WO2013034745A1 - Bewegliche und sensitive fläche - Google Patents

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WO2013034745A1
WO2013034745A1 PCT/EP2012/067583 EP2012067583W WO2013034745A1 WO 2013034745 A1 WO2013034745 A1 WO 2013034745A1 EP 2012067583 W EP2012067583 W EP 2012067583W WO 2013034745 A1 WO2013034745 A1 WO 2013034745A1
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movable
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Ilija Vukorep
Ruben Jubeh
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Universität Kassel
Hochschule Lausitz
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    • G06F3/0447—Position sensing using the local deformation of sensor cells

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
  • This control is very complicated and complex. Since many engines are needed, the systems are very expensive.
  • the large number of motors and many mechanical parts thus require a high weight.
  • the maintenance is correspondingly complex. Because of the mechanics smaller, mobile versions are not possible.
  • the surfaces do not have integrated sensitive, ie touch-sensitive components, but are controlled by external sensors. A lack of built-in sensors prevents or impedes direct interaction with human interactive partners or machines.
  • the object of the invention is to provide a scalable, lightweight and touch-sensitive surface that changes its shape with the aid of integrated sensors to incoming pulses. This can be used to create space-separated human-human interaction, human-machine interaction, as well as three-dimensional moving terrain displays.
  • the device or surface has strips arranged in a matrix, which are motor-driven on one side in the X and Y directions by means of motors 3 and register pressure via (integrated) sensors (which form a sensor system).
  • the X and Y directions are preferably orthogonal directions (in particular right-handed coordinate system), which preferably span the plane of extent of that matrix or surface.
  • the strips preferably extend along this plane of extent along the said directions.
  • the Z direction is orthogonal to the other two directions (X and Y); thus runs in particular normal to that plane of extent or matrix (X, Y, and Z directions preferably form a right-handed coordinate system).
  • the strips are movable and the matrix in the Z-direction can change the shape.
  • the motors are controlled synchronously by means of a control unit (for example computer-aided).
  • the sensor system is designed to detect a matrix change (deformation / alteration of the matrix) produced via pressure (for example manually) via a measurement on the respective motor.
  • the sensor system is designed to detect a matrix change produced by pressure via linear resistances (eg potentiometers), which are in particular connected to the strips.
  • the sensor system is designed to detect a matrix change produced by pressure via pressure sensors on the respective strip.
  • the sensor system is designed to detect a matrix change produced by pressure via a preferably closely meshed, overlaid foil matrix keyboard.
  • the sensor system is designed to detect a matrix change produced by pressure via a capacitive measurement on the strip.
  • the sensor system is designed to detect a matrix change produced by pressure via an optical matrix.
  • Movable surfaces controlled by a linear matrix and equipped with sensors are much easier than pixel-oriented surfaces because fewer motors and sensors are required. Furthermore, they can be easily produced in a variety of sizes, conceivable are miniature surfaces in the sub-cm range up to several dozen meters diagonal. Due to the integrated sensors and lateral attachment of the actuators, it is possible to keep the device flat and to manufacture the devices in modules. Modules facilitate integration into other space and construction concepts. Due to the weight loss compared to the classic solution, the transport is cheaper and faster. Due to the desired Plug & Play system, the setup requires no technical knowledge. As a result, the range of applications of interactive surfaces in everyday life and work is greatly expanded.
  • actuators and sensors are not required at every point of the surface.
  • This invention uses matrix addressing (row / column, numbering similar to the field designator as in a chessboard) to address all points of the area. This is shown by way of example in FIG.
  • the rows and columns are solid and thus show the affiliation / addressing.
  • Each row and column number results in a pixel or intersection point address.
  • two actuators or sensors on two sides of the matrix are always responsible for one point: ie, x + y are required instead of x * y actuator / sensor units. For a matrix size of 10x10 this equates to 20 units instead of 100, the savings amount to 80%.
  • Another advantage lies in the integrated sensors, which sensory absorb and transmit the pressure on the surface.
  • the use of the matrix considerably reduces the number of sensory elements and thus simplifies the control of the sensory properties. If the actuator unit is used directly as a sensor, dedicated sensors are completely eliminated.
  • Fig. 1 shows a structure according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the matrix addressing in a device (surface) according to the invention
  • Fig. 4 is a vertical section through the device (surface) according to FIG.
  • FIG. 5 shows a further vertical section through the device (surface) according to FIG. 3;
  • the matrix is described as lying horizontally. Both the movement and the recording of pressure pulses is generated via a surface-spanned matrix of interwoven strips 1.
  • Each strip 1 is fixed at one end, at the other end of the strip is the actuator-sensor unit (AS unit), consisting of a servo motor and a pressure sensor. Since the strips are interwoven at a 90 ° angle, this results in two groups of AS units, once in the X and Y directions. The simultaneous movement of the X- and Y-engines buckle at the crossing point of each action the strips.
  • Below the matrix there is an elastic layer which prevents the stripes from buckling downwards, so that there is always a bump upwards.
  • the elastic layer fulfills another function: The pressure on the surface results in a resistance. Since the overlying strip exerts tension on the AS unit, this pressure can be measured.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the invention, which will be described in more detail below.
  • the perspective view of the surface according to FIG. 3 shows the arrangement of the matrix consisting of woven, flexibly elastic strips 1.
  • the strips 1 are clamped in a frame 2 below an elastic overvoltage, the matrix having strips 1 laid in the x and y directions.
  • a strip 1 runs alternately above or below the laid in the 90 ° - direction strips 1 of the other axis.
  • These strips 1 are firmly connected on one side to the frame 2.
  • the sensor-actuator unit consisting of an actuator or motor 3 and the sensor 5. By activating the motors 3, the associated strip 1 is pushed into the frame 2.
  • Figure 4 shows a vertical section through the surface with a deformed surface (actuator function). For a harmonic bulge several strips 1 are activated on one axis. These activation values are calculated by the two-dimensional Gaussian function:
  • FIG. 5 shows a vertical section through the surface in the pressed state (sensor function).
  • the user presses (7) at least two strips (those of a crossing point, or more) down through, ie opposite to the actuator direction. Since there is a flexible layer (e.g., foam) 6 under the strip matrix, this is possible to some extent.
  • a flexible layer e.g., foam
  • the primary method is the direct measurement on the motor 3.
  • the motor 3 has an angular momentum counter. If a strip is now pressed in by the user, this exerts tension on the motor 3 via the strip 1. If the motor 3 now rotates minimally through the train, the rotary encoder delivers values to the control unit 4. Thus, the user interaction is detected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine bewegliche und sensitive Fläche, wobei erfindungsgemäß in einer Matrix angeordnete Streifen (1) einseitig in X- und Y-Richtung motorbetrieben sind und über integrierte Sensoren Druck registrieren.

Description

Bewegliche und sensitive Fläche Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Flächen, die ihre Form programmatisch oder nach sensorischen Eingaben ändern, werden als interaktive Flächen bezeichnet. Derzeit werden von Firmen oder Einzelpersonen mehrere Interaktive Flächen hergestellt, wie z.B.: Hyposurface (http://www.hyposurface.org), welche in einem Raster angeordnete Platten durch einzelne Motoren bewegt und somit in Verbund ein bewegtes Raster entsteht. Eine Entwicklung im universitären Bereich ist Reciprocal Space, welches im Jahr 2005 von Ruairi Glynn entwickelt wurde. Es sind Wandflächen, die sich punktuell bewegen und auf Nutzer reagieren. Im Remote Home von Tobi Schneider/smart studio erzeugen bewegliche Möbel Interaktion zwischen Nutzern. Das Projekt Dynamic Terrain (http://www.janisland.com) bewegt punktuell eine elastische Fläche und erzeugt eine reliefierte Form. Die Hyperbody Research Group entwickelte den Muscle reconfigured 2004 (http://www.protospace.bk.tudelft.nl).
Die Nachteile der derzeitigen Entwicklungen liegen in der einzelnen Ansteuerung der Rasterpunkte, siehe Figur 1. Das dargestellte Pixelfeld, bestehend aus je elf Reihen und Spalten umfasst 121 einzelne Pixel (ηΛ2). Diese Ansteuerung ist sehr aufwendig und komplex. Da viele Motoren nötig sind, sind die Systeme sehr teuer. Die große Anzahl der Motoren, die meistens unterhalb der Fläche angeordnet sind, erfordern in der Regel auch eine hohe Konstruktionsdicke. Die große Anzahl an Motoren und viele mechanische Einzelteile erfordern somit auch ein hohes Gewicht. Die Wartung ist entsprechend komplex. Wegen der Mechanik sind kleinere, mobile Ausführungen nicht möglich. Desweiteren verfügen die Flächen nicht über integrierte sensitive, also berührungsempfindliche Komponenten, sondern werden über externe Sensoren gesteuert. Ein Fehlen der in der Fläche eingebauten Sensorik verhindert oder erschwert eine unmittelbare Interaktion mit menschlichen interaktiven Partnern oder Maschinen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine skalierungsfähige, leichte und berührungsempfindliche Fläche zu schaffen, die mit Hilfe integrierter Sensoren auf eingehende Impulse ihre Form verändert. Dies kann benutzt werden, um raumgetrennte Mensch-Mensch Interaktion, Mensch-Maschine Interaktion, sowie dreidimensionale bewegliche Geländedarstellungen zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch eine bewegliche und sensitive Fläche bzw. eine Vorrichtung mit einer solchen Fläche mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist vorgesehen, dass die Vorrichtung bzw. Fläche in einer Matrix angeordnete Streifen aufweist, die einseitig in X- und Y-Richtung mittels Motoren 3 motorbetrieben sind und über (integrierte) Sensoren (die eine Sensorik bilden) Druck registrieren.
Bei der X- und Y-Richtung handelt es sich bevorzugt um orthogonal zueinander verlaufende Richtungen (insbesondere rechtshändisches Koordinatensystem), die vorzugsweise die Erstreckungsebene jener Matrix bzw. Fläche aufspannen. Die Streifen erstrecken sich bevorzugt entlang dieser Erstreckungsebene entlang der besagten Richtungen. Entsprechend verläuft die Z-Richtung orthogonal zu den beiden anderen Richtungen (X und Y); verläuft also insbesondere normal zu jener Erstreckungsebene bzw. Matrix (X-, Y-, und Z-Richtung bilden vorzugsweise ein rechtshändisches Koordinatensystem).
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach ist in einer Variante der Erfindung vorgesehen, dass die Streifen beweglich sind und die Matrix in der Z-Richtung die Form verändern kann.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Motoren synchron mittels einer Steuerungseinheit (z.B. computergestützt) angesteuert werden.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorik dazu ausgebildet ist, eine über Druck (z.B. manuell) erzeugte Matrixveränderung (Verformung/Veränderung der Matrix) über eine Messung am jeweiligen Motor zu erfassen.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorik dazu ausgebildet ist, eine über Druck erzeugte Matrixveränderung über lineare Widerstände (z.B. Potentiometer) zu erfassen, die insbesondere mit den Streifen verbunden sind. In einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorik dazu ausgebildet ist, eine über Druck erzeugte Matrixveränderung über Drucksensoren am jeweiligen Streifen zu erfassen.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorik dazu ausgebildet ist, eine über Druck erzeugte Matrixveränderung über eine vorzugsweise engmaschige, darüberliegende Folienmatrixtastatur zu erfassen.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorik dazu ausgebildet ist, eine über Druck erzeugte Matrixveränderung über eine kapazitative Messungen an den Streifen zu erfassen.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorik dazu ausgebildet ist, eine über Druck erzeugte Matrixveränderung über eine optische Matrix zu erfassen.
Bewegliche Flächen, die über eine lineare Matrix gesteuert werden und sensorisch ausgestattet sind, sind viel leichter als pixelorientierte Flächen, weil weniger Motoren und Sensoren benötigt werden. Weiterhin können sie einfach in unterschiedlichsten Größen hergestellt werden, denkbar sind Miniaturflächen im sub-cm-Bereich bis hin zu mehreren dutzend Metern Diagonale. Durch die integrierte Sensorik und seitliche Anbringung der Aktorik ist es möglich das Gerät flach zu halten und die Geräte in Modulen herzustellen. Module erleichtern Integration in andere Raum- und Konstruktionskonzepte. Durch den Gewichtsverlust gegenüber der klassischen Lösung ist der Transport kostengünstiger und schneller. Durch das angestrebte Plug&Play System erfordert der Aufbau keine technischen Kenntnisse. Dadurch erweitert sich der Anwendungsspektrum von interaktiven Flächen im alltäglichen Leben und Beruf sehr.
Durch die Matrixanordnung und Matrixsteuerung ist nicht an jedem Punkt der Fläche Aktorik und Sensorik erforderlich. Diese Erfindung nutzt die Matrixadressierung (Zeile/Spalte, Nummerierung ähnlich der Feldbezeichner wie bei einem Schachbrett) um alle Punkte der Fläche anzusprechen. Diese ist beispielhaft in Figur 2 dargestellt. Die Reihen und Spalten sind durchgezogen und zeigen somit die Zugehörigkeit/Adressierung. Aus je einer Zeilen- und Spaltennummer ergibt sich eine Pixel- bzw. Kreuzungspunktadresse. Bevorzugt sind immer zwei Aktoren bzw. Sensoren an zwei Seiten der Matrix für einen Punkt zuständig: D.h. es werden x+y statt x*y Aktor/Sensor-Einheiten benötigt. Bei einer Matrixgröße von 10x10 entspricht dies 20 Einheiten statt 100, die Ersparnis beträgt 80%. Durch die Verringerung der mechanischen und elektronischen Bauteile gegenüber der klassischen Lösung ist die Anfälligkeit und Wartung dieser Geräte erheblich reduziert. Weiterhin verringert sich auch der Verbrauch der elektrischen Energie erheblich.
Ein weiterer Vorteil liegt in den integrierten Sensoren, die den Druck auf die Fläche sensorisch aufnehmen und weiterleiten. Auch hier wird durch den Einsatz der Matrix die Anzahl sensorischer Elemente erheblich reduziert und somit die Steuerung der sensorischen Eigenschaften vereinfacht. Wird die Aktoreinheit direkt als Sensor genutzt, entfallen dedizierte Sensoren ganz.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Aufbau nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Matrixadressierung bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (Fläche);
Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw.
Fläche;
Fig. 4 einen senkrechter Schnitt durch die Vorrichtung (Fläche) gemäß Figur
3;
Fig. 5 einen weiteren senkrechten Schnitt durch die Vorrichtung (Fläche) gemäß Figur 3;
Im folgenden wird die Matrix als horizontal liegend beschrieben. Sowohl die Bewegung als auch die Aufnahme von Druckimpulsen wird über eine flächenüberspannte Matrix aus verwobenen Streifen 1 erzeugt. Jeder Streifen 1 ist an einem Ende fixiert, am anderen Streifenende befindet sich die Aktor-Sensor- Einheit (AS-Einheit), bestehend aus einem Servomotor und einem Drucksensor. Da die Streifen im 90°-Winkel verwoben sind, ergeben sich somit zwei Gruppen AS- Einheiten, einmal in X- sowie in Y-Richtung. Die gleichzeitige Bewegung der X- und Y-Motoren verbeulen am Kreuzungspunkt der jeweiligen Aktion die Streifen. Unterhalb der Matrix ist eine elastische Schicht eingebaut die verhindert, dass die Streifen sich nach unten verbeulen, somit ergibt sich immer eine Beule nach oben. Die elastische Schicht erfüllt eine weitere Funktion: Beim Druck auf die Fläche ergibt sich ein Widerstand. Da der darüberliegende Streifen Zug auf die AS-Einheit ausübt, kann dieser Druck gemessen werden.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im Folgenden näher beschrieben werden soll. Im Detail zeigt die perspektivische Darstellung der Fläche gemäß Figur 3 die Anordnung der Matrix bestehend aus gewebten, flexibel elastischen Streifen 1. Auf Zug oder Druck findet möglichst keine Längenänderung statt. Die Streifen 1 befinden sich in einem Rahmen 2 eingespannt unterhalb einer elastischen Überspannung, wobei die Matrix in x- und y-Richtung verlegten Streifen 1 aufweist. Ein Streifen 1 läuft abwechselnd oberhalb bzw. unterhalb der in 90°- Richtung verlegten Streifen 1 der anderen Achse. Diese Streifen 1 werden auf der einen Seite fest mit dem Rahmen 2 verbunden. Auf der anderen Seite werden sie an der Sensor-Aktor-Einheit befestigt, bestehend aus einem Aktor bzw. Motor 3 und der Sensorik 5. Durch Aktivierung der Motoren 3 wird der zugehörige Streifen 1 in den Rahmen 2 geschoben. Dadurch beult er sich nach oben aus. Werden gezielt zwei Streifen 1 auf verschiedenen Achsen aktiviert, beulen sich die Streifen 1 vorhersagbar genau im Kreuzungspunkt auf. Dadurch können gezielt einzelne (Kreuzungs)-Punkte der Matrix aktiviert werden. Da sich die Streifen 1 gegenseitig mechanisch beeinflussen (Reibung an den Kreuzungspunkten), gibt es eine obere Schranke bezüglich der Streifenanzahl pro interaktives Flächenelement.
Figur 4 zeigt einen senkrechten Schnitt durch die Fläche mit deformierter Fläche (Aktor-Funktion). Für eine harmonische Ausbeulung werden mehrere Streifen 1 auf einer Achse aktiviert. Diese Aktivierungswerte berechnen sich durch die zweidimensionale Gauß-Funktion:
Figure imgf000007_0001
Figur 5 zeigt einen senkrechter Schnitt durch die Fläche in gedrücktem Zustand (Sensor-Funktion). Der Benutzer drückt (7) mindestens zwei Streifen (die eines Kreuzungspunktes, oder mehrerer) nach unten durch, also entgegen der Aktor- Richtung. Da sich unter der Streifen matrix eine flexible Schicht (z.B. Schaumstoff) 6 befindet, ist dies zu einem gewissen Grade möglich. Durch das Drücken übt der Streifen 1 Zug auf seine angeschlossene Aktor/Sensor-Einheit 8 aus. Dies wird von der Steuerung 4 erfasst.
Im Folgenden wird die Sensorik beschrieben: Es werden neben dem Primärverfahren weitere Verfahren kombiniert, um eine optimale Messung von Benutzerinteraktion zu erreichen. Das Primärverfahren ist die Direktmessung am Motor 3. Der Motor 3 verfügt über einen Drehimpulszähler. Wird nun ein Streifen durch den Benutzer eingedrückt, übt dies über den Streifen 1 Zug auf den Motor 3 aus. Dreht sich der Motor 3 nun minimal durch den Zug, liefert der Drehimpulsgeber Werte an die Steuerungseinheit 4. Somit ist die Benutzerinteraktion erfasst.
Alternative Sensorik:
1 .Drucksensor an der Streifen/Motor-Kopplung oder am festen Streifenende;
2. Folienmatrix-Tastatur, evtl. feiner/drüberliegend;
3. kapazitative Messung an den Streifen;
4. optische Matrix.

Claims

Patentansprüche
1 . Bewegliche und sensitive Fläche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einer Matrix angeordnete Streifen (1 ) einseitig in X- und Y-Richtung motorbetrieben sind und über integrierte Sensoren Druck registrieren.
2. Bewegliche und sensitive Fläche nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen (1 ) beweglich sind und die Matrix in der Z-Richtung die Form verändern kann.
3. Bewegliche und sensitive Fläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoren (3) synchron computergestützt angesteuert werden.
4. Bewegliche und sensitive Fläche nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (5) die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die Messung am Motor (3) erfasst.
5. Bewegliche und sensitive Fläche nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (5) die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die linearen Widerstände erfasst.
6. Bewegliche und sensitive Fläche nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die Drucksensoren am Streifen (1 ) erfasst.
7. Bewegliche und sensitive Fläche nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über eine engmaschige, darüberliegende Folienmatrixtastatur erfasst.
8. Bewegliche und sensitive Fläche nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die kapazitative Messungen an den Streifen (1 ) erfasst.
9. Bewegliche und sensitive Fläche nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik die über Druck erzeugte Matrixveränderung über die optische Matrix erfasst.
*****
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