DE112004001937T5 - Haptisches Eingabegerät zur Erzeugung von Steuerungsinformation - Google Patents

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Georg Michelitsch
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Abstract

Ein haptisches Eingabegerät zum Erzeugen von Steuerungsinformation, um ein mit dem Eingabegerät verbindbares Gerät (50) anzusteuern, wobei dieses Eingabegerät folgende Teile umfasst:
– ein Eingabeelement (1), das mindestens zwei unterschiedliche vorbestimmte Formen für mindestens zwei Modi annehmen kann, wobei das Eingabeelement (1) in jedem Modus betätigt werden kann, um ein Eingabesignal zu erzeugen, und
– eine Steuerungseinheit (40) zur Erzeugung von Steuerungsinformation für das anzusteuernde Gerät (50), wobei die Steuerungsinformation auf dem vom Eingabeelement (1) erhaltenen Eingabesignal basiert und ferner von dem aktuellen Modus des Eingabeelementes (1) abhängt.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden wird die vorliegende Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform, wie in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, näher beschrieben, wobei:
  • 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;
  • 2 ein erstes Beispiel für eine durch eine Handhabung des Benutzers ausgelöste Verformung des Eingabeelementes zeigt;
  • 3 eine zweite Ausführungsform für eine Verformung des Eingabeelementes zeigt;
  • 4 ein Flussdiagramm für den Algorithmus für eine Formveränderung des Eingabeelementes zeigt;
  • 5 eine Frontalansicht von einer schematisch dargestellten Bauteilegruppe für einen haptischen Drehregler zeigt;
  • 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;
  • 7 ein Blockdiagram für eine bevorzugte Ausführungsform eines haptischen Eingabegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • 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.

Claims (16)

  1. Ein haptisches Eingabegerät zum Erzeugen von Steuerungsinformation, um ein mit dem Eingabegerät verbindbares Gerät (50) anzusteuern, wobei dieses Eingabegerät folgende Teile umfasst: – ein Eingabeelement (1), das mindestens zwei unterschiedliche vorbestimmte Formen für mindestens zwei Modi annehmen kann, wobei das Eingabeelement (1) in jedem Modus betätigt werden kann, um ein Eingabesignal zu erzeugen, und – eine Steuerungseinheit (40) zur Erzeugung von Steuerungsinformation für das anzusteuernde Gerät (50), wobei die Steuerungsinformation auf dem vom Eingabeelement (1) erhaltenen Eingabesignal basiert und ferner von dem aktuellen Modus des Eingabeelementes (1) abhängt.
  2. Ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 1, worin das Eingabeelement (1) in jeder vorbestimmten Form zusätzlich gehandhabt werden kann, um einen Übergang des Eingabeelementes (1) in eine neue Form auszulösen.
  3. Ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 2, worin die neue Form gemäß der Handhabung des Eingabeelementes (1) ausgewählt wird.
  4. Ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 2 oder 3, worin das Eingabeelement (1) zusammengedrückt werden muss, um einen Übergang zu einer neuen Form auszulösen.
  5. Ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 4, worin das Eingabeelement (1) mindestens eine Stellgebereinheit umfasst, welche einen Stellgeber (20) enthält, um einen veränderbaren Oberflächenpunkt (20a) des Eingabeelementes (1) festzulegen, und welche ferner Vorrichtungen zum Erfassen einer externen Kraft enthält, die auf die Oberfläche (22) des Eingabeelementes (1) wirkt.
  6. Ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 5, worin diese Vorrichtungen zum Erfassen einer externen Kraft einen Positionsmessgeber enthalten.
  7. Ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 5 oder 6, worin diese Vorrichtungen zum Erfassen von externen Kräften einen Druckmessgeber enthalten.
  8. Ein haptisches Eingabegerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, worin diese Vorrichtungen zum Erfassen einer externen Kraft einen Beschleunigungsmessgeber enthalten.
  9. Ein haptisches Eingabegerät nach einem der Ansprüche 5 bis 8, worin das Eingabeelement (1) eine Vielzahl solcher Stellgebereinheiten umfasst.
  10. Ein haptisches Eingabegerät nach einem der Ansprüche 5 bis 9, worin die Steuerungseinheit (40) die Funktionsweise der Stellgebereinheit bzw. Stellgebereinheiten bestimmt.
  11. Ein haptisches Eingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin dieses Eingabeelement (1) – in mindestens einem der Modi – während einer Betätigung zum Zwecke der Erzeugung eines Eingabesignals, eine Rückkopplungskraft (2, 3) ausübt.
  12. Ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 11, worin die vom Eingabeelement (1) gelieferte Rückkopplungskraft einen neutralen Wert bzw. eine Nullposition (3) für einen Betriebsparameter des anzusteuernden Gerätes (50) anzeigt.
  13. Ein haptisches Eingabegerät nach Anspruch 11, worin die vom Eingabeelement (1) gelieferte Rückkopplungskraft eine Vielzahl von wählbaren Werten (2) für einen Betriebsparameter des anzusteuernden Gerätes (50) anzeigt.
  14. Ein haptisches Eingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin dieses Eingabeelement ein Drehregler (1) ist.
  15. Ein haptisches Eingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin dieses Eingabeelement ein Computermausähnliches Eingabeelement (30) ist, welches auf einer flachen Oberfläche bewegt werden kann.
  16. Verfahren zum Erzeugen von Steuerungsinformation zur Steuerung von mindestens zwei Betriebsparametern eines Gerätes (50) durch ein haptisches Eingabegerät mit einem Eingabeelement (1), wobei dieses Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Handhaben dieses Eingabeelementes (1) damit das Eingabeelement (1) eine der mindestens zwei vorbestimmten Formen annimmt, wobei jede Form einem spezifischen Betriebsparameter des anzusteuernden Gerätes (50) zugeordnet ist, und (b) Betätigen des Eingabeelementes (1) zum Erzeugen von Steuerungsinformation, um denjenigen Parameter anzusteuern, welcher der aktuellen Form des Eingabeelementes zugeordnet ist.
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