DE4140780A1 - Eingabevorrichtung mit taktilem feedback - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung eines Gerätes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bedienungseinrichtungen in Form von beweglichen Elementen, bei denen die Eingabeinformation durch eine manuell durchgeführte räumliche Veränderung des gesamten Elementes oder Teilen des Elementes an das zu steuernde System übermittelt wird, werden für vielfältige Arten von Eingaben an elektronischen Geräten verwendet. Die zur Steuerung in der Regel notwendigen Systeminformationen werden bei elektronischen Geräten normalerweise über visuelle Anzeigevorrichtungen ausgegeben.

Der Bediener nimmt also seine Information vom technischen System über visuelle Wahrnehmungskanäle auf und übergibt die Steuerungsinformation mechanisch mit Hilfe einer Bewegung oder Krafterzeugung an das System. Die vom System aufgenommene bzw. verarbeitete Information wird wiederum visuell dargestellt. Die Informationsübertragung ist also durch unterschiedliche Sinneskanäle vom System zum Bediener und umgekehrt gekennzeichnet, was entsprechend umfangreiche Informationsverarbeitungsleistungen (und -zeiten) beim Bediener erfordert.

Wird mit dem Eingabeelement eine definierte und vom Systemzustand unabhängige Funktion ausgeführt, so kann eine Rückmeldungsinformation näherungsweise durch einen variablen Bewegungswiderstand oder eine von der Bewegung abhängige Gegenkraft erfolgen (z. B. Tasten und Knöpfe mit festen oder variablen Rastpunkten). Bei Eingabegeräten, deren Funktion vom Systemzustand abhängig ist (dies ist z. B. bei fast allen Arten von Computereingabegeräten der Fall), ändert sich die Art der Eingabeinformation, daher muß die Ausgabeinformation hiervon unabhängig sein. In der Regel ist auch zur Übertragung der Systeminformationen an den Bediener eine derart hohe Informationsmenge notwendig, die nicht über das Bedienungselement alleine übertragen werden kann, so daß in der praktischen Realisierung meist visuelle Informationsausgaben verwendet werden.

Für die konkrete Bedienung muß zwar die große Menge der Gesamtinformation dargeboten werden, zur Bedienungseingabe selbst ist jedoch meist nur ein relativ kleiner Teil dieser Information von hoher Relevanz (z. B. beim Bewegen eines Mauscursors zum Auffinden einer bestimmten Position innerhalb eines Bildschirmmenüs). Dieser Teil sollte im Interesse einer beanspruchungsminimalen Bedienung mit hoher Geschwindigkeit direkt, d. h. mit möglichst geringem Umkodie­ rungsaufwand, an die Verarbeitungszentren im Menschen übermittelt werden. Desweiteren ist bekannt, daß bei hoher Informationsdichte Informationen bei redundanter Ausgabe präziser verarbeitet werden können, insbesondere wenn sie in unterschiedlicher Sinnesmodalität ausgegeben werden.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß das Bedienungselement mit­ tels einer taktilen Übertragung der Informationsanteile hoher Rele­ vanz (vom System zum Bediener) direkt auf das Bedienungselement und parallel zur konventionellen (i. allg. visuellen) Informationsdar­ bietung die Kommunikation zwischen System und Bedienungsperson erheblich verbessert, ohne den Bedienungsvorgang selbst zu manipu­ lieren oder den Gesamtüberblick über verfügbare Informationen einzu­ schränken (Fig. 2).

Realisierungsbeispiele

Die Ausführung der Erfindung ist im folgenden anhand einiger Beispiele für gängige Anwendungen erläutert:

a) Eingabemaus bei computergestützten Eingabetätigkeiten

Bei Eingabetätigkeiten beispielsweise an Textverarbeitungs- oder CAD-Systemen erfolgt die Eingabe einer Position oder einer Ausfüh­ rungsanweisung meist durch die Bewegung einer sog. Computermaus. Die aktuelle Position der Maus wird auf dem Bildschirm optisch darge­ stellt. Bei einer konventionellen Computermaus muß jede Mausbewegung vom Menschen optisch wahrgenommen, kontrolliert und in eine entspre­ chende mechanische Betätigung umgesetzt werden. Dementsprechend ist ein relativ umfangreicher Informationsverarbeitungsprozeß im Menschen notwendig, der ein ausreichendes "Einüben" bedingt, da die Maus an sich keinerlei "Gefühl" vermittelt.

Die Realisierung der Erfindung besteht in einer Computermaus, die neben der üblichen Funktion dem Menschen über die von ihm berührten Teile der Maus (d. h. die Betätigungsknöpfe und ggf. dessen näheres Umfeld und/oder die Griff- bzw. Führungsfläche) mittels einer Matrix von senkrecht zur Berührungsfläche beweglichen Elementen das Profil des Bildschirminhaltes im Bereich der Mausposition taktil wahrnehm­ bar abbildet (Fig. 1). Hierzu sind kleine elektromechanische Wandler (Hubmagnete, Tauchspulsysteme oder Piezo-Elemente) innerhalb der Betätigungsknöpfe angeordnet, deren Bewegungen über kleine Stößel auf die berührte Oberfläche übertragen werden. Die Aktivierung der Wandler vom Steuerrechner führt zu einer Bewegung der Stößel relativ zur Oberfläche, ohne die Eingabefunktion dadurch zu beeinträchtigen. Dies ermöglicht eine redundante Wahrnehmung der für die Eingabe not­ wendigen Informationen über eine optische und eine taktile Ebene und erlaubt so eine wesentlich beschleunigte Positionierung (Fig. 3). Je nach Aufgabenstellung kann die Zahl der Matrixelemente von einem einzigen Element (für eine relativ grobe Abbildung bei sehr schnel­ ler Informationsverarbeitung) bis zu einer detaillierten Abbildung des Bildinhaltes variieren (genaue Abbildung bei verminderter Geschwindigkeit). Der Abbildungsmaßstab sollte dem Eingabemaßstab entsprechen, d. h. der wahrgenommene Abstand zu einem gegebenen Ele­ ment sollte der tatsächlich notwendigen Bewegung zum Erreichen des Elementes entsprechen.

b) Positionierhilfe für grafisch-visuelle Eingabegeräte

Zum Auffinden bestimmter Mauspositionen (z. B. einer Linie auf dem Bildschirm) kann die alleinige Übertragung des Oberflächenprofiles (wie in Beispiel a)) noch nicht zum sicheren Auffinden der gewünschten Position führen. Hierzu werden zwei (oder mehr) Aktuatoren nach dem vorgeschilderten Prinzip an der linken und rechten Seite des Eingabegerätes angeordnet, die beim Erreichen eines bestimmten Ereignisses bzw. Elementes den Eindruck des "Einrastens" vermitteln (Fig. 4). Eine solche Informationsübertragungsanordnung hat gegenüber einer ebenso denkbaren steuerbaren Bremsvorrichtung zur Manipulation des Bewegungswiderstandes (vgl. Patente DE 38 28 416 A1 und JP 62-75 830) den Vorteil, unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit zu wirken und demzufolge einen statischen und quasi-statischen Betrieb zu ermöglichen.

c) Informationsrückkopplungseinrichtung bei Tastatureingabegeräten

Die im Beispiel a) gezeigte Anordnung wird in einer oder mehreren Tasten einer Tastatur angebracht. Im zentralen Bereich der Taste befindet sich ein kleiner Stößel, der, von einem elektromagnetischen Wandler angetrieben, eine Relativbewegung des Stößels zur Tasten­ oberfläche bewirkt. Dies ermöglicht eine Informationsrückkoppelung der ausgeführten Funktion direkt auf das Betätigungselement (Fig. 5): Wird beim dauerhaften Drücken einer Taste eine Mehrfacheingabe durch eine entsprechende Auslegung der Eingabevorrichtung ausgeführt (z. B. "xxxxxx"), so führt die Ausführung jedes Zeichens zu einer Auslösung des Wandlers und signalisiert so dem Bediener die erfolgte Eingabe. Diese Vorrichtung ist insbesondere bei Eingabevorrichtungen mit variablen Ausführungsgeschwindigkeiten (z. B. bei Richtungstasten mit exponentieller Geschwindigkeitscharakteristik oder Rechenpro­ grammen mit unterschiedlicher Ausführungsgeschwindigkeit) von Vor­ teil.

d) Kodierte Informationsübertragung bei Eingabegeräten

Je nach Aufgabenstellung und Einübung ist der Mensch in der Lage, auf taktilem Wege eine Informationsmenge von insgesamt 20-60 bit/s parallel zur optischen Wahrnehmung zu verarbeiten. Die den in Bei­ spielen a) und b) gezeigte Anordnung erzeugt, durch entsprechend veränderte Steuersignalerzeugung für die Wandler, kodierte Informa­ tionen in Form von Vibrationen unterschiedlicher Frequenz und Inten­ sität, die dadurch Zusatzinformationen übertragen (Fig. 6).

Fig. 1 Prinzip einer Eingabevorrichtung mit taktilem Feedback,

Fig. 2 Schema der Informationsverarbeitung in einem Mensch­ Maschine-System mit Einfluß der Einrichtung des taktilen Feedbacks,

Fig. 3 Eingabevorrichtung mit taktilem Feedback an einer Einga­ bemaus für computergestützte Eingabetätigkeiten,

Fig. 4 Eingabevorrichtung mit taktilem Feedback als Positionier­ hilfe an einer Eingabemaus für computergestützte Eingabe­ tätigkeiten,

Fig. 5 Eingabevorrichtung mit taktilem Feedback bei Tastaturein­ gabe,

Fig. 6 Kodierung der Reizsignale zur Parallelübertragung mittels taktilem Feedback.

Claims (5)

1. Einrichtung zur manuellen Steuerung eines Gerätes durch räumliche Bewegung eines Bedienungselementes, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedienungselement mit Ausgabevorrichtungen ausgestattet ist, die eine zusätzliche Informationsausgabe vom System (parallel zur direkten Informationsausgabe) in Form von taktil wahrnehmbaren Positionsveränderungen (Veränderungen in der Oberflächenstruktur der Haut, Oberflächensensibilität) von Teilen des Bedienungselementes relativ zu demselben, unabhängig von der Bedienungseingabe selbst, an die Bedienungsperson bewirken (Fig. 1).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Geräten mit visueller Informationsausgabe (z. B. Bildschirmgeräte) das Bedienungselement Informationen, die durch visuell wahrzunehmende Merkmale gekennzeichnet sind, simultan in Form eines am Bedienungselement taktil wahrnehmbaren analogen oder quantifizierten Oberflächenmusters bzw. Oberflächenprofiles darbietet, ohne dessen Eingabefunktion dadurch unmittelbar zu verändern.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Geräten mit visueller Informationsausgabe und Bedienungseingaben durch räumliche Zuordnung der abgebildeten Bedienungselementposition oder -bewegung zur Bildinformation (Bsp.: Computermaus) das Bedienungselement die Bildinformation an der eingestellten Position und/oder das nähere Umfeld derselben taktil wahrnehmbar abbildet, ohne dessen Eingabefunktion dadurch zu verändern.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedienungselement taktil wahrnehmbare Informationen richtungsgleich zur Eingabebewegung ausgibt, so daß beim Bediener der Eindruckk einer mechanischen Krafteinwirkung ausgehend vom Bedienungselement (vergleichbar mit dem einer mechanischen Bremse oder Beschleunigung) entsteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedienungselement Systeminformationen zusätzlich in codierter Form (durch vereinbarte, erlernbare taktile Reize, z. B. Vibrationen) übermittelt.