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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verarbeitung und Wiedergabe
von Signalen in elektronischen Systemen zur elektrotaktilen Stimulation, wobei
die Vorrichtung zwei voneinander beabstandete Elektroden, einen
Schaltkreis mit potenzialorientierten energieversorgungstechnischen
Verbindungsleitungen für
die Elektroden und einen Prozessor, der mit dem Schaltkreis zur
Einstellung der energieversorgungstechnischen und signaltechnischen Signale
für die
beiden Elektroden über
eine Versorgungsleitung verbunden ist und der mit dem elektronischen
System zur Übernahme
der im elektronischen System erzeugten elektrischen Signale in signaltechnischer
Verbindung steht, enthält.
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Eingaben
von Informationen in elektronische Systeme erfolgen verstärkt ohne
mechanische Tastelemente, indem die Displays direkt als Touchscreens
oder als Folientastaturen genutzt werden.
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Ziele
sind die Erhöhung
der Zuverlässigkeit durch
einen Verzicht auf mechanisch schnell verschleißende Teile und die Unabhängigkeit
von Umwelteinflüssen
wie Feuchtigkeit.
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Nachteilig
sind die gewohnten fehlenden Tastatur-Fühlungen.
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Bei
Betätigung
einer konventionellen Tastatur bekommt der Benutzer sowohl akustisch,
optisch oder auch taktil ein Feedback. Bei berührungsempfindlichen Eingaben
wie Touchscreens, Touchpads fehlt dieses Feedback oft.
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Nachteilig
ist, dass sich dabei Bedienungsfehler und Nutzerunzufriedenheit
ergeben.
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Der
Entwicklungsstand mit bekannten Vorrichtungen zur Auslösung von
Signalen in elektronischen Systemen beinhaltet unterschiedliche
Lösungsansätze:
- 1. Aktuatoren erzeugen bei Berührung der
Vorrichtung durch mechanische Verformung oder Vibration ein haptisches
Feedback.
- 2. Am Eingabefinger wird eine elektrostatische und magnetostatische
Kraft durch eine Feldanordnung aus Pixeln erzeugt.
- 3. Vor einem Display sind zwei leitfähige Lochgitter montiert, getrennt
durch eine Isolationsschicht. Bei Berührung wird der Finger zum Leiter
und verbindet die Gitter elektrisch, wobei es zum Stromfluss kommt.
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Die
Probleme dieser Lösungen
bestehen darin, dass
- 1. die auftretenden mechanischen
Stimulationen störanfällig sind,
energetisch aufwendig sind durch Wandlung elektrischer in mechanische
Energie und schnell verschleißen
und
- 2. sie aufwendige Feldanordnungen verwenden oder Hilfselektroden
auf der Haut erfordern.
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In
den Druckschriften
US
7,148,875 B2 und
US
7,336,266 B2 sind Vorrichtungen beschrieben, in denen ein
oder mehrere Aktuatoren an ein berührungsempfindliches Gerät gekoppelt
sind. Die Aktuatoren erzeugen bei Berührung des Gerätes durch mechanische
Verformung oder Vibration ein haptisches Feedback.
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Eine
taktile und visuelle Displayeinrichtung ist in der Druckschrift
US 2008/0129705 A1 beschrieben,
wobei am Finger eine elektrostatische und/oder magnetostatische
Kraft durch eine transparente Feldanordnung aus leitfähigen Pixeln,
die durch Transistoren verbunden sind, erzeugt werden. Diese Feldanordnung
wird vor einem Display montiert und setzt das dargestellte Bild
in taktile Informationen um.
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Auch
durch kleine elektrische Ströme
kann eine taktile Wahrnehmung erzeugt werden. Ein Verfahren und
eine elektrotaktile Einrichtung mit einer Anzeigevorrichtung ist
in der Druckschrift
US 2004/0095330
A1 beschrieben, wobei bei dem Verfahren vor einem Display
zwei leitfähige
Lochgitter montiert werden. Die Lochgitter sind durch eine gelochte
Isolationsschicht voneinander getrennt angeordnet. Wird die Einrichtung
mit einem Finger berührt,
werden die Lochgitter durch die Löcher hindurch elektrisch verbunden.
Der über
die Haut fließende
Strom erzeugt das taktile Ereignis.
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Für einige
Anwendungen werden Elektroden direkt auf der Haut, z. B. durch Abdomen,
Zunge oder Finger, aufgebracht. Dazu ist eine modulare elektrotaktile
Einrichtung und ein Verfahren dazu in der Druckschrift
US 6,930,590 B2 beschrieben,
wobei eine Elektroden-Feldanordnung auf der Haut zur elektrotaktilen
Stimulation eingesetzt wird.
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Eine ähnliche
Einrichtung ist in der Druckschrift
US 2007/0016425 A1 beschrieben,
bei der der eingeschränkte
Sehsinn durch eine Feldanordnung einzelner vibratorischer oder elektrischer
Erreger, die direkt auf der Haut angebracht werden, ersetzt werden
soll.
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Ein
Handy mit taktilen Icons ist in der Druckschrift
US 6,963,762 B2 beschrieben,
in dem ein Verfahren realisiert ist, bei dem die Handys taktile
Icons senden und empfangen können.
Die Icons werden durch ein taktiles Wiedergabegerät, z. B.
durch einen exzentrischen elektrischen Motor, einen Vibrationserreger
oder ein elektrisches Signal reproduziert. Ein ähnliches Verfahren ist in der
Druckschrift
US 7,327,277
B2 beschrieben, bei dem in einem Informationsübertragungsapparat
vibratorische Aktuatoren zum Einsatz kommen.
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Die
direkte mechanische Stimulation scheint auf den ersten Blick am
einfachsten zu sein. Allerdings sind sich bewegende elektronische
Teile störanfällig und
verschleißen
schnell. Zudem ist die Bewegungsamplitude, z. B. durch eine flache
Bauform bei Mobiltelefonen, stark begrenzt. Mechanische Stimulation
durch elektrostatische oder -magnetische Krafterzeugung erfordert
einen Gegenpol, der z. B. am Finger befestigt werden muss. Das ist
aber in der Praxis hinderlich.
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Bei
der Verwendung von schwachen Strömen
zur Stimulation der mechanischen Rezeptoren ist die direkte Befestigung
von Elektroden auf der Haut in der Praxis ebenfalls schwierig. Herkömmliche Vorrichtungen
haben zudem meistens Feldanordnungen, die aufwendig herzustellen
und anzusteuern sind. Der Strom fließt dabei z. B. von einer Elektrode über die
Haut zu einer oder mehreren angrenzenden Elektroden. Durch die räumliche
Nähe der
Elektroden kann es leicht zu Kurzschlüssen kommen.
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Eine
Eingabevorrichtung für
mobile Endgeräte
ist in der Druckschrift
DE 10 2007 016 408 A1 beschrieben. Ein berührungssensitives
Display als Touchscreen mit einer entsprechenden Elektrodenstruktur
ermöglicht
die Eingabe von Informationen mit richtungsabhängigen Wirkungen in Richtungen eines
xyz-Koordinatensystems.
Das Eingabegerät soll
als übersichtliches
Kommunikationssystem für extrem
kompakte Handys, Kameras oder ähnliche Systeme
dienen.
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Ein
Handheld-System mit einem haptischen berührungssensitiven Display und
mit elektrotaktilem Feedback ist in der Druckschrift
US 2008/0303795 A1 beschrieben.
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Eine
Vorrichtung zur Verarbeitung und Wiedergabe von Signalen in elektronischen
Systemen zur elektrotaktilen Stimulation ist in der Druckschrift
US 2008/0303795 A1 beschrieben,
wobei die Vorrichtung
1 in einer schematischen Darstellung
gemäß
1 aus
folgenden Elementen besteht:
- – zwei etwa
fünf Millimeter
voneinander beabstandeten Elektroden 3, 4, die
auf einer Oberfläche 5 eines
Teils des elektronischen Systems 2 angeordnet sind und
die damit in oberflächiger
Verbindung zueinander zugeordnet sind,
- – einem
Schaltkreis 6 mit potenzialorientierten energieversorgungstechnischen
Verbindungsleitungen 7,8 für die Elektroden 3, 4,
- – einem
Prozessor 9, der mit dem Schaltkreis 6 zur Einstellung
der energieversorgungstechnischen und signaltechnischen Signale
für die
beiden Elektroden 3, 4 über eine Versorgungsleitung 10 verbunden
ist und der mit dem elektronischen System 2 zur Übernahme
des im elektronischen System 2 erzeugten elektrischen Signale
in signaltechnischer Verbindung 11 steht,
wobei
die Berührungsfläche 12 zur
verbindenden Signalleitung zwischen den Elektroden 3, 4 im
dimensionierten Abstandsbereich liegt und für die beiden Elektroden eine
gemeinsame Berührungsfläche 12 darstellt.
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Das
Problem der Vorrichtung 1 für das elektronische System 2 besteht
darin, dass der Strom auf einer berührungssensitiven Oberfläche 5,
auf der beide Elektroden 3, 4 vorhanden sind,
nur von einer Elektrode 3 über die Haut der Fingerkuppe
zu einer räumlich
daneben gelegenen zweiten Elektrode 4 fließt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verarbeitung
und Wiedergabe von Signalen in elektronischen Systemen zur elektrotaktilen
Stimulation anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass
eine Verbesserung der Schnittstelle zwischen dieser Vorrichtung
und dem Nutzer bei Eingaben durch taktiles Feedback in Form körperangepasster
elektrotaktiler Stimulation mittels Stromimpulsen erreicht wird.
Dabei soll die Stimulation durch einen Stromfluss durch zumindest
einen größeren Körperteil
des Nutzers und damit nicht nur in der Fingerspitze oder über einen
Hautbereich durchgeführt
werden. Außerdem
soll eine praxistaugliche Erweiterung eines elektronischen Systems durch
taktiles Feedback in Form elektrotaktiler Stimulation erfolgen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die
Vorrichtung zur Verarbeitung und Wiedergabe von Signalen in elektronischen
Systemen zur elektrotaktilen Stimulation enthält folgende Funktionseinheiten:
- – zwei
voneinander beabstandete Elektroden,
- – einen
Schaltkreis mit potenzialorientierten energieversorgungstechnischen
Verbindungsleitungen für
die Elektroden,
- – einen
Prozessor, der mit dem Schaltkreis zur Einstellung der energieversorgungstechnischen und
signaltechnischen Signale für
die beiden Elektroden über
eine Versorgungsleitung verbunden ist und der mit dem elektronischen
System zur Übernahme
der im elektronischen System erzeugten elektrischen Signale in signaltechnischer Verbindung
steht,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil
des Patentanspruchs 1 eine der voneinander beanstandeten Elektroden
einem ersten Teil zugeordnet und die andere Elektrode einem zweiten
Teil des elektronischen Systems zugeordnet sind, wobei beide Teile
anordnungsbedingt und elektrisch voneinander getrennt dem elektronischen
System zugeordnet sind,
wobei für jede Elektrode eine separate
Berührungsfläche vorgesehen
ist, wobei sich die Kontaktregiongröße F23 einer Berührungsfläche der
einen Elektrode von der Kontaktregiongröße F24 der anderen Berührungsfläche der
anderen Elektrode größendimensioniert
mit F23 << F24 unterscheidet,
wobei
der Prozessor folgende Einheiten enthält: - – eine Einheit
zur Generation von Signalen,
- – einen
Speicher mit Steuerparametern und
- – eine
Einheit zur Berechnung von Parametern der Berührungs- und Kontaktregiondaten,
und
eingangsseitig mit einer Einheit zur Aufnahme der Berührungs-
und Kontaktregiondaten an mindestens einer Elektrode in Verbindung
steht.
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Die
Einheit zur Aufnahme der Berührungs- und
Kontaktregiondaten kann über
eine Signalleitung mit der ersten Berührungsfläche der ersten Elektrode und über eine
zweite Signalleitung mit der zweiten Berührungsfläche der zweiten Elektrode verbunden sein.
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Für die erste
Berührungsfläche sind
die Größe F23 der
Kontaktregion und für
die zweite Berührungsfläche die
Größe F24 der
Kontaktregion derart ausgebildet, dass sich für die signaltechnische Verarbeitung
eine Kontaktregiongrößenbeziehung
von F23 << F24 – F23 ist
klein gegen F24 – ergibt.
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Die
Einheit zur Aufnahme der Berührungs- und
Kontaktregiondaten kann über
die Signalleitung mit dem Prozessor über eine Prozessorzuleitung
in Verbindung stehen.
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Dem
Schaltkreis kann ein Verstärker
zugeordnet sein, von dem aus die beiden teilbeabstandeten Elektroden
energieversorgungstechnisch und signaltechnisch über die Elektrodenleitungen
unterstützt
werden.
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Innerhalb
des Prozessors können
zwischen der Einheit zur Generation von Signalen, dem Speicher von
Steuerparametern und der Einheit zur Berechnung von Parametern der
Berührungs-
und Kontaktregiondaten eine enge, von programmtechnischen Mitteln
unterstützte
Wechselwirkung und ein zugehöriger
Signalaustausch bestehen.
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Nach
der Auslösung
der Signale im elektronischen System kann mit Hilfe des Prozessors,
des elektrischen Verstärkers
und mit den zwei flächigen und
zugleich weit voneinander entfernten Elektroden durch Wiedergabe
der Elektrodensignale ein elektrotaktiles Feedback erzeugt werden.
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Das
elektronische System kann ein Benutzerschnittstellengerät sein,
in dem sämtliche
Elemente und Baugruppen integriert sind.
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Die
erfinderische Lösung
besteht darin, dass
- – eine berührungsempfindliche Oberfläche als erster
Teil eines elektronischen Systems – eines Gerätes – mit einer durchgehenden oder
geteilten elektrisch leitfähigen
optisch transparenten Beschichtung in Form einer ersten Elektrode
versehen ist,
- – eine
zweite Elektrode vorgesehen ist, die als großflächiger, elektrisch leitender
zweiter Teil des Gerätes,
z. B. die metallische Rückseite
eines Handys ausgebildet ist.
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Wird
das Gerät
in einer Hand bei großflächiger Berührung des
Gehäuses
als zweite Elektrode gehalten und wird die berührungssensitive Oberfläche als
erste Elektrode mit einem oder mehreren Fingern berührt, so
fließt
ein elektrischer Strom durch den Körper des Nutzers, wobei der
Strom die taktilen Rezeptoren der Finger anregt.
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Da
sich der Strom an der zweiten Elektrode auf eine größere Fläche – das Gehäuse – verteilt, kommt
es dort zu keiner elektrotaktilen Stimulation. Die elektrischen
Signale von den realen Berührungsflächen werden
dabei von einem Prozessor in Abhängigkeit
von der Berührungsposition
oder sich verändernden
Berührungsposition
oder Berührungsfläche oder
Berührungsdruck
oder weiteren Berührungsparametern
an den Elektroden berechnet.
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Die
Stromsignale fließen
von einer ersten Elektrode über
eine kleine erste Berührungsfläche durch
den Körper
des Nutzers zu einer großen
zweiten Berührungsfläche zu einer
zweiten Elektrode. Die erste Elektrode kann dabei selbst auch großflächig sein,
darf aber im Normalfall nur über
eine kleine Fläche – eine kleinflächige Kontaktregion – berührt werden.
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Das
elektrische Signal wird von einem Prozessor in Abhängigkeit
verschiedener Berührungsparameter
berechnet.
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Weiterbildungen
und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels Zeichnungen näher
erläutert:
Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verarbeitung und
Wiedergabe von Signalen in einem elektronischen System – einem Benutzerschnittstellengerät – zur elektrotaktilen
Stimulation nach dem Stand der Technik,
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verarbeitung und
Wiedergabe von Signalen in einem elektronischen System – einem
Benutzerschnittstellengerät – zur elektrotaktilen
Stimulation,
und
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3 eine
Anordnung der Funktionseinheiten des Prozessors innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In
der 2 ist eine schematische erfindungsgemäße Vorrichtung 20 zur
Verarbeitung und Wiedergabe von Signalen in einem als Benutzerschnittstellengerät ausgebildeten
elektronischen Systems 2 zur elektrotaktilen Stimulation
dargestellt, die folgende Funktionseinheiten enthält:
- – zwei
voneinander beabstandete Elektroden 3, 4,
- – einen
Schaltkreis 31 mit zumindest potenzialorientierten energieversorgungstechnischen
Verbindungsleitungen 7,8 für die Elektroden 3, 4,
- – einen
Prozessor 26, der mit dem Schaltkreis 31 zur Einstellung
der energieversorgungstechnischen und signaltechnischen Signale
für die
beiden Elektroden 3, 4 über die Versorgungsleitung 10 verbunden
ist und der mit dem Benutzerschnittstellengerät 2 zur Übernahme
des im Benutzerschnittstellengerät 2 erzeugten
elektrischen Signale in signaltechnischer Verbindung 11 steht.
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Erfindungsgemäß ist eine
der voneinander beabstandeten Elektroden 3 einem ersten
Teil 21 zugeordnet und die andere Elektrode 4 ist
einem zweiten Teil 22 des Benutzerschnittstellengeräts 2 zugeordnet,
wobei die beiden Teile 21, 22 voneinander isoliert
getrennt sind,
wobei für
jede Elektrode 3, 4 eine separate Berührungsfläche 23, 24 vorgesehen
ist,
wobei sich die eine Berührungsfläche 23 der einen Elektrode 3 von
der anderen Berührungsfläche 24 der
anderen Elektrode 4 größendimensioniert über vorgegebene
zugeordnete Kontaktregionen F23, F24 unterscheiden,
wobei der
Prozessor 26 gemäß 3 folgende
Einheiten enthalten kann:
- – eine Einheit 27 zur
Generation von Signalen,
- – einen
Speicher 28 mit Steuerparametern und
- – eine
Einheit 29 zur Berechnung von Parametern der Berührungs-
und Kontaktregiondaten,
und eingangsseitig mit einer Einheit 25 zur
Aufnahme der Berührungs-
und Kontaktregiondaten an mindestens einer Elektrode 3, 4 in
Verbindung steht.
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Die
Einheit 25 zur Aufnahme der Berührungs- und Kontaktregiondaten
ist über
eine Signalleitung 33 mit der ersten Berührungsfläche 23 der ersten
Elektrode 3 und über
eine zweite Signalleitung 32 mit der zweiten Berührungsfläche 24 der
zweiten Elektrode 4 verbunden. Die Einheit 25 kann
mit einer Signalleitung 32, 33 und einer Elektrode 3, 4 jeweils als
berührungsempfindliches
Gerät ausgeführt sein. Die
Ausführungstechnologien
können
dabei resistiv, kapazitiv, projektiert kapazitiv, infrarot oder
ein anderes Verfahren zur Detektion von Berührungs- und Kontaktregiondaten
sein.
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In 2 hat
die erste Berührungsfläche 23 die
Kontaktregiongröße F23 und
die zweite Berührungsfläche 24 hat
die Kontaktregiongröße F24,
so dass sich für
die signaltechnische Verarbeitung eine Kontaktregionbeziehung von
F23 << F24 – F23 klein gegen
F24 – ergibt.
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Die
Einheit 25 zur Aufnahme der Berührungs- und Kontaktregiondaten
in 3 steht über die
Prozessorzuleitung 34 mit dem Prozessor 26 in Verbindung.
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Dem
Schaltkreis 31 ist ein Verstärker 30 zugeordnet,
von dem aus die beiden teilbeabstandeten Elektroden 3, 4 energieversorgungstechnisch
und signaltechnisch über
die Elektrodenleitungen 7, 8 unterstützt werden.
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Innerhalb
des Prozessors 26 besteht zwischen der Einheit 27 zur
Generation von Signalen, dem Speicher 28 von Steuerparametern
und der Einheit 29 zur Berechnung von Parametern der Berührungs-
und Kontaktregiondaten eine enge Wechselwirkung.
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Folgende
Vorteile besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung 20
- – durch
die Verwendung von Strom zur taktilen Stimulation können mechanisch
bewegliche Teile vermieden werden,
- – die
Herstellung und Ansteuerung der zum Teil großflächigen Elektroden 4, 24 ist
einfach,
- – versehentliche
Kurzschlüsse
durch eng benachbarte Elektroden sind unwahrscheinlicher,
- – die
zweite Elektrode 4, 24 kann an einem beliebigen
Platz der Vorrichtung 20 platziert werden, welcher großflächig – großflächige Kontaktregion 24 – berührt wird,
- – die
Berechnung der elektrischen Signale ist variabel an unterschiedliche
Szenarien anpassbar, z. B. können
gezielt die wahrgenommenen Oberflächeneigenschaften der Elektrode 3, 23 bei
bewegtem Finger – kleinflächige Kontaktregion 23 – manipuliert
werden.
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Ein
weiteres Anwendungsbeispiel kann die taktile Stimulation des Fingers
nach Auslösung
der Signale in elektronischen Systemen wie dem Benutzerschnittstellengerät 2 ähnlich einem
Tastendruck darstellen.
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- 1
- Vorrichtung
nach dem Stand der Technik
- 2
- elektronisches
System
- 3
- erste
Elektrode
- 4
- zweite
Elektrode
- 5
- Oberfläche des
elektronischen Systems
- 6
- Schaltkreis
- 7
- erste
Elektrodenleitung
- 8
- zweite
Elektrodenleitung
- 9
- Prozessor
- 10
- Schaltkreisversorgungsleitung
- 11
- Verbindungsleitung
- 20
- erfindungsgemäße Vorrichtung
- 21
- erstes
Teil
- 22
- zweites
Teil
- 23
- erste
Berührungsfläche
- 24
- zweite
Berührungsfläche
- 25
- Einheit
zur Aufnahme der Berührungs-
und Kontaktregiondaten
- 26
- Prozessor
- 27
- Einheit
zur Generation von Signalen
- 28
- Speicher
mit Steuerparametern
- 29
- Einheit
zur Berechnung von Parametern der Berührungs- und Kontaktregiondaten
- 30
- Verstärker
- 31
- Schaltkreis
- 32
- erste
Kontaktleitung
- 33
- zweite
Kontaktleitung
- 34
- Prozessorzuleitung
- F23
- erste
Kontaktregiongröße
- F24
- zweite
Kontaktregiongröße