DE102011112645A1 - Bewegliche und sensorische Fläche - Google Patents

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Ruben Jubeh
Ilija Vukorep
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HOCHSCHULE LAUSITZ, DE
UNIVERSITAET KASSEL, DE
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Ilija Vukorep
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Abstract

Bewegliche und sensitive Fläche (1), dadurch gekennzeichnet, dass in einer Matrix angeordnete Streifen einseitig in X- und Y-Richtung motorbetrieben (2) sind und über integrierte Sensoren Druck registrieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • [Stand der Technik]
  • Flächen, die ihre Form programmatisch oder nach sensorischen Eingaben ändern, werden als interaktive Flächen bezeichnet. Derzeit werden von Firmen oder Einzelpersonen mehrere Interaktive Flächen hergestellt, wie z. B.: Hyposurface (http://www.hyposurface.org), welche in einem Raster angeordnete Platten durch einzelne Motoren bewegt und somit in Verbund ein bewegtes Raster entsteht. Eine Entwicklung im universitären Bereich ist Reciprocal Space, welches im Jahr 2005 von Ruairt Glynn entwickelt wurde. Es sind Wandflächen, die sich punktuell bewegen und auf Nutzer reagieren. Im Remote Home von Tobi Schneider/smart studio erzeugen bewegliche Möbel Interaktion zwischen Nutzern. Das Projekt Dynamic Terrain (http://www.janisland.com) bewegt punktuell eine elastische Fläche und erzeugt eine reliefierte Form. Die Hyperbody Research Group entwickelte den Muscle reconfigured 2004 (http://www.protospace.bk.tudelft.nl).
  • Die Nachteile der derzeitigen Entwicklungen liegen in der einzelnen Ansteuerung der Rasterpunkte, siehe . Das dargestellte Pixelfeld, bestehend aus je elf Reihen und Spalten umfasst 121 einzelne Pixel (n^2). Diese Ansteuerung ist sehr aufwendig und komplex. Da viele Motoren nötig sind, sind die Systeme sehr teuer. Die große Anzahl der Motoren, die meistens unterhalb der Fläche angeordnet sind, erfordern in der Regel auch eine hohe Konstruktionsdicke. Die große Anzahl an Motoren und viele mechanische Einzelteile erfordern somit auch ein hohes Gewicht. Die Wartung ist entsprechend komplex. Wegen der Mechanik sind kleinere, mobile Ausführungen nicht möglich. Desweiteren verfügen die Flächen nicht über integrierte sensitive, also berührungsempfindliche Komponenten, sondern werden über externe Sensoren gesteuert. Ein Fehlen der in der Fläche eingebauten Sensorik verhindert oder erschwert eine unmittelbare Interaktion mit menschlichen interaktiven Partnern oder Maschinen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine skalierungsfähige, leichte und berührungsempfindliche Fläche zu schaffen, die mit Hilfe integrierter Sensoren auf eingehende Impulse ihre Form verändert. Dies kann benutzt werden, um raumgetrennte Mensch-Mensch Interaktion, Mensch-Maschine Interaktion, sowie dreidimensionale bewegliche Geländedarstellungen zu erzeugen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
  • Bewegliche Flächen, die über eine lineare Matrix gesteuert werden und sensorisch ausgestattet sind, sind viel leichter als pixelorientierte Flächen, weil weniger Motoren und Sensoren benötigt werden. Weiterhin können sie einfach in unterschiedlichsten Größen hergestellt werden, denkbar sind Miniaturflächen im sub-cm-Bereich bis hin zu mehreren dutzend Metern Diagonale. Durch die integrierte Sensorik und seitliche Anbringung der Aktorik ist es möglich das Gerät flach zu halten und die Geräte in Modulen herzustellen. Module erleichtern Integration in andere Raum- und Konstruktionskonzepte. Durch den Gewichtsverlust gegenüber der klassischen Lösung ist der Transport kostengünstiger und schneller. Durch das angestrebte Plug&Plag System erfordert der Aufbau keine technischen Kenntnisse. Dadurch erweitert sich der Anwendungsspektrum von interaktiven Flächen im alltäglichen Leben und Beruf sehr.
  • Durch die Matrixanordnung und Matrixsteuerung ist nicht an jedem Punkt der Fläche Aktorik und Sensorik erforderlich. Diese Erfindung nutzt die Matrixadressierung (Zeile/Spalte, Nummerierung ähnlich der Feldbezeichner wie bei einem Schachbrett) um alle Punkte der Fläche anzusprechen. Diese ist in dargestellt. Die Reihen und Spalten sind durchgezogen und zeigen somit die Zugehörigkeit/Adressierung. Aus je einer Zeilen- und Spaltennummer ergibt sich eine Pixel- bzw. Kreuzungspunktadresse. Immer zwei Aktoren bzw. Sensoren an zwei Seiten der Matrix sind für einen Punkt zuständig: D. h. es werden x + y statt x·y Aktor/Sensor-Einheiten benötigt. Bei einer Matrixgröße von 10×10 entspricht dies 20 Einheiten statt 100, die Ersparnis beträgt 80%. Durch die Verringerung der mechanischen und elektronischen Bauteile gegenüber der klassischen Lösung ist die Anfälligkeit und Wartung dieser Geräte erheblich reduziert. Weiterhin verringert sich auch der Verbrauch der elektrischen Energie erheblich.
  • Ein weiterer Vorteil liegt in den integrierten Sensoren, die den Druck auf die Fläche sensorisch aufnehmen und weiterleiten. Auch hier wird durch den Einsatz der Matrix die Anzahl sensorischer Elemente erheblich reduziert und somit die Steuerung der sensorischen Eigenschaften vereinfacht. Wird die Aktoreinheit direkt als Sensor genutzt, entfallen dedizierte Sensoren ganz.
  • [Offenlegung der Erfindung]
  • Im folgenden wird die Matrix als horizontal liegend beschrieben:
    Sowohl die Bewegung als auch die Aufnahme von Druckimpulsen wird über eine flächenüberspannte Matrix aus verwobenen Streifen erzeugt. Jeder Streifen ist an einem Ende fixiert, am anderen Streifenende befindet sich die Aktor-Sensor-Einheit (AS-Einheit), bestehend aus einem Servomotor und einem Drucksensor. Da die Streifen im 90°-Winkel verwoben sind, ergeben sich somit zwei Gruppen AS-Einheiten, einmal in X- sowie in Y-Richtung. Die gleichzeitige Bewegung der X- und Y Motoren verbeulen am Kreuzungspunkt der jeweiligen Aktion die Streifen. Unterhalb der Matrix ist eine elastische Schicht eingebaut die verhindert, dass die Streifen sich nach unten verbeulen, somit ergibt sich immer eine Beule nach oben.
  • Die elastische Schicht erfüllt eine weitere Funktion: Beim Druck auf die Fläche ergibt sich ein Wiederstand. Da der drüberliegende Streifen Zug auf die AS-Einheit ausübt, kann dieser Druck gemessen werden.
  • Das Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den beigefügten dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
    • 1. Perspektivische Darstellung der Fläche in zeigt die Anordnung der Matrix bestehend aus gewebten, flexibel elastischen Streifen (1). Auf Zug oder Druck findet möglichst keine Längenänderung statt. Die Streifen befinden sich in einem Rahmen (2) eingespannt unterhalb einer elastischen Überspannung und besteht aus in x- und y-Richtung verlegten Streifen. Ein Streifen läuft abwechselnd oberhalb bzw. unterhalb den in 90°-Richtung verlegten Streifen der anderen Achse. Diese Streifen werden auf der einen Seite fest mit dem Rahmen verbunden. Auf der anderen Seite werden sie an der Sensor-Aktor-Einheit befestigt, bestehend aus einem Aktor bzw. Motor (3) und der Sensorik (5). Durch Aktivierung der Motoren wird der zugehörige Streifen in den Rahmen (2) geschoben. Dadurch beult er sich nach oben aus. Werden gezielt zwei Streifen auf verschiedenen Achsen aktiviert, beulen sich die Streifen vorhersagbar genau im Kreuzungspunkt auf. Dadurch können gezielt einzelne (Kreuzungs)-Punkte der Matrix aktiviert werden. Da sich die Streifen gegenseitig mechanisch beeinflussen (Reibung an den Kreuzungspunkten), gibt es eine obere Schranke bezüglich der Streifenanzahl pro interaktives Flächenelement.
    • 2. Senkrechter Schnitt durch die Fläche mit deformierter Fläche (Aktor-Funktion), siehe . Für eine harmonische Ausbeulung werden mehrere Streifen auf einer Achse aktiviert. Diese Aktivierungswerte berechnen sich durch die zweidimensionale Gauß-Funktion:
      Figure 00030001
    • 3. senkrechter Schnitt durch die Fläche in gedrücktem Zustand (Sensor-Funktion), siehe : Der Benutzer drückt (7) mindestens zwei Streifen (die eines Kreuzungspunktes, oder mehrerer) nach unten durch, also entgegen der Aktor-Richtung. Da sich unter der Streifenmatrix eine flexible Schicht (z. B. Schaumstoff) (6) befindet, ist dies zu einem gewissen Grade möglich. Durch das Drücken übt der Streifen Zug auf seine angeschlossene Aktor/Sensor-Einheit (8) aus. Dies wird von der Steuerung erfasst.
  • Es werden neben dem Primärverfahren weitere Verfahren kombiniert, um eine optimale Messung von Benutzerinteraktion zu erreichen. Das Primärverfahren ist die Direktmessung am Motor. Der Motor verfügt über einen Drehimpulszähler. Wird nun ein Streifen durch den Benutzer eingedrückt, übt dies über den Streifen Zug auf den Motor aus. Dreht sich der Motor nun minimal durch den Zug, liefert der Drehimpulsgeber Werte an die Steuerungseinheit. Somit ist die Benutzerinteraktion erfasst.
  • Alternative Sensorik:
    • 1. Drucksensor an der Streifen/Motor-Kopplung oder am festen Streifenende
    • 2. Folienmatrix-Tastatur, evtl. feiner/drüberliegend
    • 3. kapazitative Messung an den Streifen
    • 4. optische Matrix
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • http://www.hyposurface.org [0002]
    • http://www.janisland.com [0002]
    • http://www.protospace.bk.tudelft.nl [0002]

Claims (9)

  1. Bewegliche und sensitive Fläche (1), dadurch gekennzeichnet, dass in einer Matrix angeordnete Streifen einseitig in X- und Y-Richtung motorbetrieben (2) sind und über integrierte Sensoren Druck registrieren.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen beweglich sind und die Matrix in der Z-Richtung die Form verändern kann.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoren synchron computergestützt angesteuert werden (3).
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die Messung am Motor erfolgt (4).
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die lineare Wiederstände erfolgt (5).
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die Drucksensoren am Streifen erfolgt (6).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über engmaschige darüberliegende Folienmatrixtastatur erfolgt (7).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die kapazitative Messungen an den Streifen erfolgt (8).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die optische Matrix erfolgt (9).
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