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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung und ein Verfahren zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten. Ferner betrifft die Erfindung eine Bedienanordnung mit einer solchen Anzeigevorrichtung.
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Optische Anzeigevorrichtungen in Form von Displays oder Human Machine Interfaces (HMI) sind im industriellen Umfeld bekannt, beispielsweise in den „Siemens SIMATIC HMI Panels“. Eine Weiterentwicklung derartiger Anzeigevorrichtungen stellen so genannte hapto-visuelle Anzeigesysteme dar.
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1 zeigt beispielhaft den Aufbau eines derartigen hapto-visuellen Anzeigesystems 10. Zwischen einer Flüssigkristallanzeige 13 (Englisch: liquid crystal display, LCD) und einer berührungssensitiven Sensorfläche 11, wie sie beispielsweise aus Tablet-Computern und Mobiltelefonen bekannt ist, ist eine haptische Aktorschicht 12 eingefügt. Die haptische Aktorschicht 12 umfasst dabei einen oder mehrere Aktoren 14, wobei ein Aktor 14 elektrische oder elektronische Signale beispielsweise in eine mechanische Bewegung oder in eine andere physikalische Größe, wie zum Beispiel Druck oder Temperatur, umsetzen kann.
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Alternativ kann die Aktorschicht 12 unter einer OLED-Anzeige 13 angebracht sein.
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Die haptische Aktorschicht kann beispielsweise auf Basis von elektroaktiven Polymeren (EAP) oder elektrodynamischen Linearantrieben aufgebaut sein.
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Bekannte Anzeigesysteme zur Anzeige von Daten in Industrieanlageüberwachungssystemen basieren auf visueller und auditiver Signalisierung und übermitteln Informationen somit an den menschlichen Seh- und Hörsinn.
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Mensch-Maschine-Schnittstellen im Rahmen von Industrieanlagenüberwachungssystemen müssen häufig eine Vielzahl von Informationen vermitteln. Dies birgt das Problem, dass das Bedienpersonal durch Reizüberflutung überfordert werden kann.
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Konventionelle Einrichtungen zur haptischen Ausgabe von Daten wie beispielsweise der Vibrationsalarm eines Mobiltelefons oder vibrierende Eingabegeräte bei Unterhaltungssystemen bieten nur sehr begrenzte Möglichkeiten, Informationen zu übermitteln. Im Wesentlichen beschränkt sich die übermittelbare Information auf Zustände wie „Ein/Aus“ oder „Aktiviert/Deaktiviert“. Weiterhin ist konventionellen grafischen Anzeigesystemen gemein, dass sie beispielsweise im Fall berührungssensitiver Bildschirme ausgerechnet im Moment der Bedienung vom Finger oder der Hand des Benutzers verdeckt werden. Es besteht somit die Gefahr einer potenziell gefährlichen Fehlbedienung, wenn beispielsweise im Moment des Berührens eine Statusänderung erfolgt oder der Finger des Benutzers auf eine falsche Fläche des Bildschirms verrutscht.
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Demnach ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anzeigevorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten zu schaffen.
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Demgemäß wird eine Anzeigevorrichtung zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten vorgeschlagen. Die Anzeigevorrichtung umfasst einen flachen hapto-visuellen Anzeigebereich, welcher eine visuelle Schicht zur visuellen Ausgabe von Anzeigedaten und eine haptische Schicht zur haptischen Ausgabe von haptischen Daten umfasst. Die haptische Schicht umfasst Segmente mit jeweils mindestens einem Aktor. Die Anzeigevorrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Bewegung des Aktors derart, dass der Aktor eines Segments senkrecht und/oder parallel zu dem hapto-visuellen Anzeigebereich bewegt wird. Die Bewegung ist dabei aus zumindest einem Bewegungsmuster aus einem sinusförmigen Bewegungsmuster, einem rechteckförmigen Bewegungsmuster, einem pulsierenden Bewegungsmuster und/oder einem impulsförmigen Bewegungsmuster gebildet.
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Aus einem Bewegungsmuster gebildet bedeutet dabei, dass die Segmente des Anzeigebereichs im zeitlichen Verlauf durch räumliche Auslenkung des oder der jeweiligen Aktoren derart bewegt werden, beispielsweise angehoben oder verschoben, dass die Bewegung für den menschlichen Tastsinn spürbar ist. Die Bewegung folgt im zeitlichen Verlauf einem der genannten Bewegungsmuster.
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Die Bewegung des Aktors erfolgt parallel und/oder senkrecht zu einer Flächenausdehnung des Anzeigebereichs. Eine kombinierte Bewegung mit einem zur Flächenausdehnung des Anzeigebereichs tangentialen Anteil sowie einem zur Flächenausdehnung des Anzeigebereichs normalen Anteil ist dabei möglich.
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Durch die Nutzung eines weiteren, haptischen Informationskanals zusätzlich zur visuellen Ausgabe kann eine Reizüberflutung des Bedienpersonals einer Maschine mit einer derartigen Anzeigevorrichtung, beispielsweise in einem Industrieanlagenüberwachungssystem, gemindert werden. Die Bedienung der Maschine wird somit sicherer, da es zu weniger Fehlbedienungen kommt.
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Hapto-visuelle Anzeigesysteme bergen interessante Anwendungen auch im industriellen Umfeld. Der Einsatz von haptischen Anzeigesystemen ermöglicht neben der optischen Rückmeldung die Verwendung eines weiteren Informationskanals. Die Informationsbandbreite des menschlichen Tastsinns wird auf ca. 1 Mbit/s geschätzt. Zum Vergleich erreicht die optische Wahrnehmung des Menschen eine Bandbreite von ca. 10 Mbit/s, das Gehör erreicht sogar lediglich ca. 100 kbit/s. Da der Tastsinn zudem Signale bis ca. 100 Hz zeitlich auflösen kann, bergen haptische Schnittstellen damit das Potenzial, eine Vielzahl von Informationen in einem für die Maschinendiagnostik interessanten Frequenzbereich zu übermitteln.
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Bei Ausführungsformen ist der Aktor für jedes der Segmente getrennt ansteuerbar. Somit lassen sich unterschiedliche Teilbereiche des Anzeigebereichs, gebildet durch die Segmente, unterschiedlich und getrennt voneinander bewegen.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist die erzeugte Bewegung des Aktors eines Segments ertastbar. Der Aktor eines Segments wird dazu derart bewegt, dass die Bewegung dem menschlichen Tastsinn zugänglich ist.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Bewegung des Aktors ferner ausgestaltet, die Bewegung des Aktors in Abhängigkeit von Messwerten zu steuern.
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Die Messwerte können dabei insbesondere Bewegungen einer Maschine in einem bestimmten Betriebszustand abbilden. Auf diese Weise ist es möglich, durch eine haptische Darstellung der Maschinenbewegungen eine Nähe zu der Maschine zu simulieren. Dies ermöglicht ein direktes Erleben des Maschinenverhaltens durch eine realistische Nachbildung selbst über größere Entfernungen hinweg, zum Beispiel von einem Leitstand aus, der in einem anderen Gebäude als die Maschine untergebracht ist.
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Eine Maschine kann dabei beispielsweise ein Motor, eine Förderstraße, ein Ventil, eine Aktoreinheit, ein Roboter, ein Schaltunterbrecher oder ein beliebiges anderes industrielles Element sein.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung derart ausgestaltet, dass die Messwerte einer Transformation unterzogen werden, wobei die Transformation insbesondere eine Stauchung, eine Streckung, eine Skalierung und/oder eine nichtlinearen Verzerrung ist.
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Auf diese Weise können nahezu beliebige Messwerte unterschiedlichster Ausprägung taktil erfassbar, das heißt für den menschlichen Tastsinn spürbar gemacht werden, beispielsweise auch Bewegungen in einem Frequenzbereich, der normalerweise für den menschlichen Tastsinn nicht wahrnehmbar ist.
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Bei weiteren Ausführungsformen bilden die Segmente eine Parkettierung des Anzeigebereichs.
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Eine Parkettierung ermöglicht eine lückenlose und überlappungsfreie Überdeckung des Anzeigebereichs durch gleichförmige oder verschiedenförmige Segmente. Insofern können unterschiedlich angesteuerte Aktoren verschiedener Segmente über den Anzeigebereich differenziert Informationen darstellen. Beispielsweise können beim Bediener an jeder Fingerkuppe, die auf dem Display ruht, unterschiedliche Bewegungen wahrgenommen werden.
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Bei weiteren Ausführungsformen weist die Anzeigevorrichtung ferner eine berührungssensitive Schicht insbesondere zum Erfassen einer kapazitiven Veränderung in einem Berührungsbereich der berührungssensitiven Schicht auf.
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Die berührungssensitive Schicht ermöglicht es dem Benutzer, eine Aktion über das Berühren des Anzeigebereichs auszulösen.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung ferner ausgestaltet, in Abhängigkeit der kapazitiven Veränderung in dem Berührungsbereich der berührungssensitiven Schicht die Bewegung des Aktors zu steuern.
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Auf diese Weise lassen sich direkte haptische Rückmeldungen auf Aktionen des Benutzers übermitteln.
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Weiterhin wird eine Bedienanordnung vorgeschlagen mit einer entsprechenden Anzeigevorrichtung und mit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung von Messwerten, welche eine Bewegung einer Maschine in einem bestimmten Betriebszustand abbilden.
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Eine solche Bedienanordnung eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem Industrieüberwachungssystem.
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Bei Ausführungsformen der Bedienanordnung ist die Steuereinrichtung derart eingerichtet, dass der Aktor in zumindest einem Segment in Abhängigkeit von einer erfassten Bewegung der Maschine bewegt wird.
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Auf diese Weise ist es wie oben dargestellt möglich, durch haptische Darstellung der Maschinenbewegungen eine Nähe zu der Maschine zu simulieren und ein direktes Erleben des Maschinenverhaltens durch eine realistische Nachbildung selbst über Entfernungen hinweg zu ermöglichen.
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Bei Ausführungsformen der Bedienanordnung vollziehen die Aktoren eine skalierte Bewegung der Maschine.
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Dies ermöglicht es wie oben dargestellt, nahezu beliebige Messwerte unterschiedlichster Ausprägung ertastbar zu machen. Es ist somit sogar möglich, Maschinenbewegungen haptisch erfassbar zu machen, die bei einer direkten Berührung der Maschine für den menschlichen Tastsinn nicht erfassbar wären, beispielsweise hochfrequente Schwingungen von mehr als 100Hz.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Anzeigevorrichtung vorgeschlagen. Die Anzeigevorrichtung hat einen flachen hapto-visuellen Anzeigebereich, welcher eine visuelle Schicht zur visuellen Ausgabe von Anzeigedaten und eine haptische Schicht zur haptischen Ausgabe von haptischen Daten umfasst. Die haptische Schicht umfasst Segmente mit jeweils mindestens einem Aktor. Weiterhin umfasst die Anzeigevorrichtung eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Bewegung des Aktors. Das Verfahren umfasst ein Bewegen des Aktors eines Segments gesteuert durch die Steuereinrichtung senkrecht und/oder parallel zu dem hapto-visuellen Anzeigebereich, wobei die Bewegung aus zumindest einem Bewegungsmuster aus einem sinusförmigen Bewegungsmuster, einem rechteckförmigen Bewegungsmuster, einem pulsierenden Bewegungsmuster und/oder einem impulsförmigen Bewegungsmuster gebildet ist.
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Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches auf einer programmgesteuerten Einrichtung die Durchführung des wie oben erläuterten Verfahrens veranlasst.
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Ein Computerprogrammprodukt wie ein Computerprogramm-Mittel kann beispielsweise als Speichermedium, wie Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikations-Netzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.
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Des Weiteren wird ein Datenträger mit einem gespeicherten Computerprogramm mit Befehlen vorgeschlagen, welche die Durchführung des wie oben erläuterten Verfahrens auf einer programmgesteuerten Einrichtung veranlasst.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 ein Beispiel eines hapto-visuellen Anzeigesystems;
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2 ein Blockschaltbild einer Anzeigevorrichtung zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten;
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3 eine schematische Darstellung eines Aktors;
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4 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten;
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten;
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten;
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8 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten;
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9 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten; und
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10 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten.
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In 2 ist ein Blockschaltbild einer Anzeigevorrichtung zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten dargestellt.
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Der flache hapto-visuelle Anzeigebereich 21 der Anzeigevorrichtung 20 weist eine visuelle Schicht 22 zur visuellen Ausgabe von Anzeigedaten und eine haptische Schicht 23 zur haptischen Ausgabe von haptischen Daten auf. Für die praktische Anwendung wird die haptische Schicht 23 in ein oder mehrere dedizierte, beispielsweise rechteckige Bereiche oder Segmente 29 mit einem Aktor 24 unterteilt.
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Die haptische Schicht 23 ist durchsichtig. Die Segmente 29 mit den Aktoren 24 können dann als haptische Aktorflächen grafisch für den Benutzer kenntlich gemacht werden, indem beispielsweise die visuelle Schicht 22 als Flüssigkristallanzeige (englisch Liquid crystal display LCD) ausgestaltet wird. Somit können ein oder mehrere Segmente 29 mit einer Grafik unterlegt werden, beispielsweise indem ein Bedienknopf oder ein beliebiges Symbol angezeigt wird. Insbesondere erfolgt aber durch den dem Segment 29 zugeordneten Aktor 24 eine Bewegung, die für den Benutzer spürbar ist. Somit können beispielsweise zusätzlich zu den grafischen Anzeigen haptische Status-Rückmeldungen an den Benutzer erfolgen, oder es können nahezu beliebige Daten haptisch an den Benutzer übermittelt werden.
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Alternativ kann die haptische Schicht 23 unter einer beispielsweise als OLED-Anzeige ausgestalteten visuellen Schicht 22 angebracht sein.
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Weiterhin umfasst die Anzeigevorrichtung eine berührungssensitive Schicht 26 sowie eine Steuereinrichtung 25, die zur Steuerung einer Bewegung der Aktoren 24 dient. Die Steuereinrichtung 25 ist durch die Koppelung 225 an die haptische Schicht 23 gekoppelt.
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Die Steuerung ermöglicht es, die Aktoren 24 senkrecht und/oder parallel zu dem hapto-visuellen Anzeigebereich 21 zu bewegen, das heißt in einer durch die Oberfläche des Anzeigebereichs verlaufenden Ebene, senkrecht zu dieser Ebene oder gemäß einer kombinierten Bewegung mit senkrechten und parallelen Anteilen. Die Bewegung oder Verschiebung der Aktoren 24 ist in der Regel auf wenige zehn Mikrometer beschränkt. Die Auslenkung oder der Hub der Aktoren 24 liegt beispielsweise im Bereich von 1/10mm. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass für einen Benutzer die Bewegung mit den Fingerspitzen deutlich spürbar ist, ohne dass der Einsatz der berührungssensitiven Schicht 26 im hapto-visuellen Anzeigebereich 21 beeinträchtigt wäre.
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Die Schichten 22, 23, 26 sind aufeinander oder parallel zueinander angeordnet.
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In der in 2 dargestellten Variante dient die vorgeschlagene Anzeigevorrichtung 20 als hapto-visuelle Mensch-Maschine-Schnittstelle in einem Industrieanlagenüberwachungssystem, beispielsweise in einem Siemens SIMATIC HMI Panel. Die Anzeigevorrichtung 20 ist Teil einer Bedienanordnung 27. Neben der Anzeigevorrichtung 20 umfasst die Bedienanordnung 27 eine Sensoreinrichtung 28. Die Sensoreinrichtung 28 ist mit einer Maschine 200 gekoppelt und dient zur Erfassung von Messwerten 291. Diese Messwerte 291 bilden dabei die Bewegung der Maschine 200 in einen Betriebszustand ab.
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Weiterhin ist die Steuereinrichtung 25 über eine Steuerleitung 292 mit der Maschine 200 gekoppelt. Die Steuerleitung 292 dient zur Übertragung von Befehlen oder Steuersignalen von der Bedienanordnung 27 an die Maschine 200 in Abhängigkeit von der kapazitiven Veränderung in dem Berührungsbereich der berührungssensitiven Schicht 26. Es ist somit möglich, beispielsweise einen Ein/Ausschalter auf der visuellen Schicht 22 darzustellen, der bei Berührung durch den Benutzer ein entsprechendes Steuersignal über die Steuerleitung 292 an die Maschine 200 anregt, das die Maschine ein- oder ausschaltet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Aktors 24. Über die Koppelung 225 ist der Aktor 24 beziehungsweise die haptische Schicht 23, in der der Aktor 24 angeordnet ist, mit der Steuereinrichtung 25 gekoppelt. Der Aktor 24 ist parallel und/oder senkrecht zu einer Flächenausdehnung des Anzeigebereichs 21 bewegbar, angedeutet durch die xyz-Achsen in 3. Die angedeutete z-Achse reicht dabei aus der Zeichnungsebene heraus.
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Die Bewegung der Aktoren 24 kann auf vielfältige Weise erfolgen. Im Folgenden werden verschiedene Möglichkeiten der Bewegungsmuster für die Aktoren 24 anhand von Figuren erläutert.
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4 zeigt Beispiele für pulsierende Bewegungsmuster eines oder mehrerer Aktoren 24. Auf der x-Achse ist dabei die Zeit t aufgetragen, auf der y-Achse die Auslenkung s.
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Die Aktoren 24 durchlaufen im Beispiel des durch die obere Kurve 41 dargestellten Bewegungsmusters eine im Wesentlichen sinusförmige Bewegung senkrecht zu dem hapto-visuellen Anzeigebereich 21. Die Frequenz der Bewegung der Aktoren 24 liegt dabei zum Beispiel im Bereich von 30–35Hz.
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Ein von dem in Kurve 41 dargestellten Bewegungsmuster deutlich zu unterscheidendes Bewegungsmuster ist in der unteren Kurve 42 dargestellt. Dabei entspricht die Frequenz der Bewegung der Aktoren 24 der Kurve 41, allerdings erfolgt die Bewegung mit einer geringen, gerade noch ertastbaren Amplitude.
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Beide in 4 dargestellten Bewegungsmuster dienen einer Statusrückmeldung zur Vermeidung von Fehlbedienungen der Maschine 200.
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Beispielsweise wird ein Bedienknopf auf der visuellen Schicht 22 dargestellt, mit dem die Maschine 200 ein- und ausgeschaltet werden kann. Der eingeschaltete oder aktive Zustand der Maschine 200 kann mittels des in durch die obere Kurve 41 dargestellten Bewegungsmusters als sinusförmige haptische Rückmeldung an den Benutzer signalisiert werden, das heißt, dass die Aktoren 24 des Segments 29, das dem Bedienknopf zugeordnet ist, eine pulsierende Bewegung ausführen.
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Ist die Maschine 200 ausgeschaltet, das heißt inaktiv, ist der Bedienknopf beziehungsweise das dem Bedienknopf zugeordnete Segment 29 starr, die zugehörigen Aktoren 24 führen keine Bewegung aus. Alternativ kann eine langsame Bewegung der Aktoren 24 erfolgen, wie sie durch die untere Kurve 42 dargestellt ist.
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5 zeigt Beispiele für Bewegungsmuster zur Signalisierung eines Defekts oder Fehlerzustandes der Maschine 200. Auf der x-Achse ist dabei die Zeit t aufgetragen, auf der y-Achse die Auslenkung s.
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Die obere Kurve 51 repräsentiert ein Rauschen etwa in einem Frequenzbereich von 10–50Hz. Beispiele für Rauschen sind weißes oder rosa Rauschen.
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Weißes Rauschen setzt sich aus allen Frequenzen des hörbaren Bereichs zusammen, also von etwa 16 Hz bis 20 kHz. In ihm sind alle Frequenzen mit gleicher Amplitude enthalten.
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Beim rosa Rauschen sind die Lautstärkepegel der verschiedenen Frequenzen der Empfindlichkeit des Gehörs angepasst. Die Amplitude nimmt pro Oktave um 3 dB ab. Dadurch ergibt sich eine logarithmisch absteigende Frequenzverteilung, bei der die niederfrequenten Töne stärker betont sind als die hochfrequenten. Für das menschliche Ohr klingt das rosa Rauschen hingegen, als ob die Frequenzen gleich verteilt wären.
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Die untere Kurve 52 repräsentiert ein Rechtecksignal mit einer mittleren von Frequenz von ca. 10Hz.
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Ein Defekt oder ein Fehlerzustand der Maschine 200 oder eines Teils der Maschine 200 wird wiederum durch ein Symbol wie zum Beispiel einen Knopf auf der visuellen Schicht 22 dargestellt, wobei das haptische Signal, das bei einem Berühren des Knopfes an den Bediener übermittelt wird, durch eine Bewegung der betreffenden Aktoren 24 gemäß einem Bewegungsmuster entsprechend der oberen Kurve 51 oder alternativ der unteren Kurve 52 erfolgt.
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Derartige Signale wie in 5 dargestellt erinnern an ein Rattern, Tickern oder Knarzen einer realen Maschine und kann somit unmittelbar und intuitiv mit einem Defekt der Maschine 200, beispielsweise einem defekten Motor mit Lagerschaden oder einem defekten und daher schlagenden Ventilator in Verbindung gebracht werden. Das genannte weiße Rauschen erinnert an ein Geräusch, das beispielsweise ein größerer Fremdkörper wie beispielsweise ein abgebrochener Zahn eines Zahnrades in einem Getriebe erzeugt.
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Derartige Geräusche sind in der industriellen Praxis für viele Maschinendefekte bekannt. Eine entsprechende haptische Rückmeldung kann somit unmittelbar und intuitiv vom Benutzer mit einer Störung assoziiert werden, ohne dass es einer besonderen Schulung des Benutzers bedarf. Man kann davon sprechen, dass die Aktorbewegung einer skalierten Bewegung der angesteuerten Maschine zu bestimmten Betriebssituationen entspricht.
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6 zeigt ein Beispiel für ein Bewegungsmuster zur Signalisierung einer Warnung. Auf der x-Achse ist dabei die Zeit t aufgetragen, auf der y-Achse die Auslenkung s.
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Das dargestellte Bewegungsmuster erfolgt gemäß der Kurve 61 in Form einer starken impulsförmigen Bewegung der dem Segment 29 zugeordneten Aktoren 24, das heißt in zeitlichem Abstand erfolgen beispielsweise kurzzeitige starke Ausschläge oder Aufwärtsbewegungen der Aktoren mit großer Amplitude.
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Diese Art von Bewegungsmuster kann als Warnsignal an den Benutzer dienen, indem eine Tastfläche oder ein Segment 29 des Anzeigebereichs 21 mit einer Funktion verknüpft wird, die in dem betrachteten Zustand der Maschine 200 eine potenziell gefährliche Auswirkung haben kann, oder die besondere Aufmerksamkeit des Bedienpersonals erfordert. In diesen Fällen wird ein Warnhinweis an den Benutzer signalisiert. Dies geschieht zum einen visuell über die visuelle Schicht 22, indem beispielsweise ein Warndreieck auf einem Knopf dargestellt wird. Zum anderen erfolgt bei einer Berührung des betreffenden, dem Knopf zugeordneten Segments 29 des Anzeigebereichs die durch die Kurve 61 beschriebene starke impulsförmige Bewegung der dem Segment 29 zugeordneten Aktoren 24.
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Eine derartige Bewegung der Aktoren 24 erinnert den Benutzer intuitiv an ein Wegstoßen des Finger und wird je nach Stärke des Impulses vom Benutzer als unangenehm empfunden, was den Benutzer dazu bringt, die Tastfläche intuitiv loszulassen.
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7 zeigt Beispiele für ein Bewegungsmuster zur Signalisierung von Zeitbereichssignalen. Das obere Diagramm stellt ein diskretes, ereignisartiges Signal 71 dar, bei dem Ereignisse im Laufe der Zeit t gezählt werden. Auf der x-Achse ist die Zeit t aufgetragen, auf der y-Achse eine Systemauslastung gekennzeichnet durch eine Zahl n. Im unteren Diagramm, das das entsprechend vorgeschlagene Bewegungsmuster für die Aktoren 24 in Form der Kurve 72 darstellt, ist auf der x-Achse die Zeit t aufgetragen, auf der y-Achse die Auslenkung s.
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Diskrete Messwerte oder Ereignisse können beispielsweise das Eintreffen eines physikalischen Pakets auf einem Förderband, das Eintreffen oder Absenden von Datenpaketen auf einer Netzwerkschnittstelle, das Erreichen einer Endposition eines Roboterarms oder das Öffnen eines Ventils sein. Solche Messwerte können, wie in Kurve 71 in 7 dargestellt, durch einen kurzen Impuls der Aktoren 24 taktil erfassbar gemacht werden, was einem Klick oder einem gefühlten Nadelstich entspricht. Durch die Frequenz der Impulse oder Klicks wird unmittelbar ertastbar, wie die Auslastung eines Systems ist, wie schnell sich der Zustand ändert oder ob überhaupt Aktivität vorhanden ist. Eine hohe Auslastung entspräche dabei einer hohen Frequenz von Klicks oder Auslenkungen der Aktoren 24, eine niedrige Auslastung einer niedrigen Frequenz von Klicks oder Auslenkungen der Aktoren 24.
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8 zeigt ein Beispiel für pegelartige Signale. Das obere Diagramm zeigt dabei einen auf der y-Achse aufgetragenen Pegelstand P über die t, dargestellt durch die Kurve 81. Das untere Diagramm zeigt die entsprechende haptische Signalisierung des pegelartigen Signals durch ein durch die Kurve 82 repräsentiertes Bewegungsmuster.
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Beispiele für derartige pegelartige Signale sind Daten zum Füllstand eines Tanks, zum Spannungslevel einer Batterie, zur Position eines Hebels, zur Geschwindigkeit eines Objekts oder zur Leistung eines Generators oder eines Motors.
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Der Pegel derartiger Signale wird durch die Frequenz eines zeitlich variablen Signals kodiert wie in Kurve 82 dargestellt. Das Bewegungsmuster, nach dem die Aktoren 24 bewegt werden, ist in diesem Fall sinusförmig. Im dargestellten Beispiel wird ein niedriger Pegel mit einer geringen Frequenz der Bewegung der Aktoren 24 dargestellt. Ein hoher Pegel wird mit einer hohen Frequenz der Bewegung der Aktoren 24 dargestellt.
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Ein Pegel von relativ „0“ (minimaler Pegel) kann dann beispielsweise mit einem Sinussignal mit einer Frequenz von 2Hz dargestellt werden, ein Pegel von relativ „1“ (maximaler Pegel) beispielsweise mit einem sinusförmigen Signal der Frequenz 50Hz. Ein Zwischenwert kann durch eine linear oder logarithmisch interpolierte Frequenz dargestellt werden.
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Die Amplitude für die Bewegungen des Bewegungsmusters ist dabei über die Zeit unverändert, da die wesentliche Information in diesem Fall mittels der Frequenz kodiert und haptisch an den Benutzer weitergereicht wird.
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9 zeigt ein Beispiel für ein Bewegungsmuster zur haptischen Signalisierung eines höherfrequentes Signals in der Form der Kurve 91. Das obere Diagramm in 9 zeigt dabei das höherfrequente Signal, wobei die x-Achse wieder die Zeit darstellt, und wobei auf der y-Achse die Auslenkung des Signals sig aufgetragen ist. Das untere Diagramm stellt ein entsprechendes Bewegungsmuster gemäß der Kurve 92 für die Aktoren 24 dar.
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Für höherfrequente Messwerte, beispielsweise im Fall von hochfrequenten Maschinenschwingungen, wird vorgeschlagen, Ausschnitte der Messwerte 291 in regelmäßig wiederkehrenden Zeitfenstern zu extrahieren, wie im unteren Diagramm der 9 dargestellt. Die Messwerte dieser Ausschnitte können beispielsweise zeitlich auseinander gezogen, das heißt verlangsamt und wieder zusammengesetzt werden, wie in 9 schematisch dargestellt.
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Eine derartige Vorverarbeitung der Messwerte hat den Vorteil, dass man ein Echtzeitsignal erhält, das als Bewegungsmuster an die Aktoren 24 weitergegeben die typischen Charakteristiken der ursprünglich erfassten Maschinenbewegung haptisch und taktil an den Benutzer vermittelt. Der Frequenzgehalt der Messwerte kann auf diese Weise so beeinflusst werden, dass das Bewegungsmuster der Aktoren 24 in einem vom menschlichen Tastsinn erfassbaren Frequenzbereich von ca. 1–100Hz liegt.
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Anhand der 7–9 wurden Möglichkeiten aufgezeigt, Zeitbereichssignale haptisch darzustellen. Sowohl bei der Prozessüberwachung als auch bei der Maschinendiagnostik werden zahlreiche zeitabhängige Daten aufgenommen, deren Darstellung in Zeitreihenform in der Regel optisch vorgenommen wird, beispielsweise in der Form von XY-Plots. Die vorgestellten Verfahren und Bewegungsmuster stellen sicher, dass die transienten Anteile derartig erfasster Maschinenbewegungen vorzugsweise in einem Frequenzbereich von ca. 1–100Hz liegen, um vom menschlichen Tastsinn erfassbar zu sein.
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Beispiele für derartige Daten sind von Beschleunigungs- und Abstandssensoren aufgenommene Datenreihen, gewonnen beispielsweise durch Beschleunigungsaufnehmer an Maschinenaufhängungen oder Ventilstößeln.
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Beschleunigungs- oder Positionszeitreihen können durch den Einsatz eines hapto-visuellen Anzeigebereichs 21 intuitiver und direkter an den Benutzer signalisiert werden, als durch eine rein visuelle Darstellung. Die Zeitreihendaten können beispielsweise direkt in ein Bewegungsmuster zur Bewegung der Aktoren 24 umgesetzt werden.
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Alternativ können die Zeitreihendaten einer Vorverarbeitung unterzogen werden. Die Aktoren 24 werden dann von der Steuereinrichtung 25 in Form einer skalierten Bewegung der Maschine 200 angesteuert. Die von der Sensoreinrichtung 28 erfassten Messwerte 291 werden entsprechend einer Transformation unterzogen, wobei die Transformation beispielsweise eine Stauchung, eine Streckung, eine Skalierung, eine nichtlineare Verzerrung oder eine beliebige Kombination verschiedener Transformationen ist.
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Eine Variante der Vorverarbeitung der Zeitreihendaten beziehungsweise der Messwerte 291 besteht darin, das Hubsignal skaliert, das heißt in der Amplitude vergrößert oder verkleinert, als Bewegungsmuster an die Aktoren 24 weiterzugeben.
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Komplexere Vorverarbeitungen oder Umrechnungen der Messwerte 291 können beispielsweise eine nichtlineare Verzerrung des Hubs oder die Filterung von bestimmten Frequenzanteilen umfassen, beispielsweise eine Anhebung oder Unterdrückung bestimmter Anteile.
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Auf diese Weise ist es möglich, eine Ferndiagnose der Maschine 200 durchzuführen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht ein simuliertes Anfassen oder Berühren einer entfernten Maschine 200, um wichtige Parameter über den Betriebs-, Wartungs- und Fehlerzustand der Maschine 200 in einer Weise intuitiv zu erfassen, als ob der Benutzer direkt neben der Maschine 200 stehen würde.
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Es ist weiterhin denkbar, auch andere Daten als Bewegungsdaten auf die vorgeschlagene Weise haptisch und taktil erfassbar zu machen. So können beispielsweise zeitlich variable Druckschwankungen in Rohrleitungen, Spannungs- oder Frequenzfluktuationen in Stromnetzen, Regelabweichungen beliebiger Regelstrecken oder ganz allgemein beliebige elektronisch erfassbare oder auslesbare Sensordaten in ein Bewegungsmuster für die Aktoren 24 umgesetzt werden.
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10 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 30 zur hapto-visuellen Ausgabe von Daten beispielsweise unter Verwendung der Anzeigevorrichtung 20 aus 2. Das Verfahren 30 umfasst dabei das Bewegen 31 des Aktors 24 eines Segments 29 gesteuert durch die Steuereinrichtung 25 sowie das Erzeugen 32 von Steuersignalen für die Maschine 200 in Abhängigkeit von der kapazitiven Veränderung in dem Berührungsbereich der berührungssensitiven Schicht 26.
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Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Anzeigevorrichtung sowie Bedienanordnung ermöglichen eine über die rein visuelle Übermittlung von Daten hinaus eine haptische Ausgabe von Daten, so dass ein weiterer Informationskanal für den Bediener einer Maschine genutzt wird. Dies dient beispielsweise zur Erhöhung der Betriebssicherheit, da Fehlbedienungen vermieden werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren zur Umsetzung von Messwerten, die eine Maschinenbewegung darstellen, ermöglicht das intuitive Erfassen des Maschinenzustands auch über räumliche Entfernungen hinweg. Weiterhin ist es möglich, auch solche Maschinenbewegungen erfassbar zu machen, die außerhalb des für den menschlichen Tastsinn erfassbaren Frequenzbereichs liegen.
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Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt es, Statusmeldungen und Messwerte auf eine intuitiv erfassbare Weise und mit einer hohen Informationsbandbreite in kurzer Zeit an den Bediener einer Maschine zu melden. Die Bedienung einer Maschine wird damit nicht nur sicherer und schneller, es ergeben sich auch Einsparmöglichkeiten in Hinblick auf Bedienpersonal und somit wirtschaftliche Vorteile beim Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
