DE4140780C2

DE4140780C2 - Eingabevorrichtung für Bildschirmgeräte mit taktilem Feedback

Info

Publication number: DE4140780C2
Application number: DE19914140780
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl Ing Goebel; Matthias Dipl Ing Roetting; Johannes Dipl Ing Springer
Original assignee: Individual
Current assignee: GOEBEL, MATTHIAS, DIPL.-ING., 52072 AACHEN, DE
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2011-12-07
Also published as: DE4140780A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Eingabevorrichtung für Bildschirmgeräte nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Eingabevorrichtungen an elektronischen Geräten kann unterschieden werden zwischen diskret arbeitenden Eingabe vorrichtungen (mit festen Zuständen, z. B. Tasten) und kontinuierlich arbeitenden Eingabevorrichtungen (z. B. Steuerhebel zur Einstellung von Zustandsgrößen). Häufig wird auch eine Kombination beider Eingabeformen verwendet (z. B. bewegliche Computermaus mit Betätigungsknöpfen). Die folgenden Betrachtungen beschränken sich auf kontinuier liche Eingabeformen, d. h. die Steuerung der Bewegung des Eingabeelementes, unabhängig von der Kombination zu optio nalen diskreten Eingabeelementen. Eine Bedienung von solchen, kontinuierlich arbeitenden, Eingabevorrichtungen ist auf sinnvollem Wege nur möglich, wenn der Bediener den Zusammenhang zwischen der Betätigung und der damit verbun denen Konsequenz erkennen kann. Bei der Ausstattung eines solchen Gerätes mit einem Mikroprozessor oder anderweiti ger Logiken besteht nun die Möglichkeit, einem Eingabe element flexible Funktionen zuzuordnen. Damit entfällt allerdings in der Regel die Möglichkeit der direkten Kontrolle mit Hilfe der Eingabeelementstellung.

Daher werden die zur Steuerung notwendigen Systeminforma tionen hierbei normalerweise über visuelle Anzeigevor richtungen (Bildschirm) ausgegeben. Insbesondere bei frei beweglichen Eingabevorrichtungen (z. B. einer Computermaus) stellt dies praktisch die einzige Kontrollmöglichkeit dar.

Zur Ergänzung bzw. zum Ersatz der visuellen Informations ausgabe für blinde bzw. schwersichtige Personen wurden Ausgabeeinrichtungen geschaffen, die über eine separat von der eigentlichen Eingabetätigkeit gesteuerte Eingabevor richtung die Ausgabe spezifischer Bildinhalte in anderer Modalität ermöglichen (siehe z. B. DE 32 33 115 A1). Da diese Art der Bildschirmausgabe die zusätzliche Betätigung eines weiteren Eingabeelementes erfordert, erweist sie sich nur für stark sehbehinderte Menschen als praktikabel.

Die überwiegende oder rein visuelle Orientierung ist mit Nachteilen bezüglich der Bedienbarkeit verbunden:

- Die Gesamtheit der Sinnesqualitäten des Menschen wird nur unzureichend genutzt.
- Das visuelle System des Menschen ist meist durch ander weitige optische Informationen bereits belastet.
- Die visuelle Reaktionszeit ist vergleichsweise lang, folglich werden die Leistungspotentiale des Menschen bezüglich seiner Bewegungssteuerung nicht optimal genutzt.

Zur Bestätigung der Kommandoeingabe (z. B. Schaltfunktion bei einer Computermaus) bzw. des Auffindens eines spezifi schen Objektes werden neben der visuellen Anzeige auch direkte Rückkopplungseinrichtungen mit einer Informations ausgabe über Vibrationen oder Kräfte am Schaltelement selbst eingesetzt (siehe z. B. EP 0 265 011 A1 oder WO 91/04 526 A1). Ebenso kann hierzu eine Kraftausübung auf die gesamte Eingabevorrichtung dienen, z. B. durch gesteuertes Abbremsen der Bewegung der Computermaus, sofern die hierzu notwendigen Gegenkräfte auf der Bewe gungsfläche aufgebracht werden können (vgl. US 48 68 549).

Diese zusätzlichen Bestätigungsinformationen können zu einer Verbesserung des Reaktionsverhaltens beitragen, sie werden jedoch erst wirksam, wenn die entsprechende Posi tion bereits aufgefunden wurde, und unterstützten damit die Reaktion, aber nicht die Aktion selbst.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, die Steuerbarkeit von kontinuierlich arbeitenden Eingabe vorrichtungen für Bildschirmgeräte, d. h. das zielgerich tete Ansteuern bzw. Auffinden von Objekten, zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine Eingabevorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Somit ist eine zusätzliche Rückmeldungs einheit vorgesehen, mit der entsprechende Hilfsinformationen zur Durchführung der Eingabebewegung auf taktilem Wege an den Bediener übermittelt werden. Hierbei werden an vom Bedie ner berührten Flächen des Eingabeelementes mehrere extern aktivierte Geber angebracht, die je einen kleinen Stößel oder eine größere Fläche translatorisch ungefähr senkrecht zur Berührungsfläche und relativ zum übrigen Eingabe element bewegen können (Fig. 1). Bei der Bewegung des Ein gabeelementes wird dessen Veränderung weiterhin visuell dargestellt, jedoch zusätzlich der Bildschirminhalt im Bereich der Eingabeelementposition über die taktilen Geber fühlbar abgebildet, und zwar in der Weise, daß die räum liche Verschiebung der taktilen Signale mit der Bewegung des Eingabelementes selbst korrespondiert (s. a. Fig. 3). Die Funktion der Erfindung basiert darauf, daß visuelle und taktile Informationen überwiegend redundant und kon sistent sind.

Die taktilen Signale können hierbei entweder quasi-stati schen Charakter haben, d. h. die Geberfläche bewegt sich nur bei Veränderung des dazugehörigen Bildschirminhaltes, oder die Signalübermittlung basiert auf in Frequenz und/oder Amplitude veränderlichen Vibrationssignalen. Zur Erzeugung der taktilen Signale können sowohl elektromagne tische bzw. elektrodynamische Wandler als auch piezoelek trisch oder hydraulisch betriebene Systeme verwendet wer den.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß (eine geeignete Wahl des taktilen Signals vorausgesetzt) der Bediener nicht auf die rein visuelle Kontrolle seiner Eingabebe wegungen angewiesen ist, sondern den für die Bewegung des Eingabelementes relevanten Bereich des Bildschirminhaltes zusätzlich, korrespondierend zu seinen eigenen Bewegungen, ertasten und ggf. dadurch bereits erkennen kann. Die Informationsübertragung an der Stelle, an der die Bewegung selbst vorgenommen wird, ermöglicht dem Bediener die Nutzung seiner natürlichen Reflexe und trägt somit zu einer verbesserten Handhabbarkeit bei (Fig. 2).

Eine Erweiterung der Erfindung besteht darin, die taktilen Signale bereits bei der Annäherung an Objekte stetig zu aktivieren und damit die Reaktionsmöglichkeiten des Bedieners weiter zu steigern (s. a. Fig. 4).

Werden die taktilen Signale nicht nur in Abhängigkeit des zur Bewegung korrespondierenden Bildschirminhaltes vari iert, sondern zusätzlich zur Bedeutung der Objekte kodiert, können damit weitergehende Informationen übertra gen werden (z. B. aktuelle Schwellwerte bei einer Reg lereinstellung).

Realisierungsbeispiele

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

a) Erweiterung einer Computer-Maus

Bei Eingabetätigkeiten beispielsweise an Textverarbei tungs- oder CAD-Systemen erfolgt die Eingabe einer Posi tion oder einer Ausführungsanweisung meist durch die Bewe gung einer sog. Computermaus. Die aktuelle Position der Maus wird auf dem Bildschirm optisch dargestellt. Bei einer konventionellen Computermaus muß jede Mausbewegung vom Menschen optisch wahrgenommen, kontrolliert und in eine entsprechende mechanische Betätigung umgesetzt wer den. Dementsprechend ist ein relativ umfangreicher Infor mationsverarbeitungsprozeß im Menschen notwendig, der ein ausreichendes "Einüben" bedingt, da die Maus an sich kei nerlei "Gefühl" vermittelt.

Die Realisierung der Erfindung besteht in einer Erwei terung der Computermaus, die neben der üblichen Funktion dem Menschen über die von ihm berührten Teile der Maus (d. h. die Betätigungsknöpfe bzw. deren näheres Umfeld und/oder die Griff- bzw. Führungsfläche) mittels einer Matrix von senkrecht zur Berührungsfläche beweglichen Ele menten das Profil des Bildschirminhaltes im Bereich der Mausposition taktil wahrnehmbar abbildet (Fig. 1). Hierzu sind kleine elektromechanische Wandler (Hubmagnete, Tauchspulsysteme oder Piezo-Elemente) innerhalb der Be tätigungsknöpfe 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 eine evtl. Schaltfunktion dadurch zu beeinflussen. Dies ermög licht eine redundante Wahrnehmung der für die Bewegung notwendigen Informationen über eine optische und eine taktile Ebene und erlaubt so eine wesentlich beschleunigte Positionierung (Fig. 2 und 3). Je nach Zielsetzung kann die Zahl der Matrixelemente so weit erhöht werden, daß eine Erkennung von Objekteigenschaften bzw. des Objektes selbst bereits über die taktilen Elemente möglich ist. Der Abbil dungsmaßstab sollte dem Eingabemaßstab entsprechen, d. h. der wahrgenommene Abstand zu einem abgebildeten Objekt sollte der tatsächlich notwendigen Bewegung zum Erreichen des Elementes entsprechen.

b) Positionierhilfe für grafisch-visuelle Eingabevor richtungen

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 einer gewünschten Position führen. Hierzu werden zwei (oder mehr) Aktuatoren nach dem vorge schilderten Prinzip an der linken und rechten Seite des Eingabeelementes angeordnet, die beim Annähern oder Über fahren eines Bildschirmobjektes den Eindruck des "Ein rastens" vermitteln (Fig. 4). Eine solche Informations übertragungsanordnung hat gegenüber einer ebenso denkbaren steuerbaren Bremsvorrichtung zur Manipulation des Bewe gungswiderstandes den Vorteil, sowohl unabhängig von der Arbeitsfläche als auch unabhängig von Bewegungsgeschwin digkeit zu wirken und demzufolge einen statischen und quasi-statischen Betrieb zu ermöglichen.

c) Kodierte Informationsübertragung bei Eingabevor richtungen

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 in den Beispielen a) und b) gezeigte Anordnung kann folglich dahingehend erweitert werden, daß neben dem Objektprofil durch entsprechend veränderte Steuersignalerzeugung für die Wandler, entsprechend dem Objekt, kodierte Zusatzinformationen übertragen werden. Beim Beispiel der Computermaus kann dies die taktile Signalisation des Überschreitens des Bildschirmbereiches mit dem Mauscursor mittels einer gesonderten Signalform bedeuten (veränderte Frequenz und Amplitude des Geber signals, Fig. 5). Eine andere Möglichkeit besteht darin, beim Annähern oder Überschreiten einer kritischen Ein stellung (die aktuell durch das Eingabeelement vorgenommen wird) ein taktiles "Warnsignal" zu übermitteln.

Fig. 1 Prinzip einer Ausgabevorrichtung für taktiles Feedback;

Fig. 2 Schema der Informationsverarbeitung in einem Mensch-Maschine-System mit Einfluß der Ein richtung des taktilen Feedbacks;

Fig. 3 Ausgabevorrichtung für taktiles Feedback an einer Eingabemaus für computergestützte Eingabetätigkeiten;

Fig. 4 Ausgabevorrichtung für taktiles Feedback als Positionierhilfe an einer Eingabemaus für computergestützte Eingabetätigkeiten;

Fig. 5 Kodierung der Reizsignale zur Parallelüber tragung mittels taktilem Feedback.

Claims

1. Eingabevorrichtung für Bildschirmgeräte, insbesondere Computer-Maus, zur manuellen Eingabe durch kontinuier liche Bewegung eines Eingabeelementes, welches zusätz lich mit einer integrierten taktilen Ausgabevorrichtung ausgestattet ist, die am Eingabelemente ortsfest ange ordnet ist und taktile Signale erzeugt, wobei die Bewe gung des Eingabeelementes auf einem Bildschirm des Bildschirmgerätes dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit den taktilen Signalen ein Bildschirmausschnitt des auf dem Bildschirm angezeigten Bildes als Oberflächen profil fühlbar abgebildet wird, wobei eine Bewegung des Eingabeelementes eine Verschiebung des Bildschirm ausschnittes in Form einer entsprechenden Verschiebung des fühlbaren Oberflächenprofiles zur Folge hat.

2. Eingabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die taktilen Signale zumindest teilweise durch mehrere taktile Abbildungspunkte oder -flächen erzeugt werden.

3. Eingabevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch die Bewegung des Ein gabeelementes bewirkte Annäherung an auf dem Bildschirm dargestellte Objekte durch zusätzliche taktile Signale vermittelt wird.

4. Eingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die taktilen Signale ent weder statischen Charakter besitzen oder aus künstlich generierten Vibrationsreizen bestehen.

5. Eingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die taktilen Signale je nach einem durch die Bewegung des Eingabeelementes bewirkten Maß einer Annäherung an auf dem Bildschirm dargestellte Objekte unterschiedlich ausgeprägt sind.

6. Eingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die taktilen Signale je nach Charakter der auf dem Bildschirm dargestellten Objekte unterschiedlich ausgeprägt sind.