DE4312672A1 - Vorrichtung und Verfahren eines berührungslosen mauskompatiblen PC-Zeigereingabegerätes - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren eines berührungslosen mauskompatiblen PC-Zeigereingabegerätes

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/038—Control and interface arrangements therefor, e.g. drivers or device-embedded control circuitry

Description

Gattung des Anmeldungsgegenstandes
Die Erfindung betrifft ein berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabe­ gerät für Computer, PCs, Laptops, Notebooks und/oder Steuergeräte.
Angaben zur Gattung
Anstelle von Eingabetastaturen oder zusätzlich zu Eingabetastaturen für PCs, Rechner und/oder Steuergeräte werden in modernen Programmen, Präsentationssystemen, Informationssystemen, Steuerungssystemen, Benutzeroberflächen und Betriebssystemen zunehmend Zeigergeräte, insbesondere sogenannte Mäuse zur Eingabe genutzt.
Stand der Technik
Anwendungen mit grafisch orientierten Benutzeroberflächen erfordern geeignete Zeigereingabegeräte wie die Maus, Trackball oder Joystick (vgl. Microsoft Windows Benutzerhandbuch; OS/2 Benutzerhandbuch; Microsoft Corporation: Microsoft Mouse, Handbuch für Programmierer, Microsoft Press 8000 München 40, 1991). Die Bewegung des Coursors auf dem Bildschirm erfolgt dabei durch eine Bewegung der Maus über den Arbeitsplatz. Die Maus ist dabei direkt an die serielle Schnittstelle des PCs angeschlossen. Zur Auswahl eines Eintrags auf der Bedieneroberfläche wird der Coursor über die Bewegung der Maus auf diesen Eintrag bewegt und dann dieser Eintrag über das Klicken einer Maustaste ausgewählt.
Kritik des Standes der Technik
Die beschriebenen PC-Zeigergeräte haben den Nachteil, daß der Bediener das (mechanische) Zeigergerät bewegen muß. So muß z. B. zur Bedienung eines PCs in einem Schaufenster von außen, durch die Scheibe hindurch, außen ein Eingabegerät angebracht sein.
Eine Anwendung herkömmlicher kapazitiver Grenzschalter, die durch das Glas hindurch arbeiten können, erfordern eine spezielle Software. Zudem würde eine zusätzliche Geschwindigkeitssteuerung des Coursors über kapazitive Grenzschalter eine große Anzahl von kapazitiven Grenzschaltern und einen sehr hohen technischen Aufwand erfordern.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät zur Steuerung der Bewegung eines Coursors oder eines Zeigers auf einem Bildschirm zu realisieren, wobei anstelle der Maus oder eines anderen Zeigereingabegerätes ein Körperteil des Bedieners, vorzugsweise dessen Hand oder ein Finger in der Nähe eines Sensorfeldes oder Sensorposters bewegt wird. Hiermit soll ein Rechner z. B. von außen durch eine Schaufensterscheibe hindurch, ohne ein außenliegendes Eingabegerät, mit einfachen Handbewegungen durch die Scheibe hindurch bedient werden.
Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß anstelle des (mechanischen) Zeigergerätes lediglich ein Körperteil des Bedieners, vorzugs­ weise dessen Hand oder ein Finger über ein Sensorfeld oder ein Sensorposter geführt wird.
Es werden Kapazitäten zwischen Sensorflächen und einem Körperteil des Bedieners (vorzugsweise dessen Hand oder Finger) gemessen. Durch Veränderung der Position der Hand wird eine Kapazitätsänderung hervorgerufen, die in ein elektrisches Ausgangssignal (vorzugsweise eine Frequenz) umgewandelt wird. Die elektrische Verbindung zwischen dem Bediener und der Meßelektronik erfolgt über seinen hochohmigen Widerstand und seine Kapazität zur Erde über das Erdpotential. Letztlich wird somit die Kapazität zwischen der entsprechenden Sensorfläche und Erde gemessen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befindet sich auf dem Sensorfeld oder dem Sensorposter mindestens eine Gegenelektrode, oder es wird alternativ bei der Messung einer Sensorfläche (diese wird nachfolgend aktive Sensorfläche genannt) mindestens eine der anderen Sensorflächen als Gegenelektrode genutzt, wobei die Kapazität zwischen der aktiven Sensor­ fläche und der Gegenelektrode gemessen wird. Durch das Annähern eines Körperteils des Bedieners wird das Dielektrikum bzw. die geometrische Form des so aufgebauten Meßkondensators (Basissensors) verändert und wiederum die sich ergebende Kapazitätsänderung ausgewertet.
Die Sensorflächen und Schirmelektroden sind so gestaltet, daß sich ein elektrisches Feld in den Raum hinein zum Bediener hin aufbaut. Über die Schirmelektrode wird die Richtungsselektivität des Basissensors eingestellt.
Durch die Form der Sensorflächen wird über die Auswerteelektronik erreicht, daß die Kapazitätsänderung, und damit auch die Geschwindigkeit der Coursor- oder Zeigerbewegung auf dem Bildschirm, durch die Auslenkung von einem Körperteil, einem Finger oder der Hand über der Sensorfläche und/oder den Abstand der Hand oder eines anderen Körperteils von der Sensorfläche gesteuert werden kann.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung kann mit einem stark verkleinertem Sensorfeld die Bewegung des Fingers oder der Fingerkuppe des Bedieners zur Coursor- oder Zeigersteuerung dienen. Dieses kann als Eingabegerät für eine berührungslose Ansteuerung eines PCs, eines Laptops, Notebooks oder einer Steuerung dienen.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung ist die Anwendung des erfindungs­ gemäßen, berührungslosen Eingabegerätes für Steuerungen z. B. von Maschinen, Handhabungsautomaten, Geräten, Fahrzeugen usw.
Erzielbare Vorteile
Über die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren kann ein Rechner berührungslos, ohne weitere Hilfsmittel durch ein Medium hindurch (z. B. Schaufensterdoppelglas) bedient werden. Der Benutzer braucht seine Hand nur in die Nähe des hinter dem Schaufenster aufgeklebten Sensorposters zu bringen, dann kann er mit einfachen Handbewegungen den PC bzw. das Programm durch die Scheibe hindurch steuern. Damit ist ein optimaler Schutz vor Beschädigung und/oder Verschleiß gewährleistet.
Das Gerät kann mit Standard-Software ohne spezielle Anpassung betrieben werden.
Ein weiterer Vorteil ist das vorteilhafte Kosten-Nutzenverhältnis der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung und des Verfahrens. Das erfindungsgemäße berührungslose mauskompatible Zeigereingabegerät kann preiswerter als bisher verwendete Geräte, z. B. als Touch-Screens, realisiert und eingesetzt werden.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Sensorposter. Hinter den einzelnen Pictogrammen (1) sind die Sensorflächen (2) auf einer Platine angeordnet. Die Platine enthält auf ihrer Rückseite die notwendigen Elektronik­ schaltungen (3) und (4). Zur direkten Anzeige der Funktion auf dem Sensor­ poster sind Leuchtdioden hinter bzw. in den einzelnen Pictogrammen (1) angeordnet, die das Auslösen der entsprechenden Funktion anzeigen. Das Sensorposter kann z. B. in bzw. hinter eine Schaufensterscheibe (5) geklebt werden.
Fig. 2 zeigt die Vorderseite des Platinenlayouts mit den Sensorflächen (2), die jeweils von den Schirmelektroden (6) umrandet werden. Im oberen Teil, zwischen den beiden Sensorflächen für die Maustasten (7), ist der Mikrocontroller (4) angeordnet, der beim realisierten Prototypen als Piggi-Pack auf die Platine aufgesteckt wurde. In den folgenden Versionen wird er ebenfalls direkt auf die Platine gelötet.
Fig. 3 zeigt die Rückseite der Platine. Die Meßelektronikschaltungen (3) zu den einzelnen Sensorflächen bestehen im Wesentlichen aus einem Zweifach- Operationsverstärker-IC.
Das Schaltbild der Meßelektronikschaltung (3) ist in Fig. 4 dargestellt. Über die Leitung vom Digitalteil (9) kann die jeweilige Meßelektronikschaltung aktiviert werden. Die Schirmelektroden (6) sind an den Ausgang (8) des Operationsverstärkers OPI angeschlossen. In einer anderen erfindungs­ gemäßen Ausgestaltung kann dieser Operationsverstärker (9) auch als nichtinvertierender Verstärker geschaltet sein. Das Ausgangssignal (10) der Meßelektronikschaltung (3) ist ein von der jeweils gemessenen Kapazität Cs (11) abhängiges Frequenzsignal.
In Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild der Sensoranordnung dargestellt. Cs (11) ist die jeweils gemessene Kapazität zwischen der Sensorfläche (2) und der Gegenelektrode (12), die Hand des Bedieners (13) entspricht. Die Größe der Kapazitätsänderung von Cs (11) hängt von der Distanz und der Lage der Hand vor der Sensorfläche (2) ab. Rm (14) ist der Widerstand des Bedieners gegen Erde. Er hängt u. a. von der Isolation über das Schuhwerk und der Luftfeuchtigkeit ab. Der eigentliche Widerstand des menschlichen Körpers ist vernachlässigbar. Die Kapazität Cm (15) ist die Kapazität des Bedieners gegen Erde. Es wird letztlich die Serienschaltung aus Cm (15) und Cs (11) gemessen. Sie entspricht näherungsweise der Kapazität Cs (11).
Fig. 6 symbolisiert die Sensoranordnung.

Claims (19)

1. Vorrichtung und Verfahren eines berührungslosen, mauskompatiblen Zeigereingabegerätes zur Steuerung der Position eines Coursors oder Zeigers auf einem Bildschirm, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Maus oder eines anderen Zeigereingabegerätes lediglich ein Körperteil des Bedieners, vorzugsweise dessen Hand oder ein Finger in der Nähe eines Sensorfeldes bewegt wird.
2. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorfeld als planares Sensorfeld vorzugsweise als Sensorposter ausgeführt ist.
3. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Sensorfeld und/oder dem Sensorposter vier Sensorflächen für die Richtungsdetektion und Richtungssteuerung des Zeigers und/oder Coursors auf dem Bildschirm, und vorzugsweise zwei oder drei Sensorflächen für die Funktion der Maustasten angeordnet sind.
4. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorflächen als Teile von kapazitiven Basissensoren dienen und sie jeweils aus einer elektrisch leitenden Elektrodenfläche bestehen, die als Nutzelektrode dient.
5. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität zwischen der Sensorfläche und einem Körperteil des Bedieners, vorzugsweise dessen Hand oder dessen Finger, gemessen wird, und die elektrische Verbindung zum Bediener über seinen hochohmigen Widerstand und seine Kapazität zur Erde über das Erdpotential erfolgt und/oder die Kapazität zwischen der jeweiligen Sensorfläche und einer Gegenelektrode gemessen wird, wobei die Gegenelektrode auch mindestens eine der anderen Sensorflächen sein kann.
6. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Veränderung der Position der Hand, des Fingers oder eines anderen Körperteils verursachten Kapazitätsänderungen zur Steuerung der Bewegung des Coursors oder Zeigers auf dem Bildschirm genutzt werden.
7. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Veränderung der Position der Hand, des Fingers oder eines anderen Körperteils verursachte Größe der Kapazitätsänderungen zur Steuerung der Geschwindigkeit des Coursors oder Zeigers auf dem Bild­ schirm genutzt werden, und die Richtung der Bewegung des Coursors oder Zeigers auf dem Bildschirm über die Tatsache der Annäherung eines Körper­ teils an ein oder mehrere Sensorflächen für die Richtungsdetektion festgelegt wird.
8. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorflächen jeweils von Schirmelektroden umrandet werden, und/oder daß auf Rückseite der Sensorflächen und der Schirmelektroden ebenfalls Schirmelektroden angeordnet sind, die vorzugsweise mit der umrandenden Schirmelektrode elektrisch verbunden sind.
9. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung auf den jeweiligen Schirmelektroden gleich der Spannung auf der jeweiligen Sensorfläche, jedoch elektrisch unabhängig von dieser ist.
10. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung auf den jeweiligen Schirmelektroden gleich einem konstanten Vielfachen oder einem konstanten Verhältnis der Spannung auf der jeweiligen Sensorfläche ist.
11. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorflächen Meßelektronikschaltungen enthalten, die mit der Sensorfläche und der Schirmelektrode elektrisch verbunden sind und jeweils ein dem gemessen Kapazitätswert entsprechendes Signal an einen Ein-Chip- Mikrocontroller liefern, wobei vorzugsweise die Meßelektronikschaltungen zu den einzelnen Sensorflächen im Wesentlichen aus jeweils einem Zweifach- Operationsverstärker-IC bestehen.
12. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorfläche zur Richtungsdetektion und -steuerung nach links auf der linken Seite des Sensorfeldes und/oder Sensorposters angeordnet ist, die Sensorfläche für die Richtungsdetektion und -steuerung nach rechts auf der rechten Seite des Sensorfeldes angeordnet ist, die Sensorflächen für die Richtungsdetektionen und -steuerungen nach oben und unten ebenso höher und tiefer auf dem Sensorfeld und/oder dem Sensorposter angeordnet sind.
13. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Sensorflächen für die Richtungsdetektion die jeweiligen Sensor­ flächenzuwächse zum Rand des Sensorfeldes und/oder Sensorposters hin zunehmen, vorzugsweise werden die Sensorflächen dreieckig oder trapez­ förmig ausgeführt, wobei die schmalen Seiten der trapezförmigen Sensor­ flächen oder jeweils eine Dreiecksspitze der Sensorflächen vorzugsweise in Richtung der Mitte des Sensorfeldes oder des Sensorposters angeordnet sind.
14. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Sensorflächen mit geeigneten Pictogrammen gekenn­ zeichnet sind, die die Funktion der entsprechenden Sensorflächen beschreiben.
15. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorfeld und oder das Sensorposter als eine Platine ausgeführt ist.
16. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorpaster und/oder das Sensorfeld hinter einer Abdeckung, vorzugsweise hinter einer Glasscheibe angeordnet wird.
17. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein CMOS-Microcontroller oder ein Microcontroller mit niedriger Strom­ aufnahme eingesetzt wird, der vorzugsweise ebenfalls auf der Platine des Sensorfeldes oder des Sensorposters angeordnet ist, und vorzugsweise die Elektronik des erfindungsgemäßen Zeigereingabegerätes vom PC über das Kabel der seriellen Schnittstelle mit Spannung versorgt wird.
18. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroniken zu den einzelnen Sensorflächen als astabile Kippstufe, als Multivibrator oder/und als Oszillator ausgeführt sind, die ein von der Kapazität zwischen der jeweiligen Sensorfläche und einem Körperteil des Bedieners abhängiges Frequenzsignal liefern und das die Frequenzsignale der Meßelektronikschaltungen vorzugsweise über einen Mikrocontroller ausgewertet und verarbeitet werden, der vorzugsweise ebenfalls die Schnittstelle zum Rechner oder Steuergerät bedient.
19. Berührungsloses, mauskompatibles Zeigereingabegerät nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren als Steuergerät, auch für Behinderte, über die Bewegung eines Körperteils, eingesetzt wird.
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