WO2016107679A1 - Haptik-vorrichtungen und -verfahren - Google Patents

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WO2016107679A1
WO2016107679A1 PCT/EP2015/002613 EP2015002613W WO2016107679A1 WO 2016107679 A1 WO2016107679 A1 WO 2016107679A1 EP 2015002613 W EP2015002613 W EP 2015002613W WO 2016107679 A1 WO2016107679 A1 WO 2016107679A1
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brake
body part
haptic
joint
movements
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PCT/EP2015/002613
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Philip Zeitler
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Philip Zeitler
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/014—Hand-worn input/output arrangements, e.g. data gloves

Definitions

  • the present invention generally relates to apparatus and methods for providing a user with so-called force feedback.
  • So-called data gloves are known means for detecting positions of a human hand, positions and movements of their fingers, etc., to thereby control hardware and / or software. This is used, for example, for the control of robots, in the field of virtual reality (VR) and for the control of computer games.
  • Data gloves are generally pure input means, i. they provide control signals to control hardware and / or software.
  • the present invention provides objects according to the independent claims; preferred embodiments are given in the dependent claims.
  • the present invention relates to haptic devices according to the independent device-directed claims.
  • the present invention provides a haptic device provided with respect to a first joint connecting two body parts (hereinafter first and second body parts) and a second joint also including two body parts (hereinafter third and fourth body parts ) and arranged in series with respect to the first hinge to provide a force feedback to a user of the haptic device.
  • a haptic device provides a user with force feedback, whereby the user senses forces due to the haptic device. This can be done, for example, by restricting or preventing movements of the user, that is to say by at least increasing the resistance to movement; In such cases, one can also speak of passive haptic devices, because they do not actively generate forces, but absorb forces.
  • the force feedback may additionally or alternatively also be effected by a haptic device generating forces acting on the user, for example by moving components of the haptic device.
  • haptics devices are also referred to as force feedback devices.
  • Two serially arranged joints may be, for example, the finger and finger joints, the finger and foot joints, the finger and finger joints, or the finger and finger and finger joints of one finger each; or the toe end and toe center joints, the toe end and toe base joints, the toe center and toe base joints, or the toe end, toe center and toe base joints of one toe, respectively; or the ankle and knee joints, the ankle and hip joints, the knee and hip or the ankle, knee and hip joints of each leg; or the wrist and elbow joints, the wrist and shoulder joints, the elbow and shoulder joints, or the wrist, elbow and shoulder joints of one arm each; etc.
  • the body parts may also be referred to as arranged in series.
  • all four body parts may be different or, for example, the second and third body parts may be the same body parts, e.g. a first phalanx, a second phalanx, a lower leg, a thigh, a forearm, an upper arm.
  • the first body part may be the third finger limb and the fourth body part may be the first phalanx or the back of the hand in the region of the finger base joint of this finger, or the first body part may be the second phalanx and the fourth body part of the back of the hand in the region of the finger base joint of this finger ,
  • the haptic device comprises a first haptic unit and a second haptic unit.
  • the first haptic unit provides haptic sensing (force feedback) with respect to the first joint
  • the second haptic unit provides haptic sensing (force feedback) with respect to the second joint.
  • the first haptic unit comprises a first brake which can be actuated by means of a first control signal.
  • the brake is provided for placement on the first body part which is connected to the second body part via the first joint.
  • the arrangement of the first brake can be done for example by means of a glove on or in which the first brake is arranged.
  • the first haptic unit further includes a first flexible member extending across the first hinge between the first body part and the second body part.
  • the first flexible member has a first end adapted for attachment to the second body part and a second end operatively associated with the first brake.
  • the active compound is such that the second end of the first flexible member is movable relative to this when the first brake is not actuated.
  • the movability of the second end of the first flexible member is at least reduced relative to the first brake, so that, for example, the second end of the first flexible member is moved with increased force as compared with the non-actuated brake movability may or not.
  • the second haptic unit comprises a second brake which can be actuated by means of a second control signal.
  • the brake is provided for placement on the third body part which is connected to the fourth body part via the second joint.
  • the arrangement of the second brake can for example be done by means of a glove on or in which the second brake is arranged.
  • the second haptic unit further includes a second flexible member extending across the second hinge between the third body part and the fourth body part.
  • the second flexible member has a first end adapted for attachment to the third body portion and a second end operatively associated with the second brake.
  • the operative connection is such that the second end of the second flexible element is movable relative to this when the second brake is not actuated.
  • the movability of the second end of the second flexible member is at least reduced relative to the second brake, so that, for example, the second end of the second flexible member is moved with increased force as compared with the non-actuated brake movability may or not.
  • the first flexible element may have a longitudinal axis, wherein when the first brake is not actuated, the first flexible element is movable in directions of the longitudinal axis.
  • the second flexible member may have a longitudinal axis and be movable in non-actuated second brake in directions of the longitudinal axis.
  • the first flexible element when the first flexible element has a longitudinal axis, the first flexible element with actuated first brake in directions different from the longitudinal axis movable directions.
  • the first flexible element can not be translated in one direction only be rotated but also with respect to its longitudinal axis and / or pivoted.
  • the second flexible element when the second flexible element has a longitudinal axis, the second flexible element is movable in the directions deviating from the longitudinal axis when the second brake is actuated.
  • the second flexible element can not only be moved translationally in one direction, but also rotated and / or pivoted with respect to its longitudinal axis. This has the advantage that movements of the third and fourth body parts relative to each other are not limited or only slightly.
  • the first end of the first flexible element may be pivotally mounted relative to the first body part, for example by means of a corresponding connection with the material of a glove. This also makes it possible to minimize possible movement restrictions of the first and second body parts relative to each other.
  • the first end of the second flexible element may be pivotally mounted with respect to the second body part, for example by means of a corresponding connection with the material of a glove.
  • the first end of the second flexible element may also be connected to the first brake, preferably pivotally also pivotable. This also allows possible movement restrictions of the first and second body parts relative to each other can be minimized.
  • the first end of the second flexible element may be pivotally mounted relative to the third body part, for example by means of a corresponding connection with the material of a glove. This also possible movement restrictions of the third and fourth body parts can be minimized relative to each other.
  • the first flexible member may at least partially have a first braking surface and the first brake may include a first controllably movable braking member configured to cooperate with the first braking surface to at least restrict movements of the first flexible member.
  • the second flexible member may at least partially have a second braking surface and the second brake may include a second controllably movable braking member configured to cooperate with the second braking surface to at least restrict movements of the second flexible member.
  • Under restricting movements of a flexible element at least is understood in particular that the force required for movements of the flexible element, compared with cases without interaction of braking surface and braking element, is higher or no movement of the flexible element is possible.
  • a braking surface may be provided in that a surface or side of the first flexible element, preferably at least at the second end, has a material texture with increased friction (for example, by a coating) and / or textured (eg toothed, provided with projections / recesses, with a in the longitudinal direction of the first flexible element extending groove, etc.).
  • a movable brake element may have a surface engageable with a braking surface to frictionally engage with the braking surface and / or a detent, gear and the like and an element having a shape to engage a recess or groove in the recess Brake be intervene, which can intervene controllable in the structure of a braking surface.
  • a surface engageable with a braking surface may act like a "brake shoe” which at least increases forces required by friction with the braking surface for movement of the flexible member or completely prevents movement of the flexible member.
  • the detent may be movable to e.g. engage in a toothing or projections / recesses of the braking surface, so that movement of the flexible element can be prevented, wherein the flexible element can be moved when the catch does not engage (more) in the teeth or protrusions / recesses of the braking surface.
  • a braking element in the form of a catch, it is also possible to let them engage in a toothing or projections / recesses that states in which the flexible element can not be moved, and those in which the flexible element are moved can, take turns. In this way it is possible to restrict movements of the flexible element more or less.
  • the gear may be braked accordingly (e.g., by means of a frictional / frictional brake acting on a shaft carrying the gear).
  • the first flexible element at least partially has a structured surface and the first brake has a first brake element which is designed to cooperate with the structured surface positively and / or non-positively
  • / or the second flexible element at least partially has a structured surface and the second brake has a second braking device which is designed to cooperate with the structured surface positively and / or non-positively.
  • the first brake may comprise a first actuator which can be controlled by means of the first control signal and / or the second brake may comprise a second actuator which can be controlled by means of the first control signal.
  • such an actuator is designed to selectively control movements of the respective brake element, in particular in order to at least limit movements of the respective brake element and / or to actively move the respective brake element.
  • a piezoelectric actuator can be used as an actuator in order to move a brake element in the form of a surface or detent that can be brought into contact with a braking surface.
  • an arrangement can be used as an actuator which can move the latter by means of a controllable magnet (electromagnet) and a connection (eg rod) between the magnet and the corresponding brake element (eg in the case of a surface or catch which can be brought into contact with a braking surface).
  • a controllable magnet electromagnet
  • a connection eg rod
  • hydraulic and / or pneumatic actuators can be used to controllably move the respective brake element and / or restrict movements of the respective braking element and / or to prevent or allow.
  • an actuator of a brake can be designed to actively move the corresponding brake element. This makes it possible not only to restrict at least movements of a corresponding flexible element, but also to move the flexible element to allow a user to feel forces generated by the haptic device that are not felt in response to movements of body parts.
  • the first haptic unit may comprise a first sensor device which is designed to detect positions and / or movements of the first body part and of the second body part relative to one another and to output corresponding first sensor signals, and / or the second haptic device.
  • Unit comprise a second sensor device which is designed to detect positions and / or movements of the third body part and the fourth body part relative to each other and to output corresponding second sensor signals.
  • the respective sensor signals can be used to control the corresponding brake depending on the determined positions and / or movements.
  • the control signals for the brakes may be generated by the haptic device itself, e.g. when the haptic device receives information from an associated system to generate a force feedback to the user for positions and / or movements of the body parts.
  • the respective sensor signals may be provided to a haptic device cooperating system (e.g., robotic control / simulation system, device environment, computer game, telemanipulation system, etc.) to interact with.
  • the system cooperating with the haptic device may generate the control signals for the brakes and provide the haptic device for brake control.
  • the haptic device comprises a controller which is designed to control at least one of the first control signal for controlling the first brake and the second control signal for controlling the first control signal. tion of the second brake at least partially, in particular when the haptic device receives information from an associated system, for positions and / or movements of the body parts to generate a force feedback to the user.
  • the controller is designed to receive an external control signal for at least one of the control signals for the brake and on the basis of which to generate the corresponding one of the first and second control signals for brake control, in particular if the control signal or signals from one provided with the haptic device cooperating system.
  • the controller includes an interface for exchanging data with a computer system.
  • the interface may be designed for wired and / or wireless communication.
  • the present invention provides a haptic assembly comprising a garment and at least one haptic device according to any preceding claim, wherein the at least one haptic device is disposed on and / or within the garment such that the haptic device at least two in-line joints of a user is assigned when the user wears the garment.
  • the garment is a glove, an arm-wear (a garment that can cover a person's arm between the shoulder and the hand), a leg-piece (a garment that can cover a person's leg between the hip and the foot), garments, which may cover the upper body and / or lower body of a person (eg, pants and / or shirt / T-shirt-like clothing), etc.
  • an arm-wear a garment that can cover a person's arm between the shoulder and the hand
  • a leg-piece a garment that can cover a person's leg between the hip and the foot
  • garments which may cover the upper body and / or lower body of a person (eg, pants and / or shirt / T-shirt-like clothing), etc.
  • a haptic arrangement with a garment reference is made to a glove to at least a finger with respect to the finger end and finger middle joints and the finger base joint to generate force feedback for a user wearing the glove.
  • the first haptic unit may be arranged on the glove such that, when the glove is worn, the first brake is located on the first phalange comes and the first end of the first flexible member is provided or attached to the provided for the third phalanx portion of the glove.
  • the second haptic unit on the glove be arranged so that when wearing the glove, the second brake on the back of the hand (eg in the vicinity of the finger base joint) comes to rest and first end of the second flexible member is at the intended area for the first finger member of the glove or is attached or attached to the first brake of the first haptic unit.
  • the glove may have a further, third haptic unit, so that a haptic unit is assigned to each of the finger end, finger center, and finger base joints.
  • the present invention provides a control method for a haptic device for a first joint connecting two body parts and a second joint arranged in series with the first and connecting two body parts.
  • control method is provided for controlling the haptic device according to the invention according to one of the above embodiments.
  • a first brake of a first haptic unit is arranged, in which the first brake is arranged on a first body part, which is connected to a second body part via the first joint, and the first brake with a first connected to the second body part flexible element can come into operative connection to at least limit the movable of the first flexible element, actuated by means of a first control signal, when movement of the first body part and the second body part relative to each other by means of the first joint should at least be restricted.
  • a second brake of a second haptic unit is arranged, in which the second brake is arranged on a third body part, which is connected to a fourth body part via the second joint, and the second brake is arranged with one connected to the fourth body part second flexible member operatively connected to at least limit the movable of the second flexible member, operated by a second control signal when a movement of the third body part and the fourth body part relative to each other by means of the second joint is at least to be limited.
  • the first brake is preferably actuated as a function of positions and / or movements detected by the first sensor device and / or the second brake as a function of positions and / or movements detected by means of the second sensor device.
  • the operation of a brake can also be done in response to information obtained in the form of external control signals.
  • values, data etc. eg from an external system (eg robotics control / simulation system, device environment, computer game, telemanipulation system, etc.) can be used as reference values, which positions in the space, material properties, Specify object boundaries and other information according to which a force feedback is to be generated.
  • an external system eg robotics control / simulation system, device environment, computer game, telemanipulation system, etc.
  • a reference value may indicate that at least one of the body parts should not or only to a limited extent be moved if he has or occupies a certain position.
  • a reference value may indicate that, with respect to at least one body part, a force feedback is to be generated which gives the feeling of contacting a material with a certain material property (soft, hard, rubbery, rough, smooth, etc.).
  • a reference value may indicate that, with respect to at least one body part, a force feedback is to be generated which gives the feeling of contacting a moving and / or shape changing object (eg, a moving lever, increasing air balloon, elastic material upon compression / release , Etc.).
  • a reference value may indicate that, with respect to at least one body part, a force feedback is to be generated which gives the feeling of contacting an object (e.g., grasping and / or moving an object).
  • the present invention provides a computer program product stored on a computer-readable medium and program code that executes, by means of a computer, the steps of the inventive method according to one of its embodiments.
  • FIG. 1 and 2 are schematic representations of a haptic arrangement according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of a haptic arrangement according to the invention for
  • Fig. 4 is a schematic representation of a haptic arrangement according to the invention for
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of two haptic units of a haptic device according to the invention for use with respect to finger middle and end hinges
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an embodiment of a haptic unit of FIG
  • FIG. 7 shows various embodiments of flexible elements for a haptic unit of a haptic device according to the invention
  • FIGS. 1 and 12 are diagrams for illustrating possible applications of haptic devices or haptic arrangements according to the invention.
  • a haptic device in the form of a data glove which generates force feedback to its finger for a user wearing the glove.
  • the user may also use the data glove as an input device e.g. for a computer system, wherein positions and / or movements of the user's fingers are detected and corresponding signals are provided.
  • a haptic assembly 10 according to the present invention in the form of a data glove.
  • the haptic arrangement 10 has a glove 12 comprising, for example, textile material.
  • a haptic device 14 for an index finger ZF On the outside of the glove 12 (or at least partially integrated in its material) are a haptic device 14 for an index finger ZF, a haptic device 16 for a middle finger MF, a haptic device 18 for a ring finger RF, a haptic Device 20 for a small finger KF and a haptic device 22 for a thumb D arranged.
  • Each of the haptic devices 14, 16, 18, and 20 each includes a first haptic unit 100 and a second haptic unit 200, which are further explained below in more detail. [Note: In Fig. 1, for the sake of clarity, only the first and second haptic units 100 and 200 are labeled for the little finger KF.]
  • the second haptic units 200 are designed as separate components. According to the embodiment of FIG. 2, the second haptic units 200 are implemented in a common housing GEH.
  • the haptic device 22 for the thumb D also has a first haptic unit 100 and a second haptic unit 200.
  • a first haptic unit 100 may be used for a thumb.
  • haptic devices 14, 16, 18 and 20 are designed and / or arranged to generate force feedback for a user wearing the glove with respect to the respective finger force feedback with regard to its finger end and finger middle joints and finger base joint.
  • FIG. 1 The arrangement of components of the first haptic devices 100 and of the second haptic devices 200 described in more detail below is schematically illustrated in FIG.
  • FIG. 4 schematically illustrates an arrangement of components of the first haptic devices 100 and the second haptic devices 200 for a haptic assembly to generate finger feedback for a glove-bearing user with respect to a finger of a hand, with respect to both its finger joint and finger joint.
  • Fig. 5 shows parts of one of the haptic device 50 for a (random) finger F.
  • the haptic device 50 generates force feedback to a user with respect to a finger-end joint FEG and a finger-joint FMG.
  • the finger joint FEG and the finger joint FMG are arranged in series.
  • the finger end joint FEG connects, as the first body part, the third finger member FG3 and, as the second body part, the second finger member FG2.
  • the finger middle joint FMG connects, as a third body part, the second finger member FG2 and, as a fourth body part, the first finger member FG 1.
  • the haptic device 50 comprises a first haptic unit 100 with a first brake 102 and a first flexible element 104 first flexible element 104 has a first end 106 and a second end 108. Further, the first haptic unit 100 comprises a first sensor device 1 10. The first end 106 of the first flexible element 104 is secured to or in the glove material such that when worn first end 106 of the first flexible element 104 is located at the area of the glove provided for the third phalange.
  • the first brake 102 is arranged so as to come to rest on the second finger member FG2. This makes it possible to generate force feedback for a user wearing the glove with respect to the finger-end joint FEG.
  • the haptic device 50 includes a second haptic unit 200 having a second brake 202 and a second flexible member 204.
  • the second flexible member 204 has a first end 206 and a second end 208.
  • the second haptic unit 200 includes a second Sensor device 210.
  • the first end 206 of the second flexible member 204 is secured to or in the glove material such that, when worn, the first end 206 of the second flexible member 204 is secured to the portion of the glove intended for the first finger member FG2, or as shown shown attached to the first brake 102 of the first haptic unit 100.
  • the second brake 202 is arranged to come to rest on the first finger member FG1. This makes it possible to generate force feedback for a glove-bearing user with respect to the finger center joint FMG.
  • the sensor devices 110 and 210 shown in FIG. 5 are configured so that the first sensor device 110 is connected between the second and third finger members FG2 and FG3 via the finger-end joint FEG and the second finger device FMG between the first and second finger members via the finger center joint FMG FG 1 and FG2 extend.
  • Such elongated sensor devices may, for example, operate in the manner of an electrical and / or optical strain gauge. Furthermore, sensor devices can be used which detect finger and finger-induced bends of an electrical and / or optical conductor.
  • components of the first haptic devices 100 and the second haptic devices 200 for a haptic assembly are arranged to move with respect to fingers of one hand, respectively, with respect to the finger and finger joints FEG and FMG thereof and its finger base joint FGG to generate force feedback for a glove-wearing user. This will be explained below with reference to the haptic device 20 for the little finger KF.
  • the haptic device 20 includes a first haptic unit 100 having a first brake 102 and a first flexible member 104.
  • the first flexible member 104 has a first end 106 and a second end 108.
  • the first end 106 of the first flexible member 104 is secured to or in the glove material such that, when worn, the first end 106 of the first flexible member 104 is secured to the portion of the glove for the third finger member FG3.
  • the first brake 102 is arranged to come to rest on the first finger member FG 1. This makes it possible to generate force feedback for a glove-bearing user with respect to the finger-and-wrist joints FEG and FMG.
  • the haptic device 20 includes a second haptic unit 200 having a second brake 202 and a second flexible member 204.
  • the second flexible member 204 has a first end 206 and a second end 208.
  • the first end 206 of the second flexible member 204 is attached to or in the glove material such that, when worn, the first end 206 of the second flexible member 204 rests on the portion of the glove intended for the second phalange FG2 or, as shown, on the second brake 102 of the first haptic unit 100 is attached.
  • the second brake 202 is arranged so that it comes to rest on the back of the hand (eg in the vicinity of the finger base joint). This makes it possible to generate force feedback for a glove-wearing user with respect to the finger base joint FGG.
  • FIG. 6 illustrates an embodiment of how, by means of a brake, the movability of a second end of the flexible element relative to the brake can be at least reduced when the brake is actuated.
  • Fig. 6 refers to the first and second haptic devices together.
  • the brake 102/202 has a controllable brake element 1 12/212, which is designed as a movable pawl or detent.
  • the flexible element 104/204 is provided at least in the area with a braking surface 1 14/214.
  • possible braking surfaces are shown in Fig. 7.
  • the brake element 1 12/212 is positioned so that it does not cooperate with the braking surface 1 14/214 and flexible element 104/204 can move relative to the brake.
  • a position of the brake element 1 12/212 can be achieved, for example, when the brake element 1 12/212 is pivotable and pivoted by means of an actuator in this not leading to the operative connection with the braking surface 1 14/214 leading position.
  • the brake element 1 12/212 is or is positioned so that it interacts with the braking surface 1 14/214 and flexible element 104/204 can not or only to a limited extent move relative to the brake.
  • Such a position of the brake element 1 12/212 can be achieved, for example, when the brake element 1 12/212 is pivotable and pivoted by means of an actuator in this operative engagement with the braking surface 1 14/214 leading position.
  • Movements of the brake element 1 12/212 can, as shown in FIG. 8 and FIGS. 9 a and 9 b, be achieved by means of a solenoid-operated actuator.
  • a solenoid-operated actuator 300 includes, for example, a controllable solenoid 302 which is connected via a rigid rigid connection 304 to a brake element 1 12/212.
  • the brake element 1 12/212 is rotatably mounted about a shaft 306.
  • the brake element 1 12/212 is in a position not leading to the operative connection with a braking surface 1 14/214; this is also the case in FIG. 9a.
  • the brake element 1 12/212 is pivoted from one of these positions to the other and vice versa by correspondingly moving the brake element 1 12/212 by means of the electromagnet 302 and the connection 304 to allow movements of the flexible element 104/204 or, according to such embodiments , to prevent.
  • a braking element in the form of a catch
  • a toothed wheel one is used in the form of a toothed wheel, as already described above
  • the mobility of a flexible element can be stepped or substantially steplessly influenced.
  • a drive connected to such a brake element it is possible to move a flexible element by means of the brake element.
  • Fig. 10 shows schematically a haptic arrangement 24 in the form of a data arm, which may also be referred to as a "data glove on an arm".
  • the haptic arrangement 24 has an arm, for example comprising textile material 26.
  • the haptic arrangement 24 has a first haptic device 100 in the form of a haptic device 28 for a wrist HG and a second haptic device 200 in the form of a haptic device 30 for an elbow EB.
  • the haptic devices 28 and 30 may be disposed on the outside of the armor 26 and / or may be partially integrated in its material.
  • haptic device 28 a first end 106 of a flexible element 104 on the back of the hand HR and a first brake 102 are attached to the lower arm UA.
  • a first end 206 of a flexible member 204 on the forearm or on the first brake 102 and a second brake 102 on the upper arm OA are attached.
  • the haptic devices 28 and 30 are configured to generate force feedback on a wrist and elbow joint for a user wearing the arm arm 26.
  • FIG. 11 shows a virtual hand, for example visualized by means of a monitor, whose movements are determined by means of the haptic Control (data glove). Positions and movements of a hand of a user of the haptic arrangement detected by sensor devices (see sensor devices 110 and 210) of the haptic arrangement are translated into corresponding positions and movements of the virtual hand, and e.g. visualized.
  • the haptic arrangement is intended to convey to the user the perception that he has when he actually contacts such an object with his hand.
  • the brakes are activated so as not to allow movements of the elastic elements.
  • the user can not move his fingers further in the directions in which they were previously moved; as is the case when contacting / grasping a real object.
  • the haptic arrangement is intended to give the user the perception of grasping such an elastic object.
  • the brakes are activated in such a way that the movement of the user's fingers is made more difficult by increasing the resistance to movement, but not completely prevented.
  • a virtual object with elastic properties generates restoring forces in the compressed state. The user can also be taught this perception.
  • the actuators of the brakes can actively move the corresponding brake elements to allow a user to feel the generated restoring forces.

Abstract

Vorrichtungen und Verfahren, um einem Benutzer sogenanntes Force-Feedback bereitzustellen, insbesondere in Form eines Datenhandschuhs und eines entsprechenden Steuerungsverfahrens.

Description

Haptik- Vorrichtungen und -Verfahren
Gebiet der vorliegenden Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen und Verfahren, um einem Benutzer sogenanntes Force-Feedback bereitzustellen.
Hintergrund der vorliegenden Erfindung Sogenannte Datenhandschuhe sind bekannte Mittel zur Erfassung von Stellungen einer menschlichen Hand, Positionen und Bewegungen deren Finger etc., um dadurch Hardware und/oder Software zu steuern. Dies wird beispielsweise für die Steuerung von Robotern, im Bereich der Virtual Reality (VR) und für die Steuerung von Computerspielen verwendet. Datenhandschuhe sind im Allgemeinen reine Eingabemittel, d.h. sie stellen zu steuernder Hardware und/oder Software Steuersignale bereit. Es sind auch Datenhandschuhe bekannt, die als Ausgabemittel dienen, nämliche solche, die abhängig von erhaltenen Steuersignalen dem Benutzer Force-Feedback bereitstellen. Dies wird beispielsweise verwendet, um einem Benutzer, der in einer VR-Umgebung virtuelle Objekte handhabt, ein Gefühl zu vermitteln, welches er hätte, wenn die Objekte real wären und er sie tatsächlich mit seiner Hand berührt.
Bekannte Ansätze für Datenhandschuhe mit Force-Feedback sind u.a. hinsichtlich der großen Baugrößen, Gewicht und die Realität nur eingeschränkt wiederspiegelnden Force-Feedbacks nachteilig.
Dies alles gilt auch für Vorrichtungen, die Stellungen, Positionen und Bewegungen anderer menschlicher Körperteile erfassen bzw. diesen Force-Feedback bereitstellen. Beispiele hierfür sind Anzüge und Kleidungsstücke, die im Wesentlichen wie Datenhandschuhe aufgebaut sind und arbeiten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Mittel bereitzustellen, die Nachteile bekannter einem Benutzer Force-Feedback bereitstellender Vorrichtungen zu beseitigen. Kurze Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Zur Lösung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung Gegenstände gemäß den unab- hängigen Patentansprüchen bereit; bevorzugte Ausführungsformen sind in abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Haptik- Vorrichtungen gemäß den unabhängigen auf Vorrichtungen gerichteten Patentansprüchen.
So stellt die vorliegende Erfindung eine Haptik- Vorrichtung bereit, die vorgesehen ist, bezüglich eines ersten Gelenks, das zwei Körperteile (im Folgenden erste und zweite Körperteile) verbindet, und bezüglich eines zweiten Gelenks, das ebenfalls zwei Körperteile (im Folgenden dritte und vierte Körperteile) verbindet und hinsichtlich des ersten Gelenks in Reihe angeordnet ist, ei- nem Benutzer der Haptik- Vorrichtung eine Kraftrückmeldung bereitzustellen.
Eine Haptik- Vorrichtung vermittelt einem Benutzer Kraftrückmeldung, wobei der Benutzer Kräfte spürt, die auf die Haptik- Vorrichtung zurückzuführen sind. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem Bewegungen des Benutzers eingeschränkt oder verhindert werden, sprich der Bewe- gungswiderstand wenigstens erhöht wird; in solchen Fällen kann man auch von passiven Haptik- Vorrichtungen sprechen, weil diese nicht aktiv Kräfte erzeugen, sondern Kräfte aufnehmen. Die Kraftrückmeldung kann ergänzend oder alternativ auch dadurch bewirkt werden, indem eine Haptik- Vorrichtung auf den Benutzer wirkende Kräfte erzeugt, beispielsweise durch Bewegung von Komponenten der Haptik- Vorrichtung. Im Bereich von Computern, wie beispielsweise VR- Umgebungen, Computerspielen, Simulationen im Bereich der Robotik oder Medizin, werden Haptik- Vorrichtungen auch als Force-Feedback-Vorrichtung bezeichnet.
Zwei in Reihe angeordnete Gelenke können beispielsweise die Fingerend- und Fingermittelgelenke, die Fingerend- und Fingergrundgelenke, die Fingermittel- und Fingergrundgelenke oder die Fingerend-, Fingermittel- und Fingergrundgelenke jeweils eines Fingers sein; oder die Zehenend- und Zehenmittelgelenke, die Zehenend- und Zehengrundgelenke, die Zehenmittel- und Zehengrundgelenke, oder die Zehenend-, Zehenmittel- und Zehengrundgelenke jeweils einer Zehe sein; oder die Sprung- und Kniegelenke, die Sprung- und Hüftgelenke, die Knie- und Hüftge- lenke oder die Sprung-, Knie- und Hüftgelenke jeweils eines Beines sein; oder die Hand- und Ellenbogengelenke, die Hand- und Schultergelenke, die Ellenbogen- und Schultergelenke oder die Hand-, Ellenbogen- und Schultergelenke jeweils eines Armes sein; etc. Ausgehend davon können auch die Köperteile als in Reihe angeordnet bezeichnet werden.
Abhängig von den Gelenken können alle vier Körperteile unterschiedlich sein oder es kann sich beispielsweise bei den zweiten und dritten Körperteilen um die gleichen Körperteile handeln, z.B. ein erstes Fingerglied, ein zweites Fingerglied, ein Unterschenkel, ein Oberschenkel, ein Unter- arm, ein Oberarm.
Zur Veranschaulichung möglicher der ersten und vierten Körperteile wird auf einen Finger Bezug genommen, wobei die diesbezüglichen Ausführungen entsprechend für andere Reihengelenkanordnungen entsprechend gelten. Bei einem Finger können der erste Körperteil das dritte Finger- glied und der vierte Körperteil das erste Fingerglied oder der Handrücken im Bereich des Fingergrundgelenks dieses Fingers sein oder können der erste Körperteil das zweite Fingerglied und der vierte Körperteil der Handrücken im Bereich des Fingergrundgelenks dieses Fingers sein.
Die erfindungsgemäße Haptik- Vorrichtung umfasst eine erste Haptik-Einheit und eine zweite Haptik-Einheit.
Die erste Haptik-Einheit stellt bezüglich des ersten Gelenks eine haptische Wahrnehmung (Kraftrückmeldung; Force-Feedback) bereit und die zweite Haptik-Einheit stellt bezüglich des zweiten Gelenks eine haptische Wahrnehmung (Kraftrückmeldung; Force-Feedback) bereit.
Die erste Haptik-Einheit umfasst eine mittels eines ersten Steuersignals betätigbare erste Bremse. Die Bremse ist zur Anordnung an dem ersten Körperteil vorgesehen, der über das erste Gelenk mit dem zweiten Körperteil verbunden ist. Die Anordnung der ersten Bremse kann beispielsweise mittels eines Handschuhs erfolgen, an oder in dem die erste Bremse angeordnet ist.
Die erste Haptik-Einheit ferner umfasst ein erstes flexibles Element, das sich zwischen dem ersten Körperteil und dem zweiten Körperteil über das erste Gelenk hinweg erstreckt. Das erste flexible Element hat ein erstes Ende, das zur Befestigung an dem zweiten Körperteil ausgelegt ist, und ein zweites Ende, das in Wirkverbindung mit der ersten Bremse steht. Die Wirkverbindung ist derart, dass das zweite Ende des ersten flexiblen Elementes bei nicht betätigter erster Bremse relativ zu dieser bewegbar ist. Demgegenüber ist die Bewegbarkeit des zweiten Endes des ersten flexiblen Elementes, wenn die erste Bremse betätigt wird, relativ zu der ersten Bremse wenigstens verringert, so dass beispielsweise das zweite Ende des ersten flexiblen Elementes verglichen mit der Bewegbarkeit bei nicht betätigter Bremse mit erhöhter Kraft bewegt werden kann oder gar nicht.
Die zweite Haptik-Einheit umfasst eine mittels eines zweiten Steuersignals betätigbare zweite Bremse. Die Bremse ist zur Anordnung an dem dritten Körperteil vorgesehen, der über das zweite Gelenk mit dem vierten Körperteil verbunden ist. Die Anordnung der zweiten Bremse kann beispielsweise mittels eines Handschuhs erfolgen, an oder in dem die zweite Bremse angeordnet ist.
Die zweite Haptik-Einheit ferner umfasst ein zweites flexibles Element, das sich zwischen dem dritten Körperteil und dem vierten Körperteil über das zweite Gelenk hinweg erstreckt. Das zweite flexible Element hat ein erstes Ende, das zur Befestigung an dem dritten Körperteil ausgelegt ist, und ein zweites Ende, das in Wirkverbindung mit der zweiten Bremse steht. Die Wirkverbindung ist derart, dass das zweite Ende des zweiten flexiblen Elementes bei nicht betätigter zweiter Bremse relativ zu dieser bewegbar ist. Demgegenüber ist die Bewegbarkeit des zweiten Endes des zweiten flexiblen Elementes, wenn die zweite Bremse betätigt wird, relativ zu der zweiten Bremse wenigstens verringert, so dass beispielsweise das zweite Ende des zweiten flexiblen Elementes verglichen mit der Bewegbarkeit bei nicht betätigter Bremse mit erhöhter Kraft bewegt werden kann oder gar nicht. Bei der Haptik- Vorrichtung kann das erste flexible Element eine Längsachse haben, wobei bei nicht betätigter erster Bremse das erste flexible Element in Richtungen der Längsachse bewegbar ist.
Ferner kann das zweite flexible Element eine Längsachse haben und bei nicht betätigter zweiter Bremse in Richtungen der Längsachse bewegbar sein.
Vorzugsweise ist, wenn das erste flexible Element eine Längsachse hat, das erste flexible Element bei betätigter erster Bremse in von der Längsachse abweichenden Richtungen bewegbar. So kann das erste flexible Element beispielsweise nicht nur in einer Richtung translatorisch bewegt werden, sondern auch gegenüber der seiner Längsachse gedreht und/oder geschwenkt werden. Dies hat den Vorteil, dass Bewegungen der ersten und zweiten Körperteile relativ zueinander nicht oder nur gering eingeschränkt werden. Vorzugsweise ist, wenn das zweite flexible Element eine Längsachse hat, das zweite flexible Element bei betätigter zweiter Bremse in von der Längsachse abweichenden Richtungen bewegbar. So kann das zweite flexible Element beispielsweise nicht nur in einer Richtung translatorisch bewegt werden, sondern auch gegenüber seiner Längsachse gedreht und/oder geschwenkt werden. Dies hat den Vorteil, dass Bewegungen der dritten und vierten Körperteile relativ zueinander nicht oder nur gering eingeschränkt werden.
Bei der Haptik- Vorrichtung kann das erste Ende des ersten flexiblen Elementes bezüglich des ersten Körperteiles schwenkbar befestigt sein, beispielsweise mittels einer entsprechenden Verbindung mit dem Material eines Handschuhs. Auch dadurch können mögliche Bewegungsein- schränkungen der ersten und zweiten Körperteile relativ zueinander minimiert werden.
Das erste Ende des zweiten flexiblen Elementes kann schwenkbar befestigt sein, und zwar bezüglich des zweiten Körperteils, beispielsweise mittels einer entsprechenden Verbindung mit dem Material eines Handschuhs. Das erste Ende des zweiten flexiblen Elementes kann auch mit der ersten Bremse verbunden sein, vorzugsweise schwenkbar ebenfalls schwenkbar. Auch dadurch können mögliche Bewegungseinschränkungen der ersten und zweiten Körperteile relativ zueinander minimiert werden.
Bei der Haptik- Vorrichtung kann das erste Ende des zweiten flexiblen Elementes bezüglich des dritten Körperteiles schwenkbar befestigt sein, beispielsweise mittels einer entsprechenden Verbindung mit dem Material eines Handschuhs. Auch dadurch können mögliche Bewegungseinschränkungen der dritten und vierten Körperteile relativ zueinander minimiert werden.
Bei der Haptik- Vorrichtung können das erste flexible Element wenigstens teilweise eine erste Bremsfläche aufweisen und die erste Bremse ein erstes steuerbar bewegbares Bremselement aufweisen, das ausgelegt ist, so mit der ersten Bremsfläche zusammenzuwirken, dass Bewegungen des ersten flexiblen Elementes wenigstens eingeschränkt werden. Auch können das zweite flexible Element wenigstens teilweise eine zweite Bremsfläche aufweisen und die zweite Bremse ein zweites steuerbar bewegbares Bremselement aufweisen, das ausgelegt ist, so mit der zweiten Bremsfläche zusammenzuwirken, dass Bewegungen des zweiten flexiblen Elementes wenigstens eingeschränkt werden.
Unter Bewegungen eines flexiblen Elementes wenigstens einzuschränken wird insbesondere verstanden, dass die für Bewegungen des flexiblen Elementes erforderliche Kraft, verglichen mit Fällen ohne Wechselwirkung von Bremsfläche und Bremselement, höher ist oder keine Bewegung des flexiblen Elementes möglich ist.
Eine Bremsfläche kann dadurch bereitgestellt sein, dass eine Oberfläche oder Seite des ersten flexiblen Elementes, vorzugsweise wenigstens am zweiten Ende, eine Materialbeschaffenheit mit erhöhter Reibung (beispielsweise durch eine Beschichtung) und/oder strukturiert (z.B. gezahnt, mit Vorsprüngen/Ausnehmungen versehen, mit einer in Längsrichtung des ersten flexiblen Ele- mentes sich erstreckenden Nut, etc.) ist.
Ein bewegbares Bremselement kann beispielsweise eine mit einer Bremsfläche in Kontakt bringbare Fläche aufweisen, um mit der Bremsfläche reibschlüssig bzw. kraftschlüssig zusammenzuwirken und/oder ein Raste, Zahnrad und dergleichen sowie ein Element, das eine Form aufweist, um in eine Ausnehmung oder Nut in der Bremsfläche einzugreifen, sein, welche steuerbar in die Struktur einer Bremsfläche eingreifen können.
Eine mit einer Bremsfläche in Kontakt bringbare Fläche kann wie ein "Bremsschuh" wirken, der durch Reibung mit der Bremsfläche für Bewegung des flexiblen Elementes erforderliche Kräfte wenigstens erhöht oder Bewegung des flexiblen Elementes vollständig verhindert.
Im Fall einer Raste als Bremselement kann die Raste bewegbar sein, um z.B. in eine Zahnung o- der Vorsprünge/Ausnehmungen der Bremsfläche einzugreifen, so dass Bewegung des flexiblen Elementes verhindert werden, wobei das flexible Element bewegt werden kann, wenn die Raste nicht (mehr) in die Zahnung oder Vorsprünge/Ausnehmungen der Bremsfläche eingreift.
Mittels eines Bremselementes in Form einer Raste ist es auch möglich, diese so in eine Zahnung oder Vorsprünge/Ausnehmungen eingreifen zu lassen, dass sich Zustände, in denen das flexible Element nicht bewegt werden kann, und solche, in denen das flexible Element bewegt werden kann, abwechseln. Auf diese Weise ist es möglich, Bewegungen des flexiblen Elementes mehr oder weniger stark einzuschränken.
Im Fall eines Zahnrades als Bremselement können Bewegungen/Drehungen des Zahnrades auf- grund der Wirkverbindung der Zähne des Zahnrades mit einer Zahnung oder Vorsprüngen/Aus- nehmungen einer Bremsfläche entstehen. Um Bewegungen des flexiblen Elementes (mehr oder weniger) einzuschränken oder nicht, sprich, dass unterschiedliche Kräfte für Bewegung des flexiblen Elementes erforderlich sind, kann das Zahnrad entsprechend gebremst werden (z.B. mittels einer auf eine das Zahnrad tragende Welle wirkende Reibschluss-/Kraftschlussbremse).
Insbesondere ist es vorgesehen, dass das erste flexible Element wenigstens teilweise eine strukturierte Oberfläche aufweist und die erste Bremse ein erstes Bremselement aufweist, die ausgelegt ist, mit der strukturierten Oberfläche form- und/oder kraftschlüssig zusammenzuwirken, und/oder das zweite flexible Element wenigstens teilweise eine strukturierte Oberfläche aufweist und die zweite Bremse eine zweite Bremsvorrichtung aufweist, die ausgelegt ist, mit der strukturierten Oberfläche form- und/oder kraftschlüssig zusammenzuwirken.
Bei der Haptik- Vorrichtung können die erste Bremse einen mittels des ersten Steuersignals steuerbaren ersten Aktor und/oder die zweite Bremse einen mittels des ersten Steuersignals steuerba- ren zweiten Aktor umfassen.
Vorzugsweise ist ein solcher Aktor ausgelegt, Bewegungen des jeweiligen Bremselementes selektiv zu steuern, insbesondere um Bewegungen des jeweiligen Bremselementes wenigstens einzuschränken und/oder das jeweilige Bremselement aktiv zu bewegen.
Insbesondere ist vorgesehen, mittels eines Aktors das jeweilige Bremselement steuerbar zu bewegen. So kann beispielsweise ein Piezoaktor als Aktor verwendet werden, um ein Bremselement in Form einer mit einer Bremsfläche in Kontakt bringbare Fläche oder Raste zu bewegen. Ferner kann eine Anordnung als Aktor verwendet werden, die mittels eines steuerbaren Magneten (Elektromagnet) und einer Verbindung (z.B. Stange) zwischen dem Magneten und dem entsprechenden Bremselement letzteres bewegen kann (z.B. im Fall einer mit einer Bremsfläche in Kontakt bringbare Fläche oder Raste). Als Aktor können auch elektrische, hydraulische und/oder pneumatische Aktoren verwendet werden, um das jeweilige Bremselement steuerbar zu bewegen und/oder Bewegungen des jeweiligen Bremselements einschränken und/oder zu verhindern bzw. zuzulassen.
Ferner ist es vorgesehen, dass ein Aktor einer Bremse ausgebildet sein kann, um das entspre- chende Bremselement aktiv zu bewegen. Dies ermöglicht es, nicht nur Bewegungen eines entsprechenden flexiblen Elementes wenigstens einzuschränken, sondern auch das flexible Element zu bewegen, um einem Benutzer von der Haptik- Vorrichtung erzeugte Kräfte spüren zu lassen, die nicht in Reaktion auf Bewegungen von Körperteilen spürbar sind. Bei der Haptik- Vorrichtung können die erste Haptik-Einheit eine erste Sensorvorrichtung umfassen, die ausgelegt ist, Positionen und/oder Bewegungen des ersten Körperteils und des zweiten Körperteils relativ zu einander zu erfassen und entsprechende erste Sensorsignale auszugeben, und/oder die zweite Haptik-Einheit eine zweite Sensorvorrichtung umfassen, die ausgelegt ist, Positionen und/oder Bewegungen des dritten Körperteils und des vierten Körperteils relativ zu einander zu erfassen und entsprechende zweite Sensorsignale auszugeben.
Mittels einer solchen Sensorvorrichtung können Positionen und/oder Bewegungen der zugeordneten beiden Körperteile relativ zu einander ermittelt werden. Die jeweiligen Sensorsignale können dazu verwendet werden, die entsprechende Bremse abhängig von den ermittelten Positionen und/oder Bewegungen zu steuern. Bei solchen Ausführungsformen können die Steuersignale für die Bremsen von der Haptik- Vorrichtung selbst erzeugt werden, z.B. wenn die Haptik- Vorrichtung von einem zugeordneten System Information erhält, für Positionen und/oder Bewegungen der Körperteile eine Kraftrückmeldung für den Benutzer zu erzeugen ist. Die jeweiligen Sensorsignale können einem mit der Haptik- Vorrichtung zusammenarbeitenden System (z.B. System zur Robotiksteuerung/-simulation, Vorrichtung-Umgebung, Computerspiel, Telemanipulationssystem etc.) bereitgestellt werden, um mit diesem zu interagieren. In solchen Fällen kann das mit der Haptik- Vorrichtung zusammenarbeitende System die Steuersignale für die Bremsen erzeugen und der Haptik- Vorrichtung zur Bremsensteuerung bereitstellen.
Vorzugsweise umfasst die Haptik- Vorrichtung eine Steuerung, die ausgelegt ist, wenigstens eines des ersten Steuersignals zur Steuerung der ersten Bremse und des zweiten Steuersignals zur Steu- erung der zweiten Bremse wenigstens teilweise zu erzeugen, insbesondere wenn die Haptik- Vorrichtung von einem zugeordneten System Information erhält, für Positionen und/oder Bewegungen der Körperteile eine Kraftrückmeldung für den Benutzer zu erzeugen ist. Ergänzend oder alternativ ist es vorgesehen, dass die Steuerung ausgelegt ist, für wenigstens eines der Steuersignale für die Bremse ein externes Steuersignal zu erhalten und auf dessen Grundlage das entsprechende der ersten und zweiten Steuersignal zur Bremssteuerung zu erzeugen, insbesondere wenn das oder die Steuersignale von einem mit der Haptik- Vorrichtung zusammenarbeitenden System bereitgestellt werden.
Vorzugsweise umfasst die Steuerung eine Schnittstelle zum Datenaustausch mit einem Computersystem. Die Schnittstelle kann für drahtgebundene und/oder drahtlose Kommunikation ausgelegt sein. Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine Haptik-Anordnung bereit, die ein Kleidungsstück und wenigstens einer Haptik- Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche umfasst, wobei die wenigstens eine Haptik- Vorrichtung so an und/oder in dem Kleidungsstück angeordnet ist, dass die Haptik- Vorrichtung wenigstens zwei in Reihe angeordneten Gelenken eines Benutzer zugeordnet ist, wenn der Benutzer das Kleidungsstück trägt.
Die obigen Ausführungen hinsichtlich in Reihe angeordneter Gelenke und Körperteil gelten hier ebenfalls.
Vorzugsweise ist als Kleidungsstück vorgesehen ein Handschuh, ein Armling (ein Kleidungs- stück, das den Arm einer Person zwischen Schulter und Hand bedecken kann), ein Beinling (ein Kleidungsstück, das das Bein einer Person zwischen Hüfte und Fuß bedecken kann), Kleidungsstücke, die den Oberkörper und/oder Unterkörper einer Person bedecken können (z.B. hosen- und/oder hemd-/T-Shirt-artige Kleidung), etc. Zur Veranschaulichung einer Haptik-Anordnung mit einem Kleidungsstück wird auf einen Handschuh Bezug genommen, um bei wenigstens einem Finger bezüglich dessen Fingerend- und Fingermittelgelenke und dessen Fingergrundgelenk Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tragenden Benutzer zu erzeugen. Hierfür kann die erste Haptik-Einheit am Handschuh so angeordnet sein, dass beim Tragen des Handschuhs die erste Bremse am ersten Fingerglied zu liegen kommt und das erste Ende des ersten flexiblen Elementes am für das dritte Fingerglied vorgesehenen Bereich des Handschuhs liegt bzw. befestigt ist. Dies ermöglicht es, bezüglich der Fingerend- und Fingermittelgelenke Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tragenden Benutzer zu erzeugen. Die zweite Haptik-Einheit am Handschuh so angeordnet sein, dass beim Tragen des Handschuhs die zweite Bremse am Handrücken (z.B. in der Nähe des Fingergrundgelenks) zu liegen kommt und erste Ende des zweiten flexiblen Elementes am für das erste Fingerglied vorgesehenen Bereich des Handschuhs liegt bzw. befestigt ist oder an der ersten Bremse der ersten Haptik-Einheit befestigt ist. Dies ermöglicht es, bezüglich des Fingergrundgelenks Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tragenden Benutzer zu erzeugen. Um bezüglich aller drei Fingergelenke jeweils einzeln Kraftrückmeldung zu erzeugen, kann der Handschuh eine weitere, dritte Haptik- Einheit aufweisen, so dass den Fingerend-, Fingermittel-, und Fingergrundgelenken jeweils eine Haptik-Einheit zugeordnet ist.
Die obigen Ausführungen gelten für andere Körperteile und Gelenke bzw. dafür geeignete Kleidungsstücke entsprechend.
Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung ein Steuerungsverfahren für eine Haptik-Vorrich- tung für ein zwei Körperteile verbindendes erstes Gelenk und ein in Reihe mit dem ersten angeordnetes und zwei Körperteile verbindendes zweites Gelenk bereit.
Abgesehen von den folgenden Ausführungen gelten die obigen Ausfuhrungen bezüglich der erfindungsgemäßen Haptik-Vorrichtungen für das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren entspre- chend.
Vorzugsweise ist das Steuerungsverfahren zur Steuerung der erfindungsgemäßen Haptik- Vorrichtung gemäß einer der obigen Ausführungsformen vorgesehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erste Bremse einer ersten Haptik-Einheit, bei der die erste Bremse an einem ersten Körperteil, der über das erste Gelenk mit einem zweiten Körperteil verbunden ist, angeordnet ist und die erste Bremse mit einem mit dem zweiten Körperteil verbundenen ersten flexiblen Element in Wirkverbindung treten kann, um die bewegbare des ersten flexiblen Elements wenigstens einzuschränken, mittels eines ersten Steuersignal betätigt, wenn eine Bewegung des ersten Körperteils und des zweiten Körperteils relativ zu einander mittels des ersten Gelenks wenigstens eingeschränkt werden soll.
Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine zweite Bremse einer zweiten Haptik- Einheit, bei der die zweite Bremse an einem dritten Körperteil, der über das zweite Gelenk mit einem vierten Körperteil verbunden ist, angeordnet ist und die zweite Bremse mit einem mit dem vierten Körperteil verbundenen zweiten flexiblen Element in Wirkverbindung treten kann, um die bewegbare des zweiten flexiblen Elements wenigstens einzuschränken, mittels eines zweiten Steuersignal betätigt, wenn eine Bewegung des dritten Körperteils und des vierten Körperteils re- lativ zu einander mittels des zweiten Gelenks wenigstens eingeschränkt werden soll.
Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren vorgesehen, Positionen und/oder Bewegungen des ersten Körperteils und des zweiten Körperteils relativ zu einander mittels einer ersten Sensorvorrichtung der ersten Haptik-Einheit und Positionen und/oder Bewegungen des dritten Körperteils und des vierten Körperteils relativ zueinander mittels einer zweiten Sensorvorrichtung der zweiten Haptik-Einheit zu erfassen.
Vorzugsweise werden die erste Bremse in Abhängigkeit von mittels der ersten Sensoreinrichtung erfassten Positionen und/oder Bewegungen und/oder die zweite Bremse in Abhängigkeit von mit- tels der zweiten Sensoreinrichtung erfassten Positionen und/oder Bewegungen betätigt.
In allen Fällen kann die Betätigung einer Bremse auch in Abhängigkeit von Informationen erfolgen, die in Form externer Steuersignale erhalten werden. Insbesondere ist es vorgesehen, das erste Steuersignal in Abhängigkeit von mittels der ersten Sensoreinrichtung erfassten Positionen und/oder Bewegungen bezüglich eines ersten Referenzwertes zu erzeugen, und/oder das zweite Steuersignal in Abhängigkeit von mittels der zweiten Sensoreinrichtung erfassten Positionen und/oder Bewegungen bezüglich eines zweiten Referenzwertes zu erzeugen.
Als Referenzwerte können beispielsweise Werte, Daten etc., z.B. von einem externen System (z.B. System zur Robotiksteuerung/-simulation, Vorrichtung-Umgebung, Computerspiel, Te- lemanipulationssystem etc.) erhalten, sein, welche Positionen im Raum, Materialeigenschaften, Objektgrenzen und sonstige Informationen angeben, gemäß denen eine Kraftrückmeldung erzeugt werden soll.
Beispielsweise kann ein Referenzwert angeben, dass wenigstens einer der Körperteile nicht oder nur eingeschränkt bewegt werden soll, wenn er eine bestimmte Position hat oder einnimmt. Ein Referenzwert kann angeben, dass bezüglich wenigstens eines Körperteils eine Kraftrückmeldung erzeugt werden soll, welche das Gefühl vermittelt, ein Material mit einer bestimmten Materialeigenschaft (weich, hart, gummiartig, rau, glatt etc.) zu kontaktieren. Ein Referenzwert kann angeben, dass bezüglich wenigstens eines Körperteils eine Kraftrückmeldung erzeugt werden soll, welche das Gefühl vermittelt, ein sich bewegendes und/oder seine Form änderndes Objekt zu kontaktieren (z.B. eine sich bewegender Hebel, größer werdender Luftballon, elastisches Material beim Zusammendrücken/Loslassen, etc.). Ein Referenzwert kann angeben, dass bezüglich wenigstens eines Körperteils eine Kraftrückmeldung erzeugt werden soll, welche das Gefühl vermittelt, ein Objekt zu kontaktieren (z.B. Greifen und/oder Bewegen eines Objekts).
Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm-Produkt bereit, das auf einem computerlesbaren Medium gespeichert ist und mit Programmcode, der mittels eines Computer ausgeführt die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer seiner Ausführungsformen durchführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, von denen zeigen:
Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Haptik-Anordnung einer
Ausführungsform als Datenhandschuh,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Haptik-Anordnung zur
Verwendung bezüglich Fingermittel- und -endgelenke,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Haptik-Anordnung zur
Verwendung bezüglich Fingergrund- und -endgelenke, Fig. 5 eine schematische Darstellung zweier Haptik-Einheiten einer erfindungsgemäßen Haptik- Vorrichtung zur Verwendung bezüglich Fingermittel- und -endge- lenke, Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Haptik-Einheit von
Fig. 5,
Fig. 7 verschiedene Ausführungsformen von flexiblen Elementen für eine Haptik-Einheit einer erfindungsgemäßen Haptik- Vorrichtung,
Fig. 8 eine Ausführungsform zur Betätigung eines Bremselementes;
Fig. 9a und 9b eine weitere Ausführungsform zur Betätigung eines Bremselementes
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform für
Force-Feedback bezüglich des Ellenbogengelenks, und
Fig. 1 1 und 12 Abbildungen zur Veranschaulichung möglicher Anwendungen erfindungsgemäßer Haptik- Vorrichtungen bzw. Haptik-Anordnungen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Zur Veranschaulich ung wird im Folgenden auf eine Ausführungsform einer Haptik- Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Form eines Datenhandschuhs Bezug genommen, der für einen Benutzer, der den Handschuh trägt, Kraftrückmeldung bezüglich seiner Finger erzeugt. Ferner kann der Benutzer den Datenhandschuh auch als Eingabevorrichtung z.B. für ein Computersystem verwenden, wobei Positionen und/oder Bewegungen von Fingern des Benutzers erfasst und entsprechende Signal bereitgestellt werden.
In einigen Zeichnungen ist das Material des den eigentlichen Handschuh bildenden Teils der Haptik- Vorrichtung zur Vereinfachung weggelassen. Gezeigte Elemente der Haptik- Vorrichtung können am Handschuhmaterial angeordnet und/oder darin integriert sein. Fig. 1 und 2 zeigen eine Haptik-Anordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung in Form eines Datenhandschuhs. Die Haptik-Anordnung 10 weist einen beispielsweise textiles Material umfassenden Handschuh 12 auf. An der Außenseite des Handschuhs 12 (oder auch wenigstens teilweise in dessen Material integriert) sind eine Haptik- Vorrichtung 14 für einen Zeigefinger ZF, eine Haptik- Vorrichtung 16 für einen Mittelfinger MF, eine Haptik- Vorrichtung 18 für einen Ringfinger RF, eine Haptik- Vorrichtung 20 für einen kleinen Finger KF und eine Haptik- Vorrichtung 22 für einen Daumen D angeordnet.
Jeder der Haptik- Vorrichtung 14, 16, 18 und 20 weist jeweils eine erste Haptik-Einheit 100 und eine zweite Haptik-Einheit 200 auf, die weiter unter detaillierter erläutert sind. [Anmerkung: In Fig. 1 sind der Übersicht halber nur die ersten und zweiten Haptik-Einheit 100 und 200 für den kleinen Finger KF beschriftet.]
Gemäß der Ausfuhrungsform von Fig. 1 sind die zweiten Haptik-Einheiten 200 als voneinander getrennte Komponenten ausgeführt. Gemäß der Ausführungsform von Fig. 2 sind die zweiten Haptik-Einheiten 200 in einem gemeinsamen Gehäuse GEH ausgeführt.
Gemäß Fig. 1 und 2 weist auch die Haptik- Vorrichtung 22 für den Daumen D eine erste Haptik- Einheit 100 und eine zweite Haptik-Einheit 200 auf. Bei weiteren Ausführungsformen kann für einen Daumen auch nur eine erste Haptik-Einheit 100 verwendet werden.
Gemäß Fig. 1 und 2 sind Haptik- Vorrichtungen 14, 16, 18 und 20 ausgeführt bzw. angeordnet, um bezüglich des jeweiligen Finger Kraftrückmeldung hinsichtlich dessen Fingerend- und Fingermittelgelenke und dessen Fingergrundgelenk Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tra- genden Benutzer zu erzeugen.
Die hierfür vorgesehene Anordnung von im Folgenden genauer beschriebenen Komponenten der ersten Haptik- Vorrichtungen 100 und der zweiten Haptik- Vorrichtungen 200 ist in Fig. 3 schematisch veranschaulicht.
Fig. 4 veranschaulicht schematisch eine Anordnung von Komponenten der ersten Haptik- Vorrichtungen 100 und der zweiten Haptik- Vorrichtungen 200 für eine Haptik-Anordnung, um bezüglich Finger einer Hand jeweils hinsichtlich dessen Fingerendgelenk und dessen Fingermittelgelenk Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tragenden Benutzer zu erzeugen. Zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Haptik- Vorrichtung wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, für die die Anordnung gemäß Fig. 3 zugrunde gelegt wurde. Die diesbezüglichen Ausführungen gelten entsprechend auch z.B. für die Anordnung von Fig. 1 , 2 und 4.
Fig. 5 zeigt Teile einer der Haptik- Vorrichtung 50 für einen (beliebigen) Finger F. Die Haptik- Vorrichtung 50 erzeugt bezüglich eines Fingerendgelenks FEG und bezüglich eines Fingermittelgelenks FMG Kraftrückmeldung für einen Benutzer. Das Fingerendgelenk FEG und das Fingermittelgelenk FMG sind in Reihe angeordnet. Das Fingerendgelenk FEG verbindet, als ersten Körperteil, das dritte Fingerglied FG3 und, als zweiten Körperteil, das zweite Fingerglied FG2. Das Fingermittelgelenk FMG verbindet, als dritten Körperteil, das zweite Fingerglied FG2 und, als vierten Körperteil, das erste Fingerglied FG 1. Die Haptik- Vorrichtung 50 umfasst eine erste Haptik-Einheit 100 mit einer ersten Bremse 102 und einem ersten flexiblen Element 104. Das erste flexible Element 104 hat ein erstes Ende 106 und ein zweite Ende 108. Ferner umfasst die erste Haptik-Einheit 100 eine erste Sensorvorrichtung 1 10. Der erste Ende 106 des ersten flexiblen Elementes 104 ist so am oder im Handschuhmaterial befestigt, dass beim Tragen das erste Ende 106 des ersten flexiblen Elementes 104 am für das dritte Fingerglied vorgesehenen Bereich des Handschuhs liegt bzw. befestigt ist. Die erste Bremse 102 ist so angeordnet, dass sie am zweiten Fingerglied FG2 zu liegen kommt. Dies ermöglicht es, bezüglich des Fingerendgelenks FEG Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tragenden Benut- zer zu erzeugen.
Die Haptik- Vorrichtung 50 umfasst eine zweite Haptik-Einheit 200 mit einer zweiten Bremse 202 und einem zweiten flexiblen Element 204. Das zweite flexible Element 204 hat ein erstes Ende 206 und ein zweite Ende 208. Ferner umfasst die zweite Haptik-Einheit 200 eine zweite Sensorvorrichtung 210.
Der erste Ende 206 des zweiten flexiblen Elementes 204 ist so am oder im Handschuhmaterial befestigt, dass beim Tragen das erste Ende 206 des zweiten flexiblen Elementes 204 am für das ersten Fingerglied FG2 vorgesehenen Bereich des Handschuhs liegt bzw. befestigt ist oder, wie gezeigt, an der ersten Bremse 102 der ersten Haptik-Einheit 100 befestigt ist. Die zweite Bremse 202 ist so angeordnet, dass sie am ersten Fingerglied FG1 zu liegen kommt. Dies ermöglicht es, bezüglich des Fingermittelgelenks FMG Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tragenden Benutzer zu erzeugen.
Die in Fig. 5 gezeigten Sensorvorrichtungen 1 10 und 210 sind so ausgebildet, dass sich die erste Sensorvorrichtung 1 10 über das Fingerendgelenk FEG zwischen den zweiten und dritten Fingergliedern FG2 und FG3 und die zweite Sensorvorrichtung 210 über das Fingermittelgelenk FMG zwischen den ersten und zweiten Fingergliedern FG 1 und FG2 erstrecken.
Solche länglichen Sensorvorrichtungen können beispielsweise in der Art eines elektrischen und/oder optischen Dehnungsmessstreifens arbeiten. Ferner können Sensorvorrichtungen verwendet werden, die durch Fingerbewegungen verursachte Biegungen eines elektrischen und/oder optischen Leiters erfassen.
Dem gegenüber sind bei den Ausführungsformen von Fig. 1 und 2 Komponenten der ersten Hap- tik- Vorrichtungen 100 und der zweiten Haptik- Vorrichtungen 200 für eine Haptik-Anordnung angeordnet, um bezüglich Finger einer Hand jeweils hinsichtlich dessen Fingerend- und Fingermittelgelenke FEG und FMG und dessen Fingergrundgelenk FGG Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tragenden Benutzer zu erzeugen. Dies wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Haptik- Vorrichtung 20 für den kleinen Finger KF erläutert.
Die Haptik- Vorrichtung 20 umfasst eine erste Haptik-Einheit 100 mit einer ersten Bremse 102 und einem ersten flexiblen Element 104. Das erste flexible Element 104 hat ein erstes Ende 106 und ein zweite Ende 108.
Der erste Ende 106 des ersten flexiblen Elementes 104 ist so am oder im Handschuhmaterial befestigt, dass beim Tragen das erste Ende 106 des ersten flexiblen Elementes 104 am für das dritte Fingerglied FG3 vorgesehenen Bereich des Handschuhs liegt bzw. befestigt ist. Die erste Bremse 102 ist so angeordnet, dass sie am ersten Fingerglied FG 1 zu liegen kommt. Dies ermöglicht es, bezüglich der Fingerend- und Fingermittelgelenke FEG und FMG Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tragenden Benutzer zu erzeugen. Die Haptik- Vorrichtung 20 umfasst eine zweite Haptik-Einheit 200 mit einer zweiten Bremse 202 und einem zweiten flexiblen Element 204. Das zweite flexible Element 204 hat ein erstes Ende 206 und ein zweite Ende 208. Der erste Ende 206 des zweiten flexiblen Elementes 204 ist so am oder im Handschuhmaterial befestigt, dass beim Tragen das erste Ende 206 des zweiten flexiblen Elementes 204 am für das zweite Fingerglied FG2 vorgesehenen Bereich des Handschuhs liegt bzw. befestigt ist oder, wie gezeigt, an der zweiten 102 Bremse der ersten Haptik-Einheit 100 befestigt ist. Die zweite Bremse 202 ist so angeordnet, dass sie am Handrücken (z.B. in der Nähe des Fingergrundge- lenks) zu liegen kommt. Dies ermöglicht es, bezüglich des Fingergrundgelenks FGG Kraftrückmeldung für einen den Handschuh tragenden Benutzer zu erzeugen.
Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform, wie mittels einer Bremse die Bewegbarkeit eines zweiten Endes des flexiblen Elementes relativ zu der Bremse bei Betätigung der Bremse wenigs- tens verringert werden kann. Fig. 6 verweist auf die ersten und zweiten Haptik- Vorrichtungen gemeinsam.
Die Bremse 102/202 weist ein steuerbares Bremselement 1 12/212 auf, welches als bewegbare Klinke oder Raste ausgebildet ist. Das flexible Element 104/204 ist wenigstens im Bereich mit einer Bremsfläche 1 14/214 versehen. Für das Bremselement 1 12/212 mögliche Bremsflächen sind in Fig. 7 gezeigt.
Wenn keine Kraftrückmeldung erzeugt werden soll, wird bzw. ist das Bremselement 1 12/212 so positioniert, dass es nicht mit der Bremsfläche 1 14/214 zusammenwirkt und sich flexible Element 104/204 relativ zu der Bremse bewegen kann. Eine solche Position des Bremselementes 1 12/212 kann beispielsweise erreicht werden, wenn das Bremselement 1 12/212 schwenkbar ist und mittels eines Aktors in diese nicht zur Wirkverbindung mit der Bremsfläche 1 14/214 führende Position geschwenkt werden. Wenn Kraftrückmeldung erzeugt werden soll, wird bzw. ist das Bremselement 1 12/212 so positioniert, dass es mit der Bremsfläche 1 14/214 zusammenwirkt und sich flexible Element 104/204 relativ zu der Bremse nicht oder nur eingeschränkt bewegen kann. Eine solche Position des Bremselementes 1 12/212 kann beispielsweise erreicht werden, wenn das Bremselement 1 12/212 schwenkbar ist und mittels eines Aktors in diese zur Wirkverbindung mit der Bremsfläche 1 14/214 führende Position geschwenkt werden.
Bewegungen des Bremselementes 1 12/212 können, wie in Fig. 8 und Fig. 9a und 9b gezeigt, mit- tels eines magnetbetriebenen Aktors erreicht werden. Gemäß den Zeichnungen umfasst ein solcher Aktor 300 beispielsweise einen steuerbaren Elektromagneten 302, der über eine steife, starre Verbindung 304 mit einem Bremselement 1 12/212 verbunden ist. Das Bremselement 1 12/212 ist um eine Welle 306 drehbar gelagert. In Fig. 8 befindet sich das Bremselement 1 12/212 in einer nicht zur Wirkverbindung mit einer Bremsfläche 1 14/214 führenden Position; dies ist auch bei Fig. 9a der Fall. Demgegenüber befindet sich das das Bremselement 1 12/212 in Fig. 9b in einer zur Wirkverbindung mit einer Bremsfläche 1 14/214 führenden Position Fig. 9b. Das Bremselement 1 12/212 wird von einer dieser Positionen in die andere und umgekehrt geschwenkt, indem mittels Elektromagnets 302 und der Verbindung 304 Bremselement 1 12/212 entsprechend bewegt wird, um Bewegungen des flexiblen Elements 104/204 zu ermöglichen oder, gemäß solcher Ausführungsformen, zu verhindern.
Wenn anstelle eines Bremselements in Form einer Raste eines in Form eines Zahnrades verwendet wird, kann, wie bereits oben beschrieben, die Beweglichkeit eines flexiblen Elementes abgestuft oder im Wesentlichen stufenlos beeinflusst werden. Auch kann mittels eines mit einem sol- chen Bremselement verbundener Antrieb erreicht werden, ein flexibles Element mittels des Bremselements zu bewegen.
Fig. 10 zeigt schematisch eine Haptik-Anordnung 24 in Form eines Datenarmlings, den man auch als "Datenhandschuh an einem Arm" bezeichnen kann. Die Haptik-Anordnung 24 weist einen beispielsweise textiles Material umfassenden Armling 26 auf. Die Haptik-Anordnung 24 weist eine erste Haptik- Vorrichtung 100 in Form einer Haptik- Vorrichtung 28 für ein Handgelenk HG und eine zweite Haptik- Vorrichtung 200 in Form einer Haptik- Vorrichtung 30 für einen Ellenbogen EB. Die Haptik- Vorrichtungen 28 und 30 können an der Außenseite des Armlings 26 angeordnet und/oder auch teilweise in dessen Material integriert sein.
Bei der Haptik- Vorrichtung 28 sind ein erstes Ende 106 eines flexiblen Elementes 104 am Handrücken HR und eine erste Bremse 102 am Unterarm UA befestigt. Bei der Haptik- Vorrichtung 30 sind ein erstes Ende 206 eines flexiblen Elementes 204 am Unterarm oder an der ersten Bremse 102 und eine zweite Bremse 102 am Oberarm OA befestigt. Gemäß Fig. 10 sind die Haptik-Vorrichtungen 28 und 30 ausgeführt bzw. angeordnet, um bezüglich des Handgelenks und des Ellenbogengelenks Kraftrückmeldung für einen den Armling 26 tragenden Benutzer zu erzeugen.
Fig. 1 1 und 12 veranschaulichen eine mögliche Anwendung einer erfindungsgemäßen Haptik- Anordnung in Form eines Datenhandschuhs, wie der von Fig. 1 und 2. Fig. 1 1 zeigt eine virtuelle, beispielsweise mittels eines Monitors visualisierte Hand, deren Bewegungen sich mittels der Haptik-Anordnung (Datenhandschuh) steuern lassen. Von Sensoreinrichtungen (s. Sensoreinrich- tungen 1 10 und 210) der Haptik-Anordnung erfasste Positionen und Bewegungen einer Hand eines Benutzers der Haptik-Anordnung werden in entsprechende Positionen und Bewegungen der virtuellen Hand umgesetzt und z.B. visualisiert.
Wenn, wie in Fig. 12 veranschaulicht, die virtuelle Hand gesteuert von dem Benutzer ein virtuel- les Objekt (Kugel) virtuell kontaktiert, wird von der Haptik-Anordnung eine entsprechende
Kraftrückmeldung für den Benutzer erzeugt. Bei dem in Fig. 12 gezeigten Beispiel kontaktieren alle Finger der virtuellen Hand das virtuelle Objekt, für das hier in einem ersten Schritt vereinfachend angenommen wird, dass es nicht elastisch ist. Die Haptik-Anordnung soll dem Benutzer die Wahrnehmung vermitteln, die er hat, wenn er ein solches Objekt tatsächlich mit seiner Hand kontaktiert. Hierfür werden für die Stellung der Hand des Benutzers, in der die virtuelle Hand das virtuelle Objekt (Kugel) virtuell kontaktiert, die Bremsen aktiviert, um keine Bewegungen der elastischen Elemente zuzulassen. Dies führt dazu, dass der Benutzer seine Finger nicht weiter in die Richtungen bewegen kann, in die sie zuvor bewegt wurden; so wie dies auch beim Kontaktieren/Ergreifen eine realen Objekts der Fall ist.
Falls man alternativ annimmt, dass das virtuelle Objekt elastische Eigenschaften aufweist, so soll die Haptik-Anordnung dem Benutzer die Wahrnehmung vermitteln, dass er ein solches elastisches Objekt greift. Die Bremsen werden derart aktiviert, dass die Bewegung der Finger des Benutzers durch Erhöhung des Bewegungswiderstands erschwert, nicht jedoch vollends unterbun- den wird. Ein virtuelles Objekt mit elastischen Eigenschaften erzeugt im komprimierten Zustand Rückstellkräfte. Dem Benutzer kann auch diese Wahrnehmung vermittelt werden. Die Aktoren der Bremsen können die entsprechenden Bremselemente aktiv bewegen, um einem Benutzer die erzeugten Rückstellkräfte spürbar werden zu lassen. Bezugszeichen Bezeichnung
10 Haptik-Anordnung (Datenhandschuh)
12 Handschuh
14 Haptik- Vorrichtung für einen Zeigefinger
16 Haptik- Vorrichtung für einen Mittelfinger
18 Haptik- Vorrichtung für einen Ringfinger
20 Haptik- Vorrichtung für einen kleinen Finger
22 Haptik- Vorrichtung für einen Daumen
24 Haptik-Anordnung (Datenarmling)
26 Armling
28 Haptik- Vorrichtung für ein Handgelenk
30 Haptik- Vorrichtung für einen Ellenbogen
50 Haptik- Vorrichtung (allgemeine Darstellung)
100 erste Haptik- Vorrichtung
102 erste Bremse
104 erstes flexibles Element
106 erstes Ende des ersten flexiblen Elementes
108 zweites Ende des ersten flexiblen Elementes
1 10 erste Sensorvorrichtung
1 12 Bremselement der ersten Bremse (Klinke o- der Raste)
1 14 Bremsfläche des ersten flexiblen Elementes
200 zweite Haptik- Vorrichtung
202 zweite Bremse
204 zweites flexibles Element
206 erstes Ende des zweiten flexiblen Elementes
208 zweites Ende des zweiten flexiblen Elementes
210 zweite Sensorvorrichtung
212 Bremselement der zweiten Bremse (Klinke oder Raste)
214 Bremsfläche des zweiten flexiblen Elementes
300 Aktor
302 Elektromagnet
304 Verbindung Elektromagnet - Bremselement
ZF Zeigefinger
MF Mittelfinger
RF Ringfinger KF Kleiner Finger
D Daumen
FGG Fingergrundgelenk
FMG Fingermittelgelenk
FEG Fingerendgelenk
F Finger
FG1 erstes Fingerglied
FG2 zweites Fingerglied
FG3 Drittes Fingerglied
GEH Gehäuse für mehrere Haptik- Vorrichtungen
HG Handgelenk
EB Ellenbogen
HR Handrücken
UA Unterarm
OA Oberarm

Claims

Patentansprüche
1. Haptik- Vorrichtung für ein zwei Körperteile verbindendes erstes Gelenk und ein in Reihe mit dem ersten Gelenk angeordnetes und zwei Körperteile verbindendes zweites Gelenk, umfassend:
- eine erste Haptik-Einheit umfassend
— eine mittels eines ersten Steuersignals betätigbare erste Bremse zur Anordnung an einem ersten Körperteil, der über das erste Gelenk mit einem zweiten Körperteil verbunden ist,
— ein sich zwischen dem ersten Körperteil und dem zweiten Körperteil über das erste Gelenk erstreckendes erstes flexibles Element mit einem ersten Ende zur Befestigung an dem zweiten Körperteil und einem zweiten Ende, das in Wirkverbindung mit der ersten Bremse steht, wobei das zweite Ende des ersten flexiblen Elementes bei nicht betätigter erster Bremse relativ zu dieser bewegbar ist und wobei die Bewegbarkeit des zweiten Endes des ersten flexiblen Elementes relativ zu der ersten Bremse bei Betätigung der ersten Bremse wenigstens verringert ist, und
- eine zweite Haptik-Einheit umfassend
— eine mittels eines zweiten Steuersignals betätigbare zweite Bremse zur Anordnung an einem dritten Körperteil, der über das zweite Gelenk mit einem vierten Körperteil verbunden ist,
— ein sich zwischen dem dritten Körperteil und dem vierten Körperteil über das zweite Gelenk erstreckendes zweites flexibles Element mit einem ersten Ende zur Befestigung an dem vierten Körperteil und einem zweiten Ende, das in Wirkverbindung mit der zweiten Bremse steht, wobei das zweite Ende des zweiten flexiblen Elementes bei nicht betätigter zweiter Bremse relativ zu dieser bewegbar ist und wobei die Bewegbarkeit des zweiten Endes des zweiten flexiblen Elementes relativ zu der zweiten Bremse bei Betätigung der zweiten Bremse wenigstens verringert ist.
2. Haptik- Vorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei
- das erste flexible Element eine Längsachse hat und bei nicht betätigter erster Bremse in Richtungen der Längsachse bewegbar ist, und/oder
- das zweite flexible Element eine Längsachse hat und bei nicht betätigter zweiter Bremse in Richtungen der Längsachse bewegbar ist.
Haptik- Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, wobei
- das erste flexible Element eine Längsachse hat und bei nicht betätigter erster Bremse in Richtungen der Längsachse bewegbar ist und bei betätigter erster Bremse in davon abweichenden Richtungen bewegbar ist, und/oder
- das zweite flexible Element eine Längsachse hat und bei nicht betätigter zweiter Bremse in Richtungen der Längsachse bewegbar ist und bei betätigter zweiter Bremse in davon abweichenden Richtungen bewegbar ist.
Haptik- Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, wobei
- das erste Ende des ersten flexiblen Elementes schwenkbar befestigt ist , und/oder
- das erste Ende des zweiten flexiblen Elementes schwenkbar befestigt ist oder mit der ersten Bremse verbunden ist, vorzugsweise schwenkbar.
Haptik-Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, wobei
- das erste flexible Element wenigstens teilweise eine erste Bremsfläche aufweist und die erste Bremse ein erstes steuerbar bewegbares Bremselement aufweist, das ausgelegt ist, so mit der ersten Bremsfläche zusammenzuwirken, dass Bewegungen des ersten flexiblen Elementes wenigstens eingeschränkt werden, und/oder
- das zweite flexible Element wenigstens teilweise eine zweite Bremsfläche aufweist und die zweite Bremse ein zweites steuerbar bewegbares Bremselement aufweist, das ausgelegt ist, so mit der zweiten Bremsfläche zusammenzuwirken, dass Bewegungen des zweiten flexiblen Elementes wenigstens eingeschränkt werden.
Haptik-Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, wobei
- die erste Bremse einen mittels des ersten Steuersignals steuerbaren ersten Aktor um- fasst, und/oder
- die zweite Bremse einen mittels des ersten Steuersignals steuerbaren zweiten Aktor umfasst.
Haptik-Vorrichtung nach einem der zwei vorherigen Patentansprüchen, wobei
- der erste steuerbare Aktor ausgelegt ist, Bewegungen des ersten Bremselementes selektiv zu steuern, und/oder
- der zweite steuerbare Aktor ausgelegt ist, die Bewegungen des zweiten Bremselementes selektiv zu steuern.
8. Haptik- Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, wobei
- die erste Haptik-Einheit eine erste Sensorvorrichtung umfasst, die ausgelegt ist, Positionen und/oder Bewegungen des ersten Körperteils und des zweiten Körperteils relativ zu einander zu erfassen und entsprechende erste Sensorsignale auszugeben, und/oder
- die zweite Haptik-Einheit eine zweite Sensorvorrichtung umfasst, die ausgelegt ist, Positionen und/oder Bewegungen des dritten Körperteils und des vierten Körperteils relativ zu einander zu erfassen und entsprechende zweite Sensorsignale auszugeben.
9. Haptik- Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, ferner mit einer Steuerung, die ausgelegt ist,
- das erste Steuersignal zur Steuerung der ersten Bremse und/oder das zweite Steuersignal zur Steuerung der zweiten Bremse zu erzeugen, und/oder
- ein erstes externes Steuersignal zu erhalten und auf dessen Grundlage das erste Steuersignal zu erzeugen und/oder ein zweites externes Steuersignal zu erhalten und auf dessen Grundlage das zweite Steuersignal zu erzeugen.
10. Haptik- Vorrichtung nach dem vorherigen Patentanspruch, wobei die Steuerung eine Schnittstelle zum Datenaustausch mit einem Computersystem aufweist.
1 1. Haptik- Anordnung mit
- einem Kleidungsstück und
- wenigstens einer Haptik- Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, wobei die wenigstens eine Haptik-Vorrichtung so an und/oder in dem Kleidungsstück angeordnet ist, dass die Haptik-Vorrichtung wenigstens zwei in Reihe angeordneten Gelenken eines Benutzer zugeordnet ist, wenn der Benutzer das Kleidungsstück trägt.
12. Steuerungsverfahren für eine Haptik-Vorrichtung für ein zwei Körperteile verbindendes erstes Gelenk und ein in Reihe mit dem ersten Gelenk angeordnetes und zwei Körperteile verbindendes zweites Gelenk, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Betätigen einer ersten Bremse einer ersten Haptik-Einheit, bei der die erste Bremse an einem ersten Körperteil, der über das erste Gelenk mit einem zweiten Körperteil verbunden ist, angeordnet ist und die erste Bremse mit einem mit dem zweiten Körperteil ersten flexiblen Element in Wirkverbindung treten kann, um die bewegbare des ersten flexiblen Elements wenigstens einzuschränken, mittels eines ersten Steuersignal, wenn eine Bewegung des ersten Körperteils und des zweiten Körperteils relativ zu einander mittels des ersten Gelenks wenigstens eingeschränkt werden soll, und
- Betätigen einer zweiten Bremse einer zweiten Haptik-Einheit, bei der die zweite Bremse an einem dritten Körperteil, der über das zweite Gelenk mit einem vierten Körperteil verbunden ist, angeordnet ist und die zweite Bremse mit einem mit dem vierten Körperteil verbundenen zweiten flexiblen Element in Wirkverbindung treten kann, um die bewegbare des zweiten flexiblen Elements wenigstens einzuschränken, mittels eines zweiten Steuersignal, wenn eine Bewegung des dritten Körperteils und des vierten Kör- perteils relativ zu einander mittels des zweiten Gelenks wenigstens eingeschränkt werden soll.
Steuerungsverfahren nach dem vorherigen Patentanspruch, ferner mit folgenden Schritten:
- Erfassen von Positionen und/oder Bewegungen des ersten Körperteils und des zweiten Körperteils relativ zu einander mittels einer ersten Sensorvorrichtung der ersten Haptik- Einheit, und/oder
- Erfassen von Positionen und/oder Bewegungen des dritten Körperteils und des vierten Körperteils relativ zu einander mittels einer zweiten Sensorvorrichtung der zweiten Haptik-Einheit.
Steuerungsverfahren nach dem vorherigen Patentanspruch, wobei:
- das Betätigen der ersten Bremse in Abhängigkeit von mittels der ersten Sensoreinrichtung erfassten Positionen und/oder Bewegungen geschieht, und/oder
- das Betätigen der zweiten Bremse in Abhängigkeit von mittels der zweiten Sensoreinrichtung erfassten Positionen und/oder Bewegungen geschieht.
Steuerungsverfahren nach dem vorherigen Patentanspruch, wobei
- das erste Steuersignal in Abhängigkeit von mittels der ersten Sensoreinrichtung erfassten Positionen und/oder Bewegungen bezüglich eines ersten Referenzwertes erzeugt wird, und/oder
- das zweite Steuersignal in Abhängigkeit von mittels der zweiten Sensoreinrichtung erfassten Positionen und/oder Bewegungen bezüglich eines zweiten Referenzwertes erzeugt wird. Computerprogramm-Produkt, das auf einem computerlesbaren Medium gespeichert ist und mit Programmcode, der mittels eines Computer ausgeführt die Schritte des in vorhe rigen Patentansprüchen definierten Verfahrens durchführt.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106951098A (zh) * 2017-05-22 2017-07-14 杨怀宁 一种vr系统触感手套装置及其实现方法
KR20200094733A (ko) * 2017-11-16 2020-08-07 자오성 천 스마트 웨어러블 장치, 스마트 웨어러블 장비 및 제어 방법
DE102021121743A1 (de) 2021-08-23 2023-02-23 Aeon Robotics GmbH Roboterhand eines Roboters und Verfahren zum Trainieren eines Roboters sowie ein tragbares Sensor- und Kraftrückführungselement hierzu

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10372213B2 (en) * 2016-09-20 2019-08-06 Facebook Technologies, Llc Composite ribbon in a virtual reality device
US11036295B2 (en) 2016-11-23 2021-06-15 Microsoft Technology Licensing, Llc Electrostatic slide clutch
US10475354B2 (en) 2017-04-17 2019-11-12 Facebook, Inc. Haptic communication using dominant frequencies in speech signal
US10583359B2 (en) * 2017-12-28 2020-03-10 Immersion Corporation Systems and methods for providing haptic effects related to touching and grasping a virtual object
US11023047B2 (en) 2018-05-01 2021-06-01 Microsoft Technology Licensing, Llc Electrostatic slide clutch with bidirectional drive circuit
CN109085920A (zh) * 2018-07-20 2018-12-25 广东技术师范学院 一种基于vr技术的虚拟阅读系统
US10534433B1 (en) * 2018-08-24 2020-01-14 Facebook Technologies, Llc Wearable haptic devices with jamming assemblies for haptic jamming
US10852825B2 (en) 2018-09-06 2020-12-01 Microsoft Technology Licensing, Llc Selective restriction of skeletal joint motion
CN109375772B (zh) * 2018-10-23 2021-04-16 北京航空航天大学 一种多元触觉反馈手套
US10860102B2 (en) * 2019-05-08 2020-12-08 Microsoft Technology Licensing, Llc Guide for supporting flexible articulating structure
US11054905B2 (en) * 2019-05-24 2021-07-06 Microsoft Technology Licensing, Llc Motion-restricting apparatus with common base electrode
US11061476B2 (en) * 2019-05-24 2021-07-13 Microsoft Technology Licensing, Llc Haptic feedback apparatus
IT201900009885A1 (it) * 2019-06-24 2020-12-24 Webbdone Srl Dispositivo per realta’ virtuale
EP4060452A4 (de) * 2019-11-13 2022-12-28 Sony Group Corporation Steuervorrichtung, haptische anzeigevorrichtung und steuerungsverfahren
WO2021207330A2 (en) * 2020-04-08 2021-10-14 Tactual Labs Co. Non-uniform electrode spacing with a bend sensor
GB202013393D0 (en) 2020-08-26 2020-10-07 Elias Hugo A device for connecting motion tracking sensors to a hand
CN112720404B (zh) * 2020-12-23 2022-06-28 航天时代电子技术股份有限公司 遥操作手套
CN113370272B (zh) * 2021-05-27 2022-12-13 西安交通大学 一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法
WO2024030656A2 (en) * 2022-08-05 2024-02-08 Haptx, Inc. Haptic platform and ecosystem for immersive computer mediated environments

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001018617A1 (en) * 1999-09-09 2001-03-15 Rutgers, The State Of University Of New Jersey Remote mechanical mirroring using controlled stiffness and actuators (memica)
DE202005019953U1 (de) * 2005-12-10 2006-02-23 "Wir Forschen" E.V. Datenhandschuh mit Rückinformation

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5516249A (en) * 1994-05-10 1996-05-14 Technical Research Associates, Inc. Exoskeleton with kinesthetic feedback and robotic control

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001018617A1 (en) * 1999-09-09 2001-03-15 Rutgers, The State Of University Of New Jersey Remote mechanical mirroring using controlled stiffness and actuators (memica)
DE202005019953U1 (de) * 2005-12-10 2006-02-23 "Wir Forschen" E.V. Datenhandschuh mit Rückinformation

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106951098A (zh) * 2017-05-22 2017-07-14 杨怀宁 一种vr系统触感手套装置及其实现方法
KR20200094733A (ko) * 2017-11-16 2020-08-07 자오성 천 스마트 웨어러블 장치, 스마트 웨어러블 장비 및 제어 방법
EP3690608A4 (de) * 2017-11-16 2020-09-09 Zhaosheng Chen Intelligentes tragbares gerät, intelligente tragbare vorrichtung und steuerungsverfahren
US11042219B2 (en) 2017-11-16 2021-06-22 Zhaosheng Chen Smart wearable apparatus, smart wearable equipment and control method of smart wearable equipment
KR102438347B1 (ko) * 2017-11-16 2022-08-31 자오성 천 스마트 웨어러블 장치와 스마트 웨어러블 장비
DE102021121743A1 (de) 2021-08-23 2023-02-23 Aeon Robotics GmbH Roboterhand eines Roboters und Verfahren zum Trainieren eines Roboters sowie ein tragbares Sensor- und Kraftrückführungselement hierzu
WO2023025658A2 (de) 2021-08-23 2023-03-02 Aeon Robotics GmbH Roboterhand eines roboters und verfahren zum trainieren eines roboters sowie ein tragbares sensor- und kraftrückführungselement hierzu

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014019582B4 (de) 2017-03-30
US20170371416A1 (en) 2017-12-28
EP3241090A1 (de) 2017-11-08
DE102014019582A1 (de) 2016-06-30

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