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Beschreibungseinleitung: Die Erfindung betrifft ein taktiles Aktorenelement, das durch aktive Elemente kontrolliert taktile und thermische Reize auf die Fingerkuppe ausübt. Das Aktorenelement hat die Aufgabe in Eingabegeräten wie der Computer-Maus, in Telemanipulationssystemen, Steuergeräten oder in graphischen taktilen Displays die visuelle Informationsdarstellung von computerisierten Geräten durch taktile Rückmeldung zu entlasten, zu unterstützen oder zu ersetzen. Die Erfindung verzichtet auf Stiftarrays und setzt statt dessen einen Drahtbügel ein, der zwischen einer glatten Fläche und einem Gewebe bewegt wird. Diese Vereinfachung ermöglicht höhere Geschwindigkeiten, eine kompaktere Bauweise sowie die Möglichkeit zusätzlicher thermische Reize.
Stand der Technik: In der Vergangenheit sind verschiedenartige Eingabe bzw. Navigationsgeräte für Computer bekannt geworden, bei denen eine Kraft oder haptische Eigenschaft auf den Benutzer zurückgeführt wird. Diese Rückführung kann passiv durch strukturierte Oberflächen und federnde Elemente (wie in der Patentschrift DE10063760A1, Robert Bosch GmbH, 11. 07.2002) oder durch aktive Elemente wie z. B. elektrische Motoren erfolgen. Man spricht von Force-Feedback bei einer Kraftrückführung und von taktilem Feedback bei einer haptischen Rückführung. Taktile Rückmeldung unterstützt neben visuell dargestellten Informationen eine realistischere Wahrnehmung oder hilft blinden Menschen Umrisse von Gegenständen taktil zu erfassen z. B. in der Patentschrift US4330285 (Mitchell, 18. 05.1982).
Taktile Rückmeldung verbessert ausserdem die Benutzung von Telemanipulationssystemen, etwa in der minimalinvasiven Chirurgie. Taktile Displays werden von Menschen mit Sehverlust für die elektronisch gesteuerte Darstellung von taktilen Graphiken oder Brailleschrift benutzt. In der Vergangenheit wurde eine Vielzahl an Geräten für die taktile Rückmeldung (taktile Displays) entwickelt, welche auf unterschiedlichen Aktorprinzipien basieren. Diese bestehen aus matrixartig angeordneten, einzeln ansteuerbaren Aktorelementen, welche Kräfte auf die Haut des Benutzer ausüben können. (z. B. vibrierende oder über die Oberfläche anhebbare Stifte) In der Patentschrift W00199086 (Comissariat a L'energie Atmoique, 27.12.2001) werden zur Erzeugung reliefartiger Oberflächen kleine geschlossene Kammern vorgeschlagen, deren Füllung durch ein eingebautes Heizelement erhitzt wird.
Das dabei vergrösserte Volumen drückt einen kleinen Kolben zur Frontseite und wird im Verbund mit weiteren derartigen Elementen als Reliefstruktur tastbar. Beispiele für Aktorprinzipien sind thermoelektrische Stimulatoren mit Formgedächnislegierungen als Aktoren, elektromagnetische (Hubmagnete), pneumatisch angetriebene taktile Displays mit Kolben oder Lufttaschen, piezoelektrische Aktoren sowie elektrostatische Displays, Displays mit elektrorheologischen Fluiden und elektrostatische taktile Stimulatoren mit elastischem Dielektrikum.
Bei diesen Systemen tastet der Benutzer entweder ein vom Display erzeugtes statisches taktiles Muster ab, indem er seine Finger darüber bewegt oder die Hand bewegt sich mit dem taktilen Display (das natürlich kompakter sein muss) und die Rezeptoren der Haut werden durch eine dynamische Änderung der taktilen Muster stimuliert (sogenannte virtuelle Displays). Letztere werden für Telemanipulationssysteme oder virtuelle Displays verwendet und stellen höhere Anforderungen an die taktilen Displays, weil in Echtzeit durch entsprechende Ansteuerung der Aktoren ein Sinneseindruck künstlich erzeugt werden muss, welcher der tatsächlichen Berührung eines Objekts nahe kommen soll. Die nötige hohe Geschwindigkeit, eine hohe Auflösung und eine sehr kompakte Bauweise begrenzen die Anwendungsmöglichkeiten der oben genannten Lösungen.
In den meisten, für Anwendungen in der Telemanipulation entwickelten taktilen Displays (also virtuelle Displays) wird vernachlässigt, dass Reize, die ohne tangentiale Bewegung zur Haut, immer auf die selben Hautstellen ausgeübt werden, nur schwer zu diskriminieren sind.
Es existieren erste Prototypen mit Stiftabständen unter 1 mm, die durch sequentielles Aktivieren der Stifte eine gleitende Bewegung vortäuschen können.
Die hier beschriebene Erfindung ist für mit der Hand mitbewegte Displays gedacht und umgeht die Nachteile von Stiftarrays wie langsamer Bildaufbau und die hohen Kosten (Arrays aus hunderten von Stiften) bei graphischen taktilen Displays oder die schlechten Tastergebnissen bei
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virtuellen Displays bedingt durch den nötigen kompakten Aufbau (geringe Anzahl von Stiften, meist nur für eine Fingerkuppe) und den fehlenden tangentialen taktilen Reizen bei mitbewegten taktilen Displays. Dazu kommt eine neue Qualität der taktilen Wahrnehmung, die Möglichkeit gleichzeitig die taktilen Reize durch schnelle thermische Reize zu unterlegen.
Sie setzt statt Stiftarrays (Punktelemente) bewegte Linienelemente ein, die durch Drahtelemente unter einem Gewebe nachgebildet werden. Diese Vereinfachung ermöglicht einen kompakteren, einfachen Aufbau und die für Echtzeitbetrieb nötigen Geschwindigkeiten.
Aufgabe der Erfindung: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein taktiles Aktorenelement gemäss der eingangs geschilderten Art so zu gestalten, dass damit ausgestattete virtuelle Displays oder bewegte Bedienelemente dem wirklichen Tastempfinden nahekommende Wahrnehmungen ermöglichen und durch schnelle Reaktionszeiten Kombinationen aus Eingabegeräten (Maus) und taktilen Ausgabegeräten möglich werden.
Dazu gehören das schnelle und gleichzeitige Anbieten von tangentialen taktilen Reizen und thermischen Reizen sowie ein kompakter Aufbau.
Das neue Aktorenprinzip soll 1) Direkte (Echtzeit) taktile Orientierung auf graphische Darstellungen ermöglichen.
2) Die visuelle Wahrnehmung am Bildschirm durch taktiles Feedback auf das Eingabegerät unterstützen, entlasten oder teilweise ersetzten.
3) Schnelle Reaktionszeiten durch direktes taktiles Feedback auf das Steuerelement in Telemanipulationssystemen ermöglichen.
4) Die Handhabung von Maschinen durch taktile Rückwirkung am Steuergerät verbessern.
(Positionieraufgaben, Schneide- oder Bohrarbeiten, Lenken eines Fahrzeuges).
Die drehbar gelagerte Kugel mit den unterschiedlich temperierten Kugelhälften ermöglicht es, gleichzeitig eine Oberflächentemperatur vorzugeben, die zusätzliche, positionsbezogene Informationen wahrnehmbar macht.
Im Gegensatz zu Lösungen mit Stiftarrays sollen Nachteile wie Anfälligkeit gegen Verschmutzung, hohe Herstellungskosten (je nach Ausführung etwa 50 einzeln zu bewegende Stifte) und die prinzipiell nicht vorhandene Möglichkeit einer tangentialen Kraftwirkung auf die Fingerkuppe umgangen werden.
Beispiele für Anwendungen: Taktile Rückmeldung verbessert die Benutzung von Telemanipulationssystemen, etwa in der minimalinvasiven Chirurgie.
Taktile Displays werden von Menschen mit Sehverlust für die Anzeige von taktilen Graphiken oder Brailleschrift benutzt.
Schneidwerkzeuge, die durch taktil rückgekoppelte Daten aus einem Computer besser geführt werden können. Das ist besonders dort sinnvoll, wo Eingaben durch Bewegungen mit der Hand gesteuert werden und eine direkte Rückmeldung an die Hand (Fingerkuppe) zu schnelleren Reaktionszeiten führt. Ähnliches gilt für das Manipulieren an nicht direkt zugänglichen Stellen mit ferngesteuerten Greifern.
In ein Lenkrad eingebaut könnte ein integriertes Tastelement unauffällig über zu geringen Seitenabstand oder Abstand zum vorderen Fahrzeug informieren ohne akustische oder visuelle Aufmerksamkeit zu beanspruchen.
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Wenn vier Tastelemente in eine Computermaus integriert werden, können einfache graphische Darstellungen direkt sensorisch dargestellt werden. Die Hand bewegt dabei die Maus, geleitet durch die Tastempfindungen der Fingerkuppen entlang scheinbarer Kanten einer virtuellen Abbildung und ermöglicht so durch Abfahren der Umrandung das Ertasten von graphischen Elementen. Siehe Figur 7. Wird beim Bewegen der Maus eine virtuelle Linie der im Computer vorliegenden Zeichnung überfahren, wird der Drahtbügel entgegen zur Bewegungsrichtung der Hand unter der Fingerkuppe bewegt und erzeugt so den Eindruck einer überstrichenen Kante.
Zusätzlich kann durch das Kalt- Warm-Schalten der Kugelhälften Innen und Aussen einer geschlossenen Kurve unterschieden werden. In einem Zeichenprogramm kann etwa eine Kurve mit der Maus gezeichnet werden, wobei das Tastelement unter dem Zeigefinger als "linke Maustaste" agiert und direkt danach mit der selben Maus abgetastet werden. Der Umgang mit graphischen Oberflächen sollte mit diesem Gerät für Nicht-Sehende erleichtert werden.
Lösung der gestellten Aufgabe : Die Aufgabe wird dadurch gelöst dass die taktile Erregung durch einen, zwischen einem elastischen Gewebe (1) und einer glatten Kugel (2) bewegten Drahtbügel (3) erzeugt wird, wobei ein Kalt- oder Warm-Empfinden durch das Drehen der Kugel (2) unter dem elastischen Gewebe (1) von einer kalten Seite zu einer warmen Seite ausgelöst wird, wobei der Temperaturunterschied der beiden Kugelhälften durch ein eingebautes Thermoelement (5) erzielt wurde.
Effekte der Erfindung Die Erfindung vereint die Vorteile von virtuellen taktilen Displays wie schnelle Reaktionszeiten, grosse virtuell tastbare Flächen (nur durch Aktionsradius des Armes beschränkt), mit den Vorteilen von statischen taktilen Displays, wie bessere Tasteindrücke durch streifende, tangentiale Berührungen mit allen Fingerkuppen, ohne jedoch deren Nachteile wie langsamer Bildaufbau und die hohen Kosten (Arrays aus hunderten von Stiften) bei graphischen taktilen Displays oder die schlechten Tastergebnissen bei virtuellen Displays bedingt durch den nötigen kompakten Aufbau (geringe Anzahl von Stiften, meist nur für eine Fingerkuppe) und den fehlenden tangentialen taktilen Reizen bei mitbewegten taktilen Displays.
Dazu kommt eine neue Qualität der taktilen Wahrnehmung, die Möglichkeit gleichzeitig die taktilen Reize durch schnelle thermische Reize zu unterlegen. Dadurch können z. B. Farben durch vorgegebene Temperaturen ersetzt werden. Etwa das Innere einer geschlossenen Kurve warm und das Äussere kalt.
Aufzählung und Kurzbeschreibung der vorhandenen Zeichnungsfiguren Aufzählung und Benennung der in den Zeichnungen enthaltenen Figuren.
Figur 1 : Darstellung des Aktorelements (ohne Stellmotoren) Figur 2: Tangentiale Stimulation der auf dem Gewebe ruhenden Fingerkuppe durch den bewegten Bügel.
Figur 3 : in einem graphischen Display mit vier Aktorelementen (je eines für einen Finger), dabei agieren die sensorischen Flächen zugleich als Tasten.
Figur 4 : durch die Kugel mit integriertem Thermoelement.
Figur 5: Bewegungsablauf des Aktorelementes von oben auf den kreisförmigen Ausschnitt gesehen. a) beim Nachfahren entlang einer virtuellen Linie b) beim Überqueren einer Linie, c) Bewegungsmuster beim Abtasten eines Kreises.
Figur 6: Aktorelement mit Stellmotoren Figur 7 : in einem taktilen graphischen Display Figur 8: Blockschaltung des elektronischen Umfeldes mit Schnittstelle zum Computer
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Bezugszeichen 1; elastisches Gewebe, Bezugszeichen 2 ; drehbareKugel, Bezugszeichen 3; Drahtbügel in vierfacher Ausführung Bezugszeichen 4; Kugelaufhängung Gabel, Bezugszeichen 5; Thermoelement mit Zuleitungen über die Achsen.
Bezugszeichen 6; Stellmotor für den vierfachen Bügel Bezugszeichen 7; Stellmotor für die Drehung der Kugel Bezugszeichen 8; Stellmotor zur Drehung der ganzen Aufhängung und damit der Winkelstel- lung des Bügels.
Figurenbeschreibung: Die beschriebenen Funktionen des taktilen Aktorenelementes werden durch ein Modul aus Stellmotoren, Thermoelement, Wechselstrom-Koppler, einer etwa 20mm grossen Kunststoffkugel und mechanischen Komponenten erzielt. Siehe Figur 6.
Ein aus vier Halbbögen zusammengesetzter Stahldrahtkäfig (3) ist auf der Kugel (2) achsenparallel gelagert und kann durch einen Stellmotor (6) entlang der Kugeloberfläche rotieren. Die Kugel ist horizontal in einer Gabel (4) gelagert und kann unabhängig vom Drahtkäfig von einem weiteren Stellmotor gedreht werden. In der Kugel ist ein Thermoelement (5) derart montiert das sich normal zur Achse eine kalte und eine warme Kugelhälfte gegenüber stehen, wenn Strom über die Achsen in das Thermoelement fliesst. Zwei Aluminiumzylinder (9) agieren als Wärmeleiter zur Kugeloberfläche, wobei der kalte Pol näher an der Oberfläche liegt. Die beiden Stellmotoren für das Drehen der Kugel und des Käfigs sind unter der Kugel montiert und machen die Drehbewegung um eine vertikale Lagerung der Gabel mit. Diese Drehbewegung treibt ein dritter festsitzender Stellmotor (8) an.
Die Stromversorgung der beiden unter der Kugel montierten Stellmotoren erfolgt mittels AC-Koppler oder mit Schleifkontakten.
Dieses Modul wird unter einem kreisförmigen Gehäuseausschnitt (10) positioniert und von einem gespannten elastischen Gewebe (1) abgedeckt. Das Gewebe erfüllt dabei mehrere Aufgaben. Es deckt die bewegten mechanischen Teile ab, schützt vor Verschmutzung, verhindert eine starke Reibung des Metallbügels an der Haut und erlaubt tangentiale Kräfte auf die Haut der Fingerkuppe wirken zu lassen, obwohl diese relativ zum Stoff ruht. Ausserdem soll sie ein Drehen der glatten Kugel unbemerkt lassen, die Temperatur der dann oben liegenden Kugelhälfte aber schnell fühlbar machen.
Diese Anordnung kann nun der am Ausschnitt ruhenden Fingerkuppe wesentliche taktile Reize zur Darstellung von Strichen und Kurven vermitteln. Siehe Figur 2, 5 und 7. Wenn die Hand das Eingabegerät (und damit den Mauszeiger) über eine Linie bewegt, wird im selben Moment ein Drahtbügel im entsprechenden Winkel unter der Haut entgegen bewegt, was als überstrichene Kante wahrgenommen wird. Wenn nun eine solche Kante fühlbar wird und die Hand langsam längs der Kante geführt wird, geleitet vom nach links und rechts abweichenden Draht (je nachdem ob der Mauszeiger gerade link oder rechts von der Linie bewegt wird), dann wird die Handbewegung genau entlang der Umrisse der am Bildschirm vorliegenden Form geführt und ermöglicht so ein Erkennen aus den getasteten Eindrücken.
Die Drahtbügel ist vierfach ausgeführt um schnell folgende Linien darstellen zu können.