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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein haptisches Eingabegerät zur Erzeugung
von Steuerungsinformation zur Steuerung eines Gerätes. Darüber hinaus
bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren zur
Steuerung eines Gerätes.
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Es
sind weithin Eingabegeräte
bekannt, die ein oder eine Vielzahl von betätigbaren Bedienelementen zur
Erzeugung von Steuerungsinformation zur Ansteuerung von elektronischen
Geräten
enthalten. Zum Beispiel sind Schalter, Tastaturen und Drehregler
in unterschiedlichen Konfigurationen verfügbar, die dazu dienen, spezifische
Funktionen auszuwählen,
oder um ausgewählte
Betriebs- oder Systemparameter eines zu steuernden Gerätes zu beeinflussen.
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Im
einfachsten Fall kann jeder Systemparameter des anzusteuernden Gerätes durch
Betätigung eines
spezifischen Bedienelements, welches genau diesem Parameter zugeordnet
ist, geändert
werden. Dementsprechend erhöht
sich die Anzahl der notwendigen Bedienelemente mit der Anzahl der
Funktionen und Parameter, die gesteuert bzw. beeinflusst werden
können.
Zur Vermeidung dieses Problems sind sogenannte Soft-Keys bekannt,
die zur Steuerung einer Vielzahl von Systemparametern eines Gerätes verwendet
werden können.
Der Zustand eines Soft-Keys kann zwischen bzw. unter verschiedenen verfügbaren Modi
verändert
werden, wobei in jedem Modus ein spezifischer Parameter durch eine
Betätigung des
Bedienelementes beeinflusst bzw. gesteuert werden kann. Da der größte Vorteil
solcher Soft-Keys in der verringerten Anzahl notwendiger Bedienelemente
liegt, werden sie bevorzugt in Geräten eingesetzt, die eine reduzierte
Baugröße haben
sollen, wie zum Beispiel bei Mobilfunktelefonen und ähnlichen
Geräten.
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Damit
der Benutzer einen gewünschten
Systemparameter steuern bzw. beeinflussen oder einen gewünschten
Systemparameter ändern
kann, muss zusätzliche
Information zur Verfügung
gestellt werden, die darüber
Auskunft gibt, in welchem aktuellen Zustand bzw. Modus sich das
Bedienelement befindet, d.h., die erlaubt denjenigen Parameter zu
identifizieren, welcher durch dieses Bedienelement tatsächlich beeinflusst
werden kann. Im oben erwähnten
Beispiel eines tragbaren Telefons wird der Soft-Key normalerweise
unmittelbar unter der Anzeige angeordnet, wobei der aktuelle Zustand
dieses Soft-Keys in der untersten Zeile dieser Anzeige dargestellt
wird. Bei dieser Lösung
muss der Benutzer jedes Mal auf die Anzeige schauen, wenn er den Soft-Key
bedienen möchte.
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Die
Effektivität
des oben erwähnten
Soft-Key Konzepts könnte
verbessert werden, wenn der Benutzer irgendwie Information über den
aktuellen Zustand des Bedienelementes erhalten könnte, ohne auf die Anzeige
oder dergleichen sehen zu müssen. Obwohl
akustische Information dazu benutzt werden könnte, um dieses Problem zu
lösen,
so wäre
es doch besser eine Art taktile Rückmeldung an den Benutzer zu
liefern. Dies macht haptische Techniken zu einer interessanten Wahlmöglichkeit
bei der Realisierung eines Eingabegeräts.
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Der
Begriff "Haptik" ist seit Jahren
gebräuchlich
bei Wissenschaftlern auf dem Gebiet der menschlichen Psychophysik,
die untersuchen, wie Menschen ihre Hände und Finger einsetzen, um
Objekte zu spüren
und zu manipulieren. In jüngster Zeit haben
Experten für
Benutzerschnittstellentechnologie damit begonnen den Begriff „haptische
Benutzerschnittstellen" zu
verwenden, um damit Geräte
zu beschreiben, mit denen die Bewegung unserer Hände gemessen und das Empfindungsvermögen in unseren
Händen
stimuliert werden können.
Derartige haptische Benutzerschnittstellen bieten den großen Vorteil,
dass ein Benutzer – zu
der gleichen Zeit während er
das Eingabegerät
betätigt – gewisse
taktile oder kinästhetische
Rückmeldungen
erhält.
Dieses „Gefühl" ermöglicht es,
eine intuitive Verbindung zu schaffen zwischen den Betätigungen
des Bedienelementes und den dadurch induzierten Aktionen. Darüber hinaus
kann eine derartige Rückmeldung
die vorstehend erwähnte
notwendige Information liefern, mit der ein Benutzer über den
aktuellen Zustand oder Modus des Bedienelementes informiert wird,
ohne die Anzeige betrachten zu müssen.
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Bis
zum heutigen Tag sind haptische Benutzerschnittstellen oder Eingabegeräte sehr
selten. Typischerweise sind es Vertreter des sogenannten Ein-Kontaktpunkt
Typs. Die Position der Spitze eines Roboterarmes wird gemessen und
mit einer virtuellen geometrischen Welt verglichen, um daraus zu
berechnen, ob die Spitze des Roboterarmes irgendein virtuelles Objekt
durchstoßen
hat. Falls dem so ist, wird eine von der Eindringtiefe abhängige Gegenkraft berechnet,
die einem Benutzer ermöglicht,
diese Kräfte
wahrzunehmen. Ein Beispiel für
eine haptische Benutzerschnittstelle, so wie sie oben beschrieben
ist, ist das sogenannte PHANToM Gerät, welches von der Firme SensAble
Technologies Inc. vertrieben wird.
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Der
Arbeitsbereich von solchen Geräten
vom Typ „Ein-Kontaktpunkt" wird typischerweise
so gestaltet, dass er den natürlichen
Bewegungsbereich eines menschlichen Armes abdeckt. Dies beinhaltet Bewegungen
des gesamten Armes, des Unterarmes und des Handgelenks. Allerdings
sind bis zum jetzigen Zeitpunkt keine haptischen Geräte bekannt,
die nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeiten, aber so klein
sind, dass sie in die Hand eines Benutzers passen, und trotzdem
allen Fingern der Hand ermöglichen,
in vollem Umfang mit dem Gerät
umzugehen.
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Ein
weiteres bekanntes haptisches Gerät ist der sogenannte „haptic
glove", mit dem
sowohl Fingerbewegungen gemessen, als auch Kräfte auf den Finger ausgeübt werden
können.
Diese Geräte
sind typischerweise vom „exoskeleton" Typ und müssen wie
ein Handschuh getragen werden.
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Noch
eine weitere Kategorie von haptischen Geräten – die gewöhnlich als haptisch oder taktil
bezeichneten Anzeigen – verwenden
eine große
Matrix aus gleichartigen Stellgliedern, welche sich entlang einer
Achse bewegen lassen. Als ein Resultat können Formen durch gezieltes
Bewegen dieser Stellglieder gebildet werden, ähnlich wie Malen eines Bildes
auf einem Computerbildschirm durch gezieltes Ein- und Ausschalten
von Pixeln auf einem solchen Bildschirm. Da sich allerdings alle
Stellglieder in dieselbe Richtung bewegen, kann so ein Gerät keine
beliebigen Formen annehmen. Darüber
hinaus sind fast alle Geräte
dieser Art ausschließlich
als Anzeigegeräte
beschrieben worden und sind nicht dafür gedacht worden auch als ein
Eingabegerät
zu fungieren.
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Eine
weitere Kategorie von haptischen Geräten benutzt ein Becken gefüllt mit
einer magneto-rheologischen bzw. MR-Flüssigkeit,
welche dem Benutzer die Illusion von Formveränderungen vermitteln kann.
Teilbereiche dieser Flüssigkeit
können
dazu gebracht werden, ihre Konsistenz von einem flüssigen Zustand
zu einem gelartigen Zustand zu verändern, indem ein magnetisches
Feld an diese Matrix angelegt wird.
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Die
technische Umsetzung für
ein derartiges Gerät
erfordert es, dass der Benutzer einen Schutzhandschuh tragen muss,
wenn er seine Hand in das mit MR-Flüssigkeit gefüllte Becken
taucht, um die Formveränderung
von virtuellen Objekten wahrzunehmen. Auch hier wird das System
ausschließlich als
Anzeigegerät
benutzt.
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Alle
voranstehend erwähnten
haptischen Geräte
können
so programmiert werden, um durch eine bestimmte Kombination von
Parametern, die wegen ihrer Reaktionskraft, die sich der Bewegung der
Benutzerhand entgegenstellt, gewählt
sind, bestimmte Eigenschaften natürlicher Materialen, wie zum
Beispiel Gummi, Metall oder Holz, zu simulieren. Dies beinhaltet
Viskosität
(Kraft proportional zur Geschwindigkeit), Weichheit (Kraft proportional
zur Eindringtiefe) und Reibung. Allerdings ist kein haptisches Gerät dazu benutzt
worden, diese Eigenschaften für
die Bereitstellung einer intuitiveren Benutzerschnittstelle zu nutzen.
Die für
derartige Effekte notwendigen Techniken werden im allgemeinen für die virtuelle
Realität
oder zum Zwecke des Trainings genutzt, wobei sie dort dazu benutzt
werden, die Realitätsnähe bei der
Interaktion mit virtuell erzeugten Welten zu erhöhen.
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Andererseits
können
sogenannte „tangible user
interface" Geräte nur eine
einzige Form annehmen, die anzeigt, welche Art der Operation der
Benutzer mit diesem Gerät
durchführen
kann. Die Assoziation von Form und Funktion basiert gewöhnlich auf kulturspezifischem
Wissen und Erfahrung, welche der Designer eines solchen Gerätes dazu
nutzt, die Bedienung eines solchen Gerätes intuitiver zu gestalten.
Der Nachteil eines solchen Ansatzes ist – wie bereits oben erwähnt – die potentiell
große
Anzahl von verschiedenen „tangible" Geräten, die
der Benutzer zusammentragen und angemessen einsetzen muss.
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Aus
diesem Grund ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein haptisches
Eingabegerät
zur Verfügung
zu stellen, das es dem Benutzer ermöglicht von der intuitiven Bedienung
durch „tangible user
interfaces" Geräte zu profitieren,
aber die Möglichkeit
bietet mit einem einzigen Bedienelement auszukommen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein haptisches Eingabegerät zur Erzeugung von Steuerungsinformation
bereitgestellt, um ein mit dem Eingabegerät verbindbares Gerät anzusteuern,
wobei dieses Eingabegerät
umfasst:
- – ein
Eingabeelement, das mindestens zwei unterschiedliche Formen für mindestens
zwei Modi annehmen kann, wobei das Eingabeelement in jedem Modus
betätigt
werden kann, um ein Eingabesignal zu erzeugen, und
- – eine
Steuerungseinheit zur Erzeugung von Steuerungsinformation für das anzusteuernde Gerät, wobei
die Steuerungsinformation auf dem vom Eingabeelement erhaltenen
Eingabesignal basiert und ferner von dem aktuellen Modus des Eingabeelements
abhängt.
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Ähnlich wie
bei einem Soft-Key, kann das Eingabegerät gemäß der vorliegenden Erfindung dazu
benutzt werden eine Vielzahl unterschiedlicher Arbeits- oder Betriebsparameter
des anzusteuernden Gerätes
zu steuern. Allerdings liefert nun das Eingabeelement von sich aus
greifbare Information über
seinen momentanen Zustand bzw. Modus, indem es unterschiedliche
Formen annimmt, die die Parameter repräsentieren, die tatsächlich gesteuert werden
können.
Deshalb muss ein Benutzer auf keine zusätzliche Anzeige blicken oder
auf akustische Information achten, sondern ist unmittelbar über den Zustand
bzw. Modus des Eingabegerätes
informiert. Daher kann die Steuerungsinformation, um einen gewünschten
Arbeitsparameter des Gerätes,
welches mit dem Eingabegerät
gemäß dieser
Erfindung verbunden ist, zu beeinflussen oder zu verändern, auf sehr
bequeme Art erzeugt werden.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann durch den Benutzer das Eingabeelement
selbst gehandhabt werden – bevorzugt
durch Zusammendrücken – um einen Übergang
zu einem neuen Modus und einer neuen Form einzuleiten, das heißt, um einen
neuen anzusteuernden Betriebsparameter auszuwählen. Obwohl es auch möglich wäre eine
zusätzliche
Taste zur Verfügung
zu stellen, die man betätigen
müsste, um
den Zustand/Modus des Eingabeelementes zu verändern, so ist doch diejenige
Ausführungsform
zu bevorzugen, bei der das Eingabeelement selbst zur Zustands/Modus-Änderung
gehandhabt werden kann, da ein zusätzlicher Schalter nicht nötig ist.
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Die
Eigenschaft der Formveränderbarkeit des
Eingabeelementes kann durch Bereitstellung von mindestens einer
Stellgliedeinheit innerhalb dieses Eingabeelementes realisiert werden,
wobei die Stellgliedeinheit ein Stellglied zur Festlegung eines beweglichen
Punktes an der Oberfläche
des Eingabeelementes enthält,
und des weiteren eine Vorrichtung enthält, mit der eine auf die Oberfläche wirkende externe
Kraft wahrgenommen werden kann. Bevorzugt enthält das Eingabeelement eine
Vielzahl von Stellgliedeinheiten, die – in Kombination – beliebige Formen
für das
Eingabegerät
bereitstellen können, und
nahezu eine beliebige auf das Eingabeelement einwirkende externe
Kraft erfassen können,
um damit eine Formumwandlung einzuleiten. Die Mittel zur Messung
einer externen Kraft können
zum Beispiel Positionsmessgeber, Druckmessgeber, oder Beschleunigungsmessgeber
umfassen. Zusätzlich
kann der Benutzer durch eine entsprechende Ansteuerung der Stellglieder
während
der Handhabung des Ein gabeelementes unterschiedliche Arten von Kraftrückkopplungen
fühlen.
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Entsprechend
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung lässt
das Eingabeelement – in
zumindest einer der vorbestimmten Zustände/Modi/Formen – während einer
Bedienung, mit dem Ziel ein Eingabesignal zu generieren, eine Kraftrückkopplung
wirken. Diese Rückkopplungskraft könnte einen
neutralen Wert bzw. eine Nullposition des anzusteuernden Parameters
anzeigen, oder sie könnte
auch eine Vielzahl von zur Auswahl stehender Werte anzeigen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Erzeugung
von Steuerungsinformation, das zur Steuerung eines Gerätes durch ein
haptisches Eingabegerät,
das ein Eingabeelement umfasst, verwendet wird, wobei dieses Verfahren
die folgenden Schritte umfasst:
- a) Handhaben
dieses Eingabeelementes derart, dass das Eingabeelement eine von
mindestens zwei vorbestimmten Formen annehmen kann, wobei jede Form
einem bestimmten Betriebsparameter des anzusteuernden Gerätes zugeordnet ist,
- b) Betätigen
des Eingabeelementes um Steuerungsinformation zur Ansteuerung desjenigen
Parameters, der dieser aktuellen Form des Eingabeelementes zugeordnet
ist, zu generieren.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung an Hand einer bevorzugten
Ausführungsform,
wie in den beigefügten
Zeichnungen gezeigt, näher
beschrieben, wobei:
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1a bis 1d ein
Eingabeelement für ein
haptisches Eingabegerät
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, wobei dieses Eingabeelement vier unterschiedliche
Formen annimmt, die vier verschiedenen Bedienmodi zugeordnet sind;
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2 ein
erstes Beispiel für
eine durch eine Handhabung des Benutzers ausgelöste Verformung des Eingabeelementes
zeigt;
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3 eine
zweite Ausführungsform
für eine Verformung
des Eingabeelementes zeigt;
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4 ein
Flussdiagramm für
den Algorithmus für
eine Formveränderung
des Eingabeelementes zeigt;
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5 eine
Frontalansicht von einer schematisch dargestellten Bauteilegruppe
für einen
haptischen Drehregler zeigt;
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6 eine
perspektivische Ansicht von einer schematisch dargestellten Bauteilegruppe
für ein formveränderliches
haptisches Gerät
zeigt, welches ähnlich
wie eine Computermaus über
eine ebene Oberfläche
bewegt werden kann;
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7 ein
Blockdiagram für
eine bevorzugte Ausführungsform
eines haptischen Eingabegerätes gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Es
wird beabsichtigt mit der folgenden Beschreibung die allgemeine
Funktionsweise eines haptischen Eingabegerätes an Hand des Beispiels eines
Drehreglers, der für
die Bedienung eines Autoradios verwendet wird, zu erklären. Die
Erfindung darf allerdings nicht auf dieses Beispiel beschränkt gesehen
werden, sondern kann auf eine Vielzahl von anderen möglichen
Anwendungen und bevorzugten Ausführungsformen
ausgeweitet werden.
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Ein
Autoradio bietet gewöhnlich
(mindestens) die folgenden Funktionen: Lautstärkenregelung, Senderauswahl,
und einstellbare Levels von Bässen
und Höhen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Benutzerschnittstelle mit
einem Eingabeelement in der Form eines Drehreglers zur Verfügung, wobei dieser
Drehregler gedreht werden kann, um die Werte eines ausgewählten Betriebsparameters
des Radios zu verändern,
und des weiteren gehandhabt werden kann – im Speziellen durch Zusammendrücken – um die
Form des Eingabeelementes und den Zustand des Eingabegerätes zu verändern. Der
Benutzer kann das Eingabeelement in vier verschiedene Formen verwandeln,
eine für
die Lautstärkenregelung,
eine für
die Senderauswahl, eine für
die Basseinstellung und eine für
die Höheneinstellung.
Das Drehen des Drehreglers bewirkt für jede charakteristische Form
eine andere Aktion, die vom Benutzer auf Grund des Formunterschieds
sofort verstanden wird. Daher kann der Benutzer das Autoradio bedienen,
ohne auf das Armaturenbrett oder eine Anzeige sehen zu müssen, da
er die Form des Drehreglers in seiner Hand spüren kann, und sofort weiß, welcher Modus
eingestellt ist.
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Die 1a bis 1d zeigen
ein Beispiel für einen
Drehregler 1, der zur Auswahl von Werten aus einem unterschiedlichen
Bereich eingesetzt wird. Die vier Zeichnungen zeigen eine Form für die Lautstärkenregelung
(1a), eine Form für die Auswahl vorprogrammierter
Radiostationen für
einen Radioempfänger
(1b), eine dritte Form für das Einstellen der Höhen (1c)
und eine vierte Form als Basseinstellelement, das dem Höheneinstellelement ähnlich ist,
wobei der halbkreisförmige
Teil allerdings unten angebracht ist (1d).
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Anstatt
vier unterschiedlich geformte Eingabeelemente zur Verfügung zu
stellen, kann das Eingabeelement 1 des Eingabegeräts entsprechend
der vorliegenden Erfindung die Gestalt jeder dieser vorbestimmten
Formen annehmen. Jede Formveränderung
ist begleitet von einer entsprechenden Änderung des Kraftrückkopplungseffekts,
welcher verbunden ist mit dem Drehen zur Auswahl eines Parameterwertes,
wie es in den 1a bis 1d angedeutet
wird. Speziell für
den Modus zur Lautstärkenregelung
in 1a wäre
ein synthetischer Dämpfungseffekt
vorteilhaft. Im Falle des in 1b gezeigten
Modus zur Auswahl von Sendestationen, jedoch, kann ein Benutzer
einzelne Kraftstufen 2, die jede vorprogrammierte Sendestation
andeuten, als Rasten spüren.
Im Falle von sowohl der Höheneinstellung
als auch der Basseinstellung, wie in den 1c und 1d gezeigt,
hilft eine zentrierende Kraft 3 in der Neutralstellung
bzw. Nullposition (im Endeffekt eine etwas größere Kraftstufe) dem Benutzer
die Neutralstellung bzw. Nullposition zu finden. Darüber hinaus ist
das erlaubte Ausmaß der
Drehung sowohl für
die Sendestationsauswahlvorrichtung als auch für die Formen zur Höhen- bzw.
Basseinstellung auf weniger als 180 Grad beschränkt. Dadurch wird gewährleistet,
dass die charakteristische Form und Orientierung des Drehreglers 1 in
dem jeweiligen Modus für den
Benutzer leicht erkennbar bleiben.
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Wie
bereits erwähnt,
wäre es
möglich
ein zusätzliches
Eingabe- bzw. Bedienelement zur Auswahl eines bestimmten Modus bzw.
einer bestimmten Form des Drehreglers 1 zur Verfügung zu
stellen. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung
wird allerdings der Übergang
von einem Modus zum anderen durch den Benutzer durch Ausüben von
Kraft oder Druck auf die Oberfläche
des Eingabeelementes 1 ausgelöst. Wie in 2 gezeigt,
löst das
Einwirken einer definierten Kraft auf bestimmte Bereiche der Oberfläche des Eingabeelementes 1 einen
Prozess aus, der dazu führt,
dass bestimmte Bereiche der Oberfläche des Eingabeelementes 1 schrumpfen,
bis dieses seine neue veränderte
Form erreicht. Wie beispielhaft in 2 gezeigt wird,
könnte
ein Übergang
vom Modus zur Lautstärkeneinstellung
von 1a zum Modus für
die Senderauswahl von 1b durch Drücken auf gegenüberliegende
Seiten der äußeren Hülle des
Drehreglers 1 erfolgen. Dies führt dazu, dass das Eingabeelement 1 seine
Form zu einer Form verändert,
welche für
den Modus zur Senderauswahl bestimmt ist. Wenn der Benutzer allerdings
zum Modus für
die Lautstärkeneinstellung
zurückkehren
möchte,
dann muss er im Modus zur Senderauswahl Druck auf die beiden Enden
des Stegs 4 im vorderen Bereich des Drehreglers 1 ausüben.
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Abbildung 3 zeigt
den Übergang
vom Modus zur Lautstärkeneinstellung
zum Modus für
die Höheneinstellung,
wobei der Benutzer Druck auf die untere Hälfte des zylindrischen Drehreglers 1 ausüben muss.
Auch hier muss Druck auf die gegenüberliegenden Seiten des Halbzylinders 5 ausgeübt werden,
um zum Modus für
die Lautstärkeneinstellung zurückzukehren.
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Obwohl
die 2 und 3 zeigen, dass der Benutzer
die Finger 10 seiner beiden Hände benutzt, um das Eingabeelement 1 in
seine neue Form zu zwängen,
welche mit dem gewünschten
Bedienmodus verbunden ist, so ist es gewiss auch möglich nur
eine Hand zu verwenden, um das Eingabeelement zu handhaben und einen
neuen Modus auszuwählen.
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Die
für jeden Übergang
benötigte
exakte Position und Kraftwerte sind Gegenstand von Usability Studien.
Die in den 2 und 3 angedeuteten Greifgesten
sind auf Intuition basierende Beispiele, die aber nicht notwendigerweise
die einzige oder beste Art und Weise zum Erreichen der Umfor mung der
Eingabeelementform darstellen sollen. Es soll nicht unerwähnt bleiben,
dass in den gezeigten Beispielen zwei Typen von Gesten involviert
sind. Eine erfordert eine Greifgeste, mit der von zwei gegenüberliegenden
Seiten auf das Eingabeelement 1 niedergedrückt wird
(zum Beispiel die Transformation vom Modus für die Lautstärkeneinstellung
zum Tuning-Modus), die andere erfordert nur das Drücken von
einer Seite (zum Beispiel die Transformation vom Modus für die Lautstärkeneinstellung
zum Modus für die
Höheneinstellung).
Einseitige Gesten machen es erforderlich, dass das Eingabeelement
geerdet bzw. fest mit einer Basis verbunden ist, wie es selbstverständlich bei
einem Bedienknopf oder Drehregler der Fall ist, der auf einer Gerätefrontplatte
angebracht ist. Symmetrische Greifgesten hingegen können auch für Geräte benutzt
werden, welche nicht fest mit einer Basis verbunden sind, wie zum
Beispiel einer Computermaus.
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Zusätzlich zu
den in den 2 und 3 gezeigten
Gesten wären
auch Gesten entlang der Achse des Eingabeelementes 1 möglich. In
diesem Fall würde
das Drücken
auf einen Bereich auf der Frontalseite der Oberfläche einen
Vorgang auslösen, der
dazu führt,
dass der spezifische Teil des Eingabeelements, der mit dem Bereich
verknüpft
ist, zurückgezogen
wird. Das heißt,
wenn man im Modus für
die Lautstärkeneinstellung
auf den unteren Bereich der Frontalseite vom Eingabeelement 1 drückt, dann würde eine
Transformation zum Modus für
die Höheneinstellung
ausgelöst
werden.
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Darüber hinaus
könnte
das Drücken
auf die Frontalseite des Bedienelementes auch dazu führen, dass
sich die Frontalseite leicht eindellt, um der Fingerspitze des Benutzers
einen besseren Halt zu geben. Zum Beispiel ist es bekannt, dass
Video-Drehregler zur Auswahl von Einzelbildern aus einem Video derartig
geformt sind.
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Die
in 3 gezeigte einseitige Geste führt zu einer Verwandlung in
eine Form, welche allein durch die Ausrichtung der Form einen Hinweis
auf die Funktion, die das Eingabeelement ausführt, gibt. Die Aufwärtsausrichtung
des Halbzylinders 5 erinnert den Benutzer daran, dass er
damit den Bereich hoher Frequenzen, also die Höhen, beeinflussen kann. Eine
Orientierung des Eingabeelementes 1 nach unten hingegen
deutet an, dass der untere Frequenzbereich (Bass) durch die Benutzereingabe
beeinflusst wird.
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Wenn
der Benutzer von einem Modus zum anderen wechselt, verwandelt das
System die Form des Eingabeelementes 1 bevorzugt dermaßen, dass der
zuvor in diesem neuen Modus eingestellte Parameterwert durch die
Form angezeigt wird. Wenn zum Beispiel der Benutzer vom Modus für die Lautstärkeneinstellung
in 1a zum Modus für
die Senderauswahl in 1b wechselt, dann sollte die
Ausrichtung des Drehreglers 1 diejenige Sendestation wiederspiegeln,
welche bereits davor vom Benutzer ausgewählt war. Daher gibt die in 2 gezeigte
Transformation nur den Fall wieder, bei dem die bereits ausgewählte Sendestation
an der Zentral- bzw.
Nullposition gelegen hat. In all den anderen Fällen würde die Auswahlvorrichtung
auf die passende Position zeigen, das heißt, der Steg 4 wäre im Verhältnis zur Vertikalen
geneigt.
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Die
Verwandlung von einer Form zur anderen muss vom Benutzer als ein
haptischer Rückkopplungsmechanismus
gefühlt
werden, der bestätigt, dass
eine Veränderung
in Reaktion auf den von den Fingern 10 des Benutzers ausgeübten Druck
erfolgt. Bezugnehmend auf 4, gibt
die folgende Erklärung
ein Beispiel dafür,
wie dies erreicht werden kann.
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Wie
zu einem späteren
Zeitpunkt näher
erklärt
werden wird, umfasst das Eingabeelement 1 eine Vorrichtung,
um den von den Fingern 10 der Benutzerhand ausgeübten Druck
auf die Oberfläche des
Eingabeelementes zu messen, wobei in bestimmten Fällen ein
einziger Sensor ausreichen könnte,
der denjenigen Druck misst, welcher im rechten Winkel zur Rotationsachse
auf das gesamte Eingabeelement 1 einwirkt. Die Vorrichtung
zur Messung des ausgeübten
Drucks kann aus dafür
vorgesehenen Druckmessgebern bestehen, die über die Oberfläche des
Eingabeelementes 1 verteilt sind, oder auch aus einer Softwarelösung, der
eine Kombination aus Stellgliedern und Positionsmessgebern zugrunde
liegt. Die gemessene Position und die Kraft, die von den Stellgliedern
aufgebracht werden muss, um die Oberfläche festzuhalten, können dazu benutzt
werden, um die auf die Finger 10 des Benutzers einwirkende
Gegenkraft zu berechnen.
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Wie
in dem Flussdiagramm von 4 gezeigt, berechnet eine Kontrolleinheit
im Schritt 101 einen Grenzwert für diejenige Gegenkraft in jedem Punkt
an der Oberfläche,
der notwendig ist, damit die Oberfläche des Eingabeelementes 1 unverändert bleibt.
Im Schritt 102 wird diejenige Gegenkraft bestimmt, die
benötigt
wird, um dem von den Fingern 10 der Benutzerhand ausgeübten Druck
entgegenzuwirken, und dann mit dem in Schritt 101 erhaltenen Grenzwert
verglichen (Schritt 103). Sobald dieser Grenzwert durch
den von den Fingern 10 der Benutzerhand aufgebrachten Druck überschritten
wird, berechnet die Steuerungseinheit – entsprechend der Richtung
mit der die Kraft des Benutzers aufgebracht wird – eine neue
Form für
das Eingabeelement 1, welche geringfügig kleiner ist als die vorhergehende. Im
nächsten
Schritt 104 wird überprüft, ob eine
endgültige
Form erreicht wurde, das heißt,
ob die neuberechnete Form des Eingabeelementes 1 einer
der vorbestimmten Formen, welche den steuerbaren Parametern zugeordnet
ist, ähnlich
sieht. Wenn ja, dann wird das Eingabeelement in die endgültige Form
verwandelt, wobei der aktuelle Wert des neu anzusteuernden Parameters
berücksichtigt
wird, und der Algorithmus neu gestartet wird. Wenn allerdings keine endgültige Form
erreicht wurde, dann wird das Eingabeelement verkleinert und in
Schritt 101 werden neue Werte für die Gegenkräfte berechnet.
Dieser Ablauf wiederholt sich bis die endgültige Form der Verwandlung
erreicht worden ist.
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Der
Verkleinerungsfaktor, der zur Berechnung der jeweils neuen Form
des Eingabeelementes 1 herangezogen wird, kann linear sein
in Bezug auf die Zeit, was dazu führt, dass man das Gefühl hat ein weiches
nicht elastisches Material, wie zum Beispiel Polyurethanschaumstoff,
zusammenzudrücken.
Allerdings könnte
der Verkleinerungsfaktor auch so gewählt werden, dass er über den
Zeitverlauf, während dessen
der Benutzer auf die Oberfläche
drückt,
größer wird,
wobei sich der daraus resultierende Effekt damit vergleichen lässt, dass
einem Luftballon die Luft ausgeht, wobei sich die Luftaustrittsöffnung im Ballon
unter dem Druck des Benutzers erweitert. Auf diese Weise ließen sich
unterschiedliche Materialen für
das Eingabeelement 1 simulieren.
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Zu
den Arten von Stellgliedern, welche eingesetzt werden können, um
die oben genannten Effekte zu erzeugen, zählen unter anderem Gleichstrommotoren,
Ultraschallmotoren, Solenoidaktoren (Tauchspulen), "shape memory alloys" (Formgedächtnislegierungen),
mit MR Flüssigkeiten
gefüllte Zellen,
und ähnliches.
Die beanspruchte Erfindung beschreibt keine neuartigen Technologien
für Stellgeber,
sondern eine Methode derartige Stellgeber zusammen mit Sensoren
und entsprechender Steuerungssoftware zu kombinieren, um die Formveränderungseffekte,
welche beansprucht werden, zu erreichen, um die Benutzerschnittstelle
unterschiedlicher Systeme zu verbessern.
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Die
Anzahl und Anordnung der Stellglieder, die erforderlich ist, um
einen zufriedenstellenden haptischen Eindruck von der Formveränderung
zu vermitteln, hängt
vom spezifischen Gerät
ab und der Anzahl der unterschiedlichen Formen, welche dieses Gerät annehmen
soll. Mit der allgemeinsten Form könnte eine beinahe unbegrenzte
Anzahl von verschiedenen Formen erzeugt und vom Benutzer gefühlt werden. 5 zeigt
eine Lösung
für die
Ausführungsform
eines Drehreglers, bei dem eine Vielzahl von Gleichstrommotoren
als Stellgeber radial um die Rotationsachse 21 des Drehreglers 1 angeordnet
ist. Die Länge
eines jeden Stellgebers 20 bestimmt die Position eines
dazugehörigen
Oberflächenpunktes 20a und
die umschließende
Gestalt der Oberflächenhaut 22.
Die Gesamtheit der Stellgeber 20 bestimmt die Form des
Eingabeelementes 1 als Ganzes.
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6 zeigt
eine allgemeinere Ausführungsform
für ein
nicht fest verbundenes, formveränderliches
Eingabeelement 30 für
eine Benutzerschnittstelle, welches ähnlich wie eine Computermaus über eine
ebene Oberfläche
bewegt werden könnte.
In diesem Fall ist eine Vielzahl von Stellgebern (symbolisch dargestellt
durch Kraftvektoren 31) eingehüllt von einer Oberflächenhaut 32.
Durch das Verändern der
Endposition eines jeden Stellgebers 31 kann die Oberflächenhaut 32 eine
Vielzahl unterschiedlicher Formen annehmen.
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfassen kleine zugehörige Geräte (gadgets) mit integrierten
Anzeigen, welche in Verbindung mit anderen Benutzerschnittstellengeräten benutzt
werden, wie zum Beispiel elektronischen Wandtafeln. Der Aspekt der
Formveränderung
eines solchen Gerätes
wäre vergleichbar
mit dem unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschriebenen Drehregler
zur Radiobedienung, insofern, als es eine Modus-Änderung anzeigt, und damit
die Interpretation der zu verändernden
Werte. Im Ge gensatz zu einem Drehregler für das Radio, von welchen man
annehmen kann, dass er fest am Armaturenbrett angebracht ist, könnte allerdings
solch ein kleines zugehöriges
Gerät (gadget)
auf der Oberfläche
einer Wandtafel bewegt werden. Daher könnte die Übermittlung von Veränderungen
in Parameterwerten an die darunter liegende Wandtafel über zwei
unterschiedliche Wege erreicht werden. Entweder durch Bewegen des kleinen
zugehörigen
Gerätes
(gadgets) auf der Oberfläche
der Wandtafel, oder dadurch, dass es ermöglicht wird, dass die Bodenplatte
dieses kleinen zugehörigen
Geräts
(gadgets) an der Oberfläche
der Wandtafel haften bleibt und sich der obere Teil dieses kleinen
zugehörigen
Geräts
(gadgets) in Bezug auf diese Bodenplatte rotieren lässt.
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7 zeigt
schließlich
ein einfaches Blockdiagramm eines solchen formveränderlichen
haptischen Gerätes
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Die in den Stellgebereinheiten 20 zusätzlich zu
den Positionsmessgebern enthaltenen Sensoren kann man als optional
betrachten, da die für
das Steuerungsprogramm erforderlichen Parameterwerte – das heißt die Position
und die Reaktionskraft – aus
den Positionsmesswerten berechnet werden können. Es muss erwähnt werden,
dass die Stellgeber 20 und die Sensoren nicht in demselben physikalischen
Gerät wie
die Steuerungselektronik 40 enthalten sein müssen. Insbesondere
das Computerprogramm, welches die beschriebenen verschiedenen haptischen
Effekte implementiert, könnte in
einem Computer oder Mikrokontroller laufen, der entweder innerhalb
des Gerätes
eingebaut ist, oder auf einem Host Computer (41) laufen,
der mit dem Gerät
durch Verbindungen wie etwa USB oder andere bekannte Schnittstellentechnologien
verbunden ist.
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Während des
Betriebs ist die Steuerungseinheit 40 nicht nur für das Koordinieren
der Funktion der Stellgeber 20 verantwortlich, und damit
das Erzeugen der gewünschten
Form des Eingabeelementes, sondern erzeugt und überträgt auch die Steuerungsinformation,
die schlussendlich dazu benutzt wird, das Gerät 50 anzusteuern.
Die von dem Eingabeelement empfangenen und durch eine Betätigung des
Eingabeelements erzeugten Eingabesignale werden von der Steuerungseinheit 40 an
das Gerät 50 als
Steuerungsinformation weitergeleitet, welche zusätzlich die aktuelle Form bzw.
den aktuellen Modus des Eingabeelementes berücksichtigt. In der bezugnehmend
auf die 1 bis 5 diskutierten Ausführungsform
würde das
Drehen des Drehreglers 1 immer zu ähnlichen Eingabesignalen führen, welche
unabhängig
vom aktuellen Modus des Eingabegerätes wären. Die Steuerungseinheit 40 „kennt" allerdings den aktuellen
Modus und setzt die Eingabesignale in eine entsprechende Steuerungsinformation
um, mit der derjenige Betriebsparameter des Geräts 50 verändert oder
beeinflusst wird, der diesem aktuellen Modus zugeordnet ist.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt es daher, eine Vielzahl von verschiedenen
Funktionen und Betriebsparametern eines Gerätes auf sehr bequeme Weise
zu bedienen. Vor allem kann der Benutzer dieses einzelne Eingabeelement
benutzen und betätigen
ohne das Eingabeelement oder eine zusätzliche Anzeige betrachten
zu müssen.
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Die
vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Bereichen der Benutzerschnittstellentechnologien
angewandt werden. Insbesondere dort, wo wenig Platz zur Verfügung steht,
gewinnt der Aspekt der Formveränderung
an Bedeutung. Darüber
hinaus ist die vorliegende Erfindung besonders für diejenige Anwendung geeignet,
bei denen der Benutzer seine Handlungen nicht immer durch einen
Blick auf den Bildschirm überprüfen kann,
da der Benutzer die auszuführende
Funktion auf Grund der charakteristischen Form des Gerätes „begrei fen" kann. Diese Aspekte
sind vor allem bei Anwendungen im Fahrzeuginnenraum und bei mobilen
Geräten
von Bedeutung.
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Die
vorliegende Erfindung verspricht auch nützlich zu sein als zusätzliche
Modalität,
um Zustandsänderung
mit der Zeit in Inhalten, die vom Benutzer bearbeitet werden, wie
zum Beispiel Video zu kommunizieren. Sowohl der Aspekt der Formveränderung
als auch die Simulation von Materialeigenschaften kann dazu benutzt
werden, dem Benutzer die den Inhalten zugrundeliegenden Attributwerte
so mitzuteilen, dass dies nicht mit anderen Aktivitäten des
Benutzers in Konflikt gerät.
Insbesondere bei Video sind typischerweise sowohl der visuelle als
auch der akustische Kanal für
die Präsentation
des eigentlichen Inhalts belegt. In den Inhalten eingebettete Metadaten
könnten
der Hand des Benutzers durch Formveränderung und/oder durch Änderung
von Eigenschaften simulierter Materialien angezeigt werden.
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Mögliche Anwendungen
für die
vorliegende Erfindung wären
Anwendungen im Fahrzeuginnenraum, wie zum Beispiel die Bedienung
von Sekundärfunktionen
des Fahrzeugs, die nicht unmittelbar mit dem Fahren zu tun haben,
Geräte
der Unterhaltungselektronik, Videoschnittmaschinen, universelle
Fernbedienungen, tragbare Geräte
wie zum Beispiel PDAs, Mobiltelefone und Videospielkonsolen, Videospielbedieneinheiten,
kleine Bedieneinheiten (gadgets) für die Interaktion mit elektronischen
Wandtafeln, Mehrzweckcomputerperipheriegeräte bzw. Mehrzweckcomputerein-
und ausgabegeräte,
oder allgemeine Haushaltsgeräte.
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Schließlich muss
noch erwähnt
werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen auch ohne eine
Computersteuerungskomponente realisiert werden könnten. In diesem Fall könnte die Eigenschaft
der Formveränderung
durch eine Kombination aus mechanischen Bauteilen realisiert werden,
wie zum Beispiel Federn, Hebeln, Schaltern, und so weiter. Auch
wenn die Flexibilität
einer solchen Ausführungsform
im Vergleich zu einer Lösung mit
Computersteuerung geringer wäre,
so könnten doch
die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung auch auf diese Weise
realisiert werden.
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Zusammenfassung
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Ein
haptisches Eingabegerät
zur Erzeugung von Steuerungsinformation, um damit ein Gerät (50) anzusteuern,
welches mit dem Eingabegerät
verbunden werden kann, umfasst ein Eingabeelement (1), welches
mindestens zwei unterschiedliche vorbestimmte Formen für mindestens
zwei Modi annehmen kann, wobei das Eingabeelement (1) in
jedem Modus betätigbar
ist, um ein Eingabesignal zu erzeugen, und eine Steuerungseinheit
(40) zur Erzeugung von Steuerungsinformation für das anzusteuernde Gerät (50),
wobei diese Steuerungsinformation auf dem vom Eingabeelement (1)
erhaltenen Eingabesignal basiert und ferner von dem aktuellen Modus
des Eingabeelementes (1) abhängt.