DE102017003889A1

DE102017003889A1 - Haptische Feedback-Einrichtung und Verfahren zum Betreiben der Einrichtung

Info

Publication number: DE102017003889A1
Application number: DE102017003889.9A
Authority: DE
Inventors: Sven Langbein; Alexander Czechowicz; Frank Zobel; Moritz Langhoff
Original assignee: Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe E V Zentrum fur Angewandte Formgedaechtnistechnik; Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe EV Zentrum fur Angewandte Formgedachtnistechnik
Current assignee: Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe E V Zentrum fur Angewandte Formgedaechtnistechnik; Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe EV Zentrum fur Angewandte Formgedachtnistechnik
Priority date: 2017-04-22
Filing date: 2017-04-22
Publication date: 2018-10-25

Abstract

Um eine haptische Feedback-Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Einrichtung zu schaffen, mit denen durch eine Veränderung des taktilen Reizes die Informationsaufnahme erhöht wird und die eine permanente Änderung der Stimulationsparameter ermöglichen, so dass ein taktiles Element die Eindringtiefe und/oder die Position verändern kann und/oder die Kombination mit vibrotaktilen Reizen ermöglicht wird, wird eine haptische Feedback-Einrichtung vorgeschlagen, die aus einem Gehäuse (1) besteht, in dem mindestens jeweils ein Formgedächtnisaktor (2,12) mit einem taktilen Informationselement (3,13,14,15) in Verbindung mit einem Formgedächtniselement (4) als Stellelement angeordnet ist, wobei der Formgedächtnisaktor (2,12) bei Erwärmung des Formgedächtniselementes (4) eine Linearbewegung des taktilen Informationselements (3,13,14,15) zum Andruck auf eine Kontaktstelle eines Nutzers oder an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Auslösung eines taktilen Reizes erfolgt und bei einer Abkühlung des Formgedächtniselementes (4) eine Rückführung des taktilen Informationselements (3,13,14,15). Die haptische Feedback-Einrichtung wird direkt an menschlichen Körperkontaktstellen als auch in oder an Mensch-Maschine-Schnittstellen befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine haptische Feedback-Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der haptischen Feedback-Einrichtung für Personen zur Wahrnehmung der Umgebung, als Orientierungsunterstützung und zur Aufmerksamkeitslenkung auf Gefahrensituationen durch haptische Informationselemente, die in einer kompakten Einheit zur Anbringung sowohl an Körperteilen des menschlichen Körpers als auch in Haltegriffen von Rollatoren, Einkaufswagen oder anderen Mensch-Maschine-Schnittstellen sowie in Innen- oder Außenbereichen einsetzbar sind.
Aus dem Stand der Technik sind vor allem haptische Informationssysteme bekannt, die blinden Menschen helfen, am alltäglichen Leben teilzunehmen. Heutzutage und in Zukunft wird jedoch die Bedienung von Maschinen und der Informationsfluss zwischen Mensch und Maschine immer komplexer, so dass die Verwendung von herkömmlichen Mensch-Maschine-Schnittstellen und die visuelle bzw. akustische Informationsübertragung an ihre Grenzen stößt, so dass haptische Informationssysteme hier eine sinnvolle Alternative darstellen. Zudem ist bei älteren Menschen oftmals eine deutlich Einbuße in der visuellen bzw. akustischen Informationsaufnahme zu verzeichnen. Im Vergleich zum Sehen und Hören lässt jedoch die Aufnahmefähigkeit von sensorischen Signalen durch eine haptische Wahrnehmung selbst im hohen Alter nicht nach.
Das haptische Wahrnehmungssystem des Menschen reagiert darauf, wie stark ein Gegenstand in die Haut gedrückt wird und wie schnell dies passiert. Beide Reize überlagern sich und werden als ein haptisches Ereignis wahrgenommen. Der Begriff „Haptische Wahrnehmung“ umfasst dabei alle Aspekte der Berührung vor allem die Verwendung der Hände. Die Wahrnehmung der Umwelt durch den Berührungssinn lässt sich dabei in taktile Reize und kinästhetische Reize unterscheiden. Taktile Reize informieren über Druck, Temperatur, Schmerz oder Vibration, kinästhetische Reize erfassen Parameter, wie Winkel des Gelenks oder Muskelanspannung. Die taktile Wahrnehmung, erfolgt dabei durch sogenannte Rezeptoren auf bzw. in der Haut. Die taktilen Reize sind beispielsweise für die Kontrolle feinmotorischer Interaktionen notwendig. Mit Hilfe von Rezeptoren in den Gelenken, Muskeln und Sehnen erfolgt die kinästhetische Wahrnehmung. Diese Rezeptoren ermöglichen es, die Stellung und Bewegung der Gliedmaßen, als auch die in den Muskeln aufgebrachten Kräfte zu detektieren. Neben der kognitiven Belastung und der Aufmerksamkeit bestimmen vor allem die räumliche und die zeitliche Empfindlichkeit des Berührungssinns dessen Grenzen. Auch die begrenzte Gedächtnisspanne spielt bei der Beurteilung, die über die Haut wahrgenommen werden kann, eine Rolle. Bei geeigneter Präsentation können aber große Informationsmengen über die Hautoberfläche wahrgenommen werden. Bisherige haptische Informationssysteme verwenden gewöhnlich die Rotation von unsymmetrischen Bauteilen, die durch einen Elektromotor angetrieben werden und zu einer Vibration des gesamten Systems führen. Neben der Stärke können die Vibrationsfrequenz geändert und Frequenzmuster übertragen werden. Sie sind heute in jedem Smartphone als Vibrationsalarm zu finden. Es ist auch bekannt, Vibrationsaktoren zur Übermittlung von Zustandsinformationen über das Flugzeug an den Piloten zu nutzen oder bei der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrttechnik für die Entwicklung eines Vibrationshandsensors, der bei der Flugkontrolle eingesetzt wird. Kommerzielle Entwicklungen nutzen mehrere mit einem Smartphone verbundene Vibrationsaktoren, die in einem Gürtel verbaut sind, zur Navigation von sehbehinderten Menschen. Aus der DE 10 2010 032 706 B4 ist ein vibrotaktiles Feedback-Gerät zur Anbringung an Körperteilen des menschlichen Körpers bekannt, mit einer einen Ring bildeten Befestigungsvorrichtung mit mehreren an der Befestigungsvorrichtung befestigten und untereinander elektrisch verbundenen Feedbackmodulen, wobei die Befestigung mindestens zwei elastische dehnbare Bänder aufweist, die einen Teil der zwischen den Feedbackmodulen angeordneten Zwischenelemente und die Feedbackmodule miteinander zur Anpassung an unterschiedliche Körperteile des menschlichen Körpers verbindet.
Auch in Fahrrädern kommen bereits fest installierte Vibrationsaktoren zum Einsatz. Sie werden beispielsweise in Fahrradlenkern eingebaut und dienen zur Navigation in Städten. Aus der DE 20 2015 102 562 U1 ist eine Navigationsvorrichtung mit einem Navigationsgriff für ein Zweirad zum Befestigen in einem Lenkerrohr bekannt, wobei mindestens eine Kommunikationseinrichtung zum Erzeugen eines haptischen und/oder akustischen Ad-Hoc-Navigationshinweises zur Wahrnehmung von einem menschlichen Nutzer vorgesehen ist. Aus der DE 10 2016 001 553 A1 ist weiterhin ein Fahrerassistenzsystem mit einer Vorrichtung zur Ausgabe eines Warnsignals in einem Fahrzeug bekannt, indem zur Ausgabe eines Warnsignals bei einer Gefahrensituation ein Sicherheitsgurt eines Fahrers und eine Sitzlehne zumindest eines Fahrersitzes derart ausgebildet sind, dass das Warnsignal als ein vibrotaktiles und ortskongruentes Warnsignal automatisch ausgebbar ist. Aus der DE 200 80 209 U1 ist weiterhin eine Steuerung von haptischen Empfindungen für eine Schnittstellenvorrichtung mit vibrotaktiler Rückkopplung bekannt. In der DE 10 2014 105 538 A1 wird ein haptisches System mit einem haptischen Gerät und ein Verfahren zum Betreiben eines haptischen Systems beschrieben, wobei das haptische Gerät einen Endeffektoranschluss und eine Getriebestruktur aufweist, mit der als Ausgangsgröße eine translatorische Bewegung erzeugbar ist, die über einen Ausleger aus der Getriebestruktur heraus an den Endeffektoanschluss geführt ist, um diesen für einen Nutzer wahrnehmbar zu bewegen.
Ein Nachteil aus dem vorbekannten Stand der Technik besteht darin, dass bei einer erfolgten Berührungen schon nach einigen hundert Millisekunden nur noch langsam adaptierende Hautrezeptoren weiter aktiv bleiben und sich die Qualität der Empfindung merklich verändert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine haptische Feedback-Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der haptischen Feedback-Einrichtung zu schaffen, mit denen durch eine Veränderung des taktilen Reizes die Informationsaufnahme erhöht wird. Um eine permanente Änderung der Stimulationsparameter zu erreichen, soll das taktile Element die Eindringtiefe und/oder die Position verändern können und/oder die Kombination mit vibrotaktilen Reizen ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein haptisches Informations- und Warnsystem in Form einer haptischen Feedback-Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der haptischen Feedback-Einrichtung vor, wobei die haptische Feedback-Einrichtung aus einem Gehäuse besteht, in dem mindestens jeweils ein Formgedächtnisaktor mit einem taktilen Informationselement in Verbindung mit einem Formgedächtniselement als Stellelement angeordnet ist, wobei der Formgedächtnisaktor bei Erwärmung des Formgedächtniselementes eine Linearbewegung des taktilen Informationselements zum Andruck auf eine Kontaktstelle einer Person oder an einer Mensch- Maschine-Schnittstelle zur Auslösung eines taktilen Reizes erzeugt und bei einer Abkühlung des Formgedächtniselementes eine Rückführung des taktilen Informationselements vorgesehen ist und wobei die haptische Feedback-Einrichtung mittels Befestigungsmitteln direkt an menschlichen Körperkontaktstellen als auch in oder an Mensch-Maschine-Schnittstellen vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß erfolgt mit der haptischen Feedback-Einrichtung für Personen die Wahrnehmung der Umgebung, die Orientierungsunterstützung und die Aufmerksamkeitslenkung auf Gefahrensituationen durch haptische Informationselemente, welche als kompakte Antriebe auf der Basis von Formgedächtnislegierungen ausgeführt sind. Im Gegensatz zu konventionellen Antriebsprinzipien bietet der Einsatz von Aktoren mit Stellelementen aus Formgedächtnislegierungen die Möglichkeit, einfach aufgebaute und geräuschlose Aktoren herzustellen. Zudem zeichnen sich Formgedächtnislegierungen durch eine hohe Leistungsdichte aus. Dies bedeutet, dass man mit geringen Materialquerschnitten bzw. -mengen relativ hohe Kräfte realisieren kann. Vorteilhaft ist, dass die Formgedächtniselemente die Möglichkeit zur Realisierung verschiedener Bewegungsarten gewährleisten und sich durch eine weitgehende Freiheit in der Gestaltung des Formgedächtniselementes auszeichnen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die haptische Feedback-Einrichtung vorzugsweise mit Hilfe von Bändern oder Manschetten mit entsprechenden Körperteilen der Personen verbunden werden können, äquivalent zu einem Uhrenarmband oder der Armmanschette eines Blutdruckmessgerätes. Alternativ erfolgt die Anbringung der Aktoren in Griffen von Maschinen, Geräten, Fahrzeugen oder anderen Mensch-Maschine-Schnittstellen. Ein Bauteil der Feedback-Einrichtung drückt dabei an einer bestimmten Stelle auf die Haut, die für Menschen als angenehm und schnell wahrnehmbar herausgefunden wurde. Durch diese Anordnung wird der Einsatz von großflächigen taktilen Informationselementen ermöglicht und damit sind die Aktoren auf Basis von Formgedächtniselementen für einen großen Benutzerkreis einsetzbar.
Als Anwendung ist auch der Einbau der haptischen Feedback-Einrichtungen in die Haltegriffe von Rollatoren, Einkaufswagen und dergleichen vorgesehen. Denkbare Einsatzgebiete in Bezug auf Rollatoren sind im Außenbereich die Navigation und die Darstellung von Warnhinweisen, wie beispielsweise die Warnung vor Glatteis oder roten Ampeln. Im Innenbereich kann die Navigation für Krankenhäuser und Pflegeheime eingesetzt werden. In Einkaufszentren können in Bezug auf Einkaufswagen die haptischen Feedback-Einrichtungen zum Auffinden von Produkten bzw. zum effizienten Abarbeiten von Einkaufslisten dienen. Im industriellen Bereich lassen sich die haptischen Feedback-Einrichtungen beispielsweise in einem Handsteuergerät für Kräne und ähnliche Anlagen nutzen. Damit können Informationen zu Abständen zwischen Ladung und Auflage oder auch zum Beginn der Kraftwirkung beim Heben übermittelt werden. Je nach Anwendungsfall sind fest an der Person oder am Gerät montierte haptische Feedback-Einrichtungen zu bevorzugen.
Vorteilhaft ist, dass eine Erwärmung des Formgedächtniselementes mittels einer direkten Bestromung über am Formgedächtniselement angekoppelte elektrischen Leiter vorgesehen ist, wobei zur Rückführung des Formgedächtniselementes in Verbindung mit den taktilen Informationselementen in die Ausgangslage nach der Erwärmung entweder ein zweites Formgedächtniselement vorgesehen ist oder zur Rückbewegung des Formgedächtniselementes die taktilen Informationselemente Rückstellfedern aufweisen. Das taktile Informationselement hat je nach Berührungspunkt mit der Haut verschiedene Größen oder Formen. Bei nicht festmontierten haptischen Feedback-Einrichtungen haben sich größere Flächen, die die Haut berühren können, als geeigneter herausgestellt, da dadurch jede Handgröße abgedeckt wird. Das taktile Informationselement, das die Hand berührt, besteht aus Material, das den Bedürfnissen der Anwendung angepasst wird. Weiterhin ist das Formgedächtniselement der haptischen Feedback-Einrichtung zum Schutz vor Überlastungen an einem Ende mit einer Schutzfeder gekoppelt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass bei flächenhaften Reizen die haptische Feedback-Einrichtung mehrere taktile Informationselemente aufweist, die durch mindestens ein Formgedächtniselement bei Erwärmung des Formgedächtniselementes durch die Bestromung mittels elektrischer Leiter eine Linearbewegung ausführen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der haptischen Feedback-Einrichtung wird darin gesehen, dass das Gehäuse so ausgebildet ist, dass die haptische Feedback-Einrichtung eng an einer Körperstelle einer Person anliegt oder beispielsweise in unterschiedliche Griffe für Rollatoren oder Einkaufswagen verbaut werden kann, wobei zur Kraftmessung des Andruckes der taktilen Informationselemente auf eine Kontaktstelle der Person die Feedback-Einrichtung entweder einen Sensor aufweist oder die Kraftmessung ist durch die Änderung des Eigenwiderstandes des Formgedächtniselementes während der kristallinen Umwandlung vorgesehen. Das Formgedächtniselement ist vorteilhaft drahtförmig ausgebildet, wobei der Durchmesser des Formgedächtniselementes in Abhängigkeit von der bewegenden Kraft und die Länge des Formgedächtniselementes in Abhängigkeit von dem Stellweg ausgebildet ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, dass die Bewegung des Formgedächtniselementes stufenlos in Abhängigkeit von der haptischen Information regelbar ist, so dass die Intensität des taktilen Reizes über die Eindringtiefe der taktilen Informationselemente einstellbar ist, wobei die Informationen über den Abstand zu einem Hindernis oder einer Gefahrenstelle kontinuierlich übertragbar sind und wobei die Stellgeschwindigkeit des Formgedächtniselementes an die haptische Information anpassbar vorgesehen ist. Dadurch, dass die Bewegung des Formgedächtniselementes stufenlos regelbar ist, kann ein taktiler Reiz nicht nur zwei Zustände einnehmen, sondern die Intensität des Reizes kann über die Eindringtiefe des taktilen Informationselementes eingestellt werden. Informationen, beispielsweise über den Abstand zu einem Hindernis oder einer Gefahrenstelle, können so kontinuierlich übertragen werden. Die Stellgeschwindigkeit ist an die haptische Information anpassbar.
Die Bewegung der taktilen Informationselemente erfolgt dabei nicht gleichzeitig, sondern in Abhängigkeit des taktilen Reizes, wobei die Informationselemente in einer definierten Sequenz schaltbar vorgesehen sind.
Wie schnell eine Person auf die haptische Information reagieren soll oder wie weit die Person ihr Ziel erreicht hat, kann durch die Eindringtiefe des Aktors in die Haut dargestellt werden. Die Einsatzmöglichkeiten beschränken sich nicht nur auf die Unterstützung älterer Menschen. Neben akustischen und optischen stehen auch haptische Einrichtungen zur Informationsübertragung zur Verfügung.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass die Bewegung des Formgedächtniselementes durch mindestens eine weitere Bewegung überlagert wird, wobei die weitere Bewegung eine um 90° versetzte lineare Bewegung oder eine schwingende Bewegung darstellt, so dass durch die schwingende Bewegung eine Kombination von taktilen und vibrotaktilen Informationen erfolgt und wobei die weitere Bewegung mittels eines zweiten Formgedächtniselementes oder eines Piezoantriebes oder eines elektrodynamischen Antriebes und entsprechender Übertragungsglieder vorgesehen ist.
Die Informationselemente auf der Basis von Formgedächtnislegierungen dienen in erster Linie zur Realisierung von rein taktilen Aktoren.
Formgedächtnisaktoren arbeiten geräuschlos, so dass nur über den reinen haptischen Kanal Reize übermittelt werden. Eine viel saubere Trennung zu den akustischen Reizen ist somit möglich. Dies stellt eine wesentliche Innovation bei taktilen Informationselementen dar. Eine Erweiterung der Erfindung stellt zudem die Kombination von einem taktilen Formgedächtnisaktor und einem vibrotaktilen Aktor dar. Der vibrotaktile Aktor kann dabei sowohl mit konventionellen Antrieben als auch mit Formgedächtniselementen realisiert werden. Für die haptische Feedback-Einrichtung sind vorteilhaft standardisierte Formgedächtnisaktoren vorgesehen sind, die in unterschiedlicher Anzahl in der haptischen Feedback-Einrichtung einsetzbar sind.
Das Verfahren zum Betreiben der haptischen Feedback-Einrichtung, die mindestens ein taktiles Informationselement in Verbindung mit mindestens einem Formgedächtniselement als Stellelement umfasst, weist folgende Verfahrensschritte auf:
Eine Anpassung der Stellgeschwindigkeit der taktilen Informationselemente an die haptische Information, mit einer stufenlose Veränderung der Eindringtiefe des oder der taktilen Informationselemente in Abhängigkeit von der haptischen Information. Die Messung der Position und/ oder der Kraft der taktilen Informationselemente erfolgt dabei durch Sensoren oder durch den Eigenwiderstand des Formgedächtniselementes. Es ist eine Kombination von taktilen und vibrotaktilen Informationen, eine Kombination der Eindringbewegung mit einer zweiten Bewegung zur Veränderung der Position der taktilen Informationselemente auf der Haut und eine abwechselnde Bewegung von taktilen Elementen innerhalb eines Arrays von taktilen Informationselementen vorgesehen.
Durch den Einsatz von Formgedächtniselementen sind langsam schaltende haptische Feedback-Einrichtungen ausführbar und ein Warnsignal bleibt auch nach Deaktivierung des elektrischen Signals durch die Trägheit der Formgedächtniselemente erhalten.
Die Erfindung wird folgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer haptischen Feedback-Einrichtung auf Basis eines Formgedächtnisaktors im Schnitt;
2: das erste Ausführungsbeispiel in isometrischer Ansicht;
3: ein zweites Ausführungsbeispiel einer haptischen Feedback-Einrichtung auf Basis eines Formgedächtnisaktors in halbseitiger isometrischer Ansicht;
4: das zweite Ausführungsbeispiel im Schnitt;
5: ein standardisierter Formgedächtnisaktor in isometrische Ansicht.

Mit den dargestellten Ausführungsbeispielen für haptische Feedback-Einrichtungen auf Basis von Formgedächtnisaktoren kann ermittelt werden, wie schnell eine Person auf die haptische Information reagiert oder wie weit die Person ihr Ziel erreicht hat, indem die Eindringtiefe eines taktilen Informationselementes in die Haut einer Person ermittelt wird. Formgedächtnisbasierte haptische Informations- und Warnsysteme arbeiten geräuschlos, so dass nur über den reinen haptischen Kanal Reize übermittelt werden und damit eine viel saubere Trennung zu den akustischen Reizen möglich ist.
In einem ersten Ausführungsbeispiel entsprechend den 1 und 2 ist die haptische Feedback-Einrichtung als bogenförmig übersetzter Formgedächtnisaktor 2 aufgebaut und besteht aus einem Gehäuse 1, einem taktilen Informationselement 3 und einem Formgedächtniselement 4. Das taktile Informationselement 3 hat je nach Berührungspunkt mit der Haut und Einsatzgebiet verschiedene Größen und Formen. Bei nicht festmontierten formgedächtnisbasierten haptischen Feedback-Einrichtungen haben sich größere Flächen, die die Haut berühren können, als geeignet herausgestellt, da dadurch jede Handgröße abgedeckt wird. Der Durchmesser des Formgedächtniselementes 4 richtet sich nach der zu bewegenden Kraft und die Länge des Formgedächtniselementes 4 nach dem geforderten Stellweg. Gefordert werden Stellwege zwischen 3 und 6 mm. Durch das Formgedächtniselement 4 wird das taktile Informationselement 3 bewegt und drückt dabei auf die Haut. Die Ausnutzung der mechanischen Bogenform des Formgedächtniselementes 4 dient der Übersetzung der Dehnung bei Reduktion der maximalen Systemkraft. Die Erwärmung des Formgedächtniselementes 4 erfolgt durch eine direkte Bestromung über die am Formgedächtniselement 4 angekoppelten elektrischen Leiter 5 und 6. Damit beim Ausschalten des zur Erwärmung notwendigen Stromes das Formgedächtniselement 4 wieder die Ausgangslage annimmt, benötigt der Formgedächtnisaktor 2 einen rückstellenden Mechanismus. Dies kann entweder durch ein zweites nicht dargestelltes Formgedächtniselement erreicht werden oder, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, durch die beiden Rückstellfedern 7 und 8. Die Rückstellfedern 7 und 8 sind dazu am Formgedächtniselement 4 angekoppelt. Die Linearführung des taktilen Informationselementes 3 erfolgt durch zwei im Gehäuse 1 angeordnete und mit dem taktilen Informationselement 3 verbundene Führungssäulen 9 und 10. In Situationen, in denen der Druck zu einem Reißen des Formgedächtniselementes 4 führen würde, ist ein Überlastschutz in Form einer mit dem Formgedächtniselement 4 gekoppelten Schutzfeder 11 vorgesehen. Sie ist in Reihe zum Formgedächtniselement 4 geschaltet. Die Geschwindigkeit, mit der das taktile Informationselement 3 ausfährt, wird von der Stromstärke bestimmt. Die Stromstärke muss dabei unterhalb des Maximalwertes bleiben, ab dem das Formgedächtniselement 4 zerstört wird. Der Vorgang des Zurückfahrens in die Ruhelage hängt von der Abkühlgeschwindigkeit des Formgedächtniselementes 4 und der Federkonstante der Rückstellfedern 7,8 ab, wobei die Abkühlgeschwindigkeit dominiert.
Das Formgedächtniselement 4 wird vorzugsweise an beiden Enden mit Krimpen versehen, die einmal der Befestigung der elektrischen Leiter 5 und 6 am Gehäuse 1 und an der Schutzfeder 11 dienen und zum anderen für die Kontaktierung der elektrischen Leiter 5 und 6 sorgen.
Ein Sensor, der die Kraft misst, mit der das taktile Informationselement 3 auf die Haut drückt, ist im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt. Ein derartiger Sensor kann mit herkömmlichen Messprinzipien aber auch durch den elektrischen Eigenwiderstand des Formgedächtniselementes 4 realisiert werden.
Bei flächenhaften Reizen sind auch, wie in den 3 und 4 dargestellt, in einer zweiten Ausführungsform mehreren Formgedächtnisaktoren 12 angeordnet, die die taktilen Informationselemente 13,14,15 bewegen. Die Formgedächtnisaktoren 12 sind entsprechend 5 standardmäßig ausgeführt und können in unterschiedlicher Anzahl in das Gehäuse 1 eingesetzt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei Formgedächtnisaktoren 12 angeordnet. Im Formgedächtnisaktor 12 ist ein Formgedächtniselement 4 angeordnet, das bei Eigenerwärmung über die elektrischen Leiter 5,6 das taktile Informationselement 13 nach außen bewegt und dabei auf die Haut drückt. Die Rückstellung des Formgedächtniselementes 4 und damit des taktilen Informationselementes 13 erfolgt über die Rückstellfeder 7. Als Überlastschutz ist ebenfalls eine Schutzfeder 11 vorgesehen. Bei mehreren Formgedächtnisaktoren 12 ist jedoch eine komplexere Regelung notwendig.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Ausführungsbeispiele, sondern ist in den angewandten Einrichtungen variabel. Sie umfasst insbesondere auch Varianten, die durch Kombination von in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale bzw. Elementen gebildet werden können. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und in den Ansprüchen erwähnt sind.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Formgedächtnisaktor
3: taktiles Informationselement
4: Formgedächtniselement
5: elektrischer Leiter
6: elektrischer Leiter
7: Rückstellfeder
8: Rückstellfeder
9: Führungssäule
10: Führungssäule
11: Schutzfeder
12: Formgedächtnisaktor
13: taktiles Informationselement
14: taktiles Informationselement
15: taktiles Informationselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010032706 B4 [0003]
DE 202015102562 U1 [0004]
DE 102016001553 A1 [0004]
DE 20080209 U1 [0004]
DE 102014105538 A1 [0004]

Claims

Haptische Feedback-Einrichtung für Personen zur Wahrnehmung der Umgebung, als Orientierungsunterstützung und zur Aufmerksamkeitslenkung auf Gefahrensituationen durch haptische Informationselemente, die in einer kompakten Einheit, die zur Anbringung sowohl an Körperteilen des menschlichen Körpers als auch in Haltegriffen oder anderen Mensch-Maschine-Schnittstellen mit Befestigungsmitteln vorgesehen, sowie in Innen- oder Außenbereichen einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die haptische Feedback-Einrichtung aus einem Gehäuse (1) besteht, in dem mindestens jeweils ein Formgedächtnisaktor (2,12) mit einem taktilen Informationselement (3,13,14,15) in Verbindung mit einem Formgedächtniselement (4) als Stellelement angeordnet ist, wobei der Formgedächtnisaktor (2,12) bei Erwärmung des Formgedächtniselementes (4) eine Linearbewegung des taktilen Informationselements (3,13,14,15) zum Andruck auf eine Kontaktstelle eines Nutzers oder an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Auslösung eines taktilen Reizes erfolgt und bei einer Abkühlung des Formgedächtniselementes (4) eine Rückführung des taktilen Informationselement s (3,13,14,15) vorgesehen ist, und wobei die haptische Feedback-Einrichtung mittels Befestigungsmitteln direkt an menschlichen Körperkontaktstellen als auch in oder an Mensch-Maschine-Schnittstellen vorgesehen ist.
Haptische Feedback-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erwärmung des Formgedächtniselementes (4) mittels einer direkten Bestromung über am Formgedächtniselement (4) angekoppelte elektrischen Leiter (5,6) vorgesehen ist, wobei zur Rückführung des Formgedächtniselementes (4) in Verbindung mit den taktilen Informationselementen (3,13,14,15) in die Ausgangslage nach der Erwärmung entweder ein zweites Formgedächtniselement vorgesehen ist oder zur Rückbewegung des Formgedächtniselementes (4) die taktilen Informationselemente (3,13,14,15) Rückstellfedern (7,8) aufweisen.
Haptische Feedback-Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die taktilen Informationselemente (3,13,14,15) verschiedene Geometrien und Oberflächengrößen aufweisen, so dass die Andruckfläche der taktilen Informationselemente (3,13,14,15) an den Anwendungsfall oder die Person anpassbar ist.
Haptische Feedback-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtniselement (4) der haptischen Feedback-Einrichtung zum Schutz vor Überlastung an einem Ende mit einer Schutzfeder (11) gekoppelt ist.
Haptische Feedback-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei flächenhaften Reizen die haptische Feedback-Einrichtung mehrere taktile Informationselemente (13,14,15) aufweist, die durch mindestens ein Formgedächtniselement (4) bei Erwärmung des Formgedächtniselementes (4) durch die Bestromung mittels elektrischer Leiter (5,6) eine Linearbewegung ausführen.
Haptische Feedback-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtniselement (4) im wesentlichen bogenförmig ausgebildet ist, wobei zur Kraftmessung des Andruckes der taktilen Informationselemente (3,13,14,15) auf eine Kontaktstelle einer Person die Feedback-Einrichtung entweder einen Sensor aufweist oder die Kraftmessung durch die Änderung des Eigenwiderstandes des Formgedächtniselementes (4) während der kristallinen Umwandlung vorgesehen ist.
Haptische Feedback-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtniselement (4) drahtförmig ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Formgedächtniselementes (4) in Abhängigkeit von der bewegenden Kraft und die Länge des Formgedächtniselementes (4) in Abhängigkeit von dem Stellweg ausgebildet ist.
Haptische Feedback-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Formgedächtniselementes (4) stufenlos in Abhängigkeit von der haptischen Information regelbar ist, so dass die Intensität des taktilen Reizes über die Eindringtiefe der taktilen Informationselemente (3,13,14,15) einstellbar ist, wobei die Informationen über den Abstand zu einem Hindernis oder einer Gefahrenstelle kontinuierlich übertragbar sind und wobei die Stellgeschwindigkeit des Formgedächtniselementes (4) an die haptische Information anpassbar vorgesehen ist.
Haptische Feedback-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der taktilen Informationselemente (13,14,15) nicht gleichzeitig erfolgt, sondern in Abhängigkeit des taktilen Reizes, wobei die taktilen Informationselemente (13,14,15) in einer definierten Sequenz schaltbar vorgesehen sind.
Haptische Feedback-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Formgedächtniselementes (4) durch mindestens eine weitere Bewegung überlagert wird, wobei die weitere Bewegung eine um 90° versetzte lineare Bewegung oder eine schwingende Bewegung ist, so dass durch die schwingende Bewegung eine Kombination von taktilen und vibrotaktilen Informationen erfolgt und wobei die weitere Bewegung mittels eines zweiten Formgedächtniselementes oder eines Piezoantriebes oder eines elektrodynamischen Antriebes und entsprechender Übertragungsglieder vorgesehen ist.
Haptische Feedback-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die haptische Feedback-Einrichtung standardisierte Formgedächtnisaktoren (2,12) vorgesehen sind, die in unterschiedlicher Anzahl im Gehäuse (1) der haptischen Feedback-Einrichtung einsetzbar sind.
Verfahren zum Betreiben der haptischen Feedback-Einrichtung, die mindestens ein taktiles Informationselement (3,13,14,15) in Verbindung mit mindestens einem Formgedächtniselement (4) als Stellelement umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Anpassung der Stellgeschwindigkeit der taktilen Informationselemente (3,13,14,15) an die haptische Information, - stufenlose Veränderung der Eindringtiefe des oder der taktilen Informationselemente (3,13,14,15) in Abhängigkeit von der haptischen Information, - Messung der Position und/ oder der Kraft der taktilen Informationselemente (3,13,14,15) durch Sensoren oder den Eigenwiderstand des Formgedächtniselementes (4), - Kombination von taktilen und vibrotaktilen Informationen, - Kombination der Eindringbewegung mit einer zweiten Bewegung zur Veränderung der Position der taktilen Informationselemente (3,13,14,15) auf der Haut, -abwechselnde Bewegung von taktilen Elementen innerhalb eines Arrays von taktilen Informationselementen (3,13,14,15).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz von Formgedächtniselementen (4) langsam schaltende haptische Informationssysteme ausführbar sind und dass ein Warnsignal auch nach Deaktivierung des elektrischen Signals durch die Trägheit der Formgedächtniselemente erhalten bleibt.