DE10209385A1

DE10209385A1 - Anordnung zur taktilen Stimulation der Haut

Info

Publication number: DE10209385A1
Application number: DE2002109385
Authority: DE
Inventors: Markus Jungmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-02
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2003-09-11

Abstract

In Telemanipulationssystemen kommen Anordnungen zur taktilen Rückmeldung zum Einsatz. Bei bekannten Anordnungen zur taktilen Stimulation der Haut sind u. a. ein großes Bauvolumen und eine geringe strukturelle Nachgiebigkeit nachteilig, da hierdurch kein Einbau in einen Datenhandschuh möglich ist. DOLLAR A Die neue Anordnung soll sich aufgrund ihrer geringen Bauhöhe und strukturellen Flexibilität für den Einbau in einen Datenhandschuh eignen. DOLLAR A Ein Stimulatorelement der Anordnung besteht aus mehreren elastischen Isolatorschichten (1). Zwischen diesen ist jeweils eine Elektrodenschicht (2) aufgebracht. Werden benachbarte Elektrodenschichten (2) auf ein unterschiedliches elektrisches Potential gebracht, so werden die dazwischen befindlichen elastischen Schichten (1) aufgrund elektrostatischer Kräfte zusammengedrückt, wodurch die Erhebungen (5) unter der Oberfläche der Anordnung verschwinden. Beim Verringern der Spannung dehnt sich das Stimulatorelement in Längsrichtung wieder aus, wobei die Erhebung (5) Kräfte auf die Haut des Benutzers ausübt. DOLLAR A Erfaßbare Darstellung von Oberflächenstrukturen und Körperkonturen durch mechanische Stimulation der Haut in Telemanipulationssystemen oder Anwendungen der virtuellen Realität. Darstellung von Blindenschriftzeichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur taktil erfaßbaren Darstellung von Oberflächenstrukturen und Körperkonturen für die Anwendung in Telemanipulationssystemen mit haptischer Rückmeldung oder zur Simulation taktiler Reize in Anwendungen der virtuellen Realität sowie zur Darstellung von Blindenschrift mittels elektromechanisch einstellbarer Fühlstifte, im folgenden Stimulatorelemente genannt, welche durch einen stapelartigen Aufbau aus elastischen, isolierenden Materialschichten und leitfähigen Elektrodenschichten realisiert sind.

In Telemanipulationssystemen, in welchen der Bediener beispielsweise mithilfe eines Datenhandschuhes, welcher die Positionen der Finger mißt, einen der Hand nachempfundenen Greifer fernbedient, erhält der Bediener meist nur eine visuelle Rückmeldung des Handhabungsvorganges. Hierbei fehlen dem Bediener Informationen über Greifkräfte, Konturen, Oberflächenbeschaffenheit oder Härte eines vom Greifer gegriffenen Gegenstandes, was dessen Handhabung erschwert. Eine taktile Rückmeldung in Form einer mechanischen Reizung der Haut spricht den natürlichen Sinneskanal für Handhabungsvorgänge an. Der Benutzer erhält so den Eindruck, einen vom Greifer gegriffenen Gegenstand direkt zu ertasten, wodurch die Geschicklichkeit beim fernbedienten Manipulieren von Gegenständen wesentlich verbessert wird.

Zur Darstellung von Blindenschrift nach dem Brailleschriftprinzip kommt ebenfalls die taktile Stimulation der Haut mit nahezu identischen Vorrichtungen zum Einsatz.

Für die taktile Stimulation sind Anordnungen bekannt, welche aus einer Matrix aus einzeln ansteuerbaren Stimulatorelementen bestehen. Die Enden der Stimulatorelemente können durch einen elektrischen Steuerbefehl aus- und wieder eingefahren werden, wobei sie einen taktilen Reiz auf die mit der Anordnung in Kontakt stehende Haut des Benutzers ausüben.

US 4379697 A beschreibt beispielsweise eine taktile Stimulatormatrix, bei welcher die Stimulatorelemente aus polarisiertem, piezoelektrischen Polymermaterial bestehen, welches beidseitig Elektroden trägt. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden ändert das Material aufgrund des piezoelektrischen Effektes seine geometrischen Abmessungen. Mit piezoelektrischen Materialien können derzeit maximale relative Dehnungen von etwa 0,2% realisiert werden. Während eines Handhabungsvorganges beträgt die maximale Deformation der Haut an den Händen mehr als 3 mm, zu deren Erreichung mit den in dieser Schrift erläuterten Stimulatorelementen eine sehr große Bauhöhe erforderlich wäre.

In US 5842867 A und US 3229387 A werden für den Aufbau der Stimulatorelemente ebenfalls piezoelektrische Materialien eingesetzt, welche zur Beseitigung der oben beschriebenen Problematik der geringen Auslenkung als Biegeelemente ausgeführt sind. Hierdurch entsteht jedoch, vor allem im Hinblick auf einen wegen des taktilen Auflösungsvermögens der Haut geforderten Stimulatorabstand von etwa 2 mm, ein erhöhter Raumbedarf, was dem Einbau einer solchen Anordnung in einen Datenhandschuh entgegensteht. Der Fertigungsaufwand einer solchen Anordnung mit einer Vielzahl von Stimulatorelementen ist sehr groß.

In US 6022220 A, US 5718588 A und US 5165897 A werden taktile Stimulatoren beschrieben, welche Memorymetalldrähte als krafterzeugende Elemente verwenden. Bauteile aus Memorymetallen ändern ihre geometrischen Abmessungen aufgrund einer Gefügeumwandlung des Materials bei der Übergangstemperatur, wodurch sie nur zwei stabile Betriebszustände einnehmen können. Für den speziellen Fall eines Stimulatorelements bedeutet dies, daß der Stimulator entweder voll ausgefahren oder ganz eingefahren ist. Während eines Handhabungsvorganges variiert jedoch die Deformation der Haut.

Aufgrund der hohen Verlustleistung von Memorymetallaktoren erwärmen sich diese im Betrieb. Da taktile Stimulatoren in Hautnähe zum Einsatz kommen und bereits ab 49°C Expositionstemperatur eine Hautschädigung eintreten kann, muß die entstehende Wärme abgeführt werden, wodurch ein zusätzlicher Fertigungsaufwand sowie zusätzliche Herstellungskosten entstehen. Während Abtastvorgängen entstehen Vibrationsfrequenzen von bis zu mehreren 100 Hz. Die menschliche Haut spürt noch Vibrationen mit Frequenzen bis etwa 1 kHz. Aufgrund der Wärmekapazität der Memorymetalldrähte und der damit verbundenen Aufheiz- und Abkühlzeiten erreichen Memorymetallaktoren Frequenzen von nur etwa 10 Hz.

US 3984708 A beschreibt einen taktilen Stimulator mit elektromagnetischem Antriebsprinzip, bei welchem sich ein magnetisierter Anker in einer stromdurchflossenen Spule bewegt. Aufgrund der strukturellen Starrheit der verwendeten Materialien läßt sich eine Matrix aus solchen Stimulatorelementen nicht in einen Datenhandschuh einbauen, ohne daß die Beweglichkeit der Hand behindert wird. Die Fertigung einer Matrix aus vielen in dieser Schrift beschriebenen Stimulatorelementen ist sehr aufwendig.

In JP 2000112329 A bestehen die Stimulatorelemente aus flexiblen, flüssigkeitsgefüllten Kammern, welche durch Peltierelemente beheizt werden. Erreicht die Flüssigkeit den Siedepunkt, so dehnt sich die Kammer aus. Aufgrund der Wärmekapazität der Flüssigkeit und der damit verbundenen Aufheiz- und Abkühlzeiten sind mit diesem Antriebsprinzip nur geringe Frequenzen erreichbar. Die Aktoren besitzen nur zwei stabile Betriebszustände, die Steuerung einer variablen Deformation ist somit nicht möglich.

JP 11203021 A beschreibt eine taktile Stimulatormatrix, deren Stimulatorelemente durch Luftkammern realisiert sind, welche mit einem veränderlichen Gasdruck beaufschlagt werden können. Zur Ansteuerung ist jedoch je Luftkammer ein Ventil erforderlich, welches einen von einem zusätzlichen Gerät erzeugten Überdruck schaltet. Der Fertigungsaufwand für eine solche Anordnung ist sehr groß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach zu fertigende, miniaturisierte Vorrichtung zur realitätsnahen taktilen Stimulation zu schaffen, welche sich aufgrund ihrer geringen Bauhöhe und ihrer strukturellen Flexibilität für den Einbau in einen Handschuh eignet, wobei die Bewegungsfreiheit der Hand nicht eingeschränkt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung von Stimulatorelementen, welche aus mehreren übereinanderliegenden Schichten (1) eines elastischen, elektrisch isolierenden Materials bestehen, die zwischen nachgiebigen, elektrisch leitfähigen Elektrodenschichtbereichen (2) angeordnet sind und mit diesen in Berührung stehen, sowie eine zeitlich veränderbare elektrische Spannung zwischen übereinanderliegenden benachbarten Elektrodenschichtbereichen (2).

Für die Herstellung der beschriebenen Anordnung können kostengünstige, handelsübliche Materialien verwendet werden. Aufgrund des planaren, schichtweisen Aufbaus kann eine Matrix mit sehr vielen Stimulatorelementen in Parallelfertigung mit wenigen Prozeßschritten hergestellt werden. Die Herstellung läßt sich leicht automatisieren. Da der Raumbedarf eines Stimulatorelementes sehr gering ist, kann eine hohe Anzahl von Stimulatorelementen pro Flächeneinheit bei geringer Bauhöhe realisiert werden. Aufgrund der strukturellen Flexibilität der Anordnung behindert sie die Bewegung der Hand des Benutzers nur sehr wenig und läßt sich leicht in einen Datenhandschuh einbringen. Die Bewegung der Stimulatorelemente erfolgt absolut lautlos, wodurch während des Betriebes keine Geräuschbelastung entsteht. Die Anordnung ist verschmutzungsunanfällig und abwaschbar. Aufgrund der geringen Verlustleistung entsteht keine Erwärmung der Anordnung, welche die Haut schädigen kann. Je nach verwendetem Elastomermaterial können Stimulationsfrequenzen von mehreren 100 Hz erreicht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Bild 1 den Aufbau und die Funktionsweise eines Stimulatorelementes,
Bild 2 ein erstes Ausführungsbeispiel mit matrixartig angeordneten Stimulatorelementen in Reihen-, Spaltenkontaktierung,
Bild 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Einzelkontaktierung der matrixartig angeordneten Stimulatorelemente.
In Bild 1 ist zu ersehen, daß ein Stimulatorelement der Anordnung aus mehreren dünnen Schichten 1 eines elastischen, elektrisch isolierenden Materials, z. B. einem Silikonkautschuk besteht. Diese Schichten 1 können z. B. durch Aufschleudern, Aufsprühen oder Aufwalzen von flüssigem, 2-komponentigem Silikonkautschuk hergestellt werden, welcher anschließend vernetzt wird. Zwischen den isolierenden Schichten 1 ist jeweils ein elektrisch leitfähiger, nachgiebiger Elektrodenschichtbereich 2 aufgebracht. Dieser besteht z. B. aus Graphitpulver oder anderem elektrisch leitfähigen Material und wird z. B. über eine Maske auf die isolierende Schicht 1 aufgesprüht oder aufgebürstet, so daß Partikel darauf haften bleiben. Die elektrische Kontaktierung 3 der Elektrodenschichtbereiche 2 erfolgt wie in Bild 1 gezeigt, so daß übereinanderliegende benachbarte Elektrodenschichtbereiche 2 auf ein unterschiedliches elektrisches Potential gebracht werden können. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kontaktierung 3 mittels einer steuerbaren Spannungsquelle 4 ziehen sich, entsprechend der elektrostatischen Kraftwirkung, die entgegengerichteten Ladungen auf den Elektrodenschichten 2 an. Hierdurch werden die dazwischen befindlichen elastischen Schichten 1 zusammengedrückt, wodurch die auf den Stimulatorelementen angebrachten Erhebungen 5 unter der Oberfläche der Anordnung verschwinden. Die elastischen Schichten 1 erfahren bei ihrer Kontraktion aufgrund ihrer Volumenkonstanz eine Dehnung senkrecht zur Richtung der Kontraktion. Zur Ermöglichung dieser Dehnung besitzen die elastischen Schichten 1 in der Umgebung der Elektrodenschichtbereiche 2 Öffnungen 6. Diese können z. B. durch Ausstanzen hergestellt werden. Wird die Spannung der Spannungsquelle 4 zwischen den Elektrodenschichtbereichen 2 wieder reduziert, so fließt die auf ihnen befindliche Ladung über die Spannungsquelle 4 ab, die Feldkräfte werden geringer und das Stimulatorelement dehnt sich in Längsrichtung wieder aus, wobei die in den elastischen Schichten 1 gespeicherte mechanische Energie mittels der Erhebung 5 Kräfte auf die Haut des Benutzers ausüben kann. Zur Aufnahme der Gegenkräfte sind die Stimulatorelemente an der Unterseite über Verbindungselemente 7 mit einem Trägermaterial 8 verbunden.
Bild 2 zeigt eine matrixartige Anordnung einer Anzahl von Stimulatorelementen. Die Elektrodenschichtbereiche 2 benachbarter Elektrodenschichtebenen sind abwechselnd zeilenweise bzw. spaltenweise über elektrisch leitfähige Verbindungen 9 miteinander verbunden, so daß eine koordinatenartige Ansteuerung der Stimulatorelemente ermöglicht wird. Die leitfähigen Verbindungen 9 können aus dem gleichen Material wie die Elektrodenschichtbereiche 2 bestehen und mit diesen gemeinsam aufgebracht werden. Die Stimulatorelemente werden einzeln nacheinander zyklisch angesteuert. Die elektrische Ladung eines Stimulatorelements und somit auch dessen Kontraktion bleibt nach dem Trennen von der Spannungsquelle 4 bis zu seiner nächten Ansteuerung erhalten.
In Bild 3 ist eine Einzelkontaktierung der Elektrodenschichtbereiche 2 dargestellt. Sie erfolgt über elektrisch leitfähige Verbindungen 9, wobei alle Elektrodenschichtbereiche 2 einer Schichtebene gegeneinander elektrisch isoliert sind. Diese Anordnung erlaubt eine gleichzeitige elektrische Ansteuerung der Stimulatorelemente. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der in Bild 2 gezeigten Öffnungen 6 verzichtet.

Claims

1. Anordnung zur taktil erfaßbaren Darstellung von Oberflächenstrukturen und Körperkonturen für insbesondere Anwendungen in der Telemanipulation oder virtuellen Realität oder zur Darstellung von Blindenschrift mittels einer Anzahl elektrisch einstellbarer elektromechanischer Stimulatorelemente (10) dadurch gekennzeichnet, daß benannte Stimulatorelemente aus mehreren übereinanderliegenden Schichten (1) eines elastischen, elektrisch isolierenden Materials bestehen, die zwischen nachgiebigen, elektrisch leitfähigen Elektrodenschichtbereichen (2) angeordnet sind und mit diesen in Berührung stehen, sowie eine zeitlich veränderbare elektrische Spannung zwischen übereinanderliegenden benachbarten Elektrodenschichtbereichen (2).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Stimulatorelementen matrixartig angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die matrixartige Anordnung der Stimulatorelemente durch eine matrixartige Anordnung der Elektrodenschichtbereiche bewirkt wird.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht (1) in der Umgebung der Elektrodenschichtbereiche (2) Öffnungen (6) besitzt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulatorelemente an der Unterseite direkt auf einem beliebigen Untergrund (8) befestigt sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulatorelemente an der Unterseite mittels eines Verbindungselementes (7) auf einem beliebigen Untergrund (8) befestigt sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulatorelemente an ihrer Oberseite eine Erhebung (5) besitzen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschichtbereiche (2) der jeweiligen Schichtebenen mit elektrisch leitfähigen Verbindungen (9) reihenweise verbunden sind, und zwar derart, daß die Elektrodenschichtbereiche benachbarter Schichtebenen abwechselnd zeilenweise bzw. spaltenweise verbunden sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf unterschiedlichen Schichtebenen übereinanderliegenden Elektrodenzeilen bzw. Elektrodenspalten über elektrische Leiter (3) leitfähig miteinander verbunden sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Schichtebene liegenden Elektrodenschichtbereiche (2) elektrisch gegeneinander isoliert sind und die elektrische Kontaktierung nach außen über elektrisch leitfähige Verbindungen (9) erfogt.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinanderliegenden Elektrodenschichtbereiche aller geradzahligen Schichtebenen (2., 4., 6., . . . Schichtebene) und die übereinanderliegenden Elektrodenschichtbereiche aller ungeradzahligen Schichtebenen (1., 3., 5., . . . Schichtebene) elektrisch miteinander verbunden sind.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulatorelemente mit zeitlich veränderlichen elektrischen Spannungen betrieben werden.

13. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulatorelemente zeitlich nacheinander angesteuert werden.

14. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulatorelemente gleichzeitig angesteuert werden.