Haptische Ein- und Ausgabevorrichtung und Verfahren für ein Manipulieren von virtuellen Objekten
Die Erfindung betrifft eine haptische Ein- und Ausgabevorrichtung sowie ein Verfahren für ein Manipulieren von virtuellen Objekten, wobei ein Benutzer mit Hilfe der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen virtuelle Objekte in einer virtuellen Welt ertasten, greifen und bewegen kann .
Unter dem Begriff "virtuelles Objekt" und "virtuelle Welt" sind ein oder mehrere reale oder von einem Computer erzeugte Objekte zu verstehen, die ein Benutzer nicht direkt mit seinen Händen, sondern nur über Hilfsmittel greifen kann. Diese Hilfsmittel sind einerseits in der vom Computer erzeugten künstlichen Welt dargestellte Greifelemente oder andererseits reale Greifelemente wie bspw. Robotorgreifer . Letztere Manipulation wird auch als Teleoperation bezeichnet.
Als optische Verbindung zwischen dem Benutzer und den virtuellen Objekten können einerseits eine Vorrichtung zur Darstellung eines von einem Computer erzeugten Bildes und andererseits ein Videokamerabild oder eine direkte Beobachtung der virtuellen Objekte dienen.
Insbesondere kann eine Vorrichtung zur Darstellung eines von einem Computer erzeugten stereoskopischen Bildes der optischen Verbindung dienen, bei der jedes Auge eines Benutzers einzeln angesprochen wird. Jedes der Bilder stellt die räumlichen Daten in Bezug zur Augenposition
dar. Beide Bilder unterscheiden sich nur in der leicht verschobenen Perspektive, die durch den Augenabstand entsteht. Verändert der Benutzer die Position des Kopfes, so verändert sich auch das projizierte Bild entsprechend, sofern die Position des Kopfes bestimmt wird.
Neben einer stereoskopischen Darstellung kann auch eine zweidimensionale perspektivische Darstellung Anwendung finden, die einfacher zu realisieren ist und dem Benutzer ausreichende dreidimensionale Informationen liefert.
Für die Positionsbestimmung wird ein sogenanntes Tracker- system verwendet, um Position und Lage des Kopfes zu registrieren. Zur Messung können elektromagnetische Felder oder Ultraschallfelder verwendet werden. Damit kann der Benutzer über die Kopf- und Körperbewegung mit der virtuellen Umgebung interagieren .
Dazu werden die vom Trackersystem ermittelten Daten in das Computersystem eingespeichert und die Darstellung für ein stereoskopisches Bild wird entsprechend der vom Trackersystem ermittelten Daten angepaßt.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft nun zum einen eine haptische Ein- und Ausgabevorrichtung, mit der ein Benutzer ein virtuelles Objekt manipulieren kann. Zum anderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anwendung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung.
Aus dem Stand der Technik ist bspw. eine dreidimensionale Maus bekannt, deren räumliche Position mit einem Trackersystem bestimmt wird und mit der ein virtuelles Objekt angewählt und/oder bewegt werden kann. Obwohl dieses System uneingeschränkte Bewegungsfreiheit aufweist, liegt
der Nachteil der dreidimensionalen Maus darin, daß die Bedienung von Tasten an der dreidimensionalen Maus nicht sinndeckend mit dem Greifvorgang eines Benutzers ist und daß eine Kräfterückkopplung fehlt.
Darüber hinaus ist eine Ein- und Ausgabevorrichtung bekannt, bei dem eine in der Handfläche eines Benutzers befestigte Basis mit teleskopischen Stangen die Finger bei Kontakt mit einem virtuellen Objekt abbremst. Dadurch ist zwar eine handbasierte Kräfterückkopplung bei freier Bewegungsfreiheit und bei relativ geringem Gewicht möglich. Jedoch wird die Handhabung durch das umständliche An- und Ablegen des Gerätes und durch die nötige individuelle Anpassung an die Handgröße erschwert. Denn die Ein- und Ausgabevorrichtung kann nicht einfach mit der Hand gegriffen werden, sondern einzelne Finger sind mit den teleskopischen Stangen zu verbinden und auf eine gewünschte Länge einzustellen.
Beide zuvor beschriebenen Ein- und Ausgabevorrichtungen werden der häufigsten Handlung des Menschen gegenüber seiner Umwelt, dem Greifen, nicht gerecht. Mit dem Greifen ist es möglich, die Größe, den Härtegrad und die Form eines Objektes allein durch die verschiedenen haptischen Reize zu erkennen. Alle Tätigkeiten, die mit den Händen ausgeführt werden, sind bis auf wenige Ausnahmen Formen des Greifens. Dabei kann man die häufigsten Formen des Greifens in zwei Kategorien unterteilen. Zum einen ist dies das Greifen mit den Fingerspitzen für ein präzises Greifen, Verändern und Führen einzelner Objekte und zum anderen das Greifen mit der ganzen Hand für ein sicheres und kraftvolles Greifen zum Verändern und Führen einzelner oder mehrerer Objekte.
Haptische Informationen sind daher neben optischen Informationen von besonderer Bedeutung. Masse, Dichte und Oberflächenbeschaffenheit von Gegenständen sind Faktoren, die sich intuitiv mit den Händen erfassen lassen. Im Bereich der Manipulation von virtuellen Objekten ist eine solche haptische Information besonders wichtig, da der Benutzer das virtuelle Objekt nicht direkt selber angreifen kann, sondern auf dazwischen geschaltete Hilfsmittel angewiesen ist.
Insbesondere ist die dreidimensionale visuelle Darstellung bei von Computern erzeugten virtuellen Welten so überzeugend, daß man sich vorstellen kann, die auf einem Darstellungsmittel dargestellten Objekte tatsächlich anfassen zu können.
Aus dem Stand der Technik der DE 44 00 790 A, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Ein- und Ausgabevorrichtung bekannt, die eine Mehrzahl von Fingeraufnahmeelemente aufweist, in die die Finger eines Benutzers eingreifen. Die Elemente sind an ehrgliedrigen Armen befestigt, die über einen weiteren Träger an einer raumfesten Basis befestigt sind. Die Arme sind mittels des angeschlossenen Computersystems steuerbar, wodurch die Bewegungen der Finger beeinflußt werden können. Darüber hinaus sind die Fingeraufnahmeelemente mit taktile Reize erzeugenden Anordnungen versehen, um zusätzliche Reize dem Benutzer bei der Verwendung der Ein- und Ausgabevorrichtung zu vermitteln. Durch die Befestigung an einer raumfesten Basis ist die Bewegungsfreiheit des Benutzers eingeschränkt .
Weiterhin zeigt die US 5,555,894 A eine Ein- und Ausgabevorrichtung in Form verschiedener Gegenstände, an deren
Oberflächen verteilt angeordnete Fingerauflagebereiche angeordnet sind. Diese sind mit Drucksensoren versehen, so daß die durch die Finger ausgeübte Kräfte erfaßt und mittels des Computers in eine virtuelle Bewegung umgestzt werden. Für eine mehrdimensionale virtuelle Bewegung sind somit nur leichte durch die Finger ausgeübte Drücke erforderlich. Daher ist die Bewegung der Finger nicht natürlich und stimmt nicht mit der daraus erzeugten virtuellen Bewegung überein. Taktile Reize werden zudem an den Fingeranlageflächen durch bewegliche Stifte erzeugt. Die repulsiven Kräfte werden dabei in Abhängigkeit von der auf die Drucksensoren ausgeübten Kräfte eingestellt. Zudem kann das Berühren von virtuellen Gegenständen durch die taktilen Reize vermittelt werden.
Schließlich ist aus der US 5,709,219 eine Ein- und Ausgabevorrichtung bekannt, bei der komplexe taktile Reize über verschiedene Ausgabeeinrichtungen erzeugt werden. Die taktilen Reize dienen einer fühlbaren Rückkopplung virtueller Objekte an einen Benutzer. Es werden durch unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten und -formen die verschiedenen taktilen Reize vermittelt.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Aktion des Greifens in Form einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung sowie eines entsprechenden Verfahrens zur Anwendung dieser Ein- und Ausgabevorrichtungen dahingehend zu verbessern, daß ein weitgehend realistisches Manipulieren und Greifen von virtuellen Objekten ermöglicht wird, ohne daß das Hand-Arm-System in seiner Bewegungsfreiheit eingeschränkt ist.
Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird zunächst gemäß Anspruch 1 durch eine haptische Ein- und Ausgabe-
- o -
Vorrichtung mit einer Basis, mit mindestens zwei Flügeln, die mit der Basis relativ zueinander bewegbar verbunden sind und jeweils eine Fingeranlagefläche aufweisen, mit mindestens einem mit den Flügeln verbundenen Antrieb, und mit einer elektronischen Schnittstelle für eine Datenübertragung zwischen der Ein- und Ausgabevorrichtung und einem Computersystem, dadurch gelöst, daß der Antrieb den relativen Abstand zwischen den Flügeln steuert und eine der Annäherung der Flügel zueinander entgegenwirkende Kraft erzeugt.
Der Abstand zwischen beiden Flügeln wird demnach durch den Antrieb so vorgegeben, daß der Widerstand beim Greifen von virtuellen Objekten dem Benutzer der Ein- und Ausgabevorrichtungen aufgrund der eigenen Fingerpositionen und ausgeübten Kräfte den Eindruck vermittelt, ein tatsächliches Objekt zu greifen.
In bevorzugter Weise weist die Ein- und Ausgabevorrichtung mindestens eine an einem Teil einer Hand eines Benutzers anliegenden Anlagefläche, mindestens eine in der Anlagefläche ausgebildeten Aussparung, einen unterhalb der Aussparung relativ zur Anlagefläche bewegbaren Stempel und eine am Stempel ausgebildeten Kontaktfläche auf. Durch die Relativbewegung zwischen dem Stempel und der Aussparung verwirklicht diese Ausgestaltung der Ein- und Ausgabevorrichtung, daß der im Bereich der Aussparung angeordneten Oberfläche der Hand, insbesondere der Fingerspitze, ein Berührungsreiz, also ein taktiler Reiz vermittelt wird. Mit anderen Worten simuliert die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung die Wirkungen, die ein Objekt auf die Kraftausübung der Hand und auf die Haut der greifenden Hand hat, wenn dieser das Objekt berührt oder ergreift .
Das oben aufgezeigte technische Problem wird gemäß Anspruch 19 auch durch ein Verfahren zum Manipulieren von virtuellen Objekten gelost, bei dem ein Computersystem mit einer Trackervorπchtung zum Erfassen der räumlichen Position der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung verwendet wird, bei dem die von einem Benutzer vorgegebene raumliche Position der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung von der Trackervorrichtung bestimmt und auf den Computer übertragen wird, bei dem die räumliche Position der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung im virtuellen Raum m Bezug auf das mindestens eine virtuelle Objekt berechnet wird, bei dem die relative Lage der mindestens zwei Flügel der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung bestimmt und auf den Computer übertragen wird, bei dem die räumliche Position der Flügel im virtuellen Raum in Bezug auf das mindestens eine virtuelle Objekt berechnet wird und bei dem der Antrieb der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung mit Hilfe des Computers so angesteuert wird, daß die der Annäherung der Flügel zueinander entgegenwirkende Kraft dann vergrößert wird, wenn die Fingeranlageflache mindestens eines Flugeis m der Projektion innerhalb des virtuellen Raumes mit der Oberflache eines virtuellen Objektes zumindest teilweise übereinstimmt .
Somit ist es beispielsweise für ein Simulieren des Greifens eines virtuellen harten Objektes möglich, das mit Hilfe des Antriebes die Annäherung der Flügel ab einem durch die Abmessung des virtuellen Objektes vorgegebenen Abstand blockiert wird. Auch ein festeres Zugreifen und Zusammendrucken der Flügel fuhrt nicht zu einer weiteren Annäherung derselben, so daß der Benutzer der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung die Wirkung erfahrt, daß er
das virtuelle Objekt tatsachlich gegriffen hat. Dazu wird m bevorzugter Weise bei einem von einem Computer erzeugten virtuellen Objekt auf einer Darstellungsvorrichtung bspw. eine greifende Hand dargestellt, die durch die Bewegung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung gesteuert wird.
Darüber hinaus ist es für ein Simulieren des Greifens eines virtuellen elastischen Objektes möglich, mit Hilfe des Antriebes die der Annäherung der Flügel zueinander entgegenwirkenden Kraft ab einem durch die Abmessung des virtuellen Objektes vorgegebenen Abstand zunehmend zu vergrößern. In diesem Fall kann dem Benutzer der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung der Eindruck vermittelt werden, daß er beispielsweise ein elastisch verformbares Objekt gegriffen hat. Denn die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung blockiert nicht ab einem vorgegebenen Abstand eine weitere Annäherung der Flügel, sondern sie erschwert zunehmend eine weitere Annäherung der Flügel, so wie es bei dem Greifen eines realen elastischen Korpers
In weiter bevorzugter Weise kann in der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung ein Drucksensor angeordnet sein, der die Große der zusammendruckenden Kraft mißt. In Abhängigkeit von diesen Meßwerten wird dann die der Annäherung der Flügel zueinander entgegenwirkende Kraft eingestellt. Somit wird nicht nur aus den Abstandsmformatio- nen der Flügel zueinander, sondern auch durch die Messung der ausgeübten Kraft eine Ruckkopplung zwischen der realen und virtuellen Welt realisiert.
Für ein Simulieren des Beruhrens eines virtuellen Objektes wird dagegen eine haptische Ein- und Ausgabevorrich-
tung verwendet, bei der ein Stempel relativ zu einer Anlagefläche der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung und durch eine Aussparung hindurch bewegt wird. Für das Simulieren des Berührens eines virtuellen Objektes wird der Stempel in eine Position verfahren, in der die Kontaktfläche des Stempels in Anlage mit einem an der Anlagefläche der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen anliegenden Teil, insbesondere Finger einer Hand des Benutzers gebracht wird. Dadurch, daß die Kontaktfläche des Stempels bspw. die Fingerkuppe berührt, wird ein haptischer Reiz hervorgerufen, der dem Benutzer vermittelt, daß er mit diesem Finger eine Oberfläche berührt. Es wird also je nach Fingerstellung in der Projektion relativ zu virtuellen Objekten im virtuellen Raum und somit je nach Stellung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung ein haptischer Reiz ein- bzw. ausgeschaltet, indem der Stempel zwischen zwei Positionen hin- und hergefahren wird.
Sind mindestens zwei Stempel zum Hervorrufen eines haptischen Reizes vorhanden, so kann die Trägheit des virtuellen Objektes dadurch simuliert werden, daß von den Antrieben der verschiedenen Stempel unterschiedliche Andrückkräfte der Kontaktflächen an die zugeordneten Teile, insbesondere an die verschiedenen Finger der Hand des Benutzers erzeugt werden. Bewegt also der Benutzer die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung, während er damit ein virtuelles Objekt gegriffen hat, so drückt bspw. ein Stempel stärker gegen eine Fingerkuppe, während der andere schwächer gegen die andere Fingerkuppe drückt. Somit kann bei einer Beschleunigung des virtuellen Objektes in Richtung der Bewegungsrichtung der Stempel senkrecht zur Anlagefläche die Trägheit des virtuellen Objektes durch unterschiedlich starkes Andrücken der Stempel an die Finger simuliert werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für ein Simulieren der Trägheit eines mit Hilfe einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung manipulierten virtuellen Objektes vom Antrieb der Kontaktfläche mindestens eines Stempels eine Bewegung der Kontaktfläche im wesentlichen parallel zur Ebene der Öffnung der Aussparung erzeugt. Somit bewegt sich die Kontaktfläche des Stempels seitlich zur Hautoberfläche und verformt bei ihrer Bewegung die Haut bspw. der Fingerkuppe. Diese Verformung wird von den Rezeptoren in der Haut erkannt und je stärker die verformende Kraft an den Fingerkuppen ist, desto höher ist das so empfundene Gewicht des Objektes. In der Folge wird der Benutzer stärker zugreifen, um nicht das Gefühl des Abrutschens zu bekommen. Dieser Prozeß läuft reflexartig ab und führt dazu, daß die Trägheit, insbesondere das Gewicht des virtuellen Objektes beim Greifen mit der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung simuliert wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügte Zeichnung bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1-5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung,
Fig. 6 in einer perspektivischen Darstellung die Hand eines Benutzers mit der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten haptischen Ein- und Ausgäbevorriehtung,
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer Hand eines Benutzers mit zwei verschiedenen Ver-
sionen eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ein- und Ausgabevorrichtung,
Fig. 8-15 weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen,
Fig. 16-19 verschiedene Ausführungsbeispiele von quer zur Anlageflächen bewegbaren Kontaktelementen einer erfindungsgemäßen haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung,
Fig. 20-26 schematische Darstellungen, die die Durchführung der verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung darstellen, und
Fig. 27 und 28 erfindungsgemäße Computersysteme.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 für ein Manipulieren von mit Hilfe eines Computersystems erzeugten virtuellen Objekten 20. Die Ein- und Ausgabevorrichtung 2 weist eine Basis 4 auf, die als in einer Handinnenfläche eines Benutzers anliegendes Gehäuse ausgebildet ist. Die näherungsweise eliptoidische Ausgestaltung des Gehäuses 4 dient dabei einer guten Anpassung an die Handinnenfläche. Die Ein- und Ausgabevorrichtung 2 weist zwei Flügel 6 und 8 auf, die mit der Basis 4 relativ zueinander bewegbar verbunden sind und weisen jeweils eine Fingeranlagefläche 10 und 12 auf. Diese sind insbesondere auch in Fig. 6 zu erkennen, in der perspektivisch die
Handhabung der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 dargestellt ist .
Die Ein- und Ausgabevorrichtung 2 weist weiterhin mindestens einen Antrieb 14 auf, wie in den Fig. 1 bis 3 mit gestrichelter Linie schematisch dargestellt ist. Der Antrieb 14 ist mit den Flügeln 6 und 8 verbunden und steuert deren relativen Abstand zueinander. Die Funktionsweise des Antriebes 14 kann in vielfältiger Weise ausgestaltet sein, wie in den Fig. 8 bis 19 dargestellt ist und im folgenden näher erläutert wird.
Weiterhin weist die Ein- und Ausgabevorrichtung 2 eine elektrische Schnittstelle 16 für eine Datenübertragung zwischen der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 und einem Computersystem auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektrische Schnittstelle 16 als Kabelverbindung ausgebildet. Daneben sind auch elektrische Schnittstellen in Form einer Funkverbindung oder einer Infrarotverbindung möglich .
Wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, sind die Flügel 6 und 8 drehbar mit der Basis 4 verbunden, wozu diese um eine gemeinsame Drehachse 18 verschwenkbar angeordnet sind. Somit können die Flügel 6 und 8 aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden. Dieses ist ebenso möglich, wenn die Drehachsen 18a und 18b der Flügel 6 und 8 beabstandet zueinander an der Basis 4 angeordnet sind, wie bspw. Fig. 9 zeigt. Im letzten Fall entspricht die Bewegung der Flügel 6 und 8 besser der Bewegung von Daumen und Zeigefinger einer Hand.
Die verschiedenen Drehwinkelpositionen der Flügel 6 und 8 sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Fig. 1 zeigt die
Flügel 6 und 8 in einer voneinander entfernt angeordneten Position, wobei die Flügel 6 und 8 maximal voneinander getrennt sind, da diese an der als Gehäuse ausgebildeten Basis 4 anliegen. Fig. 2 zeigt die Flügel 6 und 8 in einer mittleren Stellung, wobei zusätzlich in gestrichelten Linien ein virtuelles Objekt 20 dargestellt ist, das von den beiden Flügeln 6 und 8 "gegriffen" worden ist. Fig. 3 zeigt dagegen die Flügel 6 und 8 mit minimalem Abstand zueinander, wobei die vorderen, in Fig. 3 linken Enden der Flügel 6 und 8 aneinander anliegen.
Für eine geeignete Handhabung der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 ist es erforderlich, daß die beiden Flügel 6 und 8 so vorgespannt sind, daß sie immer die Position, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, annehmen, sofern die Flügel 6 und 8 nicht durch einen Benutzer zusammengedrückt werden. Dadurch ist gewährleistet, daß die Flügel 6 und 8 stets der Bewegung der sie führenden Finger einer Hand des Benutzers folgen. Die Vorspannung kann entweder durch den Antrieb 14 gewährleistet werden, oder es ist ein separater Antrieb, bspw. eine Feder zum Vorspannen der Flügel 6 und 8 vorgesehen.
Der Antrieb 14 kann so vom Computersystem angesteuert werden, daß er eine der Annäherung der Flügel 6 und 8 zueinander entgegenwirkende Kraft erzeugt. Dieses wird bspw. dazu verwendet, ab einer bestimmten Annäherungsposition der Flügel 6 und 8 zueinander diese gegenüber einer weiteren Annäherung zu blockieren. Somit kann der in Fig. 2 dargestellte Zustand eingenommen werden, in dem die Flügel 6 und 8 nicht weiter zusammengedrückt werden können und der Benutzer der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 den Eindruck erhält, daß das virtuelle Objekt 20 tatsäch-
lieh zwischen den Flügeln 6 und 8 angeordnet ist. In dieser Weise kann das virtuelle Objekt "gegriffen" werden.
Fig. 7 zeigt in schematischer Form zwei verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ein- und Ausgabevorrichtung 2. Fig. 7a zeigt zwei Flügel 4 und 6, die entlang der unteren Kante, die die Basis 4 bildet, miteinander scharnierartig verbunden sind. Durch ein Zusammendrücken des Daumens und des Zeigefingers der dargestellten Hand kann die Winkelposition zwischen den beiden Flügeln 6 und 8 verändert werden. Ähnlich kann dieses bei der in Fig. 7b dargestellten Ausführungsform geschehen. Hier ist zusätzlich eine verlängerte Basis 4 vorgesehen, die mit den weiteren Fingern, insbesondere dem Mittel-, Ring- und dem kleinen Finger gegriffen werden kann. Dadurch erhöht sich die Stabilität der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 während der Benutzung.
Die Fig. 8a und 8b zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Flügel 6 und 8 von einem gemeinsamen Antrieb 14 bewegt werden. Der Antrieb 14 weist einen Motor 22 auf, der ein Zahnrad 24 antreibt, wie insbesondere Fig. 8a zeigt. Mit dem Zahnrad 24 stehen jeweils ein gezahntes Antriebselement 26a und b für jeweils einen der Flügel 6 und 8 in Eingriff. Durch eine Drehung des Zahnrades 24 werden die Antriebselemente 26a und b linear verstellt, so daß je nach Drehrichtung des Zahnrades 24 die beiden Flügel 6 und 8 sich aneinander annähern oder sich voneinander wegbewegen. Wird weiterhin der Motor 22 so angesteuert, daß er in einer Richtung blockiert, können die Flügel 6 und 8 nicht näher aneinander angenähert werden, was dem zum vorbeschriebenen Greifen des virtuellen Objektes entspricht.
Die Fig. 9a und 9b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Antriebes 14, der aus einer Einheit aus einem Kolben 28 und einem Zylinder 30 besteht. Der Kolben 28 ist über eine Drehachse 32a mit dem Flügel 6 und der Zylinder 30 über eine Drehachse 32b mit dem Flügel 8 verbunden. Durch geeignetes Ansteuern der Kolben- Zylindereinheit 28 und 30 erfolgt eine Steuerung des Drehwinkels der Flügel 6 und 8 zueinander.
Die Fig. 10a und 10b zeigen eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 mit einem Antrieb 14 auf. Die beiden Flügel 6 und 8 sind linear aufeinander zu bewegbar und der Antrieb 14 weist zwei Einheiten aus jeweils einem Kolben 28a, 28b und Zylinder 30a und 30b auf, wie Fig. 10 zeigt. Durch eine Aktivierung und Deaktivierung der Kolben-Zylinder-Einheiten 28a, 30a und 28b, 30b kann der Abstand zwischen den Flügeln 6 und 8 eingestellt werden. Die Funktionsweise ist auch in der perspektivischen Darstellung in Fig. 10b dargestellt. Dabei ist mit gepunkteter Linie eine erweiterte Basis 4 dargestellt, die in der Handfläche der greifenden Hand anliegt und von Fingern der Hand gegriffen und festgehalten werden kann. Diese erweiterte Basis 4 dient somit einer größeren Stabilität bei der Verwendung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2.
Die Fig. 11a, b und c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ein- und Ausgabevorrichtung 2, bei der die beiden Flügel 6 und 8 mit kreissegmentartigen Zahnrädern 38a und 38b verbunden sind. Die Zahnräder 38a und 38b stehen mit einer Zahnstange 40 in Eingriff, die von einem Motor 22 über ein Zahnrad 24 zu einer linearen Bewegung angetrieben wird. Siehe dazu Fig. 11a. Durch ein Hin- und Herverstellen der Zahnstange 40
werden die Zahnräder 38a und 38b verdreht, wodurch die Flügel 6 und 8 in ihrem Drehwinkel zueinander um die Drehachsen 18a und 18b verstellt werden. In Fig. 11b ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem derselbe Mechanismus für den Antrieb lediglich eines Flügels verwendet wird. Dabei ist dem Zahnrad 38a ein kleines Zahnrad 42 über eine Verbindungsstange 44 zugeordnet, um einen Eingriff der Zahnstange 40 mit dem Zahnrad 38a zu gewährleisten. Fig. 11c zeigt in einer weiteren perspektivischen Darstellung das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel der Ein- und Ausgabevorrichtung 2. Auch hier ist eine erweiterte Basis 4 vorgesehen, mit der die Ein- und Ausgabevorrichtung 2 zuverlässig gehalten werden kann.
Die Fig. 12a und b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Antriebes 14, der zum Blockieren der Bewegung der Flügel 6 und 8 aufeinander zu dient. Dazu sind wie beim vorangegangen beschriebenen Ausführungsbeispiel teilkreisförmige Zahnräder 38a und 38b mit den Flügeln 6 und 8 verbunden. Beide Zahnräder 38a und 38b stehen kämmend im Eingriff miteinander, so daß ihre Relativbewegung aufeinander abgestimmt ist. Der Antrieb 14 treibt eine Blockierstange 46 an, die zum Blockieren einer weiteren Bewegung der Flügel 6 und 8 aufeinander zu in den Spalt 48, der zwischen den Zahnrädern 38a und 38b ausgebildet ist, eingeschoben wird. Das vordere Ende blockiert dann eine weitere Drehung der Zahnräder 38a und 38b gegeneinander wie Fig. 12a zeigt. In Fig. 12b ist eine Blockierung lediglich eines Zahnrades 38a mit Hilfe der Blok- kierstange 46 dargestellt. Auch hier ist ein kleines Zahnrad 42 mit Hilfe einer Verbindungsstange 46 mit dem Flügel 6 verbunden, wobei das kleine Zahnrad 42 als Wiederlager für die Blockierstange 46 dient.
Weiterhin kann bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel ein elastisches Element (nicht dargestellt) vorgesehen sein, das eine Relativbewegung zwischen den Flügeln 6 und den Zahnrädern 38a, b ermöglicht. Somit wird das durch das Vorschieben der Blockierstange 46 erzeugte abrupte Blockieren zugunsten einer abgefederten Bewegung verändert, so daß auch das Greifen eines elastischen virtuellen Objektes simuliert werden kann. Die dem Zusammendrücken entgegenwirkende Kraft nimmt dabei in Ab- ängigkeit von der Federkraft zu. Bevorzugt ist dabei weiterhin, daß ein weiterer Mechanismus (nicht dargestellt) die Bewegung zwischen den Flügeln 6 und den Zahnrädern 38a, b freigibt oder blockiert, so daß wahlweise ein abruptes oder ein abgefedertes Blockiren simuliert werden kann .
Die Fig. 13a und b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Antriebes 14, der das gleiche Prinzip verwendet, wie es zuvor anhand des in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben worden ist. Ein Motor 22 treibt ein Zahnrad 24 an, das mit einem eine Zahnung aufweisenden Antriebselement 26 in Eingriff steht. An einem Ende des Antriebselementes 26 ist der Flügel 6 befestigt. Das Antriebselement 26 weist eine Krümmung auf, so daß beim Verstellen des Antriebselementes 26 der Flügel 6 eine Schwenkbewegung vollzieht, wobei der Mittelpunkt der kreisförmigen Schwenkbewegung außerhalb der Basis 4 angeordnet ist. Das Antriebselement 26 wird mittels einer Führungsschiene 58 geführt, so daß das Antriebselement 26 eine definierte Bewegungsbahn durchläuft. Zusätzlich ist ein Lauflager 60 vorgesehen, durch das das Antriebselement 26 leicht verstellbar geführt ist.
Die Fig. 14a und b zeigen ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Ein- und Ausgabevorrichtung 2, bei der die in Fig. 13 dargestellten Antriebsmechanismen integriert sind. Bei der Ein- und Ausgabevorrichtung 2 handelt es sich um eine auf einer Flache 62 zweidimensional bewegbaren Ein- und Ausgabevorrichtung, wie sie im Prinzip als herkömmliche Computer-Maus bekannt ist. Die Tasten der Computer-Maus sind vorliegend als Flügel 6 und 8 ausgebildet, die seitlich verschwenkt werden können, wie es zuvor anhand von Fig. 13 beschrieben worden ist.
In den Fig. 15a und b ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 dargestellt. Die Flügel 6 und 8 sind um die gemeinsame Drehachse 18 drehbar miteinander verbunden. Gleitkorper 72a und 72b sind vorgesehen, zwischen denen eine elektroreo- logische Flüssigkeit 74 angeordnet ist, die mittels Dichtungen 76a und 76b zwischen Gleitkorpern 72a und 72b eingeschlossen ist. Weiterhin sind zwei Federelemente 78a und 78b vorgesehen, die die beiden Flügel 6 und 8 in Richtung einer Entfernung voneinander vorspannen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die elektroreolo- gische Flüssigkeit 74 wird deren Viskosität entsprechend der angelegten Spannung erhöht und es werden somit verschiedene Reibungswiderstande zwischen den Gleitkorpern 72a und 72b hervorgerufen. Die unterschiedlichen Rei- bungswiderstande vermitteln dem Benutzer verschiedene Kräfte, die aufgewendet werden müssen, um die Flügel 6 und 8 aufeinander zuzubewegen. Dabei kann die Viskosität der Flüssigkeit 74 derart erhöht werden, daß die Flügel 6 und 8 gegeneinander blockiert sind. Der Antrieb bei der in Fig. 15 dargestellten haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 besteht also aus einer Kombination der Federelemente 78a und 78b und dem Zusammenwirken der Gleitkor-
per 72a und 72 über die elektroreologische Flüssigkeit 74.
Bei sämtlichen zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen von haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 können die Antriebe so gesteuert werden, daß unabhängig von der Position der Flügel 6 und 8 eine Kraft erzeugt wird, die die Flügel 6 und 8 voneinander wegbewegt. Somit ist während der Benutzung gewährleistet, daß die Flügel 6 und 8 ständig an den Fingern des Benutzers anliegen, ohne daß die Finger mit den Flügeln 6 und 8 verbunden werden müssen. Dadurch wird eine einfache und bequeme Handhabung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 gewährleistet.
Weiterhin kann ein Drucksensor zwischen den Flügeln 6 und 8 angeordnet sein. Dieses ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Drucksensor dient dazu, den von den Fingern ausgeübten Druck auf die Flügel 6 und 8 zu bestimmen, wodurch bei der Simulation einer virtuellen Welt auch druckabhängige Tätigkeiten durchgeführt werden können. Beispielsweise sei angeführt, daß es zur Betätigung eines Schalters nicht ausreicht, diesen zu berühren, sondern das in jedem Fall ein bestimmter Druck ausgeübt werden muß, um eine andere Schaltposition zu bewirken. Zur Betätigung eines virtuellen Lichtschalters ist es daher notwendig, die auf den virtuellen Schalter ausgeübte Kraft, die vom Drucksensor in der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 dedektiert wird, auf das Computersystem zu übertragen. Da es eine Vielzahl von Tätigkeiten gibt, bei denen die Position des Fingers im Raum sich nur dann verändert, wenn ein bestimmter Druck überschritten wird, ist diese Art einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 für die Simulation derartiger Vorgänge vorteilhaft.
In den Fig. 1 bis 3 ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die haptische Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 weist - wie oben beschrieben - die Anlageflächen 10 und 12 auf, die für ein Anliegen eines Fingers einer Hand eines Benutzers dienen. In den Anlageflächen 10 und 12 sind Aussparungen 80 und 82 ausgebildet. Weiterhin sind Stempel 84 und 86 vorgesehen, die relativ zur Anlagefläche 10 und 12 bewegbar unterhalb der Aussparungen 80 und 82 angeordnet sind. Weiterhin weisen die Stempel 84 und 86 Kontaktflächen 88 und 90 auf, die je nach Position der Stempel 84 und 86 die Haut des an der Anlagefläche 10 und 12 anliegenden Fingers berühren. Dazu sind die Stempel 84 und 86 zwischen einer ersten, von der Anlagefläche 10 und 12 abgewandten Position, siehe Fig. 1, in eine zweite Position bewegbar, siehe Fig. 2, in der die Kontaktflächen 88 und 90 zumindest teilweise in den Aussparungen 80 und 82 angeordnet sind. Das bedeutet, daß ein Benutzer in der in Fig. 1 dargestellten Position keinen haptischen Reiz durch einen der Stempel 84 und 86 erfährt, während in der in Fig. 2 dargestellten Position die Kontaktflächen 88 und 90 einen haptischen Reiz auf den Finger, insbesondere die Fingerkuppe des jeweils an den Anlageflächen 10 und 12 anliegenden Fingers ausüben.
In den Fig. 4 und 5 sind zwei verschiedene Antriebsformen für ein Verstellen der Stempel 84 und 86 im wesentlichen quer zu den Anlageflächen 10 und 12 dargestellt. In Fig. 4 ist die Anlagefläche 10 über den Flügel 6 mit einem Antrieb 92 für den Stempel 84 verbunden. Der Antrieb 92 kann den Stempel 84 linear verstellen, wodurch dieser senkrecht zur Anlagefläche 10 bewegt wird. Dieses ist mit dem Doppelpfeil in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 5 ist da-
gegen die Anlagefläche 10 über eine Drehachse 94 mit dem Flügel 6 und dem daran befestigten Stempel 84 verbunden. Zwischen dem Flügel 6 und der Anlagefläche 10 ist ein Federelement 96 vorgesehen, daß eine Relativbewegung der Anlagefläche 10 gegenüber dem Stempel 84 ermöglicht. Bei feststehendem Flügel 6 wird durch eine auf die Anlagefläche 10 ausgeübte Kraft diese in Richtung des Stempels 84 verschwenkt, so daß die Kontaktfläche 88 durch die Aussparung 80 zumindest teilweise hindurch treten kann. Dadurch wird der oben beschriebene haptische Reiz auf den in der Aussparung angeordneten Finger des Benutzers ausgeübt .
In Fig. 10 ist eine weitere Ausgestaltung der Anordnung aus Stempel 84 und 86 und Anlagefläche 10 und 12 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Stempel 94 und 86 fest mit den Flügeln 6 und 8 verbunden. Über die Federelemente 96 sind die Anlageflächen 10 und 12 unter elastischer Vorspannung mit den Flügeln 6 und 8 verbunden. Durch ein Zusammendrücken der Anlageflächen 10 und 12, wie es in Fig. 10b dargestellt ist, werden durch eine Kraftausübung durch die Finger die Anlageflächen 10 und 12 relativ zueinander bewegt. Dabei reicht die Federkraft der Federelemente 96 aus, um eine Annäherung der Stempel 84 und 86 zueinander zu erlauben, sofern der Antrieb 14 nur eine geringe Kraft ausübt. Erhöht sich diese Kraft, so werden die Flügel 6 und 8 abgebremst und die Anlageflächen 10 und 12 nähern sich soweit an die Flügel 6 und 8 an, bis die anliegenden Finger mit den Kontaktflächen 88 und 90 der Stempel 84 und 86 in Berührung kommen und somit ein haptischer Reiz ausgeübt wird.
Die zuvor beschriebene Bewegbarkeit der Stempel relativ zu den Anlageflächen ist allgemein anwendbar. Zum einen
können die Aussparungen an den Anlageflächen im Bereich der Fingerkuppen einer Benutzerhand angeordnet sein. Da die Fingerkuppen für den Tastsinn besondere Eigenschaften aufweisen, ist dieser Ort für die Anordnung der Stempel sehr gut geeignet. Jedoch können bspw. Stempel- Aussparungsanordnungen auch im Bereich einer Basis ausgebildet sein, die mit ihrer Oberfläche zumindest teilweise an der Handinnenfläche anliegt. Durch ein Einwirken der Stempel auf die Haut der Handinnenfläche können zusätzliche haptische Reize auf die Hand ausgeübt werden, die insbesondere für ein Simulieren eines festen Zugreifens eines Objektes geeignet sind. Daneben ist es auch möglich, die Stempel so anzuordnen, daß die Fingerspitzen von mehreren Seiten mit haptischen Reizen beaufschlagt werden, so daß die Fingerspitzen seitlich und von vorne mit unterschiedlichen haptischen Reizen beaufschlagt werden können.
In den Fig. 16 bis 19 sind Ausgestaltungen der Kontaktfläche 88 und 90 der Stempel 84 und 86 dargestellt. Diesen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß die Kontaktfläche 88 und 90 im wesentlichen parallel zur Ebene der Öffnung der Aussparung 80 und 82 bewegbar ausgebildet ist. Durch diese Bewegung wird auf die an der Kontaktfläche 88 und 90 anliegende Haut des Benutzers eine scherende Kraft ausgeübt, wodurch neben dem reinen haptischen Reiz des Kontaktierens eine Bewegung der berührten Oberfläche eines virtuellen Objektes relativ zum Finger des Benutzers simuliert werden kann. Bevor diese Wirkungsweise im Detail beschrieben wird, werden zunächst die Ausführungsformen der verschiedenen Kontaktflächen 88 und 90 beschrieben.
In Fig. 16 ist die Kontaktfläche 88 in Form einer Walze 98 ausgebildet, die von einem Antriebsrad 100 zu einer Drehbewegung angetrieben wird. Dazu ist ein Antrieb 102 vorgesehen. Liegt ein Finger an der Kontaktfläche 88, also der Oberfläche der Walze 98 an und wird die Walze 98 zu einer Drehbewegung angetrieben, so wird die Haut des anliegenden Fingers in einer Richtung geschert.
In den Fig. 17a und b ist eine weitere Ausführungsform einer bewegbaren Kontaktfläche 88 dargestellt. Ein Kontaktelement 104 bildet die Kontaktfläche 88. Über einen Stift 106 steht das Kontaktelement 104 mit zwei linear verstellbaren Führungsschlitten 108a und 108b in Eingriff. Diese sind unabhängig voneinander über Linearantriebe 110a und 110b linear verstellbar, wobei einerseits Führungsschienen 112a und 112b und andererseits von den Linearantrieben 110a und 110b angetriebene Gewindespindel 114a und 114b vorgesehen sind. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Antriebe 110a und 110b können die Führungsschlitten 108a und 108b unabhängig voneinander verstellt werden, wie mit den Doppelpfeilen in Fig. 17b dargestellt ist. Entsprechend der Bewegungen der Führungsschlitten 108a und 108b ergibt sich eine Bewegung des Kontaktelementes 104 relativ zu der nicht dargestellten Aussparung 80 bzw. 82 eines der zuvor beschriebenen haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2.
In den Fig. 18a und b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer bewegbaren Kontaktfläche 88 dargestellt. Ein teilweise kugelförmiges Kontaktelement 116 bildet die Kontaktfläche 88. Das Kontaktelement 116 ist mit Hilfe eines Kugelgelenkes 118 drehbar gelagert. Zwei Linearantriebe 120a und 120b sind über Verbindungsstangen 122a und 122b mittels Drehgelenken 124a und 124b mit dem Kon-
taktelement 116 verbunden. Durch ein unabhängiges Verstellen der Verbindungsstangen 122a und 122b mit Hilfe der Linearantriebe 120a und 120b wird das Kontaktelement 116 in zwei Richtungen um das Kugelgelenk 118 verdreht. Dadurch treten bei einem anliegendem Finger Scherkräfte in zwei verschiedenen Richtungen auf, wodurch der oben beschriebene zusätzliche haptische Reiz einer Relativbewegung eines virtuellen Objektes gegenüber dem Finger eines Benutzers simuliert werden kann.
In den Fig. 19a und b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine bewegbare Kontaktfläche 88 dargestellt. Ein kugelförmiges Kontaktelement 126 bildet die Kontaktfläche 88. Mit Hilfe von Kugellagern 128a bis 128d kann das kugelförmige Kontaktelement 126 frei verdrehbar gehalten werden. Dazu sind zwei Antriebe 130a und 130b vorgesehen, die Antriebsräder 132a und 132b antreiben, die mit der Oberfläche des kugelförmigen Kontaktelementes 126 in Eingriff stehen. Durch unabhängiges Ansteuern der Antriebe 130a und 130b kann die Kugel in beliebigen Richtungen verdreht werden, wodurch die oben beschriebenen Scherkräfte auf die Haut des Fingers des Benutzers ausgeübt werden.
In einer weiteren, nicht in der Zeichnung dargestellten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Kontaktfläche 88 und 90 als aktive, insbesondere als vibro- taktile Oberfläche ausgebildet sein. Dadurch ist es möglich, dem Benutzer einen zusätzlichen haptischen Reiz zu vermitteln, der die Oberflächenbeschaffenheit, wie bspw. eine Rauheit, vermittelt werden kann. Dazu sind in der Kontaktfläche aktive Elemente enthalten, die die vibro- taktile Wirkungsweise hervorrufen.
Auch bei der besonderen Ausgestaltung der Stempel 84 und 86 kann ein Drucksensor vorgesehen sein, der die auf den Stempel ausgeübte Kraft mißt. Der vom Drucksensor ermittelte Wert kann dann bei der Simulation von druckabhängigen Tätigkeiten - wie sie oben beschrieben worden sind - verwendet werden.
Die zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Antriebe für eine Bewegung der Flügel 6 und 8 relativ zueinander einerseits und der Ausgestaltungen der bewegliche Stempel 84 und 86 andererseits sind im Prinzip unabhängig voneinander. So können bspw. die Flügel 6 und 8 ohne Stempel 84 und 86 ausgebildet sein. Andererseits können die von den Stempeln 84 und 86 hervorgerufenen haptischen Reize auch unabhängig von bewegbaren Flügeln 6 und 8 angewendet werden. Jedoch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Wirkung, wenn, wie in den Figuren mehrfach dargestellt, beide unabhängigen Lösungen miteinander kombiniert werden. Dieses ergibt sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Fig. 20 bis 25, in denen die unterschiedlichen Verfahren zum Manipulieren von virtuellen Objekten dargestellt sind. In diesen Figuren ist jeweils die Hand eines Benutzers dargestellt, die eine haptische Ein- und Ausgabevorrichtung 2 hält, wobei einerseits im Detail die Fingeranlageflächen 10 und 12 mit Aussparungen 80 und 82 sowie Stempel 84 und 86 und andererseits die Flügel 6 und 8 in ihrer relativen Position gegenüber der Basis 4 dargestellt sind.
In den Fig. 20a und b ist die Anwendung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 ohne ein Ergreifen eines virtuellen Objektes dargestellt. Die Flügel 6 und 8 sind von dem Daumen und dem Zeigefinger der dargestellten Hand beliebig betätigbar und die Stempel 84 und 86 befinden
sich in ihrer ersten, zurückgezogenen Position, die zugeordneten Kontaktflächen der Stempel 84 und 86 berühren nicht die Fingerkuppen des Daumens und des Zeigefingers.
In den Fig. 21a und b ist die Anwendung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 mit einem ergriffenen virtuellen Objekt 20 dargestellt. Entsprechend der äußeren Abmessung a des virtuellen Objektes 20 sind die Flügel 6 und 8 in den in Fig. 21b dargestellte Positionen gegenüber einem weiteren Zusammendrücken blockiert. Dadurch bekommt der Benutzer den Eindruck, tatsächlich das virtuelle Objekt 20 gegriffen zu haben. Läßt der Benutzer die Finger los, so bewegen sich die Flügel 6 und 8 weiter nach außen, jedoch ist eine Verringerung des Abstandes unterhalb des Abstandes a nicht möglich. Im gegriffenen Zustand sind die Stempel 84 und 86 wie in Fig. 21a dargestellt in ihre zweite Position verfahren und berühren mit ihren zugeordneten Kontaktflächen die Fingerkuppen des Daumens und des Zeigefingers. Dadurch bekommt der Benutzer neben dem Blockieren der Flügel 6 und 8 einen zusätzlichen haptischen Reiz des Berührens eines Objektes. Der Benutzer hat tatsächlich das Gefühl, ein Objekt zu berühren, da zusätzlich zu der in Fig. 20a dargestellten Position die dort freien Fingerkuppen nunmehr an den Kontaktflächen der Stempel 84 und 86 anliegen.
In den Fig. 22a und b ist das Antippen eines virtuellen Objektes 20 dargestellt. Das virtuelle Objekt 20 befindet sich in einer Position, in der die Flügel 6 und 8 relativ zueinander bewegbar bleiben, da die Abmessungen des virtuellen Objektes 20 nicht zu einem Blockieren der Flügel 6 und 8 gegeneinander führen. Wie Fig. 22a zeigt, ist jedoch der Stempel 84 in seine zweite Position verschoben, so daß die zugeordnete Kontaktfläche an der Fingerkuppe
des Zeigefingers anliegt. Der gegenüberliegend angeordnete Stempel 86 verbleibt dagegen in seiner ersten Position, so daß kein zusätzlicher haptischer Reiz auf die Fingerkuppe des Daumen ausgeübt wird. In dieser Weise ist ein Ertasten einer virtuellen Umgebung mit Hilfe der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 möglich, denn immer dann, wenn die Position eines der Flügel 6 und 8 mit einer Oberfläche eines virtuellen Objektes im virtuellen Raum übereinstimmt, wird der haptische Reiz durch einen der Stempel 84 und 86 ausgeübt.
In den Fig. 23 und 24 ist dargestellt, wie einem Benutzer die Trägheit eines ergriffen virtuellen Objektes 20 vermittelt wird.
In den Fig. 23a und b ist der Zustand dargestellt, in dem ein gegriffenes virtuelles Objekt 20 mit der Hand in der Zeichnung nach unten entsprechend dem Pfeil bewegt wird. Aufgrund der Masse eines realen Objektes würde diese Handbewegung dazu führen, daß auf die Finger unterschiedliche Kräfte FI und F2 ausgeübt werden. Denn ein reales Objekt wird sich der Bewegung widersetzen und eine größere Kraft gegenüber dem Zeigefinger als gegenüber dem Daumen ausüben. Das bedeutet, daß die Kraft FI größer als die Kraft F2 ist, sofern die Bewegung der Hand horizontal verläuft, also keine unterschiedlichen Gewichtskräfte auftreten. Beispielsweise kann diese Bewegung das Verschieben eines Objektes auf einer Fläche bedeuten. Die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung 2 wird zur Simulation dieses Vorganges so angesteuert, daß zum einen die Flügel 6 und 8 in ihrer in der Fig. 23b dargestellten Position blockiert sind, also dem Benutzer der Eindruck vermittelt wird, er habe das Objekt 20 gegriffen. In Fig. 23a sind die beiden Stempel 84 und 86 in ihrer jeweils
— o —
zweiten Position dargestellt, in der die zugeordneten Kontaktflächen mit den Fingerkuppen in Berührung stehen. Die Antriebe der beiden Stempel 84 und 86 werden dabei so angesteuert, daß die vom Stempel 84 auf die Fingerkuppe des Zeigefingers ausgeübte Kraft FI größer als die vom Stempel 86 auf die Fingerkuppe des Daumens ausgeübte Kraft F2 ist.
Die Fig. 24a und b zeigen die Simulation der Trägheit des ergriffenen virtuellen Objektes 20, wenn es von der dargestellten Hand in Fig. 24b entsprechend dem Pfeil nach rechts verschoben wird. Aufgrund der Trägheit eines realen Objektes würden die Fingerkuppen des Zeigefingers und des Daumens durch die auftretenden Kräfte Fl zu den Fingerspitzen hin geschert. Dieses wird, wie in Fig. 24a dargestellt ist, von den Stempeln 84 und 86 simuliert, indem diese in Richtung der zu simulierenden Kräfte Fl verschoben werden. Dadurch werden wie bei einem realen Objekt die Fingerkuppen in Richtung der Fingerspitzen durch die entsprechenden Kontaktflächen der Stempel 84 und 86 geschert.
Eine ähnliche Vorgehensweise ist erforderlich, um das Gewicht eines virtuellen Objektes 20 zu simulieren, wie es in den Fig. 25a bis 25e dargestellt ist. Auch hier wirkt eine Kraft F in Richtung der Fingerspitzen, wenn ein reales Objekt gegriffen würde. Dementsprechend werden die Stempel 84 und 86, wie es in Fig. 25b dargestellt ist, angesteuert, also in ähnlicher Weise, wie es in Bezug auf die Fig. 24 beschrieben worden ist.
In den Fig. 25c bis 25e sind die in den Fig. 17 bis 19 dargestellten und zuvor beschriebenen Kontaktelemente in ihrer Funktionsweise dargestellt.
In Fig. 25c wird das kugelförmige Kontaktelement 26 zu einer Drehbewegung angetrieben, wie mit dem Pfeil innerhalb des dargestellten Kontaktelementes 26 gekennzeichnet ist. Durch Anliegen der Fingerkuppe an der durch das Kontaktelement 126 realisierten Kontaktfläche wird die Fingerkuppe in Richtung der Fingerspitzen geschert.
Derselbe Effekt tritt bei der in Fig. 25d dargestellten Ausführungsform auf, bei dem das Kontaktelement 104 mittels der linearen Verstellmechanismen in Richtung der Fingerspitze verstellt wird. Auch hier wird die Haut der Fingerkuppe in Richtung der Fingerspitze geschert.
Ebenso ist dieses in Fig. 25e realisiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das teilkreisförmige Kontaktelement 116 derartig gedreht, daß auch hier ein Scheren der Fingerkuppe in Richtung der Fingerspitze erfolgt.
Bei allen Ausführungsbeispielen wird somit erreicht, daß dem Benutzer ein haptischer Reiz vermittelt wird, der dem Gewicht eines realen Objektes entspricht.
Die Fig. 26a und b zeigen ein virtuelles Objekt 20, das von zwei verschiedenen haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 und 2' gegriffen wird. Beide Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 und 2' werden so angesteuert, daß einem Benutzer der Eindruck des Greifens des Objektes 20 vermittelt wird. Das Zusammenwirken beider Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 und 2 ' kann vom Computersystem gesteuert werden. Ein Wegziehen des virtuellen Objektes 20 durch die eine Ein- und Ausgabevorrichtung 2, in Fig. 26a rechts, ruft zunächst eine Ansteuerung der Kontaktelemente 126 hervor, so daß diese den anliegenden Fingern einen
entsprechenden haptischen Reiz vermitteln. Die Bewegung der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 ruft eine Bewegung des virtuellen Objektes 20 hervor, die von der anderen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 ' durch eine entsprechende Ansteuerung der Kontaktelemente 126' dem Benutzer vermittelt wird. Sind weiterhin zwei verschiedene Benutzer vorhanden, die die beiden haptischen Ein- und Ausgabevorrichtungen 2 und 2' bedienen, so ist eine Interaktion zwischen beiden Benutzern möglich.
In Fig. 27 ist schließlich ein erfindungsgemäßes Computersystem zum Manipulieren von virtuellen Objekten dargestellt. Es sind ein Computer 134 und eine Darstellungsvorrichtung 136 vorgesehen, auf der die vom Computer 134 berechnete und simulierte dreidimensionale virtuelle Welt mit virtuellen Objekten dargestellt wird. Weiterhin ist eine haptische Ein- und Ausgabevorrichtung 2 mit der Basis 4 und den Flügeln 6 und 8 dargestellt die von einem Benutzer im dreidimensionalen Raum bewegt wird. Die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung 2 ist mit einer Verbindungsleitung 16 mit dem Computer 134 verbunden. Weiterhin ist eine Trackervorrichtung 138 zum Bestimmen der räumlichen Position der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung 2 vorgesehen, die mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung durch Aussenden und Empfangen von reflektierter Strahlung die räumliche Position bestimmt. Insgesamt ergibt sich ein Computersystem, mit dem virtuelle Objekte mit Hilfe einer haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung manipuliert werden können.
Fig. 28 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Computersystems, bei dem die Darstellungsvorrichtung 136 ein von einer Videokamera 140 aufgenommenes Bild einer realen
Welt darstellt, in der ein Robotorgrei er 142 angeordnet ist, der durch das Ein- und Ausgabegerät ferngesteuert wird. Die Stellungs- und Bewegungsdaten des Robotorgrei- fers 142 werden auf den Computer 134 übertragen. Aus diesen Daten berechnet der Computer 134 die Steuerdaten für die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung 2, so daß diese die Aktionen des Robotorgreifers 142 wiedergibt.
Insgesamt lassen sich die Vorteile der haptischen Ein- und Ausgabevorrichtung in ihrer Anwendung zum Manipulieren von virtuellen Objekten dahin gehend beschreiben, daß unter Zuhilfenahme der natürlichsten Ein- und Ausgabevorrichtung des Menschen, der Hand, in einem virtuellen Raum eine Interaktion möglich ist. Denn die hier vorgestellte haptische Ein- und Ausgabevorrichtung ermöglicht es, virtuelle Objekte mit mehreren Fingern zu erfassen und zu manipulieren. Es wird eine Vielzahl von Aktionen ermöglicht, die durch vorprogrammierte physikalische Eigenschaften und Funktionen der Objekte entsprechende Wirkung in der Anwendung zeigen. So ist es möglich, auf erfaßte Gegenstände eine Kraft auszuüben und sie so zu verformen, zu kneten oder zu zerdrücken. Weiterhin können mit Hilfe von erfaßten virtuellen Objekten andere virtuelle Objekte bearbeitet werden. Außerdem ist die haptische Ein- und Ausgabevorrichtung in der Lage, Gewicht, Trägheit und Eigendynamik der virtuellen Objekte erfühlbar zu machen. So können bspw. Werkzeugkräfte gezielt eingesetzt werden, da diese über die direkten haptischen Informationen eingeschätzt und kontrolliert werden können.