DE4140780C2 - Eingabevorrichtung für Bildschirmgeräte mit taktilem Feedback - Google Patents
Eingabevorrichtung für Bildschirmgeräte mit taktilem FeedbackInfo
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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).
Die Ausführung der Erfindung ist im folgenden anhand eini
ger Beispiele für gängige Anwendungen erläutert:
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.
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.
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 (6)
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.
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