WO2017220686A1 - Vorrichtung und verfahren zum erzeugen eines taktilen reizes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum erzeugen eines taktilen reizes Download PDF

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WO2017220686A1
WO2017220686A1 PCT/EP2017/065298 EP2017065298W WO2017220686A1 WO 2017220686 A1 WO2017220686 A1 WO 2017220686A1 EP 2017065298 W EP2017065298 W EP 2017065298W WO 2017220686 A1 WO2017220686 A1 WO 2017220686A1
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finger
output unit
holder
end member
sensor
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PCT/EP2017/065298
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Thomas HULIN
Simon Schätzle
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
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    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
    • A61B5/6825—Hand
    • A61B5/6826—Finger

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for generating a tactile stimulus on a finger tip.
  • the device serves in particular as a human-machine interface for "virtual reality” applications.
  • the sense of touch of the wearer can be stimulated on at least one of his fingers so that the impression of, for example, touching or manipulating a virtual object arises for the wearer.
  • Such devices are known, for example, from the publications US 2001/0043847 A1, US 2008/0226134 A1, WO 2006/054163 A2, US Pat. No. 7,138,976 B1 or US Pat. No. 6,110,130 A.
  • such devices are the subject of, for example, the following articles:
  • the object of the invention is to improve such a device in that an actual contact of a real object by a carrier of the
  • Device is influenced or hindered as little as possible by the device and also the most realistic possible feedback for virtual touches on the finger of the wearer can be generated.
  • a first aspect of the invention relates to a device for attachment to a finger.
  • the device has the following elements: a holder for the lateral and longitudinal detachable fixing of the device on a finger tip of the finger, a first output unit for outputting first haptic signals, a second Output unit for outputting second haptic signals, and a control unit for driving the first and second output units.
  • the holder is designed in such a way that in the fingered state of the holder, the finger berry of the finger end member is freely accessible and raised with respect to the holder.
  • the first and second output units are arranged on the holder such that in a state of the device plugged on the finger, the first output unit and the second output unit laterally contact the finger end member, and the first output unit and the second
  • Output units are each designed to generate tactile stimuli on the finger-end member by the output of haptic signals.
  • the output units are advantageously connected to a control unit, which is the
  • Control of the output units is used. This connection can be wired and / or wirebound.
  • the control unit advantageously comprises a
  • the control unit further advantageously comprises an energy source, for example a battery, or a unit for wireless energy reception, for example a coil.
  • an energy source for example a battery
  • a unit for wireless energy reception for example a coil.
  • finger end member refers to the third phalanx, which is also referred to as the phalanx distalis, which is the phalanx on which the finger nail of the respective finger is located.
  • the underside of the finger end member is referred to as the finger berry of a finger.
  • This is the palmar-oriented surface of the finger end member, where the Papillarangn located there, the characteristic for a human
  • Fingerprint forms i. that surface of the finger end member, which the
  • fingertip tip refers to the distally oriented end face of the finger tip.
  • the fingertip tip connects the finger pad on the underside of the finger tip to the fingernail on the top of the finger tip.
  • a longitudinal direction of the finger corresponds to a longitudinal direction of the
  • Fingerendglieds that is, a distal-proximal line along the finger end member.
  • a lateral direction is perpendicular to the longitudinal direction and is preferably additionally perpendicular to a palmar-dorsal line through the
  • the holder of the device is designed such that in the plugged on the finger state of the holder, the fingertip of the finger end member is freely accessible and raised with respect to the holder. Accordingly, the holder is arranged on the finger end member in the plugged state that when touching an object with the
  • the fingertip of the respective finger first comes into contact with an object, even before the holder touches the object.
  • the holder in the attached state is arranged such that the holder of the finger-berry does not interfere with a touch of an object, nor obstructed nor falsified the impression of touch.
  • Fingertip is protruding in a direction away from the finger palmar direction opposite the holder.
  • each of the output units comprises a controllable actuator that generates forces and / or moments and on the
  • Shape memory metals piezoelectric elements, electroactive polymers, etc.
  • the first output unit and the second output unit are the first output unit and the second output unit.
  • associated actuators for generating tactiiem feedback arranged laterally on a finger end member that they as little as possible or not cover the finger berry on the underside of a finger end member.
  • the first output unit and the second output unit are able to simulate a tactile stimulus on the fingertip. This gives the wearer of the device the impression that he would, for example, touch a virtual object with the respective fingertip.
  • the first output unit and the second output unit receive haptic signals in the form of aperiodic forces and moments or vibrations generated (with frequencies / amplitudes).
  • Output unit and the second output unit generated tactile stimuli matched to one another, for example, by different frequencies and or amplitudes of the respective feedback signals that the perceived tactile stimulus can be varied locally and in intensity over the surface of the fingertip.
  • the signals output by the first output unit and the second output unit thus generate a tactile stimulus by stimulating the sense of touch of the wearer of the device. It is an advantageous effect of the invention that the device for attachment to a finger tip is not detrimental to an undistorted impression of an actual contact of an object, and in particular despite the free fingertip a tactile stimulus can be delivered to a finger for virtual touch, the sensation an actual touch of a real object realistically emulates for a wearer of the device.
  • the holder is designed such that in the plugged on the finger state of the holder, the fingertip tip of the
  • Fingerendglieds freely accessible and raised against the bracket Similar to an uncovered fingertip, this advantageous embodiment additionally has an uncovered and freely accessible fingertip tip.
  • the holder is advantageously arranged on the finger end member so that the fingertip tip of the finger end member is able to touch an object without causing the holder or another element of the device is therebetween and thus stand in the way or could interfere.
  • the first output unit and the second output unit are each designed to output haptic signals by the generation of forces and / or torques.
  • the transmitted forces / torques can be time-variable, for example, each with a frequency and amplitude, in addition may be time dependent, generated by the output units.
  • the force / torque application takes place at the output units by piezoactuators, electroactive polymers or shape memory materials, the latter preferably being heated / cooled as a function of a current flow and thus deformable adjustable.
  • piezoactuators electroactive polymers or shape memory materials, the latter preferably being heated / cooled as a function of a current flow and thus deformable adjustable.
  • electroactive polymers or shape memory materials, the latter preferably being heated / cooled as a function of a current flow and thus deformable adjustable.
  • the first output unit and the second output unit are each designed to output haptic signals by the generation of oscillating forces and / or oscillating torques.
  • Tissue dynamics and a targeted stimulation of these particular impressions can be generated.
  • the first output unit and the second output unit each have a plurality of segments, in particular a plurality of actuators, for the respective output of haptic signals, wherein the individual segments can be individually controlled by the control unit.
  • a plurality of first output units and a plurality of second output units, as described above, are arranged on the holder.
  • the segments / actuators of the respective output unit are each designed to independently generate an aperiodic or periodic force curve or torque curve, or vibrations.
  • this results in further degrees of freedom for the stimulation of the sense of touch on a finger-end member, in particular so different touch-sensitive zones can be taken into account at the finger-end member.
  • the conditions of the impacts with a force on the segments are adjustable and particularly adaptable to the respective person.
  • an environmental sensor for determining an environment of the device, wherein the environmental sensor comprises one or more of the following elements:
  • a camera for light in the visible wavelength range - a camera for light in the infrared wavelength range
  • the environmental sensor is arranged on the holder.
  • a human sensor for determining physiological parameters at the finger end member, the physiological parameters comprising one or more of the following elements:
  • the human sensor is arranged on the holder.
  • an interaction unit (human-machine interface) for inputting and / or outputting information for operation of the device by a user and / or for notification of the user, wherein the interaction unit comprises one or more of the following elements :
  • the interaction unit can be advantageously used with the described device wired or wireless.
  • the interaction unit is arranged on the holder.
  • a force sensor for determining a force exerted by the finger end member on an environment force.
  • the force sensor is arranged on the holder.
  • an interaction in a "virtual reality" environment between a user and a computer system is possible, since not only the person receives a tactile feedback, but also the computer system feedback on the expended force of the user.
  • the communication unit is advantageously arranged on the holder.
  • the second identical device has a corresponding communication unit.
  • an interface for transmitting data and / or information and / or energy between the device and a handheld exoskeleton and / or an external power supply.
  • Another aspect of the invention relates to a handheld exoskeleton with a device as described above.
  • Advantageous developments of the hand exoskeleton result from an analogous and analogous transmission of the proposed
  • a further aspect of the invention relates to a method for operating a device for attachment to a finger end member, the device comprising: a holder for laterally and longitudinal releasably fixing the device on the finger end member, a first output unit for outputting first haptic signals, a second
  • An output unit for outputting second haptic signals, and a control unit for driving the first and second output units, the holder being such is executed that in the plugged on the finger state of the holder the
  • Fingerfoil of the finger end member is freely accessible and raised with respect to the holder, and the first and the second output unit are arranged on the holder, that in a plugged-on state of the device, the first
  • the method comprises the following steps.
  • the device is fixed to the finger-end member by means of the holder.
  • the first output unit and the second output unit are driven by a control unit.
  • the first haptic signals for a tactile stimulus are output at the finger-end member by the first output unit, and outputting second tactile signals for a tactile stimulus at the finger-end member by the second output unit.
  • FIG. 1 shows a device on a finger end member according to a
  • Fig. 2 shows a device on a finger end member according to another
  • Fig. 3 shows a method for the operation of a device for mounting on a
  • Fig. 1 shows a device 100 for attachment to a finger.
  • a bracket 1 serves as a frame of the device 100 for laterally and longitudinal releasably fixing the device 100 on a finger tip of the finger.
  • the frame has a slight elasticity to fit fingers of different sizes.
  • a first output unit 1 1 for outputting first haptic signals and a second output unit 12 for outputting second haptic signals arranged.
  • Dispensing units are here embodied as rails, which are each arranged laterally next to the fingertip, so that the fingertip in a palmar direction is the furthest projecting element away from the finger.
  • Fig. 2 shows in two views each device 100 on a finger.
  • the first output unit 1 1 and the second output unit 12 are each designed to generate, in accordance with the control signals of the control unit 20, any force or torque characteristics which act on the tissue of the finger.
  • any force or torque characteristics which act on the tissue of the finger.
  • the possible temporal processes include vibrations.
  • the first output unit 1 1 and the second output unit 12 each have a plurality of segments for respectively outputting haptic signals, wherein the individual segments can be individually controlled by the control unit 20. There are three segments per page.
  • an environment sensor 31 for detecting data in an environment of the device 100.
  • This environmental sensor 31 has an ultrasonic distance sensor, alternatively a laser distance sensor.
  • a human sensor 32 is for determining physiological parameters on the finger tip.
  • the physiological parameters include a body temperature, skin electrical conductivity, pulse rate, and blood pressure of the device 100.
  • a force sensor 70 is used to determine a force exerted by the finger tip on an environment.
  • An interaction unit 40 permits input and output of Information for an operation of the device 100 for a user.
  • a communication unit 50 allows communication with a second device on another finger, the second device having the technical features of the device 100 described herein.
  • the transmission of data and energy between the device 100 and a handheld exoskeleton with a power supply takes over an interface 60.
  • the interface is based on the USB standard.
  • FIG. 3 shows a method for operating a device 100 for attachment to a finger end member, the device 100 comprising: a holder 1 for laterally and longitudinal releasably fixing the device 100 on the finger end member, a first output unit 1 1 for outputting first haptic signals a second output unit 12 for outputting second haptic signals, and a control unit 20 for driving the first and second output units, wherein the holder 1 is designed such that in the plugged on the finger state of the holder 1, the finger of the
  • Fingerendglieds is freely accessible and raised with respect to the holder 1, and the first and second output unit 12 are arranged on the holder 1 such that in a plugged on the finger state of the device 100, the first
  • the method comprises the following steps.
  • a first step S1 the device 100 is fixed to the finger-end member by means of the holder 1.
  • a second step S2 the first output unit and the second output unit are actuated by the control unit 20.
  • a third step S3 first haptic signals for a tactile stimulus are output at the
  • a fourth step S4 second tactile signals for a tactile stimulus are output at the finger-end member by the second output unit 12.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Aufstecken auf einen Finger, aufweisend: eine Halterung (1) zum lateralen und longitudinalen lösbaren Fixieren der Vorrichtung (100) auf einem Fingerendglied des Fingers, eine erste Ausgabeeinheit (11) zur Ausgabe erster haptischer Signale, eine zweite Ausgabeeinheit (12) zur Ausgabe zweiter haptischer Signale, und eine Steuereinheit (20) zum Ansteuern der ersten und der zweiten Ausgabeeinheit, wobei die Halterung (1) derart ausgeführt ist, dass im auf den Finger aufgesteckten Zustand der Halterung (1) die Fingerbeere des Fingerendglieds frei zugänglich und erhaben gegenüber der Halterung (1) ist, die erste und die zweite Ausgabeeinheit (12) derart an der Halterung (1) angeordnet sind, dass in einem auf den Finger aufgesteckten Zustand der Vorrichtung (100) die erste Ausgabeeinheit (11) und die zweite Ausgabeeinheit (12) das Fingerendglied seitlich gegenüberliegend kontaktieren, und die erste Ausgabeeinheit (11) und die zweite Ausgabeeinheit (12) jeweils dazu ausgeführt sind, durch die Ausgabe haptischer Signale taktile Reize an dem Fingerendglied zu erzeugen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines taktilen Reizes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines taktilen Reizes an einem Fingerendglied. Die Vorrichtung dient insbesondere als Mensch- Maschine-Schnittstelle für„Virtual Reality"-Anwendungen.
Mit einer derartigen Vorrichtung kann der Tastsinn des Trägers an zumindest einem seiner Finger so stimuliert werden, dass für den Träger der Eindruck bspw. des Berührens oder Handhabens eines virtuellen Objekts entsteht. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus den Druckschriften US 2001 /0043847 A1 , US 2008/0226134 A1 , WO 2006/054163 A2, US 7,138,976 B1 oder US 6,1 10, 130 A bekannt. Darüber hinaus sind derartige Vorrichtungen Gegenstand beispielsweise folgender Artikel:
· JANG, Inyoung; LEE, Donfjun:„Experiments with cutaneous haptic feedback - A preliminary study", in: Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI), 2013 0th International Conference on. IEEE, 2013, S. 232-233;
• SCHEIBE, Robert; MOEHRING, Mathias; FROEHLICH, Bernd: Tactile feedback at the finger tips for improved direct interaction in immersive environments", in: 3D User Interfaces, 2007. 3DUIO7. IEEE Symp. 2007.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass eine tatsächliche Berührung eines realen Objekts durch einen Träger der
Vorrichtung möglichst wenig durch die Vorrichtung beeinflusst oder behindert wird und zudem ein möglichst realistisches Feedback für virtuelle Berührungen am Finger des Trägers erzeugt werden kann.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufstecken auf einen Finger. Dabei weist die Vorrichtung folgende Elemente auf: eine Halterung zum lateralen und longitudinalen lösbaren Fixieren der Vorrichtung auf einem Fingerendglied des Fingers, eine erste Ausgabeeinheit zur Ausgabe erster haptischer Signale, eine zweite Ausgabeeinheit zur Ausgabe zweiter haptischer Signale, und eine Steuereinheit zum Ansteuern der ersten und der zweiten Ausgabeeinheit. Erfindungsgemäß ist die Halterung derart ausgeführt, dass im auf den Finger aufgesteckten Zustand der Halterung die Fingerbeere des Fingerendglieds frei zugänglich und erhaben gegenüber der Halterung ist. Weiterhin sind die erste und die zweite Ausgabeeinheit derart an der Halterung angeordnet, dass in einem auf den Finger aufgesteckten Zustand der Vorrichtung die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit das Fingerendglied seitlich gegenüberliegend kontaktieren, und die erste Ausgabeeinheit und die zweite
Ausgabeeinheit sind jeweils dazu ausgeführt, durch die Ausgabe haptischer Signale taktile Reize an dem Fingerendglied zu erzeugen.
Die Ausgabeeinheiten sind vorteilhaft mit einer Steuereinheit verbunden, die der
Ansteuerung der Ausgabeeinheiten dient. Diese Verbindung kann drahtgebunden und/oder drahtungebunden erfolgen. Die Steuereinheit umfasst vorteilhaft eine
Steuerelektronik. Die Steuereinheit umfasst weiterhin vorteilhaft eine Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, oder eine Einheit zum drahtungebundenen Energieempfang, beispielsweise eine Spule.
Der Begriff des„Fingerendglied" bezeichnet vorliegend das dritte Fingerglied, welches auch als Phalanx Distalis bezeichnet wird. Es ist jenes Fingerglied, auf dem sich der Fingernagel des jeweiligen Fingers befindet.
Als Fingerbeere eines Fingers wird vorliegend die Unterseite des Fingerendglieds bezeichnet. Diese ist die palmar orientierte Fläche des Fingerendglieds, an der sich durch die dort gelegenen Papillarleisten der für einen Menschen charakteristische
Fingerabdruck bildet, d.h. diejenige Fläche des Fingerendgliedes, welche dem
Fingernagel gegenüberliegt.
Der Begriff„Fingerkuppenspitze" bezeichnet vorliegend die distal orientierte Stirnfläche des Fingerendglieds. Die Fingerkuppenspitze verbindet die Fingerbeere an der Unterseite des Fingerendglieds mit dem Fingernagel an der Oberseite des Fingerendglieds.
Eine longitudinale Richtung des Fingers entspricht einer Längsrichtung des
Fingerendglieds, das heißt einer distal-proximalen Geraden entlang des Fingerendglieds. Eine laterale Richtung steht senkrecht auf der longitudinalen Richtung und steht bevorzugt zusätzlich senkrecht auf einer palmar-dorsalen Geraden durch das
Fingerendglied. Die Halterung der Vorrichtung ist derart ausgeführt, dass im auf den Finger aufgesteckten Zustand der Halterung die Fingerbeere des Fingerendglieds frei zugänglich und erhaben gegenüber der Halterung ist. Demnach ist die Halterung derart am Fingerendglied im aufgesteckten Zustand angeordnet, dass bei einer Berührung eines Objekts mit der
Unterseite des Fingers die Fingerbeere des jeweiligen Fingers als erstes in Berührung mit einem Objekt kommt, noch bevor die Halterung das Objekt berührt. Mit anderen Worten ist die Halterung im aufgesteckten Zustand derart angeordnet, dass die Halterung der Fingerbeere bei einer Berührung eines Objekts nicht im Wege steht, noch behindert, noch den Eindruck der Berührung verfälscht.
Der Ausdruck„erhaben gegenüber der Halterung" bedeutet vorliegend, dass die
Fingerbeere in einer vom Finger weg zeigenden palmaren Richtung gegenüber der Halterung hervorstehend ist.
Des Weiteren sind die erste und die zweite Ausgabeeinheit derart an der Halterung angeordnet, dass in einem auf den Finger aufgesteckten Zustand der Vorrichtung die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit das Fingerendglied seitlich gegenüberliegend kontaktieren. Vorteilhaft umfasst jede der Ausgabeeinheiten einen ansteuerbaren Aktuator, der Kräfte und/oder Momente erzeugen und auf das
Fingerendglied übertragen kann. Beispiele solcher Aktuatoren sind
Formgedächtnismetalle, Piezoelemente, elektroaktive Polymere, etc.
Im Gegensatz zu lokal an einer Fingerbeere platzierten Aktuatoren, die die Fingerbeere verdecken, sind die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit, das
insbesondere zugehörige Aktuatoren zum Erzeugen von taktiiem Feedback, derart seitlich an einem Fingerendglied angeordnet, dass sie die Fingerbeere an der Unterseite eines Fingerendglieds möglichst wenig bzw. nicht verdecken. Insbesondere durch Simulationsmuster, erzeugt durch aperiodische Kräfte und Momente oder Vibrationen sind die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit in der Lage, einen taktilen Reiz an der Fingerbeere zu simulieren. Dadurch entsteht beim Träger der Vorrichtung der Eindruck, als würde er bspw. ein virtuelles Objekt mit der jeweiligen Fingerbeere berühren.
Insbesondere werden von der ersten Ausgabeeinheit und der zweiten Ausgabeeinheit haptische Signale in Form von aperiodischen Kräften und Momenten oder Vibrationen (mit Frequenzen / Amplituden) erzeugt. Vorteilhaft werden die von der ersten
Ausgabeeinheit und der zweiten Ausgabeeinheit erzeugten taktilen Reize derart aufeinander abgestimmt, beispielsweise durch unterschiedliche Frequenzen und oder Amplituden der jeweiligen Feedbacksignale, dass der wahrgenommene taktile Reiz über die Fläche der Fingerbeere lokal und in der Intensität variiert werden kann. Die die von der ersten Ausgabeeinheit und der zweiten Ausgabeeinheit ausgegebenen Signale erzeugen somit einen taktilen Reiz durch Stimulation des Tastsinns des Trägers der Vorrichtung. Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass die Vorrichtung zum Aufstecken auf ein Fingerendglied einem unverfälschten Eindruck einer tatsächlichen Berührung eines Objekts nicht abträglich ist, und insbesondere trotz der freien Fingerbeere ein taktiler Reiz an einem Finger für virtuelle Berührungen abgegeben werden kann, der die Empfindung einer tatsächlichen Berührung eines realen Objekts realistisch für einen Träger der Vorrichtung nachbildet.
Obige Ausführungen, die auf die unbedeckte Fingerbeere auf Grund der Anordnung und Ausrichtung der Vorrichtung Bezug nehmen, sind analog auf die nachfolgend
beschriebene Ausführungsform anzuwenden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Halterung derart ausgeführt, dass im auf den Finger aufgesteckten Zustand der Halterung die Fingerkuppenspitze des
Fingerendglieds frei zugänglich und erhaben gegenüber der Halterung ist. Ähnlich zu einer unbedeckten Fingerbeere weist diese vorteilhafte Ausführungsform zusätzlich eine unbedeckte und frei zugängliche Fingerkuppenspitze auf. Dabei ist die Halterung vorteilhaft derart am Fingerendglied angeordnet, sodass auch die Fingerkuppenspitze des Fingerendglieds ein Objekt zu berühren vermag, ohne dass dabei die Halterung oder ein anderes Element der Vorrichtung sich dazwischen befindet und somit im Wege stehen oder stören könnte. Vorteilhaft ist es dadurch einem Träger der Vorrichtung möglich, insbesondere sowohl mit der Fingerbeere als auch mit der Fingerkuppenspitze des betreffenden Fingerendglieds, auf das die Vorrichtung aufgesteckt ist, reale Objekte zu berühren, ohne dass ein Element der Vorrichtung sich dazwischen befindet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit jeweils dazu ausgeführt, haptische Signale durch die Erzeugung von Kräften und/oder Drehmomenten auszugeben. Die übertragenen Käfte/Drehmomente können zeitvariabel bspw. mit jeweils einer Frequenz und Amplitude, die zudem zeitabhängig sein können, von den Ausgabeeinheiten erzeugt werden.
Bevorzugt erfolgt die Kraft/Drehmomentaufbringung an den Ausgabeeinheiten durch Piezoaktuatoren, elektroaktive Polymere oder Formgedächtnismaterialien, wobei sich letztere bevorzugt abhängig von einem Stromfluss erwärmen/abkühlen und so einstellbar verformen. Alternativ werden insbesondere mikroelektronische Motoren oder
Linearaktuatoren verwendet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit jeweils dazu ausgeführt, haptische Signale durch die Erzeugung von oszillierenden Kräften und/oder oszillierenden Drehmomenten auszugeben. Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass durch Ausnutzung einer bekannten mechanischen
Gewebedynamik und über eine gezielte Anregung dieser bestimmte Eindrücke erzeugt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit jeweils mehrere Segmente, insbesondere mehrere Aktuatoren, zur jeweiligen Ausgabe haptischer Signale auf, wobei die einzelnen Segmente von der Steuereinheit jeweils einzeln ansteuerbar sind. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind an der Halterung mehrere erste Ausgabeeinheiten und mehrere zweite Ausgabeeinheiten, wie vorstehend beschrieben angeordnet.
Bevorzugt sind die Segmente/Aktuatoren der jeweiligen Ausgabeeinheit jeweils dazu ausgeführt, unabhängig voneinander einen aperiodischen oder periodischen Kraftverlauf oder Momentenverlauf, oder Vibrationen zu erzeugen. Vorteilhaft entstehen dadurch weitere Freiheitsgrade für die Stimulation des Tastsinns an einem Fingerendglied, insbesondere können so unterschiedlich berührempfindliche Zonen am Fingerendglied berücksichtigt werden. Bevorzugt sind die Verhältnisse der Beaufschlagungen mit einer Kraft über die Segmente einstellbar und insbesondere an die jeweilige Person anpassbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Umgebungssensor zum Ermitteln einer Umgebung der Vorrichtung vorhanden, wobei der Umgebungssensor eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst:
eine Kamera für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, - eine Kamera für Licht im infraroten Wellenlängenbereich,
eine Time-of-Flight Kamera,
eine Stereokamera, einen Ultraschall-Abstandssensor,
einen Laser-Abstandssensor,
einen Luftfeuchtigkeitssensor,
einen Temperatursensor,
- einen Luftdrucksensor,
einen Helligkeitssensor,
einen UV-Sensor,
einen Gravitationssensor,
einen Lagesensor.
Vorteilhaft ist der Umgebungssensor an der Halterung angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Humansensor zum Ermitteln physiologischer Parameter am Fingerendglied vorhanden, wobei die physiologischen Parameter eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen:
eine Körpertemperatur,
eine elektrische Leitfähigkeit der Haut,
eine Pulsfrequenz,
einen Blutdruck,
- einen Hormonwert,
einen Blutzuckerwert,
eine Sauerstoffsättigung.
Vorteilhaft ist der Humansensor an der Halterung angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Interaktionseinheit (Mensch- Maschine-Interface) zur Eingabe und/oder Ausgabe von Informationen für eine Bedienung der Vorrichtung durch einen Benutzer und/oder für eine Benachrichtigung des Benutzers vorhanden, wobei die Interaktionseinheit eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst:
Leuchtdiode LED,
LCD- oder LED Bildschirm,
Touchscreen,
Taster,
- Schalter,
taktile Sensorhaut,
Lautsprecher, Mikrofon für Spracheingabe/-steuerung.
Die Interaktionseinheit ist vorteilhaft mit der beschriebenen Vorrichtung drahtgebunden oder drahtungebunden verwendbar. Vorteilhaft ist die Interaktionseinheit an der Halterung angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Kraftsensor zum Ermitteln einer durch das Fingerendglied auf eine Umgebung ausgeübte Kraft vorhanden. Vorteilhaft ist der Kraftsensor an der Halterung angeordnet. Vorteilhaft ist damit eine Interaktion in einer „Virtual Reality"-Umgebung zwischen einem Benutzer und einem Computersystem möglich, da nicht nur die Person eine taktile Rückmeldung bekommt, sondern auch das Computersystem eine Rückmeldung über die aufgewendete Kraft des Benutzers.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Kommunikationseinheit zur
Kommunikation mit einer zweiten identischen Vorrichtung an einem anderen
Fingerendglied vorhanden. Die Kommunikationseinheit ist vorteilhaft an der Halterung angeordnet. Natürlich weist auch die zweite identische Vorrichtung eine entsprechende Kommunikationseinheit auf. Vorteilhaft wird in dieser Ausführungsform eine
Informationsübertragung zwischen mindestens zwei der vorgeschlagenen Vorrichtungen erreicht, sodass komplexe taktile Informationen gezielt an mehrere Fingerendglieder übertragen werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Schnittstelle zum Übermitteln von Daten und/oder Informationen und/oder Energie zwischen der Vorrichtung und einem Handexoskelett und/oder einer externen Stromversorgung vorhanden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Handexoskelett mit einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung. Vorteilhafte Weiterbildungen des Handexoskeletts ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der zur vorgeschlagenen
Vorrichtung vorstehend gemachten Ausführungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zum Aufstecken auf ein Fingerendglied, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Halterung zum lateralen und longitudinalen lösbaren Fixieren der Vorrichtung auf dem Fingerendglied, eine erste Ausgabeeinheit zur Ausgabe erster haptischer Signale, eine zweite
Ausgabeeinheit zur Ausgabe zweiter haptischer Signale, und eine Steuereinheit zum Ansteuern der ersten und der zweiten Ausgabeeinheit, wobei die Halterung derart ausgeführt ist, dass im auf den Finger aufgesteckten Zustand der Halterung die
Fingerbeere des Fingerendglieds frei zugänglich und erhaben gegenüber der Halterung ist, und die erste und die zweite Ausgabeeinheit derart an der Halterung angeordnet sind, dass in einem auf den Finger aufgesteckten Zustand der Vorrichtung die erste
Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit das Fingerendglied seitlich
gegenüberliegend kontaktieren. Das Verfahren umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt erfolgt ein Fixieren der Vorrichtung an dem Fingerendglied mittels der Halterung. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Ansteuern der ersten Ausgabeeinheit und der zweiten Ausgabeeinheit durch eine Steuereinheit. In einem dritten Schritt erfolgt ein Ausgeben erster haptischer Signale für einen taktilen Reiz an dem Fingerendglied durch die erste Ausgabeeinheit, und ein Ausgeben zweiter haptischer Signale für einen taktilen Reiz an dem Fingerendglied durch die zweite Ausgabeeinheit.
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der vorstehend zur vorgeschlagenen Vorrichtung gemachten Ausführungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder
funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung auf einem Fingerendglied gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine Vorrichtung auf einem Fingerendglied gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiei der Erfindung, und
Fig. 3 ein Verfahren für den Betrieb einer Vorrichtung zum Aufstecken auf ein
Fingerendglied gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Aufstecken auf einen Finger. Eine Halterung 1 dient als Rahmen der Vorrichtung 100 zum lateralen und longitudinalen lösbaren Fixieren der Vorrichtung 100 auf einem Fingerendglied des Fingers. Der Rahmen weist eine leichte Elastizität auf, um auf Finger verschiedener Größen zu passen. An der Halterung 1 ist eine erste Ausgabeeinheit 1 1 zur Ausgabe erster haptischer Signale und eine zweite Ausgabeeinheit 12 zur Ausgabe zweiter haptischer Signale angeordnet. Die
Ausgabeeinheiten sind hier als Schienen ausgeführt, die jeweils seitlich neben der Fingerbeere angeordnet sind, so dass die Fingerbeere in einer palmaren Richtung das am weitesten vorstehende Element weg vom Finger ist.
Fig. 2 zeigt in zwei Ansichten jeweils die Vorrichtung 100 auf einem Finger. Zum
Ansteuern der ersten Ausgabeeinheit 1 1 und der zweiten Ausgabeeinheit 12 ist eine Steuereinheit 20 vorgesehen. Die erste Ausgabeeinheit 1 1 und die zweite Ausgabeeinheit 12 sind jeweils dazu ausgeführt, gemäß den Steuersignalen der Steuereinheit 20 in ihrer Bandbreite beliebige Kraft- oder Momentenverläufe zu erzeugen, die auf das Gewebe des Fingers wirken. Zu den möglichen zeitlichen Verläufen gehören auch Vibrationen. Hier weisen die erste Ausgabeeinheit 1 1 und die zweite Ausgabeeinheit 12 jeweils mehrere Segmente zur jeweiligen Ausgabe haptischer Signale auf, wobei die einzelnen Segmente von der Steuereinheit 20 jeweils einzeln ansteuerbar sind. Es sind drei Segmente je Seite dargestellt. Des Weiteren ist ein Umgebungssensor 31 zum Ermitteln von Daten in einer Umgebung der Vorrichtung 100 vorhanden. Dieser Umgebungssensor 31 weist einen Ultraschall-Abstandssensor, alternativ einen Laser-Abstandssensor, auf. Außerdem dient ein Humansensor 32 zum Ermitteln physiologischer Parameter am Fingerendglied. Die physiologischen Parameter umfassen eine Körpertemperatur, die elektrische Leitfähigkeit der Haut, die Pulsfrequenz und den Blutdruck des Trägers der Vorrichtung 100. Zum Ermitteln einer durch das Fingerendglied auf eine Umgebung ausgeübte Kraft dient ein Kraftsensor 70. Eine Interaktionseinheit 40 erlaubt eine Eingabe und eine Ausgabe von Informationen für eine Bedienung der Vorrichtung 100 für einen Benutzer. Darüberhinaus erlaubt eine Kommunikationseinheit 50 eine Kommunikation mit einer zweiten Vorrichtung an einem anderen Finger, wobei die zweite Vorrichtung die technischen Merkmale der hierin beschriebenen Vorrichtung 100 aufweist. Das Übermitteln von Daten und Energie zwischen der Vorrichtung 100 und einem Handexoskelett mit einer Stromversorgung übernimmt eine Schnittstelle 60. Bevorzugt basiert die Schnittstelle auf dem USB- Standard.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren für den Betrieb einer Vorrichtung 100 zum Aufstecken auf ein Fingerendglied, wobei die Vorrichtung 100 umfasst: eine Halterung 1 zum lateralen und longitudinalen lösbaren Fixieren der Vorrichtung 100 auf dem Fingerendglied, eine erste Ausgabeeinheit 1 1 zur Ausgabe erster haptischer Signale, eine zweite Ausgabeeinheit 12 zur Ausgabe zweiter haptischer Signale, und einer Steuereinheit 20 zum Ansteuern der ersten und der zweiten Ausgabeeinheit, wobei die Halterung 1 derart ausgeführt ist, dass im auf den Finger aufgesteckten Zustand der Halterung 1 die Fingerbeere des
Fingerendglieds frei zugänglich und erhaben gegenüber der Halterung 1 ist, und die erste und die zweite Ausgabeeinheit 12 derart an der Halterung 1 angeordnet sind, dass in einem auf den Finger aufgesteckten Zustand der Vorrichtung 100 die erste
Ausgabeeinheit 1 1 und die zweite Ausgabeeinheit 12 das Fingerendglied seitlich gegenüberliegend kontaktieren. Das Verfahren umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Fixieren der Vorrichtung 100 an dem Fingerendglied mittels der Halterung 1 . In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Ansteuern der ersten Ausgabeeinheit und der zweiten Ausgabeeinheit durch die Steuereinheit 20. In einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Ausgeben erster haptischer Signale für einen taktilen Reiz an dem
Fingerendglied durch die erste Ausgabeeinheit 1 1 . In einem vierten Schritt S4 erfolgt ein Ausgeben zweiter haptischer Signale für einen taktilen Reiz an dem Fingerendglied durch die zweite Ausgabeeinheit 12. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele
eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der
Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden
Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird. Bezugszeichenliste
1 Halterung
1 1 erste Ausgabeeinheit
12 zweite Ausgabeeinheit
20 Steuereinheit
31 Umgebungssensor
32 Humansensor
40 Interaktionseinheit
50 Kommunikationseinheit
60 Schnittstelle
70 Kraftsensor
100 Vorrichtung
S1 Fixieren
S2 Ansteuern
S3 Ausgeben
S4 Ausgeben

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung (100) zum Aufstecken auf einen Finger, aufweisend:
eine Halterung (1 ) zum lateralen und longitudinalen lösbaren Fixieren der
Vorrichtung (100) auf einem Fingerendglied des Fingers,
eine erste Ausgabeeinheit (1 1 ) zur Ausgabe erster haptischer Signale, eine zweite Ausgabeeinheit (12) zur Ausgabe zweiter haptischer Signale, und eine Steuereinheit (20) zum Ansteuern der ersten und der zweiten
Ausgabeeinheit,
wobei
die Halterung (1 ) derart ausgeführt ist, dass im auf den Finger aufgesteckten Zustand der Halterung (1 ) die Fingerbeere des Fingerendglieds frei zugänglich und erhaben gegenüber der Halterung (1 ) ist,
die erste und die zweite Ausgabeeinheit (12) derart an der Halterung (1 ) angeordnet sind, dass in einem auf den Finger aufgesteckten Zustand der Vorrichtung (100) die erste Ausgabeeinheit (1 1 ) und die zweite
Ausgabeeinheit (12) das Fingerendglied seitlich gegenüberliegend kontaktieren, und
die erste Ausgabeeinheit (1 1 ) und die zweite Ausgabeeinheit (12) jeweils dazu ausgeführt sind, durch die Ausgabe haptischer Signale taktile Reize an dem Fingerendglied zu erzeugen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 ,
wobei die Halterung (1 ) derart ausgeführt ist, dass im auf den Finger aufgesteckten Zustand der Halterung (1 ) die Fingerkuppenspitze des Fingerendglieds frei zugänglich und erhaben gegenüber der Halterung (1 ) ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die erste Ausgabeeinheit (1 1 ) und die zweite Ausgabeeinheit (12) jeweils dazu ausgeführt sind, haptische Signale durch die Erzeugung von Kräften und/oder Drehmomenten auszugeben.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 bis 3: wobei die erste Ausgabeeinheit (1 1 ) und die zweite Ausgabeeinheit (12) jeweils dazu ausgeführt sind, haptische Signale durch die Erzeugung von oszillierenden Kräften und/oder oszillierenden Drehmomenten auszugeben.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die erste Ausgabeeinheit (1 1 ) und die zweite Ausgabeeinheit (12) jeweils mehrere Segmente zur jeweiligen Ausgabe haptischer Signale aufweisen, wobei di einzelnen Segmente von der Steuereinheit (20) jeweils einzeln ansteuerbar sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der ein Umgebungssensor (31 ) zum Ermitteln einer Umgebung der Vorrichtung (100) vorhanden ist, wobei der Umgebungssensor (31 ) eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst:
eine Kamera für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich,
eine Kamera für Licht im infraroten Wellenlängenbereich,
eine Time-of-Flight Kamera,
eine Stereokamera,
einen Ultraschall-Abstandssensor,
einen Laser-Abstandssensor,
einen Luftfeuchtigkeitssensor,
einen Temperatursensor,
einen Luftdrucksensor,
einen Helligkeitssensor,
einen UV-Sensor,
einen Gravitationssensor,
einen Lagesensor.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der ein Humansensor (32) zum Ermitteln physiologischer Parameter am Fingerendglied vorhanden ist, wobei die physiologischen Parameter eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen:
eine Körpertemperatur,
eine elektrische Leitfähigkeit der Haut,
eine Pulsfrequenz,
einen Blutdruck,
einen Hormonwert,
einen Blutzuckerwert, eine Sauerstoffsättigung.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der eine Interaktionseinheit (40) zur Eingabe und/oder Ausgabe von
Informationen für eine Bedienung der Vorrichtung (100) durch einen Benutzer und/oder für eine Benachrichtigung des Benutzers vorhanden ist, wobei die Interaktionseinheit (40) eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst:
Leuchtdiode LED,
LCD- oder LED Bildschirm,
Touchscreen,
Taster,
Schalter,
taktile Sensorhaut,
Lautsprecher,
Mikrofon für Spracheingabe/-steuerung.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der eine Kommunikationseinheit (50) zur Kommunikation mit einer zweiten
Vorrichtung (100) an einem anderen Finger vorhanden ist.
Verfahren für den Betrieb einer Vorrichtung (100) zum Aufstecken auf ein
Fingerendglied, wobei die Vorrichtung (100) umfasst:
eine Halterung (1 ) zum lateralen und longitudinalen lösbaren Fixieren der
Vorrichtung (100) auf dem Fingerendglied,
eine erste Ausgabeeinheit (1 1 ) zur Ausgabe erster haptischer Signale, eine zweite Ausgabeeinheit (12) zur Ausgabe zweiter haptischer Signale, und eine Steuereinheit (20) zum Ansteuern der ersten und der zweiten
Ausgabeeinheit,
wobei die Halterung (1 ) derart ausgeführt ist, dass im auf den Finger aufgesteckten Zustand der Halterung (1 ) die Fingerbeere des Fingerendglieds frei zugänglich und erhaben gegenüber der Halterung (1 ) ist, und die erste und die zweite
Ausgabeeinheit (12) derart an der Halterung (1 ) angeordnet sind, dass in einem auf den Finger aufgesteckten Zustand der Vorrichtung (100) die erste Ausgabeeinheit (1 1 ) und die zweite Ausgabeeinheit (12) das Fingerendglied seitlich
gegenüberliegend kontaktieren, mit folgenden Schritten:
Fixieren (S1 ) der Vorrichtung (100) an dem Fingerendglied mittels der
Halterung (1 ), Ansteuern (S2) der ersten Ausgabeeinheit und der zweiten Ausgabeeinheit durch die Steuereinheit (20),
Ausgeben (S3) erster haptischer Signale für einen taktilen Reiz an dem Fingerendglied durch die erste Ausgabeeinheit (1 1 ), und
- Ausgeben (S4) zweiter haptischer Signale für einen taktilen Reiz an dem
Fingerendglied durch die zweite Ausgabeeinheit (12).
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