two hemispherical elements ( 32 ), which are preferably joined together by gluing.

Motion tracking device according to any one of claims 1-3, characterized in that the reflection elements ( 32 ) via rod-shaped intermediate elements ( 18 ) with the base element ( 10 ) are connected.

Motion tracking device according to claim 4, characterized in that the rod-shaped intermediate elements ( 18 ) one in the direction of the base element ( 10 ) having a connecting surface whose surface shape substantially the surface shape of a connecting surface ( 12 . 14 . 16 ) of the base element ( 10 ), in order in particular to be connected by gluing.

Motion tracking device according to claim 4 or 5, characterized in that the rod-shaped intermediate elements ( 18 ) a cylindrically shaped connecting part ( 22 ) for insertion into a recess ( 28 ) exhibit.

Motion tracking device according to claim 6, characterized in that the connecting parts ( 22 ) an external thread for screwing into an internally threaded recess ( 28 ) exhibit.

Motion tracking device according to any one of claims 4-7, characterized in that the intermediate elements ( 18 ) star-shaped from the base element ( 10 ) point away.

Motion tracking device according to any one of claims 1-7, that at least two reflection elements ( 32 ) have an angle of 90 ° to each other, in particular each reflection element ( 32 ) to all adjacent reflection elements ( 32 ) each having an angle of 90 °.

Motion tracking device according to any one of claims 1-9, characterized by a retaining element ( 20 ) for connection to the element to be followed, which corresponds to an intermediate element ( 18 ) with the base element ( 10 ) connected is.