1 LIIKKEEN VISUALISOINTI KEKSINNÖN ALA Keksintö kohdistuu liikkeessä olevien kappaleiden liiketilan visualisointiin, erityisesti 5olennaisesti vapaaseen liikkeeseen saatettujen kappaleiden, kuten urheiluvälineiden tai lelujen kyseessä ollen. KEKSINNÖN TAUSTA 10 On olemassa lukuisia sovelluksia, joissa haluttaisiin reaaliajassa havainnoida liikkeeseen saatetun esineen liiketilaa sen ulkopuolelta. Esimerkiksi erilaisissa urheiluvälineen liikkeeseen saattamiseen perustuvissa urheilulajeissa, kuten 15vaikkapa kiekonheitto tai keilailu, olisi hyödyksi, jos liikkeeseen saatetun kappaleen liiketilaa voitaisiin sen liikkeen aikana seurata helposti. Liiketilalla tarkoitetaan tässä esimerkiksi esineen pyörimisliikkeen suuntaa ja nopeutta sekä liikeradan 20kaarevuutta. Esimerkiksi mainituissa kiekonheitossa ja keilailussa urheiluvälineen liikerata ja näin suorituksen onnistuminen riippuu merkittävästi keilapallon tai kiekon pyörimisliikkeestä, joka taas saa aikaan liikeradan kaareutumista sekä vaikuttaa 25liikkuvan kappaleen aerodynamiikkaan. Liiketilan reaaliaikaisella havainnoinnilla saataisiin suorituksen onnistumisesta nopeasti tärkeää tietoa, jonka perusteella tulevia suorituksia voitaisiin pyrkiä optimoimaan. 30 Urheiluvälineet ovat toki useimmiten näkyviä itsessäänkin, mutta etenkin urheilijasta kauas loittonevan välineen liikkeen tarkka seuranta ilman apuvälineitä on vaikeaa. Koko liikerata voidaan tietenkin mitata tarkasti esimerkiksi tutkalla tai 35vastaavalla ja tallentaa tiedot myöhempää analysointia varten. Tällainen järjestely on kuitenkin pelkkään
2 reaaliaikaiseen liiketilan ilmaisuun turhan monimutkainen ja kallis. On myös erilaisia viihteellisempiä sovelluksia, joissa esineen liiketilasta riippuva 5visuaalinen ilmiö toisi mukanaan lisäarvoa esineen käytölle. Esimerkiksi erilaisten jonglöörivälineiden, kuten jonglööripallon, liiketilan visuaalinen ilmaisu vaikkapa pyörimisnopeudesta riippuvasti erivärisin valoin toisi esityksiin uutta tehoa. Esiintyjä voisi 10luoda haluttuja valoefektejä heittelemänsä esineen pyörimistä säätämällä. Vastaavia sovelluskohteita on myös leluissa. Entuudestaan tunnetaan peli- ja leikkivälineitä, joihin on järjestetty valonlähteitä 15valon lähettämiseksi välineestä sen liikkeen aikana. Esimerkiksi patenttijulkaisut US 5725445, GB 2242364 A ja US 6251035 B1 esittävät tällaisia esineitä, jotka niihin osuvan iskun tai heittoliikkeen seurauksena lähettävät ääni- ja/tai valoefektejä. Efektit, kuten 20vilkkuva valo, on kuitenkin tarkoitettu yleisluontoiseksi tehosteeksi eivätkä ne ole kuvaa liikkeeseen saatetun kappaleen liiketilaa tässä tarkoitetulla tavalla. 25KEKSINNÖN TARKOITUS Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan yksinkertaiset menetelmä ja järjestely liikkeeseen saatetun kappaleen liiketilan visualisoimiseksi esineen liikkeen aikana. 30 KEKSINNÖN YHTEENVETO Keksinnölle menetelmälle ja järjestelylle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa 1 ja 5. 35 Keksinnön kohteena on ensinnäkin menetelmä olennaisesti vapaaseen liikkeeseen saatetun esineen,
3 esimerkiksi urheiluvälineen, liiketilan visualisoimiseksi. Olennaisesti vapaalla liikkeellä tarkoitetaan, että esine heitetään, pudotetaan, laitetaan vierimään tai muulla vastaavalla 5toimenpiteellä saatetaan liikkeeseen, jossa se ei enää ole liikkeelle panijan välittömässä ohjauksessa. Keksinnön mukaisesti menetelmässä määritetään esineeseen järjestetyillä mittausvälineillä esineen liiketila ja ohjataan liiketilatiedon perusteella 10esineeseen järjestettyä valonlähdettä niin, että valonlähde lähettää esineen ympäristöön esineen liikkeen aikana sen liiketilaan verrannollisen valoviestin. Lähetettäessä tieto liiketilasta nopeimmalla mahdollisella tavalla eli valolla 15mahdollistetaan esineen liiketilan havainnoiminen käytännössä reaaliajassa. Valoviesti helpottaa esineen ja sen liiketilan seurantaa erityisesti tapauksissa, joissa esine etääntyy kauas tarkkailijasta. Keksinnön mukainen menetelmä on 20toteutettavissa suhteellisen yksinkertaisin ja kustannuksiltaan alhaisin välinein. Kun menetelmässä käytettävä välineistö on järjestetty esineeseen ja kulkee sen mukana, ei menetelmässä myöskään tarvita mitään esineen ulkopuolisia laitteita, mikä parantaa 25menetelmän käytettävyyttä ja laajentaa mahdollisten sovelluskohteiden määrää. Keksinnön edullisessa sovellusmuodossa määritettävänä liiketilatietona on esineen pyörimisnopeus minkä tahansa akselinsa ympäri. 30Pyörimisliike tai kierre vaikuttaa usein merkittävästi esineen aerodynamiikkaan ja liikeradan muotoon. Pyörimisliike onkin esimerkiksi monissa urheilulajeissa heitetyn tai muulla tavalla liikkeeseen saatetun urheiluvälineen liikkeen ja 35suorituksen onnistumisen kannalta eräs keskeisimmistä tekijöistä. Toisaalta pyörimisliikettä on pyöreiden esineiden, kuten erilaisten pallojen, tapauksessa
4 usein vaikea seurata tarkasti ilman erityistä visualisointia. Pyörimisliikkeen lisäksi tai vaihtoehtona menetelmässä määritettävänä ja valonlähteen ohjauksessa käytettävänä liiketilatietona 5voi olla myös esimerkiksi liikeradan kaarevuus tai esineen kiihtyvyys etenemissuunnassaan. Eräässä keksinnön edullisessa sovelluksessa ohjataan valonlähdettä niin, että säädetään valoviestin kirkkautta liiketilan mukaan. Kirkkauden 10muuttuminen on havainnollinen osoitus liiketilan muutoksista. Joissakin sovelluksissa vieläkin selvempi liiketilan ilmaisu saadaan aikaan siten, että ohjataan valonlähdettä niin, että säädetään valoviestin valon väriä liiketilan mukaan. 15 Keksinnön kohteena on toisaalta myös järjestely olennaisesti vapaaseen liikkeeseen saatettavan esineen, esimerkiksi urheiluvälineen, liiketilan visualisoimiseksi. Keksinnön mukaisessa järjestelyssä esineeseen 20on järjestetty mittausvälineet esineen liiketilan määrittämiseksi, vähintään yksi valonlähde sekä sähköiset ohjausvälineet mittausvälineiltä saatavien liiketilatietojen käsittelemiseksi ja valonlähteen toiminnan ohjaamiseksi esineen liiketilaan 25verrannollisen valoviestin lähettämiseksi esineen liikkeen aikana sen ympäristöön. Esineeseen järjestetyt ja näin ollen sen mukana kulkevat mittausvälineet mahdollistavat liiketilan tarkan mittaamisen ilman esineen ulkopuolisia välineitä. 30Esineen liikkeen laadun lisäksi ilmaistavana liiketilatietona voi luonnollisesti olla myös se, että esine on paikallaan. Niin ikään esineen mukana kulkevat sähköinen ohjausjärjestelmä, joka voi käsittää esimerkiksi erilaisia häiriösignaaleja 35poistavia suodattimia ja signaalinvahvistimia, sekä valonlähde mahdollistavat liiketilan seurannan käytännössä katsoen reaaliaikaisesti. Valoviesti on
5 nopein mahdollinen tapa liiketilatiedon lähettämiseksi esineen ympäristöön. Liiketilaan verrannollinen suure voi olla esimerkiksi valon intensiteetti eli tuotetun valoviestin kirkkaus. 5 Keksinnön mukaisella järjestelyllä on mittaustarkkuuden ja visualisoinnin nopeuden lisäksi etunaan, että se on toteutettavissa välineistöltään yksinkertaisena ja kustannustehokkaana. Keksinnön edullisessa sovelluksessa 10mittausvälineet käsittävät mikromekaanisen liikeanturin. Tavallisesti piihin pohjautuva mikromekaniikka mahdollistaa erittäin pienten, tarkkojen ja esineen rajuissakin liikkeissä hyvin kestävien antureiden valmistamisen. Mikromekaaninen 15anturi on tyypillisesti myös pitkäikäinen ja ominaisuuksiltaan stabiili sekä vaatii toimiakseen erittäin vähän energiaa, jolloin energiavarastoksi riittää pienikokoinen paristo tai vastaava. Energian edelleen säästämiseksi paristo tai vastaava voidaan 20haluttaessa kytkeä irti ohjausjärjestelmästä esineeseen järjestetyllä kytkimellä. Mikromekaaninen liikeanturi voi olla esimerkiksi lineaarikiihtyvyyttä mittaava kiihtyvyysanturi. Lineaariliikkeen lisäksi tällaisella voidaan mitata myös esimerkiksi 25pyörimisliikkeen kulmanopeutta anturin mittaussuunnan ollessa suunnattu pyörimisliikkeen tasossa kohti pyörimisliikkeen keskiakselia. Mikromekaanisia liikeantureita voi olla järjestettynä esineeseen useitakin, jolloin voidaan 30mitata liikettä useassa suunnassa ja määrittää liiketila täydellisemmin kuin vain yhden yhdessä suunnassa mittaavan anturin tapauksessa. Eräässä edullisessa keksinnön sovelluksessa vähintään yksi mittausvälineisiin kuuluva mikromekaaninen liikeanturi 35on kolmiakselinen kiihtyvyysanturi, joka mittaa kiihtyvyyttä kolmessa toisiinsa nähden kohtisuorassa suunnassa. Yhdistämällä kolme mittaussuuntaa samaan
6 anturiin saadaan aikaan säästöjä antureiden tilankäytössä, mistä on etua erityisesti pienikokoisten esineiden tapauksessa. Keksinnön eräässä edullisessa sovelluksessa 5vähintään yksi mittausvälineisiin kuuluva mikromekaaninen liikeanturi on kulmaliikeanturi. Toisin kuin lineaariliikettä mittaavat anturit, joiden kyky havaita pyörimisliikettä riippuu niiden asennosta suhteessa pyörimissuuntaan, kulmaliikeanturi mittaa 10aina aidosti juuri pyörimisliikettä. Tämä on edullinen ratkaisu haluttaessa visualisoida nimenomaan pyörimisliikettä, joka on monissa urheilulajeissa urheiluvälineen liikkeen olennainen elementti. Edellä kuvattujen edullisten toteutusmuotojen 15lisäksi keksinnön mukaisessa järjestelyssä voidaan käyttää kuitenkin myös muita kuin mikromekaanisia antureita. Valaisun kirkkauden säätöäkin selkeämpi ilmaisu liiketilasta on mahdollista saada aikaan 20valaisun väriä muuttamalla. Eräässä keksinnön edullisessa sovelluksessa valaisuvälineet käsittävät punaista, vihreää ja sinistä valoa tuottavat valonlähteet väriltään liiketilaan verrannollisen valon tuottamiseksi RGB-tekniikalla. Mainittu 25tekniikka on sinänsä hyvin tunnettu ja laajalti käytetty menetelmä minkä tahansa halutun värin tuottamiseksi mainittua kolmea väriä sopivassa suhteessa sekoittamalla. Liiketilaviestin tuottamiseen käytettävä 30valonlähde käsittää edullisesti LED:in. LEDpohjaisilla valonlähteillä on tunnetusti pieni tehonkulutus, hyvä hyötysuhde sekä pitkä elinikä. Myös niiden mekaaninen kestävyys mikromekaanisten liikeanturien tavoin tekee niistä hyvin soveltuvia 35liikkuvan esineen mukana kuljetettaviksi. Eräässä keksinnön sovelluksessa esine, jonka liiketilaa keksinnön mukaisella järjestelyllä on
7 tarkoitus visualisoida, on keilapallo. Keilauksessa ovat pallon pyörimisliike ja siitä seuraava liikeradan kaarevuus erityisen tärkeitä tekijöitä suorituksen onnistumiselle. Näin ollen liiketilan selkeä 5visualisointi tarjoaa urheilijalle merkittäviä etuja esimerkiksi harjoitteluun hänen pyrkiessään kehittämään tekniikkaansa. Hyötytoiminnon lisäksi saadaan samalla aikaan hohtokeilauksen kaltainen visuaalinen efekti. 10 Toinen edullinen sovelluskohde keksinnön mukaiselle järjestelylle on jonglööripallo. Jongleeraus perustuu esineen, kuten pallon, erittäin taidokkaaseen ja tarkkaan käsittelyyn esimerkiksi heittelemällä. Jos palloon on järjestetty välineet sen 15liiketilan visualisoimiseksi esimerkiksi erivärisin valoefektein, tarjoaa se jonglöörille uusia mahdollisuuksia lisätä esityksensä näyttävyyttä. Vastaavia viihdyttävyyteen tai vaikkapa fysikaalisten ilmiöiden opetukseen liittyviä sovelluskohteita on 20runsaasti myös erilaisissa leluissa, esimerkiksi jojon pyörimisliikkeen visualisoinnissa. Liiketilaa mittaavat välineet ja ohjauselektroniikka voi olla järjestetty ilmaisemaan myös esineen asentoa. Esimerkiksi lineaarikiihtyvyyttä 25mittaava anturi havaitsee lähtökohtaisesti myös paikallaan ollessaan maan vetovoiman, mikäli anturin mittaussuunta poikkeaa vaakatasosta. Näin ollen sähköinen ohjausjärjestelmä voidaan keksinnön mukaisessa järjestelyssä esimerkiksi jonglööripallossa 30toteuttaa niin, että jonglööripallo lähettää paikallaan ollessaan asentoonsa verrannollista valoviestiä. Näin jonglööri voi säädellä valoviestiä palloa kääntelemällä. 35LYHYT PIIRUSTUSTEN KUVAUS Keksintöä selostetaan seuraavassa oheisten piirustusten avulla, joissa
8 kuva 1 esittää erästä keksinnön mukaisen järjestelyn sovellusta, ja kuva 2 esittää erästä laitteistoa keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseksi. 5 KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS Kuvassa 1 on keilapallo 1, joka on tehty vähintään osittain valoa läpäisevästä materiaalista. Materiaalin ei tarvitse olla kirkasta vaan esimerkiksi 10diffuusisti valoa hajottava materiaali soveltuu tarkoitukseen erinomaisesti. Keilapallon sisään on valettu elektroniikkayksikkö 2, joka käsittää piirilevyn 3, johon on kiinnitetty mikromekaaninen kiihtyvyysanturi 4, valonlähde 5 (esimerkiksi LED), 15teholähde 6 sekä ohjauselektroniikkaa 7 kiihtyvyysanturin mittaussignaalin käsittelemiseksi ja valonlähteen ohjaamiseksi mittaussignaalin perusteella. Kiihtyvyysanturi voi halutusta liiketilatiedosta riippuen olla yksi- tai 20useampiakselinen. Anturi on sijoitettu keilapalloon sellaiseen asentoon suhteessa keilapallon tartuntasyvennyksiin 8, että se kykenee mittaamaan keilapallon pyörimisliikkeen vähintään sen tavanomaisimmassa pyörimissuunnassa. 25Elektroniikkayksikkö 2 on sijoitettu keilapallon 1 keskelle siten, että se vaikuttaa mahdollisimman vähän keilapallon painopisteen sijaintiin. Keilapallon lisäksi kuvan 1 kaltainen järjestely voi olla missä tahansa olennaisesti 30vapaaseen liikkeeseen saatettavassa esineessä, esimerkiksi jonglööripallossa tai lelussa, vaikkapa jojossa. Kiihtyvyysanturin sijasta liikeanturina voi olla myös kulmaliikeanturi, joka mittaa suoraan pyörimisliikettä. Liikeanturin ei myöskään ole 35välttämätöntä olla mikromekaaninen komponentti. Vastaavasti valonlähdettä ei ole keksinnössä rajattu ainoastaan LED:iin ja valonlähteitä voi olla useita.
9 Mittausvälineet, ohjauselektroniikka ja valonlähde/valonlähteet tai osa niistä voi sijaita myös muualla kuin esineen massakeskipisteen lähellä. Erityisesti valonlähde tai useita valonlähteitä voi 5olla järjestettynä esineen pintaan tai lähelle sitä, jolloin koko esineen ei tarvitse olla valoa läpäisevää materiaalia. Kuvan 2 lohkokaavio 9 havainnollistaa liiketilaan verrannollisen valoviestin tuottamista. 10Kaavion kuvaamaan yksinkertaiseen piiriin kuuluu signaalinkäsittelyaste 10 sekä siihen kytketyt kolmiakselinen kiihtyvyysanturi 11 sekä punainen, vihreä ja sininen LED-valo 12-14. Käyttövoimansa laitteisto saa teholähteestä 15, joka voi olla 15esimerkiksi pienikokoinen patteri. Signaalinkäsittelyasteessa 10 kiihtyvyysanturin kolmea ulostulosignaalia käsitellään siten, että niiden perusteella muodostetaan LED:ien toimintaa ohjaavia jännitesignaaleita. Signaalinkäsittely voi käsittää 20lukuisia erilaisia toimenpiteitä sovelluksesta riippuen. Anturilta saatavat signaalit voidaan esimerkiksi aluksi muuntaa itseisarvokseen. Tällöin tietyn akselin ympäri tapahtuvaa pyörimisliikettä käsitellään pyörimisliikkeen suunnasta riippumatta. 25Seuraavaksi signaaleita voidaan suodattaa tarvittavalla tavalla. Joissakin tilanteissa, anturin rakenteesta ja siihen mahdollisesti integroidusta sisäisestä elektroniikasta riippuen voidaan esimerkiksi poistaa matalataajuiset häiriöt sekä 30mahdollinen tasasähkökomponentti ylipäästösuodattimilla. Vastaavasti voidaan suodattaa korkeataajuisia signaaleja alipäästösuodattimella. Signaaleista muodostetaan lopulta LED:eille sopivat jännitesignaalit tavoitellun liiketilatiedon ja 35valoviestin verrannollisuuden mukaisesti. Täsmälliset signaalinkäsittelytoimenpiteet samoin kuin tarvittavat elektroniikkakomponentit kuuluvat yleisen
10 elektroniikkasuunnittelun alaan eikä tässä yhteydessä näin ollen tarvita niiden yksityiskohtaista selostusta. On huomattava, että yllä kuvatut keksinnön 5sovellukset ovat vain eräitä mahdollisia keksinnön toteutustapoja. Keksintöä ei ole rajattu niihin vaan keksinnön käytännön toteutusmuodot voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. 10
11 PATENTTIVAATIMUKSET 1. Menetelmä olennaisesti vapaaseen liikkeeseen saatetun esineen (1), esimerkiksi urheiluvälineen, liiketilan visualisoimiseksi, t u n n e t t u siitä, että 5määritetään esineeseen järjestetyillä mittausvälineillä (4, 11) esineen liiketila ja ohjataan liiketilatiedon perusteella esineeseen järjestettyä valonlähdettä (5, 12 14) niin, että valonlähde lähettää esineen liikkeen aikana esineen 10ympäristöön sen liiketilaan verrannollisen valoviestin. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n n e t t u siitä, että määritettävänä liiketilatietona on esineen (1) pyörimisnopeus. 153. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, t u n n e t t u siitä, että ohjataan valonlähdettä (5) niin, että säädetään valoviestin kirkkautta liiketilan mukaan. 4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen 20menetelmä, t u n n e t t u siitä, että ohjataan valonlähdettä (5) niin, että säädetään valoviestin valon väriä liiketilan mukaan. 5. Järjestely olennaisesti vapaaseen liikkeeseen saatettavan esineen (1), esimerkiksi urheiluvälineen, 25liiketilan visualisoimiseksi, t u n n e t t u siitä, että esineeseen (1) on järjestetty mittausvälineet (4, 11) esineen liiketilan määrittämiseksi, valonlähde (5, 12 14) sekä sähköiset ohjausvälineet (7, 10) mittausvälineiltä saatavan liiketilatiedon 30käsittelemiseksi ja valonlähteen toiminnan ohjaamiseksi esineen liiketilaan verrannollisen valoviestin lähettämiseksi esineen liikkeen aikana esineestä sen ympäristöön. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen järjestely, 35t u n n e t t u siitä, että mittausvälineet käsittävät mikromekaanisen liikeanturin (4).
12 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestely, t u n n e t t u siitä, että liikeanturi (4) on kolmiakselinen kiihtyvyysanturi. 8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestely, 5t u n n e t t u siitä, että liikeanturi (4) on kulmaliikeanturi. 9. Jonkin patenttivaatimuksista 5-8 mukainen järjestely, t u n n e t t u siitä, että esineeseen (1) on järjestetty punaista, vihreää ja sinistä valoa 10tuottavat valonlähteet (12-14) väriltään liiketilaan verrannollisen valon tuottamiseksi RGB-tekniikalla. 10. Jonkin patenttivaatimuksista 5 9 mukainen järjestely, t u n n e t t u siitä, että valonlähde (5, 12 14) käsittää LED:in. 1511. Jonkin patenttivaatimuksista 5 10 mukainen järjestely, t u n n e t t u siitä, että esine (1) on keilapallo. 12. Jonkin patenttivaatimuksista 5-11 mukainen järjestely, t u n n e t t u siitä, että esine on 20jonglööripallo.
(57) TIIVISTELMÄ Menetelmässä olennaisesti vapaaseen liikkeeseen saatetun esineen (1), esimerkiksi urheiluvälineen, liiketilan 5visualisoimiseksi määritetään esineeseen järjestetyillä mittausvälineillä (4, 11) esineen liiketila ja ohjataan liiketilatiedon perusteella esineeseen järjestettyä valonlähdettä (5, 12 14) 10niin, että valonlähde lähettää esineen liikkeen aikana esineen ympäristöön sen liiketilaan verrannollisen valoviestin.