LU506881B1 - Einrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer eine Oberfläche berührenden Person - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1; 1a; 1c) zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer eine Oberfläche (12; 12b; 12c) berührenden Person, die einen Kraftsensor zur Bestimmung einer bei Berührung der Oberfläche (12; 12b; 12c) auf eine Fingerkuppe (10-10c) der Person wirkenden Kraft und eine Benutzerschnittstelle (2-2c) umfasst, wobei die Benutzerschnittstelle (2-2c) mehrere unbewegliche Elektroden (18; 18b; 18c) zur elektrischen Stimulation einer an die Benutzerschnittstelle (2-2c) angelegten Fingerbeere (8-8c) der die Oberfläche (12; 12b; 12c) berührenden Person aufweist. Zweckmäßigerweise umfasst die Einrichtung (1; 1a; 1c) eine Steuereinheit (3), durch die die mehreren Elektroden (18; 18b; 18c) zur elektrischen Stimulation der Fingerbeere (8-8c) derart ansteuerbar sind, dass in Abhängigkeit von einer auf die Fingerkuppe (10-10c) wirkenden Kraft bei Berührung der Oberfläche (12; 12b; 12c) ein haptischer Sinneseindruck einer trukturierten und/oder nachgiebigen Oberfläche erzeugt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer Person.

Description

Beschreibung:

Universität des Saarlandes, 66123 Saarbrücken (Deutschland) „Einrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer eine

Oberfläche berührenden Person“

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer eine Oberfläche berührenden Person, die einen Kraftsensor zur Bestimmung einer bei

Berührung der Oberfläche auf eine Fingerkuppe der Person wirkenden Kraft und eine Benut- zerschnittstelle umfasst, wobei die Benutzerschnittstelle mehrere unbewegliche Elektroden zur elektrischen Stimulation einer an die Benutzerschnittstelle angelegten Fingerbeere der die Oberfläche berührenden Person aufweist.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Sinnesein- drucks bei einer eine Oberfläche berührenden Person, bei dem von einem Kraftsensor eine auf eine Fingerkuppe der Person wirkende Kraft bei Berührung der Oberfläche erfasst wird, und abhängig von dieser auf die Fingerkuppe wirkenden Kraft mehrere unbeweglichen Elek- troden einer an die Fingerkuppe anliegenden Benutzerschnittstelle, die unmittelbar an eine

Fingerbeere anliegen, zur elektrischen Stimulation der Fingerbeere angesteuert werden.

Ein haptischer Sinneseindruck ist ein Sinneseindruck der entsteht, wenn eine Oberfläche ak- tiv ertastet wird, um beispielsweise deren Oberflächenstruktur oder deren Nachgiebigkeit durch Eindrücken wahrzunehmen.

Unbewegliche Elektroden sind insbesondere ortsfest angeordnet und zur Erzeugung eines elektrischen Stimulationsimpulses ausgebildet. Unbeweglich im Sinn der vorliegenden Erfin- dung bedeutet nicht, dass die Elektroden nicht flexibel sein können.

Im Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion (MMI), bei der einer Person eine Oberfläche ei- nes virtuellen Objekts realitätsgetreu wiedergegeben werden soll, ist beispielsweise eine Er- zeugung eines haptischen Sinneseindrucks durch Vibrationselemente einer Benutzerschnitt- stelle, die an Fingern einer Hand der Person angebracht ist, bekannt. Wird beispielsweise auf einem glatten Bildschirm eines Tablets eine virtuell rauhe Oberfläche eines dort angezeigten

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Schleifpapiers ertastet, kann beispielsweise durch eine Vibration der Vibrationselemente mit LU506881 hoher Frequenz und kleiner Amplitude der haptische Eindruck einer kleinen Schleifpapierkör- nung erzeugt werden, während bei einer niedrigen Vibrationsfrequenz mit großer Amplitude der haptische Eindruck einer großen Schleifpapierkörnung erzeugt wird. Die Erzeugung ei- nes haptischen Eindrucks durch Vibrationselemente ist eine sogenannte vibrotaktile Erzeu- gung.

Nachteilig bei Verwendung von Vibrationselementen ist deren geringe räumliche Auflösung, da Vibrationen von einer Person nicht ortsaufgelöst wahrgenommen werden können.

Weiter nachteilig ist die Ausbildung solcher Vibrationselemente, die sehr steif und sperrig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erzeugung eines haptischen

Sinneseindrucks der eingangs genannten Art auszubilden, durch die eine besonders realisti- sche Empfindung eines virtuellen Gegenstands, der auf einer Oberfläche angezeigt wird, wahrnehmbar ist.

AuBerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur elektrotaktilen Er- zeugung eines haptischen Sinneseindrucks zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Einrichtung eine Steuereinheit umfasst, durch die die mehreren Elektroden zur elektrischen Stimulation der Fingerbeere der- art ansteuerbar sind, dass in Abhängigkeit von einer auf die Fingerkuppe wirkenden Kraft bei

Berührung der Oberfläche ein haptischer Sinneseindruck einer strukturierten und/oder nach- giebigen Oberfläche erzeugt wird.

Eine strukturierte Oberfläche ist eine Oberfläche, die nicht glatt ist, sondern die beispielswei- se eine regelmäßige oder unregelmäßige Struktur aufweist. Eine raue Oberfläche wie die ei- nes Schleifpapiers kann beispielsweise eine strukturierte Oberfläche sein.

Eine nachgiebige Oberfläche ist eine Oberfläche, in die hineingedrückt werden kann, bei- spielsweise ein Fell oder eine Schaumstoffmatratze.

Ansteuerung bedeutet, dass durch die Elektroden eine elektrische Stimulation von subder- malen sensorischen Nerven im Bereich der Fingerbeere erfolgt. Die subdermalen sensori- schen Nerven sind maßgeblich an einem Tastsinn einer Person beteiligt.

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Durch den Kraftsensor kann eine Kraft erfasst werden, mit der eine beispielsweise ebene und/oder starre Oberfläche berührt wird. Dazu kann der Kraftsensor derart ausgebildet sein, dass eine ortsaufgelöste Verteilung einer auf die Fingerkuppe wirkenden Kraft erfasst wird.

Beispielsweise kann der Kraftsensor mehrere lokale Krafterfassungsbereiche umfassen, von denen jeder ein Sensorelement aufweist oder aus einem solchen gebildet ist.

Anhand einer erfassten Kraft, mit der die Oberfläche berührt wird, kann durch die Steuerein- heit eine gezielte Ansteuerung einzelner der mehreren unbeweglichen Elektroden erfolgen, durch die eine unmittelbare elektrische Anregung subdermaler sensorischer Nerven, deren

Stimulation den Tastsinn ermöglicht, erfolgt. Insgesamt wird durch diese elektrotaktile Stimu- lation trotz Berührung einer beispielsweise glatten Oberfläche ein haptischer Sinneseindruck erzeugt, der bei Berührung einer strukturierten und/oder nachgiebigen Oberfläche entstünde.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung kann insbesondere zum virtuellen Training von medizini- schem Personal verwendet werden: Dazu kann das medizinische Personal eine Fingerkuppe über einen starren Testarm mit glatter Oberfläche führen. Anhand einer elektrischen Stimula- tion einer Fingerbeere ist beispielsweise ein haptischer Sinneseindruck erzeugbar, der zum

Erlernen eines Ertastens einer Vene, die in einer sogenannten virtuellen Realität an einem virtuellen Zwilling des Testarms ertastet werden kann, nutzbar ist. Vorteilhaft kann medizini- sche Personal ohne Zugang zu Patienten virtuell auf seine zukünftigen Aufgaben vorbereitet werden. In diesem Anwendungsfall würde trotz Berührung einer starren Testarmoberfläche eine haptischer Sinneseindruck einer nachgiebigen Oberfläche, nämlich im Bereich einer er- tasteten Vene, erzeugt.

Denkbar ist, dass eine erfindungsgemäße Einrichtung im Bereich des Online-Shoppings von einem Kunden verwendet wird. Streicht ein Kaufinteressent beispielsweise auf einem glatten

Bildschirm eines Tablets über eine Felljacke, die in einem Onlineshop angeboten wird, kann durch eine erfindungsgemäße Einrichtung der haptische Eindruck eines Fells der Felljacke erzeugt werden, ohne die Felljacke tatsächlich berühren zu müssen. Vorteilhaft kann eine

Kaufentscheidung nicht nur aufgrund eines optischen Eindrucks getroffen werden, sondern auch aufgrund einer ansprechenden Haptik eines angebotenen Produkts.

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Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein elektrotaktiles Verfahren zur Erzeu- LU506881 gung eines haptischen Sinneseindrucks mit hoher Ortsauflösung zu schaffen. Ein elektrotak- tiles Verfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Sinneseindruck durch elektrische Stimulation von subdermalen sensorischen Nerven erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die mehreren Elektroden zur elektrischen Stimulati- on der Fingerbeere derart angesteuert werden, dass in Abhängigkeit von der auf die Finger- kuppe wirkenden Kraft bei Berührung einer Oberfläche ein haptischer Sinneseindruck einer strukturierten und/oder nachgiebigen Oberfläche erzeugt wird.

Vorteilhaft kann durch einen elektrischen Impuls, durch den die subdermalen sensorischen

Nerven stimuliert werden, ein realistischer haptischer Sinneseindruck erzeugt werden.

Dadurch, dass die Elektroden einzeln ansteuerbar sind, kann ferner ein ortsaufgelöster hapti- scher Sinneseindruck erzeugt werden.

Zweckmäßigerweise sind die mehreren unbeweglichen Elektroden matrixartig angeordnet, wobei benachbarte Elektroden vorzugsweise äquidistant voneinander beabstandet sind.

Durch diese Anordnung wird ein Elektrodenarray geschaffen, durch das ein besonders reali- tätsgetreuer, ortsaufgelöster haptischer Eindruck erzeugbar ist.

Insbesondere kann das das Elektrodenarray 3x3 Elektroden aufweisen. Beispielsweise be- trägt ein Durchmesser der Elektroden 1,50 mm.

Ein Mittelpunktsabstand benachbarter Elektroden des Elektrodenarrays ist vorzugsweise doppelt so groß wie deren Durchmesser.

Die Erfinder haben erkannt, dass bereits durch ein neun Elektroden aufweisendes Elektro- denarray eine Fingerbeere besonders realitätsnah stimulierbar ist.

Es versteht sich, dass eine höhere Anzahl an unbeweglichen Elektroden, die in einem Elek- trodenarray angeordnet sind, denkbar ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zumindest bereichsweise mehrlagig ausgebildet, wobei eine einer Fingerkuppe einer die Einrichtung bestimmungsgeman ver- wendenden Person zugewandte Lage von der Benutzerschnittstelle gebildet ist.

Zumindest bereichsweise bedeutet, dass einzelne Bestandteile einer erfindungsgemäßen

Einrichtung in Lagen angeordnet sein können oder sämtliche der Bestandteile.

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Damit eine elektrische Stimulation subdermaler sensorischer Nerven möglich ist, müssen die LU506881

Elektroden unmittelbar an die Fingerbeere anliegen.

Vorteilhaft wird eine bereichsweise besonders flache Einrichtung geschaffen.

Ist die Benutzerschnittstelle dazu vorgesehen, an einer Fingerkuppe angebracht zu werden, so ist vorteilhaft, wenn die der Fingerkuppe zugewandte Lage außerdem ein Klebemittel um- fasst, durch das die Benutzerschnittstelle lösbar mit der Fingerbeere verbindbar ist, und ins- besondere mehrfach verwendbar ist.

Durch die mehrlagige Ausbildung ist weiter vorteilhaft eine additive Fertigung der Benutzer- schnittstelle möglich.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die einer Fingerkuppe einer die Einrichtung be- stimmungsgemäß verwendenden Person zugewandte Lage ein Leitungsmittel auf, das meh- rere Leiterbahnen umfasst, wobei jede Leiterbahn eine der mehreren unbeweglichen Elektro- den mit der Steuereinheit verbindet.

Durch die Verbindung der Elektroden mit der Steuereinheit wird eine elektrische Verbindung zur Durchleitung von Steuersignalen, mit denen die mehreren Elektroden angesteuert wer- den, geschaffen.

Denkbar ist, dass die Elektroden aus Gold oder Silber gebildet sind. Durch Verwendung ei- nes dieser beiden Metalle kann das Risiko einer Kontaktallergie bei unmittelbarem Kontakt zur Fingerbeere erheblich verringert werden

Diejenigen Leiterbahnen, die keinen Kontakt zur Fingerbeere oder anderen Hautpartien einer die Einrichtung bestimmungsgemäß verwendeten Person haben, können aus einen anderen

Material wie Kupfer gebildet sein.

Eine Anzahl an Leiterbahnen entspricht einer Anzahl an Elektroden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zumindest bereichsweise mehrlagig ausgebildet, wobei eine einer Oberfläche bei bestimmungsgemäBer Verwendung der Einrichtung zugewandte Lage den Kraftsensor umfasst, der vorzugsweise als Drucksen- sor ausgebildet ist, und der bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Einrichtung unmittel- bar an die Oberfläche anliegt.

Durch den Drucksensor, der vorzugsweise ein sogenannter Force-Sensitive Resistor (FSR) ist, kann eine Kraft erfasst werden, mit der eine die Einrichtung benutzende Person die Ober- fläche berührt, zum Beispiel darauf drückt. Der Kraftsensor steht dazu in unmittelbarem Kon- takt zu der Oberfläche.

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Es ist denkbar, dass der Kraftsensor mehrere lokale Erfassungsbereiche aufweist, durch die LU506881 eine ortsaufgelöste Krafterfassung möglich ist. Vorteilhaft kann eine auf eine Fingerkuppe wirkende Kraft ortsaufgelöst erfasst und zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks berücksichtigt werden. Weiter vorteilhaft wird ein besonders realitätsnaher haptischer Sinnes- eindruck erzeugt.

Dazu kann jeder Erfassungsbereich ein Kraftsensorelement aufweisen.

Zweckmäßigerweise beträgt ein Abstand einer Lage einer zumindest bereichsweise mehr- lagigen Einrichtung, die einer Fingerkuppe einer die Einrichtung bestimmungsgemäß verwen- denden Person zugewandt ist, zu einer Lage, die einer Oberfläche bei bestimmungsgemäBer

Verwendung der Einrichtung zugewandt ist, weniger als einen Millimeter, vorzugsweise 0,010 mm bis 0,900 mm, besonders bevorzugt 0,015 mm bis 0,200 mm.

Ein Abstand der beiden genannten Lagen, die auch als äußere und innere Lage bezeichnet werden können, entspricht einer Dicke. Vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Einrichtung be- sonders flach ausgebildet. Die Benutzerschnittstelle kann durch aus der Halbleitertechnik be- kannte Herstellungsverfahren hergestellt sein.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Benutzerschnittstelle derart flexibel ausgebildet ist, dass diese vollflächig an eine Fingerbeere einer die Einrichtung bestimmungsgeman ver- wendenden Person anlegbar und vorzugsweise lösbar daran befestigbar ist.

Dies ist insbesondere bei einer solchen Benutzerschnittstelle vorteilhaft, die zur lôsbaren An- bringung an eine Fingerkuppe vorgesehen ist. Dadurch wird eine Benutzerschnittstelle ein- heitlicher Größe geschaffen, die an verschieden große Fingerkuppen angebracht werden kann. Es wird vorteilhaft außerdem eine tragbare Benutzerschnittstelle mit hohem Tragekom- fort geschaffen.

ZweckmäBigerweise weist die Einrichtung ein Positionsbestimmungsmittel auf, durch das eine Position der Fingerkuppe auf einer berührten Oberfläche ermittelbar ist.

Das Positionsbestimmungsmittel kann insbesondere eine Kamera umfassen.

Durch das Positionsbestimmungsmittel wird sichergestellt, dass einer eine erfindungsgemä-

Be Einrichtung benutzenden Person bei Berühren einer Oberfläche ein zutreffender hapti- scher Sinneseindruck vermittelt wird.

Zeigt die Oberfläche beispielsweise ein Bild einer Lederjacke mit einer Fellkapuze und ist eine Bildschirmfläche eines Tablets, so kann durch das Positionsbestimmungsmittel festge-

Seite 6/13 stellt werden, ob der Finger der Person die Fellkapuze berührt beziehungsweise überstreicht LU506881 oder einen Lederbereich der Lederjacke berührt. Entsprechend der räumlichen Position auf der Oberfläche, das heißt auf dem Bild der Lederjacke, kann ein der Oberfläche entspre- chender, korrekter haptischer Sinneseindruck durch eine elektrotaktile Stimulation von sub- dermalen sensorischen Nerven durch Ansteuerung der mehreren Elektroden erzeugt wer- den: Der Person kann beispielsweise positionsabhängig der haptische Eindruck des Fells oder des Leders vermittelt werden.

Durch die Kamera, die vorzugsweise eine Digitalkamera ist, können auswertbare digitale Bil- der aufgenommen werden, die eine einfache Positionsbestimmung durch das Positionsbe- 190 stimmungsmittel ermöglichen. Hierzu kann auf aus dem Stand der Technik bekannte Bildaus- wertungsalgorithmen zurückgegriffen werden.

Denkbar ist, dass das Positionsbestimmungsmittel dazu eingerichtet ist, anhand einer lokalen

Druckverteilung auf einer von einer eine erfindungsgemäßen Einrichtung benutzenden Per- son berührten Oberfläche eine Fingerposition zu ermitteln. In diesem Fall wäre ein Kraftsen- sor erforderlich, der mehrere lokale Erfassungsbereiche aufweist, die beispielsweise ein n x m Array bilden, wobei n, m natürliche Zahlen sind.

In einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden die mehreren unbeweglichen Elektroden zur elektrischen Stimulation der Fingerbeere gepulst angesteuert, wobei eine Pulsweite, eine Pulsamplitude und/oder eine Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der auf die Fingerkuppe wirkenden Kraft bei Berührung der Oberfläche bestimmt wird bzw. werden.

Eine gepulste Ansteuerung ist eine Ansteuerung, bei der keine kontinuierliche Stimulation der subdermalen sensorischen Nerven erfolgt, sondern eine Stimulation durch einzelne elektri- sche Pulse oder eine elektrische Pulsfolge. Die Erfinder haben erkannt, dass eine kontinuier- liche Stimulation eine Dissoziation zwischen Stimulation und Oberflächenstruktur bewirkt, das heißt einen unpassenden haptischen Sinneseindruck erzeugen würde.

Eine Pulsweite ist eine Dauer eines einzigen elektrischen Pulses , während eine Pulsamtpli- tude eine Stärke eines Pulses beschreiben kann, und eine Pulsfrequenz eine Pulshäufigkeit pro Zeiteinheit. Aus diesen genannten Parametern kann ein haptischer Sinneseindruck für ei- nen Anwendungsfall maBgeschneidert werden.

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Beispielsweise können Studienteilnehmer herangezogen werden, die eine reale strukturierte LU506881

Oberfläche berühren, wobei anhand von deren realem Sinneseindruck ein elektrotaktiler hap- tischer Sinneseindruck bei einer virtuelle Berührung kalibriert wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Erfassungsbereich des Kraftsensors in diskrete

Krafterfassungsabschnitte aufgeteilt, wobei bei einem Übergang einer auf die Fingerkuppe wirkenden Kraft von einem ersten Krafterfassungsabschnitt in einen zweiten, benachbarten

Krafterfassungsabschnitt zumindest eine der mehreren Elektroden zur elektrischen Stimulati- on der Fingerbeere zur Erzeugung eines haptisches Sinneseindrucks angesteuert wird.

Die Erfinder haben erkannt, dass ein besonders realitätsgetreuer haptischer Sinneseindruck erzeugbar ist, wenn ein Übergang eines ersten Krafterfassungsabschnitts in einen benach- barten Krafterfassungsabschnitt zu einer Ansteuerung der mehreren Elektroden führt.

ZweckmäBigerweise werden die mehreren Elektroden zur elektrischen Stimulation der Fin- gerbeere in Stimulationsfelder aufgeteilt, wobei die Stimulationsfelder unterschiedlich groß sind, eine unterschiedliche Form und/oder Orientierung aufweisen.

Zu Stimulationsfeldern werden mehrere Elektroden zusammengefasst, die zur Erzeugung ei- nes haptischen Sinneseindrucks angesteuert werden.

Durch Bildung von Stimulationsfeldern wird eine besonders hoch ortsaufgelöste elektrische

Stimulation möglich. Vorteilhaft kann durch eine Aufteilung in Stimulationsfelder ein hapti- scher Sinneseindruck einer komplex strukturierten oder sehr nachgiebigen Oberflächen er- zeugt werden.

Bei einem Elektrodenarray kann ein Simulationsfeld vertikal ausgerichtet sein, das heißt bei- spielsweise zwei von drei Spalten umfassen, oder horizontal ausgerichtet sein, das heißt bei- spielsweise zwei von Zeilen umfassen. Denkbar ist, dass bei einem n x m Elektrodenarray die Elektroden n, m angesteuert werden, die ober- oder unterhalb oder auf einer Diagonalen angeordnet sind.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die mehreren Elektroden zur elektri- so schen Stimulation der Fingerbeere derart angesteuert, dass in Abhängigkeit von einer Positi- on der Fingerkuppe auf der Oberfläche und der auf die Fingerkuppe wirkenden Kraft bei Be- rührung der Oberfläche ein haptischer Sinneseindruck einer strukturierten und/oder nachgie- bigen Oberfläche erzeugt wird.

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Ist die Oberfläche beispielsweise eine Seite eines Kinderbuchs, auf der Tiere eines Bauern- LU506881 hofs abgebildet sind, so kann ein eine erfindungsgemäße Einrichtung benutzendes Kind die abgebildeten Tiere virtuell streicheln, wobei bei Berührung der Oberfläche beispielsweise ein elektrotaktiler haptischer Eindruck des Fells der gestreichelten Tiere erzeugt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten, sich auf die Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 Details der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 3 Details eines erfindungsgemäßes Verfahrens,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

Eine in Fig. 1 schematisch gezeigte bereichsweise mehrlagige Einrichtung 1 zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer eine Oberfläche 12 berührenden Person umfasst eine Benutzerschnittstelle 2, eine Steuereinheit 3 und eine Positionsbestimmungseinheit 4, die eine Kamera 5 aufweist. Die Steuereinheit 3 ist durch eine Signalleitung 6 mit der Benut- zerschnittstelle 2 und durch eine Signalleitung 7 mit der Positionsbestimmungseinheit 5 ver- bunden.

Die Benutzerschnittstelle 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel in der Art eines flexiblen Pads ausgebildet und auf eine Fingerbeere 8, das heißt eine einem Fingernagel 9 abgewandte

Seite einer Fingerkuppe 10 eines Fingers 11 der Person lösbar aufgeklebt.

Zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks kann die Person mit ihrer mit der Benut- zerschnittstelle 2 versehenen Fingerbeere 8 eine ausschnittsweise gezeigte Oberfläche 12 berühren. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Oberfläche 12 von einem Bildschirm eines

Tablets 13 gebildet. Auf dem Bildschirm wird ein Bild einer Felljacke eines Onlineshops ange- zeigt, wobei das Bild inetwa 25 % der gesamten Bildschirmfläche bedeckt.

Berührt die Person mit ihrer Fingerbeere 8 die Oberfläche 12, kann die Positionsbestim- mungseinheit 4 anhand eines Bildes der Kamera 5 durch Auswertung des Kamerabildes eine

Position der Fingerbeere 8 auf dem Bildschirm 13 bestimmen. Berührt die Fingerbeere 8 das

Bild der Felljacke, wird durch eine elektrische Stimulation von subdermalen sensorischen

Nerven der Fingerbeere 8 ein elektrotaktiler haptischer Sinneseindruck erzeugt. Durch diese

Seite 9/13 elektrische Stimulation wird der Person ein haptischer Sinneseindruck vermittelt, wonach die- LU506881 se ein weiches Fell der auf dem Bildschirm des Tablets 13 angezeigten Felljacke tatsächlich berührt.

Dazu erhält die Steuereinheit 3 von der Positionsbestimmungseinheit 4 Informationen zur Po- sition der Fingerbeere 8 auf dem Bildschirm und Informationen zu einer in Richtung eines

Pfeils 14 wirkenden Kraft, mit der die Fingerbeere 8 auf die Oberfläche 12 gedrückt wird.

Aus diesen Informationen kann die Steuereinheit 3 anhand einer vorherigen Kalibrierung ein

Stimulationssignal bestimmen, mit dem subdermale sensorische Nerven der Fingerbeere 8 derart elektrisch stimuliert werden, dass ein zutreffender haptischer Sinneseindruck erzeugt

Wird. Wird beispielsweise das Fell der angezeigten Felljacke berührt, entspricht der haptische

Sinneseindruck einem weichen Fell der Felljacke, während bei Drücken eines Kaufbuttons ein haptischer Sinneseindruck erzeugt, der einem Drücken eines Schaltknopfes entsprechen kann.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben

Bezugszahl wie in Fig. 1 bezeichnet sind und der betreffenden Bezugszahl jeweils der Buch- stabe a beigefügt ist.

Details einer Einrichtung 1a zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer eine

Oberfläche berührenden Person in mehreren Ansichten zeigt Fig. 2.

Die Einrichtung 1a ist bereichsweise mehrlagig ausgebildet, wobei Fig. 2a schematisch einen

Querschnitt zeigt.

Eine äußere Lage 15, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Einrichtung 1a einer

Oberfläche zugewandt ist, wird von einem flachen Kraftsensor 16 gebildet, der als Drucksen- sor ausgebildet ist, vorzugsweise als sogenannter Force-Sensitive Resistor (FSR).

Eine innere Lage 17, die die bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Einrichtung 1a einer

Fingerbeere zugewandt ist, wird von einer Benutzerschnittstelle 2a gebildet und umfasst mehrere runde, unbewegliche Elektroden 18, die in diesem Ausführungsbeispiel aus Silber gebildet und matrixartig in einem 3x3 Elektrodenarray 19 angeordnet und von einem Klebe- mittel 20 umgeben sind. Die innere Lage 17 ist zur Anlage an eine Fingerbeere einer Finger- kuppe eines Fingers einer die Einrichtung 1a benutzenden Person eingerichtet, wobei ein un- mittelbarer Kontakt zwischen den Elektroden 18 und der Fingerbeere zur Stimulation von

Seite 10/13 subdermalen sensorischen Nerven erforderlich ist. Durch das Klebemittel kann die Benutzer- LU506881 schnittstelle 2a an der Fingerbeere lösbar befestigt werden.

Ein Abstand d, der äußeren Lage 15 zu der inneren Lage 17 beträgt in diesem Ausführungs- beispiel 770 um, wobei ein Durchmesser der Elektroden 1,50 mm und ein Mittelpunktsab- stand benachbarter Elektroden 3,00 mm beträgt.

Zwischenlagen zwischen der inneren Lage 17 und der äußeren Lage 15 sind eine Klebe- schicht 21 zur Befestigung des Kraftsensors sowie eine Kontaktschicht 22, die zur Kontaktie- rung der Elektroden 18 eingerichtet ist.

In Fig. 2b in einer Draufsicht auf die Benutzerschnittstelle 2a ist das 3x3 Elektrodenarray 19 gezeigt, dessen insgesamt neun unbewegliche Elektroden 18 in drei Spalten und drei Zeilen angeordnet sind, wobei benachbarte Elektroden 18 in diesem Ausführungsbeispiel sowohl in- nerhalb einer Zeile als auch innerhalb einer Spalte äquidistant voneinander beabstandet sind.

Jede der unbeweglichen Elektroden 18 ist mit einer Leiterbahn 23 verbunden, die Teil der

Kontaktschicht 22 ist. Die Leiterbahnen 23 gehen in eine in Fig. 1 mit Bezugszeichen 6 ver- sehene Signalleitung über, durch die die Elektroden 18 mit einer in Fig. 1 mit Bezugszeichen 3 bezeichneten Steuereinheit elektrisch verbunden ist.

Eine in Fig. 2c gezeigte Einrichtung 1a ist an einen Finger 11 einer Person angebracht. Die äußere Lage 15 wird von einem Kraftsensor 16 gebildet. Eine innere Lage 17, die von der

Benutzerschnittstelle 2a gebildet ist, liegt vollflächig an eine Fingerbeere 8a an.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben

Bezugszahl wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet sind und der betreffenden Bezugszahl jeweils der

Buchstabe b beigefügt ist.

Ein in Fig. 3a gezeigtes Diagramm zeigt beispielhaft eine Erzeugung eines haptischen Sin- neseindrucks für einen zeitabhängigen Druck in Richtung eines Pfeils 14b auf eine Oberfla- so che 12b eines Bildschirms 13b.

Eine vertikale Achse ist ein Krafterfassungsbereich 24 des Kraftsensors 16b, der in diskrete, mehrere gleich große Krafterfassungsabschnitte 25, 26 aufgeteilt ist. Eine in dem Diagramm gezeigte Kurve 27 ist ein zeitabhängiger Kraftverlauf, das heißt eine Kraft, mit der eine Fin- gerkuppe 10b auf eine Oberfläche 12b gedrückt wird, als Funktion der Zeit t: Bis zum Wen-

Seite 11/13 depunkt der Kurve 27 wird ein Druck auf die Oberfläche 13b erhöht, während nach dem LU506881

Wendepunkt der Druck abnimmt. Dieser Kraftverlauf wird auBerdem durch die oberhalb des

Diagramms angezeigten schematischen Darstellungen eines Fingers mit einer Benutzer- schnittstelle 2b verdeutlicht.

An Schnittpunkten 28, an denen die Kurve 27 von einem Krafterfassungsabschnitt 25 in ei- nen benachbarten Krafterfassungsabschnitt 26 übergeht, erfolgt in diesem Ausführungsbei- spiel eine elektrische Stimulation einer Fingerbeere 8a durch sämtliche Elektroden eines

Elektrodenarrays zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks, wobei eine elektrische

Stimulation in diesem Ausführungsbeispiel zwei Pulse 29, die als vertikale Linien dargestellt sind, umfasst. Durch die genannte Ansteuerung wird in diesem Ausführungsbeispiel der hap- tische Eindruck erzeugt, als würde einer Fingerbeere 8b der Person in eine weiche, das heißt nachgiebige Oberfläche hineingedrückt.

Es versteht sich, dass die Elektroden je nach zu erzeugendem haptischen Sinneseindruck einzeln oder mehrere Elektroden gleichzeitig angesteuert werden können.

Bei in Fig. 3b beispielhaft gezeigten Elektrodenarrays 19b sind verschiedene Ansteuerungs- muster von Elektroden 18b gezeigt, wobei angesteuerte Elektroden 18b als schwarze Punkte dargestellt sind, nicht angesteuerte als Kreise. Für die Erzeugung der Ansteuerungsmuster können mehrere Elektroden des Elektrodenarrays 19b zu Stimulationsfeldern 30 zusammen- gefasst werden, wobei die Elektroden 18b eines Stimulationsfeldes 30 in Bezug auf eine

Pulsweite, Pulsamplitude und/oder Pulsfrequenz gemeinsam oder einzeln ansteuerbar sind.

Die in Fig. 3b gezeigten Stimulationsfelder 30 können unterschiedliche Formen, Größen oder

Orientierungen aufweisen.

Eine Dreiecksform zeigt beispielsweise in der oberen Reihe das rechte Stimulationsfeld 30.

Unterschiedliche Größen sind erreichbar, indem eine unterschiedliche Anzahl an Elektroden 18b gleichzeitig angesteuert werden, siehe zum Beispiel das erste und das zweite Stimulati- onsfeld 30 in der letzten Zeile von Fig. 3b.

Eine unterschiedliche Orientierung der Stimulationsfelder betrifft eine Veränderung von deren

Ausrichtung. Beispielsweise von einer horizontalen Ausrichtung gemäß des ersten Stimulati- onsfeldes in der zweiten Zeile von Fig. 3b zu einer vertikalen Ausrichtung gemäß des letzten

Stimulationsfeldes 30 in der zweiten Zeile von Fig. 3b.

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Zwei in Fig. 3c gezeigte Pulse 29b zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks weisen LU506881 eine gleiche Amplitude A und einen Abstand D auf, der einem Abstand der beiden Pulse 29b auf einer in Fig. 3c gezeigten Zeitachse entspricht. Der Abstand D ist der Kehrwert einer

Pulsfrequenz.

Eine Pulsweite P entspricht einer Breite des Pulses 29b auf der Zeitachse.

Fig. 3c zeigt aus Gründen der Einfachheit lediglich eine Ansteuerung einer einzigen Elektro- de. Es versteht sich, dass zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks mehrere Elektro- den eines Elektrodenarray gleichzeitig, insbesondere einzeln ansteuerbar sind, wobei Pul- sparameter wie eine Amplitude A oder ein Abstand D benachbarter Pulse entsprechend des

Sinneseindrucks für jede Elektrode des Elektrodenarrays an einen Anwendungsfall anpass- bar sind.

Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben

Bezugszahl wie in Fig. 1 bis 3 bezeichnet sind und der betreffenden Bezugszahl jeweils der

Buchstabe c beigefügt ist.

Eine in Fig. 4 schematisch gezeigte bereichsweise mehrlagige Einrichtung 1c zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer eine Oberfläche 12c berührenden Person unter- scheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung dadurch, dass diese auf einen Bild- schirm eines Tablets 13c aufgebracht ist.

Eine Benutzerschnittstelle 2c mit einem Elektrodenarray 19c mit unbeweglichen Elektroden 18c erstreckt sich über eine gesamte Bildschirmfläche.

Eine Anzahl an Krafterfassungsbereichen eines Kraftsensors 16c entspricht in diesem Aus- führungsbeispiel einer Anzahl an Elektroden 18c.

Ein in Fig. 4 nicht gezeigtes Positionsbestimmungsmittel, das eine auf dem Tablet ausgeführ- te Software sein kann, kann anhand einer Stelle, an der eine Fingerkuppe 10c die Oberflä- che 12c berührt, durch Auswertung eines auf die Krafterfassungsbereiche des Kraftsensors 3o 16c wirkenden Drucks eine Position der Fingerkuppe ermitteln. Dadurch können die Elektro- den 18c derart angesteuert werden, dass ein korrekter haptischer Sinneseindruck erzeugt wird, der einer auf dem Bildschirm des Tablets 13 angezeigten Oberfläche eines Objekts ent- spricht.

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Claims (13)

Patentansprüche: LU506881

1. Einrichtung (1; 1a; 1c) zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer eine Oberfläche (12; 12b; 12c) berührenden Person, die einen Kraftsensor zur Be- stimmung einer bei Berührung der Oberfläche (12; 12b; 12c) auf eine Fingerkuppe (10-10c) der Person wirkenden Kraft und eine Benutzerschnittstelle (2-2c) umfasst, wobei die Benutzerschnittstelle (2-2c) mehrere unbewegliche Elektroden (18; 18b; 18c) zur elektrischen Stimulation einer an die Benutzerschnittstelle (2-2c) angelegten Fingerbeere (8-8c) der die Oberfläche (12; 12b; 12c) berührenden Person aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1; 1a; 1c) eine Steuereinheit (3) umfasst, durch die die mehre- ren Elektroden (18; 18b; 18c) zur elektrischen Stimulation der Fingerbeere (8-8c) der- art ansteuerbar sind, dass in Abhängigkeit von einer auf die Fingerkuppe (10-10c) wirkenden Kraft bei Berührung der Oberfläche (12; 12b; 12c) ein haptischer Sinnes- eindruck einer strukturierten und/oder nachgiebigen Oberfläche erzeugt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren unbeweglichen Elektroden (18; 18b; 18c) matrixartig angeordnet sind, wobei benachbarte Elektroden (18; 18b; 18c) vorzugsweise aquidistant vonein- ander beabstandet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1; 1a; 1c) bereichsweise mehrlagig ausgebildet ist, wobei eine einer Fingerkuppe (10-10c) einer die Einrichtung bestimmungsgemäB verwendenden Person zugewandte Lage (17; 17c) von der Benutzerschnittstelle (2-2c) gebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einer Fingerkuppe (10-10c) einer die Einrichtung bestimmungsgemäB ver- wendenden Person zugewandte Lage (17; 17c) ein Leitungsmittel aufweist, das meh- rere Leiterbahnen (23) umfasst, wobei jede Leiterbahn (23) eine der mehreren unbe- weglichen Elektroden (18; 18b; 18c) mit der Steuereinheit (3) verbindet. Seite 1/4

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, LU506881 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1; 1a; 1c) zumindest bereichsweise mehrlagig ausgebildet ist, wobei eine einer Oberfläche bei bestimmungsgemäBer Verwendung der Einrichtung zugewandte Lage (15; 15c) den Kraftsensor (16; 16b 16c) umfasst, der vorzugsweise als Drucksensor ausgebildet ist, und der bei bestimmungsgemäBer Verwendung der Einrichtung unmittelbar an die Oberfläche (12; 12b; 12c) anliegt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand einer Lage (17; 17c) einer zumindest bereichsweise mehrlagigen Einrichtung (1; 1a; 1c), die einer Fingerkuppe (10-10c) einer die Einrichtung bestim- mungsgemäß verwendenden Person zugewandt ist, zu einer Lage (15; 15c), die einer Oberfläche (12; 12b; 12c) bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Einrichtung zu- gewandt ist, weniger als einen Millimeter beträgt, vorzugsweise 0,010 mm bis 0,900 mm, besonders bevorzugt 0,015 mm bis 0,200 mm.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Benutzerschnittstelle (2; 2a) derart flexibel ausgebildet ist, dass diese vollflä- chig an eine Fingerbeere (8; 8b) einer die Einrichtung (1; 1a; 1c) bestimmungsgemäß verwendenden Person anlegbar und vorzugsweise lösbar daran befestigbar ist.

8. Einrichtung nach einem der Anspriiche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1; 1a; 1c) ein Positionsbestimmungsmittel (4) aufweist, durch das eine Position einer Fingerkuppe (10-10c) auf einer berührten Oberfläche (12; 12b;12c) ermittelbar ist.

9. Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Sinneseindrucks bei einer eine Oberfläche (12; 12b; 12c) berührenden Person, bei dem von einem Kraftsensor (16; 16b; 16c) eine auf eine Fingerkuppe (10-10c) der Person wirkende Kraft bei Berührung der Oberfläche (12; 12b; 12c) erfasst wird, und abhängig von dieser auf die Fingerkuppe (10-10c) wirkenden Kraft mehrere unbewegliche Elektroden (18; 18b; 18c) einer an Seite 2/4 die Fingerkuppe (10-10c) anliegenden Benutzerschnittstelle (2; 2a), die unmittelbar LU506881 an eine Fingerbeere (8-8c) anliegen, zur elektrischen Stimulation der Fingerbeere (8- 8c) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Elektroden (18; 18b; 18c) zur elektrischen Stimulation der Finger- beere (8-8c) derart angesteuert werden, dass in Abhängigkeit von der auf die Finger- kuppe (10-10c) wirkenden Kraft bei Berührung der Oberfläche (12; 12b; 12c) ein hap- tischer Sinneseindruck einer strukturierten und/oder nachgiebigen Oberfläche erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren unbeweglichen Elektroden (18; 18b; 18c) zur elektrischen Stimula- tion der Fingerbeere (8-8c) gepulst angesteuert werden, wobei eine Pulsweite (P), eine Pulsamplitude (A) und/oder eine Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der auf die Fingerkuppe (10-10c) wirkenden Kraft bei Berührung der Oberfläche (12; 12b; 12c) bestimmt wird bzw. werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erfassungsbereich (24) des Kraftsensors (16; 16b; 16c) in diskrete Krafter- fassungsabschnitte (25, 26) aufgeteilt wird, wobei bei einem Übergang einer auf die Fingerkuppe (10-10c) wirkenden Kraft von einem ersten Krafterfassungsabschnitt (25) in einen zweiten, benachbarten Krafterfassungsabschnitt (26) zumindest eine der mehreren Elektroden (18; 18b; 18c) zur elektrischen Stimulation der Fingerbeere (8- 8c) zur Erzeugung eines haptisches Sinneseindrucks angesteuert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren unbeweglichen Elektroden (18; 18b; 18c) zur elektrischen Stimula- tion der Fingerbeere (8- 8c) in Stimulationsfelder (30) aufgeteilt werden, wobei die Sti- mulationsfelder (30) unterschiedlich groß sind, eine unterschiedliche Form und/oder Orientierung aufweisen. Seite 3/4

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, LU506881 dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren unbeweglichen Elektroden (18; 18b; 18c) zur elektrischen Stimula- tion der Fingerbeere (8; 8a) derart angesteuert werden, dass in Abhängigkeit von ei-

ner Position der Fingerkuppe (10-10c) auf der Oberfläche (12; 12b; 12c) und der auf die Fingerkuppe (10-10c) wirkenden Kraft bei Berührung der Oberfläche (12; 12b; 12c) ein haptischer Sinneseindruck einer strukturierten und/oder nachgiebigen Ober- fläche erzeugt wird.

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