DE102013004692B4

DE102013004692B4 - 3D-Eingabegerät mit einem zusätzlichen Drehregler

Info

Publication number: DE102013004692B4
Application number: DE102013004692.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gombert
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: US10133359B2; CN105190490B; CN105190490A; KR20150131381A; US20160062475A1; WO2014146929A1; DE102013004692A1; JP2016519813A

Abstract

3D-Eingabegerät (1) zum Steuern der Position eines Objekts (8, 14) entlang einer Bewegungsbahn (18) im Raum, umfassend ein manuell bedienbares 3D-Eingabeelement (3), an dem translatorische und / oder rotatorische Steuervorgaben in sechs Freiheitsgraden, nämlich in bzw. um drei Raumkoordinaten, vorgegeben werden können, einen zusätzlichen Drehregler (4), der bei einer Drehbetätigung ein vom Drehwinkel abhängiges Ausgangssignal erzeugt, und eine Steuereinheit (21), die das vom Drehregler (4) erzeugte Ausgangssignal verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) Informationen über eine bisherige, mittels des 3D-Eingabeelements (3) ausgeführte Bewegungsbahn (18) des Objekts (8, 14) ermittelt und das Objekt (8, 14) bei einer nachfolgenden Drehbetätigung des Drehreglers (4) in Abhängigkeit von den Informationen über die bisherige Bewegungsbahn (18) entlang der bisherigen Bewegungsrichtung im Raum bewegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein 3D-Eingabegerät zum Steuern der Position eines Objekts im Raum gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Manuell bedienbare Eingabegeräte, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, dienen zum Steuern von Software-Applikationen, wie z. B. CAD-Programmen, oder zum Steuern von mobilen Geräten oder Maschinen, wie z. B. Robotern, Werkzeugen, Transportmittel oder von anderen Vorrichtungen. Typische Eingabevorrichtungen sind z. B. Mäuse, Joysticks, Tastaturen, Trackballs oder 3D-Eingabegeräte zum Steuern von virtuellen oder realen Objekten im Raum.
Aus der DE 10 2008 019 144 ist beispielsweise ein 3D-Eingabegerät bekannt, das ein 3D-Steuerelement sowie einen zusätzlichen Drehregler umfasst. Über das 3D-Steuerelement kann der Benutzer translatorische und rotatorische Steuervorgaben in bzw. um drei Raumachsen eingeben (d. h. in sechs Freiheitsgraden). Durch eine Betätigung des Drehreglers können weitere Funktionen ausgeführt werden. So kann durch Drehen des Drehreglers z. B. die Empfindlichkeit der 3D-Steuerung verändert, die Helligkeit eines Bildschirms eingestellt, oder ein Zoombereich am Bildschirm definiert werden, in dem dargestellte Elemente je nach Drehrichtung vergrößert oder verkleinert werden.
Die US 5 561 445 A beschreibt ein 3D-Eingabegerät, an dem translatorische und rotatorische Steuervorgaben in insgesamt sechs Freiheitsgraden vorgegeben werden können. Das 3D-Eingabegerät umfasst hierzu drei separate Eingabeelemente, nämlich einen Trackball, einen Drehregler und eine Kugel, an denen jeweils Steuervorgaben in einem oder mehreren Freiheitsgraden vorgegeben werden können. Insgesamt kann ein Objekt in sechs Freiheitsgraden bewegt werden.
Die JP 0000H0830387 A offenbart ein 3D-Eingabegerät mit einem 3D-Eingabeelement und zwei zusätzlichen Drehreglern. Mit Hilfe des ersten Drehreglers kann ein Cursor in vertikaler Richtung, und mit Hilfe des zweiten Drehreglers kann der Cursor in horizontaler Richtung feingesteuert werden.
Ein weiteres 3D-Eingabegerät ist beispielsweise aus der WO 02 065 269 A1 bekannt.
Bekannte 3D-Eingabegeräte führen üblicherweise eine Geschwindigkeitssteuerung aus. D. h. eine bestimmte Auslenkung des 3D-Eingabeelements wird umgesetzt in eine bestimmte Geschwindigkeit, mit welcher das Objekt im Raum bewegt wird. Eine bestimmte Position des 3D-Eingabeelements entspricht dabei einer bestimmten Geschwindigkeit des Objekts. Wenn der Benutzer das Objekt anhalten möchte, muss er das 3D-Eingabeelement in die Neutralposition zurück versetzen. Mit einem solchen System kann ein Objekt allerdings nur relativ ungenau gesteuert werden. Für die Feinsteuerung eines Objekts, wie z. B. eines Roboters, ist die Methode der Geschwindigkeitssteuerung ungeeignet, da sie zur zielgenauen Positionierung zu ungenau ist und ein sehr hohes Können erfordert. Ein Grund hierfür liegt unter anderem darin, dass der Roboter weiter verfährt, während der Benutzer das 3D-Eingabeelement noch in die Neutralposition zurückstellt. Um den Roboter präzise steuern zu können, müsste der Benutzer das Verhalten des Roboters in allen Betriebszuständen erlernen und manuell ausregeln.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein 3D-Eingabegerät zum Steuern der Position eines Objekts im Raum zu schaffen, das manuell bedienbar ist und eine einfache und genaue Steuerung des Objekts im Raum ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird ein 3D-Eingabegerät zum Steuern der Position eines Objekts im Raum vorgeschlagen, das ein manuell bedienbares 3D-Eingabeelement umfasst, an dem translatorische und/oder rotatorische Steuervorgaben sechs Freiheitsgraden, nämlich in bzw. um wenigstens drei (kartesische) Raumkoordinaten vorgegeben werden können, und das ferner einen zusätzlichen Drehregler umfasst, der bei einer Drehbetätigung ein vom Drehwinkel abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Gemäß der Erfindung ist eine Steuereinheit vorgesehen, die das Objekt in Abhängigkeit von der am Drehregler ausgeführten Drehbewegung im Raum bewegt. Das erfindungsgemäße Eingabegerät bietet somit die Möglichkeit, das Objekt sowohl mittels des 3D-Eingabeelements als auch mittels des Drehreglers zu steuern. Wenn der Drehregler eine geringere Empfindlichkeit aufweist als das 3D-Eingabegerät kann das Objekt mittels des Drehreglers präziser gesteuert werden als mittels des 3D-Eingabeelements. Je nach Empfindlichkeit bewegt sich das Objekt bei einer bestimmten Steuervorgabe unterschiedlich schnell bzw. unterschiedlich weit, wobei eine höhere Empfindlichkeit bedeutet, dass sich das Objekt vergleichsweise schneller bzw. weiter bewegt.
Unter einem „Objekt“ wird im Rahmen dieses Dokuments jede Maschine bzw. jede Vorrichtung verstanden, die mittels eines oder mehrerer Aktuatoren, wie z. B. Elektromotoren, bewegbar ist. Darüber hinaus kann es sich bei dem erfindungsgemäßen „Objekt“ auch um ein virtuelles Objekt handeln, dass z. B. auf einem Bildschirm angezeigt wird und vom Benutzer mittels einer Software-Applikation gesteuert werden kann.
Das erfindungsgemäße 3D-Eingabegerät kann prinzipiell derart konfiguriert sein, dass bei einer Betätigung des 3D-Eingabeelements oder des Drehreglers jeweils entweder eine Positionssteuerung oder eine Geschwindigkeitssteuerung ausgeführt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einer Betätigung des Drehreglers eine Positionssteuerung ausgeführt, durch die das Objekt entsprechend der Drehbewegung des Drehreglers im Raum bewegt wird. Mit Hilfe einer Positionssteuerung kann der Benutzer einen gewünschten Zielpunkt in der Regel wesentlich schneller und genauer ansteuern als bei einer Geschwindigkeitssteuerung, ohne dafür lange geübt haben zu müssen.
Unter einer „Positionssteuerung“ wird eine Steuerung oder Regelung verstanden, die eine vom Benutzer am Drehregler ausgeführte Steuervorgabe in eine entsprechende Positionsänderung des gesteuerten Objekts umsetzt. Das Ausmaß der Drehbewegung bestimmt dabei die vom gesteuerten Objekt zurückgelegte Strecke von einer Startposition bis zu einer Endposition, wobei die Steuervorgabe des Benutzers mit einem vorgegebenen Skalierungsfaktor in eine entsprechende Bewegung des gesteuerten Objekts umgesetzt wird.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das 3D-Eingabegerät derart konfiguriert, dass eine vom Benutzer am 3D-Eingabeelement ausgeführte Steuervorgabe in eine entsprechende Geschwindigkeit des gesteuerten Objekts umgesetzt wird. Bei einer Drehbetätigung des Drehreglers erfolgt vorzugsweise eine Positionssteuerung. Alternativ könnte eine am 3D-Eingabeelement ausgeführte Steuervorgabe z. B. auch eine Positionssteuerung bewirken. In diesem Fall ist die Empfindlichkeit des 3D-Eingabeelements vorzugsweise höher als die des Drehreglers.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der beide Eingabemittel (das 3D-Eingabeelement und der Drehregler) eine Geschwindigkeitssteuerung ausführen, gilt entsprechendes.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, das Objekt bei einer Drehbewegung des Drehreglers in Abhängigkeit von der bisherigen Bewegungsbahn des Objekts weiter zu bewegen. Verläuft die bisherige Bewegungsbahn beispielsweise entlang einer Geraden, wird das Objekt vorzugsweise entlang der Geraden weiter bewegt. Im Falle einer Kurve wird das Objekt dagegen vorzugsweise entlang einer Kurve mit etwa demselben Kurvenradius weiter bewegt. Gemäß einer speziellen Ausführungsform könnte an einem Punkt der bisherigen Bewegungsbahn, insbesondere dem Endpunkt, z. B. auch eine Asymptote berechnet und das Objekt entlang der Asymptote weiter bewegt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das 3D-Eingabegerät ein oder mehrere weitere Eingabeelemente, wie z. B. Taster, zur Vorgabe einer bestimmten Bewegungsrichtung, der das Objekt bei einer Drehung des Drehreglers folgen soll. Mittels der weiteren Eingabeelemente kann z. B. eine Bewegung in x-Richtung, y-Richtung oder z-Richtung, oder eine Drehung um eine der genannten Achsen vorgegeben werden. Wird eines dieser zusätzlichen Eingabeelemente betätigt und der Drehregler manuell gedreht, bewegt sich das Objekt in die gewünschte Richtung. Mit Hilfe der zusätzlichen Eingabeelemente und des Drehreglers ist es daher möglich, das Objekt in jede gewünschte räumliche Richtung zu bewegen und/oder das Objekt um die jeweiligen Raumachsen zu drehen. Wahlweise könnte die Bewegungsrichtung auch softwaremäßig umkonfiguriert werden.
Die vom gesteuerten Objekt ausgeführte Bewegung ist vorzugsweise abhängig von der Drehrichtung des Drehreglers. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das 3D-Eingabegerät derart ausgelegt, dass das Objekt bei einer Betätigung des Drehreglers in einer ersten Drehrichtung in eine erste Bewegungsrichtung, und bei einer Betätigung des Drehreglers in die andere Drehrichtung in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Art der Steuerung (d.h. Positions- oder Geschwindigkeitssteuerung) und/oder die Empfindlichkeit der jeweiligen Eingabeeinrichtung (3D-Eingabeelement oder Drehregler) von der Position abhängig sein, an der sich das gesteuerte Objekt befindet. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer Betätigung des Drehreglers eine Positionssteuerung mit einer ersten Empfindlichkeit durchgeführt wird, wenn sich das gesteuerte Objekt innerhalb eines vorgegebenen Bereichs befindet, und eine Positionssteuerung mit einer zweiten Empfindlichkeit durchgeführt wird, wenn sich das Objekt außerhalb des Bereichs befindet. Die Empfindlichkeit innerhalb des Bereichs ist vorzugsweise geringer als außerhalb des Bereichs. Entsprechendes gilt optional auch für eine Betätigung des 3D-Eingabeelements.
Alternativ kann das erfindungsgemäße 3D-Eingabegerät auch derart ausgelegt sein, dass bei einer Betätigung des Drehreglers eine Positionssteuerung durchgeführt wird, wenn sich das gesteuerte Objekt innerhalb eines vorgegebenen räumlichen Bereichs befindet, und eine Geschwindigkeitssteuerung durchgeführt wird, wenn sich das Objekt außerhalb des bzw. eines anderen räumlichen Bereichs befindet. Entsprechendes gilt optional auch für eine Betätigung des 3D-Ei ngabeelements.
Der vorstehend genannte Bereich ist vorzugsweise derart definiert, dass das zu steuernde Objekt bei einer vollen Umdrehung des Drehreglers vom Rand eines räumlichen Bereichs bis zum Mittelpunkt des Bereichs bewegt werden kann. Der Bereich ist vorzugsweise ein räumlicher Bereich, der z. B. die Form einer Sphäre aufweist. Alternativ können aber auch feinere oder gröbere Übersetzungen gewählt werden, wie vorstehend beschrieben wurde.
Die Größe und/oder der Ort des räumlichen Bereichs, die Art der Steuerung und/oder die Empfindlichkeit innerhalb bzw. außerhalb des räumlichen Bereichs kann vorzugsweise vom Benutzer nach Wunsch eingestellt werden, beispielsweise mittels eines entsprechenden Software-Menüs. Ungeübte Nutzer können somit z. B. einen größeren Bereich und/oder eine geringere Empfindlichkeit wählen als versierte Nutzer.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern eines Objekts im Raum mittels eines 3D-Eingabegeräts, das ein manuell bedienbares 3D-Eingabeelement, an dem Steuervorgaben in bzw. um drei (kartesische) Raumkoordinaten eingegeben werden können, und einen Drehregler umfasst, der bei einer Drehbetätigung ein vom Drehwinkel abhängiges Ausgangssignal erzeugt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: in Reaktion auf eine Betätigung des 3D-Eingabeelements: Bewegen des gesteuerten Objekts in Abhängigkeit von der am 3D-Eingabeelement ausgeführten Steuervorgabe, und, in Reaktion auf eine Betätigung des Drehreglers: Bewegen des gesteuerten Objekts in Abhängigkeit von der am Drehregler ausgeführten Drehbewegung.
Zu diesem Zweck werden die Ausgangssignale des 3D-Eingabeelements und des Drehreglers von einer Steuerung verarbeitet, die dann einen oder mehrere Aktuatoren des gesteuerten Objekts, oder eine Software-Applikation entsprechend ansteuert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten 3D-Eingabegeräts mit einem zusätzlichen Drehregler;
2 ein Robotersystem mit einem Roboter, der mittels eines 3D-Eingabegeräts nach 1 gesteuert wird; und
3 verschiedene, vom Endeffektor eines Instruments zurückgelegte Bewegungsbahnen.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines 3D-Eingabegeräts 1 zur Steuerung eines Roboters 8, wie er beispielhaft in 2 dargestellt ist. Das 3D-Eingabegerät könnte aber auch zur Steuerung beliebiger anderer Maschinen oder Software-Applikationen, wie z. B. einer CAD-Software genutzt werden. Das Eingabegerät 1 ist in der Lage, translatorische und / oder rotatorische Steuervorgaben in bzw. um alle drei kartesischen Raumachsen in entsprechende elektrische Steuersignale zu wandeln.
Das in 1 dargestellte 3D-Eingabegerät 1 umfasst einen Grundkörper 2 mit einem 3D-Eingabeelement 3, das hier in Form einer Kappe ausgebildet ist, die beweglich mit dem Grundkörper 2 verbunden ist. Das 3D-Eingabeelement 3 kann in x-, y- und z-Richtung bewegt sowie um die genannten Achsen geschwenkt bzw. gedreht werden und bildet einen Teil eines 3D-Sensors, dessen eigentliches Sensorelement im Inneren des Grundkörpers 2 angeordnet ist. Bei dem 3D-Sensor kann es sich z. B. um das im deutschen Patent DE 10 2006 058 805 beschriebene 3D-Messsystem handeln.
Im Bereich des 3D-Eingabeelements 3 ist ferner ein Drehregler 4 in Form eines Rades vorgesehen, an dem weitere Steuervorgaben eingegeben werden können. Der Drehregler 4 ist hier, ebenso wie das 3D-Eingabeelement 3, um die z-Achse drehbar. Am Grundkörper 2 können darüber hinaus weitere Bedienelemente, wie z. B. Tasten 6 und/oder ein Display 7 angeordnet sein.
Das 3D-Eingabegerät 1 ist derart konfiguriert, dass ein gesteuertes Objekt, wie z. B. der in 2 dargestellte Roboter 8, sowohl mittels des 3D-Eingabeelements 3 als auch mittels des Drehreglers 4 im Raum bewegt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das 3D-Eingabegerät 1 derart ausgebildet, dass das Objekt positionsgesteuert wird, wenn der Drehregler 4 betätigt wird. D. h., die Position des gesteuerten Objekts ist von dem am Drehregler 4 vorgegebenen Drehwinkel abhängig.
Eine Betätigung des 3D-Eingabeelements 3 als auch des Drehreglers 4 kann prinzipiell entweder in eine Geschwindigkeitssteuerung oder in eine Positionssteuerung des gesteuerten Objekts 8 bzw. 14 umgesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einer Betätigung des 3D-Eingabeelements 3 vorzugsweise eine Geschwindigkeitssteuerung, und bei einer Betätigung des Drehreglers 4 eine Positionssteuerung durchgeführt. Die am 3D-Eingabeelement 3 bzw. Drehregler 4 eingegebene Steuervorgabe wird dabei mittels eines bestimmten Übersetzungsverhältnisses bzw. Skalierungsfaktors in eine entsprechende Geschwindigkeit bzw. Position umgesetzt.
Für den Fall, dass beide Eingabeelemente 3, 4 eine Positionssteuerung, oder beide Eingabeelemente 3, 4 eine Geschwindigkeitssteuerung durchführen, ist die Empfindlichkeit des Drehreglers 4 vorzugsweise geringer als diejenige des 3D-Eingabeelements 3. Der Benutzer kann somit mittels des 3D-Eingabeelements 3 eine Grobsteuerung und mittels des Drehreglers 4 eine Feinsteuerung des Objekts vornehmen.
Die Art der Steuerung (d. h. Positions- oder Geschwindigkeitssteuerung) und/oder die Empfindlichkeit können von der aktuellen Position des gesteuerten Objekts abhängen, wie später noch erläutert werden wird.
Die Sensorik des 3D-Eingabeelements 3 und/oder des Drehreglers 4 kann z. B. ein optisches, magnetisches, piezoelektrisches oder ein beliebiges anderes bekanntes Sensorelement umfassen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt der Drehregler 4 bei einer Drehbewegung z. B. eine Reihe von Impulsen, aus denen dann verschiedene Bewegungsgrößen, wie z.B. ein Drehwinkel, ermittelt werden können. Die Ausgangssignale der Sensorik des 3D-Eingabeelements 3 und/oder des Drehreglers 4 werden von einer Auswerteelektronik 21 weiter verarbeitet und in entsprechende Steuersignale zur Steuerung des bzw. der Aktuatoren des gesteuerten Objekts 8 umgewandelt. Die Auswerteelektronik 21 wird im Rahmen dieses Dokuments auch als „Steuerung“ oder „Steuereinheit“ 21 bezeichnet und besteht in der Regel aus Hardware- und Software-Komponenten. Die Steuereinheit 21 kann z. B. im Grundkörper 2 oder außerhalb des Grundkörpers 2, wie z. B. in einem externen Gerät, angeordnet sein.
2 zeigt ein Robotersystem mit einem Roboter 8, der beispielsweise für die minimal invasive Chirurgie eingesetzt werden kann. Der Roboter 8 umfasst zwei Armelemente 11a, 11b, die über ein Gelenk 12a miteinander verbunden sind. Das untere Armelement 11a ist über ein Gelenk 12c mit einer Basis 9 verbunden. Die einzelnen Gelenke 12a, 12c werden jeweils elektromotorisch (nicht gezeigt) angetrieben und können je nach Ausführung eine Schwenk- und/oder Rollbewegung der Armelemente 11a, 11b bewirken.
Der Roboter 8 hat ein freies Ende, das auch als Roboterkopf bezeichnet wird und an dem ein weiteres Gelenk 12b vorgesehen ist. An dem Roboterkopf ist schließlich ein Instrument 13 befestigt. Bei einer chirurgischen Roboteranwendung kann dies z. B. ein Endoskop, ein laparoskopisches Instrument, ein Schneid-, Greif-, Halte-, Verbinde-, Näh- oder ein anderes chirurgisches Instrument für die minimal invasive Chirurgie sein. Der eigentliche Endeffektor des Instruments 13, wie z. B. ein Skalpell, eine Schere, eine Nadel, ein Schaber, eine Feile, ein Greifer, etc. ist mit den Bezugszeichen 14 bezeichnet. Ebenso sind Werkzeuge für nicht-chirurgische Anwendungen möglich.
Das in 2 dargestellte Robotersystem wird mittels des 3D-Eingabegeräts 1 gesteuert. Die Ausgangssignale des 3D-Eingabegeräts 1 werden dabei an eine in der Basis 9 integrierte Steuereinheit 21 übertragen, die die von der Eingabevorrichtung 1 empfangenen Steuersignale in entsprechende Stellsignale für die einzelnen Aktuatoren des Roboters 8 umsetzt, so dass sich der Roboter 8 bzw. das Instrument 13 in der vom Benutzer vorgegebenen Weise bewegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Bezugspunkt für die Steuerung der Punkt A am freien Ende des Instruments 13. Wahlweise könnte aber auch ein anderer Bezugspunkt vorgegeben werden.
Die Bewegung des Roboterarms 8 bzw. des Instruments 13 kann in Bezug zu einem ortsfesten (z.B. kartesischen) Koordinatensystem 17 genau beschrieben werden. Typischerweise referenziert dabei das Koordinatensystem 17 auf das distale Ende des Werkzeugs 13, den sogenannten Endeffektor 14, welcher den äußersten referenzierbaren Punkt Ades Roboterarms 8 darstellt. Die Lage des Punkts A kann im Koordinatensystem 17 durch einen dreidimensionalen Vektor eindeutig definiert werden.
Ein senkrechtes Drücken auf das 3D-Eingabeelement 3 kann z. B. bewirken, dass der Endeffektor 14 entlang der z- Achse nach unten bewegt wird. Ein Kippen des 3D- Eingabeelement 3 kann z. B. bewirken, dass der Endeffektor 14 um eine Achse, wie z. B. die y-Achse, schwenkt.
Die Steuervorgaben wie auch die Bewegungen des Roboters 8 können sich überlagern, so dass mit dem Endeffektor 14 beliebige Bewegungskurven im Raum durchfahren werden können. Beispielsweise kann der Endeffektor 14 angesteuert werden, dass dessen äußerster Punkt A nach Punkt B bewegt wird. Die Bewegung von Punkt A nach Punkt B kann z. B. durch einen dreidimensionalen Vektor 15 dargestellt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Gelenke 12a-12c derart ausgebildet, dass sie jeweils eine Roll- als auch eine Schwenkbewegung ausführen können. Der Roboter 8 hat somit insgesamt 6 Freiheitsgrade, so dass das Instrument 13 innerhalb der Reichweite des Roboterarms frei im Raum bewegt werden kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener Bewegungsbahnen 18, 19, 22 bis 24, entlang derer das Instrument 13 bzw. dessen Endeffektor 14 bis zu einem Zielpunkt B bewegt wird. Zu Beginn der Aktion befindet sich der Endeffektor 14 außerhalb des dargestellten Bereichs 16. In einem ersten Fall (siehe Pfeile 18 und 24) wird der Endeffektor 14 zunächst mittels des 3D-Eingabeelements 3 entlang einer Bewegungsbahn 18 bis zu einem Punkt C bewegt. Das 3D-Eingabegerät 1 kann dabei entweder eine Geschwindigkeitssteuerung oder eine Positionssteuerung ausführen. In Punkt C befindet sich das 3D-Eingabeelement wieder in der neutralen Position. Die Steuerung 21 kann dabei Informationen über die bisherige Bewegungsbahn 18 ermitteln und dann die bisherige Bewegungsbahn 18 des Objekts, welche durch das 3D-Eingabeelement 3 ausgelöst wurde, speichern. Um das Objekt 8 bzw. den Endeffektor 14 nun zum Zielpunkt B weiter zu bewegen, wird der Drehregler 4 betätigt. Dadurch wird der Endeffektor 14 entlang der bisherigen Bewegungsrichtung 18 bis zum Zielpunkt B weiter bewegt. Die zugehörige Bewegungsbahn ist hier durch einen gepunkteten Pfeil 24 dargestellt. Die vom Endeffektor 14 zurück gelegte Wegstrecke ist dabei abhängig von dem am Drehregler 4 vorgegebenen Drehwinkel, wobei sie vorzugsweise proportional zum Drehwinkel ist.
Vorteilhafterweise kann durch die Drehrichtung des Drehreglers 4 die Bewegungsrichtung des Endeffektors 14 entlang der Bewegungsbahn 18 bestimmt werden. Beispielsweise würde sich der Endeffektor 14 bei positivem Drehsinn des Drehreglers 4 in Pfeilrichtung 18 bewegen, bei negativem Drehsinn jedoch entgegen Pfeilrichtung 18.
In einem anderen Fall wird der Endeffektor 14 durch entsprechende Betätigung des 3D-Eingabeelements 3 zunächst von einem externen Ort (nicht gezeigt) entlang einer geraden Bewegungsbahn 19 bis zu einem Punkt D bewegt. Wie in 3 zu erkennen ist, verläuft die Bewegung des Objekts entlang der Bewegungsbahn 19 am Zielpunkt B vorbei. Es wäre daher nicht möglich, den Zielpunkt B durch einfache Extrapolation der bisherigen Bewegungsbahn 19 zu erreichen. Um den Zielpunkt B zu erreichen, muss in diesem Fall die Bewegungsrichtung geändert werden. Hierzu stehen dem Benutzer mehrere zusätzliche Eingabeelemente 6, wie z.B. Tasten, zur Verfügung, an denen verschiedene Bewegungsrichtungen vorgegeben werden können, in die das zu steuernde Objekt 8 bzw. der Endeffektor 14 bewegt wird, wenn der Drehregler 4 gedreht wird. Durch Betätigung einer ersten Taste 6 kann der Nutzer z.B. festlegen, dass sich der Endeffektor 14 in z-Richtung bewegen soll. Durch Betätigung einer anderen Taste 6 kann z.B. die x- oder y-Richtung oder eine Drehbewegung um eine der genannten Achsen ausgewählt werden. Im dargestellten Beispiel wählt der Nutzer zunächst die z-Richtung, so dass sich der Endeffektor 14 bei Betätigung des Drehreglers 4 entlang einer Bewegungsbahn 22 in z-Richtung bewegt und anschließend die y-Richtung, so dass sich der Endeffektor 14 entlang der Bewegungsbahn 23 bis zum Zielpunkt B bewegt.
Um zu erreichen, dass sich der Endeffektor 14 in negativer y-Richtung bewegt, kann er den Drehregler 4 beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn bewegen. Die Funktionalität der einzelnen Tasten 6 ist vorzugsweise frei programmierbar. So kann beispielsweise für jeden Freiheitsgrad eine separate Taste 6, oder für mehrere Freiheitsgrade auch nur eine einzige Taste 6 vorgesehen sein.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann die Art der Steuerung - d.h. Positionssteuerung oder Geschwindigkeitssteuerung - und/oder die Empfindlichkeit der Steuerung vom aktuellen Ort des gesteuerten Objekts 8, 14 abhängig sein. Gemäß der Erfindung kann z.B. ein räumlicher Bereich 16 definiert werden, der eine Art Grenze für verschiedene Betriebsarten des 3D-Eingabegeräts 1 darstellt. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass bei einer Betätigung des 3D-Eingabeelements 3 außerhalb des Bereichs 16 eine Geschwindigkeitssteuerung mit einer ersten Empfindlichkeit, und innerhalb des Bereichs 16 eine Geschwindigkeitssteuerung mit einer zweiten Empfindlichkeit ausgeführt wird, wobei die zweite Empfindlichkeit vorzugsweise geringer ist als die erste Empfindlichkeit. Eine bestimmte Auslenkung des Steuerknopfes 3 wird daher innerhalb des Bereichs 16 zu einer geringeren Geschwindigkeit des gesteuerten Objekts 8, 14 führen als außerhalb des Bereichs 16. Das 3D-Eingabegerät 1 könnte aber auch so konfiguriert sein, dass bei einer Betätigung des 3D-Eingabeelements 3 außerhalb des Bereichs 16 eine Geschwindigkeitssteuerung, und innerhalb des Bereichs 16 eine Positionssteuerung ausgeführt wird. Wahlweise könnte auch jeweils eine Positionssteuerung mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten ausgeführt werden. Die gleichen Grundsätze gelten auch in Bezug auf eine Betätigung des Drehreglers 4.
Der Bereich 16 ist vorzugsweise so gewählt, dass einerseits der Zielpunkt B dem Mittelpunkt des Bereichs 16 entspricht und andererseits, dass das gesteuerte Objekt 8, 14 bei einer vollen Umdrehung des Drehreglers 4 vom Rand des Bereichs 16 bis zum Mittelpunkt B des Bereichs 16 bewegt werden kann. Alternativ können aber auch feinere oder gröbere Übersetzungsfaktoren gewählt werden. Hierfür ist der Bereich 16 vorteilhafterweise frei parametrierbar. Beispielsweise kann der Bereich 16 als eine Sphäre mit einem parametrierbaren Radius definiert werden, so dass geübte Nutzer einen größeren Radius und ungeübte Nutzer einen kleineren Radius wählen können. Die Parameter können in der Steuerung 21 abgelegt werden.
In der Steuerungs- und Regelungstechnik wird typischerweise begrifflich getrennt zwischen einer Steuerung (= offener Regelkreis) und einer Regelung (= geschlossener Regelkreis). In diesem Dokument wird, abweichend davon, für beide Begriffe sowie deren grammatikalische Abwandlungen, sofern nicht explizit anders angegeben, nur von Steuern bzw. Steuerung gesprochen. D.h., die Begriffe Steuerung und Regelung werden synonym verwendet. Dem Fachmann ist klar, dass er die jeweiligen Steuervorrichtungen als Steuerung oder Regelung ausführen kann.

Claims

3D-Eingabegerät (1) zum Steuern der Position eines Objekts (8, 14) entlang einer Bewegungsbahn (18) im Raum, umfassend ein manuell bedienbares 3D-Eingabeelement (3), an dem translatorische und / oder rotatorische Steuervorgaben in sechs Freiheitsgraden, nämlich in bzw. um drei Raumkoordinaten, vorgegeben werden können, einen zusätzlichen Drehregler (4), der bei einer Drehbetätigung ein vom Drehwinkel abhängiges Ausgangssignal erzeugt, und eine Steuereinheit (21), die das vom Drehregler (4) erzeugte Ausgangssignal verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) Informationen über eine bisherige, mittels des 3D-Eingabeelements (3) ausgeführte Bewegungsbahn (18) des Objekts (8, 14) ermittelt und das Objekt (8, 14) bei einer nachfolgenden Drehbetätigung des Drehreglers (4) in Abhängigkeit von den Informationen über die bisherige Bewegungsbahn (18) entlang der bisherigen Bewegungsrichtung im Raum bewegt.
3D-Eingabegerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) in Abhängigkeit von der am Drehregler (4) ausgeführten Drehbewegung eine Positionssteuerung des Objekts (8, 14) ausführt, wobei der vom Objekt (8, 14) zurückgelegte Weg abhängig ist von dem am Drehregler (4) vorgegebenen Drehwinkel.
3D-Eingabegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere weitere manuell bedienbare Eingabeelemente (6) zur Vorgabe einer bestimmten Bewegungsrichtung vorgesehen sind, und dass die Steuereinheit (21) das Objekt (8) in Abhängigkeit von der Betätigung eines oder mehrerer der Eingabeelemente (6) und von der am Drehregler (4) ausgeführten Drehbewegung in einer bestimmten Richtung bewegt.
3D-Eingabegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) in Abhängigkeit von der am 3D-Eingabeelement (3) ausgeführten Steuervorgabe eine Geschwindigkeitssteuerung des Objekts (8) ausführt.
3D-Eingabegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) derart ausgelegt ist, dass das gesteuerte Objekt (8) bei einer Betätigung des Drehreglers (4) in einer ersten Drehrichtung in eine erste Bewegungsrichtung, und bei einer Betätigung des Drehreglers (4) in einer zweiten Drehrichtung in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung bewegt wird.
3D-Eingabegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art und/oder die Empfindlichkeit der Steuerung, die bei einer Betätigung des 3D-Eingabeelements (3) und/oder des Drehreglers (4) ausgeführt wird, vom Ort des gesteuerten Objekts (8) abhängig ist.
3D-Eingabegerät (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) innerhalb eines vorgegebenen örtlichen Bereichs (16) eine erste Steuerungsart, wie z. B. eine Positionssteuerung, und außerhalb des vorgegebenen Bereichs (16) eine unterschiedliche zweite Steuerungsart, wie z. B. eine Geschwindigkeitssteuerung, durchführt.
3D-Eingabegerät (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeit des 3D-Eingabeelements (3) und/oder des Drehreglers (4), wenn sich das gesteuerte Objekt (8) innerhalb eines vorgegebenen örtlichen Bereichs (16) befindet, geringer ist, als wenn sich das gesteuerte Objekt (8) außerhalb des Bereichs (16) befindet.
3D-Eingabegerät (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (16) derart definiert ist, dass das Objekt (8) bei einem bestimmten Drehwinkel des Drehreglers (4) vom Rand des Bereichs (16) bis zum Mittelpunkt (B) des Bereichs (16) bewegt werden kann.
3D-Eingabegerät (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt des Bereichs 16 einem Zielpunkt (B) entspricht.
Verfahren zum Steuern eines Objekts (8) entlang einer Bewegungsbahn (18) im Raum mittels eines 3D-Eingabegeräts (1), das ein manuell bedienbares 3D-Eingabeelement (3), an dem translatorische und / oder rotatorische Steuervorgaben in sechs Freiheitsgraden, nämlich in bzw. um drei Raumkoordinaten, vorgegeben werden können, und einen Drehregler (4) umfasst, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - in Reaktion auf eine Betätigung des 3D-Eingabeelements (3): Bewegen des Objekts (8, 14) entlang einer Bewegungsbahn (18) im Raum entsprechend der Steuervorgabe, - Ermitteln von Informationen über die mittels des 3D-Eingabeelements (3) ausgeführte Bewegungsbahn (18) des Objekts (8, 14) und - in Reaktion auf eine nachfolgende Betätigung des Drehreglers (4): Weiterbewegen des Objekts (8, 14) in Abhängigkeit von den ermittelten Informationen über die Bewegungsbahn (18) entlang der bisherigen Bewegungsrichtung im Raum.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (8, 14) bei einer Betätigung des Drehreglers (4) positionsgesteuert und bei einer Betätigung des 3D-Eingabeelement (3) geschwindigkeitsgesteuert bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (8, 14) bei einer Betätigung des Drehreglers (4) mit einer geringeren Empfindlichkeit bewegt wird als bei einer Betätigung des 3D-Eingabeelements (3)