DE102012203831A1

DE102012203831A1 - Verfahren zur sicheren Berührungseingabe an einer berührungsempfindlichen Eingabeanordnung und entsprechende Eingabeanordnung

Info

Publication number: DE102012203831A1
Application number: DE201210203831
Authority: DE
Inventors: Rudolf Ganz; Michael Lehzen; Bernd Pessara
Original assignee: Deuta Werke GmbH
Current assignee: Deuta Werke GmbH
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2013-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Berührungseingabe an einer berührungsempfindlichen Eingabeanordnung (100; 200) und eine entsprechende Eingabeanordnung mit einer Erfassungsvorrichtung (104; 204) zur Umsetzung einer Berührungseingabe in Eingabeinformation welche von der Position der Berührung abhängig ist. Erfindungsgemäß erfolgt, parallel zum Erfassen (562) von positionsabhängiger Eingabeinformation einer Berührungseingabe (555), anhand einer zusätzlichen Prüfvorrichtung (120) das Erzeugen (564) mindestens eines Prüfsignals, welches von einer bei der Berührungseingabe ausgeübten Kraft abhängig ist. Auf Grundlage des kraftabhängigen Prüfsignals erfolgt erfindungsgemäß ein Überprüfen (566) der anhand der Erfassungsvorrichtung (104; 204) erfassten Eingabeinformation zwecks sicherheitsrelevanter Weiterverarbeitung (572) der erfassten positionsabhängigen Eingabeinformation.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur sicheren Berührungseingabe an einer berührungsempfindlichen Eingabeanordnung für sicherheitsrelevante Anwendungen. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine entsprechende Eingabeanordnung.
Bekannt sind berührungsempfindliche Eingabeanordnungen zur Erfassung der Position unterschiedlicher Berührungseingaben. Ein typisches Beispiel einer solchen Erfassungsvorrichtung stellt ein Berührungsbildschirm oder Touchscreen dar. Zur Bestimmung der Position einer Eingabe weist die Anordnung eine Erfassungsvorrichtung auf, typischerweise ein resistives oder kapazitives Touch bzw. Touch bzw. Touchpanel, welche eine Berührungseingabe positionsabhängig umsetzt in mindestens von der Position abhängige bzw. die Position anzeigende Eingabeinformationen. Gattungsgemäße Erfassungsvorrichtungen sind an einem Gehäuse angebracht und können feststehend oder tragbar ausgeführt sein.
Eingabeanordnungen des vorgenannten Typs werden inzwischen bereits für die Eingabe sicherheitsrelevanter Daten genutzt und vermehrt auch für sicherheitskritische Anwendungen gewünscht. Bekannt ist es beispielsweise, industrielle Anlagen, insbesondere Industrieroboter, mit einer solchen Eingabeanordnung zu bedienen. Auch in anderen Anwendungsbereichen, beispielsweise im Führerstand eines Eisenbahn-Triebfahrzeugs oder Steuerpult eines Reaktors, werden derartige Berührungseingaben bereits eingesetzt bzw. gewünscht.
Berührungsempfindliche Eingabeanordnungen, insbesondere kapazitive oder resistive Touchpanels, werden in großen Mengen hergestellt und können für sicherheitskritische Anwendungen nicht als hinreichend zuverlässig eingestuft werden. So kann beispielsweise der Einsatz eines kapazitiven Touchpanels dazu führen, dass die kurzfristige Anwesenheit eines leitfähigen Körpers oder Gegenstands vor dem Touchpanel fälschlicherweise als Berührungseingabe erkannt wird. Andererseits kann beispielsweise bei resistiven Touchpanels eine Trägheit in der elastischen Rückstellung dazu führen, dass eine Berührungseingabe noch erfasst wird, die tatsächlich bereits nicht mehr vorliegt.
Es ist mithin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Eingabeanordnung vorzuschlagen, welche sicherheitsrelevante Berührungseingaben an einer gattungsgemäßen Eingabeanordnung mit höherer Zuverlässigkeit erfassen können.
In einfachster Ausführung erreicht dies bereits ein Verfahren nach Anspruch 1. Dieses umfasst das Erfassen von positionsabhängiger Eingabeinformation bezüglich einer Berührungseingabe anhand einer Erfassungsvorrichtung, das Erzeugen mindestens eines Prüfsignals in Abhängigkeit einer bei der Berührungseingabe ausgeübten Kraft anhand einer zusätzlichen Prüfvorrichtung und schließlich das Verifizieren bzw. Überprüfen der erfassten positionsabhängigen Eingabeinformation auf Grundlage des kraftabhängigen Prüfsignals. Das Verfahren kann mit einer Erfassungsvorrichtung ganz herkömmliche Art, insbesondere mit einem herkömmlichen Touchpanel, ausgeführt werden. Die Überprüfung anhand des zusätzlichen Prüfsignals erlaubt dann eine sicherheitsrelevante Weiterverarbeitung der erfassten Eingabeinformation mit erhöhter Zuverlässigkeit d.h. geringeren Sicherheitsrisiken. Die Eingabeinformation kann aufgrund der Überprüfung bestätigt bzw. verworfen werden, d.h. vor einer sicherheitsrelevanten Weiterverarbeitung kann insbesondere ein sicherheitsgerichtetes Bestätigen oder Verwerfen der durch die Erfassungsvorrichtung erfassten potentiell fehlerbehafteten Eingabeinformation erfolgen.
Aufgrund einer unabhängigen Überprüfung anhand der zusätzlichen Prüfvorrichtung, welche von der Erfassungsvorrichtung schaltungs- und rechentechnisch unabhängig ist, können fehlerhaft erfasste Eingabeinformationen sicher erkannt und verworfen werden. Ferner können je nach Ausgestaltung des Verfahrens auch zeitlich oder positionsmäßig fehlerbehaftete Eingabeinformationen sicher erkannt und verworfen oder auch korrigiert werden.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführung erfolgt das Erzeugen mindestens eines Prüfsignals durch Messen der bei der Berührungseingabe ausgeübten Kraft, so dass ein Verwerfen der zu einer bestimmten Berührungseingabe erfassten Eingabeinformation erfolgen kann, wenn das Prüfsignal eine Entscheidungsschwelle nicht überschreitet. Diese Ausführung ermöglicht es bei einer kapazitiven Erfassungsvorrichtung, „unechte“ Bedienungen ohne eine tatsächliche und als ausreichend gewertete Krafteinwirkung zu diskriminieren. Bei einer resistiven Erfassungsvorrichtung ermöglicht diese Ausführung eine zeitlich schnellere Erkennung des Endes einer Eingabe, beispielsweise das Loslassen bzw. Lösen des Zeigefingers eines Benutzers von der Erfassungsvorrichtung.
Eine positionsmäßige Verifizierung bzw. Überprüfung kann vorzugsweise erzielt werden durch Erzeugen von zusätzlicher Prüfinformation, welche auf Grundlage mehrerer kraftabhängiger Prüfsignale und von der Position einer Berührung abhängig ermittelt wird und durch Überprüfen auf Grundlage dieser positionsabhängigen Prüfinformation. Die Prüfvorrichtung weist hierbei zweckmäßig mehrere Sensorelemente auf, welche beim Messen der ausgeübten Kraft positionsabhängig jeweilige Prüfsignale erzeugen.
In ihrer einfachsten Form kann die Erzeugung eines Prüfsignals auch lediglich die Messung der An- oder Abwesenheit einer ausreichenden Kraft betreffen, d.h. sich darauf beziehen, ob die bei einer Berührungseingabe ausgeübte Kraft einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Eine derartige Zustandsmessung kann als einziges und besonders einfaches Mittel zur Lösung der Aufgabenstellung oder aber, zwecks die Sicherheit erhöhender Redundanz, zusammen mit der zuvor beschriebenen positionsmäßigen Verifizierung vorgesehen werden.
Vorrichtungsseitig wird die eingangs genannte Aufgabe bei einer berührungsempfindlichen Eingabeanordnung gemäß dem Oberbegriff aus Anspruch 5 bereits dadurch gelöst, dass eine zusätzliche Prüfvorrichtung in kraftübertragender Anordnung zwischen der Erfassungsvorrichtung und dem Gehäuse vorgesehen ist und ein Prüfsignal erzeugen kann, welches von einer bei der Berührungseingabe ausgeübten Kraft abhängig ist, so dass das Prüfsignal die zuvor beschriebene sicherheitsrelevante Überprüfung erlaubt.
Die vorgeschlagene Anordnung ermöglicht auf einfache Weise die schaltungs- und rechentechnisch unabhängige Ergänzung der Erfassungsvorrichtung durch eine Prüfvorrichtung. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass sie unter verhältnismäßig geringem Zusatzaufwand den sicherheitskritischen Einsatz ganz herkömmlicher Erfassungsvorrichtungen, insbesondere typischer widerstandsmessender oder kapazitätsmessender Touchpanels ermöglicht. Die Prüfvorrichtung kann bei geringen Anforderungen besonders einfach ausgeführt sein und im einfachsten Fall mittels eines einzigen elektrischen Schalters oder Tasters ausgeführt werden.
Zweckmäßig weist die zusätzliche Prüfvorrichtung somit mindestens ein Messelement auf, welches kraftübertragend zwischen der Erfassungsvorrichtung und dem Gehäuse angeordnet ist und ein elektrisches Prüfsignal erzeugen kann, in Abhängigkeit von einer bei der Berührungseingabe ausgeübten Kraft. Das Prüfsignal kann insbesondere eine Betragsinformation zur ausgeübten Kraft liefern. Diese Betragsinformation kann sich im einfachsten Fall darauf beziehen, ob die bei einer Berührungseingabe ausgeübte Kraft einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Besonders zweckmäßig ist die Erfassungsvorrichtung als kombiniert eingabe- und ausgabefähiges Touchpanel ausgeführt. Hierbei umfasst die zusätzliche Prüfvorrichtung vorzugsweise mehrere Messelemente, welche ein mechanisches Auflager für das Touchpanel am Gehäuse darstellen, so dass auf das Touchpanel ausgeübte Druckkräfte über die Messelemente in das Gehäuse eingeleitet werden. Wenn zudem alle das Auflager bildende Messelemente als Sensorelemente, d.h. zur betragsmäßigen Messung der ausgeübten Kraft, ausgeführt sind, kann die Prüfvorrichtung weiterhin zur Erzeugung redundanter positionsabhängiger Prüfinformation genutzt werden. Hierzu kann jedes Sensorelement einen Dehnungsmessstreifen (DMS) oder einen piezoelektrischen, induktiven oder kapazitiven Sensor umfassen.
Alternativ oder in Ergänzung zur Ausführung der Prüfvorrichtung mit einem oder mehreren Sensorelementen kann mindestens ein Messelement als Schaltelement ausgeführt sein. Ein Schaltelement kann besonders einfach ein elektrisches Prüfsignal erzeugen, welches zwischen zwei Zuständen umschaltet, wenn die ausgeübte Kraft einen vorbestimmten Schwellwert über- bzw. unterschreitet. Zudem kann ein geeignet gewähltes Schaltelement dem Benutzer eine haptische Rückkopplung geben, d.h. durch Lautoder Tastwahrnehmung die Betätigung bestätigen. Hierzu können als Schaltelement kostengünstig insbesondere Mikroschalter oder Taster mit Rücksprungfunktion verwendet werden.
Zur weiteren Erhöhung der Zuverlässigkeit kann eine Funktionsprüfung, vorzugsweise ohne Betriebsunterbrechung, der zusätzlichen Prüfvorrichtung vorgesehen werden. Dies wird bereits ermöglicht, wenn mindestens ein Aktuator in geeigneter Weise zur gesteuerten Ausübung einer Kraft auf die Erfassungsvorrichtung mit dieser wirkverbunden ist.
Die vorgeschlagene Anordnung eignet sich insbesondere zur Anwendung in einem Berührungsbildschirm, insbesondere mit einer resistiv oder kapazitiv messenden Erfassungsvorrichtung, beispielsweise einem herkömmlichen Touchpanel. Die Anordnung kann jedoch auch in einer nicht anzeigefähigen Anordnung, etwa einem Touchpad, gewinnbringend eingesetzt werden.
Besonders geeignet ist die vorgeschlagene berührungsempfindliche Eingabeanordnung zum Einsatz in einem Multi-Funktions-Terminal zur Steuerung eines Geräts, einer Maschine, eines Fahrzeugs oder einer Anlage. In besonders kritischen Anwendungen kann neben der typischen Recheneinheit, an welche die berührungsempfindlichen Eingabeanordnung als Eingabegerät angeschlossen ist, ein zusätzlicher Sicherheitsrechner vorgesehen werden, an welchen die zusätzliche Prüfvorrichtung angeschlossen ist. So kann ein rechentechnisch sicherer Rechner die anhand der Erfassungsvorrichtung erfasste Eingabeinformation auf Grundlage des durch die Prüfvorrichtung erzeugten kraftabhängigen Prüfsignals überprüfen. Die Überprüfung kann jedoch auch in der gleichen Recheneinheit erfolgen, an welche die Eingabeanordnung als Eingabegerät angeschlossen ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung lassen sich der nachfolgenden rein beispielhaften Figurenbeschreibung entnehmen. Hierbei werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Teilquerschnitt eines Berührungsbildschirms bzw. Touchscreens mit einer erfindungsgemäßen Eingabeanordnung;
2 einen schematischen Längsschnitt eines Berührungsbildschirms gemäß Schnittlinie II-II aus 1;
3 einen vergrößerten schematischen Teilquerschnitt einer weiteren Ausführungsform analog zur Schnittlinie III-III aus 2;
4 einen vergrößerten schematischen Teilquerschnitt einer weiteren Ausführungsform analog zur Schnittlinie IV-IV aus 2;
5 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 eine schematische Darstellung eines Multi-Funktions-Terminals mit erfindungsgemäßer Eingabeanordnung zur sicherheitsrelevanten Eingabe über einen Berührungsbildschirm.
In 1 ist schematisch ein dem Benutzer zugewandter Bereich eines Berührungsbildschirms im Querschnitt gezeigt. Der Berührungsbildschirm, beispielsweise ein Multi-Touch-Berührungsbildschirm, ist lediglich ein bevorzugtes Beispiel einer berührungsempfindlichen Eingabeanordnung und in 1–2 allgemein mit 100 bezeichnet. Er umfasst eine auf herkömmliche Art hergestellte Erfassungsvorrichtung 104. Die Erfassungsvorrichtung 104 ist flächig und im Wesentlichen rechteckig ausgeführt und dient zur Erfassung der Position unterschiedlicher Berührungseingaben. Als Erfassungsvorrichtung 104 geeignet ist insbesondere ein resistives oder kapazitives Touchpanel in herkömmlicher Bauweise, welches sowohl anzeige- als eingabefähig ist. Zum Schutz umgibt ein Gehäuse 102 rückseitig und umfänglich die Erfassungsvorrichtung 104 so, dass nur die zu betätigende Seite dem Benutzer zugänglich ist. Wie am besten aus 1 und 2 zusammen ersichtlich, umfasst ein oberer Rahmenbereich 106 des Gehäuses 102 die Erfassungsvorrichtung 104 derart, dass die Erfassungsvorrichtung 104 gegen seitliche Verschiebungen in ihrer Hauptebene gesichert ist.
Wie weiter aus 1 und 2 ersichtlich, werden Druckkräfte, die bei einer Eingabe bzw. Betätigung auf die Erfassungsvorrichtung 104 ausgeübt werden, anhand von mehreren als Sensorelementen 110 ausgeführten Messelementen in das Gehäuse 102 eingeleitet. In Richtung quer zur Hauptebene ist die Erfassungsvorrichtung 104 somit zumindest teilweise anhand der Sensorelemente 110 am Gehäuse 102 gelagert, d.h. die Sensorelemente 110 bilden mechanische Auflager für die Erfassungsvorrichtung 104. Äquivalent können die Sensorelemente 110 auch zur Zugkraftübertragung auf das Gehäuse 102 angeordnet sein. In jedem Fall bilden die Sensorelemente 110 eine zusätzliche Prüfvorrichtung, allgemein mit 120 bezeichnet, welche in kraftübertragender Anordnung zwischen der Erfassungsvorrichtung 104 und dem Gehäuse 102 vorgesehen ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1–2 ist hierzu an jeder der vier Ecken der Erfassungsvorrichtung 104 ein Mess- bzw. Sensorelement 110 vorgesehen.
Hierdurch wird die bei der Betätigung bzw. Bedienung der Eingabeanordnung 100 auf die Erfassungsvorrichtung 104 ausgeübte Kraft zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig durch die Sensorelemente 110 der Prüfvorrichtung 100 in das Gehäuse 102 eingeleitet. Die vorgeschlagene Eingabeanordnung 100 erlaubt demnach neben der üblichen Erfassung von positionsabhängiger Eingabeinformation auch die Erzeugung eines weiteren, unabhängigen Prüfsignals. Das von der Prüfvorrichtung 120 erzeugte Prüfsignal kann beispielsweise eine Mittelung der durch die einzelnen Sensorelemente 110 erzeugten Messsignale darstellen. In jedem Fall erzeugt die Prüfvorrichtung 120 mindestens ein Prüfsignal, welches von der bei Berührungseingabe auf die Erfassungsvorrichtung 104 ausgeübten Kraft abhängt.
Mit der zusätzlichen Prüfvorrichtung 120 gemäß 1–2 werden unterschiedliche Arten der sicherheitsrelevanten Weiterverarbeitung von anhand der Erfassungsvorrichtung 104 erzeugten Eingabeinformation ermöglicht. Es kann beispielsweise zum Prüfsignal der Prüfvorrichtung 120 eine Entscheidungsschwelle festgelegt werden, welche die Diskriminierung „unechter“ Bedienungs- oder Eingabevorgänge ermöglicht. Anhand einer logischen UND-Verknüpfung des entsprechenden Diskriminierungssignals und der anhand der Erfassungsvorrichtung 104 erzeugten Eingabeinformation können sicherheitsrelevante Eingaben zuverlässiger erfasst bzw. verworfen werden. Von einer „echten“ Eingabe kann somit ausgegangen werden, wenn einerseits die Erfassungsvorrichtung 104 Eingabeinformation liefert, und andererseits auch die zusätzliche Prüfvorrichtung 120 ein Prüfsignal liefert, welches die vorgenannte Entscheidungsschwelle überschreitet. Weiterhin kann hierdurch auch das Ende einer Eingabe, beispielsweise das Loslassen eines Zeigefingers vom Touchpanel, sicherer und schneller erkannt werden. Nur wenn beide vorgenannten Bedingungen erfüllt sind, d.h. wenn zu einer Eingabeinformation zeitgleich ein Prüfsignal vorliegt, ist weiterhin vom Vorhandensein einer „echten“ Eingabe auszugehen. Die Messsignale der einzelnen Sensorelemente 110 können jeweils einzeln mit einem Schwellwert verglichen und das anschließende Ergebnis einer logischen UND-Verknüpfung zugeführt werden. Entsprechend wird eine Eingabe nur als „echt“ gewertet, wenn alle Sensorelemente 110 ein relevantes Signal erzeugen. Alternativ kann im Sinne einer Minimalerkennung auch durch ODER-Verknüpfung der Messsignale der einzelnen Sensorelemente 110 und anschließendem Schwellwertvergleich des Verknüpfungsergebnisses ein Prüfsignal gebildet werden.
Alternativ oder ergänzend zur vorgenannten Mittelwertbildung aus Messsignalen der Sensorelemente 110 ermöglicht eine Anordnung gemäß 2 auch das Erzeugen von positionsabhängiger Prüfinformation, welche zumindest näherungsweise redundant zu der positionsabhängigen Eingabeinformation der Erfassungsvorrichtung 104 ist und somit eine Überprüfung der erfassten Position ermöglicht. Aufgrund der Auflagerfunktion der Sensorelemente 110 findet bei einer Eingabe an der Erfassungsvorrichtung 104 eine Kraftverteilung auf die einzelnen Sensorelemente 110 statt. Auf Grundlage dieser Kraftverteilung lässt sich durch geeignete Matrizenrechnung zumindest näherungsweise die Position bestimmen, an welcher eine Betätigung der Erfassungsvorrichtung 104 erfolgte. Aufgrund der Redundanz dieser positionsabhängigen zusätzlichen Prüfinformation, kann die von der Erfassungsvorrichtung 104 gelieferte positionsabhängige Eingabeinformation zu Sicherheitszwecken verifiziert werden.
Als Sensorelemente 110 sind grundsätzlich alle herkömmlichen, hinreichend zuverlässigen Sensortypen geeignet, beispielsweise Dehnungsmessstreifen (DMS) oder piezoelektrische Sensoren. Ebenfalls geeignet sind induktive oder kapazitive Sensoren. Vorzugsweise werden zur Erzeugung positionsabhängiger Prüfinformation, wie in 2 gezeigt, vier Sensorelemente 110 an den Ecken der Erfassungsvorrichtung 104 vorgesehen, bei einer zweidimensionalen Eingabeinformation, d.h. einer Erfassungsvorrichtung 104, welche Daten zu den X-, Y-Koordinaten liefert, mindestens jedoch drei Sensorelemente 110 als Auflager vorgesehen.
3 zeigt ein weiteres, kostengünstiges Ausführungsbeispiel einer berührungsempfindlichen Eingabeanordnung, allgemein mit 200 bezeichnet. Gemäß 3 ist mindestens ein Schaltelement 210 als Messelement vorgesehen. Das Schaltelement 210 ist in kraftübertragender Anordnung zwischen der Erfassungsvorrichtung 204 und dem Gehäuse 202 vorgesehen. Vorzugsweise sind jedoch mehrere Schaltelemente 210 über den Umfang der Erfassungsvorrichtung 204 verteilt, bspw. analog zu 2, vorgesehen. Als Schaltelement 210 kann beispielsweise ein herkömmlicher Mikroschalter oder jeder andere geeignete Taster oder Schalter, vorzugsweise mit Rücksprungfunktion vorgesehen werden. Ein Mikroschalter oder Taster mit Rücksprungfunktion gibt dem Benutzer eine haptische Sinneswahrnehmung zur Bestätigung der Eingabe bzw. Betätigung an der Erfassungsvorrichtung 204.
Wie weiter aus 3 ersichtlich können zur mechanischen Bereitstellung einer zu überwindenden Kraftschwelle Federmittel 212 parallel zu den Schaltelementen 210 zwischen der Erfassungsvorrichtung 204 und dem Gehäuse 202 vorgesehen sein. Die Federmittel 212 können über den Umfang verteilt beispielsweise jeweils mittig an den Seiten der Erfassungsvorrichtung 204 vorgesehen werden, analog zu der in 2 angedeuteten Schnittlinie III-III. Durch die Einstellung der Vorspannung der Federmittel 212 wird zusammen mit dem Prüfsignal des bzw. der Schaltelemente 210 eine Mindestkraft bestimmt, welche zur Betätigung der Erfassungsvorrichtung 204 aufgebracht werden muss. Je nach der gewünschten sicherheitsrelevanten Weiterverarbeitung der durch die Erfassungsvorrichtung 204 bereitgestellten Eingabeinformation können die einzelnen Schaltelemente 210 logisch in einer UND-Verknüpfung oder einer ODER-Verknüpfung geschaltet sein. So kann hinsichtlich eines maximalen bzw. minimalen Kraftaufwands bei der Berührungseingabe geprüft werden. Ein entsprechend erzeugtes Prüfsignal kann, wie weiter oben erläutert, zur sicherheitsrelevanten Weiterverarbeitung, insbesondere zum Bestätigen oder Verwerfen der anhand der Erfassungsvorrichtung 204 erfassten Eingabeinformation genutzt werden.
4 zeigt schematisch einen Aktuator 214 zur Funktionsprüfung einer Prüfvorrichtung gemäß 1–2 oder 3 durch gesteuerte Ausübung einer Kraft auf die Erfassungsvorrichtung 204. Der Aktuator 214 ist derart mit der Erfassungsvorrichtung 204 wirkverbunden, dass er im Bereitschaftszustand kein Auflager bildet, d.h. bei Eingabebedienung keine Druckkraft von der Erfassungsvorrichtung 204 in das Gehäuse 202 einleitet. Der Aktuator 214 übt jedoch bei gewünschter Funktionsprüfung, vorzugsweise ohne Betriebsunterbrechung, eine kontrolliert vorgegebene Kraft, in 4 eine Zugkraft, auf die Erfassungsvorrichtung 204 aus. Dies ermöglicht unabhängig von der Erfassungsvorrichtung 204 eine Funktionsprüfung der Prüfvorrichtung. Es kann zwecks Einzelprüfung zu jedem vorgesehenen Messelement 110; 210 ein entsprechender Aktuator 214 vorgesehen werden. Eine geeignet angeordnete Mehrzahl von Aktuatoren 214 ermöglicht zudem eine zweistufige und unabhängige Überprüfung der positionsabhängigen Prüfinformation, falls solche durch die Prüfvorrichtung erzeugt wird.
5 zeigt schematisch anhand eines Flussdiagramms den Ablauf eines Verfahrens zur sicheren Berührungseingabe an einer berührungsempfindlichen Eingabeanordnung 100; 200 beispielsweise gemäß 1–2 oder 3.
Ausgehend von einem Bereitschaftszustand 550 erfolgt mit Schritt 555 eine Eingabe durch Berührung am Prüfungsbildschirm 100; 200. Nach einer Eingabe 555 erfolgen parallel und näherungsweise zeitgleich die Schritte 562 und 564. Schritt 562 stellt das Erfassen von positionsabhängiger Eingabeinformation zur Berührungseingabe in herkömmlicher Weise anhand der Erfassungsvorrichtung 104; 204 dar. Schritt 564 stellt das erfindungsgemäße Erzeugen mindestens eines Prüfsignals dar, wobei das Prüfsignal von einer bei der Berührungseingabe im Schritt 550 ausgeübten Kraft abhängig ist. Die Signalerzeugung zu Schritt 564 erfolgt anhand der zusätzlichen Prüfvorrichtung 120 bzw. der Messelemente 110; 210.
Anschließend erfolgt im Schritt 566 das Überprüfen der anhand der Erfassungsvorrichtung 104; 204 in Schritt 562 erfassten Eingabeinformation auf Grundlage des kraftabhängigen Prüfsignals aus Schritt 564. Anhand des Ergebnisses der Überprüfung in Schritt 566 erfolgt anschließend die sicherheitsrelevante Weiterverarbeitung, schematisch als Schritt 572 zusammengefasst, der in Schritt 562 erfassten Eingabeinformation. So kann bei positivem Ergebnis der Überprüfung, d.h. nach Validierung der erfassten Eingabeinformation, diese zu Zwecken einer sicherheitskritischen Steuerung verwendet werden. Bei negativem Ergebnis der Überprüfung wird die Eingabeinformation jedoch gemäß Schritt 574 verworfen und das System in den Bereitschaftszustand 550 zurückversetzt.
Als weiterer Aspekt einer Prüfvorrichtung 120 mit Sensorelementen 110 kann eine betragsmäßige Kraftmessung in Schritt 564 erfolgen und genutzt werden um dem Benutzer anzuzeigen, ob die Erfassungsvorrichtung 104; 204 bzw. das Touchpanel bestimmungsgemäß bedient wurde. So kann, beispielsweise durch eine LED-Farbanzeige, der Nutzer dahingehend geschult werden, die Erfassungsvorrichtung 104; 204 adäquat zu bedienen und insbesondere zu kräftige Betätigungen zu vermeiden.
In 6 ist als Beispiel eines Multi-Funktions-Terminals eine Benutzerschnittstelle bzw. ein HMI (Human Machine Interface) allgemein mit 610 bezeichnet. Teil des HMI 610 sind eine Recheneinheit 612 und ein erfindungsgemäßer Berührungsbildschirm 100, beispielsweise gemäß 1. Der Berührungsbildschirm 100 umfasst als integralen Bestandteil eine Erfassungsvorrichtung 104, insbesondere ein sog. Touch bzw. Touchpanel in geeigneter Technologie. Die Erfassungsvorrichtung 104 ist Teil einer Eingabeanordnung zur Bedienung der Recheneinheit 612 und wird für sich genommen in der Erfassung von Eingaben als nicht ausreichend sicher angesehen. Typischerweise erlaubt die Erfassungsvorrichtung 104 der Recheneinheit 612 die Erfassung von Koordinaten einer Berührungseingabe 620 innerhalb der Ebene der Anzeige des Berührungsbildschirms 100. Die Recheneinheit 612 weist einen Grafikcontroller 622 zur Ansteuerung des Berührungsbildschirms 100 über eine Bilddatenleitung 624 auf. Die Erfassungsvorrichtung 104 ist über eine Sensorleitung 626 mit einem Sensorcontroller 628 in der Recheneinheit 612 verbunden zum Ansteuern und Auslesen der Erfassungsvorrichtung 104. Das HMI 610 kann in einem an sich bekannten Standardaufbau anhand eines PC als Recheneinheit 612 mit an sich bekannter Anzeigesoftware ausgeführt sein. Typischerweise werden Bedienelemente 618, wie Tasten, eine Tastatur oder andere graphische Elemente zur Bedienung (bzw. Bedienungsaufforderung) auf dem Berührungsbildschirm 100 angezeigt. Ein Benutzer wird durch Drücken auf die Oberfläche der Anzeige bzw. der Erfassungsvorrichtung 104 an der entsprechenden Stelle den zugehörigen Informationsgehalt bedienen bzw. die zugehörige Eingabe tätigen und übermitteln wollen. Typischerweise wird hierbei die Position der Berührung, z.B. in Form von X-, Y-Koordinaten, durch den Sensorcontroller 628 bestimmt. Die Recheneinheit 612 ordnet die Eingabe einer bestimmten Stelle der Darstellung und somit dem entsprechenden Bedienelement 618 in der Anzeige des Berührungsbildschirms 100 zu. Eine geeignete Applikationssoftware setzt dementsprechend das Ereignis des Berührens, d.h. die Betätigung 620, in einen Informationsgehalt um (z. B. Druck auf dargestelltes Tastensymbol mit Aufschrift „D“ bedeutet, der Informationsgehalt „D“ wurde ausgewählt). Dieser Informationsgehalt wird typischerweise zur Weiterverarbeitung an einen Empfänger versendet, bspw. in der gezeigten Ausführung gemäß 6 über einen Verbindungskanal 638 an einen Sicherheitsrechner 640, welcher ein Gerät, eine Maschine, ein Fahrzeug oder eine Anlage steuert.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 6 ist ferner eine Prüfeinheit 630 vorgesehen, welche einerseits mit der Bilddatenleitung 624 verbunden und andererseits über einen Auslesekanal 634 mit der zusätzlichen Prüfvorrichtung 120 gemäß 1–2 des Berührungsbildschirms 100, welche positionsabhängige Prüfinformation auf Grundlage mehrerer kraftabhängiger Prüfsignale erzeugt. Die Prüfeinheit 630 kann unmittelbar oder mittelbar über eine Abhörleitung (nicht gezeigt) mit der Bilddatenleitung 624 verbunden sein. Als Auslesekanal 634 für die Prüfeinheit 630 kann die Sensorleitung 626 genutzt werden. Vorzugsweise wird jedoch ein Auslesekanal 634 in Form einer weiteren unabhängigen Leitung vorgesehen, um ein vollkommen unabhängiges Überprüfen der Erfassungsvorrichtung 104 zu erzielen.
Eine Berührungseingabe 620 am Berührungsbildschirm 100 kann somit anhand eines entsprechenden Funktionsblocks 632 von der Prüfeinheit 630 überprüft werden. Anhand der positionsabhängigen Prüfinformation, welche die Prüfvorrichtung 120 (siehe 1–2) bereitstellt, wird einem betätigten Displayelement 618 in der Anzeige ein bestimmter Überwachungsbereich zugeordnet und in der Prüfeinheit 630 aktiviert. Der Funktionsblock 632 hat somit die Funktion, einen bestimmten Überwachungsbereich auszuwählen, nämlich denjenigen Teilbereich der Anzeige, innerhalb dessen die ermittelte Berührungseingabe 620 gemäß den unabhängigen Prüfsignalen der Prüfvorrichtung 120 erfolgte. Hierzu kann bspw. ein relativ grobmaschiges Raster verwendet werden, das die Anzeige des Berührungsbildschirms 100 in Sektoren bzw. Bildkacheln unterteilt, so dass in der Prüfvorrichtung 120 günstige und zuverlässige Sensortechnik eingesetzt werden kann. In einem entsprechenden Raster von Überwachungsbereichen entspricht bei geeignet formatierter Anzeige jedes Bildschirmsymbol bzw. Displayelement 618 (z.B. „Taste D“ in 1) einem einzigen rechteckigen Rasterelement, das in fester relativer Lage zum angezeigten Displayelement 618 steht. Die Anzeige der grafischen Elemente durch die Recheneinheit 612 wird dementsprechend zum Erhalt der Verfügbarkeit in einem bestimmten Raster erfolgen, welches dem Raster der durch die Prüfvorrichtung 120 und die Prüfeinheit 630 selektierbaren Überwachungsbereiche entspricht.
Auf Grundlage des durch den Funktionsblock 632 ausgewählten Überwachungsbereichs erzeugt die Prüfeinheit 630 für diesen Teilbereich der Anzeige, d.h. für das dortige Displayelement 618 und somit für die getätigte Eingabe, eine entsprechende Signatur bzw. einen entsprechenden eineindeutigen Prüfcode (z.B. „A35d1xh“ in der 6). Dieser Prüfcode wird anhand eines Codekanals 636 an den Sicherheitsrechner 640 übermittelt. Durch die Prüfvorrichtung 120 und die Prüfeinheit 630 zusammen mit dem Auslesekanal 634 und dem Codekanal 636 wird somit ein unabhängiger Rückkanal mit erhöhter Sicherheit und ggf. erhöhter Verfügbarkeit ermöglicht.
Der Sicherheitsrechner 640 ist ferner in bekannter Art über einen Verbindungskanal 638 mit der Recheneinheit 612 verbunden. Zur erhöhten Sicherheit kann der Sicherheitsrechner 640 anhand der Signatur bzw. des Prüfcodes, welcher von der Prüfeinheit 630 übermittelt wurde, einen Vergleich zum Informationsgehalt einer herkömmlichen Rückmeldung bzw. eines durch die Recheneinheit 612 als eingegeben ermittelten Werts durchführen, um mögliche Fehler zu erkennen. Wird beispielsweise durch die Recheneinheit 612 ein anderer Wert als erfasst zurückgegeben als derjenige Wert, welcher dem durch die Prüfeinheit erzeugten Prüfcode entspricht, so wird dieser Fehler im Sicherheitsrechner 640 erkennbar. Zum vorgenannten Vergleich wird im Sicherheitsrechner 640 ein dem Prüfcode entsprechender Vergleichswert ermittelt, welcher typischerweise dem im Überwachungsbereich angezeigten Displayelement 618 entspricht, welches durch die Prüfeinheit 630 „codiert“ bzw. „signiert“ wurde. Dieses kann effizient mittels einer im Sicherheitsrechner 640 abgelegten Lookup-Tabelle 642 erfolgen. Das Vergleichsergebnis ermöglicht vielerlei sicherheitsgerichtete Reaktionen, insbesondere jedoch das Bestätigen oder, im Fehlerfall, das Verwerfen des von der Recheneinheit 612 als eingegeben ermittelten Wertes. Die Reaktion an sich kann in der Recheneinheit 612 und/oder im Sicherheitsrechner 640 oder an sonstiger Stelle des Systems erfolgen. Als Codiertechnik für das Erzeugen von Prüfcodes zu Bilddaten wird in der Prüfeinheit vorzugsweise eine Lösung gemäß WO 2011/003872 A1 eingesetzt, welche charakteristische und eineindeutige Signaturen für das angezeigte und durch den Bediener per Bedienungseingabe 620 ausgewählte Displayelement 18 erzeugt. Die entsprechende Offenbarung der WO2011/003872 betreffend das Codierverfahren an sich wird per Verweis hierin einbezogen.
Mit dem Sicherheitsrechner 640 kann weiterhin und insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Ablaufdiagramm in 5 implementiert werden. Hierzu ist ein weiterer Prüfkanal 644 vorgesehen, welcher die Prüfvorrichtung 120 gemäß 1–2 unmittelbar mit dem Sicherheitsrechner 640 verbindet. Die Übertragung des kraftabhängigen Prüfsignals bzw. der hieraus erzeugten positionsabhängigen Prüfinformation über den Prüfkanal 644 ermöglicht ein Überprüfen der anhand der Erfassungsvorrichtung 104 und über den Verbindungskanal 638 erfassten Eingabeinformation im Sicherheitsrechner 644. Entsprechend erfolgt im Sicherheitsrechner 644 die sicherheitsrelevante Weiterverarbeitung der über den Verbindungskanal 638 übertragenen Eingabeinformation.
Bezugszeichenliste
Fig. 1–Fig. 2

100: Berührungsbildschirm
102: Gehäuse
104: Erfassungsvorrichtung
106: Rahmenbereich
110: Sensorelemente
120: Prüfvorrichtung

200: Berührungsbildschirm
202: Gehäuse
204: Erfassungsvorrichtung
206: Rahmenbereich
210: Schaltelement
212: Federmittel
214: Aktuator

550: Bereitschaftszustand
555: Berührungseingabe
562: Erfassen von Eingabeinformation
564: Erzeugen eines Prüfsignals
566: Überprüfen der Eingabeinformation anhand des Prüfsignals
572: sicherheitsrelevante Weiterverarbeitung
574: Verwerfen der Eingabeinformation

610: Multi-Funktions-Terminal (HMI)
612: Recheneinheit
100: Berührungsbildschirm (Touchscreen)
104: Erfassungsvorrichtung
618: Displayelement
620: Berührungseingabe
622: Grafikcontroller
624: Bilddatenleitung (bspw. LVDS)
626: Sensorleitung
628: Sensorcontroller
630: Prüfeinheit
632: Funktionsblock („Bereichsauswahl“)
634: Auslesekanal
636: Codekanal
638: Verbindungskanal
640: Sicherheitsrechner
642: Lookup-Tabelle
644: Prüfkanal

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 Patentliteratur

WO 2011/003872 A1 [0043]
WO 2011/003872 [0043]

Claims

Verfahren zur sicheren Berührungseingabe an einer berührungsempfindlichen Eingabeanordnung (100; 200) mit einer Erfassungsvorrichtung (104; 204) zur Umsetzung einer Berührungseingabe in Eingabeinformation, welche von der Position der Berührung abhängig ist, das Verfahren umfassend: – Erfassen (562) von positionsabhängiger Eingabeinformation einer Berührungseingabe (555) anhand der Erfassungsvorrichtung; – Erzeugen (564) mindestens eines Prüfsignals, welches von einer bei der Berührungseingabe ausgeübten Kraft abhängig ist, anhand einer zusätzlichen Prüfvorrichtung (120); – Überprüfen (566) der anhand der Erfassungsvorrichtung erfassten Eingabeinformation auf Grundlage des kraftabhängigen Prüfsignals zwecks sicherheitsrelevanter Weiterverarbeitung (572) der erfassten Eingabeinformation, insbesondere zwecks sicherheitsgerichtetem Bestätigen oder Verwerfen (574) der erfassten Eingabeinformation.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch: – Erzeugen mindestens eines Prüfsignals (564) durch Messen der bei der Berührungseingabe ausgeübten Kraft; und – Verwerfen (574) der zu der Berührungseingabe erfassten Eingabeinformation wenn das Prüfsignal eine Entscheidungsschwelle nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 wobei, gekennzeichnet, durch – Erzeugen positionsabhängiger Prüfinformation auf Grundlage mehrerer kraftabhängiger Prüfsignale, wobei die Prüfvorrichtung mehrere Sensorelemente (110) aufweist, welche beim Messen der ausgeübten Kraft positionsabhängig jeweilige Prüfsignale erzeugen; und – Überprüfen der anhand der Erfassungsvorrichtung (104) erfassten Eingabeinformation auf Grundlage der positionsabhängigen Prüfinformation.
Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen die Unterscheidung umfasst, ob die auf die Erfassungsvorrichtung (204) ausgeübte Kraft einen vorbestimmten Schwellwert überbzw. unterschreitet.
Berührungsempfindliche Eingabeanordnung (100; 200) umfassend: eine Erfassungsvorrichtung (104; 204) zur Umsetzung einer Berührungseingabe in Eingabeinformation, welche von der Position der Berührung abhängig ist, und ein Gehäuse (102; 202) welches die Erfassungsvorrichtung teilweise umgibt; gekennzeichnet, durch eine zusätzliche Prüfvorrichtung (120) in kraftübertragender Anordnung zwischen der Erfassungsvorrichtung (104; 204) und dem Gehäuse (102; 202), welche ausgelegt ist zur Erzeugung eines Prüfsignals welches von einer bei der Berührungseingabe ausgeübten Kraft abhängig ist und eine sicherheitsrelevante Überprüfung erfasster Eingabeinformation erlaubt.
Berührungsempfindliche Eingabeanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Prüfvorrichtung mindestens ein Messelement (110; 210) in kraftübertragender Anordnung zwischen der Erfassungsvorrichtung (104; 204) und dem Gehäuse (102; 202) aufweist zur Bereitstellung eines elektrischen Prüfsignals in Abhängigkeit von einer bei der Berührungseingabe ausgeübten Kraft.
Berührungsempfindliche Eingabeanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (104; 204) als kombiniert eingabe- und ausgabefähiges Touchpanel ausgeführt ist und die zusätzliche Prüfvorrichtung mehrere Messelemente (110; 210) umfasst, welche ein mechanisches Auflager für das Touchpanel am Gehäuse darstellen so, dass bei Berührungseingabe auf das Touchpanel ausgeübte Druckkräfte über die Messelemente (110; 210) der Prüfvorrichtung in das Gehäuse (102; 202) eingeleitet werden.
Berührungsempfindliche Eingabeanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messelement als Sensorelement (110) zur betragsmäßigen Messung der ausgeübten Kraft ausgeführt ist und vorzugsweise einen Dehnungsmessstreifen (DMS) oder einen piezoelektrischen, induktiven oder kapazitiven Sensor umfasst.
Berührungsempfindliche Eingabeanordnung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messelement als Schaltelement (210) ausgeführt ist zur Erzeugung eines elektrischen Prüfsignals, welches zwischen zwei Zuständen umschaltet wenn die ausgeübte Kraft einen vorbestimmten Schwellwert über- bzw. unterschreitet.
Berührungsempfindliche Eingabeanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (210) mit haptischer Rückkopplung ausgeführt ist, insbesondere als Mikroschalter oder als Taster mit Rücksprungfunktion.
Berührungsempfindliche Eingabeanordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle das Auflager des Touchpanels darstellenden Messelemente als Sensorelemente (110) ausgeführt sind und die Prüfvorrichtung zur Erzeugung redundanter positionsabhängiger Prüfinformation ausgelegt ist.
Berührungsempfindliche Eingabeanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Aktuator (214) zur gesteuerten Ausübung einer Kraft auf die Erfassungsvorrichtung mit dieser wirkverbunden ist und eine Funktionsprüfung, vorzugsweise ohne Betriebsunterbrechung, der zusätzlichen Prüfvorrichtung ermöglicht.
Berührungsbildschirm gekennzeichnet, durch eine berührungsempfindliche Eingabeanordnung (100; 200) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, insbesondere mit einer resistiven oder mit einer kapazitiven Erfassungsvorrichtung (104; 204).
Multi-Funktions-Terminal (510) zur Steuerung eines Geräts, einer Maschine, eines Fahrzeugs oder einer Anlage, gekennzeichnet, durch eine berührungsempfindliche Eingabeanordnung (100; 200) nach einem der Ansprüche 5 bis 12.
Multi-Funktions-Terminal (510) nach Anspruch 14 umfassend eine Recheneinheit (512), an welche die berührungsempfindlichen Eingabeanordnung (100; 200) als Eingabegerät angeschlossen ist, sowie einen Sicherheitsrechner (540), an welchen die zusätzliche Prüfvorrichtung (120) angeschlossen ist, zum Überprüfen der anhand der Erfassungsvorrichtung (104; 204) erfassten Eingabeinformation auf Grundlage des durch die Prüfvorrichtung (120) erzeugten kraftabhängigen Prüfsignals (644).